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Kreisel mit zwei Freiheitsgraden Die Erfindung bezieht sich auf einen
Kreisel mit zwei Freiheitsgraden, bei dem drehbar in einem Gehäuse eine Welle gelagert
und auf dieser über ein Universalgelenk ein Rotor derart befestigt ist, daß die
drehachse des Rotors gegenüber der Achse der Welle in beliebiger Richtung kippbar
ist.
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Aus der USA-Patentschrift Nr. 3 077 785 ist ein solcher zweiachsiger
Kreisel bekannt,bei dem der Drehmomentgeber für die je nach Betrag und Richtung
des Kippwinkels erforderliche Rückstellung mit nichtmagnetischen elektrostatischen
Mitteln arbeitet. Ein Problem bei diesem herkömmlichen Kreisel besteht darin, daß
die Ausgangsleistung des Drehmomentgebers im Verhältnis zu seinen Ausmaßen und seinem
Gewicht sehr gering ist.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem bei einem Kreisel der eingangs
bezeichneten Art dadurch gelöst, daß zur Erzeugung des Rückstellmomentes der Rotor
anseinem äußeren Umfang einen ringförmigen Dauermagnet trägt. Das Verhältnis von
Größe und Gewicht des Dreemomentgebers wird also durch die Verwendung
eines
Dauermagneten verkleinert. Gleichzeitig wird- das Verhältnis von Größe und Gewicht
des ganzen Kreisels zu der Ausgangsleistung des Drehmomentgebers dadurch verkleinert,
daß der Dauermagnetring gleichzeitig als Rotorschwungmasse dient.
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Inweiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung sind vier gleichwinklig
um die Achse der Welle verteilte Abtastwicklungen vorgesehen, nahe denen am Rotor
ein zur Rotordrehachse konzentrischer magnetischer RückschluBring befestigt ist.
Das durch, daß auch dieser Rückschlußring ein Teil der Schwungmasse des Rotors bildet,
wird auch das Verhältnis von Gewicht und Größe des Kreisels zur-Ausgang-sleistung
der Abtastorgane verkleinert.
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Im folgenden ist ein Ausfahrungsbeispiel anhand der Zeichnungen beschrieben;
darin zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen zweiachsigen Kreisel mit den
Merkmalen der erfindung; Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1
; Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 1 ; Fig. 4 einen Längsschnitt
längs der Linie 4-4 der Fig. 2; Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie 5-5 der
Fig. 4; Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 der Fig. 5; und Fig. 7 das Schalthild
eines Teiles der Fig. 5.
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Fig. 1 ist als eine Ausführungsform der Erfindung ein zweiachsiger
Kreisel 10 mit freiem Rotor und mit einer Biegegelenk-Aufhängung gezeigt; dieser
Kreisel umfaßt einen Schwungrad
-Rotor 12, eine Welle 14 sowie eine
aus einem Stück bestehende, reibungsfreie, die Welle 14 und den Rotor 12 als ein
Universalgelenk verbindende Kardaneinneit 16. Der Kreisel 10 enthält ferner einen
Antriebsmotor 18, der die Welle 14 mit dem Rotor 12 dreht, sowie ein tragendes Gehause
20, in dem aie Welle, der Rotor und der Antrieosmotor eingebaut sind.
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Dem Rotor 12 ist eine Rotor-Drehachse 22, der Welle 14 eine Welienachse
24 zugeordnet. Das Universalgelenk 16, über das der Rotor in beliebiger Richtung
kippen kann, hat eine Kar@an-Längsachse 26 mit einem Drehpunkt 28,in dem sich die
Achsen 22 und 24 schneiden. Normalerweise, wenn sich aer Kreisei 10 in seiner 0-Lage
befindet, @luchten die Achsen 22, 24, 26 miteinander; im Betrieb schlie#en die Aensen
22 un@ 24 den Kippwinkel 30 ein.
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Der Kreisel 10 umfaßt ferner einen Drehmomentgeber 52 für die Rückstellung,
um den Kippwinkel 30 in beliebiger Richtung zu ändern, sowie eine Abtastvorrichtung
34, um die anderung aes-Kippwinkels 30 in jeder Kichtung festzustellen.
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Das Rotorrad 12 weist eine ringförmige Nabe 36 auf, die init dem
Gelenk fest verwunden ist, ferner einen ringförmigen Steg 38, der an der Nabe 36
befestigt ist und sich von ihr radial nach außen erstreckt, sowie eine ringförmige
kanalartige Felge 40, die an dem Steg 38 befestigt ist und wiederum von aiesem radial
uach au#en verlauft. Die Nabe 36 weist eine kreiszylindrische Dezaglich aer Achse
22 Koaxiale Innenfläche 42 au, Die kanalartige Felge 40 hat einen U-@örmigen querschnitt,
bildet vorzugsweise einen kreisrunden kanal, und ihre ringrörmige Ausnehmung 44
weist axial nach unten. Die Felge 4V ist in radialer Richtung mit einem inneren
flansch 46 und einem äußeren Flansch 48 versehen, cie Seide bezüglich aer
Achse
22 konzentrisch sind, axial nach unten stehen und die Seitenwände der ausnehmung
44 wilden.
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Die Welle 14 hat ein mit aer Karaananordnung 16 rest verbundenes
oberes Ende 50, einen koaxialen Mittelteil 52, der in dem Gehäuse 2u gelagert ist,
sowie ein mit dem Antrieb 18 fest verbundenes unteres Ende 54. Das Eiide 5ù weist
eine Radialfläche 56 auf, ctie unit der Kardanandordnung 16 verbunden ist.
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Der Antrieb 18 besteht vorzugsweise aus einem herkömmlichen Elektromotor
mit einem gewickelten Außenstator 58, der fest mit dem Gehäuse 20 verbunden ist
und einem Innenanker 60, der am Wellenende 54 befestigt und relativ zum Stator 58
drehbar ist.
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Das zur Welle 14 längs der Achse 24 koaxiale Gehäuse se 20 besteht
aus einem ringförmigen Rahmen 62, über den es an einem (nicht gezeigten) Fahrzeug
befestigt werden kann, aus einer oberen Kappe 64, die den Rotor 12 umschließt, sowie
aus einer unteren den Antrieb 18 umschließenden Kappe 66.
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Der Rahmen 62 ist mit einer ringförmigen ebenen Platte 68 versehen,
die mit der Welle 14 und dem Antrieb 18 koaxial ist und zur Befestigung des Kreisels
10 an dem Fahrzeug dient. Eine an die Platte 68 angeformte koaxiale Innenhülse 70
bildet die Lagerung für die Welle 14. An der Platte 68 ist ferner ein zylindrischer
oberer Flansch 72 angeformt, der sich von der Platte 68 axial nach oben erstreckt
und an seinem oberen Ende die Kappe 64 trägt. Ein ebenfalls an die Platte 68 angeformter
sich von dieser axial nach unten erstreckender zylindrischer Flansch 74 trägt die
Kappe 66. Der Flansch 74, der radial außerhalb des Antriebs 18 angeordnet ist, ist
mit dem Stator 58 verbunden, so daß der Antrieb 18 von dem Rahmen
62
getragen wird. Auf der radialen Innenseite der Hülse 70 ist ein Paar von Kugellagern
76, 78 eingebaut, die sich in axialem abstand voneinander befinden und auf das mittlere
Wellenstück 52 im Preßsitz aufgebracht sind.
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Wie deutlicher aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Platte 68 mit vier
Stauben 80, 82, 84, 86 versehen, die axial nach oben stehen und die Abtastvorrichtung
34 tragen und die um die Wellenachse 24 gleichwinklig und im gleichen radialen.Abstand
vom dieser angeordnet sind. Außerdem ist an die Platte 68 ein Ring 88 angeformt,
der ebenfalls axial nach oben steht und die Stellvorrichtung 32 trägt. Die Platte
68, die Hülse 70, die Flansche 72 ; und 74, die Kugellager 76 und 78 sowie der die
Stellvorrichtung tragende Ring 88 sind bezüglich der Wellenachse 24 konzentrisch.
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Die Abtastvorrichtung 34 besteht aus einem kreisrunden Magnetring
90, der an dem Steg 38 befestigt ist, sowie aus vier kleinen Spulen 92, 94, 96,
98, die gleichwinklig um die Wellenachse 24 herum angeordnet und auf den Stäben
80, 82, 84 und 86 gewickelt sind.
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Die zweiachsige Stellvorrichtung 32 umfaßt einen an der Felge 40
befestigten Magneten 100 sowie eine fest mit dem tragenden Ring 88 verbundene Spule
102.
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Die Gelenkanordnung umfaßt eine aus einem Stück bestehende mit vier
Biege stäben versehene innere Kardaneinheit 104 und eine ebenfalls aus einem Stück
bestehende mit vier-Biegestäben versehene äußere Kardaneinheit,106. Bei Verwendung
der Gelenkeinheit 16 kann ihre statische Federkonstante durch ihre dynamische Federkonstante
austarierwerden, so daß sich durch Eichen der Gelenkanordnung au9 eine feste Rotorgeschwindigkeit
beim Betrieb des Kreisels eine Federkonstante
gleich Null erreichen
läßt.
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Gemäß Fig. 1 und 3 umfaßt der Drehmomentgeber10b einen Magnetring
110, der an dem inneren Flansch 46 befestigt ist, sowie einen Haltering 112, der
im Schrumpfsitz auf dem Magnetring 110 aufgebracht ist und diesen so an dem Flansch
46 befestigt. Der Magnet 110 ist in radialer Richtung magnetisiert, so daß sein
äußerer Durchmesser die eine Polarität und sein innerer Durchmesser die entgegengesetzte
Polarität aufweist. Der Flansch 46 trägt ferner eine ringförmige magnetische Abschirmung
114 von L-förmigem Querschnitt, die einen Teil der kanalförmigen Nut 44 und damit
den Magneten 110 überragt.
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Die Bewicklung 102 des Drehmomentgebers und der Haltering 112 sind
voneinander durch einen ringförmigen in radialer Richtung gesehen inneren Spielraum
bzw. Luftspalt 116 getrennt. In ähnlicher Weise ist die Bewicklung von dem äußeren
Flansch 48 durch einen ringförmigen in radialer Richtung gesehen äußeren Spielraum
bzw. Luftspalt 118 getrennt. Bei dieser Bauweise wirkt der Felgenteil 40 als Rückschlußweg,der
die magnetischen Flußlinien 120 leitet. Der Magnetfluß 120 geht von dem Magnet 110
aus, durchsetzt nacheinander den Flansch 46, den Flansch 48, den Luftspalt 118,
die Bewicklung 102, den Luftspalt 116, den Haltering 112 und kehrt zu dem Magneten
110 zurück. In dieser Anordnung sorgt die Abschirmung114dafür, daß etwaige von den
Abtastorganen 92, 94, 96 und 98 oder von Antriebsmotor 18 verursachte Störungen
des Xagnetflusses 120 so klein wie möglich gehalten werden.
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Gemäß Fig. 4 und 5 besteht die Bewicklung 102, die als dünnwandiger
Ring ausgeführt ist, aus vier Wicklungsaggregaten 122, 124, 126 und 128, die bezüglich
der Wellenachse 24
in gleichwinkligen Quadranten angeordnet sind
und Gleichstrom führen. Die Wicklungsaggregate 122 und 124 und ebenso die Wicklungsaggregate
126 una 128 sind jeweils paarweise einander diametral gegenüber angeordnet.
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Die Bewicklung des Drehmomentgebers umfaßt ferner eine gegossene
Isolation 130, die aus einem im wesentlichen steifen Material von hoher Festigkeit,
beispielsweise aus einer nichtmagnetischen Vergußmasse, besteht. Die Isolation 130
wird von dem Ring 88 getragen und stützt ihrerseits die Wlcklungsaggregate 122,
124, 126 und 128.
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Das Wicklungsaggregat 122, das eine bogenförmige, dünnwandige Konstruktion
aufweist, besteht gemäß Fig. 5 aus einer Hauptwicklung 132, einer Vormagnetisierungswicklung
134 sowie einer Abgleichwicklung 136. Dabei ist die Wicklung 132 auf die Wicklung
134 aufgewickelt und diese wiederum auf die Wicklung 136. Alle drei Wicklungen sind
aus rechteckigen Windungen aufgebaut (Fig. 6).
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Das Wicklungsaggregat 124, das hinsichtlich seiner Konstruktion im
wesentlichen dem Wicklungsaggregat 122 entspricht, besteht ebenso aus einer Hauptwicklung
138, die mit der Wicklung 132 in Reihe geschaltet ist, einer Vormagnetisierungswicklung
140, die mit der Wicklung 134 in Reihe geschaltet ist, sowie einer Abgleichwicklung
142, die von der Wicklung 136 getrennt ist (vergl. Fig. 7).
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Die Wicklungsaggregatel26 und 128, die im wesentlichen einander gleich
sind und die gleiche Form haben wie die Aggregate 122 und 124, besitzen die mit-einander
in Reihe geschalteten Hauptwicklungen 144 und 146 sowie die ebenfalls in Reihe geschalteten
vormagnetisierungswicklungen 148 und ? 150. Den
Wicklungsaggregaten
122, 124 und 126, 128- sind jeweils die Drehachsen 152 bzw. 154 zugeordnet. Die
Wicklungen 122 und 124 bewirken eine Drehung um die Achse 154, während die Wicklungen
126 und 128 eine Drehung um die Achse 152 bewirken.
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Die Vormagnetisierungswicklungen 134, 140, 148 und 150 dienen dazu,
die Bewicklung 102 des Drehmomentgebers zu eichen. Die Abgeichwicklungen 136 und
142 werden dazu benützt, um die Drehachsen 152 und 154 aufeinander rechtwinklig
einzustellen.
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Die Wicklungsaggregate 122, 124, 126 und 128 werden auf möglichst
großen Wirkungsgrad geeicht; gleichzeitig wird die Gelenkanordnung 16 so abgeglichen,
daß sie beim Betrieb des Kreisels für eine feste Drehzahl des Rotors 12 eine Federkonstante
von Null aufweist. Auf diese Weise wird eine vom Gelenk 16 herrührende Unwucht im
wesentlichen eliminiert, wodurch Fehler des Drehmomentgebers 2 so klein wie möglich
gemacht werden.
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Die Abtastorgane 92, y4, 96 und 98 sind gemäß Fig. 2 in gleichem
Abstand von den Achsen 152 und 154 angeoranet und bestehen jeweils aus den Primärspulen
156, 158, 160, 162, aie jeweils um die Stäbe-80, 82, 84 und-86 gewickelt sind. Die
Organe weisen ferner Bekundärspulen 164, 166, 158 und 170 auf, die jeweils auf uie
Primärspulen aufgewickelt ind. Der zing 90 besteht aus hochpermeablem Material und
bildet einen magnetischen Rückschiußweg mit den Abtastorganen 92, 94, 96 und 98
benachbarten Abschnitten.
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Bei dieser Konstruktion bilden die aen magnetischen Rückschluw für
aen Drehmomentgeoer darstellende Felge 40, der Magnetring 110 sowie der Rückschlu#ring
90 für die Abtastorgane den wesentlichen Teil des Rotor-Schwungmomentes. Dabei erfüllen
die Felge 40 aer magnet 110 und aer Ring 90 jeweils die doppelte Funktion der Drehmomenterzeugung
und aer Kreisel rückstellung.