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Einrichtung zur Übermittlung von als elektrische Wechselspannungen
oder -ströme dargestellten Werten zwischen zwei relativ zueinander rotierenden Körpern
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe geht davon aus, eine Messung und betriebsmäßige
überwachung von Zuständen, insbesondere von Temperaturen, am rotierenden Läufer
von elektrischen Maschinen oder anderen umlaufenden Körpern zu bewerkstelligen.
Dabei kommt es darauf an, die gemessenen Werte nach außen hin auf ein feststehendes
Anzeigegerät zu übermitteln.
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Ähnliche Aufgaben liegen auch dort vor, wo es sich darum handelt,
Steuerbefehle od. dgl. von einem feststehenden zu einem bewegten Maschinenteil und
umgekehrt zu übermitteln. Die Übertragung der jeweiligen Größe muß dabei unabhängig
von der relativen Geschwindigkeit der beiden Körper zueinander sein.
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Allgemein bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung zur Übermittlung
von als elektrische Größen dargestellten Werten zwischen zwei relativ zueinander
rotierenden Körpern mit gemeinsamer Rotationsachse, wobei noch die Forderung erfüllt
werden muß, daß die übertragung der Werte drehzahlunabhängig erfolgt und gegebenenfalls
vorhandenes axiales oder radiales Spiel die Übermittlung nicht oder nur unwesentlich
beeinträchtigt.
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Wenn es bisher darauf ankam, Spannungen und Ströme zwischen feststehenden
und rotierenden Körpern drehzahlunabhängig zu übertragen, so hat man sich im allgemeinen
schleifender Kontakte bedient. Eine auf einem Schleifring laufende Kontaktbürste
bedeutet aber eine unsichere Stromübergangsstelle, die für viele Anwendungsfälle,
insbesondere in der Meßtechnik eine Verfälschung bzw. Störung des zu übertragenden
Wertes herbeiführen kann. Die Kontaktstelle unterliegt im Betrieb einer ständigen
Abnutzung, wobei derübergangswiderstand durchfremde; ungewollte Einflüsse, z. B.
durch Staub, öl oder Fremdkörper, verändert werden kann. Die Unsicherheit der schleifenden
Kontaktgabe kann in den Fällen, bei denen es auf eine hohe Genauigkeit oder Sicherheit
der zu übermittelnden Werte ankommt, die einwandfreie Übertragung in Frage stellen
und beim Messen die Gefahr einer derartigen Verfälschung des Meßergebnisses bedeuten,
daß eine Meßwertübertragung auf diese Weise mit außerordentlichen Schwierigkeiten
verbunden ist.
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Um diese Nnachteile zu vermeiden, macht die Erfindung von der Maßnahme
Gebrauch, die zu übermittelnden Werte als Wechselstromgrößen auf induktivem Wege
zu übertragen. So ist es an sich bereits bekannt, an den relativ zueinander beweglichen
Körpern Wicklungen anzuordnen, die bei geeigneter Lage zueinander das Induzieren
von Spannungen in der einen Wicklung bei in der anderen Wicklung fließenden Wechselströmen
gestatten. Bei einer bekannten Einrichtung mit beweglicher und feststehender Spule
geht es darum, kleine Lageänderungen zu erfassen und fernsichtbar zu machen. Dabei
ist aber gerade die Übermittlung lageabhängig, so daß sich eine derartige Einrichtung
nicht dazu eignen kann, drehzahlunabhängig Meßwerte von einem bewegten Körper aus
auf einen feststehenden zu übertragen. Auch mit einer bekannten Anordnung zur Signalabgabe
von einem Förderkorb oder einem anderen bewegten Körper aus wäre es nicht möglich,
auf diese Weise exakte Meßwerte zu übertragen, da das übermittelte Signal von der
Bewegungsgeschwindigkeit abhängt und die induzierte Spannung um so geringer wird,
je mehr sich der bewegte Körper verlangsamt, so daß im Stillstand kein Signal- mehr
gegeben werden kann. Auch bei einer Weiterbildung einer derartigen Einrichtung,
bei der zwei geschlossene Leiterschleifen am Förderkorb vorgesehen sind, sind die
induzierten Spannungen bei Bewegung des Förderkorbes infolge des sich dabei ändernden
Kopplungsgrades nicht mehr proportional dem Eingangssignal.
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Die Einrichtung nach der Erfindung zur übermittlung von als elektrische
Wechselspannungen oder Wechselströme dargestellten Werten verwendet eine am ersten
Körper angeordnete Wicklung, die mit mindestens einer zugeordneten, auf dem zweiten
Körper befindlichen Wicklung durch gemeinsame magnetische
Feldlinien
gekoppelt ist. Die Erfindung besteht in der Anwendung besonderer Maßnahmen, um nicht
nur eine drehzahlunabhängige Übertragung der Meßwerte vom rotierenden zum feststehenden
Teil zu gewährleisten, sondern darüber hinaus auch etwaige Meßungenauigkeiten, die
durch fehlerhafte Zentrierung, durch axiales und radiales Spiel des rotierenden
Körpers hervorgerufen werden, weitgehend zu vermeiden. Wenn nämlich eine vom Meßwert
beaufschlagte, ringförmig ausgebildete, konzentrisch zur Rotationsachse umlaufende
Spule in dem feststehenden Teil Spannungen induziert, so sind diese induzierten
Spannungen den Meßwerten exakt nur dann verhältnisgleich, wenn weder radiales nach
axiales Spiel des rotierenden Körpers auftritt.
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Es ist an sich bekannt, daß mit Hilfe feststehender und umlaufender
Spulen bei elektrischen Maschinen die Übermittlung elektrischer Größen vorgenommen
wird. So ist z. B. eine Einrichtung zur Anzeige von Drehbewegungen bekanntgeworden,
bei der aber eine von der Drehbewegung abhängige und ihr proportionale Spannung
erzeugt werden soll: Weiterhin ist eine Gebervorrichtung zur Anzeige von Drehbewegungen
bekanntgeworden, bei der eine gezahnte Scheibe aus elektrisch leitendem Material
mit ihrer Zahnung den Luftspalt eines Magneten durchläuft. Bei einer derartigen
Anordnung kann eine drehzahlunabhängige Übermittlung elektrischer Größen nicht oder
nicht ohne weiteres stattfinden, da es dort gerade darum geht, die Drehgeschwindigkeit
zu erfassen. Andererseits könnte man aber bei einer solchen Einrichtung Einflüsse
auf die Signalübermittlung, die von radialen und axialen Verschiebungen des rotierenden
Körpers herrühren, ausschließen. Bei ausreichender Höhenbemessung der gezahnten
Scheibe und bei genügend weiträumiger Gestaltung der Magnetsysteme mit ihren Luftspalten
könnten derartige Einflüsse vermieden werden, wenn auch eine drehzahlunabhängige
Übermittlung an sich nicht stattfinden kann. Bei einer anderen bekannten Gebermaschine,
die der Anzeige von Drehbewegungen oder anderer drehzahlabhängiger Größen dient,
sind Mittel angewendet, um den magnetischen Widerstand des Erregerkreises während
der anzuzeigenden Drehbewegung konstant zu halten. Die Erregung erfolgt dabei durch
eine mit Gleich- oder Wechselstrom gespeiste feststehende Spule, wobei im Stator
abwechselnd bewickelte und unbewickelte magnetische Rückschlüsse derart angeordnet
sind, daß der magnetische Widerstand im wesentlichen unabhängig von der Drehbewegung
ist.
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Im Gegensatz zu den bekannten Kompensationsmaßnahmen besteht die Erfindung
darin, durch Anbringen besonderer Führungen, durch welche das feststehende (nicht
umlaufende) System in einem definierten Abstand vom umlaufenden System gehalten
ist, Einflüsse von etwaigen radialen oder axialen Verschiebungen überhaupt nicht
aufkommen zu lassen.
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Mit besonderem Vorteil kann dabei von einem Rollenlager Gebrauch gemacht
werden. Damit gelingt es, zumindest in einer Ebene Meßverfälschungen von vornherein
auszuschalten, die durch ein etwaiges Lagerspiel auftreten könnten. Wenn man auf
diese Weise z. B. Einflüsse eines radialen Spieles ausschaltet, könnte man darüber
hinaus noch Maßnahmen anwenden, um Auswirkungen von Axialverschiebungen unwirksam
zu machen. Man könnte z. B. daran denken, in an sich bekannter Weise durch Verbreiterang
der Polschuhe dafür zu sorgen, daß auch bei den größten zu erwartenden Auslenkungen
immer noch die gleiche Anzahl von Kraftlinien geschnitten wird.
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Soweit der übertragswert nicht bereits von sich aus als Wechselstromgröße
vorhanden ist, kann man in einfacher Weise vor dem Übertragungsweg eine Umformung,
insbesondere Meßwertumformung, in eine Wechselstromgröße vornehmen und dahinter
wiederum im Bedarfsfalle eine Gleichrichtung erfolgen lassen. In ähnlicher Weise
wie eine solche Meßwertübertragung kann auch die Übertragung von Hilfsspannungen
zum Betrieb der Meßeinrichtungen oder eines Teiles derselben herangezogen werden.
So kann man den Übertragungsweg oder einen zusätzlichen gleichartigen Weg zur Übermittlung
von Hilfsspannungen heranziehen.
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Am umlaufenden Körper kann eine koaxiale ringförmige Wicklung vorgesehen
sein. Diese ist zweckmäßig mit enem ringförmigen Eisenkern, beispielsweise in Form
eines Blechpaketes, versehen. Die mit dieser Wicklung korrespondierenden Wicklungen
am feststehenden Teil können im einfachen Fall als in einer parallelen Achsrichtung
angeordnete Spulen mit geeigneten Eisenkernen ausgebildet sein, es ist aber auch
möglich, eine ringförmige Anordnung in koaxialer Lage zur rotierenden Wicklung vorzusehen.
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Zur Vermeidung eines ungünstigen Einflusses von axialen bzw. radialen
Bewegungen der Welle kann man dafür Sorge tragen, daß die Magnetsysteme so ausgebildet
sind, daß auch bei den größten zu erwartenden Auslenkungen in radialer oder axialer
Richtung immer noch die gleiche Anzahl von Kraftlinien geschnitten wird. So kann
man zur Ausschaltung von Einflüssen des Axialspieles die Breite des Magnetsystems
entweder am feststehenden oder am umlaufenden Teil um so viel größer gestalten,
als die zu erwartende Auslenkung beträgt.
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In ähnlicher Weise .können auch Maßnahmen getroffen werden, um das
Radialspiel in seinem Einfluß auf die zu übertragenden Werte unwirksam zu machen.
Man kann weiterhin auch Kompensationsmaßnahmen treffen, indem beispielsweise in
bekannter Weise an zwei gegenüberliegenden Stellen im feststehenden Teil Magnetsysteme
mit Wicklungen vorgesehen sind, welche hintereinander oder parallel geschaltet sind,
so daß eine Vergrößerung der Kopplung an einem dieser Systeme eine gleichzeitige
Verringerung am gegenüberliegenden System hervorruft und durch Reihen- oder Parallelschaltung
stets ein gleichbleibender Mittelwert vorhanden ist, somit also der Übertragungswert,
insbesondere das Meßergebnis nicht verfälscht wird.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand der Zeichnung näher
erläutert werden. Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele in ihren für die Erfindung
wesentlichen Teilen in vereinfachter, zum Teil stark schematisierter Darstellung.
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In Fig. 1 ist das Prinzip der induktiven Übertragung veranschaulicht,
bei der ein in Pfeilrichtung 1 um die Achse 3 umlaufender Körper 2 mit einer ringförmigen
Wicklung 4 versehen ist, welche in der Darstellung nur als offene Schleife gezeichnet
ist. Die Wicklung 4 bildet mit der feststehenden Wicklung 5 die Primär-bzw. Sekundärseite
eines Transformators, wobei der magnetische Fluß durch die Linie 6 versinnbildlicht
ist. Eine solche Übertragung von Wechselströmen ist in beiden Richtungen möglich.
So kann auch die Wicklung 5 die Primärwicklung sein, wobei der diese
Wicklung
5 durchfließende Strom den Fluß 6 erzeugt, welcher den rotierenden Stromkreis durchsetzt
und in der umlaufenden Wicklung 4 die Sekundärwicklung induziert.
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Um den störenden Einfluß radialer Bewegungen der Welle zum feststehenden
Teil zu kompensieren, kann in bekannter Weise eine Anordnung gewählt werden, wie
sie in Fig. 2 veranschaulicht ist. Hier handelt es sich um eine ähnliche Darstellungsweise,
wie in Fig. 1, be der für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet sind.
Darüber hinaus ist aber eine zweite feststehende Wicklung 7 vorgesehen, deren magnetischer
Fluß 8 ebenfalls den umlaufenden Stromkreis durchsetzt. Die beiden Wicklungen 5
und 7 sind hintereinandergeschaltet, wobei die Summe der induzierten Spannungen
oder induzierenden Spannungen unabhängig von axialen Bewegungen gleichbleibt.
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Eine weitere, ebenfalls den störenden Einfluß radialer Wellenbewegungen
vermeidende Bauart ist in Fig. 3 dargestellt. Hier umgibt die feststehende Wicklung
9 ringförmig die umlaufende Wicklung 4. Die Richtung der magnetischen Flüsse ist
durch die Linien 10 versinnbildlicht.
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In den Fig. 4 und 5 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht,
bei denen Fig. 4 nach dem Prinzip der Fig. 1 und 2 aufgebaut ist, während Fig. 5
eine Bauweise gemäß der Fig. 3 verkörpert. Der feststehende Eisenkörper 11 bzw.
12, vorzugsweise aus Dynamoblech, weist die Wicklungen 5 bzw. 7 und 9 auf. Das rotierende
Glied besteht aus dem Eisenkörper 13, der ein- oder mehrteilig ausgeführt werden
kann und die Wicklung 4 trägt.
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Wie bereits oben erwähnt, kann entweder der feststehende oder der
rotierende Teil des Magnetsystems in bekannter Weise breiter als das Gegenstück
gestaltet werden, wobei der Breitenunterschied von der zu erwartenden Auslenkung
abhängt. Der Einfluß von Luftspaltschwankungen kann dadurch vermieden werden, daß
der Eisenkörper 11 oder 12 durch geeignete Mittel, z. B. Rollenlager, in einem festen
Abstand vom rotierenden Körper gehalten wird.