DE2627852C3 - Kreiselgerät, dessen Kreiselläufer durch eine auf ihn selbst wirkende magnetische Einrichtung einem Führmoment unterworfen ist - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kreiselgerät, dessen mit drei Freiheitsgraden gelagerter Kreiselläufer eine mit ihm umlaufende, aus elektrisch gut leitendem unmagnetischen Werkstoff bestehende dünnwandige zylindrische Trommel aufweist, die koaxial zur Drallachse des Kreiselläufers angeordnet ist und in den Luftspalt einer stirnseitig angeordneten, nicht mit dem Kreiselläufer umlaufenden magnetischen Einrichtung hineinragt, so daß in von den Magnetfeldlinien radial durchdrungenen Teilen der Trommel Wirbelströme zwecks Erzeugung von magnetischen Führmomenten entstehen, durch die der Kreiselläufer gegenüber der magnetischen Einrichtung um die Kardanachsen kippbar ist.

Führmotoren, die direkt auf den umlaufenden Kreiselläufer wirken, haben eine besondere Bedeutung bei Kreiseln, deren Läufer durch umlaufende Gelenke mit der direkt im Kreiselgestell gelagerten Antriebswelle verbunden sind, insbesondere Kreisel mit umlaufenden Federgelenken, zu denen wiederum die Klasse der in vielen Varianten verwirklichten dynamisch abgestimmten Kreisel gehört; vgl. DE-AS 23 05 663.

Magnetisch wirkende Führmotoren für Kreisel dieser

Art sind in vielen Varianten bekannt (US-PS 34 38 270, 36 78 764, DE-PS 14 73 958, 23 05 663, DE-OS 19 26 028). Diesen bekannten Ausführungsformen ist gemeinsam, daß das Präzessionsmoment durch den Strom gesteuert wird, mit dem der Fühirmotor gespeist wird. Um eine bestimmte Funktion eines Kreiselgerätes zu erzielen — z. B. als Kompaß, Lotkreisel, Wendekreisel — müssen die Führmoiorströme ihrerseits wieder durch weitere Meßgeber — z. B. Lotfühler, Beschleunigungsmesser, Winkelabgriffe — in der Regel über elektronische Verstärker, oft mit bestimmten Filtercharakteristiken, gesteuert werden.

Zur Gerätevereinfachung und zur Minderung der Zahl der Bauelemente und Fehlerquellen ist es in bestimmten Kxeiselgeräten, für die nachfolgend Ausführungsbeispiele angegeben werden, von Vorieil, die auf den Kreiselläufer ausgeübten Präzessionsmomente statt durch den Führmotorstrom durch die Lage einer zeitlich konstant oder permanent erregten Magnetanordnung im Verhältnis zum Kreiselläufer zu !steuern. Dieser Vorteil ist im besonderen dann gegeben, wenn ein Präzessionsmoment entweder proportional der Winkelauslenkung des Kreiselläufers gegenüber den; Kreiselgestell erzeugt werden soll, wobei dann die Magnetanordnung gestellfest eingebaut sein kann, oder in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Kreiselläufers zur Lotrichtung erzeugt werden soll, wobei dann die Magnetanordnung auf einem Bauteil angeordnet werden kann, dessen Lage von der Schwerkraft gesteuert wird. Die erstgenannte Aufgabenstellung liegt typisch bei Wendekreiseln, die letztgenannte in unterschiedlicher figurativer Ausprägung bei Kompassen und Lotkreiseln vor.

In der DE-OS 16 23 363 werden lagegesteuerte magnetische Führmotoren insbesondere für Kreisel beschrieben, bei denen eine auf dem Kreiselläufer angeordnete erste magnetische Einrichtung mit einer in unmittelbarer Nähe des Läufers angeordneten zweiten magnetischen Einrichtung funktionell zusammenarbeitet. Im besonderen wird die Ausgestaltung der ersten magnetischen Einrichtung als magnetisierbar Element, die der zweiten magnetischen Einrichtung als Anordnung von Permanentmagneten vorgeschlagen. Die zweite magnetische Einrichtung kann feststehend und so angeordnet sein, daß sie in der Normalstellung des Läufers, gekennzeichnet durch das Zusammenfallen von Drallathse und Antriebswelle, ktin Präzessionsmoment auf den Läufer ausübt. Sie kann auch relativ zum Kreiselläufer beweglich, insbesondere um eine senkrecht zur Drallachse des Kreisels durch den Mittelpunkt der Kreiselaufhängung verlaufende Achse schwenkbar und durch eine elektrische Antriebsvorrichtung in ihrer Lage steuerbar sein.

Die beschriebenen lagegesteuerten Führmotoren haben den Nachteil, daß sie auf eine auf dem Kreiseliäufer angeordnete magnetische Einrichtung, im besonderen in der Form magnetisierbarer Elemente, angewiesen si~d. durch die der Kreiselläufer von magnetischen Frenidfeldern — der Erde und benachbarter magnetisch streuender Bauteile — abhängig wird. Des weiteren erzeugen bei den beschriebenen Anordnungen nicht nur relative Drehungen der zweiten magnetischen Einrichtung im Verhältnis zum Läufer um dessen Aufhängepunkt Präzessionsmomente, sondern auch relative lineare Verschiebungen der zweiten magnetischen Einrichtung gegenüber dem Läufer in jeder Richtung, insonderheit kombinierte Verschiebungen in mindestens zwei A-hsrichtungen. Dadurch ist ein

solcher Kreisel empfindlich im besonderen gegen Wechsel der Temperaturverteilung und mechanische Kräfte z. B. bei Stoß- und Beschleunigungsbeanspruchung.

