DE1254373B

DE1254373B - Electromagnetic device for converting a rotating or linear movement into an electrical voltage

Info

Publication number: DE1254373B
Application number: DER33894A
Authority: DE
Inventors: Stanley Bowie
Original assignee: AV Roe and Co Ltd
Current assignee: AV Roe and Co Ltd
Priority date: 1961-11-17
Filing date: 1962-11-16
Publication date: 1967-11-16

Description

DEUTSCHES JmWWl· PATENTAMTGERMAN JmWWl PATENT OFFICE AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

H04rH04r

DeutscheKI.: 42 d-1/12 DeutscheKI .: 42 d- 1/12

Nummer: 1 254 373Number: 1 254 373

Aktenzeichen: R 33894IX b/42 dFile number: R 33894IX b / 42 d

J 254 373 Anmeldetag: 16.November 1962 J 254 373 filing date: November 16, 1962

Auslegetag: 16. November 1967Opened on: November 16, 1967

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Einrichtung zur Umformung einer rotierenden oder linearen Bewegung in eine elektrische Spannung, mit einem Primärmagnetkern mit wenigstens einer Feldspule, mit einem getrennten Sekundärmagnetkern mit wenigstens einer Ausgangsspule, der mit dem Primärmagnetkern ein Paar von gegenüberliegenden Luftspalten bildet, und mit einer Kurzschlußwindung, die einen Teil des getrennten Sekundärmagnetkerns umschließt und auf die die umzuwandelnde Bewegung übertragen wird.The invention relates to an electromagnetic device for forming a rotating or linear movement in an electrical voltage, with a primary magnetic core with at least one field coil, with a separate secondary magnetic core with at least one output coil that is connected to the primary magnetic core forms a pair of opposing air gaps, and with a short-circuit winding that encloses part of the separate secondary magnetic core and on which the movement to be converted is transmitted.

Ein Beispiel für eine bekannte Vorrichtung dieser Art ist F i g. 1, in der eine solche schematisch dargestellt ist. Es ist ein Differentialtransformator, der im Grunde genommen aus einer Primärspule 1 besteht, die auf einem Mittelstück eines aus Blechen bestehenden Kerns angeordnet ist, und aus zwei Sekundärspulen 3 und 4, die auf den äußeren Stücken des gleichen Kerns liegen und elektrisch gegensinnig verbunden sind. Die Spannung an den freien Enden dieser beiden Spulen ist die Ausgangssignalspannung. Die Flußverbindung der Primärspule 1 mit den Sekundärspulen 3, 4 ist proportional zwischen den beiden Außenteilen aufgeteilt, und zwar durch die mechanische Verschiebung eines kurzen Zapfens aus nichtmagnetischem, elektrisch leitendem Material 5, der das obere Brückenstück des Kerns etwa in der Mitte desselben umgibt. Weil dieses Stück jeden magnetischen Fluß durch sich hindurch verhindert, teilt sich der Primärfiuß proportional zu beiden Seiten des kurzen Stückes auf. Die veränderbare Verteilung des Flusses in den beiden Sekundärstücken 8 und 9 erzeugt korrespondierende Veränderungen der Spannungen in den beiden Sekundärspulen 3 und 4. Angenommen der Luftspalt 6, 7 der Primärspule 1 ist konstant auf der gesamten Polfläche, dann ist die Differentialspannung in den Sekundärspulen linear zur mechanischen Verschiebung des kurzen Stückes 5 in Richtung des Pfeiles F. An example of a known device of this type is FIG. 1, in which one such is shown schematically. It is a differential transformer, which basically consists of a primary coil 1 , which is arranged on a central piece of a core made of sheet metal, and two secondary coils 3 and 4, which lie on the outer pieces of the same core and are electrically connected in opposite directions. The voltage at the free ends of these two coils is the output signal voltage. The flux connection of the primary coil 1 with the secondary coils 3, 4 is proportionally divided between the two outer parts, namely by the mechanical displacement of a short pin made of non-magnetic, electrically conductive material 5, which surrounds the upper bridge piece of the core approximately in the middle of the same. Because this piece prevents any magnetic flux through it, the primary flow is divided proportionally on either side of the short piece. The variable distribution of the flux in the two secondary pieces 8 and 9 generates corresponding changes in the voltages in the two secondary coils 3 and 4. Assuming the air gap 6, 7 of the primary coil 1 is constant over the entire pole face, the differential voltage in the secondary coils is linear to mechanical displacement of the short piece 5 in the direction of the arrow F.

Derartige Vorrichtungen sind im allgemeinen so ausgestaltet, daß die beiden Sekundärspulenspannungen bei einer Mittelstellung des kurzen Stückes in ihrer Größe gleich sind, im Idealfall genau gegenphasig. Bei dieser Stellung, der Bezugsstellung, ist die Signalspannung der Grundfrequenz 0. Auf Grund von Eisenverlusten im magnetischen Kern jedoch ist die Flußverbindung der beiden Ausgangsspulen kaum genau gegenphasig, und außerdem sind auch die Spulenimpedanzen niemals ganz gleich. Das führt dazu, daß Spannungen bei harmonischen Frequenzen und bei einer Grundfrequenz, die um 90° mit Bezug auf die Signalspannung verschoben ist, entstehen.Such devices are generally designed so that the two secondary coil voltages with a middle position of the short piece are the same in size, ideally exactly in phase opposition. In this position, the reference position, the signal voltage of the fundamental frequency is 0. Due to The flux connection between the two output coils is hardly due to iron losses in the magnetic core exactly out of phase, and also the coil impedances are never exactly the same. Leading in addition that voltages at harmonic frequencies and at a fundamental frequency that is 90 ° with reference is shifted to the signal voltage arise.

Elektromagnetische Einrichtung zur Umformung einer rotierenden oder linearen Bewegung in eine elektrische SpannungElectromagnetic device for converting a rotating or linear movement into a electrical voltage

Anmelder:Applicant:

A. V. Roe & Co. Limited, Greengate, Middleton, Manchester (Großbritannien)A. V. Roe & Co. Limited, Greengate, Middleton, Manchester (Great Britain)

Vertreter:Representative:

Dipl.-Chem. W. Rücker, Patentanwalt,
Hannover, Am Klagesmarkt 10-11Dipl.-Chem. W. Rücker, patent attorney,
Hanover, Am Klagesmarkt 10-11

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Stanley Bowie, Bramhall, CheshireStanley Bowie, Bramhall, Cheshire

(Großbritannien)(Great Britain)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Großbritannien vom 17. November 1961 (41 322)Great Britain 17 November 1961 (41 322)

Um die magnetische Impedanz auf ein Minimum zu bringen, damit ihre Differenz in den beiden Flußwegen 8 und 9 so klein wie möglich wird, ist es notwendig, die Schichten des magnetischen Kerns mit Zwischenblättern zu versehen, und im allgemeinen werden sie nach dem Zwischenschichten miteinander verklebt. Diese Schichtung macht es schwierig, wenn nicht unmöglich, die Polflächen des Spaltes, der die Kurzschlußwindung enthält, zu bearbeiten oder zu schleifen, so daß die Schichtung mit außerordentlich hoher Genauigkeit hergestellt und sehr genau mit den Zwischenschichten versehen sein muß.In order to minimize the magnetic impedance so that its difference in the two flux paths 8 and 9 becomes as small as possible, it is necessary to provide the layers of the magnetic core with interleaves and, in general, they are glued together after interlaying . This stratification makes it difficult, if not impossible, to machine or grind the pole faces of the gap containing the short-circuit winding, so that the stratification must be produced with extremely high accuracy and very precisely provided with the intermediate layers.

