DE2924094C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Winkelgeber nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es sind bereits induktive Geber zur Wegmessung bekanntgeworden, bei welchen auf wenigstens einem Schenkel des Eisenkerns ein Kurzschluß­ ring angeordnet und mit einem verstellbaren Bauteil verbunden ist, wo­ bei der Kurzschlußring aus magnetisch nicht leitfähigem Werkstoff mit großer elektrischer Leitfähigkeit hergestellt ist. Die auf dem Eisen­ kern angeordnete Induktionswicklung wird dort von einem Wechselstrom durchflossen und erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, welches den Eisenkern durchsetzt. Der Kurzschlußring stellt für den Schenkel, auf welchem er reibungsfrei in Längsrichtung des Schenkels geführt ist, eine Kurzschlußwindung dar, durch welche das magnetische Wechselfeld nicht hindurchtreten kann. Hierdurch wird der magnetische Gesamtfluß in guter Näherung proportional zur Stellung des Kurzschlußrings begrenzt, so daß je nach der Stellung des Kurzschlußringes bzw. wegproportional zu dessen Verschiebung auf dem Schenkel die Induktivität der Spule ver­ ändert wird.

Der in der bekannten Anordnung verwendete Kurzschlußring ist relativ aufwendig in seiner Herstellung. Außerdem ist für die berührungsfreie Führung des Kurzschlußringes auf seinem Schenkel ein beträchtlicher konstruktiver Aufwand erforderlich.

Beim aus der DE-PS 27 38 011 bekannten Geber werden mit Hilfe von nach dem Transformatorprinzip arbeitenden Primär- und Sekundärspulen Rota­ tionsbewegungen bestimmt. Es wird hier aber die Differenz zwischen zwei Rotationsbewegungen zweier Objekte ermittelt, so daß man die Relativbe­ wegung zwischen den beiden Objekten bzw. zwischen deren Bewegungen erhält. Dabei ist jeder Drehbewegung ein eigenes Meßsystem zugeordnet, deren Meßsignale dann elektrisch ausgewertet werden. Die Kopplungsände­ rung zwischen den Spulen kann nur mit scheibenförmigen Bauteilen beein­ flußt werden.

Ferner wird in der Schrift Chr. Rohrbach, "Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen", 1967, Seite 190 bis 192 im Punkt D 5.4. ein Meßverfahren beschrieben, bei dem nur eine lineare Bewegung mit Hilfe zweier Primär- bzw. Sekundärspulen bestimmt werden kann. Das Meßverfahren beruht zwar auf dem induktiven Prinzip, arbeitet aber nach dem Transformatorprinzip, d. h. auf der Kopplungsänderung zwischen Primär- und Sekundärwicklung. Diese Bauweise ist komplizierter und ins­ besondere bei einem E-förmigen Magneten nur schwer verwendbar. Bei ei­ ner im Bild D 5.3.8b auf Seite 190 dieser Schrift offenbarten Vorrich­ tung zur Winkelbestimmung ist der Meßbereich stark begrenzt. Ferner wird die Messung im Randbereich der Spulen durchgeführt, die in diesem Bereich leicht störanfällig sind. Die Meßwerte können deswegen leicht verfälscht werden, so daß besondere Vorrichtungen zur Fehlerunterdrüc­ kung vorhanden sein müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Winkelgeber zu schaffen, der einen wesentlich geringeren Herstellungsaufwand erfor­ dert und einen konstruktiv einfachen Aufbau ermöglicht. Es sollen Dreh­ bewegungen über einen Meßbereich von 360° möglich sein. Zur Lösung die­ ser Aufgabe sind die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs ange­ gebenen Merkmale vorgesehen.

Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbin­ dung mit den nachstehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispielen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 enthält zwei dreischenklige Eisenkerne 16 und 17, welche diametral zur Welle 15 so ange­ ordnet sind, daß sich jeweils in gemeinsamen, zur Welle 15 senkrecht stehenden Ebenen die oberen Außenschenkel 18, 19 der beiden Eisenkerne 16 bzw. 17, die Mittelschenkel 20 und 21 sowie die unteren Außenschenkel 22 und 23 mit gleichem Abstand von der Welle 15 gegenüberstehen.

