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Elektrischer Drehzahlmesser, insbesondere für Luftfahrzeuge Die Erfindung
betrifft einen elektrischen Drehzahlmesser, insbesondere für Luftfahrzeuge. Soweit
man elektrisch betriebene Drehzahlmesser benutzt hat, bestehen sie aus einem kleinen
Wechselstromgenerator, der von der zu messenden Maschine, z. B. dem Flugmotor, angetrieben
wird. Dieser Generator hat einen permanenten Magneten, und auf der Instrumententafel
ist ein Spannungsmesser angebracht, der mit dem Anker des Generators verbunden und
in Umdrehungen pro Minute geeicht ist. Theoretisch ist die Spannung des Generators
direkt proportional der Umdrehungszahl der Maschine, so daß der Spannungsmesser
genau die Maschinendrehzahl angeben könnte. Bei der praktischen Ausführung sind
aber verschiedene Schwierigkeiten vorhanden, die vor allen Dingen auf das Altern
des permanenten Magneten infolge Erschütterungen und Temperaturänderungen zurückzuführen
sind. Hinzukommen noch die Fehler, die sich durch die Temperaturänderungen im Ankerwiderstand
und in den Voltmeterwicklungen ergeben, so daß unter verschiedenen Betriebsbedingungen
und nach einer längeren Betriebsperiode erhebliche Fehler entstehen.
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Für die Beseitigung der erwähnten Nachteile sind bereits eine große
Anzahl verschiedenartigster Vorschläge gemacht worden, jedoch mangelte es an einer
von Apannungs-Schwankungen unabhängigen Anzeigevorrichtung mit linearer Skalenteilung.
Um eine solche für einen Drehzahlmesser hur besonderen Verwendung in Flugzeugen
zu schaffen, werden für die Übertragung des vom Wechselstromgenerator erzeugten
Wechselstromes auf ein Gleichstrominstrument ein Transformator und ein Gleichrichter
verwendet. Anordnungen dieser Art sind in der einen oder anderen Zusammenstellung
an sich ebenfalls bekannt. Man hat zur Erzielung einer spannungsunabhängigen Anzeige
einen überträger benutzt, der außer einem Luftspalt einen teilweise verjüngten Kern
aufweist.- Ferner hat man für Schlupfmesser drei Spulen auf einem rahmenförmigen
Kern angeordnet, wobei die dritte Spule, senkrecht zu den beiden anderen liegend,
als Sekundärspule dient und bei Frequenzungleichheit die Schwebungen auf ein den
Spannungswechseln folgendes Gleichstrominstrument überträgt.
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Außerdem ist bei Drehzahlmessern vorliegender Art die Verwendung von
Gleichstrominstrumenten mit vorgeschaltetem Trockengleichrichter bekannt. Es war
hierbei der Nachteil vorhanden, daß das Nachlassen des permanenten Magneten und
die Änderungen
im Widerstand des Wechselstromerzeugers zu einer
Fehlanzeige .des Instrumentes führten.
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Soweit man bisher eine gesättigte Drossel oder einen gesättigtenTransformator
zwischen die Tachometerdynamo und ein Wechselstromanzeigeinstrument geschaltet hat,
erhält man einen quadratischen Ausschlag des Meßgerätes und damit, insbesondere
bei kleinen Drehzahlen, eine schlechte Ablesegenauigkeit. Die Anordnung hat aber
noch den weiteren Nachteil, daß durch die Einfügung des gesättigten Widerstandes
eine Verzerrung der Spannungskurven entsteht und daß infolgedessen der Ausschlag
des den Effektivwert messenden Wechselstrominstrumentes durch die Kurvenverzerrung
eine Abweichung. von dem quadratischen Gesetz erfährt.
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Gemäß der -Erfindung wird der zwischen der mit permanentem Magnetsystem
versehenen Tachometerdynamo und den Gleichrichter eingeschaltete Transformator in
de. Weise ausgebildet, däß der rechtwinklig oder annähernd rechtwinklig zu dem -die
Primär--,vicklung tragenden Schenkel verlaufende, die Sekundärwicklung tragende
Schenkel des Transformators zwischen Ansatzschenkeln seines Kernes angeordnet ist,
deren Querschnitt in bekannter Weise derart verringert ist, daß sie innerhalb des
Anzeigebereiches gesättigt sind und daß alle übrigen. Schenkel so große Querschnitte
haben, daß sie innerhalb dieses Bereiches ungesättigt bleiben. Durch diese besondere
Ausbildung des Übertragerkernes .wird erreicht; daß die Spannung der Dynamo auf
einen "von der Stärke der Erregung und dem Widerstand der 'Generatorw-icklung unabhängigen,
von der Drehzahl der Dynamo -aber linear abhängigen Wert umgeformt. wird. Damit
ist außer einer zuverlässigen, von Erschütterungen unbeeinflußten Anzeige -eine
gute Ablesemöglichkeit gegeben. Die Anordnung als solche ist einfach in der Herstellung.
Dadurch, daß die Tachometerdynamä als Wechselstromerzeuger ausgebildet ist, fallen
Kommutatoren,- die leicht zu Störungen Veranlassung geben, fort, und der Wechselstromerzeuger
kann für eine sehr niedrige Spannung- mit kleinen Abmessungen ausgebildet -werden.
Die Zwischenschaltung des gesättigten Transformators ergibt .dabei die Möglichkeit,
die verhältnismäßig ,niedrige Wechselspannung ° des 'Stromerzeugers auf die für
den Anschluß der Instrumente und ihre Temperaturkompensation erforderliche Spannung
heraufzusetzen.-In der Zeichnung ist ein.. Ausführungsbeispiel des.°Gegenstandes
-der Erfindung schematisch dargestellt. Abb. i: zeigt ,eine An_ord= nung-mit:einem
Wechselstromerzegg#er und einem Zwischentränsf@rmator- sqwiE_-.einenz über cine_Gleichriehteranor,dnüng
an.den-Zwi7 schentransformator angeschlossenen Gleich-- strominstrument. Der Transformator
ist so ausgebildet, daß seine Sekundärwicklung eine Wechseispannung abgibt, deren
Mittelwert der Frequenz der Dynamo linear proportional - ist. Abb. 2 bis 5 zeigen
Kurven zur Erläuterung der Wirkungsweise. Mit io ist der Wechselstromerzeuger bezeichnet,
dessen feststehender Anker 12 die Ankerwicklungen ii trägt. An dem Magnetgestell
i2 sind vorspringende Pole 13, 14, 15 und 16 vorgesehen. Mit 17 ist der sich drehende
permanente Magnet mit den Polen i8, i9, 2o und 2i bezeichnet. Die Polarität der
Pole soll z. B. derart sein, daß 18 und 2o Nordpole, i9 und 21 Südpole sind. Der
Magnet 17 ist in geeigneter Weise mit dem Flugzeugmotor, dessen Geschwindigkeit
gemessen werden soll, gekuppelt und wird infolgedessen von dem Flugzeugmotor in
Bewegung gesetzt. Das Gestell i2 ünd@die Polstücke 13, 14, 15 und 16 sind so dimensioniert,
daß säe nicht gesättigt sind. Die Endender Wicklung ii sind mit der Primärwicklung
2ä _des Transformators 23 verbunden. Der-Kern dieses Transformators ist aus lamellierten
Blechen zusammengesetzt. Die Schenkel 24, 25 und 26 haben dabei genügend großen
Querschnitt, um- im wesentlichen gleichförmige Permeabilität innerhalb des gesamten
anzuzeigenden Geschwindigkeitsbereiches zu erhalten. Der Schenke125 steht senkrecht
auf den Schenkeln 24 und 26. Die Schenkel 27 und- 28 -sind mit den Schenkeln 24
und 26 verbunden und stehen vorzugsweise senkrecht auf diesen. Der Querschnitt der
Teile 27 und 28 ist so gewählt, daß sie, innerhalb des anzuzeigenden Geschwindigkeitsbereiches
gesättigt. sind. ' Die Teile 27 und 28 werden durch einen Schenkel 29 verbunden,
dessen Lae- etwa senkrecht zu dem 25 ist.- - Der Teil 29 kann -,entweder mit den
Teilen 27_-und 28 aus einem Stück bestehen _ oder, wie dies in der Zeichnung angedeutet
ist, --aus einem besonderen Teil;. -das zwischqn-die Teile 27 und 28 eingefügt wird,
wol@ei .die tamellierungeri des Teiles 29 in geeigneter Weise die Lamellierungen
der Teile 27 und 28 übergreifen. Auf diese Weise wird es möglah;- ie-genäüe Lage_des
Teiles 29 einzustellen. Der Teil 29 ist ebenso wie die Teile 24, 25 und 26-Von genügend
großem Querschnitt,--um innerhalb des Anzeigebereiches nitzht gesättigt- zu werden.
Zweckmäßig werden noch .die- Teile 3o und 31 -aus magnetischem- Mate_ rial
vorgesehen und in der in der Zeichnung dargestellten Lage durch nicht--,
magnetäsches
Material gehalten. Der Schenkel-:?9 trägt Sekundärwicklung 32, =welche mit
der Vollweggleichrichterschältung 33 verb»n4en ist. -,Die. Gle_ ichrichterahördnung
-besteht -dabei,i au s_vier, Iu$fer@Xydventilex@,_ die
in
die Brückenzweige 34, 35, 36 und 37 in geeigneter Weise eingeschaltet sind. In die
Zuleitung zwischen der Sekundärwicklung 32 und der Gleichrichteranordnung 33 ist
noch ein großer Widerstand 38 eingeschaltet, der temperaturunabhängig ist oder einen
schwach negativen Temperaturkoeffizienten besitzt. Das Milliamperemeter 39 ist an
die Brückenschaltung 33 so angeschlossen; ,daß es von den gleichgerichteten Strömen
durchflossen wird. Parallel zu dem Instrument 39 liegt ein Widerstand 40, der temperaturunabhängig
ist oder auch einen schwach negativen Temperaturkoeffizienten besitzt.
