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Einrichtung zum Messen des Induktionsverlaufes im Luftspalt einer
umlaufenden elektrischen Maschine Für die Konstruktion und Entwicklung elektrischer
Maschinen ist es von großer Wichtigkeit, den Verlauf der magnetischen Induktion
zwischen Feld und Anker zu kennen, bei Gleichstrommaschinen insbesondere zwischen
den Polschuhen und dem Anker.
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Dabei interessieren vor allem die Feldveränderungen während des Betriebes
unter verschiedenen Belastungsverhältnissen der Maschine. Es lassen sich dadurch
beispielsweise Ankerrückwirkungen, Verschiebung der Wendezonen, Einfluß der Güte
der Kompensation u. a. m. feststellen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein Gerät zu schaffen, mit dem diese Größen in einfacher und zugleich eleganter
Weise meßtechnisch erfaßt werden können.
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Es ist bekannt, zur Messung des Feldverlaufes eine rotierende Prüfspule
zu verwenden, die mit Hilfe eines Kontaktgebers an ein ballistisches Galvanometer
anschließbar ist. Aus dem Ausschlag dieses Galvanometers kann man die Höhe der in
der Prüfspule induzierten EMK ermitteln, die eine Funktion der jeweiligen Lage der
Spule im Magnetfeld ist. Daraus kann punktweise die Feldverteilung ermittelt werden.
Ein grundsätzlicher Nachteil dieser Methode ist das umständliche Meßverfahren.
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Zum Untersuchen des Verlaufes von Magnetfeldern an Gleichstrommaschinen
hat man ferner schon Meßfühler aus Wismut verwendet. Bei einer solchen Anordnung
befindet sich an einem beweglichen Arm eine Wismutspirale in Form eines dünnen Drahtes,
der an seinen Enden an zwei mit Klemmen versehenen, in einem Isoliergriff zusammengehaltenen
Zuleitungen angeschlossen ist. Bei dieser bekannten Meßanordnung wird aber einerseits
die Messung bei ruhender Maschine vorgenommen, andererseits wird die Widerstandsänderung
eines Wismutdrahtes erfaßt, die verhältnismäßig klein ist.
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Zum Untersuchen magnetischer Felder an sich sind ferner bereits Hall-Spannungserzeuger
aus halbleitenden Materialien verwendet worden. Es handelt sich hierbei insbesondere
um die Verwendung von Germanium. Dieser halbleitende Stoff besitzt eine sehr hohe
Hall-Konstante. Mit einem Germanium-Meßkörper läßt sich eine relativ hohe Hall-Spannung
erzielen.
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Die Erfindung bringt eine vorteilhafte Verbesserung an einer Einrichtung
zur Messung des Induktionsverlaufes im Luftspalt einer umlaufenden elektrischen
Maschine während ihres Betriebes mit einem auf dem umlaufenden Maschinenanker angebrachten
Meßfühler, dessen elektrische Anschlüsse über Schleifringe und Bürsten herausgeführt
sind.
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Gemäß der Erfindung ist die Einrichtung dadurch
gekennzeichnet, daß
als Meßkörper mindestens ein Hall-Spannungserzeuger aus einer halbleitenden Verbindung
höherer Trägerbeweglichkeit als etwa 6000 cm2/Vsec dient. Hierbe 4 von der an sich
bekannten Erkenntnis GebrauW gemacht, daß es bei Hall-Spannungserzeugern für Magnetfeldmessungen
im praktischen Betrieb nicht nur darauf ankommt, Stoffe mit hohem Hall-Koeffizienten
zu verwenden, die deshalb eine hohe Hall-Spannung liefern, sondern wesentlich auch
darauf, daß der Hall-Generator auch eine hohe Wirkleistung abzugeben vermag.
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Die Anwendung halbleitender Verbindungen mit der genannten hohen
Trägerbeweglichkeit ergibt somit gegenüber bekannten, zur Magnetfeldmessung verwendeten
Hall-Spannungserzeugern, z. B. aus Wismut oder Germanium, den Vorteil, daß der Hall-Spannungsstromkreis
eine größere Leistung abzugeben vermag. Der Hall-Generator ist niederohmig belastbar,
ohne daß die Hall-Spannung zusammenbricht. Auf diese Weise können gewöhnliche Drehspulinstrumente
zur Messung verwendet werden. Bei den bekannten Hall-Generatoren aus Wismut oder
Germanium ist dies nur in geringerem Umfang möglich. Hier sind vielmehr im allgemeinen
Sondermaßnahmen erforderlich, beispielsweise eine Kompensationsmeßschaltung.
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Weiterhin bietet die Erfindung den Vorteil, daß temperaturbedingte
Meßfehler weitgehend vermieden sind, sofern Indiumarsenid als Material für den Hall-Spannungserzeuger
verwendet wird. Im Gegensatz zu vielen bekannten Meßanordnungen, bei denen besondere
Maßnahmen getroffen werden müssen,
um die Temperaturabhängigkeit
des Meßergebnisses zu kompensieren, zeigt die Erfindung eine Möglichkeit, wie man
das Aufkommen eines Temperaturfehlers von vornherein zu verhindern oder zumindest
zu vermindern in der Lage ist, indem ein Material verwendet wird, das von sich aus
bereits einen besonders kleinen Temperaturkoeffizienten aufweist. In diesen Fällen
erübrigt sich im allgemeinen somit die Anwendung von Kompensationsmitteln zur Beseitigung
von Temperaturfehlern.