Auf dem Mittelschenkel 20 des rechten Eisenkerns 16 ist eine Induktionswicklung 24 angeordnet, während auf dem Mittel­ schenkel 21 eine zweite Induktionswicklung 25 angeordnet ist. In die jeweiligen Zwischenräume zwischen den Mittelschenkeln 20 und 21 und den Außenschenkeln 18, 19 bzw. 22, 23 ragen zwei untereinander formgleiche Dämpfungsscheiben 26 und 27 hinein, welche auf der Welle 15 in axialem Abstand voneinander be­ festigt und miteinander leitfähig, z. B. mittels einer Büchse B verbunden sein können. Sie haben eine Randkontur 28, die zu einer in der Achse A der Welle 15 liegenden, in der Zeichnung nicht dargestellten Ebene symmetrisch verläuft. Der Abstand r des Randes 28 nimmt von einem Minimalwert r _o bei a = 0 über einen Drehwinkel von 180° linear bis zu einem Maximum r _max = r _o + c. 180° linear zu und fällt beim Weiterdrehen der Welle 15 linear ab.

In der in Fig. 1 dargestellten Winkelstellung α = 180° ragen die beiden Dämpfungsscheiben 26 und 27 am tiefsten in den rechten Kern 16 hinein und am wenigsten tief in den linken Kern 17, dessen Induktionswicklung 25 demgemäß in dieser Winkelstellung die größte Induktivität aufweist, während die Induktivität der rechten Wicklung 24 ein Minimum aufweist.

Ebenso wie bei dem Winkelgeber nach Fig. 1 ist bei dem Winkel­ geber nach Fig. 2 eine Differentialanordnung vorgesehen, bei welcher auf der gemeinsamen Welle 15 vier paarweise ange­ ordnete Dämpfungsscheiben 31 bis 34 vorgesehen sind. Alle vier Dämpfungsscheiben sind untereinander kongruent ausgebildet, jedoch paarweise gegeneinander versetzt derart auf der Welle 15 angeordnet, daß bei der angegebenen Drehung der Welle 15 um den Drehwinkel α die oberen beiden Dämpfungsscheiben 31 und 32 von der dargestellten größten Eingriffstiefe in den obe­ ren Kern 16 fortschreitend weniger weit eingreifen, während die unteren beiden Dämpfungsscheiben 33 und 34 eine vom darge­ stellten Nullwert fortschreitend sich erhöhende Eingriffs­ tiefe in den zweiten Eisenkern 17 haben. Die Induktivität der Wicklungen 24 und 25 nimmt daher bei der einen Wicklung ab, während sie bei der anderen Wicklung steigt.

Während beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 die beiden E-förmigen Eisenkerne 16 und 17 diametral zueinander stehen, liegen sie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 einseitig zu der Welle 15 in einer gemeinsamen, in der Achse der Welle 15 liegenden Ebene und erlauben es, daß über einen Drehbereich von 360° die jeweilige Winkelstellung und Drehgeschwindigkeit der Welle 15 erfaßt werden kann.

Mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 können sowohl zwei zueinander senkrechte Translationsbewegungen als auch Dreh­ bewegungen erfaßt werden. Dieser Weg- bzw. Winkelgeber weist einen aus Lamellen geschichteten, U-förmigen Eisenkern 36 auf, zwischen dessen Schenkeln 37 und 38 ein ebenfalls in Längs­ richtung lamellierter Eisenanker 39 derart angeordnet ist, daß zwischen den Stirnseiten des Ankers und den Endabschnitten der Schenkel 37 bzw. 38 je einer von zwei gleichgroßen Luftspalten 40 bzw. 41 verbleibt. Auf dem Anker 39 sitzt eine mit vielen Windungen ausgeführte Induktionswicklung 42, die zur Erzielung einer im Eisenkern 36 und im Anker 39 wirksamen Magnetisierung durch konstanten Wechelstrom gespeist werden kann. Der elektro­ magnetische Fluß durchsetzt die Ankerwicklung 42 mit einer Stärke, welche davon abhängt, wie tief die beiden Schenkelenden 44 und 45 eines Kurzschlußbügels 46 in die Luftspalte 40 und 41 eintauchen. Der Kurzschlußbügel 46 ist aus einem Kupferblech­ streifen gebogen und mit einem nicht dargestellten Bauteil ge­ kuppelt, dessen Bewegungen auf den Kurzschlußbügel 46 übertragen werden und diesem zwei translatorische zueinander senkrechte Bewegungen v 1 und v 2 und eine Dreh- oder Schwenkbewegung v 3 erteilen. Von der jeweiligen Eintauchtiefe der Schenkel 44 und 45 hängt die Größe des die Wicklung 42 durchsetzenden magneti­ schen Flusses ab. Demzufolge ist die Induktivität der Wick­ lung 42 ein Maß für die Eindringtiefe, d. h. für den Weg der Schenkel 44, 45.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist an der Innenseite des U-förmigen Eisenkerns 36 ein bügelförmiges Kupferblech 47 vorgesehen, welches verhindert, daß die Feldlinien gegenüber dem Kurzschlußbügel 46 seitlich ausweichen können.

In Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispieles ist es möglich, den Anker 39 einseitig an einen der beiden Schenkel 37 oder 38 des Eisenkerns 36 anzuschließen, so daß eine An­ ordnung mit nur einem Luftspalt entsteht. Eine solche Anord­ nung bringt den Vorteil mit sich, daß der die Wicklung 42 tragende Anker 39 leichter befestigt, insbesondere mittels des feststehenden Kurzschlußbleches 47 befestigt werden kann, wenn dieses bis zur Anlage am Anker verlängert wird.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 stellt eine Verdoppleung des Gebers nach Fig. 3 in eine Differentialanordnung dar. Dreh- und spiegelsymmetrisch zu einer durch eine strichpunk­ tierte Linie angedeuteten Achse B ist hier ein zweiter Eisen­ kern 50 mit zugehörigem Anker 51 samt Wicklung 52 angeordnet, wobei diese Teile denjenigen nach Fig. 3 entsprechen und in der Fig. 4 links von der Symmetrieachse angeordnet und mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3 versehen sind. Zwischen den beiden Eisenkernen 36 und 50 ist ein gemeinsamer, doppel- T-förmiger Kurzschlußbügel 54 vorgesehen, der aus Kupfer-Blech besteht und einen senkrechten, im Abstand parallel zur Achse B verlaufenden Längssteg 55 hat. Von diesem stehen am oberen Ende zwei waagrechte Arme 56 und 57 und am unteren Ende zwei waage­ rechte Arme 58 und 59 ab. Die beiden Arme 57 und 59 tauchen in der dargestellten Lage des Kurzschlußbügels 54 zwischen die beiden Luftspalte des linken Eisenkerns tief ein und überdecken dabei die gesamte Stirnfläche des linken Ankers 39, wohingegen die rechten Arme 56 und 58 in der dargestellten Stellung außer­ halb der entsprechenden Luftspalte des rechten Eisenkerns 50 verbleiben. Der dargestellte Kurzschlußbügel kann bezogen auf die Achse B eine durch einen Pfeil v 1 angedeutete Translations­ bewegung ausführen oder eine Drehbewegung v 3 um die Achse B, wobei in beiden Fällen die Induktivität der einen der beiden Wicklungen, beispielsweise der Wicklung 42 vergrößert und gleichzeitig die Induktivität der zweiten Wicklung 52 ver­ kleinert wird. Dabei kann der Kennlinienverlauf durch spezielle Gestaltung der Umrandungskurve von Fläche F beeinflußt werden.

Fig. 5 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel für einen Kurzschlußbügel, der anstelle eines Kurzschlußbügels 54 in der in Fig. 4 dargestellten Anordnung Verwendung finden kann.

Der Kurzschlußbügel nach Fig. 5 ist aus einem Kupfer-Blech­ streifen gebogen und hat einen Mittelsteg 60, von welchem zwei obere Arme 62 und 63 nach zwei verschiedenen Seiten hin recht­ winklig abgebogen sind, während beide nur jeweils die Hälfte der Breite des Mittelsteges ausmachen. Dem unteren Arm 59 der Anordnung nach Fig. 4 entspricht bem abgewandelten Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 5 der untere Lappen 65, der in ent­ gegengesetzter Richtung zum zweiten unteren Lappen 64 von dem Mittelsteg 60 abgebogen ist. Die beiden rechten Lappenpaare bilden zusammen mit dem Mittelsteg 60 einen von zwei Kurz­ schlußbügeln, von denen der eine bei der durch den Pfeil v ₂ angegebenen Translationsbewegung die Induktivität der rechten Wicklung 52 vergrößert und diejenige der linken Wicklung 42 verkleinert, je nachdem in welcher Richtung der Kurzschluß­ bügel verschoben wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist ein zweischenkliger, U-förmiger Eisenkern 70 vorgesehen, bei welchem der mit 71 be­ zeichnete Schenkel eine Spule 72 trägt, deren Induktivität mit Hilfe eines halbzylindrischen Dämpfungsbleches 73 veränderbar ist, welches den anderen Schenkel 74 des Eisenkerns etwa auf der Hälfte seines Umfangs umgibt. Das Dämpfungsblech 73 bildet einen Teil einer Kupfer-Hülse 75, welche zur Bildung des halb­ zylindrischen Dämpfungsbleches 73 etwa über die Hälfte ihrer axialen Länge aufgeschnitten und durch eine quer zu ihrer Drehachse C verlaufende Schnittfläche 76 begrenzt ist. Bei Drehung der Hülse 75 um einen bei ϕ angedeuteten Drehwinkel um die Drehachse C kann das Dämpfungsblech 73 die in Fig. 7 links wiedergegebene Stellung für ϕ = Null einnehmen, bei welchem das Dämpfungsblech 73 die vom Schenkel 74 zum Schenkel 73 oder umgekehrt laufenden Feldlinien des im Eisenkern 70 erzeugten Magnetfeldes nicht behindern, so daß die Induktivität L der Pule 72 einen Maximalwert aufweist, welcher bei einer Drehung des Dämpfungsbleches 73 in die in Fig. 7 rechts dar­ gestellte Stellung auf einen Minimalwert abnimmt. Nach der Drehung ϕ = 180° steht nämlich das Dämpfungsblech 73 voll­ ständig zwischen den beiden Schenkeln 74 und 71 und schirmt die Spule 72 gegenüber dem Magnetfluß 77 ab.

Die in Fig. 8 in stirnseitiger Draufsicht dargestellte Differentialanordnung stellt praktisch eine Verdopplung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 6 dar. Es ist nämlich jeweils auf den Außenschenkeln 81 und 82 eines E-förmigen Eisenkernes 80 je eine von zwei Spulen 83 bzw. 84 angeordnet, wobei wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ein halbzylindrisches Dämpfungsblech 73 vorgesehen ist, welches den Mittelschenkel 85 des Eisenkerns 80 jeweils auf der Hälfte seines Umfangs um­ gibt und dabei je nach seiner Drehstellung den Mittelschenkel 85 des Eisenkerns 80 jeweils auf der Hälfte seines Umfanges um­ gibt und dabei je nach seiner Drehstellung den Mittelschenkel 85 gegen die beiden Außenschenkel 81 und 82 verschieden stark abschirmt. In der in Fig. 8 dargestellten Stellung des Dämpfungsbleches 73 ist die Induktivität L 1 der Spule 83 wesentlich kleiner als die Induktivität L 2 der Spule 84, in welcher sich das im Eisenkern 80 erzeugte Magnetfeld voll aus­ wirken kann.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 trägt der Eisenkern 90 auf seinem Jochabschnitt 91 eine Induktionswicklung 92, welche von einem Wechselstrom durchflossen wird, der einen sich über die beiden Eisenschenkel 93 und 94 und den zwischen diesen freigehaltenen Luftspalt 95 schließenden Fluß erzeugt. In den Luft­ spalt 95 greift ein als Dämpfungsglied dienender, aus einer Kupfer­ platine gestanzter Rahmen 96 ein, der rechteckförmige Gestalt hat und parallel zu seinen Rahmenlängsschenkeln 97, 98 in Rich­ tung der zu messenden Wegstrecke s zwischen die beiden Schen­ kel 93 und 94 in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung eines zu überwachenden Bauteils, beispielsweise der Regelstange einer Einspritzpumpe eingeschoben werden kann. Durch das elektro­ magnetische Wechselfeld werden in dem Rahmen 96 Kurzschluß­ ströme erzeugt, welche das im Luftspalt 95 wirksame Magnetfeld umso stärker nach außen drängen, je tiefer der Rahmen um die zu messende Wegstrecke s zwischen die Schenkel 93 und 94 ein­ geschoben wird.

In Fig. 10 ist ein verbesserter Kurzschlußrahmen dargestellt, der einen größeren Teil des magnetischen Streuflusses des Gebers erfaßt. Im einzelnen weist dieser Kurzschlußrahmen zwei U-förmig gebogene Querschenkel 101 und 102 auf, welche die Rahmenlängsschenkel 103 und 104 an ihren Endabschnitten unter­ einander verbinden. Der in Fig. 10 dargestellte Kurzschluß­ rahmen bringt den Vorteil mit sich, daß er bei geringer Masse eine starke Änderung der Induktivität der Wicklung 91 bewirkt, frei über die Schenkel 93, 94 hinwegbewegt werden kann, ohne daß seine Bewegung durch einen Anschlag behindert wird und daß außerdem seine Herstellung in einfachster Weise durch Biegen aus Draht oder Blechstreifen möglich ist.

Claims (3)

1. Induktiver Winkelgeber zur Erfassung der Stellung eines Bauteils, insbesondere eines bei der Brennstoffzumessung einer Brennkraftma­ schine sich bewegenden Bauteils, mit einer Induktionswicklung, die auf einem von einem Magnetfeld durchsetzenden Eisenkern sitzt, der einen min­ destens zum Teil ebenfalls vom Magnetfeld durchsetzten Luftspalt ent­ hält, wobei ein aus elektrisch gut leitendem Werkstoff hergestelltes Dämpfungsglied vorgesehen ist, das mit dem Bauteil gekoppelt ist und in den Luftspalt eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsglied (73) als wenigstens annähernd halbzylindrische Mantelfläche ausgebildet ist und einen der Schenkel (74) des Eisenkerns (70) auf etwa der Hälfte seines Umfangs mit Abstand umgibt, wobei die Zylinderachse der Mantel­ fläche deren Drehachse bildet und vorzugsweise mit der durch den Schwerpunkt der Schenkelstirnfläche gegebenen Längsachse des Schenkels zusammenfällt.

2. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern (70) U-förmig ausgebildet ist und das Dämpfungsglied (75) einen Schen­ kel (74) umgreift und daß der Eisenkern (70) eine einzige Induktions­ wicklung (72) aufweist.

3. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern (80) E-förmig ausgebildet ist, einen Mittelschenkel (85) und zwei Au­ ßenschenkel (81, 82) aufweist, daß auf jedem der beiden Außenschenkel (81, 82) eine von zwei Induktionswicklungen (83, 84) sitzt und daß das Dämpfungsglied (73) um die Längsachse des Mittelschenkels (85) drehbar angeordnet ist.