DE926885C

DE926885C - Device for mapping a speed as a frequency of a voltage or a current

Info

Publication number: DE926885C
Application number: DES35255A
Authority: DE
Inventors: Clemens Dipl-Ing Probst
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1953-09-17
Filing date: 1953-09-17
Publication date: 1955-04-25

Description

Einrichtung zum Abbilden einelr Drehzahl als Frequenz einer Spannung oder eines Stromes Das Hauptpatent betrifft eine Einrichtung zum Abbilden einer Drehzahl als Frequenz einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes, die dadurch gekennzeichnet ist, daß einem Magnetfeld ein von dessen Feldstärke abhängiger ohmscher Halbleiterwiderstand, insbesondere aus Indiumantimonid, zugeordnet ist, der relativ zum Magnetfeld mit der abzubilden den Drehzahl umläuft. Dabei ist an den Widerstand eine Stromquelle mit fester Spannung angeschlossen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Einrichtung nach dem Hauptpatent wird als Magnet ein Dauermagnet verwen!det. Dieser wird außerdem vorteillhaft mit der Einrichtung gekuppelt, deren Drehzahl zu messen ist, so daß also der Dauermagnet umläuft, während der magnetfeldartige Wider stand ortsfest angeordnet ist.Device for mapping a speed as the frequency of a voltage or a stream The main patent relates to a device for mapping a speed as the frequency of an electrical voltage or an electrical current, which thereby is characterized in that a magnetic field is dependent on its field strength ohmic Semiconductor resistance, in particular made of indium antimonide, is assigned to the relative to the magnetic field with which the speed rotates to be mapped. This is about the resistance a fixed voltage power source is connected. In a preferred embodiment According to the device according to the main patent, a permanent magnet is used as the magnet. This is also advantageously coupled to the device, its speed is to be measured, so that the permanent magnet rotates while the magnetic field-like Resistance is fixed in place.

Während die Ausführungsbeispiele des. Hauptpatentes auf der Abhängigkeit des ohmschen Leitwertes des magnetfeldabhängigen Widerstandes zum Abbilden der Drehzahl beruhen, wird nach der vorliegenden Erfindung die an sich bei Halibleiltierwiderständen bekannte Hallspannung verwendet. While the embodiments of the main patent on the dependency the ohmic conductance of the magnetic field-dependent resistance for mapping the speed are based, according to the present invention, the per se with halide filter resistors known Hall voltage used.

Die Hallspannung ist eine Spannung, die an zwei normalerweise (d. h. wenn kein Magnetfeld B vorhanden ist und nur ein Strom J durch den Widerstand fließt) spannungslosen Punkten auf der Oberfläche des Widerstandes abgegriffen wird. An diesen Punkten ergibt sich eine Hallspannung UH # B # J.Hall voltage is a voltage applied across two normally (i.e. H. when there is no magnetic field B and only a current J through the resistor flows) voltage-free points on the surface of the resistor is tapped. At these points there is a Hall voltage UH # B # J.

Zur näheren Erläuterung sei im folgenden auf die Zeichnung Bezug genommen. For a more detailed explanation, reference is made below to the drawing taken.

Fig. 1 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel der Einrichtung nach der Erfindung in schematischer Darstellung, Fig. 2 und 3 je ein Anwendungsbeispiel. Fig. 1 shows a possible embodiment of the device according to the invention in a schematic representation, Fig. 2 and 3 each an application example.

