DE2014542C3 - Gleichspannungsgenerator - Google Patents

Description

Dig Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungsgenerator mit einem Erregerteil, einem Anker mit mehreren Wicklungen und mit einer Kommutiervor· richtung. Derartige Gleichspannungsgeneratoren, insbesondere Tachometergeneratoren, liefern eine ihrer Drehzahl proportionale Gleichspannung, die für ver* schiedene Zwecke verwendbar ist, beispielsweise als Dämpfungssignal in Regelkreisen oder als Anatogre* chengröße.

Die Mehrzahl der bekannten Gleiehspannungsgeneratoren ist mit Kollektor und Bürsten ausgestattet und arbeitet mit Fremderregung, die im allgemeinen durch einen Permanentmagneten gebildet ist Diese Maschinen liefern vom Prinzip her eine Welligkeit, deren Frequenz der Zahl der Kollektorlamellen und der Drehzahl proportional ist Diese störende Welligkeit kann dadurch auf ein Minimum herabgesetzt werden, daß ein sehr fein unterteilter Kollektor verwendet wird, doch erfordert dies eine sorgfältige und teure Ausbildung.

Außerdem sind solche Generatoren den Wartungsbedingungen unterworfen, die allen Maschinen mit Kollektoren und Bürsten zu eigen sind: Ersatz der Bürsten, Wartung des Kollektors usw. Dies führt besonders beim Betrieb unter niedrigem atmosphärischen Druck und bei hoher Temperatur zu Schwierigkeiten.

Es wurden auch bereits Tachometergeneratoren vorgeschlagen, die ohne Kommutation ausgebildet sind, doch weisen diese nicht alle erwünschten Eigenschaften auf; insbesondere haben die auf dem Prinzip des Hall-Effekts beruhenden Generatoren einen sehr niedrigen Wirkungsgrad und einen vollkommen unzureichenden Ausgangspegel.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gleichstromgenerator zu schaffen, der eine drehzahlproportionale Spannung möglichst geringer Welligkeit liefert der ohne hohen Wartungsbedarf betrieben werden kann und der mit gutem Wirkungsgrad und ausreichendem Ausgangspegel arbeitet

Diese Aufgabe wird durch einen Gleichspannungsgenerator der eingangs genannten Art gelöst, der gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist daß der Erregerteil und der Anker so ausgebildet sind, daß die in jeder Ankerwicklung induzierte Wechselspannung während eines Teils jeder Periode eine konstante Amplitude hat, daß die Kommutiervorrichtung für jede

♦o Ankerwicklung einen Schalte? aufweist der mit der zugehörigen Ankerwicklung in Reihe geschaltet ist daß die jeweils aus einer Ankerwicklung und dem zugehörigen Schalter bestehenden Reihenanordnungen parallel zueinander mit den Ausgangsklemmen verbun den sind, und daß die Kommutiervorrichtung ein Schalterbetätigungsglied zur Betätigung der Schalter in Abhängigkeit von dem Drehwinkel zwischen Erregerteil und Anker aufweist. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der

Zeichnung dargestellt. Darin zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen nach der Erfindung ausgeführten Gleichspannungsgenerator,

Fig.2a und 2b Querschnitte nach den Linien A-A' bzw. ff-ß'vonFig. I,

F i g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise,

F i g. 4 das Schema der Kommutatorvorrichtung und Fi g. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise.

In F i g. 1, 2a und 2b sind die einander entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei Fig-2a ein Querschnitt durch die Vorrichtung von Fig.I in der Ebene A*A' und die Fig.2b ein Querschnitt durch die Ebene B>B'sind.

·* Im Inneren eines zylindrischen Gehäuses 1 ist ein Stator 6 aus Magnetblech sowie ein erstes Kugellager 3 und mit Hilfe eines Schildes 7 ein zweites Kugellager 4 angebracht. Die beiden Kugellager tragen die Welle 2

eines den Erregerteil 5 bildenden Rotors, der ein radialmagnetisierter Magnet ist und in Polen 23 und 24 endet.

