DE1548463B2 - Abfuehlanordnung fuer schwingrotorkreisel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abfühlanordnung für einen Schwingrotorkreisel mit einem Trägheitselement, das aus magnetischem Material besteht, drehbar um eine Drehachse angeordnet ist und mit Hilfe von Torsionsstäben eine Schwingbewegung um eine durch die Torsionsstäbe festgelegte und im Winkel gegenüber der Drehachse verschobene zweite Achse ausführt, wobei die Abfühlanordnung in der Nähe einer die Drehachse festlegenden Drehwelle befestigte Abfühlsignalgeneratoren mit einem Permanentmagneten zum Aufbau eines Magnetflußpfades aufweist und in einem Spalt zwischen dem Trägheitselement und äußeren Elementen des Flußpfades befestigte Spulen vorgesehen sind, die den Flußpfad schneiden, wodurch Abfühlsignale in den Spulen erzeugt werden, die der Schwingbewegung des sich drehenden Trägheitselementes entsprechen.

Eine Ausführungsform eines Schwingrotorkreisels, der als Trägheitsinstrument entscheidende Vorteile gegenüber konventionellen Kreiseln besitzt, ist Gegenstand des älteren Patentes 14 73 983. Dieser Schwingrotorkreisel besitzt ein Trägheitselement, das im Betrieb mit einer umlaufenden Antriebswelle gekoppelt ist. Das Trägheitselement rotiert mit der eine Spinachse festlegenden Welle und weist eine gegen Torsion behinderte Schwingungsfreiheit um die Befestigungsachse auf, die im Winkel (normalerweise senkrecht) zur Welle angeordnet ist. Der Schwingrotorkreisel ist so ausgelegt, daß die Schwingungsresonanzfrequenz des Trägheitselementes um die Befestigungsachse gleich der Frequenz der Spinwellendrehung (N) ist, damit das Trägheitselement sehr empfindlich gegenüber einer rechtwinklig zur Achse der Welle auftretenden Bewegung wird. Eine Winkelverschiebung des Schwingrotorkreisels um eine beliebige Achse mit Ausnahme der Spinachse bewirkt, daß das Trägheitselement bei seiner Resonanzfrequenz vibriert, wobei die maximale Amplitude einer derartigen Schwingung proportional der Winkelverschiebung ist. Zusätzlich ist die Phasenlage der Schwingung relativ zu einem Taktgebersignal ein

direktes Maß für die Richtung der Winkelverschiebung. Damit kann der Schwingrotorkreisel anstatt eines direkt ablesenden Kreisels mit zwei Freiheitsgraden verwendet werden. Da ferner der Schwingrotorkreisel kein kompliziertes Kardanaufhängungssystem oder ein Flotationsmedium benötigt, besitzt er eine extrem niedrige Abtriftrate und ist konventionellen Kreiseln weit überlegen.

Wie in dem obenerwähnten älteren Patent erörtert, erfordert der wirksame Betrieb eines Schwingrotorkreiseis bei einem Verschiebungsbetrieb einmal, daß die Zeitkonstante des Systems groß ist, damit gewährleistet wird, daß die maximale Schwingungsamplitude des Trägheitselementes eine lineare Funktion der Winkelverschiebung des Schwingrotorkreisels ist, und ferner, daß die Zeitdauer des Aufgebens einer bestimmten Winkelverschiebungsrate sehr viel kleiner als die Zeitkonstante des Systems ist. Man hat festgestellt, daß diese Anforderungen am besten dadurch erfüllt werden, daß das Trägheitselement in eine gesteuerte Atmo-Sphäre im Mikrodruckbereich gesetzt wird, und daß Drehmomentspulen vorgesehen werden, die in ihrem Ansprechen auf ein Drehmomentsignal arbeiten und dem Trägheitselement sehr hohe Drehmomentgeschwindigkeiten aufgeben, so daß seine Schwingungsbewegung gesteuert wird. Um den Vorteil der potentiellen Empfindlichkeit des Schwingrotorkreisels voll auszunutzen, soll das Trägheitselement ferner extrem dünn gemacht werden und eine sehr geringe Torsionsbeschränkung um die Befestigungsachse besitzen. Wenn das Trägheitselement so konstruiert ist, ist es nicht nur empfindlich gegenüber Kräften, die Schwingungen im normalen Betrieb hervorrufen, sondern auch empfindlich gegenüber Kräften, die die longitudinalen und transversalen Oszillationsbewegungen, d. h. paral-IeI und senkrecht zu der Achse der Welle, verursachen. Zusätzlich kann eine solche oszillatorische Bewegung durch geringe Exzentrizitäten hervorgerufen werden, die in dem Trägheitselement selbst und in seiner Lageranordnung vorhanden sind.

