DE2751040A1

DE2751040A1 - Kreiselgeraet

Info

Publication number: DE2751040A1
Application number: DE19772751040
Authority: DE
Inventors: Thomas Richard Quermann
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1976-11-15
Filing date: 1977-11-15
Publication date: 1978-05-24
Also published as: FR2370958A1; FR2370958B1; NL7711648A; DE2751040C2; JPS5362076A; IT1143614B; SE440398B; CA1089682A; GB1589789A; US4487083A; SE7712820L

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

2751040 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

ο Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D -8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 ■ Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 15· November 1977

Unser Zeichen: 16 052 - Fk/Ne

Sperry Rand Corporation
New York, USA

Kreiselgerät

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D -8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d Datum.- 15· November 1977 Unser Zeichen: χ6 052 - Fk/Ne

Sperry Rand Corporation New York, USA

Kreiselgerät

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Kreiselgeräte und insbesondere auf Kreiselgeräte mit einem mit biegsamen Tragelementen aufgehängten zwei Freiheitsgrade aufweisenden lagerfreien Rotor sowie insbesondere jedoch nicht ausschließlich auf Miniaturausführungen derartiger Kreiselgeräte.

Mit biegsamen Tragelementen aufgehängten lagerfreien Rotoren versehene Kreiselgeräte sind an sich bekannt und beispielsweise in der britischen Patentschrift 722 492 und den deutschen Offenlegungssohriften 20 24 593, 20 24 6o6 und 22 10 391 beschrieben. Aus diesen Patent- bzw. Offenlegungsschriften sind die Ergebnisse der Bemühungen bei der Konstruktion von Kreiselgeräten zu erkennen, kleinere, weniger aufwendige und zuverlässigere Kreiselgeräte zur Verwendung bei Präzis ions-» Navigations- und Stabllisationsanwendungen unter Einschluß von Flugsteuersystemen zu schaffen. Einige Arten dieser bekannten Kreiselgeräte benötigten entweder getrennte Abgriffe oder rotierende Transformatoren und Resolver und diese Bauteile stellen

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komplizierte und aufwendige Maßnahmen dar, die nicht geeignet sind, wenn eine kompakte Konstruktion gefordert wird.

Andererseits wurde beim Gegenstand der deutschen Offenlegungsschrift 20 24 6o6 versucht, diese Schwierigkeiten dadurch zu beseitigen, daß ein nahezu ideales Abgriff-Drehmomenterzeugerund Bezugssignalgeneratorsystem für derartige mit biegsamen Tragelementen versehene Kreiselgeräte geschaffen wurde. Bei diesem Kreiselgerät sind die Abgriffwicklungen an dem Gehäuse des Kreiselgerätes befestigt, so daß es nicht erforderlich ist, aufwendige Resolvergeräte zu verwenden und zweite Teile der Abgriffeinrichtungen sind an der Antriebswelle des Kreiselrotors angeordnet. Die Drehmomenterzeugungsfunktion ist allgemein einstückig mit der Abgriffunktion vereinigt, so daß diese Anordnung relativ kompakter ist als bei Kreiselgeräten, die vollständig getrennte Abgriff- und Drehmomenterzeugungseinrichtungen benötigen. Es ist jedoch eine große Anzahl von Wicklungen in der Abgriffbaugruppe sowie ein komplizierter Magnetkreis erforderlich, der in kompakter Form schwierig herstellbar und allgemein schwer zu bearbeiten und zusammenzubauen ist. Es wurde weiterhin festgestellt, daß es schwierig ist, jede Kopplung zwischen den Drehmomenterzeugungs- und Abgriffkreisen zu beseitigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kreiselgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das einen sehr kompakten und zuverlässigen Aufbau bei einfacher Herstellung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Kreiselgerät mit einem mit Hilfe von biegsamen Tragelementen aufgehängten lagerfreien Rotor, mit Gehäuseteilen, mit in den Gehäuseteilen gelagerten Antriebswellenelementen, wobei der Rotor mit Hilfe der Antriebswellenelemente um eine Drehachse in Drehung versetzbar ist, und mit biegsamen Tragelementen, die den Rotor um eine erste und zweite Kippachse im wesentlichen senkrecht zur Drehachse beweglich haltern, erfindungsgemäß dadurch ge-

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löst, daß Magnetkreiselemente vorgesehen sind, die am Umfang des Rotors angeordnet sind und einen kreisringförmigen Luftspalt bilden, daß Permanentmagnetbauteile in den Magnetkreiselementen angeordnet sind und ein einseitig gerichtetes radiales Magnetfeld liefern, dessen Stärke sich regelmäßig um den kreisringförmigen Luftspalt herum wellenförmig ändert, und daß Wicklungsbaugruppenteile an den Gehäuseteilen gehaltert sind und das sich wellenförmig ändernde radiale Magnetfeld feststellen, wenn der Rotor in Drehung versetzt ist.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kreiselgerätes eignet sich insbesondere für miniaturisierte lagerfreie Kreisel, deren Rotor mit biegsamen Tragelementen aufgehängt ist und zwei Freiheitsgrade aufweist und Insbesondere ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung bei lagerfreien Kreiseln anwendbar, bei denen der Rotor um eine Drehachse mit Hilfe eines Rotors und einer damit zusammenwirkenden Antriebswelle gedreht wird. Ein erstes biegsames Tragelement-System kann das Rotorrad des Kreisels in Radialrichtung koaxial auf der Antriebswelle universell kippbar über einen vorgegebenen Winkelbereich um zwei Achsen haltern, die senkrecht zur Drehachse verlaufen. Die genaue .axiale Lage des Kreiselrotors kann durch ein zweites biegsames Tragelement festgelegt werden, das mit dem ersten biegsamen Tragelement zusammenwirkt und sich in Axialrichtung durch dieses hindurch erstreckt, wobei auch hier für eine universelle Kippbewegung des Rotorrades um zwei Achsen unter rechten Winkeln zur Rotordrehachse Sorge getragen ist. Erfindungsgemäß 1st ein auf das Gehäuse bezogenes Lagen-Abgriffsystem vorgesehen, das weiterhin in wünschenswerter Welse die Drehmomenterzeugungs- und Drehbezugsfrequenz-Generatorfunktionen erfüllt. Dieses Abgriffsystem kann beispielsweise vier Wicklungen einschließen, die In einer zylindrischen Schale angeordnet sind, die direkt an dem Gerätegehäuse befestigt 1st, so daß die Vielzahl der Wicklungen der bekannten Kreiselgeräte vermieden wird. Das Abgriffsystem kann weiterhin einen permanent-

