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Linearer Geschwindigkeitswandler
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Die Erfindung betrifft einen linearen Geschwindigkeitswandler zum
Umsetzen einer linearen mechanischen Bewegung in ein elektrisches Signal.
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Magnetplatten-Auf zeichungssysteme zum Speichern von digitalen Daten
weisen magnetische Aufzeichnungs- und Wiedergabeköpfe auf, welche genau über den
Spuren auf der Platte eingestellt sein müssen in welchen Daten aufgezeichnet worden
sind oder auf zu zeichnen sind. Diese Köpfe müssen (im allgemeinen in radialer Richtung)
entsprechend Steuersignalen schnell von einer Stelle zur anderen bewegt werden,
so daß Daten von entsprechenden Stellen auf der Magnetplatte gelesen oder an diesen
Stellen eingeschrieben werden können. Üblicherweise werden lineare elektromechanische
Einstelleinrichtungen für die geforderte Kopfbewegung
verwendet.
Zum Steuern der Einstelleinrichtung wird ein geschlossenes Servosystem verwendet;
zum Feststellen, Steuern und Stabilisieren der Kopfbewegung erfordert ein derartiges
Servosystem häufig einen die Geschwindigkeit fühlenden Wandler.
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Übliche bekannte Geschwindigkeitswandler oder Geschwindigkeitsdetektoren
benutzen einen sich bewegenden Magneten, durch welchen eine Spannung in einer langen,
feststehenden Spule induziert wird. Die induzierte Spannung ist proportional der
Geschwindigkeit des sich bewegenden Magneten und bezieht sich daher unmittelbar
auf die Geschwindigkeit des Kopfes. Diese Wandler sind jedoch verhältnismäßig lang,
und zwar mehr als zweimal so lang wie die theoretisch zu fühlende Strecke. Außerdem
ist ihre Empfindlichkeit gegenüber äußeren Störfeldern häufig unerwünscht hoch.
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Eine.schematische Darstellung eines üblichen Magnetplatten- Aufzeichnungssystems
(bei welchem die Erfindung angewendet werden könnte) ist in Fig. 1 dargestellt.
Wie durch einen Pfeil angedeutet, wird ein Aufzeichnungsträger in Form einer Magnetplatte
12 mit einer hohen Drehzahl durch einen mit einer Welle 16 verbundenen Antriebsmotor
14 gedreht. Zum Aufzeichnen (d.h. zum Schreiben) von Signalen auf die Platte 12
und zum Lesen der Signale von der Platte 12 wird ein magnetischer Aufzeichnungs-
bzw.
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Schreibkopf 18 verwendet. Der Kopf 18 schwimmt üblicherweise auf
einem Luftkissen, das sich durch die schnelle Drehbewegung der Platte ausgebildet
hat. Ein Servomechanismus 22, der auf über eine Leitung 24 zugeführte Positionssignale
anspricht, steuert die Bewegung des Kopfes 18 über eine elektromechanische Stelleinrichtung
26, die zum Einstellen des Kopfes ein Verbindungsglied 28 aufweist. Über das Verbindungsglied
28 bewegt der Servomechanismus den Kopf 18 in radialer Richtung hin und her, was
in Fig. 1 durch den Buchstaben X und einen mit zwei Spitzen versehenen Pfeil 29
angezeigt ist, um dadurch den Kopf auf eine gewünschte Spur der vielen konzentrischen
Spuren auf der Platte einzustellen.
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Ein Geschwindigkeitsfühler oder -wandler 30 ist ebenfalls mit dem
Verbindungsglied
28 verbunden. Dieser Fühler erzeugt entsprechend der Bewegung des Verbindungsglieds
28 und damit des Kopfes 18 ein elektrisches Ausgangssignal, das von dem Geschwindigkeitswandler
30 zu dem Servomechanismus 22 rückgekoppelt wird; der Servomechanismus berechnet
und schafft ein erforderliches Korrektursignal, wodurch der Kopf 18 zu der befohlenen
Stelle hin gesteuert wird, wenn irgendeiner Bewegung oder Abweichung entgegenzuwirken
ist.
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In Fig. 2 ist eine weitere Grundanordnung eines herkömmlichen Geschwindigkeitswandlers
dargestellt, bei welchem im Unterschied zu dem Geschwindigkeitsfühler mit einem
sich bewegenden Magneten eine sich bewegende Spule 32 und ein feststehender Magnet
34 verwendet sind. Der Magnet 34 ist zwischen einem Paar Polstücken 36 und 38 aus
Eisen gehaltert, welche sich parallel zueinander in Längsrichtung in der X- (d.h.
der radialen) Richtung erstrecken.
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Der Magnetfluß zwischen dem Nordpol N und dem Südpol S des Magneten
34 ist durch die Polstücke 36 und 38 quer zu demLuftspalt 40 konzentriert, welcher
zwischen den beiden Polstücken besteht.
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Pfeile 42 zwischen den Polstücken 36 und 38 sollen das Magnetfeld
in dem Bereich 40 anzeigen. Die Spule 32 ist mittels herkömmlicher Einrichtungen,
die in Fig. 2 nicht dargestellt sind, mechanisch mit dem Verbindungsglied 28 verbunden.
Somit bewegt das Verbindungsglied 28 die Spule 32 entlang des Pol stücks 36 in der
X-Richtung. Aufgrund der Bewegung der Spule 32 liegt eine Spannung E an den Anschlüssen
44 und 46 an.
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Die induzierte Spannung E ist durch die folgende Beziehung gegeben:
E d = d dx = dp v dt dx dt dx wobei 8 den Magnetfluß und v die lineare Geschwindigkeit
in der X-Richtung darstellen. Bei einer konstanten magnetischen Flußdichte B in
dem Luftspalt 40 würde eine konstante Flußänderung erhalten werden und der Wandler
würde ein der Geschwindigkeit proportionales Signal abgeben.
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Obwohl der Fühler in Fig. 2 kürzer und preiswerter herzustellen ist
als ein Wandler mit einem sich bewegenden Magneten und einer feststehenden Spule,
weist er trotzdem noch verschiedene Nachteile auf. Zum einen kann die magnetische
Flußdichte B in dem Luftspalt nicht ausreichend konstant gemacht werden, um die
zum Einstellen des Kopfes erforderliche Genauigkeit und Beständigkeit zu erhalten,
die oft bei den derzeit verwendeten Magnetplattensystemen gefordert wird. Zum anderen
sind die Polstücke aus Eisen nahe bei dem Abschnitt 48 gesättigt und vermindern
dadurch den magnetischen Fluß, welcher den Luftspalt überbrückt, wodurch dann auch
die Empfindlichkeit des Fühlers geringer wird.
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Zum dritten ist der Fühler ziemlich empfindlich gegenüber einer Strahlung
von äußeren, ein Wechselfeld erzeugenden, elektromagnetischen Quellen, wie beispielsweise
der Schwingspule (d.h. des Einstellteils), welche im allgemeinen in der elektromagnetischen
Stelleinrichtung 26 verwendet wird, um das Verbindungsglied 28 anzutreiben.
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Eine Verbesserung der Empfindlichkeit ist mit der in Fig. 3 wiedergegebenen
Ausführung mit Hilfe eines unterschiedlichen Magnetflußweges erreicht. Bei dieser
Ausführung erzeugt der Magnet 52 einen Fluß, der den gesamten Bereich der sich bewegenden
Spule 24 überdeckt, und Polstücke 56 und 58 schaffen einen geschlossenen Weg, um
den Fluß zu den Enden des Magneten zurückzuführen. Wenn die Polstücke 56 und 58
aus Eisen eine ähnliche Querschnittsfläche und eine ähnliche Ausbildung wie die
Pol stücke 36 und 38 haben, hat dieser Tachometer bzw. Geschwindigkeitswandler im
Vergleich zu der Ausführungsform in Fig. 2 den zweifachen Ausgang pro Geschwindigkeitseinheit.
Da ferner die Polstücke 56 und 58-aus Eisen in den Endbereichen 62 und 64 in einer
(positiven bzw. negativen) Sättigung betrieben werden, ist auch eine Verringerung
bezüglich der Störfeldempfindlichkeit erreicht.
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Durch die Erfindung soll die Einrichtung nach Fig. 3 dahingehend verbessert
werden, daß ihre Empfindlichkeit gegenüber einer Störung bzw. einer Störfeldaufnahme
geringer ist und ihre
Empfindlichkeit bezüglich der Bewegung größer
ist. Gemäß der Erfindung ist dies dadurch erreicht, daß ein miteinander verbundenes
Paar von sich bewegenden Spulen anstelle nur einer einzigen Spule verwendet ist.
Ein feststehender Dauermagnet ist in einer eine geschlossene Bahn bildenden Polstückanordnung
aus Eisen "schwebend" gehalten und in einem bestimmten Abstand davon angeordnet.
Die beiden Spulen sind entlang von gegenüberliegenden Polstücken dieser Anordnung
in Tandemform verschiebbar. Die Spulen sind in Reihe geschaltet und bezüglich des
durch den Magneten erzeugten Magnetflusses entgegengesetzt gewickelt, so daß die
Spannung an dem in Reihe geschalteten Spulenpaar sowohl einem Gleichtaktbetrieb
entsprechende als auch einem Differenzbetrieb entsprechende Anteile oder Komponenten
aufweist.
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Aufgrund dieser Anordnung induzieren äußere Störfelder in den Spulen
im wesentlichen Signale mit gleicher oder entgegengesetzter Polarität. Diese bei
Gleichtaktbetrieb" entstehenden Signale löschen sich im allgemeinen aus und folglich
liegt eine viel kleinere Störspannung an den Anschlüssen des Spulenpaares an. Gleichzeitig
addieren sich die in den beiden Spulen durch die Bewegung (relativ zu dem Magneten)
induzierten Spannungen, da die Spulen bezüglich der magnetischen Kraftlinienentgegengesetzt
gewickelt sind und sich hierzu auch in entgegengesetzten Richtungen bewegen. Diese
durch eine Bewegung hervorgerufenen Spannungen addieren sich, um dadurch einen auf
einen"Differenz-bzw. differentiellen Betrieb" zurückzuführenden Ausgang zu schaffen.
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Gemäß der Erfindung ist somit ein Geschwindigkeitswandler zum Umsetzen
einer linearen mechanischen Bewegung in ein elektrisches Signal geschaffen. Hierbei
ist ein feststehender Dauermagnet in einer Polstückanordnung aus Eisen gehalten
und in einen Abstand von dieser angeordnet, welche eine geschlossene Bahn um den
Magneten bildet. Die Polstückanordnung weist ein Paar linearer Polstücksegmente
auf, welche sich parallel auf beiden Seiten des Magneten erstrecken, der in einem
vorgegebenen
Abstand von den Nord- bzw. Südpolflächen des Magneten
angeordnet ist. Eine bewegliche (d.h. verschiebbare) Spule ist um jedes dieser linearen
Polstücke gewickelt. Die beiden Spulen sind in Reihe geschaltet und bezüglich des
von dem Magneten erzeugten Flusses in entgegengesetzten Richtungen gewickelt. In
den Spulen induzierte Störsignale subtrahieren sich voneinander und löschen sich
dadurch im wesentlichen aus, während sich auf die Bewegung beiehende Signale addieren.
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Die Erfindung wird nunmehr anhand einer bevorzugten Ausführungsform
im einzelnen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung und ein
Blockschaltbild einer üblichen Magnetplatten-Antriebseinheit, bei welcher ein linearer
Geschwindigkeitswanlder gemäß derErfindung verwendet werden könnte; Fig. 2 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform eines herkömmlichen Geschwindigkeitswandlers
mit einer beweglichen Spule; Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren
Ausführungsform eines herkömmlichen Geschwindigkeitswandlers mit einer beweglichen
Spule; Fig. 4 eine Seitenansicht, in welcher schematisch ein linearer Geschwindigkeitswandler
gemäß der Erfindung dargestellt ist; Fig. 5 eine Schnittansicht durch den Wandler
der Fig. 4, wobei ein den Magneten tragendes Gehäuse und ein Spulen tragender Arm
zusätzlich vorgesehen sind; und
Ein (differentieller) linearer Geschwindigkeitswandler gemäß der Erfindung ist in
Fig. 4 und 5 dargestellt. Wie in der schematischen Darstellung der Fig. 4 gezeigt
ist, hat der (differentielle) Fühler gemäß der Erfindung eine enge Beziehung zu
der herkömmlichen Ausführungsform der Fig. 3. Anstelle eines Luftspaltes und einer
Spule erzeugt der Magnet jedoch ein Magnetfeld in zwei Luftspalten, und zwar einen
auf jeder (Längs-)Seite des Dauermagneten, und ist dadurch den beiden Spulen symmetrisch
angepaßt.
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Ein langgestreckter Dauermagnet 72 ist von einem (in Fig. 5 dargestellten)
nichtmagnetischen Gehäuse 73 getragen und ist dadurch im Inneren einer eine geschlossene
Bahn schaffenden Polstückanordnung 74 aus Eisen angeordnet. Die Polstückanordnung
aus Eisen weist ein Paar langgestreckter Polstücke 76 und 78 auf, die symmetrisch
und parallel auf jeder Seite des Dauermagneten angeordnet sind. Jedes der Polstücke
76 und 78 ist, durch einen Luftspalt 82 bzw. 84 getrennt, in einem bestimmten Abstand
von der (Nord- oder Südpol Fläche des Magneten angeordnet. Die beiden Enden der
Polstücke 76 und 78 sind durch ein zweites Paar Eisen stücke 86 und 88 geschlossen
und miteinander verbunden, so daß die Eisenstücke 76, 78, 86 und 88 miteinander
eine geschlossene Bahn für den Fluß des durch den Dauermagneten 72 ausgebildeten
Magnetfeldes schaffen.
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Die Polstücke 76 und 78 sind aus Eisen hergestellt und als langgestreckte
Elemente ausgebildet, die beispielsweise eine rechteckige oder kreisförmige Querschnittsform
aufweisen. Spulen 92 und 94 sind um jedes der langgestreckten Polstücke 76 bzw.
78 so gewickelt, daß sie auf diesen verschiebbar sind.
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Diese Spulen können beispielsweise in Spulenformen gewickelt sein,
die auf den Polstücken verschiebbar sind. Beide Spulen
sind an
einem gemeinsamen (nichtmagnetischen) Tragarm 95 (Fig.5) gehaltert, so daß sie in
Tandemform in der X-Richtung bewegt werden können; dieser Tragarm 95 ist in herkömmlicher
Weise seinerseits mit dem Verbindungsglied 26 verbunden, obwohl dies in den Zeichnungen
nicht dargestellt ist . Die Spulen 92 und 94 sind, wie an ihren Enden zu sehen ist,
in derselben Richtung gewickelt, wodurch sie dann bezüglich des von dem Magneten
72 erzeugten Magnetflusses in entgegengesetzten Richtungen gewickelt sind. Ein Ende
der Spule 92 ist mit dem gegenüberliegenden Ende der Spule 94 verbunden, d.h. mit
dem Ende der Spule 94, das bei demselben Endstück 86 oder 88 wie das vorerwähnte
Ende der Spule 92 angeordnet ist. Der Ausgang des Wandlers liegt dann an den beiden
anderen Enden der Spulen als eine Spannung E an Anschlüssen 96 und 98 an. Folglich
sind die Spulen 92 und 94 in Reihe geschaltet.
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Wenn sich die (so gewickelten und geschalteten) Spulen 92 und 94 mit
einer linearen Geschwindigkeit auf den Polstücken 76 und 78 bewegen, addieren sich
die in den beiden Spulen erzeugten Spannungen und schaffen eine einem differentiellen
Betrieb" entsprechende Komponente in der Spannung E. Eine Rausch- bzw. Störfeldaufnahme
schafft eine weitere Komponente in der Spannung E.
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Ein äußeres Magnetfeld, beispielsweise ein Störfeld, erzeugt eine
magnetische Wechsel induktion in den Pol stücken 76 und 78 gleicher Größe und gleichen
Vorzeichens; die resultierenden, in den Spulen 92 und 94 induzierten Störspannungen
haben im wesentlichen die gleiche Größe, aber aufgrund der "entgegengesetzten" Wickelrichtungen
ein entgegengesetztes Vorzeichen. Diese Störspannungskomponenten löschen einander
daher aus, wodurch eine Gleichlauf-bzw. Gleichtaktunterdrickung der unerwünschten
Signalkomponente geschaffen ist.
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Ein differentiell wirkender Geschwindigkeitswandler gemäß der Erfindung
wurde aufgebaut und im Vergleich zu einem Wandler mit einer Ausführung nach Fig.
