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Elektrische Anzeigevorrichtung zur Fernübertragung der Winkelverdrehung
eines beweglichen Gliedes Die Erfindung betrifft eine elektrische Anzeigevorrichtung
zur Fernübertragung der Winkelverdrehung eines beweglichen Gliedes, bei welcher
ein Geber mit mehreren Gruppen von Kontakteinrichtungen während eines vollständigen
Bewegungszyklus die aufeinanderfolgende Schließung einer entsprechenden Anzahl elektrischer
Stromkreise herbeiführt, welche nacheinander die Stromkreise von über dem Umfang
eines motorartigen Empfängers konzentrisch zu dessen Läufer verteilten ortsfesten
Elektromagneten speisen, die auf die gleichmäßig über einen Winkel von 360° verteilten
Polstücke des Läufers des Empfängers wirken: Es ist bereits eine elektrische Antriebsvorrichtung
für eine in schrittweise Drehbewegung zu versetzende Welle, insbesondere für die
stufenweise Einstellung von Reguliervorrichtungen bekannt, bei der die Kontaktschlüsse
von der Geberseite durch mindestens drei miteinander gekuppelte Kreissegmente erfolgen,
wodurch die gleiche Anzahl von Stromkreisen geschlossen und dadurch eine Drehung
des Empfängers hervorgerufen wird. Bei dieser Einrichtung ist aber nicht dafür gesorgt,
daß jeder Stromkreis geschlossen wird, bevor der ihm in zyklischer Reihenfolge vorangehende
Stromkreis geöffnet ist. Es sind daher bei dieser Einrichtung komplizierte Rastvorrichtungen
notwendig, um den Empfängermechanismus in dem Intervall zwischen der Öffnung eines
Stromkreises und der Schließung des nachfolgenden Stromkreises zu arretieren.
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Man hat versucht, diesen Nachteil mit Hilfe einer rotierenden Kontakteinrichtung
zu beseitigen, welche aber die bekannten Mängel wie insbesondere Abnutzungserscheinungen
und Funkenbildung während des Betriebes aufweist, welche für einen Dauerbetrieb
unerwünscht sind.
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Es ist bei solchen Übertragungsvorrichtungen auch schon ein nach Art
eines Motors ausgebildeter Empfänger bekannt, bei dem eine ungerade Anzahl von ortsfesten
Elektromagneten gleichmäßig um einen drehbaren Läufer herum angeordnet ist, der
aus einer geraden Anzahl von Polstücken besteht. Diese bekannte Einrichtung ergibt
eine schwere und teuere Konstruktion, die sich nicht für Empfänger eignet, welche
nur ein geringes Drehmoment benötigen. Außerdem gestattet diese Einrichtung eine
Regelung des Bewegungsschrittes des Läufers nur in sehr weit voneinander entfernten
Werten.
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Durch die Erfindung wird bezweckt, die Nachteile der bekannten Einrichtungen
unter Beibehaltung der Vorteile derselben zu beseitigen.
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Die Erfindung besteht darin, daß der Läufer des Empfängers mit einer
beliebigen Anzahl von über seinen Umfang verteilten Polen in an sich bekannter Weise
von drei radial in bezug auf den Läufer angeordneten Elektromagneten umgeben ist,
deren gegenseitiger Winkelabstand gleich dem Winkelabstand oder einem Mehrfachen
des Winkelabstandes zweier benachbarter Pole des Läufers vermehrt um ein Drittel
des letzteren Winkelabstandes ist.
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Dadurch erhält man eine sehr einfache, in der Herstellung wirtschaftliche
und im Betrieb zuverlässige Anzeigevorrichtung, welche eine sehr feine Regelung
der Bewegungsschritte des Läufers ermöglicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Pole
des Läufers Stäbe aus ferromagnetischem Material, die am Rand einer aus nichtmagnetischem
Material hergestellten Scheibe parallel zu deren Achse derart verteilt sind, daß
sie über einen Luftspalt den magnetischen Kreis eines Hufeisenkernes schließen,
der die ortsfesten Elektromagneten bildet und mindestens an einem seiner Schenkel
mit einer Wicklung versehen ist.
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
in verschiedenen Arbeitsphasen veranschaulicht.
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F i g. 1 bis 6 zeigen die sechs Phasen eines vollständigen Bewegungszyklus
der Vorrichtung, und F i g. 7 zeigt einen Schnitt durch die Rotationsachse des Empfängers
der Vorrichtung.
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Der Geber der Vorrichtung hat eine mit T bezeichnete Welle, auf der
drei identische Nocken A, B, C
angeordnet sind, welche entsprechende Kontakteinrichtungen
a,
b, c in drei Stromkreisen betätigen. Die Nocken A, B, C sind auf der
Welle T mit einer Winkelabweichung von 120° befestigt.
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Die Ausdehnung der Nocken A, B, C überschreitet die 120° um eine Konstante
K derart, daß bei einer Drehung der Welle T ein Zeitpunkt auftritt, in dem sich
ein Kontakt schließt, jedoch der diesem Kontakt vorangehende Kontakt noch nicht
geöffnet ist, so daß beide Kontakte geschlossen bleiben.
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Der in F i g. 7 dargestellte Empfänger besteht aus einem Läufer R,
von welchem in den F i g. 1 bis 6 der Einfachheit halber lediglich die Pole angedeutet
sind, und aus drei Elektromagneten A', B', C , welche die ortsfesten
Pole bilden. Der Läufer R besteht aus einer Scheibe d aus nichtmagnetischem Material
von geringem Gewicht, wie Kunststoff, Leichtmetall od. dgl., welche in radialer
Anordnung an ihrem Umfang einen Kranz von stabförmigen Polen p aus ferromagnetischem
Material trägt. Die Scheibe R ist lose drehbar auf einem Träger s gelagert, auf
welchem die Elektromagneten A', B', C befestigt sind. Die Pole p sind
mit ihrer längeren Seite senkrecht zu der Ebene der Scheibe d angeordnet; ihre Anzahl
kann beliebig sein, wobei man dem für die Scheibe d gewählten Durchmesser Rechnung
trägt; es ist lediglich wesentlich, daß ihr Polschritt über den ganzen Umfang der
Scheibe konstant ist. Im Fall des dargestellten Ausführungsbeispieles sind zwölf
Pole vorgesehen.
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Die Länge der Polep (F i g. 7) senkrecht zur Ebene der Scheibe d ist
derart bemessen, daß bei Anordnung eines passenden Luftspaltes der magnetische Kreis
des hufeisenförmigen Kernes n der Elektromagneten A',
B',
C geschlossen werden kann, deren einer Schenkel mit einer Wicklung
v versehen ist. Diese drei Elektromagneten sind auf einem Kreisbogen um den Läufer
R angeordnet und in radialer Richtung befestigt. Der Winkelabstand E zwischen den
magnetischen Achsen zweier benachbarter Elektromagneten ist bestimmt durch den Ausdruck
wobei a der Polschritt und n eine ganze Zahl ist, welche angibt, wie viele Polschritte
auf dem Kreisbogen zwischen zwei benachbarten Elektromagneten zu umfassen sind.
In den schematischen Darstellungen der F i g. 1 bis 6, in denen n = 1 ist, beträgt
die Winkelentfernung zwischen den Achsen zweier benachbarter Elektromagnete
und da man auf dem ganzen Umfang zwölf bewegliche Pole hat, erhält man auch
Wie man aus den schematischen Darstellungen der F i g. 1 bis 6 ersieht, sind die
von den Nocken A, B, C
des Gebers gesteuerten Kontakteinrichtungen
a, b, c
mit den entsprechenden Elektromagneten A', B', C
durch
Stromkreise verbunden, welche mit Gleichstrom gespeist werden und Rückleitungen
durch die Erde haben.
