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Die vorliegende Erfindung betrifft induktive Sensoren für Verlagerungen. Solche Geräte
können für das kontaktlose Erfassen von Winkel- oder linearen Verlagerungen
verwendet werden.
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Der beste derzeit verfügbare kontaktlose und induktive Winkeensor für kontinuierliche
360º-Rotationsanwendungen ist der bürstenlose Drehmeder. Es handelt sich hier um
eine inhärent komplexe elektrische Vorrichtung, die einen mehrpoligen gewickelten
Rotor und Stator sowie einen rotierenden Umformer umfasst, um den
Erregerwechselstrom an den Rotor zu koppeln. Es gibt zwei Statorwicklungen, in denen
Spannungen induziert werden, die mit dem Winkel sinusförmig variieren. Da sie relativ
um 90º verschoben sind, entsprechen sie Sinus und Kosinus, aus denen der
Wellenwinkel ratiometrisch errechnet werden kann. Da diese Technologie etwa zur Zeit
des Zweiten Weltkriegs für Militär- und Marine-Feuerleitsysteme entstand, sind die
Sensoren und die elektronische Signalverarbeitungshardware gut entwickelt. Fortschritte
in letzter Zeit konnten die Kosten der Elektronik deutlich senken, wobei die aus einem
Chip bestehenden Drehmelder-Digital-Wandler heute bereits allgemein üblich sind. Der
Drehmelder selbst bleibt jedoch komplex und teuer.
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Die Anmeder entwickelten früher alternative Sensorformen, wie sie z.B. in WO
88/06716 und WO 90/04153 geoffenbart sind. Die erstere offenbart Geräte mit zwei
Elementen, die relativ zueinander entlang eines linearen oder kreisrunden Wegs
verlagerbar sind. Ein Element bietet eine Vielzahl an Spulenabschnitten entlang des
Wegs. Ihre einzelnen Induktanzen hängen von der Konfiguration des zweiten Elements
ab. Beispielsweise kann das erste Element ein ringförmiger Stator mit nach innen
gerichteten radialen Vorsprüngen sein, auf denen die Spulenabschnitte gewickelt sind -
als Alternative in unterschiedlichen Richtungen, sodass der Flussweg schleifenförmig
nach innen und außen geführt wird. Das zweite Element kann ein ringförmiger Rotor
sein, wobei ein Abschnitt ferromagnetisch und der andere nicht-ferromagnetisch ist
und/oder eine leitende Abschirmungsschicht aufweist. Alternativ dazu kann das zweite
Element Quecksilber sein, das eine ringförmige Leitung zur Hälfte füllt, die einen
statischen ferromagnetischen Kern umgibt. Eine besondere Eigenschaft besteht darin,
dass für jede Relativposition der Elemente die eine Hälfte der Spulenabschnitte eine
unterschiedliche Induktanz aufweist als die andere Hälfte. Im Allgemeinen wechselt die
Polarität der Spulenabschnitte ab, d.h. dass die Anordnung heteropolar ist. Im
Gegensatz dazu offenbart WO90/04152 im Wesentlichen homöopolare Geräte. Diese
können den heteropolaren Gegenstücken stark ähneln. Somit bewirkt die Verlagerung
entlang eines linearen oder rotierenden Wegs die relative Verlagerung eines
Elementepaars, das einander bezüglich des Wegs gegenübersteht. Ein Element bietet
eine Reihe von Spulenabschnitten, während das andere einen Abschnitt besitzt, der die
lnduktanz jenes Teils der Spulenabschnitte steigert, dem er zu beliebigen Zeitpunkten
benachbart ist. Die Spulenabschnitte sind homöopolar. Typischerweise besitzt jeder
Spulenabschnitt eine Achse, die den Weg schneidet, und alle sind in gleicher Richtung
um ihre Achsen gewickelt. Sie sind im allgemeinen als Einzeicklung um einen Kern
in Reihe geschaltet. Der Kern besitzt ungewickelte Abschnitte, um einen
Flussrückkehrweg bereitzustellen.
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Sowohl die hetero- als auch die homöopolaren Geräte sollen im Wesentlicheri lineare
Ausgangssignale über brauchbare Arbeitsbereiche liefern. Klarerweise sind lineare
Ausgangssignale leicht zu verarbeiten. In einem in WO90/04152 geoffenbarten
homöopolaren Winkelsensor stammt das Grundausgangssignal aus der Mitteanzapfung
einer einzelnen Autotransformatorwicklung. Die Spannweite der Abschirmung oder des
gleichwertigen ferromagnetischen Rotationselements und auch der Halbwicklung
beträgt 180º. Die Charakteristik an den Übergangspunkten ist inhärent abgerundet,
doch das Ausgangssignal ist über eine 180º-Drehung größtenteils linear. Das Gleiche
gilt für Geräte für das Erfassen reduzierter Winkel, worin die Anzahl an Wicklungen und
Rotorabschirmungen vervielfacht ist; z.B. ergeben zwei diametral entgegengesetzte 90º-
Abschirmungen, die zwei Paare Halbwicklungen mit einer Spannweite von 90º
beeinflussen, bei einer Drehung um 90º eine lineare Charakteristik.
