DE2733741C3

DE2733741C3 - Drehmomentenerzeuger für Kreiselgeräte

Info

Publication number: DE2733741C3
Application number: DE19772733741
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Rudolf 6451 Ronneburg Schade
Original assignee: Honeywell GmbH
Current assignee: Honeywell Regelsysteme GmbH
Priority date: 1977-07-27
Filing date: 1977-07-27
Publication date: 1981-07-30
Also published as: DE2733741A1; DE2733741B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehmomentenerzeuger für Kreiselgeräte gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Bei einem aus der US-PS 3188540 bekannten Drehmomentenerzeuger dieser Art ist sowohl ein sechspoliger permanentmagnetischer Rotor als auch ein diesen außen umschließenden Rückschlußring auf der Rahmenachse befestigt, während sowohl 4 als Drehwinkelaufnehmer dienende Hallgenoratoren als auch 2 Drehmomentenerzeugerspulen in einen dünnwandigen Isolierstoffring eingebettet sind, welcher als gehäusefester Stator freitragend in den Luftspalt zwischen Rotor und Rückschlußring hineinragt. Da sich sowohl der permanentmagnetische Rotor als auch der Rückschlußring zusammen mit der Rahmenachse drehen und somit keine Relativbewegung gegeneinander ausführen, ergeben sich keine bestimmte Winkelstellungen bevorzugende Rastmomente. Nachteilig ist aber, daß die magnetischen Feldlinien zwischen Rotorspule und Rückschlußring jeweils zwei getrennte Luftspalte durchsetzen müssen.

Ferner ist aus der DE-OS 1 807477 ein induktiver Winkelabgriff und Drehmomentenerzeuger für Kreisei bekannt, bei dem an einem feststehenden Kreiselgestell ein äußeres Magnetsystem aus einem magnetisierbarer! Ringjoch mit einem Polkranz von radial nach innen gerichteten Polen angeordnet ist, und bei dem ein inneres Magnetsystem aus einem magnetisierbaren Ringjoch mit einem Polkranz von radial nach außen gerichteten Polen konzentrisch zu dem äußeren Magnetsystem und der Drehachse des Kardanrahmens angeordnet ist. Dabei weist der dem Abgriff zugeordnete Polkranz Spulen zur Erzeugung eines der Winkelablage zwischen dem Kreiselgestell und dem Kreiselrahmen entsprechenden elektrischen Signals auf, und es ist ein zur Drehachse konzentrischer Spulenkranz vorgesehen, mit welchem ein Drehmoment zwischen Kardanrahmen und Kreiselgestell erzeugbar ist und in welchem sich die Magnetflüsse beider Magnetsysteme überlagern. Die Anzahl der Spulen entspricht der Anzahl der auf dem Stator angeordneten Magnetpole. Auch hier muß der Magnetfluß 2 Luftspalte durchsetzen.

Bei einem weiteren aus der US-PS 2669126 bekannten Drehmomentenerzeuger sind die im Stator vorgesehenen 8 Spulen auf die nach innenragenden 8 Polstücke eines aus einzelnen magnetisierbaren BIe-

chen aufgebauten Spulenträgers aufgesetzt, während der Rotor ebenfalls aus mehreren scheibenförmigen Einzelblechen aufgebaut ist und an seinem äußeren Umfang 28 durch Zahnung des Rotors gebildete Polstücke aufweist. Ein solcher Rotor ist verhältnismäßig schwer und setzt folglich der durch die Kreiselkräfte bewirkten Auslenkung des Rahmens ein entsprechendes Trägheitsmoment entgegen. Um bei einem Drehmomentenerzeuger die Masse des Rotors zu verringern, ist es ferner beispielsweise aus der DE-AS 1423 086 bekannt, die Eisenteile im Stator gehäusefest anzuordnen und im Rotor eisenlose Spulen in einer gekrümmten Flachbauweise vorzusehen. Ein solcher Aufbau benötigt jedoch Stromzuführungen zum Rotor, welche im Falle von PräzisiGnskreiselgeräten wegen der wenn auch geringen, jedoch unvermeidlichen Rückstellmomente der Stromzuführungen unerwünscht sind.

