DE2511683C3

DE2511683C3 - Induktiver Stellungsgeber

Info

Publication number: DE2511683C3
Application number: DE19752511683
Authority: DE
Inventors: Friedrich Ing.(Grad.) 8505 Roethenbach Puschban
Original assignee: Metrawatt GmbH
Current assignee: Metrawatt GmbH
Priority date: 1975-03-18
Filing date: 1975-03-18
Publication date: 1985-06-20
Also published as: DE2511683A1; GB1502697A; DE2511683B2; FR2304900A1; FR2304900B1; IT1056976B

Description

a) mindestens eine Windung einer oder mehrerer Sekundärwicklungen (4,5) ist innerhalb der geradlinigen Bewegungsebene des zwischen den Polflächen des Kernes (1) gebildeten Luftspaltes (3) ortsfest angeordnet und bezüglich der von ihr umschlossenen Fläche (F) in Bewegungsrichtung keilförmig geformt,

b) abhängig von der Stellung des Kernes (t) wird ein sich ändernder, von der Windung umschlossener Flächenanteil (F) innerhalb des Luftspaltes (3) erfaßt, in dem ein von der Stellung des Kernes (t) unabhängiges, homogenes Magnetfeld ausgebildet ist, so daß sich ein dem Flächenanteil (F) proportionaler Magnetfluß mit der Windung verkettet

2. Induktiver Stellungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) U-förmig gestaltet ist und an den Enden der beiden freien Schenkel des Kernes zwei sich planparallel gegenüberliegende Polflächen den Luftspalt (3) bilden, in dem jeweils ein von der Stellung des Kernes (1) abhängiger Teil der Sekundärwicklung (4,5) zu liegen kommt, während das Joch des Kernes (1) von der Primärwicklung (2) umschlossen ist.

3. Induktiver Stellungsgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Sekundärwicklung (4, 5) nach dem Prinzip der gedruckten Schaltung auf einer Trägerplatte aufgebracht sind und in Bewegungsrichtung des Luftspaltes eine keilförmig verlaufende Fläche bilden.

4. Induktiver Stellungsgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Windungen einer Sekundärwicklung so auf der Trägerplatte aufgebracht sind, daß die sich über die ganze Länge der Kernbewegungsebene ausdehnende Keilfläche in mehrere Teil-Keilflächen aufgeteilt ist und diese so ineinandergelegt sind, daß jeweils die Keilspitze der nachfolgenden Windung dort liegt, wo der keilförmig verlaufende Teil (10) der vorhergehenden Windung in einen parallelen Teil gleichbleibender Breite (11) übergeht und am Ende der Kernbewegungsebene den Spulenkopf (9) bilden.

5. Induktiver Steilungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der geforderte Funktionszusammenhang zwischen Stellung und Sekundärspannung durch die Lage der keilförmigen Teile (10) der Sekundärwicklungen bestimmt ist.

6. Induktiver Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eventuelle Abweichungen des geforderten theoretischen Zusammenhanges zwischen Kernstellung und Sekundärspannung durch geringfügiges Verschieben der keilförmigen Windungsteile (10) korrigierbar ist.

7. Induktiver Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (16) einen Hohlraum (17) umschließt, der sich entlang der ganzen Bewegungsebene des Kernes (18) erstreckt und in dem sich ein Schenkel des Kernes (18) ungehindert bewegen kann.

8. Induktiver Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (14) der Sekundärwicklung (20) und die Primärwicklung (16) ortsfest angeordnet sind und ein Halteteil (15) sie in ihrer Lage festhält

9. Induktiver Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer oder mehreren Trägerplatten beidseitig zwei oder mehr Sekundärwicklungen (4, 5) so aufgebracht sind, daß deren Wicklungen keilförmige Flä-ςηεη bilden, d>e über ihre ganze Länge nebeneinanderliegen, aber einander entgegengerichtet sind, die ferner in Reihe oder gegeneinander geschaltet sind.

10. Induktiver Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer oder mehreren Trägerplatten einseitig oder beidseitig Sekundärwicklungen mit unterschiedlicher Charakteristik aufgebracht sind, die eine Umschaltung des Funktionszusammenhanges zwischen Kernstellung und Sekundärspannung ermöglichen.

11. Induktiver Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mit Sekundärwicklungen versehene Trägerplatten (22) parallel zueinander angeordnet sind und zusammen mit der rechtwinklig hierzu befestigten Primärwicklung (23) einen U-förmigen Körper bilden, in den ein E-förmig gestalteter Kern (21) eingreift und für die magnetische Kopplung sorgt.

Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Stellungsgeber gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bisher hat man als Stellungsgeber meistens Potentiometer verwendet, bei denen die Stellung als Widerstand oder elektrische Spannung über einen Schleifkontakt dargestellt wurde. Alle diese Potentiometer, selbst hochwertige und teure Plastik-Potentiometer, unterliegen einem Verschleiß und verschmutzen, so daß besonders bei häufiger Bewegung, wie z. B. bei Digital-Plottern, Kontaktschwierigkeiten auftreten. Auch ist das Auftreten eines Rauschens bei Bewegung des Schleifkontaktes oft nicht vermeidbar. Man ist deshalb bemüht, diese Potentiometer durch kontaktlose Stellungsgeber zu ersetzen. Lichtelektrische Stellungsgeber sind entweder sehr aufwendig oder ungenau, kapazitive Stellungsgeber benötigen hohe und schwierig zu beherrschende Betriebsfrequenzen, und bisher bekannte induktive Stellungsgeber sind zu voluminös und von ihrer Bauform her wenig geeignet, ohne großen konstruktiven Aufwand ein geradlinig angeordnetes Potentiometer zu ersetzen. Diese induktiven Stellungsgeber haben besonders den Nachteil, daß ihre Baulänge wesentlich größer ist als der nutzbare Stellweg des Tastgliedes.

Neben induktiven Stellungsgebern, bei denen in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung eines beweglichen Magnetkerns eine möglichst proportionale Ausgangsspannung gebildet werden soll, gibt es auch induktive Abgriffeinrichtungen, die eine möglichst abrupt einsetzende Schaltfunktion auslösen müssen. Eine solche Abgriff einrichtung ist in der DE-AS 12 14 891 beschrie-

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ben. Sie dient als Zeigerabgriff bei elektrischen Meßge- nungen in Abhängigkeit von der Kernstellung,

raten zur Grenzwertermittlung. Um den Grenzwert ax- F i g. 3 den Verlauf der Sekundärgleichspannung nach

akt einzuhalten, muß die auszulösende Schaltfunktion einer Gleichrichtung und Differenzbildung in Abhän-

bei möglichst geringen Wegänderungen wirksam wer- gigkeit von der Kernstellung,

den. Der konstruktive Aufbau derartiger Abgriffeinrich- 5 F i g. 4 die vorteilhafte Ausbildung mehrerer Windun-

tungen unierliegt somit gegenüber Stellungsgebern ei- gen einer Sekundärwicklung bei linearem Verlauf der

ner konträren Zielsetzung. Ausgangsspannung,

Die bekannte Abgriffeinrichtung nach der DE-4.S F i g. 5 die vorteilhafte Ausbildung mehrerer Windun-

12 14 891 arbeitet mit einer vom Strom eines Genera- gen einer Sekundärwicklung bei quadratischem Verlauf

tors durchflossenen Primär-Windungsschleife. Diese ist 10 der Ausgangsspannung,

entlang der Bewegungsebene eines Magnetkerns in des- F ig. 6 eine Ausführungsform des induktiven Stelsen Luftspalt angeordnet und ihre in der Mitte sich lungsgebers in Gesamtdarstellung a) von vorn, b) im kreuzenden Leiter bilden die Form einer Acht Durch Schnitt und c) von oben gesehen, die Leiterkreuzung werden in den beiden Teilschleifen F i g. 7 eine Ausführungsform mit Primär- und Sekunder Leiterschleife einander entgegengesetzte Magnet- 15 därwicklung als gedruckte Schaltung, felder erzeugt Nähert sich der Magnetkern der Kreu- F i g. 8 eine Ausführungsform mit 2 Trägerplatten für zuiigsstelle, so bleibt die Ausgangsspannung zunächst Sekundärwicklungen in planparalleler Anordnung und im wesentlichen so lange konstant, bis sich der Einfluß E-förmigem Kern.

der jeweils anderen Teilschleife bemerkbar macht Der Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, daß

vom Magnetkern aufgenommene Wechselfluß vermin- 20 der mit einer Sekundärwicklung verkettete Magnetfluß

dert sich nunmehr zur Differenz der von beiden Teil- im Luftspalt eines beweglich angeordneten Kernes und

schleifen ausgehenden Wechselflüsse. Im Kreuzungs- damit die in dieser Wicklung induzierte Spannung ab-

punkt heben sich die beiden Wechselflüsse auf und nach hängig von der Stellung dieses Kernes, einen linearen

diesem kehrt sich die Richtung des resultierenden oder in definierter Weise nichtlinearen, z. B. quadrati-

Wechselflusses um. Entsprechend ändert sich die von 25 sehen Verlauf haben soll. Hierzu ist, wie in F i g. 1 darge-

einer auf dem Magnetkern aufgebrachten Sekundär- stellt, ein als Tastglied fungierender ferromagnetischer

wicklung abgegebene Ausgangsspannung. Kern 1 so ausgebildet, daß er zusammen mit der von

Die DE-AS 12 14 891 vermag keine Hinweise zu ge- Wechselstrom durchflossenen Primärspule 2 einen ma-

ben, wie ein Stellungsgeber mit wegproportionalpm gnetischen Fluß ausbildet, der über einen Luftspalt 3

Ausgangssignal aufzubauen ist Zwischen der beschrie- 30 geschlossen ist. Die verstärkten und planparallelen frei-

j benen Abgriffeinrichtung und dem Anmeldungsgegen- en Schenkel des Kernes 1 bilden diesen Luftspalt 3, in

S stand bestehen sowohl im Aufbau als auch in der Wir- dem dann ein homogenes Magnetfeld entsteht. Der ge-

kungsweise grundlegende Unterschiede. So ist nicht die samte Kern 1 ist daher vorzugsweise U-förmig gestaltet

Sekundärwicklung, sondern die Primärwicklung bei der und wird in seinem Mittelstück von der Primärwicklung

vorbekannten Abgriffeinrichtung entlang der Bewe- 35 2 umschlossen.

gungsebene des Magnetkerns in dessen Luftspalt ange- Um nun das angestrebte Ziel, eine sich mit der Stelordnet. Das diese Wicklung durchdringende Magnetfeld lung des Kernes 1 ändernde Verkettung des Magnetgeht von ihr selbst und nicht vom Magnetkern aus; es ist flusses mit der Sekundärwicklung 4, 5 zu erreichen, ist somit nicht homogen, sondern ein inhomogenes Wirbel- eine besondere mechanische Anordnung dieser Wickfeld. Die von der Leiterschleife umschlossene Fläche ist 40 lung erforderlich. In der Prinzipdarstellung nach F i g. 1 nicht keilförmig, sondern besitzt die Form einer Acht. besteht jede Sekundärwicklung 4, 5 aus nur einer Win-Die von den beiden Teilschleifen ausgehenden Magnet- dung, die so geformt ist, daß sie eine keilförmige Fläche felder sind einander entgegengerichtet, so daß es zu umschließt, die sich entlang der ganzen Bewegungsebeeiner Differenzbildung kommt. Das sich im Luftspalt des ne des Luftspaltes 3 erstreckt. Taucht nur die Keifspitze Kernes ausbildende Magnetfeld ist somit abhängig von 45 der Windung 5 in den Luftspalt 3 des Kernes 1 ein, so ist der Stellung des Kernes. Es bildet sich kein dem von der der mit der Windung verkettete Flußanteil nur gering. Windung umschlossenen Flächenanteil der Polfläche Durch die Keilform der Windungsfläche wird jedoch des Kernes proportionaler Magnetfluß, der sich mit der erreicht, daß der verkettete Flußanteil bei einer Ver-Windung verkettet. Schiebung des Kernes 1 entgegen der Keilrichtung der Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der 50 Windung stetig zunimmt. Hierdurch steigt die in der eingangs genannten Art zu schaffen, die unter Vermei- Windung 5 erzeugte Sekundärspannung ebenfalls stetig, dung der Mangel bekannter Anordnungen als Stellungs- In F i g. 1 sind zwei Sekundärwicklungen 4, 5 mit jegeber für geradlinig verlaufende Stellwege geeignet ist, weils nur einer Windung dargestellt. Die keilförmig gewenig Raum beansprucht, genau arbeitet sowie einfach stalteten Windungen sind dabei nebeneinander ange- und billig aufgebaut ist. _5S ordnet, wobei aber die Keilspitzen in entgegengesetzte Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der ein- Richtungen weisen. Abhängig von der Stellung des Kergangs genannten Art durch die im Anspruch 1 gekenn- nes 1 zeigt die F i g. 2 die induzierten Sekundärspannunzeichneten Merkmale gelöst. gen, wobei die Spannungskurve 6 zur Sekundärwick-Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen lung 4 und die Spannungskurve 7 zur Sekundärwicklung der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt. 60 5 gehört. Werden die beiden Sekundärspannungen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den gleichgerichtet und anschließend voneinander subtra-Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden nä- hiert, so ergibt sich der in F i g. 3 dargestellte Verlauf her beschrieben. Es zeigt einer Gleichspannung 8, die einen vollständigen Ersatz Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des induktiven Stel- für eine gleichstromgespeiste Potentiometerbrücke darlungsgebers in einer Ausbildung mit zwei Sekundär- 65 stellt. Von Vorteil ist, daß der Stellungsgeber von einer wicklungen a) in der Draufsicht und b) von der Seite Mittel-Null-Stellung ausgehend, sowohl ein positives gesehen, wie auch ein negatives Spannungssignal erzeugen kann. F i g. 2 den Verlauf der beiden Sekundärwechselspan- Verwendet man dagegen nur eine Sekundärwicklung, so

muß man mit einer anderen Nullpunktunterdrückung arbeiten, um die gleiche Charakteristik zu erhalten.

Von wesentlicher Bedeutung ist die mit dem Stellungsgeber erreichbare Linearität. Sie ist von der Ausbildung des Luftspaltes 3 (Linearität der Luftspaltinduktion) und der Form der Sekundärspulen 4,5 abhängig. Eine sehr gute Linearität ist mit einer Sekundärwicklung, wie sie in F i g. 4 dargestellt ist, erreichbar. Hier besteht die Sekundärwicklung aus mehreren Windungen, die in einer Ebene liegen und spiralförmig ineinandergelegt sind. Alle Windungen sind in Keilform ausgebildet, jedoch so, daß die stetige Änderung der in den Luftspalt eintauchenden Windungsfläche, innerhalb der Bewegungsebene des Kernes, auf alle Windungen aufgeteilt ist. Erreicht wird das, indem die jeweils nachfolgende Windung mit ihrer Keilspitze dort beginnt, wo der keilförmig verlaufende Teil 10 der vorhergehenden Windung in den parallelen Teil 11 mit gleichbleibender Breite übergeht. Die parallelen Teile der Windungskeile sind alle bis zum Ende der Kernbewegungsebene geführt und bilden dort den Spulenkopf 9.

Die in F i g. 4 eingetragene strichlierte Gerade 12 gibt die Größe des sekundären Windungsflusses an. Sis zeigt gleichzeitig auch die Form einer elektrisch identischen Sekundärwicklung mit nur einer Windung. Die wesentliehe Linearitätsverbesserung ergibt sich dadurch, daß unvermeidbare Unlinearitäten des Feldes im Luftspalt 3 nun nicht mehr in voller Größe in der Ausgangsspannung erscheinen, sondern dieser Wert durch Multiplikation mit dem Reziprokwert der Windungszahl reduziert wird. Des weiteren wird bei gleichen mechanischen Abmessungen die absolute Höhe der Ausgangsspannung proportional der Windungszahl erhöht.

So wie man sich die Anordnung der Windungen in F i g. 4 aus der strichliert gezeichneten Geraden — bei linearem Verlauf der Ausgangsspannung — entstanden denken kann, so ist auch für jeden beliebigen nichtlinearen Zusammenhang zwischen Kernstellung und Sekundärspannung die Form der Sekundärspule bestimmbar. In F i g. 5 ist dies für einen quadratischen Verlauf dargestellt, wobei die strichlierte Kurve 13 den geforderten quadratischen Zusammenhang enthält. Auf gleiche Weise wie in F i g. 5 ein gegebener nichtlinearer Zusammenhang dargestellt werden kann, sind auch Korrekturen von unerwünschten Abweichungen (Fehlern) möglich, etwa bedingt durch Randeffekte, Einbaueinflüsse u. a. m.

Wegen der Präzision, die für die mechanische Anordnung der Sekundärwicklung notwendig ist, wird sie zweckmäßig nach dem Prinzip der gedruckten Schaltung sehr exakt hergestellt. Bei Anordnungen mit zwei Sekundärwicklungen kann die zweite Sekundärwicklung vorteilhaft auf der Rückseite einer doppelt kaschierten Trägerplatte aufgebracht werden. Es ist auch möglich, zur Erhöhung der Sekundärspannung mehrere Trägerplatten anzuordnen und die Sekundärwicklungen in Reihe zu schalten.

Um die beweglichen Stromzuführungen zur Primärwicklung einzusparen, wird diese vorteilhaft so ausgeführt, daß sie den Kern umschlingt, ohne dessen Bewegung mitmachen zu müssen. Das bedeutet, daß die den Kern umschlingenden Windungen einen Hohlraum bilden müssen, in dem sich der Kern ungehindert bewegen kann. Die Darstellung eines induktiven Stellungsgebers, der mit einer feststehenden Primärwicklung 8 ausgestattet ist, zeigt Fig.6. Die Trägerplatte 14 für die Sekundärwicklung ist mit einem Halteteil 15 verbunden und trägt mit diesem zusammen die Primärwicklung 16.

In den von der Primärwicklung 16 freigelassenen Hohlraum 17 greift der U-förmige Kern 18 ein. Sein Luftspaltfluß ist je nach Stellung zu einem Teil mit der auf der Trägerplatte 14 befindlichen Sekundärwicklung 20 verkettet. Die Primärwicklung 16 ist als freitragende Spule ausgeführt, um eine größere Windungszahl zu ermöglichen. Sie könnte jedoch, wie die Sekundärwicklung, ebenfalls nach dem Prinzip der gedruckten Schaltung hergestellt werden. Eine entsprechende Darstellung zeigt F i g. 7.

Einen induktiven Stellungsgeber, der nach dem erfindungsgemäßen Prinzip, jedoch mit mehreren umschaltbaren Charakteristiken, arbeitet, erhält man, indem man Z- B. auf einer doppelt kaschierten Trägerplatte verschiedene Sekundärwicklungen, etwa für linearen und logarithmischen Zusammenhang zwischen Weg und Spannung aufbringt. Diese Umschaltung ist besonders bei der Anwendung dieser Stellungsgeber in Labor-Potentiometerschreibern von Bedeutung, da hier eine umschaltbare Charakteristik häufig gefordert wird.

Bei induktiven Stellungsgebern mit mehreren Sekundärwicklungen ist auch die planparallele Anordnung der Sekundärspulen gemäß Fi g. 8 möglich, wobei dann ein E-förmiger Kern 21 eintaucht und für die Änderung der Kopplung sorgt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Induktiver Steliungsgeber, bei dem ein ferromagnetischer Kern zwischen einer mit Wechselstrom gespeisten Primärwicklung und mindestens einei Sekundärwicklung beweglich angeordnet ist und sekundärseitig eine Spannung abgreifbar ist, deren Wert der jeweiligen Stellung des beweglichen Kernes entspricht, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale: