DE2338068C3

DE2338068C3 - Elektromagnetischer Wegaufnehmer

Info

Publication number: DE2338068C3
Application number: DE19732338068
Authority: DE
Inventors: Katsuhiko Dipl.-Ing.; Mohri Mineju Dipl.-Ing.; Hino Tokio Aoki (Japan)
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1972-08-03
Filing date: 1973-07-26
Publication date: 1976-10-14

Description

60

3ie Erfindung bezieht sich auf einen elektrognetischen Wegaufnehmer, mit dem eine in einem ten Bereich veränderliche Winkelbewegung in elektrisches Signal umgesetzt werden kann.
:s ist ein Wegaufnehmer bekannt, dessen in sich chlossener Eisenkreis aus vier im Rechteck aniieurdncten Schenkeln besteht, in dem eine Magnetisi'-runüsspule einen magnetischen Fluß erzeugt, über einem Schenkel ist eine Kurzschlußspule entsprechend dem aufzunehmenden Weg verschiebbar, während auf den benachbarten Schenkein Meßspulen angeordnet sind. Der Flußverlauf durch die Meßspulen hänst dann von der Stellung der Kurzschlußspule bzw~ deren Abstand von djn Meßspulen ab. Mit dieser Anordnung können nur Wege, jedoch keine Winkel gemessen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders für die Bestimmung eines Drehwinkels geeigneten Wegaufnehmer einfacher Konstruktion anzugeben, mit dem Winkel in einem Bereich von annähernd 360~ bestimmt werden, d. h. in eine elektrisches Signal umgewandelt werden können.

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Wegaufnehmer mit einem von einer Induktionsspule in einem Eisenkreis erzeugten magnetischen Fluß, dessen Verlauf innerhalb mindestens einer Meßspule von der Stellung eines Kurzschlußringes abhängt.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkreis aus zwei ringförmigen ferromagnetischen Körpern besteht, die koaxial derart angeordnet sind, daß zwischen ihnen ein ringförmiger Luftspalt entsteht und in diesem Luftspalt ein Joch mit einer den magnetischen Fluß erzeugenden Magnetisierungsspule angeordnet ist.

Der Kurzschlußring oder die Magnetibierungsspule und die Nießspule werden in Abhängigkeit von dem zu messenden Dreh winkel gedreht und das von der Meßspule hierbei abgegebene Signal gemessen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele des Wegaufnehmers, dabei ist einer der ringförmigen ferromagnetischen Körper innerhalb des' anderen in der gFeichen Ebene angeordnet. In der mit A bezeichneten Figur ist ein Grundriß und in der mit B bezeichneten eine Ansicht, teilweise im Schnitt längs der Linien X-X des Grundrisses gezeigt. Die F i g. 3, 5 und 6 zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele von derartigen Wegaufnehmern, wobei zwei ringförmige ferromagnetische Körper koaxial zueinander versetzt, d. h. übereinander angeordnet sind. Das Ausführungsbeispiel nach F i g. A ist ähnlich wie das nach den F i g. 3, 5 und 6.

In F i g. 1 sind zwei ringförmige ferromagnetische Körper 1 und 2 konzentrisch angeordnet, der Körper 2 liegt innerhalb des Körpers I. Eine drehbare Welle 6 in der Mitte der Anordnung kann entsprechend der zu messenden Winkelbewegung verstellt werden. Die Körper 1 und 2 können aus Blechen, aus Ferrit oder staubförmigem mit synthetischem Harz verfestigtem Magnetpulver bestehen. Sie werden vom Joch 3 zusammengehalten, auf das eine Magnetisierungsspule 4 aufgewickelt ist. Die Spule hat JV 1 Windungen und wird von einer Wechselspannungsquelle gespeist. Sie wird außerdem von einem Schirm 10 umgeben. Bei Erregung der Spule mit Wechselspannung bildet sich ein magnetischer Kreis über die ferromagnetischen Körper 1 und 2 und den Luftspalt 9 zwischen 1 und 2. Auf dem Körper 2 sind zwei Meßspulen 81 und 82 angebracht, und zwar benachbart zu den Enden der Magnetisierungsspule 4. Beide Spulen 81 und 82 haben N 2 Windungen und sind in Differenz geschaltet, über dem ferromagnetischen Körper 2 befindet sich ein Kurzschlußring 5. der über den Arm 7 mit der Welle 8 verbunden ist. Der Kurzschlußring kann längs des Umfangs des Körpers 2 über diesen

hinwegbewegt werden, wenn die Welle 6 entsprechend der zu messenden Winkelbewegung gedreht wird. Welle 6 und Arm 7 bestehen aus nicht magne.ischem Werkstoff.

