-
Die
Erfindung betrifft einen Drehwinkelgeber mit mindestens zwei ringförmigen Spulen,
mehreren stationären
ring- bzw. ringsektorförmig
ausgebildeten, konzentrisch zu einer Welle angeordneten und axial
hintereinander gestapelten Koppelkernteilen und einem auf der Welle
angeordneten ferromagnetischen Koppelelement, mit dem die Kopplung
zwischen den Spulen drehwinkelabhängig veränderbar ist.
-
Ein
derartiger Drehwinkelgeber ist beispielsweise aus der
US 4 755 751 A bekannt. Dieser
bekannte Drehwinkelgeber weist drei Spulen, zwei stationäre Koppelkernteile
und ein auf einer Welle angeordnetes ferromagnetisches Koppelelement
auf, mit welchem die Kopplung zwischen den Spulen drehwinkelabhängig veränderbar
ist, wobei die Spulen und die Koppelkernteile ringförmig ausgebildet,
konzentrisch zur Welle angeordnet und axial hintereinander gestapelt
sind und das ferromagnetische Koppelelement innerhalb des Innendurchmessers
dieser ringförmigen
Teile angeordnet ist und sich im Wesentlichen über die gesamte axiale Länge dieser
gestapelten Teile erstreckt.
-
Positionsgeber
für lineare
Bewegungen sind bekannt, bei denen ein beweglicher ferromagnetischer
Eisenkern gegenüber
mehreren, meist hintereinander angeordneten Spulen bewegbar ist.
Je nach Stellung des Kerns wird die Kopplung zwischen den Spulen
verändert,
und diese Veränderungen werden
durch entsprechende Meßschaltungen
ausgewertet. Häufig
werden die Spulen zu einem Differentialtransformator zusammengeschaltet,
d.h., eine Spule dient als Primärspule,
während
zwei andere, gegeneinander geschaltete Spulen als Sekundärspule angeschlossen
werden. Es ist auch möglich,
anstelle der Kopplung die Induktivitätsänderungen der Spulen durch
den beweglichen Eisenkern auszuwerten. Schließlich können solche Positionsgeber
auch als Drehwinkelgeber ausgebildet werden, bei denen der Eisenkern
eine bogenförmige
Bewegung ausführt,
so daß der
Drehwinkel einer Welle abgetastet werden kann.
-
Aus
der
DE 31 41 015 A1 ist
ein Drehwinkelgeber bekannt, bei dem ein exzentrisch auf einer Welle
gelagertes, ferromagnetisches Koppelelement bei Verdrehung den Abstand
zu den Polen mehrerer Spulen verändert.
An eine aus mehreren Teilspulen bestehende Primärspulenanordnung wird eine Wechselspannung
gelegt, während
an einer anderen Spulenanordnung aus mehreren Teilspulen die induzierte
Ausgangsspannung gemessen wird. Diese Ausgangsspannung hängt von
der Stellung des drehbaren Eisenkerns ab. Sowohl dieser bekannte
Drehwinkelgeber als auch andere bekannte Ausführungsformen haben einen verhältnismäßig aufwendigen Aufbau
und hohen Platzbedarf, so daß häufig anstelle
solcher berührungsloser
oder verschleißloser Drehwinkelgeber
Abtaster mit Widerstandsbahnen eingesetzt werden, die jedoch höhere Betätigungskräfte und
vor allem Verschleiß bedeuten.
-
In
der
DE 90 12 353 U1 ist
offenbart eine berührungsfreie
Messvorrichtung für
Drehmoment und/oder Drehwinkel an stehenden oder rotierenden Wellen
mit zwei zur Welle konzentrischen, vorzugsweise zylindrischen, mit
ihren jeweiligen Endbereichen drehfest an der Welle befestigten
und gegeneinander verdrehbaren Körpern
sowie mit einem Messsystem, das aus der sich mit dem Verdrehwinkel ändernden
Relativposition der beiden Körper
das von der Welle übertragene
Drehmoment und/oder deren Drehwinkel über einen vorgegebenen Wellenabschnitt
ermittelt. Die gegeneinander verdrehbaren Körper sind an ihren entgegengesetzten
Endbereichen jeweils an einer Spannvorrichtung befestigt, mit deren
Hilfe Wellen oder Bohrungen, deren Durchmesser in einem bestimmten
Bereich liegen, zentrisch gespannt werden. Die Spannvorrichtungen sind
jeweils über
geeignete Lagerungen in einem rohrförmigen Gehäuse drehbar und in axialer
Richtung gegeneinander nicht verschiebbar gelagert.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Drehwinkelgeber
der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass eine einfachere
Montage und ein stabilerer Aufbau erzielt wird.
-
Diese
Aufgabe wird bei einem Drehwinkelgeber der eingangs genannten Art
dadurch gelöst,
dass die ringförmigen
Spulen in etwa ringförmigen
Spulenkörpern
aus Kunststoff gehaltert sind und die Spulenkörper an einer ersten Endfläche mit
einem sektorförmigen,
insbesondere halbsektorförmigen,
Ausschnitt zur Aufnahme eines sektorförmigen, insbesondere halbsektorförmigen,
Koppelkernteils versehen sind.
-
Ein
solcher Aufbau hat den wesentlichen Vorteil, dass die Spulen sich
besonders einfach herstellen und haltern lassen, was erfindungsgemäß dadurch
erreicht wird, dass die ringförmigen
Spulen in etwa ringförmigen
Spulenkörpern
aus Kunststoff angeordnet sind. Da ferner erfindungsgemäß die Spulenkörper an
einer ersten Endfläche
mit einem sektorförmigen,
insbesondere halbsektorförmigen,
Ausschnitt zur Aufnahme eines sektorförmigen, insbesondere halbsektorförmigen,
Koppelkernteils versehen sind, können
diese beiden Teile, d.h. Spule und Koppelkernteil, bereits sicher
in ihrer gegenseitigen Position fixiert werden, wodurch sich ein
stabiler Aufbau erzielen lässt.
-
Zweckmäßigerweise
sind die Spulenkörper sowie
die ring- bzw. ringsektorförmigen
Koppelkernteile durch formschlüssig
aneinandergreifende Vorsprünge
bzw. Aussparungen winkelgerecht zueinander und gegenüber einem
Gehäuse
fixiert. Auf diese Weise können
besondere Befestigungsmittel entfallen; es ist lediglich erforderlich,
die Teile in der richtigen Reihenfolge und Position zueinander axial
hintereinander in dem Gehäuse
zu stapeln.
-
Da
die sektorförmigen,
insbesondere halbsektorförmigen
Koppelkernteile abwechselnd in versetzter Position montiert und
gehaltert werden müssen,
weisen die Spulenkörper
gemäß einer
vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung an der ersten
Endfläche
im Sektor neben dem Ausschnitt vorzugsweise einen axialen Vorsprung
und an der anderen, zweiten Endfläche im Sektor des Ausschnittes
eine zum Vorsprung komplementäre
Aussparung auf, so daß die
Spulenträger
um 180° gegeneinander
verdreht gestapelt und winkelgerecht zueinander fixiert sind.
-
Vorzugsweise
ist das ferromagnetische Koppelelement innerhalb des Innendurchmessers
dieser ringförmigen
bzw. ringsektorförmigen
Teile vorgesehen und erstreckt sich über im wesentlichen die gesamte
axiale Länge
dieser gestapelten Teile. Ein solcher Aufbau hat den wesentlichen
Vorteil, daß die einzelnen
Bauteile, nämlich
Spulen und stationäre Koppelkernteile
auf einfache Weise axial gestapelt werden können, ohne daß etwa eine
aufwendige Bewicklung von Polschuhen und eine komplizierte Montage
der stationären
Koppelkernteile erforderlich sind.
