DE1162597B

DE1162597B - Anordnung zur Messung des Drehmomentes an Wellen

Info

Publication number: DE1162597B
Application number: DES76903A
Authority: DE
Inventors: Dr Julius Brunner; Dr Friedrich Kuhrt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-11-29
Filing date: 1961-11-29
Publication date: 1964-02-06
Also published as: GB946281A; US3191434A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: GOIl

Deutsche KX: 42 k-1/04

Nummer: 1162597

Aktenzeichen: S 76903 TX t> / 42 k

Anmeldetag: 29. November 1961

Auslegetag: ·6. Februar 1964

Bei der Drehmomentmessung lassen sich grundsätzlich digitale Impulsverfahren und analoge, sogenannte wegarme Verfahren unterscheiden. Während bei den Impulsverfahren Zählgeräte zur Auswertung erforderlich sind, liefern die wegarmen Verfahren unmittelbar einen analogen Meßwert.

Bisher standen für die wegarme Messung Dehnungsmeßstreifen, Magnetostriktionsgeber und .ähnliche Bauelemente zur Verfügung, die eine genaue Messung nach dem wegarmen Verfahren wesentlich erschwerten. Trotz semer Einfachheit hat sich dieses Verfahren daher bisher nur wenig einführen können.

Es wurde gefunden, daß sich durch die Verwendung eines Hallgenerators unter bestimmten konstruktiven Voraussetzungen erheblich höhere Genauigkeiten erzielen lassen. Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung des Drehmoments an Wellen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß mit zwei voneinander entfernten Wellenabschnitten ein Hallgenerator als Meßwertgeber bzw. ein Permanentmagnet starr verbunden sind, daß die Halbleiterschicht des Hallgenerators wenigstens annähernd in einer Axialebene der Welle liegt und daß der Permanentmagnet derart vor dem Hallgenerator angeordnet ist, daß seine Flußachse im unbelasteten Zustand in die Ebene der Halbleiterschicht fällt. Abweichungen der Lage der Halbleiterschicht von der Axialebene der Welle führen zu einer entsprechenden Verminderung der Hallausgangsspannung.

Die Anordnung nach der Erfindung beruht auf folgenden Überlegungen:

Das an einer Welle vom Radius r wirkende Drehmoment M erzeugt auf einer Länge L der Welle eine Winkelverdrehung

2LM

Ψ =

Anordnung zur Messung des Drehmomentes
an Wellen

Anmelder:

Siemens-Sohuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. Julius Brunner,

Dr. Friedrich Kuhrt, Nürnberg

wobei S der Scherungsmodul des Wellenmaterials ist. Bringt man an den Enden des betrachteten Wellenstückes von der Länge L zwei Scheiben vom Radius R an, so ist die relative Umfangsverschiebung von zugeordneten Punkten an den Scheibenumfängen gleich R-φ. Diese Größe wird gemäß dem Vorschlag der Erfindung bestimmt und stellt ein proportionales Maß für das Drehmoment M dar.

Nähere Einzelheiten der Erfindung seien im folgenden an Ausführungsbeispielen beschrieben, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt einen Abschnitt 1 einer Welle vom Radius r. An der Welle sind im Abstand L zwei Winkelarme 2, 3 befestigt, von denen der eine einen Permanentmagneten 4 und der andere einen Hallgenerator 5 trägt. Permanentmagnet und Hallgenerator stehen sich im Abstand R von der Wellenachse gegenüber. Die Steuerstromelektroden 6, 7 des Hallgenerators können an Schleifringe 8, 9 angeschlossen sein, denen über Bürsten 10,11 Steuerstrom aus einer nicht dargestellten Gleichstromquelle zugeführt wird. Zur Einstellung des Steuerstroms kann ein Widerstand 12 dienen. Die Hallelektroden 13,14 sind ebenfalls an Schleifringe 15, 16 geführt, und ein Anzeigegerät 17 ist an Bürsten 18, 19 angeschlossen, die den Schleifringen 15, 16 zugeordnet sind. Das Anzeigegerät kann unmittelbar in Einheiten des Drehmoments geeicht werden.

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht der Anordnung nach Fig. 1, wobei übereinstimmende Bezugszeichen übernommen worden sind. Der Hallgenerator 5 ist zwischen zwei Ferritpolschuhen 20 und 21 angeordnet, die Ebene des Halbleiterplättchens liegt voraussetzungsgemäß in einer Axialebene der Welle. Die Ferritpolschuhe sind für die Erhöhung der Empfindlichkeit günstig, da sie den Fluß des Permanentmagneten auf die Halbleiterschicht konzentrieren. Der Permanentmagnet 4 ist derart vor dem Hallgenerator angeordnet, daß seme Flußachse im unbelasteten Zustand der Welle in die Ebene der Halbleiterschicht fällt. Zum Zwecke der Justierung kann man beispielsweise, wie in F i g. 2 dargestellt, an dem Ann 2 eine Gabel 22, 23 anordnen, in der Rändelschrauben 24, 25 geführt sind. Auf diese Weise kann man im Stillstand der unbelasteten Welle das Ausgangssignal des Hallgenerators exakt auf NuU abgleichen.

In F i g. 2 ist durch Pfeile 26, 27 angedeutet, wie sich bei Belastung der Welle Hallgenerator und Permanentmagnet gegeneinander verschieben. Sobald eine solche Verschiebung eintritt, wird das Halbleiter-

409 507/218

plättchen von einem kleineren oder größeren Teil des Flusses des Permanentmagneten durchsetzt und liefert eine Hallspannung, die mittels des Instrumentes 17 gemessen werden kann. Bei den praktisch in Betracht kommenden Verschiebungen ist die Hallspannung dem Drehmoment genau proportional. Statt des Meßgerätes können selbstverständlich auch Meßwertumformer für die Verwertung des Signals in Steueroder Regeleinrichtungen vorgesehen sein.

Um Verfälschungen der Messung durch die Schleifringe und Bürsten zu vermeiden und die Betriebssicherheit der Anordnung zu erhöhen, kann man den Hallgenerator mit Steuerwechselstrom über einen rotationssymmetrischen Transformator speisen und die Hallspannung über einen weiteren Transformator auswerten. Dies ist schematisch in F i g. 3 dargestellt. Jeder der beiden Übertrager besteht aus zwei Kernteilen von U-förmigem Querschnitt, von denen der eine Kernteil 28 bzw. 29 fest mit der Welle verbunden ist, während der andere Kernteil 30 bzw. 31 im Raum stillsteht. Beide Kernteile sind mit Toroidwick-Iungen32, 33, 34 und 35 versehen, die als Primärbzw. Sekundärwicklungen wirken. Die Primärwicklung 33 des Steuerstromtransformators kann über einen Stelltransformator 36 an ein Wechselstromnetz angeschlossen werden, während die Sekundärwicklung 34 des Hallspannungstransformators, gegebenenfalls über einen Gleichrichtersatz 37, an das Anzeigegerät 17 geführt ist. Die Wirkungsweise der Meßanordnung entspricht im übrigen der bereits erläuterten.

Die beiden Arme 2 und 3 müssen nicht aus magnetischem Material bestehen, sondern können im Interesse geringen Gewichtes auch aus beliebigen anderen Werkstoffen, beispielsweise Aluminium, hergestellt werden. Um Unwuchterscheinungen an der Welle zu vermeiden, kann man, um 180° am Umfang versetzt, zwei weitere Arme gleicher Ausbildung vorsehen und an diesen gegebenenfalls einen weiteren Permanentmagneten bzw. einen weiteren Hallgenerator anordnen.

Auch in anderer Hinsicht besteht bei der konstruktiven Ausgestaltung der Befestigungsmittel für Permanentmagnet und Hallgenerator weitgehend Freizügigkeit. Beispielsweise kann man einen der beiden Arme statt als Winkelarm als geraden Arm ausbilden. Es ist auch möglich, eine Scheibe vorzusehen, an der der Hallgenerator befestigt ist, und an einer weiteren Scheibe den Permanentmagneten anzuordnen. Die letztere Scheibe kann dann zweckmäßig über einen konzentrischen Hohlzylinder mit einem entfernten Wellenabschnitt verbunden sein. In allen Fällen ist nur darauf zu achten, daß die geometrischen Beziehungen zwischen Axialebene der Welle, Ebene des Halbleiterplättchens und Flußachse des Permanentmagneten eingehalten werden. Die Messung liefert, unabhängig von der Drehzahl, also auch im Stillstand, einen genauen analogen Wert für das Drehmoment der Welle.

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Messung des Drehmoments an Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß mit zwei voneinander entfernten Wellenabschnitten ein Hallgenerator (5) als Meßwertgeber bzw. ein Permanentmagnet (4) starr verbunden sind, daß die Halbleiterschicht des Hallgenerators wenigstens annähernd in einer Axialebene der Welle liegt und daß der Permanentmagnet derart vor dem Hallgenerator angeordnet ist, daß seine Flußachse im unbelasteten Zustand der Welle in die Ebene der Halbleiterschicht fällt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht zwischen Ferritpolschuhen (20, 21) angeordnet ist.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung von Steuerwechselstrom ein rotationssymmetrischer Transformator dient, dessen Primärwicklung (33) im Raum feststeht, während die Sekundärwicklung (32) mit der Welle rotiert.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung der Hallwechselspannung ein rotationssymmetrischer Transformator dient, dessen Primärwicklung (35) mit der Welle rotiert, während die Sekundärwicklung (34) im Raum feststeht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 507/218 1.64

ι Bundesdruckerei Berlin