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Die in Anspruch 1 dargelegte Erfindung entstand aus der Erkenntnis, dass nützliche
Geräte bereitgestellt werden können, indem man in der allgemeinen Entwicklung
entgegengesetzten Richtung arbeitet: anstatt zu versuchen, die Rundung zu minimieren,
wird sie gesteigert, sodass das Ausgangssignal im Wesentlichen sinusförmig wird.
Dieses kann unter Anwendung allgemein bekannter Technologie verarbeitet werden.
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EP-A-0 401 084 offenbart einen Winkeensor mit einem gezahnten Rotor und einem
koaxialen und mit doppelt so vielen Zähnen gezahnten Stator. Auf dem Stator (oder
Rotor) befindet sich mindestens eine Spulenwicklung, vorzugsweise zwei Spulen, die
auf eingeschobenen Teilgruppen der Zähne unterschiedlich angeordnet sind.
Vorzugsweise sind zwei koaxiale Rotor/Stator-Anordnungen vorgesehen, wobei die
korrespondierenden Komponenten (Rotoren und Statoren) untereinander mechanisch
verbunden sind.
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JP-A-55 046 862 und EP-A-0 009 102 offenbaren einen induktiven Sensor für
Verlagerungen zur Bereitstellung elektrischer Ausgangsdaten, die mit einer Verlagerung
entlang eines Wegs in Beziehung stehen, wobei der Sensor ein erstes und ein zweites
Element umfasst, die sich entlang des Wegs auf jeweiligen Seiten davon erstrecken und
einander bezüglich des Wegs gegenüberstehen; wobei das erste Element eine Vielzahl
an Spulenabschnitten entlang des Wegs aufweist; wobei das zweite Element ein
induktanzbeeinflussendes Mittel umfasst, das ausgebildet ist, die Induktanz zumindest
eines angrenzenden Spulenabschnitts zu beeinflussen, und solcherart angeordnet ist,
dass zu jedem beliebigen Zeitpunkt nur einige der Spulenabschnitte des ersten Elements
dadurch beeinflusst sind; worin das induktanzbeeinflussende Mittel relativ zum ersten
Element verlagerbar ist, wobei die Relativverlagerung einen Bereich beeinflusster
Induktanz wirkungsvoll verlagert, sodass er einen räumlich variierenden Bruchteil der
Spulenabschnitte betrifft; und worin die Spulenabschnitte eine erste und eine zweite
Reihenschaltung umfassen, wobei sowohl die erste als auch die zweite Reihenschatung
zumindest zwei der Spulenabschnitte aufweist, die elektrisch in Serie geschaltet sind,
und Spulenabschnitte der ersten und zweiten Reihenschaltung entlang des Wegs
abwechseln. Das Gerät besitzt die Form eines bürstenlosen Drehmelders. Zusätzlich zur
ersten und zweiten Reihenschatung existiert eine dritte Wicklung auf einer
Innenbuchse, die zur Erregung dient. Im Gegensatz zum Gerät der vorliegenden
Erfindung stellt jede der ersten und der zweiten Reihenschaltung einen
Autotransformator mit Stromanschüssen an beiden Enden und einer Mitteanzapfung
dar und die Ausdehnung des induktanzbeeinflussenden Mittels entlang des Wegs ist
solcherart, dass es Spulenabschnitte über einen Bereich von mghr als 90º und weniger
als 180º elektrisch beeinflusst; wodurch Signale, die aus den Mittelanzapfungen des
ersten Elements abgeleitet werden können, mit der Relativverlagerung des
induktanzbeeinflussenden Mittels im Wesentlichen sinusförmig variieren.
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Die vorliegende Erfindung findet für einen rotierenden Sensor Anwendung, in dem das
Elementenpaar aus einem Stator und einem Rotor besteht. Normalerweise ist der
Spulenabschnitt am Stator montiert, doch ist dies nicht entscheidend. Viele Stator- und
Rotorgeometrien sind möglich, doch ist es vorzuziehen, wenn zwischen ihnen ein
ringförmiger Spalt definiert ist, der den Weg definiert.
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In einer solchen Anordnung und bei einer Vierspuenanordnung begrenzt das
induktanzbeeinflussende Mittel mehr als 90º und weniger als 180º im Drehmittepunkt
des Rotors. Der Rotor ist somit hinsichtlich der wirkungsvollen Permeabilität gegenüber
durch die Statorspulen erzeugtem Wechselfluss asymmetrisch. Wenn eine Statorspule
maximale Induktanz erfährt, besitzt die andere Spule der gleichen Reihenschaltung
minimale Induktanz, während die Spulen der anderen Reihenschaltung gleiche mittlere
Induktanzwerte aufweisen. Die Drehung des Rotors überträgt in progressiver Weise
hohe Induktanz auf die Spulenfolge.
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Geeignete sinusförmige Signale können aus den Zwischenverbindungen zwischen den
Spulenabschnitten der Reihenschaltungen abgeleitet werden. Günstigerweise sind die
Spulenabschnitte dann in einer oder mehreren Reihengruppen verbunden, die so
angeordnet sind, dass, im Fall die Hälfte einer Gruppe maximale Induktanz aufweist,
die andere Hälfte minimale lnduktanz besitzt. Die Zugehörigkeit zur "maximalen" und
"minimalen" Gruppenhälfte ändert sich natürlich mit der Relativbewegung der
induktanzbeeinflussenden Elemente. Die Spannung zwischen der Mittelanzapfung und
beiden Stromanschlüssen einer Gruppe bei Wechselstromzufuhr variiert dann mit der
relativen Bewegung, um einen bürstenlosen variablen Autotransformator zu erzeugen.
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In einer Rotationsvorrichtung ermöglicht es das Vorsehen einer zweiten
Autotransformatorwicklung, die 90 elektrische Grad gegenüber der ersten verlagert ist,
dass ein zweites Kanalausgangssignal der gleichen Form abgeleitet werden kann. Dieses
stimmt mit dem Kosinus überein, wenn der erste Kanal dem Sinus des Rotorwinkels
entspricht. Diese beiden Ausgangssignale korrespondieren dann mit jenen eines
herkömmlichen Dreh melders, wodurch bestehende Drehmelder-Digital-Wandler dazu
dienen können, die Ausgangssignale in Winkeldaten zu demodulieren.
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Eine solche Vorrichtung besitzt gegenüber den bekannten bürstenlosen
Drehmeldergeräten große Vorteile, wobei bevorzugte Ausführungsformen insbesondere
die folgenden Vorteile bieten:
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1. Extrem einfache Konstruktion ohne Wicklungen auf dem Bewegungselement und
daher ohne Rotorverbindungen oder Transformatorkupplung für bürstenlosen Betrieb.
Ein Vorteil dieser einfachen Bauweise besteht darin, dass die vorliegende Drehmelder
einen kleineren Durchmesser und eine kleinere Länge aufweisen können, sodass sie in
viel kleinere Räume eingepasst werden können, als herkömmliche doppelt gewickelte
Konstruktionen.
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2. Die Möglichkeit von Geräten ohne bewegliche Wicklungen, sodass es kein sich
bewegendes Feld gibt. Dies eliminiert eine bekannte Fehlerquelle von Drehmeldern,
die als "Geschwindigkeitsspannung" bekannt ist. Diese entsteht dadurch, dass das
Rotationsfeld der Rotorwicklungen Spannungen im Stator induziert, die mit der
Geschwindigkeit und nicht mit dem Winkel in Beziehung stehen.
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Natürlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf rotierende Sensoren beschränkt und ist
ebenso auf einen linearen Sensor anwendbar.
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Weiters ist es nicht notwendig - obwohl es vorzuziehen ist -, dass die
Reihenschaltungen an eine gemeinsame Stromquelle angeschlossen sind. Wenn sie an
eine gemeinsame Stromquelle angeschlossen sind, können geeignete
Bezugsspannungen zum Vergleich mit den Signalen, die aus den
Zwischenverbindungen der Spulenabschnitte der Reihenschaltungen abgeleitet sind,
durch eine zweckmäßige Brückenschaltung bereitgetsellt werden, die mit der
gemeinsamen Stromquelle verbunden ist. Diese Brückenschaltung kann auf
Widerständen oder Spulen basieren.
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Außerdem ist zu beachten, dass das induktanzbeeinflussende Mittel jedes bisher
beschriebene sein kann und in WO88/067167 und WO90/04153 geoffenbart ist.
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Es folgt eine Beschreibung einiger Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme
auf die beigelegten Abbildungen, worin:
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Fig.1 die Grundstruktur eines bekannten Sensors für Verlagerungen zeigt;
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Fig.2 die Spulenanordnungen des Sensors von Fig.1 zeigt;
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Fig.3 Signalausgänge aus dem Sensor von Fig.1 darstellt;
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Fig.4 einen induktiven Sensor für Verlagerungen zeigt, der eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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Fig.5 die Spulenanordnungen im Sensor von Fig.4 zeigt;
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Fig.6 typische Ausgangssignale aus dem induktiven Sensor für Verlagerungen von Fig.4
veranschaulicht;
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Fig.7 eine Schnittansicht entlang Linie Z-Z in Fig.4 ist;
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Fig.8 eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt, die eine Modifikation jener der
Figuren 4-7 ist;
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Figuren 9a und 9b eine Drauf- bzw. Schnittansicht eines einendigen Sensors sind, der
eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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Fig.10 eine Schnittansicht einer Ausführungsform ist, die eine Modifikation jener der
Figuren 9a und 9b ist;
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Figuren 11a und 11b eine Drauf- bzw. Schnittansicht einer vierten Ausführungsform der
Erfindung auf der Grundlage der Verwendung von Axialfluss sind;
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Figuren 12a und 12b eine Drauf- bzw. Schnittansicht einer fünften Ausführungsform der
Erfindung sind, die eine Modifikation der Ausführungsform der Figuren 11a und 11b ist;
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Fig.13 eine sechste Ausführungsform der Erfindung darstellt, die alle 180º mechanischer
Drehung einen Zyklus erzeugt;
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Fig. 14 die elektrische Verbindung der Spulen der Ausführungsform von Fig. 13 zeigt;
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Fig.15 typische Ausgangssignale der Ausführungsform von Fig.13 veranschaulicht;
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Fig.16 eine siebte Ausführungsform der Erfindung auf der Grundlage heteropolarer
Erregung veranschaulicht;
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Fig.17 eine achte Ausführungsform, eine weitere heteropolare Anordnung, zeigt;
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Fig.18 eine neunte Ausführungsform, einen linearen induktiven Sensor für
Verlagerungen, darstellt;
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Fig.19 eine weitere Ausführungsform zeigt, die eine auf Widerständen basierende
Brückenschaltung verwendet;
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Fig.20 eine mit Fig.10 übereinstimmende Ausführungsform darstellt, die jedoch eine auf
Spulen basierende Brückenschaltung aufweist; und
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Fig.21 typische Ausgangssignale aus der Ausführungsform von Fig.20 veranschaulicht.
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Vor einer Beschreibung der vorliegenden Erfindung werden die Grundprinzipien von
induktiven Sensoren unter Bezugnahme auf bekannte Anordnungen beschrieben.
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Die früheren britischen Patentschriften GB 2 223 590 und 2 241 788 der Anmelder
zeigten, wie bürstenlose induktive Winkerfassung unter Anwendung des Prinzips des
rotierenden variablen Autotransformators möglich ist und wie zwei Kanäle mit
Analogausgangssignalen, die 90º gegeneinander verschoben sind, aus einem einzigen
gewickelten Element abgeleitet werden können, das sowohl als Magnetisierungsquelle
als auch als erfassende Wicklung dient. Fig.1 zeigt eine solche Vorrichtung in einfacher
schematischer Form. Ein Stator aus ferromagnetischem oder nichtleitendem Material wie
z.B. Kunststoff trägt mindestens zwei Paare Spulen 2, die zwischen
Wechelstromanschüssen A und C in Reihe geschaltet sind. Der Halbierungspunkt wird
zu Anzapfung B herausgeführt.
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Ohne Rotor würden die Spulen als einfacher Spannungsteiler dienen, sodass die
Spannung über B-C die Hälfte der Versorgungsspannung ausmachen würde. Der Rotor 3
ist jedoch angeordnet, um dem durch die Spulen 2 entwickelten Fluss 180º Asymmetrie
bei der wirkungsvollen Permeabilität zu bieten, typischerweise indem 180º seiner
Oberfläche durch eine leitende Abschirmung 4 abgedeckt sind, in der Wirbelströme
Fluss erzeugen, der dem durch die Spulen 2 entwickelten Fluss entgegengerichtet ist.
Spulen, die eng an diese Abschirmung gekoppelt sind, werden dann reduzierte
Induktanz aufweisen, sodass die Spannungsverteilung zwischen den Spulen nicht mehr
gleich ist. In der dargestellten Position ist die Induktanz des Wicklungsabschnitts A-B
niedriger als B-C, und der Spannungsabfall über B-C ist maximal. Das Drehed des
Rotors 2 im Uhrzeigersinn überträgt allmählich die niedrigere Induktanz, bis die
Spannung B-C nach der 180º-Drehung minimal ist; weitere Bewegung stellt den
ursprünglich hohen Zustand bei 360ºC von B-C wieder her. Fig.2 ist eine schematische
Ansicht der Schaltung, und Fig.3 zeigt die analoge Ausgangskurve B-C, die mit
Ausnahme der Rundung der Übergangspunkte bei 0 und 180º praktisch linear ist.
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Anzapfungen X und Y zwischen der ersten/zweiten bzw. dritten/vierten Spule sind die
Quelle des zweiten Ausgangskanals. Die Spannung zwischen ihnen variiert in exakt
gleicher Weise mit der Rotorbewegung, doch die Ausgangsquelle ist um 90º
verschoben, wie dies in Fig.3 als XX-Y im Verhältnis zu VB-C dargestellt ist. Die Abfrage
beider Kurven durch geeignete Signalverarbeitungselektronik kann über die volle 360º-
Drehung diskrete Daten liefern.