Bei Kreiselgeräten besteht neben der Forderung nach hoher Genauigkeit stets das Bestreben nach möglichst geringen Abmessungen und geringem Gewicht. Hierzu ist es erforderlich, die von den Erregermagneten erzeugten Magnetflüsse möglichst gut auszunutzen und Streuflüsse zu vermeiden. Hierzu gehören möglichst geringe Luftspalte ebenso wie ein ausreichender Querschnitt des Rückschlußrings. Eine Verringerung des magnetischen Widerstandes im Magnetkreis durch Vergrößerung des Querschnitts im Rückschlußring ist dabei aus Gewichts- und Platzgründen unerwünscht. Aufgabe der Erfindung ist es folglich, einen Drehmomentenerzeuger zu schaffen, welcher die erwähnten, sich teilweise widerspreche üden Forderungen weitgehend erfüllt, ein möglichst geringes Trägheitsmoment des Rotors hat und keine Stromzuführungen zum Rotor benötigt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Kombination von Merkmalen. Die Anordnung des Rückschlußrings drehfest am Gehäuse verringert gegenüber dem eingangs genannten Drehmomentene^rzeuger das Trägheitsmoment der drehbeweglichen Teile. Die Verwendung von wenigstens 8 Erregerspulen gewährleistet die Erzeugung eines ausreichenden Drehmoments ohne Gefahr der Sättigung des Rückschlußrings. Ihre unmittelbare Anbringung auf dem Rückschlußring führt dazu, daß die magnetischen Feldlinien nur einen Luftspalt durchsetzen müssen. Die an sich bekannte Anordnung einer gleichen Anzahl von Magnetpolen wie Erregerspulen führt zu einer gleichmäßigen Verteilung der erzeugten Kräfte über den Rotorumfang. Dadurch, daß die mittlere Länge der Spulenleiter in Bewegungsrichtung des Rotors kleiner ist als senkrecht hierzu, wird erreicht, daß von der gesamten Spulenleiterlänge ein größtmöglicher Teil zur Erzeugung des Drehmoments ausgenutzt wird. Bekanntlich tragen die im Spulenkopf in Drehrichtung fließenden Ströme nicht zur Erzeugung des Drehmoments bei. Folglich ist es vorteilhaft, wenn diese Leiterteile möglichst kurz und dafür die sich senkrecht hierzu erstreckenden Teile bei vorgegebener Gesamtleiterlänge möglichst lang sind. Wenn die Breite der Magnetpole senkrecht zur Drehrichtung etwa gleich der mittleren Länge der Erregerspulen senkrecht zur Drehrichtung ist, so wird der gesamte Magnetfluß von der Spule erfaßt und zur Erzeugung des Drehmoments ausgenutzt. Da die Spule selbst in ihrer gesamten Ausdehnung auf dem Rückschlußring befestigt und dessen Breite somit zumindest der gesamten Spulenbreite entspricht, also

wesentlich größer ist als die Breite der Magnetpole, wird der gesamte von den Rotorpolen erzeugte Magnetfluß vom Rückschlußring aufgenommen, so daß keine magnetischen Streufelder entstehen, also weder ein Teil des Magnetflusses für die Erzeugung des Nutzdrehmoments verlorengeht, noch störende Magnetflüsse über Gehäuseteile entstehen könnten. Es hat sich ferner gezeigt, daß in Folge von Verwendung von Luftspulen im Stator keine Restmomente im Bereich der Polstücke entstehen und der Rotor somit bei fehlender Erregung und ohne äußere Krafteinwirkung die jeweilige Winkellage beibehält und sich nicht auf eine bestimmte, durch die Lage der Polstücke definierte Winkellage einstellt. Solche Rast- und Bremsmomente sind bei Kreiseln mit hoher Genauigkeitsanforderung höchst unerwünscht. Die Erfindung führt zu einem einfach herstellbaren und montierbaren Drehmomentenerzeuger hoher Genauigkeit, der gegenüber axialen und radialen Beschleunigungen weitgehend unempfindlich ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus acn Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert Dabei zeigt

Fig. 1 ein Kreiselgerät mit einem Drehmomentenerzeuger gemäß der Erfindung,

Fig. 2 a einen Tei¹ der Abwicklung des die Spulen tragenden Rückschlußringes,

die Fig. 2b bis 2d verschiedene Ausführungsformen des die Magnete aufweisenden hülsenförmigen Aluminiumringes,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem Kreiselgerät gemäß Fig. 1, und zwar nur den den Dremomentenerzeuger aufweisenden Mittelteil,

Fig. 4a die Ansicht des Spulenträgers, gesehen in Höhe der Schnittlinie IVa-IVa, und

Fig. 4b eine entsprechende Ansicht des die Magneten tragenden Aluminiumringes, gesehen von der Schnittlinie IVb-IVb in Fig. 3.

