DE2014542A1

DE2014542A1 - Bürstenloser Gleichspannungsgenerator

Info

Publication number: DE2014542A1
Application number: DE19702014542
Authority: DE
Inventors: Jean Paris Pandelle
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1969-03-28
Filing date: 1970-03-26
Publication date: 1970-10-08
Also published as: FR2038786A5; DE2014542B2; DE2014542C3; GB1266312A

Description

Bürstenloser Gleichspannungsgenerator Die Erfindung bezieht sich auf bürstenlose Gleichspannungsgeneratoren und insbesondere auf Tachometergeneratoren, d.h. auf Maschinen, die eine ihrer Drehzahl proportionale Gleichspannung liefern, die für verschiedene -Zwecke verwendbar ist, beispielsweise als Dämpfungssignal in Regelkreisen oder als Analogrechengrösse, Die Mehrzahl der bekannten Tachometergeneratoren sind mit Kollektor und Bürsten ausgestattet und arbeiten mit Fremderregung, die im allgemeinen durch einen Permanentmagnet gebildet ist. Diese Maschinen liefern vom Prinzip her eine Welligkeit, deren Frequenz der Zahl der Eollektorlamellen und der Drehaahl proportional ist, Dieses Störsignal kann dadurch auf ein Minimum herabgesetzt werden, dass ein sehr fein unterteilter Kollektor verwendet wird, doch erfordert'dies eine aorgfältige und teure Ausbildung, Ausserdem sind diese Generatoren den Wartungsbedingungen unterworfen, die allen Maschinen mit Kollektoren und Bürsten zu eigen sind: ersatz der Bürsten, Wartung des Kollektors usw, Dies führt zu echten Problemen bei einem Betrieb unter niedrigem atmosphärischem Druck und bei hoher Temperatur.
Es sind einige Arten von Tachometergeneratoren bekannt, die ohne Kommutation ausgebildet- sind, doch zeiten diese nicht alle erwünschten Leistungen auf; insbesondere haben die auf dem Prinzip des Hall-Effekts beruhenden Generatoren einen sehr kleinen Wirkungsgrad und einen vollkommen unzureichenden Ausgangspegel.
Das Ziel der Erfindung ist die BeseitigunO dieser Nachteile.
Ein Gleichspannungsgenerator mit einem Wechselstromgenerator, der mehrere zeitlich verschobene gleiche Wechselspannungen erzeugt, und mit einerommutatorvorrichtung für diese Wechselspannungen ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Wechseistromgenerator eine erste Einrichtung enthilt, die bewirkt, dass die Amplitude jeder Wechselspannung während eines Teils jeder Periode konstant bleibt, und dass die Eoumutatorvorrichtung eine zweite Einrichtung zur Erzeugung eines in Bezug auf den Rotor des Wechselstromgenerators feststehenden Magn2tfelds sowie mehrere Kontakte enthält, die fest mit dem Stator des Wechselstromgenerators verbunden sind, von dein Magnetfeld magnetisch gesteuert werden und der Reihe nach jede der Wechselspannungen an die Ausgangsklemmen des Gleichspannungsgenerators legen.
Din Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen nach der Erfindung ausgeführten Gleichspannungsgenerator, i?i6r.2 und 2b Querschnitto n3ch den Linien .X-A bww. B-B' von Fig. 1, Fig.3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise, Fig.4 das Schema der Xommutatorvorrichtung und Big.5 ein Diagramm zur ErläuQrung der Wirkungsweise.
In Fig.1, 2a und 2b sind die einander entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei Fig.2a ein Querschnitt durch die Vorrichtung von Fig.i in der Ebene A-A und die Fig.2b ein Querschnitt durch die Ebene B-B' sind.
Im Inneren eines zylindrischen Gehäuses 1 ist ein Stator 6 aus Nagnetblech sowie ein erstes Kugellager 3 und mit Hilfe anes Schildes 7 ein zweites Kugellager 4 angebracht, Die beiden Kugellager tragen die Welle 2 eines Rotors 5, der ein radialmagnetisierter Eignet ist und in Polen 23 und 24 endet.