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Die viel frühere Entwicklung von Sinus-Ausgangssensoren wie z.B. Synchros und
Drehmeldern führte jedoch zu kommerzieller Produktion in großem Maßstab und zur
Verfügbarkeit von Signalverarbeitungshardware, die auf Sinus/Kosinus- und nicht auf
linearen analogen Ausgangssignalen basiert. Es ist daher vorteilhaft, dafür zu sorgen,
dass der rotierende variable Autotransformatorsensor auch die Option von
Sinus/Kosinus- sowie von linearen analogen Zweikanalausgangsignalen bietet, damit er
direkt mit bestehenden Systemen zusammengeschlossen werden kann, die unter
Anwendung früherer Drehmeldertechnologie entwickelt wurden; dies ist das Ziel der
vorliegenden Erfindung.
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Fig.4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die eine Neuanordnung der
Vorrichtung von Fig.1 ist, worin anstelle der Reihenschaltung aller vier Spulen 2 diese
als zwei getrennte, diametral entgegengesetzte Paare verbunden sind, wobei jeweils die
Mitteanzapfung herausgeführt ist, um den Autotransformatorausgang bereitzustellen.
Zwei sind mit Anschlüssen A1 und C1 mit Anzapfung B1 verbunden, und das andere
Paar ist mit Anschlüssen A2 und C2 mit Anzapfung B2 verbunden, wie dies wiederum
in schematischer Form aus Fig.5 ersichtlich ist. Da die gepaarten Spulen weiter
voneinander versetzt sind als in Fig.1, ist die Ausgangscharakteristik viel weniger linear
und wird - wie in Fig.6 zu sehen - quasi sinusförmig. Bei Verwendung über eine
gemeinsame Wechselstromversorgung nähern sich die zwei um 90º verlagerten
Ausgangssignale VB1-C1 und VB2-C2 dem sin/cos-Ausgangssignal eines herkömmlichen
Drehmelders.
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Durch zweckmäßige Dimensionierung der Rotorabschirmungslänge im Verhältnis zur
Statorspulenspannweite können die Ausgangskurven VB1-C1 und VB2-C2 so festgelegt
werden, dass sie sehr genau mit echten Sinus/Kosinusfunktionen übereinstimmen,
wodurch existierende Drehmelder-Digital-Signalverarbeitungsschaltungen in vielen
Fällen, bei denen digitalisierte 360º-Information erforderlich ist, wirtschaftlich günstig
eingesetzt werden können. Somit begrenzt die Abschirmung 4 mehr als 90º und
weniger als 180º im Mittelpunkt des Rotors 3.
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Die praktischen Konstruktionsausführungsformen der Erfindung können unterschiedlich
gestaltet sein, je nachdem, ob die Spulen so angeordnet sind, dass sie alle die gleiche
Polarität (homöopolar) oder abwechselnde Polaritäten (heteropolar) aufweisen. Die
einfache Konstruktion basiert direkt auf Fig.4, wobei Fig.7 eine praktische
Ausführungsform zeigt, die dem Querschnitt Z-Z von Fig.4 entspricht und in einem
geeigneten Außengehäuse 5 mit Lagern 6 und Welle 7 untergebracht ist.
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In diesem Fall besteht der Stator 1 aus Kunststoff oder einem anderen zweckmäßigen
nichtmagnetischen, nichtleitenden Material und dient einfach dazu, Spulen 2 in ihren
korrekten Relativpositionen zu halten. In der Folge ermöglichen es die offenen Schlitze
des Stators 1 den Spulen 2, vorgeformt und einfach eingekapselt zu werden. Der durch
sie produzierte Fluss bildet eine Verbindung zum Ende des Rotors, wie dies durch die
mit Pfeilen versehenen Kreise in durchbrochenen Linien dargestellt ist. Wenn sie
ferromagnetisches Rotormaterial verbinden, besitzen die Spulen eine höhere Induktanz
als jene, die die leitende Abschirmung 4 verbinden, sodass das Drehen des Rotors 3 die
bereits beschriebene Ausgangsspannungsvariation hervorruft.
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Die Verwendung von einfachen Luftkernspulen wie hier bietet den Vorteil, dass Fehler
aufgrund von Variationen der Kempermeabilität oder Abmessungstoleranzen bei
Verwendung ferromagnetischer Statoren vermieden werden. Die Mindestgröße und
Betriebsfrequenz unterliegen jedoch praktischen Einschränkungen, sodass die
Verwendung ferromagnetischer Kerne erforderlich sein kann. Dies steigert die Höhe des
Flusses und den Signal-Rausch-Abstand, wobei Fig.8 eine ähnliche Spuenausbildung
wiederum in homöopolarer Konfiguration in einem ferromagnetischen Stator 8 zeigt. In
Fig.8 wurden das Gehäuse, die Welle und die Lager zur besseren Übersichtlichkeit
weggelassen. Es ist offenkundig, dass ein viel größerer Teil des Flusspfads um die
Spulen 2 aus ferromagnetischem Material besteht, wodurch der Fluss verbessert wird.
Der Überhang des Stators 8 an jedem Ende dient auch dazu, die Fläche an
magnetischem Material zu vergrößern, das den Fluss über den radialen Luftspalt an
jedes Ende des Rotors koppelt, wobei die magnetische Schaltung effektiv doppelendig
ist (Enderhebung wie Fig.1).
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Figuren 9a und 9b zeigen eine einendige Variation der gleichen homöopolaren
Spulenkonfiguration unter Verwendung eines ferromagnetischen Stators in Topfkernform
9. In dieser Ausführungsform gibt es keinen rotierenden ferromagnetischen Kern, wobei
die zentrale Bosse des Stators den gleichen Zweck der Rückführung des Flusses erfüllt.
Der Rotor 10 wird dann entweder zu einer leitenden Abschirmung geeigneter
Spannweite, um den Fluss einzuschränken, der den einzelnen radialen Luftspalt
überquert, oder er wird zu einem ferromagnetischen Teil, um den Fluss zu verstärken,
anstatt ihn einzuschränken. Eine weitere Möglichkeit bei diesem Stator besteht darin,
dass der Rotor axial von der Vorderfläche beabstandet ist (siehe Fig.10), doch diese
Konfiguration ist gegenüber Fehlern, die durch die axiale Verlagerung der Welle
aufgrund von Lagertoleranzen entstehen, anfälliger. Zwecks maximaler Empfindlichkeit
in dieser Anordnung ist der Rotor 11 ferromagnetisch und besitzt eine geeignete Form,
um die erforderlichen Sinuseigenschaften hervorzurufen.
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Figuren 11a und 11b zeigen eine weitere Axialflussausführungsform. Der Stator 12 trägt
die die vier Stirnflächenspulen 2 auf erhöhten Unterlagen 1 3. Wenn für den Stator
ferromagnetisches Material verwendet wird, bietet eine zentrale Bosse einen
Rückkehrweg für den Fluss. Der Rotor 1 5 kann aus ferromagnetischem oder
metallischem Abschirmungsmaterial geeigneter Form bestehen und der Fluss bei Bedarf
durch einen ferromagnetischen Stützring 16 verstärkt werden. Alternativ dazu kann ein
gewickelter Stator 12 so fixiert werden, dass er dem anderen gegenüberliegt, wobei die
Spulen verbunden sind, um das Strömen des Flusses über den Spalt, in dem sich der
Rotor dreht, gegenseitig zu unterstützen. Auf Wunsch kann die zweite Gruppe von
Statorspulen verbunden sein, um eine Differenzbrückenausgangskonfiguration zu
bieten, die weiter unten beschrieben wird.
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Figuren 12a und 12b zeigen das Prinzip, wie die Konstruktion problemlos auf andere
magnetische Schaltungskonfigurationen mit axialen Luftspalten angepasst werden kann.
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Die Statoranordnung umfasst vier einander zugewandte Paare von Segmenten 21 aus
zweckmäßigem ferromagnetischem Material, das so geformt ist, dass es innere Auflager
25 bereitstellt, die die Wicklungen 23 tragen, deren Fluss den axialen Luftspalt
zwischen den Segmenten überquert, wie dies durch die durchbrochenen Linien an 26
dargestellt ist. Im Luftspalt dreht sich das an der Eingangswelle 27 befestigte
flussbeeinflussende Element 22. Das Element 22 kann entweder aus nichtmagnetischem
Material hoher Leitfähigkeit oder einem ferromagnetischem Material hoher
Permeabilität bestehen, wie dies bereits erklärt wurde. Die Statoranordnung kann durch
Schraubenlöcher 24 an einem geeigneten Gehäuse befestigt sein. Die Anordnung kann
acht einzelne Segmente, die paarweise mit einander zugewandten Vorderflächen
verbunden sind, oder vier getrennt geformte Quadranten umfassen, von denen jeder ein
Paar Segmente 21 aufweist, oder entsprechend der jeweiligen Fertigung anders
zusammengesetzt sein, um eine solche Anordnung zu bilden.
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Die einzelnen Polwicklungen sind verbunden, um zwei in Reihe geschaltete, diametral
entgegengesetzte Paare zu bilden, wobei ein Paar das Sinus- und das andere das
Kosinusausgangssignal liefert. Dadurch ergibt sich pro Drehung ein voller
Ausgangszyklus. Man beachte, dass durch Verdoppeln der Zahl und Halbieren der
Winkelspannweite der Segmente zwei Zyklen zu 360 elektrischen Grad pro Drehung
(usw. für jedes Hinzufügen von vier Polen pro Zyklus) die Folge sind.