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magnetisieren Ring einschließen, der an dem Kreiselrotor befestigt und in einem Luftspalt am Umfang des Kreiselrotors angeordnet ist und der mit Abgriffwicklungen zusammenwirkt, die so gehaltert sind, daß sie mit dem gleichen Luftspalt zusammenwirken. Die räumliche Magnetflußamplitudenänderung um das Rotorrad herum in dem Luftspalt erzeugt ein alternierendes Signal in jeder Abgriffwicklung, wenn der Rotor rotiert. Die Differenz der Spannungen, die in einem diametral gegenüberliegenden Paar von Abgriffwicklungen induziert wird, ergibt ein Abgriff-Ausgangssignal, das proportional zur Winkelbewegung des Kreiselrotors um eine zur Rotordrehachse senkrechte Achse ist. Ein zweites gleiches Wicklungspaar kann zur Erzeugung eines zweiten Kippsignals bezüglich einer zweiten zur ersten Kippachse senkrechten Achse vorgesehen sein. Die Summe der in allen Abgriffwicklungen erzeugten Signale liefert eine Phasenbezugs-Wechselspannung. Weil weiterhin ein endliches einseitig gerichtetes Magnetfeld in dem Luftspalt vorhanden ist, können gesteuerte Gleichströme direkt über die Abgriffwicklungen angelegt werden, um eine wirksame Möglichkeit zur Erzeugung eines auf den Kreiselrotor einwirkenden Drehmomentes ohne die Induzierung irgendwelcher störender Fehlersignale in dem Abgriffsystem zu erzielen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Querschnitt einer

Ausführungsform des Kreiselgerätesj

Fig. 2 eine bruchstückhafte Querschnittsansicht

unter 90° zum Schnitt nach Fig. 1;

Fig. } eine perspektivische auseinandergezogene

Ansicht der Trageinrichtungen des Kreiselgerätes;

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Flg. 4 eine Querschnittsansicht eines integrierten

Abgrlff-Drehmomenterzeuger- und Bezugsgeneratorsystems des Kreiselgerätes entlang der Linien IV-IV nach Fig. 1 und 2;

Flg. 5 eine perspektivische Phantomansicht, die

schematisch die Anordnung der Wicklungen in dem Luftspalt nach den Figuren 1 und 2 zeigt;

Fig. 6 ein Schaltbild einer AusfUhrungsform einer

Schaltung, die Abgriff- und Drehbezugs-Ausgangssignale des Kreiselgerätes verwendet und eine Schaltungseinrichtung zur Drehmomenterzeugung bei dem Kreiselgerät bildet.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte AusfUhrungsform des Kreiselgerätes ist allgemein mit 10 bezeichnet und weist ein Gehäuse 9 auf, in dem Wälzlager 11 und 27 befestigt sind, die eine Antriebswelle 15 um die geometrische Drehachse lagern, Die Antriebswelle 15 wird durch einen allgemein üblichen synohronen Drehantriebsmotor mit einem Stator 13 und einem Rotor

14 angetrieben, wie er beispielsweise in den eingangs genannten Patent- und Offenlegungsschriften beschrieben 1st. Ein Kreiselrotorrad 22 ist in Radialrichtung durch ein biegsames Tragelement In Form eines Armsterns 34 gehaltert, der klarer in Fig. 3 gezeigt ist und vier unter gleichen Winkelabständen angeordnete elastische dünne flache Arme 26, 26, 42, 42 aufweist, die den KreiseirOtor 22 biegsam und um die normale Drehachse drehbar lagern. Der Kreiselrotor 22 ist In Drehachsenrichtung durch ein weiteres biegsames Tragelement oder eine Strebe 29 gehaltert, die sich durch eine Öffnung 33 in dem radialen Armstern 34 erstreckt. Die Strebe 29 weist eine Verlängerung 47 auf, die von einer Hohlwelle

15 aufgenommen wird, so daß die Strebe in der Welle 15 befestigt 1st. Dieses ^alterungssystem mit zwei biegsamen Tragelementen 29, 34 ist in der deutschen Offenlegungsschrift (deutsche Patentanmeldung vom gleichen Anmelde-

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tag, unser Aktenzeichen 16 053) ausführlich beschrieben. Es ist jedoch zu erkennen, daß diese mit biegsamen Tragelementen ausgebildeten Haüterung^ohne weiteres durch die biegsamen Traganordnungen ersetzt werden kann, wie sie in den oben erwähnten Patent- und Offenlegungsschriften beschrieben sind, obwohl die in der letztgenannten deutschen Offenlegungsschrift (Patentanmeldung vom gleichen Anmeldetag mit unserem Aktenzeichen 16 053) beschriebene Anordnung bevorzugt wird.

