DE1548591B2

DE1548591B2 - Mit halleffekt arbeitendes geraet

Info

Publication number: DE1548591B2
Application number: DE19641548591
Authority: DE
Inventors: Bernard Paris Grancoin
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1963-07-05
Filing date: 1964-07-04
Publication date: 1973-04-19
Also published as: CH416389A; DE1548590C3; CH419913A; DE1548590A1; FR1375070A; US3309642A; OA00594A; DE1548591A1; DE1548590B2; GB1074631A; OA00779A; DE1548591C3; US3368127A

Description

genau symmetrisch zum Empfangskopf steht, das von der Hallsonde erzeugte Signal entweder unter Vorzeichenumkehrung durch Null oder durch ein Maximum; dieses Signal wird von einem nachgeschalteten Transistorverstärker in eine Schaltspannung umgeformt. Eine Übertragung dieses Prinzips auf eine rotierende Maschine würde daher ebenfalls keine Spannungen ergeben, die dem Sinus bzw. Cosinus der Winkelstellung des Rotors genau proportional wären.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Geräts, das in gleicher Weise wie die üblichen Resolver, jedoch ohne Wicklungen und Kollektoren, mit gutem Wirkungsgrad Spannungen liefert, die dem Sinus bzw. Cosinus der Winkelstellung eines Rotors proportional sind.

Bei einem Gerät der eingangs angegebenen Art wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Stator aus wenigstens zwei gleichen Teilzylindern aus magnetisiert) arem Material besteht, die durch eine entsprechende Anzahl von in der Längsrichtung verlaufenden Luftspalten getrennt sind, daß in wenigstens einem der Luftspalte in an sich bekannter Weise eine oder mehrere Hallsonden angeordnet sind und daß der radiale Luftspalt durch den Umriß des Querschnitts von zwei auf den Permanentmagnet aufgesetzten Polschuhen so geformt ist, daß sich das Magnetfeld in den in der Längsrichtung verlaufenden Luftspalten des Stators in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors sinusförmig ändert.

Das nach der Erfindung ausgebildete Gerät besitzt einen guten Wirkungsgrad, weil der Luftspalt zwischen Stator und Rotor außerordentlich klein gehalten werden kann, und andererseits ist es möglich, durch die besondere Form der Polschuhe genau den gewünschten Verlauf der abgegebenen Spannung in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors zu erzielen. Schließlich hat die Anordnung der Hallsonden in den in der Längsrichtung verlaufenden Luftspalten des Stators den Vorteil, daß sie bei jeder Stellung des Rotors von den magnetischen Kraftlinien stets genau senkrecht durchsetzt werden, so daß für den jeweils wirksamen Fluß die maximale Hallspannung abgegeben wird.

Das erfindungsgemäße Gerät kann daher bei sehr kompaktem Aufbau eine kräftige Spannung abgeben, die genau dem Sinus bzw. Cosinus des Rotorwinkels entspricht.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform des Geräts nach der Erfindung längs der Linie H-II von F i g. 2,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Gerät von Fig.l,

F i g. 3 einen Querschnitt ähnlich F i g. 2 bei einer anderen Winkelstellung des Rotors,

Fig.4 eine schematische Querschnittansicht zur Erläuterung der Erzielung eines nach einer Sinusfunktion von der Winkelstellung abhängigen Magnetfeldes,

F i g. 5 einen Querschnitt durch ein Gerät, mit dem zwei dem Sinus bzw. dem Cosinus des Rotorwinkels entsprechende Spannungen erhalten werden,

F i g. 6 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführung eines Geräts, mit dem zwei Spannungen erhalten werden,

F i g. 7 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführung eines Geräts, mit dem zwei Spannungen erhalten werden, und

F i g. 8 einen Querschnitt durch das Gerät von Fig. 7.

