DE1044245B

DE1044245B - Steuergeraet fuer eine elektrische Kupplung

Info

Publication number: DE1044245B
Application number: DEH28887A
Authority: DE
Inventors: Ralph Louis Jaeschke
Original assignee: Heenan and Froude Ltd
Current assignee: Heenan and Froude Ltd
Priority date: 1956-02-01
Filing date: 1956-12-21
Publication date: 1958-11-20
Also published as: GB804020A; FR1169026A; US2850654A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuergerät für eine elektrische Kupplung bestimmter Bauart. Diese elektrische Kupplung weist zwei Kupplungsteile auf, von welchen der eine keine Feldwicklung aufweist und von einem Motor mit einer feststehenden Geschwindigkeit angetrieben wird, während die Geschwindigkeit des anderen Kupplungsteiles abhängig von der Größe der Gleichstromerregung der auf diesen Teil aufgewickelten Feldstromwicklung und von der darauf ausgeübten Last ist.

Es sind elektrische Kupplungen bekannt, die einen Generator für die Lieferung der Gleichspannung enthalten, die von der Drehgeschwindigkeit der den Generator antreibenden Welle abhängig ist. Hierbei handelt es sich jedoch um Kupplungen, deren beide Teile bewickelt sind und deren Wirkung auf der Erzeugung eines dem Schlupf zwischen dem treibenden und getriebenen Teil entsprechenden Wechselstromes beruht, der nach Gleichrichtung zur Erregung des Polrades benutzt wird. Durch die Anordnung einer zusätzlichen, von einem der beiden Kupplungsteile angetriebenen Erregermaschine zur Speisung des Polrades wird dabei erstrebt, auch im unteren Drehzahlbereich ein erhöhtes Drehmoment zu übertragen. Abgesehen von der besonderen Aufgabenstellung und der relativ sperrigen Kupplung, deren Bauweise sich von der eingangs angegebenen Kupplungsart grundsätzlich unterscheidet, ist hierbei der Aufwand an Bestandteilen der Anordnung recht erheblich.

Ferner ist eine Anordnung zum Regeln elektromagnetischer Getriebe bekannt, bei der zwar ein Generator mit einem von der Kraftmaschine angetriebenen Anker und ein vom Generator gespeister, auf der anzutreibenden Welle angeordneter Motor verwendet werden, bei der jedoch der Bedienungshebel des Brennstoffreglers Bremsstellungen aufweist, in denen zwangläufig durch mechanische Rückführung der Erregerstromhauptregler in die Stellung für niedrige Drehzahlen gebracht wird und Bremswiderstände in den Läuferstromkreis des Motorteiles des Getriebes eingeschaltet werden. Abgesehen davon, daß der Zweck einer derartigen Anordnung, die keine Kupplung der eingangs angegebenen Bauart enthält, darin besteht, eine Erhöhung des Anlauf drehmomentes der Antriebsmaschine herbeizuführen und insbesondere einen getrennten Bremshebel zu ersparen, arbeitet die Anordnung infolge zahlreicher, zum Teil mechanisch miteinander verbundener Bestandteile relativ träge, wobei sie einen erheblichen Aufwand bedingt.

Es sind weiterhin elektronische Steuerungen für elektrische Kupplungen der eingangs angegebenen Art bekannt, bei denen zwar erstrebt wird, die Geschwindigkeit auf einem bestimmten Wert zu halten, wobei der Schutz gegen ein übermäßiges Drehmoment Steuergerät für eine elektrische Kupplung

Anmelder:

Heenan & Froude Limited,

Worcester Engineering Works,

Worcester (Großbritannien)

Vertreter: Dipl.-Ing. L. Härmer, Patentanwalt,
Berlin-Halensee, Katharinenstr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 1. Februar 1956

