DE1025504B

DE1025504B - Einrichtung, die auf einer Produktbildung unter Aunsutzung eines Effektes beruht, der an einem stromdurchflosenen mgnetisch steuerbaren Widerstandskoerper auftritt

Info

Publication number: DE1025504B
Application number: DES41820A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Erich Gruenwald
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1954-12-04
Filing date: 1954-12-04
Publication date: 1958-03-06

Description

Einrichtung, die auf einer Produktbildung unter Ausnutzung eines Effektes beruht, der an einem stromdurchflossenen magnetisch steuerbaren Widerstandskörper auftritt Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen, die auf der Ausnutzung von Effekten beruhen, die an stromdurchflossenen Widerstandskörpern unter der Einwirkung magnetischer Felder auftreten. Derartige sogenannte galvanomagnetische Einrichtungen können sowohl auf der Ausnutzung der Änderung des spezifischen Widerstandes beruhen, die ein Widerstandskörper durch ein Magnetfeld erfährt, als auch auf der Ausnutzung des sogenannten Halleffektes.
Zur Erläuterung des Effektes der Widerstandsänderung magnetfeldabhängiger Widerstandskörper wird auf die bekannten Wismutspiralen verwiesen, die bereits seit langem zur Messung magnetischer Felder verwendet werden. Eine solche Spirale wird in das zu messende Magnetfeld eingeführt. Entsprechend der Stärke des Magnetfeldes ergibt sich ein bestimmter elektrischer Widerstand der Spirale, für den der sie durchfließende Strom und der an ihr auftretende Spannungsabfall als Meßgrößen verwendet werden können.
Der genannte Effekt wurde auch bereits zur Feineinstellung eines gewünschten Widerstandswertes herangezogen, indem die Wismutspirale beispielsweise dem Magnetfeld einer beweglichen oder veränderbar erregten Spule ausgesetzt wurde.
Beim Halleffekt handelt es sich ebenfalls um eine seit langem bekannte Erscheinung. Zur Erläuterung sei hier nur bemerkt, daß die an zwei besonderen seitlichen Elektroden bestimmter Widerstandskörper abgenommene sogenannte Hallspannung Uli ein getreues Abbild des Produktes der magnetischen Induktion B des Widerstandskörpers und des diesen durchfließenden Steuerstromes J darstellt. Es gilt die Beziehung UH = k.J.B, (1) wobei k eine durch Stoff und Abmessungen des Widerstandskörpers bestimmte Konstante darstellt. Der Halleffekt ist in den letzten Jahren vor allem an Germaniumwiderstandskörpern untersucht und dort auch zur Anwendung für verschiedene Zwecke, insbesondere zur Produktbildung, in Erwägung gezogen worden, da Germanium sich durch eine besonders hohe Hallspannung auszeichnet.
Die Ausnutzung galvanomagnetischer Effekte hat in der neueren Zeit eine bedeutende Ausweitung durch die Schaffung neuer Stoffe mit ungleich günstigeren galvanomagnetischen Eigenschaften erfahren. Bei diesen Stoffen handelt es sich um halbleitende Verbindungen mit besonders hoher Trägerbeweglichkeit, nämlich größer als 6000 cm' V-1 s-1, vor allem um halbleitende Verbindungen aus einem der Elemente Aluminium, Gallium, Indium der III. Gruppe, Untergruppe b, mit einem der Elemente Phosphor, Arsen, Antimon der V. Gruppe, Untergruppe b, des Periodischen Systems der Elemente. Eine halbleitende Verbindung mit besonders großer Magnetfeldabhängigkeit des spezifischen Widerstandes ist beispielsweise Indiumantimonid. Für die Ausnutzung des Halleffekts hat sich Indiumarsenid als sehr brauchbar erwiesen.
Durch die besonderen Eigenschaften der neuen Stoffe wurden für die Ausnutzung galvanomagnetischer Effekte viele neue Gebiete erschlossen. Aufgaben, die bis dahin nur auf Umwegen und mit komplizierten Mitteln gelöst werden konnten, können nun überraschend einfach und mit geringem Aufwand gelöst werden. Magnetfeldabhängige Widerstandskörper und Hallgeneratoren - so werden die unter Ausnutzung des Halleffektes verwendeten neuen Widerstandskörper bezeichnet - wurden dadurch zu neuen Bauelementen der Technik. Von den bisher bekanntgewordenen bzw. an anderer Stelle vorgeschlagenen Anwendungen seien nur einige beispielsweise erwähnt: Abbildung einer Drehzahl als Frequenz einer Spannung konstanter Amplitude, Überlagerung von Schwingungen, Messung des Polradwinkels von Synchronmaschinen, des Verhältnisses zweier Drehzahlen, Messung von Blind- und Wirkströmen und Wirk- und Blindleistungen, Messung des Oberwellengehaltes von Wechselspannungen und -strömen.
