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Elektromagnetische Induktionsvorrichtung Die Erfindung bezieht sich
auf elektromagnetische Induktionsvorrichtungen, deren Glieder relativ zueinander
beweglich sind, wobei diese Bewegung entweder eine Rotation oder eine lineare Translation
aus einer Stellung in eine andere sein kann. Sie bezieht sich insbesondere auf Fernmeßeinrichtungen
mit Servoantrieb, bei denen die Läufer eines Gebers und eines Empfängers übereinstimmende
Bewegung ausführen und wie sie vor allem als Synchroneinrichtungen oder selbstsynchronisierende
Antriebseinrichtungen mit dreiphasigen Ständern bekannt sind. Die Erfindung betrifft
allgemein Verfahren und Einrichtungen, welche ermöglichen, mit Vorrichtungen der
angegebenen Art im wesentlichen rein sinusförmige Spannungs- und Impedanzänderungen
in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Läufers zu erzeugen.
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Die Erfindung hat in erster Linie eine äußerst genaue Fernmeßeinrichtung
zum Gegenstand, bei der die den Läufereigenschaften zuzuschreibenden Fehler beseitigt
sind. Außerdem wird eine Verbesserung der Genauigkeit dadurch erzielt, daß die durch
die Ständer
verursachten Ungenauigkeiten durch besondere Maßnahmen
beseitigt bzw. auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden. Ein weiterer wichtiger Gegenstand
der Erfindung ist eine Fernmeßeinrichtung mit Servoantrieb für eine äußerst genaue
Steuerung; bei der Geber und Empfänger mit Induktionsvorrichtungen nach der Erfindung
ausgestattet sind, wobei auf der Empfängerseite die Rückstellung der Induktionsvorrichtung
auf Null vorzugsweise durch einen Servomotor erfolgt, der durch die Signaldifferenz
gesteuert wird.
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Die Erfindung ermöglicht die Schaffung einer Induktionsvorrichtung
von größter Einfachheit und kleinster Abmessung, die dennoch eine für viele Zwecke
brauchbare Genauigkeit besitzt. Auch ist die Induktionsvorrichtung nach der Erfindung
besonders gut zur Verwendung als selbständig arbeitender Empfänger einer synchronen
Fernmeßeinrichtung geeignet.
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Die Erfindung hat in diesem Sinne eine elektromagnetische Induktionsvörrichtung
mit zwei .relativ zueinander beweglichen Gliedern zum Gegenstand, die in erster
Linie dadurch gekennzeichnet ist; daß die Glieder eine relative Schräge von einer
wirksamen Nutteilung aufweisen und das eine von ihnen so geformt, vorzugsweise mit
ausgeprägten Polen versehen ist, daß wenigstens zwei ungerade Harmonische niederer
Ordnung unterdrückt werden, während das andere Glied taube Nuten und in gleichen
Abständen ausgebildete wirksame Nuten aufweist, so daß die Ordnung der durch die
spulenführenden Nuten eingeführten Harmonischen erhöht wird unter entsprechender
proportionäler Herabsetzung der Größe sowohl der erwähnten Harmonischen als auch
der relativen Schräge, derart, daß eine _ nahezu sinusförmige Beziehung zwischen
der Kopplung und der Relativbewegung der Glieder erzielt wird.
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Vorzugsweise sind die Polflächen so geformt, daß sie eine wirksame
Breite. von 8o° ' und ein nahezu kreisbogenförmiges Umfangsprofil senkrecht zur
Drehungsachse haben, mit allmählicher Vergrößerung des radialen Luftspaltes nach
den - Enden des Profils zu auf etwa das Doppelte des kleinsten radialen Luftspaltes,
um die fünfte und siebente Harmonische' herabzusetzen bzw. zu unterdrücken, wobei
die beiden Glieder eine relative Schräge von, q.0° aufweisen, um eine nahezu sinusförmige
Beziehung zwischen der Kopplung und der relativen Winkelstellung von Läufer und
Ständer zu erzielen.
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Bisher war es allgemein üblich, zum Zwecke einer möglichst genauen
Fernmessung selbst synchronisierende Geber und Empfänger von gleicher Ausführung
zu verwenden und sich auf die Übereinstimmung ihrer Eigenschaften zu verlassen.
