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Elektromagnetischer Meßumformer Die vorliegende Erfindung betrifft
einen elektromagnetischen Meßumformer zur nichtlinearen Umformung einer mechanischen
Meßgröße in eine entsprechende elektrische Größe, bestehend aus einem Stator mit
vier symmetrisch zu einem Durchmesser des Stators verteilten Polen, deren Spulen
die Brückenzweige einer Wechselstrombrücke bilden, sowie aus einem verstellbaren,
wicklungsfreien, aus doppel-T-förmigen Blechstanzlingen gebildeten Rotor, dessen
Polschuhe zusammen mit zugeordneten Statorpolflächen die Feldverteilung bestimmen,
wobei die Blechstanzlinge des Rotors um einen bestimmten Winkelbetrag in der gleichen
Richtung gegeneinander versetzt sind.
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Zur linearen Umformung einer mechanischen Meßgröße in eine entsprechende
elektrische Größe sind bereits derartige Brückenschaltungen bekanntgeworden, bei
welchen jedoch der Rotor aus einem Paket übereinanderliegender Blechstanzlinge gebildet
wird, die nicht gegeneinander versetzt sind. Die an einem Brückenzweig abgenommene
Ausgangsspannung besitzt daher eine annähernd trapezförmige Wellenform.
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Des weiteren ist eine elektromagnetische Induktionsvorrichtung mit
relativ zueinander beweglichen Gliedern, nämlich einem dreipoligen, bewickelten
Stator und einem doppel-T-förmigen, bewickelten Rotor, bekanntgeworden. Die Polflächen
des Rotors weisen dabei eine bezüglich der Drehachse stetig verlaufende Schräge
auf. Die Vorrichtung dient für Fernmeßeinrichtungen mit Servoantrieb, bei denen
die Läufer eines Gebers und eines Empfängers übereinstimmende Bewegungen ausführen.
In Abhängigkeit von der Winkelstellung des Geberläufers werden dabei rein sinusförmige
Spannungs- und Impedanzänderungen erzeugt.
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Bei den bisher bekanntgewordenen Anordnungen steht also die elektrische
Ausgangsgröße entweder in einem linearen oder in einem rein sinusförmigen Verhältnis
zur Eingangsgröße. Als nachteilig bei der bekannten Induktionsvorrichtung wirkt
sich aus, daß die Herstellung einer kontinuierlich schräg zur Rotordrehachse verlaufenden
Polfläche des Rotors mit großem Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist, da entweder
die Blechstanzlinge einzeln oder das Blechpaket als Ganzes einer zusätzlichen Bearbeitung
unterzogen werden muß.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromagnetischen
Meßumformer der vorgenannten Art zu schaffen, dessen elektrische Ausgangsgröße eine
vorbestimmte nichtlineare Funktion einer mechanischen Meßgröße darstellt, wobei
der Rotor in einfacher Weise unter Vermeiden der oben angeführten Nachteile hergestellt
werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Blechstanzling
des Rotors mit einer kreisförmigen Öffnung versehen ist, die eine Keilnut aufweist,
deren Winkellage bezüglich des polbildenden Teils des Stanzlings von Stanzling zu
Stanzling variiert derart, daß in dem Stapel der gegeneinander versetzt angeordneten
Stanzlinge alle Keilnuten fluchten, so daß in sie ein gerader Keil eingeführt werden
kann.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt F i g. 1 eine
schematische Seitenansicht des Meßumformers, bei der die Lager und Gehäuseteile
der besseren übersicht wegen weggelassen wurden, F i g. 2 das Schaltbild des in
F i g. 1 dargestellten Meßumformers, F i g. 3 eine perspektivische Darstellung des
Rotors, F i g. 4 die Draufsicht auf einen einzelnen Rotorblechstanzling.
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Als Ausführungsbeispiel der Erfindung sei ein elektromagnetischer
Meßumformer, der als umgeformte nichtlineare Größe eine sinusförmige Ausgangsspannung
liefert, beschrieben. Wie F i g. 1 zeigt, besteht der Umformer aus einem Stator,
der vier
bewickelte Pole 11 aufweist. Jeder Pol 11 erstreckt sich
über einen Zentriwinkel12 von 60° in bezug auf die Achse 13 der Rotorwelle 14. Die
Pole 11 sind gleichmäßig um die Achse 13 herum verteilt, so daß ihr gegenseitiger
Winkelabstand 15 - der von den Zentren zweier nebeneinanderliegender Pole eingeschlossene
Winkel in bezug auf die Achse 13 -90'- beträgt.
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Die Wicklungen 16 der Pole 11 sind in Serie geschaltet und bilden
ein in F i g. 2 dargestelltes induktives Brückenschaltsystem. An dem einen Paar
gegenüberliegender Punkte 17 der Brücke wird eine von der Stromquelle 18 erzeugte
Wechselspannung eingespeist, während über die Leitungen 19 von dem anderen Paar
gegenüberliegender Punkte 20 der Brücke die Ausgangsspannung abgenommen wird, die
die gewünschte sinusförmige Abhängigkeit hinsichtlich der Winkelstellung der Rotorwelle
aufweist.
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Der unbewickelte Rotor 21 besteht aus einem Stapel zweipoliger Blechstanzlinge
22, die hinsichtlich ihrer die Pole 23 bildenden Teile einander gleich sind.
Die Begrenzungslinien eines jeden derartigen Polteiles schließen einen Winkel 24
von 90° ein, der also gleich dem Winkelabstand 15 der Statorpole 11 ist. Wenn diese
Blechstanzlinge deckungsgleich zusammengefaßt werden, wie dies bei bereits bekannten
Vorrichtungen der Fall ist, weist die Ausgangsspannung eines derartigen Meßumformers
eine annähernd trapezförmige Wellenform auf, wie eingangs erläutert wurde.
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Die Blechstanzlinge 22 werden jedoch im vorliegenden Ausführungsbeispiel
in gleicher Richtung gleichmäßig gegeneinander versetzt auf der Rotorachse angeordnet,
so daß der gesamte Zentriwinkel 25 - also der von den Außenkanten der beiden äußeren
Stanzlinge 22 des Stapels eingeschlossene Winkel - etwa 60° beträgt, der annähernd
gleich dem Zentriwinkel 12 eines Statorpoles 11 ist. Jeder Blechstanzling
22 ist daher von seinem benachbarten Blechstanzling um einen konstanten Winkel entfernt.
Wenn also z. B. 61 Blechstanzlinge 22 vorhanden sind, beträgt dieser Winkel
1'. Als Ergebnis dieser Konstruktion sind die Einzelpole 23 des Rotors 21
mit Bezug auf die Rotorachse 13 schräg ausgebildet, wie es in F i g. 3 dargestellt
ist, und die schrägen Kanten besitzen einen trapezförmigen Verlauf. Wenn daher der
Rotor 21 gedreht wird, ändert sich die Deckungsfläche der schrägen Pole 23 des Rotors
21 mit den geraden Polen 11 des Stators und damit die magnetische Leitfähigkeit
der zugehörigen Luftspalte in einer derartigen nichtlinearen Weise, daß sich die
Ausgangsspannungsamplitude annähernd sinusförmig mit der Winkelstellung der Rotorwelle
14
bezüglich einer Ausgangsstellung ändert.
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Eine derartige in der Symmetrieebene des Rotors 21 liegende, in F
i g. 1 durch die strichpunktierte Linie 26 dargestellte Ausgangsstellung liegt mitten
zwischen den Zentren der angrenzenden Statorpole 11 mit dem Ergebnis, daß die magnetischen
Leitwerte aller Luftspalten gleich sind.
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Wenn die Rotorstanzlinge 22 in geeigneter Weise ungleichmäßig gegeneinander
verschwenkt werden, jedoch in einem Ausmaß, das klein genug ist, um noch als im
wesentlichen gleichmäßig zu gelten, kann eine größere Annäherung an eine exakte
Sinuskurve erreicht werden.
