DE3502899A1

DE3502899A1 - Tachogenerator mit einer feststehenden spule aus einem material mit magnetfeldabhaengigem widerstand

Info

Publication number: DE3502899A1
Application number: DE19853502899
Authority: DE
Inventors: Naoki Kanagawa Akiyama; Kenichi Kitamura; Eiichi Fujieda Shizuoka Kotake
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1984-01-30
Filing date: 1985-01-29
Publication date: 1985-08-01
Also published as: US4656377A; DE3502899C2

Description

Tachogenerator mit einer feststehenden Spule aus einem Material mit magnetfeldabhängige^m Widerstand

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tachogenerator.

Zu gegenwärtig gebräuchlichen Tachogeneratoren gehört auch eine Vorrichtung, bei der ein einzelnes Widerstandselement, dessen Widerstand magnetfeldabhängig ist, in unmittelbarer Nähe von Polflächen eines Rotors befestigt ist. Obwohl ein derartiger Tachogenerator aufgrund der Geschwindigkeits-Unabhängigkeit des magnetfeldabhängigen Widerstandelements vorteilhaft zum Feststellen extrem geringer Winkelgeschwindigkeiten einzusetzen ist, treten dabei aufgrund mechanischer Toleranzen unerwünschte Spannungsschwankungen auf. Dies vermindert die Qualität der dabei erhaltenen Ergebnisse beträchtlich und entspricht nicht den Anforderungen, die t,_ei Anwendungen bei hochpräzisen Drehzahlregelungen gestellt werden.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen äußerst genauen Tachogenerator zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf einer Oberfläche eines Stators ein Film gebildet wird, der aus einem Material mit magnetfeldabhängigem Widerstand besteht und sich konzentrisch um die Achse eines Rotors über einen Bogenbereich von mindestens 180 in einer räumlich-periodischen Struktur erstreckt, die eine Vielzahl von Seitenabsehnitten aufweist, die in einem Winkelabstand zueinander angeordnet und durch dazwischenliegende Längsabschnitte in Serie zwischen Ausgangsanschlüssen verbunden sind. Die seitlichen Abschnitte der aus dem magnetfeldabhängigen Material gefertigten

Spule bewirken, daß Spannungsschwankungen aufgrund von Herstellungstoleranzen ausgemittelt werden, so daß Fehler an den Anschlüssen der Spule unterdrückt werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Tachogenerator in einer scheibenförmigen Anordnung flach hergestellt. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß die Spule auf einer ebenen Fläche des Sta-2g tors in einer periodischen Struktur aus einer Vielzahl von radialen Abschnitten geformt wird, und daß auf einer der Fläche des Stators gegenüberliegenden ebenen Fläche Magnetpolflächen gebildet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin- _; dung werden unerwünschte Spannungsänderungen, die aufgrund elektromotorischer Kräfte mit der halben Frequenz von Widerstandsänderungen auftreten, dadurch ausgeschaltet, daß die seitlichen Abschnitte der Spule derart angeordnet werden, daß zwei benachbarte Abschnitte einen Abstand besitzen, der jeweils, einem geradzahligen Vielfachen des Winkelabstands der Magnetpolflächen entspricht .

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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Figur 1 ist eine Ansicht eines an einem Motor befestigten ersten Ausführungsbespiels des erfindungsgemäßen Tachogenerators;

Figur 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Figur 1 und zeigt Magnetpolflächen;

Figur 3 ist ein Querschnitt entlang der Linie 3-3 aus Figur 1 und zeigt die Struktur einer Spule des ersten Ausführungsbeispiels, sowie eine Stromversorgung und eine Spannungsmessungs-Schaltung;

Figur 4 ist eine Ansicht einer alternativen Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Tachogenerators, wobei der Rotor außerhalb des Stators dargestellt ist, um die Innenseite sichtbar zu machen;

Figur 5 ist eine Draufsicht des Tachogenerators gemäß Figur 4; . .

Figur 6 ist eine Draufsicht und zeigt eine zweifache Spulenstruktur eines zweiten Ausführungsbespiels des erfindungsgemäßen Tachogenerators, sowie eine damit verbundene Drehzahl~ und- Phasen-Meßschaltung;

Figur 7 ist eine Draufsicht auf eine einzelne Spulenstruktur eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

gg Figur 8 zeigt die Magnetpolflächen und einen Abschnitt der Spule aus Figur 7 in einer Abwicklung;

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Figur 9 ist eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform des dritten Ausführungsbespiels;

Figur 10 zeigt eine Abwicklung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 9.