Hierbei wurden jedoch sehr schlechte Ergebnisse erhalten, da die praktischen Herstellungstoleranzen
für eine hohe Genauigkeit zu groß sind, sofern nichtbesondere Vorkehrungen getroffen
werden. Es hat sich nun gezeigt, daß große Vorteile bei der Fernmessung dadurch
zu erzielen sind, daß die Abweichungen der Ausgangsleistung .bzw. -spannung von
der reinen Sinusform gemäß der Erfindung beseitigt oder auf ein Mindestmaß herabgesetzt
werden. Es ist bekannt, daß eine Kurve, die die Abhängigkeit einer Spannung oder
einer Impedanz in Abhängigkeit von der Winkelstellung oder von der Zeit wiedergibt,
nach Art einer FourierschenReihe durch Wahl einer `genügenden Anzahl von Gliedern
mit jeder gewünschten Genauigkeit analysiert werden kann, und um eine rein sinusförmige
Ausgangsspannung zu erhalten; werden der Ständer und/oder der Läufer so ausgebildet,
daß störende Harmonische nach Möglichkeit unterdrückt werden. Demgegenüber _ ist
mit der Lehre nach der Erfindung eine genauere und wirksamere Unterdrückung. der
Harmonischen. als mit irgendeiner bekannten Anordnung möglich, ei der die Harmonischen
zunächst gebildet und anschließend abgeschwächt werden, und die Mittel dazu sind
grundsätzlich andere.
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Bevor auf Einzelheiten eingegangen wird, seien noch einige vorbereitende
Hinweise gegeben. Wenn beispielsweise ein bisymmetrischer zweipoliger Läufer verwendet
wird, -kann die Spannung ES einer Ständerspule und -ihr Winkel cp = dargestellt
werden durch die Gleichung ES = El sin cp -f - E3 sin 3 g9 + Er, sin
5 p+ E" sin 7 99+... (i) da sowohl die Cosinusglieder als auch alle geraden
Sinusglieder infolge der bisymmetrischen Plusbildung des Läufers unterdrückt sind.
Durch Verwendung eines dreiphasigen Ständers in Sternschaltung werden bekanntlich
die dritte und die neunte Harmonische unterdrückt. Die neunte Harmonische wird auch
mit. neunmutigen Ständern ausgelöscht, so daß die fünfte und höhere Harmonische
übrigbleiben, deren Amplitude mit zunehmender Ordnungszahl der Harmonischen schnell
abnimmt.
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Somit bleiben die fünfte und die siebente Harmonische die Hauptfehlerquellen.
Bei einem Läufer mit ausgeprägten Polen können die fünfte oder siebente Harmonische
im wesentlichen unterdrückt oder beträchtlich reduziert werden, indem die Polflächen
in bekannter Weise abgeschrägt werden.
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Unter einem bisymmetrischen Teil oder einer bisymmetrischen Wicklung
ist eine solche zu verstehen, bei welcher der Querschnitt, der senkrecht zur Drehachse
in der Mitte des Elements geführt ist, symmetrisch in bezug auf zwei zueinander
senkrechte Ebenen ist, welche die Drehungsachse einschließen. Beispielsweise zeigt
der Augenschein, daß der Läufer in Abb. q. bisymmetrisch ist, nämlich symmetrisch
in bezug auf die senkrechte Achse sowie auf die waagerechte Achse, wobei diese beiden
Achsen senkrecht zur Drehungsachse sind.
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Die Angabe harmonisch bezieht sich nicht auf eine Kupplung-Zeit-Beziehung,
sondern auf eine Kupplung-Raum-Beziehung, d. h. auf die Abhängigkeit der induktiven
Kopplung von dem elektrischen Winkel zwischen den beiden Gliedern.- Die Erwähnung
von Wechselstrom soll rein sinusförmigen, ' nichtsinusförmigen Strom und pulsierenden
Gleichstrom umfassen. Schließlich bezieht sich die Angabe Kopplung auf den .induktiven
Zusammenhang zwischen zwei relativ zueinander beweglichen induktiven Gliedern.
