DE2064332B2 - Schwingrotor-Kreisel für die Trägheitsnavigation - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingrotor-Kreisel für die Trägheitsnavigation der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Gattung.

Schwingrotor-Kreisel für die Trägheitsnavigation sind bekannt, bei denen der in einem Gehäuse angeordnete Läufer über eine Antriebswelle von einem Motor in Umdrehung versetzt wird, welche eine Einschnürung aufweist, um ein Biegegelenk zu vermitteln, welches einerseits eine drehfeste Verbindung zwischen Läufer und Antriebswelle gewährleistet und s^r> andererseits ein gegenseitiges Neigen oder Kippen erlaubt, und zwar um zur Laufachse senkrechte Achsen. Es handelt sich also um Kreisel mit drei Freiheitsgraden, bei denen der mit hoher Drehzahl umlaufende Läufer das Bestreben hat, im Raum dieselbe Orientierung beizubehalten, auch wenn sich das Gehäuse bewegt, wobei der Läufer sich bezüglich des Gehäuses um eine zur Laufachse senkrechte Achse neigt oder kippt. Dies wird mittels Abgriffen festgestellt, welche entsprechende, elektrische Signale abgeben und mit Drehmo- -r> menterzeugern in einer Servo-Schleife verbunden sind, die als Elektromagnete ausgebildet sind und mit den Signalen der Abgriffe beaufschlagt werden, um einen magnetischen Fluß zu erzeugen, womit der Läufer in die Null- oder Neutralstellung zurückgeführt wird. Hystere- to siseffekte bewirken jedoch, daß in den Elektromagneten ein Remanenzfluß aufgebaut und gespeichert wird, wenn der Erregerstrom der Elektromagnete abgeschaltet wird, oder bei großen und plötzlichen Relativbewegungen von Läufer und Gehäuse. Es ist daher schwierig, ^r>^r> eine zuverlässige und genaue Funktionsweise der Drehmomenterzeuger zu gewährleisten (US-PS 30 77 785).

Bei einer anderen, bekannten Art von Schwingrotor-Kreiseln sind die Abgriffe und Drehmomenterzeuger mi vereinigt und zwei um 90° gegenseitig versetzte Paare einander diametral gegenüberliegender Abgriff/Drehmomenterzeuger-Kombinationen vorgesehen, wobei jede Kombination einen Magnetkern mit drei Schenkeln aufweist, von denen zwei jeweils eine Abgriffspule <r> tragen und auf einem eine erste sowie eine zweite Drehmomenterzeugerspule sitzen. Jedem Kombinationspaar ist eine Gleichstromquelle und ein Demodula tor zugeordnet An der Gleichstromquelle liegen die beiden in Reihe geschalteten ersten Drehmomenterzeugerspulen und am Demodulator die beiden zur Steuerung vorgesehenen, ebenfalls in Reihe geschalteten zweiten Drehmomenterzeugerspulen des jeweiligen Kombinationspaares. Die beiden Abgriffspulen jeder Abgriff/Drehmomenterzeuger-Kombination sind in Reihe geschaltet, und bei jedem Kombinationspaar liegen die beiden Paare in Reihe geschalteter Abgriffspulen zwischen einem gemeinsamen Netzknoten, an welchen ein geerdeter Widerstand und über einen Verstärker der dem anderen Kombinationspaar zugeordnete Demodulator angeschlossen sind, und dem einen bzw. anderen von zwei Netzknoten, welche beiden Kombinationspaaren gemeinsam sind, an einer Wechselstromquelle liegen und durch zwei Widerstände miteinander verbunden sind, welche am gegenseitigen Verknüpfungspunkt geerdet sind.

Auf diese Weise bilden die vier Abgriffspulen jedes Kombinationspaares mit den beiden letztgenannten Widerständen eine Brückenschaltung, welche von der Wechselstromquelle gespeist wird, wobei der an den zugehörigen, gemeinsamen Netzknotenpunkt angeschlossene Widerstand einen Spannungsabgriff an der anderen Brückendiagonalen ermöglicht. Wenn also ein Kombinationspaar ein Kippen des Läufers feststellt, dann wird das andere Kombinationspaar wirksam, um den Läufer zurückzukippen. Die Ausgangssignale der Abgriffspulen des einen bzw. des anderen Kombinationspaares, welche sich an dem zugehörigen, mit dem jeweiligen gemeinsamen Netzknoten verbundenen, geerdeten Widerstand ergeben, werden im entsprechenden, nachgeschalteten Verstärker verstärkt und im folgenden Demodulator demoduliert, um dann den beiden zweiten Drehmomenterzeugerspulen des jeweils anderen Kombinationspaares zugeführt zu werden. Es werden also die Abgriffe in einer Brückenschaltung mit Wechselstrom beaufschlagt, um die jeweilige Läuferneigung festzustellen. Die entsprechenden Signale sind somit nicht konstant und werden darüber hinaus im jeweiligen Demodulator in eine entsprechende Gleichspannung umgewandelt (US-PS 34 75 971).

Bei einer anderen, bekannten Ausführungsform dieser Art sind die vier paarweise angeordneten Kombinationen jeweils mit einer Spule zur Rotation des Läufers sowie mit einem Spulenpaar versehen, welches zu Abgriffzwecken mit Wechselstrom und zur Drehmomenterzeugung mit Gleichstrom beaufschlagt wird. Statt des einen Spulenpaares können auch zwei Spulenpaare vorgesehen sein, von denen eines zu Abgriffzwecken mit Wechselstrom und das andere zur Drehmomenterzeugung mit Gleichstrom beaufschlagt wird(US-PS3107 540).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingrotor-Kreisel für die Trägheitsnavigation der einleitend geschilderten Art zu schaffen, bei welchem die nachteiligen Auswirkungen der Drehmomenterzeuger-Restmagnetisierung bzw. des entsprechenden Remanenzflusses vermieden sind.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Nachstehend ist eine Ausführungsform des Schwingrotor-Kreisels nach der Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 einen erfindungsgemäßen Schwingrotor-Kreisel in schematischer Wiedergabe und

Fig.2 ein Schaltbild für den Schwingrotor-Kreisel gemäß F ig. 1.

Der Läufer 10 eines Schwingrotor-Kreisels ist in einem längsgeschnittenen dargestellten Gehäuse 12 untergebracht und um die Laufachse SA mittels eines Motors 14 in Umlauf versetzbar. Dieser ist über eine Antriebswelle 16 mit dem Läufer 10 verbunden, welche über nicht dargestellte Lager im Gehäuse 12 drehbar gelagert und mit einer Einschnürung 16a versehen ist, welche eine drehfeste Verbindung zwischen der Antriebswelle 16 und dem Läufer 10 vermittelt und zugleich ein gegenseitiges Kippen von Antriebswelle 16 und Läufer ίδ um beide zur Laufachse SA senkrechte Koordinatenachse ermöglicht Wird also der Läufer 10 durch den Motor 14 mit hoher Drehzahl umlaufen gelassen, dann stellt er einen Schwingrotor-Kreisel mit drei Freiheitsgraden dar, welcher dieselbe Orientierung im Raum beizubehalten bestrebt ist, trotz einer leichten Neigung oder eines leichten Verschwenken vom Gehäuse 12 um eine zur Laufachse SA senkrechte Achse als Folge von Bewegungen desjenigen Flugzeuges oder sonstigen Fahrzeuges, das damit versehen ist

Zwei Elektromagnete 18 und 20 sind vorgesehen, welche das Federmoment ausgleichen, welches von der Einschnürung 16a bei Relativbewegungen zwischen dem Läufer 10 und dem Gehäuse 12 herrührt. Die Elektromagnete 18 und 20 sind in der Zeichnung der besseren Verständlichkeit wegen vergrößert wiedergegeben und weisen jeweils eine erste Spule auf, welche von einem um den jeweiligen Magnetkern herumgewikkelten Leiter 22 gebildet ist, der von einer Gleichstromquelle 24 über einen Leiter 26 mit Gleichstrom gespeist wird, welcher Leiter 26 mit dem Leiter 22 an dsr Verbindungsstelle 28 vereinigt ist. Das andere Ende vom Leiter 22 ist bei 30 geerdet.

Zur Feinsteuerung oder -abstimmung des Kraftflusses von den Elektromagneten 18 und 20 ist weiterhin eine zusätzliche Gleichstromquelle 32 vorgesehen, von der ein Leiter 34 ausgeht, welcher um die Magnetkerne der beiden Elektrom?gnete 18 und 20 in entgegengesetzter Richtung herumgewickelt ist, um jeweils eine zweite Spule zu bilden, und dann zur Gleichstromquelle 32 zurückläuft.

An der inneren Wandung vom Gehäuse 12 sind zwei Abgriffe 36 und 38 angebracht, welche elektrische Signale entsprechend der gegenseitigen Neigung von Läufer 10 und Gehäuse 12 um jede Meßachse abgeben. Die Abgriffe 36 und 38 können von bekannter Bauart sein. Gemäß Fig.2 ist der Abgriff 36 als Sensorspule ausgebildet, die an einen Demodulator 40 angeschlossen ist, welcher seinerseits ausgangsseitig mit dem Leiter 34 verbunden ist Die zusätzliche Gleichstromquelle 32 ist parallel zum Demodulator 40 an den Leiter 34 angeschlossen, so daß auf bekannte Art und Weise eine Servo-Schleife gebildet ist.

Der Abgriff 38 ist in derselben Weise angeschlossen. Darüber hinaus sind zwei ähnliche weitere Elektromagnete und Abgriffe vorgesehen, welche einander in einer Ebene diametral gegenüberliegen, welche senkrecht zur Zeichnungsebene von F i g. 1 verläuft Die weiteren Elektromagnete und Abgriffe sind ebenfalls an

ϊ eine zusätzliche Gleichstromquelle auf ähnliche Art und Weise angeschlossen.

Jede gegenseitige Neigung von Läufer 10 und Gehäuse 12 hat also ein elektrisches Signal von den Abgriffen 36 und 38 her und eine entsprechende

ίο Veränderung des von den Elektromagneten 18 und 20 hervorgebrachten Kraftflusses zur Folge. Da der Läufer 10 auch aus magnetischem Material besteht bewirkt dieser Kraftfluß ein Anziehen und Abstoßen des Läufers 10, welcher wieder in die Null- oder Neutralstellung

ι ο rückgeführt wird.

Erfindungsgemäß ist eine Wechselstromquelle 44· vorgesehen, welche ausgangsseitig über einen Leiter 46 an die Verbindungsstelle 28 angeschlossen ist Demgemäß wird ein Wechselstrom dem Gleichstrom im Leiter

.'» 22 überlagert Die kombinierten Ströme durchfließen die beiden ersten, vom Leiter 22 gebildeten Spulen der Elektromagnete 18 und 20.

Die Größe und Frequenz des Wechselstroms der Wechselstromquelle 44 sind so gewählt, daß die dadurch

>-i gebildete Hysteresisschleife bezüglich jedes Elektromagneten 18 bzw. 20 derart ist, daß sie jede magnetische Remanenz umschließt, welche normalerweise im Elektromagneten 18 bzw. 20 gegeben ist. Deren Wirkung ist also durch den ständigen Wechsel der Magnetisierung

in durch den Wechselstrom zunichte gemacht. Dies deswegen, weil die Hysteresisverluste als Folge des Wechselstroms in Form von Energie auftreten, welche zur Spannung der Kristallfragmente des Bauteils verbraucht wird, so daß sie als Wärme in Erscheinung

ti treten.

Es werden daher verhältnismäßig geringe Mengen an gespeicherter magnetischer Energie, welche an irgendeinem Punkt des Zyklus erscheinen, verloren, so'.ange sie geringer als diejenige Energie sind, welche infolge

κι des Wechselstroms verbraucht wird (vgl. auch »Electromagnets« von John D. Kraus, MlcGraw Hill Bock Company, 1953, Seiten 240 bis 242).

Da die infolge des Wechselstroms verlorene Energie genau bestimmbar ist und das System entsprechend

Ii eingestellt werden kann, werden die Wirkungen der magnetischen Remanenz aufgehoben bzw. zunichte gemacht, und zwar trotz Ruhepausen oder verhältnismäßig schneller Bewegungen zwischen Läufer 10 und Gehäuse 12.

in Abwandlungen sind möglich. Beispielsweise kann der Wechselstrom mit dem Gleichstrom auf andere als die beschriebene Art und Weise kombiniert werden. Ferner kann der Wechselstrom in verschiedene Frequenzen aufgeteilt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schwingrotor-Kreisel für die Trägheitsnavigation mit einem auf einer Antriebswelle mittels eines Biegegelenks kippbar gelagerten Läufer, mindestens s einem Abgriff zur Feststellung der jeweiligen Neigung des Läufers und mindestens einem gesonderten Drehmomenterzeuger zum Zurückkippen des Läufers in die Neutralstellung, wobei der Drehmomenterzeuger aus einem Elektromagneten mit einer ersten und einer zweiten Spule besteht, von denen die erste mit konstantem Gleichstrom erregt und die zweite an einen von dem Abgriff gesteuerten, einen entsprechenden Gleichstrom liefernden Demodulator angeschlossen ist, gekennzeichnet durch eine an die erste Spule (22) parallel zu der den konstanten Gleichstrom liefernden Stromquelle (24) angeschlossene Wechselstromquelle (44), welche den Elektromagneten mit Wechselstrom konstanter Größe zur Beseitigung von Remanenzkräften erregt