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Vorrichtung zum Messen 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 Wellenoberfläche
magnetische Felder erzeugen, deren Richtungen mit den Richtungen der mechanischen
Hauptspannungen zusammenfallen. Wird die Welle dabei einer Torsionsbeanspruchung
ausgesetzt, so wird die Permeabilität in der Richtung der einen Hauptspannung erhöht
und in der Richtung der anderen vermindert, was eine Veränderung der Induktanzen
der Wicklungen zur Folge hat. Diese Induktanzänderung ist ein Maß der Torsionsbeanspruchung
der Welle und wird mittels einer Meßbrücke gemessen. Da der größere Teil der Reluktanz
im Luftspalt liegt, hat dieses Meßverfahren aber den Nachteil, daß es eine sehr
genaue Meßbrücke erfordert und sehr empfindlich für Änderungen des Luftspaltes ist.
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Bei einem anderen bekannten Meßverfahren, das auf den magnetostriktiven
Eigenschaften der Welle beruht, wird die Messung mittels zweier einander kreuzender
Magnetkreise ausgeführt, deren Polflächen an der Wellenoberfläche liegen. Der eine
Magnetkreis wird mit Wechselstrom magnetisiert, und der andere arbeitet als Meßgerät.
Wenn die Welle einer Torsionsbeansprnchung 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 wieder den Nachteil, daß Inhomogenitäten und unregelmäßige Anisotropien in der
Welle Änderungen der abgegebenen Spannung der Vorrichtung verursachen, wenn die
Welle rotiert. Um diese unerwünschten Spannungsänderungen klein zu halten, muß die
Grundfläche der Meßvorrichtung so groß sein, daß die Fehler in dem Wellenwerkstoff
nur einen kleinen Teil der aktiven Wellenoberfläche beeinflussen. Die Grundfläche
der Meßvorrichtung muß aber im wesentlichen gleichseitig sein, was zur Folge hat,
daß ihre axiale Ausdehnung groß wird. Dies ist aber nachteilig, da normalerweise
nur kleine Räume in axialer Richtung der Welle zur Verfügung stehen.
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Ferner ist eine Anordnung bekannt, die nur aus einem Magnetring besteht,
der mit mehreren zueinander parallelen Reihen von Polen versehen ist und zwei getrennte
Wicklungen aufweist, die an einer Wechselstromquelle angeschlossen und so angeordnet
sind, daß zwei voneinander unabhängige Magnettlüsse
in der Wellentläche erzeugt werden,
von welchen der eine in der Richtung der Druckbeanspruchung und der andere in der
Richtung der Zugbeanspruchung fließt. Die Größe der TorsionsbeanspFruchung der Welle
wird aus der Differenz zwischen den Scheinwiderständen der beiden Wicklungen ermittelt.
Diese Anordnung arbeitet also nach dem bereits oben angegebenem Prinzip und hat
demgemäß auch die dort erwähnten Nachteile.
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Die Erfindung bringt eine Verbesserung der letztgenannten Meßvorrichtung
und ermöglicht es, bei kleiner axialer Ausdehnung der Meßvorrichtung eine von Unregelmäßigkeiten
in der Welle und dem Wellenmaterial weniger abhängige Messung zu erhalten. Die Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnetkerne in zur Wellenachse senkrechten
Ebenen nebeneinander in der Richtung der Wellenachse liegen und um einen halben
Polschritt in der azimutalen Richtung der Welle gegen seitig versetzt sind.
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Die Erfindung ergibt eine Vorrichtung, deren axiale Ausdehnung sehr
klein ist und die in hohem Grad unempfindlich für Inhomogenitäten und lokale Beanspruchungskonzentrationen
in der Welle ist.
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Eine Vorrichtung mit nur zwei Kernen ist aber magnetisch unsymmetrisch,
weshalb sie von den bei der Rotation der Welle entstehenden Wirbelströmen
und
gegebenenfalls von der Hysteresis des Wellenwerkstoffes beeinflußt wird. Um diese
Störungen zu eliminieren, hat die Anordnung nach der Erfindung vorzugsweise drei
im wesentlichen gleiche Magnetkerne, die mit gegen die Welle gerichteten, ausgeprägten
Polen versehen und nebeneinander in Richtung der Welle angeordnet sind. Der in der
Mitte liegende Kern trägt die an einer Wechselstromquelle angeschlossene Magneti
sierungswicklung, und die beiden anderen Kerne tragen an einem elektrischen Meßgerät
angeschlossene Meßwicklungen.
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Nach der Erfindung können die Magnetkerne entweder ähnlich Statorkerne
mit radial einwärts gerichteten Polen ausgeführt und dafür vorgesehen sein, die
Welle zu umschließen, oder sie können ähnlich Rotorkernen mit radial auswärts gerichteten
Polen ausgeführt und dafür vorgesehen sein, in eine Hohlwelle einbeffihrt zu werden.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnungen beschrieben.
In diesen zeigen Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführung der Erfindung mit zwei
statorförmigen Magnetkernen, Fig. 2 einen Längsschnitt der Vorrichtung nach Fig.
1, Fig. 3 ein Schaltbild der Meßvorrichtung nach Fig. 1 und 2, Fig. 4 die Wellenoberfläche
unter den Polen der Meßvorrichtung nach Fig. 1, 2 und 3 mit den eingezeichneten
Polen und den mechanischen Hauptspannungen in der Wellenoberfläche, Fig. 5 eine
Ausführung der Erfindung mit zwei rotorförmigen Kernen zur Messung innerhalb einer
Hohlwelle, Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung mit
drei statorförmigen Kernen, Fig. 7 ein Schaltbild für die Meßvorrichtung nach Fig.
6 und Fig. 8 die Wellenfläche unter den Polen der Meßvorrichtung nach Fig. 6 und
7.
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In den einzelnen Abbildungen sind einander entsprechende Teile mit
denselben Bezeichnungen versehen.
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In Fig. 1 und 2 bezeichnet 9 eine Welle, deren Torsionsbeanspruchung
gemessen werden soll. Die Welle 9 ist von zwei lamellierten Magnetkernen 10 und
20 umschlossen, deren mit 11 bis 14 bzw. 21 bis 24 bezeichnete Pole gegen die Welle
gerichtet sind und einen kleinen Abstand von dieser haben.
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Die Pole 11 bis 14 bzw. 21 bis 24 tragen Wicklungen 15 bis 18 bzw.
25 bis 28. Die Vorrichtung gleicht also zwei Statoren mit ausgeprägten Polen.
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Die Wicklungen 15 bis 18 des Magnetkerns 10 sind in Reihen- oder Parallelschaltung
mit wechselndem Wickelsinn an einer Wechselstromquelle angeschlossen, so daß die
Pole 11 bis 14 abwechselnde magnetische Polaritäten erhalten. Die Wicklungen 25
bis 28 des Magnetkerns 20 sind in ähnlicher Weise an einem elektrischen 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.
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Die beiden Magnetkerne 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 bis 14 und 21 bis 24 der MagnetkernelO und 20 haben also die
in Fig. 4 dargestellte gegenseitige Lage.
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Die Pole 11 bis 14 haben abwechselnde Polarität und erzeugen paarweise,
kongruente magnetische Felder in der Wellenoberfläche, solange die Welle 9 keiner
Beanspruchung ausgesetzt ist. Da die Pole 21 bis 24 um einen halben Polschritt im
Verhältnis zu den Polen 11 bis 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 in den Wicklungen 25 bis 28 wird folglich keine Spannung induziert.
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Wenn die Welle 9 einer Torsionsbeanspruchung ausgesetzt ist, können
die mechanischen Spannungen in der Welle in zwei zueinander senkrechte Hauptspannungen
a und - a aufgeteilt werden, deren Richtungen einen Winkel von 450 gegen die Mittelachse
der Welle bilden. Die Hauptspannungen o und - a sind in Fig 4 eingezeichnet. Wegen
der magnetostriktiven Eigenschaften des Wellenwerkstoffes wird die Permeabilität
in der Wellenoberfläche in Richtung der einen Hauptspannung a erhöht und in Richtung
der anderen Hauptspannung -o vermindert. Dies hat zur Folge, daß das magnetische
Feld des Magnetkernes 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, 21 erhöht wird. Die Pole 21 bis 24 des
Kernes 20 werden folglich über Punkten mit ungleichen magnetischen Potentialen zu
liegen kommen, so daß ein magnetischer Fluß durch die Pole 21 bis 24 fließt und
eine Spannung in den entsprechenden Wicklungen 25 bis 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 Kerns 20 im Verhältnis zu dem Kern 10. Innerhalb des Arbeitsbereichs
der Vorrichtung ist der Ausschlag des Instruments 41 proportional der Torsionsbeanspruchung
in der Welle 9.
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Aus den Zeichnungen 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 Beanspruchungen innerhalb eines geschlossenen
ringförmigen Teiles der Wellenoberfläche an der Messung ständig teilnehmen, bleiben
bei Rotation der Welle kleinere Inhomogenitäten- und Beanspruchungskonzentrationen
innerhalb der Meßzone, weshalb ihre schädliche Einwirkung auf die Messung viel kleiner
wird als bei bisher bekannten Meßvorrichtungen. Die Meßvorrichtung nach der Erfindung
hat außerdem eine sehr einfache und dauerhafte mechanische Konstruktion.
