DE1548591A1 - Mit Hall-Effekt arbeitendes elektrisches Geraet - Google Patents

Mit Hall-Effekt arbeitendes elektrisches Geraet

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DE1548591A1 DE19641548591 DE1548591A DE1548591A1 DE 1548591 A1 DE1548591 A1 DE 1548591A1 DE 19641548591 DE19641548591 DE 19641548591 DE 1548591 A DE1548591 A DE 1548591A DE 1548591 A1 DE1548591 A1 DE 1548591A1
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Description

OSP-CCMPiaiTIE GENfi:!ALE .BE'T-BTiKSRA -LIE 'JANS PIL 79, Boulevard Haussmann
Hall-Effekt arbeitendes elektrisches Gerät
Erfindung bezieht sich auf Geräte, welche in Form einer Spannung einen Winkel oder die Elemente einer trigonometrischen Heoimng liefern, insbesondere auf Geräte dieser Art, bei denen diese Spannung an den Hall-Elektroden eines Halbleiterplättchens abgenommen i*ird.
l>ie bisher bekannten, insbesondere bei den Analogrechengeräten verwendeten Geräte zur erzeugung einer Spannung, die entweder der Winkelstellung eines Rotor« bei Potentiometern oder dem Sinus oder dem Cosinus dieses Winkele im falle TonResolTern proportional ist, enthalten üblicherweise Rotorwicklungen und Statorwicklungen, die beispielsweise in Nuten eingelegt sind, welche im Rotor und im Stator angebracht sind. Die einen Wicklungen werden mit der Bezugsspannung gespeist und stellen denErreger darf die anderen Wicklungen bilden den Anker, an dessen Klemmen eine Spannung abgenommen wird, die dem Geaamtf luse proportional ist, der durdii die Wicklung
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BAO ORIGINAL
geht. Diese '"pannung ergibt eine periodische Punktion des Winkels des Rotors in Bezug auf eine feste Richtung, beispielsweise auf die Richtung des "elektrischen ÜTullpunkt-e11 der Maschine, bei welchem der gesamte durch den Anker hindurchgehende Flusa Hull ist.
Der Nachteil dieser Geräte besteht darin, dass «ie die inwendung eines Kollektors und von Bürsten erfordern, die auf Grund ihrer Reibung elektrisch· Pari ken aad demzufolge Unre^elmassigkeiten in der Winkelmessung hervorrufen.
AuBserdem wird durch die inmer weitergehend· Miniaturausf'lhrung, die bei zahlreichen Anwendungsfällen, insbesondere bei den Fernsteuer-nfid Fernmesseinriehtangen an Bord von ferngelenkten Flugkörpern unerlässlich ist, die Verwendung von Wicklungen beschränkt.
Das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung dieser Nachteil· dadurch, dase die Erregerwicklungen durch einen Magnet ersetzt werden, der den Rotor darstellt, während die Ankerwicklungen durch Hall-Sonden ersetzt werden,
die in Schi it β en angeordnet sind, welch· einen 8 ta torring in Richtung von Mantellinien unterteilen, welche in geeigneter V/Weie· ua den Umfang verteilt sind.
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BAD ORIGINAL
jn der Potent^iHBeldung C 31 954 ist bereits vorgesc l:jgen, in einem Tae'ometergenerotor die Ankerwic lung durcli Hall-Sonden au ersetzen, wobji der Erreg-r aus einem feststehenden Magnet besteht, um den e ne Glocke aus einem gut leitenden Material drehbar ist, wodurch die ümjilJtude des Erreger- ην· gn.itfelds in JJb/i .ngi:jkeit von der !Drehzahl der Glocke
i!oduliert wird.