Im folgenden werden anhand der Fig. 3 die Bauteile des Lagerungssystems näher erläutert. Hierbei sei gleichzeitig auf die Figuren 1 und 2 bezug genommen, aus denen die spezielle Anordnung der Elemente nach Fig. 3 bezüglich des bereits beschriebenen Teils des Kreiselgerätes hervorgeht. Die auseinandergezogene Ansicht nach Fig. 3 zeigt die allgemeine Beziehung der verschiedenen Teile des Tragsystems unter Einschluß des durch die Strebe 29 gebildeten Tragelementes, des elastischen Armsterns 34, der Befestigungsplatten 32, 32, einer Brücke

39 und des Kreiselrotorrades 22.

Der kreuzförmige radiale Trag-Ar ms tern 3^ ist aus einem dünnen elastischen ebenen Metallblech hergestellt und weist eine in der Mitte angeordnete ein Spiel aufweisende öffnung 33 und vier etwas vergrößerte und erweiterte Kissen an den gegenüberliegenden Enden der Arme 26, 26, 42, 42 des Kreuzes auf. Bei einer kompakten praktisch ausgeführten Form dieses Kreiselgerätes, dessen äußeres Gehäuse 9 (Fig. 1) einen Durchmesser von 20,2 mm (0,795 Zoll) und eine Länge von 21,8 mm (0,858 Zoll) aufwies, betrugen die Abmessungen (siehe Fig. 3) des Armsterns a = 1,32 mm (0,052 Zoll) und b = 0,94 mm (0,037 Zoll) und dieser Armstern war aus Metallblech mit einer Stärke von 0,0254 mm (0,001 Zoll) durch Photoätzen hergestellt. Ein Paar der diametral gegenüberliegenden Lappen an den Armen 42, 42 wird beim Zusammenbau an passenden Vorsprüngen 40,

40 der Brücke 39 befestigt, die auch in Fig. 2 zu erkennen ist. In diesem Fall und an vielen anderen Stellen erfolgt

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die Befestigung von Teilen unter Verwendung von üblichen schnell härtenden Klebemitteln, wie z.B. Epoxy-Harzen oder ähnlichen. Das andere Paar von Lappen an den Enden des zweiten Paares von Armen 26, 26 des kreuzförmigen Armsterns 34 ist mit Hilfe von Klebemitteln an einem ähnlichen Paar 31, 31 von Vorsprüngen befestigt, die von der einzige Speiche 17 des Kreiselrotorrades 22 vorspringen. Es ist für den Fachmann zu erkennen, daß andere übliche mechanische Befestigungseinrichtungen oder Befestigungsverfahren anstelle der Klebemittel verwendet werden können.

Die biegsame Strebe 29 besteht aus einem spanabhebend bearbeiteten zylindrischen Stab gemäß den Figuren 1, 2 und 3 und weist drei ebene Biegungselemente 43, 44, 45 auf, die in den aktiven Biegungsbereich eingefräst sind. Der zylindrische Teil 47 des Stabes ist in der Welle 15 in der Mittelbohrung 38 befestigt, während der gegenüberliegende zylindrische Teil 46 an der Speiche I7 des Kreiselrotorrades 22 über einen rohrförmigen Vorsprung 30 befestigt ist. Die End-Blegeelemente 43 und 45 liegen in der gleichen diametralen Ebene der Strebe 29, wobei diese Ebene senkrecht zur diametralen Ebene des mittleren Biegeelementes 44 liegt. Das ebene Biegeelement 44 ist vorzugsweise doppelt so lang wie die eine gleiche Länge aufweisenden End-Biegeelemente 43, 45.

Dieses Aufhängungssystem ergibt eine Translationssteifigkeit entlang dreier zueinander senkrechter Achsen sowie eine geringe Torsionseinspannkraft in einfacher billiger Anordnung, die von Natur aus eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Schwingungen mit der doppelten Rotordrehzahl aufweist. Die Verwendung einer Reihe von drei ebenen Biegungselementen führt zu einer erwünschten und beträchtlichen Verringerung der Biegesteifigkeit der Strebe 29. Die Verwendung von drei ebenen Biegeelementen 43, 44, 45 hält in vorteilhafter Weise den Biegungsmittelpunkt unabhängig davon konstant, in welcher Richtung die Auslenkung des Kreiselrotorrades 22 erfolgt. Wie

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dies in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, liegt der Mittelpunkt des mittleren ebenen Biegeelementes 44 in der Öffnung 33 des Armsterns 34.

Im Betrieb werden alle radialen und Antriebsmotor-Drehmomentlasten, die auf das rotierende System einwirken, von dem Armstern 43 aufgenommen, der das Kippen des Kreiselrotorrades 22 gegenüber der Antriebsachse 15 durch eine Drehauslenkung seiner gekreuzten Arme aufnimmt. Tatsächlich kann der Mittelteil des Armsterns 34 mit dem Zwischenkardanring eines Hooke'sehen Universalgelenkes verglichen werden. Weil dieser effektive Kardanring aus extrem dünnem Metallblech hergestellt ist, ergibt sich von Natur aus ein Massenausgleich bezüglich der beiden zueinander senkrechten Kippachsen und das Kreiselgerät ist daher von Natur aus nur wenig empfindlich gegenüber Schwingungen mit der doppelten Rotordrehzahl.

Im Betrieb werden alle auf das rotierende System einwirkenden Axialbelastungen von der die drei Biegeelemente aufweisenden Strebe 39 aufgenommen. Wie es weiter oben erwähnt wurde, ist die Strebe so bemessen, daß das ebene mittlere Biegeelement 44 doppelt so lang ist wie Jedes der beiden ebenen End-Biegeelemente 43, 45. Eine derartige Anordnung weist eine gleiche Biegesteifigkeit in jeder Auslenkungsrichtung sowie eine gleiche Säulenfestigkeit auf. Obwohl die Axialhalterung des effektiven mittleren Kardanteils der radialen Aufhängung weich ist, verhindert die äußerst geringe Masse des effektiven Kardanringes eine übermäßige anisoelastische Beschleunigungsempfindlichkeit.