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Die Wirkungsweise der Anordnung soll zunächst unter der Annahme beschrieben
werden, daß der-Schenkel 29 senkrecht auf dem Schenkel 25 steht und daß die Teile
30 und 31
nicht vorhanden sind. Der Generator io sei dabei von der
Maschine, deren Geschwindigkeit gemessen werden soll, direkt angetrieben, und zwar
möge der anzuzeigende- Geschwindigkeitsbereich zwischen 5oo 'und i5oo Umdrehungen
pro Minute liegen. Die von dem Generator io abgegebene Spannung soll bei
500 Umdrehungen pro Minute z. B. die in der Abb.2 dargeste11ten Werte besitzen.
Der Strom in der Wicklung 22 hat einen Magnetfluß im Transformator 23 zur Folge.
In dem Transformatör 23 sind zwei verschiedene Kraftflüsse vorhanden, von denen
der eine einen verhältnismäßig hohen, der andere einen verhältnismäßig niedrigen
Widerstand vorfindet. Der Pfad mit verhältnismäßig niedrigem Widerstand führt über
die Schenkel 25, 24, 27, 29, 28, z6 und ist durch die Flußlinie 41 dargestellt.
Der Pfad mit. hohem magnetischem Widerstand ist durch die Linie42 und 43 angedeutet.
Die Flußrichtung während einer Halbperiode ist durcliPfeile angedeutet. Der Höchstwert
des über den Pfad 4i verlaufenden Flusses wird durch die Sättigung der Teile z7
und 28 bestimmt, und infolgedessen ist der Restfluß gezwungen, sich über die Pfade
42 und 43 zu schließen. Die Flüsse 42 und 43 verlaufen senkrecht zu dem,die Sekundärwicklung
32 tragenden Schenkel 29, so daß sie eine Sekundärspannung in der.Wicklung 32 nicht
zur Folge haben. Die Spannung in der Wicklung 32 rührt ausschließlich von dem Fluß
41 her. Dieser Fluß ist durch die in Abb. 3 dargestellte Kurve veranschaulicht.
Aus dieser Kurve ist ersichtlich, daßzwischen den Punkten F und H infolge der Sättigung
der Teile 27 und 28 der Fluß im wesentlichen konstant ist. In der Wicklung 32 wird
eine Spannung induziert, und während einer Halbperiode fließt der Strom von der
Wicklung 32 über den Brückenzweig 34, das Instrument 39, den Brückenzweig 36, wie
dies durch Pfeile angedeutet ist, während.bei der folgenden Halbwelle der Strom
über die Brückenzweige 35 und 37 verläuft,wobei das Instrument- wieder im gleichen
Sinne durchflossen wird. Da . das Instrument 39 den Schwankungen in den Stromwerten
nicht folgen kann, nimmt der Zeiger eine, Wert an, der dem mittleren Stromfluß entspricht
und z. B. als der Wert- Soo Umdrehungen pro Minute bezeichnet werden kann. -Wenn
die Maschinendrehzahl auf iooo Umdrehungen pro Minute steigt, wird in der Wicklung
i i eine Spannung erzeugt, deren Größe und Frequenz die doppelten Werte besitzt
als bei 5oo Umdrehungen. Der Widerstand der Wicklung i i und der Wicklung 22 wird
aber bei- iooo Umdrehungen pro Minute ungefähr die doppelten Werte besitzen als
bei 500 Umdrehungen, weil ihr Ohmscher Widerstand verhältnismäßig klein ist
im Vergleich zu ihrem induktiven Widerstand. Der Strom in der Wicklung 22 und der
Fluß über den Pfad 41 werden also bei iooo Umdrehungen pro Minute annähernd dieselben.
Werte haben wie bei. Soo Umdrehungen. Wenn keinerlei Anderungen in den Konstanten
des Magnetkreises eintreten, wird :der -Maximalwert des Flusses über 'den Pfad 4i
konstant und unabhängig von der Geschwindigkeit sein, solange die Ohmschen - Widerstände
der Wicklungen i i bzw. 22 verhältnismäßig klein im Vergleich zu den induktiven
Widerständen sind. Der mittlere Strom, der durch das Instrument 39 fließt, und infolgedessen
die Anzeige des Instrumentes 39 ist proportional der mittleren in der Wicklung 32
induzierten Spannung. Diese mittlere Spannung ist -4 f N max -O' io -s, wobei
f die Frequenz des die Wicklung 32 durchsetzenden Flusses, N die Anzahl der Windungen
der Wicklung 32 und max .r den Höchstwert des Flusses darstellt. Da infolge der
gesättigten Teile auch bei großen Änderungen der erregenden Spannung max -PI im
wesentlichen konstant bleibt, ist die Anzeige des Instrumentes 39 nur von der Frequenz
des Wechselstromerzeugers io abhängig. Aus Abb. 5 erkennt man, daß auch bei einer
Spannung (Abb. 4), die den doppelten Höchstwert besitzt wie die Spannung der Abb.2,
der Maximalwert des Flusses, der durch den Punkt G' in Abb. 5 dargestellt ist, kaum
größer ist als der Höchstwert G der Flußkurve der Abb. 3. Dies wird besonders dadurch
-erreicht, daß die Lamellen des Transformators 23 aus einem Material mit hoher Permeabilität
und einem scharfen Knie in der Nähe des Sättigungspunktes Verwendung findet. Bei
einer solchen Ausführung ist die mittlere in der Wicklung 32 induzierte Spannung
dem Werte von f proportional, und infolgedessen ergibt sich bei iooo Umdrehungen
pro Minute eine Spannung in der Wick-
Jung 32, die den doppelten
Betrag besitzt als bei 500 Umdrehungen pro Minute. Infolgedessen wird auch
der Strom, der durch .das Instrument 39 fließt, und infolgedessen der Ausschlag
bei iooo Umdrehungen den doppelten Betrag wies Ausschlages bei 5oo Umdrehungen besitzen.
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Die in Luftfahrzeugen eingebauten Einrichtungen sind im allgemeinen
großen Temperaturschwankungen unterworfen. Da die Sekundärwicklung 32 und die Wicklung
des Instrumentes 39 gewöhnlich aus Kupfer hergestellt sind, wird ihr Widerstand
mit Abnahme der Temperatur abnehmen, während der Widerstand der. Kupferoxydgleichrichter
33 mit Abnehmen der Temperatur zunimmt. Die Veränderungen in dem Widerstand der
Gleichrichter sind größer als die Änderungen in den Wicklungen 32 und 39 zusammen.
Infolgedessen würde das Instrument 39, wenn entsprechende Kompensationsmaßnahmen
nicht vorgesehen werden, bei steigender Temperatur zuviel anzeigen. Um diese Fehler
zu beseitigen, ist in an sich bekannter Weise ein Widerstand 38 vorgesehen, der
temperaturunabhängig ist oder einen schwach negativen Temperaturkoeffizienten besitzt,
wobei der Widerstandswert des Widerstandes 38 wesentlich größer ist als der Widerstand
von 32, 33 und 39 zusammen. Dadurch kann der prozentuale Einfluß der Widerstandsänderungen
herabgesetzt werden. Zu dem Instrument 39 kann noch ein Widerstand 40 parallel geschaltet
werden, der ebenfalls temperaturunabhängig ist oder einen schwach negativen Temperaturkoeffizienten
besitzt, so daß mit abnehmender Temperatur ein verhältnismäßig größerer Teil des
gleichgerichteten Stromes durch das Instrument 39 fließt. Durch geeignete Bemessung
.der Widerstände 3$ und qo kann erreicht werden, daß das Instrument 39 vollkommen
unabhängig von Temperatureinflüssen wird. Durch die Sättigung des Zwischentransformators
ist dabei bereits erreicht, daß Änderungen. der Temperatur der Wicklungen i i und
21 ohne Einfluß auf die Anzeige sind.
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Die beschriebene Einrichtung gibt besonders gute Resultate, wenn der
permanente Magnet 17 aus Kobaltstahl hergestellt wird.
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Aus dem Vorstehenden geht bereits hervor, daß noch eine geringe Spannungsabhängigkeit
vorhanden ist, da die Punkte G` und G der Kurven T und I' (Abb. 3
und 5) nicht genau übereinstimmen. Diese geringe Spannungsabhängigkeit kann noch
weiterhin dadurch beseitigt werden, daß entweder die Teile 30 und 31 in Abb.
i angeordnet werden oder daß eine geringe Verdrehung des Schenkels 29 vorgenommen
wird. Auf diese Weise wird nämlich erreicht, daß ein Teil des Streuflusses die Sekundärwicklung
32 durchsetzt und dabei eine entsprechende Spannungskompensation vornimmt. Durch
den eingetragenen Pfeil erkennt man"daß der über die Teile 31, 29 und
30 verlaufende Fluß 44 innerhalb der Wicklung 32 dem Fluß 41 entgegengesetzt
gerichtet ist.