DE956626C - Kreiselgeraet - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 24 JANUAR 1957

G 13490 IX /42 c

Kreiselgerät

Die Erfindung bezieht sich auf kardanisch gelagerte Kreiselgeräte und insbesondere solche mit elektrischen Steuervorrichtungen, die auf Abweichungen der Rotorachse und der unabhängigen Kardanachse von der senkrechten Lage zueinander ansprechen.'

In den bekannten dreiachsigen Kreiselgeräten, bei denen die Rotorachse normal zur abhängigen oder inneren Kardanachse und diese normal zur unabhängigen oder äußeren Kardanachse steht," ist es oft erforderlich, eine elektrische Abnahmevorrichtung längs der abhängigen Achse vorzusehen, um die Winkelstellungen der Rotorachse ' in bezug auf die unabhängige Achse festzustellen und in kennzeichnende elektrische Signale zu übersetzen. Solche Abnahmevorrichtungen bestehen gewöhnlich aus einer Läufer- und einer Ständeranordnung, von denen wenigstens der Ständer mit Erregungs- und Ausgangsklemmen elektrisch gekoppelt sein muß, wobei der Ständer entweder auf dem Kardanring oder dem Rotorträger und der Läufer jeweils auf dem anderen dieser Elemente so angebracht ist, daß beide eine Winkelbewegung gegeneinander ausführen können. Die Ausgangsspannung der Abnahmevorrichtung wird verwendet, um über einen Verstärker im Fall eines Kreisel-

riehtungsweisers einen Nachdrehmotor zur Ausrichtung der unabhängigen Achse bzw. im Falle eines Vertikalkreisels einen Mömenterzeuger zur Aufrichtung der unabhängigen Achse zu erregen. In beiden Arten von Kreiselgeräten erzeugen die in den bekannten Abnahmevorcichtungen verwendeten magnetischen Materialien unerwünschte Drehmomente um die abhängige Achse, welche zu Kreiselpräzessionen um die unabhängige Achse ίο Anlaß geben und unzulässige Fehler verursachen. Diese Abnahmevorrichtungen, die mit Läuferwicklungen und Ständerwicklungen arbeiten, erfordern ferner eine zusätzliche elektrische Kopplung zur Bewegung um die abhängige Achse, die t5 ebenfalls fehlererzeugende Drehmomente mit sich bringt. Die hohen Genauigkeitsanforderungen bei modernen Kreiselgeräten zwingen dazu, diese Fehler unter die bisher üblichen Größen herabzudrücken. Ferner bildet es einen offensichtlichen und sehr entschiedenen konstruktiven Vorteil, die Läufer- und Ständeranordnung für die Abnahmevorrichtung für Bewegungen der abhängigen Achse von ihrem üblichen Platz längs dieser Achse, wo sie erheblichen Platz beansprucht und den Zusammenbau erschwert, zu entfernen.

Es ist bereits eine Abnahmevorrichtung für die Winkelausschläge eines Kreiselgerätes bekannt, bei der das vom Kreieelrotor erzeugte Luftwirbelfeld mit zwei druckempfindlichen Fühlern abgetastet wird und die bei Änderungen der Winkelstellung an den Fühlern auftretenden Druckänderungen zur Anzeige der Winkeländerungen bzw. als Steuerimpulse zur Rückführung des Kreisels in die Nulllage benutzt werden.

Die vorliegende Erfindung .verwendet dagegen den Streufluß des elektrischen Antriebsmotors für den Kreiselrotor zur Auslösung von elektrischen Signalen, die die Wankeländerungen der Rotorachse gegenüber einer gerätefesten Bezugsachse kennzeichnen, und zwar erfolgt der Antrieb des Kreiselrotors erfindungsgemäß durch einen Motor, der ein wechselndes magnetisches Streufeld erzeugt, das symmetrisch um die Rotorachse verteilt ist, und die Abnahmeeinrichtung besteht aus einem elektromagnetisch induzierbaren Element, das an der zu messenden Schwenkbewegung nicht teilnimmt und so angebracht ist, daß in ihm durch das Streufeld des Kreiselmotors Spannungen induziert werden, die sich mit dem Schwenkwinkel des Kreisels um die betreffende Achse ändern.

Die auf den Kardanring angebrachten Windungen bilden so den einzigen Zusatz zu der im übrigen bekannten Kreiselanordnung, der vorgesehen werden muß, um ein Steuer- oder Abnahmesignal zu erzeugen, das auf die Stellungen der Rotorachse in bezug auf die unabhängige Achse des Kreiselgeräts anspricht. Die Funktion des Läufers der Abnahmevorrichtung und des erregenden Mittels für das Steuersignal wird von dem Kreiselmotor selbst wahrgenommen, und für die Abnahmevorrichtung ist keine besondere Erregerwicklung erforderlich. Ferner sind im Unterschied gegen die bekannten Abnahmevorrichtungen für Steuerzwecke oder ähnliche Anwendung Verriegelungsdrehmomente, komplizierte Wicklungen und Aufbauten und geringe Fertigungstoleranzen vermieden. Eine Abschirmung des Streuflusses des Motors ist ebenfalls überflüssig, da gerade dieser Fluß die verlangten Steuersignale erzeugt.

Nach einer Ausführungsart der Erfindung ist ein Paar im wesentlichen ringförmiger Spulen vorgesehen, die in mit der unabhängigen Achse eines dreiachsigen Kreiselrichtungsweisers parallelen Ebenen angebracht sind. Der Streufluß von den Ständerwicklungen eines mit Wechselstrom betriebenen' Kreiselantriebsmotors, der schwenkbar im Kardanring gelagert ist, durchsetzt die auf dem Kardanring angebrachten Spulen und induziert dadurch elektrische Ausgangssignale, welche die Winkelbeziehung zwischen den Spulen und der Rotorachse, mit der das Kraftfeld des Motors konzentrisch ist, kennzeichnen. Die von diesen Spulen gelieferten Ausgangssignale werden einem phasenempfindlichen Ausrichtverstärker zugeführt, der einen Nachdrehmotor um die unabhängige Achse erregt, um ausrichtende Drehmomente zu erzeugen, die das Senkrechtstehen zwischen der Rotorachse und der Ebene des Kardanrings und der Abnahmespulen wieder herstellen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung. Hierin zeigt Fig. ι in teilweisem Schnitt ein dreiachsiges Kreiselgerät, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüstet ist,

Fig. 2 eine weitere Aneicht des Kreiselgeräts nach Fig. 1 zusammen mit einem phasenempfindlichen Verstärker und

Fig. 3 bis 5 schematische Darstellungen der Beziehungen zwischen den Ausgangsspulen der Abnahmevorrichtung und dem Streufluß des Kreiselmotors für bestimmte Stellungen der Rotorachse eines Kreiselgeräts nach Fig. 1 und -2.

Der äußere Rahmen 1 des Kreiselgeräts nach Fig. i, der beispielsweise an einem Flugzeug befestigt ist, hält mittels Zapfen 3 einen um die unabhängige Achse 4-4 des Kreiselgeräts frei schwenkbaren Kardanring 2. Der Kardanring 2 seinerseits trägt den eigentlichen Kreisel 5, der um eine abhängige Achse 6, die in Stirnansicht dargestellt und senkrecht zur unabhängigen Achse4-4 ist, Schwenkbewegungen ausführen kann. Der Kreisel 5 weist einen aus zwei symmetrischen Hälften bestehenden Rotor auf, der in einem zwischen den Rotorhälften angeordneten Tragglied drehbar gelagert ist. Diese Kreiselbauart ist in Verbindung mit der vorliegenden Abnahmevorrichtung besonders vorteilhaft. Die beiden symmetrischen Rotorhälften 7 und 8 sind auf einer Welle 9 um die Rotorachse 10-10 drehbar, wobei die Rotorwelle in Lagern läuft, die von dem schienenförmigen, schwenkbaren Tragglied 11 gehalten werden. Letzteres ist zwischen den Rotorhälften angeordnet. Die Zapfen der abhängigen Achse, von denen einer bei 12 sichtbar ist, ragen aus ihm hervor. Die Rotorhälften 7 und 8 sind im wesentlichen glockenförmig und tragen

ringförmige Läufer 13 von Hysteresemotoren an ihren Innenseiten, um mit den Kernblechen 14 und Wicklungen 15 der Hysteriesemotorständer zusammenzuwirken, die von dem schienenartigen Glied 11 getragen werden. 'Bekanntlich wirken die rasch umlaufenden Wechselmagnetfelder, die vom Ständer des Motors erzeugt werden, mit dem Material des Läufers zusammen und erzeugen dadurch Drehmomente, welche die ringförmigen Glieder 13 und die mit ihnen verbundenen Rotorhälften 7 und 8 mit der sehr großen Geschwindigkeit in Umdrehung versetzen, die erforderlich ist, damit die Rotorhälften die nötige Kreiselträghei.t um die Drehachse entwickeln.

Im Gegensatz zur bekannten Praxis der Anbringung eines Ständers für die Abnahmevorrichtung auf dem Kreisel bzw. dem Kardanring und eines Läufers für dieselbe auf dem ergänzenden Teil, um die Abgabe elektrischer Signale zu ermögliehen, die die Beziehung zwischen Rotorachse und Kardanring kennzeichnen, erhält man gemäß der Erfindung die Signale durch die Verkettung des von den Ständern des Kreiselantriebsmotors herrührenden Streuflusses mit einer Induktionsanordnung wie den im wesentlichen ringförmigen Abnahmespulen 16 und 17, die von dem Kardanringträger 18 getragen werden und parallel zur unabhängigen Achse 4-4 stehen. Die in diesen Spulen oder in der von einer einzelnen Spule dargestellten Wicklung vom Streufluß, des Motors induzierten Spannungen haben Phasen und Amplituden, welche ein Maß für den Richtungssinn und das Ausmaß der Winkelverstellungen der Rotorachse um die unabhängige Achse von einer neutralen Lage aus darstellen. Da die Ständerwicklungen mit der Rotorachse konzentrisch sind und darum die Streuflüsse in Ebenen senkrecht zur·Rotorachse auftreten, ist die neutrale Lage der Rotorachse, d. h. die Lage, in der in den ringförmig gewickelten Abnahmespulen 16 und 17 keine Abnahmespannung auftritt, diejenige, bei der die Rotor achse zu den Ebenen der Abnahmespulen senkrecht steht. Zunehmende Abweichungen der Rotorachse von der in bezug auf die Spulenebene senkrechten Lage ergibt ein zunehmendes Schneiden von Streuflußkraftlinien durch die Abnahmespulen und zunehmende Erzeugung von Ausgangsspannungen in ihnen. Ferner ergeben Abweichungen von der neutralen Lage in entgegengesetzten Winkelrichtungen Ausgangsspannungen mit entgegengesetzten Phasen, wodurch die Phase und Amplitude jeder Ausgangsspannung die in diesem Fall vorhandene Abweichung vollkommen kennzeichnet.

Nicht dargestellte, in der Kreiseltechnik an sich bekannte Schleifringe können verwendet werden, um die Signale aus der Ausgangs wicklung der Abnahmevorrichtung mit einer zugeordneten Vorrichtung, die auf diese Signale ansprechen kann, zu kuppeln. In dem Beispiel eines Kreiselrichtungs-

6g weisers werden die Ausgangsspannungen einem phasenempfindlichen Gleichricht- und Verstärkungsgerät zugeführt, das seinerseits einen Nachdrehmotor in Tätigkeit setzt, der Drehmomente um die unabhängige Achse erzeugt und hierdurch dem Kreisel eine Präzession in die Stellung erteilt, in der die Rotorachse zu den Ebenen der Ausgangswicklungen senkrecht ist. Diese Ebenen sind parallel zur großen Achse und zum Kardanring, so daß die Rotorachse ausgerichtet ist und keine willkürliche Bewegung um die abhängige Achse ausführen kann.

In Fig. 2 ist das Kreiselgerät nach Fig. 1 in Seitenansicht dargestellt, und es ist gezeigt, wie der um die unabhängige Achse angeordnete Nachdrehmotor 19 vom Ausgang eines Ausrichtverstärkers 20 erregt wird. Leitungen 21 verbinden die in Reihe geschalteten Anschlüsse der Spulen 16 und 17 mit dem Eingang des Verstärkers 20, vorzugsweise über Schleifringe um die unabhängige Achse 4-4. Der Nachdrehmotor 19, dessen Einzelheiten in Fig. 1 dargestellt sind, ist ebenfalls phasenempfindlich. Wenn also Signale einer bestimmten Phasenbeziehung entsprechend der Erregung des Verstärkers 20 durch Ausgangsspulensignale einer Phase den Ständerwicklungen 22 zugeführt werden, wird der Läufer 23 des Nachdrehmotors durch Kraftflüsse vom Ständerkern 24 in eine bestimmte Winkelrichtung getrieben, während er in die entgegengesetzte Winkelrichtung getrieben wird, wenn dem Verstärker2o zugeführte Signale der entgegengesetzten Phase ein Verstärkerausgangssignal mit einer anderen Phasenbeziehung erzeugen. Läufer 23 des Nachdrehmotors ist mit dem Zapfen 3 der unabhängigen Achse verbunden, und Wicklung und Kern seines Ständers sind auf dem äußeren. Rahmen 1 des Kreiselgeräts befestigt, wodurch Antriebskräfte zwischen dem Läufer und dem Ständer eine Präzession des Kreisels um die abhängige Achse 6-6 bewirken.

3> 4 und 5 zeigen schematisch die Be-Ziehungen zwischen Abnahmewicklung, Rotorachse und Streufluß des Antriebsmotors für drei, wichtige Kreiselstellungen. In Fig. 3 ist die Rotorachse 25 normal zu der Ebene der Abnahmewicklung 26, so daß der umlaufende Streufluß 27 parallel zur Wicklung ist und in dieser keine Ausgangsspannung erzeugen kann. Diese Lage der Rotorachse senkrecht zur unabhängigen Achse 4-4 ist eine bevorzugte Lage, und die Abwesenheit einer Ausgangsspannung in der Wicklung 26 ist eine erwünschte Bedingung, da der Ausrichtverstärker in diesem Fall nicht erregt wird und keine Ausgangsspannung erzeugt, die den Nachdrehmotor der unabhängigen Achse in Tätigkeit setzen und eine Präzession der Rotorachse in eine andere Lage bewirken würde. Bei Verlagerung der Rotorachse 25 nach oben, wie in Fig. 4 dargestellt, schneidet der Streufluß 27 die Wicklung 26 und induziert in derselben eine Ausgangsspannung einer bestimmten Phase. Verlagerung der Rotorachse in entgegengesetzter Richtung wie in Fdg. 5 dargestellt bewirkt ein Schneiden der Wicklung 26 durch den Streufluß 27 im entgegengesetzten Sinn und die Induzierung einer Ausgangsspannung entgegengesetzter Phase. Größere Winkelverlagerungen der Rotorachse bringen größere Amplituden der an den Enden der Wick-

lungen auftretenden Spannungen mit sich, bis die Verlagerungen 90⁰ von der neutralen Lage aus erreichen. Die Phasen- und Amplitudenkennzeichen der Ausgangswicklungssignale legen so.die Winkelbeziehung zwischen der Rotorachse und der unabhängigen Achse des Geräts bzw. der Ebene des Kardanrings und der Ausgangswicklung fest.

Phaseneinstellungen der Ausgaiigswicklungssignale, um die Signalspannungen in eine verlangte ίο Beziehung zu einer Bezugsspannung zu bringen, können wichtig sein, wenn diese Signalspannungen einem phasenempfindlichen Verstärker zugeführt werden. Während es bisher üblich war, elektrische Phasenschiebernetzwerke zu verwenden, um bei bekannten Istwertgebern dieses Ergebnis zu erzielen, kann die erforderliche Phaseneinstellung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung einfach und genau durch Winkeleinstellung des Ständers des Kreiselantriebsmotors um die Rotorachse vorgenommen werden. Der umlaufende Streufluß, der in seiner Phasenbeziehung zum Ständer des Kreiselmotor« festgelegt ist, wird dementsprechend verschoben. So kann in dem Kreiselgerät nach Fig. 1 der aus Kernblechen 14 und Wicklungen 15 - bestehende Ständer zuerst in seiner Winkellage um die Rotorachse 6-6 festgelegt und dann in bezug auf die Tragschiene 11 befestigt werden, um die richtige Phase der Ausgangssignale von der durch die Spulen 16 und 17 dargestellten Wicklung zu ergeben. Eine Kompensation für die Summe aller Phasenverschiebungen zwischen den Ausgangsspannungen und einer Bezugsspannung kann auf diese Weise vorteilhaft vorgenommen werden. Einstellungen, um die elektrische Nullstellung der Ausgangsspannung der Abnahmewicklung mit der senkrechten Beziehung zwischen der Rotorachse und der unabhängigen Achse zusammenfallen zu lassen, können in einer leichten Neigung der Ausgangsspulen aus ihrer Parallellage zur unabhängigen Achse bestehen.

Obwohl die geschilderte Ausführungsart der Erfindung an Hand eines Kreiselrichtungsweisers beschrieben wurde, ist dieselbe Abnahmevorrichtung ebenso vorteilhaft in anderen Kreiselgeräten, beispielsweise Vertikalkreiseln oder Wendezeigern, verwendbar. Die Feststellung der Neigung eines Vertikalkreisels um die abhängige Achse mit dieser Abnahmevorrichtung liefert Steuersignale für Fernanzeiger der Stellung oder automatische Steuerungsgeräte oder einen Momenterzeuger zur Kreiselaufrichtung. Wenn die Ausgangswicklung auf einem unabhängigen, pendelartig aufgehängten Kardanring angebracht "wird, kann man ein Ansprechen der Ausgangssignale auf die Schwere erreichen und sie zur Betätigung eines Momenterzeugers verwenden, der den Vertikalkreisel .in Übereinstimmung mit Abweichungen der Rotorachse von'der Vertikalen, wie sie durch den pendelartigen Kardanring und' die Ausgangswicklung bestimmt ist, aufrichtet. Eine auf dem äußeren Rahmen des Kreiselgeräts parallel tax unabhängigen Achse angeordnete Abnahmewicklung liefert Ausgangssignale, welche die Winkelverlagerungen der Rotorachse um die unabhängige Achse kennzeichnen. So können in einem Vertikalkreisel mit einer ersten auf dem Kardanring angebrachten Ausgangswicklung und einer zweiten auf dem äußeren· Rahmen angebrachten Ausgangswicklung Ausgangssignale von den beiden Wicklungen erhalten werden, die sowohl die Steigung als auch die Schräglage des tragenden Flugzeugs in bezug auf die Rotorachse des Vertikalkreisels kennzeichnen. Offenbar kann also die vorliegende Erfindung in Kreiselgeräten verwendet werden, bei denen die Ausgangswicklung auf dem Kardanring oder auf dem äußeren Rahmen des Kreiselgeräts oder auch auf einem unabhängig gelagerten Kardanring angebracht ist.

Bei denjenigen Anwendungsarten; bei denen die Ausgangswicklung auf dem Kardanring angebracht und im wesentlichen parallel zur unabhängigen Achse ist, kann die Wicklung auch verwendet werden, um Gleichstromsignale zum Zweck einer Präzession des Kreisels um seine unabhängige Achse zu führen. Diese Vorrichtung ist besonders nützlich in Verbindung mit einem fremdgesteuerten Kreiselrichtungsanzeiger, worin- eine fehlende Übereinstimmung des Azimuts zwischen der Rotorachse und der Anzeige eines magnetischen Kompasses oder eines Strömungsmittelventils in Gleichstromsignale umgesetzt wird, die ein Drehmoment um die abhängige Achse erzeugen, um den Kreisel um die unabhängige Achse zur Präzession anzuregen, bis diie Rotorachse die richtige Azimutrichtung erreicht. Wenn eine auf dem Kardanring angebrachte Wicklung verwendet wird, um die Gleichstromsignale aufzunehmen und in einer Richtung laufende KraftfiÜBse parallel zur Rotorachse zu erzeugen, wird der Kreisel mit Permanentmagneten versehen, deren Magnetfelder senkrecht zu den durch die Wicklungen erzeugten Felder stehen; wo-'dürch infolge der Wechselwirkungen der Felder Drehmomente um die abhängige Achse entwickelt werden und das Kreiselgerät eine Präzession um die unabhängige Achse ausführt. Solche Nachdrehmotoren sind nicht beliebt, weil ihre Verwendung die Hinzufügung von Wicklungen auf dem Kardanring und zusätzlichen Schleifringen und Bürsten um die unabhängige Achse erfordert. Bei der vorliegenden Erfindung sind jedoch sowieso Abnahme- no wicklungen vorgesehen, die gleichzeitig als Nachdrehmotorwicklungen dienen können, indem einfach die Gleichstromsignale zur Nachdrehung den Abnahmewicklungen der Wechselstromabnahmevornichtung zugeführt werden. Eine Trennung der Gleichstromsignale von den Wechselstromabnahmesignalen kann leicht vorgenommen werden, beispielsweise mit Kondensatoren, und die einzige erforderliche zusätzliche Vorrichtung besteht in kleinen Permanentmagneten, <iie an dem Kreisel an- iao gebracht werden.

Obwohl der dargestellte symmetrische Kreisel eine größere Intensität und Gleichmäßigkeit des Streuflusses des Kreiselmotors und deshalb ein besseres Ausgangssignal der Abnahmevorrichtung ias ergibt, können andere Kreiselkonstruktionen eben-

falls verwendet werden. Ebenso können andere Antriebsmotore als diejenigen der Hysteresebauart vorteilhaft verwendet werden, wobei es nur erforderlich ist, daß ein Streufluß der Erregerwicklungen des Antriebsmotors von der Ausgangswicklung aufgefangen wird und daß das Kraftfeld des Streuflusses geeignet ist, um resultierende Ausgangssignale in den Abnahmewicklungen zu induzieren.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kreiselgerät mit elektrisch angetriebenem, um mindestens eine Achse schwenkbar gelagertem Kreisel und einer induktiven Abnahmeeinrichtung für die Winkelstellung des Kreisels um diese Achse, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Kreiselrotors durch einen Motor erfolgt, der ein wechselndes magnetisches Streufeld erzeugt, das symmetrisch um die Rotorachse verteilt ist, und daß die Abnahmeeinrichtung aus einem elektromagnetisch induzierbaren Element besteht, das an der zu messenden Schwenkbewegung nicht teilnimmt und so angebracht ist, daß in ihm durch das Streufeld des Kreiselmotors Spannungen induziert werden, die sich mit dem Schwenkwinkel des Kreisels um die betreffende Achse ändern.

2. Kreiselgerät nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahmeeinrichtung konzentrisch und im 'wesentlichen senkrecht zu der Sollstellung der Rotorachse angeordnet ist, und der Streufluß senkrecht zur Rotorachse verläuft.

3. Kreiselgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreiselrotor aus zwei symmetrischen Hälften besteht und in einem zwischen den Rotorhälften angeordneten Tragglied drehbar gelagert ist, welches zugleich den Kern und die Erregerwicklungen des Ständers des Antriebsmotors trägt.

4. Kreiselgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kardanring um eine unabhängige Achse schwenkbar angebracht ist, daß der Rotorträger um eine zu der unab- -45 hängigen Kardanachse senkrechte abhängige Achse schwenkbar in dem Kardanring gelagert

ist und daß die "Windungen der Ausgangsinduktionsspule parallel zu der unabhängigen Kardanachse angeordnet sind.

5. Kreiselgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Nachdrehmotor vorgesehen ist, um entsprechend den Ausgangssignalen Drehmomente um die unabhängige Kardanachse auszuüben.

6. Kreiselgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Normalstellung die unabhängige Kardanachse vertikal und die Rotorachse horizontal steht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 560 472.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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