DE2341984A1

DE2341984A1 - Winkelmesser

Info

Publication number: DE2341984A1
Application number: DE19732341984
Authority: DE
Inventors: Reinhard Wilhelm Dip Leisterer
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1973-08-20
Filing date: 1973-08-20
Publication date: 1975-03-06
Also published as: FR2241769B1; US3906339A; NO134969C; NO742296L; GB1437068A; FR2241769A1; NO134969B

Description

FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG in Essen

WINKELMES SyE R

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln eines mechanischen Winkels in eine elektrische Größe unter Verwendung eines Spulensystems aus zwei mit ihren Spulenachsen senkrecht zueinander angeordneten Spulen, die von zwei gegeneinander um 90 phasenverschobenen Wechselspannungen gleicher Frequenz und Amplitude gespeist sind, und eines Stellglieds, das im magnetischen Wechselfeld des Spulensystems zum Einstellen des Winkels um eine Drehachse drehbar gelagert ist und dessen Drehachse senkrecht auf den Spulenachsen des Spulensystems steht, v/obei der Winkel zwischen einer senkrecht mit der Drehachse verbundenen Bezugsachse und einer der beiden SpulenachB«n liegt.

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Bei einer bekennten Vorrichtung der oben genannten Art ist beispielsv/eise das Stellglied ein Spulenrähmchen, dessen Fläche vom Wechselfeld des Spulensystems durchsetzt wird. Das Spulenrähmchei: ist mit der Drehachse verbunden, die senkrecht zu seiner Flächennormalen und somit zu den Spulenachsen des Spulensystems angeordnet ist. Zum Bestimmen des Winkels zwischen der Flächennormalen als Bezugsachse und einer der Spulenachsen des Spulensystems wird die im Spulenrähmchen induzierte Spannung gemessen, deren Amplitude proportional dem Kosinus des Winkels ist. Zum Messen dieser induzierten Spannung ist das Spulenrähmchen mit einem Meßgerät beispielsweise über Schleifringe verbunden.

Der Nachteil einer solchen Vorrichtung, bei der Stellglied und Meßsystem mechanisch miteinander verkoppelt sind, liegt insbesondere darin, daß das winkelverändernde Drehmoment stets genügend groß sein muß, um Haftmoment, beziehungsweise Reibmoment zu überwinden, was bei bestimmten Anwendungen nicht immer gegeben ist. Ist beispielsweise auf der Drehachse in Richtung der Bezugsachse eine Kompaßnadel fest angebracht, um den Winkel zwischen Spulenachse und Nordrichtung zu messen, so ist das hier auftretende Drehmoment oft zu klein, um das Spulenrähmchen

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mit seinen Schleifringen überhaupt zu verdrehen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der der mechanische Winkel zwischen Bezugsachse des Stellglieds und Spulenachse des Spulensystems in eine elektrische Größe umgewandelt wird und Meßsystem und Stellglied nicht galvanisch miteinander verbunden sind, so daß auch bei kleinstem winkelverändernden Drehmoment ein Bestimmen des Winkels möglich ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dedurch gelöst, daß das Stellglied mindestens einen hochpermeablen Stab enthält, der unter einem Winkel schräg zur Drehachse angeordnet ist, daß eine dritte Spule mit ihrer Flächennormalen fluchtend zur Drehachse raumfest im Spulensystem befestigt ist und mit ihren Windungen das Stellglied umfaßt, wobei die negierte induzierte Spannung der dritten Spule bezogen auf die speisende Wechselspannung einer der Spulen des Spulensystems eine Phasenverschiebung aufweist, die gleich dem mechanischen Winkel zwischen der Bezugsachse des Stellglieds und der zu dieser Spule gehörenden Spulenachse ist.

In dem Spulensystem bildet sich auf Grund der magnetischen Wirkung der beiden Spulen,, die von zwei um 90 gegeneinander

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phasenverschobenen Wechselspannungen gespeist sind, ein Drehfeld aus. In diesem Drehfeld befindet sich der hochpermeεble Stab. Liegen beispielsweise Drehachse, Bezugsachse und der Stab in einer Ebene und weist die Bezugsachse und somit auch der hochpermeable Stab in die Richtung einer der Spulenachsen des Spulensystems, so entsteht in dem Stab in Richtung seiner Längsachse ein Wechselfluß, der nur durch den magnetischen Fluß der zugehörigen Spule bewirkt wird. Dieser Wechselfluß het gegenüber dem magnetischen Fluß der Spule keine Phasenverschiebungi gegenüber der die Spule speisenden Wechselspannung eine Phasenverschiebung von-9o .Bei Drehung des Stabs um die Drehachse wird auch der magnetische Fluß der anderen Spule für den magnetischen Wechselfluß in Längsrichtung des Stabs wirksam. Es entsteht eine Phasenverschiebung zwischen dem Wechselfluß im Stab und dem magnetischen Fluß der zuerst genannten Spule, die gleich dem Winkel zwischen Bezugsachse und der zugehörigen Spulenachse ist.