Es ist ein Kreiselgerät der im ersten Absatz der Beschreibung angegebenen Bauart bekannt (DE-OS 20 29 595), bei dem die magnetische Einrichtung aus vier getrennten Magneten besteht, deren Erregung zum Erzeugen des Führmomentes unterschiedlich gesteuert wird. Die Wirkung beruht auf tangentialen Bremskräften, welche die Magnetfelder auf den Kreiselläufer ausüben. Diese Bremskräfte bilden zusammen mit den im Aufhängemittelpunkt des Kreiselläufers entstehenden Reaktionskräften Drehmomente, die je in eine axiale und eine radiale Komponente zerlegt werden können und deren radiale Komponenten die Führmomente für den Kreiselläufer darstellen. Diese Führmomente werden also durch die d.e Magnetspulen durchfließenden Ströme gesteuert. Grundsätzlich ist bei dieser Wirkungsweise mit der Erzeugung eines Führmoments die Erzeugung eines Bremsmo- -,entes in gleicher Größenordnung verbunden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die magnetische Einrichtung so auszugestalten, daß sie bei der Erzeugung eines Führmoments nur eine verscnwindend geringe Bremskraft auf den Läufer ausübt, also das Führmoment nicht durch die Bremskraft der Wirbelströme, sondern auf andere Weise so erzeugt, daß das Führmoment ausschließlich von der Winkelstellung der magnetischen Einrichtung im Verhäitris zum Läufer abhängt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die magnetische Einrichtung aus einem radial gepolten, konstant erregten oder permanenten Ringmagneten mit sich an der Stirnseite über den ganzen Umfang des Ringes erstreckendem Luftspalt besteht, der einen ringförmigen Streifen längs der Trommel umfaßt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung z. B. zum Aufbau eines Kreiselgeräts zur Messung der inertialen Drehgeschwindigkeit des Kreiselgestells um zwei Aclren, hier als Zweiachsen-P-Wendekreisel bezeichnet, ist der Magnetring mit dem Kreiselgestell in einer solchen Lage starr verbunden, daß seine Längsachse mit der Achse der Antriebswelle zusammenfällt.

In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung z. B. zum Aufbau eines integrierenden Wendekreisels mit einer Empfindlichkeitsachse, hier als Einachsen-]-Wendekreisel bezeichnet, ist der Magnetring um eine zur Achse der Antriebswelle rechtwinklige und vorzugsweise durch den Gelenkmittelpunkt des Kreiselläufers gehende Achse gegenüber dem Kreiselgestell schwenkbar angeordnet.

In weiteren Ausgestaltungen zum Ausüben gesteuertei Kührmomente auf den Kreiselläufer ist der Magnetring um mehr als eine zur Antriebswelle des Kreisels rechtwinklige und vorzugsweise durch den Gelenkmittelpunkt des Kreiselläufers gehende Achse schwenkbar mit dem Kreiselgestell verbunden, und es sind Mittel vorgesc'ien, den Magnetring um eine oder mehrere seiner Schwenkachsen in seiner Lage gegenüber dem Kreiselgesteil zu steuern oder Drehmomente auf den Magnetring auszuüben.

In weiteren Ausgestaltungen zum Ausüben von Führmomenten auf den Kreiselläufer in Abhängigkeit vor, der Winkelstellung des Kreiselgesteils im Verhältnis zur Lotrichtuiig sind der Magnetring oder einer oder mehrere der Zwischenglieder seiner schwenkbaren

Aufhängung im Kreiselgestell mit gezielten Massenunwuchten bezüglich der Schwenkachsen des Magnetrings versehen.

Zur Einstellung gewünschter Richtungen der Führmomente im Verhältnis zu den Richtungen auf den > Magnetring ausgeübter Momente können der gegenüber dem Kreiselgestell schwenkbare Magnetring und die Zwischenglieder seiner schwenkbaren Aufhängung im Kreiselgestell mit elastischen Ruckstellmitteln versehen sein, die auf den Magnetring Drehmomente in in Abhängigkeit von seiner Auslenkung aus der Normalstellung zur Kreiselantriebswelle ausüben. Zur Vermeidung von Reibungs- und Versetzungsfchlern der Schwcnkiagerungen und zur Vereinfachung des Geräteaufbaus wird weiter vorgeschlagen, die Schwenklage- π runden und die elastischen Rückstellmittel in Gestalt von Federgelenken funktionell zusammenzufassen.

Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten, die Wirkungsmechanismen und Prinzipien der Ausgestaltung und

UirnCnSJOnjCriing GCT iu uiuianuiwiunc <.ui τ ei- _"

wirklichung erwünschter Kreiselgerätefunktionen werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele verdeutlicht. Diese sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt durch das den Kreiselläufer, seine Lager und den Magnetring aufnehmende Gestell,

Fig. la eine der F i g. 1 entsprechende Schnittdarstellung durch eine andere Ausführungsform des Magnetringes,

Fig. Ib und Ic zwei Fig. la entsprechende Darstel- ν lungen weiterer Ausführungsformen des Magnetringes,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise des in den Fig. 1, la und Ib gezeigten Magnetringes in gekippter Lage,

F i g. 2b eine Abwicklung des Umfanges des in F i g. 2 r gezeigten Kreiselläufers mit dem Magnetfeld,

Fig. 2a eine der F i g. 2 entsprechende Darstellung der Lage des Magnetfeldes bei gleichachsiger Stellung von Kreiselläufer und Magnetring,