Die Wirkungsweise des Wegaufnehmers nach F i g. I s soll nun beschrieben werden. Vorausgesetzt wird, daß der Magnetisierungsspuk'4 eine Spannung £1 zugeführt wird und daher ein Magneiisierungsstrom / 1 fließt. Dann wird im magnet;-jhen Kreis ein FIuLS'/' erzeugt: ι ο

Φ = S I I I R

R ;ϊΐ der magnetische Widerstand, herrührend von dem Widerstand der Magnetisierungsspule, dem der fcrromagnetischen Körper 1 und 2 und dem des Luftspalts 9 zwischen den beiden Körpern. Der magnetische F'uß verläuft vom Körper2 zum Körperl in den Luftspalt 9 und wird vom Körper I zum Körper 2 in das Joch 3 geführt. Gleichförmige Verteilung des magnetischen Flusses im Luftspalt 9 kann unter den folgenden zwei Bedingungen erreicht werden:

1. Die Körper 1 und 2 müssen von gleicher Beschaffenheit sein und eine extrem hohe spezifische Permeabilität aufweisen.

2. Die radiale Länge / des Luftspalts zwischen den ringförmigen Körpern 1 und 2 muß über den Umfang konstant sein, und die Querschnittsflächen der Körper 1 und 2 müssen einander gleichen und über den ganzen Kreisumfang konstant sein.

Wenn die Permeabilität der ringförmigen Körper 1 und 2 sehr hoch ist. kann ihr magnetischer Widerstand gegen den Widerstand des Luftspalts 9 vernachlässigt werden. So wird der magnetische Widerstand R in der Gleichung 1 hauptsächlich von dem des Luftspalts bestimmt. Daher wird der magnetische Widerstand in radialer Richtung des Luftspalts über den ganzen Winkel von 360" konstant und die Flußverteilung gleichmäßig. Unter der Annahme, daß ein Winkelbereich 2 « von der Abschirmung 10 bedeckt ist und der Streufluß in dieser Abschirmung vernächlässigbar ist. kann wegen der gleichmäßigen Verteilung der magnetische Fluß, bezogen auf die Winkeleinheit, gesetzt werden

ν = Φ 2 (τ - „).

(2)

Wird weiter angenommen, daß der Fluß 7, mit der Meßspule 81 und der Flußr_/2 mit der Meßspule 82 verkettet ist, treten die Flüsse ^₁ und </₂ mit einem Betrag von 7 je Winkeleinheit aus, bis an die Stelle, wo der Kurzschlußring steht, der Fluß Null wird. Wird der Drehwinkel (■) des Kurzschlußringes 5 von der Linie X-X gemessen, so können die magnetischen Flüsse 7, und <)₂. die in entgegengesetzten Richtungen verlaufen, wie folgt ausgedrückt werden:

Vi =

= (τ

Da die Meßspulen 81 und 82 mit gleicher Windungszahl aber entgegengesetzter Wicklungsrichtung aufgebracht sind, können die resultierenden magnetischen Flüsse, die mit den Spulen verkettet sind, aussiedrückt werden:

70 = 7: - Vi = -'■>·! ■

(5) Die induzierte Spannung El in den Spulen wir dann

El = .V2

Die Gleichung (61 kann in die Gleichung (7) übei geführt werden unter Benutzung der Gleichungen ( und (5)

El =

Sl

d</< df" '

Wenn angenommen wird, daß der ganze magnet! sehe Fluß mit der Magnetisierungsspule verkettet Lsi ergibt sich

Λ' ΧΦ =

Dabei ist L die Selbstinduktion der Magnetisie rungsspule 4. Wenn die Beziehung 9 zwischen dei Induktivität ,»L und dem Widerstand r der Magnetisierungsspule 4 besteht, kann die folgende Gleichung aufgestellt werden:

<:L

£1 = L

dl X

df

(9) UO)

Gleichung (7) kann in Gleichung (11) umgeformt werden, auf der Basis der Gleichungen (8) und (10)

.7 — U

= KC-)

K —

£1

Nl

:V2

£1

= konstant .

