DE2001368C3 - Drehstellungsgeber - Google Patents

Description

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeich- generatorplättchen entspricht.

net durch ein die Magnetpole (12,13) umschlie-

ßendes, im wesentlichen hohlzylinderförmiges 15

Rückschlußjoch (11). Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- zur Erfassung der Drehstellungen einer Welle mit kennzeichnet, daß zur Feldstabilisierung Quer- mindestens zwei raumfesten, um 90° gegeneinander schnittsverengungen (16) an zwei, vorzugsweise geneigten Hallgeneratorblättchen im homogenen diametral gegenüberliegenden Stellen des Rück- 2° Luftspaltfeld eines mit der Welle gekuppelten Magnetschlußjoches vorgesehen sind. systems mit konstantem Fluß.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3. Derartige Drehstellungsgeber, die z. B. als Istwertdadurch gekennzeichnet, daß die Magnetpole als geber bei Lage- oder Wegregelungen verwendet wer-Permanentmagneie ausgebildet sind. den, sollen konstruktiv einfach aufgebaut sein, keine

5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeich- as Schleifkontakte aufweisen und auch bei kleinen Drehnet durch keramische Axydmagnete, welche zur mahlen, insbesondere auch im Stillstand, betriebs-Homogenisierung des Luftspaltfeldes an ihren sicher und mit großer Präzision arbeiten.

freien Enden mit je einem Eisenplättchen (14) Bei einem bekannten elektromagnetischen Drehversehen sind. Stellungsgeber wird als Magnetsystem ein Dauer-

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge- 3° magnet mit kreisförmigem Querschnitt verwendet, der kennzeichnet, daß als Permanentmagnete AlNiCo- in einem ihn umgebenden ringförmigen Luftspalt ein Magnete verwendet sind. , sinusförmig verteiltes Magnetfeld erzeugt (deutsche

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, Auslegeschrift 1 264 585). Hierzu muß die Umfangsgekennzeichnet durch ein das an einem Wellen- fläche eines Ferritrotors mit hoher Genauigkeit bund befestigte Rückschlußjoch umschließendes 35 maschinell bearbeitet werden. Das Ferritmaterial Gehäuse (5), in welchem die Welle gelagert ist muß in besonderer Weise magnetisiert werden, um und an dessen Bodenplatte (4) ein stabförmiger eine gleichmäßig sinusförmige Flußverteilung zu ge-Träger für die Hallgeneratorplättchen befestigt ist. währleisten. Die eigentlichen Luftspaltfelder für die

8. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeich- Hallgeneratoren befinden sich in Nuten eines den net durch ein an der Bodenplatte befestigter, mit 4° Ferritrotor umgebenden Stators. Diese Ausbildung einer Kabeldurchführung (19) versehener Deckel des Magnetsystems hat den Nachteil, daß insbesoin-(17) zur Abdeckung von den Hallgeneratorpiätt- dere bei den Nulldurchgängen der magnetischen Iiachen zugeordneten elektronischen Ausgangsvcr- duktion die fertigungstechnisch bedingten Maßabweiistärkern. chungen des Ferritrotors und des Stators, sowie der

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge- 45 Restmagnetismus des Eisens störend in Erscheinung kennzeichnet, daß der stabförmige Träger aus treten und die Hallspannungen verfälschen.

einem elektrisch und magnetisch nichtleitenden Bei einer bekannten kollektorlosen Tachodynamo

Material, vorzugsweise aus Kunststoff besteht. zur Erzeugung einer drehzahlproportionalen Gleich-

10. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 9, spannung ist es bekannt, die Pole eines Permanentdadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) aus 5<> magnetrotors so auszubilden, daß eine sinusförmige einem magnetisch gutleitenden Material, die Feldverteilung entsteht (deutsche Auslegeschrift Bodenplatte (4) sowie die Welle (6), zumindest 1 093 893). Durch Drehung des Rotors wird in zwei bezüglich ihres dem Rückschlußjoch benachbar- am Ständerumfang versetzt zueinander angeordneten ten Teiles, aus einem magnetisch nicht-leitenden Hallgeneratoren eine dem Sinus bzw. dem Kosinus Material, vorzugsweise aus Messing bestehen. 55 des Drehwinkels proportionale Hallspannung erzeugt.

11. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge- Die zur Erzeugung dieser sinusförmigen Feldverteikennzeichnet, daß der stabförmige Träger eine lung erforderliche, praktisch nur empirisch bestimm-Längsbohrung (20) zur Aufnahme der Ein- und bare Formgebung des Permanentmagnetrotors gestal-Ausgangsleitungen der Hallgeneratorplättchen tet sich in der Praxis jedoch überaus schwierig und aufweist. 60 ;_st überdies exakt nicht reproduzierbar. Es werden

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch sich somit stets Abweichungen von der angestrebten gekennzeichnet, daß die Ein- und Ausgangsleitun- Sinusform der Hallgeneratorspanungen ergeben.

gen zumindest im Bereich des Luftspaltfeldes ver- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

drillt sind. Drehstellungsgeber mit Hallgeneratoren zu schaffen,

13. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 12, 65 dessen Magnetsystem einfach herstellbar und justiergekennzeichnet durch ein drittes, auf dem stab- bar ist und der insbesondere auch in der Nähe der förmigen Träger parallel zu einem der beiden an- Nulldurchgänge der Hallspannungen ein exaktes Abderen Hallgeneratorplättchen angeordnetes Hall- bild des Drehwinkels liefert.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Magnetsystem gelöst, das durch zwei Magnetpole mit parallel und symmetrisch zur Wellendrehachse verlaufenden ebenen Polflächen gebildet ist.

Das Magnetsystem des erfindungsgemäßen Drehstellungsgebers erzeugt ein besonders homogenes und konstantes Luftspaltfeld. Neben der wesentlich vereinfachten Herstellung der hierzu erforderlichen Magnetpole mit ebenen, parallelen. Polflächen ergibt sich der Vorteil, das insbesondere auch bei kleinen Drehwinkeln die Hallspannungen ein exaktes Abbild des Drehwinkels darstellen.

Die angestrebte ideale Sinusform der Hallspannungen kann daher auch in der Nähe ihrer Nulldurchgänge erreicht werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden im folgenden an Hand der Figuren näher beschrieben.

Die F i g. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Drehstellungsgeber in Längs- und Querschnitt. Zwei Hallgeneratorplättchen 1 und 2 sind im Luftspalt eines drehbaren Magnetsystems mit den Magnetpolen N und S auf einem stabförmigen Träger 3 so befestigt, daß ihre Flächennormalen einen Winkel von 90° bilden. Zur Vermeidung von Wirbelstromvcrluslfcn und Feld Verzerrungen ist es zweckmäßig, den stabförmigen Träger aus einem elektrisch und magnetisch nichtleitenden Material, vorzugsweise aus Kunststoff, auszubilden. Der Träger selbst ist an der Bodenplatte 4 eines Gehäuses 5 befestigt, in welchem eine Welle 6, deren Drehstellung erfaßt werden soll, mittels zweier Kugellager 7 gelagert ist. Die Welie 6 kann dabei über eine Kupplung 8 mit der Rotorwelle einer elektrischen Maschine 9 verbunden sein, wobei ein den Stator dieser elektrischen Maschine mit dem Gehäuse 5 des Drehstellungsgebers verbindender Bügel 10 dieses gegen Verdrehung sichert. Die Welle 6 weist an ihrem der Kupplung 8 abgekehrten Ende einen Bund auf, an welchem ein im wesentlichen hohlzylinderförmiges Rückschlußjoch ti für zwei gegenüberliegende Permanentmagnete Hund 13 befestigt ist. Als Material für diese Permanentmagnete eignet sich z.B. AlNiCo. Ähnlich gute permanentmagnetische Eigenschaften weisen auch die bekannten keramischen Oxydmagnete auf, wobei es sich dann als zweckmäßig erweist, zur Homogenisierung des Luftspaltfcldes sie an ihren freien Enden — wie in Fig. 2 angedeutet — mit je einem Eisenplättchen 14 zu versehen. Die Polflächen der Permanentmagnete 12 und 13 verlaufen parallel und symmetrisch zur Wellendrehachse 15 und sind so bemessen, daß sich die beiden Hallgeneratorplättchen 1 und 2 vollständig im homogenen Bereich des sich zwischen ihnen ausbildenden Magnetfeldes befinden. Um den Bereich der Randstörungen dieses homogenen Luftspaltfeldes zu verkleinern, bzw. um die Abmessungen der Polflächen bei einer gegebenen Anordnung der beiden Hallgeneratorplättchen in axialer Richtung möglichst klein zu halten, kann die Bodenplatte 4 sowie der Teil der Welle 6, an welchem das Rückschlußjoch 11 befestigt ist, aus einem magnetisch schlecht oder nicht leitenden Material, beispielswei.:". aus Messing bestehen. Zur Abschirmung von Fremdfeldern ist es zweckmäßig, daß das Luftspakfeld außerdem von Gehäuseteilen aus einem magnetisch gutleitenden hysteresearmen Material, beispielsweise weichmagnetisctiem Eisen umgeben ist. Eine weitere Maßnahme, die eine. Verbesserung der Betriebseigenschaften des Drehstellungsgebers mit sich bringt, besteht in zwei, vorzugsweise diametral gegenüberliegenden Querschnittsverengungen 16 des Rückschlußjoches, welche der Stabilisierung des Luftspaltfeldes B dienen. Wie hierzu auch mit der in F i g. 3 dargestellten Magnetisierungskennlinie des Magnetsystems verdeutlicht werden soll, kann mit diesen Querschnittsverengungen der Arbeitspunkt (Bo, Ho) in den gesättigten Bereich gelegt werden, wodurch beispiels-

weise durch die Temperaturgänge der Permanentmagneten bedingte Schwankungen der von ihnen erzeugten magnetischen Spannung H praktisch keine Änderungen der Induktion B mehr bewirken können. Die von den Hallgeneratorplättchen 1 und 2 abge-

gebene Hallspannung bedarf in der Regel vor einer weiteren Auswertung bzw. Verarbeitung noch einer Verstärkung. Kurze elektrische Verbindungswege zu diesen Verstärkern erhöhen die Störsicherheit, weshalb es zweckmäßig ist, die Ausgangsverstärker mög-

ao liehst nahe den Hallgeneratorplättchen anzuordnen, beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 in einem von der Bodenplatte 4 und einem an dieser befestigten Deckel 17 gebildeten Raum, worin bei Bedarf auch noch die zur Speisung dieser Verstärker sowie der

»5 Eingänge der Hallgeneratorplättchen erforderlichen Stromversorgungsgeräte untergebracht sein können. Die den Hallgeneratoren zugeordneten elektrischen Bauteile sind in F i g. 1 schematisch zu einer mit 18 bezeichneten Einheit zusammengefaßt. Die Speise-

und Ausgangsleitungen dieser Einheit sind in einem Kabel vereinigt, für welches eine Kabeldurchführung 19 im Deckel 17 vorgesehen ist, während die Ein- und Ausgangsleitungen der Hallgeneratorplättchen in einer Längsbohrung 20 in dem stabförmigen Träger 3 verlaufen und zweckmäßigerweise zumindest im Bereich des Luftspaltfeldes verdrillt werden, um zu verhindern, daß das Luftspaltfeld bei seiner Rotation in diesen Leiterschleifen unerwünschte, das Meßergebnis verfälschende Spannungen induziert.