F i g. 3 eine schaubildliche Darstellung einer allseitig > kippbaren Halterung des Magnetringes im Kreiselgestell unter Fortlassung des Kreiselläuferantriebs,

F i g. 4 eine schaubildliche schematische Darstellung eines erfindungsgemäß ausgestalteten Lotkreisels und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß ausgestalteten Kreiselkompasses.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt den grundsätzlichen Aufbau eines Kreisels mit einem lagegesteuerten Führmotor der Erfindung. In dem Kreiselgestell 1 ist mittels der Lager 7 die Kreiselwelle 6 drehbar gelagert. >n Sie wird von einem Elektromotor mit dem Rotor 8 und dem mit dem Krp'.selgestell 1 verbundenen Stator 9 in schnelle Drehung versetzt und trägt an ihrem freien Ende ein Universalgelenk 5, ζ. Β. ein dynamisch abstimmbares Federkardangelenk, über das der Kreiselläufer 2 um alle zur Achse der Welle 6 senkrechten Achsen mit verschwindenden Rückstellmomenten drehbar mit der Welle 6 verbunden ist. Der Läufer 2 hat daher bei schneller Drehung der Welle 6 die Eigenschaften eines freien Kreisels. ho

Die zur Ausübung der Führmomenie dienende Einrichtung besteht einerseits in dem als Trommel ausgebildeten Teil 4 des Läufers, der aus elektrisch gut leitfähigem und unmagnetisierbarem Werkstoff hergestellt ist, und andererseits aus dem die Trommel 4 umfassenden Magnetring 10, der bei Erregung durch einen Strom in der Wicklung 12 in dem Luftspalt ein die Trommel 4 radial durchsetzendes und über ihren Umfang hinweg gleichförmiges Magnetfeld Il erzeugt Magnetring 10 und Läufer 2 stehen in der Normalstellung koaxial zueinander. Dei Magnetring ist vorzugsweise so eingebaut, daß seine Mittelebene durch den Aufhängemittelpunkt des Gelenks 5 geht.

Die Fig. la und Ib zeigen andere Ausftihrungsbeispiele des Magnetringes 10 mit Erregung durch Dauermagnete. In der Fig. la bilden die beiden weichmagnetischen Polringe 14a und 146 den Luftspalt 11. An sie schließen in axialer Richtung zwei axial magnetisierte Dauermagnete 13a und 136 an, die auf der der Trommel 4 abgewandten Stirnseite durch den Jochring 15 magnetisch leitfähig miteinander verbunden sind. In der Fig. Ib bilden zwei Dauermagnete 16a und 166 in der Ausbildung als Ringe mit U-P'-.fil zw?i Luftspalte Ha und 116, in denen die Trommel 4 von zwei entgegengesetzt gerichteten radialen Magnetfeldern durchsetzt wird. Die Ausführung des Trägers 17 der Magnete 16a und 166 aus lekhtem Werkstoff t :.; νϊΓΐ v-iCgCngCWICiiiSririg 19 CTiaüuCTi 65, den gän/.CM Magnetring bei Bedarf bezüglich der Mittelebene 18 auszuwuchten.

Eine üCaonders streiiarme Magnctringausführiing, die zudem symmetrisch aufgebaut ist. eine axialsymmetrische l.äuferbauweise ergibi und d;is Magnetfeld der im Lau.er induzierten Wirbelströme sehr gut abschirmt, zeigt Fig. Ic. Die Läufertrommel 4 ist hierdurch einen in der Mittelebei: j 16 der ganzen Anordnung liependen boden C·} mit dem Universalgelenk 5 verbunden. Der Magnetring ist aus je zwei gleichen Ringen 70 und 71 aufgebaut, die z. B. durch Zugschrauben 73 axial zusammengehalten werden und dabei rjnen Mittelring 72 einklemmen, der unmagnetisch ist und zur Halterung des Magnetringes z. B. über Gelenke 20 dient. Zur magnetischen Erregung sind Wicklungen 12 vorgesehen. Statt dessen können aber auch z. B. anstelle der Schenkel 74 radial magnetisierte Dauermagnetringe ohne Nachteil für die Streuarmut der ganzen Anordnung eingesetzt werden.

Die Wirkungsweise des Führmotors ist anhand der F i g. 2. 2a und 2b zu erkennen. In F i g. 2 ist schematisch die Läufertrommel 4 mit der Zone 21 des sie durchsetzenden radialen Magnetfeldes angedeutet. Der Magnetring 10 selbst ist nicht dargestellt. Das Magnetfeld ist hier im Gegensatz zu den Fig. 1 und la von innen nach außen gerichtet, und die Feldzone 21 ist um den Winkel δ gegenüber der Trommel 4 geneigt dargestellt. Die Drehachse ist mit 24 bezeichnet. Die Fig. 2a und 2b zeigen Abwicklungen der Trommel 4 einmal (Fig. 2a) ohne Auslenkung und zum anderen (Fig. 2b) mit Auslenkung des Magnetrings. Die Schnittlinien 22 und 23 in F i g. 2, 2a unia 2b korrespondieren miteinander. Auf den Abwicklungen der F i g. 2a und 2b sind die Spuren der Feldzonen 21, ein Vektor der Umfangsgeschwindigkeit V und exemplarische Vektoren der in dem Trommelmantel induzierten elektrischen Feldstärke E eingezeichnet. Bei fehlender Auslenkung in Fig. 2a ist die elektrische Feldstärke E symmetrisch zur Mittelebene 18 über den Trommelumfang verteilt. Die Begrenzungslinien 25,26 der Feldzone 21 sind Potentiallinien. Da eine leitende Verbindung der Trommelabschnitte 27 und 28 beiderseits der Feldzone 21 unter Umgehung der Feldzone 21 fehlt, kann in der Trommel kein Strom fließen. Es entsteht weder ein Brems- noch ein Präzessionsmoment.