Der Stator 6 hat die Form eines Hohlzylinders, dessen Innenfläche koaxial zu dem von den Aussenflächen der Pole 23 und 24 dargestellten Zylinderabschnitt ist. Der Stator ist mit sechs Nuten 27 bis 32 versehen, deren Öffnungen gleichmässig über die Innenfläche des Stator3 6 verteilt sind. Die einander gegenüberliegenden Nuten 27 und 30 dienen zur Aufnahme von zwei unabhängigen. Wicklungen b1 und b4; in gleicherWeise nehmen die einander gegenüberliegendenNu-ten 28-31 und 29-32 die (nicht dargestellten) Wicklungen b2-b5 bzw. b3 b6 auf.
Freitragend auf der Welle 2 ist mittels einer Schraube 22 eine zylindrische Nabe 21 befestigt, die.einen parallel zur Achse der Welle 2 magnetisierten Stab 20 trägt, dessen Aussenfläche ein Zylinderabschnitt ist, der koaxial zu einer zylindrischen Trommel 15 aus Kunststoff liegt. In der zylindrischen Trommel 15 sind sechs Schutzgaskontakte 9 bis 14 in gleichem Abstand von der Achse der Welle 2 gleichmässig verteilt. Die Trommel 15 besitzt eine ringförmige Schulter 16, über welche sie fest mit dem Schild 7 und dem Gehäuse 1 mit Hilfe eines Auseengtwinderings 8 verbunden ist, der ausserdem mit seinem hinteren Abschnitt als Halterung für eine Schutzkappe 19 dient.
Jeder Schutzgaskontakt ist durch zwei flache Stäbchen aus magnetischem Material gebildet, deren einander gegenüberliegende Enden eine Xontaktzone bilden, wie als Beispiel bei 25 und 26 für den Schutzgaskontakt 12 dargestellt ist. Diese Stäbchen sind so ausgerichtet, dass die auf der Mitte der Kontaktzone jedes Schutzgaskontaktes errichtete Senkrechte durch die Achse der Welle 2 geht.
Die Anschlüsse 17 und 18 bilden die Ausgangsklemmen der Itaschine.
Djese Maschine arbeitet in folgender Weise: Da die einander gegenüberliegenden Flächen der Rotorpole 23 und 24 und des Stators 6 zylindrisch und koaxial sind und die gewählten Magnetmaterialien (beispielsweise Sisen-Nickel-Legierungen) eine grosse Permeabilität haben, ist es möglich, in dem PolLuftspalt eine sehr konstante magnetische Induktion zu erhalten, wenigstens in so weit als der magnetische Leitwert des ausserhalb des Magnets liegenden Kreises konstant bleibt; dies kann durch dem Fachmann bekannte Massnahmen erreicht werden.
Unter diesen Bedingungen hat man einen Wechselstromgenerator mit gleichförmiger- Plussverteilung , und wenn sich der Rotor dreht und sich die Pole vor den Öffnungen der ane Wicklung enthaltenden Nuten vorbeibewegt, ändert sich der von der Wicklung umfasste Fluss linear als Funktion der Änderung der Winkelstellung.' Bekanntlich hat die bei konstanter Winkelgeschwindigkeit von einer zweipoligen Maschine der beschriebenen Art induzierte Spannung den folgenden Wert: E = 2 N n . B 1 . R Darin sind B die Induktion im Luftspalt, l die Länge der Pole, R,der Radius der Pole, n die Zahl der Leiter der betreffenden Wicklung und N die Winkelgeschwindigkeit ( in Bogengraden pro Sekunde).
Alle Wicklungen b1 bis b6 sind gleich, aber die Wicklungen jedes Paares, beispielsweise die Wicklungen b1 und b4 sind gegensinnig gewickelt oder angeschlossen.
Fig.3 zeigt die sechs Spannungen E1 bis E6 , die auf diese Weise an den Klemmen der Wicklungen b1 bis b6 in Abhängigkeit von dem Drehwinkel α erhalten werden. Es ist zu sehen, das3 diese Spannungen für einen Drehwinkelbereich von etwa 2 x /3 oder 1200 konstant bleiben.
Fig.4 zeigt die elektrische Verdrahtung der Maschine.
Die Ausgangsklemme 17 ist mit einem Ende aller Wicklungen b1 bis b6 verbunden. Die anderen Enden der Widmungen sind jeweils an eine Kontaktlamelle eines der Schutzgaskontakte 9 bis 14 angesQhlossen. Die anderen KontaktlamelLen der Schutzgaskontakte sind parallel mit der Ausgangsklemme 18 verbunden.
Das Schliessen der Kontakte 9 bis 14 erfolgt der Reihe nach durch den Vorbeigang des Magnets 20 vor diesen Schutzgaskontakten, wobei der Kontaktschluss durch die magnetische Anziehung zwischen den Enden der Kontaktstäbchen hergestellt wird, sobald diese dem Magnetfeld ausgesetzt sind.