las erfindungsgeauLsse Ger it ent1.' JIt einen Rotor, der von einem konzentrischen Stator unuebsn X3t, der Sclialtun^,steile trägt, in denen eine Spannung in Abii-*r>gigkeit von
der Winkelstellung des Rotors induziert wird, und es
kennzeichnet sich d durch, dyas der Rotor aus wenigstens einem Eignet besteht, der zwi chen zwei Folochuhen sue
einer magnetischen Legierung eingsfügt ist, dfjsa zwischen den Pol3chuhen und dem konzentrischenStator ein radialer Luftspalt bsBteht, decken Breite an den Scheiteln der
polschiihe ar lüeinsten ist und von den Scheiteln zu
den "Ecken der Pultsc'nuhe fortschreitend Kunimmt, diss-.?
der St- tor cllgeiein die Forii eines zylindrischen Rinkes h t unJ aus .-eni^stjna ζ ei einander gleichen Teilen
zusasunen^c :etzt iat, d.oas die einander benechbyrten
St torteile durcli in der L ngrrichtung v· rlaufende Lui'tepaltö voneinander getrennt sind, und d ss in --.enigatens
einem
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eine· der Luftepalte eine oder mehrere Sonden mit Halleffekt angeordnet sind, deren Steuerelektroden eint Beeu^sspannung sugeführt wird, und die an ihren Hall-Elektroden eine Spannung abgeben, welche τοη der Winkelstellung de* Rotors abhängt.
Ee gibt bereite Rotoren, die aus einea Magnet beetehen, der Polschuh· aufweist, die Ton einer Koaxial κοκ Iotor liegenden zylindrischen Fläche begrenst sind. Derartige Rotoren würden in den Stator Spannungen induiieren, die weder linear wären, so dass sie als Potentiometerspannungen Terwendet werden könnten, noch sinusförmig, so dass das Gerät als ReeoIter verwendet werden könnte«
Durch die Erfindung iet es möglich, ein Oerät der suvor angegebenen Art dadurch als Potentiometer ca verwenden, dase daß Profil der Polechuhe einen besonderen Verlauf erhält, der beispielsweise dadurch erhalten wird, dass linke und rechts vom Scheitel jedes Polschuh· ein Viertel-Kreis beschrieben wird, dessen Mittelachse auf der Nord-Siid-Symmetrieachse dee Hagnets liegt und eine geeignete Exzentrizität in Bezug auf die 'rehnchse des Rotors aufweist«
FUr einen Betrieb als Resolver wird das erfindungsgemXsse Gerät so ausgebildet, dass derStatorring mit Tier Schlitten
versehen 009810/0795
BAD ORIGINAL
versehen let, dass die ÜMrissllnie dea Profils der Polschuh· gleichfalls einen KrüemungBradius am Scheitel hat, der etwas kleiner al& derAhstand dieses ccheltels von der drehachse des Rotor» ist, während die überstehenden ^nden der Polachuh· die Form eines halbkreisförmigen Tropfens haben, dessen Radius mehrfach kleiner als der Krümmungsradiusam Scheitel ist, und dass das Verhältnis dieser Radien so gewählt ist, dass die induzierte periodisch· Spannung im wesentlichen sinusförmig ist.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigen:
Fig.1 einen Längsschnitt durch ein als Potentionefcer ausgebildetes Gerät mit Hall-Effekt, wobei der Schnitt nach der linie 2-2 von Pig.2 verläuft/
.2 einen Querschnitt durch das Gerät von I1 ig, 1,
Fig.3 einen Querschnitt ähnlich Fig.2 bei einer anderen Winkelstellung des Rotors ,
Fig.4 ein Diagramm der periodischen Änderung des ^uagangs signal» In Abhängigkeit von der Winkels tollung des Rotor«ί
Fig.5 einen Querschnitt durch ein Gerut, bei dem die Polschuhe eine solche Umrissforn. haben, duss ein im ■veus-.-Ciiohen linearir Verlauf aer im Eiugrarcm von Fig.4 dargestellten ind zierten Spannung erhalten wird,
irig.6 den Querschnitt eines erfind ungügeLiissen Geräts, bei dem die Polschuhe des Rotors für dan Betrieb als Resolver au , ebildet sind und
Fig. 7 bis 10 verschiedene Aus! Sai rungs formen eines zum Betrieb als Eesolvor ausgebildeten Geräts mit vier Schlitzen.
