DE3307105A1 - Measuring device for an angle of rotation and/or a torque - Google Patents

Measuring device for an angle of rotation and/or a torque

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Abstract

Measuring device for contactless measurement of an angle of rotation and/or a torque on a stationary or rotating shaft having two cylindrical sleeves, which are concentric relative to one another and to the shaft, can be rotated against one another, and are subdivided on their peripheral surfaces into an equal number of a plurality of segment-like circumferential surfaces which are parallel to the shaft axis, alternately have high and low electrical conductivity in the peripheral direction, and are wrapped around by at least one winding having the same axis as the sleeves, the width (b) of the circumferential surfaces (14, 15), measured in the peripheral direction, of high conductivity to the width (a) of the circumferential surfaces (11, 16, 17) having a low conductivity being between 10:1 and 5:1. <IMAGE>

Description

Meßeinrichtung für einen Drehwinkel und/oderMeasuring device for an angle of rotation and / or

ein Drehmoment Die Erfindung geht aus von einer Meßeinrichtung zur berührungsfreien Erfassung eines Drehwinkels und/oder eines Drehmomentes an einer stehenden oder rotierenden Welle, mit zwei zueinander und zur Wellenachse konzentrischen, zylindrischen Hülsen, die gegeneinander drehbar und an ihrer Umfangsfläche in eine gleiche Anzahl mehrerer zur Wellenachse paralleler, segmentartiger Mantelflächen unterteilt sind, die in Umfangsrichtung abwechselnd hohe und niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweisen und von mindestens einer zu den Hülsen gleichachsigen Wicklung umschlungen sind.a torque The invention is based on a measuring device for contact-free detection of an angle of rotation and / or a torque on a standing or rotating shaft, with two concentric to each other and to the shaft axis, cylindrical sleeves which are rotatable against each other and on their circumferential surface in a the same number of several segment-like lateral surfaces parallel to the shaft axis are divided, the high and low electrical alternating in the circumferential direction Have conductivity and at least one coaxial winding to the sleeves are entwined.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer derartigen Meßeinrichtung ein drift armes Meßsignal hoher Genauigkeit zu erzielen und konstruktive Maßnahmen zur Optimierung der Meßeinrichtung anzugeben.The invention is based on the object of such a measuring device to achieve a low-drift measurement signal of high accuracy and constructive measures to specify the optimization of the measuring device.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die in Umfangsrichtung der Hülsen gemessene Breite b der Mantelflächen mit hoher Leitfähigkeit zur Breite a der Mantelflächen mit niedriger Leitfähigkeit zwischen 10 : 1 und 5 : 1 liegt. Aus den Merkmalen der Unternsprüche ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Verbesserungen einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung, von welcher nachstehend ein Ausführungsbeispiel beschrieben und in der Zeichnung dargestellt ist.To solve this problem, it is proposed that the circumferential direction of the sleeves measured width b of the lateral surfaces with high conductivity to the width Vein Jacket surfaces with low conductivity between 10: 1 and 5: 1. Further developments result from the features of the subordinate claims and improvements of a measuring device according to the invention, of which below an embodiment is described and shown in the drawing.

Es zeigen: Figur 1 eine erfindungsgemäße Meßeinrichtung in ihrem axialen Längsschnitt, Figur 2 die innere ihrer beiden Hülsen, Figur 3 die äußere ihrer beiden Hülsen und Figur 4 den Träger von zwei gleichachsig zu diesen Hülsen liegenden Wicklungen, ebenfalls in axialem Längsschnitt.They show: FIG. 1 an axial measuring device according to the invention Longitudinal section, FIG. 2 the inner of its two sleeves, FIG. 3 the outer of its two Sleeves and Figure 4 the carrier of two coaxial coils to these sleeves, also in axial longitudinal section.

Die dargestellte Meßeinrichtung dient zur Erfassung des Drehwinkel bzw. Drehmoments, wenn ein Torsionsstab 1 zwischen den beiden Wellenstümpfen 2 und 3 einem Drehmoment ausgesetzt wird, dergestalt, daß der rechte Wellenstumpf 3 sich gegenüber dem linken Wellenstumpf 2 um einen kleinen Drehwinkel dreht. In Figur 1 ist angenommen, daß ein rechtsdrehendes Drehmoment Md über einen Vierkant 4 in den rechten Wellenstumpf 3 eingeleitet wird und daß an dem Vierkant 5, der mit dem linken Wellenstumpf 2 verbunden ist, ein nicht dargestelltes Gegendrehmoment wirksam wird.The measuring device shown is used to detect the angle of rotation or torque when a torsion bar 1 between the two stub shafts 2 and 3 is subjected to a torque, such that the right stub shaft 3 is rotates by a small angle of rotation relative to the left stub shaft 2. In figure 1 it is assumed that a clockwise torque Md over a square 4 in the right stub shaft 3 is initiated and that on the square 5, which is with the left stub shaft 2 is connected, a counter torque, not shown, is effective will.

Zur Erfassung des Drehmoment es Md weist die erfindungsgemäße Meßeinrichtung in einem rohrförmigen Gehäuse 6 zwei zur gemeinsamen Längsachse 7 konzentrische Hülsen, nämlich eine äußere Hülse 8 und eine innere Hülse 9 jeweils aus etwa 1 mm starkem, elektrischleitfähigem, vorzugsweise nicht magnetischen Material auf. Die äußere Hülse 8 ist mit einer im einzelnen nic.ht näher dargestellten Distanzhülse auf dem rechten Wellenstumpf 3 drehfest angeordnet, während die innere Hülse 9 auf dem linken Wellenstumpf 2 in gleicher Weise befestigt ist.To detect the torque es Md, the measuring device according to the invention in a tubular housing 6 two to the common longitudinal axis 7 concentric Sleeves, namely an outer sleeve 8 and an inner sleeve 9 each of about 1 mm strong, electrically conductive, preferably non-magnetic material. the outer Sleeve 8 is shown in more detail with a nic.http Spacer sleeve on the right stub shaft 3 rotatably arranged, while the inner Sleeve 9 is attached to the left stub shaft 2 in the same way.

Die äußere Hülse 8 ist in Figur 3 in ihrem Längsschnitt dargestellt, hat einen Bohrungsdurchmesser B und weist über ihren Umfang beispielsweise acht gleichmäßig verteilte, zur Achse 7 parallele Längsschlitze 11 auf, welche in die Hülsenwand eingefräst oder eingesägt sind und bis nahe an die beiden stirnseitigen Randzonen 12 und 13 heranreichen, derart, daß zwischen jeweils zwei Schlitzen 11 eine Mantelfläche 14 entsteht, deren elektrische Leitfähigkeit derjenigen des Hülsenwerkstoffs entspricht, während die sich mit diesen Mantelflächen in Umfangsrichtung abwechselnden Schlitze 11 Zonen bilden, die keine elektrische Leitfähigkeit aufweisen.The outer sleeve 8 is shown in Figure 3 in its longitudinal section, has a bore diameter B and has, for example, eight over its circumference uniformly distributed longitudinal slots 11 parallel to the axis 7, which in the Sleeve wall are milled or sawn in and close to the two end faces Reach edge zones 12 and 13 in such a way that between each two slots 11 a jacket surface 14 is created, the electrical conductivity of which is that of the sleeve material corresponds, while those alternating with these jacket surfaces in the circumferential direction Slits 11 form zones that have no electrical conductivity.

Die Umfangsfläche der in Figur 2 dargestellten inneren Hülse 9, die einen Außendurchmesser E hat ist in analoger Weise in acht untereinander zusammenhängende Zonen 15 unterteilt, die sich mit den Mantelflächen 14 der äußeren Hülse 8 decken, jedoch im Gegensatz zur äußeren Hülse durch acht Schlitzreihen unterteilt sind, von denen jede Schlitzreihe aus zwei parallel zur Achse 7 sich erstreckenden Schlitzen 16 und 17 gebildet sind. Die zu einem Schlitz-Paar gehörenden beiden Schlitze 16 und 17 sind gegeneinander in Umfangsrichtung der Hülse 9 um einen Abstand v versetzt, welcher etwa der Schlitzbreite entspricht, nämlich ungefähr 1 mm beträgt. Jeder der beiden Schlitze 16 und 17 hat nur eine etwa halb so große axiale Länge wie der zugeordnete Schlitz 11 in der äußeren Hülse 8, dessen Länge in Figur 3 mit L bezeichnet ist.The peripheral surface of the inner sleeve 9 shown in Figure 2, the has an outer diameter E is in an analogous manner in eight interrelated Zones 15 divided, which coincide with the jacket surfaces 14 of the outer sleeve 8, however, in contrast to the outer sleeve, they are divided by eight rows of slots, of which each row of slots consists of two slots extending parallel to the axis 7 16 and 17 are formed. The two slots 16 belonging to a slot pair and 17 are offset from one another in the circumferential direction of the sleeve 9 by a distance v, which corresponds approximately to the slot width, namely approximately 1 mm. Everyone the two slots 16 and 17 has only about half as large an axial length as the associated slot 11 in the outer sleeve 8, the length of which is denoted by L in FIG is.

Im Überdeckungsbereich der inneren und der äußeren Hülse ist ein aus Isolierstoff hergestellter, zylindrischer Spulenkörper 18 vorgesehen, welcher zwei in axialem Abstand voneinander hergestellte, einlagige Wicklungen 20 und 21 trägt.In the overlap area of the inner and outer sleeves, there is an off Cylindrical bobbin 18 made of insulating material is provided, which two single-layer windings 20 and 21 produced at an axial distance from one another.

Die in axialer Richtung gemessene Breite w der Wicklungen 20 und 21 beträgt nur etwa ein Drittel der Länge der Schlitze 16 bzw. 17, wobei jede der beiden Wicklungen so angeordnet ist, daß sie die Schlitze 16 bzw. 17 in einem schmalen Mittelbereich überdeckt.The width w of the windings 20 and 21 measured in the axial direction is only about a third of the length of the slots 16 and 17, respectively, with each of the two Windings is arranged so that they the slots 16 and 17 in a narrow Central area covered.

Durch die Verwendung der beiden Wicklungen 20 und 21 kann eine Differentialmeßmethode angewendet werden, weil sich in linearer Abhängigkeit zu der Größe des angelegten Drehmoment es Md die beiden Hülsen 8 und 9 so verdrehen, daß einer der beiden versetzten Schlitze 16 oder 17 aus der Überdeckung mit dem Schlitz 11 der äußeren Hülse herauswandert, während der andere dieser verkürzten Schlitze mit zunehmender Überdeckung unter den zugehörigen äußeren Schlitz wandert, wobei in der einen der beiden Spulen eine Verkleinerung und in der anderen Spule eine Vergrößerung ihrer Induktivität dadurch entsteht, daß die in der inneren Hülse erzeugten Wirbelströme sich vergrößern bzw. verkleinern, wenn die Wicklungen von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossen werden.By using the two windings 20 and 21, a differential measurement method are used because they are linearly dependent on the size of the applied Torque it Md twist the two sleeves 8 and 9 so that one of the two offset Slits 16 or 17 migrate out of the overlap with the slit 11 of the outer sleeve, while the other of these shortened slits with increasing overlap under the associated outer slot migrates, one in one of the two coils Reduction in size and an increase in its inductance in the other coil arises that the eddy currents generated in the inner sleeve enlarge or reduce when a high-frequency alternating current flows through the windings will.

Für eine hohe Empfindlichkeit der Meßeinrichtung ist es besonders wichtig, daß der radiale Abstand c zwischen dem Wickeldurchmesser d der Wicklung 20 bzw. 21 und dem Außendurchmesser D der äußeren Hülse möglichst klein gehalten wird und nach dem Vorschlag der Erfindung etwa 1 bis 1,5 mm beträgt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die in Umfangsrichtung gemessene Breite b der Mantelflächen 14, 15 etwa 10 mal größer als die in Umfangsrichtung gemessene Breite a der Schlitze 11, 16 bzw. 19, die keine Leitfähigkeit haben.It is special for a high sensitivity of the measuring device important that the radial distance c between the winding diameter d of the winding 20 or 21 and the outer diameter D of the outer sleeve is kept as small as possible is and after the proposal of the invention about 1 to 1.5 mm. In the illustrated embodiment, the width is measured in the circumferential direction b of the lateral surfaces 14, 15 about 10 times larger than that measured in the circumferential direction Width a of the slots 11, 16 and 19, which have no conductivity.

Bei der Anwendung einer Differentialmeßmethode kann es vorteilhaft sein, zwischen den beiden Wicklungen 20 und 21 in der in Figur 1 angedeuteten Weise ein Abschirmblech 24 vorzusehen, das aus einem Nichteisen-(NE)-Metall, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium bzw.It can be advantageous when using a differential measurement method be, between the two windings 20 and 21 in the manner indicated in FIG to provide a shielding plate 24, which is made of a non-ferrous (NF) metal, preferably made of copper or aluminum or

Messing hergestellt ist.Brass is made.

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Claims (16)

Ansprüche Meßeinrichtung zur berührungsfreien Erfassung eines Drehwinkels und/oder Drehmomentes an einer stehenden oder rotierenden Welle mit zwei zueinander und zur Welle konzentrischen, zylindrischen Hülsen, die gegeneinander drehbar und an ihren Umfangsflächen in eine gleiche Anzahl mehrerer zur Wellenachse paralleler, segmentartiger Mantelflächen unterteilt sind, die in Umfangsrichtung abwechselnd hohe und niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweisen und von mindestens einer zu den Hülsen gleichachsigen Wicklung umschlungen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umrangsrichtung gemessene Breite (b) der Mantelflächen (14, 15) hoher Leitfähigkeit zur Breite (a) der Mantelflächen (11, 16, 17) mit niedriger Leitfähigkeit zwischen 10 : 1 und 5 : 1 liegt. Claims measuring device for non-contact detection of an angle of rotation and / or torque on a stationary or rotating shaft with two to each other and cylindrical sleeves which are concentric to the shaft and which can be rotated relative to one another on their circumferential surfaces in an equal number of several parallel to the shaft axis, segment-like lateral surfaces are divided, which alternate in the circumferential direction have high and low electrical conductivity and of at least one too coaxial winding are wrapped around the sleeves, characterized in that the width (b), measured in the circumferential direction, of the lateral surfaces (14, 15) of high conductivity to the width (a) of the lateral surfaces (11, 16, 17) with low conductivity between 10: 1 and 5: 1. 2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand (c) zwischen dem Wickeldurchmesser (d) der Wicklung und dem Außendurchmesser (D) der äußeren Hülse etwa 1 bis 1,5 mm beträgt. 2. Measuring device according to claim 1, characterized in that the radial distance (c) between the winding diameter (d) of the winding and the outer diameter (D) the outer sleeve is about 1 to 1.5 mm. 3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand (K) zwischen dem Bohrungsdurchmesser (B) der außenliegenden Hülse und dem Außendurchmesser (E) der inneren Hülse etwa 0,05 bis 0,25 mm beträgt. 3. Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that that the radial distance (K) between the bore diameter (B) of the outer Sleeve and the outer diameter (E) of the inner sleeve is about 0.05 to 0.25 mm. 4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (20, 21) auf einer die äußere Hülse (8) in geringem radialen Abstand umgebenden Büchse (18) aus Isolierstoff sitzt.4. Measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the winding (20, 21) on an outer sleeve (8) at a small radial distance surrounding bushing (18) made of insulating material. 5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in Richtung der gemeinsamen Achse gemessene Wickelbreite (W) der Wicklung einen Bruchteil der axialen Länge (L) der eine niedrigere Leitfähigkeit aufweisenden Mantelflächen ausmacht, vorzugsweise kleiner als 1/3 L ist.5. Measuring device according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the winding width (W) of the winding measured in the direction of the common axis a fraction of the axial length (L) of the lower conductivity Covers outer surfaces, preferably smaller than 1/3 L. 6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Hülsen, vorzugsweise beide Hülsen (8, 9) aus Metall, insbesondere Buntmetall bestehen und daß die Mantelflächen niedriger Leitfähigkeit aus achsparallelen Schlitzen (11) bestehen, die sich über die Länge der Hülse bis auf je einen schmalen stehengebliebenen Rand (12, 13) an den Stirnseiten der Hülse erstrecken.6. Measuring device according to one of claims 1 to 5, characterized in that that at least one of the two sleeves, preferably both sleeves (8, 9) made of metal, in particular non-ferrous metals exist and that the outer surfaces of low conductivity consist of axially parallel slots (11) extending over the length of the sleeve up to on each a narrow remaining edge (12, 13) on the end faces of the sleeve extend. 7. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (11, 16, 17) ausgefräst sind.7. Measuring device according to claim 6, characterized in that the Slots (11, 16, 17) are milled out. 8. Meßeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem der über nahezu die ganze axiale Länge (L) der einen der beiden Hülsen sich erstreckenden Schlitze (11) in der anderen Hülse jeweils zwei achsparallele Schlitze (16, 17) zugeordnet sind, die gegeneinander in Umfangsrichtung um einen Abstand (v) versetzt sind, der etwa der Schlitzbreite entspricht.8. Measuring device according to claim 6 or 7, characterized in that that to each of the over almost the entire axial length (L) of one of the two sleeves extending slots (11) in the other sleeve each have two axially parallel Slots (16, 17) are assigned, which are mutually opposite in the circumferential direction by a Distance (v) are offset, which corresponds approximately to the slot width. 9. Meßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden gegeneinander versetzten Schlitze (16, 17) nur eine etwa halb so große axiale Länge haben wie der zugeordnete Schlitz (11) in der anderen Hülse (8).9. Measuring device according to claim 8, characterized in that the two mutually offset slots (16, 17) only about half as large an axial one Have the same length as the assigned slot (11) in the other sleeve (8). 10. Meßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden gegeneinander versetzten Schlitzen (16, 17) der eine im Bereich einer der beiden axialen Längshälften und der andere Schlitz in der anderen Längshälfte ihrer Hülse, vorzugsweise der innen liegenden Hülse (9) angeordnet ist.10. Measuring device according to claim 9, characterized in that of the two mutually offset slots (16, 17) one in the area of one of the two axial longitudinal halves and the other slot in the other longitudinal half its sleeve, preferably the inner sleeve (9) is arranged. 51. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung gemessene Breite a der Schlitze etwa 1 mm beträgt.51. Measuring device according to one of claims 6 to 10, characterized in that that the width a of the slots measured in the circumferential direction is about 1 mm. 12. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (20, 21) im Mittelbereich der Schlitze (11, 16, 17) angeordnet ist.12. Measuring device according to one of claims 5 to 11, characterized in that that the winding (20, 21) is arranged in the central region of the slots (11, 16, 17) is. 13. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Wicklungen (20, 21) vorgesehen sind, von denen die eine über einer der beiden Längshälften und die andere über der anderen Längshälfte der die gegeneinander versetzten Schlitze (16, 17) aufweisenden Hülse (9) angeordnet ist.13. Measuring device according to one of claims 10 to 12, characterized in that that two windings (20, 21) are provided, one of which over one of the two longitudinal halves and the other over the other longitudinal half of the against each other offset slots (16, 17) having sleeve (9) is arranged. 14. Meßeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Wicklungen (20, 21) mittig über je einem der gegeneinander versetzten Schlitze (16, 17) angeordnet ist.14. Measuring device according to claim 13, characterized in that each of the two windings (20, 21) centered over one of the mutually offset Slots (16, 17) is arranged. 15. Meßeinrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Wicklungen (20, 21) ein vorzugsweise in deren quer zur Hülsenachse (7) verlaufenden Symmetrieebene liegendes Abschirmblech (24) angeordnet ist.15. Measuring device according to claim 13 or 14, characterized in that that between the two windings (20, 21) a preferably in their transverse to the sleeve axis (7) extending plane of symmetry lying shielding plate (24) is arranged. 16. Meßeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmblech (24) aus NE-Metall, insbesondere aus Aluminium oder Messing hergestellt ist.16. Measuring device according to claim 15, characterized in that the Shielding plate (24) made of non-ferrous metal, in particular made of aluminum or brass is.
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