DE2818105A1 - Gyroskop - Google Patents

Description

C _

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Die Erfindung betrifft ein Gyroskop mit einem Rotor, der von der Welle eines Motors über einen Zwischenring antreibbar ist, der mit dem Motor und dem Rotor über Torsionsstäbe gekoppelt ist, von denen je zwei benachbarte einen rechten Winkel bilden, und mit Präzessionsantrieben, die dem Rotor Präzessionsmomente in die Drehachse der Motorwelle enthaltenden Ebenen erteilen.

Insbesondere handelt es sich beim Erfindungsgegenstand um Gyroskope elastischer Aufhängung mit zwei Freiheitsgraden, die mit zugeordneten Präzessionsantrieben, nachfolgend Pr äzessions- oder Momentenmotoren genannt, versehen sind, die dem Rotor des Gyroskops eine· Präzession zu verleihen vermögen oder eine Präzession zu kompensieren vermögen.

Derartige Gyroskope finden verschiedenartigste Anwendung namentlich als Einrichtungen zur Lagebestimmung in einer Regelkette für die Stabilisation einer Plattform oder für einen ganz anderen Zweck. Es kommt auch die Anwendung als Gyrometer in Betracht, d.h. als Einrichtung zum Messen der Winkelgeschwindigkeiten bewegbarer Objekte, die das Gyroskop tragen, beispielsweise im Hinblick auf die automatische Steuerung dieser Objekte (Autopilot).

Bei der Anwendung als Gyrometer bewirkt man eine Regelung des Rotors des Gyroskops relativ zu seinem Gehäuse, d.h. relativ zum Objekt, das das Gyroskop trägt, und zwar mit Hilfe von Detektoren, die die Neigung des Rotors ermitteln, und von Momentenmotoren, die die Regelkette in der Weise steuern, daß der Rotor dauernd in eine zentrale Bezugsstellung zurückgeführt wird. Man mißt sodann die Präzessionsmomente oder die Momente der Kompensation der Präzession, die man dabei auf den Rotor des Gyroskops wirken lassen muß, und kann aus dieser Messung die Drehgeschwindigkeit des das Gyrometer tragenden Objekts ableiten, da das Präzessionsmoment proportional zu

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dieser Geschwindigkeit ist.

Bei der Anwendung als Einrichtung zur Lagebestiramung für die Stabilisierung einer Plattform betätigt man die Moiaentenmotoren, um ein Präzessionsmoment aufzuprägen,, das eine Funktion der Einstellung ist, die der Plattform vermittelt werden soll.

Bei diesen Anwendungen und insbesondere bei der Anv/endung als Gyrometer ist es xvesentlich, daß man die von den Präzessionsmotoren aufgebrachten Momente richtig messen kann. Nun kann man aber diese Momente im allgemeinen nur ermitteln, wenn man Kenntnis hat von der Charakteristik, mit der das Moment als Funktion der Steuerung des Momentenmotors auftritt. Es ist besonders wesentlich, daß bei elektrischen Momentenmotoren eine lineare Beziehung zwischen dem erzeugten Moment und der Stromstärke oder Spannung oder einem anderen elektrischen Parameter des Steuersignals des Motors gegeben ist.

Beim Großteil der üblichen Gyroskope mit elastischer, mechanischer Aufhängung (bei denen also der Rotor über dazwischengefügte Torsionsstäbe an einem starren Zwischenring befestigt ist, der seinerseits an der Antriebswelle zum motorischen Erzeugen der Drehbewegung des Rotors über Torsionsstäbe befestigt ist, die senkrecht zu den zuerstgenannten Torsionsstäben verlaufen) benutzt man Präzessionsmotoren, die aus einem Permanentmagneten und einer Spule gebildet sind, die von einem Strom durchflossen wird. Es ergibt sich dabei der große Vorteil, daß die erzeugte Anziehungskraft oder das Moment genau dem Strom proportional ist, der die Spule durchfließt und der genau gemessen werden kann.

Leider ergibt sich bei diesen Präzessionsmotoren mit Permanentmagneten aber der prinzipielle Nachteil, daß das erzeugte Moment zu gering ist, daß also das Verhältnis von Moment und verbrauchter elektrischer Leistung schlecht ist. Dies ist

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bei der Anwendung als Gyrometer sehr störend, wo man eine hohe Drehzahl des Rotors des Gyroskops benötigt (um Fehler bei der Lageeinstellung durch das Gerät klein zu halten) und daher erhöhte Prazessionsmoiuente für die Einwirkung auf den mit hoher Drehzahl umlaufenden Rotor gebraucht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gyroskop der | in Rede stehenden Art zu schaffen, bei dem im Vergleich zu | den üblichen derartigen Gyroskopen erhöhte PräzessionsHomente I erzeugt und am Rotor zur Wirkung gebracht werden können. |

Bei einem Gyroskop der eingangs genannten Art istdese Auf- l

gäbe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des ί

Patentanspruchs 1 gelöst. Danach sind als Präzessionsmotoren i

Elektromagnete vorgesehen, die auf einen aus ferromagneti- · ΐ

schem Metall bestehenden Teil des Rotors einwirken. Die \

i Elektromagnete sind gegenüber der Achse des Rotors versetzt j und werden in Gruppen von je zwei relativ zu dieser Achse J diametral gegenüberliegenden Elektromagneten betätigt, um | eine Anziehungskraft auf den Umfang des Rotors einwirken zu lassen, wobei diese Kraft auf der einen oder auf der anderen Seite in einer parallel zur Achse des Rotors verlaufenden Richtung wirkt.

Die durch einen Elektromagneten erzeugte Kraft kann einen hohen Wert bekommen, denn die Kraft nimmt mit dem Quadrat des zugeführten Stroms zu* Das Verhältnis zwischen dieser Kraft und

der vom Elektromagneten verbrauchten Leistung ist sehr günstig. Außerdem weist ein derartiger elektromagnetischer Momentenmotor den Vorteil eines geringen Raumbedarfs auf sowie den Vorteil, daß er lediglich einen am Rotor angebrachten Kranz aus ferromagnetischem Metall nötig macht, um einen Rückschluß der magnetischen Feldlinien zu bilden, die von den Elektromagneten erzeugt v/erden.