In Fig. 1 ist ein mit N, S bezeichneter Dauermagnet dargesteit, der zwei Polschuhe 1 und 2 aufweist und über eine Welle 3 mit der abzubildenden Drehzahl n angetrieben wird. Zwischen den Polschuhen 1 und 2 befindet sich ein magnetfeldabhängiger Widerstand 4 aus einer halbleitenden Verbindung der Form AIIIBV, d. h. aus einem Element A der III. Gruppe und ans einem Element B der V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemeute, z. B. aus Indiumantimonid, an dessen Strome,lektroden 5 und 6 eine Gleichspannungsquelle 7 angeschlossen ist. Der Wdider,stand 4 hat außerdem zwei weitere Elektroden 8 und 9 zur Abnahme der HaUspannung UH. Die Ausnutzung der Hallspannung ergibt den Vorteil, daß die Drehzahl als reine Wechselspannung und ohne ein besonders im oder am Stromkreis des Widerstandes 4 vorzustehendes Mittel gewonnen werden kann, während bei der Ausnutzung des ohmschen Leitwertes des Widerstandes, wie s'ie im Hauptpatent bes'chneben ist, die drehzahltverhäl.tige Spannung unmittelbar stets nur als Wechselspannung mit Gleichspannungsanteil oder entsprechend als Strom zur Verfügung steht. Da die Hallspannung verhältnismäßig klein ist, wird man sie in der Regel verstärken Hierzu eignen sich vor allem Elektronenröhrenverstärker oder andere Verstärker mit hohem Eingangswiderstand. In Fig. 1, a designated by N, S permanent magnet is shown, the has two pole shoes 1 and 2 and a shaft 3 with the speed to be mapped n is driven. Between the pole pieces 1 and 2 there is a magnetic field dependent Resistor 4 from a semiconducting compound of the form AIIIBV, d. H. from a Element A of III. Group and an element B of the fifth group of the periodic Systems of the Elemeute, e.g. B. from indium antimonide, on the stream, electrodes 5 and 6 a DC voltage source 7 is connected. The wdider that stood 4 also has two further electrodes 8 and 9 to decrease the main voltage UH. Taking advantage of the Hall voltage has the advantage that the speed as pure alternating voltage and without a particularly projecting means in or on the circuit of the resistor 4 can be obtained, while when utilizing the ohmic conductance of the resistor, As described in the main patent, the voltage-related voltage is immediate always only as alternating voltage with direct voltage component or correspondingly as current is available. Since the Hall voltage is relatively small, you will usually amplify Electron tube amplifiers are particularly suitable for this purpose or other amplifiers with high input resistance.

Nach der weiteren Erfindung kann eine rechteckförmige Hallspannung erzeugt werden, indem Magnetfeld und Widerstand in geeigneter Weise, beispielsweise wie folgt, ausgebildet und angeordnet wierdenl. Hierzu kann das Magnetfeld, in dem der Wildelr.s,band relativ umläuft, derart bemessen werden, daß es auf zwei je 90° einnehmenden gegenüberliegenden Sektoren konstante Feldstärken von en.tgegengesetlter Richtung aufweist. Innerhalb eines Sektors wird man dar'auf achten', daß die Feldstärke an jeder Stelle gleich groß ist Vorteilhaft wird der magne'tfeidabhängi Widerstand im Luftspalt eines Dauermagnets angeordnet. Dazu kann ein Dauermagnet mit Rückschlußteil verwendet werden, wie er als Beispiel bereits im Hauptpatent beschrieben wurde. According to the further invention, a square-wave Hall voltage can be generated by applying magnetic field and resistance in a suitable manner, for example as follows, designed and arranged wierdenl. For this purpose, the magnetic field in which the wild elr occupying opposite sectors constant field strengths of en.tgegengesetlter Has direction. Within a sector one will 'pay attention' to the fact that the field strength is the same at every point The magnetic field-dependent resistance is advantageous arranged in the air gap of a permanent magnet. A permanent magnet with a return path part can be used for this purpose can be used, as already described as an example in the main patent.

In Fig. 2 ist ein schematisiertes Anwendungsbeispiel für die Einrichtung nach der Erfindung dargestellt, bei dem mit Vorteil eine rechteckförmige Hallspannung benutzt wird. Dem Anwendungeheispiel liegt die Aufgabe zugrunde, das Drehmoment einer Kraftmaschine II in messen, d'as diese an eine Arbeitsmaschine 12, beispielsweise an einen Drehstromgenerator, überträgt. Da das Drehmoment r abgegebenen Leistung der Kraftmaschine 11 verhältig ist, stellt das Drehmoment zugleich ein Maß für die Leistung dar. Die Messung beruht auf der mechanischen Torsion an der Welle 13, die die Kraftmaschine mit der Arbeitsmaschine kuppelt. Auf zwei gegenei'nander tors'ierten Stellen der Welle, hier auf den freien Wellenenden, ist mit Hilfe von Kupplungen. 14 und 15 je eine Tachometereinrichtung nach der Erfindung angebracht. Zur Speisung der beispielsweise in Reihe geschalteten magnetfeldabhängigen Widerstände 16 und 17 dient eine gemeinsame Stromquelle 18. Die H.allspannungsanschlüsse der Widerstände 16 und 17 sind, wie im Prinzip angedeutet ist, z. B. nach getrennter Verstärkung der beiden Hallspannungen in Verstärkern 20 über ein Meßinstrument 19 ebenfalls miteinander verbunden. Im nicht torsierten Zustand der Weile 13 ergibt sich wenn die TaGhometer in derselben Winkelstellung auf den Wellenenden angebracht sind, keime Spannung im Meßgerät 19, da sich die beim Umlauf der Welle 13 mit irgendeiner Drehzahl erzeugten gleich großen Hallspannungen gegeneinander aufheben. biegt jedoch irgendeine Torsion vor, so treffen die beiden Hallspannungen nicht mehr zeitlich gieichzei'tig aufeinander, und es ergibt sich am Meßinstrument eine Spannung, die ein Maß für die Torsion und damit für Leistung oder Drehmoment darstellt Sind nun Tachometer mit rechteckförmigen Spannungskurven verwendet, so ergeben sich rechteckige positive und negative Spannungslächen von doppelter Hübe. Die Breite der Flächen stellt dann ein lineares Maß für das Drehmoment oder die Leistung dar. In Fig. 2 is a schematic application example for the device shown according to the invention, in which a square-wave Hall voltage with advantage is used. The application example is based on the task of the torque a prime mover II in, d'as this to a work machine 12, for example to a three-phase generator. As the torque r output power the engine 11 is behaving, the torque is also a measure of the Performance. The measurement is based on the mechanical torsion on the shaft 13, the the prime mover couples with the work machine. On two torso against each other The shaft, here on the free shaft ends, is made with the help of couplings. 14 and 15 each attached a tachometer device according to the invention. For feeding the for example series-connected magnetic field-dependent resistors 16 and 17 serves a common power source 18. The all-voltage connections of the resistors 16 and 17 are, as indicated in principle, z. B. after separate reinforcement of the two Hall voltages in amplifiers 20 via a measuring instrument 19 as well connected with each other. In the non-torsed state of the while 13 arises if the TaGhometers are attached to the shaft ends in the same angular position, germ voltage in the measuring device 19, since the rotation of the shaft 13 with any Reverse speed generated equal Hall voltages against each other. bends however If there is any torsion, the two Hall voltages no longer meet in time Simultaneously to each other, and there is a tension on the measuring instrument that represents a measure for the torsion and thus for power or torque are now Tachometers with rectangular voltage curves are used, rectangular ones result positive and negative stress areas of double strokes. The width of the faces then represents a linear measure for the torque or the power.

In Fig. 3 ist ein weiteres gegenüber bekannten Meßanordnungen für den gleichen Zweck besonders einfaches und vorteilhaftes Anwendungsbeispiel für die Einrichtung nach der Erfindung da'rgesteltlt. In Fig. 3 is another compared to known measuring arrangements for the same purpose particularly simple and advantageous application example for the device according to the invention da'rgesteltlt.

Es liegt hier die Aufgabe zugrunde, den im Schrifttum zumeist mit # bezeichneten Polradwinkel einer Synchronmaschine 21 zu messen. Der Polradwinkel ist der Winkel, um den das Polrad einer Synchronmaschine gegen den Spannungsvektor des von ihr erzeugten elektromagnetischen Drehfeldes versetzt ist. Er stellt eine wichtige Kenngrüße für den Betriebszustand der Maschine dar. Mit Hilfe der Einrichtung nach der Erfindung kann der Polradwinkel auf besonders einfache Weise gemessen werden, indem die Einrichtung mechanisch mit dem Polrad der Synchronmaschine 21 gekuppelt und der magnetfeldabhängige Widerstand 22 mit einem der Ausgangsspannung der Maschine verhältigen Strom betrieben wird. Die an den Klemmen 2.3 und 24 entnehmbare Hallspannung stellt dann ein Maß für den Polradwinkel # dar. Mit Hilfe eines Widerstandes 25 wird der vom Stromeinfluß durch den Widerstand 22 herrührende Produktfaktor J vorteilhaft so bemessen, daß er gleich dem Einfluß des anderen für die Größe der Hallspannung maßgeblichen Produktfaktors B ist, der die Stärke des auf den -Widerstand einwirkenden Magnetfeldes wiedergibt. Zweckmäßig wird der umlaufendeMagnetN, s. derart mit der Welle der Synchronmaschine 21 gekuppelt, daß bei einem Polradwinkel i gleich Null die beiden Produktfaktoren gleich. groß und um 90° phasenverschoben sind. In diesem Fall- ergibt sich eine Hallwechselspannung mit dem Gleichstrommittelwert Null. Liegt jedoch ein bestimmter Polradwinkel vor, so ergibt sich ein diesem entsprechender Mittelwert, der bei # gleich 90° einen Maximalwert hat.It is based here on the task, which is mostly included in the literature # to measure the pole wheel angle of a synchronous machine 21. The rotor angle is the angle by which the pole wheel of a synchronous machine compared to the voltage vector of the electromagnetic rotating field generated by it is offset. He provides one are important parameters for the operating state of the machine. With the help of the device According to the invention, the pole wheel angle can be measured in a particularly simple manner, in that the device is mechanically coupled to the pole wheel of the synchronous machine 21 and the magnetic field-dependent resistor 22 with one of the output voltage of the machine moderate electricity is operated. The Hall voltage that can be taken from terminals 2.3 and 24 then represents a measure for the rotor angle #. With the aid of a resistor 25 the product factor J resulting from the influence of the current through the resistor 22 becomes advantageous so dimensioned that it is equal to the influence of the other for the size of the Hall voltage The decisive product factor B is the strength of the acting on the resistance Reproduces the magnetic field. The revolving magnet N, see in this way with the The shaft of the synchronous machine 21 is coupled that at a rotor angle i equal to zero the two product factors are the same. are large and 90 ° out of phase. In this Case results in an AC Hall voltage with a DC mean value of zero. Lies however, if a certain pole wheel angle is present, a corresponding one results Mean value, which has a maximum value when # is 90 °.

Ähnlich wie der Polradwinkel # lassen sich auch andere Versetzungswinkel zwischen der Phasenlage einer Wechselspannung und einer mitt gleicher Drehzahl umlaufenden mechanischen Welle messen. Similar to the pole wheel angle #, other offset angles can also be used between the phase position of an alternating voltage and one rotating at the same speed measure mechanical shaft.

Claims

The schematic embodiment and applications described above are only to be regarded as an example. In addition, when setting up according to the Invention also the training measures described in the main patent with the same advantages can be used. As a semiconducting compound of the form AIIIBV For example, indium arsenide can also be used.

PATENT CLAIMS: 1. Device for mapping a speed as a frequency a voltage or a current according to patent 923 578, in which a Magneltfeld a resistance from a semiconducting compound that depends on its field strength, in particular of the form AIIIBV, e.g. B. from indium antimonide, assigned to the relative rotates to the magnetic field at the speed to be mapped, characterized in that the Hall voltage occurring at the resistor is used to map the speed is.

2. Device according to claim 1, preferably with a stationarily arranged Resistance and rotating permanent magnet, characterized by such an arrangement the resistance to the magnetic field, that this increases the resistance during one revolution interspersed successively in a positive and a negative direction.

3. Device according to claim I or 2, characterized in that a tube amplifier or other amplifier to increase the neck tension is provided with a high-resistance input.

4. Device according to claim I to 3, characterized by a such design and arrangement of magnetic field and resistance that the Hall voltage runs rectangular.

5. Use of two devices according to one of claims 1 to 4 for torque or power measurement on mechanical shafts due to the incoming Shaft torsion by using the shaft two devices according to one of the preceding Claims are coupled and those tapped at the resistors, preferably rectangular Hall voltages act on a common measuring instrument, preferably in such a way that, if the while is not twisted, the two tensions fiddle with one another lift.

6. Use of the device according to claim 5, characterized in that that the magnetic field-dependent resistances of the two devices of a common one Power source, preferably in series, are fed.

7. Use of the device according to one of claims 1 to 4 for Measurement of the angle between an electromagnetic rotating field and one with the same or a corresponding speed of rotating mechanical shaft, in particular of the rotor a synchronous machine for the purpose of measuring the rotor angle by placing the rotating part the device is coupled to the shaft or the Z rotor and the resistance is fed by an alternating voltage, the frequency of which is equal to that of the speed caused influences of the magnetic field-dependent resistance, and where the product factors (B and J) generating the Hall voltage are advantageously dimensioned in this way are that they are the same size at an offset angle of zero and phase shifted by 90 ° are.