DE1623441B2 - Kreisel mit drei Freiheitsgraden - Google Patents

Description

16, ferner einen Antriebsmotor 18, der die Welle 14 mit dem Rotor 12 dreht, sowie ein tragendes Gehäuse 20, in dem die Welle, der Rotor 12 und der Antriebsmotor 18 eingebaut sind.

Dem Rotor 12 ist eine Rotor-Drehachse 22 und der Welle 14 eine Wellenachse 24 zugeordnet. Das Biegegelenk 16, über das der Rotor in beliebiger Richtung kippen kann, hat eine Kardan-Längsachse 26 mit einem Drehpunkt 28, in dem sich die Achsen 22 und 24 schneiden.

Der Kreisel 10 umfaßt ferner einen Drehmomentgeber 32 für die Rückstellung, um den Kippwinkel 30 in beliebiger Richtung zu ändern, sowie eine Abtastvorrichtung 34, um die Änderung des Kippwinkels 30 in jeder Richtung festzustellen.

Der Rotor 12 weist eine ringförmige Nabe 36 auf, die mit dem Gelenk fest verbunden ist, ferner einen ringförmigen Steg 38, der an der Nabe 36 befestigt ist und sich von ihr radial nach außen erstreckt, sowie einen ringförmigen, kanalartigen Kranz 40, der an dem Steg 38 befestigt ist und wiederum von diesem radial nach außen verläuft. Die Nabe 36 weist eine kreiszylindrische, bezüglich der Achse 22 koaxiale Innenfläche 42 auf. Der Kranz 40 hat einen U-förmigen Querschnitt, bildet vorzugsweise einen kreisrunden Kanal, und seine ringförmige Ausnehmung 44 weist axial nach unten. Der Kranz 40 ist in radialer Richtung mit einem inneren Seitenflansch 46 und einem äußeren Seitenflansch 48 versehen, die beide bezüglich der Achse 22 konzentrisch sind, axial nach unten stehen und die Seitenwände der Ausnehmung 44 bilden.

Die Welle 14 hat ein mit dem Biegegelenk 16 fest verbundenes oberes Ende 50, einen koaxialen Mittelteil 52, der in dem Gehäuse 20 gelagert ist, sowie ein mit dem Antrieb 18 fest verbundenes unteres Ende 54. Das Ende 50 weist eine Radialfläche 56 auf, die mit dem Biegegelenk 16 verbunden ist.

Der Antrieb 18 besteht 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 ist.

Das zur Welle 14 längs der Achse 24 koaxiale Gehäuse 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 den unteren Antrieb 18 umschließenden Kappe 66.

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 geformt, 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.

Wie deutlicher aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Platte 68 mit vier Stäben 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 von 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.

ίο Die Abtastvorrichtung 34 besteht aus einem kreisrunden magnetischen Rückschlußring 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 die Stäbe 80, 82, 84.

und 86 gewickelt sind.

Die zweiachsige Stellvorrichtung 32 umfaßt einen an dem Kranz 40 befestigten Drehmomentgeber 100 sowie eine fest mit dem tragenden Ring 88 verbundene Spulenanordnung 102.

Das Biegegelenk umfaßt eine aus einem Stück bestehende mit vier Biegestäben versehene innere Kardaneinheit 104 und eine ebenfalls aus einem Stück bestehende mit vier Biegestäben ersehene äußere Kardaneinheit 106. Bei dem Biegegelenk 16 ist die statische Federkonstante auf die dynamische Federkonstante abgestimmt, so daß bei einer bestimmten Rotorgeschwindigkeit eine Gesamtfederkonstante gleich null ergibt. '

Gemäß Fig. 1 und 3 umfaßt der Drehmomentgeber 100 einen Dauermagnetring 110, der an dem inneren Seitenflansch 46 befestigt ist, sowie einen Haltering 112, der im Schrumpfsitz auf dem Magnetring 110 aufgebracht ist und diesen so an dem inneren Seitenflansch 46 befestigt. Der Magnetring 110 ist in radialer Richtung magnetisiert. Der innere Seitenflansch 46 trägt ferner einen ringförmigen magnetischen Abschirmring 114 von L-f örmigem Querschnitt, der einen Teil der Ausnehmung 44 und damit den Magnetring 110 überragt.

Die Spulenanordnung 102 des Drehmomentgebers 100 und der Haltering 112 sind voneinander durch einen ringförmigen in radialer Richtung gesehen inneren Luftspalt 116 getrennt. In ähnlicher Weise ist die Spulenanordnung von dem äußeren Seitenflansch 48 durch einen ringförmigen in radialer Richtung gesehen äußeren Luftspalt 118 getrennt. Bei dieser Bauweise wirkt der Kranz 40 als Rückschlußweg, in welchem die magnetischen Flußlinien 120 verlaufen. Der Magnetfluß 120 geht von dem Dauermagnetring 110 aus, durchsetzt nacheinander den inneren Seitenflansch 46, den äußeren Seitenflansch 48, den Luftspalt 118, die Spulenanordnung 102, den Luftspalt 116, den Haltering 112 und kehrt zu dem Dauermagnetring 110 zurück. In dieser Anordnung sorgt die Abschirmung 114 dafür, daß etwaige von den Abtastorganen 92, 94, 96 und 98 oder vom Antriebsmotor 18 verursachte Störungen des Magnetflusses 120 so klein wie möglich gehalten werden.

Gemäß Fig. 4 und 5 besteht die Spulenanordnung 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 126 und 128 sind jeweils paarweise einander diametral gegenüber angeordnet. Die Spulenanordnung 102 des Drehmomentgebers umfaßt ferner eine gegossene Isolation 130, die aus einem im wesentlichen steifen Material von hoher Fe-

stigkeit, beispielsweise aus einer nicht-magnetischen Vergußmasse, besteht. Die Isolation 130 wird von dem Ring 88 getragen und stützt ihrerseits die Wicklungsaggregate 122, 124, 126 und 128. Das Wicklungsaggregat 122, das eine bogenförmige, dünnwandige Konstruktion aufweist, besteht gemäß F i g. 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).

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 (vgl. Fig. 7).

Die Wicklungsaggregate 126 und 128, die im wesentlichen einander gleich sind und die gleiche Form haben wie die Aggregate 122 und 124, besitzen die miteinander 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. Die Vor-

. magnetisierungswicklungen 134, 140, 148 und 150 ■ dienen dazu, die Spulenanordnung 102 des Drehmomentgebers zu eichen. Die Abgleichwicklungen 136 und 142 werden dazu benützt, um die Drehachsen 152 und 154 aufeinander rechtwinklig einzustellen.

Die Wicklungsaggregate 122, 124, 126 und 128

werden auf möglichst großen Wirkungsgrad eingestellt.

Die Abtastorgane 92, 94, 96 und 98 sind gemäß Fig. 2 in gleichem Abstand von den Achsen 152 und 154 angeordnet und bestehen jeweils aus den Primärspulen 152, 158,160, 162, die jeweils um die Stäbe 80, 82, 84 und 86 gewickelt sind. Die Organe weisen ferner Sekundärspulen 164, 166, 168 und 170 auf, die jeweils auf die Primärspulen aufgewickelt sind. Der Ring 90 besteht aus hochpermeablem Material und bildet einen magnetischen Rückschlußweg mit den Abtastorgangen 92, 94, 96 und 98 benachbarten Abschnitten.

Bei dieser Konstruktion bilden der den magnetischen Rückschluß für den Drehmomentgeber darstellende Kranz 40, der Dauermagnetring 110 sowie der Rückschlußring 90 für die Abtastorgane den wesentlichen Teil des Rotor-Schwungmoments. Dabei erfüllen der Kranz 40, ,der Dauermagnetring 110 und der Rückschlußring 90 jeweils die doppelte Funktion der Drehmomenterzeugung und der Kreiselrückstellung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kreisel mit drei Freiheitsgraden, welcher eine in einem Gehäuse gelagerte Welle und einen damit über ein einstückiges Biegegelenk mit kompensierter Rückstellkraft verbundenen frei kippbaren Rotor und eine Drehmomentgeberspulen-Anordnung aufweist, deren rechteckige Wicklungen bogenförmig gewölbt, gleich um die Welle verteilt und am Gehäuse befestigt sind sowie zumindest teilweise und parallel zur Welle in einen am äußeren Umfang des Rotors vorgesehenen Kranz mit U-förmigem Querschnitt ragen, wobei im Rotorkranz ein magnetisierbarer Ring vorgesehen ist, durch welchen die magnetischen Flußlinien laufen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem innerhalb der Spulenanordnung (102) vorgesehenen Haltering (112) und dem inneren Seitenflansch (46) des Kranzes (40) ein radialgepolter Dauermagnetring (110) angeordnet ist, so daß die magnetischen Flußlinien (120) von dem Magnetring (110) über den inneren Seitenflansch (46), den äußeren Seitenflansch (48) des Kranzes (40), einen äußeren Luftspalt (118), die Spulenanordnung (102), einen inneren Luftspalt (116) und den Haltering (112) zu dem Magnetring (110) verlaufen, daß die Drehmomentgeberspulenanordnung (102) aus einem dünnwandigen Isolationsring (130) besteht, in den die Wicklungen (132 bis 150) eingegossen sind, und daß sich ein Abschirmring (114) an der Mündung der umlaufenden Ausnehmung (44) des Kranzes (40) vom inneren Seitenflansch (46) radial nach außen erstreckt.

2. Kreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomentgeberspulenanordnung (102) aus vier gleichmäßig um die Welle (14) verteilten Wicklungsaggregaten (122, 124, 126, 128) besteht, welche jeweils eine Hauptwicklung (132,138,144,146) enthalten, und daß die einander diametral gegenüberliegenden Hauptwicklungen (132 und 138; 144 und 146) jeweils in Reihe geschaltet sind.

3. Kreisel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Wicklungsaggregate (122, 124, 126, 128) jeweils eine Vormagnetisierungswicklung (134, 140, 148, 150) enthalten und die einander diametral gegenüberliegenden Vormagnetisierungswicklungen (134 und 140; 148 und 150) jeweils in Reihe geschaltet sind.

4. Kreisel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander gegenüberliegende Wicklungsaggregate (122, 124) voneinander unabhängige Abgleichwicklungen (136, 142) enthalten.

5. Kreisel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kranz (40) aus hochpermeablem Material besteht.

6. Kreisel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetring (110) mittels des aufgeschrumpften Halteringes (112) an dem inneren Seitenflansch (46) des Kranzes (40) befestigt ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kreisel mit drei Freiheitsgraden, welcher eine in einem Gehäuse gelagerte Welle und einen damit über ein einstückiges Biegegelenk mit kompensierter Rückstellkraft verbundenen frei kippbaren Rotor und eine Drehmomentgeberspulen-Anordnung aufweist, deren rechteckige Wicklungen bogenförmig gewölbt, gleich um die Welle verteilt und am Gehäuse befestigt sind sowie zumindest teilweise und parallel zur Welle in einen ίο am äußeren Umfang des Rotors vorgesehenen Kranz mit U-förmigem Querschnitt ragen, wobei im Rotorkranz ein magnetisierbarer Ring vorgesehen ist, durch welchen die magnetischen Flußlinien laufen.

Die deutsche Patentschrift 1281216 bezieht sich auf einen derartigen Kreisel, in der eine besondere Ausgestaltung des Biegegelenkes beschrieben ist.

Aus der USA.-Patentschrift 3 107 540 ist ebenfalls ein derartiger Kreisel bekannt, der jedoch den Nachteil hat, daß eine Vergrößerung des magnetisierbaren Ringes zu keiner Vergrößerung der Schwungmasse des Rotors und damit zu keiner höheren Antriebsleistung führt.

Auch aus der USA.-Patentschrift 3 077 785 ist ein derartiger Kreisel bekannt, bei dem der Drehmomentgeber für die je nach Betrag und Richtung des Kippwinkels erforderliche Rückstellung mit nicht magnetischen, elektrostatischen Mitteln arbeitet. Ein Problem bei diesem herkömmlichen Kreisel besteht ebenfalls darin, daß die Ausgangsleistung des Drehmomentgebers im Verhältnis zu seinen Ausmaßen und zu seinem Gewicht sehr gering ist.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Kreisel der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art derart zu schaffen, daß eine Vergrößerung der Rotorschwungmasse zugleich mit einer Vergrößerung der Drehmomentgeberleistung verbunden ist, wobei die Abtasteinrichtung gegen magnetische Streufelder abgeschirmt ist.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den in den Unteransprüchen angeführten Merkmalen.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kreisels ergeben sich aus der Aufgabe.

Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kreisel mit drei Freiheitsgraden und 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 ^Fi§· !'

Fig. 4 einen Längsschnitt längs der Linie 4-4 der Fig. 2,

F i g. 5 einen Querschnitt längs der Linie 5-5 der Fig. 4,

F i g. 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 der F i g. 5, und

Fig. 7 das Schaltbild eines Teils der Fig. 5.
In F i g. 1 ist als eine Ausführungsform der Erfindung ein dreiachsiger Kreisel 10 mit einer Biegegelenk-Auf hängung des Rotors gezeigt. Der Kreisel umfaßt den Schwing-Rotor 12, eine Welle 14 sowie das aus einem Stück bestehende, reibungsfreie, die Welle 14 und den Rotor 12 verbindende Biegegelenk