WO1992016994A1 - Resolver - Google Patents

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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
    • G01D5/2046—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by a movable ferromagnetic element, e.g. a core
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K24/00—Machines adapted for the instantaneous transmission or reception of the angular displacement of rotating parts, e.g. synchro, selsyn

Definitions

  • the present invention relates to a so-called resolver for measuring or detecting angular positions or revolutions of a shaft using an induced magnetic field between a stator and a rotor connected or connectable to the shaft.
  • such devices are sensors which measure angles or revolutions using the inductive principle.
  • the windings required for induction are distributed in the stator and rotor.
  • resolvers which in particular are intended to precisely record the angular position of the rotor, the corresponding windings are applied by hand, which is extremely complex.
  • Resolvers are used in particular in industrial automation for motion controls.
  • the object is achieved in a resolver designed according to the invention in that only the stator is wound with an excitation winding and a measuring coil and that the rotor is provided on the circumference with pole faces of different polarity, which interact with the stator windings, the pole faces being designed in this way are that they have a reluctance specific to this position in each angular position of the rotor.
  • the pole faces of the rotor are preferably designed as elevations on the rotor circumference.
  • the pole faces can be viewed over the circumference, can change continuously in terms of area, or can be designed such that the air gap between the pole face and the associated stator part Tn is different for each angular position (constant change).
  • the effective pole faces of each polarity each extend over 180 ° of the rotor circumference and thereby increase continuously from a minimum to a maximum.
  • the rotor can be arranged in an axial passage of the stator, or one of the effective pole faces having a sleeve-shaped end section of the rotor can protrude into a circular axial gap of the stator, the excitation winding and the measuring coil of the stator being arranged on one or the other side of the sleeve-shaped rotor end section.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a resolver according to the invention, partly in section
  • FIG. 2 shows a particularly preferred embodiment of a rotor, in section, for a resolver according to the invention
  • FIG. 3 shows a section through a resolver equipped with the rotor according to FIG. 2,
  • Fig. 4 is a purely schematic representation of the corrugated, oblique surfaces of the retaining rings of the magnetic ring package.
  • the resolver shown schematically in FIG. 1 consists of a stator 1, 2, which carries the excitation winding 3 and the measuring winding 4.
  • the rotor 5, which has no windings, is arranged in an axial passage of the stator. Elevations are provided on the circumference of the effective part of the rotor, which represent magnetically different pole faces N and S. These pole faces 6, 7 are designed such that they are in each angular position of the rotor 5 have a reluctance specific to this position. This variable reluctance can be achieved by continuously changing pole faces (in terms of area) or, if necessary, by different thicknesses of the elevations, which leads to different gap heights between the effective pole faces of the rotor and the stator.
  • FIG. 2 and 3 show a further variant of a rotor 28 (FIG. 2) or a resolver equipped therewith (FIG. 3).
  • the construction and in particular the manufacture of the rotor 28 are particularly simple: the rotor 28 consists of an inner cylindrical sleeve 24 made of non-magnetic material, on the outer jacket of which a magnetic ring 25 consists of a large number of individual rings which lie directly on top of one another.
  • This magnetic ring 25 runs parallel to a plane lying obliquely with respect to the rotor axis.
  • the magnetic ring 25 is held on both sides by a cylindrical ring 26 or 27, the outer end faces of which are held by flaring the inner sleeve (after all parts are pressed against each other).
  • the inner end faces of the rings 26, 27, also made of non-magnetic material, also run obliquely and parallel to the plane mentioned, so that the magnetic ring 25 is caught between the rings 26, 27.
  • Flg. 6 shows how the rotor 28 as a first tubular shape with a larger diameter formed (punctured ⁇ te outer contour) to be thereafter rotates to the definitive shape is ⁇ .
  • the design of the resolver shown in FIG. 3 can be designed as a so-called fully laminated construction, in particular the yoke 33 made of split material (e.g. sheet metal spiral) together with the remaining vol 1 laminated construction responsible for a high (strong) output signal. is.
  • the construction of the rotor 28 according to FIG. 2 allows simple and precise manufacture (with rotor diameters that can be selected in a wide range).
  • the inner inclined surfaces of the cylindrical retaining rings 26, 27, between which the magnet ring package 25 is held are preferably slightly corrugated in the longitudinal direction of the surfaces (wavy lines or inclined surfaces 34, 35 in FIG 4), which surprisingly leads significantly to the accuracy of the signal. It is sufficient to machine the inclined surfaces in the direction of the longitudinal axes of the surfaces with a milling cutter.
  • the package By pressing the magnetic ring package 25 together by the cylindrical rings 26, 27, the package is deformed in such a way that it follows the waves at the contact surfaces with the rings 26, 27 and remains practically flat towards the center of the package (the individual magnetic rings).

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Abstract

Der Resolver zur Messung bzw. Erfassung von Winkelstellungen einer Welle zeichnet sich dadurch aus, dass der Stator (1, 2) sämtliche Wicklungen, d.h. die Erregerwicklung (3) und die Messwicklung (4) trägt, während der Rotor (5) ein rein mechanisches Gebilde darstellt. Dieser Rotor trägt am Umfang Polflächen unterschiedlicher Polarität, welche mit den Statorwicklungen zusammenwirken, wobei die Polflächen (6, 7) derart ausgebildet sind, dass sie in jeder Winkelstellung des Rotors eine für diese Stellung spezifische Reluktanz aufweisen. Mit diesem ausserordentlich einfach aufgebauten Resolver sind sehr präzise Messungen möglich.

Description

R e s o l v e r
Die vorliegende Erfindung betrifft einen sogenann¬ ten Resolver zur Messung bzw. Erfassung von Winkelstel¬ lungen bzw. Umdrehungen einer Welle unter Ausnutzung eines induzierten Magnetfeldes zwischen einem Stator und einem mit der Welle verbundenen bzw. verbindbaren Rotor.
Derartige Vorrichtungen sind im Prinzip Sensoren, welche Winkel oder Umdrehungen unter Benutzung des induktiven Prinzipes messen. Bei bekannten Einrichtungen befinden sich die für die Induktion erforderlichen Wicklungen im Stator und Rotor verteilt. Bei Resolvern, welche insbesondere die Winkelstellung des Rotors genau erfassen sollen, werden die entsprechenden Wicklungen von Hand aufgebracht, was ausserordentlich aufwendig ist.
Durch diese Herstellungstechnik, welche ausseror¬ dentlich aufwendig ist, ist zudem die Modellvielfalt eingeschränkt.
Es wurde bereits versucht, die Herstellungskosten dadurch herabzusetzen, dass Wicklungen lediglich noch am Stator angebracht werden, während der Rotor elliptisch ausgebildet wird, was wiederum die Erfassung genauer Winkelstellungen erlaubt. Elliptische Rotoren sind jedoch in der Herstellung ebenfalls ausserordentlich aufwendig. Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen Resolver wesentlich einfacher aufzubauen, so- dass die Herstellungskosten gesenkt werden können und zudem eine grössere ModellVielfalt mit wenig Aufwand zur Verfügung gestellt werden kann. Dabei soll selbstver¬ ständlich die Genauigkeit für Messungen mindestens gleich gut ausfallen wie bei herkömmlichen Resolvern oder nach Möglichkeit sogar besser.
Resolver werden insbesondere bei der Industrie¬ automatisierung für Bewegungskontrollen eingesetzt.
Die gestellte Aufgabe wird bei einem erfindungsge- mäss ausgebildeten Resolver dadurch gelöst, dass lediglich der Stator mit einer Erregerwicklung und einer Messspule bewickelt ist und dass der Rotor am Umfang mit Polflächen unterschiedlicher Polarität versehen ist, welche mit den Statorwicklungen zusammenwirken, wobei die Polflächen derart ausgebildet sind, dass sie in jeder Winkelstellung des Rotors eine für diese Stellung spezifische Reluktanz aufweisen.
Vorzugsweise sind die Polflächen des Rotors als Erhebungen auf dem Rotorumfang ausgebildet. Die Polflächen können sich dabei über den Umfang betrachtet, flächenmässig stetig ändern oder aber so ausgebildet sein, dass der Luftspalt zwischen der Polfläche und dem zugeordneten Statorteil Tn jeder Winkelstellung verschieden ist (stetige Aenderung).
Bei einer besonderen Ausführungsform des Erfin¬ dungsgegenstandes erstrecken sich die wirksamen Polflächen jeder Polarität jeweils über 180° des Rotorumfanges und nehmen dabei stetig von einem Minimum bis zu einem Maximum zu.
Der Rotor kann in einem Axialdurchgang des Stators angeordnet sein, oder ein die wirksamen Polflächen aufweisender hülsenför iger Endabschnitt des Rotors kann in einen kreisförmigen Axialspalt des Stators hineinragen, wobei die Erregerwicklung und die Mess¬ spule des Stators auf der einen bzw. anderen Seite des hülsenförmigen Rotorendabschnittes angeordnet sind.
Grundsätzlich ist es auch möglich, den Rotor in einem Radialspalt des Stators anzuordnen, wobei bei dieser Anordnung die Wicklungen ähnlich wie bei der Ausführung mit Axialspalt zu beiden Seiten der Polflächen des Rotors angeordnet sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch etwas näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungs- gemässen Resolvers, teilweise im Schnitt;
