DE4102478A1

DE4102478A1 - Inductive angle transducer for machinery, research, control etc. - has sectored surface bounding airgap between mutually rotatable soft magnetic cores

Info

Publication number: DE4102478A1
Application number: DE19914102478
Authority: DE
Inventors: Christof Prof Dr Ing Rohrbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-01-29
Filing date: 1991-01-29
Publication date: 1991-05-29

Abstract

An inductive angle transducer contains at least two mutually rotatable, soft magnetic cores separated by at least two air gaps (6) and at least one coil enclosing at least one of the cores. At least one of the surfaces bounding each air gap varies with the rotation angle of at least one core (5). At least one of the surfaces bounding the air gaps is shaped as a circular sector. USE/ADVANTAGE - For measurement of rotation angles, e.g. on machinery and for research and control applications. Transducer eliminates conventional disadvantages of limited range, small linear region etc.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Winkelaufnehmer, bestehend aus wenigstens zwei gegeneinander drehbeweglichen Kernen, die durch wenigstens zwei Luftspalte voneinander getrennnt sind, und wenigstens einer Spule, die wenigstens einen der Kerne umschließt.The invention relates to an inductive angle sensor, consisting of at least two rotatable against each other Cores separated by at least two air gaps are separated, and at least one coil, at least encloses one of the cores.

Bei Drehung des beweglichen Teiles des Aufnehmers ändern sich die Induktivitäten der Spulen. Ihre Größe ist somit ein Maß für den Drehwinkel.Change when the moving part of the transducer rotates the inductances of the coils. So your size is a measure of the angle of rotation.

Mittels einer elektronischen Schaltung können die Induk tivitäten gemessen werden. Man benötigt derartige Aufnehmer zum Messen von Winkeln z. B. an drehbeweglichen Maschinen teilen, an Versuchsaufbauten der experimentellen Mechanik oder an Stellgliedern.The induc activities are measured. Such sensors are required for measuring angles z. B. on rotating machines share, on experimental setups of experimental mechanics or on actuators.

Das Messen von Winkeln erfolgte bisher mit Aufnehmern, welche die verschiedensten physikalischen Effekte benutzten (1). Die bekannten induktiven Aufnehmer (2) sind entweder nur für einen mechanisch begrenzten Winkelbereich verwend bar, also nicht anschlagsfrei durchdrehbar, oder besitzen nur einen kleinen linearen Meßbereich. Außerdem ist ihre Herstellung aufwendig.Up to now, angles were measured with sensors, which used different physical effects (1). The known inductive sensors (2) are either only used for a mechanically limited angular range cash, i.e. not rotatable without a stop, or have only a small linear measuring range. Besides, hers is Manufacturing complex.

Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden. Außerdem ergeben sich weitere Vorteile. The object of this invention is to overcome these drawbacks avoid. There are also other advantages.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden gegeneinander drehbeweglichen Kerne durch einen Luftspalt konstanter Höhe getrennt sind, daß sich aber die zugehörigen Flächen linear mit dem Drehwinkel ändern. Dies bedeutet sich linear mit dem Drehwinkel ändernde Induktivi täten der Spulen. Durch diese Anordnung wird eine unbe schränkte Durchdrehbarkeit des Aufnehmers erreicht. Je nach Auslegung der Flächen lassen sich außerdem ein sehr großer Meßbereich oder auch eine besonders hohe Empfindlichkeit erreichen.The object is achieved in that the two cores rotatable relative to each other by one Air gap of constant height are separated, but that the change associated surfaces linearly with the angle of rotation. This means inductors that change linearly with the angle of rotation the coils. With this arrangement an unbe limited rotation of the transducer is achieved. Depending on Layout of the areas can also be a very large Measuring range or a particularly high sensitivity to reach.

