DE1903276A1

DE1903276A1 - Elektrischer Wandler

Info

Publication number: DE1903276A1
Application number: DE19691903276
Authority: DE
Inventors: Ayers Peter John Henry
Original assignee: T V Manufacturing Ltd
Current assignee: T V Manufacturing Ltd
Priority date: 1968-01-23
Filing date: 1969-01-23
Publication date: 1969-09-04
Also published as: GB1250759A; FR2000616A1; CH489786A; US3665270A

Description

DR. HUGO WILCKEN · DIPL.-ING. THOMAS WILCKEN

D-24 LÜBECK. BREITE STRASSE S2-54 22. Januar 1969

Th.W./I

Anmelder: T.V. Manufacturing limited of Oulton Works Lowetoft, Suffolk, England.

Elektrischer Wandler

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Wandler zur Erzeugung eines variablen elektrischen Ausgangssignals in Abhängigkeit von einer mechanischen Bewegung.

Gemäß der Erfindung besteht der elektrische Wandler aus einer ersten Wicklung bzw. Spule, die durch einen Kern aus ferromagnetischem Material getragen wird, aus einer zweiten Wicklung, die durch einen gesonderten Kern aus ferromagnetischem Material getragen bzw. abgestützt wird, der mit Abstand zum ersten Kern angeordnet ist, und aus einem Glied aus elektrisch leitendem Material, welches in den Spalt zwischen beiden Kernen hineinbewegt und aus dem Spalt herausbewegt werden kann. Vorzugsweise bestehen beide Glieder aus nicht ferromagnetischem Material, obwohl dieses nicht von grundsätzlicher Bedeutung ist.

Die Trennung zwischen den beiden Spulen- und Kernanordnungen ist so getroffen, daß, wenn eine Wicklung des Wandlers mit einem variablen elektrischen Signal betrieben wird, vorzugsweise mit einem Wechcelsignal, eine Spannung in der anderen Wicklung mit Hilfe des sich ändernden magnetischen Flusses induziert wird, der sich zwischen beiden Wicklungen bzv. Spulen und ihren entsprechenden Kernen erntreckt, wodurch ein Ausgangssignal an der anderen Widiung abgenommen werden kann. Indem das Güied aus elektrisch leitendem

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Material zwischen die beiden Kerne gesetzt wird, kann die Kupplung zwischen den beiden Kern- und Spulenanordnungen variiert werden bis, wenn das Glied vollständig zwischen die beiden Kerne gesetzt ist, die Kupplung zwischen ihnen bei einem Minimum liegt und vorzugsweise im wesentlichen den Wert Null hat. Somit kann das Ausgangs signal von der zweiten Spulen- und Kernanordnung zwischen seinen maximalen und minimalen .Werten variiert werden, und zwar durch Änderung der physikalischen Stellung des Gliedes in Bezug auf den Spalt zwischen den beiden Kernen.

Der Wandler nach der Erfindung kann z. B. dort zur Anwendung gelangen, wo man ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen will, welches sich in Abhängigkeit von einer mechanischen Bewegung ändert.

Speziell kann der Wandler bei einer Wickelvorrichtung zur Steuerung des Drehmoments zur Anwendung gelangen, mit dem eine Spindel beaufschlagt wird, auf der ein Faden, Draht, Band, eine Bahn oder ein anderes Filament aufgewickelt ist, um die Spannung im . Faden oder anderen Filament im we ε entlichen, konstant zu halten. Eine solche Wickelvorrichtung hat üblicherweise einen Spannarm, der auf dem Faden oder Filament liegt, wenn dieser bzw. dieses zur Aufwickelspule läuft, auf-der der Faden aufgewickelt wird. Entsprechend der vorliegenden Erfindung verursacht die Bewegung des Spannarms bei Änderung der Spannung im Faden oder Filament eine Bewegung des Gliedes eines Wandlers, wie oben beschrieben wurde, wodurch ein sich änderndes Ausgangssignal erzeugt wird, welches zur Steuerung des Antriebsmechanismus für die Aufwickelspule ausgewertet werden kann, um so das Antriebsdrehnionient so zu variieren, daß die Spannung im Faden oder Filament im wesent-

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lichen den genauen und gewünschten Wert erreicht.

