-
Winkelbeschleunigungsmesser Die Erfindung bezieht sich auf einen
Winkelbeschleunigungsmesser, bei dem eine die Meßbewegung durchführende Wirbelstromtrommel
in einem konstanten Magnetfeld angeordnet ist und die durch die Trommelbewegung
erfolgende Feldverdrängung eine der Bewegungsänderung proportionale Spannung in
einer Spule induziert.
-
Meßwerte, die einer Beschleunigung entsprechen, können grundsätzlich
dadurch gewonnen werden, daß geschwindigkeitsproportionale Meßwerte differenziert
werden. Dabei können geschwindigkeitsproportionale Signale beispielsweise durch
Gleichstrom-Tachometermaschinen gewonnen werden.
-
Einrichtungen, bei denen das beschleunigungsproportionale Ausgangssignal
als elektrische Größe vorliegt, arbeiten gewöhnlich nach dem Ferraris-Prinzip. Dabei
dreht sich eine elektrisch gut leitende Metallscheibe oder Trommel im Feld
eines
wechselstromerregten Magneten. Der Antrieb der Trommel erfolgt über eine Welle oder
sonstwie von der Einrichtung aus, deren Beschleunigung gemessen werden soll, etwa
also vom Fahrzeug her. Je nach der Winkelgeschwindigkeit der Trommel wird das Wechselstrom-Magnetfeld
durch die in der Trommel fliessenden Wirbelströme mehr oder weniger verzerrt, wodurch
in einem anderen, entsprechend angeordneten Spulensysbem eine der Winkelgeschwindigkeit
der Trommel proportionale Spanung induziert wird. Richtet man diese Spannung gleich
und differenziert sie an einem Kondensator, kann man daraus einen Meßwert rUr die
Winkelbeschleunigung gewinnen.
-
Will man den durch die Differenzierung eingebrachten Fehler vermeiden,
kann der Magnet auch sofort mit Gleichstrom erregt werden, dann liefern die entsprechend
angeordneten Empfängerspulen eine Spannung, die der Winkelbeschleunigung der rotierenden
Trommel entspricht. Beide Möglichkeiten sind in der US-Patentschrift 3.178.641 verwirklicht,
die eine vierpolige, ringförmige Weicheisenanordnung mit zwei Erreger-und zwei Empfängerspulen
aufweist wobei die Erregerspulen sowohl von einer Gleichspannung als auch von einer
Wechselspannung beaufschlagt werden. Durch entsprechende Filterung des ausgangsseitig
gewonnenen Signals kann man dadurch sowohl ein geschwindigkeits- als auch beschleunigungsabhängig
Signal gewinnen.
-
Nachteilig bei solchen Anordnungen ist, daß sie eine, insbesondere
im Hinblick auf die Beschleunigung sehr geringe Signalspannung aufweisen und einen
relativ hohen Störpegel, der durch geringste Welligkeit in der Erregerspannung erzeugt
wird. Es ist deshalb zweckmäßiger, solche Beschleunigungsgeber unter Verwendung
von Permanentmagneten zu bauen. Eine solche Anordnung kann der deutschen Patentschrift
888.476 entnommen werden. In dieser Patentschrift ist ein runder Permanentmagnet
von einer Wirbelstromtrommel umgeben, die vpn der Achse des zu messenden Gerätesangetrieben
wird. Ein Anzeigespulenpaar ist um 9o Grad zur Hauptachse des Permanentmagneten
versetzt angeordnet. Dreht sich die Trommel, so werden die Kraftlinien durch die
induzierten Wirbelströme verzerrt und induzieren ihrerseits bei ungleichförmiger
Bewegung der Trommel eine Spannung in den Spulen, die ein Maß für die Beschleunigung
darstellt. Auch in diesem Fall ergibt sich bei nur sehr geringer Signalspannung
ein hoher Störpegel, da die Spule Ja nur den, aufgrund der Verzerrung sich jeweils
ändernden Magnetfluß in eine Spannung umsetzen kann und dieser Magnetfluß naturgemäß
nur sehr schwach ist. Zur Erzielung einer ausreichenden Signalspannung muß man bei
dieser Bauart verhältnismaßig große Geräte verwenden, für die oft bei den Anwendungen
der zur Verfügung stehende Raum nicht ausreicht.
-
Die Erfindung hat die Aufgabe, trotz Verwendung einfacher Dauermagnetformen
und handelsUblicher Magnetwerkstoffe ein
Gerät zur Bestimmung von
Winkelbeschleunigungen zur VerfUgung zu stellen, das kompakte Abmessungen mit großer
Signalstärke und hohem Störpegelabstand vereint.
-
Die Erfindung geht dabei aus von einem einem Winkelbeschleunigungsmesser,
bei dem eine die Meßbewegung durchführende Wirbelstromtrommel in einem konstanten
Magnetfeld angeordnet ist und die durch die Trommelbewegung erfolgende Feldverdrängung
eine der Bewegungsänderung proportionale Spannung in einer Spule induziert und besteht
darin, daß der von den Polen des Permanentmagneten aufgrund der Trommeldrehung ausgehende
Nutzmagnetfluß mit Ausnahme des Trommelluftspaltes ausschließlich im Innern von
weichmagnetischen, hochpermeablen Leitstücken in Form entsprechend ausgebildeter
Poltöpfe mit Gegenpolstücken verläuft und daß jedem Pol des Permanentmagneten mindestens
zwei Gegenpol stücke gegenüberstehen.
-
Dadurch ist gewährleistet, daß der durch die Trommeldrehung auftretende,
auf eine Verzerrung des ursprünglichen Permanentmagnetflusses zurUckzuführende Nutzmagnetfluß
keine wesentliche Schwächung dadurch erleidet, daß er größere Strecken in Luft-
oder durch das Dauermagnetmaterial zurücklegen müßte.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein
außen liegender, ringförmiger Permanentmagnet vorgesehen, in dessen Inneren sich
die Wirbelstromtrommel befindet
und wobei weiter mindestens vier
ineinander greifende, von dem Permanentmagneten durch die Wirbelstromtrommel getrennte
Pol töpfe vorgesehen sind, deren als Gegenpolstücke ausgebildete Polschuhe so vor
den Polen des Permanentmagneten stehen und die über, den Magnetfluß führende, im
Innern einer Spule angeordnete magnetische Verbindungsstücke so miteinander verbunden
sind, daß sich der durch die Verbindungsstücke im Spuleninneren fließende konstante
Magnetfluß aufhebt und der aufgrund der Flußverdrängung infolge der Bewegung der
Wirbelstromtrommel entstandene Fluß im Spuleninneren addiert und ein der Beschleunigung
proportionales Signal induziert.
-
In den, die Poltöpfe verbindenden, aus hochpermeablem Material bestehenden
Verbindungsstücken, die sich gleichzeitig im Innern von einer oder mehreren Spulen
befinden, fließt also ein Magnetfluß, dessen Gesamtmagnetfluß bei stehender Wirbelstromtrommel
den Wert Null ergibt, im Gegensatz dazu addiert sich der aufgrund der Feldverdrängung
entstehende Magnetfluß in einer einzigen Richtung und ergibt damit ein besonders
kräftiges Ausgangssignal.
-
Im folgenden wird anhand der Figuren Aufbau und Wirkungsweise eines
Ausführungsbeispiels der Erfindung näher erläutert.
-
Dabei zeigt: Fig. 1 den inneren Teilaufbau einschließlich Wirbelstromtrommel
in explodierter Darstellung,
Fig. 2 die Darstellung des erfindungsgemäßen
Winkelbeschleunigungsmessers in einem Schnitt A-B entsprechend Fig. 3, Fig. 3 den
Winkelbeschleunigungsmesser in Aufsicht und Fig. 4 die schematische Abwicklung des
inneren Kernaufbaus eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung.
