DE3310110C2 - Momentenerzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Momentenerzeuger zur Erzeugung eines Kippmomentes, das auf einen Rotor wirkt, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Momentenerzeuger ist aus der DE 32 43 641 A1 für Schwungräder bekannt.

Weiterhin ist ein Momentenerzeuger aus der DE 27 51 040 A1 bekannt. Dieser besteht aus insgesamt vier am Umfang des Stators verteilt angeordneten Wicklungen, die sich jeweils über einen Winkelbereich von 90° erstrecken und eine rechteckige Form aufweisen. Die Wicklungen sind in einer zylindrischen Schale aus elektrisch isolierendem Material angeordnet. Diese Wicklungen sind von einem hohlzylindrischen Rotorteil umgeben, wobei unter Bildung eines Luftspaltes auf dem Rotorteil ein Permanentmagnetring angeordnet ist. Dieser weist ein radial gerichtetes Feld auf, das in der Sollage die Wicklungen gleichmäßig durchsetzt. Bei Kippbewegungen des Rotors entsteht durch eine Feldverschiebung eine Differenzspannung zwischen gegenüberliegenden Wicklungspaaren, die dazu benutzt wird, um über eine Regeleinrichtung mittels der weiteren Wicklungen ein Moment auf den Rotor zu erzeugen und diesen in die Sollage zurück zu bewegen. Es ist hierzu neben einem hohen Aufwand an Regelelektronik ein fertigungstechnisch hoher Aufwand zur Herstellung der Wicklungen erforderlich, dies um so mehr, je genauer die Lage der Kippachse des Rotors erfaßt und zur Bestimmung von Beschleunigungen ausgewertet werden soll.

Aus der DE 27 55 318 A1 ist ein Drehmomenterzeuger in einem Kreiselgerät bekannt, welcher ebenfalls wenigstens zwei diametral gegenüberstehende Wicklungen aufweist, die teilweise in dem Magnetfeld eines auf dem Rotor angeordneten Permanentmagneten liegen. Auch diese Wicklungen sind Segmentwicklungen, die in gekrümmter Form auf dem Stator angeordnet sind.

Weiterhin ist aus der DE-OS 16 23 441 ein Kreisel bekannt, bei dem der Rotor an seinem äußeren Umfang einen radial polarisierten ringförmigen Dauermagneten trägt. Die Bewicklung besteht vorzugsweise aus vier am Stator angeordneten gleichwinklig um die Rotorachse verteilten Spulen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Momentenerzeuger zur Erzeugung einer Kippbewegung eines rotationssymmetrischen, drehbaren Körpers zu schaffen, der bei einfachem Aufbau den Körper mit genau definierter Kippachse schwenkt und zur Anwendung in Kreiseln dienen kann, insbesondere für Navigationszwecke.

Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Magnetanordnung des Rotors kann beispielsweise mittels Elektromagneten gebildet werden, vorzugsweise ist die Verwendung von permanentmagnetischem Material vorgesehen, das ringförmig auf dem Rotor befestigt ist. In besonderer Weise ist eine Verwendung des Momentenerzeugers in Kreiseln, insbesondere auch in dynamisch abgestimmten Kreiseln, vorgesehen. Über einen Fesselregler, der die Kippbewegungen des Rotors sensiert und einen entsprechenden Rückstellstrom erzeugt, ist ein einfacher Aufbau des Kreisels zu verwirklichen. Aus der Phasenlage des Rückstellstroms ist unmittelbar die Richtung der Kippachse feststellbar.

Als Sensor eignet sich vorzugsweise ein sogenannter Conical- Scan-Sensor. Denkbar sind natürlich auch Sensoren, die nach dem Prinzip der Annäherungssensoren arbeiten und die Kippbewegung des Rotors in X- und Y-Richtung messen.

Zur Feststellung der Rotorstellung in Bezug auf eine Marke, kann man in einfacher Weise bei Verwendung eines Gleichstrommotors dessen Kommutierungssignal zum Schalten einer bestimmten Motorspule abgreifen und die Phasenlage dieses Signals zur Marke erkennen.

Ein dynamisch abgestimmter Kreisel mit dem erfindungsgemäßen Momentenerzeuger läßt sich u. a. auch in besonderer Weise zur Bestimmung der Nordrichtung verwenden. In einem nachfolgenden Ausführungsbeispiel ist die Auswertung bzw. Ermittlung der Nordrichtung aus den von dem Kreisel gelieferten Signalen beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Einen Momentenerzeuger in einem Schnittbild,

Fig. 2 Eine Darstellung eines dynamisch abgestimmten Kreisels unter Verwendung des Momentenerzeugers, insbesondere zur Bestimmung der Nordrichtung.

