DE1673992C3 - Vorrichtung zur Ermittlung der Winkellage eines relativ zu einem ersten Körper drehbaren zweiten Körpers, insbesondere für Gyrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der W.nkellage eines relativ zu einem ersten Körper drehbaren zweiten Körpers, insbesondere für Gyrometer, mit einem dem einen Körper zugeordneten Stator und einem dem anderen Körper zugeordneten Rotor eines elektromagnetischen Systems und einer Primär- sowie mindestens einer Sekundärwicklung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung dieser Art zu schaffen, die einfach im Aufbau ist, trotzdem aber genaue Werte über die zu ermittelnde Winkellage liefert.

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder einem Pol des einen Teils des aus dem Stator und dem Rotor gebildeten magnetise! aktiven Körpers zugeordnete Pol des anderen Teils ir zwei Abschnitte unterteilt ist, welche den von der Pri märwicklung erzeugten gesamten Polfluß in zwei Teil flösse unterteilen, die die erste bzw. zweite Sekundär wicklung durchsetzen.

Wird die Primärwicklung einer solchen Vorrichtung mit einer Wechselspannung konstanter Amplitude er regt, so induzieren die beiden Teilflüsse in den beider Sekundärwicklungen je eine Wechselspannung, derer Amplituden Funktionen der Winkellage des Rotors be zogen auf eine elektromagnetische Gleichgewichtslage sind. Von den beiden Sekundärspannungen wird die Differenz ermittelt. Die Amplitude dieser Differenzspannung ist ebenfaiis eine Funktion der Winkellage des Rotors bezüglich des Stators. Die Richtung der Differenzspannung gibt die Richtung der Abweichung aus der magnetischen Gieichgewichtslage an. In der Gleichgewichtslage ist die Amplitude der Differenzspannung gleich Null.

Die Primärwicklung kann mehrpolig ausgeführt sein. In diesem Falle wird die erste Sekundärwicklung bei fortlaufender Numerierung der im Luftspalt zwischen Stator und Rotor nebeneinander verlaufender Teilflüsse von der Summe der ungeradzahligen Teilflüsse, die zweite Sekundärwicklung von der Summe der geradzahligen Teilflüsse durchsetzt.

Bei einer in ihrem Aufbau besonders einfachen Ausführungsform umfaßt jeder der Pole der Primärwicklung, die mit wechselnder Polarität in Richtung der Relativbewegung zwischen Rotor und Stator aufeinander folgen, zwei nebeneinander liegende Zähne. Bei fortlaufender Numerierung dieser Zähne wird dann die erste Sekundärwicklung von der Summe der Flüsse der ungeradzahligen Zähne und die zweite Sekundärwicklung von der Summme der Flüsse der ungeradzahligen Zähne durchsei zt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind alle Wicklungen auf dem Stator angeordnet. Hierdurch sind Schwierigkeiten, wie sie beim Anschluß einer auf dem Rotor vorgesehenen Wicklung auftreten können, ausgeschaltet.

Die Wicklungen können in verschiedener Weise ausgeführt sein. Als besonders vo. teilhaft hat sich die Ausführung als Strangwicklung erwiesen, die ähnlich einer Wellenwicklung ausgebildet sein kann.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand eines auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Stirnansicht des Ausführungsbeispiels,

F i g. 2 einen Längsschnitt des Ausführungsbeispiels,

F i g. 3 eine schematisch dargestellte Abwicklung der Innenfläche des Stators und der Wicklungen.

Ein Differenzspannungs-Winkelmeßgerät besitzt einen Stator 17 und einen Rotor 18. Der Rotor 18 weist eine gerade Anzahl, nämlich acht, regelmäßig auf seinen Umfang verteilte, ausgeprägte Zähne oder Pole 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 und 26 auf. Der Stator 17 ist mit einer doppelt so großen Anzahl Polen oder Zähnen wie der Rotor 18 also sechzehn, versehen; die Zähne des Stators 17 sind im Uhrzeigersinn mit ! bis 16 bezeichnet. Der Stoff, aus dem der Rotor 18 und der Stator 17 bestehen, ist der für Rotoren und Statoren von Elektromotoren übliche. Die Pole des Rotors sind in Umfangsrichtung ausreichend groß, um zumindest teilweise zwei aufeinander folgende Ziihne des Stators überdekken zu können.

In F i g. 2 bezeichnet die Zahl 27 die Wicklung in ihrer Gesamtheit, die aus einer Primär- und zwei Sekundärwicklungen besteht. Die Leitungen 28, 29, 30 und 31. 32, i3 stellen die Eingänge bzw. die Ausgänge dieser Wicklungen dar. s

Die Primärwicklung 34 ist als durchgezogene Linie. die erste Sekundärwicklung 35 als gestrichelte Linie und die /weite Sekundärwicklung *6 als strichpunktierte Linie in F i g. 3 dargestellt. Die tür alle drei Wicklungen verwendete Wicklungsart ist unter dem Namen »Strang-Wicklung« bekannt. Sie gleicht einer Wellenwicklung. Es erfolgt allerdings auf halbem Umfang eine Umkehr in der Gangrichtung, so daß jede Wicklung eine rechtsgängige und eine linksgängige Hälfte besitzt. An den beiden Umkehrstellen ist der Wickelschritt bei den Sekundärwicklungen = 1, d. h., zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spulenseiten liegt nur ein einziger Zahn, während er bei der Primärwicklung = 2 ist. Im übrigen Teil der Wicklungen ist der Wickelschritt ebenfalls = 2. ;o

Die Primärwicklung 34 besitzt er. ν Eingang.!-.icmnn-28 und eine Ausgangsklemmc 31. an die eine Wechselspannung konstanter Amplitude angelegt wird. Ir. der schematischen Darstellung der F i g. 3 sieht man. wenn rna η die Pfeile verfolgt, welche die Strornnehtung in der Wicklung 34 in einem bestimmten Augenblick angeben, daß die Wicklung 34 eine gewisse Anzahl Spulen bildet, wobei jede dieser Spulen zwei Zähne de·· Stators einschließt. Die durch die beiden aufeinanderfolgenden Spulen erzeugten Flüsse haben entgegen- 3c setzte Richtungen. So erzeugt die die Zähne ! und 2 einschließende Spule im betrachteten Augenblick em-.-n zum Betrachter gerichteten Fluß, die die Zähne 3 und 4 einschließende Spule einen entgegengesetzt gerichteten Fluß. Die die Zähne 4 und 5 einschließende Spule erzeugt wiederum einen auf den Betrachter gerichteten Fluß usw. Die erzeugten Flüsse haben also abwechselnd entgegengesetzte Richtung, und jeder der Flüsse verläuft über zwei benachbarte Zähne des Stators.

Die Sekundärwicklungen 35 und 36 werden von dem durch die ungeradz.aliligen bzw. geradzahligen Statorzähnc gehenden Fluß durchsetzt. So wird die Sekundärwieklung 35 durch die Summe der durch die Zähne 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 und 15 gehenden Flüsse durchsetzt. Anders .'.usgedrückt, besagt dies, daß die Spulen, aus denen die Wicklung 35 gebildet ist, die ungeradzahligen Zähne derart umgeben, daß die in der Wicklung 35 durch die durch die ungeradzahligcn Zähne geleiteten Flüsse induzierten Spannungen sich addieren. An den Klemmen 32-29 nimmt man eine erste Wechselspannung ab. In analoger Weise wird die Wicklung 36 durch die Summe der durch die geradzahligen Zähne 2, 4, 6, 8 10, 12, 14 und 16 geleiteten Flüsse durchflossen. Die in den diese Zähne umgebenden Spulen induzierten Spannungen addieren sich, und man nimmt an den Klemmen 33-30 eine zweite Wechselspannung ab.

Es muß darauf hingewiesen werden, daß die auf den Sekundärwicklungen 35 und 36 eingezeichneten Pfeile nicht die Richtung der induzierten Ströme anzeigen, sondern zum leichteren Verständnis der Wicklung bestimmt sind.

Im Ausführungsbcispic! besitzt die Primärwicklung 34 einhundertfünfzig Windungen, während die Sekunda! wicklungen 35 und 36 je einhundertfünfiindsiebzig Windungen besitzen. ⁶S

Man sieht, daß der durch eine Spule der Primärwicklung 34 erzeugte Fluß in zwei Teile aufgeteilt wird, von denen der eine in der Sekundärwieklung 35 eine Spannung und der andere eine Spannung in der Sekundärwieklung 36 induziert. Die jeweilige Amplitude der in der einen oder anderen Sekundärwieklung induzierten Spannungen hängt von der Reluktanz der magnetischen Kreise ab, in denen die Teilflüsse verlaufen. Die Reluktanzen selbst sind von der Winkelstellung des Rotors bezüglich des Stators abhängig, und zwar derart, daß beide in der in F i g. 1 dargestellten Mittellage gleich sind und bei einer Verdrehung des Rotors die Reluktanz des einen Kreises zunimmt, während diejenige des anderen Kreises abnimmt.

Das magnetische System Rotor-Stator arbeitet also wie ein Transformator mit veränderlicher Reluktanz, wie im folgenden erklärt werden wird. Wenn der Rotor 18 in der in F i g. 1 dargestellten Stellung ist, d. h. wenn die Achse eines Poles des Rotors mit der Winkelhalbierenden zwischen zwei aufeinanderfolgenden und in einem Fluß gleicher Richtung liegenden Zähne des Stators übereinstimmt, wie z. B. der Pol 19 und die Zähne t und 2, ist der Luftspalt, den die vom Pol 19 zu den von ein und derselben Spule der Primärwicklung 34 umfaßten Zähne 1 und 2 übertretenden Teilflüsse überwinden müssen gleich. Daher ist auch die Reluktanz beider magnetischer kreise gleich. Anders ausgedrückt, der Fluß trifft bei der Überwindung des Luftspalts auf dieselbe Reluktanz, gleichgültig, ob er durch die geradzahligen Zähne oder durch die ungeradzahligen Zähne fließt. Die in den Sekundärwicklungen 35 und 36 induzierten Spannungen sind also gleich. Der Rotor 18 ist in einer magnetischen Gleichgewichtslage.

Wenn man das magnetische Gleichgewicht durch Drehung des Rotors aus einer Gleichgewichtslage aufhebt, vermindert sich die vom einen Teilfluß angetroffene Reluktanz, z. B. diejenige der geradzahligen Zähne, wenn man den Rotor um einen gewissen Winkel im Uhrzeigersinn dreht, während sie für den durch die anderen Zähne geleiteten Fluß zunimmt, im gewähren Beispiel für die ungeradzahligen Zähne. Die in uer Wicklung 36 induzierte Spannung nimmt also zu, während die in der Wicklung 35 induzierte Spannung abnimmt. Dreht man den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn, ist die Änderung der induzierten Spannungen offensichtlich der des oben gewählter, Beispiels entgegengesetzt. Die Differenz zwischen den in der Wicklung 35 und in der Wicklung 36 induzierten Spannungen gibt also sowohl über den Winkel als auch über die Richtung der Verdrehung des Rotors, bezogen auf seine magnetische Gleichgewichtslage, Auskunft.

Man kann die an den Klemmen jeder der Sekundärwicklungen 35 und 36 auftretenden Spannungen mit Hilfe bekannter Gleichrichterschaltungen gleichrichten und sie dann in Gegenphase summieren. In der magnetischen Gleichgewichtslage erhält man dann für die Differenzspannung den Wert Null. Für die anderen Winkellagen des Rotors nimmt man eine Differenz-Gleichspannung ab, deren Amplitude der Winkeiverdrehung des Rotors proportional und deren Richtung von der Richtung dieser Verdrehung abhängig ist.

Es können aber auch beispielsweise die beiden in den Sekundärwicklungen 35 und 36 induzierten Spannungen direkt in Gegenphase summiert werden. In der magnetischen Gleichgewichtslage nimmt man dann eine Spannung mit dem Wert Null ab, da, wenn die beiden Amplituden gleich sind, ihre Vektorsumme gleich Null ist. Für eine bestimmte Drehung des Rotors ist die am Ausgang abgenommene Differenzspannung der Winkclverdrehung des Rotors proportional. Je nachdem, ob man den Rotor in der einen oder anderen Richtung,

bezogen auf die magnetische Gleichgewichtslage, dreht, ist die Ausgangs-Differenzspannung in Phase oder jn Gegenphase zur Vergleichs-Weehselspannung der Primärwicklung.

Die beschriebenen Wicklungen können in einem Gyrometer verwendet werden, sie können jedoch gleichfalls in jedem Winkelanzeigegerät oder Anzeigegerät für geradlinige Bewegungen Verwendung finden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche.

1. Vorrichtung zur Ermittlung der Winkellage eines relativ zu einem ersten Körper drehbaren zweiten Körpers, insbesondere für Gyrometer, mit einem dem einen Körper zugeordneten Stator und einem dem anderen Körper zugeordneten Rotor eines elektromagnetischen Systems und einer Primär- sowie mindestens einer Sekundärwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einem Pol (19 bis 26) des einen Teils (18) des aus dem Stator (17) und dem Rotor (18) gebildeten magnetisch aktiven Körpers zugeordnete Pol des anderen Teils (7) in zwei Abschnitte (1, 2; 3,4; 5, 6 usw. bir 15, 16) unterteilt ist, welche den von der Primärwicklung

(34) erzeugten gesamten Polfluß in zwei Teilflüsse unterteilen, die die erste bzw. eine zweite Sekundärwicklung (35 bzw. 36) durchsetzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (34) mehrpolig ausgeführt ist und daß die erste Sekundärwicklung

(35) bei fortlaufender Numerierung der im Luftspalt zwischen Stator (17) und Rotor (18) nebeneinander verlaufenden Teilflüsse von der Summe der ungeradzahligen Teilflüsse und die zweite Sekundärwicklung (36) von der Summe der geradzahligen Teilflüsse durchsetzt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Pole der Primärwicklung, die mit wechselnder Polarität in Richtung der Relativbewegung zwischen den beiden Teilen des magnetischen Körpers (17, 18) aufeinanderfolgen, zwei nebeneinander liegende Zähne (1, 2; 3, 4 usw. bis 15, 16) umfaßt und daß bei fortlaufender Numerierung der Zähne (1 bis 16) die erste Sekundärwicklung (35) durch die Summe der Flüsse der ungeradzahligen Zähne (1, 3, 5 usw. bis 15), die zweite Sekundärwicklung (36) von der Summe der geradzahligen Zähne (2,4,6 bis 16) durchsetzt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Wicklungen (34, 35, 36) auf demselben Teil (17) des magnetischen Körpers angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Wicklungen (34, 35, 36) auf dem Stator (17) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (34, 35,36) als Strangwicklungen ausgeführt sind.