DE3310110A1

DE3310110A1 - Momentenerzeuger

Info

Publication number: DE3310110A1
Application number: DE19833310110
Authority: DE
Inventors: Werner Dr.-Ing. 6901 Wiesenbach Auer
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1983-03-21
Filing date: 1983-03-21
Publication date: 1984-09-27
Anticipated expiration: 2003-03-22
Also published as: DE3310110C2

Description

310110

TELDIX GmbH

Postfach 10 56 08 Grenzhöfer Weg 36

6900 Heidelberg 1

Heidelberg, 10.03.1983 PT-Vo/kn E-546

Momentenerzeuger

Die Erfindung betrifft einen Momentenerzeuger zur Erzeugung einer Kippbewegung eines rotationssymmetrischen, drehbaren Körpers, insbesondere eines Rotors, enthaltend wenigstens eine statorseitig angeordnete Spule und eine rotorseitige Magnetanordnung, wobei die Magnete derart angeordnet sind, daß bei Ansteuerung der Spule ein Kippmoment erzeugt wird.

Ein solcher Momentenerzeuger ist aus der DE-OS 27 51 040 bekannt. Dieser besteht aus insgesamt vier am Umfang des Stators verteilt angeordneten Wicklungen, die sich jeweils über einen Winkel bereich von 90° erstrecken und eine rechteckige Form aufweisen. Die Wicklungen sind in einer zylindrischen Schale aus elektrisch isolierendem Material angeordnet. Diese Wicklungen sind von einem hohlzylindrisehen Rotorteil umgeben, wobei unter Bildung eines Luftspaltes auf dem Rotorteil ein Permanentmagnetring angeordnet ist. Dieser weist ein radial gerichtetes Feld auf, das in der Soilage die Wicklungen gleichmäßig durchsetzt. Bei Kippbewegungen des Rotors entsteht durch eine Feldverschiebung eine Differenzspannung gegenüberliegender Wicklungspaare, die dazu benutzt wird, um über eine Regeleinrichtung mittels der weiteren

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Wicklungen ein Moment auf den Rotor zu erzeugen und diesen 1n die Soilage zurück zu bewegen. Es ist hierzu neben einem hohen Aufwand an Regelelektronik ein fertigungstechnisch hoher Aufwand zur Herstellung der Wicklungen erforderlich. Dies um so mehr, je genauer die Lage der Kippachse des Rotors erfaßt und zur Bestimmung von Beschleunigungen ausgewertet werden sol I.

Weiterhin ist aus· der DE-OS 27 55 318 ein Drehmomenterzeuger in einem Kreiselgerät bekannt, welcher ebenfalls wenigstens zwei diametral gegenüberstehende Wicklungen aufweist, die teilweise in dem Magnetfeld eines auf dem Rotor angeordneten Permanentmagneten liegen. Auch diese Wicklungen sind Segmentwicklungen, die in gekrümmter Form auf dem Stator angeordnet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Momentenerzeuger zur Erzeugung einer Kippbewegung eines rotationssymmetrischen, drehbaren Körpers zu schaffen, der bei einfachem Aufbau den Körper mit genau definierter Kippachse schwenkt.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Spule als Ringspule ausgebildet ist, die konzentrisch zu dem rotationssymmetrischen Körper angeordnet ist und die Magnetanordnung aus einem einpol paarigen Magneten besteht und der Spule ein modulierter Strom zugeführt wird, dessen Frequenz der Drehzahl des Rotors entspricht und dessen Phase in Bezug zur Phasenlage des Rotors entsprechend der zu erzeugenden Momentrichtung des Rotors eingestellt ist.

Die Magnetanordnung des Rotors kann beispielsweise mittels Elektromagneten gebildet werden, vorzugsweise ist die Verwendung von permanentmagnetischem Material vorgesehen, das ringförmig auf dem Rotor befestigt ist. In besonderer Weise ist eine Verwendung des Momentenerzeigers in Kreiseln, ins-

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besondere auch in dynamisch abgestimmten Kreiseln, vorgesehen. Über einen Fessel regler, der die Kippbewegungen des Rotors sensiert und einen entsprechenden Rückstellstrom erzeugt, ist ein einfacher Aufbau des Kreisels zu verwirkliehen. Aus der Phasenlage des RückstellStroms ist unmittel bar die Richtung der Kippachse feststellbar.

Als Sensor eignet sich vorzugsweise ein sogenannter Conical-Scan-Sensor. Denkbar sind natürlich auch Sensoren, die nach dem Prinzip der Annäherungssensoren arbeiten und die Kippbewegung des Rotors in X- und Y-Richtung messen.

Zur Feststellung der Rotorstellung in bezug auf eine Marke, kann man in einfacher Weise bei Verwendung eines Gleichstrommotors dessen Kommutierungssignal zum Schalten einer bestimm ten Motorspule abgreifen und die Phasenlage dieses Signals zur Marke erkennen.

Ein dynamisch abgestimmter Kreisel mit dem erfindungsgemäßen Momentenerzeuger läßt sich u.a. auch in besonderer Weise zur Bestimmung der Nordrichtung verwenden. In einem nachfolgenden Ausführungsbeispiel ist die Auswertung bzw. Ermittlung der Nordrichtung aus. den von dem Krei sei- gel ieferten Signalen beschrieben. 25

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Einen Momentenerzeuger in einem Schnittbild, Fig. 2 eine Darstellung eines dynamisch abgestimmten

Kreisels unter Verwendung des Momentenerzeugers, insbesondere zur Bestimmung der Nordrichtung,

Fig. 3 die Auswertung der Nordrichtung 1n graphischer Darstellung.

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Der Momentenerzeuger - wie in Fig. 1 dargestellt - dient zum Verschwenken des Rotors 1 um die X- und Y-Achse. Der Rotor rotiert um die Z-Achse und weist eine ringförmige Aussparung 2 auf. An der inneren Wandung dieser Aussparung sind zwei halbkreisförmige Magnetringe 3, 4 angeordnet mit radialer Magnetisierungsrichtung und entgegengerichteten Polen. Eine Ringspule 5 1st auf einem festen Träger 6 angeordnet und taucht in die ringförmige Aussparung 2 ein. Mittels eines Sensors 8 der einen Impuls bei Annäherung der zapfenförmigen Ausbildung 7 erzeugt, wird eine Zuordnung des Drehwinkels des Rotors 1 zu dem Stator bzw. dem feststehenden Teil gebildet. Bei konstanter Drehzahl ist durch Unterteilung einer Umdrehung des Rotors in kleine Winkeländerungen mittels eines hochfrequenten Signals möglich. In einfacher Weise kann auch mittels einer Kodierscheibe die momentane Stellung des Rotors ermittelt werden.

Soll der Rotor in einer bestimmten Richtung, beispielsweise um die Y-Achse verschwenkt werden, dann wird ein Wechsel strom erzeugt und der Spule 5 zugeführt, dessen Frequenz drehzahl-synchron ist, und dessen Phasenlage so gewählt wird, daß eine axial gerichtete Kraft deren Angriffspunkte auf der X-Achse liegen, auf den Rotor wirken, d.h. in der dargestellten Stromrichtung und dem dargestellten Magnetfeldverlauf wird ein durch den Pfeil 9 angedeutetes Moment auf den Rotor erzeugt.

Durch Änderung der Phasenlage des Stromes kann eine Kippbewegung des Rotors um jede beliebige Achse die in der Ebene der X- und Y-Achsen liegt, erzielt werden.

Eine Anwendung des Momentenerzeugers ist in Fig. 2 dargestellt. Diese stellt einen dynamisch abgestimmten Kreisel (DAK) dar, der in einem Gehäuse 10 einen Antriebsmotor 11 zum Antrieb einer Schwungmasse 12 aufweist. Die Schwungmasse

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ist über ein Federgelenksystem 13, 14 mit der Antriebswelle 15 verbunden, sodaß der Rotor 16 bei Kippbewegungen des Gehäuses aus der zu der Rotationsachse rechtwinklig stehenden Ebene versucht seine Lage beizubehalten. Störeinflüsse, insbesondere solche, die von Unsymmetrien des Rotors herrühren, mitteln sich über eine Rotorumdrehung aus. Dadurch besitzt ein DAK eine hohe Dynamik, die den Einsatz im sogenannten Strap-down-System möglich macht. Dabei wird jede Ausgangsachse über einen Fesselregler an die Nullage in bezug auf das Gehäuse gefesselt.

Hierzu besitzt der Rotor 16 - wie in Fig. 1 dargestellt eine einpolpaarige Magnetanordnung 17. Eine Ringspule 18 ist über einen Träger 19 mit dem Gehäuse 10 verbunden. Zur Sensierung der Bewegung des Rotors um seine Ausgangsachsen ist ein Conical-Scan-Sensor 20 vorgesehen, der diese Bewegungen polar sensiert. Die zur Erzeugung der Phasenlage des Spulenstroms notwendige Bezugsphase des Rotors kann über einen Synchrongenerator der auf der Welle des Rotors befestigt ist oder bei Verwendung eines Gleichstrommotors als Antrieb aus den Kommutierungssignalen gewonnen werden.

Es ist ersichtlich, daß sowohl der Feldverlauf der Permanentmagnete als auch der Stromverlauf des Spulenstroms keine Sinusform aufweisen muß.

Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht vor allem darin, daß nur ein Rückführkreis benötigt wird und damit der Aufwand an Regel elektronik wesentlich reduziert wird.

Außerdem ist in einigen Anwendungsfall en, z.B. bei Verwendung in Flugkörpern, ein polares Ausgangssignal erwünscht, welches ein derartiger Kreisel unmittelbar liefert. Die Wechselmomentkomponenten, die auf den Rotor wirken, treten mit der doppelten Frequenz der Drehzahl auf. Bei einer Drehzahl von 9000 min"*¹ (150 Hz), die im Bereich gängiger DAK-

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Drehzahlen liegt, beträgt daher die Wechselmomentfrequenz 300 Hz und liegt damit weit über dem normalerweise erforderlichen Regelfrequenzband.

Zur Bestimmung der Nordrichtung mittels des dynamisch abgestimmten Kreisels unter Verwendung des erfindungsgemäßen Momentenerzeugers wird die Rotationsachse des Kreisels vertikal ausgerichtet. Der Kreisel sensiert dann unmittelbar die horizontale Komponente der Erddrehgeschwindigkeit durch Phasenvergleich zwischen der Phasenlage des Rotors in bezug auf einen Referenzpunkt und der Phasenlage des Spulenstroms bzw. Rückführstroms. Der Betrag des Stroms ist gleichzeitig ein Maß für die geographische Breite des Meßortes. Wie in Fig. 3 dargestellt, eignet sich als Meßprinzip für die Pha senlage des Spulenstroms das Auszählen einer Frequenz f_z im Zeitintervall zwischen der Frequenz A, die durch einen Impuls des Sensors 8 erzeugt wird und damit die Lage des Rotors zum Gehäuse definiert und dem ansteigenden Nulldurchgang des Rückführstroms i_R. Pro Umdrehung des Rotors erhält man also ein Meßergebnis. Wählt man beispielsweise die Zählfrequenz f_z gleich dem 6400-fachen der Drehzahl des Rotors von 150 Hz, so ergibt sich als Zählfrequenz 960 kHz, damit kann durch das Zählergebnis sofort die Nordrichtung in Strich ausgedrückt werden.

Zur Stabilisierung der Rotordrehzahl kann die Speisefrequenz für den Kreiselmotor in einfacher Weise direkt aus der Zählfrequenz f_z gewonnen werden oder auch die beiden Frequenzen durch einen konstanten Faktor in Relation gesetzt werden.

Da die Meßergebnisse unmittelbar nach dem Hochlauf und Fessein des Kreisels mit hoher zeitlicher Folge anfallen, erhält man sehr schnell nach der Inbetriebnahme erste Ergebnisse, also ca. 10 see. nach dem Einschalten. Eine einfache

Mittelwertbildung kann man beispielsweise durch n-faches

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Aufsummieren der Zählergebnisse und folgendes Teilen durch η erreichen oder man setzt die Zählfrequenz um l/n herab und erhält nach η Umdrehungen das Ergebnis. Wie bei anderen Nordsuchverfahren, kann auch hier durch 180^e-Umschlag die feste Drift unterdrückt werden und damit ein Kalibrierwert und ein Korrekturwert (oder eine Korrekturfunktion) gewonnen werden; der Kalibrierwert kann dann bei den nächsten Messungen verwendet werden und stellt sich einfach als Zahl dar, die dem Meßergebnis hinzuzurechnen ist.

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Claims

Patentansprüche

/■ / 1. ι Momentenerzeuger zur Erzeugung eines Kippmoments auf ei-

^—' nen rotationssymmetrischen, drehbaren Körper enthaltend insbesondere wenigstens eine statorseitige angeordnete Spule und eine rotorseitige Magnetanordnung, wobei die Magnete derart angeordnet sind, daß bei Ansteuerung der Spule ein Kippmoment erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule als Ringspule ausgebildet ist, die konzentrisch zu dem rotationssymmetrischen Körper angeordnet ist und die Magnetanordnung aus einem einpolpaarigen Magneten besteht und der Spule ein modulierter Strom zugeführt wird, dessen Frequenzen der Drehzahl des Rotors entspricht und dessen Phase in Bezug zur Phasenlage des Rotors entsprechend der zu erzeugenden Momentrichtung des Rotors eingestellt ist.
2. Momentenerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einpolpaarige Magnet mittels wenigstens eines Permanentmagneten gebildet wird.
3. Momentenerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet, durch die Anwendung in einem Kreiselgerät zur Erzeugung von Kipp- bzw. Präzessionsmomenten.
4. Momentenerzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der rotationssymmetrische Körper bzw. Rotor mittels Federelementen an einer Welle befestigt ist und mit einem Antriebsmotor versehen ist und ein Abgriff vorgesehen ist, der die Rotorbewegungen um senkrecht auf der Brehachse stehenden Achsen sensiert zur Erzeugung eines Signals, welches dem Magnetgeber in der Art eines dynamisch abgestimmten Kreisels über Fesselregler zugeführt wird.

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5. Momentenerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Conical-Scan-Sensor vorgesehen ist, der die Lage des Rotors abtastet.
6. Momentenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensoren am Umfang des Rotors unter einem Winkel von 90° angeordnet sind und eine Auslenkung aus der X- oder Y-Achse sensiert und die Signale über den Regler dem Momentengeber zugeführt werden.
7. Momentenerzeuger nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehfrequenz des Rotors bei Verwendung eines Gleichstrommotors als Antriebsmotor aus den Kom mutierungssignalen ermittelt wird.
8. Momentenerzeuger nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse des Rotors vertikal ausgerichtet ist und das dem Fesselregler zugeführ- te Signal außerdem einer Auswerteschaltung zugeführt wird zur Bestimmung der horizontalen Komponente der Erddrehgeschwindigkeit aus der Amplitude des Signals und wobei aus der Phasenlage in Bezug zu einem Referenzimpuls die Nordrichtung ermittelt und angezeigt wird.

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