DE1118352B

DE1118352B - Device for measuring the induction curve in the air gap of a rotating electrical machine

Info

Publication number: DE1118352B
Application number: DES64914A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Friedrich Kuhrt; Eberhard Braunersreuther
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1954-04-15
Filing date: 1954-04-15
Publication date: 1961-11-30

Description

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. Device for measuring the induction curve in the air gap of a rotating electrical machine For the design and development of electrical Machines it is of great importance to the course of magnetic induction to know between field and armature, especially between the pole pieces and the anchor.

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.The changes in the field during operation are of particular interest under different load conditions of the machine. It can be done through it For example anchor reactions, shifting of the turning zones, influence of the quality of compensation, among other things. m. determine. The invention is based on the object to create a device that allows these sizes in a simpler and at the same time more elegant Way can be detected by measurement.

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. It is known to use a rotating test coil to measure the course of the field to use that with the help of a contactor on a ballistic galvanometer is connectable. From the deflection of this galvanometer one can see the height of the in determine the EMF induced EMF of the test coil, which is a function of the respective location of the Coil is in the magnetic field. From this, the field distribution can be determined point by point. A fundamental disadvantage of this method is the cumbersome measuring process.

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. For examining the course of magnetic fields on DC machines Bismuth sensors have also been used. With such an arrangement there is a bismuth spiral in the form of a thin wire on a movable arm, the one with two clamps at its ends, held together in an insulated handle Leads is connected. In this known measuring arrangement, however, on the one hand the measurement is carried out with the machine at rest, on the other hand the change in resistance is a bismuth wire, which is relatively small.

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. Hall voltage generators are also already used to examine magnetic fields per se made of semiconducting materials have been used. It is here in particular about the use of germanium. This semiconducting substance has a very high Hall constant. A relatively high Hall voltage can be achieved with a germanium measuring body achieve.

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. The invention brings an advantageous improvement to a device for measuring the induction curve in the air gap of a rotating electrical Machine attached to the rotating machine anchor during operation Sensor, the electrical connections of which are brought out via slip rings and brushes are.

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.According to the invention the device is thereby marked that as a measuring body at least one Hall voltage generator made of a semiconducting compound higher carrier mobility than about 6000 cm2 / Vsec. Here 4 of the itself known knowledge GebrauW made that it is with Hall voltage generators for magnetic field measurements In practical operation, it is not only important to use materials with a high Hall coefficient to use, which therefore deliver a high Hall voltage, but also essentially on the fact that the Hall generator is also able to deliver a high effective power.

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. The application of semiconducting compounds with the said high Carrier mobility thus results in comparison with known ones used for measuring magnetic fields Hall voltage generators, e.g. B. from bismuth or germanium, the advantage that the Hall voltage circuit able to deliver a greater performance. The Hall generator can be loaded with low resistance, without the Hall voltage collapsing. In this way, ordinary moving coil instruments can be used for measurement. In the known Hall generators made of bismuth or For germanium, this is only possible to a lesser extent. Rather, here are in general Special measures required, for example a compensation measuring circuit.

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. Furthermore, the invention offers the advantage that temperature-related Measurement errors are largely avoided if indium arsenide is used as the material for the Hall voltage generator is used. In contrast to many known measuring arrangements in which special Measures must be taken about the temperature dependence To compensate for the measurement result, the invention shows a way of how to to prevent the occurrence of a temperature error from the outset, or at least is able to reduce by using a material that inherently already has a particularly small temperature coefficient. In these cases it is therefore generally unnecessary to use compensation means for elimination of temperature errors.

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. The attachment of the measuring body or the measuring body can be in various ways Way done, for example with the help of a putty or the like. The measuring body are placed in the air gap of the machine in such a way that they reduce the clearance between the rotor and stator do not interfere. Measuring bodies from known ones have proven to be particularly suitable semiconducting compounds of the form A111 Bv, mainly of indium antimonide, proven, in which carrier mobilities of 60,000 cm2 / Vsec have already been achieved. Mention should also be made of indium arsenide, which is also proportionate high mobility of the carrier is characterized by a low temperature dependence. Each of the measuring bodies has two current electrodes and at least one pair of Hall electrodes, which are arranged as induction-free as possible. While these are each for acceptance are used for the measured value, the current electrodes are used when using several Hall plates connected in series. This results in measuring bodies that are identical to one another at the same time the advantage that all measured values are related to the same current and thus directly are in the right proportion to each other. The number of measuring devices used, as which both simple display instruments and writing devices in question come can be anything. One can get by with a measuring instrument that the Is connected in sequence to all measuring bodies. To achieve highly accurate measurements can each of the measuring bodies not loaded by the measuring device with an equivalent resistance are loaded in the size of the internal resistance of the measuring device.

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. In the embodiment described below, it is more advantageous Way only a single measuring body designed as a Hall generator is used. This has a total of four electrode connections, two of which are used to supply the Auxiliary current and two serve to decrease the Hall voltage. The hall generator is Stationary attached to the armature of the machine, so that in machines whose The armature is also the rotor, the Hall generator rotates with the machine.

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.In general, the Hall generator is placed in the middle of the rotor. The Hall voltage is measured by a current collector the electrode connections of the measuring body and the stationary measuring instruments fed.

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. A true copy of the induction process along the inner circumference of the armature of the machine arises when a display instrument with the speed of the machine synchronized cathode ray oscilloscope is provided. The Hall voltage can but can also be written down directly by a loop oscilloscope. This is in particular others for field investigations in dynamic processes, e.g. B. when starting of the engine, in the event of sudden changes in load, etc.

Die Stromabnehmereinrichtung für den Meßkörper bildet vorteilhaft einen einheitlichen Bauteil. The current collector device for the measuring body is advantageous a uniform component.

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.There are various options for connecting to the electrical machine Options. It is possible to use the circumferential part of the pantograph device to be formed concentrically to the rotor shaft of the electrical machine and with the To connect the shaft firmly and the stationary parts either on the stator of the machine to be attached or to another suitable bracket, e.g. B. on the foundation the machine. Should the pantograph device be used for different machines a connection with the rotor of the machine via an elastic one is recommended Coupling. It is useful to connect the electrical connections of the measuring body with the rotating parts of the current collector device through a hole in the Lead out the rotor shaft. The Kuppe lungswelle can be hollow and in your Inside contain the electrical connecting cables. There is also the possibility the current collector device between a bearing of the rotor shaft and the rotor body, so within the machine housing to be attached. In this case it is an afterthought Drilling the rotor shaft or similar measure for laying the electrical Connections between the measuring body and the rotating parts of the current collector device not mandatory.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Device for measuring the course of induction in the air gap of a rotating electrical machine during its operation a sensor attached to the rotating machine armature, its electrical Connections are brought out via slip rings and brushes, characterized that as a measuring body at least one Hall voltage generator from a semiconducting Compound higher carrier mobility than about 6000 cm2 / Vsec is used.

2. Device according to claim 1, characterized in that the slip rings along with brushes and the associated mounting parts, electrical terminals and the like. Like. Are combined into one unit, the electrical and mechanical Connection to the machine is established via a flexible coupling.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the coupling shaft is hollow and contains the electrical connection lines in its interior.

Documents considered: German Patent No. 590 678; U.S. Patent No. 2562,120; "Physical Review", 90 (1953), p. 153; "Magazine Naturforschung «, 8 a (1953), pp.463 to 469; Jahn, Georg: »Measurements on electrical Machinery",

5th edition, Springer-Verlag, Berlin, 1925, pp. 214 to 218.