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Elektromagnetische Vorrichtung Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische
Vorrichtung mit einem ebenen Statorkern, der eine oder mehrere Erregerwicklungen
aufweist, welche ein sich periodisches änderndes Feld von im wesentlichen parallelen
magnetischen Kraftlinien erzeugen, mit einer oder mehreren zusätzlichen Wicklungen,
die auf dem Kern derart angeordnet sind, daß zwischen ihnen und den Erregerwicklungen
keine Transformatorwirkung eintritt, und mit einer in induktiver Beziehung zu den
beiden Spulensätzen angeordneten drehbaren Spule, die winkelmäßig verdrehbar angeordnet
ist. Derartige Vorrichtungen dienen insbesondere als elektrische Steuersignalgeber
und empfindliche Drehmomentmotoren oder Nachdrehmotoren.
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Unter den zahlreichen üblichen Vorrichtungen dieser Art zur Erzeugung
elektrischer Signale auf Grund einer Winkelverstellung zwischen dem Statorkern und
seinen Spulensätzen einerseits und der drehbaren Spule oder dem Rotor andererseits
werden solche Anordnungen bevorzugt, bei welchen der Rotor keine Erregerwicklungen
trägt und aus magnetischem Material besteht. Solche Vorrichtungen gehören zu den
Anordnungen mit veränderlichem magnetischem Widerstand, wobei die Reluktanz der
von den zusätzlichen Wicklungen umschlossenen magnetischen Kreise durch Bewegung
des Rotors geändert wird, so daß der Rotor einen sich mit seiner Winkelstellung
ändernden Anteil des magnetischen Flusses von den Erregerwicklungen auf die zusätzlichen
Wirkungen überführt. Derartige Anordnungen haben ungeachtet des Vorteils, daß der
Rotor nicht an elektrische Energiequellen angeschlossen zu werden braucht, doch
den sehr wesentlichen Nachteil sehr hoher Drehmomente und magnetischer Seitenkräfte.
Auch muß der Rotor sehr genau justiert werden. Besonders unangenehm machen sich
diese Nachteile bei Kreiselgeräten, z. B. Kreiselkompassen, bemerkbar, da hierbei
störende Präzessionen auftreten können.
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Bei Anzeigegeräten ist es auch bekannt, einen schräg zur Achse gestellten
unmagnetischen Rotor zu verwenden. Hier bestimmt jedoch nicht die Lage des Rotors
den Strom durch zusätzliche Spulen, sondern der Strom bestimmt die Lage des Rotors.
Ferner ist es bei einem Fernmelde- und Anzeigegerät bekannt, zwei gekoppelte Spulen,
von denen eine zur gemeinsamen Drehachse unsymmetrisch ist, einem antreibenden Spulensystem,
einem Wechselstromspeisesystem und einem Ausgangssystem zuzuordnen, wobei die Anordnung
nicht nur durch die zusätzliche Verwendung eines Wechselstromspeisegerätes, sondern
insbesondere durch den voneinander unabhängigen Aufbau der drei Systeme und durch
die Verwendung eines doppelten, teilweise unsymmetrischen Rotors kompliziert wird.
Ferner bedingt die Unsymmetrie, daß erst bei einer Drehung um 180° eine Phasenumkehr
eintritt.
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Um die erwähnten Fehler zu beseitigen, werden gemäß der Erfindung
die Achsen der Erregerwicklungen und die Achsen der zusätzlichen Wicklungen in einer
gemeinsamen Ebene (der Statorebene) angeordnet, und die Drehachse der beweglichen
Spule (des Rotors) wird senkrecht zu dieser gemeinsamen Ebene der beiden erwähnten
Spulensätze (senkrecht zum Stator) gestellt, wobei sie in der Rotorebene liegt,
so daß auch die Rotorebene senkrecht zu der gemeinsamen Ebene steht.
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Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte elektromagnetische
Vorrichtung zu schaffen, welche einen vollständig unmagnetischen Rotor aufweist
und ohne Änderung ihres Aufbaues entweder als Signalgeber -oder als Drehmomentmotor
(Nachsteuerungsmotor) benutzt werden kann.
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Es ist ein geschlossener vierpoliger symmetrischer Statorkern vorgesehen,
bei dem zwei Erregerwicklungen in Reihenschaltung angeordnet sind und mit periodisch
sich ändernden elektrischen Signalen gespeist werden; dabei trägt jeder Pol eines
Paares einander gegenüberliegender Pole eine Wicklung. Außerdem sind zwei in Reihe
geschaltete Abnahmewicklungen vorgesehen, von denen sich je eine auf den übrigen,
einander gegenüberliegenden Polen befindet. Eine einzige flache kurzgeschlossene
Windung aus leitendem, nichtmagnetischem Material dient als Rotor und kann in radialer
Linie entweder zu den Erregerpolen oder Abnahmepolen neutral eingestellt werden.