Wegen der extrem hohen Empfindlichkeit des Schwingrotorkreisels und wegen der Schwierigkeiten, die bei der Beseitigung der geringen Exzentrizitäten des Trägheitselementes und der Nebenoszillationen auftreten, ist es erwünscht, daß die Abfühlanordnung des Schwingrotorkreisels gegenüber normalen Betriebsschwingungen des Trägheitselementes besonders empfindlich und gegenüber allen anderen Arten von Oszillatoren unempfindlich ist. Es sind viele Arten von Abfühlanordnungen bei bekannten Vorrichtungen untersucht worden, die sich aber alle als unzureichend erwiesen haben. Die piezoelektrischen Anordnungen beispielsweise besitzen eine nicht ausreichende Empfindlichkeit und einen zu hohen Dämpfungseffekt gegenüber Schwingungen des Trägheitselementes. Die kapazitiven Anordnungen andererseits sind Störungen auf Grund von Lärm aus elektrischen und magnetischen Streufeldern wegen ihrer hohen Impedanz unterworfen und weisen eine zu geringe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit über eine lange Zeitdauer auf Grund der dielektrischen Änderungen (z. B. Entgasung) auf. Während die induktiven Anordnungen eine ausreichende Empfindlichkeit und Genauigkeit ergeben, hat sich herausgestellt, daß keine der bekannten Anordnungen unempfindlich gegenüber Exzentrizitäten und fehlerhaften Oszillationen, auf die vorstehend Bezug genommen ist, sind.

Zusätzlich ist es erwünscht, ein Gasspinlager im Schwingrotorkreisel zu verwenden, da der von Natur aus weichere Betrieb und die längere Lebensdauer eine krafterzeugende Oszillationsquelle überflüssig macht. Das Gasspinlager erfordert jedoch eine Druckatmosphäre, damit es den hohen Beschleunigungskräften widerstehen kann, und muß deshalb gegen das Trägheitselement isoliert werden. Diese Isolierung wird in dem vorstehend erwähnten älteren Patent durch ein rotierendes Gehäuse, das das Trägheitselement umgibt, erreicht. Bei einer derartigen Anordnung ist es jedoch erforderlich, die Abfühl- und Drehmomentanordnungen innerhalb des rotierenden Gehäuses vorzusehen und damit wird der Schwingrotorkreisel möglichen Spulenentgasungen und Instabilitäten unterworfen. Zusätzlich macht die Anordnung die Verwendung eines Drehmomentauflösers und eines umlaufenden Wandlers notwendig und es ist nicht möglich, eine Abfühl-Drehmoment-Anordnung zu verwenden, die im äußeren Gehäuse des Kreisels angeordnet ist.

Es ist ferner bereits eine Abfühlanordnung für einen Schwingrotorkreisel bekannt (FR-PS 13 28 401), bei der das Aufnahmesystem ausschließlich aus Spulen zusammengesetzt ist und deshalb im Hinblick auf die Amplitude der Aufnahmesignale weit weniger wirksam ist und einen geringeren Ausgangspegel ergibt als im Falle einer Anordnung mit Elektromagneten mit Eisenkern.

Des weiteren ist eine Signalabnahme- und Gleichstromdrehmomentabgabevorrichtung mit einem umlaufenden System bekannt (US-PS 31 88 540), die kein Schwingbauteil aufweist, das einem Trägheitselement entspricht. Das rotierende Element dieser Anordnung ist ein sternförmiger Permanentmagnet der fest auf der ihn in Drehung versetzenden Welle angeordnet ist. Zwar ist bei dieser Anordnung ein radiales Magnetfeld vorhanden, und es ist grundsätzlich auch ein Topfmagnet bekannt, bei dem zylindrische Magnete in Topfform einen zentrisch angeordneten Stab in der Achse besitzen, wobei der Stab einen der beiden Pole bildet, während die zylindrischen Wandungen den anderen Pol darstellen, so daß ein radiales Magnetfeld erzielt wird. Derartige radial verlaufende Flußfelder, die ein rotierendes Element durchsetzen, sind jedoch im Falle dieses älteren Vorschlages nicht in Verbindung mit Schwingrotoren angesprochen.

Weiterhin ist ein grundsätzlicher Aufbau von Abfühlanordnungen bei Kreiseln aus US-PS 31 07 540 bekannt, wobei jedoch die Kreisel ebenfalls keine Schwingrotorkreisel sind. Bei dieser bekannten Anordnung handelt es sich um eine Vielzahl von Elektromagneten, die in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind.

