DE2352851B2

DE2352851B2 - Induktiver weggeber oder drehwinkelgeber

Info

Publication number: DE2352851B2
Application number: DE19732352851
Authority: DE
Inventors: Albert Dr.-Ing 8501 Altenberg Weckenmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-10-22
Filing date: 1973-10-22
Publication date: 1978-02-16
Also published as: US4013986A; GB1482131A; DE2352851A1

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Weggeber zur Umformung einer mechanischen Verschiebung in eine analoge elektrische Ausgangsgröße, vorzugsweise eine elektrische Spannung, welche nach einer beliebig vorgegebenen, vorzugsweise linearen Funktion von der Verschiebung des Meßobjektes abhängt, mit einem, vorzugsweise langgestreckten reehteckförmigen, ferromagnetischen, geblechten oder massiven, offenen oder geschlossenen Kern.

Die bekannten Weggeber sind: Widerstandsgeber, induktive und transformatorische Tauchankergeber (DE-AS 10 17 805) sowie deren Differentialanordnungen, Transformatorgeber mit Kurzschlußring. Die Tauchankergeber erreichen für große Wege (etwa ab 5 cm) nur eine ungenügende Linearität, üben eine nicht zu vernachlässigende Kraft auf das Meßobjekt aus, und deren mechanische Baulänge ist wesentlich größer — mindestens doppelt so groß — wie der nutzbare elektrische Hub, so daß der Einbau viel Platz erfordert. Der Widerstandsweggeber weist durch den unvermeidbaren Schleifkontakt Verschleiß auf, und darüber hinaus muß beim Verschieben Reibungskraft überwunden werden. Der Transformatorgeber mit Kurzschlußring benötigt eine gleichmäßig gewickelte langgestreckte Primärspule sowie zusätzlich eine Sekundärspule.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weggeber zu schaffen, welcher keinen Verschleiß aufweist, minimale Kraft auf das Meßobjekt ausübt, dessen mechanische Baulänge nur geringfügig (weniger als 60%) größer ist als der nutzbare elektrische Hub und welcher nur eine einzige Spule benötigt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:

a) auf dem Kern ist eine Spule fest angeordnet;

b) in Längsrichtung zum Kern ist ein einzelner oder doppelter auf dem Kern berührungslos angeordneter Kurzschlußring aus elektrisch leitendem Material verschieblich gelagert.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß als Kur/schluUring Ktirzschlußspulen, Kurzschlußplatten, einfache oder doppelte Kurzschlußschleifen dienen.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn m;in das Kernfenster nicht rechieckförmig ausbildet, sondern diesem eine andere Form gibt, so kann man den Kennlinienverlauf, d. h. die Abhängigkeit der Induktivität vor; der Stellung der Kur/.schluLSringe, beeinflussen. Darüber hinaus kann man mit einer anderen Kernforni — auch die Außenkontur des Kernes kann abgeändert werden — ebenfalls den Kennlinienverlauf verändern. Solern man zwei gleiche Spulen so auf dem Kern anbringt, dall bei Verschieben des Kurzsehlußripges die Induktivität der to einen Spule größer und die Induktivität der anderen um denselben Betrag kleiner wird, so kann die Erfindung auch /u einem Differentialweggeber erweitert werden, welcher neben dem Vorteil der doppelten Empfindlichkeit auch eine Verbesserung der Linearität bringt. Die Auswertung der Differentialanordnung kann mit zwei getrennten Schaltungen erfolgen, die Differentialbildung als letztes geschehen, oder die Auswertung kann mit Hilfe einer Brückenschaltung und eines gesteuerten Gleichrichters erfolgen.

Wenn man die Kernform kreisförmig wählt, so daß ein Schenkel einen kleineren Radius als der andere Kernschenkel hat und die loche auf Radiallinien liegen, so kann man mit Hilfe der Erfindung einen Drehwinkelgeber konstruieren, welcher bis fast 360° Drehwinkel zu gebrauchen ist. Dasselbe Ziel läßt sich auch dadurch erreichen, daß man den Kern so verändert, daß beide Kernschenkel denselben Radius haben und die Joche parallel zur Achse des Kreises verlaufen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele näher eriautert. Es zeigt

F i g. 1 einen induktiven Weggeber unter Verwendung von zwei einzelnen Kurzschlußringen,

Fig. 2 die Kennlinie des Weggebers, d.h. die Abhängigkeit der Induktivität L= L(s) in Abhängigkeit von der Stellung der Kurzschlußringe,

Fig. 3 einen induktiven Weggeber unter Verwendung eines einzelnen Kurzschlußringes,

Fig.4 weitere mögliche Formen für die Kurzschlußringe,

F i g. 5 einen induktiven Weggeber mit einem rautenförmigen Kernfenster,

F i g. 6 die Kennlinie des Weggebers nach F i g. 5,

F i g. 7 Beeinflussung der Kennlinie durch ferromagnetische Bleche parallel zum Kern,

F i g. 8 eine Differentialanordnung unter \ «rwendung zweier getrennter Kurzschlußringe,

F i g. 9 Auswerteschaltung für die Differentialanordnung,

Fig. 10 weitere mögliche Auswerteschaltung für die Differentialanordnung,

Fig. 11 einen induktiven Weggeber, gestaltet als Drehwinkelgeber (Differentialweggeber),

Fig. 12 eine weitere mögliche Gestaltung des induktiven Weggebers als Drehwinkelgeber.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 kann die Wirkungsweise so erklärt werden: Der vorzugsweise sinus- oder rechteckförmige Wechselstrom / durch die Spule S erzeugt einen magnetischen Wechselfluß Φ, welcher W) sich über die Kernschenkel und über den Luftraum zwischen den Kernschenkeln schließt. Der magnetische Wechselfluß Φ kann sich nicht über die Kernschenkel und das der Spule .S" gegenüberliegende Kernjoch schließen, da die Kurzschlußringe praktisch unendlich (·■> große magnetische Widerstände darstellen, weil ja innerhalb der kurzgeschlcsseiien Windung d'f'/d/ verschwinden muß. Wenn man davon ausgeht, daß das Lufll'ensier sehr schmal ist i'iid die Permeabilität des Eisenkernes genügend hoch ist, so hängt der magnetische Leitwert des Luftl'eiiMcrs /wischen Spule .V und Kurzschliißringen KH. über welchen sich der magnetische Fluß Φ schließen muß, imear vom Ort der Kurzschliißringc ab. Prinzipiell ist der Abschluß des Kernes — d. h. die der Spule .Vgegenüberliegende Seite — uninteressant, so daß der Kern an jener Stelle auch offen sein kann. Da die Induktivität /. der Spule S proportional dem magnetischen Leitwert für den HuIi'/¹ ist, so hängt L linear ab vom OrI der Kurzschlußringe — gekennzeichnet durch s. Wenn der z. B. sinusförmige Strom /(Kreisfreciuen/. «>) durch die Spule .S'eingeprägt ist, so wird die Spannung an der Spule entsprechend der Beziehung

(/-I ■ ι.) · l.(s)=k ■ s

vom Ort der Kur/schlußringe abhängen. Infolge des nicht vermeidbaren magnetischen Streuleitwertes ist die Induktivität L>0, wenn die Kurzschlußringe bei v = () stehen. Die Abhängigkeit L= L(s) ist in Fig. 2 dargestellt. Die vom magnetischen Feld auf die Kiirzschlußringe ausgeübte Kraft in Längsrichtung ist vernachlässigbar klein, da an der Stelle der Kiirzschlußringe, in welchen ein Strom fließt, das magnetische Feld praktisch Null wird.