Bei Auslenkung des Magnetringes um den Winkel <5 entsteht in der Abwicklung der in Fig.2b dargestellte sinusförmig geschwungene Verlauf der Feldzone 21.

Der Vektor der elektrischen Feldstärke E steht im allgemeinen nicht mehr rechtwinklig zu den Begrenzungslinien 25b. 26Zj der Feldzone 21. Die Begrenzungslinien sind keine Potentiallinien. Die Feldstärke E läßt sich zerlegen in eine Normalkomponente En senkrecht zu den Begrcnzungslinien und eine Longitudinalkomponente Ei. in Richtung der Begrenzungslinien. Die Norrrmlkomponenten Eu ergeben praktisch über den Umlang gleiche elektromotorische Kräfte und somit analog wie im Fall der Fig. 2a keinen Strom. Die Beträge der Longitudinalkomponenten variieren über den Umfang sinusförmig. Sie erzeugen in der Trommel Wirbelströme /„, deren typische Bahnen gestrichelt angedeutet sind. Der innerhalb der Feldzone 21 verlaufende Teil der Wirbclströme erzeugt seinerseits mit dem Magnetfeld zusammen Kräfte, deren Resultierende in den beiden Trommelhälften durch /·"„ und Fu angedeutet sind. Die Vektoren F„ und /·"„ stehen rechtwinklig zu den Begrenzungen der Feldzone 21 und verkörpern bei den kleinen zulässigen Auslenkwinkeln Λ :»r Anordnung einen verschwindend geringen Bremsanteil. ^cir 'virken im wesentlichen axial und bilden zusammen ein Drehmoment Af„, das den die Trommel 4 tragenden Läufer mit dem Drehimpuls //so präzedieren läßt, daß seine Achse 3 sich der Achse 29 des ausgelenkten Magnetringes nähert. Das durch den Magnetring erzeugte Wirbelstrommoment Af. sucht also den Läufer dem Magnetring gleichzustellen. Das Moment Ai„ ist proportional der Auslenkung ό und der Umfangsgeschwindigkeit V. Die letztgenannte Abhängigkeit bedeutet, daß die Präzessionsrate Wr=M_nIH von der Kreiseldrehzahl unabhängig ist, da auch H der Kreiseldrehzahl proportional ist. Das Moment Af₁. ist bei hinreichender Länge der Trommel 4 im Verhältnis zur Breite der Magnetfeldzone 21 unabhängig von kleinen Axialverschiebungen der Magnetfeldzone 21 im Verhältnis zur Trommel. Radiale Versetzungen ergeben durch die damit verbundene Ungleichförmigkeit der Luftspaltinduktion über den Um^fang der Trommel 4 eine Bremskraft auf den Läufer an der Stelle des Induktionsmaximums. Analog wirken Ungleichförmigkeiten der Geometrie der Luftspaltes 11 über den Umfang. Eine solche lokale Bremskraft bewirkt aber nur insoweit ein Präzessionsmoment für den Läufer als ihr Angriffspunkt aus der Mittelebene 18, in der der Achsenschnittpunkt des Gelenks 5 liegt, abweicht. Radialversatz und über den Umfang ungleichförmige Luftspaltweiten des Magnetrings erzeugen somit unerwünschte Präzessionsmomente nur bei gleichzeitig auftretendem Axialversatz, d. h. also Fehlergrößen zweiter Ordnung. Damit ist in guter Annäherung das Ziel erreicht, einen lagegesteuerten Führmotor zu schaffen, dessen Führmoment nur von der Winkelstellung zwischen Magnetring und Kreiselläufer, nicht aber von translatorischen Verschiebungen bestimmt wird.

Zur praktischen Führung eines Kreisels kann der Magnetring 10 über Gelenke 20 ein- oder zweiachsig drehbar im Kreiselgestell 1 angeordnet und es können — hier nicht dargestellte — Antriebsmittel, z. B. Servomotoren, vorgesehen sein, die es erlauben, den Magnetring 10 in eine bestimmte Winkelstellung zum Läufer 2 zwecks Erzeugung eines Führmomentes einzustellen.

Für die Praxis durch ihre Einfachheit interessante Kreiselgeräte ergeben sich aber, wenn der Magnetring 10 entweder starr im Kreiselgestell 1 eingebaut oder durch elastische Gelenke 20 um eine oder zwei zur Wellenachse 3 und vorzugsweise zueinander senkrechte

Achsen federnd drehbar im Krcisclgestell I gelagert und. in einigen Varianten, durch eine Massenunwucht an das Schwerefeld der Erde gekoppelt ist.

