DE1803691B2 - Vorrichtung zur beruehrungsfreien drehmomentmessung an wellen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur beruh- seitige Ring jeweils aus zwei einander nicht berührenrungsfreien Drehmomentmessung an Wellen, mit den, mti ihren Polzungen berührungsfrei ineinanderzwei auf der Welle in axialen Abständen befestigten greifenden Ringen besteht. Bei einer wegen ihrer Ringen mit sich axial gegen den jeweils anderen Ring konstruktiven Einfachheit bevorzugten Ausführungserstreckenden, magnetisierbaren Polzungen, die ein- 5 form besteht jedoch jeder Ring aus einer Vielzahl ander mit von der Torsion der Welle beeinflußbaren von ohne gegenseitige Berührung in Kunststoff ein-Luftspalten gegenüberstehen, sowie mit die Ringe be- gebetteten Polstücken, wobei jedes Polstück eine an rührungsfrei umgebenden Geber- und Empfänger- der Ringinnenseite axial sich erstreckende Polzunge spulen zum Erzeugen eines magnetischen Wechsel- und eine an die Ringaußenseite geführte und dort flusses in dem einen der Ringe und Abgreifen eines io in abwechselnd einer der Ringbahnen angeordnete Meßsignals aus der über die Luftspalte auf den Polfläche aufweist, anderen Ring übertragenden Magnetisierung. Ausführüngsformen der Erfindung werden im fol-

Eine derartige Vorrichtung ermöglicht es, die Tor- genden an Hand der Zeichnung näher erläutert, sion einer Welle und damit das der Torsion propor- F i g. 1 zeigt schematisch eine vereinfachte Aus-

tionale Drehmoment unabhängig von der Drehzahl 15 führungsform der Vorrichtung, wobei nur ein Teil der der Welle, unabhängig von deren Mäterialeigen- Polzungen dargestellt ist;

schäften und ohne mechanische oder magnetische F i g. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild für die in F i g. 1

Bremsung der sich drehenden Welle mit großer Ge- gezeigte Anordnung;

nauigkeit zu messen. Bei einer bekannten Vorrich- F i g. 3 zeigt eine in der Praxis bevorzugte Aus-

tung dieser Art (deutsche Patentschrift 879 612) sind 20 führungsform der Vorrichtung, die Ringe als Flansche der Welle und die Polzungen Gemäß Fig. 1 sind auf einer Welle 1 zwei Ringais einander in Axialrichtung überlappende Fahnen paare 2, 3 und 4, 5 aus ferromagnetischem Material an diesen Flanschen ausgebildet. Die mittige Geber- in einem axialen Abstand voneinander befestigt, spule wird beidseitig von den je einem der Flansche Jedem Ringpaar 2, 3 bzw. 4, 5 ist eine Statorwickzugeordneten Sekundärspulen flankiert. Ein bei dieser 25 lung 6 bzw. 7 zugeordnet, welche zwei den beiden Vorrichtung auftretender Nachteil besteht darin, daß Ringen jedes Ringpaares berührungsfrei gegenüberwegen der axialen Überlappung der Fahnen die Luft- stehende ferromagnetische Polstücke 8, 9 bzw. 10, 11 spalte bei Torsion in der einen Drehrichtung größer aufweisen.

und bei Torsion in der Gegenrichtung kleiner werden, Die beiden Ringpaare weisen axial gegeneinander

so daß man keine in beiden Drehrichtungen symme- 30 gerichtete Polzungen 12, 13, 14 und 15, 16 auf. Die irische Anzeige erhält. Um eine symmetrische An- _m der Zeichnung gezeigte Anzahl von Polzungen ist zeige zu erhalten, muß man die Vorrichtung ver- nur als vereinfachtes Beispiel gedacht. In der Regel doppeln. wird jedes Ringpaar einen vollständigen um den Um-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit fang der Welle herumreichenden Kranz von Polmöglichst einfachen Mitteln eine Vorrichtung mit 35 zungen aufweisen. Die Polzungen jedes Ringpaares symmetrischer Anzeige zu schaffen und gleichzeitig (z. B. 2, 3) liegen in Umfangsrichtung nebeneinander eine erhebliche Empfindlichkeitssteigerung gegen- und sind abwechselnd mit dem einen und anderen über der bekannten Vorrichtung zu erzielen. Ring des Ringpaares verbunden. Die zu verschie-

Hierzu ist die erfindungsgemäße Vorrichtung da- denen Ringpaaren gehörenden Polzungen stehen sich durch gekennzeichnet, daß jeder Ring zwei Kränze 40 mit einem axialen Luftspalt 17 gegenüber, von Polzungen aufweist, die durch Anordnung ihrer Die Statorwicklung 6 ist an eine Wechselspan-

an die Ringaußenseite geführten Polflächeri auf zwei nungsquelle U angeschlossen und erzeugt durch die verschiedenen, axial versetzten Ringbahnen mit ent- Polstücke 8, 9 und die Ringe 2, 3 in den Polzungen gegengesetzter Polarität an die zugehörige Spule an- 12, 13, 14 eine entgegengesetzte, mit A und B begekoppelt sind, und daß in Umfangsrichtung jedes 45 zeichnete Wechselmagnetisierung. Die Polzungen 15 Ringes die Polzungen des einen Kranzes mit denen und 16 stehen bei nicht verdrehter Welle den PoI-des anderen Kranzes abwechseln. zungen 12, 13, 14 genau auf Lücke gegenüber, so

Es wird durch diese Ausgestaltung der Vorrich- daß sich z. B. in der Polzunge 15 die durch die PoI-tung der Vorteil erzielt, daß bei einer Verdrehung zungen 13 und 14 erzeugte Magnetisierung genau der Welle die dem einen Polzungenkranz des empfän- 50 aufhebt, ebenso in der Polzunge 16 die von den PoI-gerseitigen Ringes angehörenden Polzungen sich von zungen 12 und 13 erzeugte Magnetisierung. In den den Polzungen eines der Kränze des geberseitigen Polzungen 15 und 16 und dementsprechend in den Ringes entfernen und sich an die Polzungen des Ringen 4 und 5 ist daher bei nicht verdrehter Welle anderen Kranzes des geberseitigen Ringes annähern, keine magnetische Erregung vorhanden, so daß in so daß die entgegengesetzten Polaritäten der beiden 55 einem an die Statorwicklung 7 angeschlossenen Span-Kränze des geberseitigen Ringes auch in den Kränzen nungsmeßgerät 18 kein Ausschlag beobachtet wird, des empfängerseitigen Ringes induziert werden. Bei Wird jedoch durch ein Drehmoment die Welle

Umkehr der Richtung des Drehmomentes kehren sich torpediert, so verdrehen sich die Ringpaare 2, 3 und die Polaritäten im empfängerseitigen Ring um. Man 4, 5 gegeneinander, wodurch sich die mit ihnen vererhält hierdurch eine sehr empfindliche Messung, 60 bundenen Polzungen, die an der Welle nicht befestigt deren Intensitätsverlauf für beide Richtungen des an- sind, gegeneinander verschieben, bis z.B. die Polgelegten Drehmomentes symmetrisch ist und die eine zungen 15 und 16 die in Fig. 1 gestrichelt gezeichnete echte Nullanzeige bei fehlendem Drehmoment Stellung einnehmen. In dieser Stellung überwiegt z. B. liefert. in der Polzunge 15 die durch die Polzunge 13 er-

Die jeweils einem Kranz angehörenden Polzungen 65 zeugte Magnetisierung, ebenso in der Polzunge 16 die können mit ihren an die Ringaußenseite geführten von der Polzunge 12 erzeugte Magnetisierung. Diese Polflächen jeweils einem durchgehenden Ring ange- entgegengesetzte Magnetisierung der Polzungen hören, so daß der geberseitige und der empfänger- und 16, deren Betrag von dem Maß der Verschiebung

der Polzungen 15 und 16 gegenüber den Polzungen 12, 13, 14 abhängt, induziert über die Ringe 4 und 5 der Statorwicklung 7 eine am Meßgerät 18 ablesbare elektrische Wechselspannung.

Ein elektrisches Ersatzschaltbild für die in Fig. 1 gezeigte Anordnung zeigt Fig. 2, wobei mit R₁ und R₄ die magnetischen Widerstände der Luftspalte zwischen den Ringpaaren 2, 3 bzw. 4, 5 und den zugehörigen Polstücken 8, 9 bzw. 10, 11 der Statorwicklungen bezeichnet sind, während R₂ und R_s die magnetischen Widerstände des Luftspaltes zwischen jeder empfängerseitigen Polzunge (z. B. 15) und den beiden gegenüberstehenden geberseitigen Polzungen (z. B. 13,14) bedeuten.

Die magnetischen Widerstände A₂ und R₃ sind bei nicht tordierter Welle gleich und ändern sich bei einer Torsion gegensinnig, so daß

R₂ = R (1 + je)
R₃ = R(I-X)

ist, wobei χ ein dimensionsloses Maß für die gegenseitige Verdrehung der Polringe ist.

Wenn U die am geberseitigen Polring induzierte magnetische Spannung und [Z₄ die am empfängerseitigen Polring 11 induktiv abgegriffene Meßspannung ist, dann läßt sich unter Verwendung der Kirchhoffschen Regel die Gleichung aufstellen

i/4 .R₄ (R₃ — R₂)

UJU = (RJlR)-X..

(4)

zweier Statorwicklungen 25, 26 berührungsfrei gegenüber. Die Statorwicklungen können entweder durchgehend ringförmig ausgebildet oder aus Segmenten zusammengesetzt sein. Jede Statorwicklung kann entweder als Geber oder als Empfänger angeschlossen werden. Wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 werden durch den geberseitigen, an eine Spannungsquelle angeschlossenen Statorring, z. B. 26, die Polzungen des einen Ringes mit abwechselnd entgegengesetzter Polarität erregt und induzieren über die ihnen gegenüberstehenden Polzungen des anderen Ringes in dem empängerseitigen Statorring, z. B. 25, eine Wechselspannung, deren Betrag der Verdrehung der Welle und damit dem an der Welle liegenden Drehmoment proportional ist.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die Einzelheiten der beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise können die Anzahl, Ausbildung und Anordnung der Polzungen anders gewählt werden. Es ist z. B. möglich, daß die zu verschiedenen Ringen gehörenden Polzungen sich nicht axial gegenüberstehen, sondern in Umfangsrichtung nebeneinanderliegen, so daß durch eine Verdrehung der Welle unmittelbar die Breite eines zwischen zwei Polzungen vorhandenen Luftspaltes geändert wird.

Claims (2)

Patentansprüche: 30 U (R3 + -R2) (2R1 + -R4) + 2-R1K4 + 4K2A8 (3) Nimmt man gleiche Widerstände auf Geber- und Empfängerseite an, d. h. zwei -R1-A4, und verwendet ferner die obigen Gleichungen (1) und (2), so erhält man wenn man die quadratischen Glieder der normalerweise kleinen Auslenkungsgröße χ vernachlässigt. Man erhält so in Näherung (wobei auch Streuflüsse sowie die Wechselwirkungen zwischen nicht unmittelbar benachbarten Polzungen vernachlässigt sind) eine lineare Beziehung zwischen der Meßspannung und der gegenseitigen Verdrehung. Die erfindungsgemäße Einrichtung liefert somit eine dem Drehmoment unmittelbar proportionale, von der Drehzahl der Welle jedoch unabhängige Anzeige. In der Praxis verwendet man eine Anordnung, bei der durch Vervielfachung der Anzahl der Polzungen die Empfindlichkeit vervielfacht wird. Bei der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform sind auf der (nicht dargestellten) Welle zwei identische Ringe 20, 21 aus Kunststoff einander axial gegenüberstehend angeordnet. In die Kunststoff ringe sind kranzförmig angeordnete Polzungen, z. B. 23, 24, eingelassen. Zu den Polzungen gehörende Polflächen (z. B. 23 a, 24 a) sind bis an den Außenumfang der Kunststoffringe 20, 21 geführt und stehen den Polringen, z. B. 27, 28,

1. Vorrichtung zur berührungsfreien Drehmomentmessung an Wellen, mit zwei auf der Welle in axialen Abständen befestigten Ringen mit sich axial gegen den jeweils anderen Ring erstreckenden magnetisierbaren Polzungen, die einander mit von der Torsion der Welle beeinflußbaren Luftspalten gegenüberstehen, sowie mit die Ringe berührungsfrei umgebenden Geber- und Empfängerspulen zum Erzeugen eines magnetischen Wechselflusses in dem einen der Ringe und Abgreifen eines Meßsignals aus der über die Luftspalte auf den anderen Ring übertragenden Magnetisierung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ring zwei Kränze (2, 3 bzw. 4, 5) von Polzungen aufweist, die durch Anordnung ihrer an die Ringaußenseite geführten Polflächen auf zwei verschiedenen, axial versetzten Ringbahnen mit entgegengesetzter Polarität an die zugehörige Spule (6, 7) angekoppelt sind, und daß in Umfangsrichtung jedes Ringes die Polzungen des einen Kranzes mit denen des anderen Kranzes abwechseln.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ring (20, 21) aus einer Vielzahl von ohne gegenseitige Berührung in Kunststoff eingebetteten Polstücken besteht, wobei jedes Polstück eine an der Ringinnenseite axial sich erstreckende Polzunge (z. B. 23, 24) und eine an die Ringaußenseite geführte und dort in abwechselnd der einen oder anderen Ringbahn angeordnete Polfläche (ζ. Β. 23 α, 24 α) aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen