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Die Erfindung bezieht sich auf einen
Extruder gemäss
dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit einer Antriebseinheit, in der
ein Motor mit einem Getriebe gekoppelt ist, sowie mindestens einer
sich in einem Prozessraum erstreckenden und mit Bearbeitungselementen
bestückten
Extruderwelle, die sich um ihre Achse drehen kann, wobei das Getriebe
mindestens eine Abtriebswelle aufweist, mit der mindestens einen
Weile in einem Verbindungsbereich drehfest verbunden ist.
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Bei der Prozessführung mittels eines Extruders
ist neben der Drehzahl der Extruderwellen auch deren Drehmoment
ein wichtiger Prozessparameter. Die Erfassung des Drehmoments zusammen
mit der Drehzahl erfolgt üblicherweise
am Motor und gibt Aufschluss über
das mittels der Getriebe-Eingangswelle in das Getriebe eingeleitete
Drehmoment, das zusammen mit der Drehzahl der Getriebe-Eingangswelle
die vom Getriebe aufgenommene mechanische Leistung bestimmt. Diese
beiden Parameter werden zusammen mit weiteren Prozessparametern,
wie Temperatur- und Druckverlauf des Produktes im Extruder, zur
Steuerung oder Regelung des Extruderprozesses herangezogen.
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Während
die Drehzahl der Extruderwellen im Extruder-Prozessraum über die
bekannten Übersetzungsverhältnisse
zwischen der Getriebe-Eingangswelle und den jeweiligen Getriebe-Abtriebswellen einfach
berechnet werden können,
ist dies für
die von den jeweiligen Extruderwellen im Extruder-Prozessraum in
das Produkt eingetragenen Drehmomente nicht der Fall. Einerseits
ist der Getriebeverlust nicht immer bekannt, und andererseits weiss
man nie genau, wie sich die gesamte Getriebe-Ausgangsleistung auf
die verschiedenen Extruderwellen eines Mehrwellenextruders im Betrieb
verteilt. Dies ist aber für
die Prozessüberwachung
wichtig.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde einen Extruder der eingangs genannten Art bereitzustellen,
der diese Unzulänglichkeiten
beseitigt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Extruder
gemäss
Anspruch 1 gelöst,
der gegenüber
dem eingangs beschriebenen Extruder dadurch gekennzeichnet ist,
dass dem Verbindungsbereich zwischen der Getriebe-Abtriebswelle
und der Extruderwelle eine Drehmoment-Erfassungseinheit zur berührungslosen
Erfassung des über
die Getriebe-Abtriebswelle
und den Verbindungsbereich auf die Extruderwelle übertragbaren
Drehmoments zugeordnet ist.
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Somit lässt sich das tatsächliche
Drehmoment der Extruderwelle bzw. der Extruderwellen im Produkt
nach dem Getriebe bestimmen. Eine starke Schwankung des Drehmoments
bei jeder einzelnen der Extruderwellen oder zwischen den jeweiligen Drehmomenten
der verschiedenen Extruderwellen bei jeweils konstanten Drehzahlen
der Extruderwellen bzw. der Getriebe-Eingangswelle oder des Motors
ist z.B. ein Indiz für
Inhomogenitäten
des Produktes oder eine schlechte Vermischung des Produktes während des
Prozesses. Die Erfindung ermöglicht nun
eine genaue Kenntnis des zeitlichen Verlaufs des Drehmoments sämtlicher
Extruderwellen eines Mehrwellenextruders.
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Bei einer bevorzugten Ausführung weist
die Drehmoment-Erfassungseinheit die folgenden Elemente auf:
- – ein
magneto-elastisches Element mit einer Magnetisierung, in dessen
Umgebung ein durch die Magnetisierung erzeugtes Magnetfeld vorhanden ist,
wobei das magneto-elastische Element zumindest mit der Getriebe-Abtriebswelle,
dem Verbindungsbereich oder dem getriebeseitigen Ende der Extruderwelle
kraftschlüssig
verbunden ist; und
- – einen
Magnetfeld-Sensor in der Umgebung des magneto-elastischen Elements,
der Änderungen des
Magnetfeldes des magneto-elastischen Elements erfassen kann.
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Durch die kraftschlüssige Verbindung
zwischen dem magneto-elastischen Element und der Getriebe-Abtriebswelle
treten in dem magneto-elastischen Element Materialspannungen auf,
die zu einer Veränderung,
insbesondere einer Richtungsänderung
seiner Magnetisierung führen.
Dadurch ändert sich
auch das Magnetfeld in der Umgebung des magneto-elastischen Elements.
