DK166050B - Spolesystem til induktiv aftastning af bevaegelseshastigheden af et magnetiseret legeme - Google Patents

Description

DK 166050 B

Opfindelsen vedrører et spolesystem til induktiv aftastning af bevægelseshastigheden af et legeme, der er magnetiseret i det mindste i delområder, idet magnetiseringen er rettet i det væsentlige parallelt med en forudbestemt akse, der i 5 det følgende betegnes som "rotationsakse". Spolesystemet består af flere elektriske spoler, der er forbundet med hinanden til afgivelse af et aftastningssignal, og som rumligt adskilt fra hinanden i omgivelserne af legemets magnetiserede områder og i afstand fra legemet er anbragt 10 således, at rotationsakse og spoleakse forløber parallelt med hinanden, og i hvilke der frembringes induktionsspændinger proportionalt med legemets bevægelseshastighed.

Spolesystemer af denne type benyttes specielt til sideværts stabilisering af magnetisk lejrede rotorer i gasfriktions-15 vakuummetre, se fx Journal of Vacuum Science and Technology, bind 9, side 108, (1972) (1); Vacuum, bind 32, side 685, 1982 (2) samt til aftastning af sådanne rotorers rotationsfrekvens, se referencerne (1) og (2) samt Proc.

7th International Vacuum Congress, Wien 1977, bind 1, side 20 157 (3). De ovennævnte rotorer er i alt væsentligt magneti seret parallelt med rotationsaksen. Brugen af spolesystemet er imidlertid ikke begrænset til aftastningen af roterende legemers bevægelseshastigheder. Aftastningen af transla-toriske bevægelseshastigheder af et ikke-roterende, magne-25 tiseret legeme er også mulig. Begrebet "rotationsakse" tjener kun til fastlæggelse af en referenceretning i henseende til magnetisering og spoleplacering.

En ulempe ved de i de ovennævnte referencer (1) til (3) beskrevne spolesystemer består i, at de ikke kun reagerer 30 på bevægelsen af de rotorer, som skal aftastes, men samtidigt reagerer på andre bevægelser, hvorved der i princippet opstår forstyrrende overlejringer på det ønskede af tastningssignal. I mange tilfælde er anbringelsen af kompensationsspoler nødvendig for at frembringe et brugbart 35 aftastningssignal. Således findes der fx til aftastning af sideværts rotorbevægelser langs en bevægelseskoordinat

DK 166050 B

2 vinkelret på rotationsaksen i den i (1) beskrevne magnetisk lejrede rotor i alt fire spoler, af hvilke to alene tjener til at kompensere de inducerede spændinger, som frembringes ved bevægelse af en i nærheden af rotoren placeret magnet.

5 Den rumlige placering og dimensionering af disse kompensationsspoler skal afstemmes meget nøje til den givne placering af rotor og magnet, for at den nødvendige kompensation bliver tilstrækkelig. En sådan spolekombination er imidlertid som følge af sin specielle afstemning til de 10 forstyrrende magneter ikke i stand til at udligne induktionsspændinger, der hidrører fra andre forstyrrende kil der. Fx vil kompensationen af vekselfeltinduktionsspændinger, der sædvanligvis optræder i vid udstrækning i nærheden af de med elektromotorer drevne vakuumpumper, i det her 15 beskrevne tilfælde nødvendiggøre mindst én yderligere kompensationsspole. Selv dette spolesystem, der allerede har fem spoler, vil imidlertid stadig være følsomt over for bevægelser i den magnetiserede rotor i rotationsaksens retning, og selv rotorens rotationsfrekvens omkring rota-20 tionsaksen vil frembringe yderligere overlejrede forstyrrende spændinger, når der ikke tilføjes tilsvarende yderligere kompensationsspoler, eller der gribes til andre foranstaltninger til undertrykkelse af de forstyrrende signaler.

De ovenfor beskrevne vanskeligheder ved konstruktion af et 25 spolesystem, der er ufølsomt over for forstyrrelser, vedrører kun aftastningen af inducerede spændinger ved bevægelser i én bevægelseskoordinat. Til aftastningen af hver bevægelseskoordinat skal der i de kendte spoleanordninger benyttes tilsvarende kompensationsforanstaltninger.

30 Et fra US-PS 3 470 399 kendt spolesystem er udelukkende egnet til aftastning af aksiale bevægelser. Bevægelser lodret på magnetiseringsaksen eller roterende bevægelser registreres ikke. I CH-PS 631 812 beskrives også et spolesystem til optagelse af laterale bevægelser. I dette system 35 er det imidlertid ikke muligt at kompensere for støjfrekvenser. Det er heller ikke med den angivne spoleanordning og den angivne kobling i princippet muligt at skelne en

DK 166050B

3 vippen af det magnetiserede legeme - altså en rotationsbevægelse lodret på magnetiseringsaksen - fra en sidelæns forskydning. Spolesystemet formidler således følgelig ikke legemets mulige bevægelser med tilstrækkelig nøjagtighed.

5 Et formål med opfindelsen er at tilvejebringe et spolesystem af den indledningsvis nævnte art, hvilket system med et minimalt antal enkeltspoler tillader aftastning af bevægelseshastigheden af et legeme, der er magnetiseret i det mindste delvis, idet de induktionsspændinger, som er til-1Q ordnet de forskellige bevægelseskoordinater, kan frembringes med et minimum af indbyrdes overlejringer, og samtidig med i vid udstrækning ufølsomhed over for ydre forstyrrende felter.

Dette formål opnås i overensstemmelse med opfindelsen ved, 15 at der findes mindst fire spoler, af hvilke der er placeret to spoler symmetrisk i forhold til rotationsaksen ved hver af legemets magnetiske poler, idet rotationsaksen og de fire spolers spoleakser ligger i ét plan og er parallelle.

Hed denne placering af spolerne kan legemets bevægelses-20 hastighed aftastes i vid udstrækning uden påvirkning fra forstyrrende felter. Den enkelte aftastede bevægelseskoordinat afhænger kun af spolernes indbyrdes sammenkobling. I spolesystemet ifølge opfindelsen kan der altid frembringes induktionsspændinger svarende til bevægelseskoordinaterne, 25 medens de induktionsspændinger, der skyldes legemets andre bevægelsesretninger, kompenseres.

I en speciel udformning af opfindelsen er alle fire spoler forbundet med samme polaritet parallelt og/eller efter hinanden (krav 2). En sådan kobling egner sig på fordel-30 agtig måde til aftastning af legemets translatoriske bevægelseshastigheder parallelt med rotationsaksen. Kobles de spoler, der ligger på den ene side af rotationsaksen, med samme polaritet, og kobles de spoler, som i forhold til rotationsaksen ligger overfor, med modsat polaritet (krav 35 3), tjener spolesystemet fordelagtigt til aftastning af

DK 166050 B

4 legemets translatoriske bevægelseshastigheder vinkelret på rotationsaksen og parallelt med det plan, hvori spoleakserne ligger. Til aftastning af legemets rotatoriske bevægelseshastigheder omkring en akse vinkelret på det plan, hvori 5 spoleakserne ligger, kobles spolerne, som angivet i krav 4, med skiftende polaritet.

En anden udformning af spolesystemet består i overensstemmelse med krav 5-7 i at koble spolerne til et elektronisk kredsløb med inverterforstærkere og summationsforstærkere, lo så at der på separate udgange på kredsløbet optræder brugbare elektriske signaler, der er proportionale med legemets bevægelseshastigheder parallelt med rotationsaksen, vinkelret på rotationsaksen og parallelt med det ovenfor beskrevne plan samt omkring en rotationsakse vinkelret på dette 15 plan.

Til bestemmelse af legemets rotationsretning er det hensigtsmæssigt at anbringe et andet spolesystem af samme art i et plan, som skærer det plan, hvori det første spolesystems spoleakser ligger, på rotationsaksen i en vinkel 20 (krav 8). Denne vinkel udgør fortrinsvis 90°.

Spolesystemet er med fordel egnet til aftastning af et legemes rotationsfrekvens omkring rotationsaksen, specielt til aftastning af rotationsfrekvensen af rotorer i gasfriktionsvakuummetre (krav 9 og 10). Desuden kan præces-25 sions- og/eller nutationsbevægelser i rotorer, der roterer med stor rotationsfrekvens, aftastes (krav 11).

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret under henvisning til tegningen, der skematisk viser udførelsesformer for opfindelsen, og på hvilken 30 fig. 1 viser et spolesystem med fire spoler placeret i ét plan, fig. 2 et elektronisk kredsløb til det i fig. 1 viste spolesystem og

DK 166050 B

5 fig. 3 et spolesystem med otte spoler placeret i to planer.

I fig. 1 er skematisk vist et spolesystem, der tjener til aftastning af et magnetiseret legeme l's bevægelseshastighed. I denne udførelsesform drejer det sig for legemet 1 om 5 en magnetisk lejret stålkugle, der er magnetiseret i alt væsentligt parallelt med en given akse. I den i fig. 1 viste udførelsesform forløber legemet l's magnetiseringsakse 2 svagt hældende i forhold til en given akse, her legemet l's rotationsakse 5. Spolesystemet har fire spoler 10 3a, 3b, 3c og 3d, der to og to er placeret i nærheden af de ved legemets magnetisering dannede magnetiske poler 4a og 4b og i afstand fra legemet 1.

I fig. 1 er de magneter, som kræves til magnetiseret lejring af legemet 1, ikke vist. Med spolerne 3a til 3d frem-15 bringes der ingen magnetiske felter, som holder kuglen 1 i den i fig. 1 viste stilling.

Spolerne 3a til 3d er placeret omkring de magnetiske poler 4a og 4b på en sådan måde, at rotationsaksen 5 og spolerne 3a til 3d's spoleakser 6a, 6b, 6c og 6d alle ligger i et 20 plan 7 og i dette plan forløber indbyrdes parallelt.

I spolerne 3a til 3d frembringes der induktionsspændinger proportionalt med legemets bevægelseshastighed. Den således aftastede bevægelseshastighed for en bevægelseskoordinat afhænger af den indbyrdes sammenkobling af spolerne. Til 25 beskrivelse af denne virkemåde for spolesystemet forudsættes det i det følgende, at alle fire spoler er monteret med samme viklingsretning. Dette er imidlertid ikke en forudsætning for spolesystemets ønskede virkemåde. Det afhænger i højere grad af polariteten af de induktions-30 spændinger, som frembringes i de fire spoler, således som det vil fremgå af det følgende.

Ved en translatorisk bevægelse af legemet 1 i rotationsaksen 5's retning induceres der i de spoler 3a og 3c, som i

DK 166050B

6 det i fig. 1 viste plan 7 ligger til venstre for rotationsaksen 5, dvs. siden 7' af planet 7, induktionsspændinger med samme polaritet. Dette skyldes, at den ene magnetiske pol, fx den magnetiske nordpol, bevæger sig mod den ene af 5 disse spoler, medens den anden magnetiske pol, den magnetiske sydpol, samtidigt bevæger sig bort fra den anden spole.

Af symmetrigrunde induceres de samme signaler i de spoler 3b og 3d, der i fig. l ligger til højre for rotationsaksen 5, på siden 7" af planet 7, som i de tilsvarende spoler 3a 10 og 3c på siden 7'.

Polariteten af de ved legemets bevægelse fremkaldte induktionsspændinger i de fire spoler kan fremstilles ved en følge af fortegn tilordnet spolerne 3a, 3b, 3c og 3d. I det følgende angives polaritetsskemaet for spolesystemet 15 altid i rækkefølgen spole 3a, spole 3b, spole 3c og spole 3d. I det i det ovenstående afsnit beskrevne tilfælde med translatorisk bevægelse af legemet 1 i rotationsaksen 5's retning gælder polaritetsskemaet (++++) eller ensbetydende (----). Ved serie- eller parallelkobling af alle fire 20 spoler i samme retning kan der altså frembringes en induktionsspænding, der er proportional med rotorens trans-latoriske bevægelseshastighed i én bevægelseskoordinats retning, der er parallel med rotationsaksen 5.

Når det magnetiske legeme 1 i den i fig. 1 viste spolekon-25 struktion udfører translatoriske bevægelser til siden, dvs. når legemet bevæger sig vinkelret på rotationsaksen 5, forskydes rotationsaksen 5 altså parallelt, specielt ved en parallelforskydning af rotationsaksen 5 inden for spoleplanet 7, hvorved der i spolerne 3a og 3c på siden 7' af pla-30 net 7 frembringes induktionsspændinger med modsat polaritet, da de modsat magnetiserede poler 4a og 4b af legemet 1 foretager en bevægelse i samme retning i forhold til spolerne 3a og 3c. Det samme gælder for spolerne 3b og 3d på siden 7" af planet 7. I de i forhold til rotationsaksen 5 35 over for liggende spoler 3a og 3b i planet 7 induceres der spændinger med modsat polaritet, da den magnetiske pol 4a,

DK 166050 B

7 i hvis nærhed spolerne er anbragt, ved en translatorisk bevægelse af legemet til siden bevæger sig mod den ene spole og bort fra den anden spole. Det samme gælder for spolerne 3c og 3d, der er placeret i nærheden af den magne-5 tiske pol 4b. Alt i alt frembringes der altså ved en trans-latorisk bevægelse af legemet til siden et polarisationsskema (+—+) eller (-++-). Ved parallel- eller seriekobling af spoleparrene 3a, 3d og 3b, 3c i samme retning samt parallel- eller seriekobling af spoleparrene 3a, 3d og 3b, 10 3c i modsat retning frembringes der dermed en aftastnings-spænding, der er proportional med legemets bevægelseshastighed i planet 7 vinkelret på rotationsaksen 5.

Når legemet sluttelig udfører drejningsbevægelser omkring en normal til planet 7, dvs. omkring en akse vinkelret på 15 planet 7, fremkommer der ved tilsvarende overvejelser et tredje polarisationsskema, nemlig skemaet (+-+-) eller (-+-+). Med en kobling af de fire spoler 3a til 3d svarende til dette polarisationsskema frembringes der en aftastnings-spænding, der er proportional med legemets vinkelhastighed 20 omkring den ovennævnte normal til planet 7. Dette gælder ganske vist kun for små vinkelafvigelser for magnetiseringsaksen 2 fra rotationsaksen 5, dvs. altså under den forudsætning, at legemets magnetisering i alt væsentligt er parallel med rotationsaksen 5. Ved større vinkelafvigelser 25 er tilordningen mellem magnetiske poler og spoler og deraf frembragte polarisationsskema ikke mere tilstrækkelig.

Den sidstnævnte kobling af spolesystemet er specielt egnet til aftastning af en rotors rotationsfrekvens omkring rotorens rotationsakse. Forudsætningen herfor er, som 30 allerede angivet ovenfor, at der mellem rotationsaksen 5 og rotorens magnetiseringsakse 2 kun er en lille vinkelafvigelse. Projektionen af magnetiseringsaksen 2's bevægelse på planet 7 har derved samme virkning som en periodisk drejningsbevægelse af rotoren med lille vinkelamplitude 35 omkring en normal til planet 7. Aftastningsfrekvensen er dermed lig med rotationsfrekvensen.

DK 166050 B

8

De angivne polaritationsskemaer anskueliggør de nødvendige koblinger af spolesystemet ifølge opfindelsen til konstatering af legemets bevægelseshastighed i en tilordnet bevægelseskoordinats retning, det vil altså sige, at der 5 ved denne kobling frembringes en induktionsspænding, der er proportional med bevægelseshastigheden i en af bevægel-seskoordinaterne. Induktionsspændinger, der ikke svarer til de aftastede bevægelseskoordinater og skyldes andre bevægelsesretninger, kompenseres.

10 Iagttages indflydelsen fra ydre forstyrrende felter ses følgende: Forstyrrende felter forløbende vinkelret på rotationsaksen 5 frembringer ikke induktionsspændinger i spolerne, da alle spoleakser står vinkelret på det forstyrrende felt; forstyrrende ydre felter, der forløber 15 parallelt med rotationsaksen eller spoleakserne, virker kun forstyrrende i tilfælde af polarisationsskemaet (++++) eller (----). Ved alle andre polarisationsskemaer udslukkes de af de forstyrrende felter frembragte induktionsspændinger gensidigt.

20 En i forhold til ydre forstyrrende felter ufølsom aftastning af translatoriske bevægelser i rotationsaksen 5's retning kan frembringes ved, at spoleparrene 3a, 3b og 3c, 3d er anbragt i nærheden af de med samme bogstav benævnte magnetiske poler 4a, 4b. Det tilhørende polarisationsskema 25 er i dette tilfælde (++—) eller (—++) . Som følge af de enkelte spolers blandede polariteter kompenseres igen de induktionsspændinger, der fremkaldes af de ydre forstyrrende felter. For de ovenfor angivne andre bevægelseskoordinater er tilordningen af polarisationsskema og bevægelses-30 retning omvendt for magnetiske poler med samme bogstavbenævnelse, dvs. ved translatorisk bevægelse sideværts gælder polarisationsskemaet (+-+-) eller (-+-+), og for drejningsbevægelser af legemet gælder polarisationsskemaet (+—+) eller (-++-).

DK 166050 B

9

Selv om der i mange tilfælde kun kræves aftastning af én bevægelseskoordinat, fx i tilfælde af omdrejningstalaftastning for rotorer i gasfriktionsvakuummetre, synes det hensigtsmæssigt samtidigt at udnytte et spolesystem ifølge 5 opfindelsen til aftastning af bevægelseshastigheden efter forskellige bevægelseskoordinater. Til dette formål tjener et i fig. 2 vist elektronisk kredsløb. I dette kredsløb bliver de i spolerne 3a til 3d frembragte induktionsspændinger først forforstærket ved hjælp af forstærkere 8a til 10 8d. Derefter frembringes der ved hjælp af inverterforstær- kere 9a, 9b og 9c spændinger med modsat polaritet. Slutteligt frembringes der ved hjælp af tre summationsforstærkere 10a, 10b og 10c tre sammensatte udgangsspændinger, der svarer til de ovenfor beskrevne polarisationsskemaer. På 15 kredsløbets udgange lla, llb og 11c frembringes dermed aftastningsspændinger for legemets translatoriske bevægelse parallelt med legemets rotationsakse, udgangen lla (polarisationsskema (++++) eller (----)), desuden for den trans latoriske bevægelse i planet 7 vinkelret på rotationsaksen, 20 udgangen llb (polarisationsskema (+—+) eller (-++-)) og endelig for små vinkelbevægelser omkring en normal til planet 7, udgangen 11c (polarisationsskema (+-+-) eller (-+-+)). De på udgangen 11c aftastede signaler kan benyttes til bestemmelse af rotationsfrekvensen, forudsat magneti-25 seringsaksen 2 kun har en lille vinkelafvigelse fra legemets rotationsakse 5.

I fig. 3 er vist to spolesystemer med to planer 7 og 7^, der skærer hinanden i rotationsaksen 5 for et i denne udførelsesform vist cylindrisk legeme 1^ i en vinkel 12 på 30 90°. Med et sådant spolesystem kan det cylindriske legeme .

lj/s bevægelse i alle seks bevægelseskoordinater bestemmes.

Også i den i fig. 3 viste udførelses form er der i hvert af planerne 7^ og 7 placeret fire spoler to og to i nærheden af det cylindriske legemes magnetiske poler 4a og 4b. Et 35 sådant spolesystem er specielt egnet til at bestemme det roterende legemes drejningsretning, da den i spolesystemet roterende magnetiseringsakse 2 forårsager et til drejnings-

Claims (11)

1. Spolesystem til induktiv af tastning af bevægelseshastig-10 heden af et legeme, der er magnetiseret i det mindste i delområder, idet magnetiseringen er rettet i det væsentlige parallelt med en forudbestemt akse, der i det følgende betegnes som "rotationsakse", og med flere til afgivelse af et aftastningssignal forbundne elektriske spoler, der 15 rumligt adskilt fra hinanden i omgivelserne af legemets magnetiserede områder og i afstand fra legemet er anbragt således, at rotationsakse og spoleakse forløber parallelt med hinanden, og i hvilke der frembringes induktionsspændinger proportionalt med legemets bevægelseshastighed, 20 kendetegnet ved, at der i nærheden af hver af to modsat magnetiserede poler (4a, 4b) er anbragt mindst et spolepar (henholdsvis 3a, 3c og 3b, 3d) symmetrisk i forhold til rotationsaksen (5), idet rotationsaksen (5) og de fire spolers (3a-3d) spoleakser (6a-6d) ligger i ét plan 25 (7).

2. Spolesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, at alle fire spoler (3a-3b) er koblet parallelt og/eller efter hinanden med samme polaritet.

3. Spolesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de i planet (7) på én side af rotationsaksen (5) beliggende spoler (henholdsvis 3a, 3c og 3b, 3d) er koblet med samme polaritet, og at de i forhold til rotationsaksen (5) overfor beliggende spoler (3a DK 166050 B over for 3b henholdsvis 3c over for 3d) er koblet med modsat polaritet.

4. Spolesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de i planet (7) på én side 5 af rotationsaksen (5) beliggende spoler (henholdsvis 3a, 3c og 3b, 3d) er koblet med modsat polaritet, og at de i forhold til rotationsaksen (5) overfor liggende spoler (3a over for 3b henholdsvis 3c over for 3d) ligeledes er koblet med modsat polaritet.

5. Spolesystem ifølge krav l, kendetegnet ved, at spolerne (3a, 3b, 3c, 3d) er koblet til et elektronisk kredsløb med inverterforstærkere (9a, 9b, 9c) og summationsforstærkere (10a, 10b, 10c) på en sådan måde, at der på kredsløbets udgange (11a, 11b, 11c) 15 frembringes elektriske signaler, der svarer til en parallel- og/eller seriekobling af alle fire spoler (3a til 3d) med samme polaritet (udgang 11a).

6. Spolesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, at spolerne (3a, 3b, 3c, 3d) er 20 koblet til et elektronisk kredsløb med inverterforstærkere (9a, 9b, 9c) og summationsforstærkere (10a, 10b, 10c) på en sådan måde, at der på kredsløbets udgange (11a, 11b, 11c) frembringes elektriske signaler, der svarer til en kobling af i planet (7) på én side af rotationsaksen (5) beliggende 25 spoler (henholdsvis 3a, 3c og 3b, 3d) med samme polaritet og i forhold til rotationsaksen (5) overfor beliggende spoler (3a over for 3b henholdsvis 3c over for 3d) med modsat polaritet (udgang 11b).

7. Spolesystem ifølge krav 1, 30 kendetegnet ved, at spolerne (3a, 3b, 3c, 3d) er koblet til et elektronisk kredsløb med inverterforstærkere (9a, 9b, 9c) og summationsforstærkere (10a, 10b, 10c) på en sådan måde, at der på kredsløbets udgange (11a, 11b, 11c) frembringes elektriske signaler, der svarer til en kobling DK 166050 B af i planet (7) på én side af rotationsaksen (5) beliggende spoler (henholdsvis 3a, 3c og 3b, 3d) med modsat polaritet og i forhold til rotationsaksen (5) overfor beliggende spoler (3a over for 3b henholdsvis 3c over for 3d) lige-*· 5 ledes med modsat polaritet.

8. Spolesystem ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at et andet spolesystem af samme art er anbragt i et plan (Ίχ), der skærer det første 10 spolesystems plan (7) på rotationsaksen (5) under en vinkel (12).

9. Spolesystem ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at det benyttes til aftastning 15 af et legemes (1) rotationsfrekvens omkring legemets rotationsakse (5).

10. Spolesystem ifølge krav 9, kendetegnet ved, at det benyttes til aftastning af rotationsfrekvensen af rotorer i gasfriktionsvakuum-20 metre.

11. Spolesystem ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at det benyttes til aftastning af præcessions- og/eller nutationsbevægelser af rotorer med 25 høje rotationsfrekvenser.