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Elektromagnetischer Kompaß Vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung
für die relative Winkellage eines Gegenstandes in bezug auf die Richtung eines Magnetfeldes
und dient insbesondere dazu, die Winkelstellung von Schiffen, Flugzeugen o. dgl.
zur Richtung des erdmagnetischen Feldes anzuzeigen.
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Durch die Erfindung soll ein Instrument dieser Art geschaffen werden,
das in jeder Beziehung einfach und doch empfindlich ist sowie genau und zuverlässig
arbeitet. Eine solche Anzeigevorrichtung findet in der Schifffahrt dort Anwendung,
wo bisher die bekannten magnetischen Schiffskompasse in Gebrauch waren; insbesondere
aber ist sie geeignet für die Luftschiffahrt, da die Erschütterung der Flugzeuge
und die ungleichmäßigen Flugbedingungen die Genauigkeit der Anzeige eines magnetischen
Kompasses stark beeinträchtigen.
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In der Luftschiffahrt sind bisher die bekannten Erdinduktorkompasse
verwandt worden, die aus einer Induktorrolle bestehen, welche auf eine um ihre vertikale
Achse in dem erdmagnetischen Felde drehbare Welle aufgesetzt ist. Die Klemmeri der
Induktorwicklung sind mit einem Kommutator, der gleichfalls auf der Welle befestigt
ist, in Verbindung gebracht. Ein Paar Bürsten stehen mit dem Kornmutator in Kontakt
und sind mit einem Galvanometer verbunden. Die Bürsten sind an dem Flugzeug befestigt,
können jedoch um ihre vertikale Achse durch einen Kursrichtungsgeber derart verdreht
werden, daß ihre Achse in der Ost-West-Richtung liegt, wenn das Flugzeug sich auf
gewähltem Kurs befindet. Die Galvanometernadel steht alsdann auf o. Obgleich eine
solche Anzeigevorrichtung allgemein im Gebrauch ist, so hat sie doch bestimmte Nachteile.
Wenn die Bürsten unvollständig oder ungleichmäßig abgenutzt sind, so treten in dem
System Fehler auf, die auf das Galvanometer übertragen werden. Die Genauigkeit in
der Anzeige ist nämlich abhängig von der relativen Lage der Bürstenachse zu dem
Meridian des magnetischen Feldes; außerdem wird die Genauigkeit beeinflußt durch
die Lage der Induktorachse, die in einer vertikalen Stellung gehalten wird, damit
nicht durch die vertikale Komponente des erdmagnetischen Feldes Fehler in das System
hineingetragen werden. Zu diesem Zweck ist die Induktorrolle pendelnd aufgehängt,
und die Verbindung zu den Antriebsmitteln ist durch ein Universalgelenk hergestellt.
Universalgelenke arbeiten jedoch nicht einwandfrei und verursachen Fehler in der
Stabilisierung
des Induktors, welche sich in der Anzeige des Galvanometers
wiederspiegeln. Alle diese Mängel und Nachteile sollen durch vorliegende Erfindung
vermieden werden.
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Zu diesem Zwecke sind erfindungsgemäß an dem Flugzeug o. dgl. ein
in dem magnetischen Feld in bestimmter Richtung festliegender magnetisierbarer Körper
und eine Erdinduktorspule oder eine Magnetnadel derart angeordnet, daß letztgenannte
auf einen in dem magnetisierbaren Körper entstehenden magnetischen Fluß ansprechen.
Hierbei wird gemäß der Erfindung zweckmäßig ein langgestreckter magnetisierbarer
Eisenkörper verwandt, dessen magnetischer Fluß in der Mitte durch eine kugelförmige
Aussparung oder einen Luftspalt unterbrochen ist, in welchem die auf einen in dem
Eisenkörper entstehenden Fluß ansprechende Erdinduktorspule oder Magnetnadel angeordnet
ist. Der Anker der Erdinduktorspule sitzt auf einer drehbaren Achse, die gegenüber
dem Flugzeug nicht aus ihrer Lage gebracht werden kann und durch geeignete Mittel
angetrieben wird. Der magnetisierbare Eisenkörper ist an dem Flugzeug oder auf einer
anderen Unterlage so befestigt, daß er gezwungen ist, sich mit dem Flugzeug um eine
vertikale Achse zu drehen, im übrigen aber unter normalen Flugbedingungen in an
sich bekannter Weise, z. B. durch Kreisel, Pendel, in einer horizontalen Ebene stabilisiert
wird. Um eine Kursbestimmung zu ermöglichen, ist der magnetisierbare Eisenkörper
so angeordnet, daß er eine Ost-West-Richtung einnimmt, wenn das Flugzeug sich auf
dem gewählten Kurs befindet, so daß in seiner Längsrichtung durch das erdmagnetische
Feld kein magnetischer Fluß erzeugt wird. Eine Abweichung von dem gewählten Kurs
ruft einen magnetischen Fluß in dem Magnetkörper hervor und kreuzt den Luftspalt
in einer Richtung, die der Abweichung entspricht. Diese Lage wird alsdann in der
bei Erdinduktorkompassen üblichen Weise durch ein empfindliches Instrument, das
mit dem rotierenden Anker verbunden ist, angezeigt. Die Bauart des Magnetkörpers
ist so getroffen, daß der Anker gegen alle direkten Einflüsse des erdmagnetischen
oder irgendeines anderen in der Nähe befindlichen Feldes in an sich bekannter Weise
abgeschirmt ist, um alle Fehler zu vermeiden, die auf diese Quelle zurückzuführen
sind.
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Die Erfindung 'ist in der Zeichnung veranschaulicht, und zwar zeigt
Abb. i einen Schnitt durch den elektromagnetischen Kompaß nach der Abb. 2, während
Abb. 2 einen Schnitt nach Abb. i darstellt. Abb. 3 zeigt eine Draufsicht mit der
Befestigungsplatte und Abb.4 ohne diese. In Abb. 5 ist eine allgemein gehaltene
schematische Darstellung des elektromagnetischen Kompasses wiedergegeben, während
die Abb. 6 eine schematische Darstellung entsprechend Abb. i veranschaulicht.
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In der Zeichnung ist ein solcher Kompaß dargestellt, wie er insbesondere
für Flugzeuge geeignet ist. Der Kompaß ist auf einer Tragplatte io aufmontiert,
welche an einem Träger o. dgl. oberhalb des Führungssitzes mit Schrauben i i befestigt
wird. Ein Schnekkenzahnrad 12 ist in der Mitte der Tragplatte io gelagert, so daß
es durch Drehen an dem Zapfen 13 frei auf der Tragplatte io rotiert. Zu diesem
Zwecke ist eine Schnecke 13a vorgesehen, die mit dem Schneckenrad 12 in Eingriff
steht. Ein herabhängendes rechteckiges Gehäuse 14 wird von dem drehbaren Schnekkenrad
12 getragen. Dieses Gehäuse 14 trägt einen langgestreckten Weicheisenkörper 15,
der, in der Mitte getrennt, in zwei Teilen 1511 und 15b dargestellt ist. Durch diese
Unterteilung wird ein Luftspalt von vorzugsweiser kugliger Form gebildet. Die beiden
Teile 15a und 15b sind in der Längsrichtung durch Tragplatten 16 und 17 aus
zweckmäßig nicht magnetischem Material, z. B. Messing, miteinander verbunden. Diese
Platten sind mit Zapfen 18 und i9 ausgerüstet, die in Lagern 2o und 21 in der Mitte
der Stützarme 22 und 22a des Gehäuses 14 aufgehängt sind, so daß der Magnetkörper
15 um eine zentral angeordnete, horizontale, zu seiner Längsrichtung senkrecht liegende
Achse bis zu einem bestimmten Winkel frei ausschwingen kann.
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Durch die langgestreckten Weicheisenkörper 15a und i 5b wird das.
erdmagnetische Feld auf den kuglig ausgestalteten Anker 23 gelenkt, der zwischen
zwei Polstücken 24 und 25 angeordnet ist. Diese Polstücke haben, wie in der Zeichnung
dargestellt, konkav ausgebildete Polflächen, wobei die Oberfläche soweit als möglich
halbkugelförmig ausgeführt ist. Der Anker 23 ist auf eine Achse 26 gesetzt, die
in einem oberen und unteren Lager 27 und 28 läuft, welche jeweilig in der Mitte
des 'oberen und unteren Tragarmes 29 und 3o des Gehäuses 14 vorgesehen sind. Die
Achse 26 ist normalerweise vertikal gestellt, obschon ihre Lage sich mit der Winkelverstellung
des Flugzeuges oder der Tragplatte io zur Vertikalen jeweils etwas ändert. Die Welle
26 wird durch geeignete Mittel angetrieben, wie beispielsweise, in der Zeichnung
erläutert, durch eine kleine Windturbine 3i, die an der Tragplatte io befestigt
ist. Diese Turbine besteht aus einem Triebrad 32, das auf das obere Ende der Welle
26 aufgesetzt ist ufzd durch das Gehäuse 33 eingeschlossen wird. Gegen die Peripherie
des Rades 32, das zweckmäßig gezacxt ist, wird mittels einer
Düse
34 ein Luftstrahl gerichtet; die Luft selbst verläßt das Gehäuse durch irgendeine
Üffnung. Der Anker 23 sowie die Magnetkörper 1511 und 15b sind aus geeignetem magnetisierbarem
Material, beispielsweise einer Legiel ung voll 78':120;, Nickel und 21'/,0/, Eisen,
hergestellt. Der Anker ist mit einer großen Anzahl von Windungen 36 gewickelt, in
denen eine elektromotorische Kraft induzielt wird, wenn der Anker rotiert und ein
magnetischer Strom durch die Polstücke 2.I und 25 hindurchfließt. Der Anker 23 ist
von kugliger Gestalt, so daß zwischen ihm und den Polstücken überall ein gleicher
Luftspalt erreicht wird, ganz gleich, welchen Winkel seine Achse mit der Längsachse
des Magnetkörpers 15 bildet bei einer relativen Bewegung des letzteren in seinen
Lagern 2o lllld 21.
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Die Klemmen der Wicklung 36 sind mit dein Kommutator 37, welcher auf
der Welle 26 sitzt und mit dieser rotiert, in Verbindung gebracht, während die Klemmen
eines Galvanometers 52, auf dem die Kursabweichungen abgelesen werden, an die Bürsten
38 und 38(r angeschlossen werden, die mit dem Komirutator 37 in Kontakt stehen.
Es ist selbstverständlich, daß die Größe der Spannung an den Bürsten durch den Winkel,
den die Bürstenachse mit dem magnetischen Fluß innerhalb des Luftspaltes bildet,
bestimmt ist. Die Bürsten werden daher so angeordnet, daß durch ihre Lage eine möglichst
große Spannung erzeugt wird, da diese zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Kompasses
beiträgt. Ein Pendel 39, wie in Abb. 6 dargestellt, ist an dem Zapfen 18 aufgehängt
und dient dazu, die Längsachse des Magnetkörpers 15 in einer horizontalen Lage zu
halten, wenn das Flugzeug eine zur Vertikalen geneigte Stellung einnimmt. Gleichzeitig
ist mit dem Zapfen t9 eine Stoßbremse.Io in Verbindung gebracht, die irgendwelche
Erschütterungen, die auf den Magnetkörper eindringen, abdämpft. Natürlich kann man
auch irgendwelche andere geeignete bekannte Stabilisierungsmittel an Stelle des
Pendels 39, beispielsweise ein Gyroskop, anwenden.
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Der magnetisierbare Körper besitzt in der Mitte in den Polstücken
2,4 und 25 Erweiterungen, so daß die Windungen 36 des Ankers 23 zum beträchtlichen
Teil von den Polstücken umgeben und so gegen alle direkten Einflüsse des erdmagnetischen
Feldes abgeschirmt sind. Für jede Stellung des magnetischen Kursrichtungsgebers
13 wird der Eisenkörper 15 gezwungen, sich mit dem Flugzeug um dessen normale vertikale
Achse zu drehen, während er in der Horizontalebene stabilisiert wird, wenn das Flugzeug
schaukelt oder eine geneigte Lage annimmt. Befindet sich das Flugzeug auf seinem
gewählten Kurs, so steht der Körper 15 mit seiner L 'algsachse zu dem Meridian des
erdmagnetiscilen Feldes in einem rechten Winkel, währcild die Längsachse selbst
weiterhin eine horizontale Lage einnimmt. In dieser Stellung wird kein magnetischer
Fluß durch den Körper 15 hindurchgehen, da derselbe sowohl zu den vertikalen als
auch den horizontalen Komponenten senkrecht steht. Sobald die Längsachse des magnetisierbaren
Körpers aus ihrer rechten Winkellage zu dem Meridian des erdmagnetischen Feldes
abweicht, wird in ihm ein magnetischer Fluß induziert, dessen Dichte dem Sinus des
Winkels proportional ist, den der Magnetkörper mit dem Meridian des erdmagnetischen
Feldes bildet. Der Körper 15 besteht vorzugsweise aus einem Material,das eine hohe
Permeabilität, eine niedrige Koerzitiv kraft und praktisch keine IIvsteresis besitzt.
Obgleich mehrere Materialien diese Eigenschaften besitzen, wird zweckmäßig die bereits
obenerwähnte Legierung von 781120/1 Nickel und 2i',1.0/,Eisen gewählt. Die Dichtigkeit
des in dem magnetisierbaren Körper durch ein großes homogenes magnetisches Feld
induzierten Flusses wächst mit seiner Länge. Solange nicht eine bestimmte Länge
für die Wirkung der An-
zeigevorrichtung erforderlich ist, wird der Körper
15 zweckmäßig so lang ausgeführt, daß ein Maximum von beständiger Empfindlichkeit
mit der bestmöglichen Raumausnutzung erreicht wird.
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Es sei nochmals erwähnt, daß die Längsachse des Körpers 1 5 sowie
die durch die Zapfen 18 und 1 g hindurchgehende Drehachse und die Drehachse des
Ankers 23 sich alle in einem Punkt schneiden.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Der Körper 15 wird durch den Kursrichtungsgeber
13 so eingestellt, daß seine Längsachse in einer Ost-West-Richtung, also senkrecht
zu dein Meridian des erdmagnetischen Feldes steht, wenn sich das Flugzeug in der
gewünschten Richtung bewegt. Der Anker 23 wird innerhalb des Luftspaltes durch ein
Windrad mit vorteilhaft konstanter Geschwindigkeit angetrieben. Solange sich das
Flugzeug auf dein gewählten Kurs befindet, wird in dem maglietisierbaren Körper
15 durch das erdmagnetische Feld kein Fluß erzeugt und daher in den Windungen 36
des Ankers keine elektromotorische Kraft induziert; das Galvanometer zeigt alsdann
auf o. Falls nun das Flugzeug beispielsweise aus einer nördlichen in eine östliche
Richtung steuert, so wird durch das erdmagnetische Feld in dem magnetisierbaren
Körper ein Fluß induziert, welcher von links nach rechts gerichtet ist und eine
elektromotorische Kraft in den Windungen 36 exzeugt;
die Galvanometernadel
wird alsdann anzeigen, daß das Flugzeug von seiner ursprünglichen Richtung abgewichen
ist. Der Flugzeugführer steuert den Apparat dann so, daß die Galvanometernadel wieder
auf o zeigt, in welchem Augenblick die zunächst eingeschlagene Kursrichtung wieder
erreicht ist. Würde das Flugzeug in einer westlichen Richtung von seinem Kurse abgewichen
sein, so würde die Galv anometernadel nach der anderen Seite ausschlagen. Es hat
sich gezeigt, daß bei dieser Anordnung die Ablesung am Galvanometer von der Bürstenstellung
vollkommen unabhängig ist, da die Bürsten die ihnen einmal gegebene relative Lage
in bezug auf die Achse des induzierten Magnetflusses immer beibehalten. Die Anzeigevorrichtung
arbeitet daher frei von irgendwelchen Fehlern, die auf unvollständige Bürsten oder
Ungleichmäßigkeit in ihrer Abnutzung oder auf eine geringe relative Bewegung der
Bürstenachse in bezug auf das Feld zurückzuführen sind. Es ist ferner ersichtlich,
daß durch die direkte Verbindung der Triebmittel 31 mit dem Anker 23 vermittels
der gleichen Achse dem mit einer biegsamen Kupplung verbundenen Nachteil von vornherein
begegnet wird.
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Bei einer Ausführung nach der Abb. 5 ist die Aufhängung des eisenmagnetischen
Körpers 15 die gleiche wie nach den Abb. i und 2. An Stelle des Ankers 23
wird eine Kompaßnadel 41 in dem Luftspalt angeordnet und zu der Längsachse des magnetisierbaren
Körpers 15 in einem rechten Winkel mittels einer empfindlichen Feder 42 gehalten.
Wenn der Körper 15 sich aus seiner Lage herausbewegt, beispielsweise dadurch, daß
das Flugzeug von seinem gewählten Kurs abweicht, wird in ihm ein magnetischer Fluß
induziert, der den Luftspalt, wie bereits oben beschrieben, kreuzt. Die Kompaßnadel
wird aus ihrer normalen Lage gegen die zurückhaltende Kraft der Feder q.2 herausbewegt,
wodurch angezeigt wird, daß das Flugzeug von seinem früheren Kurs abgewichen ist.
Im übrigen ist die Wirkungsweise nach Abb. 5 ähnlich der, wie sie in den Abb. i
und 2 dargestellt ist.
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Natürlich kann die Erfindung nicht nur im erdmagnetischen, sondern
in jedem beliebigen anderen magnetischen Felde zur Anwendung kommen.