Per Stator 6 hat die Form eines Hohlzylinders, dessen Innenfläche koaxial zu dem von den Außenflächen der Pole 23 und 24 dargestellten Zylinderabschnitt ist. Per Stator ist mit sechs Nuten V bis 32 versehen, deren öffnungen gleichmäßig Ober die Innenfläche des Stators 6 verteilt sind. Pie einander gegenüberliegenden Nuten 27 und 30 dienen zur Aufnahme von zwei unabhängigen to Wicklungen b\ und fy; in gleicher Weise nehmen die einander gegenüberliegenden Nuten 28—31 und 29—32 die (nicht dargestellten) Wicklungen Iy₁- O₅ bzw. h—k auf.

Freitragend auf der Welle 2 ist mittels einer Schraube 22 eine zylindrische Nabe 21 befestigt, die einen parallel zur Achse der Welle 2 magnetisierten Stab 20 trägt, dessen Außenfläche ein Zylinderabschnitt ist, der koaxial zu einer zylindrischen Trommel 15 aus Kunststoff liegt In der zylindrischen Trommel 15 sind sechs Schutzgaskontakte 9 bis 14 in gleichem Abstand von der Achse der Welle 2 gleichmäßig verteilt. Pie Trommel 15 besitzt eine ringförmige Schulter 16, über welche sie fest mit dem Schild 7 und dem Gehäuse 1 mit Hilfe eines Aussendegewinderings 8 verbunden ist, der außerdem mit seinem hinteren Abschnitt als Halterung für eine Schutzkappe 19 dient

Jeder Schutzgaskontakt ist durch zwei flache Stäbchen aus magnetischem Material gebildet, deren einander gegenüberliegende Enden eine Kontaktzone bilden, wie als Beispiel bei 25 und 26 für den Schutzgaskontakt 12 dargestellt ist Piese Stäbchen sind so ausgerichtet, daß die auf der Mitte der Kontaktzone jedes Schutzgaskontaktes errichtete Senkrechte durch die Achse der Welle 2 geht

Pie Anschlüsse 17 und 18 bilden die Ausgangsklemmen der Maschine.

Piese Maschine arbeitet in folgender Weise: Pa die einander gegenüberliegenden Rächen der Pole 23 und 24 des Erregerteils und des Stators 6 zylindrisch und koaxial sind und die gewählten Magnetmaterialien (beispielsweise Eisen-Nickel-Legierungen) eine große Permeabilität haben, ist es möglich, in dem Polluftspalt eine sehr konstante magnetische Induktion zu erhalten, wenigstens insoweit, als der magnetische Leitwert des außerhalb des Magnets liegenden Kreises konstant bleibt; die kann durch dem Faritmann bekannte Maßnahmen erreicht werden.

Unter diesen Bedingungen hat man einen Wechselstromgenerator mit gleichförmiger Flußverteilung, und wenn sich der Rotor dreht und sich die Pole vor den Öffnungen der eine Wicklung enthaltenden Nuten vorbeibewegt, ändert sich der von der Wicklung umfaßte Fluß linear als Funktion der Änderung der Winkelstellung.

Bekanntlich hat die bei konstanter Winkelgeschwindigkeit von einer zweipoligen Maschine der beschriebenen Art induzierte Spannung den folgenden Wert:

£•=2- /Vn- Bh R

Darin sind B die Induktion im Luftspalt, / die Länge der Pole, R der Radius der Pole, π die Zahl der Leiter der betreffenden Wicklung und TV die Winkelgeschwindigkeit (in Bögengraden pro Sekunde).

Alle Wicklungen b_t bis be sind gleich, aber die Wicklungen jedes Paares, beispielsweise die Wicklun- es gen b\ und tk, sind gegensinnig gewickelt bzw. angeschlossen.

F i g. 3 zeigt die sechs Spannungen E\ bis E₆, die auf

diese Weise an den Klemmen der Wicklungen b\ bis k, jn Abhängigkeit von dem Prehwinkel λ erhalten werden. Es ist zu sehen, daß diese Spannungen für einen Prehwinkelberejch von etwa 2^/3 oder 120° konstant bleiben,

F i g, 4 zeigt die elektrische Verdrahtung der Maschine. Pie Ausgangsklemme 1? ist mit einem Ende aller Wicklungen b\ bis fit verbunden. Pie anderen Enden der Wicklungen sind jeweils an eine Kontaktlamelle eines der Schutzgaskontakte 9 bis 14 angeschlossen. Die anderen Kontaktlamellen der Schutzgaskontakte sind parallel mit der Ausgangsklemme 18 verbunden.

Pas Schließen der Kontakte 9 bis 14 erfolgt der Reihe nach durch den Vorbeigang des Magnets 20 vor diesen Schutzgaskontakten, wobei der Kontaktschluß durch die magnetische Anziehung zwischen den Enden der Kontaktstäbchen hergestellt wird, sobald diese dem Magnetfeld ausgesetzt sind. Pie Form und die Stärke des Magnets sind so bemessen, daß jeder Schutzgaskontakt nur zwischen zwei Winkelstellungen geschlossen ist die einem Winkel von mehr als ~;/3 entsprechen, damit die Überlappung mit den benachbarten Schutzgaskontakten gewährleistet ist, der aber kleiner als π/3 ist damit man im Bereich konstanter Spannung bleibt

Pas in F i g. 4 angedeutete Schließen des Kontakts 9 entspricht der in F i g. 1 und 2b dargestellten Stellung des Magnets.

In F i g. 5 sind als Funktion des Prehwinkels α (der hier zur Erleichterung des Verständnisses in Grad ausgedrückt ist) die nutzbaren Halbwelten der Spannungen E\, Ei, £3 und Eb sowie die Stellungen der entsprechenden Schutzgaskontakte 9, 10, 11 und 14 dargestellt Piese Kontakte sind für die Winkelintervalle at\, ah, ati und afc in der durch den Pfeil 38 dargestellten Prehrichtung und rti, rh, rtj ... rfe bei einer Prehung in der Richtung des Pfeils 39 geschlossen.

Bei diesem Beispiel sind die Form und die Stärke des Magnets so bemessen, daß jeder der Schutzgaskontakte 9 bis 14 nur während etwa 75° geschlossen ist so daß eine Überlappung von 15° zwischen den Winkelbereichen besteht, die der Schließzeit von zwei aufeinanderfolgenden Kontakten entspricht Pie Festigkeit dieser Schließperioden in bezug auf die Winkelstellung des Rotors ändert sich aber mit der Rrehrichtung; die Schutzgaskontakte sind nämlich Vorrichtungen mit unterschiedlicher Ansprech- und Abfallschwelle, so daß sie sich bei einem Wert des Magnetfeldes schließen, der etwa doppelt so groß wie der Wert des Magnetfeldes ist, bei dem sie sich öffnen. Pie Verschiebung jeder der Schließperioden at\ bis afc gegenüber jeder entsprechenden Schließperiode rt\ bis rfc wurde bei dem beschriebenen Beispiel gleich 15° gefunden. Der gesamte Erregungswinkel ist also 75 + 15 = 90°, und dieser muß zentrisch zu dem entsprechenden Bereich konstanter Spannung liegen, was durch eine geeignete Winkellage des magnetischen Stabes 20 auf der Nabe 21 erreicht wird. Pies läßt sich unter Berücksichtigung aller Toleranzen ohne weiteres auf weniger als 5° genau erreichen.

Pas Schließen des Kontaktes erfolgt also im Inneren eines maxiamlen Winkelbereichs von

90 + 2 · 5 => 100", in welchem die induzierte Spannung sehr konstant ist, weil dieser Bereich beträchtlich kleiner als der dem Polwinkel entsprechende Bereich (etwa 120«) ist

Unter diesen Bedingungen ruft das Öffnen der Kontakte nur sehr kurze Impulse hervor, die daher stammen, daß die in jeder Wicklung induzierten

Spannungen in der Praxis nicht vollkommen gleich sind und daß die Maschine auf Verbraucherkreise arbeitet, deren Impedanz zwar groß, aber nicht unendlich ist. Die Störsignale haben einen sehr kleinen Pegel und können leicht mit Hilfe von kleinen Kondensatoren in einer an sich bekannten Weise ausgefiltert werden.

Im Rahmen der Erfindung können die Zahl der Wicklungen, die Polzahl und die Zahl der Kontakte anders als bei der beschriebenen Ausfuhrungsform sein. ,Eine Kontaktteil von mehr als sechs ermöglicht es offensichtlich, sich mit Wechselsiromgeneratoren zu begnügen, die eine konstante Spannung während eines kleineren Bruchteils jeder Periode abgeben, und das umgekehrte gilt für eine Kontaktzahl von weniger als sechs.

Es ist auch möglich, den Wechselstromgenerator nach dem Prinzip des Gramme'schen Rings auszuführen. In diesem Fall wird ein magnetischer Ring vorgesehen, der gleichförmig verteilte Wicklungen tragt, und ein Magnet, der einen Erregerfluß erzeugt, der schmaler als jede Wicklung ist, damit wie im Pall des zuvor beschriebenen Wechselstromgenerator eine konstante S induzierte Spannung erhalten wird.

Aus vorstehender Beschreibung ist klar erkennbar, daß die beschriebenen Generatoren wesentliche Vorteile aufweisen:

to — einfacher Aufbau

— große Zuverlässigkeit

— verringerte Wartung

— Uneinpfindliehkeit für atmosphärischen Unterdruck

— geringe Temperaturabhängigkeit.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche;

1. Gleichspannungsgenerator mit einem Erregerteil, einem Anker mit mehreren Wicklungen und mit einer Kommutiervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerteil (5) und der Anker (6) so ausgebildet sind, daß die in jeder Ankerwicklung (b\ ... k) induzierte Wechselspannung (E]... £e) während eines Teils jeder Periode eine konstante Amplitude hat, daß die Komrautiervorrichtung für jede Ankerwicklung (b\,.. be) einen Schalter(9... 14) aufweist, der mit der zugehörigen Ankerwicklung in Reihe geschaltet ist, daß die jeweils aus einer Ankerwicklung(b\... bg) und dem zugehörigen Schalter (9... 14) bestehenden Reihenanordnungen parallel zueinander mit den Ausgangsklemmen (17, 18) verbunden sind, und daß die Kommutiervorrichtung ein Schalterbstätigungsglied (20) zur Betätigung der Schalter (b\... be) in Abhängigkeit von dem Drehwinkel (α) zwischen Erregertei! φώ Anker aufweist

2. Gleichspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerteil (5) ein mehrpoliger Rotor ist, der ein konstantes Magnetfeld erzeugt und Polschuhe (23, 24) aufweist, deren Außenfläche jeweils ein Abschnitt einer koaxial zur Rotorachse liegenden Zylinderfläche ist, daß der Anker (6) ein den Rotor koaxial umgebender Stator mit zylindrischer Innenfläche ist, der die Ankerwicklungen (b\...bb) aufnehmende Nuten (27...32) enthält und daß der öffnungswinkel der Nuten (27...32) klei? gegen die Winkelausdehnung jedes Rotorpolschuhs (23,24) ist.

3. Gleichspannungsgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daä de' Rotor zweipolig und durch einen Permanentmagneten magnetisiert isi.

4. Gleichspannungsgenerator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Nuten (27 ... 32) gerade ist daß in jeweils zwei einander diametral gegenüberliegenden Nuten die Spulenseiten von zwei Wicklungen (b\, b*; bi, 65; bj, bf,) angeordnet sind, und daß die beiden in den gleichen Nuten liegenden Wicklungen gegensinnig zueinander mit den Ausgangsklemmen (17, 18) verbunden sind.

5. Gleichspannungsgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Anzahl der Wicklungen und Nuten sechs beträgt.

6. Gleichspannungsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (9 ... 14) Schutzgaskontakte sind, die in gleichmäßigen Winkelabständen rings um die Rotorachse angeordnet sind, und daß das Schalterbetätigungsgited (20) ein drehfest mit dem Rotor verbundener Magnet ist.