Eine vorteilhafte Variante der Erfindung besteht darin, daß die Flächen der Luftspalte sich in Einzelflächen aufspalten lassen. Man erreicht so eine sehr hohe Empfindlichkeit, allerdings unter Einbuße an Meßbereich.An advantageous variant of the invention is that the areas of the air gaps split into individual areas to let. You get a very high sensitivity, albeit at the loss of the measuring range.

Eine noch bessere Linearität und gleichzeitig eine gute Temperaturkompensation erzielt man, wenn man zwei der Aufnehmer zu einer Einheit vereinigt, in der die Flächenänderungen der Luftspalte zueinander gegenläufig erfolgen.Even better linearity and good at the same time Temperature compensation can be achieved by using two of the Sensor combined into one unit, in which the Changes in the area of the air gaps in opposite directions respectively.

Eine kompakte Bauweise erzielt man, wenn man zwei gegen einander geschaltete Spulen auf den beiden Schenkeln eines einzigen Kernes anordnet.A compact design can be achieved by two against interconnected coils on the two legs of one arranges single core.

Die Vorteile des Gegenstandes der Erfindung werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.The advantages of the subject matter of the invention are illustrated of the following embodiments explained.

Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen: The associated drawings show:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Aufnehmer, Fig. 1 shows a cross section through a receiver,

Fig. 2 eine Aufsicht auf den festen Kern des Aufnehmers nach Fig. 1, Fig. 2 is a plan view of the solid core of the transducer of FIG. 1,

Fig. 3 eine Aufsicht auf die Spule des Aufnehmers nach Fig. 1, Fig. 3 is a plan view of the coil of the transducer of FIG. 1,

Fig. 4 eine Aufsicht auf den drehbeweglichen Kern des Aufnehmers nach Fig. 1, Fig. 4 is a plan view of the rotationally movable core of the transducer of FIG. 1,

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Aufnehmer mit aufgespaltenen Flächen der Luftspalte, Fig. 5 shows a cross section through a transducer with the split surfaces of the air gaps,

Fig. 6 eine Aufsicht auf den festen Kern des Aufnehmers nach Fig. 5, Fig. 6 is a plan view of the solid core of the transducer of FIG. 5,

Fig. 7 eine Aufsicht auf die Spule des Aufnehmers nach Fig. 5, Fig. 7 is a plan view of the coil of the transducer of FIG. 5,

Fig. 8 eine luftspaltseitige Aufsicht auf den drehbeweglichen Kern des Aufnehmers nach Fig. 5, Fig. 8 is an air-gap-side plan view of the rotationally movable core of the transducer of FIG. 5,

Fig. 9 einen Querschnitt durch einen Aufnehmer, der aus zwei Aufnehmern gemäß Fig. 1 zusammengesetzt ist, Fig. 9 shows a cross section through a pickup which is composed of two sensors according to FIG. 1,

Fig. 10 einen Querschnitt durch einen Aufnehmer mit zwei Spulen, Fig. 10 shows a cross section through a transducer with two coils,

Fig. 11 eine Aufsicht auf den festen Kern des Aufnehmers nach Fig. 10, Fig. 11 is a plan view of the solid core of the transducer of FIG. 10,

Fig. 12 eine Aufsicht auf den drehbeweglichen Teil des Aufnehmers nach Fig. 10, Fig. 12 is a plan view of the rotationally movable part of the transducer according to Fig. 10,

Fig. 13 eine Wheastonesche Brückenschaltung für erfindungs gemäße Aufnehmer. Fig. 13 is a Wheastone bridge circuit for fiction, contemporary sensor.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen Aufnehmer dar gestellt. Der aus weichmagnetischem Material bestehende feste Kern 1, der vorzugsweise stoffschlüssig mit einem Gehäuse verbunden ist, besitzt einen Zylinder 2 und einen Mantel 3, der die Gestalt eines Hohlzylindersektors aufweist. Der zugehörige Winkel ist α gemäß Fig. 2. In Fig. 1 is a cross section through a transducer is provided. The solid core 1 made of soft magnetic material, which is preferably integrally connected to a housing, has a cylinder 2 and a jacket 3 , which has the shape of a hollow cylinder sector. The associated angle is α according to FIG. 2.