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Wenn die Welle 9 eine Hohlwelle ist, können die Torsionsb e an spruchungen
auch an der inneren Fläche der Welle gemessen werden. Zu diesem Zweck wird die oben
beschriebene statorähnliche Vorrichtung durch eine rotorähnliche Meßvorrichtung
entsprs chender Ausführung und Wirkungsweise ersetzt. Eine solche Vorrichtung ist
in Fig. 5 dargesellt, die Be zeichnungen der Fig. 1 bis 4 sind übernommen, aber
mit Bei strichen versehen.
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Da die oben beschriebene Anordnung mit zwei Kernen magnetisch unsymmetrisch
ist, wird eine nicht wünschenswerte Einwirkung unter anderem von der Hysteresis
der Welle und vonWirbelströmen erhalten.
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Diese Einwirkung kann vermieden werden, wenn die
Vorrichtung
mit drei Kernen versehen wird, wie in den Fig. 6, 7 und 8 dargestellt ist.
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Fig. 6 zeigt drei statorförmige Kerne 10, 20 und 30, die die Welle
umschließen. Diese Magnetkerne haben je vier Pole 11 bis 14, 21 bis 24 bzw. 31 bis
34.
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Die Pole 11 bis 14, 21 bis 24, 31 bis 34 liegen in einem kleinen Abstand
von der Welle und tragen Wicklungen 15 bis 18, 25 bis 28, bzw. 35 bis 38. Die Wicklungen
15 bis 18 des Magnetkerns 10 sind in Reihen- oder Parallelschaltung an einer Wechselstromquelle
angeschlossen und haben abwechselnden Wickelsinn, so daß die Pole 11 bis 14 abwechselnde
magnetische Polaritäten bekommen. Die Wicklungen 25 bis 28 des Magnetkerns 20 und
35 bis 38 des Magnetkems 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 Magnetkerne 10, 20, 30 liegen
in einem kleinen axialen Abstand voneinander und sind so angeordnet, daß die Magnetkerne
20 und 30 um einen halben Polschritt im Verhältnis zu dem Kern 10 gedreht sind.
Die gegenseitige Lage der Pole ist in Fig. 8 dargestellt.
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Die Vorrichtung nach Fig. 6, 7 und 8 arbeitet grundsätzlich in derselben
Weise wie die in Fig. 1, 2, 3 und 4 dargestellte. Wenn die Welle keiner Beanspruchung
ausgesetzt wird, liegen die Pole 21 bis 24 und 31 bis 34 über Punkten mit demselben
magnetischen Potential, weshalb kein magnetischer Fluß durch die Magnetkerne 20
und 30 fließt und folglich keine Spannung in den Wicklungen 25 bis 28 und 35 bis
38 induziert wird.
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Wenn die Welle einer Torsionsbeanspruchung ausgesetzt ist, wird das
magnetische Feld des Magnetkerns 10 wegen der auftretenden mechanischen Spannungen
o und so und der magnetostriktiven Eigenschaften des Wellenwerkstotfes so verdreht,
daß die magnetische Potentialdifferenz zwischen den Polpaaren 11, 21; 12, 22; 13,
23; 14, 24 bzw. 11, 34; 12, 31; 13, 32; 14, 33 vermindert und zwischen den Polpaaren
11, 24; 12, 21; 13, 22; 14, 23 bzw. 11, 31; 12, 32; 13, 33; 14, 34 erhöht wird.
Dies hat zur Folge, daß die Pole 21 bis 24 bzw. 31 bis 34 der Magnetkerne 20 und
30 paarweise über Punkten mit verschiedenem magnetischen Potential liegen, so daß
ein Fluß durch die Pole fließt und eine Spannung in den Wicklungen 25 bis 28 und
35 bis 38 induziert, was zur Folge hat, daß ein Strom durch das Meßinstrument 41
getrieben wird. Innerhalb des Arbeitsbereichs der Vorrichtung ist der Ausschlag
des Instruments 41 proportional der Torsionsbeanspruchung in der Welle 9, wenn die
Magnetisierung der Pole 11 bis 14 zweckmäßig gewählt ist.
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Eine Vorrichtung mit drei Magnetkernen kann natürlich auch nach Fig.
5 für Messungen in einer Hohlwelle mit rotorförmigen Kernen ausgeführt werden.
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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 Magnetkerne die ganze Welle
umschließen, sondern die Messung kann auch mittels Kernsektoren
ausgeführt werden
unter der Voraussetzung, daß der Sektor des Kerns 10 mindestens drei Pole hat und
die Sektoren der Kerne 20 bzw. 30 mindestens je zwei Pole haben. Die Magnetkerne
können geteilt sein, um die Montage zu erleichtern. Die Spulenzabl kann auch variiert
werden, ohne daß die Wirkungsweise der Vorrichtung verändert wird.
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Um die Vorrichtung unempfindlich gegen äußere magnetische Felder,
Eisenmassen usw. zu machen, wird sie zweckmäßig mit einem magnetischen Schirm umgeben.