Bei diesen neutralen Stellungen erscheint in den Ausgangswicklungen
kein
Gesamtausgangssignal. Die Auslenkung des kurzgeschlossenen Rotors in irgendeiner
der beiden Winkelrichtungen gegenüber den neutralen Stellungen erzeugt ein elektrisches
Ausgangssignal, das in seiner Phasenbeziehung den Richtungssinn der Winkelauslenkung
charakterisiert und das in seiner Amplitude über einen bestimmten Bereich den Betrag
der Winkelauslenkung gegenüber den scharf definierten Nullwerten bei den neutralen
Stellungen anzeigt.
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Ausführungsbeispiele für den Gegenstand der Erfindung sind in den
Zeichnungen dargestellt, in welchen Fig. 1 eine bildhafte Darstellung eines Ausführungsbeispiels
eines Abnahmemotors oder eines empfindlichen Drehmomentmotors gemäß der Erfindung
mit einem Rotor in Form einer kurzgeschlossenen Windung, Fig. 2 eine geschnittene
Seitenansicht einer elektromagnetischen Vorrichtung mit einem massiven, leitenden
Rotor, Fig. 3 eine Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform der elektromagnetischen
Vorrichtung, welche eine höhere Ausgangsempfindlichkeit liefern kann, Fig. 4 eine
bevorzugte Ausführungsform mit einer Nulleinstellung und Fig. 5 eine Anwendung des
Signalgebers gemäß der Erfindung ist, welche die Vorteile der Erfindung in besonderem
Maße aufweist.
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Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel weist ein im wesentlichen
ringförmiges Paket aus magnetisch leitfähigen Statorlamellen 1 mit vier gegeneinander
im gleichen Winkel versetzten, nach innen vorstehenden Polen auf. In Reihe geschaltete
Erregerwicklungen 2 und 3 umschließen die Erregerpole 4 bzw. 5 und werden aus einer
Wechselstromquelle gespeist, welche durch Speiseanschlüsse 6 angedeutet ist. Auf
diese Weise addieren sich ihre magnetischen Kraftlinienflüsse, welche den Spalt
zwischen den Flächen der Pole 4 und 5 durchsetzen. In Reihe geschaltete Abnahmewicklungen
7 und 8 umschließen die Abnahmepole 9 bzw. 10, so daß in ihnen Spannungen induziert
werden können, welche einer Empfangvorrichtung mittels der Abnahmeanschlüsse 11
zugeleitet werden. Der Rotor 12 weist einen kurzgeschlossenen Leiter auf, welcher
im wesentlichen Ringgestalt hat. Dieser Rotor wird symmetrisch zu einer zentralen
Achse 14-14 durch eine drehbare Rotorwelle 13 getragen.
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Erregt man beim Fehlen des leitenden Rotors die Erregerwicklungen
2 und 3 voll, so fließt der gesamte magnetische Wechselfluß durch die Erregerpole
4 und 5, und fast der gesamte Fluß wird unmittelbar von einem der Pole 4 und 5 zum
anderen gerade durch den Luftspalt zwischen diesen Polen hindurchtreten. Fast alle
magnetischen Kraftlinien werden vollständig geschlossene magnetische Kreise durch
die beiden Hälften des Statorkerns 1 bilden und gleichmäßig zwischen beiden verteilt
werden, wobei sie nicht durch die Abnahmewicklungspole 9 und 10 gehen, so daß in
den Abnahmewicklungen 7 und 8 keine Spannungen induziert werden. Ein kleiner Anteil
des Erregerflusses wird naturgemäß durch die Ausgangspole 9 und 10 infolge ihres
geringen Abstandes von den Erregerpolen 4 und 5 fließen. Wenn jedoch eine vollständige
Statorsymmetrie erreicht ist und die magnetischen Kraftlinienflüsse von den Erregerpolen
4 und 5 gleich groß sind, werden sich die magnetischen Flüsse durch den Pol 9 von
den Erregerpolen 4 und 5 aufheben, da diese Flüsse in jedem Augenblick gleiche Amplitude,
aber entgegengesetzte Richtung aufweisen; die Flüsse von den Polen 4 und 5 durch
den Pol 10
heben sich gleichfalls auf. Selbst wenn die Erregerflüsse ungleich
sind, werden sich die in den Abnahmewicklungen 7 und 8 induzierten Ströme aufheben.
