DE1178513B

DE1178513B - Method and device for measuring commutation currents

Info

Publication number: DE1178513B
Application number: DES71541A
Authority: DE
Inventors: Dr Rudolf Weppler
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1960-12-06
Filing date: 1960-12-06
Publication date: 1964-09-24

Description

Verfahren und Einrichtung zur Messung von Kommutierungsst;römen Es ist bereits ein Verfahren zur Ermittlung der im umlaufenden Anker fließenden Kommutierungsströme elektrischer Maschinen während des Betriebes vol geschlagen worden. Dieses Verfahren beruht darauf, daß die im umlaufenden Teil der Maschine erzeugten, den zu messenden Strömen entsprechenden Magnetfelder von einer fest anzubringenden magnetfeldempfindlichen Meßeinrichtung erfaßt werden, in der eine Umsetzung von magnetischen in auswertbare elektrische Größen erfolgt, welche schließlich ein Maß für die Meßgröße darstellen.Method and device for measuring commutation currents Es is already a method for determining the commutation currents flowing in the rotating armature electrical machines have been completely beaten during operation. This method is based on the fact that those generated in the rotating part of the machine are the ones to be measured Stream corresponding magnetic fields from a permanently attached magnetic field sensitive Measuring device can be detected, in which a conversion from magnetic to evaluable electrical quantities takes place, which ultimately represent a measure of the measured quantity.

Weiterhin ist eine Meßeinrichtung vorgeschlagen worden, bei der ein im Gegensatz zu dem mit dem Läufer umlaufenden Joch feststehendes Magnetsystem zwei Schenkel aufweist, zwischen denen ein Luftspalt zur Aufnahme eines magnetfeldempfindlichen Widerstandes oder Hallspannungserzeugers vorgesehen ist. Diese Teile sind an einer entsprechenden Stelle am Ständer zu befestigen. Furthermore, a measuring device has been proposed in which a In contrast to the yoke rotating with the rotor, there are two fixed magnet systems Has legs, between which an air gap for receiving a magnetic field sensitive Resistance or Hall voltage generator is provided. These parts are on one to be attached to the corresponding point on the stand.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Messung von Kommutierungsströmen weitgehend unabhängig von äußeren Fremdfeldern zu gestalten, die bei Gleichstrommaschinen im allgemeinen kaum zu vermeiden sind. So ist vor allem mit einem starken Einfluß des Feldes der Hauptpole oder derWendepole auf die Meßeinrichtung zu rechnen. Um diese Nachteile zu vermeiden, besteht die Erfindung darin, die Messung unter Summenbildung der Spannungen oder Ströme von mindestens zwei Meßorganen vorzunehmen und diese der weiteren Meßauswertung zugrunde zu legen. Als Meßorgane kommen vornehmlich Hallspannungserzeuger, magnetfeldempfindliche Widerstandsanordnungen usw. in Betracht. The present invention is based on the object of the measurement to make commutation currents largely independent of external external fields, which in general can hardly be avoided in DC machines. It is like that above all with a strong influence of the field of the main poles or the reversing poles on the measuring device to be expected. In order to avoid these disadvantages, the invention consists in the measurement by adding up the voltages or currents of at least two measuring elements and to use this as a basis for further measurement evaluation. As measuring organs come mainly Hall voltage generator, magnetic field-sensitive resistor arrangements, etc. into consideration.

Die Meßeinrichtung nach der Erfindung kann mit Vorteil so gestaltet werden, daß die Meßsonde im Ständer als einschenkeliges Magnetsystem mit zwei im Luftspalt angeordneten Hallspannungserzeugern oder zwei anderen magnetfeldempfindlichen Widerstandsanordnungen ausgebildet ist. Unter diesen Umständen kann sich der Fremdfeldeinfluß nicht mehr störend auf die Messung auswirken, da jetzt nur die Summe der magnetischen Spannungen der einzelnen Luftspalte des magnetischen Kreises der eingeschlossenen Durchflutung in aller Strenge proportional ist. The measuring device according to the invention can be designed with advantage be that the measuring probe in the stand as a single-leg magnet system with two im Hall voltage generators arranged in an air gap or two other magnetic field sensitive Resistance arrangements is formed. Under these circumstances, the external field influence no longer have a disruptive effect on the measurement, since now only the sum of the magnetic Tensions of the individual air gaps of the magnetic circuit of the enclosed Flow rate is proportional in all rigor.

Auf Grund der Fremdfelder kann sich die Gesamtspannung in verschiedener Größe auf die einzelnen Luftspalte auch dann aufteilen, wenn die Luftspalte gleiche Querschnitte und gleiche Luftspaltlängen aufweisen. Nur die Summenmessung der Hallspannungen in sämtlichen Luftspalten der Meßanordnung liefert eindeutige, exakte Beziehungen für die zu messende Durchflutung.Due to the external fields, the total voltage can vary in different Allocate the size to the individual air gaps even if the air gaps are the same Have cross-sections and the same air gap lengths. Only the sum measurement of the Hall voltages in all air gaps of the measuring arrangement provides unambiguous, exact relationships for the flow rate to be measured.

Da man in den meisten Fällen mit zwei Luftspalten auskommt, genügt die Summenbildung der Hallspannungen zweier Hallspannungserzeuger oder die elektrischen Meßgrößen zweier magnetfeldempfindlicher Widerstandsanordnungen. Darüber hinaus ist es naturgemäß auch möglich, zusätzlich zu zwei Luftspalten noch deren mehr vorzusehen und dementsprechend mit einer größeren Anzahl von Hallspannungserzeugern oder magnetfeldempfindlichen Widerstandsanordnungen zu arbeiten. Since two air gaps are sufficient in most cases the summation of the Hall voltages of two Hall voltage generators or the electrical ones Measurements of two magnetic field sensitive resistor arrangements. Furthermore It is of course also possible to provide more air gaps in addition to two air gaps and accordingly with a larger number of Hall voltage generators or magnetic field-sensitive Resistance assemblies to work.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Figuren zeigen zwei Ausführungsbeispiele in ihren für die Erfindung wesentlichen Teilen in stark vereinfachter, zum Teil schematischer Darstellung. In Übereinstimmung mit der dem Hauptpatent zugehörenden Zeichnung sind für gleiche oder einander entsprechende Teile in sämtlichen Figuren gleiche Bezugszeichen gewählt worden. The invention is to be explained in more detail with reference to the drawing. The figures show two exemplary embodiments in their essentials for the invention Parts in a greatly simplified, partly schematic representation. In accordance with the drawing belonging to the main patent are for the same or corresponding Parts have been given the same reference numerals in all figures.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist mit 1 ein Ausschnitt aus dem Anker der zu untersuchenden Maschine bezeichnet. In den Ankernuten liegen die einzelnen Leiter 2, 3, 4, 5, 6 und 7. In the case of the one shown in FIG. 1 illustrated embodiment is 1 with a Designated section of the armature of the machine to be examined. In the anchor grooves are the individual conductors 2, 3, 4, 5, 6 and 7.

Im dargestellten Fall geht es darum, den Strom zu erfassen, der die Leiterschleife4 durchsetzt. Es wird dabei davon ausgegangen, daß eine zutreffende und einfache Beurteilung der Kommutierung von Gleichstrommaschinen durch Messung des Leiterstromes einer mit zwei Kommutatorlamellen verbundenen Spule in der Regel einer Schleifenwicklung ausreicht.In the case shown, the aim is to record the current that the Conductor loop4 interspersed. It is assumed that an applicable and easy assessment of the commutation of DC machines by measurement of the conductor current of a coil connected to two commutator segments as a rule one loop winding is sufficient.

Es wird nicht als notwendig angesehen, daß die Meßeinrichtung den gesamten zeitlichen Verlauf des Läuferstromes angibt, vielmehr interessiert nur der zeitliche Verlauf des Läuferstromes während der Kommutierungszeit. Im vorliegenden Fall ist es also vollauf ausreichend, nur dieses Zeitintervall zu betrachten. Weiterhin ist im vorliegenden Fall der Messung des Kommutierungsstromes eine vorherige Eichung der Meßeinrichtung nicht erforderlich. Nur der zeitliche Verlauf des Kommutierungsstromes ist von Bedeutung. Eine Eichung des sich ergebenden Oszillogramms ist außerdem insofern leicht möglich als der Leiterstrom während der Zeitdauer, wo keine Kommutierung vorliegt, leicht aus dem den Bürsten zugeführten Gesamtstrom ermittelt werden kann.It is not considered necessary that the measuring device the indicates the entire time course of the rotor current, rather it is only of interest the progression of the rotor current over time during the commutation time. In the present In this case, it is completely sufficient to only consider this time interval. Farther is in the present case Measurement of the commutation current prior calibration of the measuring device is not required. Just the course over time the commutation current is important. A calibration of the resulting oscillogram is also easily possible insofar as the conductor current during the period where there is no commutation, easily from the total current supplied to the brushes can be determined.

Für die Beurteilung und Dimensionierung der Meßeinrichtung ist die Kenntnis der Größe der zu messenden Durchflutung wichtig. Da sich der Läuferstrombelag bei großen und kleineren Maschinen nicht wesentlich unterscheidet, wird in der Regel die zu messende Durchflutung einer Spulenseite der Leiterschleife, gegeben durch Windungszahl mal Leiterstrom, in der Größenordnung von einigen hundert Ampere liegen. For the assessment and dimensioning of the measuring device is the Knowledge of the size of the flow rate to be measured is important. Since the rotor current coating in the case of large and small machines, there is usually no significant difference the flow rate to be measured on one side of the coil of the conductor loop, given by Number of turns times the conductor current, are in the order of magnitude of a few hundred amperes.

Das die Leiter 4 umschließende Joch 8 ist mit zwei Schenkeln 9 und 10 versehen. Der übrige Teil des Magnetsystems steht im Gegensatz zu dem mit dem Läufer umlaufenden Joch 8 fest und weist einen Schenkel 25 mit den Endstücken 11 und 12 auf, an deren Luftspaltflächen zwei Hallspannungserzeuger 14 und 24 in den Spalten 16 und 17 angebracht sind. The yoke 8 surrounding the conductor 4 has two legs 9 and 10 provided. The rest of the magnet system is in contrast to the one with the The rotor is fixed around the yoke 8 and has a leg 25 with the end pieces 11 and 12, at whose air gap surfaces two Hall voltage generators 14 and 24 in the Columns 16 and 17 are attached.

Dieser Teil muß an einer entsprechenden Stelle am Ständer befestigt werden.This part must be attached to the stand at an appropriate location will.

Der Steuerstrom der beiden in den Luftspalten 16 und 17 befindlichen Hallspannungserzeuger 14 und 24 wird in nicht dargestellter Weise von zwei galvanisch getrennten Steuerstromquellen geliefert. Die Hallspannungen werden dann in Reihe geschaltet. Die Hallspannung eines jeden Hallspannungserzeugers ist proportional der jeweiligen Luftspaltinduktion und diese der Luftspaltfeldstärke und der magnetischen Spannung im Luftspalt. Die Summe der beiden Hallspannungen ist proportional der Summe der magnetischen Spannungen der beiden Luftspaltstrecken (Eisenpermeabilität f H co angenommen), und diese ist nach dem Maxwellschen Durchflutungsgesetz GdG = ZHi'-lv = H111 + H212 $... 0N2 durch die zu messende Läuferdurchflutung Ov2 vorgegeben. The control current of the two located in the air gaps 16 and 17 Hall voltage generator 14 and 24 is galvanically in a manner not shown by two separate control power sources. The reverb voltages are then in series switched. The Hall voltage of each Hall voltage generator is proportional the respective air gap induction and this the air gap field strength and the magnetic Tension in the air gap. The sum of the two Hall voltages is proportional to the Sum of the magnetic tensions of the two air gap sections (iron permeability f H co assumed), and this is GdG according to Maxwell's Law of Flux = ZHi'-lv = H111 + H212 $ ... 0N2 specified by the rotor flow rate to be measured Ov2.

Bei Vorhandensein von Fremdfeldeinflüssen ist nur die Summe der magnetischen Spannungen der einzelnen Luftspalte des magnetischen Kreises der eingeschlossenen Durchflutung streng proportional, wobei sich die Gesamtspannung in verschiedener Größe auf die einzelnen Luftspalte auch dann aufteilen kann, wenn die Luftspalte gleiche Querschnitte und gleiche Luftspaltlängen aufweisen. Nur die Summenmessung der Hallspannungen in sämtlichen Luftspalten der Meßanordnung liefert eindeutige, exakte Beziehungen für die zu messende Durchflutung. In the presence of external field influences, only the sum of the magnetic Tensions of the individual air gaps of the magnetic circuit of the enclosed Flooding strictly proportional, with the total voltage in different The size of the individual air gaps can also be divided when the air gaps have the same cross-sections and the same air gap lengths. Only the total measurement of the Hall voltages in all air gaps of the measuring arrangement provides clear, exact relationships for the flow rate to be measured.

Bei jeder Umdrehung des Ankers wird dann kurzzeitig das Magnetfeld durch die feststehende Meßanordnung erfaßt. Die Zeitdauer muß größer sein als die Kommutierungszeit der betrachteten Spule. Dies läßt sich durch entsprechende Formgebung und Befestigung der Meßeinrichtung erreichen. With each revolution of the armature the magnetic field is then momentarily detected by the fixed measuring arrangement. The duration must be greater than that Commutation time of the coil under consideration. This can be done by appropriate shaping and achieve attachment of the measuring device.

Um eine Sättigung der Eisenteile der Meßeinrichtung auf Grund der Wirkung der Fremdfelder zu vermeiden, soll die Meßeinrichtung in möglichst großer Entfernung von den Hauptpolen angebracht werden. Soweit möglich, wird man die Meßanordnung am äußersten Ende der Wickelköpfe befestigen. To a saturation of the iron parts of the measuring device due to the To avoid the effect of the external fields, the measuring device should be as large as possible Distance from the main poles. As far as possible, one becomes the measuring arrangement attach to the extreme end of the winding heads.

Die Hallspann ungserzeuger messen den zeitlichen Verlauf der Läuferdurchflutung wenn sich der betrachtete Leiter des Läufers innerhalb der Grenzstellungen von F i g. 2 und 3 befindet. Hierbei ist durch die Pfeile 15 die Drehrichtung des Läufers versinnbildlicht, wobei F i g. 2 den Beginn und F i g. d das Ende der Messung bei jedem einzelnen Umlauf des Läufers veranschaulicht. The Hall voltage generators measure the flow of the rotor over time if the considered conductor of the runner is within the limit positions of F i g. 2 and 3 is located. Here, the arrows 15 indicate the direction of rotation of the rotor symbolized, where F i g. 2 the beginning and F i g. d the end of the measurement every single turn of the runner illustrated.

Da der zeitliche Verlauf des Läuferstromes nur während der Komm utierungszeit aufgenommen werden soll, muß die wirksame Schenkellänge s1 und s2 bestimmten Bedingungen genügen. Bezeichnet man mit Ts die Zeitdauer der Kommutierung einer Spule, mit n die Drehzahl des Läufers (Ulmin) und mit r den mittleren Radius der Schenkel 9 und 10 des Eisenjoches 8 - in der Regel ist mit hinreichender Genauigkeit r = 0,5 d, also gleich dem halben Durchmesser des Ankers zu setzen , so folgt für die erforderliche Schenkellänge s1 bzw. s2 unter Berücksichtigung eines Zuschlages von 10 bis 20 0/, zur Erfassung der Breite b der Schenkel der Eisenjoche 11 und 12: 2-n s1 = s2 = (1,1 bis 1,2) r zu -r-Ts. Since the time course of the rotor current only during the commutation time is to be included, the effective leg length s1 and s2 must meet certain conditions suffice. We denote with Ts the duration of the commutation of a coil, with n the speed of the rotor (Ulmin) and with r the mean radius of the legs 9 and 10 of the iron yoke 8 - as a rule, r = 0.5 d with sufficient accuracy, so to set equal to half the diameter of the anchor, it follows for the required Leg length s1 or s2 taking into account a surcharge of 10 to 20 0 /, to determine the width b of the legs of the iron yokes 11 and 12: 2-n s1 = s2 = (1.1 to 1.2) r to -r-Ts.

60 Die Kurzschlußzeit TS ergibt sich aus der Bürstenbreite bsÜ und dem Kommutatordurchmesser dK zu bsü Ts = 2 7 n . 0 5 dK 60 Die feststehende Meßsonde 25 mit den Endstücken 11 und 12 muß so am Ständerumfang befestigt werden, daß das eigentlich interessierende Zeitintervall, innerhalb dessen die Kommutierung des Stromes der Leiterschleife erfolgt, auch tatsächlich gemessen wird. In der Regel wird die Meßeinrichtung in der Verlängerung der Wendepole am Ständer anzubringen sein. 60 The short circuit time TS results from the brush width bsÜ and the commutator diameter dK to bsü Ts = 2 7 n. 0 5 dK 60 The fixed measuring probe 25 with the end pieces 11 and 12 must be attached to the stand circumference so that the actually interesting time interval within which the commutation of the Current of the conductor loop takes place, is actually measured. Usually will attach the measuring device in the extension of the reversing pole on the stand be.

Um möglichst große Hallspannungen zu erreichen, ist es von Vorteil, die Luftspaltlängen 17 und 16 möglichst klein zu wählen. Dabei ist aber im allgemeinen kaum notwendig, den Luftspalt kleiner als 1 bis 3 mm zu machen. In order to achieve the highest possible reverb voltages, it is advantageous to to choose the air gap lengths 17 and 16 as small as possible. But in general hardly necessary to make the air gap smaller than 1 to 3 mm.

Um zu vermeiden, daß Wirbelströme in den Eisenteilen des Meßjoches das Meßergebnis beeinträchtigen könnten, wird mit Vorteil für die Jochteile eine Eisenlamellierung analog zur Lamellierung des Läufers vorgesehen, wobei die Blechebenen senkrecht zur Richtung der Läuferwelle stehen. Bei hochtourigen Maschinen mit sehr kleinen Kommutierungszeiten können für den magnetischen Kreis hochwertige magnetische Materialien, gegebenenfalls Ferrit, verwendet werden. To avoid eddy currents in the iron parts of the measuring yoke could affect the measurement result is an advantage for the yoke parts Iron lamination is provided analogously to the lamination of the rotor, with the sheet metal levels are perpendicular to the direction of the rotor shaft. With high-speed machines with very short commutation times can make high quality magnetic for the magnetic circuit Materials, optionally ferrite, are used.

In den F i g. 4, 5 und 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, bei dem aber lediglich an Stelle zweier nach außen herausragender Schenkel 9 und 10 eine Parallelanordnung der beiden Schenkel 18 und 19 gewählt wurde. Die übrigen Teile sind durchaus den in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Teilen entsprechend ausgebildet. F i g. 4 zeigt die Lage der beiden Schenkel 18 und 19 bei Aufsicht auf den äußeren Teil des Läufers 1, aus dessen Nuten 20, 21, 22 und 23 die Leiter 2, 3, 4 und 5 herausragen. In the F i g. 4, 5 and 6 is another embodiment of FIG Invention illustrated, but only in place of two outwardly outstanding Legs 9 and 10 a parallel arrangement of the two legs 18 and 19 was selected. The remaining parts are quite the same as those shown in FIGS. 1 to 3 parts shown accordingly educated. F i g. 4 shows the position of the two legs 18 and 19 when viewed from above on the outer part of the rotor 1, from the grooves 20, 21, 22 and 23 of the ladder 2, 3, 4 and 5 protrude.