Ein Tachogenerator 10 ist gemäß Figur 1 zum Beispiel an einem Elektromotor 20 befestigt.

De^r Tachogenerator 10 enthält einen Rotor 11 und einen Stator 12. Der Rotor 11 ist an einer Welle 13 des Elektromotors 20 befestigt. Der Rotor 11 hat die Form einer Scheibe und besitzt eine Vielzahl gleichmäßig unterteilter radialer Abschnitte 14, die in Richtung der Achse der Welle 13 jeweils abwechselnd entgegengesetzt magnetisiert sind, so daß in einer gemeinsamen ebenen Fläche 11a, die parallel zu einer Fläche des Stators 12 liegt, Magnetpolflächen 14a und 14b entstehen. Die magnetischen Grenzlinien zweier benachbarter Magnetpolflächen erstrecken sich daher in radialer Richtung und haben denselben Winkelabstand zueinander.

Der Stator 12 enthält einen ringförmigen, isolierenden Spulenträger 16, der aus Epoxydharz oder Bakelit besteht und am Elektromotor 20 befestigt ist. Die Welle 13 erstreckt sich durch ein Rundloch 21 und ist an einem Rotor des Elektromotors 20 so befestigt, daß die Magnetpolfläche 11a einer Fläche 16a des Spulenträgers 16 in axialem Abstand gegenüberliegt.

Auf die Fläche 16a des Spulenträgers 16 ist ein streifenförmiger, ferromagnetischer Film aufgebracht, der aus einem Material besteht, dessen Widerstand magnetfeldabhängig ist, wie zum Beispiel Permalloy, Nickel-Kobalt-Legierungen oder dergleichen. Ein derartiges ferromagnetisches Material wird mit Hilfe einer stromlosen Plattierung, eines Zerstäubungsverfahrens oder eines Vakuum-

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Ausdampfungsverfahrens auf den Spulenträger 16 in Form einer einfach gewundenen Flachspule mit einer Schichtdicke von 50 nm bis 1 ^im abgelagert. Das ferromagnetische Material wird dabei entlang eines Weges aufgebracht, der sich konzentrisch zur Drehachse des Rotors 11 in einer räumlich-periodischen Struktur erstreckt, die eine Vielzahl von Seitenabschnitten 17a aufweist, die radial und im selben Winkelabstand zueinander angeordnet sind und durch dazwischenliegende äußere und in-

XO nere Längs- oder Bogenabschnitte 17b bzw. 17c in Reihe miteinander verbunden sind. Die Seiten- bzw. Radial-Abschnitte 17a haben denselben Winkelabstand zueinander wie die Magnetpolflächen, so daß jeweils ein Radial-Abschnitt in Achsenrichtung mit einer magnetischen Grenz-' linie zwischen den Magnetpolflächen übereinstimmt. Der Spule 17 wird über den positiven Anschluß einer Gleichstromquelle 18 und über einen Lastwiderstand 19 ein Strom zugeführt, der über den negativen Anschluß der Gleichstromquelle 18 wieder abfließt, so daß Spannungsänderungen festgestellt werden können.

Die Widerstände der Radial-Abschnitte 17a ändern sich proportional zur Magnetfeldstärke. Diese Widerstandsänderungen ergeben in ihrer Gesamtheit eine Widerstandsänderung die gewöhnlich die Form einer Sinuskurve besitzt, deren Amplitude im wesentlichen konstant ist und deren Änderungsgeschwindigkeit bzw. Frequenz proportional zur Drehgeschwindigkeit des Rotors 11 ist. Durch die elektromotorische Kraft (EMK) werden in den Radial-Abschnitten 17a zusätzlich Spannungen induziert, die proportional zur Änderungsgeschwindigkeit der Magnetfeldstärke sind. Diese Spannungen ergeben zusammen eine sinusförmige Spannung, deren Amplitude und Frequenz sich proportional zur Drehgeschwindigkeit des Rotors ändern. Die Frequenz der

3g EMK ist halb so groß wie die der Widerstandsänderungen. Diese Spannungsänderungen werden aufsummiert und erscheinen an Anschlüssen 22 und 23.