Ralph Louis Jaeschke, Kenosha, Wis. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

erreicht werden soll. Hierzu werden jedoch mit Quecksilberdampf bzw. mit Gas gefüllte, mit einem Heizfaden ausgestattete Elektronenröhren verwendet, die in der Praxis durchweg nicht unerhebliche Nachteile mit sich bringen. So erfordern beispielsweise sämtliehe mit Quecksilberdampf oder Gas gefüllte Röhren beim ersten Ein- bzw. Anschalten eine Anwärmperiode, bevor sie ihre Endfunktion verrichten können. Die dadurch entstehende Verzögerung kann beträchtliche Erschwerungen bzw. Verwicklungen bei dem jeweiligen Benutzer verursachen, wobei für die automatische Steuerung der Anwärmperiode ein zusätzlicher Stromkreis erforderlich ist. Weil eine derartige Elektronenröhre wiederum von der thermischen Emission abhängt, muß im Innern der Röhre ein Heizdraht vorgesehen werden, um die für die Wirkungsweise der Röhre unerläßlichen Voraussetzungen zu schaffen. Die Einführung dieses Heizelementes erhöht die Störanfälligkeit der Röhre, verursacht einen zusätzlichen Energieverbrauch und macht bei der Wärmestrahlung andere Bestandteile erforderlich. Im Hinblick darauf, daß die eigentliche Röhre von einem Glaskolben umgeben ist, sind mechanische Schäden leicht möglich. Dort, wo eine gedrungene Apparatebauart wichtig bzw. ausschlaggebend ist, sind die bekannten Röhren nicht raumsparend genug.

Demgegenüber schlägt die Erfindung für eine eingangs angegebene Kupplung ein Steuergerät von einer bestimmten Ausbildung vor. Als Steuergerät wird erfindungsgemäß ein Transistor mit einem Sammler,

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einem Sender und einem Sockel benutzt. Hierbei wird dem Transistor die Ausgangsenergie eines an sich bekannten Gleichstromgenerators zugeführt, der mit einer Geschwindigkeit proportional der Geschwindigkeit der abgehenden Welle der Kupplung angetrieben wird. ■ --------

Der Gleichstromgenerator ist von der elektrischen Kupplung getrennt und unabhängig davon. Er hat den Transistor-Gleichrichterkreis zu steuern. Dieser Kreis liefert die Erregung für die Kupplungsfeldwicklung, und der Wert dieser Erregung bestimmt das Drehmoment, welches übertragen wird. Hierbei wird der Generator mit einer Geschwindigkeit proportional der Geschwindigkeit der abgehenden Welle der Kupplung angetrieben. Da die Ausgangsenergie dieses Gleichstromgenerators dem Transistorkreis zugeführt wird, kann die Erregung für die Kupplungsfeldwicklung so geändert werden, daß bei zunehmender Last die Erregung größer wird, um auf diese Weise die Geschwindigkeit der abgehenden Welle konstant zu halten. Somit ist eine weitgehende Anpassung an die jeweils gewünschte Regelungsart bzw. an die jeweiligen Bedingungen möglich. Die neuartige Anwendung von Transistoren auf derartige Kupplungen hat eine Reihe von Vorteilen zur Folge, die z. B. darin bestehen, daß eine bei den bisher verwendeten Röhren erforderliche Anwärmperiode fortfällt, wodurch die Steuerung besonders exakt durchgeführt wird, daß infolge des Fehlens des Heizfadens praktisch keine Störanfälligkeit und kein zusätzlicher Energiebedarf sowie kein zusätzlicher, automatisch zu steuernder Stromkreis mit dem Heizelement vorhanden sind, wobei sich zugleich z. B. beträchtliche Raumersparnisse erzielen lassen.

In den Fig. 1 bis 3 sind einige verschiedene Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schaltung der einen Ausführungsform der Erfindung.

Die elektromagnetische Kupplung CL weist ein Antriebsglied 1, welches von einem Elektromotor M angetrieben wird, und ein abgetriebenes Glied 3 auf, durch welches ein Drehmoment auf eine Welle .S¹ übertragen wird. Es wird ein elektrisches Potential erzeugt, welches von der Drehgeschwindigkeit der Wellet¹ abhängig ist. Der Generator G ist vorzugsweise ein Wechselstromgenerator mit einem permanenten Magneten. Die Stärke des Kupplungsmomentes zwischen den Gliedern 1 und 3 wird durch den Stromfluß in der Kupplungsfeldwicklung FC geändert.