Auf diese Weise ergeben sich an der Reihenschaltung der Abnahmewicklungen 7 und
8 keine Spannungen.
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Fügt man den Kurzschlußrotor 12 zu diesem Gerät derart hinzu, daß
er sich in der dargestellten Stellung befindet, bei welcher seine Windung im wesentlichen
parallel zum wechselnden magnetischen Fluß zwischen den Polen 4 und 5 liegt, wird
kein Gesamtstrom in der Windung induziert und in ihr fließen. Der Rotor stört nicht
das Gleichgewicht und die Nullabnahme-Bedingung, welche eben beschrieben wurde.
Das bedeutet, daß sich der Rotor 12 bei der dargestellten Stellung in bezug auf
den Stator in der Nullage befindet. Kleine Winkelverdrehungen des Rotors im Uhrzeiger
sinn gegenüber der erwähnten Nullstellung lassen den wechselnden Erregerfluß Kreisströme
(Wirbelströme) im leitenden Rotor erzeugen, weil der Erregerfluß dann nicht mehr
parallel zur Ebene der kurzgeschlossenen Rotorwindung liegt. Dieser induzierte Rotorstrom
erzeugt nun seinerseits magnetische Kraftlinienflüsse, die praktisch senkrecht zur
Ebene des ringförmigen Rotors stehen. Bei der angenommenen Bedingung einer schwachen
Verdrehung des Rotors 12 im Uhrzeigersinn wird ein größerer Teil des durch den Rotor
12 erzeugten magnetischen Flusses auf die Abnahmepole 9 und 10 gerichtet, wobei
seine Rückleitungswege die beiden Hälften des Statorkerns umfassen. Beim Durchsetzen
der Abnahmepole induzieren diese vom Rotor erzeugten magnetischen Flüsse in den
Abnahmewicklungen 7 und 8 Ausgangssignale, welche gleichphasig sind und infolge
der Reihenschaltung zwischen ihnen sich derart addieren, daß an den Abnahmeanschlüssen
11 ihre Summe erscheint. Über einen beschränkten Bereich ist eine steigende Verdrehung
des Rotors im Uhrzeigersinn von einem Anstieg der im Rotor induzierten Kreisströme,
von einer steigenden Flußerzeugung mittels des Rotors und von einer erhöhten Induktion
von Ausgangsspannung in den Abnahmewicklungen 7 und 8 begleitet. Schließlich wird
eine Winkelstellung erreicht, in der der steigende Fluß, welcher mittels des Rotors
erzeugt wird, keine größere Ausgangsspannung in den Abnahmewicklungen mehr erzeugen
kann, da eine größere Streuung auftritt. Diese Bedingung einer maximalen Ausgangsspannung
wird in einer Stellung zwischen den Werten Null und 90° für die Rotorbewegung erreicht.
Eine weitere Erhöhung der Rotorauslenkung im Uhrzeigersinn erzeugt eine Abnahme
des Ausgangssignals bis eine zweite Nullstellung erreicht wird, bei der der Rotor
in die 90°-Stellung gedreht ist, d. h. bei der die Rotorebene senkrecht zu dem den
Spalt zwischen den Polen 4 und 5 durchsetzenden Fluß liegt. In der 90°-Stellung
fließt der maximale Rotorstrom, doch der gesamte Kraftlinienfluß des Rotors ist
gegen die erregenden Pole gerichtet, und kein Fluß tritt in die Abnahmewicklungen.
ein.
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Eine Verdrehung des Rotors 12 entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn aus
der dargestellten Nullstellung liefert Spannungen gleicher Art, aber genau entgegengesetzter
Phase. Die Phasenlage des Signals. kennzeichnet daher den Winkelsinn der relativen
Rotor-Stator-Versch.iebungen, während die Amplitude des Signals dein Winkel dieser
Verschiebung über beschränkte Bereiche proportional ist, wobei diese Bereiche bei
nullempfindlichen Einsrichtungen dieser Art völlig ausreichend sind.
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Wie bereits erwähnt, besteht, sobald der Rotor 12 um 90° gegenüber
der dargestellten Stellung verdreht
ist, eine Nullbedingung für
den Ausgang, da trotz der maximalen Kreisströme, welche in der kurzgeschlossenen
Windung induziert wurden der elektromagnetische Rotorfluß nicht die Ausgangswicklungen
7 und 8 durchsetzt. Eine Vergrößerung der Rotordrehung im Uhrzeigersinn erzeugt
Spannungen einer Phasenlage, die zu der Phasenlage bei der Winkelauslenkung des
Rotors entgegen dem Uhrzeigersinn aus der 90°-Stellung entgegengesetzt ist. Die
Amplitude der Signalspannungen beginnt bei derjenigen Winkelstellung des Rotors
abzufallen., bei welcher der steigende Fluß des elektromagnetischen Rotorfeldes,
der durch die Abnahmepole 9 und 10 geht, durch den absinkenden Kreisstrom aufgehoben
wird, der seinerseits durch den Erregerfluß der Pole 4 und .5 in der Rotorwindung
induziert wird.
