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Vorrichtung zur Messung der Torsionsbeanspruchung in einer
Welle aus magnetostriktivem Material
Es ist bekannt, dass man die Magnetostriktion in einer Welle aus ferromagnetischem Werkstoff zur Bestimmung der Torsionsbeanspruchung in der Welle ausnützen kann. Bei einer bekannten Vorrichtung wird die Messung mittels zweier mit Wicklungen versehener Magnetkerne durchgeführt, die in der Wellenfläche magnetische Felder erzeugen, deren Richtungen mit den Richtungen der mechanischen Hauptspannungeli zusammenfallen. Wenn die Welle einer Torsionsbeanspruchung ausgesetzt wird, wird die Permeabilität in der Richtung der einen Hauptspannung erhöht und in der Richtung der ändern vermindert, was eine Veränderung in den Induktanzen der Wicklungen zur Folge hat. Diese Induktanzveränderung ist ein Mass der Torsionsbeanspruchung in der Welle und wird mittels einer Messbrücke gemessen.
Da der grössere Teil der Reluktanz im Luftspalt liegt, hat dieses Messverfahren indessen den Nachteil, dass es eine sehr genau Messbrücke erfordert und sehr empfindlich für Variationen im Luftspalt ist.
Es ist auch bekannt, bei einer Anordnung nach dem oben beschriebenen Prinzip nur einen als ein Ring ausgeführten und die Welle umschliessenden Magnetring zu verwenden, der mit mehreren zueinander parallelen Polreihen und zwei wechselstromgespeisten Wicklungen derart versehen ist, dass die beiden Wicklungen in der Wellenfläche zwei magnetische Flüsse erzeugen, deren Richtungen mit den Richtungen der mechanischen Hauptspannungen zusammenfallen.
Bei einem ändern bekannten Messverfahren, das sich auf den magnetostriktiven Eigenschaften der Welle gründet, wird die Messung mittels zweier einander kreuzender Magnetkreise ausgeführt, deren Polflächen an der Wellenfläche liegen. Der eine Magnetkreis wird mit Wechselstrom magnetisiert und der andere arbeitet als Messgerät. Wenn die Welle einer Torsionsbeanspruchung ausgesetzt wird, entsteht ein Streufluss, der eine Spannung in einer Wicklung induziert, die den messenden Magnetkreis umgibt. Diese Spannung wird als Mass der Torsionsbeanspruchung verwendet. Dieses Verfahren hat indessen den Nachteil, dass Inhomogenitäten und unregelmässige Anisotropien in der Welle Variationen in der abgegebenen Spannung der Vorrichtung verursachen, wenn die Welle rotiert.
Um diese unerwünschten Spannungsvariationen klein zu halten, muss die Basisfläche der Messvorrichtung so gross sein, dass die Fehler in dem Wellenwerkstoff nur einen kleinen Teil der aktiven Wellenfläche beeinflussen. Die Basisfläche der Messvorrichtung muss indessen im wesentlichen gleichseitig sein, was zur Folge hat, dass ihre axiale Ausdehnung gross wird.
Dies ist indessen nachteilig, da normalerweise nur kleine axiale Räume zur Verfügung stehen.
Die vorliegende Erfindung ist grundsätzlich eine Verbesserung der letztgenannten Messvorrichtung.
Durch die Erfindung ist es indessen möglich, die axiale Ausdehnung der Messvorrichtung klein zu halten und eine von Unregelmässigkeiten in der Welle und dem Wellenmaterial weniger abhängige Messung zu erhalten. Die vorliegende Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei im wesentlichen gleiche Magnetkerne enthält, die entweder ähnlich Statorkernen als ringförmige Magnetjoche mit mindestens je zwei einwärtsgerichteten, ausgeprägten Polen ausgeführt sind und die ganz oder teilweise die Welle umschliessen, derart, dass die Pole bis nahe an die Wellenfläche heranreichen, oder ähnlich Rotorkernen mit mindestens je zwei auswärtsgerichteten, ausgeprägten Polen ausgeführt und in eine axiale Bohrung in der Welle eingeführt sind, derart,
dass die Pole bis nahe an die innere Fläche der Bohrung heranreichen und dass die Magnetkerne nebeneinander in der Richtung der Welle angeordnet
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und gegenseitig im wesentlichen um einen halben Polschritt gedreht sind, wobei der eine Kern mit einer Magnetisierungswicklung versehen ist, die an einer Wechselstromquelle angeschlossen ist, und der andere Kern mit einer Messwicklung versehen ist, die an einem elektrischen Messgerät angeschlossen ist.
Gemäss der Erfindung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, deren axiale Ausdehnung sehr klein ist und die in hohem Grad unempfindlich für Inhomogenitäten und lokale Beanspruchungskonzentrationen in der Welle ist.
Eine Vorrichtung mit nur zwei Kernen ist indessen magnetisch unsymmetrisch, weshalb sie von den bei der Rotation der Welle entstehenden Wirbelströmen und von eventueller Hysteresis des Wellenwerkstoffes beeinflusst wird. Um diese Störungen zu eliminieren, wird nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung die Anordnung zweckmässig mit drei im wesentlichen gleichen Magnetkernen versehen, die nebeneinander in der Richtung der Welle angeordnet sind, und zwei Gruppen von Wiclüungen aufweisen, von welchen die eine auf dem in der Mitte liegenden Kern und die andere auf den beiden andern Kernen angeordnet ist,
wobei der in der Mitte liegende Kern gegenüber den beiden ändern Kernen im wesentlichen um einen halben Polschritt gedreht ist und die eine Wicklungsgruppe als Magnetisierungswicklung dient und an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist und die andere Wicklungsgruppe als Messwicklung dient und an ein elektrisches Messgerät angeschlossen ist.
Nach der Erfindung dient die auf dem in der Mitte liegenden Kern angeordnete Wicklungsgruppe als Magnetisierungswicklung und die auf den beiden andern Kernen angeordnete Wicklungsgruppe als Messwicldung.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Fig. 1 der Zeichnung zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung der Erfindung mit zwei ringförmigen statorähnlichen Magnetkernen. Fig. 2 zeigt einen Horizontalschnitt der Vorrichtung nach Fig. l. Fig. 3 stellt ein Schaltbild der Messvorrichtung nach den Fig. 1 und 2 dar. Fig. 4 zeigt die Wellenfläche unter den Polen der Messvorrichtung nach den Fig. l, 2 und 3, mit den eingezeichneten Polen und den mechanischen Hauptspannungen in der Wellenfläche. Fig. 5 zeigt eine Ausführung der Erfindung mit zwei rotorähnlichen Kernen zur Messung innerhalb einer Hohlwelle. Fig. 6 zeigt einen Horizontalschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung mit drei ringförmigen statorähnlichen Kernen.
Fig. 7 zeigt ein Schaltbild für die Messvorrichtung nach Fig. 6 und Fig. 8 zeigt die Wellenfläche unter den Polen der Messvorrichtung nach den Fig. 6 und 7.
Einander entsprechende Teile der Figuren sind mit denselben Bezeichnungen versehen.
In Fig. 1 und 2 bezeichnet 9 eine Welle, deren Torsionsbeanspruchung gemessen werdensoll. Die Wel- le 9 wird von zwei lamellierten ringförmigen Magnetjochen 10 und 20 umschlossen, die mit Polen 11-14 bzw. 21-24 versehen sind, die gegen die Welle gerichtet sind und in einem Meinen Abstand von dieser liegen. Die Pole 11-14 bzw. 21-24 sind mit Wicklungen 15-18 bzw. 25-28 versehen. Die Vorrichtung ist also zwei Statoren mit ausgeprägten Polen ähnlich. Die Wicklungen 15-18 des Magnetkernes 10 sind in Reihen- oder Parallelschaltung an eine Wechselstromquelle angeschlossen und haben abwechselnde Aufwickelrichtungen, so dass die Pole 11-14 abwechselnde magnetische Polaritäten erhalten. Die Wicklungen 25-28 des Magnetkernes 20 sind in ähnlicher Weise an ein elektrisches Messgerät, in dem gezeigten Fall einem Messinstrument, angeschlossen.
Das Schaltbild der Messvorrichtung ist in Fig. 3 dargestellt, in welcher die Wechselstromquelle mit 40 und das Messgerät mit 41 bezeichnet ist.
Die beiden Magnetjoche 10 und 20 sind in einem kleinen axialen Abstand voneinander fest angeordnet und sind im Verhältnis zueinander um einen halben Polschritt gedreht. Die Pole 11-14 und 21-24 der Magnetjoche 10 und 20 haben also die in Fig. 4 dargestellte gegenseitige Placierung.
Die Pole 11-14 haben abwechselnde Polaritäten und erzeugen paarweise, kongruente magnetische Felder in der Wellenfläche, solange die Welle 9 keiner Beanspruchung ausgesetzt ist. Da die Pole 21-24 um einen halben Polschritt im Verhältnis zu den Polen 11-14 gedreht sind, liegen sie über Punkten mit demselben magnetischen Potential. Folglich fliesst kein magnetischer Fluss von der Welle 9 durch den Kern 20, und keine Spannung wird folglich in den Wicklungen 25-28 induziert.
Wenn die Welle 9 einer Torsionsbeanspruchung ausgesetzt ist, können die mechanischen Spannungen in der Welle in zwei zueinander senkrechte Hauptspannungen a und -0 aufgeteilt werden, deren Richtungen einen Winkel von 450 gegen die Mittelachse der Welle bilden. Die Hauptspannungen a und -0 sind in Fig. 4 eingezeichnet. Wegen der magnetostriktiven Eigenschaften des Wellenwerkstoffes wird die Permeabilität in der Wellenfläche in Richtung der einen Hauptspannung o erhöht und in Richtung der andern Hauptspannung-o vermindert.
Dies hat zur Folge, dass das magnetische Feld von dem Magnetjoch 10 derart verdreht wird, dass die magnetische Potentialdifferenz zwischen den Polpaaren 12, 22 ; 13, 23 ; 14, 24 ; 11,21 vermindert wird und zwischen den Polpaaren 11, 22 ; 12, 23 ; 13,24, 14,25 erhöht wird.
Die Pole 21-24 des Joches 20 werden folglich über Punkten mit ungleichen magnetischen Potentialen zu
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liegen kommen, so dass ein magnetischer Fluss durch die Pole 21-24 fliesst und eine Spannung in den entsprechenden Wicklungen 25-28 induziert, was zur Folge hat, dass ein Strom durch das Messinstrument 41 fliesst. Von dem Messinstrument 41 aus gesehen, hat eine Torsionsbeanspruchung in der Welle folglich dieselbe Wirkung wie eine Drehung des Joches 20 im Verhältnis zu dem Joch 10. Innerhalb des Arbeitsbereiches der Vorrichtung ist der Ausschlag des Instrumentes 41 proportional der Torsionsbeanspruchung in der Welle 9.
Aus der Zeichnung geht hervor, dass der Messvorrichtung nach der Erfindung eine sehr kleine axiale Ausdehnung gegeben werden kann, obwohl sie die Welle ganz umschliesst. Da alle mechanischen Beanspru- chungen innerhalb eines geschlossenen ringförmigen Teiles der Wellenfläche an der Messung ständig teilnehmen, bleiben kleinere Inhomogenitäten und Beanspruchskonzentrationen innerhalb der Messzone, wenn die Welle rotiert, weshalb ihre schädliche Einwirkung auf die Messung viel kleiner wird als bei bisher be- kannten Messvorrichtungen. Die Messvorrichtung nach der Erfindung hat ausserdem eine sehr einfache und dauerhafte mechanische Konstruktion.
Wenn die Welle 9 eine Hohlwelle ist, können die Torsionsbeanspruchungen auch von der inneren Flä- che der Welle gemessen werden. Zu diesem Zweck wird die oben beschriebene, stator ähnliche Vorrichtung durch eine rotorähnliche Messvorrichtung entsprechender Ausführung und Wirkungsweise ersetzt. Eine solche Vorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt, wo die Bezeichnungen von Fig. 1-4 mit Indizes versehen sind.
Da die oben beschriebene Anordnung mit zwei Kernen magnetisch unsymmetrisch ist, wird eine nicht wünschenswerte Einwirkung von u. a. der Hysteresis der Welle und von Wirbelströmen erhalten, wenn die Welle rotiert. Diese Einwirkung kann vermieden werden, wenn die Vorrichtung mit drei Kernen versehen wird, wie Fig. 6,7 und 8 darstellen, und dabei symmetrisch wird.
Fig. 6 zeigt drei statorförmige Joche 10,20 und 30, die die Welle umschliessen. Diese Magnetjoche 10,20, 30 sind mit je vier Polen 11-14,21-24 bzw. 31-34 versehen. Die Pole 11-14,21-24, 31-34 lie- gen in einem kleinen Abstand von der Welle und sind mit Wicklungen 15-18. 25-28 bzw. 35-38 versehen. Die Wicklungen 15-18 des Magnetjoche 10 sind in Reihen- oder Parallelschaltung an einer Wech- selstromquelle angeschlossen und haben abwechselnde Aufwickelrichtungen, so dass die Pole 11-14 abwechselnde magnetische Polaritäten bekommen. Die Wicklungen 25-28 des Magnetjoches 20 und 35-38 des Magnetjoche 30 sind in ähnlicher Weise an einem Messgerät angeschlossen. Das Schaltbild der Vorrichtung ist in Fig. 7 dargestellt, in welcher die Wechselstromquelle mit 40 und das Messinstrument mit 41 bezeichnet ist.
Die Magnetjoche 10,20, 30 liegen in einem kleinen axialen Abstand voneinander und sind so angeordnet, dass die Magnetjoche 20 und 30 um einen halben Polschritt im Verhältnis zu dem Joch 10 gedreht sind. Die gegenseitige Placierung der Pole ist in Fig. 8 dargestellt.
. Die Vorrichtung nach Fig. 6, 7 und 8 arbeitet grundsätzlich in derselben Weise wie die in Fig. l, 2, 3 und 4 dargestellte. Wenn die Welle keiner Beanspruchung ausgesetzt wird, liegen die Pole 21-24 und 31 bis 34 über Punkten mit demselben magnetischen Potential, weshalb kein magnetischer Fluss durch die Magnetjoche 20 und 30 fliesst und folglich keine Spannung in den Wicklungen 25-28 und 35-38 induziert wird.
Wenn die Welle einer Torsionsbeanspruchung ausgesetzt ist, wird das magnetische Feld des Magnetjoches 10 wegen der auftretenden mechanischen Spannungen o und -a und der magnetostriktiven Eigen-
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magnetischem Potential liegen, so dass ein Fluss durch die Pole fliesst und eine Spannung in den Wicklungen 25-28 und 35-38 induziert, was zur Folge hat, dass ein Strom durch das Messinstrument 41 getrieben wird. Innerhalb des Arbeitsbereiches der Vorrichtung ist der Ausschlag des Instrumentes 41 proportional der Torsionsbeanspruchung in der Welle 9, wenn die Magnetisierung der Pole 11-14 zweckmässig ist.
Eine Vorrichtung mit drei Magnetjoche kann natürlich auch nach Fig. 5 mit rotorähnlichen Jochen ausgeführt werden, die dazu vorgesehen sind, in eine Hohlwelle eingeführt zu werden.
Die in der Zeichnung dargestellten Formen der Erfindung sind besonders zweckmässig, aber viele andere ähnliche Ausführungsformen der Erfindung sind auch möglich. Zum Beispiel ist es nicht erforderlich, dass die Magnetjoche die ganze Welle umschliessen, sondern die Messung kann auch mittels eines Segmentes der Joche ausgeführt werden unter der Voraussetzung, dass das Segment des Joches 10 mindestens drei Pole hat und die Segmente der Joche 20 bzw. 30 mindestens je zwei Pole haben. Natürlich können die Magnetjoche geteilt sein, um die Montage zu erleichtern. Die Spulenzahl kann auch variiert werden, ohne dass die Wirkungsweise der Vorrichtung verändert wird.
Weiter ist es in der in Fig. 6 dargestellten
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Ausführungsform möglich, die beiden äusseren Magnetjoche'zu magnetisieren und das in der Mitte liegende Magnetjoch als messendes Joch zu verwenden, wodurch u. a. der Vorteil ereicht wird, dass die Messpole gegen äussere störende Magnetfelder geschützt werden.
Um die Vorrichtung unempfindlich gegen äussere magnetische Felder, Eisenmassen usw. zu machen, wird sie zweckmässig mit einem magnetischen Schirm umgeben.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Messung der Torsionsbeanspruchung in einer Welle aus magnetostriktivem Material, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei im wesentlichen gleiche Magnetkerne enthält, die entweder ähnlich Statorkernen als ringförmige Magnetjoche (10,20) mit mindestens je zwei einwärtsgerichteten, ausgeprägten Polen (11-14 bzw.
21-24) ausgeführt sind und die ganz oder teilweise die Wel-
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Fläche der Bohrung heranreichen und dass die Magnetkerne (10,20) nebeneinander in der Richtung der Welle (9) angeordnet und gegenseitig im wesentlichen um einen halben Polschritt gedreht sind, wobei der eine Kern (10) mit einer Magnetisierungswicklung (15,16, 17, 18) versehen ist, die an einer Wechselstromquelle (40) angeschlossen ist, und der andere Kern (20) mit einer Messwicklung (25,26, 27,28) versehen ist, die an einem elektrischen Messgerät (41) angeschlossen ist.