Weiterhin ist eine Abfühlanordnung für eine Kreiseleinrichtung mit Trägheitselement bekannt (US-PS 27 19 291), das um eine Drehachse angeordnet ist und das Präzessionsbewegungen um zwei Achsen ausführt, die im Winkel gegenüber der Drehachse verschoben sind. Ferner sind Abfühlsignalgeneratoren vorgesehen, die eine einen Magnetflußpfad aufbauende Magnetfeldspeisequelle und Spulen aufweisen, die die Flußbahn an einer Stelle zwischen dem Trägheitselement und äußeren Elementen des geschlossenen Flußpfades schneiden, so daß Abfühlsignale in den Spulen erzeugt werden, die die Bewegungen des die Drehbewegung ausr führenden Trägheitselementes darstellen. Der Spalt im Magnetflußpfad ist hierbei so ausgebildet, daß die Richtung des Magnetflusses parallel zur Rotationsachse des gesamten Systems verläuft, also in axialer Richtung Bei dieser bekannten Anordnung ergibt sich, daß die Breite

des Spaltes sich ändert, wenn der Rotor während seines Betriebes Schwingbewegungen ausführt. Infolgedessen ist es von besonderem Nachteil, die Aufnahmespulen innerhalb des Spaltes anzuordnen. Die Aufnahmespule ist deshalb auch in der Mitte der Anordnung zusammen mit dem Eisenkern vorgesehen. Dadurch ist die Empfindlichkeit des gesamten Gerätes relativ gering. Dies muß so sein da das Aufnahmesystem einem zentralen Teil des Rotorsteges zugewandt ist und in diesem Bereich nur ein Teil der Bewegung stattfindet, die abgefühlt werden kann. Die maximale Amplitude der Schwingbewegung tritt an den äußeren Enden auf, praktisch am Umfang, da es sich in vorliegendem Fall jeweils um rotationssymmetrische Körper handelt; die Ausnutzung der maximalen Amplitude ist jedoch im Falle dieser bekannten Anordnung nicht möglich.

Zwar verlaufen kurze Abschnitte von Magnetflußlinien bei dieser bekannten Anordnung in radialer Richtung. Es kann jedoch kein rotationssymmetrisches Magnetfeld aufgebaut werden, d. h. ein Magnetfeld, in welehern magnetische Flußlinien in allen radialen Richtungen über volle 360° vorhanden sind. Die magnetischen Flußlinien erstrecken sich dabei in einem beliebigen Spalt (nicht im Trägheitselement), der im System nach dieser bekannten Anordnung ausgebildet wird, in axialer Richtung.

Schließlich ist aus der US-PS 29 95 938 ein Kreisel bekannt, der durch eine isoelastische Biegeanordnung aufgehängt und angetrieben wird. Bei diesem Kreisel ist ein Elektromagnet in radialer Richtung innerhalb des radial äußeren Kopfteiles des Schwungrades angeordnet. Dieser Elektromagnet ist ringförmig ausgebildet und die Ebene des Spaltes zwischen dem Elektromagnet und dem Schwungrad steht senkrecht zur Ebene der Spinachse, so daß der Magnetfluß durch den Spalt in axialer Richtung parallel zur Spinachse verläuft. Bei dieser bekannten Anordnung erzeugt der Permanentmagnet kein rotationssymmetrisches Magnetfeld.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, bei einem Schwingrotorkreisel der eingangs angegebenen Art die Abfühlanordnung des Kreisels besonders empfindlich auszugestalten und die volle Amplitude der Aufnahmesignale auszunutzen, um einen möglichst hohen Ausgangspegel zu erzielen. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, daß der magnetische Fluß so vollständig wie möglich ausgenutzt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 niedergelegte Ausbildung gelöst.

Weitere Merkmale Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird erreicht, daß die magnetischen Elemente, die den Magnetflußpfad bilden, stationär bleiben, während im Falle der Entgegenhaltungen das gesamte Magnetsystem sich drehen muß. Ferner wird mit der Erfindung erreicht, daß das rotationssymmetrische Feld zu einer Anordnung führt, bei der die Breite des Spaltes praktisch nicht verändert wird, wenn das Trägheitselement schwingt.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird weiterhin erreicht, daß die Empfindlichkeit des gesamten Gerätes im Vergleich zu bekannten Geräten vergleichbarer Art erheblich höher ist, da die Abführspulen im Spalt in unmittelbarer Nähe der maximalen Amplitude der Schwingungsbewegung liegen, und die Breite des Spaltes bei der erfindungsgemäßen Anordnung sich auf Grund von Schwingungen kaum ändern kann.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiclcs erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung längs der Linie 1-1 der F i g. 2,

F i g. 2 eine Querschnittsansicht der Ausführungsform nach F i g. 1 längs der Linie 2-2,

F i g. 3 eine stark vereinfachte Schnittansicht der Anordnung gemäß der Erfindung, aus der die magnetischen Flußpfade ersichtlich werden,

F i g. 4 eine vereinfachte Ansicht der Abfühlelemcnte gemäß vorliegender Erfindung, wobei die durch die Bewegungen des Trägheitselementes induzierten Spannungen angedeutet sind, und

F i g. 4a ein schematisches Blockschaltbild der Schaltung, die für die Abfühl-Drehmoment-Anordnung verwendet wird.

