DE1638481B1 - Ferroresonanter asynchroner verstaerker stellmotor - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen ferroresonanten, asyn- stören usw. lieferbare Steuerleistung benötigt, der

chronen Verstärker-Stellmotor und Käfigläufer, der gegenüber Verstärker-Stellmotoren mit abgeschirm-

als Stellglied in Automatiksystemen einsetzbar ist. ten Polen einen einfacheren Aufbau, größeren Wir-

Für den Antrieb von in Automatik-Systemen ver- kungsgrad und kleinere Außenabmessungen aufweist,

wendeten Regelorganen (Hähne, Schieber, Potentio- 5 der keine mechanische Kontakte besitzt und der im

meter usw.), werden außer Gleichstrom- und Asyn- Normalbetrieb ein lineares Verhalten, jedoch bei

chronzweiphasenstrom-Stellmotoren, die durch Ver- großen Steuersignalen ein nichtlineares Verhalten

stärker oder Relais gesteuert werden, auch Verstär- aufweist.

ker-Stellmotoren mit abgeschirmten Polen eingesetzt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-Diese können durch sehr kleine Leistungen gesteuert io löst, daß neben parallel zueinander von der Netzwerden, wobei für Gleichstrommotoren der Rotor- wechselspannung gespeisten Primärspulen mit Dioden drehsinn von der Richtung des durch die Steuerwick- in Reihe geschaltete, ebenfalls von der Netzwechsellungen des Rotors fließenden Stromes abhängt. In spannung gespeiste Sättigungsspulen und gleichstrom-Anbetracht des Umstandes, daß die abgeschirmten gespeiste Steuerspulen auf ausgeprägten Ständerpolen Pole dieser Stellmotoren magnetische Verstärker oder 15 vorgesehen sind, wobei die in Reihe mit den Sättimagnetische Relais darstellen, können die ent- gungsspulen, durch welche der von dem ferroresosprechenden Pole mit kleinen Steuerleistungen gesät- nanten Stromkreis der Primärspulen des gleichen tigt werden, was die durch die Abschirmungswindung Ständerpoles erzeugte Fluß fließt, geschalteten Diodieser Pole bewirkte Phasenverschiebung aufhebt und den in einem jeweils einem Ständerpol gegenüber eine Drehung des Rotors in dem vom Drehmoment 20 einem anderen Ständerpol entgegengesetzten Leider nichtgesättigten Pole bestimmten Sinn bewirkt. tungssinn geschaltet sind, während die gleichstrom-Durch den Einsatz dieser Stellmotoren, die über gespeisten Steuerspulen derart auf jeden Ständerpol einen sehr großen Eigenverstärkungsfaktor verfügen, aufgebracht sind, -daß sich im geschlossenen magnekönnen andere Verstärker des Automatiksystems ent- tischen Kreis der zu einem ferroresonanten Stromfallen und das Stellglied kann unmittelbar durch ent- 25 kreis gehörenden Pole die Amperewindungen der sprechende Geber (Photodioden, Thermistoren usw.) Steuerspulen zu den Amperewindungen der Sättigesteuert werden. gungsspulen addieren, während sie sich an den

Die Verstärker-Stellmotoren mit abgeschirmten ferroresonanten Stromkreis von den Amperewindun-

Polen weisen jedoch einen verhältnismäßig kompli- gen der dortigen Sättigungsspulen subtrahieren,

zierten Aufbau auf, verwerten in verhältnismäßig 30 Auf diese Weise kann der Mittelwert des Sätti-

ungenügender Weise die aktiven Statormaterialien gungsspulenstromes durch die Amperewindungen der

und haben, als Folge der Abschirmungswindungen Steuerspulen überwacht werden, so daß derart die

einen kleinen Wirkungsgrad. magnetische Leitfähigkeit der Statorpole und dem-

AIs Stellglieder sind auch ferroresonante Stellmo- entsprechend auch die Phase der Ströme, welche

toren bekannt, die auch als solche verwendet werden. 35 durch die ferroresonanten Kreise fließen, von der

