DE2129300A1

DE2129300A1 - Elektrischer Kraftmesser

Info

Publication number: DE2129300A1
Application number: DE19712129300
Authority: DE
Inventors: Theodore Quebec Wildi (Kanada)
Original assignee: Lab Volt (Quebec) Ltd , Quebec (Kanada)
Priority date: 1970-07-06
Filing date: 1971-06-12
Publication date: 1972-02-10
Also published as: GB1337046A; US3657923A; CA922922A; FR2097750A5

Description

IAB-VOLT (QUEBEC) LIMITED, Quebec 1.2, CANADA.

"Elektrischer Kraftmesser"

Die Erfindung "betrifft einen elektrischen Kraftmesser zum Messen des mechanischen Drehmoments eines Motors oder anderer Geräte.

Ein für Laborzwecke und für industrielle Anwendungen entwickelt3*Kraftmesser weist eine drehbare Kupferscheibe auf, die mit dem Motor zur Messung des Drehmoments gekuppelt ist. Ein Permanentmagnet, dessen Entfernung von der Kupferscheibe eingestellt werden kann, erzeugt einen Fluß 0, der beim Drehen der Scheibe eine Spannung in der Scheibe hervorruft. Diese induzierte Spannung führt zu einem induzierten Strom, dessen Größe im wesentlichen von dem elektrischen Widerstandswört der Scheibe abhängt. Bekannte theoretische Überlegungen zeigen, daß das entwickelte Drehmoment von der Drehgeschwindigkeit und von dem

109887/1138

21293QO

effektiven Wert des durch die Scheite von dem Permanentmagneten ausgehenden Fluß unmittelbar abhängt. Die Messung des Drehmoments erfolgt dadurch, daß man an dem Permanentmagneten eine Feder "befestigt, die mit einem mit einer Skala zusammenarbeitenden Zeiger ausgestattet ist. Das Drehgesehwindigkeits-Drehmoment-Verhältnis eines solchen Kraftmessers steigt für eine bestimmte Einstellung des· Dauermagneten linear mit der Geschwindigkeit, wobei das Bremsdrehmoment bei niedriger Geschwindigkeit sehr niedrig liegt.

Ein weiterer, dem beschriebenen Kraftmesser ähnlicher Kraftmesser ist ebenfalls mit einer Kupferscheibe ausgestattet, die jedoch von dem magnetischen Fluß eines Elektromagneten durchquert wird, der zwar mit Bezug auf die Scheibe fest angeordnet ist. Der Elektromagnet wird durch eine regulierbare Stromquelle gespeist, so daß der sich durch die Kupferscheibe erstreckende Fluß veränderlich ist. Bei. dieser Anordnung erübrigt sich die mechanische Verschiebung des Magneten, weil die Flußänderungen -gemäß dem Strom und nicht gemäß einer mechanischen Verschiebung stattfinden. Auch bei diesem Kraftmesser ist das -Drehmoment von der Geschwindigkeit unmittelbar abhängig und hat bei langsamen Geschwindigkeiten einen sehr niedrigen Wert.

Die meisten Elektromotoren entwickeln erhebliche Anlauf-

109887/1138

drehmoment e, die "bis zu 300 $ Vollast drehmoment es erreichen können. Dagegen ist das Bremsdrehmoment der bekannten Kraftmesser nur "bei höheren Geschwindigkeiten hoch. Infolgedessen befriedigen die bekannten Kraftmesser nicht ganz, weil sie hohe Drehmomentwerte bei niedrigen Geschwindigkeiten nicht zu messen vermögen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , einen elektrischen Kraftmesser zu schaffen, dessen Geschwindigkeits-Drehmoment-Charakterist ic an Elektromotoren angepaßt ist, die hohe Anlaufdrehkräfte entwickeln.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch die Anordnung eines Traggestells und eines an diesem drehbeweglichen Ständers mit einer Wicklung, die mittels einer regelbaren Gleichstromspannung zur Bildung einer vorbestimmten Anzahl Magnetpole erregbar ist sowie durch die Anordnung eines im Ständer drehbeweglich untergebrachten Käfigläufers, der mit dem zu messenden Motor zur Bildung eines Drehmoments zwischen läufer und Ständer zum Drehen desselben kuppelbar ist, gelöst und bei dem weiterhin zwischen Ständer und Traggestell eine Feder zur Aufnahme des am Ständer durch den läufer ausgeübten Drehmoments und Mittel zum Messen der Drehungszahl des Ständers gegen die Federkraft zum Liefern einer Drehmomentanzeige des Motors vorgesehen sind.