In den F i g. 1 und 2 ist ein Kreisel 10 mit Vibrationsrotor dargestellt, der aus einem zylindrischen, äußeren Gehäuse 11 und einem daran befestigten Trägerbauteil 12 besteht, auf welchem der Stator 14 eines mit konstanter Geschwindigkeit umlaufenden Synchronhysteresemotors 16 angebracht ist. Das Rotorelement 18 des Synchronmotors 16 ist über ein Bauteil 19 und eine Haltevorrichtung 23 an einer Spinwelle oder einem Wellenzapfen 20 befestigt, der einen damit verbundenen Zweiweg-Druckpuffer 24 aufweist, damit axiale Belastungen aufgenommen werden können, und der zusammen mit einer Hülse 25 über das Rotorelement 18 angetrieben wird, so daß eine Drehung auf einem Gasspinlager 22 erfolgt, das von dem Trägerbauteil 12 aufgenommen wird. Das äußere Gehäuse 11 ist aus hochpermeablem Material, z. B. Eisen-Nickel-Legierung (für Abschirmzwecke) aufgebaut, während das Lager 20 aus einem starren Material, z. B. korrosionsbeständigem Stahl hergestellt ist. Das Trägheitselement 26 (im Falle des Ausführungsbeispieles in Form eines Ringes) des Kreisels 10 mit Vibrationsrotor ist mit dem Lager 20 über ein regenschirmähnlichen Bauteil 21 gekoppelt, welches für eine gemeinsame Drehung ein Gehäuse 32 aufnimmt, das ein Trägerpaar 30 besitzt, das mit einem der Innenwandungen verbunden ist sowie ein Paar von Torsionsstäben 28 kreuzförmigen Querschnittes, die mit einem Träger des Paares 30 verbunden sind. Mit dem Ende der Träger 30, das in das Gehäuse 32 hineinragt, sind die Torsionsstäbe 28 befestigt, die das Trägheitselement 26 aufnehmen, während das andere Ende mit dem rotierenden Gehäuse 32 befestigt ist, das das Trägheitselement 26 vollständig umgibt. Wie aus den F i g. 1 und 2 zu entnehmen ist, erstrecken sich die Träger 30 in Öffnungen, die in' dem ringförmigen oder scheibenförmigen Trägheitselement 26 vorgesehen sind, wobei die Öffnungen die Träger 30 und die radial verlaufenden Torsionsstäbe 28 aufnehmen, während die äußeren Enden der Torsionsstäbe mit den Kanten der Öffnungen befestigt sind. Das rotierende Gehäuse 32 ist im allgemeinen hermetisch abgedichtet, im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es vollständig evakuiert oder enthält eine gesteuerte Atmosphäre geringer Dichte, z. B. Wasserstoff oder Helium.

Die erfindungsgemäße Abfühl-Drehmoment-Anordnung kann am besten in Verbindung mit den F i g. 3 und 4 in Zusammenhang mit den Fi g. 1 und 2 beschrieben werden. Ein Permanentmagnet 34 ist auf dem stationären Lager 22 befestigt und besitzt eine damit befestigte Polkappe 36, damit der magnetische Fluß aus dem Per-

mancntmagnet 34 zu der Kante des rotierenden Gehäuses 32 geführt wird. Der magnetische Fluß ist über das rotierende Gehäuse 32 mit dem Trägheitselcment 26 über einen Ferritring 38 gekoppelt, wobei der Ferritring 38 in der Weise wirkt, daß Wirbelströmc ausgeschaltet werden, die üblicherweise auf Grund der Vibrationen des Trägheitselementes 26 in bezug auf die Polkappe 36 auftreten wurden. Sowohl das Element 26 als auch die Polkappe 36 sind aus magnetischem Material, z. B. 50% Ni und 50% Fe hergestellt. Der magnetische Fluß verläuft dann in radialer Richtung nach außen durch das Trägheitselement 26 und den äußeren Teil 40 des rotierenden Gehäuses 32. Damit der Encrgieverlust auf Grund der durch Vibrationen induzierten Dämpfung auf ein Minimum herabgesetzt wird, so daß ein möglichst großer magnetischer Fluß von dem Trägheitselement 26 zu den Abfühl-Drehmomentspulen 42 über den äußeren Teil 40 des rotierenden Gehäuses 32 gekoppelt wird; der äußere Teil 40 besteht aus einem Material, das einen geringen Hystereseverlust und einen geringen Wirbelstromverlust aufweist. Der Teil 40 besteht somit z. B. aus einem nichtmagnetischen und den Strom nichtleitenden Material, z. B. einem keramischen Material (Aluminiumoxyd), einem Kunststoff, einem Siliziumoxyd oder einem mit Silizium angereicherten Glas. Zusätzlich werden die Seiten 33 des rotierenden Gehäuses 32 mit Hilfe des Ferritringes 38 auf dem gleichen magnetischen Potential wie das Trägheitselement 26 gehalten, damit eine durch Vibrationen induzierte Dämpfung des Trägheitselementes 26 auf Grund einer möglichen Flußkopplung mit nichtvibrierenden Teilen des Kreisels 10 mit Vibrationsrotor verhindert wird. Da die Seiten 33 und das Trägheitselement 26 auf dem gleichen magnetischen Potential liegen, besteht keine Flußkopplung zwischen beiden, sondern lediglich zwischen den Seiten 33 und den vorerwähnten Teilen. Da es erwünscht ist, das gleiche magnetische Potential auf der gesamten Länge der Seiten 33 aufrechtzuerhalten, sind die Seiten 33 aus einem Material hergestellt, das so ausgewählt wurde, daß es einen kleinen Abfall in der magnetomotorischen Kraft in seiner Längsrichtung ergibt; ein derartiges Material ist z. B. ein ferromagnetisches Material. Eine der Seiten des rotierenden Gehäuses 32 weist einen keramischen Ring 35 auf, der verhindert, daß ein zirkulierender Strom aus den Relativbewegungen der Polkappe 36 und dem Gehäuse 32 erzeugt wird.

