DE1800415A1

DE1800415A1 - Elektrischer Spannungserzeuger

Info

Publication number: DE1800415A1
Application number: DE19681800415
Authority: DE
Inventors: Jacob Marlow
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1967-10-02
Filing date: 1968-10-01
Publication date: 1969-04-30
Also published as: GB1248773A; US3465238A; CA922007A; JPS499780B1

Description

Patentanwalt München, den '· üffi"

HERMEUNk _0i/016__Dr._Hk/cs

8 München 60, Apolloweg 9, TeL 57 2743 ^/ ' ΊΟΠΠ/ΊΓ

I οUU415

Jacob Mari ov/, King of Prussia, Pennsylvania, V. St. v. A.

Elektrischer Spannungserzeuger

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Spannungserzeuger, dessen Hauptanwendungsgebiet darin liegt, elektrische Signale zu erzeugen, deren Amplituden kennzeichnend für die Stellungen sind, welche von einem dem Spannungserzeuger zugeordneten beweglichen Teil eingenommen werden können.

Die bekannten elektromagnetischen Stellungsgeber besitzen im allgemeinen einen Ei-s-enkern mit drei Schenkeln. Der Mittelschenkel bildet mit dem äußeren Joch des Eisenkerns einen Luftspalt, worin ein den Magnetfluß sperrender Bauteil verschiebbar angeordnet ist. Eine auf dem Mittelschenkel sitzende " Primärwicklung erzeugt einen magnetischen Wechselfluß, der sich über die beiden Außenschenkel schließt. Die verschiebbare Sperre steuert je nach ihrer Lage die Aufteilung des Magnetflusses auf die beiden Außenschenkel. Auf jedem Außenschenkel sitzt eine Abnahmewicklung. Die beiden Abnahmewicklujigen sind im allgemeinen gegeneinandergeschaltet, so daß sich an ihrem Ausgang ein Differenzsignal ergibt, das von dem die beiden

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Außenschenkel verkettenden Magnetfluß abhängt. Befindet sich das Sperrglied in der Mitte des mittleren Schenkels, so verschwindet die Ausgangsspannung der beiden Abnahmespulen, wird das Sperrglied nach rechts oder links aus dieser Nullstellung heraiisbewegt, so werden die Magnetflüsse in den beiden Außenschenkeln ungleich, so daß sich eine resultierende Spannung des einen oder anderen Vorzeichens an den Ausgangsklemmen der in Reihe geschalteten Abnahmewicklungen ergibt.

Diese Anordnung arbeitet recht zufriedenstellend, ist aber aiif verhältnismäßig geringe Längen- oder WinkelVeränderungen beschränkt , weil diese-nicht wesentlich größer als die Dicke des Mittelschenkels sein können. Außerdem existiert zwischen dem Mittelschenkel und dem Joch ein ziemlich starker Streufluß, weshalb die Anordnung nicht-linear arbeitet. Dadurch wird die ausnutzbare Weg- oder Winkelverschiebung weiter verringert. Schließlich kann diese bekannte Anordnung keine Information über die Geschwindigkeit geben, mit der sich die Lage oder der Winkel des beweglichen Gliedes verändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Spannungserzeuger bereitzustellen, dem bei Verwendung als Stellungsgeber die erwähnten Nachteile nicht anhaften. ZLir Lgsung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße eleltnsshe Spannungserzeuger mit im Zuge eines magnetischen Kreises befindlichen, von einem Magnetfeld durchsetztem Luftspalt, in dem

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sich mindestens ein elektrischer Leiter bewegen kann, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis mindestens zwei einander in Längsrichtung überlappende Abschnitte mit zwischen!legendem Luftspalt aufweist und daß der bzw. jeder elektrische Leiter einen dieser Abschnitte timschlingt.

Die Erfindung wird nachstehend anhandcfer Zeichnung erläutert.

Fig. 1 eine schematische Darstellung der grundsätzlichen Anordnung nach der Erfindung;

Fig. 1A bis Fig. 1D schema tische Darstellungen verschiedener Ausfülrrungsformen der Erfindung.;

Fig. 2 Lind 2A schematische räumliche Darstellungen der Ausführungsformen nach Fig. 2 und 2A;

Fig. 3 eine Ausführungsform mit kurzgeschlossenem Leiter;

Fig. 4 eine Ausführungsform mit gekrümmten Abschnitten;

Fig. 5 eine Ausführungsform mit verdoppelter Grundaiiordnung und

Fig. 6 eine Anordnung, bei der die beiden Abschnitte geschlossene Ringe darstellen.

