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Kreiselapparat Das Patent 556 193 hat einen Kreiselkompaß mit
motorisch nachgedrehtem Nachlaufsystem zum Gegenstand, das keine mechanischen Rückwirkungen
auf den Kreiselträger ausübt und das sowohl durch einen Hilfsmotor um die lotrechte
Achse als auch durch weitere Hilfsmotore um zwei zueinander senkrecht/waagerechte
Achsen nachgedreht wird. Gelangt dieser Kreiselapparat auf einem Schiff zur Aufstellung,
so wird das Nachlaufsystem durch Drehung um die senkrechte Achse stets in ein und
derselben räumlichen Lage zum Meridian gehalten und gleichzeitig durch Drehung um
die beiden horizontalen Achsen, beispielsweise die Längsachse und die Ouerachse
des Schiffes, stets waagerecht gehalten. Durch Übertragung der servomotorisch hervorgerufenen
Drehungen des Nachlaufsystems auf andere gleichartige Systeme lassen sich diese
gegen die Schiffsbewegungen stabilisieren und die Drehungen an entfernten Ablesestellen
messen. Der Strom eines jeden Servomotors wird hierbei von Steuerorganen überwacht,
die an dem Nachlaufsystem derart gelagert sind, daß ihre Schwingungsebene stets
senkrecht zu der ihrem Motor zugeordneten Schwingachse liegt. Die einem jeden Servomotor
zugeordneten Steuerorgane verändern den Strom bei einer etwaigen Verschiebung gegenüber
dem Kreiselsystem derart, daß hierdurch der Servomotor in Gang kommt und die Steuerorgane
wieder in die ursprüngliche Lage gegenüber dem Kreiselsystem zurückführt. Vorzugsweise
dienen als Steuerorgane am Nachlaufsystem angebrachte Leitflächen, die von einer
besonders gestalteten Leitfläche des Kreiselsystems durch die schwachleitende, das
Kreiselsystem umgebende Flüssigkeit hindurch mit Strom versorgt werden. Jedem Servomotor
sind zwei solcher Leitflächen zugeordnet, die in einer Brückenschaltung liegen.
Wird durch eine Verstellung des Nachlaufsystems gegenüber dem Kreiselsystem die
Brücke verstimmt, so läßt die in dem Diagonalzweig der Brücke entstehende Spannung
den Servomotor in einer solchen Richtung umlaufen, daß die betreffenden Leitflächen
wieder in die Normallage gegenüber dem Kreiselsystem zurückgeführt werden und so
innerhalb ihrer Brückenschaltung das Gleichgewicht wiederhergestellt wird. Je weiter
hierbei das Nachlaufsystem von seiner Normalstellung gegenüber dem Kreiselsystem
abgewichen war, um so stärker wird die von den Servomotoren
ausgeübte
Rückstellkraft. Durch Einschaltung von Verstärkeranlagen läßt sich die Empfindlichkeit
dieser Schaltungsanordnung so steigern, daß das Nachlaufsystem nur um minimale Beträge
von seiner Normallage abweicht und somit die Drehung des Schiffes um die drei Hauptachsen
mit einer für Feinmeßzwecke genügenden Genauigkeit wiedergibt. Voraugsetzung hierfür
ist freilich, daß Verstimmungen der Brücke durch die zu messende Schiffsdrehung
allein, nicht aber durch andere Ursachen hervorgerufen werden.
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Es hat sich nun gezeigt, daß es bei der Anordnung nach dem Hauptpatent
große Schwierigkeiten bietet, für die die Drehungen um die waagerechten Achsen überwachenden
Leitflächen völlig gleiche Verhältnisse an den Stromleitungsstellen zu schaffen.