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Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende: Man betrachtet
als Beginn des Arbeitszyklus den Augenblick, in m elchem sich der Nocken A in der
Stellung (F i g. 1) befindet, in der die Kontakteinrichtung a geschlossen ist, um
die Erregung des Elektromagneten A' zu bewirken, dem gegenüber sich beispielsweise
der Pol 1 befindet. In diesem Augenblick hält die magnetische Anziehung zwischen
1 und A' die Scheibe d in dieser Stellung unbeweglich. Wenn sich die Welle T dreht
(F i g. 2), schließen sowohl der Nocken A als auch der Nocken B die
entsprechenden Kontakteinrichtungen a und b. In dieser Phase werden
die beiden Elektromagneten A' und B' somit gleichzeitig erregt, und
es findet eine kombinierte magnetische Anziehung zwischen diesen Elektromagneten
und den Polen 1 und 2 statt. Diese Pole rufen eine solche Drehung der Scheibe d
hervor, daß sie sich im Gleichgewicht zwischen den Elektromagneten A' und
B'
einstellt und dort stehenbleibt, solange die Kontakteinrichtungen
a und b gleichzeitig geschlossen bleiben.
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Während der weiteren Drehung der Welle T bleibt die Kontakteinrichtung
b zwar geschlossen, aber die Kontakteinrichtung a öffnet, und lediglich der Elektromagnet
B' (F i g. 3) bleibt somit erregt. Dieser Elektromagnet ruft eine weitere Drehbewegung
des Läufers R hervor, solange seine Stellung nicht in der Fluchtlinie zwischen dem
Pol 2 und der magnetischen Achse des Elektromagneten B' festliegt. Man erreicht
auf diese Weise durch eine weitere Drehung der Welle T die in F i g. 4 dargestellte
Lage, in der sich die Kontakteinrichtung c schließt,wäbrenddieKontakteinrichtungb
noch geschlossen bleibt. Die Elektromagneten B' und C werden dann gleichzeitig
erregt. Die Scheibe d dreht sich um einen Winkel, der erforderlich ist, um die beweglichen
Pole 2 und 11. auf den mittleren Punkt zwischen den Achsen der Elektromagneten B'
und C
einzustellen.
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In einem späteren Zeitpunkt (F i g. 5) öffnet sich die Kontakteinrichtung
b, und lediglich die Kontakteinrichtung c bleibt geschlossen, so daß, weil der Elektromagnet
C allein erregt bleibt, der Läufer R gezwungen ist, eine weitere Drehbewegung
auszuführen, welche den Pol 11 in eine Stellung gegenüber dem Elektromagneten
C' bringt. Wenn man schließlich die Stellung gemäß F i g. 6 erreicht, wird außer
dem Elektromagneten C auch der Elektromagnet A' von neuem erregt; unter diesen
Bedingungen stellen sich die beweglichen Pole 11 und 12 in eine Zwischenstellung
zwischen den magnetischen Achsen der beiden Elektromagneten C und A' ein.
Wenn die Geberwelle T mit ihrer Drehung fortfährt, gelangt man wieder in die Stellung
gemäß F i g. 1, wobei es indessen diesmal der Pol 12 ist, welcher sich gegenüber
dem Elektromagneten A' einstellt.
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Bei jedem vollständigen Bewegungszyklus des Gebers verschiebt sich
somit der Läufer R um einen Polschritt durch sechs aufeinanderfolgende Winkeldrehungen,
von denen jeder gleich einem Sechstel des Polschrittes ist. Wenn der Geber mit seiner
Drehung fortfährt, dreht sich also der Empfänger bei jedem vollständigen Zyklus
um einen Polschritt.
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Es ist klar, daß in jedem beliebigen Augenblick und in jeder beliebigen
Relativstellung zwischen Geber und Empfänger die Umkehrung der Drehrichtung des
Gebers dieselbe Bewegungsumkehrung des Empfängers hervorruft.
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Die wesentlichen charakteristischen Merkmale der vorstehend beschriebenen
Anzeigevorrichtung sind folgende: Die mittleren Winkelgeschwindigkeiten des Empfängers
sind genau proportional denjenigen des Gebers. Das Verhältnis der mittleren Winkelgeschwindigkeiten
zwischen
dem Geber und dem Empfänger kann nach Belieben festgelegt werden, indem man entweder
den einen oder den anderen der folgenden Parameter oder alle beide im voraus bestimmt:
a) Die Anzahl der Nocken pro Stromkreis auf dem Geber; bei gleicher Winkelgeschwindigkeit
der Geberwelle vervielfacht man durch Vervielfachung der Anzahl der Nocken in demselben
Maße die mittlere Winkelgeschwindigkeit des Empfängers. Es sei bemerkt, daß bei
Anwendung von Vielfachnocken gemäß einem Koeffizienten m die Winkelverschiebung
zwischen diesen Nocken
und die Ausdehnung eines jeden Nockens
wird, wobei K die Vergrößerung der den Nocken gegebenen Winkelausdehnung in bezug
auf die Zeit ist, für die man die gleichzeitige Schließung von zwei benachbarten
Stromkreisen vorsieht.
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b) Die Anzahl der beweglichen Pole auf dem Läufer des Empfängers.
Die Vergrößerung der Anzahl der beweglichen Pole ergibt in dem gleichen Maße eine
Verminderung der Winkelgeschwindigkeit des Läufers. - Mit anderen Worten: Die Winkelgeschwindigkeit
ist umgekehrt proportional der Anzahl der Pole.
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Die Übertragung findet mit einer Drehungstoleranz statt, deren Winkelwert
konstant ist, und zwar ist dieser Wert bestimmt durch
wobei n die Anzahl der Pole ist. In dem Fall, in welchem die Winkeldrehung des Läufers
durch ein Untersetzungsgerät übertragen wird, ist die Toleranz auf der Ausgangswelle
wobei r das Untersetzungsverhältnis ist. Imvorliegenden Fall erhält man unter der
Voraussetzung, daß n = 12 und r = 20 ist, eine Toleranz von
Bei stillstehendem Geber bleibt der Empfänger in der erreichten Stellung stehen,
weil entweder einer der drei Elektromagneten oder ein Paar derselben stets erregt
bleibt.
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Die Vorrichtung ist stabil, vorausgesetzt, daß die Geschwindigkeit
des Läufers nicht den kritischen Wert überschreitet, welcher bestimmt ist durch
wobei '@2 die im Läufer vorhandene Energie und M das magnetische Moment der Betätigungsvorrichtung
ist. Mit anderen Worten: Die Empfängervorrichtung bietet eine Garantie für die Stabilität
und infolgedessen für die absolute Treue der Wiedergabe, wenn die Werte
2
von J, @ und M derart sind, daß j2 < M ist. Da indessen
der Läufer sehr leicht konstruiert sein kann, kann er genügend hohe Geschwindigkeiten
annehmen. Es können auch Gruppen von drei ortsfesten Elektromagneten vervielfacht
werden, und zwar gemäß einem Koeffizienten, der von ihren Abmessungen und von dem
Durchmesser des Läufers abhängt, wodurch das Antriebsmoment um den gleichen Wert
vervielfacht wird. In diesem Fall sind die entsprechenden Wicklungen der Elektromagneten
in Serie und parallel miteinander verbunden, und ihre reziproken Winkelabweichungen
in ein und derselben Gruppe sind identisch mit den Winkelabweichungen einer einzigen
Gruppe.
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Ein einziger Geber kann eine Anzahl von Empfängern betätigen, indem
man die Wicklungen der die gleiche Bezeichnung tragenden Elektromagneten in Serie
oder parallel verbindet.
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Die Anzahl der Verbindungsleitungen zur direkten Verbindung des Gebers
mit dem Empfänger beträgt stets drei, außer einer gemeinsamen Rückleitung, die im
übrigen auch über Erde erfolgen kann. Das System kann indessen Zusatzeinrichtungen
erhalten, welche zwischengeschaltet werden und durch welche die Anzahl der Leitungen
verringert werden kann.