DE1056972B - Elektromagnetische Vorrichtung - Google Patents

Elektromagnetische Vorrichtung

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DE1056972B
DE1056972B DEG15059A DEG0015059A DE1056972B DE 1056972 B DE1056972 B DE 1056972B DE G15059 A DEG15059 A DE G15059A DE G0015059 A DEG0015059 A DE G0015059A DE 1056972 B DE1056972 B DE 1056972B
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rotor
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poles
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coil
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DEG15059A
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English (en)
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Vincent Anthony Orlando
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General Electric Co
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General Electric Co
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    • H02K19/00Synchronous motors or generators
    • H02K19/02Synchronous motors
    • H02K19/04Synchronous motors for single-phase current
    • H02K19/06Motors having windings on the stator and a variable-reluctance soft-iron rotor without windings, e.g. inductor motors
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    • G01C19/28Pick-offs, i.e. devices for taking-off an indication of the displacement of the rotor axis
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    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H01F7/08Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Description

  • Elektromagnetische Vorrichtung Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Vorrichtung mit einem ebenen Statorkern, der eine oder mehrere Erregerwicklungen aufweist, welche ein sich periodisches änderndes Feld von im wesentlichen parallelen magnetischen Kraftlinien erzeugen, mit einer oder mehreren zusätzlichen Wicklungen, die auf dem Kern derart angeordnet sind, daß zwischen ihnen und den Erregerwicklungen keine Transformatorwirkung eintritt, und mit einer in induktiver Beziehung zu den beiden Spulensätzen angeordneten drehbaren Spule, die winkelmäßig verdrehbar angeordnet ist. Derartige Vorrichtungen dienen insbesondere als elektrische Steuersignalgeber und empfindliche Drehmomentmotoren oder Nachdrehmotoren.
  • Unter den zahlreichen üblichen Vorrichtungen dieser Art zur Erzeugung elektrischer Signale auf Grund einer Winkelverstellung zwischen dem Statorkern und seinen Spulensätzen einerseits und der drehbaren Spule oder dem Rotor andererseits werden solche Anordnungen bevorzugt, bei welchen der Rotor keine Erregerwicklungen trägt und aus magnetischem Material besteht. Solche Vorrichtungen gehören zu den Anordnungen mit veränderlichem magnetischem Widerstand, wobei die Reluktanz der von den zusätzlichen Wicklungen umschlossenen magnetischen Kreise durch Bewegung des Rotors geändert wird, so daß der Rotor einen sich mit seiner Winkelstellung ändernden Anteil des magnetischen Flusses von den Erregerwicklungen auf die zusätzlichen Wirkungen überführt. Derartige Anordnungen haben ungeachtet des Vorteils, daß der Rotor nicht an elektrische Energiequellen angeschlossen zu werden braucht, doch den sehr wesentlichen Nachteil sehr hoher Drehmomente und magnetischer Seitenkräfte. Auch muß der Rotor sehr genau justiert werden. Besonders unangenehm machen sich diese Nachteile bei Kreiselgeräten, z. B. Kreiselkompassen, bemerkbar, da hierbei störende Präzessionen auftreten können.
  • Bei Anzeigegeräten ist es auch bekannt, einen schräg zur Achse gestellten unmagnetischen Rotor zu verwenden. Hier bestimmt jedoch nicht die Lage des Rotors den Strom durch zusätzliche Spulen, sondern der Strom bestimmt die Lage des Rotors. Ferner ist es bei einem Fernmelde- und Anzeigegerät bekannt, zwei gekoppelte Spulen, von denen eine zur gemeinsamen Drehachse unsymmetrisch ist, einem antreibenden Spulensystem, einem Wechselstromspeisesystem und einem Ausgangssystem zuzuordnen, wobei die Anordnung nicht nur durch die zusätzliche Verwendung eines Wechselstromspeisegerätes, sondern insbesondere durch den voneinander unabhängigen Aufbau der drei Systeme und durch die Verwendung eines doppelten, teilweise unsymmetrischen Rotors kompliziert wird. Ferner bedingt die Unsymmetrie, daß erst bei einer Drehung um 180° eine Phasenumkehr eintritt.
  • Um die erwähnten Fehler zu beseitigen, werden gemäß der Erfindung die Achsen der Erregerwicklungen und die Achsen der zusätzlichen Wicklungen in einer gemeinsamen Ebene (der Statorebene) angeordnet, und die Drehachse der beweglichen Spule (des Rotors) wird senkrecht zu dieser gemeinsamen Ebene der beiden erwähnten Spulensätze (senkrecht zum Stator) gestellt, wobei sie in der Rotorebene liegt, so daß auch die Rotorebene senkrecht zu der gemeinsamen Ebene steht.
  • Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte elektromagnetische Vorrichtung zu schaffen, welche einen vollständig unmagnetischen Rotor aufweist und ohne Änderung ihres Aufbaues entweder als Signalgeber -oder als Drehmomentmotor (Nachsteuerungsmotor) benutzt werden kann.
