DE69703053T2

DE69703053T2 - Elektromagnetischer Transdukter mit multipolaren Permanentmagneten

Info

Publication number: DE69703053T2
Application number: DE69703053T
Authority: DE
Inventors: Daho Taghezout
Original assignee: Ebauchesfabrik ETA AG; Eta SA Fabriques dEbauches
Current assignee: ETA SA Manufacture Horlogere Suisse; Ebauchesfabrik ETA AG
Priority date: 1996-02-15
Filing date: 1997-02-05
Publication date: 2001-05-03
Anticipated expiration: 2017-02-06
Also published as: CA2197526C; EP0790540A1; JP3720157B2; CA2197526A1; US5825106A; CN1164142A; HK1003404A1; KR100456357B1; TW328189B; CN1107371C; FR2745129B1; FR2745129A1; EP0790540B1; KR970063874A; DE69703053D1; JPH09224360A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Messwandler, der einen Rotor mit einem Multipolmagneten umfasst, welcher eine gerade Anzahl von magnetischen Dipolen (oder Magnetpolpaaren) aufweist, die abwechselnd längs der Drehachse dieses Rotors orientiert sind. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung einen Zweirichtungs-Zweiphasenmesswandler, dessen Stator Magnetpole definiert, die sich im wesentlichen in einer gleichen Statorebene befinden.
Aus dem Dokument WO 85/00 704 ist ein elektromechanischer Messwandler bekannt, der sich auf den gleichen Prinzipien beruht wie diejenigen, die weiter oben definiert sind, und dessen Stator aus vier unterschiedlichen Statorteilen gebildet ist, wovon jeder einen Magnetpol des Stators definiert. Die beiden Zweige, die jeweils eine Spule tragen, sind mit ihren Enden jeweils mit einem unterschiedlichen Abschnitt der vier obenerwähnten Statorteile verbunden. Zwei der Statorteile weisen eine erste bzw. eine zweite kreisförmige Zinnenanordnung auf, deren Zinnen dem Multipolmagneten des Rotors überlagert sind. Zwei benachbarte Zinnen der ersten oder der zweiten Zinnenanordnung sind in Winkelrichtung relativ zueinander um einen Winkel versetzt, der gleich dem doppelten durch die magnetischen Dipole des Multipolmagneten definierten Zentrumswinkel ist, während eine beliebige Zinne der ersten kreisförmigen Zinnenanordnung in Winkelrichtung in bezug auf eine beliebige Zinne der zweiten kreisförmigen Zinnenanordnung um den (N + 1/2)-fachen Zentrumswinkel der Dipole des Multipolmagneten versetzt ist, wobei N eine positive ganze Zahl ist.
Einer der Hauptnachteile des weiter oben beschriebenen Messwandlers rührt von der Tatsache her, dass es sehr schwierig ist, ihn auf präzise und sichere Weise zu montieren. Die vier unabhängigen und paarweise verzahnten Statorteile müssen nämlich genau in einer stabilen Position relativ zueinander angeordnet werden.
Ferner gibt dieses Dokument dem Fachmann keine Unterweisung, um korrekt und zuverlässig einen Messwandler des vorgeschlagenen Typs auszuführen, welcher eine grosse Anzahl von Rotorpolpaaren, beispielsweise gleich 24 oder 30, aufweist. Der Fachmann findet nämlich keine befriedigende Unterweisung für die Strukturen der beiden mit dem Bezugszeichen 3 bezeichneten Statorteile, wenn die Anzahl von Polpaaren des Multipolmagneten zunimmt. Insbesondere werden die Arme, die die Zähne dieser beiden Teile 3 mit den Enden B bzw. C der beiden Zweige 7 verbinden, sehr schmal und folglich schwach.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen elektromechanischen Messwandler des weiter oben beschriebenen Typs zu liefern, der jedoch eine zuverlässige Struktur aufweist und weniger heikel zu montieren ist. Zu diesem Zweck hat die Erfindung einen elektromechanischen Messwandler zum Gegenstand, umfassend:
- einen Stator, der Stator-Magnetpole definiert, die sich im wesentlichen in einer gleichen Statorebene befinden;
- einen Rotor, der eine Drehachse des Rotors definiert und einen Multipolmagneten enthält, der eine gerade Anzahl von magnetischen Dipolen aufweist, die abwechselnd längs der Drehachse orientiert sind und jeweils einen ersten Zentrumswinkel definieren, wobei dieser Multipolmagnet eine zur Statorebene parallele Rotorebene definiert;
- zwei Spulen, die mit einer Stromversorgung verbunden werden können;
- wobei der Stator einen ersten Zweig und einen zweiten Zweig umfasst, wovon jeder eine der beiden Spulen trägt, wobei ein erster und ein zweiter der Stator- Magnetpole eine erste bzw. eine zweite kreisförmige Zinnenanordnung besitzen, deren Zinnen wenigstens teilweise dem Mehrpolmagneten überlagert sind, wobei zwei benachbarte Zinnen der ersten oder der zweiten kreisförmigen Zinnenanordnung in Winkelrichtung relativ zueinander um einen Winkel versetzt sind, der gleich dem doppelten ersten Zentrumswinkel ist, wobei eine beliebige Zinne der ersten kreisförmigen Zinnenanordnung in Winkelrichtung in bezug auf eine beliebige Zinne der zweiten kreisförmigen Zinnenanordnung um den (N + 1/2)-fachen ersten Zentrumswinkel versetzt ist, wobei N eine positive ganze Zahl ist, wobei der erste und der zweite Zweig jeweils ein erstes Ende besitzen, das mit dem ersten bzw. dem zweiten Magnetpol verbunden ist. Dieser Messwandler ist dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter und letzter Magnetpol der Stator-Magnetpole um die Drehachse angeordnet ist und an seinem Umfang Zähne aufweist, die mit der ersten und der zweiten kreisförmigen Zinnenanordnung verzahnt sind und dem Mehrpolmagneten wenigstens teilweise überlagert sind, wobei der erste und der zweite Zweig jeweils mit ihrem zweiten Ende mit dem dritten Stator-Magnetpol verbunden sind.
Dank den Merkmalen der obenerwähnten Erfindung ist die Montage des elektromechanischen Messwandlers erleichtert, und die Zunahme der Anzahl von magnetischen Dipolen des Multipolmagneten hat nicht zur Folge, dass die Struktur des Messwandlers empfindlicher gemacht wird, wie dies im obenerwähnten Stand der Technik der Fall ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ausführlicher mit Hilfe der nachfolgenden Beschreibung beschrieben, die unter Bezugnahme auf die Zeichnungen gemacht wird, die keineswegs als Einschränkungen gegeben sind und in denen:
- Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines Messwandlers gemäss der Erfindung ist;
- Fig. 2 ein Schnitt der Fig. 1 gemäss der Linie II-II ist;
- Fig. 3 eine schematische Darstellung des Permanentmagneten des Rotors des Messwandlers der Fig. 1 ist;
- Fig. 4 eine Ansicht von unten eines Rings aus magnetischem Material, der zu dem auf Fig. 2 dargestellten Rotor gehört, ist;
- Fig. 5 eine schematische Draufsicht einer zweiten Ausführungsform eines Messwandlers gemäss der Erfindung ist;
- Fig. 6 ein Schnitt der Fig. 5 gemäss der Linie VI-VI ist; und
- Fig. 7 eine Ansicht von unten eines Rings aus magnetischem Material, der zu dem auf Fig. 5 dargestellten Stator gehört, ist.
Mit Hilfe der Fig. 1 bis 4 wird nachstehend eine erste Ausführungsform eines elektromechanischen Messwandlers gemäss der Erfindung beschrieben.
Der Messwandler umfasst einen Stator 4, der einen ersten und einen zweiten Statorteil 6 und 8 umfasst, die jeweils einen ersten und einen zweiten Magnetpol 10 und 12 definieren. Der erste und der zweite Magnetpol 10 und 12 umfassen eine erste bzw. eine zweite kreisförmige Zinnenanordnung 14 bzw. 16. Der Stator 4 umfasst ebenfalls einen dritten Statorteil 18, der einen dritten Magnetpol 20 definiert, und zwei Zweige 22 und 24, wovon jeder eine Spule 26 und 28 trägt. Diese beiden Spulen können mit einer Stromversorgung (nicht dargestellt) verbunden werden, um in den beiden durch den Stator 4 definierten Hauptmagnetkreisen Magnetflüsse zu erzeugen.
Der Messwandler umfasst ebenfalls einen Rotor 30, der eine Drehachse 32 definiert und einen ringförmigen Multipolmagneten 34 umfasst, der einer magnetischen Scheibe zugeordnet ist. Dieser Magnet weist eine gerade Anzahl von magnetischen Dipolen (oder Magnetpolpaaren) auf, die abwechselnd längs der Drehachse 32 orientiert sind. Jeder magnetische Dipol definiert einen Zentrumswinkel α.
Die drei Statorteile 6, 8 und 18 befinden sich in einer gleichen Statorebene 36. In einer Variante befinden sich einzig die Magnetpole 10, 12, und 20 in der gleichen Ebene 36, während die peripherischen Statorteile beliebig gemäss den Konstruktions- und Anordnungsbedürfnissen des elektromechanischen Messwandlers innerhalb der Vorrichtung, die dazu bestimmt ist, ihn aufzunehmen, angeordnet sind.
Der Multipolmagnet 34 des Rotors 30 befindet sich in einer zur Statorebene 36 parallelen Rotorebene 38 in einem gewissen Abstand zu dieser Statorebene, da die Magnetpole 10, 12 und 20 wenigstens teilweise dem Multipolmagneten 34 überlagert sind.
Der Rotor 30 umfasst ferner eine Platte 40 aus magnetischem Material, die sich auf der der Statorebene 36 in bezug auf den Mehrpolmagneten 34 gegenüberliegenden Seite befindet. Die Platte 40 weist die Form eines Rings auf, dem der Multipolmagnet 34 überlagert ist. Diese ringförmige Platte 40 umfasst Öffnungen 42, wobei jede Öffnung zwei Engstellen 44 und 45 definiert, die Bereiche mit hoher magnetischer Reluktanz definieren. Diese Öffnungen 42 isolieren magnetisch Ringsektoren 48, deren Zentrumswinkel gleich 2α ist, d. h. gleich dem doppelten Wert des Zentrumswinkels eines magnetischen Dipols des Multipolmagneten 34. Es ist festzuhalten, dass in einer Ausführungsvariante der Zentrumswinkel der ringförmigen Sektoren gleich 3α ist, aber auch einen anderen Wert aufweisen kann. Vorzugsweise sind die Öffnungen 42 den Zwischenbereiche 50 des Multipolmagneten 34 angepasst.
Was die Anordnung der Stator-Magnetpole 10, 12 und 20 betrifft, werden die erste kreisförmige Zinnenanordnung 14 und die zweite kreisförmige Zinnenanordnung 16, welche zu den Magnetpolen 10 bzw. 12 gehören, von Zinnen 52 bzw. von Zinnen 54 gebildet. Diese Zinnen 52 und 54 sind wenigstens teilweise dem Multipolmagneten 34 des Rotors 30 überlagert. Zwei benachbarte Zinnen 52 oder 54 der ersten oder der zweiten kreisförmigen Zinnenanordnung 14 oder 16 sind in Winkelrichtung relativ zueinander um einen Winkel 2α versetzt, d. h. um einen Winkel gleich dem doppelten Wert des Zentrumswinkels α. Dann ist eine beliebige Zinne 52 der ersten kreisförmigen Zinnenanordnung 14 in Winkelrichtung in bezug auf eine beliebige Zinne 54 der zweiten kreisförmigen Zinnenanordnung 16 um einen Winkel β versetzt, dessen Wert vorzugsweise gleich dem (N + 1/2)-fachen Wert des Zentrumswinkels α ist, wobei N eine positive ganze Zahl ist. In einer anderen Ausführungsform kann jedoch β einen Wert gleich (N + 1/3) α oder (N + 2/3) α aufweisen.
Der erste und der zweite Zweig 22 und 24 haben erste Enden 56 und 57, die direkt mit dem ersten bzw. mit dem zweiten Magnetpol 10 bzw. 12 verbunden sind, während ihre zweiten Enden 58 und 59 beide direkt mit dem dritten Magnetpol 20 verbunden sind.
Der dritte Magnetpol 20, der einen letzten Magnetpol des Stators 4 bildet, ist um die Drehachse 32 des Rotors 30 angeordnet und weist an seinem Umfang Zähne 60 auf, die mit der ersten und der zweiten kreisförmigen Zinnenanordnung 14 und 16 verzahnt sind. Die Zähne 60 sind wenigstens teilweise dem Multipolmagneten 34 überlagert. Zwischen den Zinnen 52 der ersten kreisförmigen Zinnenanordnung 14 und den Zinnen 54 der zweiten kreisförmigen Zinnenanordnung 16 sind einerseits ein Zwischenzahn 62 und andererseits ein Arm 64 vorgesehen, der den zentralen Teil des Pols 20 derart verlängert, dass er die Befestigung der zweiten Enden 58 und 59 der die Spulen 26 und 28 tragenden Zweige 22 und 24 ermöglicht.
Es ist zu bemerken, dass das Vorhandensein des Zwischenzahns 62 nicht unerlässlich für das Funktionieren des Messwandlers gemäss der Erfindung ist; er ermöglicht jedoch, wie auch der dem Multipolmagneten 34 überlagerte Teil des Arms 64, den durch die Spulen 26 und 28 erzeugten Fluss, der mit dem Magnetfluss des Multipolmagneten 34 durch die an den Enden der kreisförmigen Zinnenanordnung 14 und 16 vorhandenen Zinnen gekoppelt ist, aufzufangen, wegen dem Vorhandensein der Öffnungen 42 in der ringförmigen Platte 40, die als Platte zum Schliessen der brauchbaren Magnetkreise des hier beschriebenen Messwandlers dient. Ferner ermöglicht dieser Zwischenzahn 62, die Amplitude und die Phase des Positioniermoments des Permanentmagneten in Stillstand zu definieren.
Es kann beobachtet werden, dass das Vorhandensein der Platte 40 für ein gutes Funktionieren des Messwandlers gemäss der Erfindung nötig ist, denn diese Platte 40 ermöglicht, die Leistung dieses Messwandlers zu vergrössern und somit für eine gewisse gelieferte Arbeit den Stromverbrauch zu minimalisieren. Die Öffnungen 42, die in der Platte 40 vorgesehen sind und magnetisch voneinander isolierte ringförmige Sektoren 48 definieren, ermöglichen, die Magnetpole 10 und 12 des Stators magnetisch zu isolieren und somit zu vermeiden, dass die Streuflüsse der Spulen gross sind. Dies ist für den Messwandler gemäss der Erfindung besonders vorteilhaft, da die beiden Hauptmagnetkreise dieses Messwandlers einen gemeinsamen Magnetpol 20 aufweisen.
Eine keineswegs einschränkende Funktionsart des Messwandlers gemäss der Erfindung besteht darin, die Spulen 26 und 28 abwechselnd mit einer Polarität zu versorgen, die abwechselnd variiert, um den Rotor schrittweise drehen zu lassen. Bei einer solchen Versorgung kann bemerkt werden, dass 30 für den Multipolmagneten vorgesehene magnetische Dipole ausreichen, um 60 Schritte pro Umdrehung des Rotors 30 zu erreichen, was für eine zeitmesstechnische Anwendung vorteilhaft ist.
Mit Hilfe der Fig. 5 bis 7 wird weiter unten eine zweite Ausführungsform eines elektromechanischen Messwandlers gemäss der Erfindung beschrieben.
Die bereits zuvor beschriebenen Bezugszeichen werden hier nicht erneut im Detail beschrieben. Es ist festzuhalten, dass der Rotor auf Fig. 5 nicht dargestellt worden ist, um die Zeichnung nicht zu überladen.
Diese zweite Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der ersten weiter oben beschriebenen Ausführungsform unter zwei Aspekten.
Erstens sind die drei Statorteile 6', 8' und 18', die die Stator-Magnetpole 10, 12 bzw. 20 bilden, materiell miteinander verbunden, um ein und dasselbe Teil zu bilden. Die Statorteile 6', 8' und 18' sind mittels Engstellen 70, 71 und 72 miteinander verbunden, die Bereiche mit hoher magnetischer Reluktanz bilden, welche somit die Magnetpole 10, 12 und 20 magnetisch isolieren. Die Anordnung der kreisförmigen Zinnenanordnungen 14 und 16, sowie die Anordnung der Zähne 60 des Magnetpols 20 sind denjenigen der ersten Ausführungsform ähnlich.
Zweitens unterscheidet sich diese zweite Ausführungsform von der ersten Ausführungsform dadurch, dass eine ringförmige Platte 74 vorgesehen ist, die sich auf der der Statorebene 36 in bezug auf den Multipolmagneten 34 des Rotors 30' gegenüberliegenden Seite befindet. Dieser Ring 74 ersetzt den Ring 40 der ersten Ausführungsform. Der Ring 74, der ebenfalls aus einem magnetischen Material gebildet ist, ist wenigstens teilweise dem Multipolmagneten 34 überlagert und relativ zum Stator 4' fest angeordnet. Die ringförmige Platte 74 umfasst zwei Öffnungen 76 und 78, die dazu dienen, zwei Sektoren 80 und 82 des Rings 74 magnetisch zu isolieren. Dieser Ring 74 ist relativ zum Stator 4' derart angeordnet, dass die ringförmigen Segmente 80 und 82 den kreisförmigen Zinnenanordnungen 14 bzw. 16 überlagert sind. Somit dienen die Öffnungen 76 und 78 dazu, die Magnetpole 10 und 12 magnetisch zu isolieren.
Es kann beobachtet werden, dass der Ring 74 ermöglicht, die Leistung des elektromechanischen Messwandlers gemäss der Erfindung zu vergrössern, und er ermöglicht ebenfalls, die durch die Magnetpole 10, 12 und 20 auf den Multipolmagneten 34 ausgeübte Anziehung zu vermindern.
Die Funktionsart des elektromechanischen Messwandlers gemäss der zweiten Ausführungsform ist derjenigen der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform ähnlich.

Claims

1. Elektromechanischer Meßwandler, umfassend:

- einen Stator (4, 4'), der Stator-Magnetpole (10, 12, 20) definiert, die sich im wesentlichen in einer gleichen Statorebene (36) befinden;

- einen Rotar (30, 30'), der eine Drehachse (32) des Rotors definiert und einen Multipolmagneten enthält, der eine gerade Anzahl von magnetischen Dipolen aufweist, die abwechselnd längs der Drehachse orientiert sind und jeweils einen ersten Zentrumswinkel (α) definieren, wobei dieser Multipolmagnet (34) eine zur Statorebene parallele Rotorebene (38) definiert;

- zwei Spulen (26, 28), die mit einer Stromversorgung verbunden werden können;

- wobei der Stator (4; 4') einen ersten Zweig (22) und einen zweiten Zweig (24) umfaßt, wovon jeder eine der beiden Spulen trägt, wobei ein erster (10) und ein zweiter (12) der Stator-Magnetpole eine erste bzw. eine zweite kreisförmige Zinnenanordnung (14 und 16) besitzen, deren Zinnen (52, 54) wenigstens teilweise dem Mehrpolmagneten (34) überlagert sind, wobei zwei benachbarte Zinnen der ersten oder der zweiten kreisförmigen Zinnenanordnung in Winkelrichtung relativ zueinander um einen Winkel versetzt sind, der gleich dem doppelten ersten Zentrumswinkel (α) ist, wobei eine beliebige Zinne der ersten kreisförmigen Zinnenanordnung in Winkelrichtung in bezug auf eine beliebige Zinne der zweiten kreisförmigen Zinnenanordnung um den (N + 1/2)-fachen ersten Zentrumswinkel (α) versetzt ist, wobei N eine positive ganze Zahl ist, wobei der erste und der zweite Zweig (22 und 24) erste Enden (56, 57) besitzen, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Magnetpol (10, 12) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter und letzter Magnetpol (20) der Stator-Magnetpole um die Drehachse (32) angeordnet ist und an seinem Umfang Zähne (60) aufweist, die mit der ersten und der zweiten kreisförmigen Zinnenanordnung (14, 16) verzahnt sind und dem Mehrpolmagneten (34) wenigstens teilweise überlagert sind, wobei der erste und der zweite Zweig mit ihren zweiten Enden (58, 59) mit dem dritten Stator-Magnetpol (20) verbunden sind.

2. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem eine Platte (40) aus magnetischem Material enthält, die sich auf der der Statorebene (36) in bezug auf den Mehrpolmagneten (34) gegenüberliegenden Seite befindet, wobei diese Platte wenigstens teilweise diesem Mehrpolmagneten überlagert ist und mit dem Rotor (30) drehfest verbunden ist.

3. Meßwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Platte (40) eine ringförmige Platte ist, die Öffnungen (42) besitzt, die in der Weise angeordnet sind, daß sie Ringsektoren (48), deren Zentrumswinkel wenigstens gleich dem doppelten ersten Zentrumswinkel (α) ist, magnetisch isolieren.

4. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem eine magnetische Platte (74) umfaßt, die sich auf der der Statorebene (36) in bezug auf den Mehrpolmagneten (34) gegenüberliegenden Seite befindet, wobei diese Platte wenigstens teilweise diesem Mehrpolmagneten überlagert ist und in bezug auf den Stator (4') fest angeordnet ist.

5. Meßwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Platte (74) ringförmig ist und zwei Öffnungen (76, 78) aufweist, die zwei Ringsektoren (80, 82), die wenigstens teilweise der ersten bzw. der zweiten kreisförmigen Zinnenanordnung (14, 16) überlagert sind, magnetisch isolieren.

6. Meßwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, der zweite und der dritte Stator-Magnetpol (10, 12, 20) aus ein und demselben Teil gebildet sind, das drei Engstellen (70, 71, 72) mit hoher magnetischer Reluktanz definiert, die die Statorpole (10,12, 20) magnetisch isolieren.

7. Meßwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Dipolen des Mehrpolmagneten (34) gleich dreißig ist, wobei die Stromversorgung so angeordnet ist, daß sie den Rotor (30; 30') um sechzig Schritte pro Umdrehung bei abwechselnder Versorgung der beiden Spulen (26, 28) dreht.