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Die Aufsummierung der Spannungsänderungen bei dem erfindungsgemäßen Tachogenerator bewirkt, daß unerwünschte kleine Schwankungen, die aufgrund von Herstellungstoleranzen auftreten könnten, ausgemittelt werden. Da eine Vielzahl von Seiten-Abschnitten 17a zusammen mit einer Vielzahl von Magnetpolflächen 14a und 14b vorgesehen ist, wurde festgestellt, daß es genügt, wenn sich die Spule 17 über einen Bogenbereich von mindestens 180 erstreckt. Die Zahl der Magnetpolflächen bewegt sich in IQ der Praxis zwischen 60 und 1000, und zwar in Abhängigkeit vom Durchmesser des Tachogenerators und vor allem vom benötigten Genauigkeitsgrad.

Wenn die Drehgeschwindigkeit des Rotors relativ gering ist, verringert sich die Größe des induzierten EMK-Spannungsanteils, wodurch die Größe der auf die Widerstandsänderungen zurückzuführenden Spannungsänderungen viel größer wird als die EMK-Spannungsanteile. Da die Widerstandsänderung demzufolge bei geringen Geschwindigkeiten überwiegt, erzeugt der erfindungsgemäße Tachogenerator Spannungsschwankungen mit konstanter Amplitude und mit der doppelten Frequenz der EMK-Spannung. Dies bringt vor allem Vorteile bei der Herstellung von Winkelgeschwindigkeits- oder Winkelstellungs-Sensoren für Anwendungen bei geringer Drehzahl. Bei hohen Drehzahlen überwiegen jedoch die induzierten EMK-Spannungsanteile, da deren Größe proportional zur Drehgeschwindigkeit des Rotors wächst. Man erhält daher Spannungsänderungen mit hoher Amplitude. Zwar ist ihre Frequenz nur halb so groß wie

die der Widerstandsänderungen, doch gleicht der Betrieb 30

mit hoher Geschwindigkeit diese herabgesetzte Frequenz wieder aus.

Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel kann die Spule 17 auf sehr wirksame Weise gestaltet werden und es wird ein flacher, scheibenförmiger Aufbau geschaffen.

Es ist jedoch auch möglich, die Magnetpol flächen und die seitlichen Spulenabschnitte in gegenüberliegenden Zylinderflächen anzuordnen. Die Figuren 4 und 5 zeigen eine derartige zylindrische Anordnung. Ein zylinderförmig aufgebauter Tachogenerator 30 enthält einen" Rotor 31 und einen Stator 32. Der Rotor 31 ist eine Scheibe, deren axiale Abmessung ausreicht, um aufgrund ihres Magnetfelds in einer feststehenden Spule eine Widerstandsänderung hervorzurufen. Gemäß Figur 5 besitzt der Rotor 31 eine Vielzahl von im gleichen Winkelabstand zueinander angeordneten Abschnitten, die in radialer Richtung magnetisiert und jeweils entgegengesetzt gepolt sind, so daß auf der Zylinder-Außenfläche der Rotorscheibe Magnetpolflächen 32a und 33b entstehen. Der Rotor 31 ist an einer Welle 34 des Motors 20 befestigt.

Der Stator 32 besteht aus einem isolierenden, zylindrischen Spulenträger 35, der in seiner Mitte ein Loch 36 aufweist, durch das die Rotorwelle 34 zum Motor führt, so daß die zylindrisch angeordneten Magnetpolflächen des Rotors 31 in einem gleichmäßigen Abstand einer inneren Zylinderfläche des feststehenden Spulenträger 35 gegenüberliegen, auf der eine Spule 37 mit magnetfeldabhängigem Widerstand ausgebildet ist. Wie beim vorausgegangenen Ausführungsbeispiels besitzt die Spule 37 eine räumlich-periodische Struktur, die eine Vielzahl von im gleichen Winkelabstand zueinander angeordneten Seiten-Abschnitten 37a aufweist, die parallel zur Drehachse des Rotors 31 verlaufen und mit dazwischenliegenden oberen und unteren Längsabschnitten 37b und 37c in Reihe verbunden sind. Die Anzahl der Seiten- bzw. Axial-Abschnittes 37a stimmt mit der Anzahl der Magnetpolflächen 33 überein. Die Spule 37 wird auf gleiche Weise aufgebracht, wie es beim vorangegangen Ausführungsbeispiel beschrieben wurde. Eine Stromversorgung und eine Spannungsmessungs-Schaltung gemäß Figur 3 werden mit der Spule 37 verbunden, wie es in Figur 3 gezeigt ist.