Der magnetische Fluß verläuft von der Spule 42 zu einem Trägerbauteil 44 aus Ferrit (das die gleiche Funktion wie der Ferritring 38 hat) und zurück zum Magneten 34 über das Gehäuse 11 und das Trägerbauteil 12. Damit wird ein permanenter, geschlossener Magnetflußpfad, der das Trägheitselement 26 als integralen Bestandteil besitzt, in vorliegender Erfindung als Teil der Abfühl-Drehmoment-Anordnung aufrechterhalten. Während in der bevorzugten Ausführungsform der Magnet 34 stationär auf dem Lager 22 gehalten wird, kann der Magnet 34 einstückig mit dem Lager oder mit dem Trägheitselement 26 ausgebildet sein. Ferner ist darauf hinzuweisen, daß das rotierende Gehäuse 32 (mit dem Teil 40) dazu dient, das Trägheitselement 26 in einem Vakuum bei einem Gasspinlager zu halten, während der Teil 40 ermöglicht, daß die Spulen 42 außerhalb des rotierenden Gehäuses 32 angeordnet werden.

In den F i g. 3 und 4 sind die verschiedenen magnetischen Felder und Spannungen, die während des Betriebes des Kreisels mit Vibrationsrotor auftreten, dargestellt. Das magnetische Hauptfeld, das von dem Permanentmagneten 34 erzeugt wird, ist durch die Pfeile dargestellt, die dem magnetischen Flußpfad 46 folgen. Die Vibrationsbewegung des Trägheitselementes 26 (und damit des magnetischen Hauptfeldes), die durch den Pfeil 56 in F i g. 3 angedeutet ist, ergibt eine Spannung, die durch Pfeile 52 in F i g. 4 ausgedrückt ist, und die in den Abfühl-Drehmomentspulen 42 des Kreisels mit Vibrationsrotor erzeugt wird. Wie die F i g. 4 zeigt, nimmt die durch die Vibrationsbewegung des Trägheitselementes 26 induzierte Spannung in jeder der in Reihe geschalteten Spulen der Abfühl-Drehmomentspulen 42 eine entgegengesetzte Richtung an; da jedoch die Spulen 42 in Reihe geschaltet sind, wie F i g. 4a zeigt, addieren sich die entgegengesetzt gerichteten Spannungen und ergeben ein kombiniertes Abführsignal an den Klemmen 60. In ähnlicher Weise wird eine Spannung an den Klemmen 60' auf Grund der Bewegung des Trägheitselementes 26 in bezug auf die Abfühl-Drehmomentspulen 42' induziert. Da sowohl die Richtung des magnetischen Hauptfeldes durch die Spulen 42' als auch die Richtung der Bewegung des Trägheitselementes 26 in bezug auf die Spulen 42' entgegengesetzt zur Richtung des Feldes und der Bewegung des Trägheitselementes 26 in bezug auf die Spulen 42 ist, liegt die an den Klemmen 60' auftretende Spannung in Phase mit der an den Klemmen 60 auftretenden Spannung und kann bei einem kombinierten Abfühlsignal einfach addiert werden.