Die Wirkungsweise der so entstehenden Anwendungsvarianten läßt sich am besten übersehen durch die Betrachtung einer allgemeinen Anordnung nach F i g. 3. In ihr stellt 4 eine in Pfeilrichtung und in ihrer Normallage um die Achse 3 rotierende Läufertrommel aus elektrisch leitfähigem und unmagnetischem Werkstoff dar. Die zu ihrer Lagerung und zu ihrem Antrieb dienenden Mittel, beispielsweise solche in der Art des Universalgelenkes 5 der Welle 6, der Lager 7 und des Motors 8, 9 in Fig. 1. sind der Übersicht halber nicht dargestellt. Die Läufertrommel 4 sei jedoch gegenüber dem Kreiselgeslell 1 aus ihrer zur kreiselgestellfestcn Achs·.· 3 koaxialen Lage heraus um kleine Winkel drehbar, ohne als Folge dicer Drehung Präzessionsmomente anders als etwa durch den Magnetring 10 zu erfahren. Der Magnetring 10 umgibt die Läufertrommel 4 analog zu Fig. I. Er ist mit zwei drehelastischen Gelenken 30 um die Achse 31 drehbar in dem Kardanring 32 gelagert, der seinerseits mit zwei weiteren drehelastischen Gelenken 33 um die zu den Achsen 3 und 31 rechtwinklige Achse 34 drehbar mit dem Kreiselgestell 1 verbunden ist. Die positiven Richtungen der Achsen 3, 34 und 31 werden wie in der Fig. 3 dargestellt mit x, y, ζ bezeichnet. Zur Beschreibung der Wirkungsweise dieser Anordnung werden folgende Größen definiert:

H = Drehimpuls des Läufers mit der Läufertrommel 4 aufgrund seiner schnellen Rotation um seine Figurenachse.

ft,, ft, = Auslenkwinkel der Läufertrommel 4 gegenüber dem Kreiselgestell 1 um die y- und die z-Achse.

d„ d, = Drehsteifheit der beiden drehelastischen Gelenke 33 bzw. 30 gegenüber der Auslenkung des Magnetrings 10 gegenüber dem Kreiselgestell 1 um die y- bzw. die z-Achse.

W₁. w, = Präzessionsraten des Kreiselläufers mit dem Drehimpuls H und der Läufertrommel 4 um die y- bzw. die z-Achse.

K₁, = MJo (mit Bezug auf Fig. 2), Wirbelstrom-Kopplungsfak'.or.

Es läßt sich zeigen, daß bei einer Winkelabweichung der Läufertrommel 4 gegenüber dem Kreiselgestell 1 um die Winkel ö, und #, Präzessionsmomente auf die Läufertrommel wirken, die die Präzessionsraten

1 +

If

erzeugen. Durch geeignete Dimensionierung der Steifheitsverhältnisse KJ dz und KJd_y und durch Ersatz der einen oder beider der elastischen Kopplungen d_a d_y an das Gestell durch geeignete Kopplungen an das Schwerefeld der Erde kassen sich verschiedenartiee

Kreiselgerätefunktionen erzielen. Die folgenden Beispiele mögendes verdeutlichen:

A.

K_w

ergibt

K_w H

Die elastische Fesselung des Magnetrings ist im Verhältnis zur Wirbelstromkopplung steif. Im Grenzfall ist dz, dy-t oo d. h. der Magnetring 10 ist starr mit dem Kreiselgestell 1 verbunden. Die Präzessionsraten ω,, (D₁ sind dann mit großer Genauigkeit den Auslenkwinkeln ft,, ft_t proportional oder, umgekehrt, werden durch Drehen des Kreiselgestells 1 gegenüber dem Inertialraum dem Kreiselläufer Präzessionsraten aufgezwungen, so stellen sich diesen proportionale Auslenkwinkel ft„ ϋ_ν ein: Ein so aufgebautes Gerät wirkt als intertialer Drehratensensor oder »Wendekreisel« für die beiden Meßachsen ζ und y, wenn die Auslenkwinkel ft, und />, durch in der Kreiseltechnik bekannte Winkelabgriffe gemessen werden. Die Meßempfindlichkeit

ist um so größer, je kleiner der Wirbelstrom-Kopplungsfaktor K_n ist. Dessen Verkleinerung und damit die Meßempfindlichkeit ist in der Praxis durch die bei den maximalen Gestelldrehraten zulässigen AuslenKwinkd ft,, #, begrcn/t.

B.

</,. <c K_n. ■« d. ergibt

I f

K_n. H

I).

,L₁I

Hier ist die eine elastische Fesselung, dy, weich, die andere, d,, hart im Verhältnis zur Wirbelstromkopplung. Im Grenzfall ist wieder d, -* oo, d. h. der Magnetring 10 mit dem Kardanring 32 in F i g. 3 identisch, und es wird

und daraus

-ιττ"-

'd_r

(7)

(8)

(9)

Wird dem Gestell 1 eine inertiale Drehrate ω₂ aufgeprägt, so stellt sich eine proportionale Kreiselauslenkung ·&ζ und als deren Folge wiederum eine inertiale Drehrate u>_y des Kreiselläufers um eine zur Achse der Eingangsdrehung senkrechte Achse ein. Dies ist das kennzeichnende Verhalten eines »Integrierenden Wendekreisels«. Der Koeffizient KJd_y stellt seine »Kreiselverstärkung« dar.

C. Aufbau nach F i g. 4 als Lotkreisel

Der Kreisel ist mit dem Prinzipaufbau nach F i g. 1 mit vertikaler Antriebsachse 3 angeordnet. Das Kreiselgestell 1 ist mittels eines Zwischenrahmens 52 und Lagern

50, 53 um zwei zueinander und in der Normalstellung auch zur Achse 3 rechtwinklige Achsen 51,54 drehbar in dem Gerätegestell 61 gelagert und wird durch Servomotoren 57, 60. die über Servoverstärker 56, 59 von Winkelabgriffen 55, 58 für die Winkelstellung des Kreiselläufers 2 gegenüber dem Kreiselgestell 1 gesteuert werden, in an sich bekannter Weise dem Kreiselläufer 2 ständig nachgeführt. Die Stellung des Kreiselgestells 1 repräsentiert somit bezüglich der z- und der y-Achse die Stellung des Kreiselläufers 2. Sie kann im Verhältnis zur Stellung des Gerätegestells 61 durch Winkelabgriffe 62, 63 bekannter Bauart ausgelesen werden.