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Obgleich das Rotor-Stator-Drehmoment (Rückwirkung) der beschriebenen
Abnahmevorrichtung sehr klein und für die meisten Anwendungszwecke vernachlässigbar
ist, können die verbleibenden kleinen Drehmomente eine praktische Bedeutung haben,
da sie positiv oder negativ gemacht werden können., je nachdem, welche Nullstellung
als Bezugslage der Vorrichtung ausgewählt wird. Die Ausrichtung des Rotors zu den
erregenden Polen., wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, ist diejenige Stellung, welche
die kurzgeschlossene Windung von sich aus infolge der schwachen auftretenden Drehmomente
aufsucht. Winkelverschiebungen des Rotors 12 .aus dieser Nullstellung wirken positive
:oder federähnliche Drehmomente entgegen, welche mit geringen Kräften bestrebt sind,
den Rotor in die Nullstellung zurückzuführen. In :der anderen neutralen Lage, in
der der Rotor -mit den Abnahmepolen 9 und 10 ausgerichtet ist, ist das Drehmoment
ausgeglichen, bis der Rotor um einen geringen Betrag winkelmäßig verschoben wird.
Hierauf ist das Gesamtdrehmoment am Rotor negativ und zwingt den Rotor mit geringer
Kraft aus dieser neutralen Stellung in die dargestellte Nullstellung. Bei gewissen
Anwendungen, insbesondere solchen, bei denen die Abnahmeanordnung als Überwachungselement
auf der Präzessionsachse eines einachsigen Kurskreisels oder auf einer Kreiselachse
dient und bei denen spiralförmige Stromzuführungen positive Drehmomente ausüben,
kann :die negative Drehmomentcharakteristik mit entscheidendem Vorteil benutzt werden.
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Es wurde festgestellt, daß der Rotor der erfindungsgemäßen Vorrichtung
entweder .axial oder auf einem Durchmesser des Stators verschoben werden kann, -ohne
die Kurvenform der Ausgangsspannung zu beeinflussen. Dieser Vorteil tritt bei jenen
Anordnungen nicht auf, welche einen Rotor mit magnetischem Stoff benutzen, und er
:ist von besonderem Vorteil :bei solchen Geräten, hei denen ein elastischer Träger
oder -eine elastische Kupplung zwischen den beiden gegen-,einander drehbaren Teilen
benutzt wird, auf denen der Rotor und der Stator der Abnähmevorrichtungen angebracht
sind. Gegeneinander verdrehbare Teile, die durch eine magnetische Aufhängung oder
durch eine Federaufhängung miteinander gekuppelt sind, werden z. B. bei Belastungsänderungen
Seitenschub hinsichtlich ihrer Achsen aufweisen, und die -augenblickliche Abnahme
.kann dazu benutzt werden, ausschließlich die relative Winkelbewegung zu .charakterisieren,
da eine Empfindlichkeit in bezug auf seitliche Verschiebungen entfällt..
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Signalgebers besteht darin,
daß die Nullbedingungen nicht -durch die Gegeneinanderschaltung von Spannungenerhalten
werden, wie dies bei einigen anderen Anordnungen der Fall ist. Spannungskompensationseinrichtungen
liefern nicht leicht einen scharfen und fehlerlosen Nullpunkt, insbesondere, da
die genaue Phasengegenüberstellung aller magnetischer Kraftlinienfluß-und Spannungskomponenten
nur selten erreicht werden kann. Dies trifft insbesondere zu, wenn die Rotoranordnung
magnetisch leitfähige Stoffe enthält, welche die Phasen des Flusses beeinflussen,
der die Ausgangsspannungen induziert. Im Gegensatz dazu erzeugt die Abnahmevorrichtung
gemäß der Erfindung eine Nullbedingung, die relativ frei von Störsignalen ist, da
die Abnahmespulen nicht von einem Rotorfeld .durchsetzt werden.
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Die mit der beschriebenen Anordnung in .ihrer Anwendung als Signalspannungsgeber
.erhaltenen Vorteile werden ebenfalls erreicht, wenn die Anordnung elektrisch zur
Arbeit als Drehmomenterzeuger, Signalempfänger oder Nachdrehmotor geschaltet wird.