(H)

Aus Gleichung (11) ergibt sich, daß die Wechselspannung £2 proportional dem Drehwinkel der Welle 6 aus den beiden Meßspulen entnommen werden kann. Die Meßspulen sollen noch für sich betrachtet werden. Eine Spannung £21 in der Meßspulc81 eruibt

£21 = Kl-KK-)

Kl =

El	,V 2
2	/Vl '
£1	yV2

(12)

N\

60 In gleicher Weise wird eine Spannung £22 in der Meßspule 82 induziert

£22 = AI - KIf-).

(13)

Aus den Gleichungen (!2) und (13) läßt sich ableiten, daß für den F:ill d;iß K I linmnmdwi «■■■"■^fl"ⁿ

kann, eine Spannung entsprechend dem Drehwinkel aus den Meßspulen erhalten werden kann. In diesem Fall kann eine zweite Meßspule wegfallen.

In Fig. 2 ist eine andere Ausgcstaltungsform der Erfindung gezeigt, wo die beiden ringförmigen ferromagnetischen Körper 1 und 2 ohne gegenseitige Verbindung über ein Joch angeordnet sind. Eine Magnetisierungsspule 4 ist um ein Joch 3 gewickelt, das im Luftspalt zwischen den beiden ringförmigen Körpern I und 2 gleichsam schwebend angeordnet ist. Ein Kurzschlußring 5 ist um den Körper 2 gelegt und mechanisch über den Arm 7 mit der Welle 6 verbunden.

Bei dieser Ausführung wird der Kurzschluüring5 und der ringförmige ferromagnetische Körper 2 gemeinsam von der Welle 6 in Übereinstimmung mit der zu messenden Winkcldrchung verstellt und das elektrische Ausgangssignal der Meßspule oder mehrerer Meßspulen auf dem Körper 1 entnommen.

Bei einer weiteren Ausgestaltungsform, gezeigt in F i e. 3. sind die ringförmigen ferromagnetischen Körperl und 2 so angeordnet, daß sie übereinanderlicgen. Sie bestehen wieder, wie bereits erwähnt, aus Blechen oder Ferrit und haben gleichen Durchmesser und deiche Größe. Sie werden mit Hilfe eines Joches 3 starr verbunden, das im Luftspalt 9 liegt und auf das eine Magnetisierungsspule 4 gewickelt ist. Zwei Meßspulen 81 und 82"liegen auf dem Körperl. Die Wirkungsweise dieser Ausführung stimmt mit der nach F i g. 1 überein.

Bei der Ausgestaltungsform nach F i g. 4 ist der Kurzschlußring mit dem ringförmigen ferromagnetischen Körperl fest verbunden. Die Meßspulen81 und 82. die den Körper 1 umgeben, sind relativ zu diesem über einen Luftspalt frei beweglich und über Arme 71 und 72 mit der drehbaren Welle 6 verbunden. Das Joch 3 liegt im Luftspalt 9. trägt die Magnetisierungsspule 4 und ist mechanisch mit den magnetischen Körpern nicht verbunden. Auch das Joch mit der Magnetisierungsspulc ist über einen Arm 73 mit der Welle 6 verbunden. Infolgedessen werden die Meßspulen und die Magnetisierungsspule gemeinsam mit der Welle 6 längs des Umfangs des Magnetkörpers 1 bewegt.

Auch nach der Ausgestaltungsform der Fig. '.

sind die beiden ringförmigen Körper 1 und 2 nich durch das Joch 3 verbunden. Der Kurzschlußring i ist auf dem Körper 1 befestigt, so daß Körper 1 um Kur/.schlußring 5 gemeinsam mit der Welle 6 drehbai sind. Zur Anzeige der magnetischen Flüsse im Kör per 2 sind magneto-elcktrisehe Wandler, wie Feld plattenwiderstandselemenlc91 und 92 im Körper ί beiderseits der Magnetisierungsspule 4 eingeschlossen Die Fcldplattenwiderstiinde sind mit Anschüssen 101 und 102 verbunden. Dieelektromagnetische Wirkungs weise dieser Anordnung ist die gleiche wie die nacr Fig. 1. Jedoch wird jede Änderung des magnetischer Flusses im Magnetkörper 2 in eine Änderung des elektrischen Widerstands der Feldplattenelemente 91 und 92 umgewandelt. Eine Winkelbewegung dei Welle 6 wirkt sich also aus als Widerstandsänderung der Feldplatten. An Stelle der Feldplatten 91 und 92 können auch Hallgeneratoren zur Bestimmung des magnetischen Flusses verwendet werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung entsprechend Fig. 6 ist ein Kurzschlußring5 mil Abstand auf einem ringförmigen Körper 1 angebracht, und das Joch 3 verbindet mechanisch die ringförmigen ferromagnetischen Körper 1 und 2. Außerdem ist das Joch über den Arm 73 mit der Welle ί verbunden. Feldplatten widerstände 91 und 92 sind in den Körper 2 beiderseits der Magnetisierungsspule 4 eingeschlossen, und die Feldplaltcn werden gemeinsam mit der Welle 6 gedreht.

Bisher wurde angenommen, daß die spezifische Permeabilität der ferromagnetischen Körper 1 und 2 sehr groß ist und mit der koaxialen Anordnung der Körper eine gleichmäßige Verteilung des magnetischen Flusses im Luftspalt 9 erreicht wird. Wenn es unmöglich ist, eine so große spezifische Permeabilität der ringförmigen Körper 1 und 2 zu erhalten, daß ihre magnetischen Widerstände vernachlässigt werden können im Vergleich zum Widerstand des Luftspalts 9, kann die Verteilung des magnetischen Flusses im Luftspalt dadurch gleichmäßig gemacht werden, daß die Achsen der ringförmigen ferromagnetischen Körper 1 und 2 etwas parallel zueinander verschoben werden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

:3 38 Patentansprüche: ^^

1. Elektromagnetischer Wegaufnehmer mit einem von einer Induktionsspule in einem Eisenkreis erzeugten magnetischen Fluß, dessen Verlauf innerhalb mindestens einer Meßspule von der Stellung eines Kurzschlußringes abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkreis aus zwei ringförmigen ferromagnetischen ι ο Körpern besteht, die koaxial derart angeordnet sind, daß zwischen ihnen ein ringförmiger Luftspalt entsteht und in diesem Luftspalt ein Joch mit einer den magnetischen Fluß erzeugenden Magnetisierungsspuie angeordnet ist.

2. Elektromagnetischer Wegaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen ferromagnetischen Körper konzentrisch einer innerhalb des anderen angeordnet sind.

3. Elektromagnetischer Weaaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen ferromagnetischen Körper kouxial zueinander versetzt angeordnet sind und beide den gleichen Durchmesser haben.

4. Elektromagnetischer Wegaufnehmer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspulen und der Kurzschlußring auf dem gleichen ferromagnetischen Körper angebracht sind.

5. Elektromagnetischer Wegaufnehmer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspulen auf dem einen und der Kurzschlußring auf dem anderen ferromagnetischen Körper angebracht sind.

6. Elektromagnetischer Wegaufnehmer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußring relativ zu dem Joch mit der Magnetisierungsspule und den Meßspulen entsprechend dem zu messenden Drehwinkel verstellbar ist.

7. Elektromagnetischer Wegaufnehmer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eine ferromagnetische Körper mit dem Kurzschlußring relativ zum Joch mit der Magnetisierungsspule, zu den Meßspulen und dem anderen ferromagnetischen Körper verstellbar ist.

8. Elektromagnetischer Wegaufnehmer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide ferromagnetischen Körper mit dem Joch, der Magnetisierungsspule und den Meßspulen relativ zum Kurzschlußring verstellbar sind.

9. Elektromagnetischer V/egaufnehmer nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle von Meßspulen Feldplattenwiderstände oder Hallgeneratoren verwendet sind, welche in einen der ringförmigen ferromagnetischen Körper eingebettet sind.