Die drehelastische Fesselung d,, d? des Magnetrings 10 an das Kreiselgestell 1 nach Fig. 3 ist hier ersetzt durch eine Kopplung an die durch das Schwerefeld der Erde bestimmte Lotrichtung mit den Kopplungsfaktoren 4, /,. Dazu ist der Magnetring 10 um die Achsen 41, 44 ohne elastische Rückstellmomente über Lager 40,43 drehbar in dem Kreiselgestell 1 gelagert und sein Schwerpunkt unterhalb des Kreuzungspunktes der Achsen 41,44 angeordnet.

Zur Beschreibung der Kreiselläufer-Präzession in dieser Anordnung sind in den Gleichungen (1) und (2) dz, dy durch /_z, l_y und die Stellungswinkel &* #j des Kreiselläufers 1 im Verhältnis zum Kreiselgestel! 1 durch die Stellungswinkel ε_ζ, B₁ des Kreiselläufers 1 im Verhältnis zur Lotrichtung zu ersetzen.

Dann folgt analog zu A.:

ergibt '"v = —

K_w H

(10)

(H)

Ein* im Vergleich zur Wirbelstromkopplung steife Kopplung des als Pendel ausgestalteten Magnetrings 10 an das Lot läßt bei Neigungen tv, ε, des Kreiselläufers gegen die Lotrichtung Präzessionsraten ω_Λ to, dergestalt entstehen, daß sich die Neigungswinkel f.,, ε, verkleinern. Der Kreisel präzediert auf geradem Wege auf die jeweilige Lotrichtung zu. Dies ist das kennzeichnende Verhalten eines Lotkreisels, der z. B. zur Anzeige der Lotrichtung auf bewegten Fahrzeugen verwendet, wird. Die Größe H/K„ ist die Zeitkonstante des Tiefpaßfilters erster Ordnung, das dieses System für horizontale Wechsclbeschleunigungen des Fahrzeugs darstellt. Im Interesse einer guten Filterung solcher Wechselbeschleunigungen isl sie möglichst groß /u machen. Eine Grenze ist gegeben in der durch die technischen lliivollkommciihcilen des Kreisels bedingten Drift.

Eine große Tiefpaßzeitkonstante verlangsamt andererseits das Einschwingen eines solchen Kreisels in die Lotrichtung nach dem Einschalten. Dieser Nachteil kann dadurch behoben werden, daß der Magnetring 10 in der in Fi 3. 1 dargestellten Weise elektromagnetisch durch eine Wicklung 12 erregt wird, deren Strom vorübergehend für die Einschwing/eit auf ein Mehrfaches des normalen, für günstige Tiefpaßeigenschaften eingestellten Wertes erhöht wird.

Eine wesentliche Verbesserung des Tiefpaßverhaltens an sich und im Verhältnis zur Einschwingzeit ergibt bekanntlich die Einführung eines /weilen Gliedes mit Tiefpaßcharakter in die Stiitzkreise. Solches kann in der vorliegenden Anordnung durcn eine Dämpfung des pendelnden Magnetringes 10 erreicht werden. Als Beispiel einer Dämpfanordnung ist in F i g. 4 mit dem Magnetring 10 über Streben 64, von denen nur eine sichtbar ist, ein Dauermagnet 65 verbunden, der in dem Luftspalt 66 ein zur Figurenachse des Magnetringes 10 paralleles Magnetfeld erzeugt. Dieses durchsetz! eiii Blech 67 aus unmagnetischem, elektrisch! gut leitfähigem Werkstoff, das mit dem unteren Schenkel des Kreiselgestells 1 verbunden ist. Statt dieser Einrichtung kann z. B. auch eine Flüssigkeitsdämpfung verwendet werden, die jedoch unter anderem den Nachteil hai, daß das außer Betrieb befindliche Gerät nicht gekippt oder Überkopf gestellt werden darf.

Der Aufbau nach Fig. 5 eignet sich als Kreiselkompaß. (Die mit den Bezeichnungen in den Fig. 1. 3 und 4 gleichlautenden Beziechnungen haben (dieselbe Bedeutung wie dort.)

Der Kreisel ist mit dem Prinzipaufbau nach F i g. 1 mit einer zweiachsigen drehelastischen Aufhängung des Magnetringes 10 nach F i g. 3 mit horizontaler Antriebsachse 3 angeordnet. Die drehelastische Aufhängung der Achse 34 (y-Achse) kann auch durch eine momentarme andersartige Lagerung ersetzt sein.

Das Kreiselgestell 1 ist mittels eines Zwischenrahmens 52 und Lagern 50,53 um eine Azimutachse 51 und eine im Mittel horizontale »Ost-West-Achse« 54 drehbar in dem Gerätegestell 61 gelagert und wird durch Servomotoren 57,60 die über Servoverstärker 56, 59 von Winkelabgriffen 55,58 für die Winkelstellung des Kreiselläufers 2 gegenüber dem Kreiselgestell 1 gesteuert werden, in an sich bekannter Weise dem Kreiselläufer 2 ständig nachgeführt. Die Stellung des Kreiselgestells 1 repräsentiert somit bezüglich der z- und y-Achse die Stellung des Kreiseüäulers 2. Sie kann bezüglich der Azimutachse 51 im Verhältnis zum Gerätegestel! 61 durch einer, Winkelabgriff 62 bekann ter Bauart ausgelesen und femübertragen werden.