Bei diesen Stellmotoren erfolgt die Umkehr der Dreh- Größe und dem Sinn des Steuerstromes abhängen,

richtung und die Drehzahlregelung durch die Sätti- Zum Unterschied jedoch von den bekannten,

gung der die Primärstatorspulen der Maschine tra- selbsttätigen magnetischen Verstärkern besteht hier

genden Pole, wobei diese Sättigung durch auf den jedoch — über den Wechselfluß der Primärspulen,

Polsäulen befindliche Steuerspulen vorgenommen 40 welcher <auch durch die Säulen der Verstärkerpole

wird. fließt — eine Wechselbeziehung zwischen dem Mittel-

Die Statorpole weisen zwei oder drei mit Wicklun- wert des Stromes in den Sättigungsspulen der der Er-

gen versehene Säulen auf, wobei der Magnetflußkreis findung entsprechenden Stellmotoren und dem Strom

so geschlossen ist, daß die Säulen durch die Stator- der ferroresonanten Kreise,

spulen gesättigt werden können. 45 Bei einem Steuersignal einer gegebenen Richtung

Die primären Statorspulen, welche alle Säulen der wird das Gleichgewicht der Sättigungsströme gestört; mit Steuerspulen versehenen Pole umfassen, bilden diese werden in einem Sättigungskreis größer und in Bestandteile zweier identischer, ferroresonanter dem anderen kleiner, so daß ein Paar entgegenge-Kreise, so daß die Sättigung eines entgegengesetzten setzter Pole stark gesättigt wird, während das andere Polpaars, in den entsprechenden Polen eine Phasen- 50 Paar ungesättigt bleibt; dementsprechend findet eine Verschiebung des Primärstroms, bezogen auf die bei Phasenverschiebung der Wechselströme der zwei den anderen Polen bestehende Phase, bewirkt, wo- ferroresonanten Kreise statt und es wird ein Anlaufdurch ein nach einer Richtung wirkendes Anlaß- moment und ein Drehfeld, entsprechend der Steuermoment hervorgebracht wird. Für den entgegenge- signaleinrichtung erzeugt.

setzten Sinn wird das andere Polpaar gesättigt und 55 Bei einem Gleichstromsignal entgegengesetzter

zwar ebenfalls mit einem Gleichstromsteuersignal. Richtung finden entgegengesetzte Vorgänge statt, und

Da jedoch die Sättigung der Maschinenpole in un- das Anlaufmoment wechselt seine Richtung. Für den

mittelbarer Weise mit dem Steuersignal erfolgt, erfor- Widerstand des als Käfigläufer ausgeführten Rotors

dem diese Stellmotore verhältnismäßig große Steuer- wird ein genügend großer Widerstand gewählt, damit,

leistungen im Verhältnis zu jenen, die als Gleich- 60 falls kein Steuerstrom fließt, der Rotor stillgesetzt

Stromausgang von Gebern (Photodioden, Thermi- wird, wie dies bei allen asynchronen Stellmotoren

stören usw.) verfügbar sind; aus diesem Grunde ist üblich ist.

eine direkte Steuerung des Motors durch diese Geber Auf diese Weise bewirkt der Stellmotor eine zwei-

nicht möglich und es kann auch nicht auf die Ver- stufige Verstärkung. In diesen Bedingungen hängt die

stärker des Automatiksystems verzichtet werden. 65 Phasenverschiebung der Polströme nicht nur vom

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stellmotor der Steuersignal, sondern auch von der Drehzahl des

eingangs genannten Art zu schaffen, der nur eine sehr Rotors ab. Falls also die Drehzahl des Rotors gleich

kleine, direkt von Gebern, wie Photodioden, Thermi- Null ist, wird als Folge der Sättigung eines Polpaares

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der Strom im entsprechenden ferroresonanten Strom- eine Phasenverschiebung der Ströme der zwei ferrokreis ausgeprägt kapazitiv im Vergleich zum Strom resonanten Stromkreise zur Folge hat und dementder ungesättigten Pole. In diesem Falle besteht eine sprechend ein Anlaufmoment in einer dem Steuerfast lineare Abhängigkeit zwischen Anstieg der strom entsprechenden Ridhtung bewirkt.

Phasenverschiebung und Steuersignal. 5 Bei einem Steuersignal entgegengesetzter Richtung,

Auf diese Weise kann durch die entsprechende ebenfalls von einem entsprechenden Wert, findet ein Phasenverschiebung das Anlaufmoment hervorge- Umkippen der magnetischen Relais in die entgegenbracht werden. gesetzte Lage statt; das früher nichtgesättigte PoI-

Im Leerlauf des Rotors erfolgt bei einer gewissen paar wird nun gesättigt und umgekehrt. Es ist auch Drehzahl, also bei einem gewissen kritischen Steuer- io die Möglichkeit vorgesehen, eine Polarisationsspule strom, eine ausgesprochen nichtlineare Phasenver- zu verwenden, die auf den Polen, neben den Sättischiebung des Polstroms an den nichtgesättigten gungs-, Steuer- und Reaktionsspulen angebracht wird, Polen, wobei der nichtgesättigte Stromkreis ausge- um die Lage der Relaiskennlinien, bezogen auf die sprachen induktiv wird und der gesättigte Stromkreis Achsen, oder deren gegenseitige Lage zu verschieben, weiterhin kapazitiv bleibt. Dieses lineare Verhalten 15 Die Sättigungs-, Steuer- oder Reaktionsspulen köndes Stellmotors bei kleinen Steuersignalen, also bei nen auch als magnetische Verstärker mit Fremdden entsprechenden, kleinen Drehzahlen, und das reaktion oder als magnetische Relais mit Fremdnichtlineare Verhalten bei großen Steuersignalen, er- reaktion geschaltet werden, jedoch sind diese Schalklärt sich durch die Wechselwirkung zwischen den tungen weniger vorteilhaft als jene mit Selbst-Strömen der ferroresonanten Kreise (bzw. der Pol- 20 Sättigung.
Flüsse) und den Sättigungsströmen. Die Zeichnung zeigt einige Ausführungsbeispiele

Die Sättigungs- und Steuerspulen der Säulen eines der Erfindung, und zwar zeigt

Pols sind derart geschaltet, daß deren Amperewin- Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen zweipoligen

düngen sich entlang dem magnetischen Kreis des Ferroresonanten Verstärker-Stellmotor,

Pols addieren. 25 Fig. 2 eine Ausführung der Stator-Pol-Bleche (im

Es ist die Möglichkeit vorgesehen, daß die der Er- Falle der einseitig nach dem Statorjoch angeordneten

findung entsprechenden ferroresonanten Stellmotoren I-Bledhe),

auch mit mehreren Polpaaren je Phase ausgeführt Fig. 3 die Schaltung des Motors gemäß Fig. 1,

werden, wobei die oben angeführten für den ganzen Fig. 4 die Kernlinien der Steuerströme (/_c) und

Stator gültigen Bedingungen für die Pole nur eines 30 der Sättigungsströme (//) für die in Fig. 3 darge-

Statorabschnittes (eine Hälfte, ein Viertel usw.) zur stellte Schaltung,

Anwendung gelangen. Fig. 5 Schaltung des Stellmotors mit als selbst-

Bei den der Erfindung entsprechenden Stellmoto- sättigenden Relais arbeitenden Polen,

ren können die Steuerspulen der Pole miteinander F i g. 6 Charakteristiken der Steuerströme (I_c) und

in Reihen, in Parallel- oder in gemischter Reihen- 35 Sättigungsströme (//) für die in Fig. 5 dargestellte

Parallelschaltung geschaltet werden. Schaltung.

Bei Stellmotoren mit mehreren Polpaaren können In Fig. 1 sind die Primärspulen 1 zu ersehen, einige Pole, so wie oben angegeben, Verstärker sein, durch welche der Primärstrom der Maschine fließt, während andere nur mit Sättigungsspulen versehen und die in die zwei ferroresonanten Kreise geschaltet sind, wobei diese Sättigungsspulen als Gleich- oder 40 sind, ferner die Sättigungsspulen 2 und die Steuer-Wechselstromlast der Verstärkerpole geschaltet sind. spulen 3. Diese letzteren sind auf den Polsäulen 4

Die Statorpole können zwei, drei oder mehrere, befestigt, während diese Pole mit den Keilen 5 im

mit Wicklungen versehene Säulen aufweisen und kön- Statorjoch befestigt sind. Mit 6 ist der Kurzschluß-

nen, von Fall zu Fall aus U + I- oder E + I-Blechen läufer bezeichnet.

aufgebaut sein, wobei die I-Bleche wechselweise ent- 45 Die Polbleche aus F i g. 2 werden wechselweise zu-

weder beiderseits des Poles gegen den Luftspalt und sammengebaut und zwar wird ein U-förmiger Kern

gegen das Joch, oder nur auf der einen Seite des aus den wechselweise angeordneten Blechen 7 und 8

Pols angeordnet werden können. gebildet, daraufhin werden die Spulen aufgesetzt und

Die ferroresonanten Stromkreise können eine dann wird der magnetische Kreis mit den ebenfalls

Parallel-Resonanz aufweisen, jedoch können mehrere 50 wechselweise angeordneten Blechen 9 und 10 ge-

der Primärspulen in davon unabhängiger Weise, in schlossen. Es ist auch eine Polbefestigung durch sich

Reihen- oder Parallel- oder gemischter Schaltung an- an der Polbasis (gegen den Luftspalt) spreizende

geordnet werden. Keile vorgesehen, wobei die Keile zwischen die Pole

Der Erfindung entsprechend können auf den Polen dringen, die im entsprechenden Teil eine diesem des Stellmotors noch zusätzliche Reaktionsspulen 55 Zwecke entsprechende Neigung aufweisen; die Keile vorgesehen sind, die zusammen mit den Sättigungs- drücken den Pol gegen das Joch und befestigen ihn. spulen und den eigentlichen Steuerspulen eine Schal- Die aus Textolit, Fiber oder anderen plastischen Mästung selbstsättigender magnetischer Relais bilden, sen hergestellten Keile werden, nachdem die Primärdurch deren Kern der von den Primärspulen der spulen aufgesetzt worden sind, zwischen die Pole ferroresonanten Stromkreise erzeugte Fluß strömt. 60 gespreizt.

Auf diese Weise findet bei einem Steuerstrom mit In der in F i g. 3 dargestellten Schaltung sind die

bestimmter Richtung und bestimmtem Wert und als Primärspulen 11, 12, 13 und 14 zu ersehen, welche

Folge der Einwirkung der Reaktionsspulen ein plötz- mit den Kondensatoren 15 und 16 die ferroresonan-

licher Anstieg des Sättigungsstroms bei einem der ten Stromkreise bilden; ferner sind die Sättigungs-

Polpaare statt, während der Sättigungsstrom bei dem 65 spulen 17, 18, 19 und 20 zu ersehen, die mit den

anderen Polpaar plötzlich abfällt. Dioden 21, 22, 23 und 24 und mit den eigentlichen

Folglic'h befindet sich ein Polpaar im gesättigten Steuerspulen 25, 26, 27 und 28 geschaltet sind. Diese

Zustand, während das andere ungesättigt ist, was letzteren sind derart in einen Steuerkreis geschaltet,

daß bei einem Steuersignal /,, der Sättigungsstrom bei einem Polpaar ansteigt (Charakteristik29, Fig. 4), während dieser Strom bei dem anderen Polpaar fällt (Charakteristik 30, F i g. 4).

Die Charakteristiken 29 und 30 aus F i g. 4 zeigen, wie die Sätttigungsströme I_c', von den Steuerströmen I₀ abhängen, und zwar für ein Verstärkerpolpaar, welches einem ferroresonanten Stromkreis entspricht (ausgezogene Linie) und für das andere, dem anderen ferroresonanten Stromkreis entsprechende Polpaar (unterbrochene Linie).

Aus F i g. 5 sind die Reaktionsspulen 31, 32, 33 und 34 ersichtlich, die zusammen mit den Sättigungsspulen 35, 36, 37 und 38 und mit den Steuerspulen 39, 40, 41 und 42 eine Schaltung magnetischer Relais bilden.

