DE4342069C2 - Positionsdetektor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Positionsdetektor der im Ober
begriff des Anspruches 1 genannten Art.
Positionsdetektoren finden beispielsweise als Komponenten
von Umdrehungszählern Verwendung, die immer dann einen elek
trischen Impuls abgeben, auswerten und speichern, wenn eine
sich drehende Welle eine vorgewählte Winkelstellung durch
läuft.
Ein Anwendungsbeispiel für solche Umdrehungszähler sind
Werkzeugmaschinen, bei denen ein Grobmeßwert für die Po
sition des Werkzeughalterschlittens durch Abzählen der
Umdrehungen der Spindel gewonnen wird, die den Schlitten
verstellt. Ein Problem ergibt sich dabei dadurch, daß bei
einem Abschalten oder Ausfall der Stromversorgung für die
Verarbeitungselektronik der Grobmeßwert für die Schlitten
position auch dann nicht verlorengehen bzw. nach dem
Wiedereinschalten der Stromversorgung sofort zur Verfügung
stehen soll, wenn die Spindel in der stromversorgungslosen
Zeit beispielsweise von Hand um eine oder mehrere Umdrehun
gen gedreht worden ist.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von
Positionsdetektoren zur Lösung dieses Problemes bekannt. Bei
der ersten Variante ist mit der sich drehenden Welle bzw.
Spindel ein Untersetzungsgetriebe gekoppelt, dessen Ausgangs
welle sich um maximal 360° dreht, wenn der Werkzeughalter
schlitten seine gesamte Verstelllänge durchläuft. Die Aus
gangswelle des Untersetzungsgetriebes wird von einem Absolut
enkoder überwacht, der ein Ausgangssignal liefert, das die
jeweilige momentane Winkelstellung der Ausgangswelle des Un
tersetzungsgetriebes kennzeichnet und damit als Grobmeßwert
für die momentane Schlittenposition dienen kann. Insbesondere
bei langen Verstellwegen, zu deren Durchlaufen die Spindel
eine große Zahl von Umdrehungen auszuführen hat, müssen das
Untersetzungsgetriebe und der Absolutenkoder extrem hohen Ge
nauigkeitsanforderungen genügen. Das Spiel im Untersetzungs
getriebe muß so klein gehalten werden, daß die Unbestimmtheit,
die bei einer Drehrichtungsumkehr entsteht, kleiner als der
Winkel ist, den der Absolutenkoder zur Erfassung einer Spin
delumdrehung auflöst. Es ist klar, daß ein Untersetzungsge
triebe mit Absolutenkoder zur Erfassung eines Untersetzungs
verhältnisses beispielsweise von 4000 : 1 einen hohen konstruk
tiven Aufwand erfordert, der mit entsprechend hohen Kosten ver
bunden ist. Außerdem sind solche Getriebe wegen ihres großen
Massenträgheitsmoments für mittlere oder gar große Beschleu
nigungen und Drehzahlen nicht geeignet.
Eine andere Lösung besteht darin, einen einfachen optischen
oder magnetischen Detektor so auszubilden, daß er immer
dann, wenn eine an der sich drehenden Welle angebrachte
Markierung an ihm vorbeiläuft, ein elektrisches Signal
abgibt, das der Verarbeitungselektronik zugeführt wird,
und diese Anordnung mit Hilfe einer Batterie so mit Ener
gie zu versorgen, daß sie von der Hauptenergieversorgung
der Werkzeugmaschine unabhängig ist. Ein solcher Umdrehungs
zähler ist zwar mit wesentlich geringeren Herstellungskosten
verbunden, hat aber den Nachteil, daß eine ständige Über
wachung und ein rechtzeitiger Austausch der Batterien er
forderlich ist.
Eine weiter Lösung ist aus der US-PS 3,118,075 bekannt, die
einen Umdrehungszähler beschreibt, bei dem ein Teil der
Bewegungsenergie der sich drehenden Welle abgezweigt und zur
Erzeugung eines elektrischen Impulses verwendet wird, der
zur Ansteuerung eines elektromagnetisch betätigten Zählers
dient. Um auch bei einer sehr langsamen Drehung der Welle
einen Impuls mit ausreichend großer Energie erzeugen zu
können, ist ein Energiespeicher in Form einer Feder vorge
sehen, der aus der Bewegungsenergie der Welle abgezweigte
Energieanteile über einen gewissen Zeitraum hinweg sammelt
und kumulativ in Form von potentieller Energie speichert.
Hat dann die sich drehende WeIlle die vorgegebene Position
erreicht, wird diese potentielle Energie schlagartig freige
setzt und in kinetische Energie eines Rotors umgewandelt,
der eine Vielzahl von Permanentmagneten trägt, die sich bei
seiner schlagartig freigegebenen Drehbewegung an mehreren
hintereinandergeschalteten Induktionsspulen vorbeibewegen, in
denen wegen der vergleichsweise hohen Drehgeschwindigkeit des
Rotors eine für die Ansteuerung des den mechanischen Zähler
betätigenden Elektromagneten ausreichende Leistung induziert
wird.
Nachteilig ist an dieser bekannten Anordnung die Tatsache,
daß die Kopplung der sich drehenden Welle mit der den
Speicher für die potentielle Energie bildenden Feder über ein
kompliziertes mechanisches Getriebe erfolgt, das in der Lage
sein muß, über einen gewissen Drehwinkel der Welle hinweg den
Rotor mitzunehmen und dabei seine Rückstellfeder zu spannen,
um ihn bei Erreichen der vorgegebenen Position freizugeben,
sodaß er von der sich entspannenden Feder für eine
Drehbewegung beschleunigt werden kann. Diese mechnische
Koppelungsvorrichtung ist nicht nur kompliziert und aufwendig
in der Herstellung, sondern besitzt auch einen großen
Platzbedarf und ein hohes Gewicht. Darüber hinaus kann sie
die Speicherfeder nur in einer Drehrichtung der Welle
spannen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen
Positionsdetektor der eingangs genannten Art so weiterzubil
den, daß er einen einfachen mechanischen Aufbau besitzt und
mit hoher Zuverlässigkeit bei Erreichen der vorgebbaren
Position durch den sich bewegenden Körper einen ausreichend
großen elektrischen Impuls unabhängig davon abgibt, aus
welcher Richtung sich der sich bewegende Körper an die vor
gegebene Position mit äußerst geringer, insbesondere gegen
Null gehender Geschwindigkeit annähert.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im An
spruch 1 niedergelegten Merkmale vor.
Durch die erfindungsgemäße magnetische Kopplung wird eine
einfache, kostengünstig herstellbare Vorrichtung mit sehr
geringem Raumbedarf geschaffen, die in der Lage ist, unab
hängig von der Bewegungsrichtung des zu überwachenden Kör
pers den Speicher für potentielle Energie kummulativ zu laden
und dann, wenn die Rückstellkraft die magnetische Kopplungs
kraft übersteigt, eine schlagartige Freisetzung der gespei
cherten Energie zuzulassen.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Signalverarbeitungs
einrichtung um eine Verarbeitungselektronik, die einen so
geringen Bedarf an elektrischer Energie besitzt, daß der
erzeugte elektrische Impuls zu ihrer Energieversorgung dienen
kann. Besonders bevorzugt ist wenn, der elektrische Impuls
sowohl als Signal- als auch als Energieversorungsimpuls
Verwendung findet.
Vorzugsweise wird das Massenträgheitsmoment der sich bewegen
den Teile möglichst klein gehalten, um hohe Geschwindigkeiten
zu erzielen.
Das beim schlagartigen Freisetzen der gespeicherten potenti
ellen Energie auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigte Ele
ment umfaßt vorzugsweise einen Permanentmagneten, der in et
wa dann, wenn er seine maximale Geschwindigkeit erreicht hat,
sich an einer Induktionsspule vorbeibewegt, um in dieser den
rgewünschten elektrischen Impuls zu induzieren. In seinem Haupt
teil besteht dieser Impuls aus einer positiven und einer ne
gativen Halbwelle mit sehr steilen Flanken, wobei die Reihen
folge, in der diese Halbwellen auftreten, vom Wicklungssinn
der Spule und davon abhängt, ob der Magnet an der Spule mit
seinem Nord- oder seinem Südpol vorbeiläuft.
In vielen Fällen kann eine Halbwellengleichrichtung ausrei
chend sein, um die für die Verarbeitungselektronik insbeson
dere zum Einschreiben eines erfaßten Umdrehungszählwertes in
einen dauerhaften Speicher erforderliche Versorungsspannung
zur Verfügung zu stellen. Sollte dies nicht genügen, kann auch
die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Halbwellenscheiteln
durch eine Vollweggleichrichtung genutzt werden. Noch höhere
Spannungen lassen sich dadurch erzielen, daß man mit der aus
dem induzierten Impuls gewonnen Gleichspannung mehrere zu
nächst parallel geschaltete Kondensatoren lädt, die dann zur
Spannungs- und Stromabgabe an die Auswerteelektronik in Reihe
geschaltet werden. Voraussetzung hierfür ist, daß die aus dem
induzierten Impuls unmittelbar gewonnene Spannung zur Ansteu
erung der Schaltlogik z. B. für das Umschalten der Kondensato
ren ausreichend ist. Bei genügend kleiner Masseträgheit des
Zwischenteils enthält die erste Halbwelle des Impulshauptteils
wesentlich mehr Energie als die Auswerteelektronik für die
Durchführung eines Speichervorganges benötigt. Daher ist es
prinzipiell möglich, gewünschtenfalls die Induktionsspule
bereits während des zeitlich späteren Teils dieser Halbwelle
kurzzuschließen, um das Zwischenteil schell abzubremsen. Vor
zugsweise wird hierfür jedoch die zweite Halbwelle genutzt.
Für den Fall, daß die Verarbeitungselektronik aus ihrer re
gulären Stromversorgungsquelle gespeist werden kann, ist es
möglich, den Energiespeicher so von dem sich bewegenden Kör
per zu entkoppeln, daß er keine Anteile der kinetischen Ener
gie des sich bewegenden Körpers mehr entnimmt und ansammelt.
Bei diesem "Regelbetrieb" ist der erfindungsgemäße Positions
detektor dann völlig rückwirkungsfrei.
Umgekehrt sind aber auch Einsatzfälle denkbar, in denen die
Verarbeitungselektronik ihre gesamte elektrische Energie aus
schließlich von einem gemäß der Erfindung aufgebauten Positi
onsdetektor erhält oder der erfindungsgemäße Positionsdetektor
überhaupt nur zur Stromversorgung der Verarbeitungselektronik
und allenfalls zur Gewinnung einer Information über die Bewe
gungsrichtung des sich bewegenden Körpers verwendet wird, wäh
rend für die Positionsbestimmung ein zusätzlicher, vorzugs
weise kapazitiver Sensor vorgesehen ist.
Weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Positionsdetektors sind in den Unter
ansprüchen niedergelegt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs
beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben;
in dieser zeigen:
Fig. 1 in stark schematisierter Weise den Aufbau eines Posi
tionsdetektors gemäß der Erfindung, der als Umdrehungs
zähler geeignet ist und bei dem der Energiespeicher
von einer Blattfeder gebildet wird,
Fig. 2 ebenfalls in stark schematisierter Weise den Aufbau
eines als Umdrehungszähler geeigneten Positionsdetek
tors gemäß der Erfindung, bei dem die Energiespeicher
jeweils von einer Magnetanordnung gebildet werden,
Fig. 3 in schematischer Weise den Aufbau eines zur Überwa
chung einer linearen Verschiebung geeigneten erfin
dungsgemäßen Positionsdetektors, bei dem die Energie
speicher wieder von Magnetanordnungen gebildet werden,
Fig. 4a und 4b zwei verschiedene Stellungen einer weite
ren Ausführungsform eines als Umdrehungszähler ge
eigneten Positionsdetektors gemäß der Erfindung, bei
dem die Drehachse des Zwischenteils mit der Achse der
sich drehenden Welle zusammenfällt und
Fig. 5 eine Schnittansicht durch eine praktische Ausführungs
form eines erfindungsgemäßen Positonsdetektors, der
als Umdrehungszähler in Verbindung mit einem Absolut
winkelgeber einen Multiturn bildet.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform wird der sich be
wegende Körper von einer Welle 1 gebildet, die sich in Rich
tung des Pfeiles R drehen kann. Um die Umdrehungen dieser Wel
le auch dann zählen zu können, wenn die nicht dargestellte
Auswerteelektronik von ihrer regulären Stromversorgung getrennt
ist und sich die Welle 1 nur sehr langsam bewegt, ist ein Ener
giespeicher 2 vorgesehen, der im vorliegenden Fall von einer
Blattfeder 4 gebildet wird, die mit ihrem einen Ende so an
einem drehfesten Halter 5 eingespannt ist, daß sie sich in
etwa ausgehend von der Drehachse der Welle 1 in radialer Rich
tung erstreckt.
Damit dieser Energiespeicher 2 während der Annäherung des sich
bewegenden Körpers an eine vorgebbare Position, d. h. im vor
liegenden Fall während der Annäherung der rotierenden Welle 1
an eine vorgebbare Winkelstellung, einen Teil der Bewegungs
energie der rotierenden Welle 1 ansammeln und speichern kann,
ist ein Mitnehmer vorgesehen, der das freie Ende der Blattfe
der 4 aus der in Fig. 1 gezeigten Ausgangsstellung über einen
bestimmten Winkel in Umfangsrichtung, d. h. in Richtung des
Pfeiles A auslenkt, während sich die Welle 1 an die vorgeb
bare Winkelstellung annähert.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Positionsgeber wird dieser Mit
nehmer von zwei Permanentmagneten 7, 8 gebildet, von denen
der eine über einen sich radial zur Drehachse der Welle 1
erstreckenden, steifen Träger 10 drehfest mit der Welle 1 ver
bunden und so orientiert ist, daß seine Nord/Süd-Richtung in
etwa parallel zur Welle 1 verläuft. Der zweite Permanentmag
net 8 ist an dem freien Ende der Blattfeder 4 so befestigt,
daß er mit seiner Nord/Süd-Richtung möglichst genau antipa
rallel zum Permanentmagneten 7 ausgerichtet ist.
Die radiale Länge des Trägers 10 ist so gewählt, daß der Per
manentmagnet 7 aufgrund der Drehung der Welle 1 möglichst
genau unter dem Permanentmagneten 8 hindurchläuft, wobei der
axiale Abstand zwischen diesen beiden Magneten sehr klein ge
halten wird. Bei Annäherung des Permanentmagneten 7 an den
Permanentmagneten 8 wird letzterer wegen der antiparallelen
Orientierung abgestoßen. Da der Träger 10 und die Blattfeder
4 in axialer Richtung eine hohe Steifigkeit besitzen, weicht
der Permanentmagnet 8 in radialer Richtung, d. h. in Richtung
des Pfeiles A aus, wodurch die Blattfeder 4 gebogen und in
zunehmendem Maße gespannt wird. Auf diese Weise wird ein Teil
der Bewegungsenergie der rotierenden Welle 1 in Form poten
tieller Federenergie angesammelt und gespeichert.
