DE1115051B

DE1115051B - Device for determining the torque transmitted in a rotating shaft

Info

Publication number: DE1115051B
Application number: DES52957A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Wilhelm Kafka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1957-03-30
Filing date: 1957-03-30
Publication date: 1961-10-12

Description

Vorrichtung zur Ermittlung des in einer rotierenden Welle übertragenen Drehmomentes Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Ermittlung des in einer rotierenden Welle übertragenen Drehmomentes durch Messung der bei Torsion der Welle infolge dabei auftretender Entstehung einer magnetischen Vorzugsrichtung bewirkten Verschiebung eines in der Welle fließenden magnetischen Flusses. Device for determining the transmitted in a rotating shaft The subject of the invention is a device for determining the in torque transmitted to a rotating shaft by measuring the torque during torsion of the wave as a result of the creation of a preferred magnetic direction caused displacement of a magnetic flux flowing in the shaft.

Es ist bekannt, eine Welle mit einem Wechselfluß zu durchsetzen, der dann bei unbelastetem Zustand der Welle achsparallel in der Welle verläuft. Bei Torsion der Welle entstehen ringförmige Flüsse, die durch zwei in bestimmtem axialem Abstand auf der Welle schleifende Bürsten abgegriffen werden, an die ein Meßgerät angeschlossen ist. Die angezeigte Meßgröße gibt dann ein Maß für die Torsion der Welle. It is known to enforce a wave with an alternating flow, which then runs parallel to the axis in the shaft when the shaft is not under load. When the shaft is twisted, ring-shaped flows are created, which flow through two in a certain axial distance on the shaft grinding brushes are tapped, to which a Measuring device is connected. The displayed measured variable then gives a measure of the torsion the wave.

Bei dieser Anordnung müssen aber Bürsten auf der Welle schleifen, die insbesondere bei schnell umlaufenden Wellen mit geringem Durchmesser meistens nicht ständig und nicht mit konstanter Auflagefläche sowie unter gleichem Auflagedruck mit der Welle in Berührung bleiben. Das Meßergebnis ist daher trotz des technischen Aufwandes ungenau und die Messung daher unzuverlässig. Außerdem ist diese Meßeinrichtung stark dem Verschleiß ausgesetzt und gegen Verunreinigungen empfindlich.With this arrangement, however, brushes must grind on the shaft, which mostly occurs in the case of fast rotating shafts with a small diameter not constantly and not with a constant contact surface and under the same contact pressure stay in contact with the shaft. The measurement result is therefore despite the technical Inaccurate effort and the measurement therefore unreliable. In addition, this is a measuring device highly exposed to wear and tear and sensitive to contamination.

Diese Nachteile werden mit einfachen Mitteln sicher dadurch vermieden, daß nach der Erfindung der Fluß über mindestens zwei außerhalb der Welle befindliche, von dieser durch Luftspalte getrennte und an einer Stelle miteinander verbundene Schenkel aus magnetischem Material verläuft und daß die Flußverteilung durch mindestens ein in einen Schenkel eingebautes magnetfeldabhängiges Meßglied, z. B. einen Hallgenerator oder einen magnetfeldempfindlichen Widerstand, erfaßt wird. These disadvantages are safely avoided with simple means by that according to the invention, the flow via at least two outside of the shaft, separated from this by air gaps and connected to one another at one point Legs made of magnetic material and that the flux distribution through at least a built into a leg magnetic field-dependent measuring element, z. B. a Hall generator or a magnetic field sensitive resistor is detected.

Mit der Vorrichtung nach der Erfindung werden Bürsten überflüssig und einwandfreie Messungen für Wellen jeden Durchmessers und bei jeder Geschwindigkeit erzielt, da eine Berührung mit der Welle nicht notwendig ist. With the device according to the invention, brushes are superfluous and flawless measurements for shafts of any diameter and at any speed achieved because contact with the shaft is not necessary.

Es ist zwar bekannt, zur Messung der Torsion eines prismatischen Körpers den magnetostriktiven Effekt auszunutzen, wobei ebenfalls keine Bürsten oder Schleifringe oder sonstigen rotierenden Stromabnahmevorrichtungen notwendig sind. Bei dieser Meßmethode wird schräg zur Längsachse des auf Torsion beanspruchten prismatischen Körpers an dessen Umfang oder in einer entsprechend angeordneten Nut ein länglicher Metallkörper angebracht und um den zu untersuchenden prismatischen Körper im Bereich des Metallkörpers eine wechselstromgespeiste Erregerwicklung und eine Speisewicklung angeordnet, die über eine Gleichrichteranordnung eine Meßeinrichtung speist. Der Metallkörper muß fest mit dem tordierten prismatischen Körper verbunden sein, damit er die bei Torsion auftretenden Längenänderungen getreulich mitmachen kann. Dies ist in der Praxis jedoch nur sehr schwierig und mit entsprechendem Fertigungsaufwand erreichbar. Dagegen braucht beim Gegenstand der Erfindung der tordierte Körper keinerlei Behandlung ausgesetzt zu werden. Die Meßvorrichtung nach der Erfindung ist daher schnell und an beliebiger Stelle des zu untersuchenden Körpers anbringbar. Although it is known to measure the torsion of a prismatic Body to use the magnetostrictive effect, also no brushes or slip rings or other rotating current collection devices are necessary are. In this measuring method, the torsion stressed is at an angle to the longitudinal axis prismatic body on its circumference or in a correspondingly arranged groove an elongated metal body attached and around the prismatic to be examined Body in the area of the metal body an alternating current-fed excitation winding and a feed winding arranged, the a measuring device via a rectifier arrangement feeds. The metal body must be firmly connected to the twisted prismatic body so that he can faithfully take part in the changes in length that occur with torsion can. In practice, however, this is only very difficult and requires a corresponding manufacturing effort accessible. In contrast, in the subject matter of the invention, the twisted body does not need any Exposure to treatment. The measuring device according to the invention is therefore can be attached quickly and anywhere on the body to be examined.

Sie nutzt dabei den magnetoelastischen Effekt aus, d. h. die Änderung der Magnetisierung eines ferromagnetischen Körpers in Abhängigkeit von mechanischen Spannungen im Körper. It uses the magnetoelastic effect, i. H. the change the magnetization of a ferromagnetic body as a function of mechanical Tension in the body.

Man denkt sich hierzu einen ferromagnetischen Körper als aus einzelnen Bereichen zusammengesetzt, die spontan die Sättigungsmagnetisierung aufweisen. One thinks of a ferromagnetic body as being made up of individual elements Composite areas that spontaneously have the saturation magnetization.

Ohne äußeres Feld und ohne mechanische Spannung sind die Bereichsmomente im Kristall parallel oder antiparallel zu den Achsen der leichtesten Magnetisierung orientiert. Beispielsweise bei Eisen sind dies die Kanten, bei Nickel ist es die Körperdiagonale des beiden gemeinsamen raum- bzw. flächenzentrierten kubischen Gitters.The range torques are without an external field and without mechanical tension in the crystal parallel or antiparallel to the axes of the lightest magnetization oriented. For example, in the case of iron, these are the edges; in the case of nickel, these are the edges Body diagonal of the two common space- or face-centered cubic lattices.

Ein in eine Stahlwelle oder einen anderen Rotationskörper aus ferromagnetischem Material eingeleiteter Magnetfluß schließt sich, solange die Magneteigenschaften der Welle in allen Richtungen gleich sind, auf dem kürzesten Wege bzw. verteilt sich auf zwei gleich lange Wege gleichmäßig. Wird die Welle tordiert, so stellen sich infolge des magnetoelastischen Effekts in Richtung der Druck- und der Zugspannungen innerhalb des Rotationskörpers verschiedene Magnetisierungen ein. Die Meßkörper können ortsfest oder drehbeweglich angeordnet sein. One in a steel shaft or other rotating body made of ferromagnetic Material introduced magnetic flux closes as long as the magnetic properties of the wave are the same in all directions, on the shortest path or distributed evenly on two equally long paths. If the shaft is twisted, position it itself as a result of the magnetoelastic Effect in the direction of the pressure and the tensile stresses within the rotating body have different magnetizations a. The measuring bodies can be arranged in a stationary or rotatable manner.

Wenn beim Gegenstand der Erfindung als Meßglieder Hallgeneratoren verwendet werden, so ist es zweckmäßig, solche aus einem Stoff hoher Trägerbeweglichkeit zu verwenden, insbesondere aus Verbindungen nach Art der sogenannten A111Bv-Verbindungen, d. h. aus Elementen, die der III. und der V. Gruppe des Periodischen Systems angehören. So können beispielsweise als Materialien für den Hallgenerator InSb, InAs oder ähnliche Stoffe verwendet werden. If the subject of the invention as measuring elements Hall generators are used, it is expedient to use those made from a material with high wearer mobility to be used, in particular from connections of the so-called A111Bv connections, d. H. from elements that the III. and belong to Group V of the Periodic Table. For example, InSb, InAs or the like can be used as materials for the Hall generator Substances are used.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele in für die Erfindung wesentlichen Teilen stark vereinfachter, zum Teil schematischer Darstellung. Für gleiche Teile sind in sämtlichen Zeichnungen weitgehend gleiche Bezugszeichen verwendet. The invention is to be explained in more detail with reference to the drawing. The figures show exemplary embodiments in parts essential to the invention greatly simplified, partly schematic representation. For equal parts are The same reference numerals are used largely in all drawings.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Anordnung veranschaulicht, bei der die Torsion in einer Welle 1 den Fluß durch das eine Schenkelpaar 2, 3 des Magnetsystems verstärkt und durch das andere Schenkelpaar 4, 5 schwächt. Dem Schenkelpaar 2, 3 ist der Hallgenerator 6, dem Schenkelpaar 4, 5 der Hallgenerator 7 zugeordnet. Die Differenz der Hallspannungen gibt ein Maß für die Torsion. Die Erregerspule 8 kann von Gleich- oder Wechselströmen durchflossen werden. Die Meßanordnung befindet sich gegenüber der rotierenden Welle 1 in Ruhe. 1 and 2, an arrangement is illustrated in which the Torsion in a shaft 1 the flux through one pair of legs 2, 3 of the magnet system reinforced and weakened by the other pair of legs 4, 5. The pair of legs 2, 3 the Hall generator 6 is assigned to the pair of legs 4, 5 of the Hall generator 7. the The difference between the Hall voltages is a measure of the torsion. The excitation coil 8 can be flowed through by direct or alternating currents. The measuring arrangement is located opposite the rotating shaft 1 at rest.

In den Fig. 3 und 4 ist eine Anordnung veranschaulicht, in der die Fluß differenz durch einen einzigen Hallgenerator gemessen wird. Wenn die Luftspalte9, 10 des Joches 11 gegenüber der Welle symmetrisch angordnet und gleich groß sind, so wird ohne Vorhandensein einer Torsion der Fluß durch den Hallgenerator 12 Null. Zum Zweck ihrer Regelung kann man gegebenenfalls auch ungleiche Luftspalte benutzen und damit einen Sollwert für das Drehmoment vorgeben. Bei Uber- oder Unterschreiten des Soll-Wertes ändert der Fluß durch den Hallgenerator dann seine Richtung. Für solche Regelungen kann es empfehlenswert sein, die Erregerwicklung oder den Hallgenerator-Steuerstrom mit Wechselströmen zu betreiben. Man kann dann einen Wechselstromverstärker anschließen, der auch für kleinste Eingangsleistungen als nullpunktsicher bezeichnet werden kann. Nach erfolgter Verstärkung kann durch phasenempfindliche Gleichrichtung eine der Richtung der Regelabweichung entsprechende Gleichstromausgangsgröße gewonnen werden. 3 and 4, an arrangement is illustrated in which the Flux difference is measured by a single Hall generator. When the air gaps9, 10 of the yoke 11 are arranged symmetrically with respect to the shaft and are of the same size, thus, without the presence of torsion, the flux through the Hall generator 12 becomes zero. Unequal air gaps can also be used for the purpose of regulating them and thus specify a target value for the torque. If the value is exceeded or not reached of the nominal value, the flow through the Hall generator then changes its direction. For It may be advisable to control the excitation winding or the Hall generator control current for such controls to operate with alternating currents. You can then connect an AC amplifier, which can be described as zero point safe even for the smallest input power. After amplification, one of the Direction of the control deviation corresponding direct current output variable can be obtained.

