DE3238539A1 - Kreisel - Google Patents

Description

Kreisel

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kreisel der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Derartige Kreisel mit drei !reiheitsgraden sind bekannt

(DE-PS 16 23 441). Als nachteilig werden dabei insbesondere verhältnismäßig hohe Unlinearitätsfehler des Drehmomenterzeugers, relativ große Hysteresefehler und eine verhältnismäßig ausgeprägte Nullabgleichungsinstabilität empfunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere diese Mängel zu beheben.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kreisels sind in den restlichen Patentansprüchen gekennzeichnet."

Beim erfindungsgemäßen Kreisel sind im Läufer zwei koaxiale , radial orientierte Drehmomenterzeugerringmagnete untergebracht. Diese zueinander parallelen und im Abstand voneinander angeordneten Drehmomenterzeugerringmagnete haben eine höhere Flußdichte innerhalb des Wirkungsspaltes und einen geringeren Kantenfluß zur Folge, wobei sich die Flußdichte im Wirkungsspalt durch entsprechende Gestaltung der Drehmomenterzeugerringmagnete noch vergrößern läßt.

Die Verwendung zweier Drehmomenterzeugerringmagnete hat weiterhin zur Folge, daß der scheinbare Spalt zwischen jeder Drehmomenterzeugerspule und jedem der beiden Drehmomenterzeugerringmagnete der Hälfte des Gesamtspaltes

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entspricht und das Kantenflußmuster bezüglich der Mitte jeder Drehmomenterzeugerspule symmetrisch ist. 5

Wegen dieser Symmetrie sind Hysteresefehler bewirkende Drehmomente aufgrund von Verunreinigungspartikeln, welche durch den Drehmomenterzeugerspulenstrom magnetisiert worden sind und mit dem Magnetfeld der Drehmomenterzeugerringmagnete in Wechselwirkung treten, verringert. Es ist, nämlich wahrscheinlich, daß solche magnetischen Partikel symmetrisch verteilt sind, so daß der Anziehung zum inneren Drehmomenterzeugerringmagneten die Anziehung zum äußeren Drehmomenterzeugerringmagneten entgegen wirkt.

Wegen des geringeren Kantenflusses ist eine magnetische Abschirmung nicht erforderlich und kann der Läufer an einer Stirnseite vollkommen offen sein, um die Drehmomenterzeugerspulen im wesentlichen abzudecken, so daß die für Unlinearitätsfehler des Drehmomenterzeugers maßgebende Elektromagnetkraft beträchtlich reduziert ist.

Gegenüber der üblichen Anordnungsweise kann der Läufer umgekehrt angeordnet werden, so daß er mit der geschlossenen Stirnseite vor-den Abgriffen zur Feststellung des jeweiligen Kippwinkels des Läufers liegt und die Abgriffe sowie die Drehmomenterzeugerspulen vollkommen voneinander isoliert und gegeneinander abgeschirmt sind, diese Quelle von Hysteresefehlern und Kreiselfesselungsinstabilität also vollkommen ausgeschaltet ist.

Die Verwendung zweier Drehmomenterzeugerringmagnete und eines an einer Stirnseite offenen Läufers gewährleistet ferner ein großes Spiel zwischen den Drehmomenterzeugerspulen und dem Läufer, abgesehen vom Bereich der Drehmo-

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menterzeugerringmagnete» Da die Drehmomenterzeugerringmagnete sich dicht bei der axialen Mitte befinden, sind Drehmomente infolge von Läuferkippen verringert.

nachstehend ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kreisels anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben*

Darin zeigen schematisch:
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Figur 1 einen Längsschnitt eines bekannten Kreisels im Drehmomenterzeugungsbereich, wobei nur eine Drehmomenterzeugerspule und nur der derselben benachbarte Abgriff zur Läuferkippwinkelfeststellung dargestellt sind;

Figur 2 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Kreisels; und

Figur 3 die Draufsicht auf den Kreisel gemäß Figur 2 bei abgenommenem, oberen Deckel»