Die zu den ferroresonanten Stromkreisen gehörenden Primärspulen sind mit 43, 44, 45 und 46 bezeichnet. Die in diesen Bedingungen, in Abhängigkeit der Steuerströme/,, stattfindende nichtlineare Änderung der Sättigungsströme I/ ist in F i g. 6 durch die Charakteristik 47 (für ein Polpaar) und 48 (für das andere Polpaar) dargestellt.

Diese Charakteristiken sind jenen der selbstsättigenden magnetischen Relais ähnlich und weisen — als Folge der Reaktionsspulen — ausgesprochen nichtlineare Form auf.

Durch eine entsprechende Polarisierung können die Relaischarakteristiken, nach Bedarf, auf die Achsen bezogen, verschoben werden.

Sowohl die Charakteristiken gemäß F i g. 4 als jene gemäß F i g. 6 sind für den Fall des stillstehenden Rotors gezeichnet. Im Leerlauf und bei großen (überkritischen) Steuersignalen verändern sich diese Charakteristiken als Folge der in den ferroresonanten Stromkreisen stattfindenden nichtlinearen Erscheinungen.

Die Erfindung weist folgende Vorteile auf:

Der Stellmotor benötigt eine sehr kleine Steuerleistung (in der Größenordnung von zehn Mikrowatt bis zu Milliwatt), und kann direkt von Gebern mit Gleichstromausgang gespeist werden (Photodioden, Thermistoren usw.), so daß für die Automatik keine Verstärker, Umwandler und deren Speisevorrichtungen vorgesehen werden müssen.

Der Stellmotor hat einen wesentlichen einfacheren Aufbau als die Verstärker-Stellmotoren mit abgeschirmten Polen, hat keine Kurzschlußwindungen (Abschirmwindungen), hat — bei gleicher Nutzleistung — einen größeren Wirkungsgrad und kleinere Außen-Abmessungen.
Der Stellmotor hat keine Teile mit beweglichen Kontakten (Kollektor) und hat folglich eine hohe Betriebssicherheit.

Der Stellmotor hat (bei kleinen Steuersignalen, also in der Nähe des stabilen Betriebszustandes, im automatischen System), ein lineares Verhalten (was die vom Steuersignal abhängige Drehzahl anbetrifft), während bei großen Steuersignalen ein nichtlineares Verhalten auftritt, was in vielen automatischen Systemen äußerst nützlich ist.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Ferroresonanter, asynchroner Verstärker-Stellmotor mit Käfigläufer, dadurch gekennzeichnet, daß neben parallel zueinander von der Netzwechselspannung gespeisten Primärspulen (1, 11 bis 14) mit Dioden (21 bis 24) in Reihe geschaltete, ebenfalls von der Netzwechselspannung gespeiste Sättigungsspulen (2,

17 bis 20) und gleichstromgespeiste Steuerspulen ί (3, 25 bis 28) auf ausgeprägten Ständerpolen (4 bis 10) vorgesehen sind, wobei die in Reihe mit den Sättigungsspulen, durch welche der von dem ferroresonanten Stromkreis der Primärspulen des gleich Ständerpols erzeugte Fluß fließt, geschalteten Dioden in einem jeweils einem Ständerpol gegenüber einem anderen Ständerpol entgegengesetzten Leitungssinn geschaltet sind, während die gleichstromgespeisten Steuerspulen derart auf jeden Ständerpol aufgebracht sind, daß sich im geschlossenen magnetischen Kreis der zu einem ferroresonanten Stromkreis gehörenden Pole die Amperewindungen der Steuerspulen zu den Amperewindungen der Sättigungsspulen addieren, während sie sich an den Polen des anderen ferroresonanten Stromkreises von den Amperewindungen der dortigen Sätttigungsspulen subtrahieren.

2. Ferroresonanter, asynchroner Verstärker-Stellmotor nach Ansprudh 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Polen noch zusätzlich Reaktionsspulen (31 bis 34) vorgesehen sind, die i zusammen mit den Sättigungsspulen (35 bis 38) " und den Steuerspulen (39 bis 42) eine Schaltung selbstsättigender magnetischer Relais bilden, durch deren Kern der von den Primärspulen (43 bis 46) der ferroresonanten Stromkreise erzeugte Fluß strömt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen