DE3314567C1 - Aufnehmer zur Drehbeschleunigungsmessung an schnell rotierenden Wellen - Google Patents

Description

• Patentansprtlche: 1. Aufnehmer zur Drehbeschieunigungsmessung an Maschinenteilen, Insbesondere an rotierenden Wellen, mit mindestens zwel Magneten, die eln magnetisches Gleichfeld erzeugen, mindestens einer Meßspule, elner nicht ferromagnetischen, elektrlsch leitenden Meßschelbe, die slch mit der zu messenden Beschleunigung Im Luftspalt der Magnete und der Meßspule bewegt, dadurch gekennzelchnet, daß die vom magnetischen Glelchfeld (3) durchsetzte Fläche der Meßschelbe (1) mindestens um den Faktor zwel grö ßer Ist als die restliche Fläche der Meßscheibe (1), die nicht vom magnetischen Glelchfeld (3) durchsetzt ist und nicht Im Luftspalt der Meßspule (4) bzw. der Polfläche des Spulenkerns (5) liegt.

Claims (4)

1. 2. Aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (2) so ausgebildet sind, daß slch das magnetische Gleichfeld (3) auch über den Rand der Meßscheibe (1) hinaus erstrecken kann.

   3. Aufnehmer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Magnete (2), die sich auf elner Seite der Meßschelbe (1) befinden, vonelnander elnen Abstand S haben, der vorzugsweise das drelfache des Luftspaltes L beträgt.

   4. Aufnehmer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzelchnet, daß die Meßscheibe (1) aus einem dlelektrlschen Werkstoff (lb) besteht, auf den elektrlsch leltende Schichten (la) aufgebracht sind.

   5. Aufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzelchnet, daß die leltenden Schichten (1a) auf der Inneren Kreisfläche abgearbeltet sind und daß der Durchmesser dleser Kreisfläche glelch S oder geringfügig größer als S Ist.

   6. Aufnehmer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Meßspulen (4) vorgesehen sind und daß die Wlcklungen der Meßspulen um den dem Luftspalt (L) nahen Schenkel des Spulenkerns (5) gewickelt sind und so mitelnander verbunden sind, daß die durch die Induzierten Wirbeiströme verursachten elektrischen Spannungen addiert, die durch homogene magnetische Störfelder verursachten elektrlschen Spannungen dagegen subtrahlert werden.

   Dte Erflndung betrifft einen Aut'nehmer zur Drehbeschleunigungsmessung an schnell rotlerenden Wellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Elne Meßschelbe, deren aktiver Tell aus elektrlsch leitendem, nicht ferromagnetischem Werkstoff besteht, dreht sich dabel Im Luftspalt mindestens zweler Magnete, so daß in dleser Meßschelbe der Drehgeschwindigkeit proportionale Wirbelströme entstehen. Bei Änderung dleser Wirbeiströme wird in den Meßspulen des Aufnehmers eine der Drehbeschleunigung proportlonale Spannung Indiz zlert.

   Da die Drehbeschleunigung eln Maß für die dynamische Beanspruchung von Maschinentelien darstellt, werden Drehbeschleunigungsmessungen zur Erfassung periodischer und translenter Vorgänge z. B. belm direkten Elnschalten von Asynchronmotoren oder beim Betrleb von umrichtergespeisten Asynchronmotoren durchgeführt. Hlerzu werden Aufnehrrier zur Drehbeschieunigungsmessung benötigt, mit denen Messungen In elnem welten Frequenz- und Drehzahlberelch durchgeführt werden können.

   Drehbeschleunigungen können mit zwel tangential angeordneten Beschleunigungsautnehmern gemessen werden, deren Slgnale mit Hilfe von Schleifringen oder anderen Meßwertübertragern von der rotlerenden Welle abgenommen werden (DE-OS 29 146). Nachteilig ist bel dleser Meßmethode besonders die Notwendigkeit elner Meßwertübertragung von der rotlerenden Welle und die starke Belastung des Feder-Masse-Systems der Beschleunigungsaufnehmer quer zur Meßrichtung durch die Zentripetalbeschleunigung schon bel niedrigen Drehzahlen.

   Bel Drehbeschleunigungsmessung nach dem ebenfalls zum Stand der Technik zählenden Ferraris-Prinzip wird elne slch drehende Meßscheibe aus elektrisch leitendem, nicht ferromagnetischen Werkstoff vom ortsfesten magnetischen Glelchfeld zweler Magnete senkrecht durchsetzt, wodurch In der Meßscheibe Wirbeiströme Induziert werden, die der Drehgeschwindigkeit proportlonal sind.

   Durch dlese Wirbeiströme entsteht eln sekundäres Magnetfeld, bel dessen Änderung elne Spannung In den ortsfesten Meßspulen Induzlert wird. Diese Spannung Ist damit der Drehbeschleunigung der Meßscheibe proportlonal. Dle Meßwertübertragung von rotlerender Welle entfällt In dlesem Fall.

   In der US-PS 24 60 115 werden zwei spezlelle Bauarten des Ferraris-Aufnehmers zur Drehbeschleunigungsmessung beschrieben: Dle Bauart mit Scheibenläufer wird als ungünstig gegenüber dem von Ihm ausgeführten Aufnehmer mit Giockenläufer bezeichnet. Kennzelchnend für belde Ausführungen sind Magnete mit sehr klelnen Abmessungen gegenüber der Fläche der Meßschelbe bzw. des Glockenläufers. Dle Spulenkerne sind Im Verglelch zu den Magnetpolen großflächig ausgeführt. Nachteilig bel dlesem und bel anderen ausgeführten Ferrarls-Aufnehmern Ist elne nledrige Grenzfrequenz sowle eln Empfindlichkeltsabfall bel zunehmender Drehzahl, starke Bremswirkung und Erwärmung des Läufers berelts bel verhältnismäßig niedrlgen Drehzahlen (s. z. B. Rohrbach, Ch.: Handbuch für elektrlsches Messen mechanischer Größen, S. 204 f, VDI-Verlag 1967). Durch die Erwärmung der Meßscheibe sinkt die Leitfähigkeit des Scheibenwerkstoffes und damit auch die Empfindlichkeit des Aufnehmers. Dlese Nachteile werden nicht nur den beschrtebenen Ausführungen, sondern dem Meßprinzip zugeschrleben (s. z. B. Rohrbach, Ch.: Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen).

   Hoodwln (Instr. & Control Systems, 4, 1967, S. 129) verwendet ebenfalls die Bauart mit Scheibenläufer. Er benutzt aber elne andere Meßanordnung: Dle Meßspulen befinden slch nicht (wle bel Adamson und bel der erfindungsmäßlgen Lösung) in Umfangsrichtung zwlschen den Magneten - die Skizze deutet an, daß Wlrbelstrome quer zur Umfangsrichtung genutzt werden. Auch bel die ser Ausführung begrenzt laut Verfasser die Erwärmung der Meßscheibe den Drehzahlberelch oder macht elne Kühlung notwendig.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Bremsmoment und somit auch die Erwärmung der Meßscheibe ohne Einbuße an Empflndllchkelt gegenüber den bisherigen Ausführungen stark zu reduzieren und damit elnen hochempfindlichen Drehbeschleunlgungsaufneh mer auch für schnell rotierende Wellen zu schaffen.

   Dlese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzelchnende Merkmal des Anspruchs 1 gelöst. Weltere Ausgestaltungen der Erfindung sind In den UnteransprO-chen beschrleben. Dle Erfindung wird anhand der Zelchnungen näher erläutert. Es zelgt Flg. 1 schematische Anordnung der Magnete nach Anspruch 1 (Draufslcht In Axialrichtung)

   Flg.
2. 2 Querschnitt durch elne Ausführungsform Flg.
3. 3 Querschnitt zur Gestalt der Meßscheibe nach Anspruch 4 und 5 Flug.
4. 4 Anbringung und Schaltung der Meßspulen.

   Durch geelgnete Anordnung und Gestalt der Magnete werden die Wlrbelströme in der Meßscheibe gegenüber den bisher bekannten Ausführungen so geführt, daß sle nur dort auftreten, wo sle tür die Messung genutzt werden können.

