DE3405518A1

DE3405518A1 - Gyroskop

Info

Publication number: DE3405518A1
Application number: DE19843405518
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Beardmore; Nicholas Renaldo Cheltenham Gloucestershire Capaldi
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: Smiths Group PLC
Priority date: 1983-02-25
Filing date: 1984-02-16
Publication date: 1984-08-30
Also published as: FR2541765B1; FR2541765A1; US4633722A; JPH0454883B2; JPS59163510A

Description

Rolf Cnarner 1

Patentanwalt

Rehlingenstraße 8 ■ Postfach 260

D-8900 Augsburg 31

Telefon 0821/36015+36016

Telex 53 3 275

Postscheckkonto: München Nr. 1547 89-801

8768/142 -4- Augsburg, den 13. Februar 1984

Smithis Industries Public Limited Company 765 Finchley Road

GB-London NWIl 8DS

Gy_rosjc££

Die Erfindung betrifft einen Gyroskop oder Kreiselgerät mit einem Rahmen, der einen Massering und einen den Rassering in Drehung-versetzenden Motor aufweist, die konzentrisch zu einer ersten Achse angeordnet sind, mit einem den Rahmen lagernden Lager, um welches sich der Rahmen um eine zweite Achse zu drehen vermag, welche rechtwinklig zur ersten Achse verläuft und mit einem Rahmenstellmotor, der aus einer Spule und einem Permanent· magneten besteht und der bei einer Bestromung der Spule ein Drehmoment auf den Rahmen um die zweite Achse ausübt.

Bei Gyroskopen oder Kreiseigeräten der vorgenannten Art bewirken Bewegungen des Gyroskopen, die eine Drehkomponente um eine Eingangsachse aufweisen, welche rechtwinklig zur ersten oder Spinachse und rechtwinklig zur zweiten, Drehachse verläuft, Drehbewegungen des Rahmens um ej.ie Drehachse. Solche Drehbewegungen werden erfasst

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und der Rahmenstellmotor wird so bestromt, daß ein Drehmoment um die zweite Achse erzeugt wird, welches bewirkt, daß der Rahmen in seiner Nullstellung gehalten wird. Der hierbei durch die Spule djes Rahmenstell-

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motors fließende Strom ist ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit, mit welcher der Gyroskop um die Eingangsachse gedreht wird,

Kreiselgeräte der vorgenannten Art sind in vielen Ausführungsformen bekannt. Alle bekannten Geräte weisen den Nachteil auf, daß sie entweder eine große Bauweise aufweisen, oder schwierig herzustellen und nicht mit niederen Kosten genau zu montieren sind.

Es besteht die Aufgabe, das Kreiselgerät der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß es bei relativ geringen Kosten genau herzustellen ist und eine kompakte Bauform aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmhar.

Durch die Anordnung der Spule des Rahmenstellmotors koaxial zum Masser.ing ergibt sich ein kompakter Aufbau des Gyroskops. Er ist auf einfache Weise mit hoher Präzision montierbar.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Gyroskop;

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Fig. 2 eine Seitenansicht des Gyroskops und Fig. 3 einen Schnitt durch den Gyroskop

längs der Linie III-III in Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 weist das Kreiselgerät einen Rahmen 1 auf, der ein äußeres zylindrisches Gehäuse 10 umfasst, in welchem ein Motor 11 angeordnet ist. Der Motor weist einen Stator 12 auf, der zylindrische Spulen 13 umfasst, welche auf einem Polstück 14 aus Weicheisen aufgewickelt sind. Der Motor 11 weist weiterhin einen Rotor in Form eines Hysteresezylinders 15 auf, der einen Massering 16 umgibt und auf diesem angeordnet ist. Der Massering 16 wird mittels eines hydrodynamischen , gasgeschmierten Lagers 17 gelagert, jedoch ist es auch möglich, andere Lager vorzusehen, wie beispielsweise Kugellager. Das Lager 17 weist einen inneren zylindrischen Lagerzapfen 18 auf, dessen äußere Oberfläche 19 mit einem Spiralnutenmuster versehen ist und der zusammenwirkt mit der inneren glatten Oberfläche 20 des Masserings 16. An gegenüberliegenden Enden des Lagerzapfens 18 sind zwei Längslagerplatten und 22 befestigt, welche an ihren einander gegenüberliegenden Innenflächen Nutenmuster aufweisen, weiche zusammenwirken mit den glatten flachen Enden des Masserings 16. Eine Drehung des Masserings 16 bewirkt ein Ansaugen von Gas in die Nuten des Lagerzapfens 18 und der Längslagerplatten 21 und 22 , wodurch sich zwischen den vorgenannten Flächen ein Schmiergasfilm aufbaut. Endplatten 2 und 3 verschließen den Rahmen 1 an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 10, das mit einem Inertgas gefüllt sein kann. Der Massering 16 und der Motor 11 sind beide konzentrisch im Rahmengehäuse 10 angeordnet . Der Massering dreht sich um eine konzentrische vertikale Spinachse 23. Der Rahmen 1 selbst ist drehbar um eine horizontale Drehachse 24,

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welche rechtwinklig zur Spinachse 23 verläuft und diese schneidet. Die Lagerung des Rahmens 1 wird erreicht durch Lager in Form von zwei Biegelager 25 und 26 wie sie beispielsweise beschrieben sind in der 6B-PS 15 45 774. Die inneren Enden dieser Lager sind an gegenüberliegenden Seiten der äußeren Oberfläche des Rahmengehäuses 10 befestigt. Die äußeren Enden der flexiblen Lagerzapfen 25 und 26 liegen in V-förmigen Einschnitten 30 und 31 des Traggehäuses 100 des Kreiselgeräts , wie dies insbesondere der Fig. 2 entnehmbar ist.

Eine horizontale Platte 101 erstreckt sich über das Traggehäuse 100 oberhalb des Rahmens 1. Die Platte 101 trägt einen kapazitiven Sensor 102, der mit einer Elektrode 103 zusammenwirkt, die an der oberen Platte 2 des Rahmens 1 angeordnet ist. Auf diese Weise können Drehbewegungen des Rahmens um die horizontale Drehachse 24 erfasst werden.

An der Unterseite des Kreiselgeräts ist ein Rahmenstellmotor 4 vorgesehen, welcher aus einer Spule 40 und einem Permanentmagneten 41 aus Samarium-Kobalt besteht. Die Spule 40 ist zylindrisch und weist einen kreisförmigen Querschnitt auf und ist an der Unterseite des Rahmens 1 befestigt, bewegt sich also zusammen mit diesem. Hierbei ist die Spule 40 koaxial zur Spinachse 23 , jedoch unterhalb der Drehachse 24 angeordnet. Der Magnet 41 ist ebenfalls zylindrisch mit kreisförmigem Querschnitt und ist am Boden des Traggehäuses 100 befestigt.

Der Permanentmagnet 41 fluchtet mit seiner Achse mit der Spinachse 23, wenn der Rahmen 1 sich in seiner Normaloder Nulllage befindet. Die Spule 40 1st Innerhalb eines ringförmigen Spalts 42 zwischen der äußeren zylindrischen

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Oberfläche des Magneten 41 und der kreiszylindrischen Innenfläche des Traggehäuses 100 angeordnet. Die Länge von Magnet und Spule sind im wesentlichen gleich. Der Permanentmagnet 41 ist , wie der Fig. 3 entnehmbar ist, radial längs des Durchmessers 43 magnetisiert, wobei diese Magnetisierungsachse 43 rechtwinklig zur Drehachse 24 und rechtwinklig zur Achse 23 verläuft. Die Magnetflußlinien 44 liegen in einer Horizontalebeäe;- -. und schneiden die Spule 40, wobei die Magnetflußlinien über das Traggehäuse 100 rückgeschlossen werden.

Oberhalb des Rahmens 1 ist auf der Oberplatte 101 eine elektronische Steuereinheit 200 angeorndet. Diese elektronische Steuereinheit 200 umfasst eine oder mehrere Schaltplatten 201, welche vertikal Übereinander angeordnet sind. Dieser Steuereinheit werden Signale vom kapazitiven Sensor 102 zugeführt, in deren Abhängigkeit eine Bestromung der Spule 40 des Rahmenstellmotors erfolgt.

Die Oberseite des Kreiselgeräts ist durch eine Metallkappe 104 abgeschlossen, welche über das Traggehäuse 100 gestülpt ist, wodurch der Rahmen 1 und die elektronische Steuereinheit 200 umschlossen werden.. Die Kappe 104 ist dicht mit dem Traggehäuse 100 verbunden, beispielsweise mittels eines O-Rings 105, der in einer ringförmigen Umfangsnut 104 an der Außenfläche des Traggehäuses angeordnet ist.

Eine Endplatte 50 verschließt den Boden des Gehäuses des Kreiselgeräts und trägt die verschiedenen Anschlüsse 51 für den elektrischen Anschluß zur Steuereinheit 200. Das gesamte Kreiselgerät außerhalb des verschlossenen Rahmens 1 kann mit einem Inertgas oder einer Dämpfungsflüssigkeit gefüllt sein.

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Der Zusammenbau des Kreiselgeräts wird aufgrund des vorerwähnten Aufbaus wesentlich erleichtert. Der Rahmen 1 stellt eine geschlossene Baueinheit zusammen mit der Spule 40 des Rahmenstellmotors und den Lagern 25 und 26 dar. Die Montage des Rahmens 1 ist sehr einfach vorzunehmen, in dem die Lagerzapfen 25 und 26 in die V-förmigen Schlitze 30 und 31 eingesetzt werden, wodurch sich der Rahmen und die Spule bereits in ihrer Endlage befinden. Streifenstlicke 61 und 62 liegen gegen die Oberkante jedes Lagerzapfens 25 und 26 an, wodurch diese genau in drei Lagerpunkte gelagert sind. Danach wird die den Sensor 102 tragende Endplatte 101 oberhalb des Rahmens 1 mit dem Traggehäuse 100 verbunden. Die elektro-" nischen Schaltkreispl'atten 201 werden sodann elektrisch mit dem Rahmen verbunden und oberhalb der Oberplatte 101 eingesteckt. Die Montage des Kreiselgeräts wird vervollständigt, in dem die Kappe 104 über das Traggehäuse 100 gestülpt wird.

Führt das Kreiselgerät Bewegungen aus, die eine Bewegungskomponente um die Eingangsachse 27 des Kreiselgeräts aufweisen, dann führt dies zu einer Drehung des Gehäuses 1 um die Drehachse 24. Die Eingangsachse 27 verläuft hierbei rechtwinklig sowohl zur Spinachse 23 als auch zur Drehachse 24 und schneidet beide Achsen. Diese Drehbewegung um die Achse 24 wird erfasst vom Sensor 102, dessen Signale der Steuereinheit 200 zugeführt werden, die daraufhin einen Strom durch die Spule 40 des Rahmenstellmotors erzeugt. Ein Stromfluß durch die Spule 40 erzeugt ein Magnetfeld längs der Achse 23 , welches mit demjenigen des Permanentmagneten 41 zusammenwirkt. Wie der Fig. 3 entnehmbar ist, schneiden die Magnetlinien des Magneten 41 die Spule 40 in der einen Richtung 3ängs

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des halben Umfangs der Spule und in entgegengesetzter Richtung längs des anderen halben Spulenumfangs. Demgemäß wird bei einem Stromfluß durch die Spule 40 auf die Spule längs deren halben Umfang eine Kraft nach oben parallel zur Spinachse 23 ausgeübt. Auf die andere Spulenhälfte wirkt demgemäß eine nach unten gerichtete Kraft parallel zur .Spinachse 23. Diese beiden Kräfte resultieren in einem auf die Spule wirkenden Drehmoment um die Drehachse 24. Dieses Drehmoment ist entgegengerichtet gleich groß wie das Drehmoment, das um die Achse 24 in folge einer Drehung um die Achse 27 wirkt. Der Ringspalt 42 erlaubt nur eine sehr geringe Bewegung der Spule und damit nur eine sehr geringe Winkelbewegung des Rahmens um die Achse 24. Das elektromagnetisch erzeugte Drehmoment hält jedoch die Spule 40 zentral im Spalt 42 und verhindert somit eine Berührung der Spule 40 mit dem Traggehäuse 100 oder dem Magneten 41.

Der der Spule 40 zugeführte Strom ist repräsentativ für die Winkelgeschwindigkeit des Kreiselgeräts um die Eingangs· achse 27. Diesem Strom entsprechende Ausgangssignale werden den Ausgangsanschlüssen 51 des Kreiselgeräts zugeführt.

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Der Aufbau dieses Kreiselgeräts führt zu einer Reihe von Vorteilen. Die Anordnung des Rahmenstellmotors 4 längs der Spinachse 23 im Abstand zur Drehachse 24 führt dazu, daß die Baubreite des Kreiselgeräts längs der Drehachse gegenüber den bekannten Geräten verringert ist. Es ergibt sich somit ein Kreiselgerät, das einen kompakten Aufbau aufweist und dessen Abmessungen längs Jeder Achse etwa gleich sind. Dies ist besonders dort von

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Vorteil, wo drei Kreiselgeräte rechtwinklig zueinander angeordnet werden müssen. Der Rahmenstellmotor 4 weist den Vorteil eines hohen Wirkungsgrads auf, da durch die Verwendung des Tragegehäuses 100 für den Magnetrückfluß die magnetischen Streuflüsse auf ein Minimum gehalten weden können. Der Rahmenstellmotor kann somit Eingangsbewegungen bis zu 1300°pro Sekunde kompensieren, bei einer sehr hohen Eigenfrequenz von etwa 257 Hertz. Die Stabilität des Geräts ist sehr gut, infolge seines symmetrischen Aufbaus, bei welchem die drei Achsen 23, 24 und 27 einander schneiden.

Der modulare Aufbau erleichtert eine Reparatur. Es ist möglich, verschiedene Typen von Kreiselgeräten unter Verwendung der gleichen Komponenten herzustellen. Beispielsweise ist es möglich, unter Verwendung des gleichen Traggehäuses 100 der gleichen Steuereinheit 200 und der gleichen Lagerung verschiedene Rahmen zu verwenden. In diesem Zusammenhang ist es von Bedeutung, daß es durch Austausch und Ergänzung der Schaltkreisplatten möglich ist, ein billiges Kreiselgerät unter Verwendung einer einfachen Steuervorrichtung herzustellen oder ein teureres Gerät bei Verwendung einer entsprechend komplizierteren Steuereinheit. Falls notwendig, kann die Kappe 104 höher ausgebildet sein, um weitere Schaltkreisplatten aufnehmen zu können.

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Claims

Rolf Chanter

Patentanwalt

Ri hlingenstraße 8 · Postfach 260

D-8900 Augsburg 31

Telefon 0821/36015+36016

Telex 53 3 275

Poscheckiconto:MünchenNr. 154789-801 Ann).: Smiths Industries Public Limited Comf

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Anj>£rU_che

/ 1./Gyroskop oder Kreiselgerät mit einem Rahmen , der einen Massering und einen den Massering in Drehung versetzenden Motor aufweist, die konzentrisch zu einer ersten Achse angeordnet sind, mit einem den Rahmen lagernden Lager, um welches sich der Rahmen um eine zweite Achse zu drehen vermag, welche rechtwinklig zur ersten Achse verläuft und mit einem Rahmenstellmotor, der aus einer Spule und einem Permanentmagneten besteht und der bei einer Bestromung der Spule ein Drehmoment auf den Rahmen um die zweite Achse ausübt, dadurch g e k e η η.ζ e i c h η e t , daß die Spule (40) zylindrisch ausgebildet und an einem Ende des Rahmens (1) koaxial zur ersten Achse (23) im Abstand zur zweiten Achse (24) angeordnet ist und daß der Permanentmagnet (41) im Gerät innerhalb der Spule (40) koaxial zur ersten Achse (23) angeordnet und so magnetisiert ist, daß sein Magnetfeld die Windungen der Spule (40) schneidet.
2. Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (41) längs einer Achse magnetisiert ist, welche rechtwinklig sowohl zur ersten Achse (23) als auch zur zweiten Achse (24) verläuft.

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3. Gyroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Spule (40) und Permanentmagnet (41) jeweils einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
4. Gyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (41) von einem Rückschlußring (100) umgeben ist, wobei die Spule (40) mindestens tei lwei se in einem Luftspalt zwischen Permanentmagnet (41) und Rückschlußring (100) angeordnet ist.
5. Gyroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückschlußring (100) von einem Teil des Traggehäuses des Gyroskops gebildet wird. j
6. Gyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1) zwei Lagerzapfen (25, 26) aufweist, welche in Schlitzen (30, 31) des Traggehäuses (11) gelagert sind, wobei das Traggehäuse (11) den Rahmen (1) umgibt.
7. Gyroskop nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die Schlitze (30, 31) V-förmig ausgebildet sind,
8. Gyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1) ein verschlossenes Gehäuse bildet.
9. Gyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß an einem Ende des Rahmens (1) ein Sensor (102, 103) angeordnet 1st.

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10. Gyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende des Traggehäuses (11) eine elektronische Steuereinheit (200) angeordnet ist, welche aus mehreren steckbaren Schaltplatten (201) besteht.

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