DE1548591C3 - Mit Halleffekt arbeitendes Gerat - Google Patents

Mit Halleffekt arbeitendes Gerat

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DE1548591C3 DE1548591A DE1548591A DE1548591C3 DE 1548591 C3 DE1548591 C3 DE 1548591C3 DE 1548591 A DE1548591 A DE 1548591A DE 1548591 A DE1548591 A DE 1548591A DE 1548591 C3 DE1548591 C3 DE 1548591C3
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    • H02N11/002—Generators

Description

genau symmetrisch zum Empfangskopf steht, das von der Hallsonde erzeugte Signal entweder unter Vorzeichenumkehrung durch Null oder durch ein Maximum; dieses Signal wird von einem nachgeschalteten Transistorverstärker in eine Schaltspannung umgeformt. Eine Übertragung dieses Prinzips auf eine rotierende Maschine würde daher ebenfalls keine Spannungen ergeben, die dem Sinus bzw. Cosinus der Winkelstellung des Rotors genau proportional wären.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Geräts, das in gleicher Weise wie die üblichen Resolver, jedoch ohne Wicklungen und Kollektoren, mit gutem Wirkungsgrad Spannungen liefert, die dem Sinus bzw. Cosinus der Winkelstellung eines Rotors proportional sind.
Bei einem Gerät der eingangs angegebenen Art wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Stator aus wenigstens zwei gleichen Teilzylindern aus magnetisierbarem Material besteht, die durch eine entsprechende Anzahl von in der Längsrichtung verlaufenden Luftspalten getrennt sind, daß in wenigstens einem der Luftspalte in an sich bekannter Weise eine oder mehrere Hallsondcn angeordnet sind und daß der radiale Luftspalt durch den Umriß des Querschnitts von zwei auf den Permanentmagnet aufgesetzten Polschuhen so geformt ist, daß sich das Magnetfeld in den in der Längsrichtung verlaufenden Luftspalten des Stators in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors sinusförmig ändert.
Das nach der Erfindung ausgebildete Gerät besitzt einen guten Wirkungsgrad, weil der Luftspalt zwischen Stator und Rotor außerordentlich klein gehalten werden kann, und andererseits ist es möglich, durch die besondere Form der Polschuhe genau den gewünschten Verlauf der abgegebenen Spannung in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors zu erzielen. Schließlich hat die Anordnung der Hallsonden in den' in der Längsrichtung verlaufenden Luftspalten des Stators den Vorteil, daß sie bei jeder Stellung des Rotors von den magnetischen Kraftlinien stets genau senkrecht durchsetzt werden, so daß für den jeweils wirksamen Fluß die maximale Hallspannung abgegeben wird.
Das erfindungsgemäße Gerät kann daher bei sehr kompaktem Aufbau eine kräftige Spannung abgeben, die genau dem Sinus bzw. Cosinus des Rotorwinkels entspricht.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform des Geräts nach der Erfindung längs der Linie H-II von F i g. 2,
Fig. 2 einen Querschnitt durch das Gerät von Fig.l,
F i g. 3 einen Querschnitt ähnlich F i g. 2 bei einer anderen Winkelstellung des Rotors,
F i g. 4 eine schematische Querschnittansicht zur Erläuterung der Erzielung eines nach einer Sinusfunktion vcn der Winkelstellung abhängigen Magnetfeldes,
F i g. 5 einen Querschnitt durch ein Gerät, mit dem zwei dem Sinus bzw. dem Cosinus des Rotorwinkels entsprechende Spannungen erhalten werden,
F i g. 6 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführung eines Geräts, mit dem zwei Spannungen erhalten werden,
F i g. 7 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführung eines Geräts, mit dem zwei Spannungen erhalten werden, und
F i g. 8 einen Querschnitt durch das Gerät von Fig. 7.
Das in Fig.l bis 3 gezeigte Gerät enthält einen Rotor mit einem Permanentmagnet 1, der im wesentlichen die Form eines Zylinders hat, der zur Rotorachse 10 rotationssymmetrisch ist und zwei Polschuhe 1.1 (Nordpol) und 11 α (Südpol) aufweist. Dieser Magnet erzeugt einen Magnetfluß Φ, der sich über zwei Halbzylinder 2 und 2 a des Status schließt, die vom Permanentmagnet 1 durch einen zylindrischen ringförmigen Luftspalt 4 getrennt sind und zwischen denen zwei einander diametral gegenüberliegende, in der Längsrichtung verlaufende Luftspalte 3 und 3 a bestehen, in denen eine oder mehrere Hallsonden 21 bzw. 21 b angeordnet sind. Die Polschuhe 11 und 11a des Rotors und die beiden Halbzylinder 2 und 2 a bestehen vorzugsweise aus einer magnetisch weichen Legierung.
