DE1023257B

DE1023257B - Beschleunigungsempfindliche Vorrichtung

Info

Publication number: DE1023257B
Application number: DEG18094A
Authority: DE
Inventors: Frithiof Victor Johnson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1954-10-04
Filing date: 1955-10-04
Publication date: 1958-01-23
Also published as: GB816779A; US2942475A; CH337345A; FR1176107A; NL99033C

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine beschleunigungsempfindliche Vorrichtung mit einem drehbar gelagerten Behälter, dessen Drehachse nicht durch den Schwerpunkt geht, so daß auf den Behälter beim Auftreten von linearen Beschleunigungen ein Drehmoment ausgeübt wird, wenn die Richtungen dieser Beschleunigungen nicht in der durch die Drehachse und den Schwerpunkt definierten Ebene liegen, mit einer Abtasteinrichtung, welche bei einer Auslenkung des Behälters aus seiner Ruhelage ein Signal abgibt, und mit einem im Behälter befindlichen Elektromotor, dessen Stator am Behälter befestigt ist und dessen Rotor eine Schwungmasse antreibt, so daß bei einer Beschleunigung des Rotors ein Reaktionsmoment auf den Behälter ausgeübt wird.

Bei den bisher bekannten Vorrichtungen dieser Art besteht die Abtasteinrichtung aus einem Kontaktarm, der ein Kontaktsegment bestreicht. Der durch den Kontaktarm gesteuerte Strom erregt einen außenliegenden Motor, der seinerseits über einen Geber die Beschleunigung eines Synchronempfängers bewirkt. Diese Ausführung ist verhältnismäßig teuer und kompliziert. Außerdem bestehen gewisse Schwierigkeiten bei der Kontaktbildung zwischen dem Kontaktarm und dem Kontaktsegment, da einerseits der Kontaktdruck nicht zu gering sein darf, während andererseits ein großer Kontaktdruck der Drehung des beschleunigungsempfindlichen Organs einen zu großen Widerstand entgegensetzt.

Das Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung einer 3« beschleunigungsempfindlichen Vorrichtung, bei welcher die geschilderten Nachteile vermieden werden. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Abtasteinrichtung aus einer am Behälter befestigten Spule besteht, die sich im Luftspalt eines feststehenden magnetischen Kreises bewegt, dessen Erreger-.spule mit Wechselstrom gespeist wird, und daß der Ausgang der Spule über einen Verstärker so mit dem Stator des Motors verbunden ist, daß der Rotor entsprechend dem bei einer Auslenkung der Spule aus der Ruhelage induzierten Signal zur Erzeugung des erforderlichen Reaktionsmoments beschleunigt wird.

Gemäß einer günstigen Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes lassen sich die Vorteile der erfindungsgemäßen Abtasteinrichtung noch dadurch vergrößern, daß der Behälter dicht verschlossen und vollständig von einer Flüssigkeit umgeben ist und daß das Verhältnis zwischen der Dichte der Flüssigkeit und dem Gewicht und der Größe des Behälters so gewählt ist, daß der Behälter sich im wesentlichen im neutralen Schwebezustand in der Flüssigkeit befindet.

Die Beschleunigung, welcher die Vorrichtung unterworfen wurde, läßt sich zwar wie bei den früher bekannten Vorrichtungen dieser Art direkt aus dem Beschleunigungsempfindliche Vorrichtung

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Prinz, Patentanwalt,
München-Pasing, Bodenseestr. 3 a

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 4. Oktober 1954

Frithiof Victor Johnson, Scotia, N. Y. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

von der Abtasteinrichtung gelieferten Fehlersignal ableiten, doch ist gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung eine Vorrichtung vorgesehen, welche ein Signal liefert, das proportional zur Winkelstellung des Rotors des im Behälter untergebrachten Elektromotors ist. Diese Vorrichtung kann z. B. in Art eines üblichen Drehfeldgebers (Selsyn) ausgeführt sein.

Eine beispielsweise Ausführung der Erfindung zeigt die Zeichnung, und zwar ist

Fig. 1 ein schematischer Schnitt durch eine die Erfindung verkörpernde Vorrichtung,

Fig. 2 ein Schaltschema, welches die Arbeitsweise der elektrischen Teile der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zeigt, und

Fig. 3 eine Skizze zur Darstellung der Kräfte, welche auf das beschleunigungsempfindliche Organ der dargestellten Ausführung der Erfindung einwirken.

Die Zeichnung stellt ein beschleunigungsempfindliches Organ dar, welches um eine Achse drehbar gelagert ist. In der dargestellten Ausführung besteht dieses Organ aus dem Behälter 10, welcher in den Lagerzapfen 11 so gelagert ist, daß er sich um die Achse 0-0 drehen kann. Die Lagerzapfen 11 sind im Gehäuse 12 befestigt, welches eine feste Lage relativ zu dem Gegenstand einnimmt, dessen Beschleunigung gemessen werden soll.

Der Schwerpunkt des Gehäuses 10 ist gegen dessen Drehachse versetzt, so daß auf den Behälter ein Drehmoment ausgeübt wird, wenn auf das Gehäuse eine lineare Beschleunigung, die nicht in der Richtung der Drehachse liegt, ausgeübt wird. Bei der dargestellten Ausführung wird die Lage des Schwerpunkts durch

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die Unwuchtmasse 15 bestimmt, die exzentrisch im Behälter 10 angebracht ist.

Es ist eine Vorrichtung vorhanden, durch welche auf den Behälter ein Gegendrehmoment entsprechend dem durch die Linearbeschleunigung hervorgerufenen Drehmoment ausgeübt wird. Bei der dargestellten Ausführung besteht diese Vorrichtung aus einem Elektromotor, welcher in dem Behälter 10 angebracht ist und der aus dem Stator 16, dem Rotor 17 und dem auf der Rotorwelle 19 befestigten Schwungrad 18 be- ίο steht. Die Welle 19 ist in einer Lagereinrichtung drehbar gelagert, welche aus den im Behälter 10 angebrachten Zapfenlagern 20 besteht.

Eine Abtastvorrichtung erzeugt unter der Einwirkung einer Drehbewegung des Behälters relativ zu dem Gehäuse 12 ein Signal. Diese Abtastvorrichtung besteht aus der beweglichen Spule 21., welche am Behälter 10 befestigt ist und sich im Luftspalt eines geschlossenen magnetischen Kreises gemeinsam mit dem Behälter bewegt. Der magnetische Kreis besteht aus den magnetisierbaren Teilen 22 und 23, die an der Innenseite des Gehäuses 12 befestigt sind und durch die Spule 24 erregt werden.

Eine Schaltungsanordnung führt das in der Abtastvorrichtung erzeugte Signal dem Motor zu, so daß auf den Behälter 10 ein Gegendrehmoment ausgeübt wird. Diese Schaltungsanordnung besteht aus den Leitungen 25 und 26, welche die Spule 21 über den Verstärker 27 mit der einen Phase 16 a des Stators 16 des zweiphasigen Motors verbinden. Die andere Phase 16 b des Stators 16 ist an eine geeignete Wechselstromquelle 30 angeschlossen. Die Energie für den Verstärker 27 und zur Erregung der Spule 24 der Abtastvorrichtung wird ebenfalls der Stromquelle 30 entnommen. Biegsame, entsprechend isolierte Leitungen (in Fig. 1 nicht dargestellt) dienen zur Energieversorgung und zur Übertragung der Signale zwischen dem Behälter 10 und dem Gehäuse 12 entsprechend der in Fig. 2 dargestellten Schaltung. Das abgetastete Signal wird dem Motor so zugeführt, daß sich der Rotor und das Schwungrad in der Richtung des durch die Beschleunigung auf den Behälter ausgeübten Drehmoments drehen, so daß das Reaktionsmoment am Stator in der entgegengesetzten Richtung angreift und bewirkt, daß der Behälter in die Nullage +5 zurückgeführt wird.

Die Flüssigkeit 32 umgibt den Behälter 10 und füllt den Raum zwischen dem Behälter und dem Gehäuse 12 aus. Das Verhältnis zwischen der Dichte der Flüssigkeit und dem Gewicht sowie der Gewichtsverteilung des Behälters einschließlich der darin befestigten Apparate wird so gewählt, daß sich der Behälter in der Flüssigkeit im Schwebezustand befindet. Bei einer Musterausführung wurde dieser Schwebezustand mit großer Genauigkeit erreicht, wobei eine Flüssigkeit von geringer Viskosität, nämlich Heptacosafluorotributylamin, verwendet wurde. Dieser Schwebezustand des Behälters bewirkt, daß die Lagerzapfen 11 bei Beschleunigungen in der zu messenden Richtung unbelastet bleiben, solange das drehmomenterzeugende System einwandfrei arbeitet. Ebenso sind bei Beschleunigungen senkrecht zu der von der Drehachse 0-0 und der Meßrichtung gebildeten Ebene die Lager unbelastet, und bei Beschleunigungen in Richtung der Drehachse haben die Lager keine Längs-Schubbelastung, sondern nur ein Moment aufzunehmen. Darüber hinaus hat die Reibung in den Rotorlagern 20 oder die Luftreibung zwischen dem Schwungrad und dem umgebenden Behälter keinen Einfluß auf die Genauigkeit der gemäß der Erfindung ausgeführten Vorrichtung. Ebenso beeinflussen Tachometer, Stellungsgeber oder andere Meß- und Übertragungseinrichtungen in keiner Weise die Genauigkeit, solange sie nicht das Gleichgewicht des schwebenden Behälters stören.

Eine Vorrichtung liefert ein Signal proportional zu der Auslenkung des Rotors. Bei der dargestellten Ausführung besteht diese Vorrichtung aus einem Stellungsgeber, der im Behälter 10 angebracht ist. Er besteht aus dem auf der Welle 19 befestigten Rotor 41 und aus der Ankerwicklung 42. Die Erregerwicklung 43 (Fig. 2) für den Rotor des Stellungsgebers erhält ihre Energie aus der Stromquelle 30. Die Ausgangsspannung des Ankers 42 des Stellungsgebers kann als Steuersignal für die Erregung einer Selbststeuereinrichtung dienen, welche die Leitwerksflächen des Flugzeugs oder Projektils betätigt, in welchem die gemäß der Erfindung ausgeführte beschleunigungsempfindliche Vorrichtung verwendet wird.

Im Betrieb wird die beschleunigungsempfindliche Vorrichtung zweckmäßigerweise auf einer stabilisierten Platte innerhalb eines Flugzeugs, Projektils oder sonstigen Beförderungsmittels befestigt, so daß Beschleunigungen des Beförderungsmittels über das Gehäuse 12 auf die beschleunigungsempfindliche Vorrichtung übertragen werden. Wenn somit auf die Vorrichtung eine Beschleunigung in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 1 bzw. in der Richtung α der Fig. 3 einwirkt, wird auf den Behälter 10 ein Beschleunigungsdrehmoment T₀ ausgeübt. Dieses erste Drehmoment bewirkt eine geringfügige Drehung des Behälters 10, z. B. über den Winkel E. Entsprechend der durch das Drehmoment T_a hervorgerufenen Bewegung wird in der Abtastspule 21 ein Signal erzeugt, welches verstärkt und dem Motor zugeführt wird, so daß auf den Stator 16 ein Reaktionsmoment 7"_s ausgeübt wird, welches als Gegendrehmoment die Rückführung des Behälters 10 in die Nullage bewirkt.