Bei den bisherigen Anordnungen, die auf der Ausnutzung galvanomagnetischer Effekte beruhen, erweist es sich vielfach als Nachteil, daß die gebildeten Produktausgangsgrößen als Wechselstromgrößen vorliegen. Zur Umformung in Gleichstromgrößen sind dann Gleichrichter und außerdem vielfach zeitlich träge Glättungsmittel erforderlich. Dies ist für viele Anwendungszwecke hinderlich, insbesondere wenn die Zeit eine Rolle spielt, wie dies vor allem für Regelungszwecke zutrifft. Die Erfindung weist einen Weg, der es ermöglicht, bei der Produktbildung mit Hilfe magnetfeldabhängiger Widerstandskörper ohne Gleichrichter und ohne zeitlich träge Glättungsmittel auszukommen und trotzdem Gleichstromgrößen zu erzielen, obwohl die Produktfaktoren selbst Wechselstromgrößen sind.
Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, gleichzeitig mehrere magnetisch steuerbare Widerstandskörper, vorzugsweise mit einer Trägerbeweglichkeit größer als 6000 cm2 V-1 s--1, nebst zugehörigen Magnetfeldanordnungen zu verwenden und diese als symmetrische zwei-oder mehrphasige Drehstrom- bzw. Drehfeldsysteme derart zu betreiben, daß die am gemeinsamen Ausgang der Einrichtung entnommenen Produktgrößen als Gleichspannungen bzw. Gleichströme vorliegen. Es ist dabei möglich, die Widerstandsänderung oder den Halleffekt auszunutzen.
Hauptanwendungsgebiete der Erfindung sind Gleichrichtung, Wechselrichtung, Gleichstromumspannung, Umrichtung, ferner die Bildung von Gleichspannungen, die den verschiedensten Meßgrößen proportional sein können, beispielsweise Wirk- oder Blindleistungen, Wirk- oder Blindströmen, dem Leistungsfaktor, dem Sinus eines Phasenwinkels, dem Mit-, Gegen- oder Nullsystem unsymmetrisch belasteter Mehrphasensysteme, dem Polradwinkel einer Synchronmaschine, der Winkeldifferenz zweier im Gleichlauf betriebener Wellen oder einer bestimmten Oberwelle eines nicht sinusförmigen Stromes.
In besonderem Hinblick auf die Wechselrichtung sei noch bemerkt, daß es grundsätzlich bekannt ist, magnetfeldabhängige Widerstände oder Hallspannungserzeuger mit einem Gleichstrom zu speisen und einem Wechselfeld auszusetzen. Bei der Anwendung der Erfindung zur Wechselrichtung wird von diesem Grundprinzip Gebrauch gemacht, jedoch sind die noch zu erläuternden Mittel hierzu vom Bekannten verschieden und insbesondere auf die Mehrphasenwechselrichtung abgestellt.
Zur näheren Erläuterung der Erfindnng ist im folgenden auf die Zeichnung Bezug genommen. Es zeigt Fig.1 eine dreiphasige Grundschaltung mit Ausnutzung des Halleffektes, Fig.2 eine dreiphasige Grundschaltung mit Ausnutzung der Widerstandsänderung, Fig. 3 eine graphische Darstellung, Fig.4 ein Beispiel für eine permanente Magnetfeldanordnung mit relativ zu dieser bewegtem magnetfeldabhängigem Widerstandskörper, Fig. 5 ein Beispiel für eine Magnetfeldanordnung mit ortsfest angebrachtem magnetfeldabhängigem Widerstandskörper, Fig. 6 eine Einrichtung zur Messung des Polradwinkels einer Synchronmaschine, Fig.7 eine Einrichtung zur Messung des Winkels zwischen zwei im Gleichlauf betriebenen Wellen, Fig. 8 eine Einrichtung zur Wirk- und Blindleistungsmessung, Fig. 9 eine Einrichtung zur wahlweisen Gleichrichtung, Wechselrichtung oder Gleichstromumspannung.
Zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips ist in Fig. 1 und 2 je eine beispielsweise dreiphasige Schaltung mit drei magnetfeldabhängigen Widerständen 1, 2 und 3 dargestellt. Diese stellen im Falle der Fig. 1 Hallgeneratoren dar und sind außer je mit zwei Stromelektroden 4 je mit zwei weiteren, seitlich angebrachten Elektroden, sogenannten Hallelektroden 5, versehen. Diese liegen sämtlich in Reihe und führen zu zwei Klemmen 6, an denen die Summenhallspannung U entnommen werden kann. Die Widerstandskörper 1 bis 3 werden je für sich von Sekundärwicklungen 7, 8, 9 eines Transformators 10 mit 120° phasenverschobenen Steuerströmen I1_ bis I3- versorgt. Die nicht näher bezeichneten Primärwicklungen des Transformators 10 sind bei r, s, t an ein Drehstromnetz anschließbar. Links und rechts neben den Widerstandskörpern 1 bis 3 sind jeweils zwei Spulenwicklungen 11, 12, 13 dargestellt; die schematisch die den Widerstandskörpern zugehörigen Magnetfeldanordnungen darstellen. Die Spulen werden je von 120° phasenverschobenen Strömen durchflossen, die beispielsweise ebenfalls aus dem Drehstromnetz r; s, t entnommen sind. Mit B1- bis B3- sind symbolisch die von den Spulenströmen erzeugten Induktionen der magnetfeldabhängigen Widerstandskörper dargestellt.
