DE1248153B - Zweiphasenkurzschlusslaeufermotor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H02k

Deutsche Kl.: 21 d2 -19/02

Nummer: 1 248 153

Aktenzeichen: S 61486 VIII b/21 d2

Anmeldetag: 26. Januar 1959

Auslegetag: 24. August 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweiphasenkurzschlußläufermotor, vorzugsweise Servomotor, mit einer Erregerwicklung (Bezugsphasenwicklung) und einer gegenüber dieser um 90° elektrisch räumlich versetzten Steuerwicklung im Motorständer, bei dem über eine der Steuerwicklung zugeordnete Anordnung von phasenverschiebenden Impedanzen während des motorischen Betriebes des Zweiphasenkurzschlußläufermotors eine der Rotationsgeschwindigkeit des Läufers proportionale, bei stillstehendem Läufer zu Null werdende generatorische Ausgangsspannung abnehmbar ist.

Es sind bereits Zweiphasenkurzschlußläufermotoren bekannt geworden, die insbesondere als Servomotoren mit speziellen Servosteuerkreisen (Zeitschrift »Elektronics«, Januar 1956, S. 136, 137, und Dezember 1956, S. 155 bis 157) verwendet werden. Es ist ferner bekannt, bei einem derartigen Servomotor durch Anbringen einer Hilfswicklung Assymetrien zu kompensieren (britische Patentschrift 778 461) und Dämpfungselemente vorzusehen, um zu verhindern, daß er um eine Lage schwingt, in der er momentlos sein soll. Zum Erzielen einer solchen Dämpfung können z. B. Tachometergeneratoren (Zeitschrift »Regelungstechnik«, H. 4, 1957, S. 125) verwendet werden. Solche Tachometergeneratoren sind gewöhnlich mechanisch mit dem Servomotor gekuppelt. Die von einem solchen Tachometergenerator abgegebene Spannung hat die gleiche Frequenz wie die der Speisenspannung, weist jedoch eine Amplitude in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl auf. Die Tachospannung wird von der Ausgangsspannung einer Abtasteinrichtung subtrahiert und die Differenzspannung einem Verstärker zugeführt, der die Kontrollphase des Servomotors speist. An einen für den genannten Zweck konstruierten Tachometergenerator werden natürlich nicht so hohe Anforderungen wie an Tachogeneratoren zur Messung der Umdrehungszahl gestellt. Derartige Generatoren werden daher in verschiedenen Güteklassen hergestellt.

Tachogeneratoren, die zur Dämpfung von Servomotoren dienen, sind normalerweise etwa ebenso groß wie die Servomotoren, mit denen sie gekuppelt sind. Dies bedingt in vielen Fällen, beispielsweise bei Steuerungsanlagen in Flugzeugen, Raketentriebwerken usw. ein zusätzliches Gewicht und einen zusätzlichen Raumbedarf für die Unterbringung dieser zusätzlichen Tachogeneratoren. Da man insbesondere bei solchen Objekten sowohl das Gewicht der Servoanlagen als auch den für ihre Unterbringung erforderlichen Raum auf ein Minimum reduzieren will, stellt Zweiphasenkurzschlußläufermotor

Anmelder:

Svenska Ackumulator Aktiebolaget Jungner,

Stockholm

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Hoffmann, Patentanwalt,

München 8, Maria-Theresia-Str. 6

Als Erfinder benannt:
Gunnar Söredal, Stockholm

Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 5. Februar 1958 (1074)

die Unterbringung von derartigen Objekten bisher ein schwierig zu lösendes Problem dar.

Es ist daher bereits bekanntgeworden (deutsche Patentschrift 964 886), daß die bei der Rotation des Servomotors in den Steuerwicklungen induzierte Rotations-EMK durch selektive Gleichrichtung ausgesiebt und zur Dämpfung einer Eingangsstufe des Verstärkers in zur steuernden Größe entgegengesetzter Richtung zugeführt wird. Eine solche Schaltung besteht in der einfachsten Ausführungsform aus einer Brückenschaltung mit der Steuerwicklung und einem in Serie dazu geschalteten Kondensator in einem Ast, mit einem Widerstand im zweiten Ast und mit einem einen Mittelabgriff aufweisenden Transformator in Sparschaltung im dritten und vierten Ast. Da Transformatoren — selbst in Sparschaltung — relativ schwer sind und ferner der Kondensator und der Widerstand, die beide den ganzen Steuerstrom tragen, leistungsmäßig groß dimensioniert werden müssen, erfordern diese zusätzlichen Schaltungselemente beinahe dasselbe Volumen und Gewicht eines Tachogenerators, wodurch sich die mit dieser Schaltung erzielbaren Vorteile stark verringern.

Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Zweiphasenkurzschlußläufermotor zu schaffen, der gleichzeitig als Tachometergenerator arbeitet und trotzdem einschließlich .schaltungstechnisch notwendiger Schaltungselemente nur unbedeutend größer und schwerer als ein entsprechender Servomotor der üblichen Bauart ist.

709 63S/199

Es ist ferner Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Zweiphasenkurzschlußläufermotor zu schaffen, der gleichzeitig eine bestimmte Tachometerspannung abgibt.

Schließlich ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Zweiphasenkurzschhißläufermotor zu schaffen, der als Servomotor verwendet, schwingungsfrei stillgesetzt werden kann.

Erfindungsgemäß werden diese Ziele bei einem Zweiphasenkurzschlußläufermotor des eingangs be- ίο schriebenen bekannten Art dadurch erreicht, daß die Anordnung aus phasenverschiebenden Impedanzen parallel zur Steuerwicklung oder parallel zu einem Teil der Steuerwicklung geschaltet ist und daß gleichphasig mit der Steuerwicklung eine zusätzliche Statorwicklung angeordnet ist, die über die Anordnung aus phasenverschiebenden Impedanzen mit der Steuerwicklung oder mit einem Teil der Steuerwicklung derart elektrisch gekoppelt ist, daß die über die zusätzliche Wicklung abnehmbare Ausgangsspannung der Rotationsgeschwindigkeit des Läufers proportional ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die parallel zur Steuerwicklung oder einem Teil derselben liegende Anordnung aus phasenverschiebenden Impedanzen ein aus Kapazitäten und ohmschen Widerständen bestehender Stromzweig ist, an den ein Ende der zusätzlichen Wicklung in Spannungsteilerschaltung angeschlossen ist.

Ferner ist es sehr vorteilhaft, wenn die zusätzliche Ständerwicklung und die Anordnung von phasenverschiebenden Impedanzen gleiche Frequenzcharakteristik haben.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

F i g. 1 stellt ein Schaltschema eines Ausführungsbeispiels dar;

F i g. 2 zeigt ein Diagramm mit gemessenen Tachometerspannungen, die von dem erfindungsgemäßen Zweiphasenkurzschlußläufermotor als Funktion seiner Umdrehungszahl abgegeben sind.

In Fig. 1 sind mit 1 und 2 Teile der Steuerwicklung des Servomotors bezeichnet. Die Wicklung 1 ist an den Klemmen 3 und 4, die Wicklung 2 an den Klemmen 5 und 6 angeschlossen. Durch Verbinden der Klemmen 4 und 5 können die beiden Steuerwicklungen 1, 2 in Reihe geschaltet werden, wobei der Steuerstrom über die Klemmen 3 und 6 zugeführt wird. Die beiden Wicklungen können auch parallel zueinander geschaltet werden, indem die Klemmen 3 und 5 bzw. die Klemmen 4 und 6 miteinander verbunden werden. 7 bezeichnet die Arbeitswicklung, die an den Klemmen 8 und 9 angeschlossen ist und deren Strom elektrisch um 90° gegenüber dem Strom der Steuerwicklung verschoben ist. Sowohl Arbeitswie auch Steuerwicklungen sind an dem Motorständer angeordnet, der zweckmäßig mit inwendigen Nuten versehen ist. Innerhalb des Ständers ist ein Läufer 10 gelagert, der mit einer Kurzschlußwicklung versehen ist. An dem Motorständer ist ferner eine Tachometerwicklung 11 angeordnet, die räumlich elektrisch parallel zu der Steuerwicklung 1, 2 liegt. Diese zusätzliche Wicklung 11 ist auf Grund einer Schaltanord- 6g nung mit der Steuerwicklung verbunden.

In dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel besteht diese Schaltanordnung aus einem zwischen den Klemmen 3 und 4 angeordneten Span* nungsteiler, der von einem Kondensator 12 und zwei in Reihe geschalteten Widerständen 13 und 14 gebildet ist. Dabei ist die eine Seite der Tachometerwicklung 11 am Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen 13 und 14 angeschlossen. Die andere Seite der Wicklung ist mit der Klemme 15 verbunden.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Motors ist die folgende: Wenn eine Wechselspannung an die Klemmen 3 und 4 eventuell in Kombination mit den Klemmen 5 und 6 angeschlossen ist, dann wird in der Wicklung 11 durch diese Spannung eine Wechselspannung durch Induktionswirkung erzeugt, die dieselbe Frequenz hat und proportional zu der aufgeprägten Spannung ist. Im allgemeinen Hegt diese Spannung zeitlich etwas vor der aufgeprägten Spannung. Es wird vorausgesetzt, daß der Spannungsteiler 12 bis 14 so angeordnet ist, daß der Spannungsabfall am Widerstand 14 ebenso groß ist und ferner in Phase mit der induzierten Spannung der Wicklung 11 liegt. Weiter sei vorausgesetzt, daß diejenige Seite der Wicklung 11, deren Potential dieselbe Phase wie das Potential im Verbindungspunkt der Widerstände 13 und 14 hat, an diesen Verbindungspunkt angeschlossen ist. Dann wird bei stillstehendem Motor die Spannung zwischen den Klemmen 3 und 15, unabhängig von der auf die Klemmen 3, 6 aufgeprägten Steuerspannung, Null.

Für den Betrieb des Motors liegt eine konstante Netzwechselspannung an der Arbeitswicklung zwischen den Klemmen 8 und 9. Die veränderliche Steuerwechselspannung derselben Frequenz liegt in geeigneter Schaltweise zwischen den Klemmen 3 und 6 und ist vorzugsweise gegenüber der ersten Spannung 90° phasenverschoben. Der Motor rotiert dann mit einer Geschwindigkeit, die von der Größe der Steuerspannung und der Drehmomentbelastung des Läufers 10 abhängt. Sobald der Läufer rotiert, wird in der Tachometerwicklung 11 eine zusätzliche generatorisch erzeugte EMK induziert, die proportional zu dem magnetischen Fluß auf Grund des Stromflusses in der Arbeitswicklung und zur Rotationsgeschwindigkeit des Läufers ist. Da die transformatorisch induzierte Spannung in der Wicklung 11 durch den Spannungsfall am Widerstand 14 kompensiert ist, erscheint an den Klemmen 3 und 15 nur die generatorisch induzierte Spannung.

Wenn der erfindungsgemäße Motor in einem Servosystem benutzt wird, ist derselbe mit einem Steuermechanismus verbunden. Diesem Steuermechanismus wird unter anderem die Tachometerspannung — eventuell über einen Verstärker und/ oder über phasendrehende Schaltelemente — zugeführt, wodurch die Steuerströme erzeugt und an die Steuerklemmen 3 bis 6 geleitet werden.

Da die Wicklung 11 an der Eingangsseite des Verstärkers und die Wicklungen 1, 2 an der Ausgangsseite des Verstärkers angeschlossen sind, besteht die Gefahr von unerwünschten Schwingungen: wenn der aus den Wicklungen 1 und 11 bestehende Transformator nicht dieselbe Frequenzcharakteristik wie die des Spannungsteilers 12 bis 14 aufweist, kann dies zur Folge haben, daß bei einer Frequenz die gesamte Verstärkung im Servokreis, der durch den Transformator 1 bis 11, den Spannungsteiler 12 bis 14 und den Verstärker gebildet ist, größer als Eins wird, und daß deshalb das System mit dieser Frequenz in

Claims (4)

