DE2725197A1

DE2725197A1 - Kreiselvorrichtung

Info

Publication number: DE2725197A1
Application number: DE19772725197
Authority: DE
Inventors: Alan Paul Liebing; James Norman Gallie Scott; Brian Richard Shackleton
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1976-06-08
Filing date: 1977-06-03
Publication date: 1977-12-22
Also published as: GB1520139A; US4217787A; FR2354537A1; JPS595844B2; DE2725197C2; JPS52149575A

Description

Patentanwälte Dipl. Ing. Hn r."-Jürgen Müller Dr. rer. rat. Thomas Bereadt Dr.-In-;. Haus Leyh

Lucile-Grahn-Siraße 38 D 8 Mönchen

Unser Zeichen: A 14 026 Lh/fi

Ferranti Limited

Hollinwood, Lancashire, England

Kreiselvorrichtung

7 0 9 H

7 7

- V-

Die Erfindung betrifft eine Kreiselvorrichtung, insbesondere eine Kreiselvorrichtung mit freiem Rotor.

Kreisel mit freiem Rotor, die einen relativ großen und schweren Rotor haben, der durch ein Universalgelenk mit einer Antriebswelle verbunden ist, die eine Relativschwenkung zwischen Rotor„und Welle erlaubt, sind bekannt. Wenn der Rotor mit hohen Drehzahlen gedreht wird, sucht er eine feste Orientierung im Raum einzunehmen und beizubehalten trotz der Bewegung der Antriebswelle um die beiden Achsen senkrecht zur Drehachse der Antriebswelle. Die Veränderung der relativen Positionen von Rotor und Antriebswelle können durch geeignete Aufnehmer gemessen werden in Form eines stetigen Signals für eine besondere relative Ausrichtung. Wenn dieses Signal eine bestimmte Ablenkung des Rotors von der Lage, in der er ir. einer Ebene senkrecht zur Drehachse ist, anzeigt, so wird diese Null-Position benützt und so eingestellt, daß der Aufnehmer einen Null-Ausgang abgibt. Dies macht es erforderlich, den Aufnehmer zu trimmen, ein Verfahren, das zeitraubend ist und teuere elektrische Komponenten erfordert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kreiselvorrichtung des Typs mit freiem Rotor zu schaffen, die einen einfachereren Aufnehmer als bisher aufweist.

Erfindungsgemäß ist hierzu eine Kreiselvorrichtung vorgesehen mit einer drehbaren Welle, einem Kardanbügel, der an der Welle durch eine biegsame Aufhängung befestigt ist, die eine begrenzte Drehung des Kardanbügels relativ zur Welle um eine Achse senkrecht zur Drehachse der Welle zuläßt, ein am Kardanbügel mit Hilfe einer biegsamen Aufhängung befestigter Rotor, die eine begrenzte Drehung des

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Rotors relativ zum Kardanbügel um eine Achse senkrecht zur Drehachse der Welle und zur Drehachse des Kardanbügels zuläßt, einer Aufnehmereinrichtung, die drehbar mit und im Abstand vom Kardanbügel angeordnet ist und auf Drehbewegungen des Kardanbügels um seine Aufhängeachse anspricht, um Ausgangssignale abzugeben, die den Richtungssinn und die Größe dieser Bewegungen angeben.

Vorzugsweise hat die Aufnehmereinrichtung leitende Bereiche, die auf jeder Seite des Kardanbügels angeordnet sind und an die eine Polarisations-Gleichspannung angelegt werden kann.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben, in der

Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht eines Kreisels zeigt. Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt des Kreisels nach Fig. 1. Fig. 3 zeigt eine Draufsicht in Richtung 3-3 von Fig. 2.

Fig. 4 zeigt eine Schaltung des Aufnehmers und des Polarisationskreises .
Fig. 5 zeigt eine Alternative zu Fig. 4. Nach Fig. 1 hat ein Kreisel gemäß der Erfindung einen ringförmigen Rotor 10, der um einen Durchmesser an einem Kardanbügel 11 schwenkbar angeordnet ist. Der Kardanbügel selbst ist drehbar um eine senkrechte Achse relativ zu einer Grundplatte 12, die auf einer drehbaren Welle 13 befestigt ist. Die Welle 13 ist in Lagern 14 gestützt und trägt den Rotor des Kreiselmotors, über und unter dem Kardanbügel sind obere und untere leitende Platten 16, 17, die entsprechend an der Grundplatte 12 befestigt und daher mit dieser und mit dem Kardanbügel 11 drehbar sind. Eine Abdeckung 18 ist an der

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Grundplatte 12 angebracht, um den Rotor 10 und den Kardanbügel 11 abzudecken, wobei das Gehäuse der Vorrichtung zweckmäßigerweise evakuiert und abgedichtet ist.

Jede der oberen leitenden Platten 16 ist mit der diametral gegenüberliegenden unteren Platte 17 verbunden und jedes Plattenpaar ist mit einem von zwei separaten Metallringen 19, 20 verbunden, die sich in Nuten 21 und 22 im Körper des Kreisels drehen. Die Nuten sind mit einem elektrisch leitenden Material ausgekleidet, das an die entsprechenden noch zu beschreibenden Schaltkreise angeschlossen ist.

Der Körper des Kreisels trägt ferner den Stator 23 des Kreiselmotors und einen Aufnehmer 24, der verwendet wird, um die Winkelposition der Welle 13 und des Kardans 11 anzuzeigen. Eine elektrische Verbindung zum Anlegen einer Polarisations-Gleichspannung erfolgt über eine Bürste 25 an die rotierende Einrichtung.

Fig. 2 und 3 zeigen den Aufbau der Hauptteile des Kreisels im Detail. Es werden, wo zweckmäßig, dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 benutzt.

Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, wird der Kardan 11 auf der Grundplatte 12 durch eine gekreuzte Federaufhängung 26 abgestützt, die es ermöglicht, daß der Kardan um die Achse (Fig. 3) schwenken kann. Eine gleiche oder ähnliche Aufhängung wird benutzt, um zwei Träger 28 für den Rotor 10 zu schaffen, die es ermöglichen, daß dieser sich um die Achse 29 relativ zum Kardan 11 dreht. Die oberen leitenden Platten 16 und die unteren leitenden Platten 17 sind mit leitenden metallischen Schichten versehen, die auf keramischen Platten abgelagert sind. Jede der unteren Platten ist über einen separaten Koppelkondensator CB getrennt an

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einen der Ringe 19 und 20 angeschlossen. Diese Ringe haben keinen Kontakt mit ihren entsprechenden Nuten 21 und 22, der elektrische Ausgang wird jedoch durch kapazitive Kopplung zwischen beiden übertragen.

Eine Polarisations-Gleichspannung wird über eine Verbindung 3O und zwei Speisewiderstände R an die beiden Paare von miteinander verbundenen leitenden Platten 16 und 17 angelegt. Außerdem sind die beiden oberen Platten über einen Bootstrap- Kondensator CF miteinander verbunden.

Fig. 4 zeigt die elektrischen Verbindungen und Komponenten des Kreisels. Der Rotor 10 und der Kardan 11 sind schematisch in einer verschobenen Position relativ zu den keramischen Platten dargestellt. Der Kardan 11 ist mit dem Körper des Kreisels verbunden (d.h. geerdet) über das Gelenk 26 und die Lager 14. Die Polarisations-Gleichspannung V kann über einen variablen Widerstand VR eingestellt werden und sie wird über die Speisewiderstände R an die miteinander verbundenen leitenden Platten 16 und 17 gelegt. Der Kondensator CF ist zwischen die oberen Bereiche geschaltet, wie dargestellt. Jedes Paar der miteinander verbundenen leitenden Platten ist über die Koppelkondensatoren CB an separate kapazitive Schleifringe angeschlossen, die in Fig. 4 durch Kondensatoren CS dargestellt sind. Die Schleifringe sind mit Pufferverstärkern A verbunden, deren Ausgänge an eine Differenzschaltung D gelegt sind, die einen Ausgang Vo abgibt.

