DE2450452C3

DE2450452C3 - Lineartachometer

Info

Publication number: DE2450452C3
Application number: DE19742450452
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 2000 Wedel Augenreich
Original assignee: Demag AG
Current assignee: AUGENREICH, KLAUS, DIPL.-ING., 2000 WEDEL, DE
Priority date: 1974-10-24
Filing date: 1974-10-24
Publication date: 1978-05-03
Also published as: IT1043548B; DE2450452A1; CH607056A5; DE2450452B2; GB1521709A

Description

Die Erfindung betrifft einen Lineartachometer, insbesondere zum Zusammenwirken mit einem Linearmotor großer Hublänge, gemäß dem Oberbegriff des

Anspruchs 1.

Es sind rotierende Tachometerdynamos bekannt, welche über einen Zahnstangen- oder Reibungsantrieb die Geschwindigkeit des bewegten Körpers, also z. B. des Linearmotors oder seines Sekundärteils, erfassen und über die durch ihre Ankerdrehung erzeugte Spannung zu Meß- und Regelzwecken auswerten. Hierbei können sowohl Gleich- ais auch Wechselstromdynamos eingesetzt werden. Als Nachteile dieser bekannten Einrichtungen ergeben sich bei Gleichstromdynamos die ungleichen Spannungsabfälle an den Bürsten, die Änderung der neutralen Zone durch Verkanten der Bürsten, welche Punkte sich namentlich bei kleinen Geschwindigkeiten in der Nähe des Nullpunktes auswirken. Weiter stören die Oberwellen des Gleichstromankers bzw. seines Kollektors. Bei Wechselstrom-Tachometerdynamos stören ebenfalls die Wicklungsoberwellen, ferner bei Umformung auf Gleichstrom der ca. 0,6 Volt je Diode betragende Spannungsabfall in Durchlaßrichtung, der gerade in der Nähe des Stillstands sich auswirkt.

Linearmotorantriebe mit rotierenden Tachometerdynamos und ergänzender Elektronik sind beispielsweise durch die DT-OS 15 88 806 und die DT-OS 21 11 273 bekannt Ein Linearmotor mit ergänzender Wirbelstrombremse, rotierender Tachometerdynamo, nebst zugehöriger Elektronik ist beispielsweise aus DT-OS 20 56 227 bekannt. Es sind nun zum Zusammenwirken mit Linearmotoren auch schon Lineartachometer bekanntgeworden bzw. Einrichtungen, die sich als solche bezeichnen lassen, so z. B. durch die DT-OS 19 04 905. Dort wird ein in Bewegungsrichtung angeordneter und in Bewegungsrichtung gepolter permanenter Magnet, eine mit dem Schlitten bewegliche Nachweisspule und eine ruhende Gegenwindungsspule erforderlich, wobei beide Spulen in- bzw. gegeneinander beweglich sein müssen. Diese Einrichtung vermeldet zwar Bürsten, verursacht aber große Schwierigkeiten, sobald sie auf große Hublängen von mehreren Metern übertragen werden soll.

Bei einer weiteren bekannten, als Lineartachometer bezeichenbaren Einrichtung (US-PS 34 70 399), werden 2 in Bahnrichtung gepolte permanente Magnete durch Aluminiumstangen im Schlitten gehalten und mit ihm bewegt, und die Verschiebungsgeschwindigkeit durch die Spannung von 4 getrennten, in ständigem Wechsel des Wickelsinns hintereinandergeschalteten Spulen kontrolliert. Diese sichtlich für einen verhältnismäßig kleinen Hub gedachte Einrichtung, die natürlich ebenfalls Bürsten und Kontakte vermeidet, läßt sich nicht ohne größere Schwierigkeiten für einen großen Hub brauchbar abändern.

Sensoren und Detektoren mit dem hierfür erforderlichen erheblichen elektronischen Zubehör sind aus den drei nachfolgend aufgeführten Veröffentlichungen zur Geschwindigkeitsüberwachung von Linearmotoren bekannt und würden sich so eventuell ebenfalls in etwas weiterem Sinn als Lineartachometer bezeichnen lassen. Gemäß der GB-PS 11 48 444 werden dabei mehrere Meßspulen benötigt und außerdem mit mechanischer Trägheit behaftete Anzeigeelemente dazwischengeschaltet. Gemäß der US-PS 35 48 273 werden mehrere Sensoren und Detektoren und komplizierte Schaltungen erforderlich. Gemäß der FR-PS 15 98 561 werden 2 gegeneinander bewegliche, mäanderförmig gewickelte Gebilde erforderlich, was eine Übertragung auf große Hublängen fragwürdig und bestimmt kostspielig gestaltet.