Den Zylinder 2 umfaßt eine Spule 4, die z. B. einige hundert Windungen aus Kupfer-Lack-Draht enthält.The cylinder 2 comprises a coil 4 , the z. B. contains a few hundred turns of enamelled copper wire.

Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf den festen Kern. Der Winkel α begrenzt den Mantel 3. Fig. 2 shows a top view of the solid core. The angle α delimits the jacket 3 .

Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf die Spule 4. Fig. 3 shows a plan view of the coil 4.

Fig. 4 zeigt eine Aufsicht auf den drehbeweglichen Kern 5, der ebenfalls aus weichmagnetischem Material besteht. Der Winkel α, der den kreissektorförmigen Teil des Kernes 5 begrenzt, hat wenigstens die gleiche Größe wie der Winkel α in Fig. 2, beträgt jedoch maximal 180°. Die größten Radien des festen Kernes 1 und des drehbeweglichen Kernes 5 sind einander gleich. Fig. 4 shows a plan view of the rotatable core 5 , which is also made of soft magnetic material. The angle α, which delimits the circular sector-shaped part of the core 5 , has at least the same size as the angle α in FIG. 2, but is a maximum of 180 °. The largest radii of the fixed core 1 and the rotatable core 5 are the same.

Das Zusammenwirken der Teile aus den Fig. 1 bis 4 soll nun anhand der Fig. 1 näher erläutert werden. In der einge zeichneten Stellung decken sich die Konturen des festen Kernes 1 und des drehbeweglichen Kernes 5. Die durch einen Strom in der Spule 4 hervorgerufene magnetische Induktion verläuft durch den festen Kern 1 mit Zylinder 2 und Mantel 3, durch den Luftspalt 6 zwischen den Kernen 1 und 5, durch den drehbeweglichen Kern 5 und den Luftspalt 7 zwi schen Kern 5 und Zylinder 2. Der zu messende Winkel ist β. Wird Kern 5 um einen Winkel β verdreht, bleibt die Fläche des Luftspaltes 7 konstant, die Fläche des Luftspaltes 6 ändert sich jedoch linear mit dem Drehwinkel β so lange, bis sich die Kerne 1 und 5 im Luftspalt 6 nicht mehr bezw. ganz überdecken. Entsprechend ändert sich die Induktivität der Spule 2 proportional zum Winkel β. Diese Induktivität ist somit ein Maß für den zu messenden Winkel β. The interaction of the parts from FIGS. 1 to 4 will now be explained in more detail with reference to FIG. 1. In the drawn position, the contours of the fixed core 1 and the rotatable core 5 overlap. The magnetic induction caused by a current in the coil 4 runs through the fixed core 1 with cylinder 2 and jacket 3 , through the air gap 6 between the cores 1 and 5 , through the rotatable core 5 and the air gap 7 between the core 5 and cylinder 2nd The angle to be measured is β. If core 5 is rotated by an angle β, the area of the air gap 7 remains constant, but the area of the air gap 6 changes linearly with the angle of rotation β until the cores 1 and 5 in the air gap 6 no longer relate. cover completely. Accordingly, the inductance of the coil 2 changes proportionally to the angle β. This inductance is therefore a measure of the angle β to be measured.

Der Kern 5 ist mit einer Welle 8 versehen, die den Winkel β aufnimmt. Die Welle 8 ist z. B. in Kugellagern gelagert, die ihrerseits formschlüssig mit dem Kern 1 verbunden sind.The core 5 is provided with a shaft 8 which receives the angle β. The shaft 8 is e.g. B. stored in ball bearings, which in turn are positively connected to the core 1 .