2 untersucht. Beide wurden so ausgelegt, daß sich annähernd die gleiche Empfindlichkeit
pro Spule
bzw. Wicklung ergibt. Fig. 6 zeigt eine tabellarische
Auflistung der wichtigen Parameter der beiden untersuchten Wandler. In beiden Fällen
wurde der Magnet aus demselben Material hergestellt, nämlich Ferrimag 5, einem keramischen
Magnetmaterial. Die Polstücke hatten einen runden Querschnitt, obwohl sie genauso
gut auch eine Rechteck- oder andere Form haben könnten, ohne dadurch wesentlich
andere Ergebnisse zu schaffen.
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Die Empfindlichkeit der beiden Wandler wurde dadurch gemessen, daß
sie jeweils mechanisch mit einem entsprechenden Antriebsverbindungsglied verbunden
wurden. Das Verbindungsglied wurde dann entsprechend betätigt, um eine Rechteck
wellenbewegung zu erzeugen, und die Spannung E an den Spulenanschlüssen wurde für
die beiden Fälle miteinander verglichen. Bei dem differentiellen Geschwindykeitswandler
gemäß der Erfindung ergab sich ein Ausgang von 87mV/Ips im Vergleich zu 42mV/Ips
für den in Fig. 2 dargestellten Wandler. Folglich war die Empfindlichkeit etwas
mehr als verdoppelt.
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Es wurde auch die Empfindlichkeit bezüglich einer Rausch- bzw.
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Störfeldaufnahme gemessen. Hierbei wurde als Quelle für ein elektromagnetisches
Störfeld eine Spule bzw. Wicklung mit 200 Windungen und einem rechteckigen Querschnitt
von 10 cm auf 6,3cm verwendet. Die Spule wurde dann mit einem Rechteckwellenstrom
von +/- 1A (Scheitelwert) und mit einer Anstiegszeit von etwa 0,5ms angesteuert.
Diese Störquellenspule wurde symmetrisch bezüglich der beiden Spulen bzw. Wicklungen
des differentiellen Wandlers nahe bei dessen einem Ende angeordnet, so daß die Längssymmetrieachse
des Wandlers mit einer der Hauptsymmetrieebenen der ein Störfeld abgebenden Spule
zusammenfiel. Die Spannung E an den Anschlüssen 96 und 98 wurde gemessen, wobei
das Spulenpaar an verschiedenen Stellen entlang der Polstücke angeordnet war.
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Wenn die Spulen in beiden Fällen in der Mitte ihrer Bewegungsbereiche
angeordnet waren, ergab sich bei dem differentiell wirkenden Spulenpaar gemäß der
Erfindung nur eine "Störspannungs- -Aufnahme von 1OmV im Vergleich zu 500mV bei
der Ausführungsform nach Fig. 2. Da die erfindungsgemäße Ausführungsform, wie oben
aufgezeigt,
annähernddie zweifache Geschwindigkeitsempfindlichkeit hat, wurde durch diese Untersuchung
eine wirksame Verbesserung des Störabstandes um einen Faktor von 100 nachgewiesen.
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Bezüglich der Störanfälligkeit bzw. -empfindlichkeit wurde noch eine
weitere Untersuchung durchgeführt, wobei eine elektrische Handbohrmaschine mit einer
Nennleistung von etwa 150 W (0,2Ps) und einem Maximalstrom von 3,5A in einem Abstand
von etwa 15cm von dem Wandler betrieben wurde. Die Handbohrmaschine wurde so angeordnet,
daß die Störung von dem 60Hz-Motorfeld in jedem Fall ein Maximum war. In diesem
Fall ergab F ich am Ausgang des differentiellen Wandlers gemäß der Erfindung eine
Störspannung von etwa 45mV, während sich bei der Ausführungsform nach Fig. 2 eine
Störspannung von 130 mV ergab. Mit der Erfindung ergab sich somit bei dieser speziellen
Untersuchung ein dreimal besserer Störabstand, wobei die Störquelle ungenau und
asymmetrisch bezüglich des Wandlers ausgerichtet war.
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Diese Ergebnisse zeigen zumindest qualitativ im Vergleich zu herkömmlich
bemessenen Wandlern mit einer sich bewegenden Spule eine größere Signalempfindlichkeit
und eine geringere Störempfindlichkeit.
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Ende der Beschreibung
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