DE2335249C2

DE2335249C2 - Vorrichtung zum Messen von Spannungen an der Oberfläche von Bauteilen aus magnetostruktivem Material

Info

Publication number: DE2335249C2
Application number: DE2335249A
Authority: DE
Inventors: Claude J. Montlignon Fraudin
Original assignee: Centre D'etudes Et De Recherches de la Machine-Outil (cermo) 92200 Neuilly-Sur-Seine Fr
Current assignee: Centre D'etudes Et De Recherches de la Machine-Outil (cermo) 92200 Neuilly-Sur-Seine Fr
Priority date: 1972-07-25
Filing date: 1973-07-11
Publication date: 1984-05-24
Also published as: JPS49109077A; BE802656A; IT991847B; US3866462A; GB1432160A; JPS5637489B2; DE2335249A1; FR2194311A5; NL7310307A; CH577167A5

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen von Spannungen an der Oberfläche von Bauteilen aus magnetostriktivem Material.

In dem Archiv für technisches Messen, Blatt J86—19 (Februar 1971), Seiten 27—29 ist eine Vorrichtung dieser Art mit zwei Spulen beschrieben, welche mit einer Wechselstromquelie bzw. einer Meßvorrichtung verbunden und um einen magnetisierbaren Teil herumgelagert sind, von welchem eine der Flächen, die zumindest aus einer Gesamtanordnung von vier in den Eckpunkten eines Viereckes oder Rechteckes gelagerten Polen gebildet ist, dem Meßobjekl gegenüberliegt unJ die beiden Spulen aus zwei in Reihe geschalteten Wicklungen bestehen.

Diese zum Stand der Technik zählende Vorrichtung weist eine hinreichende mechanische Festigkeit auf und ist somit gegen mechanische Beanspruchungen weitgehend unempfindlich. Sie hat aber den Nachteil, daß wegen der Anordnung von insgesamt vier Wicklungen der Raumbedarf viel zu groß ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese bekannte Vorrichtung raumsparend zu gestalten, ohne dabei jedoch deren Unempfindlichkeit gegen mechanische Beanspruchungen zu beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine jede Wicklung einer jeden Spule um eine Gruppe von zwei aufeinanderfolgenden Polen herum derart angeordnet ist, daß ein von einem diese durchsetzenden Strom gebildeter magnetischer Fluß zwischen den beiden, auf dieee Weise bestimmten Polgruppen in einem Kreis zirkuliert, welcher aus dem magnetisierbaren Teil und dem Meßobjekt besteht und daß die beiden Pole einer jeden Wicklung einer Spule, welche zu der einen oder zu der anderen Gruppe der beiden durch die andere Spule bestimmten Pole gehören, derart wirken, daß ein Magnetfluß entsteht, der gleich ist demjenigen in der anderen Spule.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der aus einem magnetisierbaren Material bestehende Kern an eine dichte Krone angepaßt, deren Innenfläche mit einer Vielzahl von hintereinanderliegenden Anordnungen von vier Polen angerüstet ist, welche mit den beiden vorgenannten Spulen ausgestattet sind. Die Wicklungen der ersten Spulen sind in Reihe oder parallel zu einem der Stromerzeugungs-Organe oder aber zu dem Meßapparat geschaltet. Die Wicklungen der zweiten Spulen sind in Reihe oder aber parallel zu dem anderen der Organe geschaltet derart, daß die Zirkulationen der Magnetflüsse, welche vorstehend als für eine jede Spule der Gesamtanordnung bestimmt angegeben wurden, in entgegengesetzten Richtungen für zwei nachfolgende Anordnungen der vier Pole erfolgen.

Nach einer etwas abgewandelten Ausführungsform ist die allgemeine Spule der Krone dadurch vereinfacht, daß die geometrisch zusammenfallenden und von entgegengesetzten Abzweigwicklungen entfallen.

