DE1267324B - Commutation device for the excitation currents of an electrical machine - Google Patents
Commutation device for the excitation currents of an electrical machineInfo
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Description
Kommutierungseinrichtung für die Erregerströme einer elektrischen Maschine Eine elektrische Maschine besteht im wesentlichen aus zwei gegeneinander beweglichen Maschinenteilen, dem Anker und dem Stator. In einem dieser Maschinenteile wird ein Wechsel- oder Drehfeld erzeugt, während der andere Teil entweder aus einem Permanent- oder Elektromagneten besteht (Synchron- bzw. Gleichstrommaschine), einen Weicheisenkem mit magnetischer Vorzugsrichtung aufweist (Reluktanzmaschine) oder eine Kurzschlußwicklung besitzt, in der durch die Relativbewegung zum Drehfeld ein Magnetisierungsstrom induziert wird.Commutation device for the excitation currents of an electrical Machine An electrical machine essentially consists of two opposing each other moving machine parts, the armature and the stator. In one of these machine parts an alternating or rotating field is generated, while the other part either consists of a Permanent magnets or electromagnets (synchronous or direct current machine), one Has soft iron core with preferred magnetic direction (reluctance machine) or has a short-circuit winding in which a Magnetizing current is induced.
Bei den wechselstromgespeisten Maschinen ist die Umlaufgeschwindigkeit des Drehfeldes durch die Frequenz der speisenden Spannung gegeben. Der Gleichstrommaschine ist zur Erzeugung eines Wechsel- oder Drehfeldes ein Stromwender vorgeschaltet. Bei dieser Maschinenart ist die Umlaufgeschwindigkeit des Drehfeldes von der augenblicklichen Geschwindigkeit des beweglichen Maschinenteils (Ankers) abhängig. Die letztere Eigenschaft ergibt die gute Regelbarkeit der Gleichstrommaschine, so daß diese einen großen Anwendungsbereich trotz des größeren durch den Stromwender, dessen Verschleiß und durch die Stromzuführung zu dem beweglichen Maschinenteil gegebenen Aufwandes innehat. Eine Steuereinrichtung für elektrische Maschinen, bei der magnetfeldabhängige Widerstände zur Kommutierung der Ankerströme verwendet sind, ist in der USA.-Patentschrift 2 847 591 beschrieben worden. Diese Maschine benötigt allerdings trotz der magnetfeldabhängigen Widerstände Schleifringe und Bürsten, da die Wicklungen im umlaufenden Teil angeordnet sind, so daß auch hier mechanische und elektrische Verluste in Kauf zu nehmen sind.With AC powered machines, the rotational speed is of the rotating field given by the frequency of the supply voltage. The DC machine a commutator is connected upstream to generate an alternating or rotating field. With this type of machine, the speed of rotation of the rotating field is the same as at the moment Speed of the moving machine part (armature) dependent. The latter property results in the good controllability of the DC machine, so that it has a large Scope of application despite the larger by the commutator, its wear and tear by the power supply to the movable machine part of the given effort. A control device for electrical machines with magnetic field-dependent resistors are used to commutate the armature currents, is in the USA.-Patent 2 847,591. This machine needs, however, despite the magnetic field-dependent Resistors slip rings and brushes, as the windings are arranged in the rotating part are, so that mechanical and electrical losses are to be accepted here as well.