-
Das
ferromagnetische Koppelelement ist bevorzugt als ein konzentrisch
auf der Welle angeordneter Halbzylinder ausgebildet und erstreckt
sich axial von dem ersten bis zum letzten Koppelkernteil. Dieses
ferromagnetische Koppelelement besteht vorzugsweise aus zwei spiegelbildlich
hintereinander auf der Welle befestigten Ziehblechteilen aus Dynamoblech.
Es ist jedoch auch möglich,
das Ganze einstückig
aus Ferritmaterial herzustellen. Die Koppelkernteile bestehen zweckmäßigerweise
aus axial geschichteten Blechen, die miteinander vernietet oder verschweißt sind.
-
Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Drehwinkelgebers
ist dadurch gekennzeichnet, daß
- – ein
erstes Koppelkernteil, das sich über
einen Ringsektor von ca. 180° erstreckt,
- – eine
erste ringförmige
Spule,
- – ein
zweites Koppelkernteil, das sich über einen Ringsektor von 360° erstreckt,
- – eine
zweite ringförmige
Spule und
- – ein
drittes Koppelkernteil, das sich über einen Ringsektor von ca.
180° erstreckt,
aber gegenüber
dem ersten Koppelkernteil im 180° verdreht ist,
axial hintereinander angeordnet sind.
-
Bei
dieser Ausführungsform
wird die Kopplung zwischen zwei Spulen durch das bewegliche, ferromagnetische
Koppelelement gesteuert.
-
Eine
andere vorteilhafte Ausführungsform, bei
der der Drehwinkelgeber nach dem Prinzip des Differentialtransformators
arbeitet, ist dadurch gekennzeichnet, daß
- – ein erstes
Koppelkernteil,
- – eine
erste ringförmige
Spule,
- – ein
zweites Koppelkernteil,
- – eine
zweite ringförmige
Spule,
- – ein
drittes Koppelkernteil,
- – eine
dritte ringförmige
Spule, und
- – ein
viertes Koppelkernteil
axial hintereinander angeordnet
sind, daß die
Koppelkernteile sich jeweils über
einen Ringsektor von ca. 180° erstrecken,
wobei das erste und das dritte Koppelkernteil im gleichen Winkel
zueinander, das zweite und das vierte Koppelkernteil jedoch um 180° zu dem ersten
und dritten Koppelkernteil versetzt angeordnet sind, und daß die erste
und dritte Spule zusammen mit der zweiten Spule einen Differentialtransformator
bilden.
-
Diese
Ausführungsform
zeichnet sich durch eine sehr gute Linearität der Beziehung zwischen der Ausgangsspannung
und dem Drehwinkel aus.
-
Das
Gehäuse
besteht zweckmäßigerweise aus
einem zylindrischen Umfangsteil aus magnetisch leitfähigem Material
und zwei kreisförmigen
Lagerdeckeln aus nichtmagnetischem Material, in denen die Welle
in entsprechenden Lagern gelagert ist.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform, teilweise im Schnitt
und teilweise in auseinandergezogener Darstellung zur Erläuterung
der Funktionsweise;
-
2 eine
Darstellung eines Spulenkörpers mit
Spule und einem Koppelkernteil, teilweise im Schnitt und teilweise
in auseinandergezogener Darstellung;
-
3 einen
Längsschnitt
durch ein Gehäuse des
Drehwinkelgebers; und
-
4 eine
schematische Schnittdarstellung zur Erläuterung der Funktionsweise
einer weiteren Ausführungsform.
-
Eine
erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehwinkelgebers,
wie in 1 gezeigt, besteht aus in Axialrichtung um jeweils
180° zueinander
verdreht im Abstand voneinander gestapelten ferromagnetischen Koppelkernteilen 21, 22, 23 und 24,
die die Form von Halbkreissegmenten haben, wie im oberen Teil der 1 angedeutet.
-
Zwischen
den Koppelkernteilen 21, 22, 23, 24 sind
ringförmige
Spulen 11, 12, 13 angeordnet. Die beiden äußeren Spulen 11 und 13 bilden
z.B. gegeneinander geschaltete Sekundärspulen eines Differentialtransformator,
während
die mittlere Spule 12 dann als Primärwicklung wirkt.
