DE2425872B2

DE2425872B2 - Wechselstromerregter Meßwertgeber

Info

Publication number: DE2425872B2
Application number: DE19742425872
Authority: DE
Inventors: Geoffrey John Purton Wiltshire Harris (Grossbritannien)
Original assignee: Square D Co
Current assignee: Schneider Electric USA Inc
Priority date: 1973-05-29
Filing date: 1974-05-28
Publication date: 1979-03-22
Also published as: GB1477304A; CA1046607A; DE2425872C3; FR2231970A1; FR2231970B1; DE2425872A1; IT1011891B

Description

und der Bewegungsrichtung eines Körpers weist einen Magnetkern 1 auf, der aus magnetisch leitenden Eisenblechen zusammengesetzt und mit Polen 2, 3, 4 versehen ist- Der Magnetkern 1 ist im wesentlichen E-förmig.

Die Flächen 5,6,7 der Pole 2,3,4 sind jeweils konkav ausgebildet, so daß sie in ihrer Gestalt komplementär beispielsweise zu einer nicht weiter dargestellten, leitfähigen zylindrischen Welle sind, die magnetisch oder nicht magnetisch sein kann. Der Magnetkern 1 ist bezüglich der Welle derart angeordnet, daß die Polfiächen 5, 6, 7 in geringem gleichem Abstand zu der Umfangsfläche der zylindrischen Welle liegen.

Der Pol 2 trägt eine Spule 11, die in Reihe zu einer auf dem Pol 3 sitzenden Spule 12 liegt. Die beiden Spulen is U, 12 sind an eine Wechselspannungsquelle mit sinuswellenförmiger Spannung angeschlossen, die die Spulen erregt Der resultierende Strom erzeugt einen magnetischen Wechselfluß zwischen den Polflächen 5,6, der durch die zylindrische Welle verläuft. Der Pol 4 trägt eine Fühlspule 13, die an eine Meßeinrichtung angeschlossen ist.

Wenn die Welle stillsteht und die Spulen li, 12 durch die Wechselspannungsquelle erregt sind, ist die Polarität des Magnetismus längs des Magnetkerns 1 derart, daß sie an dem Pol 4 im Gleichgewicht steht und sich gegenseitig auslöscht. Das Ergebnis ist, daß in der Fühlspule 13 auf dem Pol 4 keine Wechselspannung der Netzfrequenz induziert wird. Es tritt zwar eine kleine harmonische Restspannung auf, doch ist diese verhält- u> nismäßig unbedeutend. Der Pol 4 ist an dem Magnetkern 1 an einer Stelle magnetischen Gleichgewichts bezüglich der Pole 2, 3 angeordnet, wenn diese aus einer Wechselspannungsquelle erregt sind und das Magnetfeld zwischen den Polen 2, 3 nicht durch die Bewegung eines anderen Gegenstandes in diesem Feld verschoben ist.

Wenn die Welle umläuft und die Spulen 11, 12 durch die Wechselspannungsquelle erregt sind, tritt an dem Pol 4 ein magnetisches Ungleichgewicht auf, durch das -»o eine Spannung der gleichen Frequenz wie jene der Spannungsquelle in der Spule 13 induziert wird. Die Größe des magnetischen Ungleichgewichtes an dem Pol 4 hängt von der Drehzahl der Welle ab. Die Amplitude der Ausgangsspannung der Spule 13 für die Fühleinrich- ■*■'> tung 17 ist deshalb von der Drehzahl der Welle abhängig.