Beispielsweise in den deutschen Auslegeschriften 1050 812, 1065 080 (insbesondere F i g. 26 bis 28 bzw. 10 bis 13) ist die magnetfeldabhängige Widerstandsänderung auch im Zusammenhang mit der völlig kontaktlosen Kommutierung der Ankerströme elektrischer Maschinen genannt.For example in the German Auslegeschriften 1050 812, 1065 080 (in particular FIGS. 26 to 28 or 10 to 13) is the change in resistance as a function of the magnetic field also in connection with the completely contactless commutation of the armature currents electrical Called machines.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine mit einem besonders einfachen kontaktlosen und damit verschleißfesten Stromwender zu schaffen. Dabei soll mindestens ein in den Erregerstromkreis einer Maschinenwicklung eingeschalteter magnetfeldabhängiger Widerstand in dem Luftspalt eines Steuermagnetkreises angeordnet sein, dessen magnetische Induktion - bedingt durch einen mit dem beweglichen Maschinenteil verbundenen Magneten - von der relativen Lage des Maschinenankers zum Stator abhängt. Der Erregerstromkreis soll weiterhin so ausgebildet sein, daß die Flußrichtung des Magnetfeldes in der Maschine in Abhängigkeit von der Größe des magnetfeldabhängigen Widerstandes umgepolt wird.The invention has for its object to provide a machine with a to create particularly simple contactless and therefore wear-resistant commutators. At least one should be switched into the excitation circuit of a machine winding Magnetic field-dependent resistance arranged in the air gap of a control magnetic circuit its magnetic induction - due to a moving machine part connected magnets - depends on the relative position of the machine armature to the stator. The excitation circuit should continue to be designed so that the direction of flow of the Magnetic field in the machine depending on the size of the magnetic field-dependent Resistance is reversed.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kommutierungseinrichtung für die Erregerströme einer elektrischen Maschine; bei der der Kollektor durch eine Anordnung mit auf den Erregerstromkreis einer Maschinenwicklung geschalteten magnetfeldabhängigen Widerständen ersetzt ist, indem sich der Wert der magnetfeldabhängigen Widerstände mit der Drehlage des auf sie einwirkenden Magnetfeldes einer mit einem beweglichen Maschinenteil mitrotierenden Magnetfeldeinrichtung zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert derart ändert, daß der Erregerstrom in Abhängigkeit von der Größe der magnetfeldabhängigen Widerstände umgepolt wird. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die magnetfeldabhängigen Widerstände in die symmetrisch zur Drehachse des beweglichen Maschinenteils angeordneten Luftspalte eines feststehenden und die Drehachse kreisförmig umgebenden weichmagnetischen Steuermagnetkreises eingesetzt sind und daß der Steuermagnetkreis einerseits von einem mit den beweglichen Maschinenteilen starr verbundenen Magneten erregt ist und andererseits unabhängig von diesem Magneten vormagnetisiert ist.The invention relates to a commutation device for Excitation currents of an electrical machine; in which the collector by an arrangement with magnetic field-dependent ones connected to the excitation circuit of a machine winding Resistors is replaced by the value of the magnetic field-dependent resistances with the rotational position of the magnetic field acting on it one with a movable one Machine part with rotating magnetic field device between a minimum and a maximum value changes such that the excitation current as a function of the The polarity of the magnetic field-dependent resistances is reversed. The solution according to the invention is that the magnetic field-dependent resistances in the symmetrical to the axis of rotation of the movable machine part arranged air gaps of a fixed and the Rotation axis circularly surrounding soft magnetic control magnetic circuit used are and that the control magnetic circuit on the one hand by one with the moving machine parts rigidly connected magnet is excited and on the other hand independent of this magnet is premagnetized.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kommt in an sich bekannter Weise völlig ohne gegeneinander bewegliche Kontaktstellen im Kommutator aus und hat trotzdem einen denkbar einfachen Aufbau. Sie zeichnet sich durch unkomplizierte Schaltungen und größte Betriebssicherheit aus und ist für die Verwendung von magnetfeldabhängigen Widerständen ausgelegt, deren Widerstandswert sich unabhängig von der Polarität des einwirkenden Magnetfeldes ändert. Der Widerstandswert erhöht sich also bei Annäherung eines magnetischen Nordpols in gleicher Weise wie bei Annäherung eines magnetischen Südpols. Daher braucht man zum Kommutieren einer elektrischen Maschine wesentlich weniger Steuerwiderstände, als beispielsweise für die Vorrichtung nach Fig. 26b der deutschen Auslegeschrift 1050 812 mindestens vorgesehen sein müßten.In a manner known per se, the device according to the invention manages completely without contact points in the commutator that can move relative to one another and nevertheless has a very simple structure. It is characterized by uncomplicated circuits and maximum operational reliability and is designed for the use of magnetic field-dependent resistors whose resistance value changes regardless of the polarity of the applied magnetic field. The resistance value increases when a magnetic north pole approaches in the same way as when a magnetic south pole approaches. Therefore, to commutate an electrical machine, significantly fewer control resistors are required than would at least have to be provided for the device according to FIG. 26b of German Auslegeschrift 1050 812, for example.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung liegt darin, daß der Widerstandswert der verwendeten Magnetfeldhalbleiter unabhängig von der angelegten Spannung ist und nur (quadratisch) vom einwirkenden Magnetfeld abhängt. Dadurch werden komplizierte Frequenzanpassungseinrichtungen (wenn wechselnde Spannungen vorkommen) unnötig.Another advantage of the device according to the invention is that that the resistance of the magnetic field semiconductor used regardless of the applied voltage and only (quadratically) depends on the applied magnetic field. This makes complex frequency adjustment devices (if changing voltages occur) unnecessary.