  • Es ist ein geschlossener vierpoliger symmetrischer Statorkern vorgesehen, bei dem zwei Erregerwicklungen in Reihenschaltung angeordnet sind und mit periodisch sich ändernden elektrischen Signalen gespeist werden; dabei trägt jeder Pol eines Paares einander gegenüberliegender Pole eine Wicklung. Außerdem sind zwei in Reihe geschaltete Abnahmewicklungen vorgesehen, von denen sich je eine auf den übrigen, einander gegenüberliegenden Polen befindet. Eine einzige flache kurzgeschlossene Windung aus leitendem, nichtmagnetischem Material dient als Rotor und kann in radialer Linie entweder zu den Erregerpolen oder Abnahmepolen neutral eingestellt werden. Bei diesen neutralen Stellungen erscheint in den Ausgangswicklungen kein Gesamtausgangssignal. Die Auslenkung des kurzgeschlossenen Rotors in irgendeiner der beiden Winkelrichtungen gegenüber den neutralen Stellungen erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das in seiner Phasenbeziehung den Richtungssinn der Winkelauslenkung charakterisiert und das in seiner Amplitude über einen bestimmten Bereich den Betrag der Winkelauslenkung gegenüber den scharf definierten Nullwerten bei den neutralen Stellungen anzeigt.
  • Ausführungsbeispiele für den Gegenstand der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, in welchen Fig. 1 eine bildhafte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Abnahmemotors oder eines empfindlichen Drehmomentmotors gemäß der Erfindung mit einem Rotor in Form einer kurzgeschlossenen Windung, Fig. 2 eine geschnittene Seitenansicht einer elektromagnetischen Vorrichtung mit einem massiven, leitenden Rotor, Fig. 3 eine Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform der elektromagnetischen Vorrichtung, welche eine höhere Ausgangsempfindlichkeit liefern kann, Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform mit einer Nulleinstellung und Fig. 5 eine Anwendung des Signalgebers gemäß der Erfindung ist, welche die Vorteile der Erfindung in besonderem Maße aufweist.
  • Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel weist ein im wesentlichen ringförmiges Paket aus magnetisch leitfähigen Statorlamellen 1 mit vier gegeneinander im gleichen Winkel versetzten, nach innen vorstehenden Polen auf. In Reihe geschaltete Erregerwicklungen 2 und 3 umschließen die Erregerpole 4 bzw. 5 und werden aus einer Wechselstromquelle gespeist, welche durch Speiseanschlüsse 6 angedeutet ist. Auf diese Weise addieren sich ihre magnetischen Kraftlinienflüsse, welche den Spalt zwischen den Flächen der Pole 4 und 5 durchsetzen. In Reihe geschaltete Abnahmewicklungen 7 und 8 umschließen die Abnahmepole 9 bzw. 10, so daß in ihnen Spannungen induziert werden können, welche einer Empfangvorrichtung mittels der Abnahmeanschlüsse 11 zugeleitet werden. Der Rotor 12 weist einen kurzgeschlossenen Leiter auf, welcher im wesentlichen Ringgestalt hat. Dieser Rotor wird symmetrisch zu einer zentralen Achse 14-14 durch eine drehbare Rotorwelle 13 getragen.
  • Erregt man beim Fehlen des leitenden Rotors die Erregerwicklungen 2 und 3 voll, so fließt der gesamte magnetische Wechselfluß durch die Erregerpole 4 und 5, und fast der gesamte Fluß wird unmittelbar von einem der Pole 4 und 5 zum anderen gerade durch den Luftspalt zwischen diesen Polen hindurchtreten. Fast alle magnetischen Kraftlinien werden vollständig geschlossene magnetische Kreise durch die beiden Hälften des Statorkerns 1 bilden und gleichmäßig zwischen beiden verteilt werden, wobei sie nicht durch die Abnahmewicklungspole 9 und 10 gehen, so daß in den Abnahmewicklungen 7 und 8 keine Spannungen induziert werden. Ein kleiner Anteil des Erregerflusses wird naturgemäß durch die Ausgangspole 9 und 10 infolge ihres geringen Abstandes von den Erregerpolen 4 und 5 fließen. Wenn jedoch eine vollständige Statorsymmetrie erreicht ist und die magnetischen Kraftlinienflüsse von den Erregerpolen 4 und 5 gleich groß sind, werden sich die magnetischen Flüsse durch den Pol 9 von den Erregerpolen 4 und 5 aufheben, da diese Flüsse in jedem Augenblick gleiche Amplitude, aber entgegengesetzte Richtung aufweisen; die Flüsse von den Polen 4 und 5 durch den Pol 10 heben sich gleichfalls auf. Selbst wenn die Erregerflüsse ungleich sind, werden sich die in den Abnahmewicklungen 7 und 8 induzierten Ströme aufheben. Auf diese Weise ergeben sich an der Reihenschaltung der Abnahmewicklungen 7 und 8 keine Spannungen.
  • Fügt man den Kurzschlußrotor 12 zu diesem Gerät derart hinzu, daß er sich in der dargestellten Stellung befindet, bei welcher seine Windung im wesentlichen parallel zum wechselnden magnetischen Fluß zwischen den Polen 4 und 5 liegt, wird kein Gesamtstrom in der Windung induziert und in ihr fließen. Der Rotor stört nicht das Gleichgewicht und die Nullabnahme-Bedingung, welche eben beschrieben wurde. Das bedeutet, daß sich der Rotor 12 bei der dargestellten Stellung in bezug auf den Stator in der Nullage befindet. Kleine Winkelverdrehungen des Rotors im Uhrzeiger sinn gegenüber der erwähnten Nullstellung lassen den wechselnden Erregerfluß Kreisströme (Wirbelströme) im leitenden Rotor erzeugen, weil der Erregerfluß dann nicht mehr parallel zur Ebene der kurzgeschlossenen Rotorwindung liegt. Dieser induzierte Rotorstrom erzeugt nun seinerseits magnetische Kraftlinienflüsse, die praktisch senkrecht zur Ebene des ringförmigen Rotors stehen. Bei der angenommenen Bedingung einer schwachen Verdrehung des Rotors 12 im Uhrzeigersinn wird ein größerer Teil des durch den Rotor 12 erzeugten magnetischen Flusses auf die Abnahmepole 9 und 10 gerichtet, wobei seine Rückleitungswege die beiden Hälften des Statorkerns umfassen. Beim Durchsetzen der Abnahmepole induzieren diese vom Rotor erzeugten magnetischen Flüsse in den Abnahmewicklungen 7 und 8 Ausgangssignale, welche gleichphasig sind und infolge der Reihenschaltung zwischen ihnen sich derart addieren, daß an den Abnahmeanschlüssen 11 ihre Summe erscheint. Über einen beschränkten Bereich ist eine steigende Verdrehung des Rotors im Uhrzeigersinn von einem Anstieg der im Rotor induzierten Kreisströme, von einer steigenden Flußerzeugung mittels des Rotors und von einer erhöhten Induktion von Ausgangsspannung in den Abnahmewicklungen 7 und 8 begleitet. Schließlich wird eine Winkelstellung erreicht, in der der steigende Fluß, welcher mittels des Rotors erzeugt wird, keine größere Ausgangsspannung in den Abnahmewicklungen mehr erzeugen kann, da eine größere Streuung auftritt. Diese Bedingung einer maximalen Ausgangsspannung wird in einer Stellung zwischen den Werten Null und 90° für die Rotorbewegung erreicht. Eine weitere Erhöhung der Rotorauslenkung im Uhrzeigersinn erzeugt eine Abnahme des Ausgangssignals bis eine zweite Nullstellung erreicht wird, bei der der Rotor in die 90°-Stellung gedreht ist, d. h. bei der die Rotorebene senkrecht zu dem den Spalt zwischen den Polen 4 und 5 durchsetzenden Fluß liegt. In der 90°-Stellung fließt der maximale Rotorstrom, doch der gesamte Kraftlinienfluß des Rotors ist gegen die erregenden Pole gerichtet, und kein Fluß tritt in die Abnahmewicklungen. ein.
  • Eine Verdrehung des Rotors 12 entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn aus der dargestellten Nullstellung liefert Spannungen gleicher Art, aber genau entgegengesetzter Phase. Die Phasenlage des Signals. kennzeichnet daher den Winkelsinn der relativen Rotor-Stator-Versch.iebungen, während die Amplitude des Signals dein Winkel dieser Verschiebung über beschränkte Bereiche proportional ist, wobei diese Bereiche bei nullempfindlichen Einsrichtungen dieser Art völlig ausreichend sind.
  • Wie bereits erwähnt, besteht, sobald der Rotor 12 um 90° gegenüber der dargestellten Stellung verdreht ist, eine Nullbedingung für den Ausgang, da trotz der maximalen Kreisströme, welche in der kurzgeschlossenen Windung induziert wurden der elektromagnetische Rotorfluß nicht die Ausgangswicklungen 7 und 8 durchsetzt. Eine Vergrößerung der Rotordrehung im Uhrzeigersinn erzeugt Spannungen einer Phasenlage, die zu der Phasenlage bei der Winkelauslenkung des Rotors entgegen dem Uhrzeigersinn aus der 90°-Stellung entgegengesetzt ist. Die Amplitude der Signalspannungen beginnt bei derjenigen Winkelstellung des Rotors abzufallen., bei welcher der steigende Fluß des elektromagnetischen Rotorfeldes, der durch die Abnahmepole 9 und 10 geht, durch den absinkenden Kreisstrom aufgehoben wird, der seinerseits durch den Erregerfluß der Pole 4 und .5 in der Rotorwindung induziert wird.