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Wenn in manchen Anwendungsfällen auch die Drehrichtung des Motors 20 festgestellt werden soll, kann gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung anstelle der in Figur 3 gezeigten einfachen Spulenstruktur eine doppelte Spulenstruktur gemäß Figur 6 eingesetzt werden. Die doppelte Spulenstruktur besteht aus einer äußeren Spule 40 und einer inneren Spule 50, die jeweils die gleiche Anzahl von Radial-Abschnitten 40a bzw. 50a aufweisen. Die Radial-Abschnitte 50a haben bezüglich der Radial-Abschnitte 40a einen Winkelversatz, der einer 90 Phasenverschiebung der Ausgangsspannung oder einem Viertel des Winkels zweier benachbarter Magnetpolflächen entspricht. Die innere Spule 50 ist mit einer Spannungsquelle 18a über einen Lastwiderstand 19a verbunden, während die äußere Spule 40 über einen Lastwiderstand 19b mit einer Spannungsquelle 18b verbunden ist. Eine Drehzahl-Ermittlungseinrichtung 41 kann wahlweise mit den Ausgängen der inneren oder der äußeren Spule verbunden werden. Die Drehrichtung des Motors 20 kann festgestellt werden, indem ein Phasendetektor 42 mit den Ausgängen der inneren und der äußeren Spule verbunden wird.

Gemäß einem dritten Ausführungsbeipiels des erfindungsgemäßen Tachogenerators sind die Seiten-Abschnitte der Spulenstruktur paarweise angeordnet. Diese Paare besitzen dabei einen gegenseitigen Winkelabstand, der einem ganzzahligen Vielfachen des Winkelabstands der Magnetpolflächen entspricht, wodurch die von der EMK induzierten Ströme in den seitlichen Abschnitten eines jeden Paars jeweils in entgegengesetzter Richtung fließen.

Die Figur 7 zeigt eine derartige Spule 60. Die Spule 60 weist eine Vielzahl von seitlichen Abschnitten 60a auf, die sich radial erstrecken und paarweise zusammengefaßt sind, wobei die seitlichen Abschnitte eines jeden Paars und die seitlichen Abschnitte zweier benachbarter Paare einen Winkelabstand haben, der dem zweifachen Winkelab-

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stand der Magnetpolflächen 14a und 14b entspricht. In Figur 8 ist die lagemäßige Beziehung der Magnetpolflächen 14a und 14b zur Spule 60 in einer Abwicklung dargestellt. Man erkennt, daß die EMK-Spannungen, die in

den seitlichen Abschnitten 60a eines jeden Paares induziert werden, dieselbe, durch Pfeile 62 angegebene Polarität haben und sich daher gegenseitig aufheben. Das an Anschlüssen 61 verfügbare Ausgangssignal enthält daher

nur Spannungsänderungen, die von Widerstandsänderungen 10

hervorgerufen werden. Durch die Ausblendung der induzierten EMK-Spannungsanteile hat die Ausgangsspannung eine reine Sinusform mit konstanter, von der Rotordrehzahl unabhängiger Amplitude.

Figur 9 zeigt eine alternative Ausführungsform des dritten Ausführungsbeispiels. Eine Spule 70 ist dabei derart geformt, daß eine Vielzahl von seitlichen Abschnitten 70a entsteht, die paarweise zusammengehören und sich in radialer Richtung erstrecken. Die seitlichen Abschnitte eines jeden Paares haben einen gegenseitigen Winkelabstand, der dem Doppelten des Winkelabstands der Magnetpolflächen 14a und 14b entspricht, während der Winkelabstand der seitlichen Abschnitte zweier benachbarter Paare dem der Magnetpolflächen entspricht. Die in den seitlichen Abschnitten 70a eines jeden Paars induzierten EMK-Spannungen haben daher dieselbe Polarität, während die Polarität der in den benachbarten Paaren induzierten EMK-Spannungen genau entgegengesetzt ist; dies ist in Figur 10 durch Pfeile 72 und 73 verdeutlicht. Die in jedem Paar erzeugten Spannungen heben sich daher gegenseitig auf.

