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Elektromagnetischer Drehgeber Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen
Drehgeber mit einem Magnetpole aufweisenden Rotor und einem den Rückschluß für den
magnetischen Fluß bildenden Stator, der von einer Gleichspannung erregte Hallgeneratoren
aufweist.
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Es sind bereits derartige Drehgeber bekannt, bei denen die Hallgeneratoren
in tangentialen Ebenen gegenüber den Polschuhen des Rotors angeordnet sind; dabei.
weist entweder der Stator selbst die von den herkömmlichen mit Wicklungen versehenen
Maschinen bekannten Pole auf, auf deren Stirnseite die Hallgeneratoren befestigt
sind, oder die Hallgeneratoren sind als ringförmige Auskleidung der Statorinnenwand
ausgebildet. Im ersteren Fall besteht der Nachteil darin, daß die von den Polen
des Rotors austretenden magnetischen Kraftlinien einen Haugenerator jeweils nur
dann durchsetzen, wenn sich der entsprechende Rotorpol unmittelbar diesem gegenüber
befindet. In jeder anderen Stellung gerät jedoch nur noch ein kleiner Prozentsatz
des Streuflusses durch den Hallgenerator und trägt somit nur noch in geringem Maße
zur Spannungserzeugung bei. Im anderen Fall besteht der Nachteil darin, daß die
ringförmigen Haugeneratoren, die dem jeweiligen Maschinentyp und der Größe der Maschine
angepaßt sein müssen, in ihrer Herstellung kostspielig und kompliziert sind.
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Erfindungsgemäß werden die genannten Nachteile bei einem elektromagnetischen
Drehgeber der eingangs bezeichneten Art dadurch vermieden, daß der Stator eine Anzahl
radialer Nuten aufweist, in denen je ein Hallgenerator derart angeordnet ist, daß
seine von dem magnetischen Fluß im Stator senkrecht durchsetzte Fläche in einer
die Mittelachse des Rotors enthaltenden Ebene liegt. Bei dem erfindungsgemäßen Drehgeber
lassen sich also konventionelle und serienmäßig hergestellte Hallgeneratoren verwenden,
die so eingebaut werden, daß sie jeweils den gesamten magnetischen Fluß möglichst
gut ausnutzen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes hinsichtlich
der Schaltung der Hallgeneratoren und der Ausbildung des Rotors sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden an Hand der Zeichnungen
beschrieben; darin zeigt F i g. 1 die Stirnansicht einer ersten Ausbildungsform
des Drehgebers unter Verwendung von vier Hallgeneratoren, F i g. 2 einen Längsschnitt
entlang der Linie 2-2 der F i g. 1, wobei der mittlere Rotor weggelassen ist, F
i g. 3 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform mit drei Hallgeneratoren,
F i g. 4 eine Stirnansicht auf eine weitere Ausführungsform mit sechs Haugeneratoren,
F i,g. 5 einen Längsschnitt entlang der Linie 5-5 der F i g. 3, F i g. 6 bis 8 den
Drehgeber nach F i g. 1 unter Darstellung des magnetischen Flusses, wobei der Rotor
in drei verschiedenen Stellungen gegenüber dem Stator dargestellt ist, F i g. 9
ein Diagramm der Ausgangsspannungen, die von den in den F i g. 6 bis 8 gezeigten
Haugeneratoren abgegeben werden, wenn sich der Rotor um 360° dreht, F i g. 10 einen
Längsschnitt durch den gesamten Aufbau eines erfindungsgemäßen Drehgebers, F i g.
11 die Stirnansicht einer der Statorplatten, in die gemäß F i g. 10 die Hallgeneratoren
eingebaut sind, und F i g. 12 ein Schaltbild für den Anschluß der vier in dem Drehgeber
nach den F i g. 1, 6, 7 und 8 verwendeten Hallgeneratoren.
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In F i g. 1 und 2 erkennt man den Stator 15 eines Drehgebers oder
Resolvers, der mit vier in gleichen Winkelabständen verteilten radialen durchgehenden
Nuten 16,16a versehen ist. In jede dieser Nuten ist ein Hallgenerator 18 bzw. 18a
eingebaut. Die Hallgeneratorkristalle haben gemäß F i g. 2 eine rechteckige Form,
und an den Enden jedes Hallgeneratorkristalls ist, eine Zuleitung 19 bzw.