Fig.1 und 2 zeigen einen^entrsl ungeordneten Magnet 1, der i .vesentlichen die Fori.'i eines Zylinders hat, der zur geometrischen Achse 10 rotationssymmetrisch ist und zv/ei Polschuhe 11 (Nordpol) und 11a (jüdpol) aufv/eist« Eieser Magnet erzeugt einen ^ognetfluds 0 , der 3ich über z-vei H^lbachalen 2 und 2a schlieuöt, die vora M&gnet 1 durch einen zylindrischen ringförmigsnLui'tapslt 4 getrennt sind, und zv/ischen denen z.vei einander diametral gegenüberliegende Luftspalte 3 und 3a oestehen, in denen eine oder mehrere bonden 21 bzv/. 21b mit Häll-BiTekt angeordnet
sind.
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BAD ORIGINAL
sind. £ie Polschuhe 11 und 11a des M-jgnets und die beiden H-ilbschalen 2 und 2a tr-stehen vorzugsweise aus einer magnetisch .,eichen Legierung.
Eer Magnet 1 stellt den Rotor der Machine dar. Er wird um die Achse 10 durch eine WeHe 12 in Drehung versetzt, die im Gehäuse 5 der Maschine bei3iielsv/eise durch zwei Kugellager 13 gehalten .vird.
In pig.2 ist der Rotor in der Stellung gezeigt, in welcher die Nord-Süd-JVchse des Magnets 1 und der Pv.lsch.uhe 11 und 11a in einer Linie mit den Luftspalten 3 und 3a der Sonden 21 und 21a liegt.
In dieser Stellung ist d-r vom Magnet erzeugte Fluss 0 von den Polen aus symmetrisch nach rechts und nach links zu beiden Seiten der diametralen Ebene 3~3a im radialen Y/aftspalt 4 der Mb -ciüiie in z.vei gleichen Teilen verteilt, deren M^gnstkreise sich links über die Halbschale 2 und rechts Lber die H-jlbachale 2a schliejsen. Ea kein Fluss über die Luftspalte 3 und 3a geht, hat die quer durch die Senden 21 -.nd 21a bestehende magnetische Indi-ktion an den Klemmen 213, 214 den \7-rt Null, so dass die von uen Hall-oonden abgegebene Spannung HulJ ist, unabhängig von den iaren Kleiümen 211, 212 -zug« führten Erregung^
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BAD ORIGINAL.
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Diese Stellung des Rotors wird als "elektrischer Nllpunkt" bezeichnet.
In der darstellung von Pig.3 niramt der Rotor 1 die Stellung ein, in welcher die Nord-S;d-Achse einen Winkel θ mit der -teilung einschliesst, welche dem elektrischen Nullpunkt entspricht.
In jedem Teil des Hauptflusses 0, der rechts bzw. links von der Nord-Süd-Achse liegt, scliliesst sich ein Teil 0. über die Halbschale nur durch den radialen Luftspalt 4, während sich ein v.-eiterer Teil 02 ausser über den radialen luftspalt 4 und die andere Halbschale noch über den Luftspalt 3 bzw. den Luftspalt 3a schliesst, wodurch die Sonde 21 bzw. 21a erregt wird.
Das v^rhältnis zwischen #L und jZL klängt von der Winkelstellung θ des Rotors ab. Far O = T/2 gilt insbesondere JZL=O, während {2L β^η Maximum ist, das dem maximalen Wert (Bj, =mM) des in <!en Luftspalten 3 und 3a herrschenden Induktionsflusses B ist, wie aus Pig.4 ersichtlich ist.
Die zwischen fen Hall-Kle' troden 213, 214 bzw. 213a, 214a der bonden 21 bzw. 21a erscheinende Spannung ist dem Induktionsi'eld B proportional, wenn diese Sonden an ihren Klemmen 211, 212 durch einen Steuerstrom konstanter
009810/0795 Amplitude
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Amplitude erregt: v/erden.Wenn also d..ü Lu..ti;|.ultfeld B eine lineare !funktion der Wickels teilung 0 dea Rotors ist, gilt dies auch für die von den Sonden abgebebane Spannung.
