DE2338027A1

DE2338027A1 - Elektrischer wegaufnehmer

Info

Publication number: DE2338027A1
Application number: DE19732338027
Authority: DE
Inventors: Katsuhiko Dipl Ing Aoki; Mineju Dipl Ing Mohri
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1972-08-07
Filing date: 1973-07-26
Publication date: 1974-03-07
Also published as: JPS5512965B2; FR2195784A1; DE2338027B2; JPS4937662A; FR2195784B3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Wegauf nehraer, mit dem eine in einem weiten Bereich veränderliche Winkelbewegung in ein elektrisches Signal umgesetzt werden kann. Bei einem bekannten elektrischen Wegaufnehmer ist eine Detektorspule auf einen ringförmigen magnetischen Körper gewickelt, erstreckt sich über dessen ganzen Umfang und bildet den Stator. Die Wicklungsrichtung der einen Hälfte der Detektorspule ist entgegengesetzt zu der Wicklungsrichtung der anderen Hälfte der Spule. Um einen stabförmigen Magneten ist eine Erregerspule gewickelt und dieser Magnet ist als Rotor innerhalb des Stators angeordnet. Die Erregerspule wird von einer Wechselspannungsquelle erregt, und der Rotor wird in Übereinstimmung mit der zu messenden Winkelbewegung gedreht. Der um den Stator gewickelten Detektorspule kann dann ein elektrisches Signal entnommen werden, das dem Drehwirikel entspricht. Ein solcher elektrischer Wegaufnehmer hat den Nachteil, daß eine über 180 Winkelgrad hinausgehende Bewegung nicht mehr in ein elektrisches Signal umgeformt wird und daß die Detektorspule um den ganzen Umfang des magnetischen Körpers mit großer Genauigkeit gewickelt werden muß, wenn ein Aufnehmer mit ausreichender Genauigkeit erhalten werden soll.

^Gra/Bz

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"²"

Es sind außerdem magnetische Brücken aus zwei Eisenkreisen bekannt, die mittels eines Rückschlusses, der beiden Kreisen gemeinsam ist, magnetisch verbunden sind. Der Rückschluß ist mit Luftspalten an beiden Enden in den magnetischen Kreis eingefügt und wird entsprechend dem aufzunehmenden Weg mechanisch ausgelenkt. Hierdurch wird die Flußverteilung in den beiden Kreisen geändert, die von einer Detektorspule erfaßt und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Mit diesem Wegaufnehmer können jedooh nur sehr kleine Wege oder Drehwinkel gemessen werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen verbesserten elektrischen Wegaufnehmer anzugeben, bei dem die oben beschriebenen Nachteile nicht auftreten. Der neue Aufnehmer ist von einfacher Konstruktion und verursacht geringe Herstellkosten. Mit ihm kann theoretisch eine Drehbewegung über einen Winkel von 360° in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Es ist nicht erforderlich, auf dem magnetischen Körper Wicklungen mit hoher Präzision aufzubringen.

Bei der vorliegenden Erfindung wird ausgegangen von einem •Wegaufnehmer mit einem von einer Induktionsspule in einem Eisenkreis erzeugten magnetischen Fluß, der sich über einen Luftspalt schließt und dessen Wirkung auf eine Detektorspule entsprechend dem aufzunehmenden Weg beeinflußt wird. Der neue Wegaufnehmer ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei ringförmige magnetische Körper koaxial zueinander

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derart angeordnet sind, daß zwischen ihnen ein ringförmiger Luftspalt liegt, daß eine von Wechselspannung erregte Magnetisierungsspule im Luftspalt angeordnet ist, daß eine Detektorspule für die Ermittlung des magnetischen Flusses, der durch einen der ringförmigen magnetischen Körper geht, vorhanden ist und daß Mittel vorgesehen sind, durch die entweder die Magnetisierungsspule oder die Detektorspule festgehalten wird und weitere Mittel, mit denen die andere Spule um die gemeinsame Achse der magnetischen Körper entsprechend dem zu messenden Winkel drehbar ist.

Das Prinzip und die Vorteile der Erfindung werden nach der folgenden genaueren Erläuterung noch besser verständlich, wenn diese zusammen mit den entsprechenden Zeichnungen gelesen werden.

In den Zeichnungen zeigen Figur 1 und' 2 unterschiedliche Ausführungen eines entsprechend der Erfindung ausgebildeten Wegaufnehmers. Dabei gibt die mit A bezeichnete Figur jeweils eine Aufsicht und die mit B bezeichnete Figur eine Seitenansicht an, teilweise im Schnitt längs der Linie X-X in der Aufsicht. Figur 3 zeigt eine graphische Darstellung

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der Umwandlungscharakteristik einer Ausführung nach Figur 2. Figuren 4 und 5 sind Diagramme zur Erläuterung der Ausführung nach Figur 1 und 2. Figur 6 und 7 zeigen noch andere Beispiele von Bewegungsaufnehmern, die eine dritte und vierte Ausbildung der Erfindung darstellen. (A in Aufsicht, B in Seitenansicht, teilweise im Schnitt längs den linien X-X.)

In Figur 1 ist ein Bewegungsaufnehmer in einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dabei sind zwei ringförmige magnetische Körper 1 und 2 konzentrisch um eine Welle 8 in der Mitte angeordnet, weiche entsprechend dem zu messenden Drehwinkel verdreht wird. Die ringförmigen magnetischen Körper sind über ein Joch 3 verbunden, das an einer bestimmten Stelle des Umfangs angebracht ist. Die Körper 1 und 2 bestehen z. B. aus einzelnen Kernblechen, aus Ferrit oder aus staubförmigem magnetischen Material, das mit Hilfe eines synthetischen Harzes verfestigt ist. Die Welle 8 besteht aus nicht magnetischem Material. Auf das Joch 3 ist die Magnetisierungsspule 4 mit NiWindungen gewickelt, die mit einer nicht dargestellten Wechselspannungsquelle verbunden ist. Die Magnetisierungsspule 4 wird von einer Abschirmplatte 5 umgeben. Auf dem ringförmigen magnetischen Körper 2 ist eine Detektorspule 6 mit N2 Windungen derart angebracht, daß sie um den magnetischen Körper 2 bewegt werden kann. Die Detektorspule 6 ist durch den Arm 7 mit der Welle 8 starr verbunden. Hiernach wird die Detektorspule um den magnetischen Körper 2

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entsprechend dem zu messenden Drehwinkel gedreht. Der Arm 7 besteht aus nicht magnetischem Material.

Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. Wenn eine Wechselspannung E1 an die Magnetisierungsspule 4 angelegt wird, fließt ein Strom 11 durch die Spule und erzeugt Magnetflüsse, die im wesentlichen durch die magnetischen Körper fließen. Die Anzahl der magnetischen Kraftlinien kann angegeben werden zu:

φ = Nt I*, /A

wo /fl^usgedrüokt wird in Amperewindungen und R den Widerstand des magnetischen Kreises darstellt, der aus dem Joch 3, den ringförmigen magnetischen Körpern 1 und 2 und dem ringförmigen Luftspalt 9 besteht, der zwischen den magnetischen Körpern 1 und 2 liegt. Die magnetischen Kraftlinien gehen vom Magnetkörper 2 zum Magnetkörper 1 in den Luftspalt 9 und vom Magnetkörper 1 zum Magnetkörper 2 in dae Joch 3. Für den Pail, daß die folgenden Bedingungen (1 und 2) erfüllt sind, ist die Verteilung des magnetischen Flusses im Luftspalt gleichmäßig (1). Die ringförmigen magnetischen Körper 1 und 2 bestehen aus gleichförmigen magnetischen Substanzen mit einer extrem hohen spezifischen Permeabilität (2). Der radiale Abstand 1 des Luftspaltes 9 zwischen den ringförmigen Magnetkörpern 1 und 2 ist über seinen Umfang vollkommen gleichmäßig, und die radialen Querschnittsflächen der ringförmigen magnetischen Körper 1 und 2 sind

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über den ganzen Ring gleichförmig. Wenn die spezifisohe'■ Permeabilität der magnetischen Körper 1* und 2 extrem hoch ist, kann der magnatische Widerstand der ringförmigen magnetischen ICörpor im Vergleich zum Wider stand des Luf tspalts 9 vernachlässigt werden. Daher ist der Widerstand R in Gleichung 1 hauptsächlich bestimmt vom Widerstand des Luftspalts 9. Da die beiden magnetischen Körper 1 und 2 konzentrisch angeordnet sind, ist der radiale Abstand 1 des Luftspalts 9 über seine ganze kreisförmige Ausdehnung gleichmäßig und die effektive Querschnittsflache des magnetischen Weges^ durch den Luftspalt 9 ist ebenfalls über den ganzen Umfang gleichmäßig. Daher ist der Widerstand des Luftspalts über den ringförmigen Bereich gleichmäßig, und die magnetischen Plüsse sind im Luftspalt 9 gleichmäßig verteilt.

Wenn angenommen wird, daß ein Winkelbereich von 2oc von den magnetischen Schirmen 5 überdeckt wird und der Streufluß in diesem Bereich gering ist, kann der magnetische Fluß bezogen auf die Winkeleinheit im Luftspalt im Bereich der gleichmäßigen Verteilung wie folgt ausgedrückt werden:

CN

Der magnetische Fluß, den die Magnetisierungspule 4 erzeugt, wird in zwei Teile geteilt, die entsprechend durch die Wege 21 und 22 in den beiden Hälften des ringförmigen magnetischen Körpers 2 gebildet werden. Der magnetische Fluß durch

409810/0818 " ⁷ "

BAD ORIGINAL ^C0PY

die Wege 21 und 22 nimmt infolge, des konstant verteilten leckflusses mit einer Rate von "^bezogen auf die Winkeleinheit ab, bis die Zahl der magnetischen Kraftlinien
schließlich am Punkt A auf Null zurückgegangen ist. Die Zahl der magnetischen Kraftlinien YMi_t welche die Detektorspule 6 schneiden, welche sich im Winkel Θ vom Punkt A befindet, ist:

und die Spannung E2, welche in der Detektorspule 6 induziert wird, läßt sich ausdrücken als

Die Gleichung 4 kann aufgrund der Gleichungen 2 und 3 in die folgende Gleichung umgeformt werden

Wenn angenommen wird, daß der ganze magnetische Pluß
mit der Magnetisierungsspule um das Joch 3 verknüpft ist, ergibt aich

ti*φ ~ LU &)

Dabei ist L die Selbstinduktion der Magnetisierungsspule 4, wenn der Anteil des ohm'sehen Widerstandes r und der des induktiven Widerstandes AJt- der Wechselstromimpedanz der Magnetisierungsspule 4 der folgenden Gleichung genügt

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Die Gleichung 5 kann in die folgenden Gleichungen umgewandelt werden:

^ K Θ (J)

Aus der obigen Gleichung folgt, daß eine Wechselspannung E2 aus der Detektorspule 6 gewonnen wird, die proportional

ist zum Drehwinkel der Welle 8.

In .Figur 2 wird eine weitere Ausführung der Erfindung dargestellt, nach der zwei magnetische Körper 1 und 2 koaxial derart zueinander angeordnet sind, daß der magnetische Körper innerhalb des magnetischen Körpers 1 angeordnet ist. Hier ist die Detektorspule 6 ortsfest .um den ringförmigen magnetischen Körper 2 gewickelt, und das Joch 3 ist im Luftspalt 9 frei beweglich, der zwischen den beiden magnetischen Körpern 1 und 2 liegt. Auf das Joch 3 ist eine Magnetisierungsspule 4 gewickelt, und das Joch ist mechanisch über den Arm 7'l mit der Welle 8 in der Kittelachse der magnetischen Körper 1 und 2 verbunden. Die Magnetisierungsspule 4 auf dem Joch 3 wird in Übereinstimmung mit dem zu messenden Drehwinkel um die Welle 8 gedreht, und an der Detektorspule entsteht eine Wechselspannung, die dem Drehwinkel entspricht.

40981 0/0818 ~.⁹ '

In Figur 3 wird das graphisch aufgenommene Verhältnis zwischen einem Drehwinkel Q und der Wechselspannung E2 aus der Detektorspule & angegeben.

Me Werte dieser Darstellung sind einer Tabelle entnommen, die bei der Vermessung eines gemäß der Erfindung aufgebauten Weggebers aufgestellt wurde. Die ringförmigen magnetischen Körper dieses Weggebera bestanden aus einem Blechpaket, und die Bleche hatte'n eine sehr hohe spezifische Permeabilität.

In den Beispielen nach 5¹IgUr 1 und 2 wird eine gleichförmige Verteilung des magnetischen Feldes im Luftspalt mit Hilfe der konzentrisch angeordneten ringförmigen magnetischen Körper erhalten, die aus einem Material mit hoher spezifischer Permeabilität bestehen. Aus Experimenten wurde ermittelt, daß die spezifische Permeabilität für den Pail eines aus Blechen aufgebauten Kerns gleich oder größer als 4OOÖ sein muß. Infolge des luftspalts im magnetischen Kreis kann die Selbstinduktion L der Magnetisierungsspule 4 nicht genügend groß sein, um der Bedingung nach Gleichung 7 zu genügen oder die Frequenz f der Wechselspannung muß so hoch gewählt werden, daß sie größer wird als ω = 2^f. Wenn jedoch die Frequenz so hoch wird, erreichen viele Magnetmaterialien nicht die geforderten Permeabilitätswerte von 4000 oder größer.

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Um eine gleichmäßige Verteilung des magnetischen Flusses im Luftspalt zu erreichen, wird daher vorgeschlagen, die ■ magnetischen Körper 1 und 2 wie nachfolgend beschrieben anzuordnen. Wenn die spezifische magnetische Induktion verhältnismäßig niedrig liegt, können die magnetischen Widerstände der Körper 1 und 2 im Verhältnis zum Widerstand des Luftspalts.9 nicht vernachlässigt werden. Daher verändert sich die Verteilung des magnetischen Flusses im Luftspalt 9 in der Ausführung nach Figur 1 entsprechend der Darstellung in Figur 4 und der magnetische Fluß, der mit der Detektorspule β verkettet ist, ändert sich entsprechend Figur 5. Daher ist die induzierte Spannung E2 in der Detektorspule 6 nicht mehr proportional zum Drehwinkel. Wie Figur 4 zeigt, wird auch der magnetische Streufluß je Winkeleinheit im Luftspalt 'größer, je näher die zu · messende Stellung an die Magnetisierungsspule 4 herankommt. Die Verteilung des magnetischen Flusses im Luftspalt 9 wird daher im wesentlichen gleichmäßig, wenn die Länge 1 in radialer Richtung konstant vergrößert wird, beginnend von einem kleinsten Wert beim Punkt A auf der Mittellinie zu einem Maximalwert in der Nähe der Magnetisierungsspule 4. · -Bei der speziellen Anwendung wird der ringförmige magnetische Körper 2 radial leicht zum Punkt A verschoben.

In Figur 6 ist noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wo die ringförmigen magnetischen Körper .1 und 2 im wesentlichen koaxial übereinander angebracht

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sind. Lie ringförmigen magnetischen Körper 1 und 2 "bestehen wieder aus Ferrit, einzelnen Bleichen oder Pulver, •wie früher "beschrieben, und sind von gleicher Größe. Ia Luftspalt 9 zwischen den Körpern 1 und 2 ist ein Joch 3 angebracht und die Magnetisierungsspule 4 ist darauf gewickelt. Eine Detektorspule 6 ist so angebracht, daß sie über die Oberfläche des magnetischen Körpers 1 in ähnlicher Weise bewegt werden kann wie in 5¹IgUr 1 gezeigt. Die Detektorspule 6 ist über den Are 7 mechanisch mit der VieHe 8 verbunden. Diese Ausführung kann in ähnlicher Weise wie die nach Figur 1 betrieben werden.

In Figur 7 ist schließlich eine letzte Ausfuhrungsform der Erfindung angegeben, nach der zwei ringförmige magnetische Körper 1 und 2, ähnlich wie in Figur 6, zueinander angeordnet sind. Jedoch ist der ringförmige magnetische Körper 1 über den Arm 7 mit der Welle 6 .verbunden und ein magnetelektrischer Wandler, z. B. ein Feldplattenwiderstand 61, ist in dem ring-förmigen magnetischen Körper 1 eingeschlossen. Jede Änderung des magnetischen Flusses in dem ringförmigen¹ Körper 1 wirkt sich aus als Veränderung des Widerstandswertes des Feldplattenwiderstandes 61. Bei Benutzung dieser Ausführung kann ein Drehwinkel der Welle S dadurch bestimmt werden, daß die Änderung des elektrischen Widerstandes des Feldplattenwiderstandseiements 61 gemessen wird. Anstelle eines Feldplattenwiderstandes kann auch ein Hallgenerator verwendet werden, der in den magnetischen Körper 1 eingeschlossen ist, um den magneti-

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sehen Fluß zu bestimmen.

Aus der Beschreibung geht hervor, daß ein irehwinkel im Bereich von annähernd 360° in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann. Der neue Wegaufnehmer ist konstruktiv in sehr einfacher Weise aufgebaut.

7 Patentansprüche
7 Figuren

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Claims

Patentansprüche

1./Elektrischer Wegaufnehmer mit einem von einer Induktionsspule in einem Eisenkreis erzeugten magnetischen Fluß, der sich über einen Luftspalt schließt und dessen Wirkung auf eine Detektorspule entsprechend dem aufzunehmenden Weg beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei ringförmige magnetische Körper koaxial zueinander derart angeordnet sind, daß zwischen ihnen ein ringförmiger Luftspalt liegt, daß eine von Wechselspannung erregte Magnetisierungsspule im Luftspalt angeordnet ist, daß eine Detöktorspule für die Ermittlung des magnetischen Flusses, der durch einen der ringförmigen magnetischen Körper geht, vorhanden ist und daß Mittel vorgesehen sind, durch die entweder die Magnetisierungsspule oder die Detektorspule festgehalten wird und weitere Mittel, mit denen die andere Spule um die gemeinsame Achse der magnetischen Körper entsprechend dem zu messenden Winkel drehbar ist,

2. Elektrischer Wegaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ringförmigen magnetischen Körper im Durchmesser verschieden sind und der eine koaxial innerhalb des anderen in der gleichen Ebene angeordnet ist.

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3. Elektrischer Wegaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei ringförmige magnetische Körper von gleichem Durchmesser koaxial übereinander angeordnet sind.

4. Elektrischer Wegaufnehmer naoh Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Joch mit der Magnetisierungsspule an den ringförmigen magnetischen Körpern über Luftspalte anliegt oder mit den magnetischen Körpern mechanisch verbunden ist und die den einen magnetischen Körper umschließende Detektorspule entsprechend dem zu messenden Winkel um die Mittelachse drehbar ist.

5. Elektrischer Wegaufnehmer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorspule ortsfest auf dem einen ringförmigen magnetischen Körper angebracht und ein die beiden magnetischen Körper über je einen Luftspalt verbindendes Joch mit der Magnetisierungsspule um die Mittelachse entsprechend dem zu messenden Winkel drehbar ist.

6. Elektrischer Wegaufnehmer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ringförmigen magnetischen Körper derart zueinander angeordnet sind, daß der zwischen ihnen liegende Luftspalt - ausgehend von einer dem Joch gegenüberliegenden Stelle - nach beiden Seiten bis zum Joch hin zunimmt.

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7. Elektrischer Wegaufnehmer nach Anspruch 1 bis 6, daduroh gekennzeichnet, daß die Magnetisierungsspule von einer magnetischen Abschirmung umgeben ist.

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