DE3532510A1 - Drehstromtachogenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehstromtachogenerator mit einem eine insbesondere dreiphasige Wicklung mit z. B. 9 Spulen und 18 Nuten aufweisenden Stator, einem einen radial zur Rotorachse magnetisierten Permanentmagneten tragenden Rotor und einer Einrichtung zum Gleichrichten der von den Spulen der Wicklung des Stators abgegebenen Spannung. Derartige Tachogeneratoren - manchmal auch Tachoduktoren genannt - dienen dazu, Geschwindigkeitswerte, insbesondere Drehzahlen, von Wellen, Rädern u. dgl. in proportionale, elektrische Ströme umzuwandeln. Derartige Tachogeneratoren werden oft in Verbindung mit Regel- und Steuereinrichtungen eingesetzt.

Es sind Drehstromtachogeneratoren der eingangs beschriebenen Art bekannt, z. B. Thalheim "Tachoduktoren" in der Zeitschrift "Der Maschinenmarkt", 65. Jahrgang, Nr. 99 vom 11.12.1959. Dabei weist der Stator eine dreiphasige Wicklung auf, die z. B. aus 12 Spulen bestehen kann. Der im Stator rotierende Rotor besteht aus einem Permanentmagneten, der radial zur Rotorachse magnetisiert ist, z. B. mit vier Polpaaren in symmetrischer Anordnung. Es ist eine Anordnung zum Gleichrichten der von den Spulen der Wicklung des Stators abgegebenen Spannung vorgesehen, die unter Verwendung von Halbleitergleichrichtern ausgebildet ist. Die Wicklung des Stators ist dreiphasig ausgebildet, um bei der anschließenden Gleichrichtung, mittels einer Halbleiterdrehstrombrücke, eine höhere Frequenz der Restwelligkeit zu erhalten. Die bekannten Tachogeneratoren der beschriebenen Art weisen den Vorteil auf, daß sie fremdspannungsfrei und weitgehend verschleißfrei arbeiten. In nachteiliger Weise ist jedoch die Drehzahl-Spannungskennlinie im unteren Bereich nicht linear, bedingt durch die Schleusenspannung der Halbleiter. Dies bedeutet, daß bei kleinen Drehzahlen, also niedrigen Geschwindigkeiten, solche Tachogeneratoren nicht brauchbar sind. Aus diesem Grund wird für die verschiedenen Ausführungen von Tachogeneratoren auch jeweils eine Mindestdrehzahl vorgeschrieben. Weiterhin weisen solche Drehstromgeneratoren systembedingt den Nachteil auf, daß die abgegebene Spannung in ihrer Polarität drehrichtungsunabhängig ist, d. h. es ist anhand der abgegebenen Spannung nicht erkennbar, ob die Welle beispielsweise links oder rechts herum läuft. Schließlich besitzen solche Tachogeneratoren eine schlechte Restwelligkeit in der Größenordnung von 4,2%.

