DE69309601T2 - Sensor zum Messen der Winkelverschiebung eines sich bewegenden Gegenstandes - Google Patents
Sensor zum Messen der Winkelverschiebung eines sich bewegenden GegenstandesInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Sonde für die Messung der Winkelverschiebung eines beweglichen Bauteils, wobei die Sonde eine induktive Sonde ist mit variabler magnetischer Kopplung und auch Resolver genannt wird.
- Eine Sonde für die Messung der Winkelverschiebung vom Resolvertyp enthält einen Rotor bestehend aus Magnetpaketen, die mindestens eine Wicklung tragen, und einen Stator, der ebenfalls aus Magnetpaketen besteht und ebenfalls mindestens eine Wicklung trägt. Die Rotor- und Stator-Blechpakete sind durch einen Luftspalt voneinander getrennt. Die Rotorwicklung erzeugt einen radialen Fluß mit 2n Polen (n ≥ 1) auf dem Umfang des Luftspalts, wobei alle Pole die gleiche axiale Lage haben. Die Statorwicklung hat die gleiche Polarität wie die Rotorwicklung und empfängt den von dieser erzeugten Fluß. Die Rotorwicklung wird von einer Wechselspannung gespeist. Aufgrund der Drehung des Rotors ist die Amplitude der in die Statorwicklung induzierten Wechselspannung nicht konstant, sondern variiert abhängig vom Sinus des Drehwinkels des Rotors bezüglich des Stators. Man mißt daher an den Klemmen der Statorwicklung eine Wechselspannung, die mit dem Sinus des Drehwinkels des Rotors bezüglich des Stators in der Amplitude moduliert ist.
- Die Druckschrift JP-A-63 318 725 zeigt eine solche Sonde für die Messung der Winkelverschiebung eines beweglichen Bauteils vom Resolvertyp.
- Der Rotor und der Stator einer Winkelmeßsonde können eine, zwei oder drei Wicklungen je nach dem Einzelfall enthalten. Eine zweiphasige Meßsonde besitzt einen Rotor mit einer Wicklung und einen Stator mit zwei Wicklungen. Die Statorwicklungen liegen so, daß die eine eine Spannung liefert, deren Amplitude mit dem Sinus des Drehwinkels moduliert ist, während die andere eine Spannung liefert, deren Amplitude mit dem Kosinus des gleichen Winkels moduliert ist.
- Die besonders robusten und zuverlässigen Sonden zur Winkelmessung besitzen einen drehenden Transformator bestehend aus zwei konzentrischen Wicklungen, von denen die eine die primärwicklung und die andere die Sekundärwicklung ist.
- Die Anregungsspannung der Sonde wird dann über die Sekundärwicklung des Transformators geliefert. Die Sekundärwicklung des Transformators ist auf dem als Rotor dienenden Bauteil montiert und damit in Drehrichtung mit der Wicklung oder den Wicklungen des Rotors starr verbunden. Ihre elektrische Verbindung über Verbindungsdrähte stellt daher kein Problem dar.
- Die Verwendung eines drehenden Transformators vermeidet die Verwendung von Kollektoren mit Schleifringen und Schleifkontakten. Der Transformator ist aber die Quelle von Störspannungen, die die Meßgenauigkeit der Sonde beeinträchtigen.
- Die magnetische Kopplung zwischen dem drehenden Transformator und der Sonde ist theoretisch Null. Die Wicklung der Sonde ist nämlich nur für den Fluß der Polarität 2n empfindlich, während der Transformator einen homopolaren Fluß erzeugt. In der Praxis ergeben sich geringfügige Unsymmetrien in der Sondenwicklung und der Flußverteilung. Diese Unsymmetrien führen zu vom drehenden Transformator induzierten Spannungen am Ausgang der Meßvorrichtungen, die nicht Null sind.
- Man könnte diese Erscheinung aufgrund der Störspannungen beseitigen, indem man den Transformatorteil vom Meßteil entfernt. Eine Entfernung von etwa 1 cm ist dann notwendig. Diese Lösung ist jedoch nicht befriedigend. Man möchte nämlich Winkelmeßsonden mit einer hohen Genauigkeit und doch möglichst geringem Raumbedarf haben. Außerdem kann eine Sonde mit geringem Raumbedarf unmittelbar in dem Motor untergebracht werden, für den sie bestimmt ist, was eine Verringerung der Kosten des Aufbaus ergibt.
- Die Druckschriften EP-A-O 585 725 (zum Stand der Technik gemäß Artikel 54(3) EPÜ gehörend) und JP-A-61 020 308 beschreiben die Verwendung einer globalen magnetischen Abschirmung oder einer Abschirmung in Form einer Schleife. Solche Abschirmungen bieten eine zufriedenstellende Lösung für das dem Fachmann gut bekannte Problem der magnetischen Kopplung zwischen zwei konzentrischen Spulen. Eine solche natürliche und erhebliche Kopplung ist durch eine wechselseitige Induktivität zwischen den beiden Spulen gekennzeichnet.
- Eine solche magnetische Kopplung darf nicht mit den oben beschriebenen homopolaren Leckflüssen verwechselt werden.
- Die Erfindung liefert eine befriedigende Lösung für dieses Problem. Sie erlaubt Abstände von etwa 3 mm zwischen dem Transformatorbereich und dem Meßsondenbereich und bietet doch die gleiche Genauigkeit wie für Meßsonden gemäß dem Stand der Technik, die einen Abstand von etwa 1 cm zwischen den Bereichen besitzen.
- Gemäß der Erfindung ist der homopolare Leckfluß durch das Vorhandensein einer Kurzschlußschleife aus einem elektrisch leitenden und kurzgeschlossenen Material, die nur auf der Seite zwischen dem Transformator und dem Meßbereich liegt. Bei einem homopolaren Leckfluß wird diese Schleife von einem Strom in Gegenphase bezüglich des in der Sekundärwicklung des Transformators fließenden Stroms durchflossen. Dieser Strom widersetzt sich dem Durchgang des homopolaren Leckflusses zu den Magnetblechpaketen der Meßvorrichtung
- Diese Schleife besteht aus einem unmagnetischen Material, um zu vermeiden, daß auf der Oberfläche der Schleife die homopolaren Leckflußlinien verlaufen. Wenn die Schleife dagegen aus einem magnetischen Material wäre, würden die homopolaren Leckflußlinien an der Oberfläche verlaufen. Da die Schleife aus einem unmagnetischen Material besteht, werden die homopolaren Leckflußlinien gezwungen, durch die Luft zu verlaufen.
- Gegenstand der Erfindung ist also eine Sonde für die Messung der Winkelverschiebung eines beweglichen Bauteils, vom Resolvertyp, mit einem drehenden Transformator, der eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung besitzt, und mit einer Meßvorrichtung, die mindestens eine Statorwicklung und mindestens eine Rotorwicklung enthält, wobei ein Stator die Primärwicklung des Transformators und die Statorwicklung der Meßvorrichtung trägt, während ein Rotor die Sekundärwicklung des Transformators und die Rotorwicklung der Meßvorrichtung trägt, dadurch gekennzeichnet, daß weiter eine Kurzschlußschleife aus einem elektrisch leitenden und unmagnetischem Material vorgesehen ist, die nur auf der Seite zwischen dem drehenden Transformator und der Meßvorrichtung liegt, um die hompolaren Leckflußlinien des drehenden Transformators daran zu hindern, zur Meßvorrichtung zu gelangen.
- Die Schleife kann die Form einer Ringscheibe oder eines Rohrs oder eine Form annehmen, die aus der Kombination einer Ringscheibe und eines Rohrs resultiert.
- Der drehende Transformator kann einen am Stator befestigten magnetischen Kern enthalten, der die Primärwicklung aufnimmt, und einen am Rotor befestigten magnetischen Kern, der die Sekundärwicklung aufnimmt. Die Meßvorrichtung kann einen Stapel von Magnetblechen enthalten, die am Stator befestigt sind und die Statorwicklung aufnehmen, und einen Stapel von am Rotor befestigten Magnetblechen, die die Rotorwicklung aufnehmen.
- In diesem Fall kann die kurzgeschlossene Schleife eine Lochscheibe sein, die auf der Flanke des Rotorkerns des Transformators liegt, und/oder eine Ringscheibe, die auf der Flanke des Statorkerns des Transformators angeordnet ist. Die Schleife kann auch ein Rohr sein, das auf dem Rotor sitzt, und/oder ein Rohr, das auf der Innenoberfläche des Stators sitzt. Die Schleife kann auch ein auf dem Rotor blechpaket sitzendes Blech und/oder ein auf dem Statorblechpaket sitzendes Blech sein.
- Der Rotor und der Rotorkern des Transformators können Teile eines gemeinsamen aus magnetischem Material bestehenden Bauteils sein.
- Die Schleife kann beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder aus unmagnetischem rostfreiem Stahl gebildet sein.
- Die Erfindung wird nun anhand eines nicht beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels und der beiliegenden zeichnungen näher erläutert.
- Figur 1 zeigt im Schnitt eine Meßsonde gemäß dem Stand der Technik.
- Die Figuren 2 bis 7 zeigen verschiedene Varianten der Ausbildung der Erfindung an einer Sonde der in Figur 1 gezeigten Art.
- Wenngleich die Beschreibung sich auf eine Sonde für die Messung der Winkelverschiebung eines beweglichen Bauteils bezieht, ist sie auch auf jede andere Vorrichtung zur elektromagnetischen Messung der Lage eines beweglichen Bauteils (drehend oder in Translation) bezüglich eines Referenzbauteils anwendbar, das mindestens eine erste spannungsge speiste Wicklung und eine zweite Wicklung enthält, die auf dem beweglichen Bauteil sitzt und an ihren Klemmen eine Meßspannung liefert, die von der Amplitude der Verschiebung abhängt.
- Die nachfolgende Beschreibung betrifft genauer gesagt eine Winkelmeßsonde, deren Meßvorrichtung eine Rotorwicklung und zwei Statorwicklungen enthält. Eine solche Sonde ist in Figur 1 in einer Version gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Sie enthält einen Rotor 1 und einen dazu konzentrischen Stator 2, einen drehenden Transformator 3 und eine Meßvorrichtung 4. Der Rotor ist aus unmagnetischern Material und der Stator ist aus magnetischem Material. Die Primärwicklung 5 des drehenden Transformators liegt in einem magnetischen Kern, der teilweise von den Formelementen des Stators und teilweise von einem ringförmigen Verschlußelement 6 gebildet wird, das am Stator befestigt ist. Die Sekundärwicklung 7 liegt in einem magnetischen Kern, der von zwei auf dem Rotor 1 sitzenden Teilen gebildet wird, nämlich einem ersten Teil 8, das am Rotor anliegt und einen Raum für die Sekundärwicklung aufweist, und einem zweiten Teil 9, das diesen Raum verschließt. Diese beiden Teile 8 und 9 sind am Rotor befestigt. Ein Durchlaß 10 ist im Teil 8 für die Anschlußdrähte zwischen der Sekundärwicklung des Transformators und der Meßvorrichtung vorgesehen.
- Die Meßvorrichtung 4 enthält eine Rotorwicklung 11, die in einem Magnetblechpaket 12 liegt und an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen ist. Die Statorwicklungen 13 der Sonde befinden sich in einem Magnetblech paket 14. Das Rotorblechpaket ist auf dem Rotor und das Statorblechpaket auf dem Stator befestigt. Der Stator 2 besitzt eine Öffnung 15 für den Durchlaß der elektrischen Drähte 16, nämlich von zwei Drähten für die Speisung der Primärwicklung des Transformators und von vier Ausgangsdrähten der Meßsonde.
- Mit dieser Anordnung induziert der Leckfluß des Transformators Störspannungen in den Meßteil, die die Genauigkeit des Resolvers beeinträchtigen. Wie oben erwähnt, müßte man den Transformatorteil vom Meßteil entfernen, um die Genauigkeit des Resolvers zu erhöhen.
- Die Figuren 2 bis 7 zeigen teilweise verschiedenen Varianten der Erfindung. Gleiche Elemente wie in Figur 1 tragen die gleichen Bezugszeichen.
- Die Sonde gemäß Figur 2 enthält eine Kurzschlußschleife bestehend aus einer Ringscheibe 21, die beispielsweise durch Kleben auf dem Rand des magnetischen Kerns der Transformator-Primärwicklung auf der Seite der Meßvorrichtung befestigt ist.
- Die Meßsonde gemäß Figur 3 enthält eine Kurzschlußschleife bestehend aus einer Ringscheibe 22, die beispielsweise durch Kleben auf dem Rand des Magnetkerns der Transformator-Sekundärwicklung auf der Seite der Meßvorrichtung befestigt ist.
- Die Meßsonde gemäß Figur 4 enthält eine Kurzschlußschleife bestehend aus einem Rohr 23, das beispielsweise durch Kleben oder Einpressen auf dem Rotor 1 zwischen dem Bauteil 8 und dem Blechpaket 12 befestigt ist.
- Die Meßsonde gemäß Figur 5 enthält eine Kurzschlußschleife bestehend aus einem Rohr 24, das beispielsweise durch Kleben oder Einpressen auf dem inneren Teil des Stators 2 zwischen dem Magnetkern der Transformator-Primärwicklung und dem Blechpaket 14 befestigt ist.
- Die Meßsonde gemäß Figur 6 enthält eine Kurzschlußschleife bestehend aus einem zusätzlichen Blech 25, das beispielsweise durch Kleben auf dem Blechpaket 12 auf der Innenseite der Sonde befestigt ist.
- Die Meßsonde gemäß Figur 7 enthält eine Kurzschlußschleife bestehend aus einem zusätzlichen Blech 26, das beispielsweise durch Kleben auf dem Blechpaket 14 auf der Innenseite der Sonde befestigt ist.
- Für diese beiden letztgenannten Varianten ist das zusätzliche Blech natürlich von anderer Art als die Bleche des Pakets, da es unmagnetisch sein soll.
- Kupfer ist ein gut geeignetes Material zur Herstellung dieser Schleife. Man kann auch Aluminium oder unmagnetischen Edelstahl verwenden.
- Eine Ringscheibe aus Kupfer, wie in Figur 2 gezeigt, mit einer Dicke von 0,5 mm, dämpft den Leckfluß des Transformators etwa um einen Faktor 10. So wird der Fehler aufgrund des Leckflusses ganz erheblich verringert.
- Da die Kurzschlußschleife den Leckfluß des Transformators behindert, kann man nun in Betracht ziehen, den Rotor 1 und den Teil 8 der Kern der Sekundärwicklung des Transformators aus einem gemeinsamen magnetischen Bauteil herzustellen. Dies trägt zu einer Verringerung des Herstellungspreises der ganzen Einheit bei.
Claims (9)
1. Sonde für die Messung der Winkelverschiebung eines
beweglichen Bauteils, vom Resolvertyp, mit einem drehenden
Transformator, der eine Primärwicklung (5) und eine
Sekundärwicklung (7) besitzt, und mit einer Meßvorrichtung, die
mindestens eine Statorwicklung (13) und mindestens eine
Rotorwicklung (11) enthält, wobei ein Stator (2) die
Primärwicklung des Transformators und die Statorwicklung der
Meßvorrichtung trägt, während ein Rotor (1) die
Sekundärwicklung des Transformators und die Rotorwicklung der
Meßvorrichtung trägt, dadurch gekennzeichnet, daß weiter eine
Kurzschlußschleife (21 bis 26) aus einem elektrisch
leitenden und unmagnetischem Material vorgesehen ist, die nur auf
der Seite zwischen dem drehenden Transformator und der
Meßvorrichtung liegt, um die hompolaren Leckflußlinien des
drehenden Transformators daran zu hindern, zur
Meßvorrichtung zu gelangen.
2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kurzschlußschleife eine Ringscheibe (21, 22) ist.
3. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kurzschlußschleife ein Rohr (23, 24) ist.
4. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
drehende Transformator einen am Stator befestigten
magnetischen Kern enthält, der die Primärwicklung aufnimmt, und
einen am Rotor befestigten magnetischen Kern, der die
Sekundärwicklung aufnimmt, während die Meßvorrichtung ein
Magnetblechpaket enthält, das am Stator befestigt ist und die
Statorwicklung aufnimmt, und ein am Rotor befestigtes
Magnetblechpaket, das die Rotorwicklung aufnimmt.
5. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kurzschlußschleife eine Lochscheibe (22) ist, die auf der
Flanke des Rotorkerns des Transformators liegt, und/oder
eine Ringscheibe (21), die auf der Flanke des Statorkerns
des Transformators angeordnet ist.
6. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kurzschlußschleife ein Rohr (23) ist, das auf dem Rotor
sitzt, und/oder ein Rohr (24), das auf der Innenoberfläche
des Stators sitzt.
7. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kurzschlußschleife ein auf dem Rotorblechpaket sitzendes
Blech (25) und/oder ein auf dem Statorblechpaket sitzendes
Blech (26) ist.
8. Sonde nach einem beliebigen der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenrotor und der Rotorkern
des Transformators Teile eines gemeinsamen aus magnetischem
Material bestehenden Bauteils sind.
9. Sonde nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schleife aus Kupfer,
Aluminium oder aus unmagnetischem Edelstahl gebildet ist.
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