-
Elektrischer Meßumformer unter Verwendung von Hallgeneratoren Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Meßumformer, welcher der jeweiligen Winkelstellung
seiner Eingangswelle entsprechende Ausgangsspannungen liefert mittels Hallgeneratoren,
die im Luftspalt zwischen einem mit der drehbaren Eingangswelle fest verbundenen
Dauermagneten und einem Ring für die Rückleitung des magnetischen Flusses vorgesehen
sind.
-
Hallgeneratoren sind elektrische Bauteile, deren Ausgangssignale
mit Hilfe des Halleffektes erzeugt werden und die gewöhnlich aus einem stromdurchfiossenen
Halbleiterkristall bestehen. Wenn dieser Kristall in ein Magnetfeld gebracht wird,
erhält man quer zur Stromflußrichtung eine Ausgangsspannung, die an zwei seitlich
des Stromflusses angeordneten Kontakten abgenommen werden kann. Die Amplitude dieser
Ausgangsspannung läßt sich nach der Formel Ua = KBIc cos 0 berechnen, wobei K eine
Konstante oder der Beiwert des Hallgenerators (Hallkonstante) und B die Stärke des
Magnetfeldes, in dem sich der Hallgenerator befindet, darstellt. IC ist der dem
Hallgenerator zugeführte Eingangsstrom und e ist der Winkel zwischen der Richtung
des Magnetfeldes und dem Lot auf die Ebene des Kristalls des Hallgenerators.
-
Es ist bekannt, bei elektrischen Meßumformem zur Ermittlung der Winkelstellung
einer Welle Hallgeneratoren zu verwenden. So wurde bereits vorgeschlagen, die Ebene
des Halbleiterkristalls innerhalb eines Magnetfeldes zu drehen, so daß die magnetischen
Kraftlinien den Hallgenerator in veränderlichen Winkeln schneiden. Wenn dabei die
Position des Kristalls nicht verändert wird, d. h. wenn der Kristall in einem homogenen
Bereich des Magnetfeldes bleibt, ist in der erwähnten Formel neben der Größe K auch
die Größe B konstant, und die Ausgangsspannung Ua ist eine Funktion des Winkels
O. Derartige Meßumformer liefern eine gut ausgeprägte sinusförmige Änderung des
Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Eingangswelle, wobei
jedoch ein großer Luftspalt vorgesehen sein muß, in welchem der Kristall gedreht
werden kann. Ein großer Luftspalt begrenzt den praktisch erreichbaren Maximalwert
der Induktion des Magnetfeld es, so daß nur schwache Ausgangssignale geliefert werden
können.
-
Dieser Nachteil ist bei einem weiteren bekannten Meßumformer dadurch
vermieden, daß der Kristall des Hallgenerators in einem engen Luftspalt zwischen
einem magnetisierten Rotor und einem Stator angeordnet ist, welcher in vier Quadranten
unterteilt ist, die den Rückweg für den magnetischen muß des Rotors bilden. Bei
einem derartigen Meßumformer, der als Drehgeber verwendbar ist, ändert sich die
Induktion B des den Kristall des Hallgenerators durchsetzenden Magnetfeldes ebenso
wie der Winkels zwischen der Richtung des Magnetfeldes und dem Lot auf die Ebene
des Hallgenerators in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Eingangswelle. Ein
streng sinusförmiger Verlauf der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Drehung
der Eingangswelle kann nur durch eine besondere Form des von dem Rotor erzeugten
Magnetfeldes erreicht werden. Hierdurch wird die Herstellung des Meßumformers schwierig
und aufwendig, denn um den genauen Feldstärkeverlauf festzulegen, muß der Rotor
nach dem Magnetisieren maschinell bearbeitet werden, was bei dauermagnetischen Werkstoffen
nicht einfach ist.
-
Auch die erforderliche genaue Bearbeitung der Statorsegmente stößt
auf Schwierigkeiten, da sie aus einzelnen Schichten aufgebaut sind.
-
Es ist auch bekannt, den Statorteil eines als Drehgeber verwendbaren
Meßumformers als geschlossenen Ring oder als Rohr auszubilden, wobei dieser Teil,
ohne in einzelne Segmente unterteilt zu sein, den Rotor umschließt. Bei dieser Ausführungsform
besteht der Rotor aus einem drehbaren Dauermagneten, der mit der Eingangswelle verbunden
und von einem oder mehreren Hallgeneratoren umgeben ist.
-
Hierbei sind die Hallgeneratorkristalle auf derInnenseite des raumfesten,
aus ferromagnetischem Material bestehenden Stators befestigt. Diese Anordnung hat
ebenso wie die zuvor erwähnten Meßumformer den Nachteil, daß sich die magnetische
Feldstärke an den einzelnen Punkten des Stators bei der Drehung des Rotormagneten
verändert. Bei einer solchen Ummagnetisierung treten unerwünschte Hysteresiseffekte
auf, die zu Fehlern in der Anzeige führen. Der magnetische Fluß im Eisen des Stators
ist dann nicht nur eine Funktion der augenblicklich wirkenden magnetischen Feldstärke,
sondern auch der unmittelbaren Vorgeschichte. Somit richtet sich auch das Ausgangssignal
des Meßumformers nicht nur nach der augenblicklichen Winkelstellung der Eingangswelle,
sondern es wird gleichzeitig von den vorhergegangenen Winkelstellungen beeinflußt.
Man kann diese Hysteresiseffekte dadurch verringern, daß man einen größeren Luftspalt
vorsieht, doch wird durch diese Maßnahme, wie bereits erwähnt, die maximale erzielbare
magnetische Induktion B verringert, so daß die Amplitude des Ausgangssignals kleiner
wird.
-
Die erwähnten Schwierigkeiten und Nachteile werden bei einem elektrischen
Meßumformer der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß
der Rückleitungsring aus Weicheisen mit niedrigem magnetischem Widerstand über ein
Zwischenstück mit dem Dauermagneten magnetisch leitend verbunden ist und mit diesem
zusammen umläuft, daß die Hallgeneratoren samt ihren Zuleitungen auf einem am raumfesten
Gehäuse angebrachten, in seiner Form dem Luftspalt angepaßten Träger aus magnetisch
nicht leitendem Material angeordnet sind, und daß der Rückleitungsring eine Form
aufweist, die an jedem beliebigen Punkt des Luftspaltes eine sinusförmige Änderung
des diesen durchsetzenden magnetischen Flusses mit der Drehung des aus Rückleitungsring,
Zwischenstück und Dauermagneten bestehenden Rotors sicherstellt.
-
Diese Konstruktion hat den Vorteil, daß keine störenden Hysteresiseffekte
auftreten, denn es findet niemals eine Änderung des magnetischen Flusses im Rückleitungsring
statt. Die Ausgangssignale der Hallgeneratoren sind eine eindeutige Funktion der
Winkelstellung der Welle und haben jeweils für die gleiche Winkelstellung den gleichen
Wert. Da das Magnetfeld im Rückfiußweg nicht wechselt, ist es auch nicht erforderlich,
diesen Weg aus Schichten aufzubauen. Außerdem ist es möglich, für den Rückflußweg
die einfachere Konstruktion eines Ringes zu verwenden, anstatt hier Quadranten vorzusehen.
Somit läßt sich der Meßumformer leichter herstellen als die bekannten Ausführungsformen.
Wegen der fehlenden Hysteresiseffekte kann der Luftspalt so schmal gemacht werden,
wie es die Hallgeneratoren mit ihren Trägern zulassen, so daß hohe Werte der magnetischen
Feldstärke erzielbar sind. Durch Verwendung eines ausreichend dünnen Trägers und
durch Aufdampfen der Hallgeneratoren und der Zuleitungen sind außerordentlich kleine
Luftspalte möglich.
-
Wenn der Meßumformer ein sinusförmiges Ausgangssignal erzeugen soll,
das in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Eingangswelle variiert, kann man
das relativ weiche Eisen des Rückleitungsringes leicht bearbeiten, um dem Magnetfeld
die gewünschte Form zu geben, d. h. es ist nicht erforderlich, eine maschinelle
Bearbeitung des magnetisierten Rotors durchzuführen.
-
Mit der Erfindung wird somit ein leicht herzustellender Meßumformer
vermittelt, der die Winkelstellung einer Eingangswelle in ein analoges Ausgangssignal
verwandelt, ohne daß auf Hysteresiseffekte beruhende Fehler auftreten. Ebenso kann
ein sich sinusförmig änderndes Ausgangssignal erhalten werden, ohne daß eine Einbuße
bezüglich seiner Amplitude in Kauf genommen werden muß.
-
Die Erfindung wird in zwei Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen
erläutert.
-
F i g. 1 und 2 zeigen jeweils im Schnitt eine Ausbildungsform der
Erfindung, wobei F i g. 1 ein axialer Schnitt längs der Linie 1-1 in F i g. 2 und
F i g. 2 ein Querschnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1 ist, F i g. 3 und 4 zeigen
jeweils im Schnitt eine weitere Ausbildungsform der Erfindung, wobei Fig.3 ein Schnitt
längs der Linie 3-3 in F i g. 4 und F i g. 4 ein Schnitt längs der Linie 4-4 in
F i g. 3 ist.
-
Die in Fig.1 und 2 gezeigte Ausbildungsform umfaßt ein zylindrisches
Gehäuse 11 mit einer Stirnplatte 12. Auf der Achse des Gehäuses 11 ist in Lagern
15 und 17 eine Welle 13 drehbar gelagert.
-
Auf der Welle 13 ist gleichachsig mit dieser und zusammen mit ihr
drehbar ein Rotor 19 angeordnet, der einen Dauermagneten umfaßt, dessen Pole auf
einander diametral gegenüberliegenden Seiten der Welle 13 liegen. Der Rotor 19 ist
von einem gleichachsig mit der Welle 13 angeordneten Rückleitungsring 21 umgeben,
der in einem radialen Abstand vom Rotor 19 so angeordnet ist, daß zwischen dem Rotor
und dem Rückleitungsring 21 ein ringförmiger Luftspalt 23 verbleibt. Der Rotor 19
und der Rückleitungsring 21 sind durch eine ebenfalls gleichachsig mit der Welle
13 angeordnete Scheibe 25 miteinander verbunden. Somit kann das den Rotor 19, den
Rückleitungsring 21 und die Scheibe 25 umfassende Aggregat mit Hilfe der Welle 13
gedreht werden. Der Rückleitungsring 21 besteht aus Weicheisen und bildet einen
Rückftußweg von niedrigem magnetischem Widerstand für den Dauermagneten bzw. für
den Rotor 19. Ein rohrförmiger Träger 27 ist an der Stirnplatte 12 des Gehäuses
11 gleichachsig mit der Welle 13 angebracht und ragt in den ringförmigen Luftspalt23
hinein. Der rohrförmige Träger 27 besteht aus einem unmagnetischen, nicht leitfähigen
Material, z. B. aus Glas. Auf dem rohrförmigen Träger 27 sind in dem Luftspalt 23
vier Hallgeneratoren 29 bis 32 in Winkelabständen von 900 um die Achse der Welle
13 verteilt angeordnet. Diese Hallgeneratoren sind in Form von Kristallen ausgebildet
und mit dem rohrförmigen Träger 27 fest verbunden.
-
Die Kristalle der Hallgeneratoren können durch Aufdampfen von Halbleiterschichten
auf den rohrförmigen Träger 27 hergestellt werden. Der Rückleitungsring 23 verläuft
gleichachsig mit der Welle 13, so daß sich das den Rotor 19 und den Rückleitungsring
21 umfassende Aggregat gegenüber den Hallgeneratoren 29 bis 32 und dem rohrförmigen
Träger 27 ungehindert drehen kann.
-
Bei der beschriebenen Konstruktion liefert der als Dauermagnet ausgebildete
Rotor 19 ein starkes Magnetfeld, denn das Magnetfeld braucht nur einen schmalen
Luftspalt zu durchsetzen, der sich zwischen dem Rotor 19 und dem Rückleitungsring
21 erstreckt. Da sich der Rückleitungsring 21 zusammen mit dem Rotor 19 dreht, hat
die magnetische Feldstärke in dem durch den Rückleitungsring 21 gebildeten Rückilußweg
stets den gleichen Wert, so daß
sich keine Hysteresiseffekte einstellen.
Wenn der Rotor 19 gedreht wird, variiert die Stärke des die Hallgeneratorkristalle
29 bis 32 durchsetzenden Magnetfeldes, so daß die Ausgangssignale der Hallgeneratoren
in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Eingangswelle 13 variieren. Das Magnetfeld
ist so geformt, daß die Fluß dichte an jedem bestimmten Punkte des Luftspaltes 23
sinusförmig in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Magnetfeldes und damit auch
von der Winkelstellung der Eingangswelle 13 variiert. Da die Richtung des Magnetflusses
in dem Luftspalt 23 stets rechtwinklig zu den Ebenen der Kristalle der Hallgeneratoren
ist, variieren die Ausgangssignale der Hallgeneratoren sinusförmig in Abhängigkeit
von der Winkelstellung der Eingangswelle. Die gewünschte Gestalt des Magnetfeldes
wird durch eine maschinelle Bearbeitung des Rückleitungsringes 21 erzielt. Wenn
man diejenige Winkelstellung der Welle 13 als die Nullstellung bezeichnet, bei welcher
die Feldstärke in den einander diametral gegenüberliegenden Hallgeneratoren 29 und
31 ein Minimum ist, so ist das Ausgangssignal dieser Hallgeneratoren proportional
zum Sinus der Winkelstellung der Welle 13, und das Ausgangssignal der gegenüber
den beiden Generatoren 29 und 31 um 900 versetzten Generatoren30 und 32 ist proportional
zum Cosinus der Winkelstellung der Welle 13.
-
Die in F i g. 3 und 4 gezeigte weitere Ausbildungsform der Erfindung
umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 35 mit einer Stirnplatte 36. Eine Welle 37 ist
auf der Achse des Gehäuses 35 mit Hilfe von Lagern 39 und 41 drehbar gelagert. Ein
scheibenförmiger Rotor 43 ist auf der Welle 37 gleichachsig mit dieser und zusammen
mit ihr drehbar angeordnet. Der Rotor 43 umfaßt einen Dauermagneten, dessen Pole
aufeinander diametral gegenüberliegenden Seiten der Welle 37 angeordnet sind. Ein
zweiter scheibenförmiger Bauteil 45 ist ebenfalls gleichachsig mit der Welle 37
auf dieser und zusammen mit ihr angeordnet und wird durch eine Abstandsscheibe 47
in einem axialen Abstand von dem Rotor 43 gehalten, so daß zwischen dem Rotor 43
und dem scheibenförmigen Bauteil 45 ein scheibenförmiger Luftspalt 49 vorhanden
ist. Somit kann das den Rotor 43, den scheibenförmigen Bauteil 45 und die Abstandsscheibe
47 umfassende Aggregat mit Hilfe der Eingangswelle 37 gedreht werden. An den zylindrischen
Wänden des Gehäuses 35 sind Träger 51 und 52 von allgemein halbrunder Form so befestigt,
daß sie in den die Abstandsscheibe 47 umgebenden Luftspalt 49 hineinragen. Auf den
Trägern 51 und 52 sind in dem Luftspalt 49 vier Hallgeneratoren 53 bis 56 in Winkelabständen
von 900 um die Welle herum angeordnet.
-
Der scheibenförmige Bauteil 45 besteht aus Weicheisen und bildet daher
einen Rückflußweg von geringem magnetischem Widerstand für den Dauermagneten 43.
Der Luftspalt 49 verläuft gleichachsig mit der Achse des den Rotor 43 und den Bauteil
45 umfassenden Aggregats, so daß dieses Aggregat gegenüber den Hallgeneratoren 53
bis 56 und den Trägern 51 und 52 ungehindert gedreht werden kann.
-
Da das durch den Dauermagneten bzw. den Rotor 43 erzeugte Magnetfeld
nur den engen Luftspalt49 zwischen dem scheibenförmigen Bauteil 45 und dem Rotor
43 zu durchsetzen braucht, ergibt sich eine hohe magnetische Feldstärke, und da
sich der durch den Bauteil 45 gebildete Rückflußweg von geringem magnetischem Widerstand
zusammen mit dem Rotor
43 dreht, ist das Magnetfeld in dem Rückflußweg 45 stets konstant,
so daß sich keine Hysteresiseffekte einstellen. Wenn die Welle 37 gedreht wird,
variiert die Stärke des die Hallgeneratoren 53 bis 56 durchsetzenden Magnetfeldes
und damit auch das Ausgangssignal jedes der vier Hallgeneratoren in Abhängigkeit
von der Winkelstellung der Ausgangswelle 37. Der scheibenförmige Bauteil 45 wird
maschinell so bearbeitet, daß das Magnetfeld eine solche Form annimmt, daß die Flußdichte
an jedem Punkte in dem Luftspalt 49 sinusförmig in Abhängigkeit von der Winkelstellung
des Magnetfeldes und daher auch der Eingangswelle 37 variiert. Da die Richtung des
den Luftspalt 49 durchsetzenden Magnetfiusses stets rechtwinklig zur Ebene der Kristalle
der Hallgeneratoren 53 bis 56 ist, variieren die Ausgangssignale der Hallgeneratoren
sinusförmig in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Eingangswelle 37. Wenn man
die Stellung der Eingangswelle für den Fall, daß die Stärke des die einander diametral
gegenüberliegenden Hallgeneratoren 53 und 55 durchsetzenden Magnetfeldes ein Minimum
ist, als Nullstellung bezeichnet, ist das Ausgangssignal der Hallgeneratoren 53
und 55 proportional zum Sinus der Winkelstellung der Eingangswelle, und das Ausgangssignal
der gegenüber den Generatoren 53 und 55 um 900 versetzten Generatoren ist proportional
zum Cosinus der Winkelstellung der Welle 37.
-
Sowohl bei der Ausbildungsform nach Fig. 1 und 2 als auch bei derjenigen
nach Fig. 3 und 4 können die den Dauermagneten und den Rückflußweg von geringem
magnetischem Widerstand bildenden Bauteile ihre Rolle miteinander vertauschen.
-
Mit anderen Worten, der Dauermagnet kann die Gestalt des Rückleitungsrings
21 annehmen, während der Rotor 19 den Rückflußweg von geringem magnetischem Widerstand
bildet.
-
Es sei bemerkt, daß man bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen
die verschiedensten Abänderungen und Abwandlungen vorsehen kann.