  • Obgleich das Rotor-Stator-Drehmoment (Rückwirkung) der beschriebenen Abnahmevorrichtung sehr klein und für die meisten Anwendungszwecke vernachlässigbar ist, können die verbleibenden kleinen Drehmomente eine praktische Bedeutung haben, da sie positiv oder negativ gemacht werden können., je nachdem, welche Nullstellung als Bezugslage der Vorrichtung ausgewählt wird. Die Ausrichtung des Rotors zu den erregenden Polen., wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, ist diejenige Stellung, welche die kurzgeschlossene Windung von sich aus infolge der schwachen auftretenden Drehmomente aufsucht. Winkelverschiebungen des Rotors 12 .aus dieser Nullstellung wirken positive :oder federähnliche Drehmomente entgegen, welche mit geringen Kräften bestrebt sind, den Rotor in die Nullstellung zurückzuführen. In :der anderen neutralen Lage, in der der Rotor -mit den Abnahmepolen 9 und 10 ausgerichtet ist, ist das Drehmoment ausgeglichen, bis der Rotor um einen geringen Betrag winkelmäßig verschoben wird. Hierauf ist das Gesamtdrehmoment am Rotor negativ und zwingt den Rotor mit geringer Kraft aus dieser neutralen Stellung in die dargestellte Nullstellung. Bei gewissen Anwendungen, insbesondere solchen, bei denen die Abnahmeanordnung als Überwachungselement auf der Präzessionsachse eines einachsigen Kurskreisels oder auf einer Kreiselachse dient und bei denen spiralförmige Stromzuführungen positive Drehmomente ausüben, kann :die negative Drehmomentcharakteristik mit entscheidendem Vorteil benutzt werden.
  • Es wurde festgestellt, daß der Rotor der erfindungsgemäßen Vorrichtung entweder .axial oder auf einem Durchmesser des Stators verschoben werden kann, -ohne die Kurvenform der Ausgangsspannung zu beeinflussen. Dieser Vorteil tritt bei jenen Anordnungen nicht auf, welche einen Rotor mit magnetischem Stoff benutzen, und er :ist von besonderem Vorteil :bei solchen Geräten, hei denen ein elastischer Träger oder -eine elastische Kupplung zwischen den beiden gegen-,einander drehbaren Teilen benutzt wird, auf denen der Rotor und der Stator der Abnähmevorrichtungen angebracht sind. Gegeneinander verdrehbare Teile, die durch eine magnetische Aufhängung oder durch eine Federaufhängung miteinander gekuppelt sind, werden z. B. bei Belastungsänderungen Seitenschub hinsichtlich ihrer Achsen aufweisen, und die -augenblickliche Abnahme .kann dazu benutzt werden, ausschließlich die relative Winkelbewegung zu .charakterisieren, da eine Empfindlichkeit in bezug auf seitliche Verschiebungen entfällt..
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Signalgebers besteht darin, daß die Nullbedingungen nicht -durch die Gegeneinanderschaltung von Spannungenerhalten werden, wie dies bei einigen anderen Anordnungen der Fall ist. Spannungskompensationseinrichtungen liefern nicht leicht einen scharfen und fehlerlosen Nullpunkt, insbesondere, da die genaue Phasengegenüberstellung aller magnetischer Kraftlinienfluß-und Spannungskomponenten nur selten erreicht werden kann. Dies trifft insbesondere zu, wenn die Rotoranordnung magnetisch leitfähige Stoffe enthält, welche die Phasen des Flusses beeinflussen, der die Ausgangsspannungen induziert. Im Gegensatz dazu erzeugt die Abnahmevorrichtung gemäß der Erfindung eine Nullbedingung, die relativ frei von Störsignalen ist, da die Abnahmespulen nicht von einem Rotorfeld .durchsetzt werden.
  • Die mit der beschriebenen Anordnung in .ihrer Anwendung als Signalspannungsgeber .erhaltenen Vorteile werden ebenfalls erreicht, wenn die Anordnung elektrisch zur Arbeit als Drehmomenterzeuger, Signalempfänger oder Nachdrehmotor geschaltet wird. Diese Arbeitsweise wird durch das besonders .einfache Hilfsmittel erhalten, die Anschlüsse 11 der Wicklungen 7 und 8 an eine Wechselspannungsquelle statt an eine ein Ausgangssignal ausnutzende Vorrichtung anzuschließen.. Die durch die Anschlüsse 11 dargestellte Spannungsquelle sollte dieselbe Periodenzahl aufweisen wie die durch die Anschlüsse 6 dargestellte Spannungsquelle, so daß .die sich :ergebenden .elektromagnetischen Flüsse derart zusammenarbeiten, daß .ein Stator Rotor-Drehmoment erzeugt wird. Wenn die Rotorebene praktisch parallel zu dem zwischen den Polen 4 und 5 oder zwischen den Polen 9 und 10 fließenden elektromagnetischen Fluß ist, erzeugt der Rotor 12 durch Induktion vom Fluß zwischen ..dem .anderen Pol-.paar einen elektromagnetischen Fluß, der mit dem ersten, parallel zur Rotorebene induzierten Fluß zusammen ein maximales Rotordrehmoment erzeugst. Winkelverdrehungen des Rotors aus dieser Stellung ändern das erzeugte Drehmoment. Die Phaseneinstellung des Statorflusses zur Erzielung maximaler Drehmomente kann durch :irgendeine übliche Vorrichtung erhalten werden, und eine oder beide .angewandten Spannungen können geändert werden, um die gewünschte Größe des Drehmomentes zu erhalten. Weiterhin :kann .der Richtungssinn des Drehmomentes positiv oder negativ gewählt werden, indem man die den beiden Wicklungspaaren .zugeführten Spannungen in ihrer Phasenlage richtig wählt.
  • Fig. 2 gibt einen teilweisen Querschnitt eines Signalgebers oder Empfängers in der Seitenansicht. Hier ist eine dünne, massive, :rechteckige Stange oder Platte 15 .als Rotor vorgesehen. Die Rotorplatte 15 ist voll--ständig aus -leitendem Stoff, z. B. Aluminium oder Kupfer, hergestellt und arbeitet in der gleichen Weise wie der Rotor 12 -der Anordnung gemäß Fig. 1. Aus Gründen der Klarheit -und Einfachheit: sind diejenigen Teile der Vorrichtung in Fig. 2, welche ähnlichen Teilen in Fig. 1 ,entsprechen, mit denselben Bezugszeichen .versehen. Ebenso sind die Wicklungen ingleicher Weise geschaltet wie in Fig. 1. Versuche haben gezeigt, :daß der leitende Rotor 15 auch ahne D.urchbohrung ,dieselben physikalischen Wirkungen hervorruft wie eine kurzgeschlossene Windung. Wie jedoch weiter unten :erläutert wird, kann der offene oder ringförmige Rotor - einige .andere konstruktive Vorteile haben.
  • Es wurde gefunden, daß-die Empflndlichkeit einerAbnahmevorrichtung oder eines Signalgebers gemäß der Erfindung wesentlich dadurch verbessert werden .kann, :daß die magnetische Reluktanz in .der Achse der Aus-.gangswicklungen herabgesetzt wird. ,Ein Ausführungsbeispiel, welches Mittel zur Erzeugung dieser erhöhten Empfindlichkeit aufweist, ist in der Vorderansicht in Fig. 3 dargestellt. Hier ist das im wesentlichen ringförmige Statorkern-Lamellen-Paket 16 mit einander gegenüberstehenden und nach innen gerichteten Erregerpolen 17 und 18 versehen, auf denen in Reihe geschaltete Erregerwicklungen 19 bzw. 20 angebracht sind. Diese Wicklungen werden mit Wechselstrom gespeist, der über die Anschlüsse 21 zugeführt wird. Die Abnahmewicklungen 22 und 23 befinden sich in Abstand voneinander auf einem Schenkel 24, der den Statorkern 16 im wesentlichen senkrecht zu den Erregerpolen 17 und 18 überbrückt und einen Weg geringeren magnetischen Widerstandes zwischen diesen Polen und dem äußeren Kranz des ringförmigen Kerns erzeugt. Wenn sich kein leitender Rotor innerhalb der Anordnung befindet, sind die Wege und Wirkungen der sich aufhebenden magnetischen Flüsse durch die Abnahmewicklungen 22 und 23 praktisch dieselben wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1. Ein Leiterring 25 dient als Kurzschlußrotor, der drehbar durch eine Welle 26 getragen wird und den Schenkel 24 umschließt. Die Kreisströme im Rotor 25 weisen eine größere Intensität auf wegen der verringerten Reluktanz gegenüber dem Kraftlinienfluß des Rotors, der sich aus der Anwesenheit des Kernes 24 innerhalb der Kurzschlußwirkung ergibt; außerdem ermöglicht es der Kern 24, daß ein größerer Anteil des Rotorflusses die Abnahmewicklungen durchsetzt. Diese Einflüsse ergeben zusammen höhere Ausgangsspannungen des Signalgebers, wobei die Arbeitsweise sonst im wesentlichen ebenso ist, wie sie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen erläutert wurde. Beide Abnahmewicklungen können zu einer einzigen Wicklung zusammengefaßt werden, die sich über die Gesamtlänge des Schenkels 24 erstreckt, wobei gleichartige Wirkungen auftreten. Zum leichteren Zusammenbau kann der Kern 24 unterteilt sein, wie dies durch die gestrichelten Linien 27 angedeutet ist, wodurch die Einbringung des Rotors 25 an seinen richtigen Ort erleichtert wird. Eine der Ausgangswicklungen 22 und 23 oder die einzige, die volle Länge einnehmende Wicklung, die an deren Stelle treten kann, läßt sich auf dem Kern 24 entlangbewegen, um den Nullpunkt der Ausgangsspannung einzustellen.