Fig. 2 eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines Rotors, im Schnitt, für einen erfindungsgemässen Resolver;
Fig. 3 einen Schnitt durch einen mit dem Rotor nach Fig. 2 ausgerüsteten Resolver, und
Fig. 4 eine rein schematische Darstellung der gewellten, schiefen Flächen der Halteringe des Magnet¬ ringpaketes.
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Resolver besteht aus einem Stator 1, 2, welcher die Erregerwicklung 3 und die Messwicklung 4 trägt. In einem Axialdurch¬ gang des Stators ist der Rotor 5 angeordnet, welcher keine Wicklungen trägt. Am Umfang des wirksamen Teils des Rotors sind Erhebungen vorgesehen, welche magnetisch unterschiedliche Polflächen N und S darstellen. Diese Polflächen 6, 7 sind derart ausgebildet, dass sie in jeder Winkelstellung des Rotors 5 eine für diese Stellung spezifische Reluktanz aufweisen. Diese variable Reluktanz kann durch sich stetig verändernde Polflächen (flächen- mässig) erzielt werden oder gegebenenfalls durch verschie¬ dene Dicken der Erhebungen, was zu unterschiedlichen Spalthδhen zwischen den wirksamen Polflächen des Rotors und dem Stator führt.
Dank diesem einfach aufgebauten Resolver sind ausserordentlich genaue Messungen möglich, welche die genaue Erfassung der Winkelstellung des Rotors über 360° erlauben.
Andere Anordnungen der Polflächen unterschied¬ licher Polarität sind im Rahmen der Erfindung selbstver¬ ständlich denkbar.
Fig. 2 und 3 zeigen eine weitere Variante eines Rotors 28 (Fig. 2) bzw. eines damit ausgerüsteten Resol- vers (Fig. 3).
Bei dieser Variante ist der Aufbau und insbeson¬ dere die Herstellung des Rotors 28 besonders einfach: Der Rotor 28 besteht aus einer inneren zylindrischen Hülse 24 aus nichtmagnetischem Material, auf deren Aussen- mantel ein Magnetring 25, bestehend aus einer Vielzahl von einzelnen Ringen, welche direkt aufeinanderliegen, angeordnet ist. Dieser Magnetring 25 verläuft parallel zu einer bezüglich der Rotorachse schief liegenden Ebene. Der Magnetring 25 ist beidseitig von je einem zylindri¬ schen Ring 26 bzw. 27 zusammengehalten, dessen aussen- liegende Stirnflächen durch Aufbördelungen der inneren Hülse gehalten sind (nachdem alle Teile gegeneinander gepresst sind). Die innenliegenden Stirnflächen der Ringe 26,27, ebenfalls aus nichtmagnetischem Material, verlaufen eben¬ falls schief und parallel zur genannten Ebene, so dass der Magnetring 25 zwischen den Ringen 26,27 gefangen ist.
Aus.. Flg. 6 geht hervor, wie der Rotor 28 zuerst als Rohrform mit grösserem Durchmesser gebildet wird (punktier¬ te Aussenkontur), um danach auf die definitive Form ange¬ dreht zu werden.
Dank dieser Bauart.können, auf der Basis eines Grundkörpers (Rohform) Rotoren mit verschiedenen Durch¬ messern auf einfache Weise hergestellt werden.
Wenn beim Resolver (Fig. 3) ein Magnetjoch 31,33 gebildet wird, entstehen keine magnetischen Störungen der Wicklungen (Messgenauigkeit!).
Die in Fig. 3 gezeigte Bauform des Resolvers kann als sog. vollgeblechte Konstruktion ausgebildet sein, wobei insbesondere das Joch 33 aus gespaltenem Material (z.B. Blechspirale) zusammen mit der übrigen vol 1 geblechten Konstruktion verantwortlich für ein hohes (starkes) Ausgangssi gnal . ist.
Wie bereits erwähnt, erlaubt der Aufbau des Rotors 28 nach Fig. 2 eine einfache und präzise Herstel¬ lung (mit in weitem Bereich wählbarer Rotordurchmessern).
Wie Fig. 4 zeigt, werden vorzugsweise die innen¬ liegenden Schrägflächen der zylindrischen Halteringe 26,27, zwischen denen das Magnetringpaket 25 festge¬ halten ist, in Längsrichtung der Flächen leicht -gewel lt (Wellenlinien bzw. Schräg l chen 34,35 in Fig. 4), was überraschenderweise wesentlich zur Genauigkeit des Signals führt. Es genügt dabei, die Schrägflächen in Richtung der Längsachsen der Flächen mit einem Fräser zu bearbeiten. Die durch die präzise Bearbeitung ent- stehenden Wellen we-'sen eine geringe Höhe(Grössenordnung wenige μ bis wenige Zehntelmillimeter) auf, um dieser Absicht zu genügen.
Durch Zusammenpressen des Magnetringpaketes 25 durch die zylindrischen Ringe 26,27 wird das Paket derart verformt, dass dieses gesamthaft den Wellen jeweils an den Kontaktflächen mit den Ringen 26,27 folgt und gegen die Paketmitte hin praktisch eben bleibt (die einzelnen Magnetringe) .

Claims

Patentansprüche
1. Resolver zur Messung bzw. Erfassung von WinkelStellun¬ gen bzw. Umdrehungen einer Welle unter Ausnutzung eines induzierten Magnetfeldes zwischen einem Stator und einem mit der Welle verbundenen bzw. verbindbaren Rotor, da¬ durch gekennzeichnet, dass lediglich der Stator mit einer Erregerwicklung und einer Messspule bewickelt ist und dass der Rotor am Umfang mit Polflächen unterschiedlicher Polarität versehen ist, welche mit den Statorwicklungen zusammenwirken, wobei die Polflächen derart ausgebildet sind, dass in jeder Winkelstellung des Rotors eine für diese Stellung spezifische Magnetflussverteilung besteht.
2. Resolver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor als hohlzylindrischer Grundkörper aus nichtmag¬ netischem Material ausgebildet ist, in dessen Aussen an- tel ein parallel zu einer zur Rotorlängsachse schief ste¬ henden Ebene umlaufender Ring aus magnetischem Material vorgesehen ist, welcher die Polflächen unterschiedlicher Polarität aufweist.
3. Resolver nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der hohlzylindrische Rotorgrundkörper aus einer inneren zylindrischen Hülse besteht, auf deren Mantelfläche zwei zylindrische Körper im Abstand zueinander aufgesetzt sind, deren aussenliegende Stirnflächen etwa bündig mit den Stirnflächen der zylindrischen Hülse verlaufen, wäh¬ rend die sich gegenüberliegenden innenliegenden Stirnflä¬ chen in einem schiefen Winkel parallel zur bezüglich der Rotorlängsachse schief stehenden Ebene verlaufen und dabei den Ring aus magnetischem Material zwischen sich einschliessen und festhalten.
4. Resolver nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die innere zylindrische Hülse an den Stirnenden aufgebör¬ delt ist, um so die übrigen Teile des Rotors zusammenzu¬ halten.
5. Resolver nach mindestens einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegenden schiefen Stirnflächen der zylindrischen Haltekörper quer zur Längs¬ richtung der Flächen mit Wellungen, vorzugsweise mit untereinander gleichen Abständen und gleicher Höhe, ver¬ sehen sind und das Magnetringpaket unter leichter Deforma¬ tion letzteres zwischen sich festhalten.
6. Resolver nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der die Polflächen unterschiedlicher Polarität aufweisende, am Rotorumfang angeordnete Rotor¬ teil aus einer Vielzahl direkt nebeneinander angeordneter ringförmiger Elemente aus magnetischem Elektroblech be¬ stehen.
7. Verfahren zur Herstellung eines Resolvers nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen hülsenförmigen Rotorgrundkörper zwei zylindrische Klemm¬ körper aufgesetzt werden, deren sich gegenüberliegende innenliegende Stirnflächen in jeweils gleichem schiefen Winkel zur Rotorachse verlaufend ausgebildet sind und parallel zueinander ausgerichtet einen Ring aus einer Vielzahl von einzelnen Magnetringen zwischen sich ein- schliessen und dass die Klemmkörper mit dem dazwischen¬ liegenden Magnetringpaket gegenεinandergepresst und in der Endlage am Rotorgrundkörper fixiert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkörper und die Magnetringe mit einem Ueber- ass-Durchmesser aufgesetzt und nach deren Fixierung auf dem Rotorgrundkörper der so gebildete Rotoraussen- antel spanabhebend bearbeitet wird, bis der gewünschte Rotordurchmesser erzielt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass den schiefen innenliegenden Anpress¬ flächen der Klemmkörper eine gewellte Oberfläche ver¬ liehen wird, insbesondere durch Einfräsen von sich folgen¬ den Wellungen.
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