F i g. 5 entspricht im wesentlichen der Darstellung von Fig. 1, während F i g. 6 eine um 90° gedrehte Ansicht schematisch veranschaulicht. F i g. 5 corresponds essentially to the illustration of FIG. 1, while F i g. 6 schematically illustrates a view rotated by 90 °.

Die Ausführung der Jochteile und des gesamten Magnetsystems richtet sich im wesentlichen nach den Erfordernissen der jeweils vorhandenen Maschine. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen wird die gesamte Läufernutdurchflutung von dem Meßjoch umfaßt. Wenn aber, was meistens der Fall ist, mehrere verschiedene Spulen seiten in einer einzigen Läufernut untergebracht sind, um dadurch eine Ausgleichswirkung auf die Gesamtkommutierung zu erreichen, kann man das Meßjoch gegebenenfalls auch nur um einen oder wenige Leiter einer Läufernut anordnen, um dabei nur die Kommutierungsströme der einzelnen Spulenseiten allein zu messen. Es ist ebenso möglich, nicht den Leiterstrom zur Messung heranzuziehen, sondern den Strom, der den Kommutatorlamellen zugeführt wird. The execution of the yoke parts and the entire magnet system is directed essentially according to the Requirements of the respective existing Machine. In the illustrated embodiments, the entire rotor groove flow is encompassed by the measuring yoke. But if, which is usually the case, several different ones Coil sides are housed in a single runner slot to thereby have a compensating effect To achieve the total commutation, you can also use the measuring yoke if necessary Arrange only around one or a few conductors of a rotor slot in order to only reduce the commutation currents to measure the individual coil sides alone. It is also possible not to use the conductor current to be used for the measurement, but the current that is fed to the commutator bars will.

Aus dem zeitlichen Verlauf dieses sogenannten Fahnenstromes kann jedoch nicht auf einfache Weise auf den Verlauf des Kommutierungsstromes geschlossen werden.However, from the time course of this so-called flag flow the course of the commutation current cannot be inferred in a simple manner.

Eine derartige Meßeinrichtung zeichnet sich überdies noch dadurch aus, daß praktisch keine Rückwirkung auf den Leiterstrom ausgeübt wird und damit der zeitliche Verlauf des Leiterstromes während der Kommutierung nicht beeinflußt wird. Ein weiterer Vorteil ist das Fehlen einer galvanischen Verbindung zwischen der Meßeinrichtung und den Maschinenströmen. Selbst wenn die Maschine mit hohen Betriebsspannungen arbeitet, wird diese Spannung durch die Meßeinrichtung nicht übertragen, vielmehr kann diese ohne Bedenken auf Erdpotential gelegt werden. Such a measuring device is also characterized by this from the fact that practically no reaction is exerted on the conductor current and thus does not influence the course of the conductor current over time during commutation will. Another advantage is the lack of a galvanic connection between the measuring device and the machine currents. Even if the machine is high Operating voltages is working, this voltage is through the measuring device does not transmit, rather, it can be placed on earth potential without hesitation.

Claims

Claims: 1. Method for determining the armature in the revolving position commutation currents flowing in electrical machines during operation the currents generated in the rotating part of the machine corresponding to the currents to be measured Magnetic fields from a permanently attached magnetic field sensitive measuring device can be detected in the conversion of magnetic into evaluable electrical Sizes takes place, which ultimately represent a measure of the measurable variable, d a d u r e k e k e n n n e i c h n e t that a total measurement of the output values of at least two magnetic field sensitive resistor arrangements or Hall voltage generators and this is used as the basis for further measurement evaluation.

2. Device for performing a measurement according to claim 1, characterized characterized in that the measuring probe to be permanently attached has at least one magnetic yoke comprises a leg (25), in whose outer air gaps (16, 17) there are Hall voltage generators or resistance arrangements (14, 24) sensitive to magnetic fields are located.