An Hand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert.On the basis of the schematic drawing of exemplary embodiments further details of the invention explained.
Die F i g. 1 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausbildung des Steuermagnetkreises. Dieser besteht hier aus einem Permanentmagneten 1, der auf der Maschinenwelle 2 befestigt ist und mit ihr im Innern eines Ringes rotiert, der aus zwei halbkreisförmig ausgebildeten Kernen 3 und 4 besteht, zwischen denen in entsprechenden Luftspalten wieder die magnetfeldabhängigen Widerstände 5 und 6 angeordnet sind. Auf dem Ring ist außerdem eine gleichstromgespeiste Vormagnetisierungswicklung 7 symmetrisch aufgebracht. Diese erzeugt in dem magnetfeldabhängigen Widerstand 6 eine Vormagnetisierung, die sich in der gezeichneten Lage des Permanentmagneten 1 zu dem Fluß dieses Magneten addiert, während in dem Luftspalt des magnetfeldabhängigen Widerstandes 5 die Differenz der Flüsse auftritt. Durch die symmetrische Anordnung der Wicklung 7 heben sich die von den Polen des Steuermagneten 1 induzierten Spannungsimpulse gegeneinander auf.The F i g. 1 shows a particularly advantageous embodiment of the magnetic control circuit. This consists of a permanent magnet 1, which is mounted on the machine shaft 2 is attached and rotates with it inside a ring that consists of two semicircular formed cores 3 and 4, between which in corresponding air gaps Again the magnetic field-dependent resistors 5 and 6 are arranged. On the ring a DC-fed bias winding 7 is also symmetrical upset. This generates a premagnetization in the magnetic field-dependent resistor 6, which is in the drawn position of the permanent magnet 1 to the flux of this magnet added, while in the air gap of the magnetic field-dependent resistor 5 the difference of the rivers occurs. Due to the symmetrical arrangement of the winding 7 stand out the voltage pulses induced by the poles of the control magnet 1 against each other on.
Die F i g. 2 zeigt ein Beispiel für den Aufbau der elektrischen Verbindungen zwischen den magnetfeldabhängigen Widerständen 5 und 6 und einer zugehörigen Maschinenwicklung B. Eine Gleichspannungsquelle 9 ist über den magnetfeldabhängigen Widerstand 5 und eine Gleichspannungsquelle 10 über den magnetfeldabhängigen Widerstand 6 an die Maschinenwicklung 8 so angeschlossen, daß beispielsweise mit dem Anschlußpunkt 11 der Maschinenwicklung 8 der Pluspol der einen und der Minuspol der anderen Spannungsquelle verbunden sind und daß der Anschlußpunkt 12 zwischen den Widerständen 5 und 6 liegt.The F i g. 2 shows an example of the construction of the electrical connections between the magnetic field-dependent resistors 5 and 6 and an associated machine winding B. A DC voltage source 9 is via the magnetic field-dependent resistor 5 and a DC voltage source 10 via the magnetic field-dependent resistor 6 to the Machine winding 8 connected so that, for example, with the connection point 11 of the machine winding 8, the positive pole of one voltage source and the negative pole of the other voltage source are connected and that the connection point 12 is between the resistors 5 and 6.