Die Form und die Stärke des Magnets sind so bemessen, dass jeder Schutzgaskontakt nur zwischen zwei Winkelstellungen geschlossen ist, die einem Winkel von mehr als #/3 entsprechen damit die Überlappung mit den benachbarten Schutzgaskontakten gewährleistet ist; der aber kleiner als 21t/3 ist, damit man im bereich konstanter Spannung bleibt.
Das in Fig. 4 angedeutete Schliessen des Kontakts 9 entspricht der in Fig.1 und 2b dargestellten Stellung des Magnets.
In Fig.5 sind als Funktion des Drehwinkels X (der hier zur Erleichterung des Verständnisses in Grad ausgedrückt ist) die nutzbaren Halbwellen der Spannungen Ei, E22 E3 und Es sowie die Stellungen der entsprechenden Schutzgaskontakte 9, 10, 11 und 14 dargestellt. Diese Kontakte sind für die Winkelintervalle at at2, as3 und at6 in der durch den Pfeil 38 dargestellten Drehrichtung und rt1, rt2, rt3 rt6 bei einer Drehung in der Richtung des Pfeils 39 geschlossen.
Bei diesem Beispiel sind die Form und die Stärke des Magnets so bemessen, dass jeder der Schutzgaskontakte 7 bis 14 nur während etwa 75° geschlossen ist, so dass also eine Überlappung von 150 zwischen den Winkelbereichen besteht, die der Schliesszeit von zwei au£eiuanderfolgenden Kontakten entsprechen. Die Festlegung dieser Schliessperioden in Bezug auf die Winkelstellung dea Rotors ändert sich aber mit der Drehrichtung; die Schutzgaskontakte sind nämlich Vorrichtungen mit unterschiedlicher Ansprech- und AbfallschweLle, so dass sie sich bei einem Wert des Magnetfeldes schliessen, der etwa doppelt so gross wie der Wert des Magnetfeldes ist, bei dem sie sich öffnen. Die Verschiebung ;ieder der Schliessperioden at1 bis at6 gegenüber jeder entsprechenden Schliessperiode rt1 bis rt6 wurde beidem beschriebenen Beispiel gleich 150 gefunden. Der gesamte Erregungswinkel ist also 75 + 15 = 900 , und-dieser muss zentrisch zu dem entsprechenden Bereich konstanter Spannung liegen, was durch eine geeignete Winkellage des Magnets 20 auf der Nabe 21 erreicht wird. Dies lässt sich unter Berücksichtigung aller Toleranzen ohne weiteres auf weniger als 0 genau erreichen.
Das Schliessen des Kontakts erfolgt also im Innern eines maximalen Winkelbereichs von 90 + 2.5 = 1000; in welchem dS induzierte Spannung sehr konstant ist, weil dieser Bereich beträchtlich kleiner als der dem Polwinkel entsprechende Bereich (etwa 1200) ist.
Unter diesen Bedingungen ruft das Öffnen der Kontakte nur sehr kurze Impulse hervor, die daher stammen, dass die in jeder Wicklung induzierten Spannungen in der Praxis nicht vollkommen gleich sind und dass die Maschine auf Verbraucherkreise arbeitet, deren Impedanz zwar gross aber nicht unendlich ist. Die Störsignale haben einen sehr kleinen Pegel und können leicht;!;mit Hilfe von kleinen Kondensatoren in einer an sich bekannten Weise ausgefiltert werden.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die beschriebene VOrrichtung beschränkt; insbesondere können die Zahl der Wicklungen, die Polzahl und die Zahl der Kontakte anders sein. Eine Kontaktzahl von mehr als sechs ermöglicht es offensichtlich, sich mit Wechselstromgeneratoren zu begnügen, die eine konstante Spannu'hrend eines kleineren Bruchteils jeder Periode abgeben, und das umgekehrte gilt für eine Kontaktzahl von weniger als sechs.
Es ist auch möglich, den Wechselstromgenerator nach dem Prinzip des Gramme'schen Rings auszuführen. In diesem Fall wird ein magnetischer Ring vorgesehen, der gleichförmig verteilte Wicklungen trägt, und ein Magnet, der einen Erregerfluss erzeugt, der schmäler als jede Wicklung ist, damit wie im Fall des zuvor beschriebenen Wechselstromgenerators eine konstante induzierte Spannung erhalten wird.
Aus vorstehender Beschreibung ist klar erkennbar, dass die beschriebenen Generatoren wesentliche Vorteile aufweisen: - einfacher Aufbau - grosse Zuverlässigkeit - verringerte Wartung - Unempfindlichkeit für atmosphärischen Unterdruck - geringe Temperaturabhängigkeit.
Patenta nspriiche