Es ist auch bereits eine elektromagnetische Einrichtung bekannt, bei der nur eine Kurzschlußwindung um einen mittleren Teil des Magnetpols vorgesehen ist. Außerdem liegen die Luftspalte auf gegenüberliegenden Seiten der Kurzschlußwindung nicht in den vier Armen einer Brücke, deren Spulen in der Diagonalen liegen. Die Dimensionierung der Einrichtung ist somit verhältnismäßig kritisch, und bei der Herstellung müssen enge Toleranzen eingehalten werden. Außerdem ist eine sehr genaue Einjustierung erforderlich.An electromagnetic device is also already known in which only one short-circuit turn is provided around a central part of the magnetic pole. In addition, the air gaps are on opposite sides of the short-circuit winding not in the four arms of a bridge, their coils lie in the diagonal. The dimensioning of the device is therefore relatively critical, and Close tolerances must be observed during manufacture. In addition, there is a very precise adjustment necessary.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der bekannten Einrichtungen zu vermeiden.The invention is based on the object of avoiding these disadvantages of the known devices.

Die Erfindung besteht darin, daß die Kurzschlußwindung in einem der Luftspalte und eine zweite Kurzschlußwindung in dem anderen Luftspalt vorgesehen ist, derart, daß eine magnetische Brücke gebildet wird, in der die magnetischen Impedanzen der Luftspalte auf gegenüberliegenden Seiten der Kurz-The invention consists in that the short-circuit winding in one of the air gaps and a second Short-circuit winding is provided in the other air gap, such that a magnetic bridge is formed in which the magnetic impedances of the air gaps on opposite sides of the short

709 688/176709 688/176

Schlußwindungen die vier Impedanzen für die Brükkenarme bilden, während die Ausgangsspulen in dem Nullzweig der Brücke liegen und die Feldspulen in der anderen Diagonale gespeist werden.Final turns form the four impedances for the bridge arms, while the output coils in the The zero branch of the bridge lie and the field coils are fed in the other diagonal.

Bei dieser Ausgestaltung sind der primäre und sekundäre Eisenkreis durch zwei Luftspalte vollkommen voneinander getrennt. Jeder enthält eine kurze Windung. Dadurch wird die Herstellung wesentlich vereinfacht, da ein Zwischenschichten der primären und sekundären Teile des magnetischen Kerns nicht mehr erforderlich ist. Die Schichtungen eines jeden Teils können zusammengeklebt werden und die Polflächen geschliffen, ehe die Primär- und Sekundärteile miteinander verbunden werden.In this configuration, the primary and secondary iron circles are complete with two air gaps separated from each other. Each contains a short turn. This will make the manufacture much simplified because there is an intermediate layer of the primary and secondary parts of the magnetic Kerns is no longer required. The layers of each part can be glued together and the pole faces ground before the primary and secondary parts are connected to one another.

Die zwei oder mehr Sekundär- oder Ausgangsspulen, die gegenphasig sind, können durch eine oder mehrere Ausgangsspulen, die in Serie geschaltet sind und gleichphasig sind, ersetzt sein. Dadurch wird die Blindspannungskomponente bei O beseitigt, die durch die verschiedenartigen Impedanzen in den Sekundärspulen bei Gegenphase entstehen.The two or more secondary or output coils that are out of phase can be through one or several output coils connected in series and in phase must be replaced. This will make the Reactive voltage component at O eliminated, caused by the different types of impedances in the secondary coils arise with opposite phase.

Bei der erfindungsgemäßen Brückenschaltung ist die Dimensionierung und die Fertigung der Einrichtung sehr viel unkritischer als bei den bekannten Einrichtungen, so daß die Herstellungskosten sehr stark verringert werden und die genaue Justierung der Einrichtung sehr stark vereinfacht ist. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung bilden die Luftspalte auf gegenüberliegenden Seiten der beiden kurzgeschlossenen Windungen die vier Impedanzarme der Brücke. Die Ausgangsspulen liegen in der Diagonalen der Brücke. Für die vollständige Brücke sind zwei kurzgeschlossene Windungen in zwei getrennten Luftspalten vorhanden.In the bridge circuit according to the invention, the dimensioning and manufacture of the device much less critical than in the known devices, so that the manufacturing costs are very high can be greatly reduced and the precise adjustment of the device is very much simplified. In the inventive Facility form the air gaps on opposite sides of the two short-circuited Turns the four impedance arms of the bridge. The output coils are in the diagonal the bridge. For the full bridge there are two shorted turns in two separate ones Air gaps present.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Aufnahmevorrichtung, die besonders zur Feststellung eines Zustandes oder zum Messen der begrenzten Rotationsbewegung in der Aufhängung eines Geschwindigkeitskreisels geeignet ist. Das Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 2A bis 3 dargestellt. Es zeigtThe invention is to be explained in more detail using an exemplary embodiment shown in the drawing will. The illustrated embodiment shows a recording device that is particularly useful for determining a condition or to measure the limited rotational movement in the suspension of a Speed gyro is suitable. The embodiment is shown in FIGS. 2A to 3. It shows