Wie vorstehend beschrieben, ist das Trägheitselement 26 longitudinalen und transversalen Vibrationen unterworfen, d. h. Bewegungen parallel und senkrecht zur Spinachse 20. Wie sich aus den F i g. 3 und 4 ergibt, sind die Abfühl-Drehmomentspulen 42 auf Grund ihrer Auslegung unempfindlich gegen solche transversalen Vibrationen. Wenn das Trägheitselement 26 sich in der durch den Pfeil 58 in F i g. 3 angezeigten Richtung verschiebt, tritt eine Flußkopplungszunahme oder -abnähme durch die Abfühl-Drehmomentspulen 42 auf, weil der Spalt zwischen dem Trägheitselement 26 und den Abfühl-Drehmomentspulen 42 sich ändert. Diese Änderung in der Flußverkettung induziert Spannungen in den Spulen 42, deren Richtung, die durch die Pfeile 54 in F i g. 4 angedeutet ist, in beiden Spulen gleich ist. Da die Spulen 42 in Reihe geschaltet sind, löschen die induzierten Spannungen einander aus und ergeben damit an den Klemmen 60 einen Nullausgang. In ähnlicher Weise wird ein Nullausgang an den Klemmen 60' erhalten. Wenn das Trägheitselement 26 in longitudinaler Richtung (durch Pfeil 57 in F i g. 3 dargestellt) vibriert, gehen alle Teile des Trägheitselementes 26 in bezug auf die Spulen 42 und 42' in die gleiche Richtung. Damit wird eine Spannung in den Spulen 42 induziert und an den Klemmen 60 dargeboten; diese Spannung weist eine entgegengesetzte Polarität in bezug auf die Spannung auf, die in den Spulen 42' induziert und an den Klemmen 60' dargeboten wird. Dies steht im Gegensatz zu der normalen Vibrationsbewegung des Trägheitselementes 26, das durch den Pfeil 56 in F i g. 3 angedeutet ist, bei welchem das Trägheitselement 26 sich in einer Richtung in bezug auf die Spulen 42 und in einer anderen Richtung in bezug auf die Spulen 42' verschiebt. Während somit im Falle vorliegender Erfindung die Addition von Abfühlsignalen aus den An-Schlüssen 60 und 60' ein kombiniertes Abfühlsignal für die normale Vibrationsbewegung des Träghcitseleinentes 26 ergibt, werden alle Signale, die an den Klemmen 60 und 60' durch longitudinal oder transversale Vibra-

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tion oder Verschiebung des Trägheitselementes 26 induziert werden, gelöscht (wie in F i g. 4a dargestellt).

Die Spulen 42 und 42' werden, wie vorstehend bereits ausgeführt, auch zum Aufgeben von Drehmomentkräften auf das Trägheitselement 26 verwendet. Zusätzlich ist zum Aufgeben von Drehmomentkräften längs orthogonaler Achsen, die in bezug auf das Gehäuse 11 fest sind, ein getrenntes Paar von Drehmomentspulen 43, 43' vorgesehen, die gegenüber den Spulen 42, 42' um 90" verschoben sind. Das Verfahren der Drehmomentbildung wird in Zusammenhang mit F i g. 3 auf einfache Weise erläutert. Ein an die Klemmen 60 und 60' gelegter Strom bewirkt, daß Magnetfelder durch die Spulen 42 und 42' erzeugt werden, wobei die Richtung und der Flußpfad solcher magnetischer Felder durch die gestrichelten Linien 48 und 50 angedeutet ist. Während das magnetische Hauptfeld, das von dem Permanentmagneten 34 (durch den Pfad 46 angedeutet) erzeugt wird, im oberen Teil und im unteren Teil des Trägheitselementes 26 in entgegengesetzten Richtungen verläuft, nehmen die von dem Strom in den Spulen 42 und 42' erzeugten Felder sowohl im oberen Teil als auch im unteren Teil des Trägheitselementes 26 die gleiche Richtung ein. Die gegenseitige Beeinflussung des Hauptfeldes und des von den Spulen 42 und 42' erzeugten Feldes ergibt somit entgegengesetzte Einflüsse auf den oberen Teil und den unteren Teil des Trägheitselementes 26. Da jedoch der obere Teil und der untere Teil des Trägheitselementes 26 bei normaler Vibration sich in entgegengesetzten Richtungen bewegen, ergibt eine derartige magnetische Beeinflussung ein gemeinsames Drehmoment auf den oberen Teil und den unteren Teil des Trägheitselementes 26. Wenn beispielsweise der obere Teil des Trägheitselementes 26 sich nach links bewegt, erzeugt die linke Spule der Spulen 42 ein Magnetfeld, das das Trägheitselement nach links anzuziehen versucht, während die rechte Spule der Spulen 42 ein Magnetfeld erzeugt, das das Trägheitselement 26 nach links abstoßen will; da der untere Teil des Trägheitselementes 26 sich nach links bewegt, erzeugt die rechte Spule der Spulen 42' ein Magnetfeld, das das Trägheitselement 26 nach rechts zu ziehen versucht, während die linke Spule der Spulen 42' ein Magnetfeld erzeugt, das das Trägheitselement 26 nach rechts abstößt. Der Nutzeffekt beider solchen Spulen 42 und 42' besteht dann darin, daß ein resultierendes Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn auf das Trägheitselement 26 ausgeübt wird.

