DE2112351C3 - Anordnung zur stufenlosen und kontaktlosen Erzeugung einer von einem Drehwinkel abhängigen Meßspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur stufenlosen und kontaktlosen Erzeugung einer von einem Drehwinkel abhängigen Meßspannung mit Hilfe von in Brücke geschalteten linear veränderbaren Induktivitäten in Gestalt von Luftspalte bildenden ferromagnetischen Kernen, welche die die Induktivitäten bildenden Spulen tragen, wobei in die Luftspalte zwischen einander gegenüberstehenden Polflächen eine ferromagnetische, ebene, verdrehbare Scheibe eintaucht, deren Erstreckung in Radialrichtung sich abhängig vom Drehwinkel ändert Eine solche Anordnung ist allerdings unter Verwendung eines Differential-Transformators aus der DE-AS 11 89 287 bekanntgeworden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß eine eindeutige, proportionale Zuordnung von Drehwinkel zu Ausgangsmeßspannung erhalten wird und sich eine einfache und störunempfindliche Konstruktion ergibt, welche die Eingangswelle nicht oder nur geringfügig belastet

Diese Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal des Patentanspruchs gelöst

Normalerweise erwartet man bei einem nahezu geschlossenen, nur durch Luftspalte unterbrochenen magnetischen Kreis, daß die Spulenselbstinduktion ungefähr einer Hyperbelfunktion der Luftspaltstrecke folgt. Theoretisch besteht der Zusammenhang:

Selbstinduktion L ~ Magnetfluß ~ (-=-

wobei Rr und Rd die magnetischen Widerstände von ferromagnetischem Weg und Luftweg bedeuten. Diese gehen also mit ihren Kehrwerten in den Zusammenhang ein. Es hat sich aber überraschenderweise gezeigt, daß beim Eindrehen des sich linear verbreiternden ferromagnetischen Teils der Ringscheibe, wobei zu Anfang die gesamte Luftstrecke zwischen den Polflächen fast offen ist und am Ende bis auf die verbleibenden Restluftspalte zurückgeht, die Selbstinduktion dem Drehwinkel der Ringscheibe mit unerwarteter linearer Genauigkeit folgt. Dieser Effekt beruht offenbar auf einer ungleichmäßigen Feldverteilung, die durch die eintauchende keilförmige Ringscheibe hervorgerufen wird, wie sich durch theoretische Nachrechnung bestätigt hat.

Die Erfindung ist nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung einer beispielsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig.2a—c zeigen drei beispielsweise Möglichkeiten für die Ausbildung der Ringscheibe bei der Anordnung nach Fig. 1,

ίο F i g. 3 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung längs der Linie 5 3 - S 4 in F i g. 4,

Fig.4 zeigt einen Radialschnitt durch eine Anordnung nach Fig. 1,

F i g. 5 zeigt einen Schnitt längs der Linie S1 - 5 2 in lä Fig.4,

F i g. 6 zeigt schematisch die Spulen bei gegenpoliger Anordnung,

F i g. 7 zeigt entsprechend die Spulen bei gleichpoliger Anordnung,

F i g. 8 zeigt schematisch eine Anordnung ähnlich der nach F i g. 6 bei Parallelschaltung der einzelnen Spulen,

Fig.9 zeigt eine gegenpolige Anordnung mit Parallelschaltung der Spulen,

Fig. 10 zeigt eine Schaltung für einen induktiven Drehwinkelgeber unter Anwendung der Erfindung,

F i g. 11 zeigt schließlich eine Anordnung für zwei Drehwinkelgeber, die auf einer gemeinsamen Eingangswelle sitzen.

Die erfindungsgemäße Anordnung im dargestellten Beispiel enthält zwei kurze U-förmige, mit den Polen einander zugekehrte Magnetdrosseljoche 2a und 2b aus hochpermeablem, wirbelstromarmen, ferromagnetischen Material. Die zwei einander zugekehrten, genau rechteckigen länglichen Polflächenpaare 3a und 3b sind plangeschliffen und in genau parallelem Abstand einander zugekehrt an einem nichtleitenden, unmagnetischen Rahmen 6 oder einem Isolierrundgehäuse befestigt, so daß zwischen ihnen Luftspalte 4a und Ab freibleiben. Die Schenkelenden der „'oche sind unmittelbar vor den Luftspalten von vier gleichen Spulenwicklungen 5a bis 5deng umschlossen. Bei Wechselstromerregung entstehen auf diese Weise zwischen den Polflächen weitgehend homogene Magnetfelder mit besonders geringer magnetischer Streuung nach außen. Der Rahmen 6 trägt mittels zweier Kugellager Ta und Tb eine außerhalb der Joche angeordnete Winkeleingabewelle 1. An dieser ist mittels eines unmagnetischen und isolierenden, pilzförmigen Zwischenflansches 9 eine keilförmige, flache Ringscheibe 8 angebracht, die aus gepreßtem Eisenpulvermaterial oder aus Ferrit besteht Diese keilförmige Ringscheibe 8 ist zur Erzielung einer gleichmäßigen Scheibendicke von etwa 1 oder 2 mm planparallel geschliffen und so bemessen, daß mit einer Drehung von 0 bis 360° ihre Breite genau gleichmäßig zunimmt Sie taucht beim Drehen der Welle zwischen den Polflächen in die Luftspalte ein, derart, daß Restluftspalte zwischen Polflächen und Keil in der Größenordnung von 03 mm freibleiben. Die Polflächen sind in voll hereingedrehtem Zustand nicht ganz überdeckt, d. h. die größte Breite der Ringscheibe 8 ist etwas kleiner gehalten als die rechteckige Polflächenlänge.

Fig.2a-c zeigen verschiedene Formen der keilförmigen Ringscheibe 8, wie sie z. B. auf einer Radialen .schleifmaschine verhältnismäßig leicht und genau mit gleichmäßiger Randsteigung hergestellt werden können.
Die Spulenwicklungen können nach Fig.6 in Reihe

geschaltet werden, dergestalt, daß sich magnetisch ungleichnamige Jochpole gegenüberliegen. Hierbei entsteht durch die magnetische Kopplung der Joche zusätzlich eine von der Scheibenstellung nahezu unabhängige feste Gegeninduktivität, zu welcher sich der mit der Scheibenstellung linear veränderliche Induktivitätsanteil addiert- Größenordnungsgemäßig erreicht man — abhängig von der Wahl der Restluftspalte - praktisch eine Gesamtinduktivhätsänderung etwa im Verhältnis bis 1:2 zwischen den ι ο Winkelstellungen 0° und 300°.

Dagegen läßt sich bei einer Reihenschaltung der Wicklungen nach Fig.7 erreichen, daß magnetisch gleichnamige Pole an den Luftspalten einander gegenüberliegen und die mit der Ringscheibenstellung linear veränderliche Induktivität um den annähernd festen Betrag der Gegeninduktivität erniedrigt wird. Es läßt sich so zwischen den Winkelstellungen 0° und 300° eine lineare Induktivitätsveränderung im Verhältnis bis zu etwa 1 :5 erreichen. Hierbei wendet man vorteilhaft ein Ringscheibenrnateria! von hoher Permeabilität an, damit der magnetische Widerstand in Längsrichtung der Ringscheibe vernachlässigbar klein bleibt gegenüber den magnetischen Widerständen der Luftspalte, welche das selbstinduktionslineare Feldverteilungsgesetz bewirken. Bei dieser Polung tritt eine erhöhte magnetische Streuung in der Polränderumgebung auf, und man muß dafür sorgen, daß nicht infolge induktiver Wirbelströme in dicht benachbarten Metallmassen, z. B. bei Einbau der Anordnung in ein enges Metallgehäuse, das homogene Feld zwischen den Polflächen nach den Randzonen hin Verzerrungen erleidet

Die erfindungsgemäße Formgebung der Ringscheibe nach Fig.2 verhindert Linearfehler, auch wenn es praktisch nicht gelingt, die Scheibe genau rotationssymmetrisch zur Welle zu montieren. Der hierdurch entstehende Radialschlag wirkt sich nicht aus, weil dabei stets die gleichen Ringscheibenbreiten im homogenen Magnetfeld zwischen den Polflächen bestehenbleiben. Erst bei seh/ starker Exzentrizität treten Linearfehler auf, weil die Vorschubwege der Ringscheiben in den verschiedenen Drehabschnitten unterschiedlich werden.

Bei den beiden in Reihe geschalteten Spulenpolungen, sowohl nach Fig.6 als auch nach Fig.7, werden Linearität der Selbstinduktionsveränderungen und Stabilität der eingestellten Selbstinduktion nachteilig beeinflußt, wenn die Ringscheibe sich nicht genau in einer Ebene zwischen den Polschuhflächen bewegt. Je nach Herstellungsgenauigkeit muß immer mit einem gewissen Axialschlag des Rotors gerechnet werden. Die natürliche Lose (Spiel) in den Kugellagern sowie Wärmedehnungen von Winkeleingabewelle und Rahmen verursachen geringe axiale Verlagerungen. Noch weit davon entfernt, mechanisch anzustreifen, führt die Annäherung der Ringscheibenoberfläche an die oberen Polflächen zu einer Induktivitätsvergrößerung in den oberen Jochwicklungen, während die Induktivität der unteren Jochwicklungen abnimmt. Wären Zunahme und Abnahme gleich groß, so würde sich dieser Fehler bei Serienschaltung der Jochwicklungen vollständig kornpensieren. Genaue Verlagerungsmessungen haben aber gezeigt, daß bei dieser Art der Annäherung zwischen Ringscheibe und Polfläche das obengenannte hyperbolische Abhängigkeitsgesetz teilweise wieder zur Wirkung kommt, indem die Selbstinduktion des oberen Jochsy- (,5 stems stärker anwächst als die des unteren abnimmt. Man erkennt hieraus t'sn Vorteil, der durch die doppelseitige Anordnung der Joche zustande kommt, denn es kompensiert sich dadurch wenigstens ein großer Tei¹ des Unsymmetriefehlers.

Um den Restfehler möglichst unwirksam zu machen, kann weiterhin vorgesehen werden, daß die Spulen auf den Drosselkernen zueinander parallel geschaltet sind, und zwar gleichgültig, ob die Joche gegenpolig nach F i g. 6 oder gleichpolig nach F i g. 7 erregt werden. Das ist in Fig.8 und Fig.9 dargestellt. Auf diese Weise erniedrigt sich infolge des Kirchhoff'schen Verzweigungsgesetzes der Unsymmetriefehler gegenüber der Reihenschaltung auf etwa den vierten Teil.

Ein mit ±0,1 mm axialschlagende Ringscheibe erzeugt bei einem Restluftspalt von beiderseits 0,3 mm mit Parallelschaltung der Spulen nur noch Selbstinduktionslinearfehler (bezogen auf den gesamten Selbstinduktions-Variationsbereich), die unter 1% liegen. Bei besserer mechanischer Präzision sinkt der Fehler etwa quadratisch mit der Schlagamplitude ab.

Die Anordnung mit parallelgeschalteten Spulen und gleichpoliger Erregung nach F')■... 9 mit großem Variationsbereich ist vor allem für Gtter mit Tonfrequenzspeisung geeignet In Anbetracht der ferromagnetischen Materialien kommen nur Magnetisierungsströme in Frage, die nicht zur Sättigung führen. Obwohl die Anordnung nach F i g. 9 dank der erheblichen Luftspalte eine starke Scherung der magnetischen Materialeigenschaften mit sich bringt ist es ratsam, als Jochmaterial wenig magnetisierungsabhängige Stoffe zu verwenden.

Als Meßspannungsgeber für einen Wiakelbereich von 0° bis 300° genügt bereits eine einzige erfindungsgemäße Anordnung in der Schaltung von Fig. 10. Die induktive Vollbrücke wird aus je einem Jochspulenpaar 11,12 des Gebers und zwei zusätzlichen Drosseln 13,14 unveränderlicher Induktivität gebildet die auf denjenigen Wert bemessen sind, den die Selbstinduktion eines Jochspulenpaares bei der Winkelstellung 150° besitzt Bei Speisung der Brücke durch eine normale, niederohmige Wechselstromquelle folgen die Brückenteiispannungen nur angenähert proportional der Induktivitätsänderung von 11 und 12, desgl. die Brückendiagonalsparjiung 21. Dieser Nachteil wird beseitigt indem die Brücke mit »eingeprägtem« Wechselstrom versorgt wird, d.h. die Stromquelle muß gegenüber den Brückenwiderständen einen sehr hohen Quellwiderstand aufweisen. Hierzu dient die zwischen Tonfrequenzgenerator 15 und Brücke eingefügte Vorschaltdrossel 16. Bei hoher Tonfrequenz von z. B. 15 kHz sind die ohmschen Anteile der Brückenwiderstände gegen die induktiven Anteile zu vernachlässigen und sie kompensieren sich auch zum größten Teil. Dann ist die Brücke in der 150°-Stellung abgeglichen. Im Bereich von 150° bis 300° entsteht in der Brückendiagonale 2i eine mit dem Drehwinkel proportional anwachsende Meßwechselspannung. Im Bereich von 150° bis 0° erfolgt ein entsprechender Spannungsanstieg, jedoch mit entgegengesetzter Phasenlage. In bekannter Weise wird die Wechselspannung mit einer vom Speisegenerator 15 gesteuerten phasenempfindlichen Gleichrichterbrücke 17 in eine proportionale positive oder negative Meßgleichspannung umgewandelt, die an einem Kondensator 18 geglättet wird. Durch Serienschaltimg mit einer konstanten zusätzlichen Gleichspannung an einem Kondensator 19 läßt sich der Bereich um den Betrag der maximalen Meßgleichspannung verlagern, so daß einer Winkelstellung von 0° bis 300° eine abgegebene Ausgangsgleichspannung an den Klemmen 20 von Null bis zu einem Höchstwert, linear anwachsend entspricht. Diese Spannung kann unmittelbar zur Winkelstellungs-

fernanzeige dienen, ζ. B. mit einem Drehspul-Spannungsmesser oder läßt sich für die Zwecke von Steuer-, Regel- und Impulstechnik in bekannter Weise weiter verarbeiten.

Bei hoher Speisefrequenz (15 kHz) sind die Magnetisierungsströme und die hieraus an der Eingabewelle erwachsenden Richtkräfte im allgemeinen so gering. daß sie in die Größenordnung der Lagerreibung fallen und das Meßobjekt praktisch kaum belasten.

Eine andere besonders vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung ist in Fig. 11 dargestellt.

Dort sind zwei magnetisch voneinander unabhängige Selbstinduktionsvariatoren der erfindungsgemäßen Art von einer gemeinsamen Eingabewelle betätigbar, derart, daß die Verbreiterung des einen Ringteiles rechtsläufig, die des anderen dagegen linksläufig zunimmt, d. h. beim Drehen der Welle von 0° auf 300°

VCIgIUUCItUCl CIMCVJCUCI IlllCai 3CMIC OCIUSIIIIUUIMIUII,

während sie der zweite vermindert. Die gegenläufige Veränderung der Randkurven von ferromagnetischen, die Induktivität von Drehwinkelgebern beeinflussenden Scheiben ist an sich bekannt. Die beiden Variatoren 30, 31 liegen in Reihenschaltung, welche von einem Transformator 32 mit Wechselspannung von beliebiger Frequenz gespeist werden kann. Da sich die induktiven Widerstände der gegenläufigen Variatoren für beliebige

Winkelstellung stets zu gleichen Summenwert ergänzen, bleibt der Magnetisierungsstrom konstant. Aul diese Weise bleibt auch der elektrische Energiegehall L ■ I¹Il des Doppelvariators unverändert und die Hingabewelle unterliegt keinen mechanisch-elektrischen Rückwirkungen.

Die Brückenschaltung wird symmetrisch vervollständigt durch einen Mittelabgriff 33 an der Transformatorwicklung. Dann entsteht an der Brückendiagonale 33,34 beim Drehen der Winkeleingabewelle der gleiche Verlauf der Meßwechselspannung wie bei der Schaltung räch Fig. 10. d. h. Spannung Null bei 150°-Stellung und nach beiden Seiten hin linearer Spannungsanstieg mil jeweils entgegengesetzter Phasenlage.

Wird dagegen, wie bei 35 in Fig. I! dargestellt, der Transformatorabgriff so weit aus der Mitte versetzt, daG die Brücke bei Winkelstellung 0° abgeglichen ist, dann wächst die Meßwechselspannung mit der Drehung der

L~!l Ig ti L/V, r* WIIV, VGlI \J l/l J w* V/V HI(WMI #.U*I( I IVTV^ItJl ΨΎ\^Γΐ U Γΐ

ohne die Phasenlage zu ändern. Diese MeBwechselspannung läßt sich dann besonders einfach mit Hilfe eine« normalen Amplitudengleichrichters 36 in eine proportionale Gleichspannung an den Klemmen 37 von nahezu Null bis zu einem Höchstwert umwandeln und dann unmittelbar zur Fernmessung oder anderweitigen Weiterverarbeitung verwenden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnimeen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Anordnung zur stufenlosen und kontaktlosen Erzeugung einer von einem Drehwinkel abhängigen Meßspannung mit Hilfe von in Brücke geschalteten, linear veränderbaren Induktivitäten in Gestalt von Luftspalte bildenden ferromagnetischen Kernen, welche die die Induktivitäten bildenden Spulen tragen, wobei in die Luftspalte zwischen einander gegenüberstehenden Polflächen eine ferromagnetische, ebene, verdrehbare Scheibe eintaucht, deren Erstreckung in Radialrichtung sich abhängig vom Drehwinkel ändert, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe als sich linear keilförmig verbreiternde Ringscheibe ausgebildet ist, deren Breite im gesamten Drehwinkelbereich kleiner ist als die Länge der rechteckigen Polflächen.