-
Zur Erläuterung der Erfindung wird von Fig. 1 im Zusammenhang mit
Fig. 2 ausgegangen. In Fig. 1 ist der innere Aufbau eines Ausführungsbeispiels nach
der Erfindung bis einschließlich der Wirbelstromtrommel 1, die von der Achse gedreht
wird, deren Beschleunigung zu messen ist, dargestellt. Der Grundgedanke der Erfindung
ist in der Maßnahme zu sehen, daß der von den Polflächen eines Ringmagneten stannlende
Fluß ausschließlich mit Hilfe von Weicheisenleitstücken durch eine Spule hindurchgeführt
wird, jedoch dergestalt, daß sich der von dem Permanentmagneten herrührende konstante
Magnetfluß im Inneren der Spule aufhebt und nur der aufgrund der Feldverdrängung
entstehende Magnetfluß im Innern der Spule sich zu einer magnetischen Induktion
addiert, die in der Spule eine Spannung entsprechender Polarität induziert. Zu diesem
Zweck sind als Pol töpfe bezeichnete Anordnungen 2 bis 5 vorgesehen, die aufgrund
ihrer Ausbildung in der Lage sind, die Spule 11.mit ihren in Form eines räumlichen
Dreizacks angeordneten Polschuhen 7 bis lo von außen zu umfassen und sie
gleichzeitig
über innere, aus Weicheisen bestehende Verbindungsstücke 12 und 13 ebenfalls mit
dem Magnetfluß zu durchsetzen, so daß ein praktisch in sich geschlossener magnetischer
Leiterkreis entsteht. Die Poltöpfe 2 bis 5 sind dabei so ausgebildet, daß sie aus
einem kreisförmigen Basisteil und aus zu dem Basisteil senkrecht in Form eines räumlichen
Dreizacks angeorndeten Polschuhen bestehen.
-
Als Permanentmagnet ist ein ringförmiger, in sich geschlossener tTagnet
14 vorgesehen (siehe Fig. 2 und 3), der in axialer Richtung magnetisiert ist, d.h.
daß eine obere über den gesamten Umfang laufende Fläche beispielsweise den Nordpol
und die untere Fläche den Südpol darstellt. Diese beiden Pole werden über spezielle
Magnetpolschuhe 15 und 16, die mit Jeweils einem Polleitstück 16 verbunden sind,
wiederholt, aber abwechselnd in den inneren Umfang des ringförmigen Permanentmagneten
gebracht. Im Ausführungsbeispiel sind jeweils drei Polschuhe 15 vorgesehen, die
von dem in Fig. 3 oberen Rand des ringförmigen Permanentmagneten und drei Polschuhe
16, die von dem unteren Rand des Permanentmagneten ausgehen.
-
Dadurch ergibt sich, daß über den inneren Umfang desringförmigen Permanentmagneten
gesehen, sechs Polflächen vorl-iegen, die abwechselnd jeweils einen SUdpol bzw.
einen Nordpol darstellen. Außerdem ist zusätzlich zu jedem Polschuh noch ein temperaturabhängiger
Nebenschluß 17 vorgesehen (Fig. 2), der für die Kompensation des temperaturabhängigen
elektrischen
Widerstands des Trommelmaterials sorgt.
-
Entsprechend Fig. 2 ist der ringförmige Permanentmagnet 14 im Innern
eines tassenförmigen Gehäuses 18 angebracht, das über Schrauben 19 mit einem Deckel
20 versehen ist. Der Permanentmagnet 14 ist fest als Stator in das Gehäuse 18 eingebaut.
Nach innen zu folgt dann die mit einer äußeren Antriebswelle 21 verbundene Wirbelstromtrommel
1, die aus geeignetem Material, beispielsweise Aluminium oder auch Kupfer hergestellt
sein kann. Die Wirbelstromtrommel trennt räumlich gesehen die Polflächen des Magneten
von dem inneren Kernaufbau, der, wie schon erwähnt, in Fig. 1 in explodierter Darstellung
ausführlich dargestellt ist.
-
Fügt man die in Fig. 1 dargestellten Einzelteile ohne Winkelverdrehung
wieder zusammen, ergibt sich, daß die Spule 11 zunächst von zwei sich gegenüberstehenden
Pol töpfen 3 und 4 umfaßt wird. Die als Gegenpolstücke zu den Polflächen des Permanentmagneten
ausgebildeten Polschuhe 8 und 9 der Poltöpfe 3 und 4 sind so ausgebildet - wobei
jeder Poltopf im Ausführungsbeispiel mit 3 Polschuhen versehen ist - daß Jeweils
ein Polschuh 8 und ein Polschuh 9 vor einem gleichnamigen Pol des Permanentmagneten
stehen; auch die übrigen Polschuhe dieser Pol töpfe stehen vor gleichnamigen Polflächen
des Permanentmagneten; beispielsweise soll angenommen sein, daß sie sämtlich vor
Südpole darstellenden Polflächen des Permanentmagneten stehen.
-
Die beiden anderen Poltöpfe 2 und 5 umfassen die Spule 11 ebenfalls
von außen mit ihren Polschuhen 7 und lo, sind jedoch gegenüber den Pol töpfen 3
und 4 so verdreht, daß ihre Polschuhe 7 und lo jeweils zu zweit vor den übrigen
Polflächen, die entsprechend der vorher getroffenen Abmachung nunmehr Nordpole darstellen,
angeordnet sind. Schematisch ist eine solche Anordnung in der Kernabwicklung in
Fig. 4 dargestellt, auf die weiter unten im Zusammenhang mit der Wirkungsweise der
Anordnung noch genauer eingegangen wird.
-
Es ergibt sich also, daß die beiden inneren Poltöpfe 3 und 4 dadurch,
daß ihre jeweiligen Polschuhe gemeinsam vor Südpolflächen des Permanentmagneten
stehen - sie sind von diesen lediglich durch die dünne Wand der Wirbelstromtrommel
1 getrennt - selbst zu Südpolen, die beiden Poltöpfe 2 und 5 aufgrund der Stellung
ihrer Polschuhe 7 und lo vor den Nordpolflächen des Permanentmagneten Nordpole geworden
sind. Die Flußführung zwischen diesen Poltöpfen im Inneren der Ringspule 11 übernehmen
jeweils sogenannte Leitstäbe bzw. Verbindungsstücke 12 bzw. 13, die jedoch so angeordnet
sind, daß beispielsweise die aus weichmagnetisch hochpermeablem Material bestehenden
Verbindungsstücke 13 den Pol topf 3 mit dem Poltopf 5 verbinden, wodurch im Inneren
der Spule ein Magnetfluß im Sinne der auf den Verbindungsstücken 13 eingezeichneten
Pf ielrichtung erzeugt wird. Damit dieser Magnetfluß, der von dem Nordpol-Poltopr
5 zu dem "SUdpol"-Poltopf
3 verläuft, nicht durch den ebenfalls
"Südpol"-Poltopf 4 kurzgeschlossen wird, sind h dem Poltopf 4 Ausnehmungen 22 vorgesehen,
durch welche die Verbindungsstücke 13 berUhrungslos zum Poltopf 5 hindurchgerührt
sind. Außerdem ist zwischenden Poltöpfen 5 und 4 eine aus unmagnetisierbarem Material
bestehende Zwischenscheibe 6 angeordnet,wodurch die beiden Poltöpfe 4 und 5 magnetisch
voneinander isoliert sind. Das ist nötig, weil Ja entsprechend den vorhergehenden
Erläuterungen, die sich jeweils auf einer SE: te der Spule 11 befindlichen Poltöpfe
mit ihren Polschuhen vor ungleichnamigen Polfächen des Permanentmagneten stehen.
Einturzschluß" zwischen diesen beiden Polen würde verhindern, daß der Magnetfluß
durch das Spuleninnere geführt wird.
-
Entsprechend ist der "Südpol"-Poltopf 4 über Verbindungsstücke 12
mit dem 'Nordpol"-Poltopf 2 verbunden. Die Isolierung zwischen den Poltöpfen 2 und
3 wird von einer nichtmagnetisierbaren Zwischenscheibe 6' übernommen. In Fig. 2
sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen, da es sich
hierbei jedoch um einen Schnitt entsprechend der Linie A-B in Fig. 3 handelt, sind
immer nur Teilstücke der einzelnen Bauelemente zu erkennen, was den überblick erschwert.
-
Die Wirkungsweise der Anordnung soll im folgenden anhand der Fig.
4 erläutert werden.
-
In Fig. 4 ist der innere Kernaufbau der Fig. 1 im abgewickelten Zustand
dargestellt, wobei die Trommel 1 gar nicht und von dem Permanentmagneten lediglich
die 6 Polflächen, nämlich Jeweils dreimal Südpol 16 und dreimal Nordpol 15 abwechselnd
über den Umfang, dargestellt sind. Die einzelnen Abwicklungen muß man sich so denken,
daß diese an ihren Endpunkten jeweils kreisförmig wieder zusammengeführt sind. Da
es bei einer solchen Abwicklung schlecht möglich ist, die Ringspule 11 entsprechend
dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 in Fig. 4 als eine einzige geschlossene Spule
darzustellen, wurde um jedes Verbindungsstück 12 bzw. 13 zwischen den einzelnen
Poltöpfen 2,4 und 3,5 eine Spulenteilwicklung 11' gezeichnet; sämtliche Teilwicklungen
sind parallel geschaltet und repräsentieren die in Fig. 1 dargestellte Ringspule
11.
-
Solange sich die Trommel 11 nicht bewegt, d.h. im Ruhezustand, ergibt
sich eine magnetische Flußverteilung in dem gesamten System von Poltöpren und Verbindungsstücken
entsprechend den dünn eingezeichneten, gegebenenfalls gegabelten Pfeilen mit schwarzer
Spitze. Es tritt also aus den drei Nordpolflächen des ringförmigen Permanentmagneten
ein Magnetfluß aus und verteilt sich paritätisch auf die beiden, diesen Nordpolflächen
jeweils gegenüberstehenden Polschuhe der Poltöpfe 2 und 5.
-
Der von den Nordpolflächen herrührende magnetische Fluß in dem Pol
topf 5 gelangt schließlich über die Verbindungsstege 13 zu dem Poltopf 3, und verschwindet
wieder in den entsprechenden Südpolen des Magneten. Die magnetische Flußrichtung
ist
in diesem Falle in den Verbindungsstegen 13 von oben nach unten entsprechend den
dünn eingezeichneten Pfeilen.
-
Im Gegensatz dazu verläuft der von dem Poltopf 2 herrührende magnetische
Fluß in den Verbindungsstücken 12 von unten nach oben, er gelangt also zum Pol topf
4 und von dort aufgrund der Polschuhe 9 des Poltopres 4 ebenfalls in den Südpol
des Permanentmagneten. Damit verlaufen die beiden konstanten Magnetfiüsse zunächst
einmal völlig innerhalb eines hochpermeablen weicheisenmagnetischen Materials, und
zwar abgesehen von den kleinen Luftspalten, die durch die übergänge von den Magnetpolschuhen
15 bzw. 16 des Permanentmagneten zu den einzelnen Gegenpolschuhen 7 bis lo der Poltöpfe
vorliegen. Somit stehen jeder Polfläche des Magnetringes zwei Hälften des inneren
Kernaufbaus gegenüber, wobei durch die spezielle Anordnung der in die jeweiligen
Polhälften eintretende Fluß die Spule in entgegengesetzter Richtung durchsetzt.
-
Dreht sich nun die zwischen dem ringförmigen Magneten und au inneren
Kern angeordnete Wirbelstromtrommel aus gut leitendem Material, so wird in diesem
trommelförmigen Rotor eine der Drehzahl proportionale Spannung induziert, deren
Folge Ströme sind, deren Magnetrelder sich wiederum dem Feld des Permanentmagneten
überlagern. Auf diese Weise ergibt sich für jede Trommeldrehzahl jeweils ein bestimmter
Verzerrungszustand des resultierenden Gesamtmagnetfeldes. Durch Xnderungen in der
Trommeldrehzahl, die einer Beschleunigung
bzw. Verzögerung entsprechend,
wird auch eine änderung des überlagerten Feldes verursacht, so daß durch diese änderung
eine entsprechende Spannung in der Spule induziert werden kann, wobei Schwankungen
in der Gesamtintensität des Feldes aufgrund der schon beschriebenen Gegenläufigkeit
des durchsetzenden Permanentmagnetfeldes praktisch ohne Einfluß bleiben.
-
Bei einer änderung der Trommeldrehzahl wird das Magnetfeld in dem
Sinne verzerrt, daß sich die Flußverteilung auf den Magnetpolen 15 und 16 verändert;
und zwar wird der Fluß in der einen Hälfte eines Magnetpoles um denselben Betrag
ansteigen, um den er in der anderen Hälfte geschwächt wird, d.h. der im Ruhezustand
gleichmäßig über die Polfläche verteilte Magnetfluß wird in Bewegungsrichtung der
Trommel zusammengedrängt. Man kann sich diese Flußverdrängung auch durch ein von
den Trommel strömen induziertes Zusatzfeld jeweils zwischen den beiden Polhälften
jedes Magnetpoles 15 bzw. 16 verursacht denken. Dieses Zusatzfeld ist in Fig. 4
für Jede Polhälfte durch die üblichen Symbole eingezeichnet, d.h.
-
bei dem ersten Südpol (von links beginnend) ist zunächst ein (durch
den Kreis mit dem Kreuz dargestellter), in die Polhälfte hineinlaufender und ein
aus der anderen Polhälfte heraustretender (dargestellt durch den Kreiz mit dem Punkt)
Magnetfluß eingezeichnet. Die anderen Polflächen tragen eine entsprechende Markierung,
wobei dieses Zusatzfeld für die
jeweiligen Nordpol-Polflächen umgekehrt
verläuft. Dieser, zusätzlich zu der stationären Magnetfeldverteilung auftretende
Magnetfluß ist durch Doppelpfeile gekennzeichnet; er tritt auf bzw. ändert sich
in dem Maße, wie die Trommel 1 sich dreht bzw. ihre Drehzahl ändert.
-
Verfolgt man die durch die Doppelpfeile angegebene dynamische Magnetflußverteilung,
so erkennt man, daß dieser Magnetfluß in den Verbindungsstücken 12 und 13 die gleiche
Richtung, nämlich in Fig. 4 von unten nach oben hat, unabhängig davon, ob der Magnetfluß
von dem Pol topf 2 zum Poltopf 4 oder von dem Poltopf 5 zum Poltopf 3 erfolgt. Dieser
dynamische Magnetfluß verläuft aufgrund der Flußleitung durch die Teile 12 und 19
im Inneren der Spule und induziert bei Änderung ein entsprechend kräftiges Ausgangssignal.
Außerdem wird durch den vorliegenden Aufbau erreicht, daß das Zusatzmagnetfeld bzw.
der aufgrund der Flußverdrängung entstandene Magnetfluß ausschließlich in dem hochpermeablen
Material der Poltöpfe und Verbindungsstücke verläuft, abgesehen von dem Luftspalt
bzw.
-
dem Trommelmaterial,.und ohne daß das Dauermagnetmaterial nochmals
passiert werden müßte.
-
-Die erfindungsgemäße Anordnung hat etwa einen Durchmesser von 50
bis 70 mm und erzeugt eine Signalspannung von loo mV für 2 eine Winkelbeschleunigung
von + 75 rad Trotzdem erfordert der erfindungsgemäße Winkelbeschleunigungsmesser
nur
Dauermagnetformen aus handelsüblichen Magnetwerkstoffen mittlerer Qualität, wobei
dank der neuartigen Konstruktion Poltöpfe und die übrigen Kernteile aus Stanzteilen
aufgebaut sein können und außerdem nur eine einzige Ringspule, in deren Inneren
der magnetischen Nutzfluß verläuft, benötigt wird.