Diese Arbeitsweise wird durch das besonders .einfache Hilfsmittel erhalten, die
Anschlüsse 11 der Wicklungen 7 und 8 an eine Wechselspannungsquelle statt an eine
ein Ausgangssignal ausnutzende Vorrichtung anzuschließen.. Die durch die Anschlüsse
11 dargestellte Spannungsquelle sollte dieselbe Periodenzahl aufweisen wie die durch
die Anschlüsse 6 dargestellte Spannungsquelle, so daß .die sich :ergebenden .elektromagnetischen
Flüsse derart zusammenarbeiten, daß .ein Stator Rotor-Drehmoment erzeugt wird. Wenn
die Rotorebene praktisch parallel zu dem zwischen den Polen 4 und 5 oder zwischen
den Polen 9 und 10 fließenden elektromagnetischen Fluß ist, erzeugt der Rotor 12
durch Induktion vom Fluß zwischen ..dem .anderen Pol-.paar einen elektromagnetischen
Fluß, der mit dem ersten, parallel zur Rotorebene induzierten Fluß zusammen ein
maximales Rotordrehmoment erzeugst. Winkelverdrehungen des Rotors aus dieser Stellung
ändern das erzeugte Drehmoment. Die Phaseneinstellung des Statorflusses zur Erzielung
maximaler Drehmomente kann durch :irgendeine übliche Vorrichtung erhalten werden,
und eine oder beide .angewandten Spannungen können geändert werden, um die gewünschte
Größe des Drehmomentes zu erhalten. Weiterhin :kann .der Richtungssinn des Drehmomentes
positiv oder negativ gewählt werden, indem man die den beiden Wicklungspaaren .zugeführten
Spannungen in ihrer Phasenlage richtig wählt.
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Fig. 2 gibt einen teilweisen Querschnitt eines Signalgebers oder Empfängers
in der Seitenansicht. Hier ist eine dünne, massive, :rechteckige Stange oder Platte
15 .als Rotor vorgesehen. Die Rotorplatte 15 ist voll--ständig aus -leitendem Stoff,
z. B. Aluminium oder Kupfer, hergestellt und arbeitet in der gleichen Weise wie
der Rotor 12 -der Anordnung gemäß Fig. 1. Aus Gründen der Klarheit -und Einfachheit:
sind diejenigen Teile der Vorrichtung in Fig. 2, welche ähnlichen Teilen in Fig.
1 ,entsprechen, mit denselben Bezugszeichen .versehen. Ebenso sind die Wicklungen
ingleicher Weise geschaltet wie in Fig. 1. Versuche haben gezeigt, :daß der leitende
Rotor 15 auch ahne D.urchbohrung ,dieselben physikalischen Wirkungen hervorruft
wie eine kurzgeschlossene Windung. Wie jedoch weiter unten :erläutert wird, kann
der offene oder ringförmige Rotor - einige .andere konstruktive Vorteile haben.
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Es wurde gefunden, daß-die Empflndlichkeit einerAbnahmevorrichtung
oder eines Signalgebers gemäß der Erfindung wesentlich dadurch verbessert werden
.kann, :daß die magnetische Reluktanz in .der Achse der Aus-.gangswicklungen herabgesetzt
wird. ,Ein Ausführungsbeispiel,
welches Mittel zur Erzeugung dieser
erhöhten Empfindlichkeit aufweist, ist in der Vorderansicht in Fig. 3 dargestellt.
Hier ist das im wesentlichen ringförmige Statorkern-Lamellen-Paket 16 mit einander
gegenüberstehenden und nach innen gerichteten Erregerpolen 17 und 18 versehen, auf
denen in Reihe geschaltete Erregerwicklungen 19 bzw. 20 angebracht sind. Diese Wicklungen
werden mit Wechselstrom gespeist, der über die Anschlüsse 21 zugeführt wird. Die
Abnahmewicklungen 22 und 23 befinden sich in Abstand voneinander auf einem Schenkel
24, der den Statorkern 16 im wesentlichen senkrecht zu den Erregerpolen 17 und 18
überbrückt und einen Weg geringeren magnetischen Widerstandes zwischen diesen Polen
und dem äußeren Kranz des ringförmigen Kerns erzeugt. Wenn sich kein leitender Rotor
innerhalb der Anordnung befindet, sind die Wege und Wirkungen der sich aufhebenden
magnetischen Flüsse durch die Abnahmewicklungen 22 und 23 praktisch dieselben wie
bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1. Ein Leiterring 25 dient als Kurzschlußrotor, der
drehbar durch eine Welle 26 getragen wird und den Schenkel 24 umschließt. Die Kreisströme
im Rotor 25 weisen eine größere Intensität auf wegen der verringerten Reluktanz
gegenüber dem Kraftlinienfluß des Rotors, der sich aus der Anwesenheit des Kernes
24 innerhalb der Kurzschlußwirkung ergibt; außerdem ermöglicht es der Kern 24, daß
ein größerer Anteil des Rotorflusses die Abnahmewicklungen durchsetzt. Diese Einflüsse
ergeben zusammen höhere Ausgangsspannungen des Signalgebers, wobei die Arbeitsweise
sonst im wesentlichen ebenso ist, wie sie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
erläutert wurde. Beide Abnahmewicklungen können zu einer einzigen Wicklung zusammengefaßt
werden, die sich über die Gesamtlänge des Schenkels 24 erstreckt, wobei gleichartige
Wirkungen auftreten. Zum leichteren Zusammenbau kann der Kern 24 unterteilt sein,
wie dies durch die gestrichelten Linien 27 angedeutet ist, wodurch die Einbringung
des Rotors 25 an seinen richtigen Ort erleichtert wird. Eine der Ausgangswicklungen
22 und 23 oder die einzige, die volle Länge einnehmende Wicklung, die an deren Stelle
treten kann, läßt sich auf dem Kern 24 entlangbewegen, um den Nullpunkt der Ausgangsspannung
einzustellen.
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Fig. 4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für den Gegenstand
der Erfindung, bei dem Mittel zum einstellbaren Überbrücken des magnetischen Flusses
(magnetische Nebenschlüsse) vorgesehen sind, um die Ausgangscharakteristik in der
Nähe der Nullstellungen zu verbessern. Der Statorkern und die Wicklungen sind durch
dieselben Bezugszeichen bezeichnet wie in Fig. 1 und 2, da sie in ihrer Konstruktion,
gegenseitigen Stellung und Verbindungen übereinstimmen. Der Abnahmepol 10 und die
Abnahmewicklung 8 sind in der Ansicht nicht zu sehen, da sie zum Teil im Schnitt
ist, um den Rotor und die Brücke zu zeigen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein
fester Kern oder eine Brücke 28 derart zentral angeordnet, daß sie mit der Achse
29-29 der Rotorwelle 30 und des Kurzschlußrotors 31 gleichachsig ist. Ein am Statorkern
1 befestigter Halter 32 trägt die Brücke in dieser Achse, und eine Mutter 33 ermöglicht
zusammen mit einem an der Brücke angebrachten Bolzen 34 die einstellbare Festlegung
der Brücke am Halter in der gewünschten Winkeleinstellung gegenüber der Achse 29-29.
Die Brücke 28 ist zwar ein im wesentlichen zylindrisches Lamellenpaket aus magnetisch
leitfähigem Material, doch ist ein Teil 35 abgeflacht, um eine Unsymmetrie einzuführen,
welche für die Nulleinstellung wichtig ist. Wenn die Brücke nicht eingebaut ist,
können gewisse Verformungen des idealen Kraftlinienfeldes vorhanden sein, die sowohl
die Lage als auch die Größe des kleinen Nullsignals stören. Um das Signal noch mehr
herunterzudrücken, wird die Brücke 28 eingefügt, und zwar zweckmäßig so, daß der
abgeflachte Teil 35 genau einem der Pole gegenübersteht; hierbei erhält man eine
symmetrische Verteilung des Flusses in dem Geber. Die Brücke wird dann winkelmäßig
um die Achse 29-29 verstellt, bis die Nullspannung einen minimalen Wert annimmt,
worauf die Mutter 33 aufgeschraubt wird, um die Brücke in dieser Stellung zu sichern.
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Da die Anordnung des Statorkernes und des Brückenkernes in Fig. 4
die Verwendung eines vollständig ebenen Kurzschlußrotors unmöglich macht, ist der
leitende Rotor 31 in diesem Falle eine ungewöhnliche Bauart, welche ihn für diese
besondere Anordnung geeignet macht und außerdem aufbaumäßige Vorteile bietet. Wie
dargestellt, ist der Rotor 31 hohl und im wesentlichen zylindrisch, wobei seine
Längsachse mit der Achse 29-29 zusammenfällt; das geschlossene Ende 36 ist auf der
Rotorwelle 30 befestigt. Das gegenüberliegende Ende ist offen gelassen, so daß die
Brücke 28 in das Innere des Rotors vorstehen kann. Der elektromagnetische Fluß der
Erregerpole 4 und 5. wird durch die beiden parallelen Rotorleiter 37 und 38 geschnitten,
welche auf dem Umfang des Rotors um 180° gegeneinander versetzt angebracht sind;
sie sind durch Entfernen des Materials aus dem zylindrischen Rotor gebildet, wobei
nur diese Leiter, der Endabschluß 36 und die Endringe 39 und 40 übrigbleiben. Die
Leiter 37 und 38 weisen zweckmäßig eine größere Länge auf als die axiale Länge der
Statorpole, und die Rückschlüsse für die Rotorkreisströme sind durch. die Endringe
39 und 40 und die Endplatte 36 gegeben. Diese Rotorkonstruktion arbeitet elektrisch
und magnetisch praktisch ebenso wie der in Verbindung mit Fig. 1 beschriebene Rotor
12, nur daß die Statorbrücke 28 die Rotorwirkungen verbessert und eine verbesserte
und störungsfreie Nullcharakteristik für die Abnahme schafft. Die Arbeitsweise als
Drehmomentgeber, Signalempfänger oder Nachdrehmotor erhält man, wenn alle Polwicklungen
in passender Weise erregt werden,. wie dies in Verbindung mit Fig. 1 erläutert ist.
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In Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines magnetisch aufgehängten Kurskreisels
dargestellt, welcher den Signalgeber gemäß der Erfindung mit dem Schaltschema enthält.
Diese Anordnung bietet die Vorteile des Erfindungsgegenstandes in vollem Maße, nämlich
ein herabgesetztes Rotorgewicht, Unempfindlichkeit gegen axiale und radiale Verschiebungen,
Fehlen merklicher Drehmomente und seitlicher Schübe, leichte Justierung, Fehlen
elektrischer Rotoranschlüsse, Güte der Nullcharakteristik und ein gutes Verhältnis
des nutzbaren Signals zum Störpegel. Der KurskreiseI umfaßt einen elektrisch angetriebenen
Kreiselrotör 41" der in einem Doppelring 42 um eine zur Achse 43 des tragenden Bügels
oder Doppelringes senkrechte Drehachse drehbar aufgehängt ist. Das äußere Gehäuse
44, welches z. B. auf einem Fahrzeug angeordnet ist, weist zwei Endkonsolen 45 und
46 auf, in welchen die Hauptkreiseltragwelle drehbar gelagert ist. Lager mit geringer
Reibung sind in den Endkonsolen vorgesehen, um die axialen Bewegungen der Welle
43 zu beschränken; die Hauptunterstützung der Welle 43 in radialer Richtung wird
durch magnetische Aufhängungen 47 und 48 gebildet; die sich ebenfalls in diesen
Konsolen befinden. Der Kreiselrotor 41 und sein Bügel 42 sind in einem dicht abgeschlossenen
Gehäuse 49 untergebracht.
Ein Nachdrehmotor oder Drehmomenterzeuger
50; der einen am Bügel 42 befestigten Rotor 51 und einen am äußeren Gehäuse 44 befestigten
Stator 52 aufweist, übt auf die Achse der Kreiselwelle 43 Drehmomente aus, um diese
in eine neutrale Stellung zurückzuführen, wenn Winkelaüslenkungen um diese Achse
durch den Signalgeber oder Empfänger 53 angezeigt werden. Wie dies bei Kurskreiseln
bekannt ist, verursacht jede Winkelbewegung des äußeren Gehäuses 44 um eine sowohl
zur Rotordrehachse als auch zur Bügeltragwelle 43 senkrechte Achse eine Präzession
um die Achse der Welle 43 um einen Winkelbetrag, der dem Betrag dieser Winkelbewegung
proportional ist. Der Empfänger 53, der durch die Wechselstromspeisung 54 erregt
ist, liefert elektrische Ausgangssignale, welche für diese Winkelablenkung charakteristisch
sind, an eine Steuervorrichtung 55, die ihrerseits den Nachsteuermotor oder Drehmomenterzeuger
50 erregt, bis dieser ein Drehmoment abgibt, welches dem Präzessions-Drehmoment
gleich und entgegengesetzt ist, und erregt gleichzeitig eine Signalauswertvorrichtung
56, wie z. B. einen Drehungsanzeiger oder eine Selbststeuerungseinrichtung.
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Die Abnahmevorrichtung 53 dieser Anordnung weist eine Bauart
auf, die der der Fig. 4 entspricht, und ihre Teile sind mit den entsprechenden Bezugszeichen
versehen. Der Statorkern 1 ist am äußeren Gehäuse 44 befestigt, und der Rotor 31
wird durch die Kreiseltragwelle 43 getragen, so daß die in den Abnahmewicklungen
erzeugten Signale die relative Winkelauslenkung der Welle 43 anzeigen. Die außerordentlichen
Vorteile dieser Abnahme zeigen sich bei einer solchen Anwendung. Beispielsweise
ist zu beachten, daß die magnetischen Aufhängevorrichtungen, z. B. die Einheiten
47 und 48, sowohl eine beträchtliche radiale Auslenkung der Welle 43 als auch ein
gewisses axiales Spiel erlauben, welches durch die reibungsarmen Lager in den Endkonsolen
45 und 46 begrenzt wird. Demgemäß ist eine Abnahmevorrichtung, die auf eine dieser
Bewegungen anspricht, fehlerhaft, da die Ausgangssignale Fehler enthalten, die bei
einem Instrument und System unzulässig sind, welches einen so hohen Grad der Empfindlichkeit
und Genauigkeit aufweisen soll. Wie jedoch bereits weiter oben auseinandergesetzt
wurde, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl gegenüber radialen als auch gegenüber
axialen Verschiebungen der Rotorwelle innerhalb weiter Grenzen unempfindlich und
liefert Ausgangsspannungen, welche nahezu ausschließlich der Winkelbeziehung zwischen
dem Stator und dem Rotor entsprechen, ohne durch die Nachgiebigkeit einer magnetischen
oder anders ausgebildeten Aufhängung beeinflußt zu werden. Ein weiterer sehr wichtiger
Vorteil beruht auf der Tatsache, daß bei der Schaltung des Gerätes als Empfänger
der gesamte leitende und nichtmagnetische Rotor Rückwirkungsmomente von nur kleinstem
Werte zuläßt. Bei der dargestellten Kreiselanordnung würden vom Empfänger hervorgerufene
Rückführungsdrehmomente Fehler im Signalausgang des Systems hervorrufen, da die
über die Kreiselträgerachse zugeführten Drehmomente nur diejenigen Drehmomente enthalten
sollten, welche von der Präzession hervorgerufen werden, und bei anderen Kreiselanordnungen
würden die Drehmomente unzulässige Präzessionen erzeugen. Die Verwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit einer integrierenden Kreiselanordnung oder mit einem doppelachsigen
Kreisel bietet ferner insofern Vorteile, als die etwaigen kleinen Drehmomente negativ
gemacht werden können, d. h., sie können entgegengesetzt zu den üblichen Federdrehmomenten
von Stromzuführungswendeln erregt werden. In den Fig. 4 und 5 ist die Anordnung
des Rotors 31 in der Nullstellung zu den Abnahme- oder Ausgangswicklungen so gewählt,
daß sich diese negative Drehmomentcharakteristik ergibt, wenn Winkelverschiebungen
auftreten. Das geringe Gewicht des Abnahmerotors, welches sich aus der Verwendung
von leichtem, magnetisch nichtleitfähigem Material an Stelle von schwerem, magnetisch
leitfähigem Material ergibt, und die Abwesenheit eines Schleifringes oder von rotorspeisenden
Zuführungen setzen beide die Lagerreibung und die Belastung der Kreiselträgerachse
herab. Bekannte Kreiselanordnungen sind nicht genauer als die Steuersignalerzeuger,
welche mit ihnen zusammen benutzt werden, falls man nicht zusätzlich sorgfältig
durchgebildete Kompensatoren verwendet, und die ausgezeichnete Nullcharakteristik
und das günstige Verhältnis des Signals zum Störpegel bei den erfindungsgemäßen
Abnahmevorrichtungen sind infolgedessen besonders vorteilhaft.
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Zahlreiche Signalerzeuger verschiedener Bauart können im Rahmen der
Erfindung gebaut werden. Beispielsweise kann der leitende Rotor eine Kurzschlußwicklung
enthalten, welche mehrere Windungen aufweist, und die Anordnung kann in jeder passenden
Weise erfolgen. Es können zwei Erregerwicklungen mit nur einer einzigen Abnahmewicklung
oder umgekehrt zwei Abnahmewicklungen mit einer einzigen Erregerwicklung benutzt
werden, und die Anordnung, welche eine einzige Erregerwicklung und eine einzige
Abnahmewicklung aufweist, genügt ebenfalls zur Erzielung der erwünschten Ergebnisse.
Brücken für den magnetischen Fluß zwecks Einregelung der Nullsignale (Nebenschlüsse)
können passende exzentrische oder unsymmetrische Einheiten aus magnetisch leitfähigem
Material aufweisen, welche einstellbar in der Nähe der Statorpole angeordnet sind,
um einen Ausgleich des Feldes im Statorfluß innerhalb der Luftspalte zu erzielen.