Aus der US-PS 27 64 702 ist ein Geschwindigkeits-Meßgerät für lineare Bewegungen bekannt. Dabei werden 2 konzentrisch angeordnete permanentmagnetische Ringe beiderseits einer zylinderförmi^en ruhenden Spule gegen die letztere gleichsinnig bewegt. Durch eine aufwendige Anordnung, die magnetisch leitende und magnetisch nicht leitende Teile enthält, wird ein die Spule nur in einer Richtung durchsetzender Fluß erzeugt, der außerhalb der Spule in dem äußeren d?r beiden obenrrwähnten magnetisch leitenden runden Teile zurückgeführt wird. Die in der Spule erzeugten Windungsspannungen haben dabei entlang der ganzen Spule dasselbe Vorzeichen. Infolge der Zusammensetzung aus vielen magnetischen und unmagnetischen Drehteilen mit den für den gewünschten Flußübergang erforderlichen Paßsitzen ist diese Anordnung sehr teuer.

Für die Anwendung auf größere Hublängen wird obendrein der Gleitsitz zwischen den beiden in Frage kommenden Teilen problematisch, die Einhaltung der beiden kleinen Luftspalte in Frage gestefit, sowie Betriebssicherheit und Montagekosten in ungünstigem Sinn beeinflußt

In dem Meßgerät nach der DT-OS 19 05 535 wird die Rückführung des magnetischen Flusses nach Durchsetzen einer induzierten Spule mittels eines innerhalb von ihr gelegenen magnetisch leitenden Kerns durch einen zweiten, neben dem ersten Kern gelegenen magnetisch leitenden Kern mit einer darumgewickelten zweiten Spule bewerkstelligt, welch letztere mit der ersterwähnten Spule in Reihe schaltbar ist. Der Fluß wird durch einen zwischen den beiden Spulen liegenden Magnet erzeugt. Zur Flußrückführung wird so ein doppelter Materialaufwand erforderlich, der sich insgesamt in einem größeren Platzbedarf und einer gewissen Sperrigkeit äußert, welche die Verwendung als Lineartachometer sehr erschwert. Beide Kerne müssen an den Bahnenden rechtwinklig abgebogen und miteinander U-förmig verbunden werden, was die Einfügung dieser Vorrichtung in eine vorhandene durch Linearmotor angetriebene Vorrichtung noch weiter erschwert.

Die beiden letzterwähnten Vorrichtungen kennen beide nur massive Eisenkerne und lassen einmal die Erkenntnis vermissen, daß bei größeren Geschwindigkeiten die Meßergebnisse durch Wirbelströme verfälscht werden können. Zum anderen geben sie auch keine Lösungsmöglichkeit zur Vermeidung dieser Störeffekte.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile dieser bekannten Einrichtungen zu vermeiden, die namentlich bei Übertragung auf große Hublängen zu Tage treten. Dabei sollen bei ihr keine Bürsten oder wandernde Kontakte verwendet werden. Es sollen keine beweglichen Anzeige oder RegelglJeder mit mechanischer Trägheit und keine irgendwie gearteten Sensoren oder Detektoren benutzt werden. Die gesamte Tachometereinrichtung soll wesentlich einfacher und billiger sein als die bekannten Einrichtungen, und sich leichter an die Linearmotoreinrichtung anbauen lassen. Es sollen keine beweglichen Spulen benutzt werden, sondern nur eine einzige ortsfeste. Die Einrichtung soll absolut wartungsfrei ohne abnutzbare Teile sein. Weiterhin soll sie derart ausgestaltet werden können, daß Wirbelströme in massiven Eisenteilen das Meßergebnis nicht stören können.

Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, daß nur ein einziger langer gerader nicht vormagnetisierter Eisen

kern und eine einzige lange Spule ohne Eisenruckschluß für den vom permanenten Magnet erzeugten Fluß vorhanden ist, daß die Länge der Spule größer ist als die Hublänge, und die Kernlänge größer ist als die Spulenlänge und daß der Magnet zum Kern und zu der Spule so angeordnet ist, daß er in dem zwischen ihm und dem Kern liegenden unmittelbaren Bereich ein großes positives Feld und beiderseits davon je ein kleineres negatives Feld von im allgemeinen Fall außerhalb der Spulenmitte ungleicher Größe, aber zusammen gleichbleibendem negativem Betrag erzeugt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung und ihre Wirkungsweise wird an Hand der Fig. 1 bis 10 näher erläutert. Es stellt dar

F i g. 1 eine Seitenansicht der Tachometereinrichtung,

F i g. 1 a eine Hilfsfigur mit der Induktionsverteilung in Wegrichtung in der Nähe des Magneten 3,

Fig. 2 einen Schnitt senkrecht zur Bahnrichtung durch Spule 4 und Kern 5 mit rundem Querschnitt Q,

Fig. 3 einen Schnitt senkrecht zur Bahnrichtung durch Spule 4 und Kern 5 mit rechteckigem Querschnitt

Fig.4 einen Schnitt senkrecht zur Bahnrichtung durch Spule 4 mit Kern 5, letzterer mit rohrförmigen! Querschnitt Q,

F i g. 5 eine bei sehr großen Längen L? des Eisenkerns 5 eventuell erforderlich werdende Stoßsteüe zwischen 2 Teilkernen 5' und 5",

Fig. 6 einen Schnitt senkrecht zur Bahnnchtur.g mit mehreren Lagen 6 der Spule 4,

Fig. 7 einen Schnitt senkrecht zur Bahnrichtung mit einem in kleine voneinander isolierte Einzelquerschnitte unterteilten Querschnitt Qdes Eisenkerns 5,

Fig.8 einen Schnitt senkrecht zur Bahnrichtung mit rohrförmigen! Querschnitt Q, der in viele kleine voneinander isolierte Eisenquerschnitte verseilt ist,

Fig. 9 eine Stoßstelle 7 mit Maßnahmen zur Gewährleistung einer homogenen Weiterführung der Spule 4,

Fig. 10 ein Oszülogramm mit bei konstanter Geschwindigkeit Vaufgenommenen Anzeigen eines an demselben Schlitten befestigten rotierenden Tacho meters gleichzeitig mit einem Lineartachometer nach der Erfindung.

Im einzelnen zeigt F i g. 1 den Eisenkern 5 von der Länge Lr die streng gleichmäßig und lückenlos darauf gewickelte Spule 4 von der Länge Li, wobei Li < Lr die ausgenutzte Länge (Hublänge) L3, wobei Lz<L\. Der

beidseitige Bereich -¹^y gewährleistet, daß der

Meßbereich des Tachometers von eventuellem unstetigem Feldverlauf an den Enden der Strecke unberührt bleibt. Bj bedeuten die z. B. auf das Eisen zu gerichteten größeren Induktionen im Bereich Τι —Γι', B_a die vom Eisen weggerichteten Induktionen in den Zoner. Ti — Ti und 71' — Ti', die mit zunehmender Entfernung vom Magneten 3 immer kleiner werden. Diese Feldverteilung wurde durch Messung erhärtet.

Beim Wandern des Pols 3 schneiden die oben gelegenen Leiter der Spule 4 die magnetischen Feldlinien, und in jedem Leiter der Zone T — T' wird eine den örtlichen Induktionen B, und der Geschwindigkeitproportionale elektrische Feldstärke

£.„., =
erzeugt. Bei einem bestimmten Wickelsinn der Spule 4

entsteht beispielsweise in der Zone Ti — 71' eine nach links gerichtete Spannung, die am Anfang A der Spule 4 einen elektrischen Pluspol ergibt. In den Bezirken Ti-T₂ bzw. Ti' - T₂' entsteht aber eine entgegengesetzt gerichtete kleinere Spannung. Außerhalb der Spulenmitte sind die negativ gerichteten Teilspannungen in den Bezirken Ti — T₂ und Ti'— T₂' verschieden groß; ihre Summe ist aber gleichbleibend unabhängig vom jeweiligen Ort des Magneten 3. Zwischen A und E ist dann im wesentlichen die Differenz dieser 3 Spannungen wirksam. Bei Bewegung des Magneten 3 entlang der Bahn wird diese Verteilungsfunktion der magnetischen Induktion und der induzierter: elektrischen Feldstärken mitgeschleppt. Die Eisenkernteile α Lj und (1—λ) L₃ durchlaufen die Werte0 <«<1. Dabei ändern sich noch eventuell kleine Streuflüsse durch die Stangenenden in gesetzmäßiger Weise in der Weise, daß der Streufluß durch das linke Ende sich vergrößert, wenn der Magnet 3 von rechts nach links wandert, wobei sich der Streufluß durch das rechte Stangenende in demselben Maße verkleinert. (Bei umgekehrter Bewegungsrichtung entsprechend.) Die Summe dieser Streuflüsse bleibt also konstant.