Es sind weiterhin Tachogeneratoren bekannt, die oft auch Kommutator-Gleichstromtachogeneratoren genannt werden. Bei solchen Generatoren ist der Stator mit Permanentmagneten und mit Kohlebürsten bestückt. In Verbindung damit findet ein kupferbewickelter Rotor Verwendung, auf den zwecks Ableitung und Gleichrichtung der erzeugten Spannung ein Kupferkommutator aufgesetzt wird. Ein solcher Tachogenerator dient ebenfalls der Erzeugung einer drehzahlproportionalen Spannung. Vorteilhaft arbeiten Tachogeneratoren dieser Art fremdspannungsfrei. Weiterhin ist es günstig, daß die Spannung in ihrer Polarität drehrichtungsabhängig ist, also somit gleichzeitig eine Aussage über die Drehrichtung gemacht werden kann. Weiterhin besteht auch im unteren Drehzahlbereich eine lineare Abhängigkeit zwischen Drehzahl und Spannnungskennlinie, so daß Tachogeneratoren dieser Art mit Vorteil auch bei sehr kleinen Drehzahlen sinnvoll eingesetzt werden können. Auch besitzen solche Tachogeneratoren eine sehr gute Restwelligkeit infolge höherer Frquenzen, die in der Größenordnung von 4 Promille - bei größeren Drehzahlen - liegt. Bei niedrigen Drehzahlen und Umwelteinflüssen, z. B. Silikondämpfe, ist die Restwelligkeit größer und damit schlechter. Andererseits haben solche Tachogeneratoren aber auch wieder gravierende Nachteile: die stromführenden Kohlebürsten unterliegen notwendigerweise einem Verschleiß. Bei entsprechenden Drehzahlen ist durchaus möglich, daß die Kohlebürsten auch von dem Kommutator abheben können, was eine Signalunterbrechung zur Folge hat. Systembedingt treten an den Kohlebürsten Funken auf, die entsprechende Störungen nach sich ziehen. Kohlebürsten und Kupferkommutator sind darüberhinaus sehr anfällig gegen Feuchtigkeit, ölhaltige Luft und/oder falsche Temperaturen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Drehstromtachogenerator der eingangs beschriebenen Art, also ohne Kommutator und ohne Kohlebürsten, so weiterzubilden, daß er eine restwelligkeitsarme Gleichspannung abgibt, die möglichst linear - auch bei niedrigen Drehzahlen - drehzahlabhängig ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß auf dem Rotor in gleichmäßiger Verteilung über den Umfang und in gleicher Entfernung von der Rotorachse eine Mehrzahl von Permanentmagneten, z. B. für 9 Spulen 6 Permanentmagnete, angeordnet sind, die abwechselnd nach außen bzw. nach innen magnetisiert sind, auf ihrer dem Stator zugekehrten Oberfläche etwa eben ausgebildet und tangential zum Umfang des Rotors angeordnet sind, so daß der magnetische Fluß im Luftspalt zwischen jedem Permanentmagneten und der zugehörigen Spule über einen Winkel von 60° eine konstante Steigung und damit die abgegebene Spannung einen konstanten Wert annimmt. Es ist also nicht - wie bisher - ein einziger radial magnetisierter Permanentmagnet, sondern eine Vielzahl derselben auf dem Rotor vorgesehen, für einen Stator mit 9 Spulen eignet sich z. B. ein Rotor mit sechs Permanentmagneten. Entsprechendes gilt für andere Anzahlen von Spulen. Wesentlich ist, daß jeder der Permanentmagnete gleiche Abmessungen und abwechselnd gegensinnige radiale Magnetisierung aufweist. Darüber müssen die Permanentmagnete in gleichmäßiger Verteilung über den Umfang und in gleicher Entfernung von der Rotorachse auf dem Rotor angeordnet sein. Die Permanentmagnete können beispielsweise in gleichem Abstand auf dem 6-eckig begrenzten Metallkern aufgebracht sein. Sie weisen vorzugsweise eine ebene Oberfläche auf. Durch diese ebene Oberfläche wird der Spalt zwischen der Oberfläche der Permanentmagneten und den Füßen der Statorwicklung im Mittelbereich eines Magneten bewußt größer gewählt als in den Endbereichen, damit die gewünschte Flußkurve und damit Spannungskurve erzeugt wird. Es wird also im Mittelbereich eines Permanentmagneten bewußt ein Verlust an magnetischer Energie hingenommen, der so groß ist, daß der Fluß über einen Winkel von mindestens 60° je Phase eine konstante Steigung aufweist. Damit ist die zugehörige Spannung konstant und es können über den Umfang derartige konstante Spannungsstücke aneinandergereiht werden, so daß sich eine sehr kleine Restspannungswelligkeit ergibt, die unterhalb von 5‰ gemessen wurde. Sämtliche Permanentmagnete sind abwechselnd in radialer Richtung magnetisiert, so daß immer eine gerade Anzahl von Permanentmagneten zur Anwendung kommt. Durch die beschriebene Ausbildung und Anordnung erreicht man einen Verlauf des magnetischen Flusses, der über 60° el eine konstante Steigung aufweist. Der zugehörige Spannungsverlauf ergibt sich durch die Differenzierung des Flusses

Die Einrichtung zum Gleichrichten ist auch hier erforderlich, um die untere Halbwelle nach oben zu klappen, so daß zwei positive, mindestens 60° lange Abschnitte einer Gleichspannung entstehen - je Phase -, die fast restwelligkeitsfrei sind. Das jeweils um 120° el versetzte Drehstromsystem des Stators ergibt drei Spannungswellen, die jeweils die geraden Spannungsabschnitte aufweisen. Werden sämtliche drei negativen Halbwellen ins Positive geklappt, ergibt sich eine über 360° räumlich verteilte Gleichspannung.