In Fig. 3 ist der Weggeber mit nur einem einzigen Kurzschlußring dargestellt. Der einzelne Kurzschiußring stellt infolge des in keinem Falle zu vernachlässigenden Leitwiderstandes einen geringeren magnetischen Widerstand dar als die doppelten Kurzschlußringe, darüber hinaus muß der magnetische Leitwert für den Streufluß um den Kurzschlußring herum stärker beachtet werden, so daß die Kennlinie des Weggebers mit einem Kurzschlußring sich von der Kennlinie des Weggebers mit doppelten Kurzschlußringen unterscheidet. Das heißt, auf diese Weise kann man die Kennlinie beeinflussen.

!n Fig. 4 sind weitere mögliche Formen für Kurzschlußringe dargestellt. Eine Kurzschlußplatte aus metallisch leitendem Material — vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium oder Silber — mit Ausschnitten für die Kernschenkrl (A) ist besonders einfach zu fertigen. Auch gewickelte Spulen anstelle der Kurzschlußringe können verwendet werden, man gewinnt hierdurch u. U. einen größeren magnetischen Widerstand als bei massiven Kurzschlußringen, da der Einfluß des Skineffektes bei gewickelten Spulen geringer gehalten werden kann. Die Kurzschlußringe bzw. Spulen können auch in Längsrichtung gegeneinander um as versetzt angebrachtsein.

In Fig. 5 ist eine rechteckige Kernform mit rautenförmigem Fenster dargestellt. Durch das rautenförmige Fenster wird der magnetische Leitwert, über den sich der magnetische Fluß schließen muß, nicht mehr linear von der S'.ellung der Kurzschlußringe abhängen, sondern in anderer Weise. Die resultierende Kennlinie ist in F i g. 6 dargestellt. Die aufgezeichnete Kernform soll nur ein Beispiel darstellen, wie man mit Hilfe der Kernform den Kennlinienverlauf beeinflussen kann.

In Fig. 7 ist eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Kennlinie dargestellt. Fin zum Kern parallel verlaufender magnetisch sehr gut leilfähiger Körper /J. welcher außerhalb des Kurzschlußringes angebracht ist, kann den magnetischen Streiileitwert um die Kiirzschlußringe herum vergrößern. Wenn der l'crromagneii sehe Körper mit ilen Kuivschlußrinyen hew ent wird, sei

wird die Kennlinie auf der gesamten Länge beeinilul.il. Wenn der ferromagnetische Körper fest ist, so wird die Kennlinie nur stückweise, je nach Größe des Körpers, verändert.

in I" ig. 8 ist eine Differeniialanordnimg mit zwei gleichen Spulen .SI und .S'2 dargestellt. Wenn die Induktivität der Spule 5 1 bei Bewegen der Kurzschliißringe vergrößert wird, dann wird die Induktivität der Spule S2 verkleinert, liine Auswertcschaltung hierzu ist in I" ig. 9 dargestellt. Die beiden Spulen können gleichsinnig oder gegensinnig in Reihe geschaltet sein. Fs werden die beiden Spulen von demselben Strom / durchflossen, und die Spannungen an den Spulen werden verstärkt in Verstärkern und sodann gleichgerichtet und die Differenz der gleichgerichteten Spannungen AiJ im Differenzverstärker D gebildet. Die Differenzspannung ist die Ausgangsgröße. Selbstverständlich kann anstelle der Verstärker mit nachgcschaltetcm Gleichrichter auch ein aktiver Gleichrichter mi Operationsverstärker bekannter Bauart verwende werden. Die zweite Schaltungsmöglichkeil sieht cini Brückenschaltung vor wie in Fig. 10 dargestellt. Dii Diagonalspanniing der Brücke wird mit einem phasen empfindlichen Gleichrichter GG bekannter Bauar gleichgerichtet. Die Spulen können entweder glcichsin nig oder gegensinnig in der Brücke geschaltet sein, dii Brücke kann entweder mit eingeprägtem Strom ode

to mit eingeprägter Spannung oder mit einem bcliebigei Vorwideistand in Serie zur Spannungsquellc betriebet werden.

I" i g. 11 zeigt einen induktiven Wcggcbcr, welche seiner Form entsprechend als Winkelgeber eingcsctz werden kann. Der Kern kann ringförmig geformt seil bei beliebigem Winkelausschnitt. F-benso zeigt Fig. i; eine weitere mögliche Gestaltung des induktive! Wcggcbers zum Gebrauch als Winkelgeber.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Induktiver Weggeber zur Umformung einer mechanischen Verschiebung in eine analoge elektrisehe Ausgangsgröße, vorzugsweise eine elektrische Spannung, welche nach einer beliebig vorgegebenen, vorzugsweise linearen Funktion von der Verschiebung des Meßobjektes abhängt, mit einem, vorzugsweise langgestreckten reehteckförmigen, ferromagnetischcn, geblechten oder massiven, offenen oder geschlossenen Kern, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) auf dem Kern (K) ist eine Spule (S) fest angeordnet;

b) in Längsrichtung zum Kern (K)\s\. ein einzelner oder doppelter auf dem Kern ^/^berührungslos angeordneter Kurzschlußring (KR) aus elektrisch leitendem Material verschieben gelagert.
2. Induktiver Weggeber nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß als Kurzschlußring (KR) Kurzschlußspulen, Kurzschlußplatten, einfache oder doppelte Kurzschlußschleifen dienen.
3. Induktiver Weggeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf demselben Kern eine zweite Spule aufgebracht wird, deren Induktivität sich bei Verschieben des Kurzschlußringes im gegenläufigen Sinne zur Induktivität der ersten Spule ändert.
4. Induktiver Weggeber nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen gleichsinnig oder gegensinnig in Reihe geschaltet sind und die bei Fließen eines Stromes durch die Spulen an denselben abgegriffenen Spannungen gleichgerichtet werden und dann die Differenz der gleichgerichteten Spannungen gebildet wird.
5. Induktiver Weggeber nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen gleichsinnig oder gegensinnig in einer Briickenschaltung liegen und daß die Diagonalspannung der Brücke mit Hilfe eines durch die elektrische Energiequelle gesteuerten Gleichrichters gleichgerichtetwird.
6. Induktiver Weggeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere ferromagnetische Körper aus einem oder mehreren Blechen oder aus massivem Material außerhalb des Kernes oder innerhalb des Kernfensters so angebracht sind, daß der magnetische Streufluß um den Kurzschlußring herum beeinflußt wird und so die Weggeberkennlinie den erwünschten Verlauf erhält, wobei die — oder der — ferromagnetischen Körper mit den Kurzschlußringen fest verbunden sein können oder wie der Kern fest montiert sein können.
7. Induktiver Weggeber nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Kurzschlußringe fest montiert sind und der ferromagnetische Kern bewegt werden kann.
8. Induktiver Weggcbcr nach Anspruch 1, dadurch hu gekennzeichnet, daß der Kern eine kreisförmige Gestalt erhält, wobei es sich auch um einen beliebig großen Sektor handeln kann und die Kernschenkel denselben mittleren Radius oder verschiedenen mittleren Radius aufweisen können, so daß die iö Kur/schlul.lringe sich auf einem Kreis inn eine Achse bewegen und die Induktivität vom Drehwinkel abhängt.
9. Induktiver Weggeber nach Anspruch I und nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf demselben Kern eine zweite Spule aufgebracht wird, deren Induktivität sich bei Verschieben des Kurzschlußringes im gegenläufigen Sinne zur Induktivität der ersten Spule ändert.
10. Induktiver Weggeber nach Anspruch 1 und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere ferromagnetische Körper aus einem oder mehreren Blechen oder aus massivem Material außerhalb oder innerhalb des Kernfensters so angebracht sind, daß der magnetische Streufluß um den Kurzschlußring herum beeinflußt wird und so die Weggeberkennlinie den erwünschten Verlauf erhält, wobei der — oder die — ferromagnetische^) Körper mit den Kurzschlußringen fest verbunden sein können oder wis der Kern fest montiert sein können.
11. Induktiver Weggeber nach Anspruch I und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Kurzschlußringe fest montiert sind und der ferromagnetische Kern bewegt werden kann.