DE2338027C3 - Elektromagnetischer Wegaufnehmer - Google Patents

Description

)ie Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetien Wegaufnehmer, mit dem eine in einem weiten eich veränderliche Winkelbewegung in ein elektri-

Λ _sches Signal umgesetzt werden kann. Bei einen

^ bekannten elektromagnetischen Wegaufnehmer ist eins

Meßspule auf einem ringförmigen ferromagnet.scher Korper gewickelt, erstreckt sich über dessen ganzer Umfang und bildet den Stator. Die Wicklungsrichtunj der einen Hälfte der Meßspule ist entgegengesetzt zi der Wicklungsrichtung der anderen Hälfte der Spule Um einen stabförmigen Magneten ist eine Erregerspuk gewickelt, und dieser Magnet ist als Rotor innerhalb de; Stators angeordnet Die Erregerspule wird von einei Wechselspannungsquelle erregt und der Rotor wird ir Übereinstimmung mit der zu messenden Winkelbewegung gedreht. Der um den Stator gewickelten Meßspule kann dann ein elektrisches Signal entnommen werden das dem Drehwinkel entspricht Ein solcher elektrischer Wegaufnehmer hat den Nachteil, daß eine über 18C Winkelgrad hinausgehende Bewegung nicht mehr in ein elektrisches Signal umgeformt wird und daß die Meßspule um den ganzen Umfang des ferromagnetischen Körpers mit großer Genauigkeit gewickelt werden muß, wenn ein Aufnehmer mit ausreichender Genauigkeit erhalten werden soll.

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 Meßspule erfaßt und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Mit diesem Wegaufnehmer können jedoch 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 ferromagnetischen 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 Meßspule entsprechend dem aufzunehmenden Weg beeinflußt wird.

Der neue Wegaufnehmer ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei ringförmige ferromagnetische 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 Meßspule für die Ermittlung des magnetischen Flusses, der durch einen der ringförmigen ferromagnetischen Körper geht, vorhanden ist und daß Mittel vorgesehen sind, durch die entweder die Magnetisierungsspule oder die Meßspule festgehalten wird und weitere Mittel, mit denen die andere Spule um die gemeinsame Achse der ferromagnetischen 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.

Ir den Zeichnungen zeigen F i g. 1 und 2 unterschied-

ehe Ausführungen eines einsprechend der Erfindung usgebiideten Wegautnehmeri. Dabei gibi die mit A lezeichnete Figur jeweils eine Aufsicht und die mit B lezeichnete Figur eine Seitenansicht an, teilweise im Schnitt längs der Linie A'-Ä in der Aufsicht. F i g. 3 zeigt ^ :ine graphische Darstellung der 'Jmwandlungschaakteristik einer Ausführung nach F i g. 2, F i g. 4 und 5 lind Diagramme zur Eriau'.erup? der Ausführung nach - i g. 1 und 2. F i g. b und 7 /eigen noch andere Beispiele ■■on Bewegungsaufnehmern, dii eine dritte und vierte \usbildung der Erfindung darstellen.(.4 in Au^fsicht, Sin Seitenansicht, teilweise im Schnitt längs den Linien X-X.)

In Fig. 1 ist ein Bev. egungsaufneiimer in einer ersten Ausführungsforrn der Erfindung dargestellt. Dabei sind zwei ringförmige ferromagnetische Körper 1 und 2 konzentrisch um eine Welle 8 in der Mitte angeordnet, welche en'.sprechend dem zu messenden Drehwinkei verdreht wird. Die ringförmigen ferromagnetischen Körper sind über ein joch 3 verbunden, das an einer bestimmten Stelle des Umfangs angebracht ist Die Körper t und 2 bestehen z. B. aus einzelnen Kernblechen, aus Ferrit oder ans staubförmigem magnetischem Material, das mit Hilfe eines synthetischen Harzes verfestigt ist. Die Welle 8 besteht aus nichtmagnetischem Material. Auf das Joch 3 ist die Magnetisierungsspule 4 mit N1 Windungen gewickelt, die mit einer nicht dargestellten Wechselspannungsquelle verbunden ist. Die Magnetisierungsspule 4 wird von einer Abschirmplatte 5 umgeben. Auf dem ringförmigen ferromagnttisehen Körper 2 ist eine Meßspule 6 mit N 2 Windungen derart angebracht, daß sie um den ferromagnetischen Körper 2 bewegt werden kann. Die Meßspule 6 ist durch den Arm 7 mit der Welle 8 starr verbunden. Hiernach wird die Meßspule um den ferromagnetischen Körper 2 entsprechend dem zu messenden Drehwinkel gedreht. Der Arm 7 besteht aus nichtmagnetischem Material.

Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. Wenn eine Wechselspannung £1 an die Magnetisierungsspule 4 angelegt wird, fließt ein Strom /1 durch die Spule und erzeugt Magnetflüsse, die im wesentlichen durch den ferromagnetischen Körper fließen. Die Anzahl der magnetischen Kraftlinien kann angegeben werden zu:

45

Φ = .Vl /1 R (1)

wo NiH ausgedrückt wird in Amperewindungen und R den Widerstand des magnetischen Kreises darstellt, der aus dem joch 3, den ringförmigen ferromagnetischen so Körpern 1 und 2 und dem ringförmigen Luftspalt 9 besteht, der zwischen den ferromagnetischen Körpern 1 und 2 liegt. Die magnetischen Kraftlinien gehen vom Körper 2 zum Körper 1 in den Luftspah 9 und vom Körper 1 zum Körper 2 in das Joch 3. Für den Fall, daß die folgenden Bedingungen (1 und 2) erfüllt sind, ist die Verteilung des magnetischen Flusses im Luftspalt gleichmäßig (1). Die ringförmigen ferromagnetischen Körper 1 und 2 bestehen aus gleichförmigen magnetischen Substanzen mit einer extrem hohen spezifischen Permeabilität (2). Der radiale Abstand /des Luftspaltes 9 zwischen den ringförmigen Ferromagnetkörpern 1 und 2 ist über seinen L'mfang vollkommen gleichmäßig, und die radialen Querschnittsflächen der ringförmigen ferromagnetischen Körper 1 und 2 sind über den ganzen b«, Ring gleichförmig. Wenn die spezifische Permeabilität der ferromagnetischen Körper t und 2 extrem hoch ist. kann ihr magnetischer Widerstand im Vergleich zum Widerstand des Luftspalt.*: 9 vernachlässigt werden Daher ist der Widerstand Wir. Gleichung 1 hauptsächlich bestimmt vom Widerstand des Luftspalts 9. D.i die beiden Körper 1 und 2 konzentrisch angeordnet sind, in: der radiale Abstand /des Luftspalts 9 über seine gun/.·.· kreisförmige Ausdehnung gleichmäßig, und die effek·.:· ve Querschniusfläche des magnetischen Weg'-.s 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 Flüsse sind im Luftspalt 9 gleichmäßig verteilt.

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

, Φ Hr, - -.·) Cl

Der magnetische Fluß, den die Magnetisierungsspuk' 4 erzeugt, wird in zwei Teile geteilt, die entsprechend durch die Wege 21 und 22 in den beiden Hälften des ringförmigen ferromagnetischen Körpers 2 gebildet worden. Der magnetische Fluß d'jrch die Wege 21 und 22 nimmt infolge des konstant verteilten Leckflusses mit einer Rate von φ bezogen auf die Winkeleinheit ab, bis die Zahl der magnetischen Kraftlinien schließlich am Punkt -4 auf Null zurückgegangen ist. Die Zahl der magnetischen Kraftlinien ψΝ2, welche die Meßspule 6 schneiden, welche sich im Winkel θ vom Punkt A befindet, ist:

M =

<■)

und die Spannung £2, welche in der Meßspule 6 induziert wird, läßt sich ausdrücken als

E2 = .v: ^ά:>-^Νλ.

df

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

2(.-T-

dt

Wenn angenommen wird, daß der ganze magnetische Fluß Φ mit der Magnetisierungsspuie um das Joch 3 verknüpft ist, ergibt sich

Λ^; \ ■ Φ = L ■ I I l6|

Dabei ist L die Selbstinduktion der Magnetisierungs spule 4. Wenn der Anteil des ohmschen Widerstandes , und der des induktiven Widerstandes wL der Wechsel stromimpedanz der Magnetisierungsspuie 4 der Bezie hung wL > rgenügt. ist

E\ = L

d/1

dT

Die Gleichung 5 kann in die folgende
umgewandelt werden:

Λ 2

.Vl

E\ - Ln

k =

£1

N 2
Nl

Aus der obigen Gleichung folgt, daß eine Wechselspannung E 2 aus der Meßspule 6 gewonnen wird, die proportional ist zum Drehwinkel θ der Welle 8.

In F i g. 2 wird eine weitere Ausführung der Erfindung dargestellt, nach der zwei ferromagnetische Körper 1 und 2 koaxial derart zueinander angeordnet sind, daß der ferromagnetische Körper 2 innerhalb des ferromagnetischen Körpers 1 angeordnet ist Hier ist die Meßspule 6 ortsfest um den ringförmigen ferromagnetischen Körper 2 gewickelt, und das Joch 3 ist im Luftspalt 9 frei beweglich, der zwischen den beiden ferromagnetischen Körpern 1 und 2 liegt Auf das Joch 3 ist eine Magnetisierungsspule 4 gewickelt, und das Joch ist mechanisch über den Arm 71 mit der Welle 8 in der Mittelachse der ferromagnetischen 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 Meßspule entsteht eine Wechselspannung, die dem Drehwinkel entspricht.

In Fig. 3 wird das graphisch aufgenommene Verhältnis zwischen einem Drehwinkel θ und der Wechselspannung E 2 aus der Meßspule 6 angegeben.

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

In den Beispielen nach F i g. 1 und 2 wird eine gleichförmige Verteilung des magnetischen Feldes im Luftspalt mit Hilfe der konzentrisch angeordneten ringförmigen ferromagnetischen Körper erhalten, die aus einem Material mit hoher spezifischer Permeabilität bestehen. Aus Experimenten wurde ermittelt, daß die spezifische Permeabilität für den Fall eines aus Blechen aufgebauten Kerns gleich oder größer als 4000 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 /der Wechselspannung muß so hoch gewählt werden, daß sie größer wird als ω = 2φί. Wenn jedoch die Frequenz zu hoch wird, erreichen viele Magnetmaterialien nicht die geforderten Permeabilitätswerte von 4000 oder größer.

Um eine gleichmäßige Verteilung des magnetischen Flusses im Luftspalt zu erreichen, wird daher vorgeschlagen, die ferromagnetischen 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 F i g. 1 entsprechend der Darstellung in Fig.4, und der magnetische Fluß, der mit der Meßspule 6 verkettet ist. ändert sich entsprechend Fig. 5. Daher ist die induzierte Spannung E2 in der Meßspule 6 nicht mehr proportional zum Drehwinkel. Wie Fig.4 zeigt, wird auch der magnetische Streufluß je Winkeleinheit im Luftspalt größer, je näher die zu

ίο messende Stellung an die Magnetisierungsspule 4 herankommt. Die Verteilung des magnetischen Flusses im Luftspalt 9 wird daher im wesentlichen gleichmäßig, wenn die Länge / in radialer Richtung konstant vergrößert wird, beginnend von einem kleinsten Wert beim Punkt A auf der Mittellinie zu einem Maximalwei t in der Nähe der Magnetisierungsspule 4. Bei der speziellen Anwendung wird der ringförmige ferromagnetische Körper 2 radial leicht zum Punkt A verschoben.

In F i g. 6 ist noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wo die ringförmigen ferromagnetischen Körper 1 und 2 im wesentlichen koaxial übereinander angebracht sind. Die ringförmigen ferromagnetischen Körper 1 und 2 bestehen wieder aus Ferrit, einzelnen Blechen oder Pulver, wie früher beschrieben, und sind von gleicher Größe. Im Luftspalt 9 zwischen den Körpern t und 2 ist ein Joch 3 angebracht, und die Magnetisierungsspule 4 ist darauf gewickelt. Eine Meßspule 6 ist so angebracht, daß sie über die Oberfläche des ferromagnetischen Körpers 1 in ähnlicher Weise bewegt werden kann, wie in F i g. 1 gezeigt. Di3 Meßspule 6 ist über den Arm 7 mechanisch mit der Welle 8 verbunden. Diese Ausführung kann in ähnlicher Weise wie die nach F i g. 1 betrieben werden.

In F i g. 7 ist schließlich eine letzte Ausführungsform der Erfindung angegeben, nach der zwei ringförmige ferromagnetische Körper 1 und 2, ähnlich wie in Fig. 6, zueinander angeordnet sind. Jedoch ist der ringförmige ferromagnetische Körper 1 über den Arm 7 mit der Welle 8 verbunden, und ein magnetelektrischer Wandler, z. B. ein Feldplattenwiderstand 61, ist in dem ringförmigen ferromagnetischen Körper 1 eingeschlossen. Jede Änderung des magnetischen Flusses in dem ringförmigen Körper 1 wirkt sich aus als Veränderung des Widerstandswertes des Feldplattenwiderstandes 61. Bei Benutzung dieser Ausführung kann ein Drehwinkel der Welle 8 dadurch bestimmt werden, daß die Änderung des elektrischen Widerstandes des Feldplattenwiderstandselements 61 gemessen wird. An Stelle eines Feldplattenwiderstandes kann auch ein Hallgenerator verwendet werden, der in den ferromagnetischen Körper 1 eingeschlossen ist, um den magnetischen Fluß zu bestimmen.

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

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   !. Elektromagnetischer Wegaufnehmer mit einem von einer Induktionsspule in einem Eisenkreis erzeugten magnetischen Fluß, der sich über einen Luftspalt schließt und dessen Wirkung auf eine Meßspule entsprechend dem aufzunehmenden Weg beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei ringförmige ferromagnetische Körper koaxial zueinander angeordnet sind, daß zwischen ihnen ein ringförmiger Luftspalt liegt, daß eine von Wechselspannung erregte Magnetisierungsspule im Luftspalt angeordnet ist, daß eine Meßspule für die Ermittlung des magnetischen Flusses, der durch einen der ringförmigen ferromagnetischen Körper geht, vorhanden ist und daß Mittel vorgesehen sind, durch die entweder die Magnetisierungsspule oder die Meßspule festgehalttn wird, und weitere Mittel, mit denen die andere Spult, um die gemeinsame Achse der ferromagnetischen Körper entsprechend dem zu messenden Winkel drehbar ist.
2. 2. Elektromagnetischer Wegaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ringförmigen ferromagnetischen Körper im Durchmesser verschieden sind und der eine koaxial innerhalb des anderen in der gleichen Ebene angeordnet ist
3. 3. Elektromagnetischer Wegaufnehmer nach Anspruch J₁ dadurch gekennzeichnet, daß zwei ringförmige ferromagnetische Körper vom gleichen Durchmesser koaxial versetzt zueinander angeordnet sind.
4. 4. Elektromagnetischer Wegaufnehmer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Joch mit der Magnetisierungsspule an den ringförmigen ferromagnetischen Körpern über Luftspalte anliegt oder mit den ferromagnetischen Körpern mechanisch verbunden ist und die den einen ferromagnetischen Körper umschließende Meßspule entsprechend dem zu messenden Winkel um d>e Mittelachse drehbar ist
5. 5. Elektromagnetischer Wegaufnehmer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule ortsfest auf dem einen ringförmigen ferromagnetischen Körper angebracht und ein die beiden ferromagnetischen Körper über je einen Luftspalt verbindendes Joch mit der Magnetisierungsspule um die Mittelachse entsprechend dem zu messenden Winkel drehbar ist.
6. 6. Elektromagnetischer Wegaufnehmer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ringförmigen ferromagnetischen 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.
7. 7. Elektromagnetischer Wegaufnehmer nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungsspule von einer ferromagnetischen Abschirmung umgeben ist.