Der hochpermeable Stab ist im Stellglied in der Ebene, die durch Drehachse und Bezugsachee aufgespannt ist, schräg angeordnet. Das Stellglied ist von Windungen einer dritten Spule umgeben, deren Achse mit der Drehachse fluchtet. Durch die Schrägstellung wird das Drehfeld räumlich verzerrt,

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so daß ein Teil des Wechselflusses die dritte Spule durchsetzt und in ihr eine Spannung induziert« Diese induzierte Spannung weist gegenüber dem magnetischen Wechselfluß im Stab eine Phasenverschiebung von -90 auf. Zeigt die Bezugsachse in Richtung einer der Spulenachse, so beträgt die Phasenverschiebung zwischen der diese Spule speisenden Wechselspannung und der induzierten Spannung - 18O =2 (-90 ), das entspricht dem negativen Vorzeichen der induzierten Spannung (Faraday¹sches Gesetz). Eine zusätzliche Phasenverschiebung tritt erst dann auf, wenn die Bezugsachse gegenüber dieser Spulenachse verdreht wird. Sie ist unmittelbar gleich dem Winkel zwischen dieser Spulenachse und der Bezugsachse. Abweichungen, die wegen der Ohm'sehen Widerstände der Spulen auf den endlichen Verlustwinkel der Spulen zurückzuführen sind, können mit einstellbaren Phasenschiebern oder Kondensatoren eingeeicht werden.

Weiter ist durch Materialauswahl für das Stellglied dafür gesorgt, daß das Drehfeld des Spulensysteras keine Wirbelstrb'me im Stellglied erzeugt, die ein Drehmoment entsprechend dem Anlaufmoment von Asynchronmaschinen erzeugen "könnten.

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-G-

Da das Meßsystem in Form der dritten Spule nicht mit dem Stellglied mechanisch gekoppelt ist, z. B. über Schleifringe, muß beim Drehen des Stellglieds nur noch ein Drehmoment aufgebracht werden, um die Lagerreibung des Stellglieds zu überwinden. Deshalb ist das Stellglied, dessen Abmessungen und zu drehenden Massen klein sind, mit seiner Drehachse nach einer Weiterführung der Erfindung spitzengelagert.

Bei einer derartigen Lagerung ist das notwendige winkelverändernde Drehmoment so klein, daß eine Vorrichtung gemäß dieser Erfindung besonders gut als Nordreferenzglied eingesetzt werden kann. Die Bezugsachse ist bei dieser Weiterbildung der Erfindung entweder in der gleichen Ebene, die von der Drehachse und atm hochpermeablen Stab im Stellglied aufgespannt ist, oder senkrecht zu dieser Ebene angeordnet. Beim Ilordfrequenzglied ist auf dem Stellglied eine Kompsißnadel in Richtung der Bezugsachse angebracht. Die Phasenverschiebung zwischen der negifeiten, induzierten Spannung der dritten Spule und der speisenden Wechselspannung einer der Spulen ist unmittelbar gleich dem Winkel zwischen der magnetischen Nordrichtung und der zu dieser Spule zugehörigen Spulenachse des Spulensystems.

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Besonders einfach ist die Kompaßnadel- in einer Weiterbildung dieser Erfindung dadurch zu ersetzen, daß zwischen die Enden zweier parallel angeordneter hochpermeabler Stäbe im Stellglied kleine Permanentmagnete.;:;, angebracht werden, deren Polarisierung abhängig von der Anordnung der Bezugsachse entweder in Längsrichtung der Stäbe oder senkrecht dazu weisen.

Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist besonders vorteilhaft in Meßbojen zur Ermittlung der geographischen Nordrichtung einzusetzen. Bei entsprechender Isolation der Spulen ist nämlich auch ein wasserdurchfllteter Betrieb möglich, da das drehbare Stellglied und das Meßsystem nicht elektrisch - zum Beispiel über mechanische Schleifkontakte oder elektrolytische Ubertragungswege miteinander verkoppelt sind. Die kompakte Bauweise ermöglicht den rauhen Einsatz auf See.

Nach einer Weiterführung der Erfindung besteht das Spulensystem aus vier Teilspulen, die auf einem zylinderförmigen Spulenträger aufgebracht sind. Der Spulenträger weist um k$ versetzte Nuten auf. Jede Teilspule ist in zwei um 135 gegeneinander versetzte Nuten eingelegt, wobei die Teilspulen jeweils im Winkel von 90 zueinander angeordnet sind, so daß die vier Teilspulen nach Art einer

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Schleifenwicklung auf den Spulenträger eufgebracht sind. Die einr-nder gegenüberliegenden Teilspulen sind in Reihe gescheitet und bilden je eine Spule des Spulensystems. Die Wickelköpfe der Teilspulen sind so ineinander verschachtelt, daß gleiche elektromagnetische Kopplungen aller Spulen mit dem Stellglied und eine hohe Winkelübertragungsgenauigkeit erreicht wird,

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Vorrichtung mit geringen räumlichen Abmessungen kompakt aufzubauen ist und daß schon ein geringes winkelveränderndes Drehmoment ausreicht, um die Drehachse des Stellglieds zu drehen, wodurch die Einstellgenauigkeit sehr hoch ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben: Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung

gemäß der Erfindung
Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines Teils der

Vorrichtung nach Figur 1, Figur 3 ein Stellglied,

Figur k ein modifiziertes Stellglied umd Figur 5 ein Spuleneystem ni". ^₁. » _ '< -.'■>· i ^: 'Μ,'«? ■ i "inft« I

In Figur 1 ist eine Vorrichtung zum Umwandeln eines mechanischen Winkels Ϋ in eine elektrische Größe gemäß der

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BAD ORIGINAL

Erfindung ^ferfttftv&lt. Die Vorrichtung besteht aus eiaem Spulensystem, in dem zwei Teilspulen 1a, 1b, 2a, 2 b auf zwei senkrecht zueinander angeordneten Spulenahhsen 1, angeordnet sind. Die Teilspulen 1 a, 1 b auf der .Spulenachse sind in Reihe geschaltet und über einen Phasenschieber 3 mit einem Wechselspannungsgenerator k verbunden, der eine Wechselspannung vorgebbarer Frequenz und Amplitude erzeugt. Der Phasenschieber schiebt die Phase der Wechselspannung um 90 . Die Teilspulen 2 a und 2 b auf der Spulenachse 2 sind ebenfalls in Reihe geschaltet und direkt mit dem Wechselspannungsgenerator h verbunden. Im Spulensystem bildet sich ein magnetisches Wechselfeld als Drehfeld aus. In diesem Drehfeld befindet sich raumfest eine dritte Spule 5* deren Achse senkrecht auf den Spulenachsen 1, 2 des Spulensystems steht. Die Windungen der dritten Spule 5 umgeben ein Stellglied 6, daß um eine Drehachse 7, die mit der Achse der dritten Spule 5 fluchtet, drehbar angeordnet ist. Auf dem Stellglied 6 befindet sich senkrecht zur Drehachse 7, eine Bezugsachse 8. Der Winkel , der zwischen Bezugsachse 8 und Spulenachse 1 liegt, ist mit dem Stellglied 6 einstellbar.

In einer Ebene, die durch die Drehachse 7 und die Bezugsachse aufgespannt wird, befindet sich im Stellglied 6 ein hochpermeabler Stab 9, der unter einem Winkel cC zur Drehachse befestigt ist, wie es Figur 2 zeigt. Dieser Winkel <JL ist vorzugsweise zu h*j zu wählen.

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ORIGINAL INSPECTED

Ebenso ist es auch möglich, daß die Bezugsachse 8 die Flächennormale zu einer Ebene bildet, die vom hochpermeablen Stab 9 und der Drehachse 7 aufgespannt wird.

Im Stab 9> der sich im Drehfeld des Spulensystems befindet, entsteht ein Wechselfluß 10. Durch die Schrägstellung des Stabs 9 wird das Drehfeld des Spulensystems räumlich so verzerrt, daß die dritte Spule 5 von einem Teil des Wechselflusses 10 durchsetzt wird. Der Wechselfluß 10 läßt sich in eine Komponente 11 in der Ebene der Spule 5 und in eine Komponente 12 zerlegen, die parallel zur Drehachse 7 weist. Die Komponente 12 durchsetzt die Fläche der dritten Spule 5i deren Windungen dps Stellglied 6 umfassen, und induziert in ihr eine Spannung.