Allerdings tritt an sich bei dieser Ausführungsform der Momentenmotoren der Nachteil auf, daß die Kraft oder das

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ORIGINAL INSPECTED

Moment, das von einem Elektromagneten erzeugt wird, keine lineare Funktion des zugeführten Stroms ist.

Bei der vorliegenden Erfindung ist daher vorgesehen, daß die zum Erzeugen des Präzessionsmoments dienenden Elektromagnete einer Stromversorgungsschaltung zugeordnet sind, die auf ein elektrisches Steuersignal anspricht, dergestalt, daß die Anziehungskraft, die durch zwei diametral einander gegenüberliegend angeordnete Elektromagnete ausgeübt wird, praktisch eine lineare Funktion eines Parameters des Steuersignals für den diesen Elektromagneten zugeführten Strom ist.

Wenn, mit anderen Worten gesagt, das durch einen Elektromagneten erzeugte Moment keine Linearfunktion des durch den Elektromagneten fließenden Stroms ist, dann steuert man die Ströme in zwei diametral gegenüberliegenden Elektromagneten durch ein Steuersignal in der Weise, daß das Steuersignal einen Parameter darstellt, der eine lineare Funkton des durch die Elektromagneten erzeugten Momentes ist.

Die diametral einander gegenüberliegenden Elektromagnete können durch einen gleich großen, ihnen gemeinsamen Polarisationsstrom gespeist werden, der keinerlei Moment hervorruft, da die Anziehungskräfte, die jeder der Elektromagnete erzeugt, symmetrisch an zwei Stellen zur VJirkung kommen, die am Rotor diametral einander gegenüberliegen. Ein Moment kann man sodann wirksam werden lassen, indem man einen finderungswert des Stroms algebraisch zu dem gemeinsamen Polarisationsstrom überlagert, und zwar mit positivem Vorzeichen bei dem einen und mit negativem Vorzeichen bei dem anderen Elektromagneten. Das erzeugte Moment ist sodann eine lineare Funktion des Stroms-Änderungswerts, der den oben erwähnten Parameter bildet, der für das aufgebrachte Moment kennzeichnend ist.

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Der gemeinsame Polarisationsstroms bewirkt eine Steifigkeit der Reaktion des Rotors gegenüber einer Belastung durch die Präzessionsmotoren. Diese Steifigkeit ist derjenigen Steifigkeit entgegengerichtet, die durch die Torsionsstäbe des Rotors bewirkt wird. Eine geeignete Wahl des Werts des Polarisationsstroms ermöglicht es daher, die Steifigkeit der Torsionsstäbe genau zu kompensieren, ohne daß mechanische Mittel für die Abstimmung des Gyroskops herangezogen werden müßten.

In gleicher Weise kann man eine automatische Einstellung des Polarisationsstroms als Funktion der Neigung des Rotors relativ zu seiner Antriebswelle vorsehen, um den Umstand zu kompensieren, daß das durch jeden Elektromagneten erzeugte Moment eine Funktion der Größe des Luftspalts zwischen dem Elektromagneten und dem das magnetische Feld schließenden Kranz ist, der vom Rotor getragen wird. Dabei müssen Detektoren für die Neigung des Rotors oder für die Größe des Luftspalts vorhanden sein, um den Polarisationsstrom zu steuern.

Bei einer anderen Form der Steuerung der Elektromagnete. kann man einen Parameter des Steuersignals zu einer linearen Funktion des erzeugten Moments werden lassen. Bei dieser Ausführungsform v/erden die diametral gegenüberliegenden Elektromagnete durch Stromimpulse gespeist. Das mittlere Moment, das im Zuge eines Umlaufs des Rotors erzeugt wird, ist im wesentlichen proportional zur Differenz der Zeiträume des Fließens der Ströme (deren Amplitude bei beiden Elektromagneten als identisch vorausgesetzt wird) in den beiden Elektromagneten. Diese Differenz der Zeiträume des Fließens des Stroms bildet den ausgewählten Parameter des Steuersignals der Elektromagnete.

Diese Differenz der Zeiträume des Stromflusses kann entweder zur Erzeugung von Impulsen gleicher Impulslänge, die jedoch entsprechend dem zu erzeugenden Moment mit variabler Impulsanzahl auftreten, benutzt werden, oder kann benutzt werden,

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um Impulse konstanter Frequenz zu erzeugen, deren Impulslängen entsprechend dem zu erzeugenden Moment schwanken.

Man kann auch hier wiederum die Amplitude der Impulse als Funktion der Neigung des Rotors (oder der Größe des Luftspalts am Ort der Elektromagnete) schwanken lassen, um zu berücksichtigen, daß die von jedem Elektromagneten erzeugte Anziehungskraft in starker funktioneller Abhängigkeit von der Größe des Luftspalts am Ort dieses Elektromagneten steht.

In diesem Fall ist es günstig, jeden Elektromagneten mit Impulsen, die nacheinander ein wechselndes Vorzeichen besitzen, zu speisen, um remanenten Magnetismus des Eisenkerns des Elektromagneten zu eliminieren.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisiert und teilweise aufgeschnitten gezeichnete,perspektivische Ansicht eines über Torsionsstäbe elastisch aufgehängten Gyroskops;

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Gyroskop der in

Fig. 1 gezeigten Art, wobei Elektromagnete zur Steuerung der Präzession gezeigt sind;.

