DE1803691C - Vorrichtung zur beruhrungsfreien Dreh momentmessung an Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur beruh- seifige Ring jeweils aus zwei eg»«*^

rungsfreien Drehmomentmessung an Wellen, mit den, mti ihren Polzungen beruh ungsfreiineinander-

zwei auf der Welle in axialen Abständen befestigten greifenden Ringen besteh . Bei einer wegen nrer

Ringen mit sich axial gegen den jeweils anderen Ring konstruktiven Einfachheit bevorzugten Ausiunrungserstreckenden, magnetisierbar Polzungen, die ein- s form besteht jedoch jeder Ring aus e ner Vielzahl

ander mit von der Torsion der Welle beeinflußbaren von ohne gegenseitige Berührung in Kunststoti eln-

Luftspalten gegenüberstehen, sowie mit die Ringe be- gebetteten Polstücken, wobei jedes Polstück ene an

rührungsfrei umgebenden Geber- und Empfänger- der Ringinnenseite axial sich emtreckende Polzunge

spulen zum Erzeugen eines magnetischen Wechsel- und eine an die Ringaußenseite geführte und dort Musses 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. Ausführungsformen 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- Fig. 1 zeigt schematisch eine vereinfachte Aus-

tionale Drehmoment unabhängig von der Drehzahl 15 führungsform der Vorrichtung, wobei nur ein Ieil der

der Welle, unabhängig von deren Materialeigen- Polzungen dargestellt ist;

schäften und ohne mechanische oder magnetische Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild für die in Fig. 1

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

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

tung dieser Art (deutsche Patentschrift 879 612) sind ao führungsform der Vorrichtung,

die Ringe als Flansche der Welle und die Polzungen Gemäß Fig. 1 sind auf einer Welle 1 zwei Ring-

als 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 Statorwick-

zugeordneten Sekundärspulen flankiert. Ein bei dieser »5 lung 6 bzw. 7 zugeordnet, welche zwei den beiden

Vorrichtung auftretender Nachteil besteht darin, daß Ringen jedes Ringpaares berührungsfrei gegenüber-

wegen 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

trische Anzeige erhält. Um eine symmetrische An- in 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 dei Welle herumreichenden Kranz yon Polmöglichst einfachen Mitteln eine Vorrichtung mit 35 zungen aufweisen. Die Pobungen jedes Ringpaares symmetrischer Anzeige zu schaffen und gleichzeitig (z. B. 2, 3) liegen in Umfangsrichtung nebeneinander eine erhebliche Empfindlichkeitssteigerung gegen- uaJ ..LJ abwechselnd mit dem einen und anderen über der bekannten Vorrichtung zu erziele^. Ring des Ringpaares verbunden. Die zu verschie-

Hierzu ist die erfindungsgemäße Vorrichtung da- Jc~.?.n Ringpaaren gehörenden rvbungen Steher, sich durch gekennzeichnet, daß ieHpr Ru₁-. ^wpi Kränze 40 mn einem axialen Luftspalt !7 "<?ei"uüb^r
von Pol/untjen aufweisi, -■' Mi;... ,v.i^.Jr.uug inrer Die Statorwicklung 6 ist an eme Wecbselsp-tr, au uic KiiigttUDciiscuc gtiuhrten Polflächen auf zwei nungsquelle U angeschlossen und erzeugt duicu üie 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 Folzungen 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- so 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 1 Umkehr der Richtung des Drehmomentes kehren sich torpedierl:, 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 PoI-gelcgten Drehmomentes symmetrisch ist und die eine zungen Ü5 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 auge- entgegengesetzte Magnetisierung der Polzungen 15

hören, so daß der gebersuitige 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 S der Statorwicklung 7 eine Hm Meßgerät 18 ablesbare elektrische Wechselspannung.

Ein elektrisches Ersatzschaltbild für die in Fig. 1 gezeigte Anordnung zeigt Fig. 2, wobei mit R₁ und Ii_i 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 /?« und Ä_s die to magnetischen Widerstände des Luftspaltes zwischen jeder empfängerseitigen Polzunge (z. B. 15) und den beiden gegenüberstehenden gebersei tigen Polzungen (z. B. 13,14) bedeuten.

Die magnetischen Widerstand« R_ä und A₃ sind bei nicht tordierter Welle gleich und ändern sich bei einer Torsion gegensinnig, so daß

R_t = R (1 + x)
R₃ = R(I-X)

(D (2)

ao

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

Wenn U die am geberseitigen Polring induzierte magnetische Spannung und t/₄ die am empfänger- as seitigen Polring 11 induktiv abgegriffene Meßspannung ist, dann läßt sich unter Verwendung der Xirchhoffschen Regel die Gleichung aufstellen

tf« ₌ MA₃-A₂)

U (R₃ + R₂)(2R_X + A₄) + 2R₁R₄ +4R^_x'

(3)

Nimmt man gleiche Widerstände auf Geber- und Ennifänperseite an, d. h. zwei R —R_v und verwendet ferner c''·.- obigen Gleichungen (l) und (2), so erhält man

UJU =

(4)

w' 'sn man die quadratischen Glieder der normaler we'st *v',i. 1 Auslenkungsgröße χ vernachiäv.L:. Mi trKi' . in Näherung (wobei auch StreuiiuSsc 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 ί g. 3 gezeigten Ausführungsform sind auf der (nicht dargestellten) Welle zwei identische Ringe 20, 21 aus Kunststoff einander axial gegenüberstehend angeordnet. In die Kunststoffringe sind kranzförmig angeordnete Polzungen, z. B. 23, 24, eingelassen. Zu den Polzungen gehörende Polflächen (ζ. Β. 23 α, 24α) sind bis an den Außenumfang der KunststofTringe 20, 21 geführt und stehen den Pol ringen, z. B. 27, 28, zweier Statorwicklungen 25, 26 berührungsfrei gegenüber. Die Statorwicklungen können entweder durchgehend ringförmig ausgebildet oder aus Segmenten zusammengesetzt sein. Jede Stntorwicklung 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 Polzungcn des anderen Ringes in dein empängcrseitigen Statorring, z. B. 25, eine Wechselspannung, deren Betrag der Verdrehung der Welle und damit dem an der Welie liegenden Drehmoment proportional ist.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die Einzelheiten der beschriebenen AusfUhrungsformen 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 Ver drehung der Welle unmittelbar die Breite eines zwischen zwei Polzungen vorhandenen Luftspaltes geändert wird.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur berUhrungsfreien 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 ein ander mit von der Torsion der Welle beeinflußbaren Luftspalu-n ;v^ .;al<· Άί.'-ιϊ-η, s. «.':? mW die Ringe berührungsfrei unigebenden Geber- ui:j Empfangetspuler, .·. irr ■'.:/· i_₆en eines magnetischem Wcchv;iüu m:* ;·. Oi¹JTt einen der R'n-c "\d .*bgieiicn cine; MeL 'ns'« am der üN-i -.}.? Ϊ uttsnalti: auf <<<"" andere·! '■:,■·;,' iK r: .ni⁴¹ : 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 Zeichnuneen