Die Arbeitsweise und die Vorteile der Erfindung sind bei einer Betrachtung der folgenden mathematischen Ableitung leichter zu verstehen:

Es sei:

a = Beschleunigung des Flugzeugs (und damit des Gehäuses 12),

ν = Geschwindigkeit des Flugzeugs in der Richtung von a,

I = Trägheitsmoment von Rotor und Schwungrad,

α = Winkelbeschleunigung des Rotors, Mr = statisches Moment des ausgelenkten Behälters 10.

Dann greifen am Motorstator 16 folgende Drehmomente an:

Mra = Drehmoment, hervorgerufen durch die Beschleunigung des Flugzeugs (T_a), -Ia = Reaktionsmoment, hervorgerufen durch die Beschleunigung des Rotors (T_s).

Solange die Abtastvorrichtung und das Nachlaufsystem die Rotorbeschleunigung so steuern, daß eine Drehung des Stators verhindert wird (d. h. daß der Behälter 10 in der Nullage gehalten wird), muß die Summe dieser Momente Null sein.

Mra = Ia

Durch Integration der beiden Seiten der Gleichung erhält man

Mra — I ω

Durch nochmalige Integration (d. h. durch Bildung des Doppelintegrals der Beschleunigungsgleichung) erkennt man, daß die vom Flugzeug zurückgelegte Strecke proportional der Winkelauslenkung des Rotors ist. Damit ergibt sich, daß die Beschleunigung des Motor-Rotors proportional der Linearbeschleunigung des Flugzeugs oder des Gehäuses 12 ist, daß die Drehzahl des Motors proportional dem Integral über die Beschleunigung, also der Geschwindigkeit des Systems ist und daß die gesamte Zahl der Umdrehungen des Motors proportional dem Integral über die Geschwindigkeit, also dem vom Flugzeug zurückgelegten Weg ist.

Claims

Patentansprüche: 1S

1. Beschleunigungsempfindliche Vorrichtung mit einem drehbar gelagerten Behälter, dessen Drehachse nicht durch den Schwerpunkt geht, so daß auf den Behälter beim Auftreten von linearen Be- ao schleunigungen ein Drehmoment ausgeübt wird, wenn die Richtungen dieser Beschleunigungen nicht in der durch die Drehachse und den Schwerpunkt definierten Ebene liegen, mit einer Abtasteinrichtung, welche bei einer Auslenkung des Behälters aus seiner Ruhelage ein Signal abgibt, und mit einem im Behälter befindlichen Elektromotor, dessen Stator am Behälter befestigt ist und dessen Rotor eine Schwungmasse antreibt, so daß bei einer Beschleunigung des Rotors ein Reaktionsmoment auf den Behälter ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung aus einer am Behälter (10) befestigten Spule (21) besteht, die sich im Luftspalt eines feststehenden magnetischen Kreises (22,23) bewegt, dessen Erregerspule (24) mit Wechselstrom gespeist wird, und daß der Ausgang der Spule über einen Verstärker (27) so mit dem Stator (16) des Motors verbunden ist, daß der Rotor (17) entsprechend dem bei einer Auslenkung der Spule aus der Ruhelage induzierten Signal zur Erzeugung des erforderlichen Reaktionsmoments beschleunigt wird.

2. Beschleunigungsempfindliche Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (10) dicht verschlossen und vollständig von einer Flüssigkeit (32) umgeben ist und daß das Verhältnis zwischen d!er Dichte der Flüssigkeit und dem Gewicht und der Größe des Behälters so gewählt ist, daß der Behälter sich im wesentlichen im neutralen Schwebezustand in der Flüssigkeit befindet.

3. Beschleunigungsempfindliche Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (41, 42) vorhanden ist, welche ein Signal proportional zur Winkelstellung des Rotors (17) liefert.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 661 822;
USA.-Patentschrift Nr. 2 623 084.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen