DE1276346B

DE1276346B - Elektrischer Messumformer unter Verwendung von Hallgeneratoren

Info

Publication number: DE1276346B
Application number: DEG35933A
Authority: DE
Inventors: Thomas W Parsons
Original assignee: General Precision Inc
Current assignee: General Precision Inc
Priority date: 1961-09-15
Filing date: 1962-09-15
Publication date: 1968-08-29
Also published as: US3162804A; GB947468A; FR1337988A

Description

Elektrischer Meßumformer unter Verwendung von Hallgeneratoren Die Erfindung betrifft einen elektrischen Meßumformer, welcher der jeweiligen Winkelstellung seiner Eingangswelle entsprechende Ausgangsspannungen liefert mittels Hallgeneratoren, die im Luftspalt zwischen einem mit der drehbaren Eingangswelle fest verbundenen Dauermagneten und einem Ring für die Rückleitung des magnetischen Flusses vorgesehen sind.
Hallgeneratoren sind elektrische Bauteile, deren Ausgangssignale mit Hilfe des Halleffektes erzeugt werden und die gewöhnlich aus einem stromdurchfiossenen Halbleiterkristall bestehen. Wenn dieser Kristall in ein Magnetfeld gebracht wird, erhält man quer zur Stromflußrichtung eine Ausgangsspannung, die an zwei seitlich des Stromflusses angeordneten Kontakten abgenommen werden kann. Die Amplitude dieser Ausgangsspannung läßt sich nach der Formel Ua = KBIc cos 0 berechnen, wobei K eine Konstante oder der Beiwert des Hallgenerators (Hallkonstante) und B die Stärke des Magnetfeldes, in dem sich der Hallgenerator befindet, darstellt. IC ist der dem Hallgenerator zugeführte Eingangsstrom und e ist der Winkel zwischen der Richtung des Magnetfeldes und dem Lot auf die Ebene des Kristalls des Hallgenerators.
Es ist bekannt, bei elektrischen Meßumformem zur Ermittlung der Winkelstellung einer Welle Hallgeneratoren zu verwenden. So wurde bereits vorgeschlagen, die Ebene des Halbleiterkristalls innerhalb eines Magnetfeldes zu drehen, so daß die magnetischen Kraftlinien den Hallgenerator in veränderlichen Winkeln schneiden. Wenn dabei die Position des Kristalls nicht verändert wird, d. h. wenn der Kristall in einem homogenen Bereich des Magnetfeldes bleibt, ist in der erwähnten Formel neben der Größe K auch die Größe B konstant, und die Ausgangsspannung Ua ist eine Funktion des Winkels O. Derartige Meßumformer liefern eine gut ausgeprägte sinusförmige Änderung des Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Eingangswelle, wobei jedoch ein großer Luftspalt vorgesehen sein muß, in welchem der Kristall gedreht werden kann. Ein großer Luftspalt begrenzt den praktisch erreichbaren Maximalwert der Induktion des Magnetfeld es, so daß nur schwache Ausgangssignale geliefert werden können.
Dieser Nachteil ist bei einem weiteren bekannten Meßumformer dadurch vermieden, daß der Kristall des Hallgenerators in einem engen Luftspalt zwischen einem magnetisierten Rotor und einem Stator angeordnet ist, welcher in vier Quadranten unterteilt ist, die den Rückweg für den magnetischen muß des Rotors bilden. Bei einem derartigen Meßumformer, der als Drehgeber verwendbar ist, ändert sich die Induktion B des den Kristall des Hallgenerators durchsetzenden Magnetfeldes ebenso wie der Winkels zwischen der Richtung des Magnetfeldes und dem Lot auf die Ebene des Hallgenerators in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Eingangswelle. Ein streng sinusförmiger Verlauf der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Drehung der Eingangswelle kann nur durch eine besondere Form des von dem Rotor erzeugten Magnetfeldes erreicht werden. Hierdurch wird die Herstellung des Meßumformers schwierig und aufwendig, denn um den genauen Feldstärkeverlauf festzulegen, muß der Rotor nach dem Magnetisieren maschinell bearbeitet werden, was bei dauermagnetischen Werkstoffen nicht einfach ist.
Auch die erforderliche genaue Bearbeitung der Statorsegmente stößt auf Schwierigkeiten, da sie aus einzelnen Schichten aufgebaut sind.
Es ist auch bekannt, den Statorteil eines als Drehgeber verwendbaren Meßumformers als geschlossenen Ring oder als Rohr auszubilden, wobei dieser Teil, ohne in einzelne Segmente unterteilt zu sein, den Rotor umschließt. Bei dieser Ausführungsform besteht der Rotor aus einem drehbaren Dauermagneten, der mit der Eingangswelle verbunden und von einem oder mehreren Hallgeneratoren umgeben ist.
Hierbei sind die Hallgeneratorkristalle auf derInnenseite des raumfesten, aus ferromagnetischem Material bestehenden Stators befestigt. Diese Anordnung hat ebenso wie die zuvor erwähnten Meßumformer den Nachteil, daß sich die magnetische Feldstärke an den einzelnen Punkten des Stators bei der Drehung des Rotormagneten verändert. Bei einer solchen Ummagnetisierung treten unerwünschte Hysteresiseffekte auf, die zu Fehlern in der Anzeige führen. Der magnetische Fluß im Eisen des Stators ist dann nicht nur eine Funktion der augenblicklich wirkenden magnetischen Feldstärke, sondern auch der unmittelbaren Vorgeschichte. Somit richtet sich auch das Ausgangssignal des Meßumformers nicht nur nach der augenblicklichen Winkelstellung der Eingangswelle, sondern es wird gleichzeitig von den vorhergegangenen Winkelstellungen beeinflußt. Man kann diese Hysteresiseffekte dadurch verringern, daß man einen größeren Luftspalt vorsieht, doch wird durch diese Maßnahme, wie bereits erwähnt, die maximale erzielbare magnetische Induktion B verringert, so daß die Amplitude des Ausgangssignals kleiner wird.
Die erwähnten Schwierigkeiten und Nachteile werden bei einem elektrischen Meßumformer der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß der Rückleitungsring aus Weicheisen mit niedrigem magnetischem Widerstand über ein Zwischenstück mit dem Dauermagneten magnetisch leitend verbunden ist und mit diesem zusammen umläuft, daß die Hallgeneratoren samt ihren Zuleitungen auf einem am raumfesten Gehäuse angebrachten, in seiner Form dem Luftspalt angepaßten Träger aus magnetisch nicht leitendem Material angeordnet sind, und daß der Rückleitungsring eine Form aufweist, die an jedem beliebigen Punkt des Luftspaltes eine sinusförmige Änderung des diesen durchsetzenden magnetischen Flusses mit der Drehung des aus Rückleitungsring, Zwischenstück und Dauermagneten bestehenden Rotors sicherstellt.
Diese Konstruktion hat den Vorteil, daß keine störenden Hysteresiseffekte auftreten, denn es findet niemals eine Änderung des magnetischen Flusses im Rückleitungsring statt. Die Ausgangssignale der Hallgeneratoren sind eine eindeutige Funktion der Winkelstellung der Welle und haben jeweils für die gleiche Winkelstellung den gleichen Wert. Da das Magnetfeld im Rückfiußweg nicht wechselt, ist es auch nicht erforderlich, diesen Weg aus Schichten aufzubauen. Außerdem ist es möglich, für den Rückflußweg die einfachere Konstruktion eines Ringes zu verwenden, anstatt hier Quadranten vorzusehen. Somit läßt sich der Meßumformer leichter herstellen als die bekannten Ausführungsformen. Wegen der fehlenden Hysteresiseffekte kann der Luftspalt so schmal gemacht werden, wie es die Hallgeneratoren mit ihren Trägern zulassen, so daß hohe Werte der magnetischen Feldstärke erzielbar sind. Durch Verwendung eines ausreichend dünnen Trägers und durch Aufdampfen der Hallgeneratoren und der Zuleitungen sind außerordentlich kleine Luftspalte möglich.
Wenn der Meßumformer ein sinusförmiges Ausgangssignal erzeugen soll, das in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Eingangswelle variiert, kann man das relativ weiche Eisen des Rückleitungsringes leicht bearbeiten, um dem Magnetfeld die gewünschte Form zu geben, d. h. es ist nicht erforderlich, eine maschinelle Bearbeitung des magnetisierten Rotors durchzuführen.
Mit der Erfindung wird somit ein leicht herzustellender Meßumformer vermittelt, der die Winkelstellung einer Eingangswelle in ein analoges Ausgangssignal verwandelt, ohne daß auf Hysteresiseffekte beruhende Fehler auftreten. Ebenso kann ein sich sinusförmig änderndes Ausgangssignal erhalten werden, ohne daß eine Einbuße bezüglich seiner Amplitude in Kauf genommen werden muß.
Die Erfindung wird in zwei Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen erläutert.
F i g. 1 und 2 zeigen jeweils im Schnitt eine Ausbildungsform der Erfindung, wobei F i g. 1 ein axialer Schnitt längs der Linie 1-1 in F i g. 2 und F i g. 2 ein Querschnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1 ist, F i g. 3 und 4 zeigen jeweils im Schnitt eine weitere Ausbildungsform der Erfindung, wobei Fig.3 ein Schnitt längs der Linie 3-3 in F i g. 4 und F i g. 4 ein Schnitt längs der Linie 4-4 in F i g. 3 ist.
Die in Fig.1 und 2 gezeigte Ausbildungsform umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 11 mit einer Stirnplatte 12. Auf der Achse des Gehäuses 11 ist in Lagern 15 und 17 eine Welle 13 drehbar gelagert.
Auf der Welle 13 ist gleichachsig mit dieser und zusammen mit ihr drehbar ein Rotor 19 angeordnet, der einen Dauermagneten umfaßt, dessen Pole auf einander diametral gegenüberliegenden Seiten der Welle 13 liegen. Der Rotor 19 ist von einem gleichachsig mit der Welle 13 angeordneten Rückleitungsring 21 umgeben, der in einem radialen Abstand vom Rotor 19 so angeordnet ist, daß zwischen dem Rotor und dem Rückleitungsring 21 ein ringförmiger Luftspalt 23 verbleibt. Der Rotor 19 und der Rückleitungsring 21 sind durch eine ebenfalls gleichachsig mit der Welle 13 angeordnete Scheibe 25 miteinander verbunden. Somit kann das den Rotor 19, den Rückleitungsring 21 und die Scheibe 25 umfassende Aggregat mit Hilfe der Welle 13 gedreht werden. Der Rückleitungsring 21 besteht aus Weicheisen und bildet einen Rückftußweg von niedrigem magnetischem Widerstand für den Dauermagneten bzw. für den Rotor 19. Ein rohrförmiger Träger 27 ist an der Stirnplatte 12 des Gehäuses 11 gleichachsig mit der Welle 13 angebracht und ragt in den ringförmigen Luftspalt23 hinein. Der rohrförmige Träger 27 besteht aus einem unmagnetischen, nicht leitfähigen Material, z. B. aus Glas. Auf dem rohrförmigen Träger 27 sind in dem Luftspalt 23 vier Hallgeneratoren 29 bis 32 in Winkelabständen von 900 um die Achse der Welle 13 verteilt angeordnet. Diese Hallgeneratoren sind in Form von Kristallen ausgebildet und mit dem rohrförmigen Träger 27 fest verbunden.
Die Kristalle der Hallgeneratoren können durch Aufdampfen von Halbleiterschichten auf den rohrförmigen Träger 27 hergestellt werden. Der Rückleitungsring 23 verläuft gleichachsig mit der Welle 13, so daß sich das den Rotor 19 und den Rückleitungsring 21 umfassende Aggregat gegenüber den Hallgeneratoren 29 bis 32 und dem rohrförmigen Träger 27 ungehindert drehen kann.
Bei der beschriebenen Konstruktion liefert der als Dauermagnet ausgebildete Rotor 19 ein starkes Magnetfeld, denn das Magnetfeld braucht nur einen schmalen Luftspalt zu durchsetzen, der sich zwischen dem Rotor 19 und dem Rückleitungsring 21 erstreckt. Da sich der Rückleitungsring 21 zusammen mit dem Rotor 19 dreht, hat die magnetische Feldstärke in dem durch den Rückleitungsring 21 gebildeten Rückilußweg stets den gleichen Wert, so daß sich keine Hysteresiseffekte einstellen. Wenn der Rotor 19 gedreht wird, variiert die Stärke des die Hallgeneratorkristalle 29 bis 32 durchsetzenden Magnetfeldes, so daß die Ausgangssignale der Hallgeneratoren in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Eingangswelle 13 variieren. Das Magnetfeld ist so geformt, daß die Fluß dichte an jedem bestimmten Punkte des Luftspaltes 23 sinusförmig in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Magnetfeldes und damit auch von der Winkelstellung der Eingangswelle 13 variiert. Da die Richtung des Magnetflusses in dem Luftspalt 23 stets rechtwinklig zu den Ebenen der Kristalle der Hallgeneratoren ist, variieren die Ausgangssignale der Hallgeneratoren sinusförmig in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Eingangswelle. Die gewünschte Gestalt des Magnetfeldes wird durch eine maschinelle Bearbeitung des Rückleitungsringes 21 erzielt. Wenn man diejenige Winkelstellung der Welle 13 als die Nullstellung bezeichnet, bei welcher die Feldstärke in den einander diametral gegenüberliegenden Hallgeneratoren 29 und 31 ein Minimum ist, so ist das Ausgangssignal dieser Hallgeneratoren proportional zum Sinus der Winkelstellung der Welle 13, und das Ausgangssignal der gegenüber den beiden Generatoren 29 und 31 um 900 versetzten Generatoren30 und 32 ist proportional zum Cosinus der Winkelstellung der Welle 13.
Die in F i g. 3 und 4 gezeigte weitere Ausbildungsform der Erfindung umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 35 mit einer Stirnplatte 36. Eine Welle 37 ist auf der Achse des Gehäuses 35 mit Hilfe von Lagern 39 und 41 drehbar gelagert. Ein scheibenförmiger Rotor 43 ist auf der Welle 37 gleichachsig mit dieser und zusammen mit ihr drehbar angeordnet. Der Rotor 43 umfaßt einen Dauermagneten, dessen Pole aufeinander diametral gegenüberliegenden Seiten der Welle 37 angeordnet sind. Ein zweiter scheibenförmiger Bauteil 45 ist ebenfalls gleichachsig mit der Welle 37 auf dieser und zusammen mit ihr angeordnet und wird durch eine Abstandsscheibe 47 in einem axialen Abstand von dem Rotor 43 gehalten, so daß zwischen dem Rotor 43 und dem scheibenförmigen Bauteil 45 ein scheibenförmiger Luftspalt 49 vorhanden ist. Somit kann das den Rotor 43, den scheibenförmigen Bauteil 45 und die Abstandsscheibe 47 umfassende Aggregat mit Hilfe der Eingangswelle 37 gedreht werden. An den zylindrischen Wänden des Gehäuses 35 sind Träger 51 und 52 von allgemein halbrunder Form so befestigt, daß sie in den die Abstandsscheibe 47 umgebenden Luftspalt 49 hineinragen. Auf den Trägern 51 und 52 sind in dem Luftspalt 49 vier Hallgeneratoren 53 bis 56 in Winkelabständen von 900 um die Welle herum angeordnet.
Der scheibenförmige Bauteil 45 besteht aus Weicheisen und bildet daher einen Rückflußweg von geringem magnetischem Widerstand für den Dauermagneten 43. Der Luftspalt 49 verläuft gleichachsig mit der Achse des den Rotor 43 und den Bauteil 45 umfassenden Aggregats, so daß dieses Aggregat gegenüber den Hallgeneratoren 53 bis 56 und den Trägern 51 und 52 ungehindert gedreht werden kann.
Da das durch den Dauermagneten bzw. den Rotor 43 erzeugte Magnetfeld nur den engen Luftspalt49 zwischen dem scheibenförmigen Bauteil 45 und dem Rotor 43 zu durchsetzen braucht, ergibt sich eine hohe magnetische Feldstärke, und da sich der durch den Bauteil 45 gebildete Rückflußweg von geringem magnetischem Widerstand zusammen mit dem Rotor 43 dreht, ist das Magnetfeld in dem Rückflußweg 45 stets konstant, so daß sich keine Hysteresiseffekte einstellen. Wenn die Welle 37 gedreht wird, variiert die Stärke des die Hallgeneratoren 53 bis 56 durchsetzenden Magnetfeldes und damit auch das Ausgangssignal jedes der vier Hallgeneratoren in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Ausgangswelle 37. Der scheibenförmige Bauteil 45 wird maschinell so bearbeitet, daß das Magnetfeld eine solche Form annimmt, daß die Flußdichte an jedem Punkte in dem Luftspalt 49 sinusförmig in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Magnetfeldes und daher auch der Eingangswelle 37 variiert. Da die Richtung des den Luftspalt 49 durchsetzenden Magnetfiusses stets rechtwinklig zur Ebene der Kristalle der Hallgeneratoren 53 bis 56 ist, variieren die Ausgangssignale der Hallgeneratoren sinusförmig in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Eingangswelle 37. Wenn man die Stellung der Eingangswelle für den Fall, daß die Stärke des die einander diametral gegenüberliegenden Hallgeneratoren 53 und 55 durchsetzenden Magnetfeldes ein Minimum ist, als Nullstellung bezeichnet, ist das Ausgangssignal der Hallgeneratoren 53 und 55 proportional zum Sinus der Winkelstellung der Eingangswelle, und das Ausgangssignal der gegenüber den Generatoren 53 und 55 um 900 versetzten Generatoren ist proportional zum Cosinus der Winkelstellung der Welle 37.
Sowohl bei der Ausbildungsform nach Fig. 1 und 2 als auch bei derjenigen nach Fig. 3 und 4 können die den Dauermagneten und den Rückflußweg von geringem magnetischem Widerstand bildenden Bauteile ihre Rolle miteinander vertauschen.
Mit anderen Worten, der Dauermagnet kann die Gestalt des Rückleitungsrings 21 annehmen, während der Rotor 19 den Rückflußweg von geringem magnetischem Widerstand bildet.
Es sei bemerkt, daß man bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die verschiedensten Abänderungen und Abwandlungen vorsehen kann.

Claims

Patentansprüche: 1. Elektrischer Meßumformer, welcher der jeweiligen Winkelstellung seiner Eingangswelle entsprechende Ausgangsspannungen liefert mittels Hallgeneratoren, die im Luftspalt zwischen einem mit der drehbaren Eingangswelle fest verbundenen Dauermagneten und einem Ring für die Rückleitung des magnetischen Flusses vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückleitungsring (21 bzw. 45) aus Weicheisen mit niedrigem magnetischem Widerstand über ein Zwischenstück (25 bzw. 47) mit dem Dauermagneten (19 bzw. 43) magnetisch leitend verbunden ist und mit diesem zusammen umläuft, daß die Hallgeneratoren (29, 30, 31, 32 bzw. 53, 54, 55, 56) samt ihren Zuleitungen auf einem am raumfesten Gehäuse (11 bzw. 35) angebrachten, in seiner Form dem Luftspalt (23 bzw. 49) angepaßten Träger (27 bzw. 51, 52) aus magnetisch nichtleitendem Material angeordnet sind und daß der Rückleitungsring (21 bzw. 45) eine Form aufweist, die an jedem beliebigen Punkt des Luftspaltes (23 bzw. 49) eine sinusförmige Änderung des diesen durchsetzenden magnetischen Flusses mit der Drehung des aus Rückleitungsring, Zwischenstück und Dauermagneten bestehenden Rotors sicherstellt.
2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Rückleitungsring (21) den Dauermagneten (19) konzentrisch umgibt und die Hallgeneratoren (29, 30, 31, 32) achsparallel auf dem rohrförmigen, konzentrisch in den zylindrischen, in axialer Richtung verlaufenden Luftspalt (23) hineinragenden Träger (27) angebracht sind.
3. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der scheibenförmige Rückleitungsring (45) parallel zum Dauermagneten (43) liegt und die Hallgeneratoren (53, 54, 55, 56) radial auf dem aus zwei Halbkreisscheiben (51, 52) gebildeten und radial in den ebenfalls in radialer Richtung sich erstreckenden Luftspalt (49) hineinragenden Träger angebracht sind.
4. Meßumformer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstatt der vier Hallgeneratoren (29 bis 32 bzw. 53 bis 56) zwei auf dem Luftspaltumfang um 900 gegeneinander versetzte Hallgeneratoren vorgesehen sind.
5. Meßumformer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstatt der vier Hallgeneratoren (29 bis 32) bzw. 53 bis 56) mehrere gleichmäßig auf dem Luftspaltumfang verteilte Hallgeneratoren vorgesehen sind.
6. Meßumformer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstatt der vier Hallgeneratoren (29 bis 32 bzw. 53 bis 56) ein Hallgenerator vorgesehen ist.
7. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallgeneratoren einen Träger aus Glas aufweisen.

In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 272 720; USA.-Patentschrift Nr. 2536805.