DE10333396A1

DE10333396A1 - Drehmoment-Meßvorrichtung für Elektromotoren und Verfahren zur Messung des Drehmoments eines Elektromotors

Info

Publication number: DE10333396A1
Application number: DE10333396A
Authority: DE
Inventors: Hermann Flammer; Hubert Hauser; Norbert Irmer; Guido Schmid
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2023-07-17
Also published as: JP2005037391A; US7197946B2; DE10333396B4; US20050011289A1

Abstract

Es wird eine Drehmoment-Meßvorrichtung für Elektromotoren mit einem Rotor und einem Stator vorgeschlagen, bei der eine Halteeinrichtung zur drehfesten Fixierung des Stators vorgesehen ist, eine Wirbelstrombremsvorrichtung vorgesehen ist, über welche der Rotor bremsbar ist, und ein Drehmomentsensor vorgesehen ist, welcher mit der Wirbelstrombremsvorrichtung verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehmoment-Meßvorrichtung für Elektromotoren mit einem Rotor und einem Stator.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung des Drehmoment eines Elektromotors mit einem Stator und einem Rotor.
Das Drehmoment in Abhängigkeit der Drehzahl ist eine wichtige Kenngröße eines Elektromotors.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung und ein Meßverfahren bereitzustellen, mit der bzw. dem sich das Drehmoment in Abhängigkeit der Drehzahl auf einfache und genaue Weise ermitteln läßt.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Drehmoment-Meßvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Halteeinrichtung zur drehfesten Fixierung des Stators vorgesehen ist, eine Wirbelstrombremsvorrichtung, über welche der Rotor bremsbar ist, vorgesehen ist, und ein Drehmomentsensor vorgesehen ist, welcher mit der Wirbelstrombremsvorrichtung verbunden ist.

Mittels einer solchen Meßvorrichtung läßt sich auf einfache und genaue Weise das Drehmoment des Elektromotors in Abhängigkeit der Drehzahl des Rotors ermitteln. Der Rotor wird über Motorbetrieb in Rotation versetzt. Über die Wirbelstrombremsvorrichtung wird der Rotor abgebremst. Dadurch wiederum wird auf die Wirbelstrombremsvorrichtung eine Gegenkraft ausgeübt, die durch den Drehmomentsensor als Drehmoment meßbar ist. Das gemessene Drehmoment ist ein Maß für das Drehmoment des Elektromotors.

Das Drehmoment läßt sich über die Wirbelstrombremsvorrichtung berührungsfrei ermitteln, so daß externe Störeinflüsse minimierbar sind.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wirbelstrombremsvorrichtung eine erste Einrichtung umfaßt, welche an dem Rotor eines Elektromotor-Prüflings drehfest fixierbar ist, und eine beabstandete zweite Einrichtung umfaßt, welche mit dem Drehmomentsensor verbunden ist. Beispielsweise ist dabei die zweite Einrichtung magnetfelderzeugend und bei Rotation der ersten Einrichtung in dem Magnetfeld der zweiten Einrichtung werden in der ersten Einrichtung Wirbelströme induziert. Diese Verhältnisse können auch umgekehrt sein. Die Wirbelströme wiederum führen zu einer Abbremsung des Rotors und das entsprechende Gegenmoment läßt sich über den Drehmomentsensor messen. Die erste Einrichtung ist dabei so ausgebildet, daß sich in ihr genügend große Wirbelströme induzieren lassen, um so auch eine große Bremswirkung zu erzielen. Die erste Einrichtung bildet damit gewissermaßen eine Art von "Bremsscheibe" aus.

Wenn die erste Einrichtung und die zweite Einrichtung an ihrer jeweiligen der anderen Einrichtung zugewandten Oberfläche im wesentlichen eben ausgebildet sind, dann läßt sich eine große definierte Bremskraft erzielen, um so auf einfache und genaue Weise das Drehmoment des Elektromotors in Abhängigkeit der Drehzahl messen zu können.

In diesem Zusammenhang ist es dann günstig, wenn die erste Einrichtung an der der zweiten Einrichtung zugewandten Seite einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Entsprechend kann die zweite Einrichtung an der der ersten Einrichtung zugewandten Seite einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Dadurch läßt sich eine optimale Bremsfunktion erzielen.

Ferner günstig ist es, wenn die erste Einrichtung und die zweite Einrichtung koaxial ausgerichtet sind und insbesondere koaxial zu einer Motordrehachse ausgerichtet sind. Dadurch ist ein entsprechender Achsversatz minimiert, und das Drehmoment des Elektromotors läßt sich mit hoher Genauigkeit ermitteln.

Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn der Drehmomentsensor und die zweite Einrichtung koaxial ausgerichtet sind.

Günstig ist es, wenn die Wirbelstrombremsvorrichtung eine magnetfelderzeugende Einrichtung und eine korrespondierende Einrichtung aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweist, in welcher Wirbelströme induzierbar sind. Eine dieser Einrichtungen rotiert mit dem Rotor. Es werden dann Wirbelströme induziert, die zu einer Abbremsung des Rotors führen, wobei die entsprechende Gegenkraft wiederum auf die andere Einrichtung wirkt. Über den Drehmomentsensor ist die Gegenkraft als Gegendrehmoment meßbar.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die magnetfelderzeugende Einrichtung mit dem Drehmomentsensor verbunden ist. Üblicherweise hat die magnetfelderzeugende Einrichtung eine höhere Masse als die Einrichtung, in der Wirbelströme induziert werden. Die mit dem Rotor rotierende Einrichtung läßt sich dann aus einem Leichtmetall wie beispielsweise Aluminium herstellen, da für eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit gesorgt werden muß.

Es ist ferner günstig, wenn das Material, in welchem die Wirbelströme induziert werden, unmagnetisch ist. Bevorzugt wird Kupfer oder Aluminium verwendet.

Grundsätzlich ist es möglich, daß die magnetfelderzeugende Einrichtung Elektromagnete umfaßt. Konstruktiv besonders einfach ist es, wenn die magnetfelderzeugende Einrichtung mit einem oder mehreren Dauermagneten versehen ist. Dadurch läßt sich auf einfache Weise ein Magnetfeld erzeugen, wobei bei der Rotation der ersten Einrichtung in diesem Magnetfeld in der ersten Einrichtung Wirbelströme erzeugt werden. Bei dem oder den Dauermagneten handelt es sich insbesondere um Multipolmagnete. Die Dauermagnete weisen vorzugsweise eine hohe Remanenz auf; dadurch erhält man eine hohe Feldstärke und damit wiederum eine hohe Bremswirkung.

Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn die magnetfelderzeugende Einrichtung aus einem magnetisch leitfähigen Material hergestellt ist oder Bereiche aus einem Material mit magnetischer Leitfähigkeit umfaßt. Beispielsweise sind Eisenbereiche vorgesehen. Dadurch läßt sich der Feldverlauf gezielt einstellen und es lassen sich Feldlinien so bündeln, daß eine hohe Feldbeaufschlagung der ersten Einrichtung erreicht wird, was wiederum zu einem starken Bremseffekt führt.

Es kann vorgesehen sein, daß die magnetfelderzeugende Einrichtung mehrscheibig ausgebildet ist, d. h. eine Mehrzahl von Scheiben umfaßt, welche mit einem oder mehreren Magneten versehen sind. Die Scheiben können dabei unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Auf diese Weise läßt sich gezielt der Feldverlauf einstellen.

Die erste Einrichtung läßt sich auf einfache Weise an dem Rotor zur Rotationsmitnahme fixieren, wenn sie mit einem Spannfutter versehen ist. Über das Spannfutter läßt sich dann die erste Einrichtung beispielsweise an einer Rotornabe fixieren. Insbesondere ist dabei eine Öffnungsweite des Spannfutters einstellbar, so daß die entsprechende erste Einrichtung für eine Vielzahl von Motortypen verwendbar ist.

Günstigerweise ist ein Drehzahlsensor zur Erfassung der Drehzahl des Rotors vorgesehen, um so ein direktes Meßresultat für die Drehzahl zu erhalten. Daraus wiederum kann dann auf reproduzierbare Weise das Drehmoment in Abhängigkeit der Drehzahl bestimmt werden.

Es ist auch günstig, wenn ein Positionssensor zur Erfassung der Winkelposition des Rotors vorgesehen ist, so daß auch die Winkelposition des Rotors bei der Messung bekannt ist. Grundsätzlich ist es dabei möglich, einen Drehzahlsensor und Winkelsensor integriert auszubilden, indem beispielsweise eine Codierscheibe mit entsprechender Codierung vorgesehen ist und ein oder eine Mehrzahl von Sensoren zur Auslesung dieses Codes. Bei entsprechender Codierung läßt sich die Geschwindigkeitsinformation (d. h. die Drehzahl) und die Ortsinformation (d. h. die Winkelposition) bestimmen.

Die Drehzahl und/oder Winkelposition läßt sich auf einfache Weise ermitteln, wenn die erste Einrichtung mit einer Drehzahlcodierung und/oder Winkelpositionscodierung versehen ist. Es müssen dann insbesondere keine zusätzlichen Codierscheiben vorgesehen werden, wodurch wiederum die Luftreibung für die erste Einrichtung minimiert ist.

Es ist auch grundsätzlich möglich, daß an der ersten Einrichtung eine Codierscheibe als Geber angeordnet ist, über welche sich Drehzahl und/oder Winkelposition ermitteln läßt. Der Drehmomentsensor ist bezüglich der Halteeinrichtung fest angeordnet und insbesondere drehfest angeordnet. Dadurch läßt sich über das gemessene Drehmoment das Drehmoment des Elektromotors bestimmen.

Günstig ist es, wenn der Abstand zwischen der ersten Einrichtung und der zweiten Einrichtung einstellbar ist. Dadurch läßt sich die Magnetfeldbeaufschlagung der ersten Einrichtung einstellen. Insbesondere wird diese erhöht, wenn die zweite Einrichtung näher an die erste Einrichtung herangeführt wird. Dadurch wiederum läßt sich der Abbremseffekt einstellen. Dies kann beispielsweise dazu genützt werden, um ausgehend von einer definierten Drehzahl den Rotor stärker abzubremsen und dabei das Drehmoment zu bestimmen, welches für eine solche Abbremsung notwendig ist.

Die eingangs genannte Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Messung des Drehmoments eines Elektromotors mit einem Rotor und einem Stator erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stator drehfest gehalten wird, der Rotor durch Motorbetrieb in Rotationsbewegung versetzt wird, der Rotor über eine Wirbelstrombremsvorrichtung abgebremst wird und an der Wirbelstrombremsvorrichtung das resultierende Drehmoment gemessen wird.

Es kann dabei vorgesehen sein, daß der Rotor zuerst in Rotationsbewegung insbesondere mit definierter Drehzahl versetzt wird und dann der Bremsvorgang eingeleitet wird oder bereits während des Hochfahrens des Motors eine Bremskraft wirkt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich an der erfindungsgemäßen Drehmoment-Meßvorrichtung durchführen. Es weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung erläuterten Vorteile auf.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung erläutert.

Insbesondere ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Drehzahl des Rotors gemessen wird, um so einen definierten Meßwert für die Drehzahl zu haben.

Es kann zusätzlich oder alternativ auch vorgesehen sein, daß die Position des Rotors gemessen wird.

Zur Messung des Drehmoments wird der Rotor ausgehend von einer definierten Drehzahl abgebremst. Der Rotor wird dazu mit der definierten Drehzahl gedreht und elektromotorisch dabei insbesondere ungeregelt angetrieben. Durch Verringerung des Abstands zwischen einer magnetfelderzeugenden Einrichtung und einer Einrichtung, in welcher Wirbelströme induziert werden, wird die Bremswirkung, die auf den angetriebenen Rotor ausgeübt wird, erhöht.

In Abhängigkeit des Abstands wird der Rotor auf eine definierte Drehzahl (ungleich Null) abgebremst. In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, den Rotor mit einer bestimmten Drehzahl im ungeregelten Motorbetrieb drehen zu lassen, wobei gleichzeitig die Bremswirkung der Wirbelstrombremsvorrichtung vorliegt. Auf diese Weise läßt sich das Drehmoment als Funktion der Drehzahl bestimmen. Die definierte Drehzahl ist dabei durch eine Ausgangsdrehzahl bestimmt (diejenige Drehzahl, die vorliegen würde, wenn keine Bremswirkung vorhanden wäre) und die Stärke der Bremswirkung.

Die Stärke der Bremswirkung kann insbesondere dadurch eingestellt werden, daß der Abstand zwischen einer magnetfelderzeugenden Einrichtung der Wirbelstrombremsvorrichtung und einer korrespondierenden Einrichtung, in der Wirbelströme induziert werden, eingestellt wird. Ein Ziel der Einstellung kann es sein, eine optimierte Bremswirkung zu erzielen.

Insbesondere wird die Einrichtung, in der Wirbelströme induziert werden, vorzugsweise drehfest mit dem Rotor verbunden. Diese Einrichtung läßt sich aus einem Leichtmetall wie Aluminium fertigen, da sie insbesondere nicht aus einem magnetisch leitfähigen Material hergestellt ist.

Günstigerweise wird die Feldstärke und/oder der Feldverlauf für eine magnetfelderzeugende Einrichtung der Wirbelstrombremsvorrichtung in Relation zu der Einrichtung, in der Wirbelströme induziert werden, eingestellt. Dadurch läßt sich ein gewünschter Bremseffekt erzielen. Grundsätzlich ist es möglich, die Feldstärke und den Feldverlauf dadurch zu ändern, daß die magnetfelderzeugende Einrichtung auf die erste Einrichtung zu bewegt wird. Dadurch nimmt die Feldstärke an der ersten Einrichtung zu. Es ist aber auch möglich, daß die Magnetfelderzeugung an der magnetfelderzeugenden Einrichtung selber steuerbar ist, beispielsweise indem steuerbare Elektromagneten vorgesehen sind. Die Einstellmöglichkeiten über den Abstand und die direkte Magnetfeldsteuerung sind auch kombinierbar.

Günstig ist es, wenn zusätzlich zum Drehmoment gleichzeitig weitere Motorparameter wie ein Motorstrom, ein Gesamtstrom, welcher sich aus einem Motorstrom und einem Strom an einer Motoransteuerungsschaltung zusammensetzt, gemessen wird.

Das Drehmoment des Elektromotors in Abhängigkeit der Drehzahl läßt sich mit großer Genauigkeit bestimmen, wenn das gemessene Drehmoment um einen Luftreibungsanteil einer mit dem Rotor mitdrehenden Einrichtung korrigiert wird. Der Rotor muß diese Einrichtung mit antreiben. Aufgrund Luftreibung ist dazu ein gewisses (extrinsisches) Drehmoment notwendig. Durch Abziehen des entsprechenden Luftreibungsmoments läßt sich eine entsprechende Korrektur durchführen.

Insbesondere wird das Luftreibungsmoment der mit dem Rotor drehenden Einrichtung als Funktion der Drehzahl ermittelt und die Ergebnisse werden in einer Datenbank abgespeichert. Dadurch erhält man eine Art von Kalibrierfunktion, so daß bei der eigentlichen Messung an einem Elektromotor-Prüfling die entsprechenden Luftreibungsmomente abgezogen werden können, um so einen genauen Wert für das Drehmoment des Elektromotors in Abhängigkeit von der Drehzahl zu erhalten.

Die nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung.

Die einzige 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drehmoment-Meßvorrichtung.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drehmoment-Meßvorrichtung, welche in 1 gezeigt und dort als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt eine Halteeinrichtung 12 zum Halten eines Elektromotors 14 als Prüfling. Der Elektromotor 14 umfaßt dabei einen Stator 16 und einen Rotor 18, welcher relativ zu dem Stator 16 rotieren kann. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Rotor 18 eine Rotornabe 20 (hub) auf.
Die Halteeinrichtung 12 dient zur drehfesten Fixierung des Stators 16. Sie umfaßt beispielsweise eine Halteplatte 22, an welcher der Stator 16 über Befestigungsmittel wie Halteklammern 24 oder dergleichen drehfest fixiert ist.
Es kann vorgesehen sein, daß die Halteplatte 22 luftgelagert ist, um den Elektromotor 14 möglichst vibrationsarm zu lagern.
Erfindungsgemäß ist eine als Ganzes mit 26 bezeichnete Wirbelstrombremsvorrichtung vorgesehen. Diese umfaßt als erste Einrichtung 28 ein scheibenförmiges Element 30 aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Aluminium, so daß in diesem scheibenförmigen Element 30 Wirbelströme induzierbar sind. Das scheibenförmige Element 30 ist dabei aus einem magnetisch nicht leitfähigen Material (unmagnetischen Material) hergestellt.
Das scheibenförmige Element 30 ist drehfest an dem Rotor 18 fixierbar, beispielsweise über ein Spannfutter 32, durch welches die Rotornabe 20 umgreifbar ist und welches mit der Rotornabe 20 verklemmbar ist. Eine Öffnungsweite des Spannfutters 32 ist vorzugsweise einstellbar.
Das scheibenförmige Element 30 weist vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf mit einer ebenen Oberfläche 34.
Das scheibenförmige Element 30 ist symmetrisch zu einer zentralen Achse ausgebildet. Das scheibenförmige Element 30 ist so auf den Rotor 18 aufgesetzt, daß diese zentrale Achse koaxial zu einer Rotorachse 36 liegt. Diese Rotorachse 36 ist die Drehachse des Elektromotors 14.
Die erste Einrichtung 28 wird drehfest mit dem Rotor 18 verbunden, und der Rotor 18 wird durch Motorbetrieb in Rotationsbewegung versetzt. Die Drehzahl des Rotors 18 wird über einen Drehzahlsensor gemessen. Bei dem Drehzahlsensor kann es sich um einen Encoder handeln, welcher beispielsweise einen optischen Sensor umfaßt. Beispielsweise ist dazu das scheibenförmige Element 30 als Codierscheibe ausgebildet, welche an oder in der Nähe ihres Umfangrands mit Codiersymbolen 38 versehen ist. Über die Vorbeibewegung solcher Codiersymbole 38 an dem Encoder kann die Drehzahl ermittelt werden. Bei entsprechender Ausgestaltung der Codiersymbole 38 ist es auch möglich, wenn entsprechend eine Mehrzahl von optischen Sensoren vorgesehen sind oder ein optischer Sensor vorgesehen ist, der einen Winkelbereich überwachen kann, die Winkelposition der ersten Einrichtung 28 zu ermitteln.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, daß die erste Einrichtung 28 eine getrennte Codierscheibe 40 umfaßt, welche drehfest bezüglich des scheibenförmigen Elements 30 angeordnet ist und sich mit dem Rotor 18 dreht. Die Codierscheibe 40 ist mit Codiersymbolen versehen, welche an einem oder mehreren entsprechenden Drehzahlsensoren 42 vorbeibewegt werden, wenn der Rotor 18 rotiert. Daraus wiederum kann dann die Drehzahl des Rotors 18 ermittelt werden und gegebenenfalls dessen Winkelposition.
Die Wirbelstrombremsvorrichtung 26 umfaßt ferner eine der ersten Einrichtung 28 gegenüberliegende zweite Einrichtung 44, welche als magnetfelderzeugende Einrichtung ausgebildet ist. Dies zweite Einrichtung 44 ist koaxial zur Rotorachse 36 ausgerichtet. Sie umfaßt ein oder mehrere Scheibenelemente 46, welche aus einem magnetisch leitfähigen Material wie Eisen hergestellt sind oder zumindest Bereiche aus einem solchen Material aufweisen. Das Scheibenelement 46 ist mit Magneten 48 versehen, bei denen es sich grundsätzlich um Elektromagnete oder Dauermagnete handeln kann. Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von Multipol-Dauermagneten vorgesehen.
Das Scheibenelement 46 weist eine im wesentlichen ebene Oberfläche 50 auf, welche dem scheibenförmigen Element 30 zugewandt ist. Das Scheibenelement 46 und das scheibenförmige Element 30 sind bei einer Drehmomentmessung beabstandet zueinander positioniert, wobei die Oberflächen 34 und 50 im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.
Grundsätzlich kann die zweite Einrichtung 44 mehrere Scheibenelemente 46 umfassen, welche mit Magneten 48 bestückt sind. Es ist dabei möglich, daß die Scheibenelemente dann auch einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen.
Das Scheibenelement 46 weist vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt mindestens an seiner Oberfläche 50 auf.
Es kann vorgesehen sein, daß mindestens an der Oberfläche 50 der Durchmesser des Scheibenelements 46 im wesentlichen dem Durchmesser des scheibenförmigen Elements 30 an der Oberfläche 34 entspricht.
An das Scheibenelement 46 ist ein Drehmomentsensor 52 gekoppelt, welcher bezüglich der Halteplatte 22 drehfest gehalten ist. Der Drehmomentsensor 52 ist dabei mit einer Achse 54 koaxial zu dem Scheibenelement 46 orientiert. Das Scheibenelement 46 wiederum ist mit seiner Symmetrieachse koaxial zur Rotorachse 36 positioniert.
Zum Haften des Drehmomentsensors 52 und damit der zweiten Einrichtung 44 ist eine Halteeinrichtung 56 vorgesehen. Es ist dabei grundsätzlich möglich, daß der Drehmomentsensor 52 in einer Richtung längs seiner Achse 54 feststellbar verschieblich an der Halteeinrichtung 56 gehalten ist, so daß der Abstand zwischen dem scheibenförmigen Element 30 und dem Scheibenelement 46 einstellbar ist. Beispielsweise umfaßt dazu die Halteeinrichtung 56 einen oder mehrere Führungsschuhe 58, welche längs einer Führung 60 feststellbar verschieblich sind.
Zur Ansteuerung des Elektromotors 14 ist eine Motoransteuerungsschaltung 62 vorgesehen. Über eine entsprechende Meßeinrichtung läßt sich dabei der Motorstrom im Motorbetrieb messen sowie der Gesamtstrom, der sich aus dem Motorstrom und einem Strom durch die Motoransteuerungsschaltung 62 zusammensetzt. Weiterhin läßt sich die Spannung U, mit welcher die Motoransteuerungsschaltung 62 beaufschlagt wird, messen.
Es kann auch vorgesehen sein, daß die Motorspannungsphasen gemessen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung des Drehmoments des Elektromotors 14 in Abhängigkeit der Drehzahl des Rotors 18 beruht auf dem Prinzip der Wirbelstrombremse:
Wenn der Rotor 18 rotiert, dann rotiert das scheibenförmige Element 30 mit ihm mit der gleichen Drehzahl. Die Drehzahl wird über den Drehzahlsensor 42 ermittelt. Wenn sich das scheibenförmige Element 30 in dem Magnetfeld der zweiten Einrichtung 44 bewegt, dann werden in dem scheibenförmigen Element 30 Induktionsströme induziert. Diese wirken ihrer Ursache, nämlich der Rotation des scheibenförmigen Elements 30 im Magnetfeld, entgegen und bremsen dadurch den Rotor 18 ab. Auf das Scheibenelement 46 wird eine entsprechende Gegenkraft ausgeübt, die ein Drehmoment bewirkt. Dieses läßt sich über den Drehmomentsensor 52 messen. Das gemessene Drehmoment ist ein Maß für das Drehmoment des Elektromotors 14.
Es lassen sich verschiedene Meßverfahren zur Drehmomentmessung durchführen, wobei stets der Elektromotor im Betrieb ist, d. h. die Rotorbewegung vor dem Abbremsen ist eine Eigenbewegung.
Beispielsweise wird die zweite Einrichtung 44 von der ersten Einrichtung 28 so weit weg bewegt, daß diese Einrichtung 44 auf die erste Einrichtung 28 keinen Einfluß hat, d. h. kein Bremseffekt auftritt. Der Elektromotor 14 wird dann mit einer bestimmten Drehzahl betrieben, welche beispielsweise über den Drehzahlsensor 42 bzw. den den Codierungssymbolen 38 zugeordneten Drehzahlsensor gemessen wird. Die zweite Einrichtung 44 wird dann auf die erste Einrichtung 28 zu bewegt, indem die Kombination aus Drehmomentsensor 52 und zweiter Einrichtung 44 längs der Führung 60 auf den Elektromotor 14 zu bewegt wird. Dadurch verstärkt sich das magnetische Feld, in welchem das scheibenförmige Element 30 rotiert. Das entsprechende Drehmoment wird mit dem Drehmomentsensor 52 gemessen (die Motorbetriebsparameter werden während dieses Abbremsvorgangs nicht extern verändert). Das gemessene Drehmoment gibt dann das Drehmoment des Elektromotors 14 in Abhängigkeit von der Ausgangsdrehzahl und dem Abstand zwischen der ersten Einrichtung 28 und der zweiten Einrichtung 44 an.
Es ist auch grundsätzlich möglich, wenn die zweite Einrichtung 44 nicht mit Dauermagneten versehen ist, sondern mit Elektromagneten, deren Feldstärke steuerbar und/oder regelbar ist, den Abstand zwischen der zweiten Einrichtung 44 und der ersten Einrichtung 28 konstant zu halten, jedoch das Magnetfeld zeitlich zu erhöhen, um das Abbremsmoment zu variieren. (Die Erhöhung des Magnetfelds wird durch Erhöhung des Stromdurchflusses durch die Elektromagnete bewirkt.)
Es ist auch möglich, bei festem Abstand zwischen der zweiten Einrichtung 44 und der ersten Einrichtung 28 bei einer bestimmten Drehzahl des Elektromotors 14 das Drehmoment über den Drehmomentsensor 52 zu messen. Die Drehzahl stellt sich dabei in Abhängigkeit von einer Ausgangsdrehzahl (der Drehzahl, wenn kein Bremseffekt eintritt) und der Feldbeaufschlagung auf die erste Einrichtung 28 ein.
Bei den oben beschriebenen Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, kann das Drehmoment in Abhängigkeit der Drehzahl des Rotors 18 relativ zum Stator 16 gemessen werden.
Ein bestimmter Anteil des durch den Drehmomentsensor 52 gemessenen Drehmoments ist darauf zurückzuführen, daß der Rotor 18 auch das scheibenförmige Element 30 gegebenenfalls mit der Codierscheibe 40 bewegen muß und dabei die Luftreibung überwinden muß. Grundsätzlich sollte daher der Drehmomentanteil aufgrund Luftreibung der ersten Einrichtung 28 abgezogen werden.
Insbesondere wird deshalb vor einer eigentlichen Drehmomentmessung für einen Elektromotor-Prüfling die Luftreibung der ersten Einrichtung 28 in Abhängigkeit der Drehzahl gemessen. Es werden entsprechende Kalibrierdaten gespeichert.
Bei der eigentlichen Messung werden dann von dem für eine bestimmte Drehzahl vom Drehmomentsensor 52 ermittelten Drehmoment der Luftreibungsanteil abgezogen, um so das "reine" Drehmoment des Elektromotor-Prüflings 14 in Abhängigkeit der Drehzahl zu erhalten.
Gleichzeitig mit der Drehmomentmessung werden auch der Motorstrom, der Gesamtstrom, die angelegte Spannung U und die Spannungsphase ermittelt.

10: Drehmoment-Meßvorrichtung
12: Halteeinrichtung
14: Elektromotor
16: Stator
18: Rotor
20: Rotornabe
22: Halteplatte
24: Halteklammer
26: Wirbelstrombremsvorrichtung
28: erste Einrichtung
30: scheibenförmiges Element
32: Spannfutter
34: Oberfläche
36: Rotorachse
38: Codiersymbole
40: Codierscheibe
42: Drehzahlsensor
44: zweite Einrichtung
46: Scheibenelement
48: Magnet
50: Oberfläche
52: Drehmomentsensor
54: Achse
56: Halteeinrichtung
58: Führungsschuh
60: Führung
62: Motoransteuerungsschaltung

Claims

Drehmoment-Meßvorrichtung für Elektromotoren (14) mit einem Rotor (18) und einem Stator (16), umfassend eine Halteeinrichtung (12) zur drehfesten Fixierung des Stators (16), eine Wirbelstrombremsvorrichtung (26), über welche der Rotor (18) bremsbar ist, und einen Drehmomentsensor (52), welcher mit der Wirbelstrombremsvorrichtung (26) verbunden ist.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelstrombremsvorrichtung (26) eine erste Einrichtung (28) umfaßt, welche an dem Rotor (18) eines Elektromotor-Prüflings (14) fixierbar ist, und eine beabstandete zweite Einrichtung (44) umfaßt, welche mit dem Drehmomentsensor (52) verbunden ist.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (28) und die zweite Einrichtung (44) an den einander zugewandten Oberflächen (34; 50) im wesentlichen eben ausgebildet sind.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (28) an der der zweiten Einrichtung (44) zugewandten Seite (34) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung (44) an der der ersten Einrichtung (28) zugewandten Seite einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (28) und die zweite Einrichtung (44) koaxial ausgerichtet sind.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentsensor (52) und die zweite Einrichtung (44) koaxial ausgerichtet sind.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelstromvorrichtung (26) eine magnetfelderzeugende Einrichtung (44) und eine korrespondierende Einrichtung (28) aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweist, in welcher Wirbelströme induzierbar sind.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die korrespondierende Einrichtung (28) unmagnetisch ist.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfelderzeugende Einrichtung (44) mit dem Drehmomentsensor (52) verbunden ist.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfelderzeugende Einrichtung (44) mit einem oder mehreren Dauermagneten (48) versehen ist.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfelderzeugende Einrichtung (44) aus einem magnetisch leitfähigen Material hergestellt ist oder Bereiche aus einem Material mit magnetischer Leitfähigkeit umfaßt.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfelderzeugende Einrichtung (44) mehrscheibig ausgebildet ist.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (28) mit einem Spannfutter (32) zu deren Fixierung an dem Rotor (18) versehen ist.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehzahlsensor (42) zur Erfassung der Drehzahl des Rotors (18) vorgesehen ist.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Positionssensor (42) zur Erfassung der Winkelposition des Rotors (18) vorgesehen ist.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (28) mit einer Drehzahlcodierung (38) und/oder Winkelpositionscodierung versehen ist.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß an der ersten Einrichtung (28) eine Codierscheibe (40) angeordnet ist.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentsensor (52) bezüglich der Halteeinrichtung (12) fest angeordnet ist.
Drehmoment-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der ersten Einrichtung (28) und der zweiten Einrichtung (44) einstellbar ist.
Verfahren zur Messung des Drehmoments eines Elektromotors mit einem Stator und einem Rotor, bei dem der Stator drehfest gehalten wird, der Rotor durch Motorbetrieb in Rotationsbewegung versetzt wird, der Rotor über eine Wirbelstrombremsvorrichtung abgebremst wird und an der Wirbelstrombremsvorrichtung das resultierende Drehmoment gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Rotors gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Rotors gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ausgehend von einer definierten Drehzahl abgebremst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor auf eine definierte Drehzahl abgebremst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen einer magnetfelderzeugenden Einrichtung der Wirbelstrombremsvorrichtung und einer korrespondierenden Einrichtung, in der Wirbelströme induziert werden, eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, in der Wirbelströme induziert werden, mit dem Rotor gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß Feldstärke und/oder Feldverlauf für eine magnetfelderzeugende Einrichtung der Wirbelstrombremsvorrichtung in Relation zu der Einrichtung, in welcher Wirbelströme induziert werden, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motorstrom gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gesamtstrom gemessen wird, welcher sich aus einem Motorstrom und einem Strom einer Motoransteuerungsschaltung zusammensetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß das gemessene Drehmoment um einen Luftreibungsanteil einer mit dem Rotor mitdrehenden Einrichtung korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftreibung der mit dem Rotor drehenden Einrichtung als Funktion der Drehzahl ermittelt wird und die Ergebnisse in einer Datenbank abgespeichert werden.