Spulenkopplungsvorrichtung für Goniometer. Die Erfindung bezieht sich auf eine Spulenkopplungsvorrichtung, wie sie für Goniometerzwecke zum Anschluss an Kreuz rahmen oder an offene Antennen verwendet wird. Gegenstand der Erfindung ist die Ver wendung eisenhaltigen Materials und eine solche Ausbildung der das Feld bestimmen den Grössen des feststehenden Teils der Vor richtung, dass trotz enger Kopplung das Goniometer winkeltreu arbeitet und dass die Abstimmung bei jeder Winkelstellung gleich bleibt.
Die übliche Spulenkopplung .für Gonio- meter besteht aus drei Luftspulen, und zwar aus zwei gekreuzten, meist fest angeordne ten Erregerspulen (Feldspulen), die zum Bei spiel beim Rahmengoniometer an die Kreuz rahmen angeschlossen sind, und einer beweg lichen Suchspule,
an die der Empfänger an geschlossen ist. Das "ideale" Goniometer be sitzt eine sich mit dem Drehwinkel sinus- förmig ändernde Kopplung zwischen jeder Erregerspule und der Suchspule; durch diese Kopplungsvariation ist automatisch die Win keltreue des' Goniometers und die Konstanz der Abstimmung gewährleistet.
Zwei um eine gemeinsame Achse relativ zueinander drehbare Luftspulen haben nur bei sehr loser Kopplung eine sinusförmig variierende Kopp lung; bei fester Kopplung verursachen die Abweichungen von der Sinusform Winkel fehler und Verstimmung beim Drehen.
Durch eine zweite, um einen bestimmten Winkel versetzte und mit der ersten in Reihe geschal tete Suchspule lassen sich zwar die gröbsten Winkelfehler kompensieren, aber nicht die Änderung der Abstimmung, die auch da durch gestört wird, dass die Kapazität zwi schen den festen und den beweglichen Spu len insbesondere bei grösseren Kopplungen sich mit dem Winkel stark ändert.
Abgesehen von diesen elektrischen Män geln hat das Luftgoniometer konstruktive Nachteile: aus Gründen der Präzision müssen die Spulen ziemlich gross sein und benötigen daher einen grossen metallenen Abschirmtopf. Ferner müssen die Wicklungen mühsam ein- (yefädelt werden, und bei einer Änderung an den innern Wicklungen müssen die äussern zerstört werden. Ausserdem muss der Winkel zwischen den beiden Suchspulen bei jedem Goniometer durch umständliche Messungen neu bestimmt werden, was einen grossen fabrikatonischen Nachteil bedeutet.
Es wird nun vorgeschlagen, durch Ver- wendung eisenhaltigen Materials innerhalb der Spulen zu kleineren Abmessungen und festeren Kopplungen zu kommen.
Dabei hat ich allerdings g- zei"t, da.ss durch diese Mass <B>i</B> e nahme allein zwar die Kopplung gesteigert werden kann, wegen der Verzerrung des Magnetfeldes die Fehler aber grösser werden als bei Luftgoniometern. Ferner bleiben die konstruktiven und fabrikatonischen Nachteile bestehen.
Erfindungsgemäss wird durch bestimmte Ausbildung der das Feld bestimmenden Grö ssen des feststehenden Teils der Vorrichtung erreicht, dass auch bei enger Kopplung die Fehler sehr klein bleiben. Dabei lassen sich ausserdem konstruktive und fabrikatorisehe Vorteile erzielen. Das eisenhaltige 'Material besteht zweckmässig aus zwei Teilen, dem innern und dem äussern Teil, der den innern umschliesst. Zwischen dem innern und dem äussern Teil befindet sich ein Luftraum (Luftspalt), in dem ein Teil der Wicklung untergebracht ist.
Die geometrische Form dieses Luftspaltes und die Verteilung der Windungen der Spulen längs dieses Spaltes kann so gewählt werden, dass von jeder der erregten Feldspulen in der Suchspule eine sich mit dem Winkel sinusförmi-- ändernde EMK erzeugt wird.
Fig. 1 zeigt ein erstes AusfÜhrungsbei- spiel des Erfindungsgegenstandes. Der zylin drische Kern a besteht aus eisenhaltigem l@ta- terial und trägt die Suchspule b.
Aus demsel ben 'Material i@-ie der Kern er sind die Pol schuhe c und<I>d</I> sowie das Joch<I>e.</I> Die Pol schuhe tragen die Erregerspulen<I>f</I> und<I>g,</I> die, unter sich in Serien- oder Parallelsehaltunc, an eine der beiden gekreuzten Richtantennen angeschlossen sind. Die Ströme dieser bei den Spulen erzeugen in dem Luftspalt ein Magnetfeld. das die Suchspule durchsetzt.
Der Luftspalt- ist am engsten in der Polmitte und nimmt dann nach aussen nach einer sol chen Funktion zii, dass die magnetische Feld- slä rke an jedem Punkt des Kernumfanges proportional dem eosinus des 'Winkels ist, den der durch diesen Punkt gehende Radius- 21 mit der Polachse bildet.
In jeder Win- dnnh der Snelispule wird so eine EMK er- zeug-t. deren Amplitude sieh sinusartig mit dem Winkel ändert. den die 'NVindungsebene mit der Polachse bildet. folglich in der gan zen Suchspule eine E'1K, deren Amplitude proportional dem eosinus des Z@'inlzels ist.
den die Sptilen < ielise mit der Polachse bildet, und zwar unabhängig davon, we@che'Vi.e@el- ])reite am Umfang die Stichspule hat.
Ein zweites, genau gleiches S\ stem, des sen Erregerspulen an die zweite Rieht- ntenne angeseblossen sind. ist mit dem ersten mecbaniscb starr gekuppelt.
Die ge meinsam drehbaren Sachspulen beider S-,#- steme sind in Reihe geschaltet. und ihre nenense iline Lage ist so justiert, dass die Suehspulenacbse des einen Systems gerade mit der Polachse zusammenfällt, wenn die Achsen des zweiten Systems senkrecht auf einander stehen.
Ein solches Goniometer arbeitet winkel treu und hat keine von der Winkelstellung- ahhä.ngige Rückwirkung. Falls der Pol- schul, eine :'i:
dere Form hat, als zur Erzeu- gung eines sieh sinusartig ändernden Magnet- feldes erforderlich ist, so ergibt die Ab@vei- chun- ähnliche Fehler, wie sie bei Verwen dung einer Luftspule entstehen.
Ebenso wie inan die Winkelfehler bei Luftspulen durch Anwendung von zwei Suchspulen zum gröss ten Teil wieder beseitigen kann, kann man diese bei dem beschriebenen Eisenboniometer für eine nicht sinusförinine Feldverteilung. (lie man nach Fourier in eine Grundwelle und Oberwellen zerlegen kann, durch geeignete Wahl der Wickelbreite der Suchspule errei chen.
Für eine Wickelbreite von 120 zum Beispiel verschwindet die Wirkung der drit ten Harmonischen, bei 72 die der fünften usw. Durch Wahl eines Zwischenwinkels kann man zwei Oberwellen gegeneinander kompensieren.
Bei der Anordnung mit zwei Systemen gemäss Fig. 1 ist die Kopplung des Gesamt systems um 30 % loser als die eines einzelnen. Bezeichnet man die Indüktivität der Feldspule mit Lr, die der Suchspule mit La, die maxi male gegenseitige Induktivität mit M, dann ist die maximale Kopplung zwischen Feld und Suchspule
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Schaltet man in Serie mit dieser Suchspule die gleich grosse Suchspule eines zweiten Sy stems, dessen Feldspule an das zweite An tennensystem angeschlossen ist, dann ist die Kopplung einer Feldspule und der gesamten Suchspule
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also 30 % kleiner.
Diese Nachteile vermeidet eine Anord nung, bei der auf dem zylindrischen Kern die beiden Feldspulen, auf den Polen die Suchspule angeordnet sind, wie zum Beispiel in Fig. 2 gezeichnet. Da bei dieser Anord nung die Induktivitä.t jeder Erregerspule etwas von der Winkelstellung abhängt und ausserdem die beiden Erregerspulen nicht in jeder Stellung entkoppelt sind, hängen auch die in diesen Spulen fliessenden Ströme in ganz bestimmter Weise von der Winkelstel lung ab.
Bei einem bestimmten Verhältnis dieser Induktivitätsvariation der Feldspulen zu ihrer gegenseitigen Kopplung heben sich aber beide Einflüsse auf, so dass keine Win kelfehler auftreten. Dieses Verhältnis kann durch richtige Wahl der Wickelbreite der Feldspulen herbeigeführt werden. Da Ab weichungen von diesem Verhältnis Fehler
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desselben Charakters hervorrufen wie bei einer nichtsinusförmigen Kopplung zwischen Feld- und Suchspule, so kann die eine Ab weichung durch die andere kompensiert wer den.
Zu einer bestimmten Polschuhform ge hört also eine bestimmmte Anordnung der Feldwicklung, wenn das Goniometer winkel- treu arbeiten soll.
Als. Beweis mag folgende Ableitung die nen: In Fig. 3 ist eine spezielle Stellung der Feldspulen zu dem Polgehäuse gezeichnet. Feldspule I ist koachsial zu den Polen, ist also mit der Suchspule maximal gekoppelt und hat maximale Induktivität. Feldspule II steht senkrecht dazu, ist also entkoppelt und hat minimale Induktivität. In dieser Stel lung sind die Feldspulen aus Symmetrie gründen nicht miteineinder gekoppelt, da gegen ist in allen andern Lagen Kopplung -vorhanden; am grössten ist sie, wenn die Feldspulen unter 45 zur Polachse stehen.
Es bezeichnen: XLo den kleinsten induktiven Widerstand einer Feldspule, also entsprechend Feld spule II in Fig. 3; XL, -+- 8 XL, den grössten induktiven Wi derstand einer Feldspule, also entsprechend Feldspule I in Fig. 3; XL, den induktiven Widerstand der Feld spule I bei beliebiger Lage; XL2 den induktiven Widerstand der Feld spule II bei beliebiger Lage;
XMls den gegenseitigen induktiven Wi derstand zwischen. Feldspule I und II; J1, J, die Ströme in den Feldspulen i und II, analog El -und E2 bezüglich der Span nungen; cc den Drehwinkel, den die Achse der Feldspule I mit der Polachse einschliesst.
Dann gilt: XL, = XL, + Ö XLo # cos 2a XL, XL, + Ö XL, # sin 2-a und nach Voraussetzung (Das Minuszeichen rührt daher,
dass hei posi tivem a der gegenseitige magnetische Fluss ein anderes Vorzeichen hat als der eigene.) Ferner ist allgemein: Ei -<B>J1</B> # a-YL, @' J_ # .%ISf,@ und K@ = J@ # JL::
- J, # i1>r@_. Daraus ergibt sich E,. X", -El . Xg,- =Y#, (1L, 1L_- X2%1,---2)- Setzt man die Werte für Xi,l, Xr._ und XMi, ein und berücksichtigt,
dass in der Peil stellung Ei = E sin <I>a</I> und E., <I>=</I> E cos a ist, wenn a zugleich den Winkel zwischen der Senderrichtung und der Normalen der an die Feldspule I angeschlossenen Rieht- antenne bedeutet, so ergibt sich r jXL, J::
= E cos a - E., und analog jXL. il = E sin a - E,, das heisst J1 ist proportional El und 7_ pro portional E2 unabhängig von a (was zu be weisen war).
Es ist also möglich, durch ein bestiinni- tes Verhältnis von Induktivitätsschwankung der Feldspulen zu ihrer gegenseitigen Kopp lung - dieses Verhältnis kann durch Aus bildung der Wieklim-, insbesondere der )Vichelbreite, in weiten Grenzen variiert werden - bei sinusförmiger Kopplung zwi schen Feld- und Suchspule winkeltreue Pei lungen zu erhalten. Da. aber eire Abweichung von diesem Verhältnis Winkelfehler ergibt.
die denselben Charakter haben wie die Feh ler, die bei nichtsinusförmiger Kopplung ent stehen (sogenannten aehterkreisiger Fehler), wobei die Form dieser Kopplung in erster Linie von der Form der Polschuhe bestimmt ist, kann man die eine Abweichung gegen die andere kompensieren.
Es gibt also inner halb gewisser Grenzen für jede Polschuh form ein bestimmtes Verhältnis der Induk- tivitätsschwankung der Feldspulen zur gegenseitigen Kopplung, bei der der Winkel fehler verschwindet, und umgekehrt kann man für jede Wickelform der Feldspule eine Polschuhform finden, die einen Winkel fehler gibt.
Ein Beispiel für die Erzeugung sinusför- mig variierender Kopplungen und konstan ter Rückwirkung zwischen Feld- und Such- spiihe durch Formung des Wicklungsquer schnittes ist in Fig. 4 gezeichnet. Es ist wie der a der zylindrische Kern mit. der Such- spule <I>b. e</I> .ein koa.ehsialer Aussenring, der ebenfalls zylindrisch ist. Der Luftspalt ist also ringsherum gleich breit.
Die im Quer schnitt gezeichneten Erregerspulen f, g1, die das eine Feldspiilenpaar bilden, sind so in dem Luftspalt untergebracht. dass ihr "N@Tick- lungsquerschnitt sinusförmig entlang dem Umfang variiert: sie sind so geschaltet, dass, wie gezeichnet, im Luftspalt auf der einen hälfte der Strom nach vorn, auf der andern nach hinten fliesst.
Das zweite Erregerspu- lenpaar hat ebenfalls sinusförmig ver laufenden Wicklungsquerschnitt, aber um 90 versetzt. Durch die in den Erregerspu len fliessenden Ströme wird im Luftspalt ein radiales, der Amplitude nach sinusförmig verlaufendes Magentfeld erzeugt, so dass in der Suchspule eine sich sinusförmig mit demWin- kel ändernde EMK erzeugt wird.
Dieses Gonio- meter ist winkeltreu und hat winkelunabhän gige Rückwirkiiiig. Will man zum Beispiel aus wickeltechnischen Gründen von der Sinusform des Wicklungsquerschnittes ab -eichen, so kann der Winkelfehler durch ge eignete Wahl der ZÄTickelbreite der Suchspule kompensiert werden.
In Fig. 5 ist ein Wicklungsschema für eine @#@Ticklun@rsanordnung nach Fig. 4 darge stellt. Die Zahlen geben beispielsweise die Windungszahlen an.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen kann der Innenteil aus dem Aussenteil her ausgenommen werden, so dass jede Spule zu gänglich ist, was einen grossen konstruktiven Vorteil bedeutet. Ferner kann die einmal als richtig befundene Form des eisenhaltigen 111aterials in beliebiger Zahl genau gleich ge presst werden, so dass eine Serienherstellung möglich ist.
Selbstredend kann bei allen Ausführungs formen die Rolle des Innenteils mit dem des Aussenteils vertauscht werden, sowohl hin- sichtlich der Drehbarkeit als auch der For mung des Luftspaltes oder des Wickelquer schnittes.
Zur Vermeidung kapazitiver Kopplungen der Feld- und Suchspulen können in bekann ter Weise elektrostatische Schirme zwischen den Wicklungen angewandt werden.