In einem büchsenförmigen Kreiselgehäuse 1 ist der hülsenförmige Kreiselrahmen 2 drehbar gelagert, und zwar auf der in der Zeichnung linken Seite durch nicht dargestellte Wälzlager und auf der rechten Seite mit Hilfe eines Torsionsstabes 3. Im Kreiselrahmen 2, der vorzugsweise aus Aluminium besteht, ist der Kreiselmotor 4, vorzugsweise ein Außenläufermotor mit rahmenfestem Innenstator angeordnet, welcher über die Leitungen 5 den erforderlichen Motorstrom erhält. Sofern der Kreiselrotor nicht elektrisch, sondern mit einem Druckgas angetrieben wird, entfallen diese Stromzuleitungen. Am rechten Ende des Kreiselrahmens 2 sitzt der Drehwinkelaufnehmer, welcher aus einem vom Rahmen getragenen gezahnten Kern 6 und einer ortsfesten Spulenanordnung 7 besteht, zwisehen Motor 4 und Winkelaufnehmer befindet der den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Drehmomentenerzeuger. Mit seiner Hilfe läßt sich der Kreiselrahmen 2 durch Einspeisen eines vorgegebenen Erregerstromes in die Erregerwicklungen 11 des Drehmomentenerzeugers um die Rahmenachse 20 in eine gewünschte Winkelstellung schwenken. Die Erregerwicklungen 11 werden von einem weichmagnetischen Rückschlußteil 12 in Form einer in das Gehäuse 1 eingesetzten Hülse getragen. Sie haben vorzugsweise die aus Fig. 2a ersichtliche Form, sind auf der Innenseite der Hülse aufgeklebt und anschließend mit Kunstharz 13 vergossen. Am Rahmen 2 ist ein mit wenigstens 8 permanent-magnetischen Polen

ausgestatteter Magnetring 14 angebracht, der im Querschnitt beispielsweise die aus den Fig. 2b bis 2d ersichtliche Form aufweisen kann. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die axiale Länge der einzelnen Magnete geringer ist, als die Breite der Spulen 11, und zwar entspricht sie etwa der mittleren Länge L der sich in Achsrichtung erstreckenden Spulenleiterteile. Hierdurch wird der vom Drehmomentenerzeuger erzeugte Streufluß weitgehend verringert. In Fig. 1 hat der Rotor 14 den in Fig. 2b dargestellten Querschnitt. Er besteht aus einem mit einzelnen Polstücken versehenen Ring aus magnetisierbarem Material, wobei die Räume 15 zwischen den einzelnen Polstücken mit Kunststoff oder Aluminium ausgefüllt sind. Die einzelnen Polstücke 16 sind abwechselnd mit entgegen-"esetzter Polarität in radialer Richtung magnetisiert. Auf der in der Zeichnung linken Seite stützt sich der Rotorring an einer Schulter 17 des Rahmens 2 ab, während er auf der gegenüberliegenden Seite durch einen Aluminiumring 18 abgedeckt wird, der zugleich das mit der Dämpfungsflüssigkeit gefüllte freie Volumen 19 im inneren des Kreiselgehäuses verringert. Bei der in Fig. 2c gezeigten Ausführungsform sind in radiale Durchgangslöcher eines Aluminiumringes 14c einzelne Magnete 16c eingesetzt. Sofern die Länge der Magnete geringer ist als die Wandstärke des Aluminiumrings 14c, können anstelle von Durchgangslöchern nur Ausnehmungen entsprechender Tiefe für die Aufnahme der Magnete dienen. Der Grundriß der einzelnen Magnete kann kreisrund, quadratisch, oval oder beliebig anders geformt sein. Die Länge der Magnete in Achsrichtung entspricht dabei der mittleren Länge L der sich in Achsrichtung erstreckenden Leiterteile der Spulen 11.

Fig. 2d zeigt eine Ausführungsform, bei der die Einzelmagnete 16rf an den entsprechenden Stellen eines Aluminiumringes IAd aufgeklebt und die Zwischenräume 15 vergossen sind.

^r> Während bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 die Kopplung zwischen Magneten und Spulen in radialer Richtung erfolgt, zeigen die Fig. 3 und 4 einen Drehmomentenerzeuger eines Kreiselgerätes, bei dem die Kopplung in Achsrichtung der Rahmen-

i(> achse wirksam ist. Spulenträger und Magnetträger sind hier als die Rahmenachse 20 konzentrisch umschließende Ringscheiben ausgebildet. Der Kreiselrahmen 2 weist einen sich radial erstreckenden umlaufenden Kragen 21 auf, welcher die einzelnen Magnete 22 trägt. Sie sind in Richtung der Kreiselrahmenachse 20 mit abwechselnd entgegengesetzter Polarität magnetisiert. Dem Kragen 21 steht der radial nach innen abgewinkelte Schenkel 23 eines im Querschnitt L-förmigen Spulenträgers 24 aus weichma-