Aus den Figuren 1 und 2 ist zu erkennen, daß die in Axialrichtung angeordnete, drei Biegeelemente aufweisende Strebe 29 mit einem Ende der Achse über das Hohlrohr 30 mit der Speiche 17 verbunden ist, während die Strebe 29 an ihrem gegenüberliegenden Ende in einer Bohrung 38 in der hohlen Antriebswelle 15 befestigt ist. Das gegenüberliegende Ende

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der Hohlwelle 15 ist mit einer Maschinenschraube 12 versehen, die in ein Innengewinde der Hohlwelle 15 eingeschraubt ist. Die Laufringe der Kugellager 11 und 27 sind damit zwischen einem Flanschteil 16, von dem aus sich die Brücke oder das Joch 39 erstreckt, und dem Kopf der Maschinenschraube 12 eingespannt, wenn diese angezogen ist. Es kann ein (nicht gezeigtes) magnetisches Aufhängungs-Federkompensationssystem der Art verwendet werden, wie es in der britischen Patentschrift 722 492 beschrieben ist.

Wie dies erwähnt wurde, istjdas Kreiselrotorrad 20 an der Hohlwelle 15 biegsam befestigt und wird von dieser angetrieben. Der Kreiselrotor schließt einen ringförmigen oder kreisringförmigen Kanal 22 am Umfang des Rotors ein, wie dies in den Figuren 1, 2, 3 und 4 zu erkennen ist. Das offene Ende des kreisringförmigen Kanals 22 ist auf den Motor 13, 14 des Kreiselgerätes gerichtet und bildet einen Luftspaltbereich, der allgemein mit 22a (Fig. 1) bezeichnet ist, wobei der Kanal 22 aus Weicheisen hergestellt ist und einstückige Selten oder Schenkel 23, 24, 25 zur Bildung eines Magnetkreises unter Einschluß des Luftspaltes 22a aufweist. In dem Luftspalt 22a ist ein durchgehender ringförmiger Permanentmagnet 21 an der Innenoberfläche des äußeren Schenkels 23 des kreisring fUrmig en Kanals 22 mit Hilfe eines Üblichen Klebemittels befestigt, der sich mit diesen Teilen dreht und der als flacher Zylinder aus einer üblichen Magnetlegierung konstruiert sein kann, wie z.B. aus Platin-Kobalt oder einer anderen permanentmagnetIschen Legierung mit ähnlichen Eigenschaften. Das Magnetmaterial des Ringes 21 1st in Radialrichtung permanentmagnetisiert, beispielsweise an sechs unter gleichen Winkelabständen verteilten Stellen 50, 51, 52, 53, 5* und 55 gemäß Fig. 4. Alle magnetisierten Stellen sind in der gleichen Radialrichtung polarisiert, wie dies beispielsweise durch die Buchstaben N angedeutet ist, die die Nordpole bezeichnen, die an der Innenoberfläche des ringförmigen Magnetes 21 liegen. Jeder derartige Nordpol nimmt effektiv einen begrenzten Oberflächenbereich ein, während zwischen

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benachbarten Polen die Magnetisierung auf einen niedrigen Wert oder vorzugsweise sogar auf 0 abfällt. Daher besteht ein einseitig gerichtetes Magnetfeld in dem Luftspalt 22a zwischen dem Ringmagnet 21 und dem zweiten oder inneren Schenkel 25 des kreisringförmigen Kanals 22, wobei sich die Amplitude dieses Feldes in allgemein sinusförmiger oder wellenförmiger Weise um den Luftspalt 22a herum ändert.

Obwohl sechs permanentmagnetislerte Stellen an dem Permanentmagnet 21 vorgesehen sind, sind diese so angeordnet, daß sie mit vier Luftkern-Abgriffwicklungen 20, 20a, 20b und 20c zusammenwirken, die in einer zylindrischen Schale 19 oder einem Mantel aus elektrisch isolierendem Material angeordnet sind, wie z.B. einer üblichen Kunststoffverbindung. Die Wicklungen 20, 20a, 20b und 20c sind allgemein formgleich in der zylindrischen Schale 19 oder dem Mantel angeordnet, so daß sie von dieser Schale 19 teilweise in dem kreisringförmigen Luftspalt 22a gehalten werden. Auf diese Weise sind die vier Luftkern-Wicklungen in der Schale 19 fest gegenüber dem Gehäuse 9 gehaltert, wobei die Kante jeder Wicklung in einen Sektor des Luftspaltes 22a zwischen dem Permanentmagnet 21 und dem inneren Schenkel 25 des Weicheisenkanals 22 eingeschoben ist. Im Hinblick auf die Verwendung von vier Wicklungen 20, 20a, 20b, 20c sowie der sechs permanentmagnetisierten Stellen 50, 51, 52, 53, 54, 55 entspricht die Winkellänge Jeder Wicklung entlang des Luftspaltes 22a gemäß Pig. ungefähr dem 1,5-Fachen des Winkelabstandes zwischen den Mittelpunkten der magnetisierten Stellen 50, 51, 52, 53, 54, 56 des Permanentmagneten 21. Die Phantomansicht nach Fig. 5 stellt die mehrere Windungen aufweisenden Wicklungen 20, 20a, 20b und 20c lediglich mit einer Windung pro Wicklung dar, um die Übersichtlichkeit der Zeichnung zu erhöhen. Der Zweck dieser Darstellung besteht lediglich in der Darstellung der Ausgangsieitungen 6c, 6l der Wicklung 20, der Ausgangsleitungen62, 63, der Wicklung 20a, der Ausgangsleitungen 64, 65, der Wicklung 20b unr¹ der Ausgangsleitungen 66, 67 der Wicklung 20c. Es ist verständlich, daß die Anzahl der magneti-

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sierten Stellen, die in dem vorstehenden Beispiel angegeben wurde, lediglich beispielhaft ist, und daß diese Anzahl geändert werden kann, wenn es die Umstände verlangen. Wenn der Abstand zwischen den effektiven Mittelpunkten der magnetischen Nordpole mit S bezeichnet ist und wenn die Länge jeder Wicklung in dem Luftspalt 22a mit T bezeichnet wird, so ergibt sich die folgende Gleichung, die diese Abmessungen a uf ein maximales Ausgangssignal bezieht:

T « (n - 1/2) S worin η eine positive ganze Zahl ungleich O ist.

In Fig. 6 sind die Wicklungen 20 und 20b willkürlich als A-Achsenwicklungen bezeichnet, In Serie geschaltetund so gepolt, wie dies in üblicher Weise in der Figur durch Punkte angedeutet ist. Die Mittelleitungen 61, 64 der Jeweiligen Wicklungen 20, 20b sind direkt über eine Leitung 73 mit einer Mittelanzapfung einer Eingangswicklung 75, 76 eines Trenntransformators 77 verbunden, wobei der Transformator 77 so gepolt ist, wie dies durch die Punkte in Fig. 6 gezeigt ist. Die Leitung 60 der Wicklung 20 ist über einen Kondensator mit einem zweiten Eingang der Transformatorwicklung 75 verbunden, während die Leitung 65 der Wicklung 64 über einen Kondensator 74 mit dem gegenüberliegenden Eingang der Transformatorwicklung 76 verbunden ist. Die Leitungen 60, 65, die so verbunden sind, daß an ihnen die Wechselstromenergie längs der Wicklungen 20, 20b differentiell anliegt, werden zur Zuführung eines Wechselstromsignals, das proportional zur Kippbewegung um die X-Achse des Kreisels ist, an einen üblichen A-Kana!demodulator 85 verwendet, der in üblicher Weise zur Erzeugung einer Ausgangssteuerspannung mit veränderlicher Polarität und veränderlicher Amplitude längs der Leitungen 86, 87 dient. Es ist für den Fachmann zu erkennen, daß der B-Achsenkanal in gleicher Weise aufgebaut ist und arbeitet, wobei die mit einem Strich versehenen Bezugsziffern entsprechende Teile bezeichnen und wobei differentielle Wechselspannungesignale längs der Wicklungen 20a, 20b abgeleitet

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werden, die über Kondensatoren 72' , 74' dem B-Kanaldemodulator 85' zugeführt werden. Auf diese Weise wird die Wechselspannung, deren Amplitude proportional zur Kippbewegung des Kreiselrotors 22 um die B-Achse ist, dem B-Kanaldemodulator 85¹ zugeführt, um eine zweite Steuerspannung mit veränderlicher Polarität und veränderlicher Amplitude zu erzeugen, die an den Leitungen 86', 87¹ anliegt. Die Ausgangswicklungen 79, 79¹ der jeweiligen Transformatoren 77, 77' sind in additiver Serienbeziehung geschaltet, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, um ein Phasenbezugs-Wechselspannungssignal an den Leitungen 80, 81 zu liefern. Das Phasenbezugssignal wird den jeweiligen A- und B-Kanaldemodulatoren 85, 85¹ zugeführt und dient als Bezugssignal für die Demodulation der Fehlersignale an den Jeweiligen Leitungen 78, 82 und78', 82'.

Zur Ausübung eines Drehmomentes auf den Kreisel um seine A-Achse werden einseitig gerichtete Ströme von einem geeigneten Drehmoment-Signalgenerator 70 den Leitungen 60, 65 zugeführt. In ähnlicher Weise wird zur Erzeugung eines Drehmomentes auf den Kreisel um die B-Achse ein einseitig gerichteter Strom von einem in gleicher Weise üblich aufgebauten Drehmoment-Signalgenerator 70' den Leitungen 62, 67 zugeführt. Auf Grund der Verwendung der Kondensatoren 72, 74 und 72', 74' hat die Einführung derartiger Gleichstrom-Drehmomentsignale in die Wicklungen 20, 20a und 20b, 20c praktisch keine Auswirkungen auf die Betriebsweise des Kreiselgerätes.

Im Betrieb wird die Welle I5 typischerweise mit 400 Umdrehungen pro Sekunde angetrieben. Während das räumlich modulierte Magnetfeld um den Luftspalt 22a herum an jeder Luftkern-Wicklung 20, 20a, 20b, 20c vorbeiläuft, wird eine Wechselspannung in Jeder dieser Wicklungen mit einer Frequenz erzeugt, die gleich dem Sechsfachen der Kreisel-Rotorradfrequenz oder gleich 2,4 kHz ist. Wenn der Kreiselrotor 22 in seiner mechanischen Nullstellung verbleibt, wobei die Dreh- oder Spinachse mit der Achse der Antriebswelle 15 übereinstimmt, so sind die in Jeder Wicklung induzierten Wechselspannungen im wesent-

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lichen gleich und die Phasen der Spannungen in diametral gegenüberliegenden Wicklungen wie z.B. den Wicklungen 20, 20b und den Wicklungen 20a, 20c sind im wesentlichen gleich. Wenn der Kreiselrotor 22 gegenüber den Wicklungen 20, 20a, 2Ob₁ 20c kippt, wird die Gleichheit der in den diametral gegenüberliegenden Abgriffwicklungen induzierten Spannung gestört. Die Differenz der Ausgangssignale der gegenüberliegenden Abgriffwicklungen ist entsprechend ein Maß der Winkelbewegung des Kreiselrotors 22 um eine Eingangsachse, wie beispielsweise d ie Achse A.

Die gewünschten Abgriffsignale werden dadurch gewonnen, daß, wie in Fig. 6 gezeigt, diametral gegenüberliegende Abgriffwicklungen in Antiserie geschaltet werden. Die Phasenbezugsfrequenz, die zur Demodulation der Abgriffsignale benötigt wird, wird durch Summierung der Ausgänge aller vier Abgriffwicklungen 20, 20a, 20b, 20c unter Verwendung der mittelangezapften Transformatoren 77, 77' gewonnen. Andere bekannte Schaltungen zur Durchführung dieser Summierfunktion können verwendet werden. Weil das mittlere Magnetfeld, das durch den kreisringförmigen Permanentmagneten 21 und den zugehörigen kreisringförmigen Weicheisenkanal 22 im Bereich jeder Wicklung 20, 20a, 20b, 20c hervorgerufen wird, nicht 0 ist, erzeugt das Hindurchfließen eines eine steuerbare Amplitude aufweisenden einseitig gerichteten Drehmomentstromes in einer Wicklung eine Kraft parallel zur Achse der Antriebswelle 15 in der bogenförmigen Ebene der Wicklung. Dadurch, daß ein Gleichstrom durch diametral gegenüberliegende Wicklungen in entgegengesetzten Richtungen hindurchgeleitet wird, wird ein die Lage korrigierendes Drehmoment auf das Kreiselrotorrad 22 ausgeübt. Durch die Hinzufügung der Trennkondensatoren 72, 74, 72', 74', die die Zuführung dieser Ströme an die Transformatoren 77, 77' verhindern, ist diese Betriebsweise Mußerst praktisoh, weil keine zusätzlichen Wicklungen oder andere die Anordnung komplizierter machende und Raum benötigende Elemente In der Kreiselanordnung zusätzlich zu denen erforderlich sind, die zur Erzeugung der Kippfehler-

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signale und der Phasenbezugssignale erforderlich sind.

Die hauptsächliche Schwierigkeit bei bekannten kombinierten Abgriff- und Drehmomenterzeugungsbaugruppen liegt darin, daß die Drehmomentgeberwicklungen in unerwünschter Weise in die Abgriffwicklungen einkoppeln, so daß störende Bewegungsbefehlssignale erzeugt werden. Erfindungsgemäß wird diese Schwierigkeit dadurch vermieden, daß der gesamte Teil des Kreiselrotors, der in den Abgriff- und Drehmomenterzeugerfunktionen zusammenwirkt, mit durchgehenden leicht maschinell zu bearbeitenden zylindrischen Oberflächen versehen wird, wobei ein Permanentmagnet 21 in Form einer damit zusammenwirkenden zylindrischen Schale aus einem Material verwendet wird, deren Permeabilität im wesentlichen 1 ist. Weil die gesamte Reluktanz des magnetischen Kreises unter Einschluß des U-förmigen kreisringförmigen Kanals 22 des Kreisels fast vollständig durch den Luftspalt 22a gebildet ist, ist die Differenz der Reluktanz für einen gegebenen Umfangsbogen des magnetischen Kreises in einem Bereich mit einer magnetisierten Stelle und der Reluktanz eines entsprechenden Bogens mit einem im wesentlichen nichtmagnetisierten Bereich zwischen magnetisierten Stellen vernachlässigbar klein. Die Modulation des Luftspaltflusses, die durch die Drehmomenterzeugung mit Hilfe von Gleichströmen bei einer Drehung des Rotorrades 22 hervorgerufen wird, ist daher ebenfalls vernachlässigbar.

Ein besonders vorteilhaftes Merkmal der dargestellten Ausführungsform besteht in der Verwendung eines durchgehenden zylindrischen Magneten 21, der permanent in der gleichen Radialrichtung an einer ersten Anzahl von getrennten mii Abstand angeordneten Stellen derart magnetisiert ist, daß sich ein räumlich moduliertes einseitig gerichtetes radiales Magnetfeld am Umfang des Kreiselrotorrades 22 ergibt, während dennoch ein Luftspalt 22a mit konstanter Reluktanz in dem Magnetkreis aufrechterhalten wird. Dieses Merkmal ermöglich die Verwendung einer unterschiedlichen Anzahl von Wicklungen zur Durchführung der Abgriff-Drehmomenterzeuger- und Phasenbezugsgenera-

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torfunktionen ohne daß eine Kreuzkopplung zwischen den Drehmomenterzeuger- und Abgriffelernenten auftritt. Weil erfindungsgemäß in gewünschter Weise Punktionen, die normalerweise eine große Anzahl von getrennt wirkenden Teilen erforderten, miteinander vereinigt werden und well die Teile des Kreiselgerätes nur relativ wenig Fräsarbeiten bei der Herstellung erfordern, sind sehr kompakte Anordnungen in einfacher Weise möglich. Zusätzlich können die Herstellungskosten beträchtlich verringert werden.