109887/1138

Gegenüber dem Stand der Technik besitzt ein solcher Kraft— meaasr den Vorteil, daß er besser an handelsübliche Motoren angepaßt ist. Bei langsamen Geschwindigkeiten ist die Drehkran hoch und bei hohen Geschwindigkeiten niedrig. Ein

•v.

weiterer Vorteil liegt in der guten Eühlwirkung des Läufers im Vergleich zu Scheiben-Kraftmessern. Zusätzlich am Ständer angebrachte Kühlrippen helfen die Kühlung des Kraftmessers weiter zu verbessern. Zweckmäßig ist der Käfigläufer mit einem niedrigen Widerstands-Induktivitätsverhältnis ausgerüstet. ·

In Ausgestaltung der Erfindung ist der Ständer an seinen ' Enden durch in senkrechten Stützteilen des Traggestells gehaltene Lagerzapfen drehbar und zur Verbindung des Läufers und,des au prüfenden-Motors die Käfigläuferwelle mit einer Riemenscheibe od. dgl. ausgestattet.

Gemäß weiterer Erfindung ist die Anordnung einer eine vorbestimmte Anzahl von Windungen aufweisenden Torsionsfeder vorgesehen, die mit einem Ende am Traggestell und mit dem anderen Ende mit dem Ständer verbunden ist. Hierdurch ist ein großer Ausschlag bzw. Pendelbewegung des Ständers mit Bezug auf die Linearität möglich ohne daß Übersetzungsgetriebe, wie z. B. Ritzel mit Zahnstange od. dgl., erforderlich sind. Zwar könnte auch eine gerade Feder benutzt werden, um denselben Ausschlag ohne Übersetzungsantrieb zu

109887/1138

erreichen, jedoch würde sie einen größeren Platzbedarf benötigen. Durch die Anordnung lösbarer Befestigungsmittel für die Feder kann diese zur Eichung des Kraftmessers verstellt werden.

Schließlich ist noch eine mit einem Ende am Ständer befestigte Skala und am Traggestell ein Zeiger vorgesehen, wobei die Skala zur unmittelbaren Anzeige der Drehmomentswerte geeicht ist.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen bekannten Kraftmesser zum Messen des Drehmoments eines Motors,

Fig. 2 ein Geschwindigkeits-Drehmomentdiagramm eines be-, kannten Kraftmessers,

Fig. 3 einen bekannten Kraftmesser gemäß einer anderen Bauart,

Fig. 4 ein Diagramm der Geschwindigkeit mit Bezug auf das Drehmoment eines Elektromotors,

Fig. 5 einen elektrischen Kraftmesser nach der Erfindung, schematisch,

Fig. 6 ein Geschwindigkeits-Drehmomentdiagramm eines elektrischen Kraftmessers gemäß Figur 2 für Vergleichszwecke,

Fig. 7 einen Kraftmesser gemäß Figur 5 in Ansicht,

Fig. 8 eine Skala des elektrischen Kraftmessers gemäß Figur 7 und

Fig. 9 ein Schaltschema eines Netzversorgungsteils für den .' Ständer eines Kraftmessers,

109887/1138

■■;·■■·#■

Figur 1 zeigt einen Kraftmesser für labors und für den industriellen Einsatz. Er umfaßt eine aus Kupfer oder Aluminium bestellende Scheibe 10, die an einer durch Lager getragenen Welle 12 "angeordnet ist. Die Welle 12 ist durch eine Riemenscheibe 16 drehbar.

Mit mehr oder weniger großem Abstand ist der Scheibe 10 ein Permanentmagnet 18 zugeordnet. Der Abstand zwischen der Scheibe 10 und dem Permanentmagnet 18 ist durch eine durch ein Stützglied 22 getragenen Schraube 20 veränderlich. Der Permanentmagnet erzeugt einen "Fluß 0_t der bei Drehung der Scheibe eine Spannung in dieser induziert. Der Spannungswert hängt sowohl von dem Fluß als auch von der Drehgeschwindigkeit to der Scheibe 10 ab. Die induzierte Spannung führt zu einem induzierten Strom, dessen Größe von dem durch die Scheibe dargestellten elektrischen Widerstand R abhängt.

Bekannte theoretische Überlegungen zeigen, daß bei mäßigen

2 Geschwindigkeiten das entwickelte Drehmoment 0 M ungefähr

R proportional ist und deshalb von der·Drehgeschwindigkeit und von dem wirksamen, die Scheibe durchquerenden Dauermagnetfluß abhängig ist. Dieses Geschwindigkeits-Drehmoment-Verhältnis ist in Figur 2 gezeigt (und wiederum als Kurve B in Figur 6), woraus entnehmbar ist', daß bei einer gegebenen Stellung des Dauermagneten 18 (0 = 1,^=0,7) das Drehmoment sich linear mit der Geschwindigkeit ändert* Es ist ebenso offensichtlich, daß bei stillstehender Scheibe das Drehmoment (Drehkraft) null ist.

— 1 —

Die Drehmomente lassen sich, dadurch, messen, daß eine Feder am Permanentmagnet und einem Zeiger 26 befestigt ist und daß sich bei Drehung der Scheibe durch die Bewegung des Permanentmagneten um die Achse 29 des Stützgliedes 22 der Zeiger über eine Skala 28 bewegt.

Ein elektrischer Kraftmesser gemäß einer anderen gebräuchlichen Bauart, die einen Elektromagneten 30 umfaßt, ist in Figur 3 gezeigt. Dieser Magnet ist ortsfest und erhält Strom (i) von einer Quelle 32. Der Wert dieses Gleichstroms läßt sich durch geeignete Einrichtungen regeln, so daß der die Kupferscheibe 10 durchquerende Fluß ebenso geändert werden kann. Der Kraftmesser ist der Anordnung gemäß Figur 1 weitgehend identisch, mit der Ausnahme, daß eine mechanische Bewegung des Magneten entbehrlich ist, weil durch eine Stromänderung anstatt einer mechanischen Verschiebung der Fluß veränderlich ist. In diesem Fall ist das Drehmoment der Geschwindigkeit direkt proportional und besitzt bei niedriger Geschwindigkeit einen sehr niedrigen Wert.

Die meisten Elektromotoren entwickeln sehr hohe Anlaufdrehmomente, die 300 $> und mehr des normalen Wertes der Vollast erreichen (Figur 4). Um solche Drehmomente messen zu können, sollte im Idealfall der Kraftmesser eine derartige Charakteristik besitzen, daß er bei niedrigen Geschwindigkeiten eine große Drehkraft und bei hoher Geschwindigkeit ein etwas

109887/1138

21293 OO

geringeres Drehmoment besitzt. Die in den Figuren 1 und 2 abgebildeten Kraftmesser entsprechen in keiner Weise diesen Anforderungen. Bei diesen liegt im Gegenteil bei'hoher Geschwindigkeit ein großes und bei niedriger Geschwindigkeit ein kleines Drehmoment vor.

Zur Erreichung dieses Drehmoment-Geschwindigkeitsverlaufs bei einem Kraftmesser wurde die schematisch in Figur 5 abgebildete Anordnung geschaffen. Si umfaßt einen arjfeich bekannten Ständer 34, der z. B-. in handelsüblichen Induktionsmotoren angewandt wird und der mit einer Wicklung 36 versehen ist, die in den Nuten 38 verteilt ist, um zwei oder mehr Pole zu bilden. Die Wicklung 36 ist mit zwei Klemmen 40 und 42 verbunden, die zur Erregung mit einer regelbaren Gleichstromquelle in Verbindung stehen, um den Magnetfluß innerhalb des Kraftmessers einzustellen.