Fig. 3 eine schematisiert gezeichnete Draufsicht des Gyroskops von Fig. 2, wobei die Anordnung von Elektromagneten und Detektoren gezeigt ist;

Fig. 4 eine schematisiert gezeichnete, allgemeine Blockdarstellung einer Schleifenschaltung, die den Betrieb des Gyroskops ermöglicht;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Schaltung

für die Stromversorgung einer Gruppe von zwei am Gyroskop diametral gegenüberliegend angeordneten Elektromagneten;

Fig. 6 eine schematisierte Darstellung einer

Schaltung zur Stromversorgung mittels Impulsen variabler Frequenz und

Fig. 7 eine der Fig. 6 entsprechende Darstellung

einer Schaltung zur Stromversorgung mittels Impulsen von variabler Länge, wobei eine

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Kompensation der Amplitude der Impulse als Funktion der Veränderungen der Neigung des Rotors des Gyroskops vorgesehen ist.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen in stark schematisierter Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Gyroskops mit elastischer Aufhängung, worauf die Erfindung besonders anwendbar ist. Ein solches Gyroskop weist eine Antriebswelle 10 auf, die mit einem nicht dargestellten Motor gekuppelt ist, um einen Rotor 12 des Gyroskops in Drehung zu versetzen.

Die Antriebswelle ist mit dem Rotor nicht unmittelbar verbunden, sondern über eine elastische Aufhängung, die die Übertragung der Drehbewegung ermöglicht, jedoch dem Rotor einen oder zwei (beim vorliegenden Beispiel zwei) Freiheitsgrade beläßt, so daß die Drehachse des Rotors gegenüber der Antriebswelle 10 eine abweichende Stellung einnehmen kann, wobei diese Schwingung innerhalb eines verhältnismäßig eng eingegrenzten Bereichs (einige Winkelgrade beispielsweise um die Achse ζ ¹Z der Antriebswelle) erfolgt.

Die elastische Aufhängung ist nach Art eines "Hookeschen Gelenks" aufgebaut. Dieses weist einen starren, drehbaren Ring 14 zwischen der Antriebswelle und dem anzutreibenden Rotor auf. Dieser Ring 14 ist einerseits mit der Antriebswelle (beim dargestellten Eeispiel mit einer an der Antriebswelle befestigten, den Ring 14 einfassenden Nabe 16) durch zwei Torsionsstäbe 18 und 20, die miteinander fluchten, und außerdem mit dem Rotor über zwei weitere Torsionsstäbe 22 und 24 in Verbindung, die zu den erstgenannten Torsionsstäben senkrecht verlaufen, wobei sich die Achslinien der Torsionsstäbe 18, 20, und 24 in einem auf der Achse z'z gelegenen Punkt schneiden.

Die Torsionsstäbe sind um ihre Längsachse tordierbar, sind außerdem aber vorzugsweise gegenüber Biegungen senkrecht zu dieser Achsrichtung so widerstandsfähig wie möglich-

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Torsionsstäbe mit einem kreuzförmigem Querschnitt sind besonders gut geeignet. Diese paarweise zueinander senkrecht verlaufenden Torsionsstäbe stellen die Verbindung zwischen dem Ring 14 und der Antriebswelle 10 einerseits und dem Rotor 12 andererseits dar, über die die Drehbewegung mit zwei Freiheitsgraden übertragen werden kann.

Bei den meisten Anwendungen derartiger Gyroskope ist es erforderlich, Einrichtungen, Momentenmotore oder Pr äzessionsmotore genannt, vorzusehen, um auf den Rotor 12 Momente einwirken zu lassen, um entweder eine Winkelgeschwindigkeit der Präzession der Drehachse des Rotors hervorzurufen oder um eine derartige Präzessionsgeschwindigkeit zu kompensieren, falls eine solche durch eine Winkelbewegung des Gestells und der Antriebswelle 10 des Gyroskops hervorgerufen worden ist.

Die Momentenmotore werden so angeordnet, daß die aufgebrachten Momente entsprechend der Achsen χ ¹X und y'y orientiert sind. Ein mit vektorieller Richtung entsprechend der Achse x'x .aufgebrachtes Moment erzeugt eine Winkelgeschwindigkeit der Präzession um die Achse y'y und umgekehrt.

Die Erfindung schlägt die Verwendung von Präzessionsmotoren oder Momentenmotoren vor, die aus Elektromagneten gebildet sind, die auf einen ferromagnetischen Kranz 26 (Fig. 1 und 2) einwirken, der vom Rotor getragen wird. Ein Elektromagnet, der in einem Abstand von der Antriebswelle 10 befestigt und in der Nähe des Kranzes 26 so angeordnet ist, daß er eine parallel zur Antriebswelle verlaufende Anziehungskraft hervorruft, erzeugt ein Moment einer senkrecht zur Antriebswelle verlaufenden vektoriellen Richtung.

Vorzugsweise sind vier Elektromagnete 28, 30, 32 und 34 vorgesehen, um Drehmomente entweder bezüglich der Achse x'x in der einen oder anderen Richtung (Elektromagnete 32 und 34>

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die auf die Achse y'y ausgerichtet sind) oder Momente bezüglich der Achse y'y in der einen oder der anderen Richtung (Elektromagnete 28 und 30, die auf die Achse χ ¹X ausgerichtet sind), zu erzeugen.

Jeder Elektromagnet ist von dem ferromagnetischen Kranz 26 entfernt, wobei die Stärke des Luftspalts mit e (Fig. 2) bezeichnet ist. Die Größe des Luftspalts e ist aufgrund der zwei Freihsitsgrade des Rotors des Gyroskops variabel. Die Kraft C, die ein Elektromagnet erzeugt, hat einen Wert, der dem Quadrat der Stromstärke I proportional und dem Quadrat der Größe des Luftspalts e zwischen dem Elektromagnet und dem Kranz 26 umgekehrt proportional ist:

I²

C ⁼ K —————

Insbesondere bei einer Anwendung als Gyrometer sieht man Detektoren zur Feststellung und Messung der Neigung des Rotors vor. Diese Detektoren sind in Fig. 3 dargestellt. Da man die Neigungen um die Achsen x'x und y'y wissen möchte, es aber schwierig ist, die Detektoren an die gleiche Stelle zu setzen wie die Elektromagnete, sieht man vier Detektoren 36, 38, 40 und 42 vor, die um 45 Winkelgrade versetzt zwischen den Elektromagneten angeordnet sind, die auf die Achsen x'x und y'y ausgerichtet sind. Durch eine einfache Achsenverlagerung durch Addition und/oder Subtraktion der von den Detektoren je paarweise gelieferten Signale lassen sich, die Neigungen um die Achsen x'x und y'y ermitteln.