Der in Figur 1 dargestellte, beispielsweise aus der DE-PS 16 23 441 bekannte Kreisel weist ein durch einen Deckel verschlossenes Gehäuse sowie einen darin untergebrachten, schwungradartigen Läufer 1 auf, welcher mittels eines kardanischen Biegegelenks an einer Antriebswelle befestigt ist, die im Gehäuse drehbar gelagert ist. Der Drehmomenterzeuger des Kreisels weist einen einzigen, radial orientierten Drehmomenterzeugerringmagneten 2 auf, welcher vom Läufer 1 umschlossen ist. Eine ringförmige Abschirmplatte 3, welche als Abgriffrücklaufbahn wirkt, verschließt das offene Ende des Läufers 1 teilweise» Ein derartiger Läufer 1 kann mit verhältnismäßig geringer Trägheit hergestellt und mit hoher Geschwindigkeit gedreht bzw. gekippt

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werden, jedoch sind nachteiligerweise verhältnismäßig große Unlinearitätsfehler des Drehmomenterzeugers, relativ große Hysteresefehler und eine verhältnismäßig große Nullabgleichungsinstabilitat vorhanden.

Unlinearitätsfehler werden in erster Linie durch das magnetische Feld bewirkt, welches der durch die Drehmomenterzeugerspule 4 fließende Strom erzeugt und das Bestreben hat, die Drehmomenterzeugerspule 4 im Läufer 1 zu "bewegen. Die entsprechende, sogenannte Elektromagnetkraft F ist durch die Gleichung F=K* (NI)²· dP/dO (N = Anzahl der Windungen der Drehmomenterzeugerspule 4; I = Strom; dP/dO = Permeabilitätsänderung der Drehmomenterzeugerspule 4 bezüglich des Läufers 1 in Abhängigkeit vom Winkel) gegeben. Die magnetische Leitfähigkeit zur Drehmomenterzeugerspule 4 ist wegen der Abschirmplatte 3 hoch.

Hysteresefehler werden durch hohe Drehmomenterzeugerspulenströme bewirkt, welche magnetische Verunreinigungen im Drehmomenterzeugerspulenkleber, -draht oder -träger 5 magnetisieren. Diese Magnetisierung bleibt teilweise vorhanden, selbst wenn kein Strom durch die Drehmomenterzeugerspule 4 fließt, und tritt mit dem magnetischen Fluß des Drehmomenterzeugerringmagneten 2 in Wechselwirkung, um ein Drehmoment zu bewirken. Der bekannten Ausgestaltung ist eine im Vergleich zu einem abgeglichenen Feldintensitätszustand größere Feldintensität in der Nähe des Drehmomenterzeugerringmagneten 2 und der Abschirmplatte 3 eigen, welche das Drehmoment erhöht.

Die Nullabgleichungsinstabilitat beruht auf der magnetischen Kopplung zwischen der Drehmomenterzeugerspule 4 und der Abgriffspule 4a. Ein Teil des vom Drehmomenterzeuger-

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spulenabschnitt 6 erzeugten Feldes 7 durchläuft die Abgriffrücklaufbahn des Läufers 1 und den Abgriffstab 7a„ ■ Dieses kann den Abgriffnullpunkt verändern sowie einen Hysteresefehler bewirken.

Der Kreisel gemäß Figur 2 weist einen schwungradartigen Läufer 10 aus einem hochpermeablen magnetischen Material auf, welcher zwei radial orientierte Drehmomenterzeugerringmagnete 21 sowie 22 trägt und umschließt und an welchem eine ringförmige Abgriffplatte 31 angebracht ist. Der Läufer 10 ist an einem kardanischen Biegegelenk 11 befestigt, welches seinerseits mit einer Antriebswelle 12 verbunden ist, die mittels zweier Lager I3 in einem Gehäuse 14- drehbar gelagert ist» Ein Stator I5 treibt über einen Rotor 4-0 den Läufer 10 mit einer vorgegebenen Drehzahl an« Vier in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte und also gegenseitig um 90° versetzte Abgriffe dienen zur Läuferkippwinkelfeststellung. Weiterhin sind vier in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte und also gegenseitig um 90° versetzte Drehmomenterzeugerspulen vorgesehen, welche bei Erregung durch Strom ein gesteuertes Drehmoment liefern, um den Läufer 10 auf die Abgriffe ausgerichtet zu halten. In Figur 2 sind nur zwei Abgriffe 16 und 17 sowie nur drei Drehmomenterzeugerspulen 18, 19 und 20 sichtbar«

Jede Drehmomenterzeugerspule 18 bzw. 19 "bzw. 20 ist mit einem zugehörigen Ringbogen 23 an Wandungen 24- und 25 desselben verklebt und vorzugsweise vergossen, um eine . einheitliche bzw. gleichmäßige Drehmomenterzeugerspulenanordnung 25a zu erhalten« Die vier Drehmomenterzeugerspulenanordnungen 25a sind jeweils an eine ringförmige Platte 26 angeschraubt, welche ihrerseits an einen Sup-

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portring 27 angeschraubt ist. Die Ringbögen 23, die Platte 26 und der Supportring 27 sind aus einem nicht magnetischen Material hoher Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt. Zwischen dem Supportring 27 und dem Gehäuse 14- ist ein geringer Zwischenraum vorgesehen, abgesehen von einem Ringbereich. 28, in welchem der Supportring 27 sm Gehäuse 14- befestigt ist. Der Ringbe-r reich 28 soll koplanar mit der axialen Mitte der beiden Drehmomenterzeugerringmagnete 21 und 22 verlaufen.

Das Gehäuse 14- ist durch zwei Deckel 29 und 30 dicht verschlossen. Vorzugsweise sind das Gehäuse 14- und die beiden Deckel 29 sowie 30 aus einem magnetischen Material . hoher Permeabilität hergestellt.

Die Drehmomenterzeugerringmagnete 21 und 22 sind vorzugsweise so gestaltet, daß sich ausgeprägte Pole ergeben, . welche im Wirkungsspalt bzw. in den Spalten zwischen den Drehmomenterzeugerspulen 18, I9 und 20 sowie den zugehörigen Drehmomenterzeugerringmagneten 21 sowie 22 eine größtmögliche Flußdichte gewährleisten, ferner einen minimalen Kantenfluß. Gemäß Figur 2 ist das Kantenflußmuster 38 bezüglich der Drehmomenterzeugerspulenmitte symmetrisch. Es sind Ringe 32, 33, 34- und 35 vorgesehen, welche magnetisch wärmeempfindlich sind und den Abfall der Flußdichte der Drehmomenterzeugerringmagnete 21 und 22 mit ansteigender Temperatur kompensieren.

Der Läufer 10 erstreckt sich mit Abschnitten 36 und 37' über die Drehmomenterzeugerringmagnete 21 und 22 hinweg, um den Kantenfluß von den Drehmomenterzeugerringmagneten 21 und 22 aufzunehmen und ferner die Elektromagnetkraft F wesentlich zu vermindern.

Im Gegensatz zuni Stande der Technik, wo die Drehmomenterzeugerspulen in einem einstückigen Ring zusammengefaßt sind, weist der Kreisel gemäß Figur 2 und 3 vier einzelne , segmentförmige Drehmomenterzeugerspulenanordnungen 25a auf, welche jeweils lösbar befestigt sind. Dieses ermöglicht Impedanzanpassungen, Justierungen zum Ausrichten und ein Auswählen im Hinblick auf optimale Charakteristika.

Der Läufer 10 und der Drehmomenterzeuger sind vom Supportring 2? und der ringförmigen Platte 26 umschlossen, welche diejenigen Temperaturgradienten vermindern, die aus schnellem Aufwärmen und hohen Dreh- bzw« Kippgeschwindigkeiten resultieren. Die Befestigung des Supportringes 27 am Gehäuse 14 in einer Ebene, welche die Drehmomenterzeugerringmagnetmitte schneidet, gewährleistet, daß die Drehmomenterzeugerspulenposition sich aufgrund von Tem-

-20 peratureinflüssen nicht ändert, wenn der Supportring 27 ebenso wie die Drehmomenterzeugerspulen 18, 19 und 20 aus Kupfer besteht.

Abwandlungen von der in Figur 2 und 3 dargestellten und geschilderten Ausführungsform sind möglich. Beispielsweise kann bei einer billigen Version, deren- Verhalten nicht so wichtig ist, zwar ein umgekehrter Läufer 10 gemäß Figur 2, jedoch mit nur einem einzigen Drehmomenterzeugerringmagneten, verwendet werden, wobei die Abgriffplatte 31 fehlen und die entsprechende Läuferstirnfläche als Abgriffrücklaufbahn benutzt werden kann. Auch ist es möglich, bei zwei Drehmomenterzeugerringmagneten 21 und 22 den Drehmomenterzeuger und die Abgriffe auf derselben Seite vorzusehen. Schließlich kann der Drehmomenterzeuger statt mit vier gesonderten, segmentförmigen Drehmo-

menterzeugerspulenanordnungen 25a auch mit einem einstükkigen, alle Drehmomenterzeugerspulen enthaltenden Ring 5 versehen werden.

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Leersesie

Claims (3)

1. Patentanwalt '"-

   dipl. ing. wolf d. oedekoven

   18. Oktober 1982 2/Ha

   THE SINGER COMPANY, Stamford, Connecticut 06904, USA

   Patentansprüche

   ι Ο Kreisel mit einem frei kippbaren, mittels eines kardanischen Biegegelenks abgestützten Läufer, Abgriffen zur Feststellung des jeweiligen Kippwinkels des Läufers und einem Drehmomenterzeuger zur Rückstellung des Läufers, welcher mehrere an einem den Läufer umschließenden Gehäuse angebrachte, in den Läufer ragende sowie um dessen Drehachse symmetrisch verteilte Drehmomenterzeugerspulen aufweist, dadurch g e k e η η ζ e i ohne t, daß

   a) der Läufer (10) an einer Stirnseite offen und mit zwei inneren, koaxialen,'radial orientierten Drehmoment er ζ eugerringmagne teit (21 und 22) versehen ist, welche in demselben Abstand^beiderseits der Drehmomenterzeugerspulen (18, 19, 20) angeordnet sind, wobei

   b) die Drehmomenterzeugerspulen (18, 19, 20) derart am Gehäuse (14) angebracht sind, daß ihre Position bezüglich der Drehmomenterzeugerringmagnete (21 und 22) auch'bei Temperaturänderungen virtuell konstant bleibt.

   JAi ir.

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2. 2. Kreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (10) mit der geschlos- senen Stirnseite vor den Abgriffen (16, 17) zur Feststellung des jeweiligen Kippwinkels des Läufers (10) angeordnet ist, so daß die Abgriffe (16, 17) und. die Drehmomenterzeugerspulen (18, 19, 20) voneinander isoliert sind.
   ·
3. 3. Kreisel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Bauteile (23, 26, 27) zur Anbringung der Drehmomenterzeugerspulen (18, 19» 20) am Gehäuse (14-) aus einem Metall bestehen, welches Tem- , peraturgradienten beim schnellen Kreiselaufwärmen und bei hohen Eückstellgeschwindigkeiten auf ein Mindestmaß reduziert.

   4·. Kreisel nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch g e kennzeichnet, daß die Drehmomenterzeuger- · ringmagnete (21 und 22) derart gestaltet sind, daß sich ausgeprägte Pole ergeben, welche in den Spalten zwischen denselben und den Drehmomenterzeugerspulen (18, 19, 20) eine maximale Flußdichte■sowie einen geringstmöglichen Kantenfluß gewährleisten.

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