Y,renn man die in Fig. 2 und 3. darge j be Ixte ve re inf aeilte Form deu Rotors wählt, bei dem die Pole durch eine zur Achse 10 rcfotionssy^ü.etrische Zylinderfläche begrenzt sind, ist die Linearität rächt befriedigend. Erfindungsgem^ss wird vorzugsweise den Polen die in Jig.5 dargestellte und später beschriebene J? or in gegeben.
-■■gs sei zunächst die vereinfachte Form des Rotors von Fig.5 betrachtet.
Der sich dem Durchgang des -Flusses 0λ entgegensetzende magnetische Widerstand besteht hauptsächlich aus dem Teil des radialen Luftspalts 4, der die Aussensaiten der Pole 11, 11a von der gegenüberliegenden Halbschale trennt. Dieser erste V/l der stand ist von dem Winkel θ abhängig, Der sich dem Durchgang des Flusses ^2 entgegensetzende magnetische Widerstand besteht im v/esentliehen aus dem festen magnetischen Widerstand des Luftspalts 3 bei dem linken Magnetkreis bzw. uus dem festen magnetischen Widerstand des Luftspalts 3s bei dem rechten Magnetkreis und aus dem vom Winkel θ abhängigen magnetischen Widerstand dea radialen Luftspalt«, der in jedem der Mt-o'^-s-tkreise enthalten ist.
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Der
Der gesamte magnetische '/fiüerc-and für den Fluss 0 besteht •:us dienen beiden magnetischen V/id erständen, welche mit dem Streuflusswiders.;and parallelgeschaltet sind. Der Fluss 02 und daiiit die Induktion B h^.n.^en d-stnit von θ ab, aber mch einem verhältnismässig komplizierten Gesetz.
Lie maximale Abweichung &. von der Goraden OM (i'ig.4), die dem linearen G-euetz entspricht, liegt unterhalb dieser G-er-.den.
Der relative "Imnktio^sf ehler" fc = Δ /mH hängt von den allgemeinen Abmessungen des Geräts, den Eigenschaften des Magnets, insbesondere seiner Permeabilität , den i.bnieijsun.'-en de.ci Luft spalt s der bonden sowie dem Anteil des magnetischen Streuflusses ab, der bewirkt, dass ein Teil des vom Με-gneb erzeugten Flusses nicht durch die beiden ^albsclialen r-eht.
Zur Verringerung dieses Funktionsfehlers £ wird den Polen die in Fig.5 dargestellte Form gegeben. Der radiale Luftspalt ist am kleinsten an den Scheiteln 111, 111a der Pole, und er nimmt mit wachsender Entfernung von den
Polen zu, bis er auf der Höhe der Polecken 112, 113 bzw. 112a, 113a seinen grössten Wert erreicht.
Die
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ideale Form ist durch ein mathematisches Gesetz gegeben, das leicht zu bereohnen ist, aber zu einem umriss führen wurde, der industriell nur ν erhältηisr'iässig schwierig nachgebildet werden könnte.
Dieser Umriss wird zwecksmässig durch einen Kreisbogen ersetzt, der so exzentrisch liegt, dass ein noch annehmbarer Punkt ionsfehler bestehen bleibt.
Des in Pig.5 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht den folgenden Werten:
Aussendurchmesiier (des Teils 5) 25 mm
Bohrung (des Stators 2) ■ 17 mm
Minimaler radialer Luftspalt (4) " 1 mm
Luftspalt (5) d r Sonden 0,5 mm
Exzentrizität 10-101 1 mm
Radius <£ 6,8 mm I?u η fet ic- na fehler fc rgrÖssenord::ungsmässig 0,002
Durch die Erfindung wird also unter Verwendung eines ütators mit Hall-Sonden und eines drehbaren Magnets geeigneter Form eine Maschine geschaffen, die eine ^pannun/5 abgibt, welche im wesentlichen dem Drehwinkel des Rotors proportional ist« Diese Maschine h'it folglich die funktionellen -üivenöchaften von herkömmlichen rotierenden
Induktions-
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Induktionspotentiojiietern, und sie ergibt d^r^berhinaus besondere Vorteile, insbesondere die Vermeidung von Funken bildungen und die ί,ί glichkeit einer v/eitergehenden Miniaturaus fhrung.