In beiden Bewegungsrichtungen haben aber die durch die Änderungen der Spulenflüsse der am Kernende liegenden Windungen induzierten Spannungen dasselbe negative Vorzeichen wie die in den Zonen Ti — T₂ und Ti'— T₂', und sind unabhängig vom Ort des Magneten 3. Die Gesamtspannung zwischen A und E ist also die Summe aus Einzelspannungen, wovon die eine zwischen Ti und Ti' überwiegt und die elektrische Polarität der Klemmen A und E bestimmt. Durch Messung der Induktionen B_a und ß, und Berücksichtigung der mit ihnen verketteten Windungszahlen, mit plausiblen Annahmen über Streuung und Leitwerte läßt sich zwar erhärten, daß als Gesamtwirkung aus den Teileinflüssen eine nur von der Geschwindigkeit V abhängige Gleichspannung zwischen A und E bei konstanter Geschwindigkeit V, unabhängig von der jeweiligen Stellung des Magneten 3, herauskommt. Aber erst die Messung gemäß Oszillogramm Fig. 10 entscheidet letztlich darüber, ob die zur Erklärung der Funktionsweise gemachten Überlegungen zutreffen. Der Versuch ergibt jedenfalls, durch gleichzeitige Messung des Lineartachometers zusammen mit einem rotierenden Tachometer, daß die Spannung zwischen A und E bei konstanter Geschwindigkeit des Magneten 3 eine Gleichspannung ist, deren Größe unabhängig vom Ort des Magneten 3 entlang dem Hub L% ist, und deren Vorzeichen lediglich von der Bewegungsrichtung des Magneten 3 abhängt.

Bei einem praktischen Versuch, der dem Oszillogramm Fig. 10 zugrunde liegt, hatte der Eisenkern einen Durchmesser von 2 cm. Material: St 35 GBK nach DIN 2391 20 χ 4. Die Spule 4 war aus Draht von 1 mm Durchmesser blank, isoliert 1,4 mm Durchmesser, gewickelt

Die einzelnen Windungen lagen dicht aneinander, so daß je Meter 715 Windungen in einer einzigen Lage aufgebracht waren. Der Magnet 3 bestand aus 2 mit ihren Polachsen senkrecht zur Bahnrichtung gestellten Magneten von je 2 cm Durchmesser mit einer Entfernung der beiden Polachsen von 9 cm. Mit diesel Anordnung lassen sich It. Versuch 60 mV/je m/sec Geschwindigkeit erzielen.

F i g. 2 zeigt in einem Schnitt senkrecht zur Bahnrichtung einen mit Rücksicht auf leichte Bewickelbarkeil kreisrunden massiven Eisenquerschnitt Q5. Zum Magneten 3 ist als Variante noch ein entgegengesetzl gerichteter gleich starker Pol 3' gestrichelt gezeichnet <5i ist der mechanisch zur Verfügung stehende Luftspalt

ίο oder magnetisch wirksame.

F i g. 3 zeigt in einem Schnitt senkrecht zur Bahnrichtung einen rechteckigen Eisenquerschnitt Q 5, mil einer darüber gewickelten rechteckigen Spule 4. Dies« Bewickelung gestaltet sich etwas schwieriger als be einer Rundspule. Der gestrichelt zusätzlich gezeichnete Magnet 3' und die Luftspalte <5 und Oi haben dieselbe Bedeutung wie in F i g. 2.

Fig.4 zeigt in einem Schnitt senkrecht zur Bahn richtung einen rohrförmigen Eisenquerschnitt Q 5; 3', ί

ίο und <5| haben dieselbe Bedeutung wie in F i g. 2 und 3.

Alle vorhergehend gezeigten und nachfolgend beschriebenen Spulen sind streng gleichmäßig gewickelt.

Fig.5 erläutert als Beispiel eine Möglichkeit des Vorgehens, wenn zur Erleichterung der Montage dei Eisenkern unterteilt werden muß, und trotzdem seine Homogenität beim Aneinanderfügen der Teilkerne 5' und 5" erhalten bleiben soll.

F i g. 6 zeigt in einem Schnitt senkrecht zur Bahnrichtung 2 Windungslagen der Spule 4 übereinander, wobei jede Lage 6 in sich dicht mit ihren Windunger aneinander liegt. Mit 2 η Lagen läßt sich das 2 /7-fache Ergebnis in mV/je m/sec Geschwindigkeit erzielen.