Mit einem Aufnehmer nach Fig. 1 lassen sich bei Luft spalten von z. B. 1 mm, Winkeln α von 180°, Radien der Kerne 1 und 5 von 5 mm und einer Windungsanzahl der Spule 4 von 500 nahezu winkelproportionale Änderungen der Induk tivität der Spule 4 von 25% erreichen. Diese Änderung ist so groß, daß man sie bereits in einer potentiometrischen Schaltung auswerten kann. Legt man die Spule in eine handelsübliche Wheatstonesche Brücke mit 5 kHz Trägerfre quenz gemäß Fig. 13, ist leicht eine Auflösung von 0,001° erreichbar. Über 180° erreicht man also leicht 180 000 meßbare Winkelschritte.With a transducer according to Fig. 1 can split in air of z. B. 1 mm, angles α of 180 °, radii of the cores 1 and 5 of 5 mm and a number of turns of the coil 4 of 500 almost angle-proportional changes in the inductivity of the coil 4 of 25%. This change is so great that it can already be evaluated in a potentiometric circuit. If you place the coil in a commercially available Wheatstone bridge with 5 kHz carrier frequency as shown in FIG. 13, a resolution of 0.001 ° can easily be achieved. Over 180 ° you can easily reach 180,000 measurable angular steps.

Vorteilhaft ist es, daß eine Drehung des Kernes 5 nicht durch mechanische Anschläge begrenzt ist. Dies bedeutet u. a., daß der Aufnehmer auch zum Messen der Anzahl von Um drehungen oder der Anzahl von Umdrehungen je Zeiteinheit, also zur Drehzahlmessung, eingesetzt werden kann. Hierbei ist besonders vorteilhaft, daß die Amplituden der bei einer Drehzahlmessung erhaltenen elektrischen Spannung unabhängig von der Drehzahl sind. Man kann also auch sehr kleine Drehzahlen messen, wenn die Meßzeit genügend groß ist.It is advantageous that a rotation of the core 5 is not limited by mechanical stops. This means, inter alia, that the transducer can also be used to measure the number of revolutions or the number of revolutions per unit of time, that is, for speed measurement. It is particularly advantageous here that the amplitudes of the electrical voltage obtained during a speed measurement are independent of the speed. You can also measure very low speeds if the measuring time is long enough.

Die Kerne 1 und 5 können sehr leicht aus handelsüblichen sog. Schalenkernen hergestellt werden. Bei den oben genannten Abmessungen lassen sich auch sehr kleine Auf nehmer herstellen. Dieses bedeutet vor allem eine nur sehr geringe mechanische Rückwirkung der Aufnehmer auf das Meßobjekt. The cores 1 and 5 can very easily be produced from commercially available shell cores. With the above dimensions, very small receivers can also be produced. Above all, this means that the transducers have only a very slight mechanical reaction to the test object.

Eine Variante des Aufnehmers nach Fig. 1 ist in Fig. 5 bis 8 dargestellt. Hier tragen der feste Kern 10 und der bewegliche Kern 11 sich gegenüberliegende axialsym metrische Hohlzylindersektionen 12 und 13, die jeweils abwechselnd stufenförmig ausgebildet sind. Alle Hohlzylin dersektionen sind durch den Winkel α begrenzt. Bei Drehung des beweglichen Kerns 11 stehen sich im Luftspalt 14 also abwechselnd zwei erhabene und zwei tiefere Stufen gegen über. Die gesamte Luftspaltfläche ändert sich wiederum linear mit dem Winkel β, jedoch bei n erhabenen Stufen n mal je Umdrehung. Der Meßbereich entspricht demnach nur dem Winkel α. Die Spule 15 ist gleich der Spule 4 in Fig. 3.A variant of the sensor according to FIG. 1 is shown in FIGS. 5 to 8. Here, the fixed core 10 and the movable core 11 bear opposite axially symmetrical hollow cylinder sections 12 and 13 , which are each formed alternately step-like. All Hohlzylin dersections are limited by the angle α. When the movable core 11 rotates, two raised and two deeper steps alternate in the air gap 14 . The total air gap area changes again linearly with the angle β, but with n raised steps n times per revolution. The measuring range therefore only corresponds to the angle α. The coil 15 is the same as the coil 4 in FIG. 3.