Der vom Permanentmagnet 1 gebildete Rotor ist um die Rotorachse 10. mittels einer Welle 12 drehbar gelagert, die im Gehäuse 5 des Geräts durch zwei Kugellager 13 gehalten wird.
In dieser Stellung ist der vom Permanentmagnet 1 welcher die Nord-Süd-Achse des Permanentmagnets 1 und der Polschuhe 11 und 11 a in einer Linie mit den die Hallsonden 21 und 21a enthaltenden Luftspalten 3 und 3 α liegt.
In dieser Stellung ist der vom Permanentlagnet 1 erzeugte Fluß Φ von den Polen aus symmetrisch nach rechts und nach links zu beiden Seiten der diametralen Symmetrie-Ebene der Luftspalte 3, 3 a im radialen Luftspalt 4 in zwei gleichen Teilen verteilt, wobei sich die Teilflüsse links über den Halbzylinder 2 und rechts über den Halbzylinder 2 a schließen.
. Da kein Fluß durch die Luftspalte 3 und 3 a geht, hat die quer durch die Hallsonden 21 und 21a gehende magnetische Induktion den Wert Null, so daß die von den Hallsonden an den Klemmen 213, 214 abgegebene Spannung Null ist, unabhängig von dem ihren Klemmen 221,212 zugeführten Erregungsstrom. Diese Stellung des Rotors wird als »elektrischer Nullpunkt« bezeichnet.
In der Darstellung von Fig. 3 nimmt der Rotor die Stellung ein, in welcher die Nord-Süd-Achse einen Winkel Θ mit der Stellung einschließt, welche dem elektrischen Nullpunkt entspricht.
Von jedem rechts bzw. links von der Nord-Süd-Achse liegenden Teilfluß geht ein Teil Φχ nur durch den radialen Luftspalt 4, über einen Halbzylinder, während ein weiterer Teil Φ., außer über den radialen Luftspalt 4 und den anderen Halbzylinder noch durch den Luftspalt 3 bzw. den Luftspalt 3 a geht, so daß die Hallsonde 21 bzw. 21a erregt wird.
Das Verhältnis zwischen den Teilen Φ1 und </>._, hängt von der Winkelstellung Θ des Rotors ab. Für Θ — .τ/2 gilt insbesondere .Φι = 0, während Φ., ein Maximum hat, das den maximalen Wert des in den Luftspalten 3 und 3 a herrschenden Induktionsfeldes ergibt.
Die an den Hall-Elektroden 213, 214 bzw. 213«, 214a der Sonden 21 bzw. 21a erscheinende HaIlspannung ist dem in Luftspalt 3 bzw. 3 a herrschenden Induktionsfeld proportional, wenn die Hallsonden an ihren Klemmen 211, 212 durch einen Steuer-' strom konstanter Amplitude erregt werden. Wenn
5 6
also das im Luftspalt 3 bzw. 3 α herrschende Feld der beiden Sondenpaare nicht in allen Fällen genau
eine Sinusfunktion der Winkelstellung Θ des Rotors übereinstimmen, so daß sogenannte Achsenfehler
ist, gilt dies auch für die von den Hallsonden abge- bestehen bleiben,
gebene Spannung. Eine erste Lösung zur Beseitigung dieses Nachteils
In Fig.4 ist dargestellt, wie der erforderliche 5 besteht darin, daß die Länge des Rotors gemäß sinusförmige Verlauf des Magnetfeldes in den Luft- F i g. 6 verdoppelt wird und daß der Stator in seispalten 3 und 3 a erhalten wird. Bei dem Gerät von nem vorderen Teil mit zwei Halbzylindern2a, 2 b F i g. 4 besteht der Rotor wie im Fall von F i g. 2 aus und in seinem hinteren Teil mit zwei Halbzylindern einem Permanentmagnet 1 mit Polschuhen 11 und 2 c, 2 d ausgebildet wird, wobei die hinteren Halbila, die durch einen radialen Luftspalt 4 von den io zylinder von den vorderen Halbzylindern durch einen beiden Halbzylindern 2 und 2 a des Stators getrennt Abstand getrennt sind, der im Vergleich zu den Luftsind. In den einander diametral gegenüberliegenden spalten 3 ausreichend groß ist, daß die magnetischen Luftspalten 3 und 3 a besteht ein Magnetfeld, das im Streuflüsse zwischen den beiden Paaren von Halbwesentlichen proportional zum Cosinus des Winkels zylindern vernachlässigbar sind. Der Rotor wirkt mit ist, welchen die Nord-Süd-Richtung des Rotors mit 15 den beiden Paaren von Halbzylindern zusammen. Die dem durch die Mitte der Luftspalte 3 und 3 a gehen- Luftspalte 3 α, 3 b zwischen den vorderen Halbzylinden Durchmesser einschließt. dem.2α, 2b müssen genau senkrecht'zu den Luft-
Diese Eigenschaft wird durch die besondere Form spalten 3c, 3d zwischen den hinteren Halbzylindern
erhalten, die dem Profil der Polschuhe 11 und 11a 3c, 3d stehen, was eine genaue Einjustierung erfor-
erteilt ist. 20 dert.
Der Luftspalt4 ist an den Scheiteln der Pole am Eine weitere Ausführungsform ist in Fig.7 im
kleinsten, aber er nimmt schnell ab, so daß die Ecken Längsschnitt und in F i g. 8 im Querschnitt darge-
der Polschuhe sehr stark abgerundet sind. stellt.
Für ein Gerät, das gleichzeitig zwei Spannungen Damit die Achsenfehler noch genauer beseitigt
liefert, die den Funktionen cos Θ und sin Φ entspre- 35 werden können, enthält der Rotor hierbei zwei ge-
chen, sind verschiedene Ausführungsformen möglich. trennte Permanentmagnete, die Polschuhella, Ub
Die erste Ausführungsform ist in Fig. 5 dargestellt. bzw. lic, lld aufweisen und gegenseitig verstellbar Sie besteht in der einfachsten Form einfach darin, sind, während der Stator in Form von zwei Ringen daß der Stator 2 in vier Teilzylinder 2 α, 2 b, 2 c, 2d mit jeweils zwei Halbzylindern entsprechend der Ausunterteilt wird, zwischen denen Luftspalte 3 a, 3 b, 3 c, 30 führungsform von F i g. 6 beibehalten wird.
. 3 d bestehen, in denen jeweils eine Hallsonde ange- Bei dieser Ausführungsform können Fehler in der ordnet ist. Die Spannung, die von den in den Luft- senkrechten Ausrichtung der die Hallsonden 21a, spalten 3 a und 3 b angeordneten Hallsonden abge- 21 b, 21c, 21 d enthaltenden Luftspalte 3 α, 3 b, 3 c, geben wird, entspricht der Funktion cos Θ, und die 3 d dadurch kompensiert werden, daß der elektrische Spannung der Hallsonden in den Luftspalten 3 c und 35 Nullpunkt für die Hallsonden 21c, 21 d durch eine 3d, die um 90° gegen die Luftspalte 3a und 3b ver- geeignete gegenseitige Verstellung der beiden Permasetzt sind, entspricht der Funktion sin Θ. nentmagnete eingestellt wird, nachdem der Rotor um
Es ist jedoch schwierig, die Luftspalte3c, 3d ge- 90° gegen die Winkelstellung verdreht worden ist,
nau senkrecht zu den Luftspalten 3 a, 3 b anzuordnen. welche dem elektrischen Nullpunkt der Hallsonden
Dies hat zur Folge, daß die elektrischen Nullpunkte 40 21 a, 21 b entspricht.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Gerät mit einem Rotor mit wenigstens einem diametral magnetisierten Permanentmagnet, mit einem koaxial zu dem Rotor angeordneten ringförmigen Stator aus magnetisierbarem Material und mit gegenüber dem Rotor feststehenden Hallsonden, an deren Steuerelektroden eine Bezugsspannung gelegt ist und die an ihren Hallelektroden Spannungen abgeben, die von der Winkelstellung des Rotors abhängen, wobei die Pole des Permanentmagneten so geformt sind, daß zwischen den Polen und dem Stator ein radialer Luftspalt besteht, dessen Breite in der Mitte jedes Pols am kleinsten ist und zu den beiden Enden des Pols stetig zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator aus wenigstens zwei gleichen Teilzylindern (2, 2 a, 2 b, 2 c, 2d) aus magnetisierbarem Material besteht, die durch eine entsprechende Anzahl von in der Längsrichtung verlaufenden Luftspalten (3, 3 a, 3 b, 3c, 3d) getrennt sind, daß in wenigstens einem der Luftspalte in an sich bekannter Weise eine oder mehrere Hallsonden (21, 21 a, 21b, 21c, 21 d) angeordnet sind und daß der radiale Luftspalt (4) durch den Umriß des Querschnitts von zwei auf den Permanentmagnet (1) aufgesetzten Polschuhen (11, 11 a, lib, lic, lld) so geformt ist, daß sich das Magnetfeld in den in der Längsrichtung
. verlaufenden Luftspalten des Stators in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors sinusförmig ändert.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor einen einzigen Permanentmagnet (1) aufweist, und daß der Umriß des Querschnitts jedes Polschuhes (11,11 α) ein Halbkreis ist, dessen Mittelpunkt auf der Nord-Süd-Linie des Permanentmagnets (1) exzentrisch zur Achse des Rotors liegt.
3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umriß des Querschnitts der Polschuhe (11, 11 a) am Scheitel einen Krümmungsradius hat, der etwas kleiner als der Abstand des Scheitels von der Rotorachse (10) ist, und daß der Umriß die Form eines Tropfens hat, dessen Krümmungsradius mit zunehmender Entfernung vom Scheitel kleiner wird.
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator aus Viertelzylindern (Ua, Ub, Uc, lld) besteht.
5. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor einen einzigen Permanentmagnet (1) enthält, der von zwei axial nebeneinanderliegenden ringförmigen Statoren umgeben ist, von denen jeder aus zwei Halbzylindern (2 a, 2b; 2 c, 2d) besteht, und daß die einander diametral gegenüberliegenden Luftspalte (3 a, 3 b; 3c, 3d) der beiden Statoren senkrecht zueinander stehen.
6. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor zwei koaxial nebeneinander angeordnete Permanentmagnete (1) enthält, deren Lage auf der gemeinsamen Welle (1.2) getrennt einstellbar ist, und daß zwei ringförmige Statoren mit jeweils zwei Halbzylindern (2a, 2b; 2 c, 2d) vorgesehen sind, von denen jeder einen der Permanentmagnete (1) umgibt.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät mit einem Rotor mit wenigstens einem diametral magnetisierten Permanentmagnet, mit einem koaxial zu dem Rotor angeordneten ringförmigen Stator aus magnetisierbarem Material und mit gegenüber dem Rotor feststehenden Hallsonden, an deren Steuerelektroden eine Bezugsspannung gelegt ist und die an ihren Hallelektroden Spannungen abgeben, die von der Winkelstellung des Rotors abhängen, wobei die Pole des
ίο Permanentmagneten so geformt sind, daß zwischen den Polen und dem Stator ein radialer Luftspalt besteht, dessen Breite in der Mitte jedes Pols am kleinsten ist und zu den beiden Enden des Pols stetig zunimmt.
Bei den bisher bekannten Geräten dieser Art (französische Patentschrift 1 019 072, schweizerische Patentschrift 272 720) liegen die Hallsonden unmittelbar in dem radialen Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator; diese Ausbildung ermöglicht zwar die Abgabe 'einer Spannung, die von der Winkelstellung des Rotors abhängt, doch ist es nicht ohne weiteres möglich, diese Abhängigkeit einem vorgegebe- r" nen Gesetz in der gewünschten Weise anzupassen. Außerdem ist die Mindestbreite des radialen Luft-Spalts dadurch bedingt, daß sie größer als die Dicke einer Hallsonde sein muß. Infolge der verhältnismäßig großen Luftspaltbreite ist der Wirkungsgrad gering; außerdem wird die Hallsonde nicht mehr genau senkrecht von den magnetischen Kraftlinien durchsetzt, wenn der Rotor nicht' mehr genau symmetrisch zu den Hallsonden steht, oder bei ausgedehnten Hallsonden wird jeweils nur ein Teil der Hallsonde von den Kraftlinien des Rotors durchsetzt.
Diese bekannten Geräte genügen zwar für die Zwecke, für die sie bestimmt sind, nämlich einfach die Schaffung von kontaktfreien Kommutatoren. Sie sind aber nicht mehr geeignet, wenn das Gerät in gleicher Weise wie ein herkömmlicher, mit Wicklungen ausgestatteter Resolver (Drehmelder) Spannungen abgeben soll, welche dem Sinus bzw. Cosinus der Winkelstellung des Rotors genau proportional sind.
Ein Bedarf für solche Geräte, die Spannungen lie- , fern, die dem Sinus oder Cosinus einer Winkelstel- 1L lung proportional sind, besteht insbesondere bei Analogrechengeräten. Für diesen Zweck wurden bisher üblicherweise die unter der Bezeichnung Resolver oder Funktionsdrehmelder bekannten Geräte verwendet, die Rotorwicklungen und Statorwicklungen aufweisen; wenn an die einen Wicklungen eine Wechselspannung angelegt wird, erhält man die gewünschten Spannungen an den Klemmen der anderen Wicklungen. Der Nachteil dieser Geräte besteht darin, daß die Verwendung eines Kollektors mit Bürsten erforderlich ist; außerdem sind der oft erwünschten Miniaturisierung durch die Verwendung von Wicklungen Grenzen gesetzt.
Andererseits sind' aus der Zeitschrift »ETZ-A«, Bd. 81, Heft 9, April 1960, S. 323 bis 327, Anordnungen zur kontaktlosen Signalgabe bekannt, bei denen eine Hallsonde in einem Luftspalt angeordnet ist, der zwischen zwei Teilen aus magnetisch weichem Material besteht, damit ein Signal erzeugt wird, das den Vorbeigang eines Permanentmagnets an einem die beiden weichmagnetischen Teile enthaltenden Empfangskopf anzeigt. Je nachdem, ob der Permanentmagnet ein Flachmagnet oder ein Dipolmagnet ist, geht dann, wenn der Permanentmagnet
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