Anstelle des Winkelabgriffs 62 oder zusätzlich daz" kann die relative Azimutstellung des Kreiselgestells 1 zum Gerätegestell 61 durch eine in Fig. 5 nicht dargestellte Skala oder Kompaßrose visuell angezeigt werden.

Im eingeschwungenen Zustand des KorriDasses weist die Antriebsachse 3 in eine Richtung, die sich nur durch die Systemfehler von der Meridiannchtung unterscheidet. Der Winkelabgriff 62 und/oder eine an seiner Stelle angebrachte Rose geben daher im Prinzip die Azimutstellung des Gerätegestells 61 im Verhältnis zur Meridianrichtung an. Wird das Gerätegestell 61 dergestalt auf einem Fahrzeug aufgebaut daß die Normale zu seiner gezeichneten Rahmenebene parallel

ι ' /ur Fahrzeuglängsachse verläuft, geben der Winkelabgriff und die Rose den meridianbezogenen Kurs des Fahrzeugs an.

Um die ordnungsgemäße Kompaßfunktion, die im zeitlichen Mittel eine hinreichend genaue Vertikalstel-

-'■ lung der durch die Achsen 3 und 11 niilgpsnanntpn Ebene erfordert, auf bewegten Fahrzeugen zu ermöglichen, ist das Gerätegestcll 61 im allgemeinen in dem hier bei 78 angedeuteten Fahrzeugrahmen durch ein Kardangehänge mit dem Kardanrahmen 75 und den in

.'"' Lagern 76, 79 drehbaren Kardanachsen 77 und 80 pende'nd aufgehängt. Die Kardanachse 80 liegt bei üblichen Kompaßsystemen parallel /ur Fahrzeuglängsachse.

Zur Erzielung der Kompaßwirkum: isl der Magnet-

i'i ring 10 durch ein Untergewicht 68 mit dem Kopplungs faktor /, an das Lot gekoppelt.

Die Kreiselläufer-Präzcssiori wird in d:"ser Anordnung anstelle der Gleichungen (Ij und U) durch die Gleichungen

^w und

K~

beschrieben. Darin bedeutet e die Neigung der Drehimpulsachse des Läufers 2 gegenüber der Horizontalen.

vi Durch geeignete Bemessung der Parameter /,. d... K*. H und d, können gewünschte Kompaßeigenschaften, gekennzeichnet im wesentlichen durch die Periodendauer To der ungedämpften Eigenschwingungen und das Lehrsche Dämpfungsmaß D der tatsächlichen Eigenschwingungen, eingestellt werden. Infolge der drehelastischen Fesselung des Magnetrings 10 um die Achse 31 mit der Drehsteifheit d₇ erzeugt bemerkenswerterweise eine Draüachsenelevation ε trotz der Wirkung des Untergewichtes 68 nur bezüglich der Horizontalachse 34 auch ein Moment um die vertikale Präzessionsachse des Läufers 1 und damit die Präzessionsrate ω,. Dieses Vertikalmoment dient in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel eines Kompasses in an sich bekannter Weise zur Dämpfung

o5 der Eigenschwingungen, im Prinzip kann ein solches Dämpfmoment z. B. auch durch eine Massenmittelpünktsexzentnzitäi des Mägnetnngs 10 in Richtung der y-Achse erzeugt oder beeinflußt werden.

Den Zusammenhang der Parameter /,, d* K_n, H und df mit den Kompaßeigenschaften bestimmen die Gleichungen

j- m_f COS /.

(14)

To 4.-7 D

(15)

in denen λ die geographische Breite und oje die Erddrehrate bedeutet, im Zusammenwirken mit den Gleichungen (12) und (13). Durch Zusammenfassen lassen sich zwei für die Parameterbemessung geeignete Gleichungen 2ft

JjL

DTo in_f COS

V. ⁴-t

λ J

. H

:_K COS /.- —

(16)

DTo in,, cos λ

~d~7

gewinnen. Ihre Auswertung ergibt z.B. für λ =45°. a 7b=80 Min, D=OJ und elastische Lagerung der y-Achse mit dy/l_y=0,\ gut realisierbare Werte von H/dy=26s, H/d,=360sund

Ein solcher Kompaß unterliegt einem breiten- und dämpfungsabhängigen Meridianweisungsfehler

_Ύο '", «η/

(IS)

der bei der Verwertung des an dem Abgriff 62 anstehenden Azimutsignals zu berücksichtigen ist oder auch z. B. analog zu bekannten Verfahren durch eine Axialunwucht des Magnetrings 10 mit der Masse m und der Exzentrizität e, der Größe

sin

(19)

zu kompensieren ist, wobei g die Erdbeschleunigung bedeutet.

Beim Einsatz auf einem bewegten Fahrzeug unterliegt ein solcher Kompaß verschiedenartigen Kreuzkopplungsfehlern durch Zusammenwirken gleichfrequenter Wechselbeschleunigungen in Richtung der x-, y- und z-Achse, von denen der dominierende der unter der Bezeichnung »interkardinaler Schlingerfehler« in der Kompaßtechnik bekannt ist. Er kann z. B. dadurch vermieden werden, daß das Gerätegestell 61 in bekannter Weise so stabilisiert wird, daß die Achse 51 bei allen Fahrzeugbewegungen hinreichend genau vertikal bleibt. Eine andere Möglichkeit ist die Dämpfung der Schwingungen des als Pendel ausgestalteten Ringes 32 um die Achse 34, z. B. durch eine Wirbelstrom-Dämpfanordnung ähnlich jener aus den Bauteilen 65 und 67 in F i g. 4 oder durch eine viskose Dämpfungsanordnung.