Besonders geeignet als Einrichtung zum Gleichrichten ist ein Multiplexer, also ein Analogschalter, in CMOS-Technik. Durch Austasten des geradlinigen Teils der Sinuskurve wird die Spannung der positiven Halbwelle und durch Invertierung oder durch eine um 180° gegenphasige zweite Feldwicklung auf die der negativen Halbwelle, in 60°-Schritten aneinandergereiht. Durch eine Winkelabfrage von Rotor zu Feld erreicht man mit Hilfe des Multiplexers, daß das gerade Teilstück jedesmal dann, wenn die zugehörige Phase ihr Maximum bzw. das negative Maximum, erreicht, an den Ausgangsverstärker geschaltet wird; dieser Zustand wird über den Zeitraum des abgeflachten Teils der Sinuskurve durch Erfassung des Winkels aufrechterhalten. Ebenso wird mit Phase 2 und Phase 3 verfahren. Damit ergeben sich 6 je 60° lange, gerade Teile, die eine extrem restwelligkeitsarme Gleichspannung ergeben. Durch die Erkennung der Phasenfolge ergibt die Auswerteschaltung des Multiplexers auch ein drehrichtungsabhängiges Signal, so daß die Forderung des 4-Quadrantenbetriebs erfüllt ist. Die Steuerung des Multiplexers erfolgt durch Sensoren, die je nach Anwendungsfall des zu bauenden Generators auf optischer, induktiver, kapazitiver, magnetischer, pneumatischer, mechanischer oder elektrischer Abtastung beruhen.

Der neue Tachogenerator weist auch überraschende Eigenschaften auf. Durch das Zusammenwirken der einzelnen Bauteile, z. B. der Kupferwicklung des Stators einerseits und der elektrischen Elemente des Multiplexers andererseits, mit negativen und positiven Temperaturkoeffizienten ist der Generator so temperaturstabil geworden, daß eine Kompensation entfallen kann. Weiterhin wirkt der Generator dämpfend auf Last-Drehzahlschwankungen eines damit verbundenen Antriebsmotors hin. Besonders erstaunlich ist, daß der Drehstromgenerator auch bei niedrigen Drehzahlen anwendbar ist. Auch in diesem Bereich ist die Linearität zwischen Drehzahl und Spannung vorhanden.

Die Erfindung wird anhand einer prinzipiellen Darstellung und eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Darstellung gegen-seitiger Abhängigkeit der Spannung von Flußkurve,

Fig. 2 den Spannungsverlauf für ein Dreiphasensystem,

Fig. 3 eine schematisierte Seitenansicht der wesentlichen Teile des Drehstromtachogenerators,

Fig. 4 das Prinzipschaltbild des Drehstromtachogenerators gemäß Fig. 2,

Fig. 5 die Spannungsumschaltung in den drei Phasen und

Fig. 6 die schematische Darstellung des Multiplexers in Verbindung mit den drei Spulen.

In Fig. 1 ist ein Doppeldiagramm dargestellt. Im oberen Teil ist die Linie des magnetischen Flusses über den Drehwinkel des Rotors von 360° dargestellt. Im unteren Teil ist die Linie der induzierten Spannung in einer Spule über den gleichen Drehwinkel dargestellt. Der Verlauf des magnetischen Flusses ϕ verläuft nach Art einer Sinuskurve, und zwar in dem Bereich von 0 bis 60°, von 120° bis 240° und von 300° bis 360°. Die Zwischenstücke zwischen 60° und 120° einerseits und 240° bis 300° andererseits sind jedoch so ausgebildet, daß der Fluß hier eine konstante Steigung aufweist, also Stücke einer Geraden zwischen dem sinusförmigen Verlauf angeordnet sind. Diese geraden Stücke sind mit 1 und 2 gekennzeichnet,