Fig. 4 zeigt die Schaltung zur Ansteuerung der beiden Hallgeneratorplättchen 1 und 2. Eine stabilisierte Gleichspannung liegt an den mit 21 und 22 bezeichneten Eingangsklemmen, und dient als Speisespannung für zwei elektronische Differenzverstärker 23 und 24 und liefert über Vorwiderstände 25 den gemeinsamen Steuerstrom Io für die beiden Hallgeneratorplättchen 1 und 2. Die Hallspannungen der Hallgeneratoren 1 und 2, welche bekanntlich proportional dem Produkt aus dem Steuerstrom Io und der jeweils auf den Hallgeneratorplättchen senkrecht stehenden Komponente des Feldes B sind, beaufschlagen die Eingänge der Verstärker 23 und 24. Bezeichnet man den Winkel zwischen einer senkrecht zur Oberfläche des Hallgeneratoiplättchens 2 verlaufenden Achse I und einer senkrecht zu den Polflächen der Permanentmagnete 12 und 13 verlaufenden Achse II mit α. (vergleiche Fig. 2) dann ist die an der Ausgangsklemme 26 von dem Verstärker 23 verstärkte Hallspannung des 1 llgenerators 1 proportional sin α, während die an der Ausgangsklemme 27 auftretende Ausgangsspannung proportional cos α ist. Mit den an den Klemmen 26 und 27 auftretenden Spannungen ist also die Stellung der bei Drehung der Welle 6 rotierenden Achse II und damit die Drehstellung der Welle selbst eindeutig festgelegt. Bei Bedarf lassen sich mittels üblicher Funktionsgeneratoren diese Spannungen zu einer dem Drehwinkel α proportionalen Größe weiterverarbeiten.

Eine bevorzugte Anwendung des Drehslellungsgebers besteht darin, bei elektrischen Maschinen den sogenannten elektrischen Drehwinkel des Rotors bzw. ihm entsprechende Größen nachzubilden. Weist die elektrische Maschine dabei eine Polpaarzahl auf, welche größer als 1 ist, dann ist bekanntlich der elektrische Winkel ein entsprechendes Vielfaches des räumlichen Rotordrehwinkels. In diesem Fall werden die Ausgangsspannungen des an den Maschinenrotor angekuppelten Drehstellungsgebers mittels Multiplizier- und Addierglieder nach bekannten Regeln zu Winkelfunktionen verarbeitet, welche diesem Vielfachen des räumlichen Rotorwinkels entsprechen.

Die in F i g. 5 dargestellte Variante der Hallgeneratoranordnung dient zur Erfassung des elektrischen Drehwinkels bei einer vierpoligen Maschine, d. h. zur Erzeugung von zwei Spannungen, welche proportional sin 2 α und cos 2 α sind, wo α der räumliche Drehwinkel ist. Auf dem stabförmigen Träger 3 sind wiederum die beiden Hallgeneratoren 1 und 2 um *° 90° versetzt gegeneinander angeordnet, wobei zum Unterschied zu der Ausbildung gemäß Fig. 1 die Symmetrieachse des Hallgeneratorplättchens 2 nicht mit der Wellendrehachse 15 zusammenfällt. Dies hat jedoch keinerlei Einfluß auf die erzeugte Hallspannung, denn nach wie vor verläuft die senkrecht den Hallgenerator 2 durchsetzende Feldkomponente bei Drehung des Luftspaltfeldes streng sinusförmig. Es ist in diesem Zusammenhang auf einen wesentlichen Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung hinzuweisen, der darin besteht, daß die Hallgeneratoren nicht bezüglich der Drehachse 15 der Welle 6 justiert zu werden brauchen und; es muß lediglich darauf geachtet werden, daß bei Drehung der Magnetpole diese nie in Berührung mit den Hallgeneratoren, bzw. dem Träger 3 kommen. Unterhalb des Hallgeneratorplättchens 2 ist parallel zu diesem ein weiteres Hallgeneratorplättchen 2' angeordnet. Auf diese Weise wird ein weiteres Hallgeneratorplättchen vom selben Fluß wie das Hallgeneratorplättchcn 2 durchsetzt, ohne daß es hierzu einer Vergrößerung der Polflächen der Permanentmagnete 12 und 13 bedarf.

F i g. 6 zeigt die dazugehörige elektrische Schaltung, wobei für gleiche Elemente die entsprechenden Bezugszeichen der Fig. 4 übernommen wurden. Bcrücksicht man, daß das Hallgeneratorplättchen 2', wie in Fi g. 5 dargestellt, parallel zu dem Hallgeneratorplättchen 2 und senkrecht zum Hallgeneratorplättchen 1 angeordnet ist und legt man den selben Winkel α zwischen den Achsen I und II wie in F i g. 2 zugrunde, dann ist die am Ausgang des Plättchens 2' auftretende Hallspannung, welche dem Eingang eines als Konstantstromquelle beschalteten Operationsverstärkers 28 zugeführt wird, proportional dem Kosinus des Vcrdrehungswinkels α. Die Ausgangsgröße des Verstärkers 28 ist ein eingeprägter Strom Ia, der lediglich von der Eingangsspannung des Verstärkers 28 bestimmt ist und ails gemeinsamer Steuerstrom für die Hallgeneratorcn 1 und 2 diem\ Am Ausgang des Verstärkers 23, dessen Eingang mit derHallspahnung des Plättchens 1 beaufschlagt ist, erscheint eine Spannung, welche dem Produkt aus dem Sinus und dem Kosinus des Drehwinkels α proportional ist, während am Ausgang des dem Hallgenerator 2 zugeordneten Verstärkers 24 eine Spannung auftritt, welche proportional dem Kosinusquadrat des Verdehwinkels α ist. In einer Mischstelle 29, welche an sich auch in den Eingangskreis des Verstärkers 24 verlegt werden könnte, wird eine konstante Spannung K solcher Größe subtrahiert, daß auf Grund der bekannten Beziehung zwischen dem Kosinusquadrat eines Winkels und dem Kosinus des Zweifachen dieses Winkels an der Ausgangsklemme 30 eine dem Kosinus des doppelten Drehwinkels 2 α entsprechende Spannung erscheint, während an der Ausgangsklemme 31 eine dem Sinus des doppelten Verdrehwinkels 2 α proportionale Spannung entnommen werden kann.

Die den Winkelfunktionen des doppelten räumlichen Verdrehwinkels entsprechenden Spannungen könnten auch — wie zuvor erwähnt — mittels zweier, der Anordnung der F i g. 4 nachgeordneter Multiplizierer gewonnen werden. Die in F i g. 6 dargestellte Anordnung ist jedoch demgegenüber wesentlich weniger aufwendig.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2 J Patentansprüche: generatorplättchen (2') dessen Ausgangsspannung über einen als Konstantstromquelle bescnalteten

1. Einrichtung zur Erfassung der Drehstellun- Operationsverstärker (28) den Steuerstrom für die gen einer Welle mit mindestens zwei raumfesten, anderen Hallgeneratorplättchen (1, 2) liefert,
um 90° gegeneinander geneigten Hallgenerator- 5 14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch plättchen im homogenen Luftspaltfeld eines mit gekennzeichnet, daß die beiden parallelen HaIlder Welle gekuppelten Magnetsystems mit kon- generatorplättchen (2, T) übereinander angeordstantemFluß, dadurch gekennzeichnet, net sind.

daß das Magnetsystem durch zwei Magnetpole 15. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 13,

(12,13) mit parallel und symmetrisch zur Wellen- io dadurch gekennzeichnet, daß der lichte Abstand

drehachse (15) verlaufenden ebenen Polflächen der Magnetpolflächen etwa der Breite der jeweils

gebildet ist. symmetrisch zur Drehachse angeordneten HaIl-