Die geringste Abweichung der Kanten der Leitfläche des Kreiselsystems von der vorgeschriebenen
Kreisform sowie die geringste Änderung im Widerstand an den einzelnen Stellen dieser
Leitfläche bringen nämlich zusätzliche Verstimmungen der Brücke mit sich, wenn das
Schift den Kurs ändert. Während nämlich die die Nachdrehung des Nachlaufsystems
um die senkrechte oder Hochachse überwachenden Leitflächen bei dem Ausführungsbeispiel
des Hauptpatentes stets mit denselben Stellen der leitenden Fläche des Kreiselsystems
zusammenwirken, erfahren die die Horizontalhaltung überwachenden Leitflächen des
Nachlaufsystems mit jeder Kursänderung eine Verdrehung gegenüber dem Kreiselsystem,
so daß sie jedesmal mit anderen Stellen der Kreiselsystemleitfläche zusammenwirken.
Hieran aber liegt eine höchst unerwünschte Fehlerquelle, da die nicht vermeidbaren
Abweichungen der Kreiselsystemleitfläche von der vorgeschriebenen geometrischen
Form Änderungen der Lage des Kreiselsystems vortäuschen, die in Wirklichkeit nicht
eintreten.
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Die vorliegende Erfindung hat nun zum Ziel, diese Fehlerquelle auszuschalten,
um auch für die Messung der Schlingerkomponente Bs und der Stampfkomponente Cs,
so seien der Einfachheit halber die Relativschwingungen des Kreiselsystems gegenüber
dem Schiff um die beiden waagerechten Grundachsen bezeichnet, sowie für ihre Fernübertragung
für Stabilisierungszwecke höchste Genauigkeit zu verbürgen. Zu diesem Zweck werden
die Steuerorgane, im vorliegenden Falle Leitflächen, die den Strom der Servomotore
für die Schlingerkomponente Bs und die Stampfkomponente Cs überwachen, auch um die
Hochachse dem Kreiselsystem nachgedreht, so daß sie stets mit denselben Stellen
des Kreiselsystems zusammenwirken. So wird beispielsweise das eine Paar Leitflächen
in der XTordsüdrichtungg und das andere Paar Leitflächen in der Ostwestrichtung
am Nachlaufsystem angeordnet, und das Nachlaufsy stein wird um die Hochachse nachgedreht.
Die waagerechten Schwingachsen des Nachlaufsystems hingegen werden schiffsfest angeordnet,
so daß die eine beispielsweise in der Längsrichtung und die andere in der Querrichtung
zum Schiffe liegt. Infolgedessen werden die um die Hochachse nachgedrehten Bs- und
Cs-Leitflächen mit jeder Kursänderung des Schiffes gegenüber den ihnen zugeordneten
Bs- und Cs-Schwingachsen verstellt, woraus sich die Aufgabe ergibt, jedes der beiden
Leitflächenpaare in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Winkellage zu den waagerechten
Schwingachsen gleichzeitig auf die beiden zugeordneten Servomotore einwirken zu
lassen.
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Ein Beispiel möge dies erläutern. Das Schiff mag Nordwestkurs haben
und gleichzeitig stampfen und schlingern, so daß es beispielsweise eine Schwingung
in der Ostwestebene ausführt. Infolgedessen gelangen lediglich die in Ostwest angeordneten
und jeweils entsprechend nachgedrehten Leitflächen zur Wirkung. Hierdurch muß aber
sowohl der die Nachdrehung um die Schiffslängsachse bewirkende Bs-Servomotor als
auch der die Nachdrehung um die Schiffsquerachse bewirkende Cs-Servomotor angetrieben
werden, um das Nachlaufsystem auf kürzestem Wege der Relativbewegung des Kreiselsystems
gegenüber dem Schiffe folgen zu lassen.
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Erfindungsgemäß wirken daher die Bs-und Cs-Leitflächen auf die Servomotore
durch Vermittlung eines Koordinatentransformators ein, der entsprechend der Nachdrehung
um die Hochachse verstellt wird. In diesem Transformator wird mit den von den beiden
Leitflächenpaaren gelieferten Stromimpulsen ein einheitliches Wechselfeld aufgebaut,
das dann in schiffsfesten Spulenpaaren Komponentenströme erzeugt, welche den beiden
Servomotoren zugeführt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in den Zeichnungen
dargestellt. In diesen zeigt Fig. r den Kreiselkompaß in einem quer zur Schiffslängsachse
verlaufenden Schnitt unter Fortlassung der elektrischen Verbindungen, Fig. 2 den
Kreiselkompaß in einem in der Schiffslängsrichtung verlaufenden senkrechten Schnitt
mit dem Koordinatentransformator und seinen elektrischen Anschlüssen, während in
beiden Figuren das kugelförmige Kreiselsystem in Ansicht dargestellt ist, Fig. 3
ein Schaltschema mit waagerechtem Schnitt durch das Kreiselsystem,
Fig.
.4 ein der Fig. 3 entsprechendes Schaltschecna mit senkrechtem Schnitt durch das
Kreiselsystem, Fig. 5 und 6 ein Schaltschema des Koordinatentransformators in verschiedenen
Lagen. Im Traggerüst i des Kreiselkompasses sind die quer zur Schiffsachse liegenden
Zapfen 2 eines Kardanringes 3 gelagert, der seinerseits Lagerbohrungen für in der
Längsrichtung des Schiffes liegende Zapfen q. des Flüssigkeitsbehälters 5 trägt.
In dem Deckel 6 des Behälters ist ein senkrechter Zapfen drehbar gelagert, der mittels
mehrerer Tragarme 8 eine obere Hüllschale g und eine untere Hüllschale to trägt,
die durch Abstandsstücke 12 und Bolzen i i zusammengehalten werden. Zwischen den
Hüll.schalen g und to schwimmt frei, ohne irgendwo anzustoßen, in bekannter Weise
das Kreiselsystem 13, in dessen kugelförmigem Gehäuse mehrere Kreisel mit waagerechten
Achsen untergebracht sind und das daher stets eine unveränderliche Stellung gegenüber
dem Horizont und dein Meridian beibehält. Um den Äquator des kugelförmigen Kreiselsystems
13 erstreckt sich ein durch Schraffierung angedeuteter elektrisch leitender Streifen
i.1, dessen eine Hälfte in der Mitte durch eine isolierte Fläche 17 unterbrochen
ist, so daß sie nur aus zwei schmalen leitenden Bändern 15 und 16 besteht, während
die andere Hälfte voll ausgeführt ist.
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Die Nachdrehung des das Kreiselsystem 13 umgebenden Nachlaufsystems
g, 10, 12 wird durch drei Wechselstrommotore 24, 31 und 33 bewirkt, und zwar ist
der Elektromotor 24. auf dem Deckel des Gehäuses gelagert und treibt mittels der
Schnecke 28 ein auf dem Zapfen 7 befestigtes Schneckenrad 29 an, um das Nachlaufsystem
bei Änderungen des Schiffskurses um die Hochachse nachzudrehen. Der am Grundgestell
sitzende Elektromotor 33 treibt mittels der Schnecke 34 ein Schneckensegment 36
an, das fest auf dem Zapfen 2 sitzt, so daß hierdurch der die Zapfen 4 aufnehmende
Kardanring 3 entsprechend dem Stampfen des Schiffes nachgedreht wird, während der
Elektromotor 31 zur Nachdrehung des Gehäuses entsprechend dem Schlingern des Schiffes
von einem Ansatz 48 des Kardanringes 3 getragen wird und mittels einer Schnecke
35 ein am Zapfen 4 befestigtes Schneckensegment 37 antreibt. Die drei Motor- werden
in der im Hauptpatent näher erläuterten Weise durch Widerstandsänderungen gesteuert.
-So wird der Servomotor 24 durch zwei um i8o° versetzte Leitflächen 18 und i8' überwacht
(Fig. 2, 3), die von Abstandsstücken 12 derart getragen werden, daß sie gegenüber
den Kanten i g und i g' der Äquatorleitfläche 14. zu liegen kommen. Die einen waagerechten
Schnitt darstellende Fig. 2 veranschaulicht schematisch beide Leitflächen 18 und
18' in ihrer Normallage gegenüber den Kanten ig und-ig'.
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Die Stromzuführung zum Kreiselsystem erfolgt über eine vom Nachlaufsystem
getragene leitende Fläche 25, die an eine Klemme 26 einer Wechselstromquelle angeschlossen
ist. Der Strom geht dann durch die Tragflüssigkeit hindurch zu einer leitenden Fläche
4g der Schwimmkugel 13 über, die mit der Leitfläche 14 in Verbindung steht. Von
der Leitfläche 14. aus geht der Strom zu den Leitflächen 18 und 18' des Nachlaufsystems
in zwei Teilströmen über, die zwei gegeneinandergeschaltete Selbstinduktionsspulen
2o und 21 (Fig.3) durchfließen und sodann vereinigtwerden, um zur anderen Klemme
27 der Wechselstromquelle zurückzukehren. Die Übergangswiderstände- zwischen den
Leitflächen 18 und i g einerseits und 18' und i g' andererseits sowie die Wechselstromwiderstände
2o und 21 bilden die Wechselstrombrücke, deren Diagonalpunkte in Fig. 3 mit 22 und
23 bezeichnet sind. Sobald das Nachlaufsystecn g, i o, 12 gegenüber dem kugelförmigen
Kreiselsystem 13 um die Hochachse verdreht wird, werden die Übergangswiderstände
ungleich, so daß zwischen den Punkten 22 und 23 eine Wechselspannung entsteht. Diese
steuert eine Verstärkeranlage, die den Motor 24 speist, so daß dieser in Gang kommt
und das Nachlaufsystem in einer solchen Richtung und um einen solchen Betrag antreibt,
daß wieder die aus Fig. 2 ersichtliche Normalstellung erreicht wird und somit. die
Übergangswiderstände wieder gleich werden. Die Einzelheiten der Schaltungsanordnung
sowie der Stromzuführung zu dem Elektromotor 24 sind der Einfachheit halber in den
Figuren nicht mit dargestellt.
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Zur Nachdrehung des Nachlaufsystems um die beiden horizontalen Achsen
der Zapfen 2 und 4 dienen Leitflächenpaare, deren eines in der Nordsüdebene und
deren anderes in der Ostwestebene am i\Tachlaufsystem fest angeordnet ist. In Fig.
i ist lediglich das Leitflächenpaar 30 im Schnitt ersichtlich, während das
andere Leitflächenpaar, bei 32 angedeutet, durch die Kreiselsystemkugel verdeckt
ist. Umgekehrt läßt Fig. 2 das Leitflächenpaar 32 im Schnitt erkennen, während die
Leitflächen 3o durch die Kugel verdeckt und gestrichelt angedeutet sind. Hier ändern
sich die Cbergangswiderstände zwischen der Leitfläche 14 des Kreiselsystems einerseits
und den beiden zugeordneten Leitflächen 3o bzw. 32 andererseits bei Schwingungen
des Nachlaufsystems, die durch Schlingern oder Stampfen des Schiffes hervorgebracht
werden. An die beiden Leitflächenpaare 30 und 32 schließen sich
Brückenschaltungen
an, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind, jedoch dienen die erzeugten Spannungen nicht
unmittelbar zur überwachung der Motore 31 und 33. Denn da die Leitflächenpaare
30 und 32 durch den Servomotor 24 um die Hochachse verdreht werden, nehmen
sie veränderliche Stellungen gegenüber den Schwingachsen der Zapfen-- und 4 ein,
so daß die von ihnen ausgelösten Stromimpulse je nach ihrer Lage entweder dem Motor
31 oder dem Motor 33 oder gleichzeitig beiden in veränderlichem Verhältnis zugute
kommen müssen.
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Es werden daher die von den beiden Leitflächenpaaren 30 und
32 aufgenommenen Wechselströme dem in den Fig. 2, 5 und 6 dargestellten Koordinat-ntransformator
zugeführt. Dieser besteht aus einem vierpoligen, drehbaren Magnetfeld, das in beliebiger,
in Fig. i und 2 nicht näher dargestellten Weise mit dem Zapfen 7 verbunden ist,
so daß er an dessen Drehung teilnimmt, und einen Anker umgibt, der mit Bezug auf
die Hochachse schiffsfest angeordnet ist, also beispielsweise vom Deckel 6 getragen
wird. Die Wicklungen 38 und 39 zweier gegenüberliegender Polschuhe des Magnetfeldes
stellen die Selbstinduktionsspulen dar, die an die Leitflächen 3o angeschlossen
sind, vgl. Fig. 2, während die Wicklungen 40 und 41 der beiden anderen Polschuhe
von den Leitflächen 32 gespeist werden. Der Anker wird von einem genuteten Körper
aus geschichteten Eisenblechen gebildet, der zwei im Schnitt gezeichnete, einander
kreuzende Wicklungen 42 und 43 aufnimmt, die in elektrischer Beziehung senkrecht
aufeinander stehen. Die freien Enden dieser beiden Sekundärwicklungen sind an vier
Schleifringe 44 bis 47 angeschlossen, die ihrerseits entweder unmittelbar oder zweckmäßig
über Verstärkeranlagen mit den Motoren 31 und 32 in Verbindung stehen. Hält das
Schiff einen solchen Kurs, daß der Anker die aus Fig. 5 ersichtliche Lage gegenüber
seinem Magnetfeld einnimmt, so ruft eine Spannungsdifferenz der Spulen 38 und 39
nur in der Sekundärwicklung 42 einen Wechselstrom entsprechender Phase und Stärke
hervor, während die Wicklung 43 stromlos bleibt. Ebenso wirken Spannungsdifferenzen-der
Wicklungen 4o und 41 lediglich auf die Wicklung 43. Nach einer Kursänderung um 45°
ergibt sich die in Fig.6 dargestellte Lage, in der eine Spannungsdifferenz der Spulen
38 und 39 sowohl in der Wicklung 42 als auch in der Wicklung 43 einen Strom induziert,
so daß die beiden Motore 31 und 33, und zwar mit gleichem Anzugsmoment in Tätigkeit
gesetzt werden. Hierdurch wird dann das Nachlaufsystem auf kürzestem Wege der erfolgten
Bewegung des Kreiselsystems relativ zum Schiff um seine Achsen nachgedreht; denn
eine Differenz zwischen den Spannungen der Spulen 38 und 39 wird durch eine Verkantung
des Nachlaufsystems um die in Fig.6 angedeutete Achse L-L erzeugt. Diese kann aber
auf kürzestem Wege nur durch eine gleichzeitige und gleich schnelle Drehung des
Nachlaufsystems um die Achsen 111-1L7 und 117-N aufgehoben werden. Die Achsen M-11-7
und N -N
entsprechen den Achsen der Zapfen 2 und 4, während die Achse
L-L die senkrechte Ebene widergibt, in der die Leitflächen 30 liegen.
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Nach .einer weiteren Kursänderung von 45° in der gleichen Drehrichtung
ergibt sich eine Lage, die zwar der Fig. 5 entspricht, bei der jedoch die Wicklungen
42 und 43 ihre Rollen vertauscht haben. Dies ist auch notwendig, da inzwischen die
Spulen 38 und 39 und die angeschlossenen Leitflächen 30 von der Schlinger-
in die Stampfebene des Schiffes gewandert sind, während die Schlinger-und Stampfmotore
31 und 33 schiffsfest bleiben.
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Welche Stellung man auch betrachten mag, so ergibt sich doch stets
eine solche Verteilung der Stromimpulse auf die beiden schiffsfesten Motore 31 und
33, wie sie erreicht werden würden, wenn man die Leitflächen bei ummittelbarem Anschluß
an die Motore ebenfalls schiffsfest anordnen würde, etwa in der im Hauptpatent vorgesehenen
Weise. Durch den Koordinatentransformator wird also dem Umstand Rechnung getragen,
daß die Leitflächen 30 und 32 gegenüber dem Schiff bei Kursänderungen verdreht
werden.
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Die von den Spulen 38 und 39 einerseits und den Spulen 40 und 41 andererseits
gelieferten Felder setzen sich zu einem einzigen Feld zusammen, das durch die Wicklungen
42 und 43 in neue Komponenten zerlegt wird, entsprechend der Umwandlung in das andere
Koordinatensystem.
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Der durch die Erfindung erzielte Fortschritt besteht also darin, daß
die servomotorisch ausgelösten Drehmomente auf schiffsfeste Achsen einwirken, aber
von Organen ausgelöst werden, die diesen Achsen gegenüber ihre Stellung zu ändern
vermögen.