Der Transistor T-I weist drei Elemente, einen einen Sammler C-I, einen Sender E-I und einen Sockel B-I₁ auf. Die Transistorelemente sind in zwei Kreisen angeordnet. Der erste Kreis enthält den Sammler C-I, den Sender B-I, die Wicklung FC in Reihe mit der Gleichstromquelle 5 und die Leitungen 7j 9, 19. Der zweite Kreis ist zwischen den Sockel und den Sender geschaltet und dient zum Anlegen einer umkehrbaren, zusammengesetzten Gleichspannung an den Sockel und Sender. Die erste Komponente der zusammengesetzten Gleichspannung wird dadurch erzeugt, daß die Wechselspannung des Generators G über die Leitungen 11, 13 einem Halbwellengleichrichter zugeführt wird, welcher aus dem Gleichrichter R₁ dem Kondensator 15 und dem Widerstand 17 besteht. Die zweite Komponente der zusammengesetzten Gleichspannung für den Sockel und den Sender wird über die Leitungen 19 und 21 zugeführt und über ein Potentiometer P-I der Batterie 5 entnommen. Die zweite Gleichspannungskomponente ist durch die Verschiebung des Potentiometerarmes einstellbar. Die Polaritäten der beiden Gleichspannungskomponenten der zusammengesetzten Gleichspannung für den Sockel und für den Sender sind derart entgegengesetzt, daß der Sockel vorgespannt werden kann, um in Abhängigkeit von den relativen Größen

■ der Spannungskomponente des Generators G und der Spannungskomponente, welche von der Einstellung des Potentiometers abhängig ist, die Richtung des Stromflusses durch den Sockel B-I umzukehren. Der

ίο Sockel-Sender-Kreis enthält einen Strombegrenzungswiderstand 23, um zu verhindern, daß ein übermäßig großer Strom im Kreis fließt.

Die Arbeitsweise ist wie folgt: Als Ausgangszustand wird angenommen, daß die WeIIe₁S" sich nicht

dreht und der Motor M für den Antrieb des Antriebsgliedes 1 eingeschaltet wird. Durch die Einstellung des Armes des Potentiometers P-I auf den Mittelpunkt gemäß Darstellung der Fig. 1 erhält man eine Gleichspannung, die ungefähr die Hälfte der Span-

nung der Stromquelle 5 ist, am Sockel-Sender-Kreis, wobei der Sockel B-I zum Sender E-I eine negative Vorspannung hat. Es fließt Strom in dem Sockel-Sender-Kreis. Dadurch wird die Feldwicklung FC vollkommen erregt. Die Welle 6" und die Last L werden mit dem Motor M gekuppelt. Das angetriebene Glied 3 und die Welle 6" drehen sich. Erhöht sich ihre Winkelgeschwindigkeit, wird die vom Generator G erzeugte Gleichspannungskomponente größer. Da ihre Polarität entgegengesetzt der der Gleichspannungs-

komponente ist, welche durch den Arm des Potentiometers P-I eingestellt ist, wird die negative Vorspannung am Sockel B-I vermindert, bis ein gleichmäßiger Arbeitszustand besteht, wobei der Strom der Feldwicklung einen bestimmten Wert und die Geschwindigkeit einen entsprechenden Wert aufweist. Irgendeine Veränderung der Last wird auf den Sockel-Sender-Kreis als erhöhter oder verminderter Sockelstrom reflektiert. Dadurch wird die Stärke des Kupplungsmomentes entsprechend erhöht oder vermindert, um auf diese Weise automatisch die Drehgeschwindigkeit des angetriebenen Gliedes 3 und der Welle 5" im wesentlichen konstant auf dem vorher eingestellten Wert zu halten, der von der Einstellung des Potentiömeterarmes abhängig ist. Eine Veränderung der Geschwindigkeit der WeIIe₁S" auf einen höheren oder niedrigeren Wert, welcher vorher eingestellt und dann gesteuert wird, wird nur durch eine entsprechende Einstellung des Potentiometerarmes erreicht.