Es wird ein Tachogenerator offenbart, bei dem auf einer Fläche eines Stators auf einem kreisförmigen Weg, der konzentrisch zur Achse eines Rotors liegt, eine Spule

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ausgebildet ist, die aus einem Film mit magnetfeldabhängigem Widerstand besteht und eine räumlich-periodische Struktur aufweist, die aus einer Vielzahl von Seitenabschnitten besteht, die in Winkelabstand zueinander liegen und durch Längsabschnitte zwischen Ausgangsanschlüssen zueinander in Reihe geschaltet sind. Die Fläche des Stators liegt einer Fläche . des Rotors gegenüber, auf der eine Vielzahl von Magnetpolflächen geformt ist, die im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet und jeweils abwechselnd entgegengesetzt magnetisiert sind. Durch die Spule wird ein Strom geleitet, um Spannungsänderungen hervorzurufen. Unerwünschte kleine Spannungsschwankungen aufgrund von Herstellungstoleranzen erscheinen an den Ausgangsanschlüssen der Spule nicht, da sie

ausgemittelt werden.

Claims

Patentansprüche

einen Rotor (11; 31), der an einer Welle (13) eines rotierenden Körpers befestigbar ist und der eine Vielzahl von Magnetpolflächen (14; 33) besitzt, die in gleichen Winkelabständen zueinander angeordnet und jeweils abwechselnd entgegengesetzt magnetisiert sind und in einer ersten Fläche (Ha) liegen, sowie durch einen Stator (12; 32), der einen isolierenden, feststehenden Spulenträger (16; 35) mit einer der ersten ' Fläche (Ha) gegenüberliegenden zweiten Fläche (16a) und eine Spule (17; 37) aufweist, die aus einem Material mit magnetfeldabhängigem Widerstand besteht und auf der zweiten Fläche (16a) derart ausgebildet ist, daß sie sich konzentrisch zur Achse der Welle (13) über einen Kreisbogen von mindestens 180 in einer räumlich-periodischen Struktur erstreckt, die eine Vielzahl von Seitenabschnitten (17a; 37a) aufweist, die im Winkelabstand zueinander angeordnet und durch dazwischenliegende Längsabschnitte (17b, 17c; 37a, 37b) in Reihe miteinander verbunden sind.

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2. Tachogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelabstand der Seitenabschnitte (17a; 37a) ein ganzzahliges Vielfaches des Winkelabstands der Magnetpolflächen (14; 33) ist.
3. Tachogenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (18, 19), die die Spule (17; 37) mit einem elektrischen Strom versorgt und der Drehung des Rotors (11) entsprechende Spannungsänderungen erzeugt.

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4. Tachogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fläche (lla) und die zweite Fläche (16a) eben sind, und daß sich die Seitenabschnitte (17a) radial zur Achse der Welle (13) hin erstrecken.

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5. Tachogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fläche (Ha) und die zweite Fläche (16a) Zylinderform haben und konzentrisch zur Achse der Welle (13) sind.

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6. Tachogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenabschnitte (I7a; 37a) der Spule (17; 37) im gleichen Winkelabstand wie die Magnetpolflächen (14; 33) angeordnet sind.

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7. Tachogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenabschnitte (60a) paarweise ausgebildet sind, wobei ihr gegenseitiger Abstand einem geradzahligen Vielfachen des Winkelabstands der Magnetpolflächen (14) entspricht.
8. Tachogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (17; 37) einen auf dem isolierenden Spulenträger (16; 35) aufgebrachten Film enthält.

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9. Tachogenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Spule (50), die aus einem Material mit

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magnetfeldabhängigem Widerstand besteht und auf der zweiten Fläche (16a) des Spulenträgers (16) entlang eines zweiten Wegs ausgebildet ist, der sich konzentrisch um die Achse der Welle (13) über einen Kreisbogen von mindestens 180 in einer räumlich-periodischen Struktur erstreckt, die eine Vielzahl von Seitenabschnitten (50a) aufweist, die in einem Winkelabstand zueinander angeordnet und über dazwischenliegende Längsabschnitte in Reihe miteinander verbunden , sind, wobei die Seitenabschnitte (50a) der zweiten : Spule (50) bezüglich der Seitenabschnitte (40a) der ersten Spule (40) derart versetzt sind, daß Änderungen eines Ausgangssignals der zweiten Spule (50) eine Phasenverschiebung um 90° gegenüber Änderungen eines Ausgangssignals der ersten Spule (40) aufweisen.
10. Tachogenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich- *. net, daß die Seitenabschnitte (50a) der zweiten Spu- \ Ie (50) um einen Winkel versetzt sind, der einem ^ Viertel des Winkelabstands der Magnetpolflächen (14) entspricht.
11. Tachogenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Seitenabschnitte (40a, 50a) der ersten Spule (40) und der zweiten Spule (50) in radialer Richtung erstrecken und in konzentrischen Kreisen angeordnet sind.