-
Innerhalb
des Innenradius der Koppelkernteile 21, 22, 23, 24,
und auch innerhalb der Spulen 11, 12, 13,
ist ein auf einer Welle 5 drehbar gelagertes ferromagnetisches
Koppelelement 6 angeordnet, wie es im linken Teil der 1 sowohl
im Längsschnitt
als auch in Draufsicht dargestellt ist. Das magnetisch wirksame
Teil des ferromagnetischen Koppelelementes 6 ist ein Halbzylinder 7,
der über
einen Halbkreisabschnitt 8 an der Welle 5 auf
geeignete Weise befestigt ist. Im Beispiel der 1 besteht
das Koppelelement 6 aus zwei spiegelbildlich zueinander angeordneten
Ziehblechteilen 6a und 6b aus Dynamoblech. Es
ist jedoch auch möglich,
das Koppelelement 6 einstückig aus Ferritmaterial zu
formen und auf der Welle 5 zu befestigen.
-
Das
Koppelelement 6 wurde der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht
im Innern des Innenradius der Koppelkernteile 21 bis 24 sowie
der Spulen 11 bis 13 eingezeichnet. Aus der gegenseitigen
Lage im unteren Teil der 1 geht jedoch hervor, daß sich der
Halbzylinder 7 des Koppelelementes 6 in Axialrichtung über den
vollen Abstand des ersten und vierten Koppelkernteils 21 bzw. 24 erstreckt.
Wird die Welle 5 mit dem Koppelelement 6 aus der
in 1 gezeichneten Stellung in eine dazu um 180° verdrehte
Stellung bewegt, so verändert
sich die Kopplung zwischen der Spule 12 und den beiden
gegeneinander geschalteten Spulen 11 und 13. Werden
diese Spulen 11 bis 13 als Differentialtransformator
geschaltet, so verändern
sich also Amplitude und Phasenlage am Ausgang der Spulen 11 und 13,
wenn an die Primärspule
eine Wechselspannung angelegt wird. Es ist jedoch auch möglich, die
Kopplungsänderungen
zwischen den Spulen 11 bis 13 auf andere geeignete
Weise auszuwerten. Denkbar ist auch eine Auswertung der Induktivitätsänderungen
in den Spulen 11 bis 13.
-
2 zeigt
nun, wie jede der Spulen 11 bis 13 in je einem
Wickelkörper 9 (Wickelkörper 9a bis 9d in 1)
gehaltert werden kann. Der Spulenkörper 9 hat eine etwa
ringförmige
Form. Eine erste Endfläche 15 des
Spulenkörpers 9 ist
mit einem halbsektorförmigen
Ausschnitt 17 versehen, in den das zugehörige Koppelkernteil 21 bis 24 hineinpaßt. Darüber hinaus
weist die erste Endfläche 15 einen
Vorsprung 18 auf, während
die gegenüberliegende,
zweite Endfläche 16 eine
dementsprechende Aussparung 19 hat. Werden nun mehrere
Spulenkörper 9a bis 9d (siehe 1),
jeweils um 180° gegeneinander
verdreht, axial gestapelt, so greift jeweils ein Vorsprung 18 z.B.
des Spulenkörpers 9a in
eine Aussparung 19 des nächsten Spulenkörpers 9b,
usw. Diese Vorsprünge 18 und
Aussparungen 19 fixieren also die genaue Winkelposition
der Spulenkörper 9a bis 9d zueinander.
-
Die
Spulenkörper 9 (siehe 2)
sind mit einer ringförmigen
Rinne 14 versehen, in die die zugehörige Spule 11 bis 13 eingelegt
und z.B. durch Kleben befestigt wird. Die Spulen 11 bis 13 sind
mit Anschlüssen 10 versehen. 1 zeigt
außerdem,
daß der
(in der Zeichnung) obere Spulenkörper 9a keine in
die Rinne 14 eingelegte Spule aufweist, sondern nur die
nachfolgenden drei Spulenkörper 9b, 9c und 9d.