Hach einer bevorzugten Ausführungsform für den Wandler sind die beiden Spulen- und Kernanordnungen in einem rohrförmigen Gehäuse aus elektrisch isolierendem Material befestigt, wobei die Innenwandung des Gehäuses mit ersten Einstellmitteln bzw. Lagerungsmitteln für die erste Spulen- und Kernanordnung und mit zweiten Einstellmitteln für die zweite Spulen- und iLernanordnung versehen ist bzw. diese Mittel trägt, um den gewünschten Spalt zwischen den aneinander angrenzenden Enden der Kerne und eine Öffnung in der Wandung des rohrförmigen Gehäuses zu schaffen, durch die ein Teil des beweglichen Glieds sich in den Spalt zwischen beiden Kernen erstrecken kann. Vorzugsweise ist das rohrförmige Glied zylinderisch ausgebildet.

Vorteilhaft ändert sich die Größe der inneren Bohrung des rohrförmigen Glieds in einer Reihe von Stufen von einem Ende zum anderen, wobei mindestens einige dieser Stufen als Einstellmittel für die Spulen- und Kernanordnungen dienen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines in den anliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Wandlers mit zugeordneten Schaltkreisen,

Fig. 2 den grundsätzlichen Aufbau des Wandlers,

Fig.5a jeweils eine Aufsicht und Seitenansicht zur Darstel-5b lung der Anwendung des Wandlers nach der Erfindung bei einer Vorrichtung zum Aufwickeln von Fäden oder anderen Filamenten,

Fig. 6.ein axial€-r Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsfcrm für einen Wandler nach der Erfindung,

Fig. ? eine Seitenansicht des Wandlers

Fig. 8 eine Endansicht des Wandlers. - 4 -

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Gemäß Pig. 1 besteht der Wandler aus einer auf einen Kern 5 gewickelten Primärwicklung 4, der aus einem Material mit niedrigem magnetischen Widerstand bestehen kann, wie z. B. Weicheisen, Siliziumstahl oder Ferritmaterial. Die Sekundärwicklung 7 ist auf einen ähnlichen Kern 8 gewickelt. Zwischen den Spulen- und Kernanordnungen befindet sich ein bewegliches Glied 6, welches die Form eines Flügels oder einer !'latte haben kann und aus einem elektrisch leitenden nicht ferromagnetischen Metall besteht, also z. B. aus Kupfer oder Aluminium,

Die Wicklung 4 wird mit Wechselspannung aus einer geeigneten Signalquelle betrieben, die hier durch einen Oszillator 2 dargestellt wird, dessen Ausgang über einen Verstärker 3 zur Wicklung 4 geführt wird. Die Leistungsversorgung für die Schaltkreise ist mit der Bezugsziffer 1 angedeutet. Der Ausgang der Sekundärwicklung 7 wird durch einen Demodulator 9 zu einer Endimpedanz geleitet. Diese Endimpedanz kann Teil eines Steuersystems sein, so daß das am Demodulator 9 erzeugte Ausgangssignal eine Steuerfunktion i'ür das Steuersystem bewirkt.

' Gemäß den Figuren 2 bis 4 sind die beiden Anordnungen mit der Primärwicklung 4 und dem Kern 5 sowie der Selcundärwicklung 7 und dem Kern 8 durch einen Luftspalt getrennt dargestellt. Die Wege des magnetischen Flusses verlaufen zwischen den beiden Spulenbzw. Wicklungs- und Kernanordnungen, wenn die Spule 4 erregt wird, wobei der magnetische Fluß mit 11 beziffert ist. Man erkennt, daß sich ein starkes Feld über den Spalt 12 zwischen den beiden Kernen 5 und 8 erstreckt. Die Fig. 3 zeigt den Effekt beim Einführen eines Teils der Scheibe 6 halb zwischen die beiden Kerne 5 und 8. Der durch die Primärwicklung 5 erzeugte wechselnde Fluß verursacht Wirbelströme im Flügel bzw. in der Schei-

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"be 6, die wiederum ihr eigenes Magnetfeld mit einer solchen Richtung aufbaut, daß dieses Feld dem Feld entgegenwirkt, welches die Wirbelströme verursachte. Das Ergebnis ist, daß der durch die Primärwicklung 4 erzeugte Fluß von der Scheibe und somit von der Sekundärwicklung 7 abgelenkt wird, wodurch die Kupplung aufgrund des magnetischen Flusses zwischen den Spulen und somit die Amplitude des in der Spule 7 erzeugten Signals reduziert wird. Die Fig. 4 zeigt eine Situation, bei der die Scheibe 6 voll in den Spalt zv/ischen den beiden Anordnungen eingesetzt bzw. eingedreht ist, bei der also der gesamte Fluß abgelenkt wird und deshalb im v/es entliehen keine Kupplung zwischen der primären und sekundären Spule vorliegt, weshalb auch kein oder nur ein sehr geringer Wert des Ausgangssignals in der Spule 7 vorliegt.

Die Polflächen der Kerne 5 und 8 können so geformt v/erden, daß sie jede gewünschte Flußkonzentration schaffen, während die Scheibe bzw. der Flügel in Verbindung mit irgendeiner gegebenen Form für die Polfläche so geformt und angeordnet sein kann, daß 3ede gewünschte Auεgangsspannungsfunktion in Bezug auf die Scheibenstellung ermöglicht werden kann.

kan erkennt, daß der bisher beschriebene Wandler einen einfachen billigen und robusten Aufbau hat, wobei der einzige bewegliche Teil die Scheibe bzw. der Flügel ist, der auf einem einfachen Lager befestigt werden kann.

Der Funktion dos Ausgangssignals als eine Stellung der Scheibe kann peeler beliebige Wert gegeben oder zugeordnet werden, der von den relativen Formen der Scheibe und den Polflächen abhängt. Somit kann sie durch besondere Formgebung der Scheibe geändert

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werden, d.h.,daß die Scheibe ein kreisförmiges Glied mit exzentrischer Lagerung sein kann, wo die Linearität nur um einen kleinen Teil des gesamten Weges wichtig ist. In den Figuren 5a und 5b ist eine Ausführungsform für einen Teil einer Wickelvorrichtung zum Aufwickeln e^nes Fadens oder eines anderen Filaments gezeigt, und zv/ar in Verbindung mit einem Wandler nach der Erfindung zur Steuerung des Antriebsdrehmoments für die Wickelspindel und somit zur Steuerung der Spannung im E'äden, während dieser gewickelt wird. Die beiden Spulen- und Kernanordnungen

" 4,5 und 7,8 des Wandlers sind an einer Stütze 15 befestigt, wo*- bei ein Spalt 12 zwischen den Kernen 5 und 8 bleibt. Die Scheibe bzw. der Flügel 6 aus beispielsweise Aluminium ist auf einer verdrehbaren Spindel 14 befestigt, die ebenfalls einen Spannarm 15 abstützt, der an seinem freien Ende eine Rolle 16 trägt. Diese Rolle liegt gegen den aufzuwickelnden Faden an, der zu einer Aufwickeltrommel bzw. zu einem Wickelkörper 18 läuft, der auf einer Antriebsspindel 19 liegt. Das Drehmoment des Antriebs für die Aufwickeltrommel wird mit Hilfe einer Induktionskupplungsvorrichtung gesteuert, wie sie z.B. in der britischen Patentschrift Nr. 871 437 beschrieben ist. Der Spannarm 15 dient dazu, dem Faden oder Filament eine gewisse Spannung zu erteilen, und zwar aufgrund des Gewichts des Armes oder anderer Krafteinwirkungen auf den Arm, wie z. B. durch Federn oder zusätzliche Gewichte oder Gegengewichte. Diese Spannung wird durch ein Drehmoment ausbalanciert, welches der Antriebsspindel der Aufwickeltrommel zugeführt wird. Wenn der Arm in einer konstanten Lage gehalten wird, wird sich deshalb auch eine konstante Fadenspannung ergeben.

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Wenn sich die Fadenspannung entweder aufgrund einer Änderung der Fadenzufuhrgeschwindigkeit oder der Aufwickelgeschwindigkeit der Trommel bzw. Spule 18 ändert, bewegt sich der Arm aus einer gewünschten vorgewählten bzw. eingestellten Stellung heraus, wodurch die Stellung und Lage der Scheibe 6 relativ zum Spalt 12 zwischen der Primärwicklung und Sekundärwicklung des Wandlers geändert wird. Der Wandler erzeugt somit ein Ausgangssignal, welches von der Stellung des Arms abhängt, und dieses Ausgangssignal wird zur Steuerung des Drehmoments herangezogen, mit dem die Antriebsspindel der Aufwickelspule betrieben wird, um deren Geschwindigkeit zu ändern, so daß der Spannarm in die gewünschte vorher gewählte Stellung zurückgebracht wird.

Wenn die Spannung im Faden oder Filament ansteigt, übt. sie eine Kraft auf die Rolle am Spannarm ans und verdreht die diesen Arm tragende Spindel, um den Flügel bzw. die Scheibe weiter in, den Spalt zwischen den Wicklungen des Wandlers zu bewegen. Hierdurch wird wiederum das Ausgangssignal des Wandlers verringert, der nun arbeitet, um die Leistung bzw. Versorgung für die Inductionskupplungsvorrichtung und somit das Drehmoment zu reduzieren, welches der Antriebsspindel für die Aufwickelspule zugeführt wird. Dies reduziert wiederum die Spannung im Faden, wodurch der Arm in die gewünschte eingestellte Lage zurückkehren kann. Die umgekehrte Wirkung bsvj..der umgekehrte Yorgang findet statt, wenn die Spannung im Faden abfällt.

Auf diese Weise v.^rird eine im wesentlichen konstante Spannung im Faden oder Filament während dessen Aufwickeins aufrechterhalten, wodurch im höchsten I-iaße die Möglichkeit des Brechens oder Rei.Oens des Fadens herabgesetzt wird.

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Es sei hier darauf hingewiesen, daß hier bisher nur eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde. Somit können sowohl Änderungen der Armbewegung im Verhältnis zum Wandlerausgang und Antriebsdrehmoment als auch Änderungen der Form und Anordnung der verschiedenen Bauteile zugelassen v/erden.

Außerdem kann die Scheibe 6 aus elektrisch leitendem Material . auch aus magnetischem Material, wie z. B. Weicheisen, bestehen, obwohl die dann erzielte Wirkung nicht so gut sein wird, als w wenn die Scheibe aus einem nicht magnetischem Material besteht.

Entsprechend den Figuren 6-8 besteht der Wandler aus einem rohrförmigen Gehäuse 21 aus elektrisch isolierendem Material, welches z. B. als ein hohles zylindrisches Glied aus Plastikmaterial ausgebildet sein kann. Die innere Bohrung des Gehäuses ist maschinell bearbeitet oder auf andere Weise geformt, um Stufen 22,23 und 24 zu bilden. Die Stufen 22 und 24 bildenbzw. bewirken genaue Standorte für die Halter 25, welche die ferromagnetischen Kerne 26 tragen, um welche die Spulenanordnungen 27 \ verlaufen. Die Spulen selbst werden von Spulenrahmen 28 getragen, die wiederum in Ausnehmungen 29 in den Enden der Halter 25 liegen. Die Stufe 23 ist deshalb vorgesehen, um das Einsetzen des Kerns 26 mit seiner Spulenanordnung 27 zu erleichtern.

Da die Halter 25 durch die Stufen 22 und 24 in ihrer Lage bestimmt sind und wenn man voraussdtet, daß die Kerne 26 genau in den Haltern liegen, ist eine genaue Dimensionierung bzw. Abmessung des Spalts 30 zwischen den aneinander angrenzenden Enden der Kerne möglich. Die Wandung des Gehäuses 21 ist mit einer ,öffnung 31 gegenüber diesem Spalt versehen, durch die ein Teil

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einer Metallfahne bzw. Metallplatte laufen kann, die das bewegliche Glied des Wandlers bildet. Die Wandleranordnung kann durch Böden 32 vervollständigt werden, durch die die Enden der Anordnung geschützt werden, und wenn man es wünscht, kann die Anordnung beispielsweise in einem geeigneten Harzmaterial eingebettet werden. Die elektrischen Anschlüsse zu den Spulen des Wandlers v/erden über !Gaumen 33 hergestellt, die an einem Klemmenstreifen 34 liegen, der an der Außenseite des Gehäuses 21 befestigt ist. Die Drähte 35 der Spulen laufen durch kleine Löcher im Gehäuse 21 und werden an den Klemmen 33 geeignet befestigt.

Mit einem solchen Aufbau sind alle Teile des Wandlers geschützt und können mechanischer Zerstörung oder einem Stoß gut widerstehen. Außerdem wird durch eine solche Konstruktion der genaue Aufbau des Wandlers zu einer relativ einfachen Angelegenheit.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das rohrförmige Gehäuse von ausreichender Länge ausgebildet v/erden, um eine gedruckte Schaltung oder einen Mikrοschaltkreis zwischen ,leder Spulen- und Kernanordnung und dem angrenzenden Boden aufzunehmen. Die Schaltkreise würden denen nach Fig. 1 ähnlich sein und einen Oszillator und gegebenenfalls einen Verstärker an der •"Oingangsseite sowie einen Verstärker und/oder Demodulator an der Ausgangsseite aufweisen.

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Claims

PATENTANWÄLTE 1 9 U d £ / 6

DR. HUGO WILCKEN · DIPL.-1NG. THOMAS WILCKEN

D - 24 LÜBECK. BREITE STRASSE 52-54 ^ . Januar 1969

Th.W.

ic

Anmelder: T.Y. Manufacturing Limited of Oulton Works Iowestoft, Suffolk, England

Patentansprüche

'ti.)Elektrischer Wandler, gekennzeichnet durch eine erste von einem Kern aus ferromagnetische!!! Material getragene Wicklung, durch eine zweite von einem gesonderten Kern aus ferromagnetischem Material getragene Wicklung, wobei dieser Kern mit Abstand zum ersten Kern angeordnet ist, und durch ein Glied aus elektrisch leitendem Material, welches in den und aus dem Spalt zwischen den Kernen bewegbar ist.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen- und Kernanordnungen in einem rohrförmigen Gehäuse aus elektrisch isolierendem Material liegen, daß die Innenwandung des Gehäuses erste Einstellmittel bzw. Iiokalisierungsmittel für die erste Spulen- und Kernanordnung und zweite Einstellmittel für die zweite Kern- und Spulenanordnung trägt bzw. mit diesen versehen ist, um den gewünschten Spalt zwischen den aneinander angrenzenden Enden der Kerne zu schaffen, und daß eine Öffnung in der Wandung des rohrförmigen Gehäuses vorgesehen ist, durch die ein Teil des beweglichen Glieds sich in den Spalt zwischen beiden Kernen erstrecken kann.
3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Glied zylinderisch ausgebildet ist.

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4. Wandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der inneren Bohrung des rohrförmigen Glieds sich in einer Reihe -von Stufen von einem Ende zum anderen ändert, wobei mindestens einige der Stufen.als Einstellmittel bzw. Festlegmittel für die Spulen- und Kernanordnungen dienen.
5. Wandler nach den Ansprüchen 2,3 oder4, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Kerne durch Halter und die Spulen durch Spulenrahmen getragen werden, die in Ausnehmungen im Ende der Halter liegen, und daß die Lage der Halter durch die Einstellmittel festgelegt bzw. bestimmt ist.
6. Wandler nach·Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Gehäuses gegenüber dem Luftspalt zwischen den beiden Spulen- und Kernanordnungen mit einem Schlitz versehen ist, durch den ein Teil des be\ireglichen Wandlerglieds laufen kann.
7· Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 2-6, gekennzeichnet durch in jedes Ende des rohrförmigen Glieds eingepaßte Böden.
8. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verbindungen zu den Wandlerspulen über Klemmen hergestellt worden, die von einem Klemmenstreifen getragen werden, der auf der Außenseite des Gehäuses befestigt ist.
9. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Glied die Form eines B'lügels oder einer Platte hat.

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10. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Glied aus einem nicht ferromagnetischem Material besteht.
11. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Wechselspannung betrieben wird.
12. Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung mit einem Oszillator erzeugt und zu einer seiner Wicklungen bzw. Spulen geführt wird und daß das Ausgangssignal von seiner anderen Wicklung über einen Detektor oder Verstärker zu einer Endimpedanz geleitet wird.
13. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 zur Steuerung des einer Wickelspindel zugeführten Drehmoments, auf der ein Faden, Draht, Band, eine Bahn oder ein anderes Filament aufgewickelt wird, wobei die Spannung im Faden oder anderen Filament im wesentlichen konstant gehalten werden soll und ein Spannarm vorgesehen ist, der gegen den Faden oder gegen das Filament anliegt, wenn dieser bzw. dieses aufgewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Spannarms bei Änderung der Spannung im Faden oder Filament eine Bewegung des beweglichen Glieds des Wandlers erzeugt, um ein variables Ausgangssignal zu schaffen, welches zur Steuerung des Antriebs der Wickelspindel ausgewertet wird, um die Spannung im Faden oder dgl. im wesent- „ liehen auf dem korrekten Wert zu halten·

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