D s gleiche Prinzip der Verwendung von Hall-Sonden, die unter einem Mognetfeld stehen, diis von einem, drehbaren Magnet erzeugt wird, lässt sich zur Bildung von Geräten anwenden, welche die 'Jigenschoften von herkömmlichen induktionsrcisolvern haben.
Bei dem Gerät von Fig.6 besteht der Rotor wie im Fall von Fig.2 aus einem Magnet 1 mit einem Nordpol 11 und einem Südpol 11a, die durch einen radialen Luftspalt 4 von den beiden Hslbschslen 2 und 2a des Utators getrennt sind.
In den einander diametral gegenüberliegenden Luftspalten 3 und 39 besteht ein Magnetfeld , das im wesentlichen projjorti ;nal zum Cosinus des V/inkels ist, welchen die Nord-3;;d-Richtung ues Rotors mit dem Durchmesser 3~3a einschliesst.
Liese -eigenschaft .vird durch die besondere Forin erhalten, die dein profil der Polschuhe erteilt 13t.
Der Luftspalt 4 ist vvie im Fall von Fig.5 an den Scheiteln der Pole am kleinsten, ^ber er nimmt nach einem schnelleren Gesetz ab, so d:.-.js die Polecken sehr stark abgerundet sind.
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BADORiGlNAL
Damit das- Grsrät vollständig ist, muss es gleichzeitig die Funktionen cos θ und sin θ liefern.
Zu diesem Zweck sind verschiedene Ausfrdirungsformenynöglich.
Die erste Ausführungsform ist in l^ig»? dargestellt» Sie besteht in der einfachsten Form einfach darin, dass der Stator 2 in vier Teile unterteilt wird, von denen die Seile 2a und 2b die Punktion cos θ und die Teile 2c und 2d, die um 90° gegen die Teile 2a , 2b versetzt sind, die Punktion sin 0 liefern.
Pig.8 zeigt diefzweite Ausführungsform.
iüs ist schwierig, die Luftspalte 3c , 3d genau senkrecht zu den Luft spalt en 3a, 3b anzuordnen, '--des hat zur Folge, dass dielektrischen Nullpunkte der beiden Sondenpaare nicht in allen Fällen genau übereinstimmen, so dass sogenannte Achsenfehler bestehen bleiben.
Eine erste Lösung zur Beseitigung dieses Nachteils besteht darin, dass die Lunge des Rotors verdoppelt wird, unc. dass dieser Rotor in seinem vorderen Teil mit zwei Halbschalen 2a, 2b und in seinem hinteren Teil mit zwei Halbschalen 2c, 2d bedeckt wird, wobei die hinteren Halbschalen von
den
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den vorderen Halbschalen durch einen Abstand getrennt sind, der im Vergleich, zu den Luftspalten 3 ausreichend gross ist, dass die magnetischen Streuflüsse zwischen den beiden -faaren vernachlässig'oar sind.
Me Luftspalte 3a, 3b und 3c, 3d müssen /yenau senkrecht zueinander stehen, was eine genaue Einjustierung erfordert.
Eine dritte AuafMirung^form ist in Fig.9 im Längsschnitt und in Fig»10 im Querschnitt dargestellt.
Damit die Achsenfehler noch genauer beseitigt v/erden können, v/erden hierbei zwei getrennte Magnete verwendet, die Pole 11a, 11h bzw. 11c, 11d aufweisen und gegenseitig verstellbar sind, während der Stator in Form von zwei Ringen mit jev/eils zwei Halbschalen beibehalten wird, wie in Pig.8 dargestellt ist.