Der Spulenkörper 9a wird
jedoch für
die winkelgerechte Halterung des Koppelkernteils 21 benötigt.
-
Schließlich ist
in den 1 und 2 auch noch gezeigt, daß sowohl
die Spulenkörper 9a bis 9d als
auch die Koppelkernteile 21 bis 24 am Umfang mit
Ausschnitten 20 versehen sind, die zur winkelgerechten
Fixierung in einem Gehäuse
verwendet werden und die Anschlußdrähte 10 der Spulen 11 – 13 aufnehmen
können.
-
3 zeigt
nun das Beispiel eines Gehäuseaufbaus
für den
erfindungsgemäßen Drehwinkelgeber.
Das Gehäuse 1 besteht
aus einem zylindrischen Umfangsteil 2 aus magnetisch leitfähigem Material,
insbesondere Stahl, in das an beiden Enden Lagerdeckel 3 aus
nichtmagnetischem Material eingepaßt sind. Jeder der Lagerdeckel 3 trägt ein entsprechendes
Lager 4 zur Lagerung der Welle 5 für das Koppelelement 6.
Das zylindrische Umfangsteil 2 dient gleichzeitig als Eisenrückschluß für die magnetischen
Kreise der drei Spulen 11 bis 13 im Zusammenhang
mit den Koppelkernteilen 21 bis 24.
-
Die
Ausführungsform
gemäß 1 besteht also
aus einem ersten Koppelkernteil 21, einer ersten ringförmigen Spule 11,
einem zweiten Koppelkernteil 22, einer zweiten ringförmigen Spule 12,
einem dritten Koppelkernteil 20, einer dritten ringförmigen Spule 13 und
einem vierten Koppelkernteil 24, die axial hintereinander
angeordnet sind. Die Koppelkernteile 21 und 23 sind
in gleicher Winkelposition zueinander angeordnet, während die
Koppelkernteile 22 und 24 diesen gegenüber jedoch
um 180° versetzt
angeordnet sind. Die ringförmigen
Spulen 11 bis 13 sind hierbei auf Spulenkörpern 9b, 9c bzw. 9d angeordnet, während der
obere Spulenkörper 9a keine
Wicklung trägt.
In dieser Konfiguration wird zusammen mit dem drehbaren Koppelelement 6 ein
Differentialtrafo gebildet, wenn z.B. die Spule 12 als
Primärspule
dient und die Spulen 11 und 13 gegeneinander geschaltet die
Sekundärspule
darstellen.
-
4 zeigt
nun eine andere Ausführungsform
in schematischer Darstellung, die jedoch konstruktiv ebenso aufgebaut
sein kann wie in den 1 bis 3 gezeigt.
-
Der
Drehwinkelgeber nach 4 weist ein erstes Koppelkernteil 31 auf,
das sich über
einen Ringsektor von ca. 180° erstreckt.
Dann kommen eine erste ringförmige
Spule 11 und ein zweites Koppelkernteil 32, das
sich über
einen Ringsektor von 360° erstreckt,
also einen vollen Ring bildet. Danach kommen eine zweite ringförmige Spule 12 sowie
ein drittes Koppelkernteil 33, das sich wiederum über nur einen
Ringsektor von ca. 180° erstreckt,
aber gegenüber
dem ersten Koppelkernteil 31 um 180° verdreht ist. Innerhalb dieser
Koppelkernteile 31 bis 33 und der Spulen 11 und 12 ist
ein drehbares Koppelelement 6 angeordnet (nicht gezeigt),
wie es für
das erste Ausführungsbeispiel
in 1 gezeigt ist. Aufgrund der nur zwei Spulen 11 und 12 kann
dieser Drehwinkelgeber nach 4 nicht
als Differentialtransformator, sondern nur als Transformator mit
drehwinkelabhängiger
Kopplung zwischen den beiden Spulen 11 und 12 betrieben
werden.