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Claims

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Patentansprüche :

1J Kreiselgerät mit einem mit Hilfe von biegsamen Tragelementen aufgehängten lagerfreien Rotor, mit Gehäuseteilen, mit in den Gehäuseteilen gelagerten Antriebswellenelementen, wobei der Rotor mit Hilfe der Antriebswellenelemente um eine Drehachse in Drehung versetzbar ist, und mit biegsamen Tragelementen, die den Rotor um eine erste und eine zweite Kippachse in wesentlichen senkrecht zur Drehachse beweglich haltern, dadurch gekennzeichnet, daß das Kreiselgerät Magnetkreiselemente (22) aufweist, die am Umfang des Rotors (20) angeordnet sind und einen kreisringförmigen Luftspalt (22a) bilden, daß Permanentmagnetbauteile (21) in den Magnetkreiselementen (22) angeordnet sind und ein einseitig gerichtetes radiales Magnetfeld liefern, dessen Stärke sich regelmäßig um den kreisringförmigen Luftspalt (22a) herum wellenförmig ändert, und daß Wicklungsbaugruppenteile (20, 20a, 20b, 20c) an den Gehäuseteilen (I9) gehaltert sind und das sich wellenförmig ändernde radiale Magnetfeld feststellen, wenn der Rotor (20) in Drehung versetzt ist.
2. Kreiselgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennze ich net, daß die Magnetkreiselemente (22) zumindest erste und zweite Schenkelbauteile (23, 25) einschließen, die kontinuierlich in Form eines offenen kreisringförmigen Kanals miteinander verbunden sind.

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3· Kreiselgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennze ich net, daß die Permanentmagnetbauteile (21) kreisringförmig ausgebildet und an der inneren Oberfläche des ersten Schenkelbauteils (2^)^angeordnet sind, daß Magnetflußlinien von den Permanentmagnetbauteilen (21) über den kreisringförmigen Luftspalt (22a) und die Magnetkreiselemente (22) zu den Permanentmagnetbauteilen (21) zuriickverlaufen.
4. Kreiselgerät nach Anspruch 2 oder j5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsbaugruppenteile eine Anzahl von getrennten Wicklungen (20, 20a, 20b, 20c) einschließen, die sich jeweils in den kreisringförmigen offenen Kanal zwischen den Permanentmagnetbauteilen (21) und dem zweiten Schenkelbauteil (25) erstrecken, um die Magnetflußlinien zu schneiden, wenn der Rotor (20) in Drehung versetzt wird.
5. Kreiselgerät nach Anspruch K, dadurch gekennzeichn e t , daß jede getrennte Wicklung (20, 20a, 20b, 20c) allgemein rechtwinklig geformt ist und in einer bogenförmigen Ebene liegt, die in ihrer Form mit einem vorgegebenen Sektor des kreisringförmigen Luftspalts übereinstimmt .
6. Kreiselgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß getrennte unter gleichen Winkeln angeordnete Bereiche (50 bis 55) des kreisringförmigen Permanentmagneten (21) magnetisch in gleicher Welse radial polarisiert sind.
7. Kreiselgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß

T = (n-1/2) S

ist, worin T die Länge jeder Wicklung (20, 20a, 20b, 20c) in dem Luftspalt, S der Winkelabstand zwischen den effek-

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tiven Mittelpunkten der Magnetpole und η eine positive ganze Zahl ungleich 0 ist.
8. Kreiselgerät nach Anspruch 7» dadurch g e k e η η ze lehnet, daß die Länge Jeder getrennten Wicklung (20 20a, 20b, 20c), die ir(einem entsprechenden jeweiligen Sektor des kreisringförmigen Luftspaltes liegt, im wesentlichen dem 1,5-Fachen des Winkelabstandes zwischen den effektiven Mittelpunkten der magnetisch in gleicher Weise radial polarisierten getrennten Bereiche (50 bis 55) des kreisringförmigen Permanentmagneten (21) entspricht.
9. Kreiselgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß vier getrennte unter gleichen Winkelabständen angeordnete Wicklungen (20, 20a, 20b, 20c) mit sechs unter gleichen Winkelabständen angeordneten magnetisch in gleicher Weise radial polarisierten diskreten Bereichen (50 bis 55) des kreisringförmigen Permanentmagneten (21) zusammenwirken.
10. Kreiselgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsbaugruppenteile zumindest ein erstes Paar (20, 20b) von differentiell in Serie geschalteten räumlich gegenüberliegenden getrenn ten Wicklungen einschließen, die jeweils mit dem sich regel mäßig wellenförmig ändernden radialen Magnetfeld gekoppelt sind, wenn sich der Rotor (20) dreht.
11. Kreiselgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Demodulatorelnrichtungen (85) mit ersten und zweiten Eingangselementen, Kondensatorelemente (72, 74) zur Ankopplung eines Wechselspannungssignals mit veränderlicher Amplitude und umkehrbarer Phase von dem ersten Paar von differentiell in Serie geschalteten getrennten Wicklungen (20, 20b) an das erste Eingangselement der Demodulatoreinrichtung (85) und mit Schaltungselementen (75, 76, 79) zur Zuführung eines Phasenbezugs-

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signals von den Kondensatorelementen (72, 74) an das zweite Eingangselement der Demodulatoreinrichtung (85) vorgesehen sind, so daß die Demodulatoreinrichtung (85) ein Steuersignal mit veränderlicher Polarität und veränderlicher Amplitude proportional zur Kippbewegung des Rotors (20) gegenüber den Antriebswellenelementen (14) um die erste Kippachse liefern.
12. Kreiselgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungselemente Transformatorbauteile mit Eingangs- und Ausgangswicklungen (75, 76; 79) einschließen, daß die Eingangswicklungen (75, 76) kapazitiv über die Kondensatorelement (72, 74) längs des ersten Paares von differentiell in Serie geschalteten getrennten Wicklungen (20, 20b) angeschaltet sind, und daß die Ausgangswicklung (79) mit den Demodulatoreinrichtungen (85) zur Lieferung des Phasenbezugssignals angeschaltet 1st.
13· Kreiselgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich erste Einrichtungen (70) zur Zuführung eines steuerbaren einseitig gerichteten Gleichstromes lediglich durch das erste Paar von differentiell in Serie geschalteten räumlich gegenüberliegenden getrennten Wicklungen (20, 20b) vorgesehen sind, um den Rotor (20) in seiner Lage um die erste Kippachse einzustellen.
14. Kreiselgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin Demodulatoreinrichtungen (85) mit ersten und zweiten Eingangselementen und Ausgangselementen vorgesehen sind, daß Kondensatorelefoente (72, 74) zur Ankopplung des ersten Paares von differentiell in Serie geschalteten räumlich gegenüberliegenden getrennten Wicklungen (20, 20b) vorgesehen sind, und daß Schaltungseinrichtungen (75, 76, 79) zusätzlich mit den Kondensatorelementen (72, 74) und mit den zweiten Eingangselementen gekoppelt sind, so daß die Demodulatoreinrichtungen (85) an ihren Ausgangselementen ein eine veränder-