Das Material der Welle kann so betrachtet werden, als wenn es aus vielen elementaren Strompfaden bestünde; die Wirkung des magnetischen Wechselfeldes ^r>" zwischen den Polflächen 6,6 wird deshalb bei Erregung (wegen der Transformatorwirkung) Wechselströme von Netzfrequenz induzieren, die in dem Material zirkulieren, wobei die Stromrichtung räumlich um 90° gegenüber dem Magnetfluß gedreht ist. Dieser Strom ^r>> ruft ein zweites induziertes magnetisches Flußfe'd hervor, dessen Richtung so ist, daß es dem ersten magnetischen Feld entgegenwirkt. Die resultierende Flußverteilung längs des Magnetkerns und an der Welle bleibt bei feststehender Welle im Gleichgewicht. Bei w> umlaufender Welle werden das von außen angelegte und das induzierte Feld gegeneinander verschoben, so daß der resultierende Streufluß zwischen den Polen 2,4 bezüglich dem zwischen den Polen 3, 4 auftretenden Streufluß aus dem Gleichgewicht kommt. An dem Pol 4 ·>"> herrschen damit solche Bedingungen, daß wegen des magnetischen Ungleichgewichtes eine Flußktimponente auftritt, die eine Ausgangsspannung in der Spule 13 des Poles 4 induziert, deren Frequenz die gleiche wie jenc der Wechselspannungsquelle ist.

Die Phasenlage der Ausgangsspannung bezüglich der angelegten Netzspannung hängt von der Drehrichtung der Welle 14 ab; sie ist entweder in Phase, bei Drehung in dem einen Sinn oder um 180° in der Phase verschoben, wenn die Drehung im anderen Sinne geschieht. Wenn z. B. bei Drehung in einen Sinne zwischen den Polen 2,4 ein größerer Streufluß auftritt, so daß eine Spannung in der Spule 14 auf dem Pol 4 induziert wird, so ist die in der Spule 13 auf dem Pol 4 induzierte Spannung etwas negativ, wenn der Po! 2 positiv und sein gegenüberliegender Pol 3 negativ sind Bei Drehung im umgekehrten Sinn tritt ein größerei Streufluß zwischen den Polen 3,4 auf; es wird deshalb ir der Spule 13 eine Spannung induziert, die positiv (oderbezüglich der Verhältnisse bei der Drehung im ersten Sinne vor.entgegengesetzter Polarität) ist, wenn der Po 2 positiv und der Pol 3 negativ sind. Mt anderen Worter kann die an dem Hol 4 induzierte Spannung be gegebener Polarität der Pole 2, 3 abhängig von der Richtung der Drehbewegung des Körpers entweder positiv oder negativ sein. Wenn die induzierte oder Ausgaf gsspannung in Phase mit der angelegten Spannung ist, während der Pol 4 negativ ist (was durch eine Drehbewegung in einer Richtung hervorgerufen ist), so muß sie um !80° phasenverschoben sein, wenn der Pol 4 positiv ist (was durch eine Drehbewegung in der umgekehrten Richtung hervorgerufen wird). Durch Überwachung der Phasenlage zwischen der Ausgangsspannung und der angelegten Spannung kann deshalb die Bewegungsrichtung eines Körpers in dem zwischen den Polen 2, 3 bestehenden Magnetfeld festgestellt werden.

Der Magnetkern 1 gestattet es ersichtlich, die Drehzahl oder Bewegungsrichtung von Wellen großen Durchmessers, z. B. Schwungrädern, festzustellen, weil die Polflächen 5, 6, 7 so geformt sind, daß sie nur einem kleinen Teil des Umfanges des überwachten Körpers entsprechen.

Wie zu ersehen, besteht keine mechanische oder elektrische Verbindung zu dem überwachten Körper; es ist nicht notwendig, an diesem etwas zu befestigen oder den Körper in irgendeiner Weise abzuändern, mit der Ausnahme, daß gegebenenfalls eine nicht ferromagnetische Büchse auf eine ferromagnetische Welle aufgebracht wird.