Fig. 3 Die Auswertung der Nordrichtung in graphischer Darstellung.

Der Momentenerzeuger - wie in Fig. 1 dargestellt - dient zum Verschwenken des Rotors 1 um die X- und Y-Achse. Der Rotor 1 rotiert um die Z-Achse und weist eine ringförmige Aussparung 2 auf. An der inneren Wandung dieser Aussparung sind zwei halbkreisförmige Magnetringe 3, 4 angeordnet mit radialer Magnetisierungsrichtung und entgegengerichteten Polen. Eine Ringspule 5 ist auf einem festen Träger 6 angeordnet und taucht in die ringförmige Aussparung 2 ein. Mittels eines Sensors 8, der einen Impuls bei Annäherung der zapfenförmigen Ausbildung 7 erzeugt, wird eine Zuordnung des Drehwinkels des Rotors 1 zu dem Stator (dem feststehenden Teil) gebildet. Bei konstanter Drehzahl ist eine Unterteilung einer Umdrehung des Rotors 1 in kleine Winkeländerungen mittels eines hochfrequenten Signals möglich. In einfacher Weise kann auch mittels einer Kodierscheibe die momentane Stellung des Rotors 1 ermittelt werden.

Soll der Rotor 1 in eine bestimmte Richtung, beispielsweise um die Y-Achse geschwenkt werden, dann wird der Spule 5 ein Wechselstrom zugeführt, dessen Frequenz drehzahl-synchron ist und dessen Phasenlage so gewählt ist, daß gegensinnige, axial gerichtete Kräfte, deren Angriffspunkte auf der X-Achse liegen, auf den Rotor 1 wirken, d. h., in der dargestellten Stromrichtung und dem dargestellten Magnetfeldverlauf wird ein durch den Pfeil 9 angedeutetes Moment erzeugt, das auf den Rotor 1 wirkt.

Durch Änderung der Phasenlage des Stromes kann eine Kippbewegung des Rotors 1 um jede beliebige Achse, die in der Ebene der X- und Y-Achse liegt, erzielt werden.

Eine Anwendung des Momentenerzeugers ist in Fig. 2 dargestellt. Diese stellt einen dynamisch abgestimmten Kreisel (DAK) dar, der in einem Gehäuse 10 einen Antriebsmotor 11 zum Antreiben einer Schwungmasse 12 aufweist. Die Schwungmasse 12 ist über ein Federgelenksystem 13, 14 mit der Antriebswelle 15 verbunden. Beim Kippen des Gehäuses 10 um eine rechtwinklig zur Rotationsachse stehende Achse versucht der Rotor 16 seine Lage beizubehalten. Störeinflüsse, insbesondere solche, die von Unsymmetrien des Rotors 16 herrühren, mitteln sich über eine Rotorumdrehung aus. Dadurch besitzt ein DAK eine hohe Dynamik, die den Einsatz im sogenannten Strap-down-System möglich macht. Dabei wird jede Ausgangsachse über einen Fesselregler an die Nullage in Bezug auf das Gehäuse 10 gefesselt.

Hierzu besitzt der Rotor 16 - wie in Fig. 1 dargestellt - eine einpolpaarige Magnetanordnung 17. Das ist eine Anordnung, bei der sich der Stator im Magnetfeld von nur einem Polpaar des Rotors befindet. Eine Ringspule 18 ist über einen Träger 19 mit dem Gehäuse 10 verbunden. Zum Sensieren der Bewegung des Rotors 16 um seine Ausgangsachsen ist ein Conical-Scan-Sensor 20 vorgesehen, der diese Bewegungen polar sensiert. Die zur Steuerung der Phasenlage des Spulenstroms notwendige Bezugsphase des Rotors 16 kann über einen Synchrongenerator, der auf der Welle des Rotors 16 befestigt ist, oder bei Verwendung eines Gleichstrommotors als Antrieb aus den Kommutierungssignalen gewonnen werden.

Es ist ersichtlich, daß sowohl der Feldverlauf der Permanentmagnete als auch der Stromverlauf des Spulenstroms keine Sinusform aufzuweisen braucht.

Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht vor allem darin, daß nur ein Rückführkreis benötigt wird und damit der Aufwand an Regelelektronik wesentlich reduziert wird. Außerdem ist in einigen Anwendungsfällen, z. B. bei Verwendung in Flugkörpern, ein polares Ausgangssignal erwünscht, welches ein derartiger Kreisel unmittelbar liefert. Die Wechselmomentkomponenten, die auf den Rotor 16 wirken, treten mit der doppelten Frequenz der Drehzahl auf. Bei einer Drehzahl von 9000 min^-1 (150 Hz), die im Bereich gängiger DAK- Drehzahlen liegt, beträgt daher die Wechselmomentfrequenz 300 Hz und liegt damit weit über dem normalerweise erforderlichen Regelfrequenzband.

Zur Bestimmung der Nordrichtung mittels des dynamisch abgestimmten Kreisels unter Verwendung des erfindungsgemäßen Momentenerzeugers wird die Rotationsachse des Kreisels vertikal ausgerichtet. Der Kreisel sensiert dann unmittelbar die horizontale Komponente der Erddrehgeschwindigkeit durch Phasenvergleich zwischen der Phasenlage des Rotors 16 in Bezug auf einen Referenzpunkt und der Phasenlage des Spulenstroms bzw. Rückführstroms. Der Betrag des Stroms ist gleichzeitig ein Maß für die geographische Breite des Meßortes. Wie in Fig. 3 dargestellt, eignet sich als Meßprinzip für die Phasenlage des Spulenstroms das Auszählen einer Frequenz f_z im Zeitintervall zwischen einem Impuls der Frequenz A, der durch den Sensor 8 erzeugt wird und damit die Lage des Rotors 16 zum Gehäuse 10 definiert, und dem ansteigenden Nulldurchgang des Rückführstroms i_R. Pro Umdrehung des Rotors 16 erhält man also ein Meßergebnis. Wählt man beispielsweise die Zählfrequenz f_z gleich den 6400fachen der Drehzahl des Rotors 16 von 150 Hz, so ergibt sich als Zählfrequenz 960 kHz, damit kann durch das Zählergebnis sofort die Nordrichtung in Strich ausgedrückt werden.

Zur Stabilisierung der Rotordrehzahl kann die Speisefrequenz für den Kreiselmotor in einfacher Weise direkt aus der Zählfrequenz f_z gewonnen werden oder auch die beiden Frequenzen durch einen konstanten Faktor in Relation gesetzt werden.

Da die Meßergebnisse unmittelbar nach dem Hochlauf und Fesseln des Kreisels mit hoher zeitlicher Folge anfallen, erhält man sehr schnell nach der Inbetriebnahme erste Ergebnisse, also ca. 10 sec. nach dem Einschalten. Eine einfache Mittelwertbildung kann man beispielsweise durch n-faches Aufsummieren der Zählergebnisse und folgendes Teilen durch n erreichen, oder man setzt die Zählfrequenz um 1/n herab und erhält nach n Umdrehungen das Ergebnis. Wie bei anderen Nordsuchverfahren, kann auch hier durch 180°-Umschlag die feste Drift unterdrückt werden und damit ein Kalibrierwert und ein Korrekturwert (oder eine Korrekturfunktion) gewonnen werden; der Kalibrierwert kann dann bei den nächsten Messungen verwendet werden und stellt sich einfach als Zahl dar, die dem Meßergebnis hinzuzurechnen ist.

Claims (4)

1. Momentenerzeuger zur Erzeugung eines Kippmoments, das auf einen angetriebenen Rotor wirkt, enthaltend wenigstens eine insbesondere statorseitig angeordnete Ringspule und eine insbesondere rotorseitige, einpolpaarige Magnetanordnung, deren Magnete derart angeordnet sind, daß bei Ansteuerung der Spule ein Kippmoment erzeugt wird, wobei die Ringspule konzentrisch zum Rotor angeordnet ist und der Ringspule ein modulierter Strom zuführbar ist, dessen Frequenz der Drehzahl des Rotors entspricht und dessen Phase in Bezug zur Phasenlage des Rotors entsprechend der zu erzeugenden Momentrichtung des Rotors einstellbar ist, und wobei ferner ein Sensor (8) vorgesehen ist, der zum Sensieren von Kippbewegungen der Rotorachse dient und ein entsprechendes Signal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1, 16) mittels Federelementen (13, 14) an einer Welle (15) befestigt ist und das Signal einem Momentengeber in der Art eines dynamisch abgestimmten Kreisels über Fesselregler zugeführt wird.

2. Momentenerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensoren (8, 20) am Umfang des Rotors (1, 16) unter einem Winkel von 90° angeordnet sind, die zum Sensieren von Kippbewegungen der Rotorachse dienen und deren Signale über den Fesselregler dem Momentengeber zugeführt werden.

3. Momentenerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Gleichstrommotors als Antriebsmotor die Drehfrequenz des Rotors aus den Kommutierungssignalen ermittelt wird.

4. Momentenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse des Rotors (1, 16) vertikal ausgerichtet ist und das dem Fesselregler zugeführte Signal außerdem einer Auswerteschaltung zugeführt wird zur Bestimmung der horizontalen Komponente der Erddrehgeschwindigkeit aus der Amplitude des Signals und wobei aus der Phasenlage in Bezug zu einem Referenzimpuls die Nordrichtung ermittelt und angezeigt wird.