Im Falle der Fig.2 wird der Effekt der magnetfeldabhängigen Widerstandsänderung ausgenutzt. Die Widerstandskörper 1 bis 3 sind daher nicht mehr mit Hallelektroden versehen. Es wird vielmehr die Summe der an den Widerstandskörpern auftretenden Spannungsabfälle U1 bis U3 gebildet. Zur Bildung der Spannungsabfälle U1 bis U3 ist mit jedem der `Widerstandskörper ein Hilfswiderstand 14, 15 bzw. 16 in Reihe geschaltet, der auch komplex sein kann. Außer den durch die Spulen 11 bis 13 erzeugten Induktionen B1- bis B3- der Widerstandskörper 1 bis 3 stehen diese je noch unter der Einwirkung einer konstanten Induktion B0, durch die der Arbeitspunkt auf der Kennlinie der Widerstandskörper festgelegt wird. Die Induktionen B0 können beispielsweise durch permanente Hilfsmagnetfelder erzeugt werden. Im übrigen entspricht Fig. 2 der Fig. 1.
Zum Nachweis, daß die Spannung U an den Klemmen 6 in Fig. 1 und 2 reine Gleichspannung ist, sei kurz auf die mathematischen Zusammenhänge eingegangen. Zunächst wird Fig. 1 betrachtet. Für die Induktion B1-des Widerstandskörpers 1 gilt B, - = b - sin (,n, -r - @@'). (2) Für den Steuerstrom I1- durch den Widerstandskörper 1 gilt h- = i - cos (mT + @). (3) Es bedeuten b, i konstante Amplitudengrößen, z eine unabhängige Variable, z. B. einen sich linear mit der Zeit ändernden Winkel, n, in ganze Zahlen, @@, @@ Phasenwinkel: Für die Hallspannung UH, an den Hallelektroden 5 des Widerstandskörpers 1 ergibt sich somit nach (1) U H1 - B1_ # I1- = i - b - sin (nT + @@) cos (mT + @@). (4) Im Falle der Fig. 2 ergibt sich für die Gesamtinduktion des Widerstandskörpers 1 Bi = BO -r- Bi = BO --_ b . sin (rar + yr). (5) Sie ist gleichzeitig dem Widerstand R1 des Widerstandskörpers 1 proportional. Dies ergibt sich aus der graphischen Darstellung nach Fig. 3, die in Abhängigkeit von der Induktion B den Widerstand R des magnetfeldabhängigen Widerstandskörpers 1 darstellt. Der Wert B, bestimmt den Arbeitspunkt P auf der Kurve. Ihm entspricht ein Widerstand Ro. Der Amplitude b der Induktion entspricht eine Amplitude r der Widerstandsänderung. Man kann also schreiben R1 = Ra -,- r - sin (rc-r + ip) ^ B,' 7- b - sin (;t -r -I- (p), (2 a) wobei B,' an Stelle von B, gesetzt ist, um zu berücksichtigen, daß die Verlängerung des rechten Astes der '\N,'iderstandskurve die BAchse nicht im Ursprung schneidet. Für den Steuerstrom I1- durch den Widerstandskörper gilt J1_ = i - cos (mT + @@). (3) Das Produkt Widerstand R1 mal Strom j1_ ergibt den Spannungsabfall U1 am Widerstandskörper 1: U1 --- i [B0' + b - sin (nT + @)] cos (mT + @) . (6) Es zeigt sich, daß sich im Falle der Ausnutzung des Halleffektes (4) und im Falle der Ausnutzung der Widerstandsänderung (6) bis auf die Größe B0' die gleichen Formeln ergeben.
Man kann daher bei der weiteren mathematischen Behandlung die zuletzt gewonnene Formel (6) verwenden, wobei im Falle der Ausnutzung des Halleffektes B0' = 0 zu setzen ist.
Durch Umformung ergibt sich aus (6) Hat der Strom J1 durch den Widerstand 1 die gleiche Frequenz wie die Induktion B1, so wird n = m und damit @9 Widerstandskörper 2 , In (8) stellen der erste und der zweite Summand zeitlich sinusförmig veränderliche Größen dar. Der dritte Summand ist jedoch eine zeitlich unabhängige Größe, die = w zu Null und für wird. für Bildet man auch für die und 3 bzw. U3 gemäß U1 nach (8) die entsprechende Größe U und summiert U1 mit U2 und U3, so ergibt sich als Summenspannung U im Fall der Fig. 1 und 2 Bildung von geringer aus, ...
Welle

wobei v die Anzahl der Widerstandskörper bzw. die Phasenzahl der jeweils vorhandenen Drehfeldsysteme bedeutet.
Es zeigt sich somit, daB durch Maßnahmen nach der Erfindung die Bildung von Produktgrößen, deren Faktoren aus Wechselstromgrößen bestehen, als reine Gleichstromgrößen möglich ist, ohne daß es dazu der Anwendung von Gleichrichtern ohne oder mit zeitlich trägen Siebmitteln bedarf. Ist in bestimmten Fällen die Symmetrie der verwendeten Drehstrom- bzw. Drehfeldnetze nicht vollkommen, so kommt man auch in diesem Fall ohne Gleichrichter aus. Gegebenenfalls wird man jedoch zusätzlich Glättungsmittel anwenden. Diese fallen aber ganz erheblich geringer aus, als wenn die Produktgrößen in bekannter Weise als Wechselstromgrößen erzeugt und nachträglich gleichgerichtet würden.
Die Anzahl der Phasensysteme kann an sich beliebig sein (v -- 2, 3, 4, 5, 6 ). Die Ströme J durch die Widerstandskörper und die magnetischen Induktionen B derselben können, wie oben angenommen, außer aus rein sinusförmigen Größen auch aus Summen von sinusförmigen Größen bestehen. Die gewünschte Gleichstromgröße ergibt sich dann nur für die Frequenzanteile gleicher Ordnungszahl. Dies kann, wie weiter unten noch näher beschrieben ist, dazu verwendet werden, nicht sinusförmige Schwingungen zu analysieren.
An Stelle von Drehfeldern, die durch ein Drehstromnetz erzeugt werden, können Drehfeldsysteme auch durch rotierende Magnetfeldsysteme erzeugt werden, die entweder permanente Magnete oder auch Elektromagnete enthalten können. Die Magnete aller Drehfeldsysteme, die hierbei zweckmäßig auf einer gemeinsamen sitzen und gemeinsam angetrieben werden, versetzt man entsprechend der Phasenzahl räumlich gegeneinander, bei v = 3 also je um 120°. Ein schematisches Beispiel für eine einzelne Magnetfeldanordnung mit durch mechanische Bewegung erzeugtem Drehfeld ist in Fig. 4 in Schnittansicht dargestellt.
In Fig. 4 ist 1 ein beispielsweise ortsfester magnetfeldabhängiger Widerstandskörper. Er befindet sich im Luftspalt einer topfförmig ausgebildeten Magnetfeldanordnung, die aus einem Dauermagnet 40 und einem diesen umschließenden topfförmigen Teil 41 und einem deckelförmigen RückschluBteil 42 besteht. Die bei 44 gelagerten Wellen 45 der relativ zum Widerstandskörper 1 umlaufenden Magnetfeldanordnung können entsprechend der vorgesehenen Phasenzahl mit weiteren, nicht dargestellten Magnetfeldanordnungen gekuppelt sein, in deren Luftspalte ebenfalls Widerstandskörper mit entsprechender Versetzung angeordnet sind. Die Luftspalte der Magnetfeldanordnungen sind jeweils so ausgebildet, daß sich sinusförmige Induktionsänderungen der Widerstandskörper ergeben.
In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Magnetfeldanordnung ohne bewegte Teile dargestellt. Sie weist einen Mantelkern 50 auf, dessen Mittelschenkel zwei Wicklungen 51 und 52 umschließen. Die Wicklung 51 dient zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes und wird mit den Klemmen 53 an eine Phase eines Drehstromnetzes angeschlossen. Die Wicklung 52 dient zur Vorerregung und wird mit den Klemmen 54 mit Gleichstrom gespeist. Der Widerstandskörper 1 ist in einem zwischen dem Mittelschenkel und dem Loch des Kernes 50 befindlichen Luftspalt angeordnet. Entsprechend der Phasenzahl sind zwei oder mehr Drosselspulen Es ist außerdem möglich, die einzelnen Drosselspulen zu mehrphasigen Anordnungen in baulicher Einheit zusammenzufassen, ähnlich wie bei Drehstromdrosseln oder -transformatoren.
Im Falle der Erzeugung der Drehfelder durch rotierende Magnete ist es möglich, mit nur einer einzigen rotierenden Magnetfeldanordnung auszukommen. Alsdann werden mehrere Widerstandskörper oder Hallgeneratoren räumlich im Luftspalt einer einzigen etwa nach Fig.4, untergebracht. Dies ergibt besonders einfache Einrichtungen, wie aus Fig. 6 und 7 ersichtlich ist.
Fig. 6 bezieht sich auf die Aufgabe der Messung des Polradwinkels einer Synchronmaschine. Der elektrische Meßwert für den Polradwin cl wird gemäß der Erfindung mit Hilfe von mehrphasigen Drehstrom- und Drehfeldsystemen als reine Gleichstromgröße gebildet. Der Polradwinkel einer Synchronmaschine ist bekanntlich der Winkel zwischen dem Vektor der Netzspannung und dem Polrad.
Im Fall sind dreiphasige Systeme zugrunde gelegt. Die Synchronmaschine ist mit 60, das an sie angeschlossene Netz mit v, s, t bezeichnet. Mit dem nicht näher dargestellten Läufer der Synchronmaschine ist über die Welle 63 eine Magnetfeldanordnung 62 gekuppelt. Diese ist nur symbolisch dargestellt mit einem äußeren magnetischen Ring 64, der beispielsweise den Südpol bildet, und dem darin exzentrisch gelagerten drehbaren Rückschlußteil 61 als Nordpol, der mit der Welle 63 verbunden ist. Im Luftspalt der Magnetfeldanordnung sind insgesamt drei magnetfeldabhängige Widerstandskörper 1 bis 3 je um 120° versetzt angeordnet. Der besseren Übersicht halber sind die Widerstandskörper jedoch nicht im Luftspalt, sondern außerhalb desselben dargestellt. Zur Stromversorgung der Widerstandskörper dient eine kleine Hilfssynchronmaschine 65, die an das Netz r, s, t über einen Transformator 66 angeschlossen ist. Sie ist mit einem Drehstromtachometerdynamo 67 gekuppelt, der drei feststehende Wicklungen u, v, w und einen diese erregenden umlaufenden Dauermagnet 68 aufweist. Jeder der Widerstandskörper 1 bis 3 ist mit einer der Wicklungen u, v, w über einen Hilfswiderstand 69 verbunden. Im vorliegenden Beispiel ist eine Ausnutzung der Widerstandsänderung angenommen. Die Widerstandskörper 1 bis 3 sind daher wie in Fig. 2 in Reihe geschaltet, so daß an den Klemmen 6 die dem Polradwinkel der Synchronmaschine 60 proportionale Spannung L' als reine Gleichspannung abnehmbar ist zwecks Anschluß an ein nicht mit dargestelltes Meßinstrument oder zur Beeinflussung der Synchronmaschine im regelnden Sinn.