Die Detektoren sind in Fig. 3 schematisiert angedeutet.

Aus Fig. 4 ist ein Beispiel der Schleifenschaltung des Gyroskops ersichtlich, die den Betrieb als Gyroskop oder als Lagedetektor bei der Regelung einer Plattform prinzipiell ermöglicht. Diese Schaltung weist eine Stromversorgung für die Detektoren auf, die nicht dargestellt ist,sowie eine Differenzbildnerschaltung

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44, 46 für die von den paarweise gegenüberliegend angeordneten Detektoren gelieferten Signale, um aus diesen Signale zu gewinnen, die die Neigung des Rotors bezüglich der Achsen darstellen, auf denen sich die Detektoren befinden (Abweichungssignale der Lage des Rotors relativ zu seiner zentralen Ausgangslage, in der die Drehachse des Rotors mit der Achse der Antriebswelle 10 zusammenfällt). Die so erhaltenen Abweichungssignale werden erforderlichenfalls, je nach Art des Stromversorgungssystems der Detektoren (Wechselstrom- oder Impulsbetrieb) mittels Demodulatoren 48, 50 demoduliert und einer Achsenverlagerung unterzogen, indem die Abweichungssignale der beiden Gruppen aus diametral gegenüberliegend angeordneten Detektoren additiv und subtraktiv in einem Additionsglied 52 und einem Subtraktionsglied 54 verarbeitet werden, um Abweichungssignale zu erhalten, die die Neigung des Rotors (oder seine Abweichung relativ zu seiner Normalstellung)"bezüglich der Achsen x'x bzw. -y'y darstellen, auf denen sich die Momentenmotor e befinden.

Ein Ausgang A des Additionsglieds 52 liefert ein Signal, das der Abweichung bezüglich der Achse x'x entspricht. Dieses Signal wird über ein zwischengeschaltetes übliches Regelungs-Korrekturglied 56 (das insbesondere die Stabilität der Regelschleife sicherstellt), an eine Linearisierschaltung 60 weitergegeben, die auch die Elektromagnete 32 und 34 steuert, die auf der Achse y'y gelegen sind.

Umgekehrt wird das bezüglich der Achse y'y gemessene Abweichungssignal bei den Elektromagneten der Achse x'x zur Einwirkung gebracht ,und zwar über ein Regelungs-Korrekturglied 58, das am Ausgang B des Subtraktionsglieds 54 angeordnet ist und über eine Linearisierschaltung 62 die Elektromagnete-28 und 30 steuert.

Beim Betrieb als Gyrometer, wenn also das Gyroskop und seine Momentenmotore dazu benutzt werden, um eine Winkelgeschwin-

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digkeit der Ortsveränderung des Gestells des Gyroskops zu messen, verwendet man die Detektoren 36, 38, 40, 42 dazu, um eine Neigung des Gestells relativ zum Rotor zu ermitteln und für die Momentenraotore ein Steuersignal dergestalt zu erzeugen, daßdem Rotor eine Präzession im entgegengesetzen Sinne _so vermittelt wird, daß die Winkelgeschwindigkeit des Gestells genau kompensiert wird, bis der Rotor in seine normale Stellung relativ zum Gestell (Drehachse dss Rotors fällt mit der Achse z'z zusammen) zurückkehrt. Man ermittelt sodann die Größen der Momente, die man an den Momentenmotoren durch die Elektromagnete erzeugen muß, um diese Kompensation zu erreichen. Die gemessenen Größen der Momente stellen die Winkelgeschwindigkeit der Lageabweichung des Gestells dar. Diese Messung wird durch die Linearisierschaltungen 60 und 62 bewirkt.

Das Moment wird auf der Achse aufgebracht, die senkrecht zur Achse verläuft, auf der eine Winkelabweichung ermittelt worden ist, denn man weiß, daß ein durch einen Motor, der auf einer Achse angeordnet ist, aufgebrachtes Moment den Rotor um diese Achse drehen will und dadurch eine Neigung erzeugt, die längs der anderen Achse meßbar ist.

Die in Fig. 4 gezeigte Schleifenschaltung kann in gleicher Weise auch zur Regelung einer Plattform dienen. In diesem Fall müssen die an den Ausgängen A und B erzeugten Abweichungssignale zu den Steuermotoren der Plattform selbst zugeführt werden, wohingegen die Steuersignale der Präzession, ausgehend von der Lagebeziehung der Plattform relativ zu einem Gestell, zu den Momentenmotoren über die dazwischen angeordneten Linearisierschaltungen 60 und 62 zugeführt werden.

In Fig. 4 sind Schalter II, 12, 13 und 14 gezeigt, die dazu vorgesehen sind, um diese Doppelfunktion zu ermöglichen, wobei die gezeigte Schließstellung der Schalter der Funktion als Gyrometer

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entspricht, wohingegen die andere Schalterstellung für das Regeln der Plattform vorgesehen ist.

Die Linearisierschaltungen 60 und 62 sind bei der Erfindung mit den Elektromagneten gekuppelt, um dem Umstand Rechnung zu tragen, daß die Charakteristik der Elektromagnete (Moment als Funktion des zugeführten Stroms) quadratisch ist; denn eine bequeme Messung des Moments ist nicht möglich, es sei denn, das Moment andere sich linear in Abhängigkeit von einer elektrischen Größe eines die Elektromagnete steuernden Signals (wobei diese Größe jedoch nicht unmittelbar die Amplitude des zugeführten Stroms darstellt).

Beispiele für die Ausbildung der Linearisierschaltungen 60 oder 62 sind in den Fig. 5 bis 7 gezeigt.

Die Fig. 5 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem die variable elektrische Größe, deren Maß eine lineare Darstellung des erzeugten Moments ist, eine ÄnderungΔΐ des Stroms ist, der einem für zwei diametral gegenüberliegende Elektromagnete. (beispielsweise die Elektromagnete 28 und 30) gemeinsam vorgesehenen Polarisationsstrom überlagert ist.

Es ist ersichtlich, daß, wenn der Rotor in der zentralen Normallage ist, die Zufuhr eines gemeinsamen Stroms I zu zv/ei diametral einander gegenüberliegenden Elektromagneten keinerlei Moment hervorruft. Wenn eine Stromänderung Δ I beim einen Elektromagneten mit positivem Vorzeichen und beim anderen Elektromagneten mit negativem Vorzeichen zu dem gemeinsamen Strom überlagert ist,i_st zu ersehen, daß ein Ungleichgewicht der Anziehungskräfte entsteht, wodurch ein Moment erzeugt wird, das der Differenz dieser Anziehungskräfte proportional ist, also proportional ζιιΔί·

Die Änderung Δ. I des Stroms stellt daher einen elektrischen Parameter des Steuersignals der beiden diametral gegenüberliegenden Elektromagnete dar, welcher Parameter proportional

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zu dem Moment ist, das diesem Parameter zugeordnet ist.

Die Fig. 5 zeigt für die Linearisierschaltung 62 eine sehr einfache Ausführungsform, bei der eine Bezugsspannung Vref zu einem der Eingänge eines Summierglieds 64 und eines Subtrahierglieds 66 zugeführt wird, wohingegen eine Abweichungsspannung Ve (die im Fall des Gyrometers von Detektoren für die Neigung des Rotors nach Durchführen der oben erwähnten Achsenänderung stammen kann) zu einem zweiten Eingang des Summierglieds sowie des Subtrahiergliedes zugeführt wird. Mit ihren Ausgängen sind das Summierglied 64 und das Subtrahierglied 66 mit Verstärkern 68 bzw. 70 verbunden, die die Elektromagnete steuern.

Die zugeführte Bezugsspannung allein erzeugt einen gemeinsamen Polarisationsstrom Io in den beiden Elektromagneten. Die zusätzliche Zuführung einer Abweichungsspannung Ve erzeugt eine Änderung /S. I des Stroms, die proportional zu Ve ist,und zwar mit positivem Vorzeichen im Elektromagnet 28 und mit negativem Vorzeichen im Elektromagnet 30. Man kann das erzeugte Moment bestimmen, indem man /^l ermittelt, indem man also die Abweichungsspannung Ve mißt. Am Eingang für die Zufuhr der Abweichungsspannung Ve ist dementsprechend ein Meßausgang für das Moment oder für die Winkelgeschwindigkeit der Präzession vorgesehen. Es ist günstig, wenn man für den gemeinsamen Polarisationsstrom Io einen besonderen Wert in der Weise wählt, daß sich bei diesem Wert das Gyroskop wie ein freies Gyroskop verhält. Der Polarisationsstrom läßt einen Ausdruck einer negativen Steifigkeit entstehen, der dem Rückstellmoment der Drehstäbe entgegenwirkt. Während, anders, ausgedrückt, die Torsionsstäbe versuchen, einer Neigung des Rotors entgegenzuwirken, versuchen die von anem Polarisationsdurchflossenen Elektromagnete im Gegensatz dazu, die Tendenz des Rotors, sich zu neigen, zu verstärken. Dies ist dadurch

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bedingt, daß die durch einen Elektromagneten erzeugte Anziehungskraft umgekehrt proportional zum Quadrat des Luftspalts

ist: 2

Io

F = k

2
e

Eine leichte Neigung· des Rotors, die darauf abzielt, eine Änderung ο e des Luftspalts hervorzurufen,erzeugt daher ein Moment, das proportional ist zu - Io · Oe und dessen Vorzeichen demjenigen des Moments entgegengesetzt ist, das von den Torsionsstäben hervorgebracht wird. Die geeignete Wahl von Io unter Berücksichtigung der Steifigkeit der Torsionsstäbe und der Anziehungskraft der Elektromagnet^ bei, einer gegebenen Nenngröße des Luftspalts ermöglicht es, das Gyroskop abzustimmen, d.h. so auszubilden, daß eine anfängliche Neigung des Gyroskops nicht das Entstehen eines dieser Bewegung · entgegenwirkenden Rückstellmoments veranlaßt, welches Rückstellmoment Anlaß geben würde für eine Präzessionsbewegung und damit eine Neigung um die andere Achse.

Man verfügt so über ein elektrisches Mittel zur Steuerung der Abstimmung des Gyroskops durch einfache Einstellung des Stroms Io.

Wenn man vorzieht, das Gyroskop durch übliche mechanische Maßnahmen abzustimmen, indem man die Trägheit des Rings 14 bezüglich seiner Symmetrieebene (senkrecht zur Achse z'z in der normalen Lage) einstellt, was durch verschiebbare"Unwuchtmassen geschehen kann, dann kann man den Polarisationsstrom Io dazu benutzen, um den Umstand zu kompensieren, daß es in der Regelschleife des Gyrometers für das Aufrechterhalten eines Moments, das einer gegebenen Winkelgeschwindigkeit bezüglich einer Achse entspricht, notwendig ist, daß eine Abweichung des Rotors aus seiner Normallage gegeben ist (da die Verstärkung der Schleife nicht unendlich ist) . Unter diesen Bedingungen ist ein Ungleichgewicht bezüglich der Luftspalte der beiden gegenüberliegend angeordneten Elektromagnete gegeben,

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und dieses Ungleichgewicht erzeugt ein Moment, das eine Präzession bezüglich der anderen Achse hervorrufen will.Um dieses parasitäre Moment zu kompensieren, das bezüglich der anderen Achse zur Wirkung kommen will, kann man in den Polarisationsströmen der diametral gegenüberliegenden Elektromagnete eine Unsymmetrie einführen, wobei diese Unsymmetrie proportional zur Neigung des Rotors bezüglich der anderen Achse ist.

Anstatt die beiden Elektromagnete mit einem festgelegten Polarisationsstrom Io, zu dem man variable Ströme Δ. I und - jA» I überlagert, falls eine Abweichung des Rotors gegenüber einer Achse auftritt, die senkrecht zu der die beiden Elektromagnete tragenden Achse verläuft, zu betreiben, kann man einen Polarisationsstrom benutzen, der durch einen Korrekturausdruck beeinflußt ist, der beim einen Elektromagneten ein positives Vorzeichen und beim anderen Elektromagneten ein negatives Vorzeichen besitzt, wobei dieser Korrekturausdruck proportional zum Neigungswinkel des Rotors ist und der Proportionalitätsfaktor so gewählt ist, daß die Anziehungskraft, die von einem Elektromagneten ausgeübt wird, konstant bleibt, ungeachtet der Änderung des Luftspalts an der Stelle dieses Elektromagneten.

So kann nur die normale Regelung des Gyroskops, nämlich das Erzeugen eines Moments bezüglich einer Achse als Funktion der Winkelabweichung bezüglich der anderen Achse, zur Wirkung kommen, ohne daß bei einer Neigung um die eine Achse eine Neigung um die andere Achse als parsitäre Reaktion hervorgebracht würde.

In der Praxis läßt man die Bezugsspannung (Fig. 5), bei einem Elektromagnet im positiven Sinne und beim anderen Elektromagnet im negativen Sinne, in genau gleicher Weise variieren wie der dem betreffenden Elektromagneten zugehörige Luftspalt variiert, damit der diesem Elektromagneten zugeführte

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Strom proportional zu dessen Luftspalt ist. Beim Betrieb als Gyrometer prägt man diesem Strom natürlich Stromänderungen auf, um ein Kompensationsmoment für eine Präzession bezüglich der Achse zu erzeugen,die senkrecht zu derjenigen Achse ist, die die Elektromagnete trägt, vrie dies bereits unter Bezug auf Fig. 5 erläutert wurde.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Linearisierschaltungen 60 und 62 ist in Fig. 6 dargestellt.

Dabei ist ein Stromversorgungssystem für Impulsbetrieb vorgesehen, wobei die Differenz der Stromflußzeiten in zwei diametral, gegenüberliegenden Elektromagneten innerhalb einer vorbestimmten Zeitperiode einen Parameter bildet, der linear mit dem mittleren Moment variiert, das durch diese beiden Elektromagneten während dieser Zeitperiode hervorgerufen wird.

Die Änderung der Stromflußzeit kann auf zweierlei Art und Weise bewirkt werden, wobei die eine Art in Fig. 6 dargestellt ist, wobei man Impulse gleicher Länge in ihrer Frequenz variieren läßt. Die andere Art ist in Fig. 7 dargestellt, wobei man die Impulslänge von Impulsen konstanter Frequenz schwanken läßt.

Bei dem Schema von Fig. 6 vergleicht man die Abweichungsspannung der Lage des Rotors bezüglich einer bestimmten Achse, beispielsweise der Achse χ ¹X (eine analoge Anordnung ist für die andere Achse vorgesehen), wobei diese Spannung von Neigungsdetektoren hervorgebracht wird, mit zwei Schwellenwertspannungen (eine positive und eine negative) und man triggert mittels Flip-Flops 72 und 74, die durch ein Zeittaktsignal synchronisiert sind, Impulse konstanter Länge (beispielsweise eine Periode des Zeittakts) jedesmal dann, wenn der Absolutwert der Abweichungsspannung die positive

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bzw. die negative Schwellenwertspannung übersteigt. Die erzeugten Impulse dienen, abhängig von der Zeitdauer ihres Auftretens, dazu, die Zufuhr eines Stroms zu den Elektromagneten der Achse y'y zu steuern, wobei die Amplitude dieses Stroms durch eine Bezugsspannung Vref definiert wird.

Die lineare Messung des mittleren Moments geschieht durch Berechnen der Differenz der Anzahl von Impulsen, die den diametral gegenüberliegenden Elektromagneten zugeführt werden.

Diese Berechnung wird mittels eines Vorwärts-Rückwärtszählers 76 durchgeführt, der an einem Zähleingang einen Zählimpuls bei jeder abfallenden Vorderflanke der Steuerimpulse des einen Elektromagneten erhält und an seinem Rückwärts-Zwischenzählereingang einen Zählimpuls bei jeder abfallenden Vorderflanke der Steuerimpulse des anderen, diametral gegenüberliegenden Elektromagneten erhält.

In gleicher Weise wie im Falle der Analogsteuerung der Linearisation durch Zufuhr eines Polarisationsstroms, dem man einen Strom überlagert, dessen Wert von der Abweichungsspannung der Lageabweichung des Rotors abhängt, kann man auch im Fall der Schaltung von Fig. 6 wiederum eine Korrektur einführen, um zu berücksichtigen, daß die Verstärkung der Regelschleife des Gyroskops nicht unendlich ist, und um zu berücksichtigen, daß eine zurückbleibende Abweichungsspannung bestehen bleibt, um das Moment für eine entsprechende Kompensation einer Präzession zu erzeugen. Die zurückbleibende Neigung des Rotors bedingt eine Variation des Luftspalts der Elektromagnete der betreffenden Achse und damit das Auftreten eines parasitären Moments, das eine Präzession bezüglich der anderen Achse bewirkt. Man korrigiert dieses parasitäre Moment, indem man die Amplitude der

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Steuerimpulse variieren läßt oder die Bezugsspannung,die dieselben als Funktion des Luftspalts der entsprechenden Elektromagnete erzeugt, und zwar so, daß die Amplitude proportional zum Luftspalt wird.

Bei der korrigierten Schleife läßt man also sowohl die Frequenz der Impulse als Punktion der Neigung des Rotors um die eine Achse als auch die Amplitude der Impulse entsprechend der Neigung des Rotors um die andere Achse (welche die so gesteuerten Elektromagnete trägt) variieren. Als Parameter für die Messung der Präzessionsgeschwindigkeit bleibt die Differenz der Anzahl von Impulsen bestehen, die den diametral gegenüberliegenden Elektromagneten zugeführt werden, auch wenn die Amplituden dieser Impulse verschiedene Werte bei den beiden Elektromagneten besitzen (nämlich einen gemeinsamen Ausdruck, der beim einen und beim anderen Elektromagneten zu einem Ausdruck addiert bzw. subtrahiert ist, der zur Neigung proportional ist).

Bei dem Schema von Fig. 7 erfolgt die Steuerung der diametral gegenüberliegenden Elektromagnete, beispielsweise der Achse y'y, durch Impulse variabler Länge in der Weise, daß ein Unterschied in der Zeit des Hindurchfließens eines Stroms durch die beiden Elektromagneten erzeugt wird, welcher Strom eine bestimmte Amplitude und eine bestimmte Frequenz besitzt.

Zu diesem Zweck wird das von den Neigungsdetektoren hervorgebrachte Abweichungssignal, das die Abweichung bezüglich der Achse x'x darstellt, zu einem Sägezahnsignal hinzugefügt, nachdem eine Korrektur im Regelungs-Korrekturglied 56 stattgefunden hat.

Das aus dieser Addition entstandene Signal wird mit einem positiven Schwellenwert und einem negativen Schwellenwert in Komparatoren 78 bzw. 80 verglichen, die an ihren Ausgängen Rechteckimpulse liefern, deren Länge eine Funktion der Zeit-

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räume ist, in denen die Schwellenwerte durch das Signal überstiegen werden. Diese Rechteckimpulse steuern Flip-Flops 82 und 84, welche Impulse weiterleiten, die der Steuerung des Stroms in den Elektromagneten dienen. Die Flip-Flops öffnen Gatter 86 bzw. 88, um Zeittaktimpulse während der gesamten Dauer der zugeführten Rechteckimpulse durchzulassen. Die auf diese Weise übertragenen Zeittaktimpulse werden zum Vorwärtszähleingang und zum Zwischen-Zähleingang eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers 90 zugeführt, der auf diese Weise die Differenz der zeitlichen Länge des Durchgangs des Stroms durch die beiden Elektromagneten während einer bestimmten Zeitdauer ermittelt, indem er die Anzahl der Impulse abzieht, die die Impulslängen der nacheinanderfolgend fließenden Ströme darstellen.

Diese Differenz der Impulslängen während einer bestimmten Zeitdauer bildet den Parameter des Steuersignals für die diametral gegenüberliegenden Elektromagneten, welcher Parameter eine lineare Meßgröße des mittleren Moments darstellt, das durch die beiden diametral gegenüberliegenden Elektromagneten ausgeübt wird.

Auch bei dieser Ausführungsform ist es möglich, den Umstand zu kompensieren, daß die Verstärkung der Regelschleife nicht unendlich ist. Dies wird bewirkt, indem man die Amplitude der Stromimpulse,wie vorher, als Funktion der Größe des Luftspalts der Elektromagnete variieren läßt, die diese Impulse erhalten.

Wie aus Fig. 7 zu ersehen ist, erzeugt man zu diesem Zweck nach dem gleichen Prinzip wie im Fall der Fig. 6 mittels einer Korrekturschaltung 92, die die Abweichungsspannung bezüglich der Achse y'y (die die Neigung entsprechend dieser Achse darstellt) erhält, einen Korrekturausdruck, der zu dieser Neigung proportional ist (oder zu der Änderung des

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Luftspalts). Dieser Korrekturausdruck wird mit einem positiven Vorzeichen zur Bezugsspannung hinzugefügt, die mit dem einen der Elektromagnete während der Zeitdauer der Steuerimpulse für diesen Elektromagneten verbunden ist, . und mit einem negativen Vorzeichen zu der Bezugsspannung hinzugefügt, die mit dem anderen Elektromagneten verbunden ist.

Es versteht sich, daß eine entsprechende Schaltung, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist, dazu vorgesehen ist, um die Elektromagnete der Achse x'x zu steuern.

Bei den Ausführungsbeispielen von Fig. 6 und 7, wo die Elektromagnete durch Impulse betätigt werden, ist_es günstig, einen Inverter vorzusehen, der so gesteuert ist, daß er den Wirkungssinn des Stroms eines Elektromagneten bei jedem nacheinanderfolgenden Impuls umkehrt. Man kann auf diese Weise Hystereserscheinungen im Eisenkern des Elektromagneten eliminieren, der bei jedem Impuls ein Feld erzeugt, dessen Richtung von Impuls zu Impuls jeweils wechselt, wobei die Richtung des Feldes im übrigen keinerlei Einwirkung auf den Wirkungssinn der Anziehungskraft hat, die auf den Rotor einwirkt.

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Claims (1)

1. PATENTANWÄLTE

   Dr. Ing. Wolff t H. Bartels

   Reg.-Nr. 125 510 2818105 ?*^_M ^Dr- ^Bra"^deS

   —² Dr.-Ing. Held

   Dipl.-Phys. Wolff Societe de Fabrication d¹Instruments de Mssure

   _{Q π T} ,, D-7 Stuttgart 1, Lange Straße

   ü.r .X.Ά. TeL (0711)296310u.297295

   F-91301 Massy / Frankreich Telex 0722312 (patwod)

   ·* Telegrammadresse:

   tlx 07 22312 wolff Stuttgart

   PA Dr. Brandes: Sitz München

   Postscheckkto. Stuttgart 7211-700

   _r„_rnqlcnn BLZ 60010070

   ^{y 1}^ · Deutsche Bank AG, 14/28630

   BLZ 60070070

   Bürozeit:

