DE2511683B2 - Induktiver stellungsgeber - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Stellungsgeber gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1.
Bisher hat man als Stellungsgeber meistens Potentiometer verwendet, bei denen die Stellung als Widerstand
oder elektrische Spannung über einen Schleifkontakt dargestellt wurde. Alle diese Potentiometer,
selbst hochwertige und teure Plastik-Potentiometer, unterliegen einem Verschleiß und verschmutzen, so
daß besonders bei häufiger Bewegung, wie z. B. bei Digital-Plottern, Kontaktschwierigkeiten auftreten.
Auch ist das Auftreten eines Rauschens bei Bewegung des Schleifkontaktes oft nicht vermeidbar. Man ist
deshalb bemüht, diese Potentiometer durch kontaktlose Stellungsgeber zu ersetzen. Lichtelektrische Stellungsgeber
sind entweder sehr aufwendig oder ungenau, kapazitive Stellungsgeber benötigen hohe und
schwierig zu beherrschende Betriebsfrequenzen, und bisher unbekannte induktive Stellungsgeber sind bis
jetzt zu voluminös und von ihrer Bauform her wenig geeignet, ohne großen konstruktiven Aufwand ein geradlinig
angeordnetes Potentiometer zu ersetzen.
Diese induktiven Stellungsgeber haben besonders den Nachteil, daß ihre Baulänge wesentlich größer ist als
der nutzbare Stellweg des Tastgliedes.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die unter Ver- >
meidung der Mängel bekannter Anordnungen als Stellungsgeber für geradlinig verlaufende Stellwege
geeignet ist, wenig Raum beansprucht, genau arbeitet sowie einfach und billig aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der ein- '<>
gangs genannten Art durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den '"'
Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des induktiven Stellungsgebers in einer Ausbildung mit zwei Sekundärwicklungen
a) in der Draufsicht und b) von der -" Seite gesehen,
Fig. 2 den Verlauf der beiden Sekundärwechselspannungen in Abhängigkeit von der Kernstellung,
Fig. 3 den Verlauf der Sekundärgleichspannung nach einer Gleichrichtung und Differenzbildung in -J
Abhängigkeit von der Kernstellung,
Fig. 4 die vorteilhafte Ausbildung mehrerer Windungen einer Sekundärwicklung bei linearem Verlauf
der Ausgangsspannung,
Fig. 5 die vorteilhafte Ausbildung mehrerer Win· »'
düngen einer Sekundärwicklung bei quadratischem Verlauf der Ausgangsspannung,
Fig. 6 eine Ausführungsform des induktiven Stellungsgebers in Gesamtdarstellung a) von vorn, b) im
Schnitt und c) von oben gesehen, ι·ϊ
Fig. 7 eine Ausführungsform mit Primär- und Sekundärwicklung ab gedruckte Schaltung,
Fig. 8 eine Ausführungsform mit 2 Trägerplatten für Sekundärwicklungen in planparalleler Anordnung
und E-förmigem Kern. ·»<>
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, daß der mit einer Sekundärwicklung verkettete Magnetfluß
im Luftspalt eines beweglich angeordneten Kernes und damit die in dieser Wicklung induzierte
Spannung abhängig von der Stellung dieses Kernes, ·»·>
einen linearen oder in definierter Weise nichtlinearen, z. B. quadratischen Verlauf haben soll. Hierzu ist, wie
in Fig. 1 dargestellt, ein als Tastglied fungierender ferromagnetischer Kern 1 so ausgebildet, daß er zusammen
mit der von Wechselstrom durchflossenen >o Primärspule 2 einen magnetischen Fluß ausbildet, der
über einen Luftspalt 3 geschlossen ist. Die verstärkten und planparallelen freien Schenkel des Kernes 1 bilden
diesen Luftspalt 3, in dem dann ein homogenes Magnetfeld entsteht. Der gesamte Kern 1 ist daher η
vorzugsweise U-förmig gestaltet und wird in seinem Mittelstück von der Primärwicklung 2 umschlossen.
Um nun das angestrebte Ziel, eine sich mit der Stellung des Kernes 1 ändernde Verkettung des Magnet- e>ü
flusses mit der Sekundärwicklung 4, 5 zu erreichen, ist eine besondere mechanische Anordnung dieser
Wicklung erforderlich. In der Prinzipdarstellung nach Fig. 1 besteht jede Sekundärwicklung 4, 5 aus nur einer
Windung, die so geformt ist, daß sie eine keilför- tn
mige Fläche umschließt, die sich entlang der ganzen Bewegungsebene des Luftspaltes 3 erstreckt. Taucht
nur die Keiispitze der Windung 5 in den Luftspalt 3 des Kernes 1 ein, so ist der mit der Windung verkettete
Flußanteil nur gering. Durch die Keilform der Windungsfläche wird jedoch erreicht, daß der verkettete
Flußanl.eil bei einer Verschiebung des Kernes 1 entgegen der Keilrichtung der Windung stetig zunimmt.
Hierdurch steigt die in der Windung 5 erzeugte Sekundärspannung ebenfalls stetig.
In Fig. 1 sind zwei Sekundärwicklungen 4, 5 mit jeweils nur einer Windung dargestellt. Die keilförmig
gestalteten Windungen sind dabei nebeneinander angeordnet, wobei aber die Keilspitzen in entgegengesetzte
Richtungen weisen. Abhängig von der Stellung des Kernes 1 zeigt die Fig. 2 die induzierten Sekundärspannungen,
wobei die Spannungskurve 6 zur Sekundärwicklung 4 und die Spannungskurve 7 zur Sekundärwicklung
5 gehört. Werden die beiden Sekundärspannungen gleichgerichtet und anschließend voneinander subtrahiert, so ergibt sich der in Fig. 3
dargestellte Verlauf einer Gleichspannung 8, die einen vollständigen Ersatz für eine gleichstromgespeiste
Potentiometerbrücke darstellt. Von Vorteil ist, daß der Stellungsgeber von einer Mittel-Null-Stellung
ausgehend, sowohl ein positives wie auch ein negatives Spannungssignal erzeugen kann. Verwendet man dagegen
nur eine Sekundärwicklung, so muß man mit einer anderen Nullpunktunterdrückung arbeiten, um
die gleiche Charakteristik zu erhalten.
Von wesentlicher Bedeutung ist die mit dem Stellungsgeber erreichbare Linearität. Sie ist von der Ausbildung
des Luftspaltes 3 (Linearität der Luftspaltinduktion) und der Form der Sekundärspulen 4, 5
abhängig. Eine sehr gute Linearität ist mit einer Sekundärwicklung, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, erreichbar.
Hier besteht die Sekundärwicklung aus mehreren Windungen, die in einer Ebene liegen und
spiralförmig ineinandergelegt sind. Alle Windungen sind in Keilform ausgebildet, jedoch so, daß die stelige
Änderung der in den Luftspalt eintauchenden Windungsfläche, innerhalb der Bewegungsebene des Kernes,
auf alle Windungen aufgeteilt ist. Erreicht wird das, indem die jeweils nachfolgende Windung mit ihrer
Keilspitze dort beginnt, wo der keilförmig verlaufende Teil 10 der vorhergehenden Windung in den
parallelen Teil 11 mit gleichbleibender Breite übergeht. Die parallelen Teile der Windungskeile sind alle
bis zum Ende der Kernbewegungsebene geführt und bilden dort den Spulenkopf 9.
Die in Fig. 4 eingetragene strichlierte Gerade 12 gibt die Größe des sekundären Windungsflusses an.
Sie zeigt gleichzeitig auch die Form einer elektrisch identischen Sekundärwicklung mit nur einer Windung.
Die wesentliche Linearitätsverbesserung ergibt sich dadurch, daß unvermeidbare Unlinearitäten des
Feldes im Luftspalt 3 nun nicht mehr in voller Größe in der Ausgangsspannung erscheinen, sondern dieser
Wert durch Multiplikation mit dem Reziprokwert der Windungszahl reduziert wird. Des weiteren wird bei
gleichen mechanischen Abmessungen die absolute Höhe der Ausgangsspannung proportional der Windungszahl
erhöht.
So wie man sich die Anordnung der Windungen in Fig. \ aus der strichliert gezeichneten Geraden bei
linearem Verlauf der Ausgangsspannung - entstanden denken kann, so ist auch für jeden beliebigen
nichtlinearen Zusammenhang zwischen Kernstellung und Sekundärspannung die Form der Sekundärspule
bestimmbar. In Fig. 5 ist dies für einen quadratischen Verlauf dargesielK, wobei die strichiierie Kurve 13
den geforderten quadratischen Zusammenhang enthält. Auf gleiche Weise wie in Fig. 5 ein gegebener
nichtlinearer Zusammenhang dargestellt werden kann, sind auch Korrekturen von unerwünschten Abweichungen
(Fehlern) möglich, etwa bedingt durch Randeffekte, Einbaueinflüsse u. a. m.
Wegen der Präzision, die für die mechanische Anordnung der Sekundärwicklung notwendig ist, wird sie
zweckmäßig nach dem Prinzip der gedruckten Schaltung sehr exakt hergestellt. Bei Anordnungen mit zwei
Sekundärwicklungen kann die zweite Sekundärwicklung vorteilhaft auf der Rückseite einer doppelt kaschierten
Trägerplatte aufgebracht werden. Es ist auch möglich, zur Erhöhung der Sekundärspannung mehrere
Trägerplatten anzuordnen und die Sekundärwicklungen in Reihe zu schalten.
Um die beweglichen Stromzuführungen zur Primärwicklung einzusparen, wird diese vorteilhaft so
ausgeführt, daß sie den Kern umschlingt, ohne dessen Bewegung mitmachen zu müssen. Das bedeutet, daß
die den Kern umschlingenden Windungen einen Hohlraum bilden müssen, in dem sich der Kern ungehindert
bewegen kann. Die Darstellung eines induktiven Stellungsgebers, der mit einer feststehenden Primärwicklung
8 ausgestattet ist, zeigt Fig. 6. Die Trägerplatte 14 für die Sekundärwicklung ist mit einem
Halteteil 15 verbunden und trägt mit diesem zusammen die Primärwicklung 16. In den von der Primärwicklung
16 freigelassenen Hohlraum 17 greift der U-förmige Kern 18 ein. Sein Luftspaltfluß ist je
nach Stellung zu einem Teil mit der auf der Trägerplatte 14 befindlichen Sekundärwicklung 20 verkettet.
Die Primärwicklung 16 ist als freitragende Spule ausgeführt, um eine größere Windungszahl zu ermöglichen.
Sie könnte jedoch, wie die Sekundärwicklung, ebenfalls nach dem Prinzip der gedruckten Schaltung
hergestellt werden. Eine entsprechende Darstellung zeigt Fig. 7.
Einen induktiven Stellungsgeber, der nach dem erfindungsgemäßen Prinzip, jedoch mit mehreren umschaltbaren
Charakteristiken, arbeitet, erhält man, indem man z. B. auf einer doppelt kaschierten
Trägerplatte verschiedene Sekundärwicklungen, etwa für linearen und logarithmischen Zusammenhang
zwischen Weg und Spannung aufbringt. Diese Umschaltung ist besonders bei der Anwendung diesei
Stellungsgeber in Labor-Potentiometerschreibern vor Bedeutung, da hier eine umschaltbare Charakteristik
häufig gefordert wird.
Bei induktiven Stellungsgebern mit mehreren Sekundärwicklungen ist auch die planparallele Anordnung
der Sekundärspulen gemäß Fig. 8 möglich, wobei dann ein E-förmiger Kern 21 eintaucht und füi
die Änderung der Kopplung sorgt.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (11)
1. Induktiver Stellungsgeber, bei dem ein ferromagnetischer Kern zwischen einer mit Wechselstrom
gespeisten Primärwicklung und mindestens einer Sekundärwicklung beweglich angeordnet ist
und sekundärseitig eine Spannung abgreifbar ist, deren Wert der jeweiligen Stellung des beweglichen
Kernes entspricht, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:
a) mindestens eine Windung einer oder mehrerer Sekundärwicklungen (4, 5) ist innerhalb
der geradlinigen Bewegungsebene des zwischen den Polflächen des Kernes (1) gebildeten
Luftspaltes (3) ortsfest angeordnet und bezüglich der von ihr umschlossenen Fläche
(F) in Bewegungsrichtung keilförmig geformt,
b) abhängig von der Stellung des Kernes (1) wird ein sich ändernder, von der Windung
umschlossener Flächenanteil (F) innerhalb des Luftspaltes (3) erfaßt, in dem ein von der
Stellung des Kernes (1) unabhängiges, homogenes Magnetfeld ausgebildet ist, so daß
sich ein dem Flächenanteil (F) proportionaler Magnetfluß mit der Windung verkettet.
2. Induktiver Stellungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) U-förmig
gestaltet ist und an den Enden der beiden freien Schenkel des Kernes zwei sich planparallel
gegenüberliegende Polflächen den Luftspalt (3) bilden, in dem jeweils ein von der Stellung des
Kernes (1) abhängiger Teil der Sekundärwicklung (4,5) zu liegen kommt, während das Joch des Kernes
(1) von der Primärwicklung (2) umschlossen ist.
3. Induktiver Stellungsgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen
der Sekundärwicklung (4,5) nach dem Prinzip der gedruckten Schaltung auf einer Trägerplatte
aufgebracht sind und in Bewegungsrichtung des Luftspaltes eine keilförmig verlaufende Fläche
bilden.
4. Induktiver Stellungsgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Windungen
einer Sekundärwicklung so auf der Trägerplatte aufgebracht sind, daß die sich über die ganze
Länge der Kernbewegungsebene ausdehnende Keilfläche in mehrere Teil-Keilflächen aufgeteilt
ist und diese so ineinandergelegt sind, daß jeweils die Keilspitze der nachfolgenden Windung dort
liegt, wo der keilförmig verlaufende Teil (10) der vorhergehenden Windung in einen parallelen Teil
gleichbleibender Breite (11) übergeht und am Ende der Kernbewegungsebene den Spulenkopf
(9) bilden.
5. Induktiver Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der geforderte Funktionszusammenhang zwischen Stellung und Sekundärspannung durch die Lage
der keilförmigen Teile (10) der Sekundärwicklungen bestimmt ist.
6. Induktiver Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
eventuelle Abweichungen des geforderten theoretischen Zusammenhanges zwischen Kernsteliung
und Sekundärspannung durch geringfügiges
Verschiebender keilförmigen Windungsteile (10) korrigierbar ist.
7. Induktiver Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Primärwicklung (16) einen Hohlraum (17) umschließt, der sich entlang der ganzen Bewegungsebene
des Kernes (18) erstreckt und in dem sich ein Schenkel des Kernes (18) ungehindert bewegen
kann.
8. Induktiver Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Trägerplatte (14) der Sekundärwicklung (20) und die Primärwicklung (16) ortsfest angeordnet
sind und ein Halteteil (15) sie in ihrer Lage festhält.
9. Induktiver Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
auf einer oder mehreren Trägerplatten beidseitig zwei oder mehr Sekundärwicklungen (4,5) so aufgebracht
sind, daß deren Wicklungen keilförmige Flächen bilden, die über ihre ganze Länge nebeneinander
liegen, aber einander entgegengerichtet sind, die ferner in Reihe oder gegeneinander geschaltet
sind.
10. Induktiver Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
auf einer oder mehreren Trägerplatten einseitig oder beidseitig Sekundärwicklungen mit unterschiedlicher
Charakteristik aufgebracht sind, die eine Umschaltung des Funktionszusammenhanges
zwischen Kernstellung und Sekundärspannung ermöglichen.
11. Induktiver Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei mit Sekundärwicklungen versehene Trägerplatten (22) parallel zueinander angeordnet sind
und zusammen mit der rechtwinklig hierzu befestigten Primärwicklung (23) einen U-förmigen
Körper bilden, in den ein E-förmig gestalteter Kern (21) eingreift und für die magnetische Kopplung
sorgt.
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