Wenn
ein Läufer mit ausgeprägten Polen in einem Empfänger verwendet wird und aus irgendeinem
Grunde sein Servomotor ausfällt, so bringt dieser Läufer Fehler in die Einrichtung
hinein, welche die Genauigkeit in anderen parallelen Empfängern zerstören. Obgleich
daher ein zylindrischer Läufer ohne ausgeprägte Pole anscheinend vorzuziehen ist,
ist der Läufer mit ausgeprägten Polen dennoch besser geeignet für die synchrone
Induktionsvorrichtung, deren Empfänger selbständig arbeitet. Da Ständer für zweipolige
Läufer nur ungerade Nutenzahlen aufweisen, um die Fehler auf ein Mindestmaß herabzusetzen,
ist für ungeteilte Wicklungen und dreiphasige Ständer die Nutenzahl ein ungerades
ganzzahliges Vielfaches von 3, so daß der Ständer die Nutenzahl' 3, 9,
15, 21, 27, 33 usw. haben kann.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen im einzelnen beschrieben,
doch dienen die Zeichnungen lediglich der Erläuterung der Erfindung und .stellen
keine Beschränkung derselben dar. Es zeigt Abb. a eine Schaltungsanordnung einer
gebräuchlichen selbstsynchronisierenden Fernmeßeinrichtung mit Servomotor in schematischer
Darstellung, Abb. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Winkelstellung
des Läufers und dem Kopplungsfaktor für einen neunnutigen Ständer und einen Läufer
mit zwei ausgeprägten Polen, und zwar jedesmal für eine Verbreiterung des Luftspalts
vom Wert Null und vom Wert 0,i27 mm gemäß der unteren Nebenfigur in Abb. 2, während
die obere Nebenfigur die Nullstellung des Läufers angibt, Abb.3 eine ähnliche graphische
Darstellung für eine Spule, die drei Nutteilungen umfaßt, und zwar für verschiedene
Werte der Läuferbreite und der Luftspaltverbreiterung, Abb. 4 in schematischer Darstellung
eine Induktionsvorrichtung nach der Erfindung, deren Läufer zwei ausgeprägte Pole
mit abfallenden Polflächen, deren Ständer drei Nuten mit drei Spulen sowie sechs
leere Nuten'-aufweist und somit einen neunnutigen Ständer darstellt, Abb. 5 eine
schaubildliche Darstellung des Läufers und Ständers der Induktionsvorrichtung nach
Abb. 4. Gemäß Abb. i sind bei der an sich bekannten selbstsynchronisierenden Fernmeßeinrichtung
mit Servomotor der Geber und der Empfänger, vom Servomotor abgesehen, von gleicher
Ausbildung. Wechselstromspeiseleitungen ii und =2 sind mit den Läuferspulen 13 und
14 des Gebers 15 und des Empfängers 16 verbunden. Geber und Empfänger haben
je drei Phasenwicklungen 17, 18, ig bzw. 2o, 2i; 22 in Sternschaltung, die durch
Leitungen 23, 24, 25 verbunden sind. In dem dargestellten Gleichgewichtszustand
steht die Spule 14 des Empfängers senkrecht zur Spule 13 des Gebers und zum Fluß
im Empfänger, um die Ausgangsspannung der Spule i4 auf einen Mindestwert herabzusetzen.
Als Bezugsnullpunkt des Gebers gilt die Stellung EZ", in der die Spule 13 parallel
zu der nach unten. gerichteten Phasenwicklung 17 ist, während die Nullstellung EZ"
des Empfängers senkrecht zu der nach unten gerichteten Phase 2o ist. Abgesehen davon,
daß die. Spulen 13 und 14 der Läufer verschiedene Nullstellungen einnehmen, hat
sich herausgestellt, daß durch rein sinusförmige Ausgangsspannungen genau gleiche
Winkelbewegungen der Spulen 13 und 14 für den jeweiligen Gleichgewichtszustand hervorgerufen
werden.
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Der Zweiphasenmotor 26 wird in Übereinstimmung mit dem Phasenunterschied
der verstärkten Ausgangsspannung der Läuferspule 14 des Empfängers gegenüber der
speisenden Wechselspannung so betätigt, daß der erwähnte Gleichgewichtszustand hergestellt
wird, wobei ein Phasenunterschied von- go° beispielsweise im Verstärker erzeugt
wird.
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Alsdann können unter Zulassung des Phasenunterschiedes von go° die
beiden Nullstellungen EZls und EZis parallel zu den nach unten gerichteten Phasenwicklungen
17 und 2o des Gebers bzw. Empfängers gemacht werden zu dem Zweck, Fehler bei der
Fernmessung zu bestimmen.
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Wie oben erwähnt, kann die fünfte Harmonische im wesentlichen unterdrückt
und die siebente Harmonische wesentlich herabgesetzt werden, indem die beiden -ausgeprägten
Pole so ausgebildet werden, daß sie auch den Enden zu etwas abfallen. Dieses Merkmal
das weiter unten noch näher beschrieben wird, kommt erfindungsgemäß in Verbindung
mit der ganz besonderen Ständerausbildung nach Fig.4 zur -@_ wendung.
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Wie oben angegeben, kann die fünfte Harmonische dadurch im wesentlichen
unterdrückt werden, daß der Abfall der Polflächen eines zweipoligen Läufers in der
Breite richtig gewählt wird. In diesem Sinne ist gemäß Abb. 2 ein radialer Abfall
von 0,127 mm am besten geeignet für einen Läufer von 8,2 mm Breite und 12,6
mm Durchmesser bei einem Mindestluftspalt von o,063 mm. In Abb. 2 sind die Kurven
A dem Abfall Null und die Kurven B einem Abfall von 127 mm zugeordnet. Die Indizes
der Buchstaben A und B geben die Anzahl der Zähne an, die von der Spule umfaßt werden.
Beispielsweise liegt die Spule »2« in den mit »2a bezeichneten Nuten und schließt
zwischen diesen Nuten zwei Zähne ein. Ferner beziehen sich die Kurven A und B auf
Läüfer, deren Pole einen schrägen Verlauf von einer Nutteilung haben.
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Die graphische Darstellung in Abb.2 gibt die Ständerspannung in Prozentsätzen
der Läuferspannung (Ordinatenachse) für verschiedene Winkelstellungen des Läufers
(Abszissenachse in Winkelgrade eingeteilt) wieder, und zwar von der Nullstellung
ausgehend, wie sie in der oberen Nebenfigur der Abb.2 festgelegt ist. Wie beispielsweise
die Kurve A3 zeigt, ist diese Beziehung zwischen der Spannung und der Winkelstellung
für den Abfall Null nicht sinusförmig, sondern enthält eine starke fünfte Harmonische,
während die Kurve B3 für den Läufer mit einem Polflächenabfa.ll bzw. einer Luftspaltverbreiterung
von 0,127 mm im wesentlichen eine reine Sinusform besitzt; hierbei kann die Kurve
für diese Spule, die in dem kürzeren Bogen drei Zähne umfaßt, als ein günstiger
Mittelwert gelten, wenn der Kopplungseinfluß der verschiedenen Spulen in Betracht
gezogen wird. Die übrigen Kurven B enthalten im wesentlichen nur die dritte Harmonische,
die jedoch durch die Sternschaltung neutralisiert wird.
Wie oben
erwähnt, ist dieser Läufer ein Mittel für die Ausführung des Verfahrens, bei dem
eine höhere Genauigkeit der Fernmessung dadurch erzielt wird, daß eine im wesentlichen
rein sinusförmige Kopplung zwischen Ständer und Läufer bei Änderung der. Winkelstellung
vorgesehen wird. Während es in der Motoren- und Generatorentechnik an sich bekannt
ist, den magnetischen Begrenzungsflächen von Luftspalten eine besondere Form zu
geben, wird durch die Verwendung eines solchen Polflächenabfalls und einer solchen
Polbreite, die eine genaue sinusförmige Kopplung ergeben, bei selbstsynchronisierenden
Sernmeßeinrichtungen eine Aufgabe gelöst, die auf diesem Fachgebiet die Fachleute
schon lange beschäftigt hat. - Bei der ähnlichen graphischen Darstellung nach Abb.
3 wird das Spannungsverhältnis der drei Zähne umfassenden Spule mit einer reinen
Sinuskurve für mehrere Werte des Polflächenabfalls und zwei Läuferbreiten verglichen.
Längs der Ordinatenachse ist die Ständerspannung in Prozentsätzen von der Läuferspannung
und @ längs der Abszissenachse die Winkelstellung des Läufers in Grad abgetragen.
Die Kurven r, 2 und 3 beziehen sich auf einen Läufer von 8,2 mm Breite mit einem
Polflächenabfall von o,r27, 0,254 bzw. o mm; die Kurve 4 betrifft einen Läufer von
g,or7 mm Breite mit einem Polflächenabfall.:vom Wert Null, und die Kurve 5 ist eine
reine Sinuskurve von der Form 7,95 sin 99. Diese Kurven lassen erkennen,
daß der oben angegebene Wert für den Polflächenabfall des Läufers die günstigste
Wirkung ergibt und die wirksame Breite des Läufers verringert, mit anderen Worten
erfordert ein schmälerer Läufer einen kleineren Polflächenabfall.