Vorzugsweise wird die Krone von zwei Ringen gleichen Innendurchmessers gebildet, von welchen ein jeder eine identische Innenkrone trägt, wobei ferner eine Anzahl von hintereinanderliegenden Polpaaren vorgesehen ist. Diese Ringe werden über ihre Flanken andauernd in Berührung miteinander gehalten und sind in der Lage, relativ zueinander in geringen Grenzen verdreht zu werden.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung noch etwas näher erläutert. In dieser zeigt in rein schematischer Weise

F i g. 1 eine Ansicht der Vorrichtung,

F i g. 2 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles /der Anordnung nach Fig. 1,

Fig.3 bis 5 schematische Darstellungen, welche den

Betrieb der Vorrichtung erläutern,

F i g. 6 eine Teildarstellung einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig.7 eine Teildarstellung der in die waagerechte Ebene abgewickelten Spulen der Anordnung nach F i g. 6,

Fig.8 eine in die waagerechte Ebene abgewickelte Teildarstellung einer vereinfachten Spule der Krone,

F i g. 9 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung.

Die F i g. 1 zeigt die Vorrichtung zum Messen von Oberflächenspannungen. Diese Vorrichtung besitzt einen aus einem magnetisierbaren Material bestehenden Kern 1, dessen Fläche la dem Meßobjekt 2 gegenüberliegt. Der aus dem magneiisierbaren Material bestehende Kern 1 besitzt zwei Aussparungen 3,4, in welchen die Spulen 5,6 gelagert sind.

Die F i g. 2 zeigt den aus einem magnetisierbaren Material bestehenden Kern 1 von seiner Seitenfläche la her. In diese Fläche la sind Aussparungen 3, 4 eingearbeitet wobei vier identische Pole 7 bis 10 vorgesehen sind. Mar. sieht auf der Zeichnung gleichermaßen eine erste Spule 5, welche von den beiden, in Rei^ve geschalteten Wicklungen 5a und 5b gebildet wird. Die Wicklung 5a ist dabei um die beiden hintereinanderiiegenden Pole 7 und 10 herumgewickelt, während die Wicklung 5b um die beiden hintereinanderiiegenden Pole 8 und 9 herum angeordnet ist Die Drehrichtung dieser Wicklungen entspricht der Richtung der eingetragenen Pfeile und ist so gewählt daß ein Magnetfluß — v/elcher von einem diese Spule durchsetzenden und beispielsweise in Richtung der Wicklung fließenden Strom erzeugt wird — zwischen den beiden Polgruppen 7 und 10 einerseits und 8 und 9 andererseits sowie in dem magnetischen Kreis zirkuliert, welch letzterer von dem Kern 1 und dem Werkstück 2 gebildet wird, wie dies in der Zeichnung mit einem gestrichelten Pfeil 13 angedeutet ist (Fig. 1).

Die F i g. 2 zeigt ebenfalls zwei Spulen 6, welche zwei in Reihe geschaltete Wicklungen 6a und 6b besitzt.

Eine jedt Wicklung ist um ein Paar hintereinanderiiegenden Pole herumgewickelt, und zwar werden die beiden Pole 7, 8 von der Wicklung 6a umschlungen, während die Pole 9 und 10 von der Wicklung 6b umgeben werden. Ein jeder dieser beiden Pole gehört dabei zu der einen und zu der anderen Gruppe der beiden Pole 10, 7 und 3, 9, welche von den WkHungen der ersten Spule 5 eingeschlossen werden. Die Drehrichtung der Wicklungen, wie sie durch die eingetragenen Pfeile angedeutet ist, ist so gewählt, daß ein Magnetfluß — welcher von einem in der z-veiten Spule erzeugten Strom gebildet wird — zwischen den beiden Polgruppen 7, 8 und 9, IC und in dem magnetischen Kreis zirkuliert, welch letzterer von dem aus einem magnetisierbaren Stoff bestehenden Kern ! und dem Werkstück 2 gebildet wird.

Die Spulen 5 und 6 sind mit den Vorrichtungen 11 bzw. 12 verbunden, wobei es sich bei diesen Geräten um eine Wechselstromquelle und um eine Meßvorrichtung handeln kann und umgekehrt.

Wie aus der F i g. 2 ersichtlich, stehen die beiden Spulen 5 und 6 senkrecht zueinander, was zur Folge hat, daß der magnetische Fluß — welcher von einem durch eine dieser Wicklungen fließenden Strom erzeugt wird — wobei einmal angenommen werden soll, daß das Werkstück 2 isotrop ist in der anderen Spule keinen Strom erzeugt. Die Pfeile 14 in Fig. 3 zeigen die Strömungsric'ntung des magnetischen Flusses, welcher von einem Wechselstrom in der Spule 6 in Richtung der Pfeile erzeugt wird, wobei der magnetische Fluß aus dem Teil ί über die Pole 9 und 10 austritt und über die Pole 7 und 8 wieder eintritt und zwar nach dem Durchgang durch das isotrope, magnetische Werkstück 2. Zwischen den Polgruppen 7,10 und 8,9 gibt es daher keine Zirkulation des Magnetflusses und somit auch keinen Induktionsstrom in der Spule 5.

Demgegenüber zeigt die F i g. 4 eine Zirkulation des

ίο Magnetflusses, der mit dem Pfeil 15 angedeutet ist Dieser Magnetfluß wird in dem Teil 2 unter der Einwirkung der Spannungen abgelenkt, wobei die Hauptrichtungen dieser Spannungen durch die Pfeile 16 symbolisiert sind. Geht man einmal davon aus, daß die Spule ein Generator ist, dann wird der Magnetfluß abgelenkt, wobei in der Spule 5 ein Induktionsstrom auftritt, der proportional zu den in dem Bauteil 2 herrschenden Spannungen ist.
Die gleichen Überlegungen gelten auch für die An-Ordnung nach F i g. 5. bei welcher die Spannungen (Pfeile 17) eine Ablenkung des Magnetflusses (Pfeil 18) bewirken, wobei in der Spule 5 ein Strom erzeugt wird, der proportional der Größe der Spannungen ist
Die Induktionsströme in der Spule 5 der Anordnung nach F i g. 5 haben entgegengesetzte Richtungen gegenüber denjenigen der Anordnung nach F i g. 4.

Man erkennt aus der Zeichnung gleichzeitig auch die Anordnung der Spannungsmeßvorrichtung relativ zu der Richtung der auftretenden Spannungen. Die Hauptrichtungen dieser Spannungen liegen unter einem Winkel von 45° gegenüber den beiden Spulen 5 und 6 geneigt. Durch diese Anordnung erhält man einen direkten Meßwert der Größe der Spannung entsprechend der Hauptlichtung, also dem maximalen Spannungswert.

Die F i g. 6 zeigt den aus einem magnetisierbaren Material bestehenden Kern 1 in Form einer Krone, weiche an ihrer Innenfläche la eine Vielzahl von Anordnungen besitzt, die aus hintereinanderiiegenden, vier Polen bestehen, wie sie mit Bezug auf die F i g. 2 im einzelnen beschrieben werden.

Fine jede, aus vier Polen bestehende Einheit ist mit ihren beiden Spulen 5 und 6 ausgerüstet die in den Nuten 19 oder 20 gelagert sind, welche die Pole begrenzen. Das zu messende Werkstück u. dgl. ist beispielsweise eine Welle 21, die in F i g. 6 dargestellt ist. Die Anordnung dieser Spulen zeigt die F i g. 7 in einer in die waagerechte Ebene abgewickelten Teiidarstellung.

Aus dieser Figur ist auch ersichtlich, daß die beiden hintereinanderiiegenden Anordnungen 22 und 23 der vier Pole mit den identischen beiden Spulen 5, 6 ausgerüstet sind. Die in d./ese Wicklungen eingetragenen Pfeile zeigen die Richtung derjenigen Ströme an, welche diese Wicklungen bzw. Spulen durchsetzen, sofern sie hiit einem Wechselstromerzeuger in Reihe oder parallel verbunden sind. Man sieht, daß die Ströme in den Spulen der Anordnungen 23 bzw. 22 entgegengesetzt gerichtet sind, um bei der Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen magnetischen Gesamtfluß zu erhalten, weicher von einer der mit dem Wechselstromerzeiiger verbundenen Spule geschaffen wird und der keineswegs den Wert Null besitzt. Es genügt also, die Verbindungen zwischen einer jeden der Spulen und der Erzeugerorgane oder der Meßorgane genau herzustellen, um einen Magnetfluß in der Größenordnung Null zu erhalten. D'.i Durchflußrichtung des Stromes in den Spulen 5 und 6 kann sich global über die gesamte Krone hinweg ändern, ohne daß der Effekt dadurch

geändert wird.

Wie aus der F i g. 7 der Zeichnung ersichtlich, werden die Anschlüsse der Spule 6, welche in einer Nut, beispielsweise in der mit der Bezugsziffer 24 bezeichneten Nut liegen, von Strömen entgegengesetzter Richtung durchsetzt, wodurch die Effekte aufgehoben werden. Hierdurch wird eine Vereinfachung der Spule 6 erreicht, wie dies die F i g. 8 zeigt. Dieser Spule ist eine besonders leichte Ausführungsform der Spule 5 zugeordnet.

Die F i g. 9 zeigt einen aus magnetisierbarer!! Werkstoff bestehenden Kern 1, welcher mit Polen versehen ist, die von Wicklungen umgeben werden, wie dies auch beispielsweise die F i g. 8 zeigt. Dieser, aus einem ma· gnetisierbaren Stoff bestehende Teil 1 wird aus zwei Ringen \b und Ic gebildet, von welchen ein jeder die Hälfte der Pole der Krone trägt. Diese beiden Ringe ib, ic stehen über ihre Flanken 25 und 26 miteinander in Berührung und können relativ zueinander in geringem Umfang verdreht werden.

li UCIl ICl/ AlCIIl UIC OpUIC Hill CItICI

tigen Vorrichtung als Drehmomenten-Messer, der kei nerlei Verschleiß unterworfen ist, insofern keine Gren zen, als zwischen dem sich drehenden Teil und der MeG vorrichtung keinerlei Berührung besteht.

Die Vorrichtung ist auf dem Gebiet des allgemeine! Maschinenbaues außerordentlich interessant.

Die Erfindung ist auf die beschriebene und dargestell te Ausführungsform keineswegs beschränkt. Vielmeh noch weitere praktische Verwirklichungsformen mög lieh und denkbar, ohne daß hierdurch der Rahmen de Grundkonzeption gesprengt wird.

quelle in Verbindung. In der Spule wird dabei ein Magnetfluß erzeugt, der zwischen der Welle 21 und der Krone 1 strömt Unterstellt man einmal, daß die Welle 21 aus einem homogenen Material besteht und keinerlei Spannungen unterworfen ist, so hat der Magnetfluß keinerlei Einfluß auf die andere Spule, wobei eine jede Anordnung der vier Pole so reagiert, wie dies im Zusammenhang mit der Fig.3 im einzelnen beschrieben ist. Wenn Spannungen auftreten, ist das Phänomen für eine jede Gesamtanordnung der vier Pole ähnlich demjenigen Phänomen, wie es im Zusammenhang mit den Fig.4 und 5 beschrieben wird. Es entsteht also ein Induktionsstrorn, der proportional der Größe der Spannung ist

Man erkennt also, daß mit einem Versorgungskreis und einem Meßkreis, die Vorrichtung die Feststellung und Messung der mittleren Oberflächenspannung einer WeHe ermöglicht, wobei entsprechende Informationen an mehreren Punkten des Umfanges dieser Welle aufgenommen werden. In dem besonderen Fall der Torsion dieser Welle erhält man durch Messung diejenigen Spannungen, welche den Hauptrichtungen folgen und welche unter einem Winkel von 45° relativ zu den Wicklungen der Krone liegen.

Wenn sich die Welle dreht, ist die Vorrichtung im Grunde genommen nichts anderes als ein Drehmomentenmeßgerät, welches in der Lage ist, das auf diese Welle aufgebracht Drehmoment zu messen.

Die Vielzahl der Pole und damit Wicklungen erlaubt es, sich von etwaigen Unrundheiten dieser Welle und Fehlern in der Homogenität desjenigen Metalles freizumachen, aus welchvm diese Welle hergestellt ist

Die beiden Teile ib, lcder Krone 1, welche gegeneinander in geringen Grenzen verdrehbar sind, eiTnöglichen eine !eichte Einstellung des Kupplungsvorganges der Wicklungen und damit der Nulleinstellung, und zwar in Abhängigkeit von etwaigen Fehlern des Meßobjektes.

Die Verwendung eines einzigen magnetischen Kreises als Erregerkreis sowie der Meßkreis der Vorrichtung erlauben die VerwirkJichung einer baulich kompakten, robusten und raumsparenden Einrichtung.

Die Anordnung der Wicklungen, wie sie namentlich im Zusammenhang mit der F i g. 2 beschrieben ist, erlaubt die Verwirklichung eines Drehmomenten-Meßgerates, welches wegen seiner kleinen Abmessungen gleichermaßen interessant ist Andererseits setzt die Drehgeschwindigkeit der Welle der Anwendung einer derar-Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen von Spannungen an der Oberfläche von Bauteilen aus magnetostriktivem Material, mit zwei Spulen, welche mit einer Wechselstromquelle bzw. einer Meßvorrichtung verbunden und um einen magnetisierbaren Teil herum gelagert sind, von welchem eine der Flächen, die zumindest aus einer Gesamtanordnung von vier in den Eckpunkten eines Viereckes oder Rechteckes gelagerten Polen gebildet ist, dem Meßobjekt gegenüberliegt und die beiden Spulen aus zwei in Reihe geschalteten Wicklungen bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß eine jede Wicklung (5a; Sb; 6a; 6b) zu einer jeden Spule um eine Gruppe von zwei aufeinanderfolgenden Polen (5a—»7—10; 5b-* 8—9; 6a—7—8; 66—10—9) herum derart angeordnet ist, daß ein von einem diese durchsetzenden StroKi gebildeter magnetischer Fluß zwischen den beiden, auf diese Weise bestimmten Pclgrupper.

in einem Kreis zirkuliert, welcher aus dem magnetisierbaren Teil (1—7—8—9—10) und dem Meßobjekt (2) besteht und daß die beiden Pole (7—10; 8—9; 7—8; 10—9) einer jeden Wicklung (5a—5b; 6a—6 b) einer Spule (5; 6), welche zu der einen (7—8; 7—10) oder zu der anderen (10—9; 8—9) Gruppe der beiden durch die andere Spule (6; 5) bestimmten Pole gehören, derart wirken, daß ein Magnetfluß entsteht, der gleich ist demjenigen in der jo anderen Spi r'e.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einem magnetisierbaren Material bestehende Kern aus einer dichten Krone gebildet wird, deren Innenfläche m.t einer Vielzahl von hintereinanderliegenden Anordnungen von vier Polen ausgerüstet ist, die mit den beiden Spulen ausgestattet sind, daß die Wicklungen der ersten Spulen in Reihe oder parallel zu der Stromquelle bzw. der Meßvorrichtung geschaltet sind, und daß die Wicklungen der zweiten Spulen in Reihe oder parallel zu dem anderen, der vorgenannten Organe (Stromquelle bzw. Meßvorrichtung) geschaltet sind derart, daß die Bewegungsrichtungen der vorstehend erwähnten magnetischen Flüsse für eine jede Spule der Gesamtanordnung für zwei hintereinanderliegende Anordnungen von vier Polen entgegengesetzt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule der Krone durch Fortfall der geometrisch sich deckenden und von entgegengesetzten Strömen durchflossenen Wicklungsanschlüsse vereinfacht wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Krone aus zwei Ringen gleichen Innendurchmessers gebildet wird, von welchen ein jeder Ring eine identische Krone einer geraden Anzahl von hintereinanderliegenden Polen trägt, und daß die Ringe über ihre Flanken in Berührung miteinander gehalten werden und in der Lage sind, relativ zueinander in geringen Grenzen verdreht zu werden.