  • Fig. 4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für den Gegenstand der Erfindung, bei dem Mittel zum einstellbaren Überbrücken des magnetischen Flusses (magnetische Nebenschlüsse) vorgesehen sind, um die Ausgangscharakteristik in der Nähe der Nullstellungen zu verbessern. Der Statorkern und die Wicklungen sind durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet wie in Fig. 1 und 2, da sie in ihrer Konstruktion, gegenseitigen Stellung und Verbindungen übereinstimmen. Der Abnahmepol 10 und die Abnahmewicklung 8 sind in der Ansicht nicht zu sehen, da sie zum Teil im Schnitt ist, um den Rotor und die Brücke zu zeigen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein fester Kern oder eine Brücke 28 derart zentral angeordnet, daß sie mit der Achse 29-29 der Rotorwelle 30 und des Kurzschlußrotors 31 gleichachsig ist. Ein am Statorkern 1 befestigter Halter 32 trägt die Brücke in dieser Achse, und eine Mutter 33 ermöglicht zusammen mit einem an der Brücke angebrachten Bolzen 34 die einstellbare Festlegung der Brücke am Halter in der gewünschten Winkeleinstellung gegenüber der Achse 29-29. Die Brücke 28 ist zwar ein im wesentlichen zylindrisches Lamellenpaket aus magnetisch leitfähigem Material, doch ist ein Teil 35 abgeflacht, um eine Unsymmetrie einzuführen, welche für die Nulleinstellung wichtig ist. Wenn die Brücke nicht eingebaut ist, können gewisse Verformungen des idealen Kraftlinienfeldes vorhanden sein, die sowohl die Lage als auch die Größe des kleinen Nullsignals stören. Um das Signal noch mehr herunterzudrücken, wird die Brücke 28 eingefügt, und zwar zweckmäßig so, daß der abgeflachte Teil 35 genau einem der Pole gegenübersteht; hierbei erhält man eine symmetrische Verteilung des Flusses in dem Geber. Die Brücke wird dann winkelmäßig um die Achse 29-29 verstellt, bis die Nullspannung einen minimalen Wert annimmt, worauf die Mutter 33 aufgeschraubt wird, um die Brücke in dieser Stellung zu sichern.
  • Da die Anordnung des Statorkernes und des Brückenkernes in Fig. 4 die Verwendung eines vollständig ebenen Kurzschlußrotors unmöglich macht, ist der leitende Rotor 31 in diesem Falle eine ungewöhnliche Bauart, welche ihn für diese besondere Anordnung geeignet macht und außerdem aufbaumäßige Vorteile bietet. Wie dargestellt, ist der Rotor 31 hohl und im wesentlichen zylindrisch, wobei seine Längsachse mit der Achse 29-29 zusammenfällt; das geschlossene Ende 36 ist auf der Rotorwelle 30 befestigt. Das gegenüberliegende Ende ist offen gelassen, so daß die Brücke 28 in das Innere des Rotors vorstehen kann. Der elektromagnetische Fluß der Erregerpole 4 und 5. wird durch die beiden parallelen Rotorleiter 37 und 38 geschnitten, welche auf dem Umfang des Rotors um 180° gegeneinander versetzt angebracht sind; sie sind durch Entfernen des Materials aus dem zylindrischen Rotor gebildet, wobei nur diese Leiter, der Endabschluß 36 und die Endringe 39 und 40 übrigbleiben. Die Leiter 37 und 38 weisen zweckmäßig eine größere Länge auf als die axiale Länge der Statorpole, und die Rückschlüsse für die Rotorkreisströme sind durch. die Endringe 39 und 40 und die Endplatte 36 gegeben. Diese Rotorkonstruktion arbeitet elektrisch und magnetisch praktisch ebenso wie der in Verbindung mit Fig. 1 beschriebene Rotor 12, nur daß die Statorbrücke 28 die Rotorwirkungen verbessert und eine verbesserte und störungsfreie Nullcharakteristik für die Abnahme schafft. Die Arbeitsweise als Drehmomentgeber, Signalempfänger oder Nachdrehmotor erhält man, wenn alle Polwicklungen in passender Weise erregt werden,. wie dies in Verbindung mit Fig. 1 erläutert ist.