Da die Verfahren der Schlingerfehlerunterdrückung für die Erfindung nicht von Bedeutung sind und der Kompaß bei eingeschränkten Bewegungsbedingungen und Genauigkeitsforderungen auch ohne sie funktionsfähig ist, wird auf ihre weitere Erörterung hier verzichtet.

Hier/11 5 Blatt Zeiclinuncen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Kreiselgerät, dessen mit drei Freiheitsgraden gelagerter Kreiselläufer eine mit ihm umlaufende, aus elektrisch gut leitendem unmagnetischem Werkstoff bestehende dünnwandige zylindrische Trommel aufweist, die koaxial zur Drallachse des Kreiselläufers angeordnet ist und in den Luftspalt einer stirnseitig angeordneten, nicht mit dem Kreiselläufer umlaufenden magnetischen Einrichtung hineinragt, so daß in von den Magnetfeldlinien radial durchdrungenen Teilen der Trommel Wirbelströme zwecks Erzeugung von magnetischen Führmomenten entstehen, durch die der Kreiselläufer gegenüber der magnetischen Einrichtung um Kardanachsen kippbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Einrichtung aus einem radial gepolten konstant erregten oder permanenten Ringmagneten (10) mit sich an der Stirnseite über den ganzen Umfang des Ringes erstreckeudem Luftspalt (11) besteht, der einen ringförmigen Streifen (21) längs der Trommel (4) umfaßt

2. Kreiselgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Magnetfeld (11) nur über eine mittlere Zone des zylindrischen Trommelmantels erstreckt.

3. Kreiselgerät nach Anspruch 1 oder 2, dessen Kreiselläufer mit seiner im Kreiselgestell gelagerten jo Welle durch ein Universalgelenk drehfest gekuppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Magnetfeld (11) axial symmetrisch zum Mittelpunkt des Universalgelenks (5) e. streck:.

4. Kreiselgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausgestaltur ; als Zweiachsen-P-Wendekreisel zur Messung der inertialen Drehgeschwindigkeit des Kreiselgestells um zwei Achsen, der Magnetring (10) mit dem Kreiselgestell (1) in einer solchen Lage starr verbunden ist, daß die Längsachse des Magnetrings (10) mit der Achse der Antriebswelle (6) des Kreiselläufers (2) zusammenfällt.

5. Kreiselgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausgestaltung als integrie- 4 > render Wendekreisel mit einer Empfindlichkeitsachse der Magnetring (10) am Kreiselgestell (1) um eine Achse (18) schwenkbar angeordnet ist, die zur Antriebswelle (6) des Kreiselläufers (2) rechtwinklig verläuft.

6. Wendekreisel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse (18) des Magnetrings (10) durch den Mittelpunkt des Universalgelenks verläuft, das den Kreiselläufer (2) mit seiner Antriebswelle (6) verbindet.

7. Kreiselgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetring (10) mit dem Kreiselgestell (1) um zwei rechtwinklig zueinander verlaufende Achsen (41, 43) schwenkbar verbunden ist. die sich in der Normalstellung rechtwinklig zur wi Antriebswelle (6) des Kreiselläufers (2) erstrecken, und durch ein Stellwerk um eine oder mehrere seiner Schwenkachsen (41, 43) in seiner Lage gegenüber dem Kreiselgestell (1) einstellbar oder durch Drehmomente beaufschlagbar ist. hi

8. Kreiselgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Schwenkachsen (41,43) durch den Mittelpunkt des Universalgelenks (5) des Kreiselläufers (2) erstrecken.

9. Kreiselgerät nach Anspruch 3,7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausüben von Führmomenlen auf den Kreiselläufer (2) in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Kreiselgestells (1) im Verhältnis zur Lotrichtung der Magnetring (10) und/oder der Zwischenrahmen (42) seiner schwenkbaren Aufhängung im Kreiselgestell (1) mit gezielten Massenunwuchiungen bezüglich seiner Schwenkachsen versehen ist

10. Kreiselgerät nach Anspruch 3, 5, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung erwünschter Richtungen der Führmomente im Verhältnis zu den Richtungen auf den Magnetring (10) ausgeübter Momente der Magnetring (10) und/oder ein diesen im Kreiselgestell (1) schwenkbar tragender Zwischenrahmen (42) mit elastischen Rückstellmitteln versehen sind, die auf den Magnetring (10) Drehmomente in Abhängigkeit von seiner Auslenkung aus der Normalstellung zur Kreiselantriebswelle (6) ausüben.

11. Kreiselgerät nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenklagerungen (41,43) des Magnetrings (10) in funktioneller Zusammenfassung mit den elastischen Rückstellmitteln als Federgelenke ausgebildet sind.

12. Kreiselgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetring (70—73) die Trommel (4) des Kreiselläufers (2) von beiden Stirnseiten her umfaßt.

13. Kreiselgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetring (10) mit einer Dämpfungseinrichtung (65—67) versehen ist, welche die relativen Winkelbewegungen des Magnetringes (10) zur Achse der Kreiselläuferantriebswelle (6) dämpft.

14. Kreiselgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetring zwei Dauermagnete (16a, 16Zj; enthält, die als Ringe mit U-Profil ausgestaltet sind und ?wei Luftspalte (11a und Hb) bilden, durch die sich die Trommel (4) erstreckt.