Ein Drehmelder, manchmal als Drehmeldetransformator, Drehfeldgeber oder teilweise mit den englischen Namen (ein Kofferwort aus und ) oder Synchro bezeichnet, ist eine elektrische Maschine, deren Ausgangsspannung von der angelegten Stützspannung sowie vom Drehwinkel zwischen Rotor und Stator abhängig ist. Die Kombination zweier oder mehrerer, räumlich getrennter und nur elektrisch verbundener Drehmelder dient in Folgesystemen zur elektrischen Winkelübertragung und als induktiv arbeitendes Messinstrument für den Drehwinkel, für ein Drehmoment oder eine Winkeldifferenz.
Ein Drehmeldegeber setzt die Verdrehung des Rotors in eine elektrisch mess- und übertragbare Größe um; ein Drehmeldeempfänger wandelt diese elektrische Größe in eine mechanische Größe zurück. Aus dem Ausgangssignal lässt sich ein Geschwindigkeitssignal ableiten. Die Drehbewegung am Drehmeldeempfänger ist zu der Verdrehung am Drehmeldegeber synchron, so als wären die Achsen beider Drehmelder mechanisch (zum Beispiel mit einer biegsamen Welle) miteinander verbunden.
Drehmelder sehen aus wie kleine zylindrische Motoren mit einem Durchmesser von 1,5 cm bis 15 cm. Die Verbindung mit elektrischen Leitungen ist flexibler als eine mechanische Verbindung. Es lassen sich jedoch nur relativ geringe Drehmomente übertragen, was durch eine äußere Beschaltung mit Verstärkern und Servomotoren verbessert werden kann.
Geschichte mini|Prinzip eines Gleichstrom-Drehmelders, Vorläufer des Drehmelders nach dem Induktionsprinzip: Der schwarze Kreis besteht aus einer Widerstandsschicht.
Der erste dokumentierte Einsatz von Drehmeldesystemen mit Drehmeldegeber und -empfänger war 1914/1915 an den Schleusen des Panamakanals zur Übertragung von Torverriegelungen, Ventilstellungen und Wasserständen.United States. Panama Canal Commission (Hrsg.): ’Slave’ Motors. In: The Panama Canal Review. Vol. 13, No. 12, 1963, S. 17 (online, abgerufen am 25. Mai 2013). Diese ersten Systeme arbeiteten mit Gleichstrom und verwendeten ein spezielles präzises Potentiometer, dessen Widerstandsschicht oder Wicklung aus Widerstandsdraht durchgehend kreisförmig mit mehreren Anzapfungen aufgebaut war. Der Schleifer hatte zwei diametral angebrachte untereinander isolierte Kontakte und konnte anschlagsfrei auf der Widerstandsschicht gedreht werden. Der Schleifer übertrug eine Gleichspannung auf die Widerstandsschicht. An den Anzapfungen konnte je nach Winkelstellung des Schleifers eine Gleichspannung mit einem für diese Winkelstellung spezifischen Wert abgegriffen werden. Auf der Drehmeldeempfängerseite wurde entweder ein Permanentmagnet bewegt oder als Regelkreis ein gleiches Potentiometer durch einen Gleichstrommotor bewegt, bis die Spannungsdifferenzen zwischen Drehmeldegeber und Drehmeldeempfänger Null waren. Diese Gleichstromdrehmelder waren nur für einfache Anwendungen nutzbar.F. Postlethwaite: Review of Remote Indicating Systems for Aircraft Instruments. Ministry of Supply, Aeronautical Research Council Reports and Memoranda, London 1945, S. 10 u. 22 (Figure 9) (PDF; 2,6 MB, abgerufen am 16. Januar 2013).
Leutnant William R. Furlong hatte auf seinen Studienreisen in Europa Regelkreise mit Drehmeldern gesehen und wollte das Prinzip zur Steuerung von Waffensystemen verwenden. Zusammen mit dem Ingenieur Edward Hewlett entwickelten er von 1918 bis 1920 für die Firma General Electric Wechselstrom-Drehmelder, die nach dem Induktionsprinzip arbeiten. Sie waren für den vorgesehenen Zweck einer Waffensteuerung sehr viel genauer als die bis dahin bekannten Gleichstromsysteme. Diese neuen Systeme kamen in den Schlachtschiffen Colorado und Maryland zum Einsatz.David A. Mindell: Between Human and Machine. Feedback, Control, and Computing before Cybernetics. Johns Hopkins University Press, 2004, ISBN 0-8018-8057-2, S. 76 f. (eingeschränkte Vorschau). Die Gleichstromdrehmelder verloren danach ihre Bedeutung als Winkelgeber.
Die in der Firma General Electric entwickelten Drehmeldesysteme für Fernsteuerzwecke wurden mit dem Markenzeichen Selsyn® benannt. Dieser Name war unglücklich gewählt, da er ebenfalls für das Fernsteuerprinzip mit den motorgesteuerten Potentiometern vergeben wurde. Dieses System wurde zwischenzeitlich DC-Selsyn genannt, da es mit Gleichstrom arbeitet; zur Abgrenzung dazu wurde das induktive Drehmeldersystem dann AC-Selsyn oder induktiver Drehmelder bezeichnet. Die in der Avionik engagierte Firma Kollsman nutzte für ihr Drehmeldesystem den Namen Teletorque, die Pioneer Instrument Division of Bendix Corporation, nannte ihre Geräte Autosyn. Erst ab 1944 setzte sich der durch die Firma Sperry Gyroscope genutzte Name Synchro einheitlich für alle Drehmelder (außer für die Resolver) durch, da diese Bezeichnung in der amerikanischen Marine verwendet wurde, die zu diesem Zeitpunkt ein Hauptnutzer des Systems war.L. R. Fink: Position Control. In: General Electric Review. Vol. 47, No. 12, December 1944, S. 40.C. F. Savage: Influence of Electricity on Aircraft Instrumentation. In: Electrical Engineering. November 1944, S. 802. Weitere historische Namen waren Telesyn, Synchrotel und Synchrotie.
Die General Electric Company verwendete ihr Drehmeldesystem in vielen ferngesteuerten Anwendungen, zum Beispiel für die Lichtsteuerung im Theater im Rockefeller Center in New York. Das dort 1922 installierte System ermöglichte zusätzlich den Abruf einer Anzahl voreingestellter Sequenzen.E. M. Hewlett: The Selsyn System of Position Indication. In: General Electric Review. Vol. 24, No. 3, März 1921, S. 210–218. Die Firma Western Electric verwendete 1922 dieses System, um für die ersten Tonfilme die Aufnahmen von Kamera und Plattenspieler zu synchronisieren. Für die Filmaufnahmen zu dem in 3D-Technik produzierten Film I, the Jury im Jahre 1953 wurde durch Hannah Lee ein Drehmeldesystem genutzt, das mit einem Drehmeldegeber zwei Drehmeldeempfänger steuerte, um die Kameraschwenks beider Kameras zu synchronisieren.Ray Zone: 3-D Revolution. The History of Modern Stereoscopic Cinema. University Press of Kentucky, 2012, ISBN 978-0-8131-3611-0, S. 21.
Im Jahre 1942 wurde ein zweikanaliges Drehmeldesystem durch Robert F. Hays von der Firma Sperry Gyroscope entwickelt und patentiert. Als Schwellwertschalter für den Grobkanal benutzte er zwei antiparallel geschaltete Dioden. In Deutschland wurde in dem Radargerät Würzburg das mit Drehmeldern bestückte „Übertragungsgerät 37“ zur Steuerung von Flugabwehrkanonen genutzt und seit 1940 in Serie für die Geräte Würzburg D und Würzburg-Riese produziert. Die ungewöhnlich präzise Genauigkeit der Winkelmessung beim Würzburg-Riese wurde mit ±0,2 Grad angegeben.
Aufbau von induktiven Drehmeldern mini|hochkant=1.8|Innenschaltung verschiedener Bauformen von Drehmeldern:Oben dargestellt: die Rotoren der Drehmelder; unten dargestellt: deren Statoren;a) einfacher Drehmelder (Innenpolmaschine);b) einfacher Drehmelder (Außenpolmaschine);c) Differenzialdrehmelder;d) + e) Funktionsdrehmelder (Resolver);f) Schleifkontaktloser Drehmelder Drehmelder sind von ihrem Aufbau elektrische Wechselstrommaschinen geringer Leistung in hochpräziser Bauweise. Der Stator und der Rotor bestehen aus Paketen aus dünnem Elektroblech, deren einzelne Lagen gegenseitig isoliert gepackt werden. Eine solche Konstruktion bewirkt eine deutliche Verringerung der Wirbelstromverluste. Zur Gewährleistung der erforderlichen Genauigkeit ist die Präzision bei der Schichtung der Blechpakete, bei der Wicklungsausführung und bei den Kugellagern wesentlich höher als bei normalen Wechselstrommaschinen. Aufgrund dieser hohen Anforderungen werden Drehmelder einer jeweiligen Bauart in mehreren Genauigkeitsklassen angeboten. Drehmelder mit drei um 120° versetzten Wicklungen (Dreiphasensystem) werden teilweise mit ihren englischen Namen als Synchro oder Selsyn (englisches Kofferwort aus self und synchronizing) bezeichnet; Drehmelder mit einem um 90° versetzten Zweiphasensystem als Funktionsdrehmelder oder Resolver.
Rotor mini|hochkant=1.8|Schnitte unterschiedlicher Bauformen von DrehmelderrotorenI-förmig (mit nur einer Wicklung, meist für Drehmeldegeber);H-förmig (mit nur einer Wicklung, meist für Drehmeldeempfänger);Y-förmig (für drei Wicklungen, meist für Differenzialdrehmelder); Der Rotor ist im einfachsten Fall ein hantelförmiger Kern mit oft nur einer Wicklung, oder mit zwei Wicklungen, die in Reihe geschaltet sind. Die Polkanten sind abgerundet, damit sie nur einen schmalen Luftspalt zum Stator aufweisen. In das Rotorpaket ist eine Achse eingepresst, auf welcher die Schleifringe für die Stromzuführung zum Rotor, Kugellager sowie Zahnräder oder Skalenzeiger aufgesetzt sind. Die Rotorwicklungen sind gleichmäßig in die Nuten des Rotorkernprofils eingelegt. Die Breite der Polkanten kann mehr oder weniger ausgeprägt sein. Oft wird im Drehmeldeempfänger eine stärkere Ausprägung der Polkanten verwendet, als im Drehmeldegeber.Richard J. Bliss: Navy Electricity and Electronics Training Series; Module 15 – Principles of Synchros, Servos, and Gyros. Naval Education and Training Professional Development and Technology Center (Hrsg.), 1998 S. 1–10 u. 1–21 (; 1,6 MB, abgerufen am 5. Dezember 2012).
Wird mehr als eine Spule auf dem Rotor angebracht, muss der Kern entsprechend mehr Polkanten erhalten: bei Differenzialdrehmeldern bestehen die Wicklungen auf dem Rotor und dem Stator aus drei um 120° versetzten, zum Stern geschalteten Einphasenwicklungen. Bei Funktionsdrehmeldern kann die Anzahl der Wicklungen auf dem Rotor oder dem Stator abweichen, die entsprechend ihrer Funktion und Anzahl zum Beispiel um 90° verdreht entsprechend ihrer Funktion beschaltet werden. Die Rotoren werden über Schleifringe oder magnetisch getrennte Transformatorwicklungen elektrisch angeschlossen.
Für speziell als Drehmeldegeber konstruierte Drehmelder wird ein I-förmiger Rotorkern bevorzugt, da er eine genauere Positionierung ermöglicht. Für Drehmeldeempfänger wird mehr eine H-förmige Bauform verwendet. Diese Bauform verteilt die Größe des Drehmoments günstiger und verhindert ein Überschwingen oder Vibrieren um die Nullstelle herum. Eine weitere Möglichkeit solches Vibrieren zu unterdrücken besteht darin, dem Rotor möglichst viel Masse zu geben, um das Trägheitsmoment auszunutzen. Hierfür können am Rotor des Drehmeldeempfängers zusätzliche Gewichte montiert werden.
Stator Der Stator eines Drehmelders ist meist ein zylinderförmiger Körper, der den Rotor umschließt. Er enthält ebenfalls ein Blechpaket als Kern, auf welchen mindestens eine, jedoch meist drei in Dreieckschaltung oder Sternschaltung verknüpfte Spulen gewickelt sind. Eine isolierte Halterung für die Schleifkontakte überträgt die Spannungen auf den Rotor.
Die Wicklungen auf dem Stator können in mehrere Polpaare geteilt sein. Das entspricht einer elektrischen Übersetzung der Drehzahl dieses Drehmelders. Gleichzeitig entstehen dadurch mehrere Nullstellen, die bei Bedarf durch Überlagerung in einem Mehrkanal-Drehmeldesystem (siehe weiter unten) auf eine eindeutige Nullstelle reduziert werden müssen. Für eine hochgenaue Bestimmung einer Winkelposition wären jedoch 18 bis 36, im Einzelfall 648Richard J. Bliss: Navy Electricity and Electronics Training Series; Module 15 – Principles of Synchros, Servos, and Gyros. Naval Education and Training Professional Development and Technology Center (Hrsg.), 1998, S. 1–45 (; 1,6 MB, abgerufen am 5. Dezember 2012). Polpaare nötig. Diese hohe Anzahl von Wicklungen sind auf dem begrenzt zur Verfügung stehenden Raum nicht realisierbar, weshalb diese Mehrkanal-Drehmeldesysteme meist ein Präzisionsgetriebe verwenden. Drehmelder mit einer Vervielfachung von Polpaaren werden deshalb nur dort angewendet, wo entweder der Stator sehr große geometrische Maße erhalten kann oder wo nur eine geringe Zahl von Polpaaren ausreichend ist (zum Beispiel für ausschließliche Drehgeschwindigkeitsübertragung).
Funktionsweise