Der an die Welle von einem festen Punkt am Umfang eingeleitete Magnetfluß wird bei Drehung der Welle auch durch Wirbelströme beeinflußt und gewissermaßen in der Drehrichtung der Welle mitgeschleppt. Damit würde eine solche Anordnung eine von der Drehgeschwindigkeit abhängige Anzeige bewirken. Um von der Drehgeschwindigkeit unabhängige Meßergebnisse zu erreichen, können besondere Maßnahmen angewendet werden. So kann beispielsweise die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Meßeinrichtung verdoppelt und so angeordnet werden, daß sich die Einflüsse der Feldverschleppung durch die Drehung der Welle aufheben, die Feldverschiebungen durch Torsion sich aber addieren. The magnetic flux introduced to the shaft from a fixed point on the circumference is also influenced and to a certain extent by eddy currents when the shaft rotates dragged along in the direction of rotation of the shaft. This would make such an arrangement a cause the display to be dependent on the speed of rotation. To from the speed of rotation To achieve independent measurement results, special measures can be applied. For example, the measuring device shown in FIGS. 1 to 4 can be doubled and be arranged so that the influences of the field drag through the Cancel the rotation of the shaft, but the field shifts due to torsion add up.

In den Fig. 5 und 6 ist ein Ausführungsbeispiel für eine solche Anordnung veranschaulicht, mit der die Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit weitgehend eliminiert werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist im übrigen an Stelle einer Erregerwicklung ein Permanentmagnet 13 verwendet, um einen Magnetfluß durch die Welle 1 zu schicken. 5 and 6 is an embodiment of such an arrangement illustrates how the Dependent on the speed of rotation to a large extent can be eliminated. In this embodiment, the rest is in place an excitation winding a permanent magnet 13 used to flow a magnetic flux to send wave 1.

Während bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 zwei Hallgeneratoren 6 und 7 verwendet wurden, werden hier vier Hallgeneratoren 14 bis 17 benötigt.While in the embodiment according to FIGS. 1 and 2, two Hall generators 6 and 7 were used, four Hall generators 14 to 17 are required here.

Wenn bei einer Anordnung entsprechend den Fig. 5 und 6 Hallgeneratoren angesetzt werden, so dürfen diese wegen der Reihenschaltung der Hallelektroden nicht mit ihren Steuerelektroden einander parallel geschaltet sein. Man muß dann besondere Maßnahmen vorsehen, um die Steuerelektroden durch Ohmsche Widerstände potentialmäßig voneinander zu trennen. Eine solche Anordnung ist in Fig. 7 schematisch vranschaulicht. Die einzelnen Hallgeneratoren sind in Übereinstimmung mit den Fig. 5 und 6 mit 14 bis 17 bezeichnet. Ihre Hallspannungsanschlüsse 18 bis 25 sind dabei in Reihe miteinander verbunden und an dem Eingang des Verstärkers 26 angeschlossen. Die Stromelektrodenanschlüsse 27 bis 34 sind über Widerstände 35 bis 42 mit den Anschlußklemmen43 und 44 für den Steuerstrom so verbunden, daß die Hallgeneratoren potentialmäßig entsprechend der ausgangsseitigen Stufung gelegt sind. Diese Widerstände können zweckmäßig verstellbar gewählt werden, so daß durch Verändern der Widerstandswerte gegeneinander auch hier ein Sollwert für eine Drehmomentregelung eingestellt werden kann. Bei Verwendung eines Wechselstromverstärkers 26 kann der Steuerstrom I, ein Wechselstrom sein. If with an arrangement according to FIGS. 5 and 6 Hall generators are used, these must not be used because of the series connection of the Hall electrodes be connected in parallel with their control electrodes. Then you have to be special Provide measures to improve the potential of the control electrodes by means of ohmic resistances to separate from each other. Such an arrangement is shown schematically in FIG. The individual Hall generators are in accordance with FIGS. 5 and 6 with 14 to 17 designated. Your Hall voltage connections 18 to 25 are in series with one another and connected to the input of the amplifier 26. The power electrode connections 27 to 34 are via resistors 35 to 42 with the terminals 43 and 44 for the Control current connected so that the Hall generators in terms of potential according to the are placed on the output side. These resistances can be adjusted appropriately can be chosen so that by changing the resistance values against each other also here a setpoint for a torque control can be set. Using of an alternating current amplifier 26, the control current I, can be an alternating current.

Bei den Ausführungen nach den Fig. 5 bis 7 werden bei drehender unbelasteter Welle z. B. die Spannungen der Hallgeneratoren 14 und 15 zunehmen und die der Hallgeneratoren 16 und 17 abnehmen, wobei die Summe aller vier Spannungen Null bleibt. Bei Torsion der Welle werden aber z. B. die Spannungen der Hallgeneratoren 15 und 17 ansteigen, dagegen die der Hallgeneratoren 14 und 16 abnehmen, so daß nunmehr die Summe aller Spannungen von Null verschieden ist. In the embodiments according to FIGS. 5 to 7, when rotating unloaded Wave z. B. the voltages of the Hall generators 14 and 15 increase and that of the Hall generators 16 and 17 decrease, the sum of all four voltages remaining zero. With torsion but the wave z. B. the voltages of the Hall generators 15 and 17 increase, on the other hand, decrease those of the Hall generators 14 and 16, so that now the sum of all Voltages other than zero.

An Stelle von Hallgeneratoren können auch magnetfeldabhängige Widerstände verwendet werden. In Fig.8 ist ein Ausführungsbeispiel für eine solche Meßanordnung veranschaulicht, bei der magnetfeldabhängige Widerstände in einer Brückenschaltung liegen. Die magnetfeldabhängigen Widerstände sind mit 45 bis 48 bezeichnet, wobei die Brückenschaltung durch eine Wechselspannungsquelle 49 gespeist ist. Magnetic field-dependent resistors can also be used instead of Hall generators be used. In Figure 8 is an embodiment of such a measuring arrangement illustrates the magnetic field-dependent resistors in a bridge circuit lie. The magnetic field-dependent resistors are denoted by 45 to 48, where the bridge circuit is fed by an AC voltage source 49.

Am Brückenausgang liegt ein Verstärker 50. Der Sollwert einer Regelung kann hier z. B. durch zusätzliche Beeinflussung der Widerstände 45 bis 47 mit einstellbaren Permanentmagneten 51 und 52 oder Luftspalten oder magnetischen Nebenanschlüssen vorgenommen werden. Fehler durch Temperaturschwankungen der Welle oder der feldabhängigen Widerstände können gegebenenfalls durch temperaturabhängige Kompensation eliminiert werden.An amplifier 50 is connected to the bridge output. The setpoint of a regulation can here z. B. by additionally influencing the resistors 45 to 47 with adjustable Permanent magnets 51 and 52 or air gaps or magnetic shunt connections be made. Errors due to temperature fluctuations of the shaft or the field-dependent Resistances can, if necessary, be eliminated by temperature-dependent compensation will.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Device for determining the in a rotating Torque transmitted to the shaft by measuring the torsion of the shaft as a result the emergence of a magnetic Preferred direction caused displacement of a magnetic flux flowing in the shaft, thereby characterized in that the flow over at least two outside of the wave, separated from this by air gaps and connected to one another at one point Legs made of magnetic material and that the flux distribution through at least a built into a leg magnetic field dependent measuring element, z. B. a Hall generator or a magnetic field sensitive resistor is detected.

2. Apparatus according to claim 1, characterized by two to each other and legs which are arranged parallel to the generatrix of the shaft and which are on the one hand One side connected by a yoke and separated on the other side by an air gap are, of which at least one leg contains a magnetic field-dependent measuring element.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that each leg has an air gap and between the two not through the yoke connected leg ends the measuring element is inserted.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the magnetic flux in the shaft through a surrounding it, in the area of the legs arranged coil is generated.

5. Apparatus according to claim 1, characterized in that the shaft A magnetic flux is supplied from the outside at one point and this magnetic flux at four Points symmetrical to the shaft axis are removed from the shaft and the flux circle is closed via crosswise arranged legs, with each of the four between the central flow supply point and the four take-off points lying leg parts each contains a measuring element that measure the flow distribution.

6. Apparatus according to claim, characterized in that on the Crossing point of the four legs a magnet, especially a permanent magnet, is arranged, which is separated from the shaft by an air gap.

7. Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the legs with the measuring member or members to the shaft are rotatably arranged.

Documents considered: French patent specification No. 1035423; Swedish Patent No. 158,349; Kohlrausch, practitioner. Physics, Vol. 2 (1944), pp.94 and 95; Siemens magazine, September 1954, H.

8, pages 376 to 384.