Wie oben bereits ausgeführt, werden die Abfühl-Drehmomentspulen 42 und 42' sowohl zum Abfühlen des Trägheitselementes 26 als auch zur Aufgabe eines Drehmomentes auf das Trägheitselement 26 verwendet. Die entsprechende Schaltung ist in F i g. 4a dargestellt. Das Drehmomentsignal zur Aufbringung des Drehmomentes auf das Trägheitselement 26 wird an der Klemme 70 aufgegeben und über einen Gleichstromverstärker 72 an die in Reihe geschalteten Spulen 42 und 42' gegeben, wobei der Strom durch die Spulen 42 und 42' Drehmomentfelder auf dem Trägheitselement 26 erzeugt, wie im vorstehenden Abstatz erläutert. Gleichzeitig werden Abfühlsignale durch die Vibrationsbewegung des Trägheitselementes 26 erzeugt und den Klemmen 60 und 60' aufgegeben. Das das Trägheitselement 26 nicht nur vibriert, sondern auch rotiert, ist die Frequenz der Abfühlsignale, die von dem Trägheitselement 26 erzeugt werden, eine Funktion dieser beiden Bewegungen und ist direkt gleich der Summe der Rotationsfrequenz und der Vibrationsfrequenz (wobei auch ein kleiner Differenzfrequenzausdruck vorhanden ist). Somit weisen bei der Abfühlanordnung nach vorliegender Ausführungsform die Abfühlsignale (im Idealfalle) eine Frequenz von 2 N auf, da die Frequenz der Wellendrehung N und die Resonanzfrequenzvibration des Trägheitselementes 26 gleich sind. Bei einem praktisch ausgeführten Beispiel beträgt die Frequenz der Wellendrehung 375 H/. und damit besitzen die Abfühlsignale eine Frequenz von 750 Hz. Die

ίο Abfühlsignale werden dann durch ein Filter 74 geleitet, das zum Aussperren irgendwelcher an der Klemme 70 auftretenden Gleichstromdrehmomentsignale dient und das entweder ein schmales Bandfilter ist, das nur eine Frequenz von 750 Hz durchläßt, oder aber ein Sperrfilter wie z. B. ein Kondensator. Die Abfühlsignale werden dann mit einem Differentialverstärker 76 gekoppelt und an der Klemme 78 dargeboten.