Claims

Patentansprüche 1. Gleichspannungsgenerator mit einem Wechselstromgenerator, der mehrere zeitlich verschobene gleiche Wechselspannungen erzeugt, und mit einer Kommutatorvorrichtung für diese Wechselspannungen, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstromgenerator eine erste Einrichtung enthält, die.bewirkt, dass die Amplitude jeder Wechselspannung während eines Teils jeder Periode konstant bleibt, und dass die Sommutatorvorrichtung eine zweite Einrichtung zur Erzeugung eines in Bezug auf den Rotor des Wechselstromgenerators feststeheden Magnetfelds sowie mehrere Kontakte enthält, die fest mit dem Stator des Wechselstromgenerators verbunden sind, von dem Magnetfeld magnetisch gesteuert werden und der Reihe nach jede der Wechselspannungen an die Ausgangsklemmen des GLeichspannungsgenerators legen.
2. Gleichspannungynerator nach Anspruch 1-, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einrichtung durch Rotorinduktoren mit mehreren Polen gebildet ist, die aus magne-tischen Materialien grosser Permcabilität gebildet sind und deren Aussfläche jeweils ein Zylindersektor ist, der koaxial zu der zylindrischen Innenfläche des Stators des Wechselstromgenerators liegt, dass der Stator mit mehreren gleichartigen Nuten versehen ist, die zur paarweisen Aufnahme von gleichartigen Wicklungen dienen, an deren Klemmen die Wechselspannungen erscheinen, dass der Öffnungswinkel der Nuten sehr viel kleiner als der Winkel des Zylindersektors ist, so dass für einen Drehwinkel, der im wesentlichen gleich dem Winkel des Zylindersektors ist, eine konstante magnetische Induktion erhalten wird, und dass die Contakto durch sich teilweise überlappdnde magnetische Stäbchen gebildet sind, die in einem Kolben als einen ni('thtmagnetischn Material angebracht sind.
3. Gleichspannungsgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einrichtung ein parallel zur Achse des Rotors magnetisierter Magnet ist, dass die Anzahl der verschiedenen Teile, der Teil der Perioden und die gegenseitige zeitliche Verschiebung so bemessen sind,dass bei jedem beliebigen Drehwinkel des Rotors wenigstens- eine der Spannungen die konstante Amplitude hat und weinigstens einer der Kontakte geschLossen ist, und dass die Kontakte nur während der Zeitpunkte geE3chlossen sind, in denen die von ihnen geschalteten Spannungen die konstante Amplitude haben.
4. Gleichspannungsgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Pole zwei beträgt, und dass die Pole durch Permanentmagnete magnetisiert sind.
-5. Gleichspannungsgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Nuten, der Kontakte und der Spannungen gleich und geradzahlig sind, dass jedes Paar von einander gegenüberliegenden Nuten zwei gegensinnig mit den Kontakten verbundene gleichartige Wicklungen aufnehmen, und dass einerseits die Kontakte und andrerseits die Nuten in gleichmässigen Winkelabständen voneinander und in gleichem Abstand von der Achse des Rotors angeordnet sind.
6. Gl ich pannungsgenera tor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, die die Anzahl der Nuten, Kontakte und Spannungen sechs betrfigt.