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Drehstellungsgeber Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur Erfassung von Drehstellungen einer Welle. Derartige Einrichtungen können z.B.
als Istwertgeber bei Lage- oder Wegregelungen verwendet werden, sollten konstruktiv
einfach aufgebaut sein, keine Schleifkontakte aufweisen und auch bei kleinen Drehzahlen,
insbesondere im Stillstand, betriebssicher und mit großer Präzision arbeiten.
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Aus der DAS 1 093 893 ist der Vorschlag bekannt, bei einer kollektorlosen-Tachodynamo
die Pole eines Permanentmagnetrotors so auszubilden, daß eine sinusförmige Xeldverteilung
entsteht und durch Drehung des Rotors in zwei am Ständerumfang versetzt zueinander
angeordneten Hallgeneratoren eine dem Sinus bzw. dem Kosinus des Drehwinkels proportionale
Hallspannung erzeugt wird. Die zur Erzeugung dieser sinusförmigen Feldverteilung
erforderliche, praktisch nur empirisch be-stinimbare Formgebung de-s Permanentinduktors
gestaltet sich in der Praxis jedoch überaus schwierig und ist überdies exakt nicht
reproduzierbar. Es werden sich somit stets Abweichungen von der angestrebten Sinusform
der Hallgeneratorspannungen ergeben.
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Dieser Nachteil kann erfindungsgemäß dadurch vermieden werden, daß
mindestens zwei raumfeste, um 90° gegeneinander geneigte Hallgeneratorplättchen
im homogenen und konstanten Luftspaltfeld eines mit der Welle gekuppelten Magnetsystem-angeordnet
sind.
Da die von den Hallgeneratoren abgegebene Hallspannung proportional der Feldkomponente
ist, welche jeweils senkrecht auf der Hallgeneratorfläche steht, diese Feldkomponente
aber bei Drehung des Feldes stets eine dem Sinus bzw. dem Kosinus des Drehwinkels
streng proportionale Größe ist, kann die angestrebte ideale Sinuaform bei den Ausgangsspannungen
des erfindungsgemäßen Drehstellungsgebers immer erreicht werden.
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Weiterbildungen der Erfindung,welche im folgenden anhand der Figuren
näher veranschaulicht werden sollen, sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen
Drehstellungsgeber in Längs- und Querschnitt.
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Zwei Hallgeneratorplättchen 1 und 2 sind im Luftspalt eines drehbaren
Magnetsystems mit den Magnetpolen N und S auf einem stabförmigen Träger 3 so befestigt,
daß ihre Flächennormalen einen Winkel von 900 bilden. Zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten
und Feldverzerrungen ist es zweckmäßig, den stabförmigen Träger aus einem elektrisch
und magnetisch nichtleitenden Material, vorzugsweise aus Kunststoff,auszubilden.
Der Träger selbst ist an der Bodenplatte 4 eines Gehäuses 5 befestigt, in welchem
eine Welle 6, deren Drehstellung erfaßt werden soll, mittels zweier Kugellager 7
gelagert ist. Die Welle 6 kann dabei über eine Kupplung 8 mit der Rotorwelle einer
elektrischen Maschine 9 verbunden sein, wobei ein den Stator dieser elektrischen
Maschine mit dem Gehäuse 5 des Drehstellungsgebers verbindender Bügel 10 dieses
gegen Verdrehung sichert. Die Welle 6 weist an ihrem der Kupplung 8 abgekehrten
Ende einen Bund auf, an welchem ein im wesentlichen hohlzylinderförmiges Rückschlußjoch
11 für wei gegenüberliegende Permanentmagnete 12 und 13 befestigt ist.
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Als Material für diese Permanentmagnete eignet sich z.B.
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AlNiCo. Ähnlich gute permanentmagnetische Eigenschaften weisen auch
die bekannten keramischen Oxydmagnete auf, wobei es sich dann als zweckmäßig erweist,
zur Homogenisierung des Luftspaltfeldes sie an-ihren freien Enden - wie in Fig.
2 angedeutet - mit je einem Eisenplättchen 14 zu versehen. Die Polflächen der Permanentmagnete
12 und 13 veriaufen parallel und symmetrisch zur Wellendrehachse 15 und sind so
bemessen, daß sich die beiden Hallgeneratorplättchen 1 und 2 vollständig im homogenen
Bereich des sich zwischen ihnen ausbildenden Magnetfeldes befinden. Um den Bereich
der Rand--störungen dieses homogenen Luftspaltfeldes zu verkleinern, bzw. um die
Abmessungen der Polflächen bei einer gegebenen Anordnung der beiden Hallgeneratorplättchen
in axialer Richtung möglichst klein zu halten, kann die Bodenplatte 4 sowie der
Teil der Welle 6, an welchem das Rückschlußjoch 11 befestigt ist, aus einem magnetisch
schlecht oder nicht leitenden Material, beispielsweise aus Messing bestehen. Zur
Abschirmung von Fremdfeldern ist es zweckmäßig, daß das Luftspaltfeld außerdem von
Gehäuseteilen aus einem magnetisch gutleitenden hysteresearmen Material, beispielsweise
weichmagnetischem Eisen umgeben ist. Eine weitere Maßnahme, die eine Verbesserung
der Betriebseigenschaften des Drehstellungsgebers mit sich bringt, besteht in zwei,
vorzugsweise diametral gegenüberliegenden Querschnittsverengungen 16 des Rückschlußjoches,
welche der Stabilisierung des Luftspaltfeldes Bo dienen. Wie hierzu auch mit der
in Fig. 3 dargestellten Magnetisierungskennlinie des Magnetsystems verdeutlicht
werden soll, kann mit diesen Querschnittsverengungen der Arbeitspunkt (Bo, Ho) in
den gesättigten Bereich gelegt werden, wadurch beispielsweise durch die Temperaturgänge
der Permanentmagneten bedingte Schwankungen der von ihnen erzeugten magnetischen
Spannung-Bo praktisch keine Anderungen der Induktion 3 mehr bewirken können.
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Die von den Hallgeneratorplättchen 1 und 2 abgegebene Hallspannung
bedarf in der Regel vor einer weiteren Auswertung bzw. Verarbeitung noch einer Verstärkung.
Kurze elektrische Verbindungawege zu diesen Verstärkern erhöhen die Störsicherheit,
weshalb es zweckmäßig ist, die Ausgangsverstärker möglichst nahe den Hallgeneratorplättchen
anzuordnen, beim Ausführungebeispiel nach Fig. 1 in einem von der Bodenplatte 4
und einem an dieser befestigten Deckel 17 gebildeten Raum, worin bei Bedarf auch
noch die zur Speisung dieser Verstärker sowie der Eingänge der Hallgeneratorplättchen
erforderlichen Stromversorgungsgeräte untergebracht sein können. Die den Hallgeneratoren
zugeordneten elektrischen Bauteile sind in Fig. 1 schematisch zu einer mit 18 bezeichneten
Einheit zusammengefaßt. Die Speise- und Ausgangsleitungen dieser Einheit sind in
einem Kabel vereinigt, für welches eine Kabeldurchführung 19 im Deckel 17 vorgesehen
ist, während die Ein- und Ausgangsleitungen der Hallgeneratorplättchen in einer
Längsbohrung 20 in dem stabBrmigen Träger 3 verlaufen und zweckmäßigerweise zumindest
im Bereich des Luftspaltfeldes verdrillt werden, um zu verhindern, daß das Luftspaltfeld
bei seiner Rotation in diesen Leiterschleifen unerwünschte, das Meßergebnis verfälschende
Spannungen induziert.
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Fig. 4 zeigt die Schaltung zur Ansteuerung der beiden Hallgeneratorplättchen
1 und 2. Eine stabilisierte Gleichspannung liegt an den st 21 und 22 bezeichneten
Eingangsklemmen, und dient als Speisespannung für zwei elektronische Differenzverstärker
23 und 24 und liefert über Vorwiderstände 25 den gemeinsamen Steuerstrom 10 für
die beiden Hallgeneratorplättchen 1 und 2. Die Hallspannungen der Hallgeneratoren
1 und 2, welche bekanntlich proportional dem Produkt aus dem Steuerstrom 10 und
der jeweils auf den Hallgeneratorplättchen senkrecht stehenden Komponente des Feldes
Bo sind, beaufschlagen
die Eingänge der Verstärker 23 und 24. Bezeichnet
man den Winkel zwischen einer senkrecht zur Oberfläche des hallgeneratorplättchens
2 verlaufenden Achse I und einer senkrecht zu den Polflächen der Permanentmagnete,
12 und 13 verlaufenden CHSE II mit α (vergleiche Fig. 2) dann ist die an der
Ausgangsklemme 26 von dem Verstärker 23 verstärkte Hallspannung; des Hallgenerators
1 proportional sinα, während die an der Ausgangsklemme 27 auftretende Ausgangspannung
proportional cosα ist. Mit den an den Klemmen 26 und 27 auftretenden Spannungen
ist also die Stellung der bei Drehung der Welle 6 rotierenden Achse II und damit
die Dreh stellung der Welle selbst eindeutig festgelegt. Bei Bedarf lassen sich
mittels üblicher Funktionsgeneratoren diese Spannungen zu einer dem Drehwinkel α
proportionalen Größe weiterverarbeiten.
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Eine bevorzugte Anwendung des Drehstellungsgebers besteht darin, bei
elektrischen-Maschinen den sogenannten elektrischen Drehwinkel des Rotors bzw. ihm
entsprechende Größen nachzubilden. Weist die elektrische Maschine dabei eine Polpaarzahl
auf, welche größer als i ist, dann ist bekanntlich der elektrische Winkel ein entsprechendes
Vielfaches des räumlichen Rotordrehwinkels. In diesem Fall werden die Ausgangsspannungen
des an den Maschinenrotor angekuppelten Drehstellungsgebers mittels Multiplizier-
und Addierglieder nach bekannten Regeln zu Winkelfunktionen verarbeitet, welche
diesem Vielfachen des räumlichen Rotorwinkels entsprechen.
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Die in Fig. 5 dargestellte Variante der Hallgeneratoranordnung dient
zur Erfassung des elektrischen Drehwinkels bei einer vierpoligen Maschine, d.h.-zurErzeugung
von zwei Spannungen, welche proportional sin 2α und cos 2α sind, wo
α der räumhohe Drehwinkel ist. Auf dem stabförmigen Träger 3 sind
wiederum
die beiden Hallgeneratoren 1 und 2 um 900 versetzt gegeneinander angeordnet, wobei
zum Unterschied zu der Ausbildung gemäß Fig. 1 die Symmetrieachse des Hallgeneratorplättchens
- i-cht mit der Wellendrehachse 15 zusammenfällt.
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Dies het jedoch keinerlei einfluß auf - die erzeug;te Hallspannung,
denn nach wie vor verläuft die senkrecht den Hallgenerator durchsatzende. Feldkomponents
bei drehung des Luftspaltfeldes streng sinusförmig. Es ist in diesem Zusammenhang
auf einen wesentlichen Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung hinzuweisen, der
darin besteht, daß die Hallgeneratoren nicht bezüglich der Drehachse 15 der Welle
6 Justiert zu werden brauchen und; es muß lediglich darauf geachtet werden, daß
bei Drehung der Magnetpole diese nie in Berührung mit den Hallgeneratoren, bzw.
dem Träger 3 kommen. Unterhalb des Hallgeneratorplättchsen 2 ist parallel zu diesem
ein weiteres Hallgeneratorplättchen 2' angeordnet. Auf diese Weise wird ein weiteres
Hallgeneratorplättchen vom selben Fluß wie das Hallgeneratorplättchen 2 durchsetzt,
ohne daß et hierzu einer Vergrößerung der Polflächen der Permanentmagnete 12 und
13 bedarf.
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Fig. 6 zeigt die dazugehörige elektrische Schaltung, wobei für gleiche
Elemente die entsprechenden Bezugszeichen der Fig. 4 übernommen wurden. Berücksichtigt
man, daß das Hallgeneratorplättchen 2', wie in Fig. 5 dargestellt, parallel zu dem
Hallgeneratorplättchen 2 und senkrecht zum Hallgeneratorplättchen 1 angeordnet ist
und legt man den selben Winkel α zwischen den Achsen I und II wie in Fig.
2 zugrunde, dann ist die am Ausgang des Plättchens 2' auftretende Hallepannung,
welche dem Eingang eines als Konstantstromquelle beschalteten Operationsverstärkers
28 zugeführt wird, proportional dem Kosinus des Verdrehungswinkels α . Die
Ausgangsgröße des Verstärkers 28 ist ein eingeprägter Strom Io, der lediglich von
der Eingang
spannung des Verstärkers 28 bestimmt ist und als gemeinsamer
Steuerstrom für die Hallgeneratoren 1 und'2 dient. -Am Ausgang des Verstärkern 23,
dessen Eingang mit der Hallspannung des Plättchens 1 beaufschlagt ist, eracheint
eine Spannung, welche dem Produkt aus dem Sinus und dem Kosinus des Drehwinkeis
arproportional ist, während am Ausgang des dem Hallgenerator 2 zugeordneten Verstärkers
24 eine Spannung auftritt, welche proportional dem Kosinusquadrat des Verdrehwinkels
oCist. In einer Mischstelle 29, welche an sich auch in den Eingangskreis des Verstärkers
24 verlegt werden könnte, wird eine konstante Spannung K solcher Größe subtrahiert,
daß aufgrund der bekannten Beziehung zwischen dem Kosinusquadrat eines Winkels und
dem Kosinus des Zweifachen dieses Winkels an der Ausgangsklemme 30 eine dem Kosinus
des doppelten Drehwinkels 206 entsprechende Spannung erscheint, während an der Ausgangsklemme
31 eine dem Sinus des doppelten Verdrehwinkels 2oc proportionale Spannung entnommen
werden kann.
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Die den Winkelfunktionen des doppelten räumlichen Verdrehwinkels entsprechenden
Spannungen könnten auch - wie zuvor erwähnt - mittels zweier, der Anordnung der
Fig. 4 nachgeordnet er Multiplizierer gewonnen werden. Die in Fig. 6 dargestellte
Anordnung ist jedoch demgegenüber wesentlich weniger aufwendig-.
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15 Schutzansprüche 6 Figuren