19 a befestigt. Außerdem ind zwei weitere Leitungen 20 und 20a
an
den Flachseiten 21, 21a jedes Kristalls. angebracht, wobei sich diese Leitungen
im wesentlichen rechtwinklig zur durch die Enden des Kristalls verlaufenden Achse
erstrecken.
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Die Hallgeneratorkristalle können so mit Germanium gedopt sein, däß
ihr Widerstand 1 Ohm/cm beträgt, und - sie können kristallogxaphisch.- derart orientiert
sein, daß sich ein möglichst kleiner magnetischer Widerstand ergibt; jedoch können
die Kristalle auch aus einem anderen..geeigneten Material bestehen. Beispielsweise
kann man die Hallgeneratorkristalle mit einem Kern aus Ferrit versehen, auf dessen
Außenflächen Metall aufgebracht ist, wobei die Außenflächen des Ferritkerns einen.-Niederschlag
aus Germanium oder Silizium tragen.
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Die jedem Hallgeneratorkristall zugeführte Spannung wird von dem Kontakt
am einen Ende des Kristalls aus -über -den auf -der- Außenfläche -des Kristalls
vorgesehenen Film zugeführt und über den am anderen Ende des Kristalls angeordneten
zweiten Kontakt abgeführt.
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Der Stator besteht-aus--einem .magnetisierbaren Material, z. B. Eisen,
das einer geeigneten Wärmebehandlung unterzogen worden ist, um Hysteresiseffekte
auszuschalten. .-_. `. _ Ein gleichachsig -mit dem Stator 15 angeordneter, im wesentlichen
zylindrischer- Rotor 23 ist in der zentralen Öffnung des Stators so angeordnet,
daß zwischen der Umfangsfläche des Rotors und der Innenfläche des Stators 15 ein
ringförmiger Luftspalt 24 verbleibt.
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Bei dem Rotor handelt es sich entweder um einen mit Wicklungen versehenen
Magneten oder um einen Dauermagneten, der in der Umgebung des Luftspaltes ein sinusförmig-verteiltes-
Magnetfelderzeugt. Der Rotor 23 kann aus dauermagnetischem Ferritmaterial bestehen,
wobei- die Umfangsfläche des Ferritrotors mit hoher Genauigkeit maschinell bearbeitet
ist.
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Das Ferritmaterial ist in besonderer Weise magnetisiert, um eine gleichmäßig
sinusförmige Flußverteilung zu gewährleisten.
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Bei der Konstruktion nach F i g. 2 verläuft die Mittelachse 26 jedes
der Halbkristalle zwischen den Leitungen 19 und 19 a parallel zur Drehachse 22 des
Synchrongebers. Längs der Achse 27 des Hallgeneratorkristalls, welche im wesentlichen
rechtwinklig zur Mittelachse verläuft, -sind die beiden Ausgangsleitungen 20_ und
-20 a angeschlossen.
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F i g. 3 zeigt eine Abwandlung der Konstruktion nach F i g. 1 und
2. Der Hauptunterschied besteht darin, daß hier drei Nuten 29, 29a um je 120° versetzt
vorgesehen sind,- so daß der Stator in drei radiale Segmente 30, 31a unterteilt
ist. Ein Hallgeneratorkristall31,.31a mit einem Ausgangsanschluß 51, 52, 53
ist in jeden der Schlitze 29, 29a in der gleichen- Weise eingebaut wie bei der Konstruktion
nach F i g. 1 und 2. Der in F i g. 3 gezeigte Rotor 23 entspricht - im wesentlichen
dem Rotor 23 nach F i g. 1.
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F i g. 4 zeigt eine weitere abgeänderte Ausbildungsform des Stators
nach F i g. 1 und z. Bei dieser Konstruktion sind die Statorsegmente durch sechs
in gleichmäßigen' Winkelabständen verteilte Nuten 33, 33 a getrennt, die: in: Winkelabständen
von 60 über den Umfang des Stätors verteilt sind, so daß der Stator in sechs Segmente
34 zerlegt ist. Ein Hallgeneratorkristall 35_ 35a ist in jeden der radialen
Statorschlitze 33, 33a eingebaut. Die mit den Hallgeneratorkristallen verbundenen
Leitungen entsprechen im wesentlichen den in F i g.1 und 2 gezeigten Leitungen.
Der Rotor 23 nach F i g. 4 ist im wesentlichen ebenso ausgebildet wie der in F i
g. 1 gezeigte.
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Wenn die Hallgeneratorkristalle in Abständen von 901 über den Umfang
des Stators verteilt sind, wie es in F i g.1 gezeigt ist, ist die erzeugte Spannung
zweiphasig. Bei der Konstruktion nach F i g. 3, bei welcher drei Hallkristalle 31,
31 a in Abständen von 120° angeordnet sind, erhält man eine dreiphasige Spannung.
Das gemäß Fig.4 mit sechs Kristallen ausgerüstete Aggregat kann so geschaltet werden,
daß man eine zweiphasige oder eine dreiphasige Spannung erhält, was sich jeweils
danach richtet, ob die Hallgeneratorkristalle paarweise zusammengeschaltet sind
oder ob jeder Satz von drei. Kristallen mit dem anderen verbunden ist.
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F i g. 6, 7 und 8 zeigen schematisch die Anordnung der Magnetpole
des Rotors gegenüber den Statorkristallen in verschiedenen Stellungen des Rotors:
Der Stator ist mit vier Hallgeneratorkristallen versehen, welche in zwei senkrecht
angeordnete Hall= generatorkristalle 37, 37a und zwei waagerecht angeordnete Hallgeneratorkristalle
38, 38a unterteilt sind. Der im wesentlichen F i g. 1 entsprechende Rotor 47 trägt
zwei Magnetpole N, S, die bei der in F i g. 6 gezeigten Rotorstellung auf
die Achse der senkrecht übereinanderliegenden Kristalle 37 und 37a ausgerichtet
sind. Die waagerecht angeordneten Kristalle 38 und 38a sind durch die Leitungen
41 und 41 a mit Ausgangskontakten 40 und 40 a verbunden. Entsprechend sind die senkrecht
übereinander angeordneten Hallgeneratorkristalle 37 und 37a durch Leitungen 44 und
44 a mit Ausgangskontakten 43 und 43 a verbunden.
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Bei der in F i g. 6 gezeigten Stellung nimmt der magnetische Rückschluß
der Pole N und S des dauermagnetischen Rotors die gezeigten halbkreisförmigen Wege
45, 45a, wobei die geraden Linien 46 und 46a parallel zu den Polen des Rotormagneten
und im wesentlichen parallel zur Achse der senkrecht angeordneten Hallgeneratorkristalle
37 und 37a . verlaufen.
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Bei der in F i g. 7 gezeigten Stellung, bei welcher die Magnetpole
N und S des Rotors gegenüber ihrer Stellung nach F i g. 6 um 45 °
gedreht worden sind, ähneln die Rückschlußwege 45 und 45a im wesentlichen den in
F i g. 6 gezeigten, doch sind sie gegenüber ihrer Lage in F i g. 6 um 451 gedreht,
so daß die zu den Magnetpolen parallelen geraden Linien 46 und 46a mit der senkrechten
Achse durch die Hallgeneratorkristalle 37 und 37a einen Winkel von 451 bilden.
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Bei der in F i g. 8 gezeigten Stellung, wo die Magnetpole
N und S des Rotors gegenüber ihrer Stellung in F i g. 6 um 901 gedreht
worden sind, ist die Form der Rückschlußwege im wesentlichen die gleiche wie in
F i g. 6, doch sind die Rückwege gegenüber ihrer Lage in F i g. 6 um 901 gedreht,
so daß die zu den Magnetpolen N und S parallelen geraden Teile 46 und 46a der Rückschlußwege
einen Winkel von 901 mit der senkrechten Achse der übereinanderliegenden Hallgeneratorkristalle
bilden.
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F i g. 9 zeigt zwei Kurven, welche den Verlauf der Hallgenerator-Ausgangsspannung
V,, der senkrecht und waagerecht angeordneten Hallgeneratorkristalle nach F i g.
6, 7 und 8 in Abhängigkeit vom Drehwinkel
O des Rotors darstellen.
Die Kurve 48 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung der beiden waagerecht angeordneten
Kristalle 38 und 38a, wobei die Spannung mit Yh 1 bezeichnet ist. Diese Spannung
erreicht ihren höchsten Wert 49 bei 0° sowie 49a bei 360°, während die kleinste
Spannung bei 180° auftritt; die Kurve 48 ist sinusförmig. Die zweite Kurve 51 zeigt
die durch die senkrecht übereinander angeordneten Hallgeneratorkristalle 37 und
37 a erzeugte Spannung V/1 2, die ihren Höchstwert 52 bei der 90°-Stellung des Rotors
erreicht und bei der 270°-Stellung des Rotors ein Minimum erreicht. Auch diese Kurve
ist sinusförmig.
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Bei der Konstruktion nach F i g. 10 ist der Stator 54 in ein hohles,
zylindrisches Gehäuse 55 eingebaut, und an beiden Enden des Stators 54 ist je eine
kreisrunde Platte 56 bzw. 56a aus Messing oder einem anderen Nichteisenmetall
angeordnet. Gemäß F i g.11 hat der Stator vier in gleichen Winkelabständen verteilte
Nuten 57, 57a und 58 mit parallelen Wän, den. Diese Nuten sind entsprechend
F i g. 1 in Winkelabständen von 90° verteilt. In die senkrechten Nuten 57 und 57a
sind zwei senkrecht angeordnete Hallgeneratorkristalle 37 und 37a (nicht dargestellt)
eingebaut, während in den waagerechten Nuten 58 zwei ähnliche Hallgeneratorkristalle
38 (nicht dargestellt) angeordnet sind. Die Hallgeneratorkristalle 37 und 38 arbeiten
im wesentlichen entsprechend der an Hand von F i g. 1 gegebenen Beschreibung.
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Der Rotor 60, der gleichachsig mit dem Stator 54 angeordnet ist, wird
von einer mit dem Gehäuse 55 gleichachsigen zentralen Welle 61 getragen, die in
zwei Kugellagern 62 und 62a drehbar ist; die Kugellager sind an den Enden
der zentralen Welle 61 angeordnet. Das linke Kugellager 62 ist in die geschlossene
linke Wand 63 des Gehäuses 55 eingebaut. Das rechte Kugellager (62 a sitzt in einem
rohrförmigen Einsatz 64, der seinerseits in das offene rechte Ende des Gehäuses
55 eingebaut ist und durch eine Ringmutter 65 festgehalten wird, die in das offene
Ende des Gehäuses eingeschraubt ist. Der Einsatz 64 stützt sich an der rechten Platte
56 a ab, die dem rechten Ende des Stators 55 benachbart ist.
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F i g. 12 zeigt die Schaltung für die senkrecht angeordneten Hallgeneratorkristalle
37 und 37 a sowie die waagerecht angeordneten Hallgeneratorkristalle 38 und 38 a
nach F i g. 1 und 6. Die Eingangsleitungen 66 und 67 am einen Ende der senkrechten
Kristalle 37 und 37a sind durch eine Leitung 68 mit einer Gleichspannungsklemme
R2 verbunden. Die Eingangsleitungen 66a " un.d 67a an den entgegengesetzten
Enden der Kristalle 37 und 37a sind über eine Leitung 69 an das andere Ende der
Gleichspannungsklemme R3 angeschlossen. Eine Ausgangsleitung des linken Kristalls
37 ist durch eine Leitung 70 mit einer Ausgangsklemme S2 verbunden. Die Ausgangsleitung
des rechten Kristalls 37a ist durch eine Leitung 71 mit der zweiten Ausgangsklemme
S4 verbunden, die ihrerseits bei 72 geerdet ist. Die inneren Ausgangsleitungen der
beiden senkrechten Hallgeneratorkristalle 37 und 37a sind durch eine Leitung 65,
die zwischen den beiden Kristallen liegt, miteinander verbunden. Die waagerechten
Kristalle 38 und 38a sind im wesentlichen in der gleichen Weise an ähnliche
Klemmen angeschlossen. Die Eingangsleitungen 74 und 75 am rechten Ende der Kristalle
38 und 38 a sind durch eine Leitung 76 mit einer dritten Gleichspannungsklemme R1
verbunden. Die linken Eingangsleitungen 74a und 75a der Kristalle 38 und 38a sind
über eine Leitung 77, die eine Fortsetzung der zu den senkrechten Kristallen 37
und 37a führenden Leitung bildet, an die Gleichspannungsklemme R3 angeschlossen,
die auch die senkrechten Kristalle 37 und 37a speist. Die Ausgangsleitung des oberen
Kristalls 38 ist durch eine Leitung 79 mit einer Ausgangsklemme S1 verbunden. Die
Ausgangsleitung des unteren Kristalls 38a ist über eine Leitung 80 an eine
vierte Ausgangsklemme S3 angeschlossen, welche ihrerseits ebenso wie die entsprechende
Leitung des senkrechten Kristalls 37a bei 82 geerdet ist. Die inneren Ausgangsleitungen
der beiden waagerechten Kristalle 38 und 38a sind durch eine Leitung 83 miteinander
verbunden.