Bei dieser Aus fiihrungs form können Fehler in der senkrechten -Ausrichtung der ^ondenluftspalte dadurch kompensiert werden, dass der elektrische Nullpunkt für die Sonden21c, 21d durch eine geeignete Einstellung der Magnetpolanordnung realisiert v/ird, nachdem der Rotor um 90° gegen die V/inkelstellung verdreht worden ist, welche dem elektrischen Nullpunkt der oonden 21a, 21b entspricht.
Patentansprüche
009810/0795
BAD ORIGINAL

Claims (6)

Patentansprüche
1. Gerät mit einem Rotor, der von einem konzentrischen Stator umgeben ist, welcher Sehaltungsteile trägt, in denen eine Spannung indiziert wird, die von der Winkelstellung des Rotors sbhr-ngt, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor aus wenigstens einem Magnet besteht, der zwischen zwei Polschuhe aus einer ma;;neti' chen legierung eingefügt ist, die so ausgebildet sind, d ss zwischen dem Rotor und dem konzentrischen St-.itor ein radialer Luftspalt besteht, dessen Breite an seiner i-Iitte am kleinsten ist und zu den beiden Enden der Polschuhe hin fortschreitend zunimmt, dass der stator im allgemeinen die Form eines zylindrischen Ringes hat und aus wenigstens zwei einander gleichen Teilen besteht, die voneinander durch eine entsprechende Zgul von in der Langsrichtung verlaufenden Luftspalten i;etr· nnt sind, und dass in wenigstens einem der Luftspalte eine oder mehrere bonden mit'Hall-Effekt angeordnet sind, von denen jede an ihren Steuerelektroden eine Bezugsspannung empfängt und an ihren Hall-Elektroden f eine Spannung abgibt, die von der Winkelstellung des
• Rotors abhängt.
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*" 16 —
2. 3-er!:"t nach -Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger liotormagnet vorgesehen ist, und dass der Umriss des Querschnitts jedes Polschuhes dadurch erhalten wird, d'-iss nac ■ links und nach rechts vom Scheiteides Polsehuhes ein Viertelkreis beschrieben v;ird, dessen Mittelpunkt auf der ITord-Süd-Linie des Magnets exzentrisch zur Achse de3 Rotors liegt.
3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umriss des Querschnitts der Polschuhe am Scneitel einen Krümmungsradius hat, der etwas kleiner als der Abstand des Scheitels von der Rotcraehee ist, und d ss der Umriss die Form eines halbkreisförmigen Tropfens hat, dessen Radius in einem solchen Verhältnis kleiner als der Krümcungdradius am Scheitel ist, dass die an den Hall-Elektroden abgenommene spannung eine ia wesentlichen sinusförmige Punkt'on der 'Winkelstellung des Rotors ist.
4. Gl· rät nach Anspruch 3, gekennzeichnet durc" einen einzigen xiot or magnet und einen Statorring aus vier Vierte Is cha len.
5. O β rät nach Jinsur uch 3, gekennzeichnet durch einen einzi en I'-otora.;;;net, der vcn z-vei dtstorriugen umgeben ist, von denen jeder aus zv;e~i Halb schule η '■· es teilt, wöbe" die einander diametral gegenüberliegenden luftspal^sonden in den beiden Jt:-.torrangen sen'roclit zueinander stehen.
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BAD ORIGINAL
6. G-eri't noch Ansruch ;, el 'ure ^''.snnze !.einet, dass ZHei koaxiale Rotornv; - note nebeneinander an.;=: „c-r-ln^t sind, doss die Pef-tstellun-· jede^ ^-ajnets r-;uf der :;,% :..einBa;!.ei: Welle getreunt einstellbar ist, und das; zi-;ei St-.itorrin^e vdt jaeils av;ei Il-ilbt-Oii^j-en vort2eu siLd,'von denen j-d-r einen der Iiot jru&._nete umgibt.
j I *J<)'} 0 ϊ
)'} 0 ϊ
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