Fig. 7 bezieht sich auf die Messung der Winkel zwischen im Gleichlauf zu betreibenden Wellen, wie sie beispielsweise bei Mehrmotorenantrieben vorliegen. Es sollen die Winkel von drei Wellen 71, 72, 73 jeweils gegenüber einer Leitwelle 74 gemessen werden. Dazu ist mit jeder der Wellen 71 bis 73 ein beispielsweise dreiphasiger Tachometerdynamo 75, 76, 77 gekuppelt, die ähnlich wie der Tachometerdynamo 67 in Fig. 6 mit einem umlaufenden Permanentmagnet und drei um 120° versetzten Ankerwicklungen u, v, w versehen sind, welche außerdem zur Unterscheidung zusätzlich mit 1, 2 bzw. 3 gekennzeichnet sind. Sämtliche Ankerwicklungen sind jeweils mit magnetfeldabhängigen Widerstandskörpern verbunden, die im Luftspalt einer gemeinsamen Magnetfeldanordnung 62 angeordnet sind. Letztere besteht beispielsweise ähnlich wie in Fig. 6 aus einem magnetischen Ringkörper 64 und einem darin exzentrisch gelagerten, mit der Leitwelle 74 gekuppelten Rückschlußteil 61. Die einzelnen Widerstandskörper sind in Gruppen zu dreien im Luftspalt zwischen den Teilen 62 und 64 angeordnet und mit 11, 12, 13, 2, usw. bis 33 bezeichnet. Die erste Gruppe der Widerstandskörper 11 bis 13 ist mit je einer der Ankerwicklungen u1 bis u3 verbunden, während die Widerstandskörper 21 bis 23 mit den Ankerwicklungen v1 bis v3 und die Widerstandskörper 31 bis 33 mit den Ankerwicklungen w1 bis w3 verbunden sind. Im vorliegenden Beispiel sind die Widerstandskörper als Hallgeneratoren ausgebildet. Die mit den gleichen Indizes versehenen Widerstandskörper sind daher hinsichtlich ihrer Hallelektroden zwecks Abnahme der Meßwerte für die Winkelabweichungen, die zwischen den Wellen 71 bis 73 einerseits und der Leitwelle 74 andererseits entstehen, in Reihe geschaltet und mit elektrischen Meßinstrumenten verbunden. Diese Meßinstrumente sind mit M1 bis M3 bezeichnet. Um Meßfehler zu vermeiden, die durch die Drehzahl-Spannungsabhängigkeit der Tachometerdynamos 75 bis 77 im Falle von Änderungen des Drehzahlniveaus der Leitwelle 74 auftreten können. sind in die Speisestromkreise der magnetfeldabhängigen Widerstandskörper Luftspaltdrosseln D1 bis D3 eingeschaltet.
In Fig. 8 ist eine Einrichtung zur Wirk- und Blindleistungsmessung bei Drehstrom dargestellt, die als Meßinstrument lediglich ein Gleichstrominstrument benötigt. Die Einrichtung arbeitet beispielsweise mit der Ausnutzung des Halleffektes. Es soll die Wirk- und außerdem die Blindleistung eines an ein Drehstromnetz r, s, t angeschlossenen Verbrauchers 80 gemessen werden. Zu diesem Zweck ist ein Drehtransformator 81 vorgesehen, der primärseitig an dem Netz r, s, t liegt und dessen nicht näher bezeichnete Sekundärwicklungen je eine von drei Erregerwicklungen 82 speisen, die zu drei Magnetfeldanordnungen 83 gehören. Die symbolisch dargestellten Magnetfeldanordnungen haben außer den Erregerwicklungen 82 je einen Magnetkern 84. In den Luftspalten dieser Kerne ist jeweils ein als Hallgenerator ausgebildeter Widerstandskörper 1, 2 bzw. 3 angebracht. Die Widerstandskörper werden von Stromwandlern 85 gespeist, die in Zuleitungen des Verbrauchers 80 eingeschaltet sind. Die Widerstandskörper 1, 2, 3 sind außerdem mit ihren nicht näher bezeichneten Hallelektroden in Reihe geschaltet, so daß an zwei Klemmen 86 eine Spannung U als Summe der einzelnen Hallspannungen entnommen und einem Meßgerät zugeführt werden kann.
Mit der Einrichtung nach Fig.8 kann wahlweise die Blind- oder die Wirkleistung des Verbrauchers 80 gemessen werden. Hierzu sind an dem Drehtransformator 82 zwei Einstellungen 87, 88 vorgesehen, von denen die eine für die Wirkleistungsmessung und die andere für die Blindleistungsmessung vorgesehen ist. Die beiden Einstellungen lassen sich durch Versuch wie folgt ermitteln: Zunächst wird als Verbraucher 80 ein reiner Wirkleistungsverbraucher angeschaltet. Die Einstellung des Drehtransformators wird nun so lange verändert, bis die Spannung U' an den Klemmen 85 einen Maximalwert hat. Diese Stellung ist die Stellung für Wirkleistungsmessungen. Die Stellung des Drehtransformators 81 zur Blindleistungsmessung ist um 90` elektrisch dagegen versetzt.
Über die bisher beschriebenen Anwendungsbeispiele hinaus besteht für die Maßnahmen nach der Erfindung noch eine große Anzahl anderer Anwendungsmöglichkeiten, bei denen es ebenfalls auf eine Messung ankommt und die Erzielung einer Gleichstromgröße als Meßgröße ohne die Zuhilfenahme von Gleichrichtern vorteilhaft ist. Besonders erwähnt sei noch die Anwendung zur harmonischen Analyse, d. h. zur Analyse von Frequenzgemischen. In diesem Fall kann nach dem sogenannten Suchtonverfahren gearbeitet werden. Es ist beispielsweise möglich, eine Magnetfeldanordnung mit einem rotierenden Magnetsystem zu verwenden und dieses mit verschiedenen Drehzahlen anzutreiben. Im Luftspalt des Magnetsystems werden, ähnlich wie in Fig. 6 dargestellt, drei magnetfeldabhängige Widerstandskörper um je 120° versetzt angeordnet. Werden diese Widerstandskörper an die Phasen eines Drehstromnetzes angeschlossen, so ergibt sich beispielsweise im Falle der Ausnutzung des Halleffektes als Summenhallspannung stets dann ein bestimmter maximaler Gleichstromwert dieser Spannung, wenn die Drehzahl des rotierenden Magnetsystems mit der Frequenz der betreffenden Harmonischen des Drehstromnetzes übereinstimmt. Man kann dabei so verfahren, daß man die Drehzahl des Magnetsystems von Null an langsam erhöht und die sich dabei ergebende Spannung unter gleichzeitiger Aufzeichnung der Frequenz registriert.
Außer zu Meßzwecken kann in NVeiterbildung der Erfindung das ihr zugrunde liegende Prinzip zu Gleichrichtungs-und Wechselrichtungszwecken, ferner zur Gleichstromumspannung und ferner zur Umrichtung elektrischer Größen verwendet werden. Wie dies im einzelnen geschehen kann, ist nachstehend an Hand der Fig. 9 beispielsweise beschrieben.
Zunächst sei die Wechselrichtung behandelt und dazu der obere, mit a bezeichnete Teil der Fig. 9 betrachtet. Wie in den vorangegangenen Figuren sind hier ebenfalls dreiphasige Systeme verwendet. Ausgenutzt wird beispielsweise der Effekt der magnetischen Widerstandsabhängigkeit. Es soll eine Gleichstromgröße j in eine Drehstromgröße ju, Jv, Jw bestimmter Frequenz umgewandelt werden. Zu diesem Zweck wird die Gleichstromgröße J drei in Reihe geschalteten magnetfeldabhängigen Widerstandskörpern 1 bis 3 zugeleitet, denen je eine Magnetfeldanordnung 91, 92 bzw. 93 zugeordnet ist. Diese Magnetfeldanordnungen sind beispielsweise ähnlich denen der Fig. 6 und 7 ausgebildet. Sie weisen je einen äußeren feststehenden Magnetteil, der jeweils mit S als Südpol bezeichnet ist, auf und außerdem je einen exzentrisch gelagerten drehbaren Teil N als Nordpol. Die Widerstandskörper sind der Übersicht halber wieder außerhalb der Luftspalte der Magnetfeldanordnungen dargestellt. Die drehbaren Teile N sind auf einer gemeinsamen Welle 94 befestigt und je um gegeneinander versetzt (vgl. die Winkelzeichnungen). T ist ein gemeinsamer Bezugswinkel. Außerdem ist jeder der Widerstandskörper 1 bis 3 mit einer von drei Primärwicklungen eines Drehstromtransformators 95 verbunden. Wird nun die Welle 94 mit einer bestimmten Frequenz angetrieben, so ergeben sich sinusförmige Widerstandsänderungen der Widerstandskörper 1 bis 3, die entsprechend der Versetzung der mit N bezeichneten Teile der Magnetfeldanordnungen um 120° phasenverschoben sind. An den Sekundärwicklungen des Drehstromtransformators 95 entstehen dadurch Wechselspannungen und, falls ein Verbraucher daran angeschlossen ist, in diesem Wechselströme Ju, Jv und Jw, die ein Drehstromsystem darstellen. Die Gleichstromgröße J ist somit in eine Drehstromgröße verwandelt.
Soll, umgekehrt, eine Drehstromgröße Ju, Jv Jw in eine ihr proportionale Gleichstromgröße, beispielsweise eine Spannung U, verwandelt werden, so kann die im unteren Teil b der Fig. 9 dargestellte Einrichtung verwendet werden. Diese enthält drei Magnetfeldanordnungen 191 bis 193, die ähnlich den Magnetfeldanordnungen 91 bis 93 des Teiles b aufgebaut sind und deren jeweils mit N bezeichnete drehbare Teile um 120° versetzt auf einer Welle 194 befestigt sind. Der Bezugswinkel ist hier mit T + @ bezeichnet. Jeder der Magnetfeldanordnungen 191 bis 193 ist ein magnetfeldabhängiger Widerstandskörper 101, 102 bzw. 103 zugeordnet, die mit je um 120° phasenverschobenen Strömen Ju, Jv bzw. Jw von den Netzphasen eines nicht dargestellten dreiphasigen synchronen Drehstromnetzes gespeist werden. In die Zuleitungen zu den Widerstandskörpern sind jeweils Hilfswiderstände 9& bis 98 eingeschaltet. Die Widerstandskörper 101 bis 103 sind außerdem in Reihe geschaltet. An dieser Reihenschaltung entsteht die gewünschte Gleichstromgröße U als Spannung, die der Amplitude der die Widerstandskörper speisenden Drehstromgröße proportional ist.
Werden die Teile a und b der Fig. 9 gleichzeitig verwendet und die durch die waagerechte strichpunktierte Linie getrennten Verbindungen hergestellt, so kann eine Gleichstromumspannung vorgenommen werden, und zwar kann eine vorhandene Gleichstromgröße umgewandelt werden. Außer der elektrischen Verbindung zwischen den Widerstandskörpern 1 und 101, 2 und 102 sowie 3 und 103 wird noch eine mechanische Verbindung zwischen den umlaufenden Teilen der Magnetfeldanordnungen 91 bis 93 und 191 bis 193 hergestellt. Hierzu sind die Wellen 94 und 194 beispielsweise über zwei Kegelradgetriebe Ka und Kb, über Wellen 99 und eine Kupplung 105 miteinander kuppelbar.
Die umzuwandelnde Gleichstromgröße wird als Strom I der Reihenschaltung der Widerstandskörper 1 bis 3 zugeführt, während die umgewandelte Gleichstromgröße als Spannung U an der Reihenschaltung der Widerstandskörper 101 bis 103 entnehmbar ist. Die Wirungsweise der Gleichstromumspannung erklärt sich aus der vorbeschriebenen Wechselrichtung mit Hilfe des Teiles a der Fig. 9 und der anschließend vorgenommenen, ebenfalls vorbeschriebenen, mit Hilfe des Teiles b vorgenommenen Gleichrichtung. Eine Änderung des Proportionalitätsfaktors zwischen J und U kann durch Änderung der gegenseitigen Winkellage zwischen den Wellen 94 und 194 erreicht werden. Hierzu kann beispielsweise die Kupplung 105 als Differentialkupplung ausgebildet werden.
Unter gleichzeitiger Verwendung der Teile a und b der Einrichtung nach Fig. 9 kann außerdem eine Umrichtung, d. h. eine Umformung eines vorhandenen symmetrischen Mehrphasensystems J1 w, J1 v, J1 w in ein anderes symmetrisches Mehrphasensystem Ju, Jv, Jw anderer Frequenz mit proportionalen Amplituden vorgenommen werden. Hierzu werden beispielsweise die magnetfeldabhängigen Widerstandskörper 101 bis 103 ähnlich wie bei der oben beschriebenen Gleichrichtung an das umzuwandelnde Drehstromsystem J1 v, angeschlossen. Die untere Welle 194 wird synchron der Frequenz f1 dieses Drehstromnetzes mit der Drehzahl n1 angetrieben, ferner wird die Reihenschaltung aus den Widerstandskörpern 101 bis 103 mit der Reihenschaltung der Widerstandskörper 1 bis 3 verbunden. Werden nun die Magnetfeldanordnungen 91 bis 93 durch die Welle 94 mit einer Drehzahl n angetrieben, so ergibt sich an den nicht näher bezeichneten Wicklungen des Drehstromtransformators 95 das neue Drehstromsystem Ju, Jv, J.w, dessen Frequenz f der willkürlich wählbaren Drehzahl n der Welle 94 proportional ist.
k W k 2 V--1 s-1, Ausnutzung k k Mittel Induktion

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Einrichtung, die auf einer Produktbildung unter Ausnutzung eines Effektes beruht, der an einem Stromdurchflossenen, magnetisch steuerbaren Widerstandskörper, insbesondere aus einer halbleitenden Verbindung mit einer Trägerbeweglich eit größer als etwa 6000cm unter der Einwirkung eines Magnetfeldes auftritt, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Widerstandskörper und ihre zugehörigen Magnetfeldanordnungen als symmetrische zwei- oder mehrphasige Drehstrom- bzw. Drehfeldsysteme derart betrieben sind, daß die am gemeinsamen Ausgang der Einrichtung entnommene Summe der Produktgrößen ohne die Anwendung von Gleichrichtern als Gleichspannungen bzw. Gleichströme vorliegen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf der des Halleffektes beruht, wobei als Widerstandskörper Hallgeneratoren vorgesehen sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge ennzeichnet, daB sie auf der Ausnutzung der Änderung des Widerstandes beruht, den die Widerstandskörper durch die veränderlichen Magnetfelder erfahren, und daß diesen ein konstantes Gleichfeld überlagert ist.
4, Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch geennzeichnet, daß zum Erzeugen der Magnetfelder Magnetfelderanordnungen dienen, denen die Widerstandskörper ortsfest zugeordnet sind, und daß die veränderliche Induktion der Widerstandskörper elektromagnetisch durch veränderliche Stromerregung der Magnetfeldanordnungen mit Hilfe eines Drehstromsystems erfolgt.
5. Einrichtung nach Anspruch 3 und 4, gekennzeichnet durch zum Überlagern einer konstanten in den Widerstandskörpern, vorzugsweise mit Hilfe von gleichstromerregten Hilfswicklungen der Magnetfeldanordnungen.
6. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen der veränderlichen Induktion der Widerstandskörper Magnetfeldanordnungen dienen, die vorzugsweise mit permanenten Magneten ausgerüstet sind und in denen die Widerstandskörper relativ derart bewegt werden, daß periodische, vorzugsweise sinusförmige Induktionsänderungen der Widerstandskörper vorliegen.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu einem Drehfeldsystem nur eine Magnetfeldanordnung gehört und daß in deren Luftspalt mehrere magnetisch steuerbare Widerstandskörper oder Hallgeneratoren in symmetrischer Verteilung entsprechend der Phasenzahl des zugehörigen Drehstromsystems angeordnet sind (Fig. 6, 7). B. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Widerstandskörper speisenden Steuerströme in galvanisch getrennten Stromkreisen fließen und über je einen Wandler zugeführt sind (Fig.
8).
9. Einrichtung nach Anspruch 8 zur Leistungsmessung mit Hilfe von Hallgeneratoren, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Komponenten, beispielsweise die Stromkomponenten, der zu messenden Leistung den Feld- oder Steuerstromkreisen der Magnetfeldanordnungen über einen zwei 90° elektrisch versetzte Einstellagen aufweisenden Drehtransformator zugeführt sind, von denen die eine zur Wirkleistungmessung und die andere zur Blindleistungsmessung dient (Fig.8).
10. Einrichtung nach Anspruch 7 zur Messung des Polradwinkels einer Synchronmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Netzklemmen der Maschine eine Hilfssynchronmaschine elektrisch und mit dieser ein Drehstromtachometerdynamo mechanisch gekuppelt ist, dessen Ankerwicklungen je einen von mehreren magnetisch steuerbaren Widerstandskörpern speisen, und daß diese ortsfest und in symmetrischer Verteilung entsprechend der Phasenzahl des Tachometerdynamos im Luftspalt einer zugehörigen Magnetfeldanordnung angebracht sind, deren drehbarer Magnetteil mit der Synchronmaschine gekuppelt ist (Fig. 6).
11. Einrichtung nach Anspruch 7 zur Messung des Verhältnisses der Drehzahl einer Leitwelle zur Drehzahl einer oder mehrerer Teilwellen, dadurch gekennzeichnet, daß mit jeder Teilwelle ein Drehstromtachometerdynamo gekuppelt ist, dessen Ankerwicklungen je einen von mehreren magnetisch steuerbaren Widerstandskörpern speisen, und daß die Widerstandskörper ortsfest und in symmetrischer Verteilung entsprechend der Phasenzahl des Tachometerdynamos im Luftspalt einer zugehörigen Magnetfeldanordnung angebracht sind, deren drehbarer Magnetteil mit der Leitwelle gekuppelt ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7 zur Wechselrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine der gewünschten Phasenzahl des Wechselstromes entsprechende Zahl dieser Magnetfeldanordnungen vorgesehen ist, deren umlaufende Teile von einem Hilfsantrieb angetrieben werden, und daß an den Widerstandskörpern die Wechselspannung abgenommen wird (Fig.9).
13. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7 zur Gleichstromumspannung, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gruppen dieser Magnetfeldanordnungen vorgesehen sind, deren umlaufende Teile mechanisch miteinander gekuppelt sind und von einem Hilfsantrieb angetrieben werden, daß die Widerstandskörper der einen Gruppe mit denen der gleichen Phase der anderen Gruppe elektrisch, vorzugsweise transformatorisch, verbunden sind und daß die zusätzlich in Reihe geschalteten Widerstandskörper der einen Gruppe an die umzuwandelnde Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, während die umgewandelte Gleichspannung am gemeinsamen Ausgang der Widerstandskörper der anderen Gruppe entnommen ist (Fig.9).
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufenden Teile der beiden Gruppen von Magnetfeldanordnungen durch eine Kupplung, insbesondere eine Differentialkupplung, verbunden sind, die es gestattet, durch Verändern der gegenseitigen Winkellage der beiden Kupplungsteile das Übersetzungsverhältnis der Gleichstromspannung zu verändern (Fig. 9).
15. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7 zur Umrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gruppen dieser Magnetfeldanordnungen vorgesehen sind, deren Gleichstromausgangsanschlüsse miteinander verbunden sind, daß die umlaufenden Magnetteile der Magnetfeldanordnungen der einen Gruppe synchron mit der umzurichtenden Frequenz angetrieben werden; daß die Widerstandskörper dieser Gruppe von den Phasenströmen der umzurichtenden Frequenz gespeist werden, daß die umlaufenden Magnetteile der Magnetfeldanordnungen der anderen Gruppe mit einer der gewünschten Frequenz entsprechenden Drehzahl angetrieben werden und daß die Phasenspannungen bzw. Phasenströme der gewünschten Frequenz den einzelnen Widerstandskörpern des anderen Systems entnommen werden (Fig. 9). In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 839 220; schweizerische Patentschrift Nr. 275 601; USA.-Patentschrift Nr. 2 659 043.