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In allen bisherigen Beschreibungen stimmten die Grade elektrischer Überquerung mit
den Graden mechanischer Rotation überein. Wie bei den meisten herkömmlichen
mehrpoligen elektrischen Maschinen kann die Verdopplung der Anzahl an Polen die
mechanischen Grade relativ zu einem elektrischen Ausgangszyklus halbieren. Fig.13
zeigt, wie das Grundformat von Fig.4 geändert werden kann, um einen vollständigen
elektrischen Ausgangszyklus für jeweils 180º mechanischer Drehung, d.h.
beispielsweise zwei Ausgangszyklen pro Umdrehung, zu ergeben. In dieser
Ausführungsform trägt der Stator 1 acht anstelle von vier identischen Spulen 2a-2h,
während der Rotor 3 zwei diametral entgegengesetzte leitende Abschirmungen 4a, 4b
von etwa der halben Spannweite der Abschirmung 4 in Fig.4 trägt. Fig.14 zeigt die
Spulenverbindungsanordnung von Fig.13, die in Bezug auf Fig.4 mit Fig.5
übereinstimmt. Wenn sich der Rotor 3 in der in Fig.13 gezeigten Position befindet,
werden zwei diametral entgegengesetzte Spulen 2a und 2e durch die Nähe der
Abschirmungen 4a bzw. 4b beeinflusst und sind als eine Hälfte eines
Autotransformators zwischen den Anschlüssen A1 und C1 in Reihe geschaltet, wobei
die andere Hälfte Spulen 2c und 2g sind, die auf der anderen Seite der Anzapfung B1 in
Reihe geschaltet sind. Eine bloße 90º-Drehung im Uhrzeigersinn - im Gegensatz zur
180º-Drehung in Figuren 2 und 5 - ist notwendig, um die Abschirmung auf die Spulen
2c, 2g zu übertragen. In ähnlicher Weise bilden die Spulen 2b, 2f und 2d, 2h den
zweiten Autotransformator zwischen den Anschlüssen A2, B2 und C2, und die
Ausgänge aus B1 und B2 sind nun um 45 mechanische Grade und 90 elektrische Grade
voneinander verschoben. Fig.15 zeigt die resultierenden zwei Ausgangszyklen pro
360º-Drehung.
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Es ist offensichtlich, dass eine ähnliche Multiplikation von Vierspulengruppen mit drei,
vier usw. sowie die begleitende Multiplikation von Abschirmungen zweckmäßig
reduzierter Spannweite die mechanische Drehung pro 360º-Zyklus (elektrisch) auf
120º, 90º usw. proportional verringern
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Bei Verwendung größerer Anzahlen an Spulen kann es vorteilhaft sein, auf heteropolare
und nicht homöopolare Erregung zurückzugreifne. Homöopolare Magnetkreise sind per
definitionem dreidimensional und erfordern Flusswege in radialer und axialer Richtung.
Bei heteropolarer Erregung sind abwechselnde Spulen mit entgegengesetzter Polarität
gewickelt, sodass jede als Rückkehrweg für den durch ihre Nachbarn entwickelten Fluss
dient. In der Folge ist der Flussweg zweidimensional, was Konstruktionen mit
gestanzten Laminierungsstapeln für Stator und/oder Rotor entgegenkommt. Fig.16 zeigt
ein Beispiel einer solchen Anordnung.
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Die Ausführungsform von Fig.16 ist eine Fig.4 entsprechende Vierspulenanordnung,
außer dass jede Spule über drei Schlitze eines 12-Schlitz-Stators verteilt ist. Wie bei
herkömmlichen elektrischen Maschinen kann die Wicklungsverteilung gemeinsam mit
der Dimensionierung der Rotorabschirmung 4 so festgelegt sein, dass die sinusartige
Beschaffenheit des Ausgangssignal optimiert wird. Sie kann im Verhältnis zum Stator bei
Bedarf auch abgeschrägt sein, um Nichtlinearitäten zu glätten.
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Während die Ausführungsform von Fig.16 einen elektrischen Ausgangszyklus pro 360º-
Drehung liefert, ist es offenkundig, dass die Multiplikation von Statorschlitzen und
Spulen sowie die entsprechende Multiplikation von Rotorabschirmungen oder
äquivalente Durchlässigkeitsasymmetrie mehrere elektrische Ausgangszyklen pro
Drehung ermöglicht. Eine weitere Möglichkeit der Verwendung solcher mehrerer
Spulengruppen (siehe die Ausführungsform von Fig.13) ist ihre Unterteilung in zwei
getrennte Gruppen, um getrennten elektronischen Signalverarbeitungsschaltungen
doppelte Sinus/Kosinusfunktionen zu bieten, sodass zur Sicherheit von Ausgangsdaten
Redundanz erzeugt wird.
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Ein weiteres Beispiel für die Ausführungsform der Sinus/Kosinusausgangssignal-
Konfiguration in einem heteropolaren mehrpoligen Format ist in Fig.17 gezeigt. Hier ist
eine Anwendung in einer Drehwelle mit großem Durchmesser zu sehen, z.B. einem
Maschinenwerkzeugspindelantrieb, in dem die Anzahl an Ausgangszyklen pro
Umdrehung mit der Polstruktur des Antriebsmotors übereinstimmt (in diesem Fall vier
Zyklen).
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Ein innen verzahnter Stator 11, der typischerweise aus Stahlaminierungen besteht,
besitzt 64 Schlitze, die somit 64 radial herausragende Pole definieren. Jeder Quadrant
umfasst einen vollen Ausgangszyklus, d.h. 360º elektrisch, und trägt identische
Wicklungen. Ein mögliches Wicklungsmuster ist schematisch für einen Quadranten (16
Pole) dargestellt. Die Pole sind in Reihengruppen von vier gewickelt, wobei die
Gruppen abwechseln, um zwei Paare zu ergeben, die elektrisch um 90º und physisch
um 22½º versetzt sind. Das erste Paar besitzt Anschlüsse A und C sowie die
Halbierungspunktanzapfung B. Das zweite Paar besitzt Anschlüsse A' und C' sowie die
Halbierungspunktanzapfung B'. Diese Paare sind mit identischen Wicklungen auf den
anderen Quadranten in Reihe geschalten. Der Rotor trägt vier Richtungselemente 13,
die entweder leitende Abschirmungen in einem ansonsten ferromagnetischen Rotor
oder ferromagnetische Bögen in einer ansonsten nichtmagnetischen Struktur sind. Man
erkennt, dass diese Elemente in der dargestellten Position maximale Kopplung an
Wicklungsabschnitt A-B aufweisen, der je nach der leitenden oder magnetischen
Beschaffenheit des Elements 13 entweder minimale oder maximale Induktanz besitzt,
wobei die Ausgangsspannung über B-C entsprechend minimal oder maximal ist. Das
Element 13 hat nur einen minimalen Effekt auf die Wicklung A' B' C', sodass die
Ausgangsspannung B'C' die Hälfte der Versorgungsspannung ausmacht.
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Die Rotation im Uhrzeigersinn bringt das Element 13 zur maximalen Kopplung an A'B'
und gleicht die Induktanzen von AB und BC aus, um ein Mittelwertausgangssignal über
BC zu erzeugen. Die weitere Drehung zur mit Punkten als 13A angezeigten Position
maximiert die Kopplung an Abschnitt B-C, um dem Anfangspunkt die entgegengesetzte
Ausgangsbedingung zu geben, während weitere 22½º den Ausgangszyklus von B-C
abschließen. Es ist offensichtlich, dass der Ausgangszyklus aus B'C' ähnlich, jedoch
elektrisch um 90º versetzt ist.
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Durch das Vorsehen einer kürzeren Spannweite der Elemente 13 als bei den früheren
Linearausgangssignalsensoren der Anmelder sowie durch geeignete Formung und
Wickungsverteilung wird eine enge Annäherung an Sinus/Kosinuseigenschaften erzielt
(z.B. Fig.3).
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Die Erzielung von Sinus/Kosinuseigenschaften ist auch für lineare Versionen des Sensors
möglich. Es könnte somit eine Fig.18 entsprechende Anordnung mit verkürzter
Abschirmungspannweite und zweckmäßiger Formung und Wicklungsverteil ung zwei
Kanäle Sinus/Kosinus-Analogausgangssignale ergeben.
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In jeder Konstruktion, in der Spulen verdoppelt sind, z.B. in der Ausführungsform von
Fig.13, oder durch Bifilarwicklung einzelner Spulen ist es möglich, sie in
Brückenformationen zu verbinden, um ein Differenz-Ausgangssignal zu liefern.
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Die Brückenverbindung mit einzelnen Spulen kann unter Verwendung
übereinstimmender Widerstandspaare erreicht werden (siehe Fig.19, Bezug nehmend
auf Figuren 4 und 5). Die Spannungswerte an den Anzapfungen B1 und B2 werden mit
dem Mittelschienen-Spannungswert an der Mitteanzapfung R1 des übereinstimmenden
Widerstandspaars R verglichen, wobei Spule und Widerstandspaar parallel mit einer
gemeinsamen Wechselstromversorgung Vs-Vo verbunden sind. Wiederum ist das
Ergebnis ein Paar quasi sinusförmiger Ausgangssignale, die um 90º voneinander
versetzt sind, wobei die Amplitudenextreme gleichphasig und gegenphasig sind,
während der Halbierungspunkt eine Null ist.
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Eine weitere Alternative ist in Fig.20 dargestellt. Die Spulenpaare 2a, 2c bilden eine
Brücke mit dem Spuenpaar 2e, 29, und sind solcherart verbunden, dass wenn die
Abschirmung 4a die Impedanz der Spulen 2a und 2e reduziert, der Spannungswert bei
T1 zu Vs neigt, während der Wert bei T2 zu Vo neigt. Wenn die Abschirmung 4a die
Mitteposition erreicht, sind die Spannungswerte bei T1 und T2 gleich und ergeben
einen Nullausgang. Wenn 2c und 29 von der Abschirmung erreicht werden, ist die
Spannungsdifferenz in der entgegengesetzten Phasenrichtung. Dieser Effekt wird bei T3
und T4 mit einer Phasenverschiebung um 90º elektrisch wiederholt. Das Ergebnis ist
ein Paar quasi sinusförmiger Ausgangskurven, die in Fig.21 dargestellt sind, worin die
Modulation sowohl in der Amplitudenänderung als auch der Phasenumkehr liegt.