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Jeder Stanzling 22 ist mit einer kreisförmigen Öffnung 31 (vgl. F
i g. 4) versehen, die mit der Genauigkeit einer Feinpassung auf den Zylinderkern
14' der Rotorwelle 14 aufgesetzt wird. Ein sich radial von der Zylinderoberfläche
erstreckender Keil 32
(vgl. F i g. 3) ist parallel zu der Wellenachse 13 angeordnet;
er greift in die in den Blechstanzlingen 22
vorgesehenen Keilnuten 33 ein
(vgl. F i g. 4), die von der kreisförrnigen Öffnung 31 aus radial verlaufen.
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Um sicherzustellen, daß in dem fertigen Stapel die Blechstanzlinge
22 in der erforderlichen Weise gegeneinander verschwenkt angeordnet sind, ist jede
Keilnut 33 in einer anderen Winkelstellung relativ zu dem den Pol 23 bildenden Teil
des Blechstanzlinges 22 an geeigneter Stelle vorgesehen.
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Verschiedene Details der beschriebenen Anordnung, beispielsweise die
Schaltung der Statorwicklungen (die nicht notwendigerweise in Serie miteinander
zu einem geschlossenen Stromkreis verbunden sein müssen), der zu den Polteilen gehörende
Zentriwinkel und der gegenseitige Winkelabstand der Blechstanzlinge 22 auf der Rotorwelle
14 können entsprechend dem Anwendungsgebiet geändert werden.
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Bei jeder Ausführungsform kann durch eine andere geeignete, ungleiche
Verteilung der gegenseitigen Winkelabstände der Blechstanzlinge 22 auf der
Rotorwelle 14 die Ausgangsspannung zu einer anderen eindeutigen Funktion der Rotorwellendrehung
gemacht werden.
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Die Winkelabstände der entsprechenden Blechstanzlinge 22 für eine
andere derartige Funktion könen erhalten werden durch die Annahme, daß jeder Blechstanzling,
wenn er allein wirksam wird, eine trapezförmige Wellenform erzeugt und daß ein Stapel
von gegeneinander verschwenkten Blechstanzlingen 22 eine resultierende Wellenform
erzeugt, die die Summe der einzelnen trapezförmigen Wellenformen ist. Die resultierende
Wellenform kann auf diese Weise numerisch berechnet oder graphisch abgeleitet werden,
wobei die Winkelabstände der betreffenden einzelnen Wellenformen und damit der entsprechenden
Blechstanzlinge 22 so lange variiert werden, bis die resultierende Wellenform der
die gewünschte Funktion verkörpernden Kurve entspricht.
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Die die schräg angeordneten Stanzlinge aufweisende Komponente der
Vorrichtung kann auch als Stator ausgebildet sein. Der Rotor ist dann aus einer
Anzahl Stanzlingen zusammengefügt, die in der herkömmlichen Weise deckungsgleich
aufeinanderliegen. Bei dieser Ausführungsform ist es angebracht, die Statorspulen
auf einen besonders geformten Dorn zu wickeln, damit sie genau auf die Statorpole
passen.
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Das Prinzip der Wirkungsweise ist das gleiche wie vorher. Die Deckungsflächen
der schrägen Pole des Stators mit den geraden Polen des Rotors und damit die Luftspalt-Leitfähigkeit
ändert sich in der geforderten, nichtlinearen Weise entsprechend der von der Rotorwelle
eingenommenen Winkelstellung.
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Da die Winkelbewegung des Rotors die Amplitude der Ausgangsspannung
beeinflußt, kann eine derartige Vorrichtung als mechanisches Mittel zur Amplitudenmodulation
benutzt werden, wobei das Modulationssignal derart ist, daß es die Winkelstellung
des Rotors relativ zu der Ausgangsstellung ändert.
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Eine weitere wichtige Anwendung findet eine derartige Vorrichtung
als Funktionsgenerator in einem Analogie-Rechner. Bei einer derartigen Anwendung
wird beispielsweise der Rotor von Hand oder durch eine Servo-Einrichtung verstellt
in Abhängigkeit von an irgendeiner Stelle des Rechners vorgesehenen Da=
ten
zur Erzeugung einer der gewünschten Funktion dieser Stellung entsprechenden Spannung.