Schwingungen gerät. Wenn also eine große Verstärkung innerhalb des Systems verlangt wird, ließen sich solche Selbstschwingungen am besten dadurch vermeiden, daß dem Transformator 1, 11 und dem Spannungsteiler 12 bis 14 genau dieselbe Frequenzcharakteristik gegeben wird. Dies bedingt jedoch innerhalb des Spannungsteilers eine große Zahl von Schaltelementen, weil für jede Frequenz prinzipiell zwei Schaltelemente für eine solche Kompensation erforderlich wären. In so einem Fall ist es deswegen zweckmäßig, die Bandbreite des Verstärkers zu beschränken. An Hand von Versuchen ist festgestellt worden, daß auf diese Weise schwingungsfreie Servosysteme auch mit einer sehr großen Verstärkung gebaut werden können. Wenn jedoch sehr hohe Verstärkungsgrade notwendig sind und/oder wenn die Bandbreite nicht begrenzt werden kann, so können innerhalb des Spannungsteilers andere Kombinationen von Schaltelementen verwendet werden. Der Spannungsteiler kann z. B. durch einen Transformator eventuell in Kombination mit geeigneten Impedanzen ersetzt werden. Dadurch wird die Sekundärwicklung des Transformators in Reihe mit der Tachometerwicklung und die Primärwicklung parallel mit der Steuerwicklung bzw. einem Teil derselben geschaltet. Da die Arbeitswicklung 7 in Abhängigkeit von der mechanischen Belastung des Läufers 10 mehr oder weniger belastet ist, ist der magnetische Fluß auf Grund des Stromflusses in der Arbeitswicklung keineswegs konstant. Es hat sich aber erwiesen, daß auf Grund der Auslegung der Wicklungen unterschiedliche Drehmomentbelastungen des Läufers geringfügige Variationen der Tachometerspannung zur Folge haben. Dies geht aus dem Diagramm in Fig. 2 hervor, das die gemessenen Tachometerspannungen als Funktion der Drehzahl eines erfindungsgemäßen Zweiphasenkurzschlußläufermotors zeigt, der mit 400 Hz gespeist wurde. Dabei entspricht Kurve 18 der Tachometerleerlaufspannung und Kurve 19 einer Belastung unter 30 % des Anlaufdrehmoments. Die Kurven sind mit veränderlicher Steuerspannung, jedoch bei konstanter Spannung an der Arbeitswicklung und konstanter Drehmomentbelastung gemessen. Das Diagramm zeigt, daß eine zufriedenstellende Proportionalität zwischen induzierter Spannung und Drehzahl erreicht wird. Die von dem erfindungsgemäßen Servomotor abgegebene Tachometerspannung kann nicht nur als Meßspannung für die Bedämpfung eines Servokreises, sondern auch in allen jenen Fällen, in denen keine besonders große Meßgenauigkeit gefordert wird, zur Messung von Drehzahlen herangezogen werden. Da die Tachometerspannung an den Eingangskreis eines Verstärkers angeschlossen werden soll, kann die Tachometerwicklung sehr hochohmig gemacht werden. Dies bedingt, daß die Wicklung 11 im Vergleich mit den Wicklungen 1, 2, 7 nur einige Prozente des Raumes innerhalb der Ständernuten benötigt. Ferner kann auch der Spannungsteiler 12 bis 14 äußerst hochohmig, d. h. mit sehr geringer Leistungsaufnahme gebaut werden, so daß die Widerstände und der Kondensator ein kleines Volumen aufweisen. Diese Schaltelemente können daher in einem kleinen Zusatzgehäuse untergebracht werden. Der erfindungsgemäß kombinierte Zweiphasenkurzschlußläufermotor hat deshalb praktisch dasselbe Volumen wie ein einfacher Servomotor der gleichen Leistung. Patentansprüche:

1. Zweiphasenkurzschlußläufermotor, vorzugsweise Servomotor, mit einer Erregerwicklung (Bezugsphasenwicklung) und einer gegenüber dieser um 90° elektrisch räumlich versetzten Steuerwicklung im Motorständer, bei dem über eine Steuerwicklung zugeordnete Anordnung von phasenverschiebenden Impedanzen während des motorischen Betriebes des Zweiphasenkurzschlußläufermotors eine der Rotationsgeschwindigkeit des Läufers proportionale, bei stillstehendem Läufer zu Null werdende generatorische Ausgangsspannung abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus phasenverschiebenden Impedanzen (12, 13, 14) parallel zur Steuerwicklung (1, 2) oder parallel zu einem Teil (1) der Steuerwicklung geschaltet ist und daß gleichphasig mit der Steuerwicklung eine zusätzliche Statorwicklung (11) angeordnet ist, die über die Anordnung aus phasenverschiebenden Impedanzen mit der Steuerwicklung oder mit einem Teil der Steuerwicklung derart elektrisch gekoppelt ist, daß die über die zusätzliche Wicklung (11) abnehmbare Ausgangsspannung der Rotationsgeschwindigkeit des Läufers proportional ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zur Steuerwicklung oder einem Teil derselben liegende Anordnung aus phasenverschiebenden Impedanzen ein aus Kapazitäten und ohmschen Widerständen bestehender Stromzweig (12,13, 14) ist, an den ein Ende der zusätzlichen Wicklung (11) in Spannungsteilerschaltung angeschlossen ist.

3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung von phasenverschiebenden Impedanzen ein Transformator ist, an dessen Primärseite die Steuerwicklung (1) oder ein Teil derselben und an dessen Sekundärseite die zusätzliche Wicklung (11) angeschlossen sind und dessen Wicklungen zum Phasenangleich mit Impedanzen kombiniert sind.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Ständerwicklung (11) und die Anordnung von phasenverschiebenden Impedanzen (12, 13, 14) gleiche Frequenzcharakteristik haben.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 964 886;

deutsche Patentanmeldung K 5698 VIIb/21c (bekanntgemacht am 9.12.1954);

britische Patentschrift Nr. 778 461;

Regelungstechnik, 1957, S. 125;

Electronics, Januar 1956, S. 136, 137 und Dezember 1956, S. 155 bis 157.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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