Das Erfinduiiffsprinaip wird anhand der grundsätzlichen Darstellung in Fig. 1 erläutert. Fig. 1 zeigt einen Eisenkern 11 angemessener

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Dicke, der aus dem linken Schenkel 13, dem rechten Außenschenkel 17, dem Verbindungsjoch 15 und den beiden einander überlappenden Abschnitten 19 und 21 besteht. Auf dem Joch 15 sitzt eine Erregerwicklung 25, die mit einer Wechselstromquelle 23 verbunden ist. Der obere Abschnitt 21 des,Eisenkerns wird von einer verschiebbaren Abnahmewicklung 2 9 umschlungen, an die eine Anzeigevorrichtung 27 angeschlossen ist. ■ Eine gleichartige verschiebbare Abnahmewicklung 31 ist auf dem unteren Abschnitt 19 angeordnet. Sie hat Ausgangsklemmen 33. fc Mit der Abnahmewicklung 29 ist beispielsweise ein Bauteil 35, dessen jeweilige Lage angezeigt werden soll, mechanisch verbunden. Der Teil 35 ist z.B. ein Schwimmer in einem Flüssigkeitspegelmesser oder die Welle eines Winkelgebers oder dgl.

Die von der Wechselstromquelle 23 gespeiste Erregerwicklung erzeugt eine magnetornotaische Kraft und damit einen Magnetfluß 18 im Eisenkern 11«. Dieser ist nur der Erläuterung halber mit scharfen Ecken dargestellt, ohne daß dies in Wirklichkeit so sein muß. Infolge des sich über den Luftspalt 43 zwischen den beiden einander überlappenden Abschnitten 19 und 21 verteilenden Magnetflusses ist der Fluß am äußeren Ende 39 des unteren Abschnitts 19 erheblich geringer als derjenige am inneren Ende des Abschnitts 19, wo dieser.an den Schenkel 13 . anschließt, dasselbe gilt für das offene Ende 41 des Abschnitts 21 im Vergleich zu dem an den Schenkel 17 anschließenden Ende dieses Abschnitts. Das Bild zeigt die Kraftlinienverteilung

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in einem bestimmten Augenblick; in-Wirklichkeit wechselt das Kraftlinienbild selbstverständlich ständig entsprechend der Wechselstromerregung.

Der Magnetfluß im Luftspalt 43 ist am Ende 49 des unteren Abschnitts 19 im wesentlichen gleich groß wie am Ende 31 des oberen Abschnitts 21. Das Magnetfeld im Luftspalt ist also weitgehend homogen, wenn der Luftspalt mit parallelen Begrenzten versehen ist. Erweitert sich dagegen der Luftspalt in einer Richtung, so ist der Magnetfluß nicht gleichmäßig und das Magnetfeld ist inhomogen. Ein Luftspalt mit parallelen Begrenzungen ergibt eine lineare Magnetflußverteilung in den sich überlappenden Abschnitten, wie Fig. V^zeigt» Der Magnetfluß nimmt also in den Eisenkernabschnitten vom inneren zum äußeren Ende linear ab.

Die in der verschiebbaren Wicklung 2 9 induzierte Spannung, die an der Anzeigevorrichtung 27 abgelesen werden kann, ist bekanntlich durch die Gleichung E = ωφ*ί gegeben. Hierin ist ¹^ die Kreisfrequenz der Wechselstromquelle 23, φ der mit der Abnahmewicklung verkettete Magnetfluß und N die Windungszahl der den Magnetfluß umschlingenden Wicklung. Diese Ausgangsspannung wird in der dargestellten Lage der Wicklung 29 verhältnismäßig gering sein, da der Magnetfluß zum Ende 41 des Abschnitts 21 hin immer schwächer wird. Bewegt sich nun der Bauteil 35 nach rechts in Fig. 1 und verschiebt dadurch die

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Abnahmewicklung 29 in gleicher Richtung, so wird die Wicklung mit einem Wechselfluß größerer Intensität verkettet, wodurch ediE größere Spannungsamplitude in der Anzeigevorrichtung 27 auftritt. Die Anzeigevorrichtung kann also in cm oder kg oder sonstigen physikalischen Einheiten geeicht werden, welche den Bauteil verstellen oder auf den Eingang eines geschlossenen Regelkreises gegeben werden. Die von der beweglichen Wicklung abgebene Spannung kann ferner zur Stellungsanzeige und Lageregelung des Bauteils 35 herangezogen werden, ohne daß. irgendwelche abnutzbaren bewegten Teile wie bei Schleifdrähten, Potentiometern und dgl. vorhanden sind.

Die Größe des durch den Querschnitt des Abschnitts 19 hindurchgehenden Magnetflusses, vermehrt um die Gieße des durch den Querschnitt des Abschnitts .21 hindurchgehenden Magnetflusses ist gleich der Größe des durch den Quershnitt eines der Schenkel 13, 15 und 17 hindurchgehenden Magnetflusses, falls die Querschnittsfläche in einer irgendwo den Luftspalt durchsetzenden Ebene und SGtkrecht zu den Seiten des Luftspaltes, sowie zur Außenfläche des magnetischen Pfades gelegt wird. Demgemäß ist es möglich, die untere Abnahmewicklung 31 an irgendeiner Stelle fest anzuordnen und ihre Ausgangsspannung zu der Ausgangsspannung der oberen beweglichen Wicklung 29 zu addieren oder davon zu subtrahieren. Im letzteren Fall ergibt sich in einer bestimmten Lage, die durch das Verhältnis der Windungszahlen der Wicklungen 29 und 31 bestimmt ist, die

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Ausgangsspannung Null. Die Wicklung 31 kann aber auch ebenfalls mit einem beweglichen Bauteil verbunden sein; durch Spannungsvergleich kann in diesem Falle die relative Lage der beiden Bauteile bestimmt werden.

Bei der Abänderung nach Fig. 1A sind die einander überlappenden Abschnitte T9A und 21A verjüngt, jedoch derart, daß die Begrenzungswände des Luftspaltes zwischen ihnen parallel bleiben. Der Luftspalt stellt einen bestimmten magnetischen Widerstand dar. Da bei dieser Ausführungsform der magnetische Widerstand längs des Luftspaltes ebenfalls gleichmäßig verteilt ist, ist auch die Magnetflußverteilung längs und innerhalb des Luftspaltes gleichförmig und homogen. Die Flußdichte in den verjüngten Abschnitten ist größer als in den Abschnitten nach Fig. 1 , aber in jedem Abschnitt ansich konstant. Demzufolge nimmt der über den ganzen Querschnitt des verjüngten Abschnitts 21A genommene Magnetfluß von links nach rechts in gleicher Weise zu wie der Magnetfluß im Abschnitt 21 nach Fig» 1. Die in Wicklung 29A oder 31A induzierte Spannung ist hier proportional zum Querschnitt des Abschnitts, d.h. E =«BAN, wobei w die Kreisfrequenz der Erregerstromquelle 21 A, B die Flußdichte an irgendeiner Stelle des Abschnitts 19A bzw. 21A, A die Querschnittsflache an einer bestimmten Stelle des betreffenden Abschnitts und IT die Windungszahl der Wicklung 29A bzw. 31A, d.h. die Anzahl der den Luftspalt durchsetzenden Leiter ist.

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Bei der Abänderung nach Fig. 1B ist der Querschnitt der einander überlappenden Abschnitte 21B und 19B konstant, aber der Luftspalt verjüngt sich von links nach rechts. Itnfolgedessen hat" der Luftspalt an der Stelle 42 einen geringeren magnetischen Widerstand als an der Stelle 44. Demgemäß verläuft der Magnetfluß hier nicht-linear, sondern an der Stelle 42 ist die Magnetflußdichte größer als an der Stelle 44. Damit ist auch die in einer der Wicklungen 29B und 31B induzierte Spannung nichtlinear von der Lage der betreffenden Wicklung abhängig.

F.g. 1C zeigt eine Abänderung der grundsätzlichen Anordnung nach Fig. 1 , bei der die offenen Enden der beiden einander überlappenden Abschnitte 19C und 21C einander gegenüberstehen. Die Wirkungsweise dieser Anordnung entspricht derjenigen nacll· Fig. 1, so daß sich eine nähere Beschreibung erübrigt.

Fig. 1D zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig. 1C, jedoch sind hier die einander überlappenden Abschnitte 1 9D und 21D gekrümmt. Dies hat offensichtlich Vorteile für eine Winkelmessung,

Fig. 2 zeigt zur weiteren Erläuterung, daß nur der den Luftspalt durchsetzende Teil der Abnahmewicklung für das die Lage der.Wicklung anzeigende Ausgangssignal maßgebend ist, während der Rest der Wicklung beliebig außerhalb des Eisenkerns verlaufen kann. Der im Luftspalt verlaufende Leiter 45 kann also beispielsweise über die äußeren Teile 47, 49, 51 oder 53 ge-

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schlossen' sein, ohne daß dies einen Einfluß auf das Ausgangssignal hat. Selbst wenn eine dieser Rückleitungen eine andere Lage einnimmt, ändert sich die Ausgangsspannung nicht, so lange der Leiter 45 (bzw. im Fall einer Wicklung die entsprechende Anzahl von den Luftspalt durchsetzenden Leitern) seine Lage relativ zu dem mit ihm verketteten Hagnetfluß im Abschnitt 21 nicht ändert. Ist die Abnahmewicklung wie in Fig. 2A angeordnet, so ist andererseits nur der mit dem Leiter 45A verkettete Magnetfluß im unteren Abschnitt 1 9A für die Größe der induzierten Ausgangsspannung maßgebend.

Bei der Abänderung nach Fig. 3 ist auf dem Abschnitt 21 ein Kurzschlußring 57 verschiebbar, der mit dem beweglichen Bauteil 35 mechanisch verbunden ist. Im Kurzschlußring 57, der den Abschnitt 21 umschlingt, wird eine Gegenspannung induziert, die einen Kurzschlußstrom hervorruft, der seinerseits im Eisenkern einen dem Erregerfluß entgegengesetzt gerichteten Magnetfluß erzeugt. Dadurch wird der von der Erregerwicklung 57 erzeugte Magnetfluß verringert, und zwar derart, daß links vom Kurzschlußring 57 der Abschnitt 21 nahezu feldfrei ist. Um diesen Gegenfluß nachzuweisen, ist in Reihe mit der Erregerwicklung 59 die Primärwicklung 61 eines Transformators 63 geschaltet. Die Sekundärwicklung 65 dieses Transformators liegt in R ihe mit einer auf dem Eisenkern 11 angeordneten Abnahmewicklung 67 und einer Anzeigevorrichtung 69. In der Abnahme-

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wicklung 67 wird also eine zum Magnetfluß im Eisenkern 11 proportionale Spannung induziert, die der von der Sekundärwicklung 65 herrührenden Wechselspannung entgegengesetzt gerichtet ist.

Es sei beispielsweise angenommen, daß in der dargestellten . Lage des Kurzschlußrings 57 die in der Abnahffiwicklung 67 induzierte Spannung größer als die in der Sekundärwicklung

induzierte

65"; zur Erregerspannung proportionale Bezugsspannung ist, daß also an der Anzeigevorrichtung 69 eine Spannungsdifferenz in der von der Wicklung 67 bestimmten Phasenrichtung auftritt.- ' Nun soll der Kurzschlußring 57 von dem Bauteil 35 nach rechts bewegt werden, so daß er einen größeren Magnetfluß umschlingt und dadurch einen stärkeren Gegenfluß im Eisenkern 11 erzeugt. Dadurch wird der mit der Erregerwicklung 57 verkettete Magnetfluß verringert und die Impedanz dieser Wicklung demgemäß herabgesetzt, wodurch das Spannungsteilerverhältnis zwischen den Wicklungen 59uid 61 verändert wird. Die Summe der Spannungsabfälle an den Wicklungen. 59 und 61 ist gleich der von der Wechselstromquelle 23 abgegebenen Spannung. Die Klemmenspannung der Sekundärwicklung 65 des Transformators 63 steigt also an, während gleichzeitig die Klemmenspannung der Atmhmewicklung 67 ■ entsprechend der geringeren Größe des Magnetflusses abnimmt. Dadurch ändert sich die Spannungsdifferenz dieser beiden Wicklungen und demgemäß tritt eine geringere Spannungsamplitude im Anzeigegerät 69 (z.B. einem Differentialverstärker) auf.

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Diese Amplitude ist also ein Haß für die Lage des Kurzschlußrings 57. Statt der Wicklung'67 kann auch eine Wicklung 71 mit den Ausgangsklemmen 73 zur Bestimmung der Lage des Kurzschlußrings 57 dienen. Auch auf dem unteren Abschnitt 19 kann ein Kurzschlußring 22, der mechanisch mit einem bewegbaren Bauteil 24 verbunden ist, angeordnet sein. Die beiden Kurzschlußringe können entweder einzeln oder gemeinsam verwendet werden.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die zur Messung der Winkelstellung einer Welle dienen kann. Der Eisenkern 77, der eine passende Dicke hat, besteht aus den Schenkeln 78, 79 und 80 und den gekrümmten, einander überlappenden Abschnitten 81 und 82, die zwischen sich den Luftspalt 86 bilden und deren freie Enden mit 87 und 88 bezeichnet sind. Dreht sich die Welle 85, so wird die mit ihr verbundene bewegliche Aknahmewicklung 83 längs des Abschnitts 81 verschoben. Bei Erregung mittels der Wecliselstromquelle 23 und der Erregerwicklung 25 in der oben beschriebenen Weise existiert ein Feldgradient in den Abschnitten 81 und 82 und an der Anzeigevorrichtung 8 9 kann infolgedessen eine Spannung abgelesen werden, die der Lage der Wicklung 83 und damit der Winkelstellung der mit ihr über das Verbindungsglied 84 verbundenen Welle 85 entspricht.

Die meßbaren Winkel sind selbstverständlich nicht auf den kurzen in Fig. 4 gezeigten Bereich beschränkt, sondern die

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einander überlappenden Abschnitte können ohne weiteres länger gemacht werden, so daß ein großer Drehwinkel erfaßt werden kann. Eine weitere verschiebbare Wicklung 90 kann so angeordnet sein, daß sie den unteren Abschnitt 82 umschlingt. Sie ist ebenfalls mechanisch mit der Welle 8 5 verbunden und elektrisch an die Anzeigevorrichtung 91 angeschlossen. Die Wicklung 90 kann ent-weder anstelle der Wicklung 8 3 oder zusammen mit dieser verwendet werden. Im letzteren Falle kann durch Reihenschaltung der beiden Wicklungen 83 und 90 eine höhere Spannungsamplitude ψ erzielt werden»

Fig. 5 zeigt eine Ausführuiigsform der Erfindung, mit der sowohl die Winkelgeschwindigkeit, als auch die Winkelstellung einer Welle gemessen werden kann. Der in Fig. 5 dargestellte Eisenkern 91 von angemessener Dicke besteht aus den Schenkeln 92 - 1CO und zwei konzentrischen, paarweise einander überlappenden Abschnittspaaren 101, 104 und 102, 103. Auf den Schenkeln 92 und 96 befinden sich Erregerwicklungen 105-und 106. ^ Diese sind in Reihe geschaltet und so gewickelt, daß sie einen Magnetfluß in einem ersten magnetischen Kreis, bestehend aus den Schenkeln 92, 99, 100, 1C4, 101 und 97 und in einem zweiten magnetischen Kreis, bestehend aus den Schenkeln 96, 100, 104, 101 und 97 erzeugen. Auf dem Schenkel 96 sitzt ferner eine • Abnahmewicklung 107, während auf dem Schenkel 92 eine Abnahmewicklung 108 sitzt. Die Rolle der Abnahme- und der Er—

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regerwicklungen könnte auch vertauscht werden. An die Klemmen 135 und 136 der Wicklungen 105 und 1G6 ist eine Wechselspannung angeschlossen, wahrend mit den Klemmen 132 und 133 der Wicklungen 107 und 108 eine Anzeigevorrichtung verbunden ist.

Wird die bisher beschriebene Anordnung mit einem Erregerstrom beaufschlagt, so läuft in einer bestimmten Halbwelle des Erregestromes der Magnetfluß vom Schenkel 92 über Schenkel 98 zu dem einen konzentrischen Abschnitt 102, überquert den konzentrischen Luftspalt zu dem anderen Abschnitt 103, verläuft dann weiter längs dieses Abschnitts und kehrt über den Schenkel 99 zum Schenkel 92 zurück. Gleichzeitig verläuft in dem linken magnetischen Kreis der Hagnetfluß von der Wicklung 106 längs des Schenkels 96 über Schenkel 97, die konzentrischen Abschnitte 101 und 104 mit zwischenliegendem Luftspalt, weiter über Schenkel 100 zurück zum unteren Abschnitt des Schenkels 96 und zum anderen Ende der Wicklung 106. In der nächsten Halbwelle ist die Flußrichtung umgekehrt. Die Plußveiteilung längs der einander überlappenden Abschnitte entspricht derjenigen bei den Anordnungen nach Fig. 1-4·

Auf den inneren konzentrischen Abschnitten 103 und 104 sitzen nun Kurzschlußringe 109 und 110, die einander diametral gegenüberstehendmit einer Welle 111 verbunden sind. Befinden sich diese Kurzschlußringe beispielsweise in der in Fig. 5 gezeigten Stellung, so ist der Kurzschlußring 110 mit einem größeren Magnet-'

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verketten als der Kurzschlußring 109. Da nämlich," die Flußverteilung längs der Luftspalte gleichmäßig ist, ist die Kagnetflußstärlce im Abschnitt 103 in" der dargestellten Lage des Kurzschlußrings 110 größer als im Abschnitt 104 in der dargestellten Lage des Kurzschlußrings 109. Deshalb wird im Kurzschlußring 110 eine kräftigere Gegen-EHK induziert als im Kurzschlußring 1C9. Demenisprechend wird auch von dem Kurzschlußring 110 eine stärkere Gegenmagnetisierung erzeugt als vom Kurz Schluß ring 109. Daher ist der mit der "Jicldung 108 verkettete resultierende Magnetfluß geringer als der mit der Abnahmewicklung 110 verkettete Magnetfluß, Somit ist die Ausgangsspannung der Wicklung 107 größer als die Ausgangsspannung der Wicklung 108. Wenn die Klemmen 132 und 133 dieser Wicklungen beispielsweise mit einem Differentialverstärker verbunden sind, so können damit die relativen Stellungen der Kurzschlußringe 109 und 110 und damit der Welle 111 bestimmt werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist aber nun an der Welle 111 ein stabfÖrmiger Dauermagnet 112 befestigt. In der dargestellten winkelstellung der Welle geht der von dem Magneten 112 ausgehende Magnetfluß durch einen dritten magnetischen Kreis vom Norcpol des Magneten durch den Luftspalt 142, dann durch die Schenkel 100, 95, 94, 93 und 99, weiter durch den inneren Abschnitt 103 und schließlich über den Luftspalt zurück zum Südpol des Dauermagneten 112.

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Befindet sich der Dauermagnet 112 in seiner Mittelstellung, so liegt sdn Nordpol über der Unterbrechung 113, während sein Südpol der Unterbrechung 114 gegenüberliegt. In dieser Stellung wird also der Magnetfluß vom Wordpol gleichmäßig über die Abschnitte 103 und 104 aufgeteilt und gelangt von dort über die Lücke 114 zum Südpol zurück. Wenn dagegen der Dauermagnet in die dargestellte Stellung gedreht wird, so verläuft der magnetische Kreis in der oben beschriebenen Weise, in welcher er mit einer weiteren Abnahniewicklung 115 verkettet ist. Für die in der Wicklung 115 induzierte Spannung gilt die |

Gleichung d<f>/dt = E. Da d(|) sich ändert, solange der Magnet im Ürzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn aus der Mittelstellung in eine andere Stellung längs der Abschnitte 103 und 104 gedreht wird, findet man, daß eine entsprechende Spannung der ,einen oder anderen Polarität in der Wicklung 115 induziert wird. Wird <fcr Kenner dt kleiner, so nimmt die induzierte Spannung eine größere Amplitude an. Somit kann die Winkelgeschwindigkeit der Welle 111 mittels der Wicklung 11 5 festgestellt werden und die Winkelstellung der Welle kann mittels * der Kurzschlußringe 109 und 110 bestimmt werden. Zwar wird durch die Schwankungen des von dem rotierenden Dauermagneten ausgehenden Magnetflusses eine geringe Gegen-EHK in den Kurzschlußringen induziert, aber diese ist verriachlässigbar klein. Die in allen drei magnetischen Kreisen durch die Erregerspannung, sowie den Dauermagneten erzeugten einzelnen Magnetflüsse sind voneinander unabhängig und beeinflussen sich gegenseitig nicht.

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Es lassen sich also in einer einzigen zweidimensionalen ferromagnetischen Anordnung Winkelgeschwindigkeit und Winkelstellung einer Welle unabhängig voneinander bestimmen, ohne daß die für die Messung dieser unabhängigen Variablen benutzten Magnetflüsse sich gegenseitig stören.

Fig. 5 zeigt noch gestrichelt zwei Kurzschlußringe 140 und 141, die ebenfalls mit der Welle 111 verbunden sind und die äußeren Abschnitte 101 bzw. 102 umfassen. Diese Anordnung würde in W gleicher Weise arbeiten wie die oben beschriebene mit den Kurzschlußringen 109 und 110.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der EiSLndung, das den Vorteil hat, daß die einander überlappenden Abschnitte des magnetischen Kreises je in sich geschlossen sind, so daß keine durch die freien Enden dieser Abschnitte bedingten Streuflüsse auftreten können. Wie früher angegeben, herrscht eine ■ lineare Magnetflußverteilung in den einander überlappenden Ab- * schnitten, wenn die seitlichen Begrenzungen des zwischen ihnen befindlichen Luftspalts parallel bzw. konzentrisch zueinander verlaufen und die ferromagnetischen Abschnitte einseitig mit der Quelle des Magnetflusses verbunden sind. Fig. 6 zeigt einen ferromagnetischen Kern 117 mit passender Faketdicke, der aus • einem kreisförmigen Teil 118, jinem dazu konzentrischen lereisbogenförmigen Teil 119, zwei pasiiischenkelii 120 und 121 und einem Mittelschenkel 122 besteht . Die Erregerwicklung 123, sitet auf dem Mittelschenkel 122 und erzeugt einen Magnetfluß

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einerseits durch den Schenkel 121, die rechte Seite des bogenförmigen Teils 119, den konzentrischen luftspalt, die rechte Hälfte des kreisförmigen Teils 118 und zurück zum anderen Ende des Schenkels 122. Andererseits geht die andere Hälfte des Magnetflusses über den Schenkel 120, die linke Seite des gebogenen Teils 119, den linken Teil des konzentrischen Luftspalts und die linke Hälfte des kreisförmigen Teils 110 zurück zum Schenkel 122. Ist kein Kurzschlußring vorhanden, so sind die beiden Magnetflüsse symmetrisch zum Mittelschenkel 122 und dem Mittelpunkt 131 des gebogenen Teils 119. In diesem Falle ergibt sich an den Ausgangsklemmen 124 und 125 der auf den Basisschenkeln 120 und 121 sitzenden Abnahmewicklungen 129 und 130 keine Potentialdifferenz,falls beide Abnahmwicklungen wie üblich die gleiche Windungszahl aufweisen und entgegengesetzt gewickelt sind. Ist dagegen der Kurzschlußring 126 vorhanden und mechanisch mit einer Verbindung 116 mit der Welle 115 verbunden» so wird der Magnetfluß in den vom Kurzschlußring umfaßten gebogenen Teil 119 unterbrochen, so daß sich eine Spannungsdifferenz zwischen den Klemmen 124 und 125 ergibt. I Dies geht im einzelnen folgendermaßen vor sich.

Die Erregerwicklung 123 sei mittels einer an ihre Klemmen 127, 128 angelegten Wechselspannung erregt. Der Magnetfluß wird dann die oben beschriebene und in der Zeichnung schematisch dargestellte V rteilung aufweisen, d.h. es entsteht ein verhältnismäßig kräftiger Magnetfluß, der mit dem Kurzschlußring 126 in der dargestellten Lage verkettet ist. Demzufolge wird eine

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■ verhältnismäßig kräftige Gegen-EMK im Kurzschlußring 126 entwickelt, die ihrerseits zu einer kräftigen Entmagnetisierung der linken Hälfte, des gebogenen Teils 119 führt. Der durch die rechte Hälfte des gebogenen Teils verlaufende Magnetfluß endet infolgedessen nicht mehr einfach am Mittelpunkt 131 dieses Teils, sondern greift über den Mittelpunkt nach links über, wobei der Luftspalt auf der ganzen Übergriffslänge von Kraftlinien durchsetzt wird. Ein merklicher Anteil des Magnetflusses schließt sich infolgedessen nicht mehr über die rechte Hälfte

™ des ringförmigen Teils 118, sondern über die linke Hälfte desselben, wodurch ein erheblich größerer Anteil des Magnetflusses mit der Wicklung 129 verkettet ist, als mit der Wicklung 130. , Bs wird also in der Wicklung 129 eine größere Spannung als in. der Wicklung 130 induziert, wodurch eine, entsprechende .Protentialdifferenz an den Klemmen 124, 125 auftritt. Da die Ausgangsspannung eine lineare FunMon. der Winkelstellung des Kurzschlußrings 126 ist, kann die letztere aus der Messung"der Ausgangs-Spannung, bestimmt werden. . . .. -.._. , .. ... .. ...... . . ... ...-'-., _s-· , ■,-■■

Wird-der Kurzschlußring 126 in.. .Richtung ._;zum,. Mi ttelpun,kt ,1.3,1 .^;.. .λ verschoben,, so umfaßt er eine, geringer^..£luß_;st.ärlce,_f w-esi;alb .die.:_: in der Wicklung 130 induzierte Spannung der in der Wicklung.,, induzierten Spannung näher kommt. Befindet 'sich der Kurzschlußring 126 genau im Mittelpunkt 131, so sind die Spannungen in den beiden Wicklungen 1 30 und 129 gleichgroß und die Ausgangsspanhung an den Klemmen 124, 125 verschwindet. Wird der Kurzschlußring 126 weiter längs des gebogenen Teils 119 rechts vom

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Mittelpunkt 131 verstellt, so wird die in der Wicklung 130 erzeugte Spannung größer als diejenige in der Abnahmewicklung 129. Macht man die Windungszahlen der Wicklungen 129 und 130 verschieden, so läßt sich die Nullstelle der Ausgangsspannung aus •dem geometrischen Mittelpunkt 131 nach rechts oder links verschieben.

Mittels der Anordnung nach Fig. 6 kann also die Winkelstellung einer Welle 115 in einem großen Winkelbereich gemessen werden; ferner hat diese Ausführungsform den Vorteil, daß es sich um einen geschlossenen Ringkern handelt,'der überall einen gleichmäßigen Luftspalt aufweist und geringe Streuung besitzt, so daß in den Überlappenden Abschnitten 118 und 119 eine stärker lineare Verteilung erwartet werden kann.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Die einander überlappenden Abschnitte des magnetischen Kreises können auch andere Ge-

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staltungen besitzen und mehrfach vorhanden sein, so daß alle " Arten von Kombinationen der Ausgangssignale erzeugt werden können, um Lage und/oder Geschwindigkeit eines beweglichen Bauteils zu messen.

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Claims

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DR. HEINRICH HERMELINK München, den ' ^WRi· #968

SMü„d₁en60,Apollowe_g9,Te,.57₂74_ä 6-Dr.Hk/CS 1 8 O O A 1 5

Jacob Mariow_f King of Prussia, Pennsylvania, V. St. ν. Α

Patentansprüche

1. Elektrischer Spannungserzeuger mit im Zuge eines magnetischen Kreises befindlichem, von einem Magnetfeld durchsetztem Luftspalt, in dem sich mindestens ein elektrischer Leiter bewegen kann, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis mindestens zwei einander in Längsrichtung überlappende Abschnitte (19, 21) mit zwischenliegendem Luftspalt (43) "aufweist und daß der bzw.' jeder elektrische Leiter (29) einen dieser Abschnitte umschlingt.

2. Spannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer beweglicher elektrischer Leiter (31) den anderen Abschnitt (19) umschlingt=

3. Spannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen .Begrenzungswände des. Luftspalts parallel sind.

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QRIGINAL INSPECTED

4. Spannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Begrenzungswände des Luftspalts nicht parallel sind.

5. Spannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Begrenzungswände des Luftspalts konzentrisch sind.

6. Spannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die seitlichen Begrenzungswände des Luftspalts nicht " konzentrisch sind.

7. Spannungserzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche elektrische Leiter ein Kurzschlußring (57) ist und daß eine elektrische Abnahmewicklung (71) mit dem magnetischen Kreis gekoppelt ist.

8. Spannungserzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, " | daß ein zweiter beweglicher Kurzschlußring (22) den anderen Abschnitt des magnetischen Kreises umfaßt.

9. Spannungserzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in K_eihe mit einer Erregerwicklung (59) des magnetischen Kreises die Primärwicklung (61) eines Transformators (63) liegt, dessen Sekundärwicklung (65) in Reihe mit einer Abnahmsri-cklung (67) liegt, die mit dem magnetischen Kreis gekoppelt ist.

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10. Spannungserzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Abschnitte und der dazwischenliegende Luftspalt Kreisbögen bilden.

11. Spannungserzeuger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter mit einer drehbaren Welle (85, 111) verbunden ist.

12. Spannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei magnetische Kreise mit je zwei einander überlappenden Abschnitten (101, 104; 102, I03) und zwischenliegenden Luftspalten aufweist, daß auf einem-Abschnitt jedes Paares ein Kurzschlußring (109, 110) verschiebbar ist und daß mit jedem magnetischen Kreis eine Abnahmewicklung (107, 108) gekoppelt ist.

13. Spannungserzeuger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, - daß die einander überlappenden Abschnitte als Kreisbögen ausgebildet sind und daß die Kurzschlußringe (109, 110) mit einer drehbaren Welle (111) verbunden sind.

14. Spannungserzeuger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an der Welle (111) ein Magnet (112) befestigt ist, der mit Teilen der beiden anderen magnetischen Kreise einen dritten magnetischen Kreis bildet, und daß eine dritte ATmiimewicklung (115) mit diesem magnetischen Kreis gekoppelt ist.

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15. Spannungerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt (113) und der zweite Abschnitt (119) geschlossene konzentrische Ringe darstellen, zwischen denen sich ein ringförmiger Luftspalt befindet, daß die beiden Abschnitte über eine magnetisch leitfähige Brücke (122) verbunden sind, daß der elektrische Leiter ein Kurzschiußring (126) ist und daß zwei Abnahmewicklungen (129, 130) mit dem inneren Abschnitt (119) gekoppelt sind,

16. Spannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, " daß beide Abschnitte (19, 21) an-ihrem einen Ende offen

.. sind und an ihrem anderen Ende mit dem magnetischen Kreis in VeMndung stehen, daß das offene Ende (39) des einen Abschnitts (19) dem in den magnetischen Kreis übergehenden Ende des anderen Abschnitts (21) gegenübersteht und daß das offene Ende (41) des anderen Abschnitts (21) dem in den magnetischen Kreis übergehenden Ende des ersten Abschnitts (19) gegenübersteht.

17. Spannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Abschnitte (19, 21) so ausgebildet sind, daß die magnetische Flußdichte von der Verbindungsstelle jedes Abschnitts mit dem·magnetischen Kreis zu seinem offenen Ende hin stetig abnimmt.

13. Spannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Abschnitte (19C, 21C) je an ihrem einen Ende

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offen und am anderen Ende mit dem magnetischen Kreis verbunden sind und daß ihre offenen Enden, sowie ihre mit dem magnetischen Kreis verbunden Enden einander gegenüberliegen.

19. Spannungserzeuger nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Abschnitte (19D, 21D) -und der zwischen!.iegende Luftspalt gekrümmt sind. .

W 20. Spannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (45) des elektrischen Leiters innerhalb des Luftspalts und .ein anderer Teil (47» 49, 511 53) desselben außerhalb des magnetischen Kreises angeordnet ist.

21. Spannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (45A) des elektrischen Leiters innerhalb des Luftspalts und ein anderer Teil (51A) desselben innerhalb' der Fläche angeordnet ist, deren Umgrenzung durch den fe. magnetischen Kreis definiert wird*

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