Die Meßeinrichtung kann ein Voltmeter sein, das auf die Amplitude der induzierten Spannung anspricht, um die Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers anzuzeigen, sie kann auch ein an sich bekanntes Spannungsrel?is s. if-, das bei einer bestimmten Spannung öffnet oder schließt, um die Bewegungsgeschwindigkeit zu steuern. Die Meßeinrichtuiig kann eine Phasendenktorschaltung enthalten, um die Phasenlage zwischen den Strömen oder Spannungen in zwei Schaltungsteilen festzustellen und anzuzeigen; sie kann eine Netzrelaisschaltung enthalten, die durch einen Thyristor (SCR) ihrerseits gesteuert sein kann, der auf Veränderungen in der Phasenlage anspricht. Auf diese Weise kann die Bewegung eines Körpers, welcher eine Funktion der Phasenlage zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangsspannung ist, sowohl angezeigt als auch durch solche Fühleinrichlungen gesteuert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Wechselstromerregter Meßwertgeber zur berührungsfreien Messung der Geschwindigkeit eines bewegten Körpers mit elektrisch leitender Oberfläche, mit einer Magnetanordnung in Ε-Form, deren Magnetkern auf den beiden außen liegenden Schenkeln jeweils eine aus einer Wechselspannungsquelle erregte Erregerspule und auf dem dritten Schenkel eine Fühlspule trägt, von Jenen durch die beiden Erregerspulen ein über den Körper und über Polflächen der außen liegenden Schenkel sich schließendes Magnetfeld erzeugbar ist und die Fühlspule in einer bei stillstehendem Körper von magnetischen Feldern der Wechselstromgrundfrequenz im wesentlichen freien Zone liegt, sowie bei sich bewegendem Körper mit einem aus einer von der Bewegung des Körpers herrührenden Ungleichmäßigkeit der Flußverteilung in der Magnetanordnung sich ergebenden Wechselfluß verkettet ist, durch der» ji der Fühlspule ein geschwindigkeitsabhängiges Ausgangssigna! induziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Umfangsgeschwindigkeit und/oder der Bewegungsrichtung eines Körpers mit gekrümmter Oberfläche, dessen Durchmesser größer ist als der Abstand zwischen den beiden Erregerpolflächen (5, 6), die Magnetanordnung lediglich einen einzigen E-Magnetkern aufweist, dessen die Fühlspule (13) tragender mittlerer Schenkel (14) kürzer ist als die beiden außen liegenden Schenkel (2,3), und daß die Polflächen (? 6, 7) aller Schenkel entsprechend den jeweils gegenüberliegenden Teilen der gekrümmten Oberfläche des Körpers gestaltet sind.

Die Erfindung betrifft einen wechselstromerregten Meßwertgeber zur berührungsfreien Messung der Geschwindigkeit eines bewegten Körpers mit elektrisch leitender Oberfläche, mit einer Magnetanordnung in Ε-Form, deren Magnetkern auf den beiden außen liegenden Schenkeln jeweils eine aus einer Wechselspannungsquelle erregte Erregerspule und auf dem dritten Schenkel eine Fühlsoule trägt, von denen durch die beiden Erregerspulen ein über den Körper und über Polflächen der außen liegenden Schenkel sich schließendes Magnetfeld erzeugbar ist und die Fühlspule in einer bei stillstehendem Körper von magnetischen Feldern der Wechselstromgrundfrequenz im wesentlichen freien Zone liegt, sowie bei sich bewegendem Körper mit einem aus einer von der Bewegung des Körpers herrührenden Ungleichmäßigkeit der Flußverteilung in der Magnetanordnung sich ergebenden Wechselfluß verkettet ist, durch den in der Fühlspule ein geschwindigkeitsabhängiges Ausgangssignal induziert wird.

Ein aus der DE-GM 71 42 348 bekannter wechselstromerregter Meßwertgeber dieser Art dient zum berührungsfreien Messen der Geschwindigkeit eines entlang einer Bahn bewegten Schwebefahrzeuges. Seine Magnetanordnung weist zwei übereinstimmend ausgebildete E-förmige Magnetkerne auf, deren freie Schenkel mit ihren stirnseitigen Enden unter Ausbildung eines Luftspaltes für die Schiene der Bahn einander auf Abstand gegenüberstehen, wobei die Außenschenkel die Erregerspulen und die Mittelschenkel die Fühlspulen tragen. Dieser Aufbau des Meßwertgebers setzt voraus. daß die Schiene oder allgemein der elektrisch leitende Körper auf zwei gegenüberliegenden Seiten frei sieht und somit zwischen die einander gegenüberliegenden Polflächen der beiden Ε-Magnetkerne eingeführt werden kann. Beispielsweise bei der Messung der Drehzahl großer Wellen oder von Schwungrädern großen Durchmessers ist eine derartige Ausbildung der Magnetanordnung des Meßwertgebers nicht mehr möglich, weil die beiden E-förmigen Magnetkerne in einem so großen Abstand zueinander angeordnet werden müßten, daß eine sichere stabile Halterung nicht mehr möglich ist. Davon abgesehen würde der magnetische Widerstand des in dem Magnetfeld liegenden Teiles des Körpers einen unzulässig hohen

'"■ Wert des Magnesierungsstromes der Erregerspulen ergeben.

Bei einem anderen, aus der DE-PS 7 58 835 bekannten Meßwertgeber ist die Magnetanordnung nach Art des Ständers einer Induktionsmaschine aufgebaut, was bedeutet, daß der Magnetkern den elektrisch leitenden Körper, beispielsweise eine Welle, vollständig umgibt. Ein solcher Meßwertgeber ist demgemäß grundsätzlich nur zur Messung der Drehzahl von kreiszylindrischen Körpern verhältnismäßig klei-

-' nen Durchmessers geeignet, weil sonst die Magnetanordnung nicht mehr gehandhabt werden kann. Abgesehen davon, daß bei größeren Durchmessern Probleme der Steifigkeit aukreten würden, die zu willkürlichen Änderungen des Luftspaltes und damit zu einer

^J" Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit führen würden.

Aufgabe der F.rfindung ist es, einen Meßwertgeber der eingangs genannten Art zu schaffen, der zum Einsatz bei Wellen, Schwungrädern oder allgemeinen Körpern mit gekrümmter Oberfläche geeignet ist, die

^r> einen im Vergleich zu den Abmessungen des Meßwertgebers großen Durchmesser aufweisen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Meßwertgeber erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, da3 zur Messung der Umfangsgeschwindigkeit und/oder der

^4I) Bewegungsrichtung eines Körpers mit gekrümmter Oberfläche, dessen Durchmesser größer ist als der Abstand zwischen den beiden Erregerpolflächen, die Magnetanordnung lediglich einen einzigen E-Magnetkern aufweist, dessen die Fühlspule tragender mittlerer

^4y Schenkel kürzer ist als die beiden außen liegenden Schenkel, und daß die Polflächen aller Schenkel entsprechend den jeweils gegenüberliegenden Teilen der gekrümmten Oberfläche des Körpers gestaltet sind.

Der Meßwertgeber kann sehr einfach gehandhabt

^>0 werden, weil der einzige Magnetkern lediglich an einer Stelle an die umlaufende Oberfläche des bewegten Körpers unter Ausbildung eines möglichst kleinen I uftspaltes herangebracht werden muß. Gleichzeitig können die PolfläLhen des Ε-Magnetkerns in sehr

" einfacher Weise entsprechend der Krümmung der Oberfläche des Körpers bearbeitet werden, weil sie nach außen hin freiliegen und deshalb für das Werkzeug frei zugänglich sind. Durch einfache zweckentsprechende Bearbeitung dieser Polflächen entsprechend der Gestaltung der Oberfläche des Körpers kann deshalb der Meßwertgeber für eine Vielzahl unterschiedlicher bewegter Körper eingesetzt werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Die Figur zeigt

einen Meßwertgeber gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht.

Der in der Figur der Zeichnung dargestellte Meßwertgeber zur Überwachung der Geschwindigkeit