Mechanisch arbeitet der Kreisel in bekannter Weise. Der Kreiselmotor dreht die Welle 13 und damit den Kardan, den Rotor und die zugehörigen Komponenten mit einer geeignet hohen Drehzahl. Der Rotor 10 sucht eine feste Orientierung im Raum einzunehmen und beizubehalten, weshalb jede Ver-

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Schiebung des Körpers des Kreisels den Kardan 11 veranlaßt, bei Drehung relativ zur Grundplatte 12 zu schwingen oder zu schwenken. Jedes Paar der leitenden Platten 16 und 17 bildet einen Kondensator mit dem geerdeten Kardan, der sich zwischen den Elektroden jedes Kondensators bewegt. Diese Kondensatoren werden durch die Polarisationsspannung V über die Widerstände R geladen, die einen hohen Wert haben, um zu verhindern, daß die Ladung auf den Kondensatoren durch die Widerstände abgeschwächt oder gedämpft wird. Die Koppelkondensatoren CB verhindern, daß die Polarisations-Gleichspannung an die Schleifringe gelegt wird. Wenn der Kardanbügel statisch relativ zu den leitenden Platten 16 und 17 ist, so gibt der Kreisel keinen elektrischen Ausgang ab, unabhängig von dessem wirklichen Abstand von den leitenden Platten. Wenn jedoch der Rotor versetzt (off-set) ist, schwingt der Kardan mit einer Frequenz gleich der Drehfrequenz der Welle 13. Der geerdete Kardan bewegt sich daher sinusförmig zwischen den Platten der Kondensatoren und erzeugt eine Wechselspannungs-Modulation der Polarisations-Gleichspannung. Die Ausgangsspannung Vo ist gegeben durch

Vo = θ cos wt + θ sind wt,
χ y

worin θ und θ die Winkelverschiebungen des Rotors um χ y

senkrechte Achsen relativ zum Gehäuse des Kreisels und w die Drehzahl bew. Spin-Rate ist. Dieses Signal kann in X und Y-Komponenten aufgelöst werden mit Hilfe eines Timing-Signals, das die Winkelposition der Welle angibt und vom Aufnehmer 24 erhalten wird.

Die oben beschriebene Aufnehmereinrichtung stellt die Schwingung des Kardans fest und erzeugt ein Wechselspannungssignal, das kapazitiv mit dem Xußeren des Kreisels bzw. nach außen gekoppelt werden kann. Dies ist vorteilhafter als die bisherigen Anordnungen, die eine stetige

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Verschiebung des Rotors abfühlen und eine Erreger-Wechselspannung benötigen, um den Ausgang von den drehenden Teilen des Kreisels abnehmen zu können. Das beschriebene Aufnehmesystem ist ferner unempfindlich gegen Anfangsfehler im Ort bzw. der Position des Kardans, weshalb solche Fehler nicht ausgetrimmt v/erden müssen. Ferner führen irgendwelche allmähliche Änderungen der Position der Teile nicht zu Fehlern.

Die Verwendung der Polarisations-Gleichspannung hat ferner den Vorteil, daß sie benutzt werden kann, um die Steifheit der Aufhängung 26, die den Kardan 11 abstützt, elektrostatisch zurückzubilden. Es ist bekannt, daß eine teilweise Aufhebung der Federsteifigkeit den Vorteil hat, daß eine relativ steife Feder einen schweren Rotor abstützen kann ohne das große Rückstellmoment, das eine solche Feder normalerweise ausübt. Es ist möglich, das Feder-Moment vollständig aufzuheben durch Einstellung der Stärke der Polarisations-Gleichspannung .

Der Kondensator CF gewährleistet, daß die gesamte elektrische Ladung im Kondensatorkreis konstant bleibt während eine Übertragung von Ladung von einer Seite des Kondensatorkreises auf die andere beim Schwingen des Kardans ermöglicht wird. Hierdurch wird eine Wechselspannungs-Modulation erzeugt. Der Kondensator CF gewährleistet ferner, daß die elektrostatische negative Federsteifigkeit durch kleine Änderungen der Spannung an den Aufnehmerkondensatoren, die durch die leitenden Platten 16 und 17 gebildet sind, nicht beeinflußt wird.

Wie bereits erwähnt, liegt der Ausgang des Aufnehmers vor in der Form

Vo = θ_χ cos wt + θ sin wt.

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Der Ausgang wird weiterverarbeitet, um die Winkelverschiebungen

θ und θ des Rotors relativ zum Kreiselgehäuse zu erhalten, χ y

Das Ausgangssignal kann unter Umständen unerwünschte Rauschkomponenten in vielfachen der Spin-Frequenz w erhalten und diese sollten wenn möglich unterdrückt werden. Der geeignetste Weg, nur die gewünschten Komponenten zu erhalten, liegt in der Verwendung von zwei dreistufigen, phasenempfindlichen Gleichrichtern, die auf die Rotor-Spin-Frequenz w eingestellt bzw. verriegelt sind und um 90° phasenverschoben sind.

Fig. 5 zeigt einen alternativen elektrischen Kreis zu demjenigen von Fig. 4, worin der Kardan 11 gegen die Grundplatte 12 isoliert ist und an ihn die Polarisationsspannung V angelegt ist. Die Koppelkondensatoren CB sind nicht langer erforderlich und daher weggelassen. Die Widerstände R sind an Erde gelegt, um einen Leckage-Widerstand zu bilden, um das Durchschnittspotential an den leitenden Platten auf derselben Höhe wie die Grundplatte zu halten.

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-JM-Leerseite

Claims

Patentansprüche

Kreiselvorrichtung, gekennzeichnet durch eine drehbare Welle, einem Kardanbügel, der an der Welle durch eine biegsame Aufhängung befestigt ist, die eine begrenzte Drehung des Kardans relativ zu der Welle um eine Achse senkrecht zur Spin-Achse der Welle zuläßt, einem Rotor, der am Kardan durch eine flexible Aufhängung befestigt ist, die eine begrenzte Drehung des Rotors relativ zum Kardanbügel um eine Achse senkrecht zur Spin-Achse des Kardanbügels zuläßt, einem Aufnehmer, der drehbar mit und im Abstand vom Kardanbügel angeordnet ist und der auf Drehbewegungen des Kardanbügels um seine Aufhängeachse anspricht, um Ausgangssignale zu liefern, die die Richtung und die Größe dieser Bewegungen angeben.
2. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Aufnehmer zwei Paare von elektrisch leitenden Platten aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten des Kardanbügels derart angeordnet sind, daß der Kardanbügel in begrenztem Maße frei zwischen jedem Plattenpaar beweglich ist wenn er um seine Aufhängeachse sich dreht, daß ferner eine elektrische Verbindung zwischen jeder Platte eines Paares und der entgegengesetzten Platte des anderen Paares vorgesehen ist und daß ein Kondensator zwischen die beiden miteinander verbundenen Plattenpaare geschaltet ist.
3. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Kardanbügel elektrisch mit der drehbaren Welle verbunden ist, daß zwei Speisewiderstände

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ORIGINAL INSPECTED

vorgesehen sind, die zwischen die entgegengesetzten Enden des Kondensators und eine Quelle einer Polarisationsgleichspannung geschaltet sind, und daß der Ausgang des Aufnehmers von den beiden miteinander verbundenen Plattenpaaren über Koppelkondensatoren erhalten wird.
4. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Kardanbügel elektrisch gegen die drehbare Welle isoliert ist und mit einer Quelle einer Polarisations-Gleichspannung verbunden ist, daß jedes Ende des Kondensators über einen Widerstand mit dieser Welle verbunden ist und daß der Ausgang des Aufnehmers direkt von den zwei miteinander verbundenen Plattenpaaren erhalten wird.
5. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch ein Paar kapazitiver Schleifringe, durch die der Ausgang des Aufnehmers von dem drehbaren Aufnehmer auf den Körper des Kreisels übertragen wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Einstellen der Polarisations-Gleichspannung, um wenigstens einen Teil des Drehmomentes, das durch die erstgenannte biegsame Aufhängung ausgeübt wird, aufzuheben.

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