Die Stufen können durch entsprechendes Schleifen der meist keramischen Kerne herausgearbeitet werden. Es können aber auch Stufenringe aus weichmagnetischem Metall, die durch Laserschneiden, Ätzen oder Galvanisieren hergestellt wur den, auf die Kerne aufgeklebt werden. Da man mit diesen Techniken auch sehr kleine Abmessungen beherrscht, lassen sich bei einem Radius des Kernes 10 in Fig. 5 von z. B. 10 mm leicht 100 Stufen erzielen. Man erhält so einen inkre mentalen Drehzahlaufnehmer, mit dem man z. B. Drehzahlen von 1 min oder weniger zuverlässig messen kann.The steps can be worked out by grinding the mostly ceramic cores. However, step rings made of soft magnetic metal, which were produced by laser cutting, etching or electroplating, can also be glued to the cores. Since one can also master very small dimensions with these techniques, a radius of the core 10 in FIG . B. 10 mm easily achieve 100 levels. You get an incremental speed sensor with which you can z. B. can reliably measure speeds of 1 min or less.

Die Empfindlichkeit des Aufnehmers nach Fig. 5 ist sehr hoch. Bei z. B. 60 Stufen erreicht man eine Auflösung von 0,0001°. Setzt man den Aufnehmer als Drehzahlmesser ein, lassen sich noch extrem niedrige Drehzahlen messen, da bei Messung mit Trägerfrequenz die Amplitude der n Ausschläge unabhängig von der Drehzahl ist. The sensitivity of the transducer of FIG. 5 is very high. At z. B. 60 steps achieve a resolution of 0.0001 °. If the transducer is used as a tachometer, extremely low speeds can still be measured, since when measuring with carrier frequency the amplitude of the n deflections is independent of the speed.

In Fig. 9 ist ein Aufnehmer in Differentialanordnung dargestellt. Er besteht aus zwei festen Kernen 16 und 17 entsprechend Fig. 1 und zwei beweglichen Kernen 18 und 19 mit α = 180°, ebenfalls entsprechend Fig. 1, die hinterein ander angeordnet sind. Die Kerne 18 und 19 sind unter glei chem Winkel an der Welle 20 befestigt und bewegen sich deshalb um den gleichen zu messenden Winkel Φ. Da die Kerne 16 und 17 zueinander um 180° versetzt sind, ändern sich die Induktivitäten der Spulen 21 und 22 gegenphasig. Legt man sie als Induktivitäten 23 und 24 in zwei Arme einer Wheat stoneschen Brücke nach Fig. 13, addiert sich ihr Einfluß auf das Brückengleichgewicht. Dies bedeutet eine Verdoppe lung der Empfindlichkeit. Wichtiger jedoch ist es, daß sich in dieser Anordnung Linearitäts- und Temperaturfehler der beiden Teilaufnehmer gegenseitig kompensieren. Ebenso ist diese Anordnung auch gegen achsiale Verschiebungen der Wel le 20 relativ unempfindlich, da bei einer solchen Verschie bung die Induktivitäten beider Spulen gleichsinnig beein flußt werden.In Fig. 9, a transducer is shown in differential assembly. It consists of two fixed cores 16 and 17 corresponding to Fig. 1 and two movable cores 18 and 19 with α = 180 °, also according to Fig. 1, which are arranged one behind the other. The cores 18 and 19 are attached to the shaft 20 at the same angle and therefore move by the same angle Φ to be measured. Since the cores 16 and 17 are offset from one another by 180 °, the inductances of the coils 21 and 22 change in phase opposition. If they are placed as inductors 23 and 24 in two arms of a Wheatstone bridge according to FIG. 13, their influence on the bridge balance is added. This means a doubling of the sensitivity. It is more important, however, that linearity and temperature errors of the two partial transducers compensate each other in this arrangement. Likewise, this arrangement is also relatively insensitive to axial displacements of the Wel le 20 , since with such a displacement the inductances of both coils are influenced in the same direction.

In den Fig. 10, 11 und 12 ist ein Aufnehmer dargestellt, der sich durch geringes Bauvolumen auszeichnet und trotzdem in Brückenschaltung ein weitgehendes Selbstkompensieren symmetrischer Meßfehler aufweist. Während der bewegliche Kern 23 dem Kern 5 in Fig. 1 entspricht, allerdings mit α = 180°, hat der feststehende Kern 24 zwei Mäntel 25 und 26, die jeweils dem Mantel 3 in Fig. 1 entsprechen und denen jeweils eine Spule 27 bezw. 28 zugeordnet ist. Bei einer Drehbewegung des Kernes 23 werden die Induktivitäten der Spulen 27 und 28 gegenphasig verändert. Die ensprechenden Ausschläge einer Wheastoneschen Brücke addieren sich somit. In FIGS. 10, 11 and 12, a sensor is shown, which is characterized by a small size and yet exhibits in the bridge circuit a far-reaching self-compensating symmetrical measurement error. While the movable core 23 corresponds to the core 5 in FIG. 1, but with α = 180 °, the fixed core 24 has two jackets 25 and 26 , each of which corresponds to the jacket 3 in FIG. 1 and which respectively have a coil 27 . 28 is assigned. When the core 23 rotates, the inductances of the coils 27 and 28 are changed in phase opposition. The corresponding deflections of a Wheastone bridge add up.

Fig. 13 zeigt die oben schon erwähnte, bekannte Wheatsto nesche Brückenschaltung mit der Speisespannung U_S und der Diagonalspannung U_D. Die sich gegenphasig ändernden Induk tivitäten 23 und 24 entsprechen den Induktivitäten 21 und 22 in Fig. 9 oder 27 und 28 in Fig. 10. Mit den komplexen Widerständen 25 und 26 läßt sich der Nullpunkt der Brücke einstellen. Fig. 13 shows the aforementioned Wheatsto nesche bridge circuit with the supply voltage U _S and the diagonal voltage U _D. The changing in phase inductors 23 and 24 correspond to the inductors 21 and 22 in Fig. 9 or 27 and 28 in Fig. 10. With the complex resistors 25 and 26 , the zero point of the bridge can be set.

(1) Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen, herausg. von Chr. Rohrbach, VDI-Verlag, Düsseldorf (1967)(1) Manual for electrical measurement of mechanical quantities, published by Chr. Rohrbach, VDI-Verlag, Düsseldorf (1967)

(2) Wie (1), S. 170 bis 176 und 474 bis 476.(2) Like (1), pp. 170 to 176 and 474 to 476.

Claims

1.Inductive angle sensor, consisting of at least two mutually rotatable, soft magnetic cores which are separated from one another by at least two air gaps, and at least one coil which at least encloses one of the cores, characterized in that at least one of each air gap ( 6 , 14 ) limiting surface is changed by the rotation of at least one core ( 5 , 12 , 18 , 19 ) depending on its angle of rotation.

2. Inductive angle sensor according to claim 1, characterized in that at least one of the air gap ( 6 , 14 ) delimiting surfaces has the shape of a circular ring sector.

3. Inductive angle sensor according to claim 1 and following, characterized in that he has several Areas in the form of circular ring sectors.

4. Inductive angle sensor according to claim 1 and following, characterized in that it consists of at least two elements according to claim 1, each of which areas delimiting the air gap in opposite directions depending be changed by the angle of rotation.

5. Inductive angle sensor according to claim 1 to 4, characterized in that at least one of the two movable cores ( 24 ) has two coils ( 27, 28 ), each enclosing an arm of a core ( 24 ).

6. Inductive angle sensor according to claim 1 and the following, characterized in that at least one coil ( 4 , 15 , 21 , 22 , 27 , 28 ) is connected in a Wheatstone bridge.