Diese Änderung
des Magnetfeldes, die vom Magnetfeld-Sensor erfasst wird, ist eine
Funktion des von der Getriebe-Abtriebswelle übertragenen Drehmoments. Der
Magnetfeld-Sensor lässt
sich somit zu einem berührungslos arbeitenden
Drehmoment-Sensor kalibrieren.
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Zweckmässigerweise sind mindestens
zwei Teilbereiche des magneto-elastischen Elements mit einem Teilabschnitt
der Getriebe-Abtriebswelle, des Verbindungsbereichs oder dem getriebeseitigen Ende
der Extruderwelle kraftschlüssig
verbunden. Dies reicht aus, um eine Materialspannung auf das magneto-elastische
Element zu übertragen,
die eine Funktion des am Teilabschnitt anliegenden Drehmoments ist.
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Vorzugsweise ist das magneto-elastische Element
ein mindestens auf einem Teilbereich der Getriebe-Abtriebswelle,
des Verbindungsbereichs oder dem getriebeseitigen Ende der Extruderwelle drehfest
angebrachter magneto-elastischer Zylindermantel, wobei das zylindermantelförmige magneto-elastische
Element insbesondere eine axiale und/oder eine entlang der Umfangsrichtung
ausgerichtete Magnetisierung aufweist. Die Magnetfeld-Sensoren können dann
so angeordnet werden, dass sie durch das Drehmoment verursachte Änderungen
der Richtung und/oder des Betrags des Magnetfeldes in der Umgebung
des magneto-elastischen Zylindermantels erfassen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung weist
die Drehmoment-Erfassungseinheit die folgenden Elemente auf:
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- – ein
magneto-elastisches Element mit einer Magnetisierung, in dessen
Umgebung ein durch die Magnetisierung erzeugtes Magnetfeld vorhanden ist,
wobei das magneto-elastische Element zumindest durch einen magnetisierten
Teilabschnitt der Getriebe-Abtriebswelle, des Verbindungsbereichs
oder des getriebeseitigen Endes der Extruderwelle gebildet wird;
und
- – einen
Magnetfeld-Sensor in der Umgebung des magneto-elastischen Elements,
der Änderungen des
Magnetfeldes des magneto-elastischen Elements erfassen kann.
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Beim Einwirken der durch ein Drehmoment verursachten
Materialspannungen auf die magnetisierten Teilabschnitte der Getriebe-Abtriebswelle, des
Verbindungsbereichs oder des getriebeseitigen Endes der Extruderwelle
führen
die in diesen magnetoelastischen Teilabschnitten herrschenden Materialspannungen
zu einer Veränderung,
insbesondere einer Richtungsänderung
der Magnetisierung, wodurch sich auch das Magnetfeld in der Umgebung ändert. Wie
schon weiter oben erläutert,
ist diese Änderung
des Magnetfeldes, die vom Magnetfeld-Sensor erfasst wird, ist eine
Funktion des von der Getriebe-Abtriebswelle übertragenen Drehmoments. Der Magnetfeld-Sensor
lässt sich
somit auch hier zu einem berührungslos
arbeitenden Drehmoment-Sensor kalibrieren.
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Vorzugsweise wird das magneto-elastische Element
durch mindestens einen axialen Teilbereich der Getriebe-Abtriebswelle,
des Verbindungsbereichs oder des getriebeseitigen Endes gebildet.
Bei einer axialen Magnetisierung tritt dann unter dem Einfluss eines
auf den axialen Teilbereich einwirkenden Drehmoments bei dem Magnetfeld
der Umgebung eine tangentiale Komponente entlang der Umfangsrichtung
auf. Durch einen geeignet ausgerichteten Magnetfeld-Sensor kann
diese Komponente als Mass für
das Drehmoment erfasst werden.
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Zweckmässigerweise ist bei dem magneto-elastischen
Element in mindestens einem axialen Teilbereich der Getriebe-Abtriebswelle,
des Verbindungsbereichs oder dem getriebeseitigen Ende der Extruderwelle
ein zylindermantelförmiger
Bereich magnetisiert. Mittels eines in diesem axialen Teilbereich
platzierten Magnetfeld-Sensors kann dann während einer gesamten Wellenumdrehung
ein kontinuierliches Signal erfasst werden, das eine Funktion des
zeitlichen Drehmomentverlaufs ist und über eine Kalibrierung zu einer
kontinuierlichen Drehmomentanzeige in Echtzeit verwendet werden
kann.
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Der zylindermantelförmige magnetisierte
Bereich des magneto-elastischen Elements kann eine axiale Magnetisierung
und/oder eine entlang der Umfangsrichtung um die Achse ausgerichtete
tangentiale Magnetisierung aufweisen. Es können aber auch abwechselnd
axial und tangential magnetisierte zylindermantelförmige Bereiche
aufeinanderfolgen, denen jeweils ein geeignet ausgerichteter Magnetfeld-Sensor
zugeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich mehrere verschiedene
und voneinander weitgehend unab hängige
Erfassungen desselben Drehmoments an einer Extruderwelle durchführen. Durch derartige
oder ähnliche
Kombinationen magnetisierter axialer Teilbereiche mit ihnen jeweils
zugeordneten passend ausgerichteten Magnetfeld-Sensoren lassen sich
durch Mittelung der jeweils erfassten Signale letztendlich Störungen (z.B.
durch Störfelder weiterer
bewegter magnetischer Maschinenteile oder durch Elektromotoren)
der empfindlichen Magnetfeldmessungen weitgehend kompensieren.
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Bei einer besonders vorteilhaften
Ausführung
ist das magneto-elastische Element ein permanent magnetisiertes
Kupplungsstück,
vorzugsweise mit axialer Magnetisierung, das zwischen dem Ende einer
Getriebe-Abtriebswelle und dem getriebeseitigen Ende einer Extruderwelle
eine drehfeste Verbindung herstellt. Dies ermöglicht einen leichten Ein- und
Ausbau der magneto-elastischen Elemente, falls diese nach einer
vorgegebenen Betriebsdauer eine "Auffrischung" der Magnetisierung
benötigen.
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Der Magnetfeld-Sensor ist vorzugsweise eine
Hall-Sonde, deren kompakte und robuste Bauweise sich für die "harten" Bedingungen der
Extruderwellen-Umgebung eignet. Mit ihr können sowohl absolute Magnetfeld-Werte
als auch Magnetfeld-Änderungen
gemessen werden.
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Der Magnetfeld-Sensor kann auch ein
magnetorestriktives Material aufweisen, und zwar vorzugsweise eine
mit einem magnetorestriktivem Material beschichtete Glasfaser. Derartige
magnetorestriktive Glasfaser-Sensoren ermöglichen die Erfassung extrem
kleiner Magnetfeld-Änderungen.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung weist
der Magnetfeld-Sensor einen Abstandshalter auf, über den er gegen die Oberfläche des
magneto-elastischen Elements gedrückt wird. Durch den Abstandshalter
wird gewährleistet,
dass der Magnetfeld-Sensor stets dieselbe Entfernung von der Oberfläche des
magnetisierten elastischen Materials aufweist. Dies ist wichtig,
da das Magnetfeld ausserhalb des magnetoelastischen Materials mit
zunehmendem Abstand von der Oberfläche sehr stark abnimmt.
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Da die erfindungsgemässe Drehmoment-Erfassungseinheit
mit ihrem magnetoelastischen Element und ihrem Magnetfeld-Sensor
sehr kompakt ist, eignet sie sich vorzüglich für Mehrwellenextruder, insbesondere
Zweiwellenextruder und Ringextruder, bei denen jeder Extruderwelle
eine Drehmoment-Erfassungseinheit zugeordnet werden kann.
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Da die erfindungsgemässe Drehmoment-Erfassung
auch eine sehr kurze Ansprechzeit hat, eignet sie sich auch zur
Absicherung eines Extruders gegen Überlastung, wobei eine individuelle Überwachung
jeder Extruderwelle gegen Überlastung
ermöglicht
wird. Ein Notstopp des Extruders erfolgt somit wirklich nur dann,
wenn an einer der Extruderwellen eine kritische Drehmomentspitze
auftritt. Bei der bisher üblichen
Erfassung des Drehmoments (zusammen mit Drehzahl) zwischen Motor
und Getriebe konnte keine Information über die Drehmomente in den
einzelnen Extruderwellen gewonnen werden, so dass insbesondere nicht
zwischen einem tatsächlichen
kritischen Zustand (Überlastung
einer der Extruderwellen) und einem nur scheinbaren kritischen Zustand
(starke Belastung mehrerer Extruderwellen, aber keine Überlastung
einer einzelnen Extruderwelle) unterschiedne werden konnte. Die
erfindungsgemässe
Drehmoment-Erfassung
ermöglicht
eine deutliche Verringerung solcher "blinder Alarme". Ein Notstopp wird praktisch nur noch
dann ausgelöst,
wenn eine tatsächliche
Gefährdung
eine Extruderwelle auftritt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines
nicht einschränkend
aufzufassenden Ausführungsbeispiels der
Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnung, wobei:
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1 eine
schematische Ansicht eines erfindungsgemässen Extruders zeigt; und
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2 einen
Ausschnitt von 1 vergrössert zeigt.
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Die in 1 gezeigte
Zweiwellenextruder-Anordnung besitzt einen Motor 1, ein
Getriebe 3, ein Extrudergehäuse 10, sowie zwei
Extruderwellen 8, 9, die in einen Prozessraum
im Innern des Extrudergehäuses 10 ragen
und in diesem gelagert sind. Das Getriebe 3 wird über eine
Getriebe-Antriebswelle (Eingangswelle) 2 durch den Motor 1 an getrieben. Die
erste Extruderwelle 8 und die zweite Extruderwelle 9 sind über ein
erstes Kupplungsstück 6 bzw.
ein zweites Kupplungsstück 7 mit
einer ersten Getriebe-Abtriebswelle
(Ausgangswelle) 4 bzw. einer zweiten Getriebe-Abtriebswelle
(Ausgangswelle) 5 drehfest verbunden.
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Wie die Wellen 4, 5, 8 und 9 bestehen
auch die beiden Kupplungsstücke 6, 7 aus
Stahl. Im Gegensatz zu den anderen Wellen wurden die beiden Kupplungsstücke 6, 7 aber
vor ihrem Einbau in die Extruderanordnung ausreichend stark magnetisiert, dass
sie eine permanente axiale Magnetisierung besitzen und ein permanentes
Magnetfeld in ihrer Umgebung erzeugen. Sowohl die axiale Magnetisierung der
Kupplungsstücke 6, 7 als
auch das von ihnen erzeugte Magnetfeld sind rotationssymmetrisch.
Das Magnetfeld gleicht dem eines Stabmagneten.
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Die auf diese Weise magnetisierten
Kupplungsstücke 6, 7 bilden
jeweils ein magnetoelastisches Element, dessen Magnetisierung jeweils
durch mechanische Materialspannungen reversibel verändert werden
kann. Im vorliegenden Falle der axial magnetisierten zylindrischen
Kupplungsstücke,
die Massiv- oder Hohlzylinder sein können, wird durch ein axiales
Drehmoment eine Materialspannung in den beiden Kupplungsstücken erzeugt,
die eine geringfügige
Richtungsänderung
der axialen Magnetisierung, d.h. eine leichte Drehung der axialen
Magnetisierung des unbelasteten Zustands bewirkt, so dass neben
einer axialen Komponente auch eine tangentiale Komponente der Magnetisierung
in den beiden Kupplungsstücken 6, 7 vorliegt.
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Durch diese Änderung des Vektors der Magnetisierung
erfährt
auch das die Kupplungsstücke 6, 7 umgebende
Magnetfeld in jedem Punkt eine Änderung
des Magnetfeld-Vektors.
Diese Änderungen
des Magnetfelds zerstören
jedoch nicht die Rotationssymmetrie des Magnetfeldes.
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Dicht an der zylindermantelförmigen Oberfläche der
beiden Kupplungsstücke 6, 7 ist
jeweils ein erster Magnetfeldsensor 11 und ein zweiter
Magnetfeld-Sensor 12 ortsfest angeordnet (und mit einer nicht
gezeigten Befestigungsvorrichtung an einem Fixpunkt der Extruderanordnung
befestigt), um das Magnetfeld in der Nähe der Oberfläche des
ersten bzw. des zweiten Kupplungsstücks 6, 7 zu
erfassen. Der Abstand zwischen der Oberfläche und dem Magnetfeldsensor
beträgt
etwa 0,1 bis 0,5 mm. Von den beiden Magnetfeld-Sensoren 11, 12 führt eine
elektrische Leitung 13 bzw. 14 weg, um das aufgrund
eines Magnetfeldes oder einer Magnetfeld-Änderung erzeugte elektrische
Signal zur weiteren Verarbeitung (Verstärken, Filtern) abzuführen.
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Wird nun die Extruderanordnung in
Betrieb gesetzt und ein Produkt in den Prozessraum (über nicht
gezeigte Eingangs- und Ausgangsöffnungen des
Extrudergehäuses)
ins Innere des Extrudergehäuses 10 gebracht,
so wird über
die Kupplungsstücke 6, 7 jeweils
ein Drehmoment von den Getriebe-Abtriebswellen 4, 5 auf
die Extruderwellen 8, 9 übertragen. Die durch das Drehmoment
verursachte Magnetfeld-Änderung
wird von den Magnetfeld-Sensoren 11, 12 jeweils
erfasst. Da entlang der gesamten Umfangsrichtung die axiale "Ruhe-Magnetisierung" gleich stark und
die durch das Drehmoment hervorgerufene Materialspannung in den
Kupplungsstücken 6, 7 ebenfalls
entlang der Umfangsrichtung konstant ist, ist auch die vektorielle
Magnetfeld-Änderung
entlang einer kreisförmigen,
zur Achse der Kupplungsstücke 6, 7 konzentrischen
Umlaufbahn einheitlich.
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Die beiden Magnetfeld-Sensoren 11, 12 erfassen
nun die momentane Magnetfeld-Änderung, die
eine Funktion des an den Kupplungsstücken 6, 7 momentan
anliegenden Drehmoments ist. Sowohl statische Drehmomente bei blockierten
Extruderwellen 8, 9 als auch dynamische Drehmomente
bei sich drehenden und (physikalisch) arbeitenden Extruderwellen
können
so erfasst werden.
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Durch das magneto-elastische Kupplungsstück 6 oder 7 und
den Magnetfeldsensor 11 bzw. 12 wird somit für jede der
Extruderwellen 8 bzw. 9 eine individuelle Drehmoment-Erfassungseinheit
gebildet, die eine Drehmoment-Erfassung für jede der Extruderwellen 8, 9 in
Echtzeit ermöglicht.
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Der in 2 gezeigte
vergrösserte
Ausschnitt zeigt eine der beiden Drehmoment-Erfassungseinheiten 6, 11 von 1, bei der zusätzlich zwei
Abstandshalter 11a, 11b am Gehäuse des Magnetfeld-Sensors 11 angebracht
sind. Der Sensor 11 wird durch eine (nicht gezeigte) Befestigungsvorrichtung
gehalten und mit einer geringen Anpresskraft gegen die Oberfläche 6a des
Kupplungsstücks 6 gedrückt. Dadurch
wird ein konstanter Abstand zwischen dem Sensor 11 und
der Oberfläche 6a gewährleistet.
Diese, auch für
Extruder, insbesondere Mehrwellenextruder wie Ringextruder, geeignete
kompakte Drehmoment-Erfassungseinheit mit "schwimmendem" Magnetfeld-Sensor 11 verhindert
Messwert-Verfälschungen
am Sensor 11, die durch ungewollte Veränderungen des Abstands zwischen
dem Sensor 11 und der Oberfläche 6a des magnetoelastischen
Kupplungsstücks 6 entstehen
würden
(unrunder Lauf der Kupplungsstücke).
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Alternativ oder ergänzend können periodische
Störungen
der Sensor-Ausgangssignale auch durch elektronische Filter, Glättung oder
dgl. beseitigt werden, bevor sie für die Anzeige oder Aufzeichnung des
zeitlichen Drehmoment-Verkaufs der individuellen Extruderwellen
verwendet werden.
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Periodische Störungen durch zyklisch wiederkehrende
Abstandsschwankungen zwischen dem Sensor 11 und der Oberfläche 6a des
Kupplungsstücks 6 können aber
auch zur Drehzahlmessung der jeweiligen Extruderwelle herangezogen
werden.
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Anstelle der in 1 und 2 gezeigten magnetisierten
gesonderten Kupplungsstücke 6, 7, die über kraftschlüssige drehfeste
Verbindungen ein Drehmoment erfahren, können aber auch gewisse Teilbereiche
der Getriebe-Abtriebswellen 4, 5 und/oder der
Extruderwellen 8, 9 magnetisiert werden. Anstelle
der Drehmoment-Erfassungseinheiten 6, 11 oder 7, 12 der 1 erhält man dann Drehmoment-Erfassungseinheiten,
die aus dem magnetisierten Teilbereich, über den Drehmoment übertragen wird,
und einem ihm zugeordneten Magnetfeld-Sensor bestehen.
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- 1
- Motor
- 2
- Getriebe-Antriebswelle
(Eingangswelle)
- 3
- Getriebe
- 4
- erste
Getriebe-Abtriebswelle (Ausgangswelle)
- 5
- zweite
Getriebe-Abtriebswelle (Ausgangswelle)
- 6
- erstes
Kupplungsstück
(magneto-elastisches Element)
- 7
- zweites
Kupplungsstück
(magneto-elastisches Element)
- 8
- erste
Extruderwelle
- 9
- zweite
Extruderwelle
- 10
- Extrudergehäuse
- 11
- erster
Magnetfeld-Sensor
- 12
- zweiter
Magnetfeld-Sensor
- 13
- erste
Signalleitung
- 14
- zweite
Signalleitung
- 6a
- Oberfläche des
Kupplungsstücks
- 11a
- erster
Abstandshalter
- 11b
- zweiter
Abstandshalter