Entsprechend der Formel ergibt sich die Spannung als negativer Differenzialwert des Magnetflusses nach der Zeit. Dies bedeutet, daß die Spannung U in den Bereichen der geraden Stücke 1 und 2 konstant ist. Es ergeben sich hier gerade Stücke 3 und 4 der Spannung, wobei sich die negative Steigung des geraden Stückes 1 in einer positiven Spannung im Bereich von 60° bis 120° bemerkbar macht. Durch entsprechende Anordnung und Gestaltung der den magnetischen Fluß bewirkenden und für die Induktion der Flußänderung wesentlichen Bestimmungsparameter kann darauf hingewiesen werden, daß die geraden Stücke 3 und 4 der Spannung mindestens sich über 60° erstrecken, vorzugsweise jedoch etwas größer sind.

Fig. 2 zeigt den Spannungsverlauf in einem Dreiphasensystem. Man erkennt, wie sich in einem Dreiphasensystem an drei um jeweils 120° versetzt angeordneten Spulen U, V, W in diesen Spulen die Spannungswerte zeitlich versetzt zueinander ändern. Wenn es jetzt gelingt, die negativen Spannungswerte in den positiven Spannungsbereich zu klappen, also entweder umzupolen oder umzuschalten, oder umgekehrt die positiven Spannungswerte in den negativen Bereich zu legen, erhält man eine durchgehende konstante Linie der Spannung über den Umfang von 360°.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht nur bei einer dreiphasigen Wicklung durchführbar ist. Auch bei einer zweiphasigen, vierphasigen oder anderen Wicklung ist die Erfindung anwendbar. Vorzugsweise wird die Erfindung natürlich in Verbindung mit einer dreiphasigen Wicklung angewendet, wie dies an dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 dargestellt ist. Hier ist ein stillstehender Stator 5 in der üblichen Weise aus gestanzten Blechen vorgesehen, der über den Umfang regelmäßig verteilt nach innen 18 Nuten 6 aufweist. In diese Nuten 6 sind die Spulen U, V und W in der dargestellten Lage eingebracht, wobei ein Spulenanfang durch ein Kreuz und das Spulende durch einen Punkt gekennzeichnet sind. Es ist ersichtlich, wie jeweils drei Spulen U im Winkel von 120° versetzt zueinander angeordnet und hintereinander geschaltet sind. Gleiches gilt für die drei Spulen V und auch für die drei Spulen W. Jeweils drei dieser Spulen werden in Reihe geschaltet.

In dem Stator 5 ist ein Rotor 7 drehbar gelagert, der eine Welle 8 aufweist, die zumindest über einen Teil ihrer Längserstreckung zweckmäßig 6-eckigen Querschnitt besitzt. Dieser 6-eckige Querschnitt ist erforderlich, um Permanentmagneten 9 und 10 gleichmäßig über den Umfang versetzt und tangential angeordnet vorzusehen. Die Permanentmagnete 9 sind radial nach außen magnetisiert, während die Permanentmagnete 10 radial nach innen magnetisiert sind. Man kann auch sagen, daß abwechselnd Nord- und Südpole nach außen zeigend angeordnet sind. Die freien Oberflächen 11 der Permanentmagnete 9 und 10 sind als ebene Flächen ausgebildet. In dieser Form sind die Permanentmagnete leicht herstellbar und käuflich erhältlich. Es wird darauf hingewiesen, daß hier derartige ebene Oberflächen 11 ganz bewußt mit den kreisringförmig angeordneten Spulen U, V, W zusammenarbeiten, so daß sich eine wechselnde Spaltweite an jeder Spule bzw. relativ zu jeder Spule ergibt. Diese an sich unsinnige Anordnung wird bewußt dazu ausgenutzt, um die geraden Stücke 1 und 2 (Fig. 1) des magnetischen Flusses herbeizuführen. Es versteht sich, daß anstelle der ebenen Oberfläche 11 auch eine leicht gekrümmte Oberfläche Verwendung finden könnte, falls dies für die Ausbildung des magnetischen Flusses erforderlich ist. Eine solche Krümmung ist allerdings wesentlich kleiner als die Krümmung der Statorf-üße.

Fig. 4 verdeutlicht die Schaltung. Es sind vereinfacht nur die drei Spulen U, V, W dargestellt, die also jeweils im einzelnen aus je 3 hintereinander geschalteten Spulen gebildet sind. Die Anfänge der Spulen U, V, W sind durch Leitungen 12, 13, 14 mit einem Multiplexer 15 verbunden. Ebenso führen Leitungen 16, 17, 18 von den Enden der Spulen U, V und W zu dem Multiplexer 15. Der Multiplexer 15 besitzt eine Spannungsversorgung 19 und weist einen Nullpunkt 20 auf. An den anderen Ausgang 21 des Multiplexers ist ein Operationsverstärker 22 angeschlossen, der von einem Trimmer 32 zur Verstärkungseinstellung überbrückt ist. Am Ausgang 24 steht gegenüber dem Nullpunkt 20 die gewünschte Gleichspannung zur Verfügung. Diese Gleichspannung liegt natürlich bereits auch an dem Ausgang 21 an, so daß erkennbar ist, daß die Anordnung des Operationsverstärkers 22 auch in Wegfall kommen kann.

Mit der Welle 8 des Rotors 7 ist ein Stellungsgeber 25 drehfest verbunden, der wie ersichtlich 6 sich über jeweils 60° erstreckende Felder aufweist, die abwechselnd schwarz und weiß eingefärbt sein können. Die Anordnung der Felder ist relativ zu der Anordnung der Spulen U, V und W vorgesehen. Mit diesem Stellungsgeber 25 arbeiten Sensoren 26, 27 und 28 zusammen, denen ein Vorwiderstand 29 vorgeschaltet sein kann. Die Sensoren 26, 27 und 28 sind beispielsweise über einen Winkelbereich von insgesamt 80° mit einem gegenseitigen Abstand von 40° zueinander angeordnet, zum dem Stellungsgeber 25 relativ, so daß je nach Relativstellung des Stellungsgebers mindestens ein Sensor 26, 27 oder 28 anspricht. Nach der Auswahl eines gewissen Codes kann die jeweilige Zuordnung eines Sensorsignals dazu benutzt werden, um den Multiplexer 15 entsprechend zu schalten. Dieser Code kann nach folgender Wahrheitstabelle ablaufen:

Dies bedeutet, daß beispielsweise der Sensor 26, wenn er z. B. auf ein schwarzes Feld anspricht, die beiden Sensoren 27 und 28 nicht ansprechen, die Spule U in positivem Sinne eingeschaltet und an den Ausgang des Multiplexers geschaltet wird. Nachfolgend wird die Spule -W, also unter Vorzeichenumkehr, eingeschaltet, wenn die Sensoren 26 und 28 ein Signal erhalten, der Sensor 27 aber immer noch signallos ist. Die zugehörige Spannungsumschaltung der einzelnen Spulen U, V, W zeigt Fig. 5, wobei gleichzeitig ersichtlich ist, daß jedes einzelne Spannungsintervall über einen Winkel sich erstreckt, der größer als 60° ist. Die Umschaltung erfolgt nun immer genau bei 60°, so daß die Spannungskurve keinerlei Einbrüche aufweist. Man erkennt, daß in Abstimmung zu der Wahrheitstabelle zunächst die positive Spule +U eingeschaltet wird, gefolgt von der negativ geschalteten Spule W, dann gefolgt von der positiv geschalteten Spule V usw.

Um das Arbeiten eines an sich bekannten Multiplexers 15 noch zu verdeutlichen, wird auf Fig. 6 verwiesen. Dort sind die Spulen U, V und W dargestellt, mit ihren Anfängen, die hier mit einem Pluszeichen gekennzeichnet sind und mit ihren Enden, die mit einem Minuszeichen gekennzeichnet sind. Jeder Spule sind vier Schalter zugeordnet, die im Multiplexer in Form von Halbleiterfunktionen vorhanden sind. Um diese einzelnen Schalter zu unterscheiden, sind sie mit U+ und U- - relativ zu jeder Spule - gekennzeichnet. Werden beispielsweise die beiden Schalter 31 gleichzeitig geschlossen, so wird der positive Spannungsanteil der Spule U (vgl. Fig. 5) eingeschaltet. Anschließend werden die Schalter 32 geschlossen und die Schalter 31 wieder geöffnet. Die beiden Schalter 32 schalten aber die Spannung der Spule W negativ, d. h. in Umkehrung, so daß gleichsam (vgl. Fig. 5) das Spannungsviereck der Spule W nach oben geklappt und an das Spannungsviereck der Spule U angeschlossen wird. Es folgt dann nach weiteren 60° die Einschaltung der Schalter 33 und das Ausschalten der Schalter 32 usw. Man erkennt, daß durch diese Schaltungsreihenfolge letztendlich eine konstante Spannung an dem Ausgang 21 bzw. dem Ausgang 24 abgenommen werden kann. Diese Spannung möge positiv sein und beispielsweise dem Rechtsdrehsinn der untersuchten Maschine entsprechen. Dann ist gleichzeitig gewährt, daß beim Auftreten einer negativen Spannung an den Ausgängen 21 und 24 die betreffende Maschine im Linksdrehsinne dreht und umgekehrt. Auf diese Art und Weise kann gleichzeitig eine genaue Aussage über die Drehrichtung bzw. Drehrichtungsumkehr gemacht werden, ohne daß hierfür ein weiterer Aufwand an mechanischen Bauteilen erforderlich wird.

• Bezugszeichenliste:  1 = Geradenstück
   2 = Geradenstück
   3 = Stück
   4 = Stück
   5 = Stator
   6 = Nut
   7 = Rotor
   8 = Welle
   9 = Permanentmagnet
  10 = Permanentmagnet
  11 = Oberfläche
  12 = Leitung
  13 = Leitung
  14 = Leitung
  15 = Multiplexer
  16 = Leitung
  17 = Leitung
  18 = Leitung
  19 = Spannungsversorgung
  20 = Nullpunkt
  21 = Ausgang
  22 = Operationsverstärker
  23 = Trimmer
  24 = Ausgang
  25 = Stellungsgeber
  26 = Sensor
  27 = Sensor
  28 = Sensor
  29 = Vorwiderstand
  31 = Schalter
  32 = Schalter
  33 = Schalter
  34 = Schalter
  35 = Schalter
  36 = Schalter
  

Claims (4)

1. Drehstromtachogenerator mit einem eine insbesondere dreiphasige Wicklung mit z. B. 9 Spulen und 18 Nuten aufweisenden Stator, einem einen radial zur Rotorachse magnetisierten Permanentmagneten tragenden Rotor und einer Einrichtung zum Gleichrichten des von den Spulen der Wicklung des Stators abgegebenen Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rotor (7) in gleichmäßiger Verteilung über den Umfang und in gleicher Entfernung von der Rotorachse eine Mehrzahl von Permanentmagneten (9, 10), z. B. für 9 Spulen 6 Permanentmagneten, angeordnet sind, die abwechselnd radial nach außen bzw. innen magnetisiert sind, auf ihrer dem Stator (5) zugekehrten Oberfläche etwa eben ausgebildet und tangential zum Umfang des Rotors (7) angeordnet sind, so daß der magnetische Fluß im Luftspalt zwischen jedem Permanentmagneten (9, 10) und der zugehörigen Spule (U, V, W) über einen Winkel von 60° eine konstante Steigung und damit die abgegebene Spannung einen konstanten Wert annimmt.

2. Drehstromtachogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zum Gleichrichten ein Multiplexer (15) Verwendung findet.

3. Drehstromtachogenerator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rotor (7) ein Stellungsgeber (25) angeordnet ist, dem statorseitig Sensoren (26, 27, 28) zugeordnet sind, um den Multiplexer (15) zeit- und winkelrichtig zu schalten.

4. Drehstromtachogenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsgeber (25) aus einer Scheibe mit 6 je sich über 60° erstreckenden Segmenten besteht, die abwechselnd gestaltet sind, und daß diesem Stellungsgeber (25) statorseitig drei im Winkel von mindestens je 40° zueinander angeordnete Sensoren (26, 27, 28) zur Ansteuerung des Multiplexers (15) zugeordnet sind.