Um die Abfühlsignale aus den Spulen 42, 42' (an der Klemme 78) in Komponenten nach einem Satz von orthogonalen Achsen aufzulösen, die in bezug auf das äußere Gehäuse 11 festgelegt sind (um die Richtung der Winkelverschiebung der Spinwelle 20 gegenüber solchen Achsen zu bestimmen), wird ein Taktgebersignal mit einer Frequenz 2 N erzeugt. Ein C-förmiger Taktgebergenerator 80 (F i g. 1) ist mit dem äußeren Gehäuse U über ein Trägerbauteil 12 befestigt und weist einen C-förmigen Permanentmagnet 81 mit einer darauf gewickelten Abfühlspule (und einer Ausgangsleitung) 82 auf. Ein umlaufendes Ferritbauteil 84 (das einen Teil des geschlossenen Flußpfades bildet) ist sehr leicht ellipsenförmig ausgebildet, so daß der magnetische Widerstand des magnetischen Pfades zwischen den Schenkeln des C-förmigen Taktgebergenerators 80 verändert wird. Da der C-förmige Generator 80 stationär ist, oszilliert die Lage des rotierenden Bauteiles 84 über die beiden Schenkel des Magneten 81 in radialer Richtung während einer jeden Umdrehung der Spinwelle 20. Bei jeder Umdrehung der Welle 20 bewirkt die radiale Oszillation des Bauteils 84, daß sie maximale und minimale Abstände von dem Taktgebergenerator 80 zweimal während jeder Umdrehung annimmt. Während einer jeden Umdrehung der Spinwelle 20 werden somit abwechselnd Pfade minimalen und maximalen magnetischen Widerstandes zweimal zwischen den beiden Schenkeln des C-förmigen Taktgebergenerators 80 ausgebildet. Da der magnetische Widerstand des Magnetpfades sich über zwei Maxima und zwei Minima bei jeder Umdrehung verändert, wird eine Wechsel-EM K in der Abfühlspule (und der Ausgangsleitung) 82 mit einer Frequenz von doppeltem Wert der Frequenz der Umdrehung der Spinwelle 20 erzeugt. Diese Wechsel-EMK dient zur Erzeugung eines Taktgebersignals mit der Frequenz 2 N. Wie in dem älteren Vorschlag, auf den eingangs Bezug genommen worden ist, erläutert, kann das Taktgebersignal einem Phasenschieber aufgegeben werden, damit zwei Taktgebersignale erreicht werden, die 90° in der Phase gegeneinander verschoben sind und die ihrerseits mit den Abfühlsignalen aus der Abfühlanordnung in gewöhnlichen Demodulatoren kombiniert werden, damit Signale erzeugt werden, die die Größen der Komponenten der Winkelverschiebung der Spinwelle 20 längs orthogonaler Achsen darstellen, welche in bezug auf das äußere Gehäuse 11 fest vorgegeben sind. Bei einer anderen Ausfiihrungsform kann ein zweiter Taktgebergenerator 80 vorgesehen werden, der in Umfangsrichtung um 45° versetzt ist, damit er das zweite Taktgebersignal erzeugt, das in der Phase urn 90° verschoben ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Abl'ühlanordnung für einen Schwingrotorkreiscl mit einem Trägheitselement, das aus magnetischem Material besteht, drehbar um eine Drehachse angeordnet ist und mit Hilfe von Torsionsstäben eine Schwingbewegung um eine durch die Torsionsstäbc festgelegte und im Winkel gegenüber der Drehachse verschobene zweite Achse ausführt, wobei die Abl'ühlanordnung in der Nähe einer die Drehachse festlegenden Drehwelle befestigte Abfühlsignalgeneratoren mit einem Permanentmagneten zum Aufbau eines Magnetflußpfades aufweist und in einem Spalt zwischen dem Trägheitselement und äußeren Elementen des Flußpfades befestigte Spullen vorgesehen sind, die den Flußpfad schneiden, wodurch Abfühlsignale in den Spulen erzeugt werden, die der Schwingbewegung des sich drehenden Trägheitselementes entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet ein rotationssymmetrischer, becherförmiger Magnetkörper (44, 11. 12, 34, 36) ist, der ein kreissymmetrisches Magnetfeld mit radial durch der Luftspalt verlaufenden Feldlinien erzeugt, in welchem das Trägheitselement (26) umläuft und schwingt und dessen Achse mit der Spinachse des Trägheitselementes zusammenfällt, daß der Spalt radial innen durch eine radial nach außen gerichtete Fläche des Trägheitselementes (26) und radial außen durch eine radial nach innen gerichtete Fläche des äußeren Polstückes (44) des Permanentmagneten gebildet ist, und daß die Spulen (42,42') mit dem äußeren stationären Gehäuse bzw. auf dem umlaufenden Gehäuseteil und sich mit diesem drehend angeordnet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (34) in der Nähe einer die Drehachse definierende Drehwelle (20) befestigt ist, und daß hochpermeable Polstücke (36, 44) aufweisende Magnetelemente vorgesehen sind, damit ein geschlossener magnetischer Flußpfad (38, 36, 34, 12, 44) gebildet wird, von dem das Trägheitselement (26) einen einteiligen, radialen Zweig bildet.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (42, 42') den Flußpfad an einer Stelle zwischen dem Trägheitselement (26) und äußeren Elementen des geschlossenen Flußpfades schneiden.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Abfühleinheiten vorgesehen sind, deren jede zwei benachbarte in Reihe geschaltete Spulen (42,42') aufweist (F i g. 4).

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Einheiten (42,42') deren jede zwei benachbarte, in Reihe geschaltete Spulen aufweist, 180° voneinander versetzt und in Reihe miteinander geschaltet sind (F i g. 4a).

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (40) der Gehäusewandung, die den magnetischen Flußpfad (46, F i g. 3) schneiden, aus einem Material bestehen, welches den Magnetfluß überträgt.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein den Strom nichtleitendes, nichtmagnetisches, vorzugsweise keramisches Material ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischcnträgcrteil (21) vorgesehen ist, das an der Drehwellc (20) befestigt ist, und das ein eine Toroidform aufweisendes Gehäuse (32) trägt, und daß die zentrische Öffnung des Toroids einen Teil (34,36) der magnetischen Flußquelle so aufnimmt, daß der magnetische Fluß in einer radialen Bahn (46) durch das ringförmige Trägheitselement (26) verläuft.

9. Anordnung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die radial verlaufenden Teile, z. B. die Seitenwandungen (33) des Gehäuses (32) das gleiche magnetische Potential wie das Trägheitselement aufweisen.

10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägheitselement (26) zwei diametral gegenüberliegende Öffnungen aufweist, daß zwei Trägheitselemente (30) mit der inneren Wandung des umlaufenden Gehäuses (32) befestigt sind, daß jedes Trägerelement (30) in eine der Öffnungen vorsteht, und daß die Torsionsstäbe (28) in radialer Richtung durch die Öffnung reichen, wobei ein Ende eines Torsionsstabes mit dem Trägheitselement (26) verbunden ist.