Da die Rückstellkraft der Blattfeder 4 mit zunehmender Auslen
kung zunimmt, wird bei fortschreitender Drehbewegung der Wel
le 1 in Richtung des Pfeiles R eine Auslenkposition erreicht,
in der die Rückstellkraft der Blattfeder 4 die in Umfangs
richtung wirkenden Abstoßungskräfte zwischen den Permanentmag
neten 7 und 8 überwindet, so daß der Permanentmagnet 8 auf
der durch die Länge der Blattfeder 4 gegebenen gekrümmten
Bahn in Richtung auf die in Fig. 1 gezeigte Ausgangsstellung,
d. h. entgegen der Richtung des Pfeiles A stark beschleunigt
wird. Auf diese Weise wird die in der Blattfeder 4 gespeicher
te potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt.
Bei Erreichen der in Fig. 1 gezeigten Ausgangsposition besitzt
der Permanentmagnet 8 seine maximale Geschwindigkeit, so daß
er sich entgegen der Richtung des Pfeiles A über diese Stel
lung hinaus bewegt, wobei die Blattfeder 4 so lange zurückge
bogen wird, bis die kinetische Energie wieder in potentielle
Energie umgesetzt ist. Auf diese Weise kann sich der Permanent
magnet 8 prinzipiell mehrfach so lange hin- und herbewegen,
bis aufgrund der vorhandenen Dämpfung die in der Blattfeder 4
ursprünglich gespeicherte Energie in Wärme umgewandelt ist
und der Permanentmagnet 8 wieder in der in Fig. 1 gezeigten
Ausgangslage zur Ruhe kommt.
Um die beim ersten Zurückfedern des Permanentmagneten 8 in
ihm steckende kinetische Energie in einen elektrischen Ener
gieimpuls umzuformen, ist eine Induktionsspule 12 vorgesehen,
die auf einen Eisenkern 13 gewickelt ist, der in der Nähe der
in Fig. 1 gezeigten Ausgangslage des Permanentmagneten 8 dreh
fest so angeordnet ist, daß sich beim Hindurchlaufen des Per
manentmagneten 8 durch diese Ausgangslage der den Eisenkern
13 durchsetzende magnetische Fluß in sehr kurzer Zeit ändert.
Aufgrund des so erzeugten großen dϕ/dt wird in der Induk
tionsspule 12 eine Spannung induziert, die völlig ausreichend
ist, um beispielsweise einen Kondensator aufzuladen, der als
Strom/Spannungsquelle für die Verarbeitungselektronik dient
und diese zumindest in die Lage versetzt, einen elektroni
schen Zähler zum Abzählen der von der Welle 1 durchlaufenen
Umdrehungen um einen Zählwert zu erhöhen. Der in der Induk
tionsspule 12 erzeugte elektrische Energieimpuls hat somit
zwei Funktionen: Er dient einerseits als Signalimpuls, der
anzeigt, daß die rotierende Welle 1 eine bestimmte vorgegebe
ne Winkelstellung durchlaufen hat und er dient gleichzeitig
zur Energieversorgung der diesen Signalimpuls auswertenden
Elektronikschaltung.
Der in Fig. 1 wiedergegebene kreiszylindrische Eisenkern 13
würde allerdings nur eine vergleichsweise schwache Magnetkop
pelung zum Permanentmagneten 8 und damit nur eine geringe
Induktionsflußänderung dϕ/dt zur Folge haben. Vorzugsweise
wird der Eisenkern daher E-förmig ausgebildet und so angeord
net, daß sich die drei E-Schenkel in der gleichen Weise in
axialer Richtung erstrecken, wie dies für den zylinderförmi
gen Eisenkern 13 dargestellt ist. Die Induktionsspule 12 ist
dann auf den mittleren der drei E-Schenkel gewickelt, der in
der in Fig. 1 gezeigten Ausgangsstellung mit seiner unteren
Stirnfläche dem Permanentmagneten 8 gegenüberliegt. Der die
drei Schenkel des E-förmigen Kerns verbindende Steg ist ent
sprechend dem Krümmungsradius der Bewegungsbahn des Permanent
magneten 8 gekrümmt, so daß auch die beiden außen liegenden
E-Schenkel sich mit ihren nach unten weisenden Stirnflächen
möglichst genau über der Bewegungsbahn des Permanentmagneten
8 befinden. Dies hat zur Folge, daß der von der oberen Stirn
fläche des Permanentmagneten 8 ausgehende Magnetfluß beim Zu
rückfedern der Blattfeder 4 aus ihrer ersten Auslenkungslage
zunächst durch den einen außenliegenden E-Schenkel in den
Eisenkern ein- und im wesentlichen durch den mittleren Schen
kel wieder austritt. Die dabei vorgegebene Magnetflußrichtung
kehrt sich dann schlagartig um, wenn die obenliegende Stirn
fläche des Permanentmagneten 8 den kurzen Bogen zwischen dem
eben genannten außenliegenden E-Schenkel und dem mittleren
Schenkel durchlaufen hat. Hierdurch wird ein sehr großes
dϕ/dt erreicht, das beispielsweise einen positiven Spannungs
impuls an den Ausgängen der Induktionsspule 12 erzeugt. Durch
läuft dann die obere Stirnfläche des Permanentmagneten 8 das
weitere kleine Bogenstück zwischen dem mittleren und dem an
deren außenliegenden E-Schenkel, kehrt sich die Magnetfluß
richtung im Eisenkern erneut um, so daß nunmehr ein nahezu
gleich großer negativer Spannungsimpuls induziert wird. Aller
dings kann aus der Polarität dieser beiden Impulse nicht er
kannt werden, in welcher Richtung sich die Welle 1 gedreht hat.
Sobald die Induktionsspule 13 genügend elektrische Energie ab
gegeben hat, um die oben beschriebene Signalauswertung und
Energiespeicherung durchzuführen, können ihre Ausgänge mit
Hilfe eines nicht dargestellten steuerbaren Schalters kurz
geschlossen werden. Dadurch wird die Hin- und Herbewegung des
Permanentmagneten 8 unter dem Eisenkern 13 hindurch so stark
bedämpft, daß er schnell in die in Fig. 1 gezeigte Ausgangs
lage zurückkehrt. Es ist möglich, das aus der Blattfeder 4
und dem Permanentmagneten 8 bestehende System so stark zu be
dämpfen, daß der Permanentmagnet 8 bei seiner Rückkehr aus
der ersten Auslenkungsposition in die in Fig. 1 gezeigte
Ausgangslage sich nur sehr wenig durch diese Ausgangslage
hindurchbewegt und nach dem Zurückschwingen sehr schnell zur
Ruhe kommt.
Anstelle des beschriebenen mit zwei Permanentmagneten 7 und
8 arbeitenden Mitnehmers zur zeitweisen Koppelung des Ener
giespeichers 2 mit der Drehbewegung der Welle 1 kann prinzi
piell auch ein rein mechanischer Mitnehmer vorgesehen werden,
der dann, wenn der Träger 10 die in Fig. 1 gezeigte Stellung
erreicht, mit der Blattfeder 4 im Bereich ihres freien Endes
in Eingriff tritt und die Blattfeder 4 in der oben beschrie
benen Weise über einen vorgebbaren Winkelbereich auslenkt,
um sie dann schlagartig freizugeben. Da eine solche mechani
sche Koppeleinrichtung aber insbesondere dann, wenn die Welle
1 im Normalbetrieb mit hohen Drehzahlen läuft, einem starken
Verschleiß unterworfen ist, ist die in Fig. 1 gezeigte mag
netische Koppelung vorzuziehen.
Auch das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfin
dungsgemäßen Positionsgebers dient dazu, die Umdrehungen
einer Welle 1 mit Sicherheit auch dann zu zählen, wenn sich
diese Welle mit sehr geringer Geschwindigkeit dreht und die
reguläre Energieversorgung der Auswerteelektronik ausgefallen
bzw. abgeschaltet ist. Um überdies die Drehrichtung der
Welle 1 erkennen zu können, sind hier zwei Energiespeicher-
und Detektoreinheiten 15, 16 vorgesehen, die prinzipiell
einen identischen Aufbau besitzen können. In Fig. 2 sind
lediglich deswegen zwei unterschiedlich aufgebaute Einheiten
15, 16 wiedergegeben, um auf einfache Weise verschiedene Re
alisierungsmöglichkeiten darstellen zu können.
Beide Energiespeicher- und Detektoreinheiten 15, 16 umfas
sen ein Zwischenstück 18, 18', das jeweils einen Permanent
magneten 19, 19' aufweist, der um eine zur Achse der Welle
1 parallele Achse drehbar gelagert ist, wie dies durch die
Wellen 20, 20' angedeutet ist. Die Wellen 20, 20' sind auf
einem zur Drehachse der Welle 1 konzentrischen Kreisbogen
mit einem Winkelabstand von etwa 90° angeordnet. Noch weiter
außen und radial auf die Drehachse der Welle 1 ausgerich
tet befinden sich zwei stabförmige Elemente 22, 22' aus
ferromagnetischem Material, die hier von Weicheisenstäben
gebildet werden. Diese Weicheisenstäbe 22, 22' sind dreh
fest so gelagert, daß sie mit ihren zur Achse der Welle 1
hinweisenden Stirnenden jeweils in geringem Abstand zu der
Bewegungsbahn liegen, die die freien Enden der stabförmi
gen Permanentmagneten 19 bzw. 19' bei deren Drehung um die
Wellen 20, 20' durchlaufen können. Dies hat zur Folge, daß
die im Prinzip frei drehbaren stabförmigen Permanentmagneten
19, 19' vorzugsweise eine Ausgangsstellung einnehmen, in der
sie radial zur Achse der Welle 1 hin ausgerichtet sind und
sich aufgrund des von ihnen in den Weicheisenkernen 22, 22'
induzierten Magnetfeldes an diesen Kernen "festhalten".
Die beiden Energiespeicher- und Detektoreinheiten 15, 16 sind
so angeordnet, daß sich die nach innen weisenden Stirnflächen
der in ihrer Ausgangslage befindlichen Permanentmagnete 19,
19' sehr nahe an einer kreisförmigen Bewegungsbahn befinden,
die die freien Enden eines stabförmigen, drehfest mit der
Welle 1 verbundenen weiteren Permanentmagneten 24 bei einer
Drehung der Welle 1 durchlaufen.
Auf den Weicheisenkern 22 ist eine Induktionsspule 25 ge
wickelt. während der Weicheisenkern 22' keine solche Spule
trägt. Die Welle 20', die drehfest mit dem Permanentmagne
ten 19' verbunden ist, ist in Fig. 2 nach oben verlängert
und trägt einen gegen den Permanentmagneten 20' um 90° ver
dreht angeordneten, mit ihr ebenfalls drehfest verbundenen
Permanentmagneten 26. Dieser Permanentmagnet 26 taucht von
unten her in einen in Form eines hohlen Kreiszylinders aus
gebildeten Doppel-E-Kern 28 ein, dessen Zylinderachse mit der
Achse der Welle 20' zusammenfällt. Die in Fig. 2 oben lie
gende Seite des Kerns 28 ist durch einen Boden 30 ver
schlossen, in dem zwei längliche, zueinander parallele
und zum Innenraum des Kerns 28 durchgehende Öffnungen
31, 32 vorgesehen sind, die zwischen sich einen
Steg 33 einschließen. Auf diesen Steg 33 ist eine Induk
tionsspule 34 gewickelt. Jede der beiden Öffnungen 31, 32
mündet in einen den Boden radial nach außen durchsetzenden
und sich dann längs einer Mantellinie über die gesamte
axiale Höhe des Doppel-E-Kerns 28 erstreckenden Schlitz
35, 36. Auf diese Weise ist der Kern 28 praktisch in
zwei durch einen Luftspalt voneinander getrennte Hälften
geteilt, die nur über den die Induktionsspule 34 tragenden
Steg 33 miteinander verbunden sind.
Bei der Energiespeicher- und Detektionseinheit 15 ist der Ei
senkern 22 anders als dargestellt vorzugsweise E-förmig aus
gebildet, wie dies in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wur
de. Auch hier wird der E-förmige Kern so angeordnet, daß sich
die freie Stirnfläche seines mittleren Schenkels möglichst
nahe an der kreisförmigen Bewegungsbahn befindet, die die
Stirnenden des Stabmagneten 19 bei dessen Rotation um die
Welle 20 durchlaufen. Entsprechendes gilt auch für alle in
den Fig. 3 und 4 gezeigten Weicheisenkerne, die lediglich der
der Einfachheit halber als zylindrische Stäbe wiedergegeben
sind.
Zur Erläuterung der Funktionsweise des in Fig. 2 gezeig
ten Umdrehungszählers wird zunächst die Einheit 15 be
trachtet, wobei angenommen wird, daß der Stabmagnet 19
gegenüber der gezeigten Position um 180° gedreht ist, so
daß sein Nordpol zur Achse der Welle 1 und sein Südpol
zum Weicheisenkern 22 zeigt. Außerdem wird angenommen, daß
der mit der Welle 1 drehfest verbundene Stabmagnet 24 bei
einer Bewegung in Richtung des Pfeiles R noch nicht die
in Fig. 2 gezeigte sondern eine etwas mehr als 90° davor
befindliche Position erreicht hat, in der sich sein Nord
pol in zunehmendem Maß dem Nordpol des Permanentmagneten
19 nähert. Letzterer bleibt zunächst trotz der zunehmenden
abstoßenden Kräfte zwischen diesen beiden Polen in seiner
mit dem Nordpol radial nach innen gerichteten Lage, weil
sich sein Südpol am Eisenkern 22 "festhält". Der Energie
speicher zum Speichern potentieller Energie wird hier also
von einem Magnetsystem gebildet, das zwei Elemente, nämlich
den Weicheisenkern 22 und den Permanentmagneten 19 umfaßt.
Auch die Mitnehmer-Anordnung ist wieder magnetischer Natur.
Nähert sich nämlich der Nordpol des Permanentmagneten 24
immer stärker an den Nordpol des Permanentmagneten 19 an,
so wird eine Winkelstellung der Welle 1 erreicht, in der
die abstoßenden Kräfte zwischen diesen beiden Nordpolen
größer werden, als die anziehenden Kräfte zwischen dem Per
manentmagneten 19 und dem Weicheisenkern 22.
Zu diesem Zeitpunkt wird der Permanentmagnet 19 für eine
Drehbewegung stark beschleunigt, wobei kurz nach Verlassen
der radial ausgerichteten Ausgangslage nicht nur die ab
stoßenden Kräfte zwischen seinem Nordpol und dem Nordpol
des Permanentmagneten 24 sondern auch die anziehenden
Kräfte zwischen seinem Südpol und dem Nordpol des Perma
nentmagneten 24 wirksam werden. Aufgrund dieser doppelten
Kraftwirkung hat der Permanentmagnet 19 eine sehr hohe
Drehgeschwindigkeit erreicht, wenn er auf den Kern 22 der
Induktionsspule 25 zu und an diesem vorbei läuft. Dadurch
wird insbesondere dann, wenn dieser Kern in der oben be
schriebenen Weise E-förmig ausgebildet ist, ein großes
dϕ/dt erzielt, wodurch eine entsprechend hohe Spannung
in der Induktionsspule 25 induziert wird. Der damit ver
bundene elektrische Energieimpuls kann in der gleichen
Weise verwendet werden, wie dies oben unter Bezugnahme
auf das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel beschrie
ben wurde.
Wenn die erforderliche Energie und das benötigte Signal an
die Auswerteelektronik abgegeben wurden, wird die Induktions
spule 25 durch einen nicht dargestellten Schalter kurzge
schlossen und dadurch die Drehbewegung des Permanentmagneten
19 so stark bedämpft, daß er mit seinem Nordpol nur wenig an
dem ihm zugewandten Stirnende des Kerns 22 vorbeiläuft um dann
in die in Fig. 2 wiedergegebene Lage zurückzukehren.
Wesentlich ist auch hier, daß die beschriebene schnelle
Drehbewegung von der Geschwindigkeit, mit der die Welle 1
und der mit ihr verbundene Permanentmagnet 24 auf die vor
gebbare Winkelposition zuläuft, weitgehend unabhängig ist.
Der hier realisierte magnetische Energiespeicher entnimmt
über einen der Auslösestellung vorausgehenden Drehbewegungs
bereich einen Teil der kinetischen Rotationsenergie der
Welle 1 und speichert ihn kumulativ so lange, bis die
beschriebene Drehbewegung des Permanentmagneten 19 aus
gelöst wird. Dann wird die gespeicherte magnetische Energie
in kinetische Energie umgesetzt, die beim Vorbeilaufen
des Nordpol-Endes des Permanentmagneten 19 am Kern der
Induktionsspule 25 in elektrische Energie umgeformt wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist also der zum Speichern
der magnetischen Energie dienende Permanentmagnet mit dem
zur Umwandlung der dem Zwischenteil 18 aufgeprägten kine
tischen Energie in einen elektrischen Energieimpuls dienen
den Permanentmagneten identisch.
Dem eben beschriebenen Vorgang entspricht die Verwendung von
umzumagnetisierenden Substanzen, bei denen dann, wenn ein
sich bewegender Fremdmagnet eine vorgegebene Stellung er
reicht hat, eine "schlagartige" Ummagnetisierung stattfin
det. Hier wird die kumulierte potentielle Energie des Mag
netfeldes in kinetische Energie der umklappenden Weißschen
Bezirke umgesetzt. Das mechanisch-makroskopische Umklappen
eines ganzen Permanentmagneten im Zwischenteil ist jedoch
vorzuziehen, weil es nahezu verlustfrei, vollständig und
beliebig oft durchführbar ist. Darüber hinaus weist es den
Vorteil auf, daß durch die geringe Impedanz ein wesentlich
längerer und energiereicherer Spannungsimpuls erhalten wird.
Dreht sich die Welle 1 über die in Fig. 2 gezeigte Position
um weitere 90° in Richtung des Pfeiles R, so läuft der
Südpol des Permanentmagneten 24 auf den jetzt radial nach
innen weisenden Südpol des Permanentmagneten 19 zu und es
erfolgt bei einer Fortsetzung dieser Drehbewegung der gleiche
Energiespeicherungs- und Freisetzungsvorgang wie er eben
beschrieben wurde. Der einzige Unterschied besteht darin,
daß die in der Induktionsspule 25 induzierten Spannungs
impulse das umgekehrte Vorzeichen besitzen.
Allerdings ist nicht erkennbar, ob sich der Permanentmag
net 19 beim Vorbeilaufen am Kern 22 im Uhrzeigersinn oder
entgegen dem Uhrzeigersinn dreht, was einer Drehung der
Welle 1 entgegen dem Uhrzeigersinn bzw. im Uhrzeigersinn
entsprechen würde. Um eine solche Richtungserkennung zu
ermöglichen, ist eine gegen die eben beschriebene Einheit
15 um 90° versetzt angeordnete zweite Energiespeicher- und
Detektoreinheit 16 vorgesehen. Der Winkel von 90° ist nicht
zwingend sondern kann auch kleiner oder größer sein, so lan
ge er nur deutlich größer als 0° und deutlich kleiner als
180° ist. Wie bereits erwähnt, kann die Einheit 16 in iden
tischer Weise wie die Einheit 15 ausgebildet sein.
Bei der tatsächlich wiedergegebenen Ausführungsform hält
sich der Permanentmagnet 19' bei der Annäherung des Nord
pols des Permanentmagneten 24 an seinen Nordpol ebenfalls
am drehfest gelagerten Eisenkern 22' fest. Erfolgt dann
bei genügend großer Abstoßungskraft die oben beschriebene
schlagartige Rotationsbeschleunigung, so bewegt sich der
mit dem Permanentmagneten 19' über die Welle 20' gekoppelte
Permanentmagnet 26 in dem ferromagnetischen topfförmigen
Doppel-E-Kern 28 über einen vergleichsweise großen Winkel
bereich mit hoher Beschleunigung, wobei seine beiden Pole über
die Spalte 35 bzw. 36 hinweglaufen. In diesem Augenblick kehrt
sich der in der Spule 34 induzierte Magnetfluß schlagartig um,
so daß wieder ein großes dϕ/dt erzielt wird. Bei dieser
Ausführungsform sind also der Permanentmagnet 19', der
im wesentlichen zur magnetischen Energiespeicherung dient
und der Permanentmagnet 26, der im wesentlichen zur Um
setzung der kinetischen Rotationsenergie in elektrische
Energie dient, voneinander verschieden, wenn auch mecha
nisch drehfest miteinander verbunden.
Aus der Reihenfolge und Polung, mit der die Spannungs
impuls nacheinander an den Ausgängen der Induktions
spulen 25 und 34 auftreten, läßt sich dann auch immer
eindeutig die Richtung einer Drehbewegung erkennen, die
eines der beiden Stirnenden des Permanentmagneten 24 an
den beiden Energiespeicher- und Detektoreinheiten 15, 16
vorbeiführt. Auch ein Hin- und Herpendeln dieses Stirnen
des zwischen den beiden Einheiten 15, 16 kann auf diese
Weise erkannt werden. Nimmt man an, daß bei Inbetriebnahme
der Anordnung einer oder beide der Permanentmagneten 19, 19'
mit einem Magnetpol nach innen zur Welle 1 hinweisen, der
dem Magnetpol des Permanentmagneten 24 entgegengesetzt
ist, der sich zuerst an die betreffende Detektoreinheit
15 bzw. 16 annähert, so findet anders als oben beschrieben
eine zunehmende Anziehung zwischen diesen beiden Polen
statt. Dies wird dazu führen, daß sich der nach innen wei
sende Pol des Permanentmagneten 19 bzw. 19' beim Vorbei
laufen des entgegengesetzten Pols des Permanentmagneten 24
etwas mit diesem mitbewegt, wobei die Anziehungskraft mit zu
nehmendem Abstand wieder geringer wird. Der Permanentmagnet
19 bzw. 19' kehrt dann in seine ursprüngliche Lage zurück,
ohne den oben beschriebenen Umklappvorgang zu durchlaufen
und eine nennenswerte Spannung in der zugehörigen Induk
tionsspule 25 bzw. 34 zu induzieren. Als nächstes nähert
sich ihm dann aber bei gleichbleibender Drehrichtung der
gleichnamige Magnetpol des Permanentmagneten 24, so daß
nach wenigstens einer vollständigen Umdrehung der Welle 1
nach Inbetriebnahme die oben beschriebene Funktion für
jede der Energiespeicher- und Detektoreinheiten 15, 16
gewährleistet ist.
In Fig. 3 ist ein erfindungsgemäßer Positionsgeber zur
Überwachung einer Linearverschiebung wiedergegeben. Hier
wird der sich bewegende Körper von einem Stab 40 gebildet,
der sich in Richtung des Pfeiles S hin und her verschieben
kann. Quer zur Verschiebungsrichtung trägt der Stab 40
eine Vielzahl von in regelmäßigen Abständen angeordneten
Permanentmagneten 42, die zueinander antiparallel angeord
net sind, so daß sie mit alternierenden Nord- bzw. Südpol-
Enden zu den beiden Energiespeicher- und Detektoreinheiten
15, 16 hinweisen, die in entsprechender Weise aufgebaut sind,
wie dies oben unter Bezugnahme auf Fig. 2 für die Einheit 15
beschrieben wurde. Erfindungsgemäß können auch diese beiden
Energiespeicher- und Detektoreinheiten in der gleichen Weise
wie die in Verbindung mit Fig. 2 beschriebene Einheit 16
aufgebaut sein. Der Abstand der beiden Einheiten 15, 16 in
Verschieberichtung beträgt hier eine viertel Periodenlänge,
d. h. ein Viertel des Abstandes zwischen zwei aufeinanderfol
genden Nord- bzw. aufeinanderfolgenden Südpolen der Perma
nentmagneten 42. Die Funktionsweise entspricht völlig der
des in Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbei
spiels, so daß auf eine nochmalige Beschreibung verzichtet
werden kann.
In den Fig. 4a und 4b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Umdrehungszählers in zwei unterschiedlichen Stellun
gen wiedergegeben, bei dem das Zwischenstück 45 um eine
zur Achse der Welle 1 konzentrische Achse drehbar gelagert
ist.
Wie man den Fig. 4a und 4b entnimmt, sind auf der Stirn
fläche der sich drehenden Welle 1 zwei stabförmige Träger
47, 48 so angeordnet, daß sie sich in radialer Richtung
bezüglich der Drehachse der Welle 1 erstrecken, wobei
sie sich so überkreuzen, daß ihr Kreuzungspunkt in der
Drehachse der Welle 1 liegt. Dabei schließen die Träger
47, 48 zwischen sich zwei einander gegenüberliegende
Winkel von jeweils 60° und zwei einander gegenüberlie
gende Winkel von jeweils 120° ein. An ihren nach außen
weisenden Enden tragen die Träger 47, 48 jeweils einen
Permanentmagneten 50, 51, 52, 53, der mit seiner Nord-
Süd-Richtung ebenfalls radial ausgerichtet ist. Die Per
manentmagnete 50 bis 53 liegen auf einem zur Drehachse
der Welle 1 konzentrischen Kreis und weisen alle mit
dem gleichen Pol, in diesem Fall mit ihrem Nordpol nach
außen.
Das in den Fig. 4a und 4b über der Stirnfläche der Welle 1
angeordnete Zwischenstück 45 ist drehbar gelagert, wobei
seine Drehachse mit der der Welle 1 zusammenfällt. Es ist
ebenfalls als stabförmiger Träger ausgebildet, der sich
längs eines Kreisdurchmessers bezüglich der Drehachse der
Welle 1 radial erstreckt und an seinen beiden nach unten
abgewinkelten Enden jeweils einen mit seiner Nord-Süd-Rich
tung radial ausgerichteten Permanentmagneten 55, 56 trägt.
Aufgrund der Abwinkelung der Enden des Zwischenstücks 45
können sich die Permanentmagneten 55, 56 bei einer Drehbewe
gung des Zwischenstücks 45 auf einem Kreis bewegen, der in
der gleichen Ebene liegt wie der Bewegungskreis der Per
manentmagnete 50 bis 53, aber einen um so viel größeren
Durchmesser aufweist, daß die nach außen weisenden Stirn
flächen der Permanentmagnete 50 bis 53 in geringem Ab
stand an den nach innen weisenden Stirnflächen der Per
manentmagnete 55 und 56 vorbeilaufen können. Die Nord-
Süd-Ausrichtung der Permanentmagnete 55, 56 ist der
der Permanentmagnete 50 bis 53 entgegengesetzt, d. h.
sie weisen im vorliegenden Fall mit ihren Nordpolen ra
dial nach innen.
In der gleichen Ebene, in der die Bewegungsbahnen der Per
manentmagnete 50 bis 53 und 55 bis 56 liegen, sind eben
falls auf einem zur Drehachse der Welle 1 konzentrischen
Kreis drei Induktionsspulen 58, 59 und 60 mit Winkelab
ständen von jeweils 120° fest so angeordnet, daß sich ihre
hier als Kreiszylinder wiedergegebenen Kerne 62, 63, 64
in radialer Richtung bezüglich der Drehachse der Welle 1
erstrecken. In der gleichen Ebene und auf dem gleichen
Kreis wie die Induktionsspulen 58 bis 60 sind drei Per
manentmagnete 67, 68, 69 vorgesehen, die gegen die Induk
tionsspulen 58 bis 60 winkelmäßig jeweils um 60° versetzt
angeordnet und so orientiert sind, daß ihre Nord-Süd-Rich
tung radial zur Drehachse der Welle 1 verläuft und ihre
nach innen weisenden Pole den nach außen weisenden Polen
der am Zwischenstück 45 befestigten Permanentmagnete 55,
56 entgegengesetzt sind. Der Durchmesser des Kreises, auf
dem die Induktionsspulen 58 bis 60 und die Permanentmag
nete 67 bis 69 fest angeordnet sind, ist so bemessen, daß
die Permanentmagnete 55, 56 bei einer Drehbewegung des
Zwischenteils 45 mit ihren nach außen weisenden Stirn
flächen knapp an den nach innen weisenden Stirnflächen
der Induktionsspulenkerne 62 bis 64 bzw. der Permanent
magnete 67 bis 69 vorbeilaufen können.
In Fig. 4a ist eine Stellung der eben beschriebenen An
ordnung gezeigt, in der das Zwischenstück 45 eine vor
übergehende Ruhelage einnimmt, da sich ihr Permanentmagnet
55 mit seinem nach außen weisenden Südpol an dem nach innen
weisenden Nordpol des Permanentmagneten 67 "festhält".
Entsprechendes gilt auch für die den gegenüberliegenden
Permanentmagneten 56 des Zwischenteils 45, der, wenn
auch mit geringerer Kraft, eine Anziehung durch den
ferromagnetischen Kern 64 der Induktionsspule 60 erfährt.
Somit umfassen hier die Energiespeicher 70, 71, 72, von
denen in Fig. 4a nur der Energiespeicher 70 aktiv ist,
jeweils vier Elemente, nämlich die beweglichen Permanent
magnete 55, 56 und ein Paar von einander diametral gegen
überliegenden ferromagnetischen Elementen, die von den
Permanentmagneten 67, 68, 69 und dem jeweils zugehörigen
Eisenkern 64, 62, 63 gebildet werden.
Aufgrund der in Richtung des Pfeiles R erfolgenden Drehung
der Welle 1 nähert sich der Permanentmagnet 51 mit seinem
nach außen weisenden Nordpol in zunehmenden Maße dem nach
innen weisenden Nordpol des Permanentmagneten 55, während
sich der Permanentmagnet 53 mit seinem nach außen weisenden
Nordpol dem nach innen weisenden Nordpol des Permanentmag
neten 56 nähert.
Auch dann, wenn die Drehbewegung der Welle 1 sehr langsam
erfolgt, erreichen die Permanentmagnete 51, 53 irgendwann
eine Stellung, in der die abstoßenden Kräfte zwischen ihnen
und den Permanentmagneten 55, 56 so groß werden, daß sich
letztere aus ihrer "Halterung" durch den Permanentmagneten
67 bzw. den Spulenkern 64 lösen und in Richtung des Pfei
les S schlagartig beschleunigt werden. Diese Beschleuni
gungswirkung wird zunächst noch dadurch verstärkt, daß der
Permanentmagnet 56 mit seinem nach außen weisenden Südpol
auf den nach innen weisenden Nordpol des feststehenden
Permanentmagneten 69 zuläuft und von diesem angezogen wird.
Ähnliches gilt auch für den Permanentmagneten 55, der bei
zunehmender Annäherung beginnt, im ferromagnetischen Kern
63 der Spule 59 ein ihn anziehendes Magnetfeld zu indu
zieren. Die Geschwindigkeit des sich aufgrund der eben
beschriebenen Beschleunigung drehenden Zwischenteils 45
erreicht ihr Maximum, wenn sich der Permanentmagnet 55
am Kern 63 der Induktionsspule 59 vorbeibewegt und in
dieser die gewünschten Spannungsimpulse induziert. Wegen
der hohen Drehgeschwindigkeit laufen die Permanentmagnete
55 und 56 an dem Spulenkern 63 bzw. dem Permanentmagneten
69 vorbei und nähern sich mit ihren nach innen weisenden
Nordpolen an die nach außen weisenden Nordpole der Perma
nentmagnete 52, 50 an, die sich aufgrund der wesentlich
langsameren Drehung der Welle 1 nur wenig auf ihrer Kreis
bahn weiterbewegt haben. Aufgrund der bei zunehmender An
näherung immer stärker werdenden Abstoßungskräfte wird die
Drehbewegung des Zwischenteils 45 abgebremst und die Per
manentmagnete 55, 56 sind nicht in der Lage, an den Per
manentmagneten 52, 50 vorbeizulaufen. Vielmehr kehrt sich
ihre Drehbewegung um und sie kehren zu der in Fig. 4b ge
zeigten Stellung zurück, um die sie je nachdem, wie stark
ihre Bewegung bedämpft wird, noch etwas pendeln.
Die eben beschriebenen Vorgänge wiederholen sich, wenn
sich die Welle 1 in Richtung des Pfeiles R weiterdreht,
so daß sich nach einer gewissen Zeit die Permanentmagnete
51, 53 wieder an die Permanentmagnete 55, 56 annähern.
In diesem Fall wird dann der Energiespeicher 72 wirksam.
Kehrt sich die Drehrichtung der Welle 1 um, so nähern sich
stattdessen die Permanentmagnete 52, 50 an die Permanent
magnete 55, 56 an und der oben beschriebene Ablauf erfolgt
in gleicher Weise jedoch mit entgegengesetzter Drehrichtung.
Aus der Reihenfolge, in der die Induktionsspulen 58 bis 60
Signale abgeben, kann wieder die Drehrichtung der Welle 1
bzw. die Tatsache erkannt werden, daß sich diese Drehrich
tung innerhalb kurzer Zeit umkehrt, ohne daß eine voll
ständige Umdrehung erfolgt.
Bei dieser Anordnung kann dann, wenn die Energieversorgung
der Auswerteelektronik sichergestellt ist und die Welle 1
sich schnell und rückwirkungsfrei drehen soll, der Träger
45 in axialer Richtung so weit nach oben gezogen werden,
daß die Permanentmagnete 55, 56 durch die Permanentmagnete
50 bis 53 keine merkliche Beeinflussung mehr erfahren. Da
durch werden die Energiespeicher 70, 71, 72 von der Welle
1 si entkoppelt, daß sie ihrer kinetischen Energie keine
Anteile mehr entziehen und speichern können.
In Fig. 5 ist ein konkretes Ausführungsbeispiel eines er
findungsgemäßen Umdrehungszählers wiedergegeben. Auf dem
freien Ende einer sich drehenden Welle 1 ist vermittels
einer Lageranordnung 65 eine Basis 66 montiert, die die
Drehbewegung der Welle 1 nicht mitmacht. Der Basis 66 trägt
ein topfförmiges Gehäuse 73, das das freie Ende der Welle
1 umschließt. Im Gehäuse 73 ist ein hochauflösender Dreh
geber 74 untergebracht, wie er beispielsweise in der deut
schen Patentschrift 41 13 745 beschrieben ist. Im oberen
Bereich des Gehäuses 37 befindet sich der erfindungsgemäße
Positionsdetektor 75, der im Prinzip entsprechend dem in
Fig. 2 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel aufgebaut ist.
Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß zur Erzielung
eines großen dϕ/dt das Massenträgheitsmoment möglichst klein
gehalten ist, um hohe Drehbeschleunigungen und damit große
Rotationsgeschwindigkeiten erzielen zu können.
Wie man der Fig. 5 entnimmt, ist die Welle 1 an ihrem nach
oben weisenden freien Ende längs eines durch ihre Drehachse
gehenden Durchmessers geschlitzt und in diesen Schlitz ist
von oben her ein plättchenförmiger Permanentmagnet 76 ein
gesteckt, dessen Nord-Süd-Richtung radial verläuft.
Das Zwischenstück 77 umfaßt eine parallel zur Welle 1 in ge
ringem Abstand exzentrisch angeordnete Welle 78, die mit
einem durchgehenden Schlitz zur Aufnahme eines plättchen
förmigen Permanentmagneten 81 versehen ist, der senkrecht
zur Zeichenebene der Fig. 5 eine geringe Dicke aufweist und
mit seiner Nord-Süd-Richtung ebenfalls radial orientiert ist.
An ihren Enden weist die Welle 78 jeweils einen eingepreßten
Stahlstift 79, 80 auf, über den sie in einem Rubin 82 bzw. 83
gelagert ist. In Fig. 5 rechts neben dem Nordpol des Perma
nentmagneten 81 sind der mittlere Schenkel 86 und der ge
schnittene Steg 87 eines E-förmigen Kerns 84 zu sehen, auf
dessen mittleren Schenkel 86 eine Induktionsspule 88 ge
wickelt ist. Der Energiespeicher 85 wird hier vom Permanent
magneten 81 und dem Kern 84 gebildet und die Funktionsweise
dieser Anordnung entspricht völlig der, wie sie unter Be
zugnahme auf Fig. 2 beschrieben wurde. Da bei dem in Fig. 5
gezeigten System ebenfalls die Drehrichtung der Welle 1 mit
nur einer Energiespeicher- und Detektoreinheit nicht erkannt
werden kann, ist eine zweite, im wiedergegebenen Schnitt
allerdings nicht sichtbare Einheit vorgesehen.
Über dem freien Stirnende der Welle 1 befindet sich eine
gedruckte Schaltungsplatine 90, auf der die Auswerteelek
tronik 91 untergebracht ist, die durch die erfindungsge
mäße Vorrichtung mit Signalimpulsen und elektrischer Be
triebsenergie versorgt wird. Wenn sich die Welle 1 mit
hoher Geschwindigkeit dreht, wird das die Welle 78 und
den Permamentmagneten 81 umfassende Zwischenstück 77 in
seiner Drehbewegung durch Kurzschließen der Induktions
spule 88 je nach Drehzahl der Welle 1 definiert oder gar
nicht bedämpft. Da es sich mit sehr hoher Geschwindigkeit
drehen kann, synchronisiert es sich durch entsprechende
Bedämpfung mit der Drehung der Welle 1 und kann prinzipiell
auch dazu verwendet werden, die Auswerteelektronik 91
als einzige Energiequelle mit elektrischer Energie zu ver
sorgen.
Anstelle der gezeigten Stahl-Rubin-Lager können für die
Welle 78 auch Luftlager vorgesehen werden.
Claims (28)
1. Positionsdetektor, der immer dann die Erzeugung eines elektrischen Impul
ses auslöst, wenn ein sich bewegender Körper eine vorgebbare Position er
reicht, und der folgende Bestandteile umfaßt:
- 1. einen Energiespeicher, der während der Annäherung des Körpers an die vorgebbare Position einen Teil der Bewegungsenergie des Körpers in Form potentieller Energie fortschreitend ansammelt und speichert und beim Erreichen der Position die gespeicherte potentielle Energie in Form kinetischer Energie schlagartig freisetzt,
- 2. eine Vorrichtung zum Umformen dieser kinetischen Energie in einen elektrischen Impuls, und
- 3. eine Verarbeitungseinrichtung, der der elektrische Impuls zugeführt wird,
2. Positionsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verar
beitungseinrichtung eine Signalverarbeitungselektronik (91) umfaßt.
3. Positionsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elek
trische Impuls zur Stromversorgung der Signalverarbeitungselektronik (91)
dient.
4. Positionsdetektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
elektrische Impuls als Signalimpuls dient, der von der Signalverarbeitungse
lektronik (91) verarbeitet wird.
5. Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich
net, daß der Energiespeicher (15, 16; 70, 71, 72, 85) ein bezüglich des sich
bewegenden Körpers (1; 40) bewegliches Zwischenteil (18, 18'; 45, 77) um
faßt, das beim schlagartigen Freisetzen der potentiellen Energie eine hohe
Beschleunigung erfährt.
6. Positionsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwi
schenteil (18, 18'; 45; 77) eine sehr kleine Massenträgheit besitzt.
7. Positionsdetektor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ei
ne Einrichtung vorgesehen ist, die das Zwischenteil (18, 18'; 45; 77) stark
abbremst, wenn der Signalverarbeitungselektronik (91) die gewünschte
Spannung und Ladung zugeführt worden ist.
8. Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeich
net, daß das Zwischenteil (18, 18'; 45; 77) um eine Achse drehbar gelagert
ist.
9. Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich
net, daß dann, wenn die Betriebsspannung der Signalverarbeitungselektro
nik mit Hilfe von Fremdenergie aufrechterhalten werden kann, der Energie
speicher von der Bewegung des einen Körpers so entkoppelbar ist, daß er
von dessen Bewegungsenergie keine Anteile mehr ansammelt und spei
chert.
10. Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich
net, daß der Energiespeicher (2) zur Speicherung potentieller Energie eine
Federanordnung (4) umfaßt, die bei der Annäherung des einen Körpers (1)
an die vorgebbare Position in zunehmendem Maße gespannt und bei Errei
chen der Position so entspannt wird, daß zumindest ein Teil von ihr schlag
artig beschleunigt wird.
11. Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich
net, daß der Energiespeicher (15, 16; 70, 71, 72; 85) zur Speicherung poten
tieller Energie eine Magnetanordnung mit wenigstens zwei Elementen (19,
22, 19', 22'; 55, 56, 62, 63, 64, 67, 68, 69; 81, 84) umfaßt, von denen das ei
ne von einem Permanentmagneten (19, 19', 55, 56; 81) gebildet wird und
das andere (22, 22'; 62, 63, 64, 67, 68, 69; 84) aus einem ferromagnetischen
Material besteht.
12. Positionsdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auch das
aus ferromagnetischem Material bestehende Element (67, 68, 69) ein Per
manentmagnet ist.
13. Positionsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Umformen der kinetischen Energie in
einen elektrischen Energieimpuls einen Permanentmagneten (8; 19, 26; 55,
56; 81) umfaßt, der beim Freisetzen der gespeicherten potentiellen Energie
schlagartig beschleunigt wird und sich dann mit hoher Geschwindigkeit rela
tiv zu einer Induktionsspule (12; 25, 34; 58, 59, 60; 88) bewegt.
14. Positionsdetektor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die In
duktionsspule (88) auf einen E-förmigen Kern (84) gewickelt ist, an dessen
drei Armen sich der Permanentmagnet (81) nacheinander vorbei bewegt.
15. Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 5 bis 12 in Verbindung mit An
spruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (19,
19', 55, 56; 81) mit dem Zwischenteil (18, 18'; 45; 77) fest verbunden ist.
16. Positionsdetektor nach Anspruch 9 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß
das Zwischenteil (18') eine Welle (20') und zwei Permanentmagnete (19', 26)
umfaßt, die in axialer Richtung der Welle (20') voneinander im Abstand an
geordnet und mit der Welle (20') drehfest verbunden sind, und von denen
der eine (19') im wesentlichen zum Energiespeicher und der andere (26) im
wesentlichen zur Vorrichtung zum Umformen der kinetischen Energie in ei
nen elektrischen Energieimpuls gehört.
17. Positionsdetektor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die In
duktionsspule (34) auf einen topfförmigen Doppel-E-Kern (28) gewickelt ist,
in dessen Inneren sich der eine Permanentmagnet (26) nach der schlagarti
gen Beschleunigung des Zwischenteils (18') dreht.
18. Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Permanentmagnet (19; 55, 56; 81) der Vorrichtung zum
Umformen der kinetischen Energie in einen elektrischen Energieimpuls mit
dem Permanentmagneten des Energiespeichers identisch ist.
19. Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich
net, daß ein Körper aus einer ummagnetisierbaren Substanz vorgesehen ist,
der einen Energiespeicher bildet, der einen Teil der Bewegungsenergie des
Körpers in Form potentieller Energie fortschreitend ansammelt und speichert
und beim Erreichen einer vorgebbaren Position diese gespeicherte potenti
elle Energie in Form kinetischer Energie der umklappenden Weiß'schen Be
zirke der ummagnetisierbaren Substanz schlagartig freisetzt.
20. Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Signalverarbeitungselektronik (91) einen Speicher für
elektrische Energie umfaßt, der zumindest zeitweise ihre Betriebsspannung
liefert, und daß ein Teil des elektrischen Energieimpulses zum Laden dieses
Speichers dient.
21. Positionsdetektor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der
Speicher für elektrische Energie eine Kondensatoranordnung umfaßt.
22. Positionsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Positionsdetektor ein Umdrehungszähler ist, wobei
der sich bewegende Körper von einer sich drehenden Welle (1) gebildet
wird.
23. Positionsdetektor nach den Ansprüchen 8 und 22, dadurch gekennzeichnet,
daß die Achse des Zwischenteils (45) zur Achse der Welle (1) konzentrisch
ist.
24. Positionsdetektor nach den Ansprüchen 8 und 22, dadurch gekennzeichnet,
daß die Achse des Zwischenteils (18, 18'; 77) zur Achse der Welle (1) par
allel verläuft, mit ihr aber nicht zusammenfällt.
25. Positionsdetektor nach den Ansprüchen 8 und 22, dadurch gekennzeichnet,
daß die Achse des Zwischenteils zur Achse der Welle in etwa senkrecht
verläuft.
26. Positionsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die der Signalverarbeitungselektronik (91) zugeführten
elektrischen Energieimpulse die einzige Energiequelle der Signalverarbei
tungselektronik (91) bilden.
27. Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Positionsdetektor (75) nur zur Erzeugung und Zuführung
von elektrischer Versorgungsenergie für die Signalverarbeitungselektronik
(91) sowie zur Gewinnung von Information über die Bewegungsrichtung
Verwendung findet, und daß für eine eventuelle Positionsbestimmung ein
zusätzlicher Sensor vorgesehen ist.
28. Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 27, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Signalverarbeitungselektronik (91) einen dauerhaften, nicht
mechanischen Speicher umfaßt.
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