Stehen zwei voneinander getrennte Gleichspannungsquellen nicht zur Verfügung, so kann die Schaltung nach F i g. 3 gewählt werden. Parallel zu der Gleichspannungsquelle 13 sind hier die Widerstände ; 14 und 15 in Reihe geschaltet, deren Mittelabgriff mit dem Anschlußpunkt 12 der Maschinenwicklung 8 verbunden ist. Der übrige Schaltungsteil entspricht der F i g. 2. Ein besserer Wirkungsgrad der Schaltung nach F i g. 3 ergibt sich, wenn die Widerstände 14 und 15 ebenfalls magnetfeldabhängig sind und zusammen mit den magnetfeldabhängigen Widerständen 5 und 6 in den Luftspalten der Steuermagnetkreise angeordnet sind. Durch Fig.4 der USA.-Patentschrift 2 847 591 ist es an sich bereits bekannt, die zu kommutierenden Ankerstromzweige im Diagonalzweig einer aus magnetfeldabhängigen Widerständen bestehenden Brückenschaltung anzuordnen. In F i g. 4 ist der Wirkungsgrad der in F i g. 2 dargestellten Schaltungsanordnung abhängig von der Größe der magnetfeldabhängigen Widerstände dargestellt. Diese Kurve gilt unter der Voraussetzung, daß der ohmsche Widerstand der Maschinenwicklung 8 den Wert R hat, der magnetfeldabhängige Widerstand 5 den Wert und der magnetfeldabhängige Widerstand 6 den Wert n - a - R. Der induktive Widerstand der Feldwicklung 8 ist vernachlässigt. Mit dem Wirkungsgrad 21 der Anordnung ist die in der Feldwicklung 8 umgesetzte Leistung im Verhältnis zu der insgesamt umgesetzten Leistung bezeichnet. Die Kurve D bezeichnet den Verlauf des Wirkungsgrades in Abhängigkeit von dem Faktor n. Für den Faktor x gilt dabei a = const. = 10. Die Kurve E stellt die Abhängigkeit des Wirkungsgrades von dem Faktor a für den Fall dar, daß n = const. = 2 ist.If two separate DC voltage sources are not available, the circuit according to FIG. 3 can be selected. The resistors are parallel to the DC voltage source 13; 14 and 15 connected in series, the center tap of which is connected to the connection point 12 of the machine winding 8. The remaining part of the circuit corresponds to FIG. 2. A better efficiency of the circuit according to FIG. 3 results when the resistors 14 and 15 are also dependent on the magnetic field and are arranged together with the magnetic field-dependent resistors 5 and 6 in the air gaps of the control magnetic circuits. From FIG. 4 of US Pat. No. 2,847,591, it is already known per se to arrange the armature current branches to be commutated in the diagonal branch of a bridge circuit consisting of magnetic field-dependent resistors. In Fig. 4 is the efficiency of the in FIG. 2 shown as a function of the size of the magnetic field-dependent resistors. This curve applies under the prerequisite that the ohmic resistance of the machine winding 8 has the value R and the resistance 5, which is dependent on the magnetic field, has the value and the resistance 6, which is dependent on the magnetic field, has the value n - a - R. The inductive resistance of the field winding 8 is neglected. The efficiency 21 of the arrangement denotes the power converted in the field winding 8 in relation to the total power converted. The curve D denotes the course of the efficiency as a function of the factor n. For the factor x, a = const. = 10. The curve E represents the dependence of the efficiency on the factor a for the case that n = const. = 2 is.
Die in F i g. 5 dargestellte Ausführung zeigt eine einfache elektrische Maschine. Gleiche Teile sind wie in den vorhergehenden Figuren bezeichnet. Die Maschine gemäß F i g. 5 besteht aus einem permanentmagnetischen Anker 16, der auf der Maschinenwelle 2 innerhalb der Pole 17 und 18 beweglich gelagert ist. An Stelle eines permanentmagnetischen Ankers kann ebenso ein gleichstromerregter Anker vorgesehen werden. Der Stator der Maschine trägt hier zwei Wicklungen, die Wicklung 8 mit den Anschlüssen 11 und 12 (entsprechend F i g. 2 und 3) und die Wicklung 19 mit den Anschlüssen 20 und 21, deren Wickelsinn unterschiedlich ist. Bei dieser Ausführung kann die Schaltung nach F i g. 6 Anwendung finden. An die Gleichspannungsquelle 13 ist über den magnetfeldabhängigen Widerstand 5 die Maschinenwicklung 8 und über den magnetfeldabhängigen Widerstand 6 die Maschinenwicklung 19 angeschlossen. Haben die Wicklungen gleichen Wickelsinn, so ist beispielsweise die Wicklung 19 umzupolen.The in F i g. The embodiment shown in FIG. 5 shows a simple electrical one Machine. The same parts are identified as in the previous figures. The machine according to FIG. 5 consists of a permanent magnetic armature 16, which is on the machine shaft 2 is movably mounted within the poles 17 and 18. Instead of a permanent magnet An armature with a DC excitation can also be provided. The stator of the The machine has two windings here, winding 8 with connections 11 and 12 (corresponding to FIGS. 2 and 3) and the winding 19 with the connections 20 and 21, whose winding sense is different. In this version, the circuit can according to F i g. 6 apply. To the DC voltage source 13 is via the magnetic field-dependent Resistance 5, the machine winding 8 and via the magnetic field-dependent resistance 6 the machine winding 19 is connected. If the windings have the same direction of winding, for example, the polarity of the winding 19 must be reversed.
Alle diese Schaltungen haben den Sinn, durch Veränderung eines oder mehrerer magnetfeldabhängiger Widerstände die Flußrichtung in der Maschine abhängig von deren Drehzahl umzukehren. Dies geschieht bei den Schaltungen nach den F i g. 2 und 3 durch Umkehrung der Stromrichtung in der Maschinenwicklung 8 und nach der in F i g. 6 dargestellten Schaltung durch Differenzbildung der von den Wicklungen 8 und 19 induzierten Flüsse.All of these circuits have the purpose of changing one or the other the direction of flow in the machine depends on several magnetic field-dependent resistors to reverse their speed. This happens in the circuits according to FIGS. 2 and 3 by reversing the direction of current in the machine winding 8 and after in Fig. 6 by subtracting the circuit shown by the windings 8 and 19 induced flows.
Die F i g. 7 zeigt eine Maschine, in der zusätzlich senkrecht zu den Polen 17 und 18 die Pole 22 und 23 angeordnet sind, auf die die Wicklung 24 mit den Anschlüssen 25 und 26 aufgebracht ist. Der dazugehörige Steuerrnagnetkreis, der bis auf die elektromagnetische Vormagnetisierung demjenigen gemäß F i g. 1 entspricht, ist in F i g. 8 gezeichnet. Er besteht aus einem Ring, der aus vier ferromagnetischen Kernen 27 bis 30 zusammengesetzt ist. Zwischen diesen Kernen befinden sich - im Feld der Permanentmagneten 31 bis 34 - einander gegenüber die magnetfeldabhängigen Widerstände 5 und 6 und senkrecht dazu die magnetfeldabhängigen Widerstände 35 und 36, die an die Wicklung 24 angeschlossen sind, während die Widerstände 5 und 6 mit der Maschinenwicklung 8 verbunden sind.The F i g. 7 shows a machine in which, in addition, perpendicular to the Poles 17 and 18, the poles 22 and 23 are arranged on which the winding 24 with the connections 25 and 26 is applied. The associated control magnetic circuit, which, apart from the electromagnetic bias, corresponds to that according to FIG. 1 corresponds to is in Fig. 8 drawn. It consists of a ring made up of four ferromagnetic Cores 27 to 30 is composed. Between these nuclei are - im Field of the permanent magnets 31 to 34 - opposite to each other, the magnetic field-dependent Resistors 5 and 6 and perpendicular thereto the magnetic field-dependent resistors 35 and 36, which are connected to the winding 24, while the resistors 5 and 6 with the machine winding 8 are connected.
Bei kleinen Maschinen kann es außerdem vorteilhaft sein, den Maschinenanker 16 (gemäß F i g. 5 oder 7) und Steuermagneten (gemäß F i g. 1 oder 8) zusammenzufassen. Diese Ausführung ist in F i g. 9 dargestellt. Der magnetische Kreis der Maschine ist hierbei identisch mit dem Steuermagnetkreis. Der Ständer der Maschine besteht aus zwei halbkreisförmigen Segmenten 38 und 39, zwischen denen in Luftspalten die magnetfeldabhängigen Widerstände 5 und 6 angebracht sind. In Nuten sind die Maschinenwicklung 8 und die Vormagnetisierungswicklung 7 (entsprechend F i g. 1) angebracht. Für Maschinen größerer Leistung kann beispielsweise die Anordnung nach F i g. 6 dahingehend erweitert werden, daß an Stelle der Wicklungen 8 und 19 die Steuerkreise von Transistoren angeordnet sind, deren Lastkreise dann mit den Maschinenwicklungen in Reihe geschaltet und ebenfalls an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen sind. Diese Schaltung zeigt F i g. 10. Parallel zu der Gleichspannungsquelle 13 liegen die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes 40 mit dem magnetfeldabhängigen Widerstand 5 und die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes 41 mit dem magnetfeldabhängigen Widerstand 6. Die Mittelpunkte zwischen den Widerständen dieser beiden Reihenschaltungen sind mit der Basis je eines Transistors 42 und 43 verbunden, deren Emitter-Kollektor-Anschlüsse in Reihe zu den Maschinenwicklungen 8 bzw. 19 geschaltet und ebenfalls parallel zu der Gleichspannungsquelle 13 angeordnet sind. Es ist außerdem möglich, beliebig andere Verstärkerglieder zwischen die Maschinenwicklung und den Kreis zu schalten, der die magnetfeldabhängigen Widerstände enthält. In der beschriebenen Maschine können alle in der Einleitung erwähnten Arten von Ankern verwendet werden. Wenn man als Anker einen Kurzschlußläufer wählt, so muß der Schlupf sowohl im Maschinenanker als auch im Steuermagnetkreis auftreten; deshalb ist dann im Steuermagnetkreis ein über ein Getriebe mit der Ankerwelle verbundener Permanentmagnet vorzusehen oder ein kreisförmig ausgebildeter Weicheisenkern, der vom Läuferstrom magnetisiert wird. Die letztere Anordnung ist deshalb günstig, weil wie bei der Asynchronmaschine die Stromzuführung zu dem beweglichen Maschinenteil fortfällt.In the case of small machines, it can also be advantageous to use the machine anchor 16 (according to FIG. 5 or 7) and control magnets (according to FIG. 1 or 8). This embodiment is shown in FIG. 9 shown. The magnetic circuit the machine is here identical to the control magnetic circuit. The stand of the machine consists of two semicircular segments 38 and 39, between which in air gaps the magnetic field-dependent resistors 5 and 6 are attached. They are in grooves Machine winding 8 and the bias winding 7 (corresponding to FIG. 1) appropriate. For machines with higher performance, for example, the arrangement according to F i g. 6 to the effect that instead of the windings 8 and 19 the Control circuits of transistors are arranged, whose load circuits then with the machine windings connected in series and also connected to a DC voltage source. This circuit shows F i g. 10. lie in parallel with the DC voltage source 13 the series connection of an ohmic resistor 40 with the magnetic field-dependent Resistor 5 and the series connection of an ohmic resistor 41 with the magnetic field-dependent Resistance 6. The midpoints between the resistances of these two series connections are connected to the base of a transistor 42 and 43, their emitter-collector connections connected in series with the machine windings 8 and 19 and also in parallel to the DC voltage source 13 are arranged. It is also possible to do anything to connect other amplifier elements between the machine winding and the circuit, which contains the magnetic field-dependent resistances. In the machine described all types of anchors mentioned in the introduction can be used. if if you choose a squirrel cage armature, the slip must be in the machine armature as well as occur in the control magnetic circuit; therefore there is then a in the control magnetic circuit to provide a permanent magnet connected to the armature shaft via a gear mechanism or a circular soft iron core that is magnetized by the rotor current. The latter arrangement is favorable because, as with the asynchronous machine, the Power supply to the movable machine part is omitted.
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