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Die Anbringung des Meßkörpers oder der Meßkörper kann in verschiedener
Weise erfolgen, bei spielsweise mit Hilfe einer Kittmasse od. dgl. Die Meßkörper
werden im Luftspalt der Maschine so angebracht, daß sie das Spiel zwischen Rotor
und Stator nicht stören. Als besonders geeignet haben sich Meßkörper aus bekannten
halbleitenden Verbindungen von der Form A111 Bv, vor allem aus Indiumantimonid,
bewährt, bei dem bereits Trägerbeweglichkeiten von 60000 cm2/Vsec erreicht wurden.
Zu erwähnen ist außerdem Indiumarsenid, das sich neben ebenfalls verhältnismäßig
hoher Trägerbeweglichkeit durch eine geringe Temperaturabhängigkeit auszeichnet.
Jeder der Meßkörper besitzt zwei Stromelektroden und zumindest ein Paar Hall-Elektroden,
die möglichst induktionsfrei angeordnet werden. Während diese jeweils zur Abnahme
des Meßwertes dienen, werden bei Verwendung mehrerer Hall-Plättchen die Stromelektroden
in Reihe geschaltet. Dies ergibt bei gleichzeitig untereinander identischen Meßkörpern
den Vorteil, daß alle Meßwerte auf den gleichen Strom bezogen sind und somit unmittelbar
im richtigen Verhältnis zueinander stehen. Die Anzahl der verwendeten Meßgeräte,
als welche sowohl einfache Anzeigeinstrumente als auch schreibende Geräte in Frage
kommen, kann beliebig sein. Man kann mit einem Meßinstrument auskommen, das der
Reihe nach an alle Meßkörper angeschlossen wird. Zur Erreichung hochgenauer Messungen
können die jeweils nicht durch das Meßgerät belasteten Meßkörper mit einem Ersatzwiderstand
in der Größe des Meßgerät-Innenwiderstandes belastet werden.
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Bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist in vorteilhafter
Weise lediglich ein einziger als Hall-Generator ausgebildeter Meßkörper verwendet.
Dieser hat insgesamt vier Elektrodenanschlüsse, von denen zwei zur Zuführung des
Hilfsstromes und zwei zur Abnahme der Hall-Spannung dienen. Der Hall-Generator ist
ortsfest auf dem Anker der Maschine angebracht, so daß also bei Maschinen, deren
Anker gleichzeitig Rotor ist, der Hall-Generator mit der Maschine umläuft.
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Im allgemeinen wird die Anbringung des Hall-Generators in der Mitte
des Rotors erfolgen. Die Hall-Spannung wird über eine Stromabnehmereinrichtung von
den Elektrodenanschlüssen des Meßkörpers heraus- und den ruhenden Meßinstrumenten
zugeführt.
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Ein getreues Abbild des Induktionsverlaufes längs des inneren Ankerumfanges
der Maschine ergibt sich, wenn als Anzeigeinstrument ein mit der Drehzahl der Maschine
synchronisierter Kathodenstrahloszillograph vorgesehen wird. Die Hall-Spannung kann
aber auch direkt von einem Schleifenoszillographen aufgeschrieben werden. Dies ist
insbeson-
dere für Felduntersuchungen bei dynamischen Vorgängen, z. B. beim Anlaufen
des Motors, bei plötzlichen Belastungsänderungen usw. zweckmäßig.
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Die Stromabnehmereinrichtung für den Meßkörper bildet vorteilhaft
einen einheitlichen Bauteil.
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Zur Verbindung mit der elektrischen Maschine bestehen verschiedene
Möglichkeiten. Es ist möglich, den umlaufenden Teil der Stromabnehmereinrichtung
konzentrisch zur Rotorwelle der elektrischen Maschine auszubilden sowie mit der
Welle fest zu verbinden und die stillstehenden Teile entweder am Stator der Maschine
zu befestigen oder an einer sonstigen geeigneten Halterung, z. B. auf dem Fundament
der Maschine. Soll die Stromabnehmereinrichtung für verschiedene Maschinen verwendet
werden, so empfiehlt sich eine Verbindung mit dem Rotor der Maschine über eine elastische
Kupplung. Zweckmäßig ist es, die elektrischen Anschlüsse der Meßkörper zur Verbindung
mit den umlaufenden Teilen der Stromabnehmereinrichtung durch eine Bohrung in der
Rotorwelle herauszuführen. Auch die Kuppe lungswelle kann hohl sein und in ihrem
Inneren die elektrischen Verbindungsleitungen enthalten. Außerdem besteht die Möglichkeit,
die Stromabnehmereinrichtung zwischen einem Lager der Rotorwelle und dem Rotorkörper,
also innerhalb des Maschinengehäuses, anzubringen. In diesem Fall ist ein nachträgliches
Anbohren der Rotorwelle oder dergleichen Maßnahme zur Verlegung der elektrischen
Verbindungen zwischen dem Meßkörper und den umlaufenden Teilen der Stromabnehmereinrichtung
nicht erforderlich.