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Es ist zu beachten, daß der Ständerund der Läufer ausgetauscht oder
umgekehrt werden können, so daß ein zylindrischer Läufer, der eine ungerade Anzahl
von Nuten mit einer gleichmäßig verteilten dreiphasigen Sinuswicklung aufweist,
mit einem Ständer zusammenarbeitet, der zwei ausgeprägte Pole und sehr einfache
symmetrische Wicklungen besitzt.
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Die in Abb. 4 dargestellte Form des Läufers ergibt eine Läuferflußverteilung,
durch welche die fünfte und die siebente Harmonische für die meisten Zwecke ausreichend
unterdrückt werden. Der Läufer und der Ständer haben bezüglich ihrer Pole bzw. Nuten
relativ zueinander einen schrägen Verlauf von 40°, wie in Abb. 5 für den neunnutigen
Ständer dargestellt ist, der sechs leere Nuten und drei spulenführende Nuten mit
in Sternschaltung verbundenen Spulen aufweist, so daß die dritte Harmonische unterdrückt
wird. Diese Anordnung nach der Erfindung ermöglicht die Ausbildung der Vorrichtung
mit kleinsten Abmessungen bei Erzielung einer im wesentlichen rein sinusförmigen
Abhängigkeit, wodurch eine genaue Fernmessung mit selbstsynchronisierenden Induktionsvorrichtungen
mit Servoantrieb der angegebenen Art, deren Läuferflächen sinusförmig abfallen,
möglich ist. Es ist ,zu beachten, daB der Läufer abgeschrägt und etwas kürzer in
der Achsrichtung als der Ständer dargestellt ist, wodurch Fehler auf Grund des Längsspiels
auf ein Mindestmaß gebracht werden.
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Beispielsweise hat der Läufer die günstigsten Abmessungen, die aus
den Diagrammen in Abb. a und 3 abgeleitet werden können. So beträgt bei einem Mindestluftspalt
von o,o635 mm der radiale Abfall das Doppelte des Mindestluftspaltes, und die entsprechende
Breite der- Läuferfläche in Richtung der Drehachse beträgt- 8,2 mm oder etwa das
z3ofache des Mindestluftspaltes; -jedoch ist diese Breite besser ausgedrückt als
mit einer zweifachen Nutteilung oder 8o°.
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Aus dem Vorstehenden ist klar ersichtlich, daß die Erfindung in zahlreichen
und verschiedenen Formen zur Ausführung gelangen kann. So kann sie, uni ein Beispiel
anzugeben, vorteilhaft bei Wechselstromgeneratoren angewendet werden, bei denen
die Ausgangsspannung eine im wesentlichen reine Sinuswelle hinsichtlich ihrer zeitlichen
Änderung sein muß. Als weiteres Beispiel kann die Erfindung einfach bei elektrischen
Gliedern angewendet werden, deren Relativbewegung eine Translation an Stelle einer
Rotation ist, z. B. bei Abnehmern für die Übertragung von Arbeitssignalen an fahrende
Züge. Die @ Erfindung hat ferner eine seit langem bestehende Schwierigkeit bei selbstsynchionisierenden
Induktionseinrichtungen mit Servoantrieb völlig behoben, bei denen bisher Stellungsfehler
und Punkte hoher Nullspannungen in Abständen von 6o° auftreten.
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Wenn den Polflächen des Läufers eine Form verliehen wird, die bewirkt,
daß alle-großen harmonischen Glieder der Fourierschen Reihe nach dem ersten nahezu
unteidrückt werden, so ändert sich die Ausgangs-Spannung des Ständers nahezu nach
einer Sinuskurve und besteht die Impedanz aus einem konstanten plus einem Sinusglied,
welches zu Null wird, wenn der Empfänger ein schräger Zylinder ohne elektrische
Belastung wäre.
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Wenn auch die beiden Glieder der Induktionsvorrichtung eindeutig als
Ständer und Läufer bezeichnet sind, so können die Glieder auch vertauscht werden,
ohne ihre gegenseitige Einwirkung zu beeinträchtigen,