2(i gnetischem Material gegenüber, dessen anderer Schenkel 25 am Gehäuse 1 befestigt ist. Auf den Schenkel 23 sind die Spulen 11 aufgeklebt und die Zwischenräume 26 mit Kunststoff vergossen. Auf der den Spulen 11 abgewandten Seite des Kragens 21 ist

2"> der Spulenträger durch einen weiteren radial nach innen ragenden Schenkel 27 zu einem U-Profil ergänzt, wodurch sich ein geschlossener Rückschlußpfad für den Magnetfluß ergibt und das Entstehen eines ma gnetischen Streufeldes weitgehend vermieden wird.

in Als Permanentmagnete werden vorzugsweise aus Kobalt und seltenen Erden bestehende Magnete mit hoher Feldstärke verwendet. Es empfiehlt sich, den Spulen einen in radialer Richtung langgestreckt ovalen oder trapezförmigen Grundriß zu geben.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehmomentenerzeuger mit einem spulenfreien mit dem Rahmen eines Kreiselgerätes verbundenen Rotor, der gleichmäßig über seinen Umfang verteilt mehrere permanentmagnetische Pole abwechselnder Polarität aufweist, mit mehreren gehäusefesten, als Flachspulen ausgebildeten Erregerspulen und mit einem weichmagnetisehen Rüdeschlußring, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) der Rückschlußring (12; 23,25,26) ist drehfest am Gehäuse (1) angebracht;

b) wenigstens acht Erregerspulen (11) sind unmittelbar auf dem Rückschlußring (12; 23; 25, 26) angeordnet;

c) die Anzahl der permanentmagnetischen Pole (16; 22) ist gleich der Anzahl der Erregerspulen (11); 2»

d) die mittlere Länge der Spulenleiter der Erregerspulen (11) in Bewegungsrichtung des Rotors ist kleiner als senkrecht hierzu;

e) die Breite der permanentmagnetischen Pole (16; 22) senkrecht zur Drehrichtung des n Rotors ist etwa gleich der mittleren Länge L der Erregerspulen (11) senkrecht zur Drehrichtung des Rotors.

2. Drehmomentenerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetpole des 3d Rotors durch von einem Aluminiumträger (14; 11) gehaltene Permanentmagnete (16; 22) gebildet sind.

3. Drehmomentenerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die permanentmagnetischen Rotorpole durch Kobalt-SE-Magnete gebildet sind.

4. Drehmomentenerzeuger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetträger als die Rahmenachse (20) konzentrisch um- gebende Hülse (14) ausgebildet ist und die Magnete (16) radial zur Rahmenachse magnetisiert find.

5. Drehmomentenerzeuger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Hülse (14) gleich der Breite des die Spulen (11) tragenden, ebenfalls hülsenförmigen Rückschlußringes (12) ist.

6. Drehmomentenerzeuger nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen -,< > (11) auf der Innenseite des hülsenförmigen Rücktchlußringes (12) angeklebt und vergossen sind.

7. Drehmomentenerzeuger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetträger als die Rahmenachse (20) konzentrisch um- gebende Ringscheibe (21) ausgebildet ist und die Magnete (22) parallel zur Rahmenachse magnetisiert sind.

8. Drehmomentenerzeuger nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (16; 22) als flache Scheiben auf die den Spulen (11) zugewandte Fläche des Magnetträgers (14; 21) aufgeklebt und vergossen sind.

9. Drehmomentenerzeuger nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (16; 22) in Ausnehmungen des Magnetträgers (14; 21) eingelassen sind.

10. Drehmomentenerzeuger nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß der Rückschlußring ein mit einem sich radial zur Rahmenachse (20) erstreckenden Schenkel (23) dem Magnetträger (21) gegenüberstehendes L- oder U-Profil hat, dessen anderer Schenke! (25) bzw. Mittelsteg am Gehäuse (1) befestigt ist, und daß die Spulen (11) auf dem sich radial erstreckenden Schenkel (23) angebracht und vergossen sind.

11. Drehmomentenerzeuger nach Anspruch 10 mit einem Rückschlußring mit U-Profil, dadurch gekennzeichnet, daß die die Magnete (22) tragende Ringscheibe (21) in das U-Profil (23, 25, 27) eintaucht und die Spulen (11) den Magneten gegenüberstehend auf dem einen Schenkel (23) des U-Profils angeordnet sind.