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liehe Polarität und eine veränderliche Amplitude aufweisendes Steuer-Ausgangssignal liefern, das proportional zur Kippbewegung des Rotors (20) um die zweite Kippachse ist.
15. Kreiselgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 13* dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsbaugruppenteile zusätzlich zumindest ein zweites Paar von differentiell in Serie geschalteten räumlich gegenüberliegenden getrennten Wicklungen (20a, 20c) einschließen, das zwischen dem ersten Paar von differentiell in Serie geschalteten räumlich gegenüberliegenden diskreten Wicklungen (20, 20b) eingefügt ist und an das sich regelmäßig wellenförmig ändernde radiale Magnetfeld angekoppelt ist, wenn sich der Rotor (20) dreht.
16. Kreiselgerät nach Anspruch I5, dadurch gekennze ich net, daß zweite Demodulatoreinrichtungen (85¹) , zweite Kondensatorelemente (72', 7^') zur Ankopplung des zweiten Paars von differentiell in Serie geschalteten räumlich gegenüberliegenden getrennten Wicklungen (20a, 20b) an die ersten Eingangselemente der zweiten Demodulatoreinrichtungen (85¹) und zweite Schaltungseinrichtungen vorgesehen sind, die zusätzlich zwischen den zweiten Kondens atorelementen (72¹, 74¹) und den zweiten Eingangselementen der zweiten Demodulatoreinrichtungen (85¹) eingeschaltet sind, so daß die zweiten Demodulatoreinrichtungen (85¹) ein eine veränderliche Polarität und eine veränderliche Amplitude aufweisendes Steuer-Ausgangssignal liefern, das proportional zur Kippbewegung des Rotors (20) um die zweite Kippachse ist.
17. Kreiselgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der ersten und zweiten Schaltungseinrichtungen additiv mit den zweiten Eingängen der ersten und zweiten Demodulatoreinrichtungen in Form

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eines Phasenbezugssignals angeschaltet sind.
18. Kreiselgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zweite Einrichtungen (7O¹) zur Zuführung eines steuerbaren einseitig gerichteten Stroms lediglich durch das zweite Paar von in Serie geschalteten räumlich gegenüberliegenden getrennten Wicklungen (20, 20c) zur Einstellung der Lage des Rotors (20) um die erste Kippachse vorgesehen sind.
19. Kreiselgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die biegsamen Tragelemente erste Biegungstragelemente (^4), die den Rotor (20) für eine Drehung mit den Antriebswellenteilen (15) universell kippbar um die ersten und zweiten Kippachsen lagern, und zweite Biegungstragelemente (29) umfassen, die mit den Antriebswellenteilen (I5) mit diesen im wesentlichen um die Drehachse drehbar verbunden sind und den Rotor (20) in Axialrichtung universell kippbar um die ersten und zweiten Kippachsen lagern.
20. Kreiselgerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Biegungstragelemente eine zylindrische Strebe (27) mit einem ersten biegsamen ebenen Abschnitt (44) umfassen, der in einer diametralen Ebene der Strebe (29) liegt, und daß die zweiten Biegungstragelemente (29) sich durch eine öffnung (33) in den ersten Biegungstragelementen (}4) erstrecken, wobei im wesentlichen gleich Teile hiervon auf beiden Seiten der öffnung liegen.
21. Kreiselgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Biegungstragelemente ein symmetrisches kreuzförmiges elastisches Teil (jj4) aufweisen, das im wesentlichen gleiche Längen aufweisende Arme mit äußeren Enden zur Ankopplung des Rotors

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(20) an die Antriebswellenteile (15) aufweisen, und daß die ersten Biegungstragelemente (34) im übrigen benachbart zur Drehachse keinen Zwangskräften ausgesetzt sind.
22. Kreiselgerät nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Strebe (29) zweite und dritte biegsame ebene Abschnitte (43, 45) einschließt, die in einer diametralen Ebene der Strebe (29) liegen und Jeweils symmetrisch auf jeder Seite des ersten biegsamen ebenen Teils (44) angeordnet sind.
23. Kreiselgerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß der erste biegsame ebene Abschnitt (44) doppelt so lang in Richtung der Längsachse der Strebe (29) ist,wie der zweite oder dritte flexible ebene Abschnitt (43, 45).
24. Kreiselgerät nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß der erste biegsame ebene Abschnitt (44) unter rechten Winkeln zu den zweiten und dritten biegsamen ebenen Abschnitten (43, 45) verläuft.
25. Kreiselgerät nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Enden der ersten und zweiten diametral gegenüberliegenden Arme (26) des kreuzförmigen Bauteils (34) mit dem Rotor (20) verbunden sind und daß die äußeren Enden der dritten und vierten diametral gegenüberliegenden Arme (42) des kreuzförmigen Bauteils (34) mit den Antriebswellenteilen (15) gekoppelt sind, so daß sich eine Gelenkverbindung für den Rotor (20) gegenüber den Antriebswellente ilen (I5) im wesentlichen lediglich durch zyklisches Verdrehen der ersten, zweiten, dritten und vierten gegenüberliegenden Arme (26, 26, 42, 42) ergibt.

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