   Dles wird nach Fig. 1 durch folgende konstruktive Merkmale errecht: Das magnetische Glelchfeld 3 wird Im Gegensatz zu den bisher bekannten Ausführungen so gestaltet, daß mit Ausnahme der unmittelbaren Nähe der Meßspulen 4 die Meßschelbe 1 möglichst vollständig vom homogenen magnetischen Gleichfeld 3 durchsetzt wird, so daß dleser Teil der Meßschelbentläche wirbelstromfrei ist. Das Gleichfeld 3 der Magnete (Elektromagnete oder Permanentmagnete) reicht bis zum äußeren Rand der Meßscheibe 1. Durch dlese Maßnahme wird sowohl das Bremsmoment und die Erwärmung sehr stark reduzlert, als auch die Empfindlichkeit erhöht, da die entstehenden Wlrbelströme In der Nähe der Meßspulen 4 konzentrlert werden und somit eln größerer Antell des sekundären Magnetfeldes von den Meßspulen 4 erfaßt wird. Durch die der Erfindung zugrundellegenden konstruktiven Merkmale wird schon bei Verwendung von Werkstoffen mit mittlerer bis guter Leitfähigkeit (z. B.

   Zinnbronze bzw. Aluminium) für die Meßschelbe 1 der Einfluß des Bremsmomentes und der Erwärmung durch Wlrbelströme trotz guter Empfindlichkeit bedeutungslos.

   Flg. 2 zelgt eln ausgeführtes Belsplel (Meßschelbendlcke 1 mm): Bel elner Luftspaltlänge L = 1,8 mm werden durch den kürzesten Abstand S = 6 mm zwlschen den Magneten 2 und dem hochpermeablen Werkstoff der Meßspulenkerne 5 die beschrlebenen Nachteile der bisherigen Ausführungen vermieden, wobel eln magnetischer Kurzschluß noch slcher vermleden wird.

   Dlese konstruktiven Merkmale können sinngemäß auf die nach dem glelchen Meßprinzip arbeitende Bauform mit elnem Glockenläufer (s. z. B. Adamson, Rohrbach) Anwendung finden.

   Die Meßscheibe 1 wird in elner weiteren Ausbildung der Erfindung nach Fig. 3 so hergestellt, daß der elektrisch leltende Werkstoff 1a ähnlich wle bel Lelterplatten auf elnem dielektrischen Substrat ib angebracht wird.

   Auf dlese Art kann die Dlcke des elektrlsch leitenden, nicht terromagnetischen Werkstoffs sehr genau eingehalten werden und ein Werkstoff hohen Reinheitsgrades verwendet werden. Mit diesem Vertahren kann außerdem der Bereich der Meßscheibe ausgespart oder nachträglich durch Ätzen vom elektrisch leltenden Werkstott befrelt werden, der nicht vom magnetischen Gleichfeld 3 der Magnete 2 durchsetzt wird. Der Innere Durchmesser dleser leitenden ringförmigen Fläche la ist also größer oder glelch dem inneren Durchmesser der großtlächigen Magnete 2, der äußere Durchmesser der leitenden Fläche klelner oder gleich dem äußeren Durchmesser der Magnete. Mit derart ausgebildeter Meßscheibe wird bei dem Aufnehmer durch örtlich gleichen elektrlschen Wlderstand elne Reduktion des Störsignalpegeis und eine weitere Senkung des Bremsmomentes und der Erwärmung bel glelcher Empfindlichkeit erreicht.

   In elner welteren Ausbildung der Erfindung sind nach Flg. 4 zwel oder mehr Meßspulen 4 in Umfangrichtung zwlschen den Magneten derart angeordnet, daß jewells elne Meßspule 4 um den iuftspaltnahen Schenkel des Spulenkernes 5 aus hochpermeablem Material (z. B. Ferrit oder Trafoblech) gewickelt wird. Dadurch wird berelts das Entstehen von Störspannungen In den Meßspulen 4 unterdrückt, da der magnetische Störtluß überwiegend durch die nicht benutzten Schenkel der Spulenkerne geleltet wird. Dle zwei oder mehr Meßspulen 4 sind so unterelnander verbunden, daß die durch die Änderung des sekundären Magnetfeldes der Wlrbelströme Induzlerten Spannungen addlert, die durch magnetische Störfelder verursachten Spannungen dagegen subtrahiert und damit eliminiert werden.

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