DE19527156C1

DE19527156C1 - Schleifringloser Drehmelder

Info

Publication number: DE19527156C1
Application number: DE19527156A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Loge
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-07-25
Filing date: 1995-07-25
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2015-07-26
Also published as: EP0756154B1; DE59610211D1; JPH0951662A; JP3717600B2; EP0756154A3; EP0756154A2; US5705872A

Description

Die Erfindung betrifft einen schleifringlosen Drehmelder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Schleifringlose Drehmelder oder Resolver sind induktive Bau elemente, die aus zwei Transformatoranordnungen bestehen, nämlich dem eigentlichen Drehmelderteil oder Resolverteil und dem Übertrager- bzw. Transformatorteil. In dem Resolverteil wird durch Messung der Ausgangsspannungen als Winkelfunktio nen Sinus und Cosinus der mechanische Verdrehungswinkel zwi schen Stator und Rotor ermittelt. Der Transformatorteil dage gen dient zur berührungslosen Übertragung der Eingangsspan nung zum Rotor. Aufgrund des Transformatorprinzips müssen Drehmelder mit Wechselspannung betrieben werden. Ihr Übertra gungsverhalten ist von der Frequenz der Erregerspannung ab hängig.

Während das Transformationsverhältnis in einem gewissen Fre quenzbereich nahezu konstant bleibt, verschiebt sich die Phase zwischen den Ausgangsspannungen und der Eingangsspan nung sehr stark in Abhängigkeit von der Frequenz. Der Fre quenzgang der Phasenverschiebung hat einen weitgehend monoton fallenden Verlauf von niedrigen Frequenzen zu höheren Fre quenzen hin mit einem Nulldurchgang im oberen Teil des übli chen Arbeitsbereichs. Da bei der Auswertung der Drehmeldersi gnale eine Gleichrichtung dieser Signale unter Berücksichti gung ihrer Phasenlage zum Erregersignal erfolgen muß (Gleich phasigkeit entspricht positiven Werten, Gegenphasigkeit ent spricht negativen Werten), kann die Auswerteelektronik in der Regel nur geringe zusätzliche Phasenverschiebungen tolerie ren. Insbesondere dann, wenn Drehmelder mit niedrigen Fre quenzen betrieben werden sollen, stellt die Phasenverschie bung ein Problem dar.

Bisher wurde dieses Problem der Phasenverschiebung dadurch gelöst, daß aus der Erregerspannung mittels eines RC-Gliedes ein phasenkorrigiertes Referenzsignal für die Auswerteelek tronik erzeugt wurde. Der Austausch eines Drehmelders in ei ner bestimmten Anwendung mit vorgegebener Auswerteelektronik durch einen Drehmelder mit einer anderen Phasenverschiebung bedeutet in einem solchen Fall, daß das Phasenkorrekturglied der Auswerteelektronik geändert werden muß.

Aus der EP 0 593 351 A1 ist eine Resolveranordnung bekannt, bei der eine Kurzschlußwicklung in Form einer Scheibe oder eines Ringes auf dem Stator oder dem Rotor räumlich im Be reich zwischen dem Resolverteil und dem Transformatorteil an geordnet ist, um den Streufluß des Transformatorteiles von dem Resolverteil abzuschirmen. Diese Maßnahme hat jedoch kei nen Einfluß auf die Phasenverschiebung zwischen der Eingangs spannung und den Ausgangsspannungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, durch eine einfache Maßnahme eine Kompensation der Phasenverschiebung in dem Drehmelder selbst zu ermöglichen, die ohne großen Aufwand be reits bei der Fertigung des Drehmelders einbezogen werden kann und die dann eine externe Phasenkorrektur in der Auswer teelektronik überflüssig macht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Drehmelder mit dem eingangs genannten Aufbau durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der Leistungsverbrauch der erfindungsgemäß vorgesehenen Kurz schlußwicklung mit ihrer Impedanz L und ihrem Widerstand R hat auf die Übertragungsfunktion des Drehmelders die Wirkung eines Tiefpasses erster Ordnung. Die Eckfrequenz und damit die Wirkung dieses Tiefpasses auf die Phasenverschiebung kann durch Variation der Windungszahl (Änderung von L und R) bzw. durch Variation des Drahtquerschnitts (Änderung von R) in Richtung auf eine optimale Wirkung verändert werden.

Durch das Tiefpaßverhalten wird allerdings auch das Transfor mationsverhältnis reduziert. Dies kann durch Änderung der Windungszahlverhältnisse jedoch ausgeglichen werden, ohne daß die Phasenverschiebung dadurch wesentlich beeinflußt wird. Der Frequenzgang des Übersetzungsverhältnisses verliert je doch seinen Bereich mit annähernd konstantem Verlauf. Deshalb eignen sich phasenkorrigierte Drehmelder nur für einen einge schränkten Frequenzbereich.

Die erfindungsgemäße Kurzschlußwicklung kann beispielsweise mit der gleichen Drahtstärke wie die Trafo-Rotorwicklung aus geführt werden; entsprechend der gewünschten Phasenverschie bung können aber auch andere Drahtstärken verwendet werden. Die Windungszahl der Kurzschlußwicklung wird in jedem Fall größer als 1, jedoch wesentlich geringer als die Windungszahl der Trafo-Rotorwicklung sein. Bei dem üblichen Aufbau von Drehmeldern kommen Windungszahlen in Betracht, die etwa bei 5 bis 10% der Transformator-Rotorwicklung liegen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Drehmelders mit Kurz schlußwicklung entsprechend der Erfindung,

Fig. 2 den mechanischen Aufbau eines erfindungsgemäß gestal teten Drehmelders, schematisiert im Schnitt,

Fig. 3 einen typischen Verlauf der Phasenverschiebung in Ab hängigkeit von der Frequenz eines Drehmelders ohne und mit Kurzschlußwicklung und

Fig. 4 den Verlauf des Transformationsverhältnisses eines derartigen Drehmelders in Abhängigkeit von der Betriebsfre quenz.

Der in Fig. 1 im Prinzipschaltbild dargestellte Drehmelder besitzt einen Stator 1 mit zwei zueinander um 90° versetzt angeordneten Statorwicklungen 11 und 12 sowie einer dazu axial versetzt angeordnete Transformator-Statorwicklung 13. Ein in dem Stator koaxial verdrehbar angeordneter Rotor 2 be sitzt eine Resolver-Rotorwicklung 21 sowie eine Transforma tor-Rotorwicklung 22. Die Statorwicklungen 11 und 12 sowie die Rotorwicklung 21 bilden einen Resolverteil 3 des Drehmel ders, während die dazu axial versetzt angeordneten Wicklun gen, nämlich die Transformator-Statorwicklung 13 und die Transformator-Rotorwicklung 22, einen Transformatorteil 4 bilden.

Der bisher beschriebene Aufbau entspricht dem allgemein be kannten Prinzip des Drehmelders. An der Transformator-Stator wicklung 13 wird eine Eingangsspannung U₀ angelegt. Über die zugehörige Transformator-Rotorwicklung 22 wird diese Spannung an die Resolver-Rotorwicklung 21 angelegt, die in den Resol ver-Statorwicklungen 11 und 12 entsprechende Ausgangsspannun gen induziert. So wird an der Statorwicklung 11 eine Aus gangsspannung U_sin und an der Statorwicklung 12 eine Aus gangsspannung U_cos abgegriffen. Diese Ausgangsspannungen hän gen von der Winkelstellung α der Rotorwicklung 21 ab nach der folgenden Bestimmung:

U_sin = t · U₀ · sinα
U_cos = t · U₀ · cosα.

Dabei bezeichnet der Faktor t das Transformationsverhältnis bzw. Übersetzungsverhältnis des Drehmelders; dies ist das Verhältnis zwischen dem Maximalwert der Ausgangsspannungen zum Maximalwert der Eingangsspannung. Aus den gemessenen Aus gangsspannungen U_sin und U_cos kann also der Verdrehungswinkel α des Rotors abgeleitet werden.

Um nun die von der Betriebsfrequenz abhängige Phasenverschie bung zwischen den Ausgangsspannungen und der Eingangsspannung zu kompensieren, ist in dem Transformatorteil 4 auf dem Rotor zusätzlich und parallel zu der Transformator-Rotorwicklung 22 eine Kurzschlußwicklung 23 mit wenigen Windungen aufgebracht. Diese wirkt mit ihrer Impedanz L und ihrem Widerstand R als Tiefpaß und kompensiert bei entsprechender Bemessung der Win dungszahl und des Drahtquerschnittes die unerwünschte Phasen verschiebung.

In Fig. 2 ist der mechanische Aufbau eines Drehmelders gemäß Fig. 1 etwas schematisiert im Schnitt dargestellt. In einem Gehäuse 10 ist eine Rotorwelle 20 auf nicht dargestellte Weise gelagert; im vorliegenden Beispiel handelt es sich um eine Hohlwelle, die beispielsweise auf eine Maschinenwelle aufgesteckt werden kann, deren Drehwinkel gemessen werden soll. Das Gehäuse 10 bildet mit den in ihm angeordneten Wick lungen 11, 12 und 13 den Stator 1, während die Rotorwelle 20 mit den Wicklungen 21, 22 und 23 den Rotor 2 bildet. Die Wicklungen sind, wie bereits erwähnt, axial versetzt, wobei von dem Resolverteil 3 die Statorwicklungen 11 und die nicht sichtbare Wicklung 12 in einem geschichteten Eisenkern 14 um 90° versetzt angeordnet sind, während die Rotorwicklung 21 ebenfalls auf einem Eisenkern 24 angeordnet ist. Die Eisen kerne 14 und 24 stehen einander unter Bildung eines Luftspal tes 5 gegenüber. Mit einem axialen Versatz zum Resolverteil ist der Transformatorteil 4 angeordnet. Auch er besitzt ei nen, beispielsweise zweiteiligen, Eisenkern 15 auf dem Sta tor, in welchem die Transformator-Statorwicklung 13 angeord net ist. Der Transformatorteil des Rotors 4 trägt einen Ei senkern 25, auf welchem die Transformator-Rotorwicklung 22 angeordnet ist. Zusätzlich trägt dieser Eisenkern - im vor liegenden Beispiel unterhalb der Rotorwicklung 22 - die zu sätzliche Kurzschlußwicklung 23. Die Eisenkerne 15 und 25 bilden ebenfalls einen Luftspalt 6. Das Gehäuse 10 und die Rotorwelle 20 bestehen beispielsweise aus unmagnetischem Me tall, etwa Edelstahl. Durch das Gehäuse 10 sind im übrigen die Anschlußleitungen geführt, nämlich ein Leitungspaar 16 für die Zufuhr der Eingangsspannung U₀ und zwei Leitungspaare 17 und 18 zum Abgriff der Ausgangsspannungen an den Stator wicklungen 11 und 12. Im Inneren wird die Sekundärspannung des Transformatorteils über eine Leitung 26 von der Transfor mator-Rotorwicklung 22 zur Resolver-Rotorwicklung 21 geführt.

In Fig. 3 ist ein typischer Verlauf der Phasenverschiebung eines Drehmelders gezeigt. Die gestrichelte Kurve Ph1 zeigt den Verlauf der Phasenverschiebung ohne Kurzschlußwicklung. Man erkennt, daß diese Phasenverschiebung bei einer Frequenz von annähernd 5 kHz einen Nulldurchgang hat. Bei dieser Fre quenz tritt also praktisch keine Phasenverschiebung auf, wäh rend zu niedrigeren Frequenzen hin eine positive Phasenver schiebung und zu höheren Frequenzen hin eine größer werdende negative Phasenverschiebung eintritt. Durch die erfindungsge mäß vorgesehene Kurzschlußwicklung mit Tiefpaßwirkung wird die Kurve verschoben, so daß bei einer angenommenen bestimm ten Dimensionierung der Kurzschlußwicklung der mit der durch gehenden Kurve Ph2 gezeigte Verlauf erzielt wird. Diese Kurve hat nunmehr einen Nulldurchgang bei etwa 2 kHz. Liegt also die Betriebsfrequenz des Drehmelders bei 2 kHz, so wird durch die Kurzschlußwicklung die ursprünglich vorhandene Phasenver schiebung von etwa 15° auf annähernd 0° gebracht, also kom pensiert.

Fig. 4 zeigt noch den Frequenzgang des Transformationsver hältnisses. Die gestrichelte Kurve t1 zeigt die Verhältnisse ohne Kurzschlußwicklung. Demnach verläuft der Frequenzgang des Transformationsverhältnisses in einem gewissen Frequenz bereich, also etwa oberhalb 1 kHz, auf einem nahezu konstan ten Wert, dem spezifizierten Transformationsverhältnis. Die ser Frequenzbereich ist der übliche Arbeitsbereich eines Drehmelders. Durch das Tiefpaßverhalten der erfindungsgemäß vorgesehenen Kurzschlußwicklung wird allerdings das Transfor mationsverhältnis reduziert. Es gilt nunmehr die durchgezo gene Kurve t2, die nur in einem sehr kurzen Bereich das maxi male Transformationsverhältnis einhält. Der Drehmelder kann deshalb mit der kompensierenden Kurzschlußwicklung nur in ei nem verhältnismäßig engen Frequenzbereich betrieben werden. Dies dürfte jedoch keinen Nachteil haben, da der Drehmelder ohnehin in der Phasenverschiebung für eine bestimmte Frequenz kompensiert wurde.

Im folgenden sollen noch einige praktische Dimensionierungs beispiele angegeben werden.

Beispiel 1

Ein 6-poliger Hohlwellendrehmelder der Größe 21 mit einer Betriebsfrequenz von 3,3 kHz und einer Transforma tor-Rotorwicklung von 200 Windungen wurde mit verschiedenen Kurzschlußwicklungen versehen, wobei sich die unterschiedli chen Phasenverschiebungen Ph und die unterschiedlichen Trans formationsverhältnisse t ergaben:

Tabelle 1

Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, wurde die Phasenverschiebung mit 12 Windungen von 0,0254 mm² Drahtquerschnitt auf 10° kom pensiert und mit 12 Windungen bei einem Drahtquerschnitt von 0,0508 mm² auf - 2° überkompensiert. Das veränderte Transfor mationsverhältnis t kann dann zusätzlich durch eine Änderung der übrigen Windungszahlen kompensiert werden.

Beispiel 2

Ein zweipoliger Hohlwellendrehmelder der Größe 15 mit einer Transformator-Rotorwicklung von 180 Windungen und einer Betriebsfrequenz von 3,4 kHz wurde mit einer Kurz schlußwicklung versehen, wobei das Transformationsverhältnis durch Anpassung der Transformator-Rotorwicklung konstant ge halten wurde. Es ergab sich dann folgender Wert:

Tabelle 2

Mit der vorgesehenen Kurzschlußwicklung von 18 Windungen bei einem Drahtdurchmesser von 0,125 mm (entspricht dem Draht der Rotorwicklung) ergab sich eine Reduzierung der Phasenver schiebung auf +5°, was für die meisten Anwendungen ausrei chend ist.

Claims

1. Schleifringloser Drehmelder mit einem Stator (1) und einem Rotor (2), auf denen ein Resolverteil (3) mit mindestens zwei Statorwicklungen (11, 12) und mindestens einer Rotorwicklung (21) sowie axial zum Resolverteil versetzt ein Transformator teil (4) mit einer Transformator-Statorwicklung (13) und ei ner Transformator-Rotorwicklung (22) angeordnet sind, wobei der Rotor (2) eine zusätzliche Kurzschlußwicklung (23) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußwicklung (23) als Drahtwicklung parallel zur Transformator-Rotorwick lung auf deren Eisenkern (25) angeordnet ist, wobei ihre Win dungszahl und ihr Drahtdurchmesser so gewählt sind, daß der durch sie gebildete Tiefpaß bei der Betriebsfrequenz die Pha senverschiebung des Drehmelders zumindest teilweise kompen siert.

2. Drehmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Windungszahl der Kurzschlußwicklung (23) mehr als 1 und weniger als 1/4 der Windungszahl der Transformator- Rotorwicklung beträgt.

3. Drehmelder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kurzschlußwicklung (23) nach Durchmes ser und Windungszahl so gewählt ist, daß die Phasenverschie bung bis auf einen Rest von 0 bis 10° kompensiert wird.

4. Drehmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kurzschlußwicklung (23) die gleiche Drahtstärke wie für die Transformator-Rotorwick lung verwendet ist.

5. Drehmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Transformationsverhältnis (t) durch Anpassung der Windungszahlen des Transformatorteils konstant gehalten ist.