Das in Fig.l bis 3 gezeigte Gerät enthält einen Rotor mit einem Permanentmagnet 1, der im wesentlichen die Form eines Zylinders hat, der zur Rotorachse 10 rotationssymmetrisch ist und zwei Polschuhe 11 (Nordpol) und 11 α (Südpol) aufweist. Dieser Magnet erzeugt einen Magnetfluß Φ, der sich über zwei Halbzylinder 2 und 2 a des Status schließt, die vom Permanentmagnet 1 durch einen zylindrischen ringförmigen Luftspalt 4 getrennt sind und zwischen denen zwei einander diametral gegenüberliegende, in der Längsrichtung verlaufende Luftspalte 3 und 3 α bestehen, in denen eine oder mehrere Hallsonden 21 bzw. 21 b angeordnet sind. Die Polschuhe 11 und 11 α des Rotors und die beiden Halbzylinder 2 und la bestehen vorzugsweise aus einer magnetisch weichen Legierung.

Der vom Permanentmagnet 1 gebildete Rotor ist um die Rotorachse 10 mittels einer Welle 12 drehbar gelagert, die im Gehäuse 5 des Geräts durch zwei Kugellager 13 gehalten wird.

In dieser Stellung ist der vom Permanentmagnet 1 welcher die Nord-Süd-Achse des Permanentmagnets 1 und der Polschuhe 11 und 11 a in einer Linie mit den die Hallsonden 21 und 21 α enthaltenden Luftspalten 3 und 3 α liegt.

In dieser Stellung ist der vom Permanentlagnet 1 erzeugte Fluß Φ von den Polen aus symmetrisch nach rechts und nach links zu beiden Seiten der diametralen Symmetrie-Ebene der Luftspalte 3, 3 a im radialen Luftspalt 4 in zwei gleichen Teilen verteilt, wobei sich die Teilflüsse links über den Halbzylinder 2 und rechts über den Halbzylinder 2 α schließen. Da kein Fluß durch die Luftspalte 3 und 3 α geht, hat die quer durch die Hallsonden 21 und 21a gehende magnetische Induktion den Wert Null, so daß die von den Hallsonden an den Klemmen 213, 214 abgegebene Spannung Null ist, unabhängig von dem ihren Klemmen 221,212 zugeführten Erregungsstrom. Diese Stellung des Rotors wird als »elektrischer Nullpunkt« bezeichnet.

In der Darstellung von F i g. 3 nimmt der Rotor die Stellung ein, in welcher die Nord-Süd-Achse einen Winkel Θ mit der Stellung einschließt, welche dem elektrischen Nullpunkt entspricht.

Von jedem rechts bzw. links von der Nord-Süd-Achse liegenden Teilfluß geht ein Teil Φ_χ nur durch den radialen Luftspalt 4, über einen Halbzylinder, während ein weiterer Teil Φ., außer über den radialen Luftspalt 4 und den anderen Halbzylinder noch durch den Luftspalt 3 bzw. den Luftspalt 3 α geht, so daß die Hallsonde 21 bzw. 21 α erregt wird.

Das Verhältnis zwischen den Teilen Φ_χ und Φ₂ hängt von der Winkelstellung Θ des Rotors ab. Für Θ — π/2 gilt insbesondere ^₁ = 0, während Φ₂ ein Maximum hat, das den maximalen Wert des in den Luftspalten 3 und 3 a herrschenden Induktionsfeldes ergibt.

Die an den Hall-Elektroden 213, 214 bzw. 213 a, 214 a der Sonden 21 bzw. 21a erscheinende HaIlspannung ist dem in Luftspalt 3 bzw. 3 α herrschenden Induktionsfeld proportional, wenn die Hallsonden an ihren Klemmen 211, 212 durch einen Steuerstrom konstanter Amplitude erregt werden. Wenn

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also das im Luftspalt 3 bzw. 3 α herrschende Feld der beiden Sondenpaare nicht in allen Fällen genau

eine Sinusfunktion der Winkelstellung Θ des Rotors übereinstimmen, so daß sogenannte Achsenfehler

ist, gilt dies auch für die von den Hallsonden abge- bestehen bleiben,

gebene Spannung. Eine erste Lösung zur Beseitigung dieses Nachteils

In Fig.4 ist dargestellt, wie der erforderliche 5 besteht darin, daß die Länge des Rotors gemäß sinusförmige Verlauf des Magnetfeldes in den Luft- F i g. 6 verdoppelt wird und daß der Stator in seispalten 3 und 3 a erhalten wird. Bei dem Gerät von nem vorderen Teil mit zwei Halbzylindern 2 a, 2b F i g. 4 besteht der Rotor wie im Fall von F i g. 2 aus und in seinem hinteren Teil mit zwei Halbzylindern einem Permanentmagnet 1 mit Polschuhen 11 und 2 c, 2 d ausgebildet wird, wobei die hinteren HaIb-11 a, die durch einen radialen Luftspalt 4 von den io zylinder von den vorderen Halbzylindern durch einen beiden Halbzylindern 2 und 2 a des Stators getrennt Abstand getrennt sind, der im Vergleich zu den Luftsind. In den einander diametral gegenüberhegenden spalten 3 ausreichend groß ist, daß die magnetischen Luftspalten 3 und 3 a besteht ein Magnetfeld, das im Streuflüsse zwischen den beiden Paaren von Halbwesentlichen proportional zum Cosinus des Winkels zylindern vernachlässigbar sind. Der Rotor wirkt mit ist, welchen die Nord-Süd-Richtung des Rotors mit 15 den beiden Paaren von Halbzylindern zusammen. Die dem durch die Mitte der Luftspalte 3 und 3 α gehen- Luftspalte 3 a, 3 b zwischen den vorderen Halbzylinden Durchmesser einschließt. dem 2 α, 2 b müssen genau senkrecht zu den Luft-

Diese Eigenschaft wird durch die besondere Form spalten 3c, 3d zwischen den hinteren Halbzylindern

erhalten, die dem Profil der Polschuhe 11 und 11a 3c, 3d stehen, was eine genaue Einjustierung erfor-

erteilt ist. so dert

Der Luftspalt4 ist an den Scheiteln der Pole am Eine weitere Ausführungsform ist in Fig.7 im

kleinsten, aber er nimmt schnell ab, so daß die Ecken Längsschnitt und in F i g. 8 im Querschnitt darge-

der Polschuhe sehr stark abgerundet sind. stellt.

Für ein Gerät, das gleichzeitig zwei Spannungen Damit die Achsenfehler noch genauer beseitigt

liefert, die den Funktionen cos β und sin Φ entspre- 25 werden können, enthält der Rotor hierbei zwei ge-

chen, sind verschiedene Ausführungsformen möglich. trennte Permanentmagnete, die Polschuhella, Ub

Die erste Ausführungsform ist in Fig. 5 dargestellt. bzw. lic, Ud aufweisen und gegenseitig verstellbar Sie besteht in der einfachsten Form einfach darin, sind, während der Stator in Form von zwei Ringen daß der Stator 2 in vier Teilzylinder 2 a, 2 b, 2 c, 2d mit jeweils zwei Halbzylindern entsprechend der Ausunterteilt wird, zwischen denen Luftspalte 3a, 3b, 3c, 30 führungsform von Fig. 6 beibehalten wird.
3 d bestehen, in denen jeweils eine Hallsonde ange- Bei dieser Ausführungsform können Fehler in der ordnet ist. Die Spannung, die von den in den Luft- senkrechten Ausrichtung der die Hallsonden 21a, spalten 3 α und 3 b angeordneten Hallsonden abge- 21 b, 21c, 21 d enthaltenden Luftspalte 3 α, 3 b, 3 c, geben wird, entspricht der Funktion cos Θ, und die 3 d dadurch kompensiert werden, daß der elektrische Spannung der Hallsonden in den Luftspalten 3 c und 35 Nullpunkt für die Hallsonden 21 c, 21 d durch eine 3 d, die um 90° gegen die Luftspalte 3 α und 3 b ver- geeignete gegenseitige Verstellung der beiden Permasetzt sind, entspricht der Funktion sin Θ. nentmagnete eingestellt wird, nachdem der Rotor um

Es ist jedoch schwierig, die Luftspalte3c, 3d ge- 90° gegen die Winkelstellung verdreht worden ist,

nau senkrecht zu den Luftspalten 3 a, 3 b anzuordnen. welche dem elektrischen Nullpunkt der Hallsonden

Dies hat zur Folge, daß die elektrischen Nullpunkte 40 21a, 21 b entspricht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche- *^e Erfindung bezieht sich auf ein Gerät mit einem P ' Rotor mit wenigstens einem diametral magnetisierten

1. Gerät mit einem Rotor mit wenigstens einem Permanentmagnet, mit einem koaxial zu dem Rotor diametral magnetisierten Permanentmagnet, mit angeordneten ringförmigen Stator aus magnetisiereinem koaxial zu dem Rotor angeordneten ring- 5 barem Material und mit gegenüber dem Rotor festförmigen Stator aus magnetisierbarem Material stehenden Hallsonden, an deren Steuerelektroden und mit gegenüber dem Rotor feststehenden Hall- eine Bezugsspannung gelegt ist und die an ihren Hallsonden, an deren Steuerelektroden eine Bezugs- elektroden Spannungen abgeben, die von der Winkelspannung gelegt ist und die an ihren Hallelektro- stellung des Rotors abhängen, wobei die Pole des den Spannungen abgeben, die von der Winkel- io Permanentmagneten so geformt sind, daß zwischen stellung des Rotors abhängen, wobei die Pole den Polen und dem Stator ein radialer Luftspalt bedes Permanentmagneten so geformt sind, daß steht, dessen Breite in der Mitte jedes Pols am kleinzwischen den Polen und dem Stator ein radialer sten ist und zu den beiden Enden des Pols stetig zu-Luftspalt besteht, dessen Breite in der Mitte jedes nimmt.

Pols am kleinsten ist und zu den beiden Enden 15 Bei den bisher bekannten Geräten dieser Art (frandes Pols stetig zunimmt, dadurch gekenn- zösische Patentschrift 1019 072, schweizerische Pazeichnet, daß der Stator aus wenigstens zwei tentschrift 272720) liegen die Hallsonden unmittelgleichen Teilzylindern (2, 2 a, 2 b, 2 c, 2d) aus bar in dem radialen Luftspalt zwischen dem Rotor magnetisierbarem Material besteht, die durch eine und dem Stator; diese Ausbildung ermöglicht zwar entsprechende Anzahl von in der Längsrichtung 20 die Abgabe 'einer Spannung, die von der Winkelstelverlaufenden Luftspalten (3, 3 a, 3 b, 3c, 3d) ge- lung des Rotors abhängt, doch ist es nicht ohne weitrennt sind, daß in wenigstens einem der Luft- teres möglich, diese Abhängigkeit einem vorgegebe- /" spalte in an sich bekannter Weise eine oder meh- nen Gesetz in der gewünschten Weise anzupassen, rere Hallsonden (21, 21a, 21 b, 21c, lld) ange- Außerdem ist die Mindestbreite des radialen Luftordnet sind und daß der radiale Luftspalt (4) 25 spalts dadurch bedingt, daß sie größer als die Dicke durch den Umriß des Querschnitts von zwei auf einer Hallsonde sein muß. Infolge der verhältnisden Permanentmagnet (1) aufgesetzten Polschu- mäßig großen Luftspaltbreite ist der Wirkungsgrad hen (11, lla, 11 b, lic, 11 d) so geformt ist, daß gering; außerdem wird die Hallsonde nicht mehr sich das Magnetfeld in den in der Längsrichtung genau senkrecht von den magnetischen Kraftlinien verlaufenden Luftspalten des Stators in Abhängig- 30 durchsetzt, wenn der Rotor nicht mehr genau symkeit von der Winkelstellung des Rotors sinus- metrisch zu den Hallsonden steht, oder bei ausgeförmig ändert. dehnten Hallsonden wird jeweils nur ein Teil der

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Hallsonde von den Kraftlinien des Rotors durchzeichnet, daß der Rotor einen einzigen Perma- setzt.

nentmagnet (1) aufweist, und daß der Umriß des 35 Diese bekannten Geräte genügen zwar für die

Querschnitts jedes Polschuhes (11, lla) ein Halb- Zwecke, für die sie bestimmt sind, nämlich einfach

kreis ist, dessen Mittelpunkt auf der Nord-Süd- die Schaffung von kontaktfreien Kommutatoren. Sie

Linie des Permanentmagnets (1) exzentrisch zur sind aber nicht mehr geeignet, wenn das Gerät in

Achse des Rotors liegt. gleicher Weise wie ein herkömmlicher, mit Wicklun-

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 40 gen ausgestatteter Resolver (Drehmelder) Spannunzeichnet, daß der Umriß des Querschnitts der gen abgeben soll, welche dem Sinus bzw. Cosinus der Polschuhe (11, 11 a) am Scheitel einen Krüm- Winkelstellung des Rotors genau proportional sind,
mungsradius hat, der etwas kleiner als der Ab- Ein Bedarf für solche Geräte, die Spannungen liestand des Scheitels von der Rotorachse (10) ist, fern, die dem Sinus oder Cosinus einer Winkelstel- i und daß der Umriß die Form eines Tropfens hat, 45 lung proportional sind, besteht insbesondere bei Anadessen Krümmungsradius mit zunehmender Ent- logrechengeräten. Für. diesen Zweck wurden bisher fernung vom Scheitel kleiner wird. üblicherweise die unter der Bezeichnung Resolver

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekenn- oder Funktionsdrehmelder bekannten Geräte verzeichnet, daß der Stator aus Viertelzylindern wendet, die Rotorwicklungen und Statorwicklungen (11 a, 11b, lic, 11 d) besteht. 50 aufweisen; wenn an die einen Wicklungen eine Wech-

5. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekenn- selspannung angelegt wird, erhält man die gewünschten zeichnet, daß der Rotor einen einzigen Perma- Spannungen an den Klemmen der anderen Wicknentmagnet (1) enthält, der von zwei axial neben- lungen. Der Nachteil dieser Geräte-besteht darin, daß einanderliegenden ringförmigen Statoren umgeben die Verwendung eines Kollektors mit Bürsten erforist, von denen jeder aus zwei Halbzylindern (2 α, 55 derlich ist; außerdem sind der oft erwünschten Minia- 2b; 2c, 2d) besteht, und daß die einander dia- turisierung durch die Verwendung von Wicklungen metral gegenüberliegenden Luftspalte (3α, 3 b; Grenzen gesetzt.

3c, 3d) der beiden Statoren senkrecht zuein- , Andererseits sind aus der Zeitschrift »ETZ-A«,

ander stehen. Bd. 81, Heft 9, April 1960, S. 323 bis 327, Anord-

6. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekenn- 60 nungen zur kontaktlosen Signalgabe bekannt, bei zeichnet, daß der Rotor zwei koaxial nebenein- denen eine Hallsonde in einem Luftspalt angeordnet ander angeordnete Permanentmagnete (1) ent- ist, der zwischen zwei Teilen aus magnetisch weihält, deren Lage auf der gemeinsamen Welle (12) chem Material besteht, damit ein Signal erzeugt wird, getrennt einstellbar ist, und daß zwei ringförmige das den Vorbeigang eines Permanentmagnets an Statoren mit jeweils zwei Halbzylindern (2a, 2 b; 65 einem die beiden weichmagnetischen Teile enthal-2 c, 2 α¹) vorgesehen sind, von denen jeder einen tenden Empfangskopf anzeigt. Je nachdem, ob der der Permanentmagnete (1) umgibt. Permanentmagnet ein Flachmagnet oder ein Dipol-

magnet ist, geht dann, wenn der Permanentmagnet