Das Stellglied 6 weist ein Lager 13 auf und ist um eine mit dem Spulensystem fest verbundene Achse 14 drehbar angeordnet. Die Achse 1*t und die Drehachse 7 fluchten mitexnander.

Abhängig vom Winkel )° zwischen der Bezugsachse 8 und der Spulenachse 1 bzw. in Abhängigkeit von der Stellung des hochpermeablen Stabs 9 in der Ebene der Spulenachsen-1,2 weist der Wechselfluß 10 im Stab 9 gegenüber dem magnetischen Fluß

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der Teilspulen 1 a, 1 b eine Phasenverschiebung auf. Die gleiche Phasenverschiebung liegt zwischen der Wechselspannung, die die Teilspulen 1 a, 1 b speist, und der negierten induzierten Spannung der dritten Spule 5· Zum Messen der Phasenverschiebung, die gleich dem Winkel ψ ist, ist die dritte Spule 5 und der Ausgang des Phasenschiebers 3 mit einem Phasenmesser 15 verbunden, wie es in Figur 1 dargestellt ist.

Für eine Anwendung der Erfindung als Nordfrequenzglied liegt der zu messende Winkel Ψ zwischen der Spulenachse 1 und der magnetischen Nordrichtung. Das Stellglied 6 ist bei diesem Anwendungsfall mit einer Kompaßnadel als Bezugsachse 8 fest verbunden. Die Bezugsachse 8 liegt entweder in der Ebene, die vom Stab 9 und der Drehachse 7 aufgespannt \oiird_oaer senkrecht dazu.

Figur 3 zeigt eine besonders einfache Konstruktion des Stellglieds 6, bei welcher der hochpermeable.Stab 9i der in zwei Teilstäbe 91 und 92 aufgeteilt ist, die Bezugsaehse 8 und die Drehachse 7 in einer Ebene liegen. An den Stirnseiten der beiden Teilstäbe 91 und 92 sind Permanentmagneten 16 und 17 angebracht, deren Polarisation in Stabrichtung weist.

Die Teiletäbe 91 und 92 sind mit einem Lagerteil 18 verbunden,

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das mittig im Stellglied 6 angeordnet ist und ein Spitzenlager enthält, das beispielsweise aus Rubin hergestellt ist. Um die Drehachse 7 ist das Stellglied 6 auf der raumfesten Achse 14- drehbar gelagert. Die Kombination aus den Teilstäben 91 und 92 und den Permanentmagneten 16 und 17 stellt die Kompaßnadel dar, die sich im Spitzenlager leicht drehen läßt und durch das erdmagnetische Feld in Nord- Süd-Richtung eingestellt wird. Das Einstellmoment ist besonders bei Verwendung in nördlichen Breiten groß, da dort die magnetischen Feldlinien auch eine geeignete Vertikalkomponente aufweisen.

Figur k zeigt eine Ausgestaltung des Stellglieds 6, bei der die Bezugsachse 8 senkrecht zur Ebene angeordnet ist, die durch Drehachse 7 und Stab 9 aufgespannt ist. Die Kompaßnadel 161 ist mit dem Lagerteil 18 fest verbunden und weist in Richtung der Bezugsachse. Ein nach Figur 3 ausgebildetes Stellglied 6 kann vorteilhaft in nördlichen geographischen Breiten eingesetzt werden. Ein Nordfrequenzglied mit einem Stellglied 6, wie eB in Figur h * gezeigt ist, kann in beliebigen Breiten zum Ermitteln der magnetischen Nordrichtung eingesetzt werden.

X₇Um zu vermeiden, daß das Stellglied 6 sich wie ein Rotor '■ ί einer Asynchronmaschine im Drehfeld des Spulensysteme dreht, * ist bei der Materialwahl des hochpermeablen StabB 9 und

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der Kompaßnadel 161 bzw. der Permanentmagneten 16, 17 darauf zu achten, daß sich in ihnen keine Wirbelströme ausbilden können, die bekanntlich zu einem Drehmoment des Stellglieds 6 führen wurden. Aus diesem Grund ist als Material für den hochpermeablen Stab 9 ein Ferrit mit kubischem Raumgitter zu verwenden. Für die Permanentmagneten 16 und 17 und die Kompaßnadel 161 ist ein Ferrit mit hoher Koerzitivkraft zu wählen. Diese Materalien liegen normalerweise in Stabform als Halbzeug vor, so daß die Anordnungen, wie sie in Figur 3 und Figur k gezeigt sind, besonders einfach herstellbar sind.

Figur 5 zeigt einen konstruktiven Aufbau des Spulensystems, Ein zylindrischer Spulenkörper 19 weist acht um h^ gegeneinander versetzte Nuten IJ 1, N 2, , N 8 auf.

In jede:'Z'.-;eite Nut N 2, IT 4, N 6 und K 8 sind die V/indungen einer Seite der Windungsfläche der Teilspulen 2 b, 1 a, 2 a, 1 b eingelegt. Die Windungen jeder Teilspule 2 b, 1 a, 2 a, 1 b,umfassen eine Fläche, die jeweils von den Nuten N 2 und N 5 bzw. N k und N 7 bzw. N 6 und N bzw. N 8 und N 3 sowie den Kreisbögen auf dem Zylindermantel, die einen Winkel von 135 einschließen, begrenzt sind. Wie man in Figur 5 sieht,sind die Teilspulen 2b, 1 a, 2 a, 1b ähnlich einer Schleifenwicklung auf dem Spulenkörper 1 a aufgebracht. Die gegenüberliegenden Teilspulen 1a, 1b und 2 a, 2 b sind jeweils in Reihe geschaltet und bilden die beiden Spulen des Spulensystems.

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Pat»mtameprich·

Claims

Patentansprüche

Λ.J Vorrichtung zum Umwandeln eines mechanischen Winkels in „eine elektrische Größe unter Verwendung eines Spulensystems aus zwei mit ihren Spulenachsen senkrecht zueinander angeordneten Spulen, die von zwei gegeneinander um 90 phasenverschobenen Wechselspannungen gleicher Frequenz und Amplitude gespeist sind, und eines Stellglieds, das im magnetischen Wechselfeld des Spulensystems zum Einstellen des Winkels um eine Drehachse drehbar gelagert ist und dessen Drehachse senkrecht auf den Spulenachsen des Spulensystems steht, wobei der Winkel zwischen einer senkrecht mit der Drehachse verbundenen Bezugsachse und einer der beiden SpulenPchsen liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (6) mindestens einen hochpermeablen Stab (9) enthält, der unter einem Winkel (öC ) schräg zur Drehachse (7) angeordnet ist, daß eine dritte Spule (5) mit ihrer Flächennormalen fluchtend zur Drehechse (7) raumfest im Spulensystem befestigt ist und mit ihren Windungen das Stellglied (6) umfaßt, wobei die negierte induzierte Spannung der dritten Spule (5) bezogen auf die speisende Wechselspannung einer der Spulen (1a, 1b) des Spulensystems eine Phasenverschiebung ( Y^> ) aufweist, die gleich dem mechanischen Winkel ( Y*) zwischen der Bezugsachse (8) des Stellglieds (6) und der zu dieser Spule (1a, 1b) gehörenden Spulenachse (1) ist.

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2. Vorrichtung nach, Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere parallel angeordnete,hochpermeable Stäbe (9) im Stellglied (6) unter einem Winkel (oC) von h3 zur Drehachse (7) angeordnet sind.
3» Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hochpermeable Stab (9), die Drehachse (7) und die Bezugsachse (8) in einer Ebene liegt.
k. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsachse (8) senkrecht zu einer Ebene angeordnet ist, die durch die Drehachse (7) und den Stab (9) aufgespannt ist.
5· Vorrichtung nach Anspruch 3 oder k, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (6) spitzengelagert ist.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 5 oder den Ansprüchen k und 5» dadurch gekennzeichnet, daß in dem Stellglied (6) in Richtung der Bezugsachse (8) eine Kompaßnadel (161) befestigt ist.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (9) im Stellglied (6) aus zwei Teilstäbei?(91t92) besteht, die an ihren Enden Permanentmagnete (16, 17) aufweisen.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 7₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisierung der Permanentmagnete in Längsrichtung des Stabs (9) ausgerichtet ist.
9· Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl dNBephoehpermeable Stab (9) als auch die Permanentmagnete (16,17) aus Ferriten mit geringen Wirbelstromverlusten bestehen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule des Spulensysteras aus zwei Teilspulen (1a, 1b bzw.-2a, 2b) mit gemeinsamer Spulenachse (1 bzw. 2) besteht, daß die vier Teilspulen (1a, 1b, 2a, 2b) auf eine» zylinderförmigen Spulenträger (19) angeordnet sind, der um K<f versetzte Nuten (N1, N2, , N8) aufweist, wobei jede Teilepule (1a, 1b) in zwei um 135 gegeneinander versetzte Nuten (Nk und N? bzw. NJ und N8) eingelegt ist und die Teilspulen (1a, 1b, 2a, 2b) jeweils im Winkel von 90 zueinander angeordnet sind.

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