F i g. 7 zeigt in einem Schnitt senkrecht zur Bahnrich tung einen in kleinste magnetische Bezirke feir unterteilten Eisenquerschnitt Q 5, der durch Verseilung dünner und voneinander isolierter Eisendrähte entstanden ist. Diese Maßnahme dient zur Unterdrückung vor Wirbelströmen, Remanenz und Hysterese, welche das Meßergebnis ungenauer machen könnten.

F i g. 8 zeigt in einem Schnitt senkrecht zur Bahnrichtung ein Hohlseil aus dünnen voneinander isolierter Eisendrähten mit dem Gesamtquerschnitt <?5 zu demselben Zweck wie in F i g. 7.

F i g. 9 zeigt als Beispiel, wie etwa die Homogenität der Spule 4 an einer Trennstelle 7 gewahrt werden kann wobei die einzelnen Teilstücke 5' und 5" fertig bewickeil sich in den Windungen ohne Störung aneinander fügen.

Fig. 10 zeigt im Oszillogramm den Vergleich zwischen der Aufzeichnung eines bekannten rotierenden Tachometerdynamos und derjenigen eines Lineartachometers gemäß der Erfindung, beide von demselben Linearmotor mit konstanter Geschwindigkeit gezogen. Da die abgegebene Gleichspannung als Differenz aus mehreren entgegengesetzt gerichteten Spannunger zustande kommt, durchläuft der Meßstrom mehrere Bezirke positiv und negativ gerichteter Spannungen Der Wirkungsgrad ist entsprechend klein. Aber die Anzeigeleistung eines solchen Lineartachometers ist im

Verhältnis zur Leistung des Linearmotors sehr klein, se daß diesem Umstand keine praktische Bedeutung zukommt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lineartachometer, insbesondere zum Zusammenwirken mit einem Linearmotor großer Hublänge, wobei in stillstehenden, entlang der Spulen- s länge gleichmäßig verteilten Windungen einer von einem Eisenkern homogenen Querschnitts durchsetzten Meßspule durch deren Relativbewegung zu einem bewegten, in seiner Achse senkrecht zur Spulenachse und Wegrichtung angeordneten ι ο permanenten Magneten erzeugten Magnetfeld Ober einen kleinen Luftspalt Spannungen induziert werden, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein einziger langer gerader nicht vormagnetisierter Eisenkern (5) und eine einzige lange Spule (4) ohne Eisen-Rückschluß für den vom permanenten Magnet (3) erzeugten Fluß vorhanden ist, daß die Länge (L\) der Spule (4) größer ist als die Hublänge (Lj), und die Kernlänge (L₂) größer ist als die Spulenlänge (L_x) und daß der Magnet (3) zum Kern (5) und zu der Spule (4) so angeordnet ist, daß er in dem zwischen ihm und dem Kern liegenden unmittelbaren Bereich ein großes positives Feld und beiderseits davon je ein kleineres negatives Feld von im allgemeinen Fall außerhalb der Spulenmitte ungleicher Größe, aber zusammen gleichbleibendem negativem Betrag erzeugt

2. Tachometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern (5) in kleinste magnetische Bezirke unterteilt ausgebildet ist (F i g. 4-8).

3. Tachometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern (S) als verseiltes Bündel dünner, voneinander elektrisch isolierter Eisendrähte aus gebildet ist (F i g. 7 und 8).

4. Tachometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern (5) aus einem aus ferromagnetischem Preßstoff hergestellten Stab besteht.

5. Tachometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern (5) runden, insbesondere rohrförmigen Querschnitt aufweist.

6. Tachometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern (5) in Längsrichtung unterteilt ist und an den Stoßstellen einen homogenen Übergang sowohl der Kernstruktur als auch der Spulenwindungsdichte aufweist (F i g. 5 und 9).

7. Tachometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch zusätzliche Mittel zum Ausgleich von durch Temperatureinflüsse hervorgerufenen Änderungen der Feldstärke des Permanentmagneten (3).

8. Tachometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (3) auf der Innenseite einer unmagnetischen metallischen Tragkonstruktion untergebracht ist.

9. Tachometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Spule (4) abgenommene Spannung über einen Gleichspan- to nungsverstärker zur Geschwindigkeits- und Wegregelung verwendet wird.