Der Steuermechanismus der Fig. 2 gleicht dem der Fig. 1. Die prinzipiellen Unterschiede sind die Ver-. wendung einer zweiten Transistorstufe und die Einschaltung von zusätzlichen Strom-und Vorspannungsquellen. Der Sockel B-I der Transistorstufe, welche Strom für die Feldwicklung FC liefert, ist nicht mit der Gleichrichtereinheit verbunden, welche mit dem Generator G zusammengeschaltet ist, sondern mit einem Sammler C-2 eines Transistors T-2. Der Sockel B-I ist mit der negativen Klemme der Batterie 5 über den Lastwiderstand 25 und die Leitung 27 verbunden.

Der Sammler-Sender-Kreis der Transistorstufe T-2 enthält als zweite Strom- und Vorspannungsquelle die Batterie 29. Das Potentiometer P-I ist parallel zu der Batterie 29 und einer anderen Batterie 31, welche in Reihe hintereinanderliegen, geschaltet. Wie in Fig. 1 wird auch hier die Wechselspannung des Generators G gleichgerichtet. Die daraus entstehende Gleichspannungskomponente wird zusammen mit der Gleichspannungskomponente, deren Größe von der Einstellung des Potentiometerarmes abhängig ist, als eine umkehrbare, zusammengesetzte Gleichspannung, an

den Sockel-Sender-Kreis des Transistors T-2 angelegt.

Die Arbeitsweise der Ausführungsform der Fig. 2 entspricht grundsätzlich der der Ausführungsform der Fig. 1, wenn auch einige Unterschiede bestehen. Die zusammengesetzte, umkehrbare Gleichspannung für den Sockel-Sender-Kreis des Transistors T-I enthält gemäß Ausführungsform der Fig. 2 kein Potential, welches unmittelbar von der gleichgerichteten Ausgangsenergie G stammt, sondern ein Potential, welches am Widerstand 25 auftritt. Die Wirkungsweise ist die gleiche, aber der Steuerungsvorgang ist nicht unmittelbar abhängig von der Ausgangsenergie des Generators G, sondern mittelbar über den zweiten Transistor T-2. Erhöht sich bei der Ausführungsform der Fig. 2 die Geschwindigkeit des Generators G, so wird die Spannung am Sockel 5-2 negativer statt positiver, wie im Falle der Fig. 1. Dadurch wird der Leitwert des Sammler-Sender-Kreises vom Transistor T-2 erhöht. Der Stromfluß durch den Widerstand 25 wird größer. Die Vorspannung am Sockel B-I wird geändert. Der SiromfLuß im Sammler-Sender-Kreis des Transistors T-I und in der Wicklung FC wird vermindert. Der Vorteil der Ausführungsform der Fig. 2 ist, daß der Steuerstrom, der aus der zusammengesetzten Spannung entsteht, die durch den Generator G und das Potentiometer P-I erzeugt wird, infolge der Verstärkung durch die zweite Transistorstufe erheblich kleiner sein kann.

Die dritte Ausführungsform gemäß Fig. 3 entspricht der Fig. 2, mit der Ausnahme, daß zur Begrenzung des Drehmomentes ein dritter Transistor T-3 benutzt wird. Sein Sammler-Sender-Kreis ist parallel zu dem des zweiten Transistors T-2 geschaltet. Dem Sockel-Sender-Kreis des Transistors T-3 wird eine andere, umkehrbare, zusammengesetzte Gleichspannung zugeführt. Sie besteht aus einer Gleichspannungskomponente, die durch den Arm des Potentiometers P-2 eingestellt wird, welches zu dem Potentiometer P-I und zu den Batterien 29, 31 parallel geschaltet ist, und einer Gleichspannungskomponente, die dem Wechselstrom vom Motor M entspricht. Die eine der drei Phasen L-I, L-2, L-3 der Wechselstromquelle wird mit einem Stromtransformator TF gekoppelt, so daß über ihn und über eine Halbwellengleichrichtereinheit mit einem Kondensator 33, einem Widerstand 35 und einem Gleichrichter R-I die Erhöhung oder Abnahme des Motorstromes am Sockel-Sender-Kreis des Transistors T-3 zur Wirkung kommt.