Der Ständer 34 ist auf Stützrollen 44 drehbar abgestützt, so daß jede auf den Ständer ausgeübte Kraftwirkung an eine Feder 46 übertragen wird, die mit dem Ständer 34 und einer ortsfesten Halterung in Verbindung steht. Ein an sich bekannter Spritzgußkäfigläufer 48 mit Endringen 50 und Stäben52 ist innerhalb des Ständers 34 drehbar gelagert.

Wird der Läufer durch eine äußere Kraftwirkung in Drehung versatzt, so schneiden die Läuferstäbe 52 den durch die

109887/1138

Ständerwicklung 36 erzeugten Fluß, so daß ein Strom und eine Spannung in dem Käfig des Läufers 48 induziert werden. Dabei hängt der Spannungswert sowohl von der Geschwindigkeit als auch von dem Fluß der Wicklung 36 ab. Der Stromwert hängt jedoch sowohl von dem Widerstandswert des Läufers als auch von seiner Induktivität ab, was den Hauptunterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Kraftmesser und den bekannten Kraftmessern darstellt. In der Tat, wie später erläutert, übt die Induktivität einen sehr großen Einfluß auf den Geschwindigkeits-Drehmomentverlauf dieser Maschine aus.

Die Gesehwindigkeits-Drehmomentkurve des vorgeschlagenen Kraftmessers ist als Kurve A in Figur 6 gezeigt. Es ist ersichtlich, daß bei niedrigen Geschwindigkeiten große und bei hohen Geschwindigkeiten mäßige Drehmomente entwickelt werden. Für Vergleiehszwecke stellt B die Gesehwindigkeits-Drehmomentkurve der in den Figuren 1 und 3 gezeigtenKraftmesser dar. Aus den Kurven A und B geht hervor, daß der vorgeschlagene Kraftmesser dem. Messen der Anlauf- und Laufdrehmomente von Motoren gerecht wird. Das Drehmoment erreicht seinen Höchstwert 5L_ax bei der Geschwindigkeit &*_. Der Wert dieses höchsten Drehmoments und die diesbezügliche Geschwindigkeit sind durch die elektrischen Daten der Maschine festgelegt.

Eine theoretische Analyse dieses Kraftmessers zeigt, daß für eine zweipolige Anordnung das Drehmoment T gegeben ist

109887/1138

durch die Gleichung

κ ω μ² I²R

2 P"?
R+ W- IT

Hierin "bedeuten:

ΐ = Drehkraft (Drehmoment)

tu '=- Winkelgeschwindigkeit in Bogenmaß pro Sekunde

M = Gegeninduktivität zwischen der Ständer- und Läuferwicklung (in Henrys)

I = in der Ständerwicklung vorhandener Gleichstrom (in Amperes)

R = Widerstandswert der Läuferwicklung (in Ohm) L = Eigeninduktivität des Läufers (in Henrys) K = Konstante gemäß den angewandten Einheiten.

Die Geschwindigkeits-Drehmomentkürve A der Figur 6 stellt das unmittelbare Ergebnis und eine graphische Darstellung dieser Gleichung dar. Es zeigt sich, daß das höchste Drehmoment T_n- "bei einer GeschwindigkeitCo_n entwickelt wird, wo:

Um große Bremsdrehmomentwerte bei niedrigen Geschwindigkeiten zu entwickeln, müssen daher Kraftmesser mit läufern ausgestattet sein, in denen das Verhältnis R- niedrig ist.

109887/1138

Dies bedeutet Läufer, die eine große Induktivität und einen kleinen Widerstandswert besitzen. Käfigläufer besitzen diese tJrundeigenschaft. Dagegen weisen die in Figur 1 und 2 gezeigten Kupferscheibenläufer sehr tiefe Induktivitätswerte auf, so daß sie erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten ihr höchstes Drehmoment entwickeln. Aus diesem Grund sind Kupferscheiben-Kraftmesser zum Messen der Anlaufdrehmomente von handelsüblichen Induktionsmotoren nicht geeignet.

Die Gesehwindigkeits-Drehmomentkurve des erfindungsgemäßen Kraftmessers ist besser geeignet, die Drehmoment-Geschwindigkeitseigenschaften von Induktionsmotoren wie auch von Gleichstrommotoren zu messen. Zwar entwickelt er kein Drehmoment bei einem Geschwindigkeitswert von null, jedoch kann der Kraftmesser so ausgelegt werden, daß er bei niedrigen Geschwindigkeiten bis auf 5 $ der Geschwindigkeit unter voller Belastung sehr hohe Bremsdrehmomente entwickeln kann. Der 5 i°—Wert liegt noch nahe genug an dem Kippmoment des zu prüfenden Motors. In der Tat ist ein Kriechlaufen der Maschine dem gekippten Zustand vorzuziehen, weil letzteres wegen der Polanordnung zu Schwankungen des Drehmoments führt.

Mit Bezug auf Figur 5 wegen des zwischen dem Läufer 48 und dem Ständer 34 entwickelten Drehmoments versucht der Ständer-

109887/1138

in derselben Richtung wie der Läufer zu drehen und-wird . lediglich durch die Feder 46 zurückgehalten. Das durch . den Läufer entwickelte Drehmoment wird bis auf kleinere Reibungsverluste vollends übertragen, so daß ein an die

Feder 46 befestigter Zeiger 54 das entwickelte Drehmoment gemäß den Strichen einer Skala 56 zeigen kann. .'

Es ist hier zu erwähnen, daß eine gerade, der Feder 46 entsprechende Feder recht lang sein müßte, um in der schematischen Anordnung zu genauen Werten an der Skala 56 zu kommen. Aus Platzgründen ist dies schwierig zu verwirklichen, so daß aus diesem Grund die gerade Feder 46 durch eine dem · Ständer 34' gleichachsig zugeordnete Torsionsfeder ersetzt wird, so daß ohne irgendwelchen Verlust an Linearität eine viel größere Drehung des Ständers ermöglicht wird.

Figur 7 zeigt die wesentlichen äußeren Bauteile des vorge^ schlagenen Kraftmessers. Der Stator 34 ist durch Lagerzapfen 60 getragen, die ihrerseits in Stützgliedern 62, 64 am vorderen und hinteren Ende eingreifen und durch Schellen 65 ' · gehalten sind. Eine Riemenscheibe 66 ist mit dem zu prüf enden Motor verbunden, um den Drehmoment-Geschwindigkeitsverlauf zu ermitteln. Mit einer Schraubenfeder 68 ist der Stän-_ der 34-über ein Elemmgilied 70 unmittelbar verbunden. Die Feder 68 ist weiter durch ein Klemmglied 74 an die Welle 72 befestigt. Die Welle 72 ist in einem Stützglied 76 drehbar gejiagert, das seinerseits && eiiiem mit dem Stützglied 62

109887/1138

verbundenen Ansatz 78 "befestigt ist. Durch im Bereich der Mittelachse der Schraubenfeder 68 geführte Drähte 80 wird eine elektrische Verbindung mit der Ständerwicklung zustande gebracht.

Eine Skala 82 ist am Riemenscheibenende des Ständers angeordnet und ist im einzelnen in Figur 8 abgebildet. Die Länge der Skala beträgt 270°. Die Eichung der Skala läßt sich da-. durch erreichen, daß man die Anzahl der zwischen dem Ständer 34 und dem Stützglied 76 vorhandenen Windungen ändert. Nach der Eichung werden die Klemmglieder 70 und 74 befestigt. Das entwickelte Drehmoment des Kraftmessers ist durch Wechseln der Erregung der Ständerwicklung regelbar, indem man den Anschlag der Skala 82 mit.Bezug auf den Zeiger 84 beobachtet.

Anschläge 85 sind an dem Ständer vorhanden, um mehr als eine Umdrehung des Ständers zu verhindern.

Die Gleichstromversorgung der Ständerwicklung läßt sich in bequemer Weise durch die Schaltung gemäß Figur 9 erzeugen. In dieser Schaltung werden die Klemmen 86 und 88 mit Wechselstrom beaufschlagt. Die Klemmen sind mit einem Regeltransformator 90 in Reihe verbunden, der einen Abgriff 92 besitzt. Ein Spannungsbegrenzungswiderstand 93 is"fc zwischen dem Abgriff 92 und einer Klemme des Regeltransformators 90 angeordnet. Der Auegang vom Abgriff 92 ist zu einer Diodenbrücie

.10988771138

-H-

geführt, um einen Ausgangsgleichstrom zu erzielen, der an die Klemmen der Ständerwicklung geführt wird. Wegen der hohen Induktivität "der Wicklung, die an sich ein reichendes Filter bildet und für einen gleichbleibenden Gleichstrom im Ständer sorgt, ist eine Glättung nicht nötig.

7/11

Claims

Pat entansprüche

1. Elektrischer Kraftmesser zum Messen des Drehmoments eines Motors, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: ^:

a) einem Traggestell,

b) einem am Traggestell drehbeweglich angeordneten Ständer (34) mit einer Wicklung (36)» die mittels einer regelbaren (Reichstromspannung zur Bildung einer vorbestimmten Anzahl Magnetpole erregbar ist,

c) einem im Ständer (34) drehbeweglich untergebrachten Käfigläufer (48), der mit dem Motor zur Bildung eines Drehmoments zwischen läufer (48) und Ständer (34) zum Drehen desselben kuppelbar ist,

d) einer den Ständer (34) und das Traggestell verbindenden Ped'er zur Aufnahme des am Ständer (34) durch den läufer ausgeübten Drehmoments und

e) Mittel zum Messen der Drehungszahl des Ständers gegen die Federkraft zum Liefern einer Dräijnomentanzeige des Motors.

2. Kraftmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Käfigläufer (48) mit einem niedrigen Widerstands-Induktivi- j täts-Verhältnis.

3. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (34) an seinen Enden durch in senkrechten Stützteilen (62, 64) des Traggestells getragene Lagerzapfen drehbar abgestützt ist.

109887/1138

4. Kraftmesser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Käfigläuferwelle mit einer drehfest verbundenen Riemenscheibe- (66), die mit dem zu prüfenden Motor verbindbar ist. .

5. Kraftmesser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anordnung einer Schraubenfeder (68) mit einer vorbestimmten Anzahl Windungen, die mit einem Ende am Traggestell und mit dem anderen Ende mit dem Ständer (34) verbunden ist.

6. Kraftmesser nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Anordnung lösbarer Federbefestigungsmittel (70, 74), die nach Eichung des Kraftmessers festspannbär sind.

7. Kraftmesser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anordnung einer Skala (82), die mit einem Ende am Ständer (34) befestigt ist und.

^/ daß am Traggestell ein Zeigeifangreift, wobei die Skala zur ■unmittelbaren Anzeige des Motordrehmoments geeicht ist.

8. Kraftmesser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (34) durch einen Anschlag (85) an Drehbewegungen größer als eine

- Umdrehung gehindert ist. , '

10.98-87/11

9. Kraftmesser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle und die STänderwicklung durch entlang der Mittellängsachse der Schraubenfeder (68) geführte Anschlußdrahte miteinander verbunden sind.

10. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Gleichstromquelle durch eine Wechselstromquelle mit einer ersten und zweiten Klemme gespeist ist, die einen Regeltransformator (90) aufweist, dessen eine Klemme mit der ersten Klemme der Wechselstromquelle verbunden ist, daß ein zwischenbeweglicher Abgriff (92) undein Spannungs— begrenzungswiderstand vorgesehen ist, der mit dem Abgriff und der anderen Klemme des Regeltransformators verbunden ist, eine Diodenbrücke (94) vorgesehen ist, die zwischen dem Abgriff und der zweiten Klemme der Wechselstromquelle liegt, um eine regelbare Gleichstromquelle für die Ständerwicklung zu bilden (Figur 9).

109887/1131

■Al

Laerseite

■i