  • In Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines magnetisch aufgehängten Kurskreisels dargestellt, welcher den Signalgeber gemäß der Erfindung mit dem Schaltschema enthält. Diese Anordnung bietet die Vorteile des Erfindungsgegenstandes in vollem Maße, nämlich ein herabgesetztes Rotorgewicht, Unempfindlichkeit gegen axiale und radiale Verschiebungen, Fehlen merklicher Drehmomente und seitlicher Schübe, leichte Justierung, Fehlen elektrischer Rotoranschlüsse, Güte der Nullcharakteristik und ein gutes Verhältnis des nutzbaren Signals zum Störpegel. Der KurskreiseI umfaßt einen elektrisch angetriebenen Kreiselrotör 41" der in einem Doppelring 42 um eine zur Achse 43 des tragenden Bügels oder Doppelringes senkrechte Drehachse drehbar aufgehängt ist. Das äußere Gehäuse 44, welches z. B. auf einem Fahrzeug angeordnet ist, weist zwei Endkonsolen 45 und 46 auf, in welchen die Hauptkreiseltragwelle drehbar gelagert ist. Lager mit geringer Reibung sind in den Endkonsolen vorgesehen, um die axialen Bewegungen der Welle 43 zu beschränken; die Hauptunterstützung der Welle 43 in radialer Richtung wird durch magnetische Aufhängungen 47 und 48 gebildet; die sich ebenfalls in diesen Konsolen befinden. Der Kreiselrotor 41 und sein Bügel 42 sind in einem dicht abgeschlossenen Gehäuse 49 untergebracht. Ein Nachdrehmotor oder Drehmomenterzeuger 50; der einen am Bügel 42 befestigten Rotor 51 und einen am äußeren Gehäuse 44 befestigten Stator 52 aufweist, übt auf die Achse der Kreiselwelle 43 Drehmomente aus, um diese in eine neutrale Stellung zurückzuführen, wenn Winkelaüslenkungen um diese Achse durch den Signalgeber oder Empfänger 53 angezeigt werden. Wie dies bei Kurskreiseln bekannt ist, verursacht jede Winkelbewegung des äußeren Gehäuses 44 um eine sowohl zur Rotordrehachse als auch zur Bügeltragwelle 43 senkrechte Achse eine Präzession um die Achse der Welle 43 um einen Winkelbetrag, der dem Betrag dieser Winkelbewegung proportional ist. Der Empfänger 53, der durch die Wechselstromspeisung 54 erregt ist, liefert elektrische Ausgangssignale, welche für diese Winkelablenkung charakteristisch sind, an eine Steuervorrichtung 55, die ihrerseits den Nachsteuermotor oder Drehmomenterzeuger 50 erregt, bis dieser ein Drehmoment abgibt, welches dem Präzessions-Drehmoment gleich und entgegengesetzt ist, und erregt gleichzeitig eine Signalauswertvorrichtung 56, wie z. B. einen Drehungsanzeiger oder eine Selbststeuerungseinrichtung.
  • Die Abnahmevorrichtung 53 dieser Anordnung weist eine Bauart auf, die der der Fig. 4 entspricht, und ihre Teile sind mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen. Der Statorkern 1 ist am äußeren Gehäuse 44 befestigt, und der Rotor 31 wird durch die Kreiseltragwelle 43 getragen, so daß die in den Abnahmewicklungen erzeugten Signale die relative Winkelauslenkung der Welle 43 anzeigen. Die außerordentlichen Vorteile dieser Abnahme zeigen sich bei einer solchen Anwendung. Beispielsweise ist zu beachten, daß die magnetischen Aufhängevorrichtungen, z. B. die Einheiten 47 und 48, sowohl eine beträchtliche radiale Auslenkung der Welle 43 als auch ein gewisses axiales Spiel erlauben, welches durch die reibungsarmen Lager in den Endkonsolen 45 und 46 begrenzt wird. Demgemäß ist eine Abnahmevorrichtung, die auf eine dieser Bewegungen anspricht, fehlerhaft, da die Ausgangssignale Fehler enthalten, die bei einem Instrument und System unzulässig sind, welches einen so hohen Grad der Empfindlichkeit und Genauigkeit aufweisen soll. Wie jedoch bereits weiter oben auseinandergesetzt wurde, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl gegenüber radialen als auch gegenüber axialen Verschiebungen der Rotorwelle innerhalb weiter Grenzen unempfindlich und liefert Ausgangsspannungen, welche nahezu ausschließlich der Winkelbeziehung zwischen dem Stator und dem Rotor entsprechen, ohne durch die Nachgiebigkeit einer magnetischen oder anders ausgebildeten Aufhängung beeinflußt zu werden. Ein weiterer sehr wichtiger Vorteil beruht auf der Tatsache, daß bei der Schaltung des Gerätes als Empfänger der gesamte leitende und nichtmagnetische Rotor Rückwirkungsmomente von nur kleinstem Werte zuläßt. Bei der dargestellten Kreiselanordnung würden vom Empfänger hervorgerufene Rückführungsdrehmomente Fehler im Signalausgang des Systems hervorrufen, da die über die Kreiselträgerachse zugeführten Drehmomente nur diejenigen Drehmomente enthalten sollten, welche von der Präzession hervorgerufen werden, und bei anderen Kreiselanordnungen würden die Drehmomente unzulässige Präzessionen erzeugen. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer integrierenden Kreiselanordnung oder mit einem doppelachsigen Kreisel bietet ferner insofern Vorteile, als die etwaigen kleinen Drehmomente negativ gemacht werden können, d. h., sie können entgegengesetzt zu den üblichen Federdrehmomenten von Stromzuführungswendeln erregt werden. In den Fig. 4 und 5 ist die Anordnung des Rotors 31 in der Nullstellung zu den Abnahme- oder Ausgangswicklungen so gewählt, daß sich diese negative Drehmomentcharakteristik ergibt, wenn Winkelverschiebungen auftreten. Das geringe Gewicht des Abnahmerotors, welches sich aus der Verwendung von leichtem, magnetisch nichtleitfähigem Material an Stelle von schwerem, magnetisch leitfähigem Material ergibt, und die Abwesenheit eines Schleifringes oder von rotorspeisenden Zuführungen setzen beide die Lagerreibung und die Belastung der Kreiselträgerachse herab. Bekannte Kreiselanordnungen sind nicht genauer als die Steuersignalerzeuger, welche mit ihnen zusammen benutzt werden, falls man nicht zusätzlich sorgfältig durchgebildete Kompensatoren verwendet, und die ausgezeichnete Nullcharakteristik und das günstige Verhältnis des Signals zum Störpegel bei den erfindungsgemäßen Abnahmevorrichtungen sind infolgedessen besonders vorteilhaft.
  • Zahlreiche Signalerzeuger verschiedener Bauart können im Rahmen der Erfindung gebaut werden. Beispielsweise kann der leitende Rotor eine Kurzschlußwicklung enthalten, welche mehrere Windungen aufweist, und die Anordnung kann in jeder passenden Weise erfolgen. Es können zwei Erregerwicklungen mit nur einer einzigen Abnahmewicklung oder umgekehrt zwei Abnahmewicklungen mit einer einzigen Erregerwicklung benutzt werden, und die Anordnung, welche eine einzige Erregerwicklung und eine einzige Abnahmewicklung aufweist, genügt ebenfalls zur Erzielung der erwünschten Ergebnisse. Brücken für den magnetischen Fluß zwecks Einregelung der Nullsignale (Nebenschlüsse) können passende exzentrische oder unsymmetrische Einheiten aus magnetisch leitfähigem Material aufweisen, welche einstellbar in der Nähe der Statorpole angeordnet sind, um einen Ausgleich des Feldes im Statorfluß innerhalb der Luftspalte zu erzielen.

Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Elektromagnetische Vorrichtung mit einem ebenen Statorkern, der eine oder mehrere Erregerwicklungen aufweist, welche ein sich periodisch änderndes Feld von im wesentlichen parallelen magnetischen Kraftlinien erzeugen, mit einer oder mehreren zusätzlichen Wicklungen, die auf dem Kern derart angeordnet sind, daß zwischen ihnen und den Erregerwicklungen keine Transformatorwirkung eintritt, und mit einer in induktiver Beziehung zu den beiden Spulensätzen angeordneten drehbaren Spule, welche winkelmäßig verdrehbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Erregerwicklungen (2, 3) und die Achsen der zusätzlichen Wicklungen (Abnahmewicklungen 7, 8) in einer gemeinsamen Ebene liegen und daß die Drehachse (14) der beweglichen Spule (12) senkrecht zu dieser gemeinsamen Ebene der beiden Spulensätze (2, 3 bzw. 7, 8) steht und in der Ebene dieser Spule (12) angeordnet ist und daß die Ebene der Spule (12) senkrecht zur gemeinsamen Ebene liegt.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen ringförmiger Kern mit nach innen vorstehenden Polen (4, 5, 9, 10) vorgesehen ist, daß die Erregerwicklungen auf diametral gegenüberliegenden Polen angebracht sind und daß die Abnahmewicklungen (7, 8) auf Polen angebracht sind, deren Achsen im wesentlichen senkrecht zu den die Erregerwicklungen tragenden Polen (4, 5) liegen.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 öder 2, da= durch gekennzeichnet, daß die Abnahmewicklungen (7, 8) derart geschaltet sind; daß in ihnen infolge des Rotor-Feldlinienflusses Ausgangssignale (Spannungen) induziert werden.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahmewicklungen (7, 8) derart erregt werden können, daß sie einen im wesentlichen senkrecht zum Feld des ersten magnetischen Flusses liegenden magnetischen Fluß erzeugen.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Polspalt eine aus magnetisch leitfähigem Werkstoff bestehende einstellbare Brücke vorgesehen ist, welche den Erregerfluß zwischen .gegenüberliegenden Polen überbrückt, wobei diese Brücke um die Rotorachse einstellbar ist, so daß zwischen den Polen unterschiedliche asymmetrische Beziehungen -hergestellt werden können.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der leitfähige Rotor ein paralleles Leiterpaar (37, 38) aufweist, welches einerseits an eine Querscheibe (40) und andererseits an einen offenen Querleiter (39) angeschlossen ist, wobei der Rotor und die Brücke ohne Berührung, aber einander umschließend axial zum Rotor angeordnet sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 588 933, 568 619, 555 042, 654 947.
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