Fig. 2A eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,2A shows a perspective view of the device according to the invention,

Fig. 2B die Art der einzelnen Schichten, die bei dem Sekundärkern der Vorrichtung verwendet werden, Fig. 2C die Schaltung der Vorrichtung undFigure 2B shows the nature of the individual layers used in the secondary core of the device. Fig. 2C shows the circuit of the device and

F i g. 3 die analoge elektrische Schaltung der magnetischen Schaltung der Vorrichtung.F i g. 3 shows the analog electrical circuit of the magnetic circuit of the device.

Die in Fig. 2A gezeigte Vorrichtung besitzt einen C-förmigen, magnetischen Kern 10, auf dem eine oder mehrere Primärspulen 11 befestigt sind, die in Serie geschaltet sind und phasengleich, wenn mehr als eine vorhanden ist. Diese sind dann im allgemeinen auf den Enden des Kerns angeordnet, um magnetische Verluste auf ein Minimum zu beschränken. Die Primärspulen werden durch einen Wechselstrom, der von außen zugeführt wird, erregt.The device shown in Fig. 2A has a C-shaped magnetic core 10 on which a or several primary coils 11 are attached, which are connected in series and in phase, if more as one is present. These are then generally placed on the ends of the core to be magnetic Keep losses to a minimum. The primary coils are powered by an alternating current that is supplied from the outside, excited.

Zwischen den nach innen gerichteten Polflächen Co des Primärkerns liegt ein Sekundärkern 12, auf dessen Mittelteil 13 eine oder mehrere Sekundärspulen 14 angeordnet sind, die wiederum in Serie geschaltet und phasengleich sind, wenn mehr als eine vorhanden ist. Es ist wesentlich, darauf hinzuweisen, daß, um den Zusammenbau der Spulen 14 auf dem Mittelteil zu ermöglichen, wechselweise Schichtung des Kerns 12 erfolgt, wie in Fig. 2B gezeigt. DieseA secondary core 12 is located between the inwardly directed pole faces Co of the primary core Middle part 13 one or more secondary coils 14 are arranged, which in turn are connected in series and are in phase if there is more than one. It is essential to point out that, to enable the assembly of the coils 14 on the middle part, alternate layering of the Core 12 occurs as shown in Figure 2B. These