   9-11.30 Uhr, 13.30-16 Uhr

   außer samstags

   20. April 1978 Patentanspr ü c h e 487384 ets

   1.) Gyroskop mit einem Rotor, der von der Welle eines Motors über einen Zwischenring antreibbar ist, der mit dem Motor und dem Rotor über Torsionsstäbe gekoppelt ist, von denen je zv/ei benachbarte einen rechten Winkel bilden, und mit Präzessionsantrieben, die dem Rotor Präzessionsmoraente in die Drehachse der Motorwelle enthaltenden Ebenen erteilen, dadurch gekennzeichnet, daß als Präzessionsantriebe fest angeordnete Elektromagnete (28, 30, 32, 34) vorgesehen sind, die eine magnetische Anziehungskraft auf einen aus ferromagnetisehern Metall bestehenden Rotorteil (26) ausüben, der von jedem Elektromagnet durch einen Luftspalt (e) getrennt ist, und daß zur Stromversorgung der Elektronagnate eine Schaltungsanordnung vorgesehen ist, die auf ein elektrisches Steuersignal anspricht und ein solches Verhalten zeigt, daß das Anziehungsdrehmoment, das durch zwei einander diametral gegenüberliegende Elektromagnete ausgeübt wird, eine lineare Funktion eines Parameters des Signals zum Steuern des den Elektromagneten zugeführten Stromes ist.

   Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnete (28, 30, 32, 34) in Gruppen von je zwei einander bezüglich der Welle (10) des Rotors (12) diametral gegenüberliegenden Magneten so gespeist werden,

   Telefonische Auskünfte und

   809849/0607 Aufträge sind nur nach schriftlicher

   Bestätigung verbindlich

   daß die zwei diametralen Elektromagnete jeder Gruppe einen beiden gemeinsamen Polarisationsstrom (Io) erhalten, und daß als Parameter der Steuerung eine Stromänderung (ΔΙ) vorgesehen ist, die beim einen der beiden Elektromagnete mit positivem Vorzeichen und beim anderen mit negativem Vorzeichen vorgenommen und dem Polarisationsstrom (Io) algebraisch zugefügt wird.

   3. Gyroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in einer Gruppe von zwei Elektromagneten diesen gemeinsame Polarisationsstrom (Io) auf einen Viert, eingestellt ist, bei dem das Moment, das durch eine Asymmetrie des Luftspalts (e) am Ort der zwei Elektromagnete, die beide durch diesen Polarisationsstrom gespeist sind, erzeugt wird, genau das Rückstellmoment aufhebt, das von den Torsionsstäban erzeugt wird, wenn diese in der Weise tordiert v/erden, daß diese Asymmetrie des Luftspalts (e) zustande kommt.

   4. Gyroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in einer Gruppe von zwei Elektromagneten diesen gemeinsame Polarisationsstrom (Io) gemäß einer linearen Funktion des Neigungswinkels des Rotors eingestellt ist, daß zum Ermitteln der Neigung des Rotors Detektoren (36, 38, 40, 42) vorgesehen sind, die ein Signal erzeugen, das verstärkt und mit positivem Vorzeichen bzw. mit negativem Vorzeichen dem den zwei Elektromagneten gemeinsamen Nenn-Speisestrom algebraisch zugefügt wird, und daß der Koeffizient der Verstärkung als Funktion der Neigung so gewählt ist, daß der Strom in einem Elektromagnet in gleicher Weise schwankt wie der Luftspalt (ε) dieses Elektromagneten.

   ζ. Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Elektromagnet (28, 30, 32, 34) durch Stromimpulse gespeist

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   ist, die ein mittleres Drehmoment im Verlauf einer Drehung des Rotors (12) erzeugen, und daß als Parameter der Steuerung des Stroms eine Differenz der Durchlaufzeit des Stromflusses in zv/ei einander diametral gegenüberliegende Elektromagneten vorgesehen ist.

   6. Gyroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Parameter der Steuerung die Differenz der Anzahl von Impulsen vorgesehen ist, die zwei einander diametral gegenüberliegenden Elektromagneten während einer Drehung"des Rotors gegeben werden.

   7. Gyroskop nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Detektoren (36, 38, 40, 42) zum Ermitteln der Neigung des Rotors (12) vorgesehen sind, daß einem Elektromagneten oder einem anderen einer Gruppe von einander diametral gegenüberliegenden Elektromagneten Stromimpulse gegeben werden und daß die Anzahl dieser Stromimpulse in Abhängigkeit von den durch die Detektoren gelieferten Signalen gewählt ist.

   8. Gyroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Stromimpulse von bestimmter Dauer und Periode so lange zugeführt werden, wie das Signal des die Neigung des Rotors ermittelnden Detektors (36, 38, 40, 42) einen Wert besitzt, der oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts liegt.

   9. Gyroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Parameter der Steuerung die Differenz der Längen von Impulsen mit konstanter Frequenz vorgesehen ist, die zwei einander diametral gegenüberliegenden Elektromagneten zugeführt werden.

   10. Gyroskop nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Stromimpulse eine lineare

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   2818tö5

   Funktion des Neigungswinkels des Rotors (12) in der Ebene ist, die diametral die Elektromagnete enthält, daß Detektoren (36, 38, 40, 42} zum Ermitteln dieser Neigung des Rotors (12) vorgesehen sind und ein Signal erzeugen, das verstärkt und mit einem positiven Vorzeichen bzw. einem negativen Vorzeichen einem Nennwert der Amplitude des Stromes algebraisch zugeführt wird, der jedem der beiden Elektromagnete einer Gruppe von zwei einander diametral gegenüberliegenden Elektromagneten zugeführt wird, so daß die Amplitude der Stromimpulse in einem Elektromagnet proportional zu dem Luftspalt (e) dieses Elektromagneten ist.

   11. Gyroskop nach einem der Ansprüche 5 bis 1O, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse, die nacheinander einem bestimmten Elektromagneten zugeführt werden, ein wechselndes Vorzeichen besitzen.

   - 5/Beschreibung -

   ORIGINAL INSPECTED

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