Die Arbeitsweise der Ausführungsform der Fig. 3 entspricht der der Ausführungsform der Fig. 2 insoweit, als die Wellengeschwindigkeit auf einem bestimmten Wert zu halten ist. Bei der Ausführungsform der Fig. 3 hat man eine weitere Sicherheit dafür, daß bei Abnahme der Wellengeschwindigkeit infolge einer Laständerung, welche das Leistungsvermögen des Motors M übertrifft, der Strom in der Feldwicklung PC nur in dem Ausmaß der Leistungsfähigkeit des Motors M erhöht wird. Erreicht wird dies dadurch, daß die zusammengesetzte Gleichspannung aus der gleichgerichteten Wechselspannungskomponente vom Transformator TF und aus der Gleichspannungskomponente vom Potentiometer P-2 an dem Sockel-Sender-Kreis des Transistors T-3 angelegt wird. Eine Erhöhung der Last, welche durch die Kupplung CL mit dem Motor M gekuppelt ist, fordert von ihm die Abgabe eines erhöhten Drehmomentes. Dadurch benötigt der Motor M mehr Strom aus den Leitungen L-1, L-2, L-3. Die Stromerhöhung wird als höhere negative Vorspannung auf den Sockel 5-3' reflektiert. Der sich daraus ergebende Stromfluß im Sockel-Sender-Kreis des Transistors T-3 bewirkt eine Erhöhung des Stromflusses im Sammler-Sender-Kreis des Transistors T-3. Dadurch wird eine dritte Gleichspannungskomponente dem zusammengesetzten Potential am Sockel-Sender-Kreis des Transistors T-I zugefügt. Die dritte Spannungskomponente erhöht die positive Vorspannung am

ίο Sockel B-I. Dadurch wird die Kupplungskraft der Kupplung CL vermindert. Der Motor M kann über seine Leistungsfähigkeit hinaus nicht weiter belastet werden. Der Wert seiner Leistungsfähigkeit wird durch den Arm des Potentiometers P-2 eingestellt.

Die Steueranordnung gemäß der Erfindung ist für sämtliche Arten von elektromagnetischen Apparaten verwendbar, bei welchen die Stärke der Kupplung zwischen zwei Teilen vom Stromfluß in einer Feldwicklung abhängig ist. Es können Brems- und

so Dynamometereinrichtungen gemäß der Erfindung gesteuert werden. In einigen Fällen, z. B. bei bestimmten Bremsbeanspruchungen, kann es zweckmäßig sein, den Stromfluß durch die Feldwicklung in Abhängigkeit davon, daß die Wellengeschwindigkeit zunimmt,

as nicht zu vermindern, sondern zu erhöhen. Die elektromagnetische Kupplung, welche erfindungsgemäß gesteuert wird, kann auch eine Wirbelstromkupplung oder eine magnetische Kupplung, bei der ein Strömungsmittel benutzt wird, sein. Auch andere Einrichtungen können erfindungsgemäß gesteuert werden, die auf dem Prinzip beruhen, daß die mechanischen Antriebskräfte von elektrischen oder elektromagnetischen Kräften abhängig sind.

Verschiedene Arten der Transistoren können benutzt werden. An die Stelle des Wechselstromgenerators G kann auch ein Gleichstromgenerator treten. In diesem Fall ist ein Gleichrichter nicht notwendig. An die Stelle der Batterien können auch Wechselstromquellen mit Gleichrichtern treten.

Claims

Patentansprüche:

1. Steuergerät für eine elektrische Kupplung mit zwei Kupplungsteilen, von welchen der eine keine Feldwicklung aufweist und von einem Motor mit einer feststehenden Geschwindigkeit angetrieben wird, während die Geschwindigkeit des anderen Kupplungsteiles von der Gröiße der Gleichstromerregung der auf diesen Teil aufgewickelten Feldstromwicklung und von der darauf ausgeübten Last abhängig ist, gekennzeichnet durch einen Transistor (T-I) mit einem Sammler (C-I), einem Sender (E-I) und einem Sockel (B-V), wobei dem Transistor die Ausgangsenergie eines an sich bekannten Generators (G) zugeführt wird, der mit einer Geschwindigkeit proportional der Geschwindigkeit der abgehenden Welle (S) der Kupplung (CL) angetrieben wird.

2. Steuermechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lieferung eines Teiles der zusammengesetzten Gleichspannung eine Gleichspannungsquelle benutzt wird, die zur Einstellung der Winkelgeschwindigkeit der Welle auf einen bestimmten Wert veränderbar ist.

3. Steuermechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Mittel zur Lieferung einer anderen Gleichspannungskomponente in Abhängigkeit vom Drehmoment, welches durch die Kupplung übertragen wird, enthält, wodurch das von der Kupplung übertragene Drehmoment auf einen bestimmten Wert begrenzt wird.

4. Steuermechanismus für eine elektromagnetische Kupplung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand am Transistor in Verbindung mit einem zweiten Widerstand angeschaltet ist, der einen zweiten Sammler-Sender-Kreis, welcher den Widerstand und eine zweite Gleichspannungsquelle enthält, die in Reihe miteinander geschaltet sind, und einen zweiten Sockel-Sender-Kreis aufweist, der die zweite Gleichspannungsquelle enthält, welche in Reihe mit der anderen Gleichspannungsquelle entgegengesetzt dazu geschaltet ist, wodurch eine zusammengesetzte, umkehrbare Gleichspannung für den Sockel-Sender-Kreis des zweiten Transistors geliefert wird und somit der Stromfluß in der Feldwicklung auf die Winkelgeschwindigkeit der Welle anspricht.

5. Steuermechanismus nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gleichspannungsquelle zur Einstellung der Drehgeschwindigkeit der Welle auf einen bestimmten Wert veränderbar ist.

6. Steuermechanismus nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Mittel zur Lieferung einer anderen Gleichspannungskomponente in Abhängigkeit vom Drehmoment, welches durch die Kupplung übertragen wird, wodurch das durch die Kupplung übertragene Drehmoment auf einen bestimmten Wert gehalten wird, an den Sockel-Sender-Kreis des ersten Transistors aufweist.

7. Steuermechanismus für eine elektromagnetische Kupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er einen dritten Transistor mit einem Sammler-Sender-Kreis, welcher zum Sammler-Sender-Kreis des zweiten Transistors parallel geschaltet ist, mit einem Sockel-Sender-Kreis und einer zusammengesetzten Gleichspannungsquelle aufweist, die zur Lieferung der zweiten Gleichspannungskomponente dient, so daß eine zusammengesetzte, umkehrbare Gleichspannung für den Sockel-Sender-Kreis des dritten Transistors geliefert wird, wodurch der Strom in der Feldwicklung auf die Wellengeschwindigkeit unterhalb eines bestimmten maximalen Wertes der Drehmomentübertragung anspricht.

8. Steuermechanismus nach Anspruch7, dadurch gekennzeichnet, daß eine vierte Gleichspannungsquelle im Sockel-Sender-Kreis des dritten Transistors vorgesehen ist, welche veränderbar ist, um verschiedene bestimmte Drehmomentübertragungsgrenzen zu erhalten.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 675 223, 744 201;
USA.-Patentschriften Nr. 2 541 182, 2 277 284..
411122.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen