NO170109B - Anordning ved gyroskop - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en anordning for i et gyroskop å frembringe et elektrisk signal som svarer til en vinkel mellom gyroskopets rotor og dennes opphengning, idet rotoren er forsynt med en eller flere permanentmagneter, et av magnetisk materiale utformet element er anordnet passerbart av permanentmagnetens magnetfelt under rotorens rotasjon, slik at magnetiske fluksendringer opptrer i elementet, og en elektrisk induksjonsvikling avføler fluksendringene og i avhengighet av disse frembringer det elektriske signal.

Den foreliggende oppfinnelse kan benyttes for eksempel i den type gyroskop som omfatter en ytre rotasjonsakse (rotasjonsaksen for gyroskopets ytre slingrebøyle) som står vinkelrett på den indre rotasjonsakse (rotasjonsaksen for gyroskopets indre slingrebøyle) om hvilken rotoren er lagret slik at dens rotasjonsakse forløper vinkelrett på den indre rotasjonsakse.

Gyroskopet er beregnet for anvendelse ved posisjons-orientering i forbindelse med ledning og styring av ammunisjons-angrepshoder, understellsenheter etc, idet gyroskopet er lagret i legemet til den aktuelle enhet, med den ytre rotasjonsakse som mellomledd.

Det er tidligere kjent i teknikken å avlese rotasjonsvinkelen mellom ovennevnte, ytre rotasjonsakse og legemet ved hjelp av et potensiometer.

I visse tilfeller er det også ønskelig å være i stand til å avlese vinkelen for den indre rotasjonsakse (rotoren) i forhold til legemet. En slepering (eller kollektorring)-funksjon kan benyttes for dette formål.

Det er også tidligere kjent i teknikken å benytte optiske og induktive avlesningsmetoder for avføling av denne vinkel.

Benyttelsen av potensiometre og sleperingfunksjon i forbindelse med et gyroskop stiller strenge krav til renhet ved fremstilling, lagring og anvendelse. På dette punkt skal det bemerkes at den involverte lagringstid er lang og kan strekke seg over flere år. Potensiometre som har vært i langvarig tjeneste, er tydelig følsomme for belegg, smuss og fremmede stoffer på de elektriske kontaktflater (platina), en ikke ubetydelig ulempe i denne forbindelse. Det krav til pålitelig funksjon som stilles

til selve gyroskopet, er også meget høyt.

Det er av avgjørende betydning at det elektriske signal som skal angi den aktuelle vinkel, er entydig og lettvint bearbeidbart i signalbehandlingsutstyr.

Optisk arbeidende anordninger som er foreslått på dette område av teknikken for avføling av rotorens rotasjonsvinkel i forhold til legemet, er kompliserte både fra et fremstillings-og et driftssynspunkt.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en anordning som unngår de ovenfor angitte og andre ulemper og problemer.

For oppnåelse av ovennevnte formål er det tilveiebrakt en anordning av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at elementet er anordnet ved gyroskopets ytre rotasjonsakse som er anordnet vinkelrett på den indre rotasjonsakse om hvilken rotoren er opplagret slik at dens rotasjonsakse forløper vinkelrett på den indre rotasjonsakse, at elementet er integrert med eller festet i deler av en ramme som bærer rotorens opplagring slik at de nevnte fluksendringer blir avhengige av den nevnte vinkel, at i det minste de nevnte deler av rammen er utført av magnetisk materiale, og at elementet oppviser et sfærisk parti som smalner av fra den første rotasjonsakse og under hvilket permanentmagneten(e) passerer ved rotorens rotasjon.

Elementet har fortrinnsvis et i hovedsaken trekantet horisontalsnitt. Elementet er videre fortrinnsvis forbundet med en i den første akse inngående lagringstapp som er utført av magnetisk materiale.

Den nevnte induksjonsvikling er anordnet i en utsparing i en enhet som utnytter gyroen, og er fortrinnsvis konsentrisk anordnet rundt den nevnte lagringstapp. Elementet og lagringstappen kan derved danne en felles enhet.

Det elektriske signal som oppnås i den elektriske vikling, utgjøres fortrinnsvis av et pulstog, idet avstanden mellom pulsene (pulsperiodene) angir størrelsen av den aktuelle vinkel. I dette tilfelle kan elementet være anordnet slik at det er en lineær sammenheng mellom størrelsen av den aktuelle vinkel og det elektriske signal. Det er selvsagt også mulig å anordne elementet slik at en ulineær sammenheng oppnås.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et ytterst enkelt og pålitelig avfølingsprinsipp for bestemmelse av rotorens rotasjonsvinkel om eller på sin opplagringsakse. Som et resultat vil det problem som er uløselig knyttet til lang lagringstid i det aktuelle miljø, få en entydig løsning som ikke krever noen sleperinger.

Anvendt på for eksempel en ammunisjonsenhet (ballistisk rakett) vil det ut fra ett og samme gyroskop være mulig å oppnå nøyaktige vinkelavlesninger for både rotasjons- og vippevinklene. I de tilfeller hvor det elektriske signal oppnås i form av et pulstog hvor vinkelen er representert ved f.eks. pulsmellomrommet, skapes forutsetninger for en distinkt og enkel metode for signalbehandling.

Beskaffenheten av den foreliggende oppfinnelse og dennes vesentlige sider vil forstås lettere ut fra den etter-følgende, nærmere beskrivelse av en utførelse av oppfinnelsen under henvisning til tegningene, der fig. 1 i vertikalsnitt viser et gyroskop som er anbrakt i et legeme, for eksempel en ammunisjonsenhet, fig. 2 viser visse deler év gyroskopet på fig. 1 i et vertikalsnitt som er dreid 90° i forhold til fig. 1, fig. 3 viser det aktuelle gyroskop i horisontalsnitt etter linjen A-A på fig. 1, fig. 4 er et horisontalriss som illustrerer funksjonsprinsippet for gyroskopet på fig. 1-3, fig. 5 er et horisontalriss som illustrerer funksjonsprinsippet mer detaljert sammen-liknet med fig. 4, fig. 6 viser et elektrisk pulstog som oppnås fra gyroskopet på fig. 1-3, og fig. 7 viser firkantpulser som er frembrakt ut fra pulstoget på fig. 6.

Idet det henvises til tegningene, viser fig. 1 et legeme 1 i hvilket gyroskopet kan være anbrakt. Legemet kan bestå av en ammunisjonsenhet, et kjøretøyunderstell etc. Gyroskopet oppviser en første rotasjonsakse 2 som er representert i konkret form ved akselender 3 og 4. Gyroskopet er lagret i disse akselender i legemet ved mellomkomst av lagre 5 og 6 som kan bestå av i og for seg kjente kulelagre. Akselendene 3 og 4 inngår i en ytre slingrebøyle sammen med en ramme 7. Denne første, ytre rotasjonsakse 2 er anbrakt i rett vinkel i forhold til en indre rotasjonsakse 8 om hvilken gyroskopets rotor 9 er lagret. Den indre rotasjonsakse er anbrakt i rett vinkel i forhold til rotorens rotasjonsakse 10. I prinsipp er rotoren oppdelt i to halvdeler, med et periferisk lagerspor 9a. Rotorens halvdeler er hver forsynt med en sirkulær sideflate, idet halvdelenes sideflater er i hovedsaken parallelle. Endekantene 9b av ovennevnte halvdeler er bueformede (sfæriske). Rotoren er lagret i to par lagerdeler 11 og 12 hhv. 11' og 12'. Sistnevnte lagerdeler består av rullelagre som ligger an mot bunnoverflaten av det ringformede spor 9a.

Én eller flere stavmagneter er anbrakt i den ene halvdel 9' av rotoren. I den viste utførelse er to stavmagneter anbrakt i rotorens ene halvdel og er beliggende diametralt motsatt av hverandre. Alternativt kan rotoren være forsynt med tre eller flere stavmagneter som er ensartet fordelt rundt omkretsen, i overensstemmelse med fig. 2.

Gyroskopet omfatter også et element 14 som er dannet i ett stykke med eller fast forankret i rammen 7 ved akselenden 3. Elementet er av magnetisk materiale. Rammen 7, eller i det minste de deler av denne som er beliggende ved akselenden 3, er også av magnetisk materiale, og dette gjelder også for selve akselenden 3.

Elementet oppviser en sfærisk utstrekning og har, som vist på fig. 3, et horisontalt tverrsnitt som har i hovedsaken trekantet form. Elementet 14 oppviser en sfærisk form som i hovedsaken følger formen på rotorhalvdelenes endeflater 9b.

Ved akselenden 3 og kulelageret 5 er legemet 1 forsen-ket som vist ved la. En induksjonsspole 15 er plassert i denne forsenkning eller utsparing. Forbindelsesledninger 15a og 15b er koplet til en omformeranordning 16 for elektriske signaler.

Gyroskopet er på i og for seg kjent måte dreibart om akselenden 3 og gyrorotoren 9 i forhold til dens lagerakse 8. Lageraksen er representert i konkret form ved to akselender 17 og 17' som er lagret i rammen 7 ved mellomkomst av kulelagre 18 og 18' av tidligere kjent type. Oppfinnelsen bidrar eller tjener til lettvint måling av rotasjonsvinkelen mellom rotoren og rammen 7 (slingrebøylen). Et startpunkt er angitt ved 0°. Gyroskopet kan altså rotere fra startpunktet i en retning a, kfr. vinkelen +a, og i en retning b, kfr. vinkelen -a.

Avtakings- eller avfølingsprinsippet er åpenbart blant annet ut fra fig. 4. Når gyroskopet aktiveres (startes), bibringes en høy rotasjonshastighet til rotoren. De to magneter 13 som er fast montert på rotoren, vil ved sin passering av den trekantede avtakingsanordning (elementet 14), bevirke en magnetfluksendring, for det første ved passeringen av hver respektiv magnet inn under trekanten, og for det andre når den aktuelle magnet passerer ut fra under trekanten. Denne fluks-endring avføles i induksjonsviklingen som på sin side avgir to elektriske pulser ±1 og i2. På grunn av formen på avtakingsanordningen 14 er pulsene innbyrdes motsatt rettet.

Ved å dreie slingrebøylen (rammen 7) i forhold til rotoren, vil magnetene passere i forskjellige punkter under trekanten. Fig. 5 viser det tilfelle hvor slingrebøylen har beveget seg i retning mot posisjonen a (se fig. 1). En posisjon a' er vist på figuren som også viser piler hvor hver respektiv magnet passerer inn under det trekantede element.

Den gjensidige bevegelse mellom slingrebøylen og elementet 14 medfører at passeringstiden t for hver respektiv magnet vil bli forlenget. På figuren er pulsintervallet eller pulsmellomrommet mellom pulsene ±1 og i2 betegnet tn, hvilket er pulsmellomrommet i startpunktet 0o. Den forlengede passeringstid gir et større pulsmellomrom ta mellom pulsene ix' og i2'. Ovennevnte omstendighet medfører at ta > tn når slingrebøyle-systemet dreies i retningen a. Tilsvarende er passeringstiden tb < tn dersom systemet dreies i retningen b.

Idet man betrakter én fullstendig omdreining av rotoren, vil pulstoget ifølge fig. 6 bli oppnådd. Rotorens nominelle hastighet kan variere fra en start til en annen, og videre reduseres rotasjonshastigheten som en funksjon av tiden. Disse egenskaper er imidlertid uten betydning. Grunnen til dette er at dersom man antar at den elektriske etterbehandling i kretsen 16 (se fig. 1) omformer tiden t til en spenningspuls med amplituden Ut og lengden t, vil det oppnås et pulstog ifølge fig.

7 hvor pulsforholdet er det samme.

Dersom man videre antar at spenningspulsene Ut forlenges under tiden T (pulsen kan betraktes som en flate med størrelsen Ut x t), vil det oppnås en ny puls med amplituden UT og lengden T, hvilket medfører at den totale overflate er uendret. Dette vil således gi Ut x t + Ut x t = UTx T.

Dersom Ut er kjent, vil man følgelig oppnå UT som således er proporsjonal med kvotienten t/T. Dersom rotasjonshas-tighetene er forskjellige eller hastigheten endres, er dette uten betydning da t og T endrer seg med den samme prosentandel og således kan reduseres. Med for eksempel x% endring vil man oppnå:

Det vil videre være klart at da tiden t endrer seg som en funksjon av vinkelen, vil også U endre seg som en funksjon av vinkelen.

På grunn av at avtakingsanordningen (elementet 14) er i hovedsaken trekantet, vil det bli oppnådd en lineær sammenheng mellom vinkel og utgangsspenning. Dersom avtakingsanordningen har en forskjellig utforming, for eksempel ikke-trekantet, kan ikke-lineære sammenhenger oppnås mellom utgangssignalet og vinkelen.

Signalbehandlingskretsen 16 (se fig. 1) kan være konstruert enten ved benyttelse av analog teknikk (lavpassf ilter) eller ved hjelp av digital teknikk (mikrodatamaskiner som øyeblikkelig kan utføre divisjonen t/T).

Oppfinnelsen er ikke begrenset til hva som er beskrevet foran og vist på tegningene, idet mange modifikasjoner er mulige. For eksempel kan gyroskopets rotor være forsynt med bare en eneste permanentmagnet og to avtakingsanordninger som i dette tilfelle hver kan være anbrakt ved sin akselende 3 og 4 for den ytre rotasjonsakse. I dette tilfelle vil to induksjonsviklinger være nødvendige.

Claims (7)

1. Anordning for i et gyroskop å frembringe et elektrisk signal som svarer til en vinkel (-a, +a) mellom gyroskopets rotor (9) og dennes opphengning (7), idet rotoren er forsynt med én eller flere permanentmagneter (13), et av magnetisk materiale utformet element (14) er anordnet passerbart av permanentmagnetenes magnetfelt under rotorens rotasjon, slik at magnetiske fluksendringer opptrer i elementet, og en elektrisk induksjonsvikling (15) avføler f luksendringene og i avhengighet av disse frembringer det elektriske signal, KARAKTERISERT VED at elementet (14) er anordnet ved gyroskopets ytre rotasjonsakse (2) som er anordnet vinkelrett på en indre rotasjonsakse (8) om hvilken rotoren (9) er opplagret slik at dens rotasjonsakse (10) forløper vinkelrett på den indre rotasjonsakse, at elementet er integrert med eller festet i deler av en ramme (7) som bærer rotorens opplagring slik at de nevnte f luksendr inger blir avhengige av den nevnte vinkel, at i det minste de nevnte deler av rammen er utført av magnetisk materiale, og at elementet oppviser et sfærisk parti som smalner av fra den første rotasjonsakse (2) og under hvilket permanentmagneten(e) passerer ved rotorens rotasjon.

2. Anordning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at elementet har et i hovedsaken trekantet horisontalsnitt.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, KARAKTERISERT VED at elementet (14) er forbundet med en i den første akse inngående lagringstapp (3) som er utført av magnetisk materiale.

4. Anordning ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at den nevnte vikling (15) er konsentrisk anordnet rundt lagringstappen (3).

5. Anordning ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at elementet (14) og lagringstappen (3) danner en felles enhet.

6. Anordning ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at elementet (14) er anordnet slik at det er en lineær sammenheng mellom størrelsen av den nevnte vinkel (-a, +a) og det elektriske signal.

7. Anordning ifølge ett av kravene 1-5, KARAKTERISERT VED at elementet (14) er anordnet slik at det er en ulineær sammenheng mellom størrelsen av den nevnte vinkel og det elektriske signal.