DE858571C

DE858571C - Device for displaying and measuring external magnetic fields

Info

Publication number: DE858571C
Application number: DES20339A
Authority: DE
Inventors: Merlin Carlile Depp
Original assignee: Sperry Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1943-01-19
Filing date: 1950-10-03
Publication date: 1952-12-08

Description

Gerät zum Anzeigen und Ausmessen von äußeren magnetischen Feldern Die Erfindung betrifft eine auf Magnetfelder ansprechende Einrichtung der Sättigungskernbauart, die in der angelsächsischen Literatur vielfach als flux-valve und im folgenden als Magnetfeldindikator bezeichnet wird.Device for displaying and measuring external magnetic fields The invention relates to a device of the saturation core type which is responsive to magnetic fields, often referred to in Anglo-Saxon literature as flux-valve and in the following as Magnetic field indicator is called.

Als Magnetfeldindikator soll eine Einrichtung definiert werden, die einen Kern aus magnetischem Stoff besitzt, der eine Erregerwicklung und eine oder mehrere Abnehmerspulen trägt, wobei die Erregerwicklung durch einen periodisch veränderlichen Strom gespeist wird, der bei Abwesenheit eines äußeren Magnetfeldes einen periodisch veränderlichen, dem Sättigungswert nahekommenden Fluß erzeugt, und die Erregerwicklung sowie die Abnehmerspule oder -spulen so angeordnet sind, daß bei Abwesenheit eines äußeren, einen Fluß in dem Kern erzeugenden Magnetfeldes keine Spannung in der oder den Abnehmerspulen erzeugt wird. A device is to be defined as a magnetic field indicator which has a core made of magnetic material, which has an excitation winding and an or carries several pick-up coils, the excitation winding through a periodically variable Current is fed, which periodically in the absence of an external magnetic field variable, the saturation value approaching flux generated, and the excitation winding and the pickup coil or coils are arranged so that in the absence of one external magnetic field generating a flux in the core, no voltage in the or the pickup bobbins is generated.

Wenn aber ein von einem äußeren Feld herrührender Fluß vorhanden ist, treten in Teilen des Kerns in unsymmetrischer Weise Sättigungserscheinungen auf, wodurch in der oder denAbnehmerspulen Spannungen erzeugt werden. Die Größe dieser Spannung oder Spannungen hängt von der Stärke des äußeren Magnetfeldes sowie von seiner Richtung in bezug auf den Magnetfeldindikator ab, und diese Ausgangsspannung oder -spannungen können für Anzeige- oder Steuerzwecke ausgenutzt werden, beispielsweise zur Anzeige der magnetischen Richtung eines Ortes. Es sind schon verschiedene Anord- nungen des Kerns, der Erregerwicklung und der Abnehmerspule oder -spulen solcher Einrichtungen vorgeschlagen worden. Der Hauptzweck der vorliegenden Erfindung ist eine neuartige und verbesserte Anordnung und Ausbildung ihrer Bestandteile.But if there is a flow from an external field, saturation phenomena occur in an asymmetrical manner in parts of the core, whereby voltages are generated in the pickup coil or coils. The size of this Tension or tensions depends on the strength of the external magnetic field as well as on its direction with respect to the magnetic field indicator, and this output voltage or voltages can be used for display or control purposes, for example to display the magnetic direction of a location. There are already different arrangements nings the core, the excitation winding and the pick-up coil or coils of such devices has been proposed. The main purpose of the present invention is novel and improved arrangement and design of their components.

Gemäß der Erfindung kennzeichnet sich das Gerät durch einen aus polygonförmig angeordneten Gliedern oder Schenkeln aus magnetisch permeablem Stoff bestehenden Kernaufbau, eine mit diesem verketteteErregerwicklung zur Erzeugung eines sich in den aufeinanderfolgenden Schenkeln des Kerns schließenden Wechsel magnefflusses sowie durch eine mehrere Ausgangsstromkreise bildende Sekundärwicklungsanordnung, welche aus Wicklungspaaren besteht, deren Einzelwicklungen auf benachbarten Kernschenkeln angeordnet und so in Reihe geschaltet sind, daß die in ihnen durch den Wechselfluß induzierten Spannungen bei Abwesenheit eines äußeren Magnetfeldes annähernd gleich und entgegengesetzt sind. According to the invention, the device is characterized by a polygonal shape arranged limbs or legs made of magnetically permeable material Core structure, an excitation winding linked to this to generate a the alternation of magnetic flux closing the successive legs of the nucleus as well as a secondary winding arrangement forming several output circuits, which consists of winding pairs, the individual windings on adjacent core legs arranged and connected in series that the flow through the alternating flow in them induced voltages approximately equal in the absence of an external magnetic field and are opposite.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben. Embodiments of the invention are hereinafter based on the Drawing described.

Fig. I ist ein Grundriß einer Ausführung eines Magnetfeldindikators gemäß der Einfindung; Fig. 2 ist ein Schnitt nach der Linie I-I der Fig. I; Fig. 3 und 4 zeigen schematisch die magnetischen und elektrischen Kreise der in Fig. I dargestellten Einrichtung; Fig. 5 ist ein Grundriß einer abgeänderten Ausführung; Fig. 6 ist ein Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 5; Fig. 7 zeigt beispielsweise ein Schaltbild eines an eine Empfängereinheit angeschlossenen Magnetfeldindikators. Figure I is a plan view of one embodiment of a magnetic field indicator according to the invention; Fig. 2 is a section on the line I-I of Fig. 1; Fig. 3 and 4 show schematically the magnetic and electrical circuits of the in Fig. I illustrated device; Fig. 5 is a plan view of a modified embodiment; Fig. 6 is a section on the line II-II of Fig. 5; 7 shows, for example a circuit diagram of a magnetic field indicator connected to a receiver unit.

Obwohl gemäß der Erfindung der Kern in Gestalt eines Polygons mit mehr als drei Seiten ausgebildet werden kann, ist die Ausführung mit einem dreieckigen Kern nach Fig. I bis 7 besonders vorteilhaft, weil dieser Kern eine Mindestanzahl von Teilen besitzt, so daß die Kernteile eng aneinandergepaßt werden können, und weil ferner zwischen benachbarten Kernschenkeln ein spitzer Winkel gebildet wird, der die günstigste relative Anordnung der Abnehmerspulen ergibt, wenn diese in der im folgenden beschriebenen Weise miteinander verbunden werden. In den Fällen, wo das Polygon körperlich nicht vollständig ist, wie in Fig. 5, wo die Scheitel offen stehen, ist das Polygon hinsichtlich der erregenden MMK doch im wesentlichen vollständig. Although according to the invention, the core in the form of a polygon with more than three sides can be formed, the version is with a triangular one Core according to Fig. I to 7 particularly advantageous because this core has a minimum number of parts so that the core parts can be closely fitted together, and because an acute angle is also formed between adjacent core legs, which gives the most favorable relative arrangement of the pick-up coils when they are in the are connected to each other in the manner described below. In those cases where the polygon is not physically complete, as in Figure 5 where the vertices are open stand, the polygon is essentially complete with regard to the exciting MMK.

Die bevorzugte Ausführung nach Fig. I besitzt einen Kern in Form eines geschlossenen gleichseitigen Dreieckrahmens. Seine Schenkel können aus einem Stück bestehen. Zur Veranschaulichung wurde jedoch der Kern mit drei Schenkeln I, 2, 3 dargestellt, die aus einem magnetisch hoch permeablen Stoff bestehen. Diese Schenkel sind so angeordnet, daß sie sich an den Scheiteln des Dreiecks berühren und so in diesem einen ununterbrochenen Pfad für den Kreis des Flusses bilden. Auf jedem Kernschenkel, von welchem bei der gezeigten Anordnung jeder zwei Streifen oder Bleche 4 und 5 aufweist, ist eine Erregerspule 6 angeordnet, und um jede Erregerspule sind zwei Abnehmerspulen gewickelt, die in Fig. I bis 5 mit A, B und C bezeichnet sind. The preferred embodiment of Fig. I has a core in shape a closed equilateral triangular frame. His thighs can come from one Piece. For illustration, however, the core with three legs I, 2, 3 shown, which consist of a magnetically highly permeable material. These Legs are arranged so that they touch at the vertices of the triangle and so in this form an uninterrupted path for the circle of the river. on each core leg, each of which has two strips in the arrangement shown or has sheets 4 and 5, an excitation coil 6 is arranged, and around each excitation coil two pick-up coils are wound, denoted by A, B and C in FIGS are.

Nach Fig. 3 sind die Erregerspulen 6 miteinander und mit einer Quelle 7 des pulsierenden oder wechselnden Erregerstromes in Reihe geschaltet, sie können aber, falls erwünscht, auch parallel geschaltet werden. According to Fig. 3, the excitation coils 6 are with each other and with a source 7 of the pulsating or alternating excitation current connected in series, you can but, if desired, can also be connected in parallel.

Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Anordnung der Abnehmerspulen und ihrer Verbindungen. Der Kernschenkel I trägt zwei Abnehmerwicklungen 8 und 9, während der Kernschenkel 2 die Wicklungen 10 und II und der Schenkel 3 die Wicklungen I2 und I3 trägt. Nach der Erfindung wird die eine Spule jedes Paares an die Spule eines anderen Paares auf einem benachbarten Kernschenkel angeschlossen. Mit anderen Worten werden die Spulen 8 und 10 miteinander verbunden, ferner die Spulen II und 12 bzw. die Spulen g und I3. Die so miteinander verbundenen Spulen können als Spulenpaare betrachtet und in Y-Schaltung verbunden werden, wie dies in Fig. 4 und 7 gezeigt ist. Hinsichtlich des in dem Kern durch die Spulen 6 erzeugten Erregerflusses sind jedoch die Spulen jedes dieser Paare, z. B. die Spulen 8 und Io, gegeneinander oder in Opposition geschaltet. Mit anderen Worten, der durch die Erregerwicklung 6 in dem Kern erzeugte Fluß wird bei irgendeinem augenblicklichem Wert in derselben Richtung um den Dreieckrahmen verlaufen. Dieser Fluß induziert in den Abnehmerwicklungen Spannungen, und die Wicklungen jedes Abnehmerwicklungspaares sind so miteinander verbunden, daß diese induzierten Spannungen sich entgegenwirken und gegenseitig aufheben, wodurch im Ausgangskreis der Abnehmerspulen die Grundfrequenz des Erregerstromes beseitigt wird. Fig. 4 shows a preferred arrangement of the pick-up bobbins and their Links. The core leg I carries two take-off windings 8 and 9, while the core leg 2, the windings 10 and II and the leg 3, the windings I2 and I3 wears. According to the invention, one coil of each pair is attached to the coil of one other pair connected to an adjacent core leg. In other words the coils 8 and 10 are connected to one another, furthermore the coils II and 12 or the coils g and I3. The coils interconnected in this way can be used as coil pairs viewed and connected in Y-connection as shown in Figs is. Regarding the excitation flux generated in the core by the coils 6 are however, the coils of each of these pairs, e.g. B. the coils 8 and Io, against each other or switched into opposition. In other words, the through the excitation winding 6 in The flux generated in the core will be in the same direction at any instantaneous value run around the triangle frame. This flux induces in the doffer windings Voltages, and the windings of each pair of dump windings are so with each other connected that these induced tensions counteract each other and each other cancel, whereby the basic frequency of the excitation current in the output circuit of the pickup coils is eliminated.

Wie ersichtlich, wird jedoch, wenn ein äußeres Magnetfeld, z. B. das Erdfeld, in Richtung des Pfeiles 14 in Fig. 4 verläuft und der Magnetfeldindikator ihm ausgesetzt wird, der durch dieses Feld in den Kernschenkeln I und 2 induzierte Fluß in relativ entgegengesetzten Richtungen in diesen Schenkeln verlaufen, so daß sich die in dem Spulenpaar 8, 10 induzierten Spannungen auf Grund der Schaltung dieser Spulen addieren und ein Ausgangssignal erzeugt wird. Da alle drei Abnehmerspulenpaare in der beschriebenen Weise angeordnet sind, wird jedes Paar in der beschriebenen Weise wirken, die Grundfrequenz aufheben und ein nahezu unverzerrtes Ausgangssignal liefern, wenn es in passender Weise in ein äußeres Magnetfeld gebracht und dessen Einwirkung ausgesetzt wird. As can be seen, however, when an external magnetic field, e.g. B. the earth field, in the direction of arrow 14 in Fig. 4 and the magnetic field indicator is exposed to the induced by this field in the core limbs I and 2 Flow in relatively opposite directions in these legs so that the voltages induced in the coil pair 8, 10 due to the circuit add these coils and an output signal is generated. Since all three pairs of pick-up bobbins are arranged in the manner described, each pair is arranged in the manner described Act wisely, cancel the fundamental frequency and an almost undistorted output signal deliver when it is appropriately placed in an external magnetic field and its Exposure.

Bei der Ausführungsform nach Fig. I bis 4 werden die Streifen jedes Kernschenkels in einem Gehäuse 15 gehalten, das aus einem unmagnetischen Stoff besteht. Die Streifen sind dabei durch Stifte I6 befestigt und mit den Aufnahmehörnern I7 verbunden, welche zwischen dem ringförmigen Rand des Gehäuses 15 und einem Klemm- ring I8 liegen. Der Ring I8 kann durch Schrauben 19 befestigt werden, die zwischen den durch einen Abstand getrennten Enden der Aufnahmehörner 17 verlaufen und dazu dienen, um die Kernschenkel in dem Gehäuse sicher zu befestigen. In the embodiment of FIGS. 1 to 4, the strips are each Core leg held in a housing 15, which consists of a non-magnetic material. The strips are attached by pins I6 and with the receiving horns I7 connected, which between the annular edge of the housing 15 and a clamping ring I8 lie. The ring I8 can be fixed by screws 19 between the run by a distance separated ends of the receiving horns 17 and serve to to securely fasten the core legs in the housing.

Wie ersichtlich, stellt ein Gerät, welches in der an Hand der Fig. I bis 4 beschriebenen Weise ausgebildet ist, eine leicht herstellbare Vorrichtung mit sehr vorteilhaften Eigenschaften dar. Es können z. B. die drei Kernschenkel aus ebenen, dünnen, permeablen Streifen ausgebildet und, da sie in der Mindestanzahl vorhanden sind, auch in ihren'Permeabilitätseigenschaften leicht einander angepaßt werden. Da der Kern die Form eines geschlossenen Polygons hat, besitzt ferner sein magnetischer Kreis einen nahezu konstanten magnetischen Widerstand bei jeder beliebigen Azimutlage des Kerns in bezug auf ein äußeres Magnetfeld. As can be seen, a device, which is based on the Fig. I to 4 described manner is designed, an easily manufactured device with very advantageous properties. B. the three core legs formed from flat, thin, permeable strips and, since they are in the minimum number are present, also slightly adapted to one another in their permeability properties will. Since the core has the shape of a closed polygon, it also has its magnetic circuit has an almost constant magnetic reluctance at any Azimuth position of the core in relation to an external magnetic field.

Obwohl Fig. I und 2 eine Ausführungsform mit Aufnahmehörnern zeigen, können solche Hörner auch weggelassen werden, da der Kern selbst die Aufgabe dieser Aufnehmer übernehmen kann. Fig. 5 und 6 zeigen eine Ausführung, die keine Aufnahmehörner aufweist. Although Figs. I and 2 show an embodiment with pick-up horns, Such horns can also be omitted, since the core itself does the job of this Can take over the transducer. Figures 5 and 6 show an embodiment that does not have pick-up horns having.

Fig. 5 zeigt diese abgeänderte Ausführung, bei welcher die Schenkel 20, 2I, 2-2 so angeordnet sind, daß sie längs den Seiten eines geschlossenen Dreieckrahmens liegen, jedoch an den Dreieckscheiteln etwas voneinander getrennt sind. Durch diese gegenseitige Anordnung der Kernteile werden alle Störungen im Kernkreis vermieden, die durch Berührung zwischen benachbarten Kernteilen verursacht werden könnten. Bei dieser Anordnung kann jeder Schenkel einen oder mehrere Streifen aufweisen, die übereinander und mit gegenseitiger Berührung angeordnet sind, oder die Streifen können in senkrechter Richtung getrennt sein, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, wo Isolatoren 23 zwischen den Streifen 24 und 25 eines Kernschenkels eingesetzt sind. Durch diese Trennung der Streifen können Störungen der magnetischen Eigenschaften des Kerns vermieden werden, die sonst durch das Ineinandergreifen der Streifen jedes Kernschenkels verursacht werden könnten. Fig. 5 shows this modified embodiment in which the legs 20, 2I, 2-2 are arranged so that they are along the sides of a closed triangular frame but are somewhat separated from each other at the vertices of the triangle. Through this mutual arrangement of the core parts, all disturbances in the core circle are avoided, which could be caused by contact between adjacent core parts. In this arrangement, each leg can have one or more strips, which are arranged one above the other and with mutual contact, or the strips may be separated in the vertical direction as shown in Fig. 6, where Insulators 23 are inserted between the strips 24 and 25 of a core leg. This separation of the strips can cause disturbances in the magnetic properties of the core that would otherwise be avoided by interlocking the strips each Core limb could be caused.

Fig. 7 zeigt eine Schaltung zur betriebsmäßigen Verbindung eines Magnetfeldindikators mit einem Empfänger für die von ihm erzeugten Signale. Die Wicklungen 26, 27, 28 stellen je eines der Wicklungspaare 8, 10 bzw. II, I2 bzw. 9, I3 dar. Diese Wicklungen sind in Y-Schaltung verbunden, und ihre Ausgänge sind mit den in Y-Schaltung verbundenen Mehrphasenwicklungen eines Empfängers 29 verbunden, der nach der »Autosyn«- oder »Selsyn«-Bauart ausgebildet sein kann. Wenn Phasenempfindlichkeit erwünscht ist, kann ein Strom mit der doppelten Frequenz - der Quelle 7 in die einphasige Wicklung 30 des Empfängers geschickt werden. Die Notwendigkeit einer solchen Erregung mit doppelter Frequenz ist dem Fachmann bekannt und braucht hier nicht näher erläutert zu werden. Fig. 7 shows a circuit for operational connection of a Magnetic field indicator with a receiver for the signals it generates. the Windings 26, 27, 28 each represent one of the winding pairs 8, 10 or II, I2 or 9, I3. These windings are connected in a Y connection, and their outputs are connected to the multi-phase windings of a receiver 29 connected in Y-connection, which can be designed according to the »Autosyn« or »Selsyn« design. When phase sensitivity is desired, a current with twice the frequency - the source 7 in the single-phase Winding 30 of the recipient. The need for such excitement with double frequency is known to the person skilled in the art and does not need to be explained in more detail here to become.

Die Vorrichtung 29 kann natürlich als Signalübertrager verwendet werden, um aus der einphasigen Wicklung 30 ein Ausgangssignal zu liefern, welches zu Steuerzwecken dienen kann, z. B. zur Steurung eines Richtkreisels zur Herstellung eines kreiselmagnetischen Kompasses.The device 29 can of course be used as a signal transmitter, to provide an output signal from the single-phase winding 30, which is used for control purposes can serve, e.g. B. to control a directional gyro for the production of a gyro-magnetic Compasses.

Abgesehen von den sehr wünschenswerten Betriebseigenschaften, welche die an Hand der Fig. I bis 7 beschriebenen Geräte besitzen, sind diese auch hinsichtlich der Herstellung sehr vorteilhaft. So können beispielsweise die als einzelne Stücke hergestellten Kernteile leicht auf Grund ihrer magnetischen Eigenschaften ausgewählt werden, die Erregerwicklungen können fertiggewickelt auf die Kernteile aufgesetzt und die Abuehmerwicklungen darübergewickelt werden, natürlich mit einer Isolierung zwischen den betreffenden Wicklungen und dem Kern. Schließlich kann jeder Schenkel als eine Einheit betrachtet und leicht in das dafür bestimmte Gehäuse eingebaut werden. Apart from the very desirable operating properties, which have the devices described with reference to FIGS. I to 7, these are also with regard to very advantageous in production. For example, they can be used as individual pieces manufactured core parts are easily selected for their magnetic properties The excitation windings can be fully wound and placed on the core parts and the winding windings are wrapped over it, of course with insulation between the windings concerned and the core. After all, every thigh can considered as a unit and easily built into the dedicated housing will.

Claims

PATENT CLAIMS: I. Apparatus for displaying and measuring an external magnetic field, characterized by one of polygonal members or legs made of magnetically permeable material core structure, one with this interlinked excitation winding to generate one in the successive Legs of the core closing alternating magnetic flux and through one of several output circuits forming secondary winding arrangement, which consists of winding pairs, their individual windings arranged on adjacent core legs and connected in series so that the voltages induced in them by the alternating flux in the absence of an external one Magnetic field are approximately the same and opposite.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that each output circuit consists of two pairs of windings, one winding on each leg and the other winding is arranged next to it on the other leg so that a pair of windings is formed at each vertex.

3. Apparatus according to claim I or 2, characterized in that three Links form a triangle and the three output circles outside in a Y-connection are connected to a Selsyn receiver.

4. Apparatus according to claim 3, * characterized in that the receiver serves as a signal transmitter for generating an output control signal.

5. Apparatus according to claim I or the following, characterized in that that each leg of the core assembly consists of a single strip or of several consists of superimposed strips.