Schichten sind mit einer Unterbrechung oder einem Spalt an einem Ende des Mittelteils versehen, und die Spalte liegen bei aufeinanderfolgenden Schichten jeweils an den einander entgegengesetzten Enden des Kerns. Dadurch ist es möglich, durch Aufbiegen des Mittelteils der Schichten diese durch die Spule 14 abwechselnd von links und rechts zu schieben. Die Sekundärstücke werden mit aufgesetzten Spulen zusammengeklebt, und die Polflächen, die die Spalte 15 bilden, lassen sich dann wunschgemäß schleifen. Die Ineinanderschichtung des Mittelstücks 13 ist von untergeordneter Bedeutung, da ein Aufeinanderabstimmen zweier magnetischer Kreise nicht mehr erforderlich ist.
In den Spalten 15 sind nun Windungen 17 angeordnet und mechanisch an dem Teil 18 befestigt, dessen Rotation gemessen werden soll. Die Rotationsachse verläuft im wesentlichen senkrecht zu einer Verbindungslinie, die durch die beiden Luftspalte 15 geht, und geht durch die Mitte dieser Linie, d. h. ungefähr in der Mitte des Mittelteils 13 des Sekundärkerns. Die kurzen Windungen haben starke Teile, die durch die Fenster 19 im Sekundärkern, wie in Fig. 2A gezeigt, gehen. Die Sekundärwicklungen 14 sind im allgemeinen in zwei Teile aufgeteilt, damit sich ein Arbeitsspiel für die kurzen Windungen 17 ergibt. Es ist zu erkennen, daß die verhältnismäßig starken Teile der kurzgeschlossenen Windungen dicht bei der Rotationsachse liegen, wodurch das Trägheitsmoment der beweglichen Teile auf ein Minimum herabgesetzt wird.Layers are provided with an interruption or a gap at one end of the central part, and in successive layers the gaps are each at the opposite ends of the core. This makes it possible, by bending open the middle part of the layers, to push them through the coil 14 alternately from the left and right. The secondary pieces are glued together with attached coils, and the pole faces that form the gaps 15 can then be ground as desired. The stacking of the center piece 13 is of subordinate importance, since it is no longer necessary to coordinate two magnetic circuits.
In the columns 15 turns 17 are now arranged and mechanically attached to the part 18 whose rotation is to be measured. The axis of rotation runs essentially perpendicular to a connecting line which goes through the two air gaps 15 and passes through the center of this line, ie approximately in the center of the central part 13 of the secondary core. The short turns have strong parts that go through the windows 19 in the secondary core as shown in Figure 2A. The secondary windings 14 are generally divided into two parts so that there is a working cycle for the short turns 17. It can be seen that the relatively strong parts of the short-circuited turns are close to the axis of rotation, whereby the moment of inertia of the moving parts is reduced to a minimum.

Sowohl der Primär- als auch der Sekundärkern sind fest mit einem gemeinsamen Rahmen (nicht gezeigt) verbunden, der in geeigneten Lagern den Teil 18 ;5 trägt, dessen Rotation gemessen werden soll.Both the primary and the secondary core are firmly connected to a common frame (not shown) which, in suitable bearings , carries the part 18; 5 , the rotation of which is to be measured.

Zur Erläuterung, wie die Feststellvorrichtung arbeitet, ist die analoge elektrische Schaltung des magnetischen Kreises in F i g. 3 dargestellt, in dem veränderliche Widerstände W, X, Y und Z die vier ο Zweige einer Wheatstoneschen Brücke bilden, die durch eine Wechselspannung V erregt wird. Ein Galvanometer G ist zwischen die Verbindungsstellen von W und Y bzw. X und Z geschaltet.
Bezug nehmend auf Fig. 2C entspricht die magnetische Impedanz der Feststell- oder Aufnahmevorrichtung der Wheatstoneschen Brücke wie folgt. Die veränderlichen Impedanzen der Luftspalte 15 auf jeder Seite der kurzgeschlossenen Windungen sind A, B, C und D, entsprechend den Widerständen W, X, Y ο und Z der Wheatstoneschen Brücke. Die Sekundärspulen 14 entsprechen dem Galvanometer G. Es ist eine Bedingung, daß in der O-Stellung der Aufnahmevorrichtung der magnetische Gradient auf dem Mittelstück 13 bei der Grundfrequenz O sein muß, so daß kein Fluß bei der Grundfrequenz die Sekundärspule oder -spulen verbindet. Dieser Zustand entspricht der ausgeglichenen Wheatstoneschen Brücke, wenn keine Spannung am Galvanometer G liegt.To illustrate how the locking device works, the analog electrical circuit of the magnetic circuit is shown in FIG. 3, in which variable resistors W, X, Y and Z form the four ο branches of a Wheatstone bridge that is excited by an alternating voltage V. A galvanometer G is connected between the connection points of W and Y or X and Z.
Referring to Fig. 2C, the magnetic impedance of the detection or pickup device corresponds to the Wheatstone bridge as follows. The variable impedances of the air gaps 15 on each side of the shorted turns are A, B, C and D, corresponding to the resistances W, X, Y o and Z of the Wheatstone bridge. The secondary coils 14 correspond to the galvanometer G. It is a condition that in the O position of the pick-up device the magnetic gradient on the center piece 13 must be at the fundamental frequency 0 so that no flux at the fundamental frequency connects the secondary coil or coils. This state corresponds to the balanced Wheatstone bridge when there is no voltage on the galvanometer G.

Dieser Zustand wird in der Aufnahmevorrichtung vorhanden sein, wennThis condition will exist in the receiving device when

A BAWAY

C C. ~~ ~~ DD.

ist, und in der elektrischen Brücke, wennis, and in the electrical bridge when

W X W X

~Y ~Z~ ~ Y ~ Z ~

ist.is.

Claims

This relationship can be maintained with great accuracy in the receiving device after both short-circuited turns by equal amounts in the same direction to the left or right in FIG. 2 C, so that a very precise arrangement of the center of rotation of the short-circuited turns on the moving part is not required, and this is extremely important because it facilitates the manufacture of the bearings that accommodate the rotating body and the closed turns . It is already known that small displacements of short-circuited turns in the direction of one pole or the other in the vertical direction in FIG. 2 C does not affect the impedances. This relationship is also maintained with great accuracy if the two gaps 15 are not exactly the same length, so that the mechanical fastening for the primary and secondary cores on a common frame is not a matter of very high precision. Again, this is a constructive advantage. Another advantage is that the looping of each short-circuited turn which must be soldered around the corresponding arm of the secondary core can be carried out in the absence of the primary core and coil assembly so that there is more convenient access for this operation. The complete secondary assembly with short-circuited windings can be fixed in the instrument housing and the short-circuited windings connected to the moving parts and adjusted with regard to their position in the absence of the primary core which is later mounted. The device described so far uses two rotatable short-circuited turns. By clamping one shorted turn in the middle of its air gap and moving the other shorted turn in a straight line or rotatable manner through the other gap, the device works like a magnetic bridge as usual, but with half the sensitivity. The particular embodiment described gives a considerably reduced reactive voltage component in the 0 position, reduces harmonic voltage in the signal in the 0 position because of the more uniform secondary magnetic circuit and simplifies the mechanical construction considerably. In addition, precise dimensioning of the magnetic cores is not required. Patent claims:

1. Electromagnetic device for converting a rotating or linear movement into an electrical voltage, with a primary magnetic core with at least one field coil, with a separate secondary magnetic core with at least one output coil, which is connected to the

Primary magnetic core forms a pair of opposing air gaps, and with a short-circuit winding which surrounds part of the separate secondary magnetic core and to which the movement to be converted is transmitted, characterized in that the short-circuit winding (17) in one of the air gaps (15) and a second short-circuit winding ( 17) is provided in the other air gap (15) in such a way that a magnetic bridge is formed in which the magnetic impedances of the air gaps (A, B, C, D) on opposite sides of the short-circuit windings form the four impedances for the bridge arms, while the output coils (14) lie in the null branch of the bridge and the field coils are fed in the other diagonal.

2. Device according to claim 1, characterized in that the primary core (10) has a substantially C shape with widely spaced poles and the secondary core (12) in the gap (15, 15) between the poles and has several arms which run parallel to one another in a plane in which the two poles lie and which is essentially perpendicular to the general plane of C.

3. Device according to claim 2, characterized in that the secondary core (12) has three arms which are magnetically connected to one another at their ends by bridge parts of the secondary core (12) and of which the middle (13) the output coil or coils (14 ) while the two outer ones limit the air gaps (15, 15) to the poles of the primary core.

4. Device according to claim 3, characterized in that at least one of the short-circuit windings (17) is pivotably mounted about an axis of rotation which is perpendicular through the center of the central arm (13) of the secondary core (12), through the center of the air gap (15, 15) between the poles of the primary core (10) and in the plane of the C of the primary core (10) .

5. Device according to claim 4, characterized in that two short-circuit windings (17) are pivotably mounted in the same direction about the axis of rotation.

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least two output coils (14) are connected in series and in phase.

7. Device according to claim 3 to 6, characterized in that the secondary core (12) is made up of layers, each of which has a gap at one end of its central part (13) , and that the gaps of successive layers alternately on the one and the other side.

Considered publications:
German patent specification No. 510116.

1 sheet of drawings

709 688/176 11.67 0 BundesdruckereiBerlin709 688/176 11.67 0 BundesdruckereiBerlin