-
-
Magnetoelastischer Drehmomentgeber
-
Die Erfindung betrifft einen magnetoelastischen Drehmoment geber gemäß
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
-
Ein magnetoelastischer Drehmomentgeber ist beispielsweise bekannt
aus der SE-PS 167 387. Dieser bekannte Geber hat den Nachteil, daß innere Spannungen
an der Oberfläche des Wellenmaterials Variationen im Ausgangssignal des Gebers beim
Drehen der Welle verursachen. Diese Variationen können zwar durch Wärmebehandlung
der Welle, durch Erhöhung der Polzahl des Gebers sowie dadurch reduziert werden,
daß man -soweit dies möglich ist - eine längere Zeit mißt und den Mittelwert bildet.
Es ist jedoch schwierig, die inneren Spannungen an der Wellenoberfläche durch Wärmebehandlung
auf unter ca. 10 N/mm2 zu senken, und auch wenn die Polzahl groß ist, wird die Signalvariation
beim Drehen der Welle erheblich, zumindest dann, wenn eine unmittelbare Messung
gefordert wird, so daß die Bildung eines Mittelwertes über eine gewisse Zeit nicht
möglich ist.
-
Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, wurde ein Drehmomenteber entwickelt,bei
dem in die Welle, deren- Drehmoment gemessen werden soll und die aus magnetischem
Material bestehen muß, in zwei parallelen, ringförmigen Zonen in einem kleinen Abstand
voneinander parallele Nuten mit gleichmäßiger Teilung eingefräst werden, die einen
Winkel von +45° beziehungsweise -450 mit der Erzeugenden der Wellenoberfläche (der
achs-
parallelen Mantellinie) bilden. Hierdurch erhält man eine
magnetische Orientierung in Richtung der Nuten in den beiden Zonen, u.a. aufgrund
des hohen magnetischen Widerstandes senkrecht zu den Nuten. Wenn die Welle mit einem
Drehmoment belastet wird und eine positive Magnetostriktion hat, so wird die Reluktanz
(magnetischer Widerstand) in der Zone geringer, in der die Nuten parallel zu der
positiven Hauptspannung verlaufen, während die Reluktanz in der anderen Zone zunimmt,
in der die Nuten parallel zu der negativen Hauptspannung verlaufen. Dadurch, daß
man die Reluktanzen in einer Differenzschaltung vergleicht, erhält man ein Maß für
das übertragene Drehmoment. Dieses Prinzip wird dadurch realisiert, daß jede Zone
mit zwei zur Welle konzentrischen stationären (nicht rotierenden) Spulen umgeben
wird, die in Reihe geschaltet sind und mit Wechselstrom gespeist werden, um ein
magnetisches Feld zu erzeugen. Zur Erfassung des Unterschiedes zwischen den magnetischen
Flüssen in den beiden Zonen sind zwei weitere passive Wicklungen vorhanden, die
gegensinnig in Reihe geschaltet sind. Ein rotationssymmetrischer Eisenkern mit einer
E-förmigen erzeugenden Fläche (Querschnitt in einer Schnittfläche, in der die Längsachse
des Kerns liegt) umgibt die Spule und bildet mit der Welle Luftspalte.
-
Diese Lösung funktioniert im Prinzip gut; sie hat jedoch gewisse Schwächen:
Das Material der Welle kann nicht mit Rücksicht auf den jeweiligen Anwendungsbereich
gewählt werden, sondern muß mit Rücksicht auf die Durchführbarkeit der Messung magnetische
Eigenschaften haben. Bei vielen Anwendungsfällen wird jedoch beispielsweise eine
hohe Festigkeit und damit eine große Härte des Wellenmaterials gefordert, so daß
die Permeabilität und damit die Empfindlichkeit der Meßanordnung sehr gering werden.
Bei anderen Anwendung fällen ist eine Welle aus rostfreiem austenitischem Stahl
erforderlich, so daß die genannte Meßmethode überhaupt nicht anwendbar ist.
-
Auch in den Fällen, in denen die magnetischen Eigenschaften der Welle
ausreichend sind, ergeben sich bei dem bekannten Geber Schwierigkeiten: In einer
Welle sind stets erhebliche zufällige magnetische Orientierungen vorhanden, vor
allem infolge innerer Spannungen, aber auch infolge des Vorhandenseins von Bereichen
mit unterschiedlicher Kristallorientierung, was eine Folge des Herstellungsprozesses
für Wellen ist, unabhängig davon, ob es sich um geschmiedete große Wellen oder gewalzte
kleinere Wellen handelt. Diese magnetische Orientierung kann zwar durch wiederholtes
Normalisieren weitgehend reduziert werden, sofern das Normalisieren mit großer Sorgfalt
durchgeführt wird, wobei die Wellen hängen müssen und sich in einem genügend großen
Abstand voneinander und von der Ofenwand befinden müssen. Aber auch bei Anwendung
größter Sorgfalt bleibt stets eine Restorientierung von einigen Prozent erhalten,
wahrscheinlich aufgrund der genannten variierenden Kristallorientierung, die schwer
vollständig zu beseitigen ist. Wenn die genannten Wicklungen sowie ihr Magnetkern
absolut konzentrisch zur Welle und ohne Orientierung in den Stirnwänden sein würden,
würde diese restliche Orientierung in der Welle kein winkelabhängiges Signal auslösen.
Aufgrund von Unvollkommenheiten in der Zentrierung und mangelnder ringsymmetrischer
Orientierung in den Stirnwänden erhält man jedoch immer eine gewisse Winkelabhängigkeit
des Signals, selbst bei der besten Wärmebehandlung der Wellen, was mit dem Fertigungsprozeß
der Wellen zusammenhängt.
-
Der Erfindung-liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehmomentgeber der
eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem die vorgenannten Nachteile der bekannten
Drehmomentengeber praktisch beseitigt sind.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Drehmomentengeber nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1 vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil
des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
genannt.
-
Unter einer drehmomentfesten Befestigung der Hülse an der Welle wird
verstanden, daß die Hülse den durch das Drehmoment bedingten Verformungen der Welle
folgt.
-
Bei der Erfindung, bei der die Hülse beispielsweise auf der Welle
festgelötet ist, können die obenerwähnten Nuten vorzugsweise in Form durchgehender
Schlitze ausgebildet sein. Der Vorteil der Verwendung einer solchen Hülse besteht
darin, daß sie aus gewalztem Rohrmaterial hergestellt werden kann, das durch das
Walzen erheblich homogenere Eigenschaften in Umfangsrichtung bekommen hat. Hierdurch
können die winkelabhängigen Variationen des Meßsignals um mindestens eine Größenordnung
reduziert werden, was eine Voraussetzung für die Anwendbarkeit für Drehmomentgeber
auf vielen Anwendungsgebieten mit kleinen Drehmomenten ist.
-
Mit einer separat angefertigten Meßhülse erzielt man selbstverständlich
auch den Vorteil, ein Material mit günstigen magnetischen Eigenschaften wählen zu
können, das mit einer Welle kombiniert werden kann, die aus einem hochfesten Material
mit schlechten magnetischen Eigenschaften oder aus austenitischem, unmagnetischem
Stahl besteht. Auch bei Wellen aus gewöhnlichem Wellenstahl mit verhältnismäßig
guten magnetischen Eigenschaften hat jedoch eine Hülse aus Rohrmaterial den Vorteil
einer erheblich besseren homogenen magnetischen Orientierung.
-
Das beim Festlöten der Hülse benutzte Lötmittel bildet ein unmagnetisches
Distanzmaterial, das die magnetische Kopplung zwischen der Hülse und der Welle verringert.
Eine größere magnetische Isolierung der Hülse kann man durch eine Durchmesserverkleinerung
der Welle unter jeder der beiden Zonen erreichen, wobei dann die Hülse nur an ihren
Enden und in ihrer Mitte an der Welle befestigt wird, in diesem Fall
eventuell
durch Schweißen, vorzugsweise durch Laserschweißung.
-
Rein fertigungstechnisch hat der Drehmomentgeber mit einer mit Schlitzen
versehenen Hülse große Vorteile gegenüber einer Ausführung mit direkt in die Welle
eingefrästen Nuten.
-
Beim Fräsen von Nuten in die Welle muß eine Endfräsmaschine benutzt
werden, wobei die Welle während der Bearbeitung gleichzeitig eine schraubenförmige
Bewegung ausführen muß.
-
Die Schlitze in der Hülse können dagegen bei stillstehendem Rohr einfach
mit einem Schlitzfräser gefräst werden. Daß die Schlitze dabei nicht mit ihrer ganzen
Länge ganz mit den Hauptspannungsrichtungen zusammenfallen, hat keine Bedeutung.
-
Wenn die Messung nur für eine Drehmomentrichtung vorgenommen werden
soll, kann man verschiedene Winkel für die Schlitze in den beiden Zonen verwenden,
um eine bessere Linearität des Gebersignals zu bekommen. Der theoretische Grund
zur Reduktion des Linearitätsfehlers bei magnetoelastischen Ge bern durch die Kombination
von Signalkomponenten in geeigneten Proportionen von Elementen mit Zug- bzw. Druckspannung
wird in der DEsOS 27 56 701 beschrieben, die jedoch ein völlig anderes Verfahren
behandelt.
-
Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die
Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer
Meßhülse für einen Drehmomentgeber gemäß der Erfindung mit zwei parallelen Zonen
mit untereinander parallelen Schlitzen, die einen Winkel von ca. + 450 bzw.
-
° -45 mit der Erzeugenden der Zylinderfläche bilden, Fig. 2 einen
senkrecht zur Achse und einen achsparallel verlaufenden Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung bei der üblichsten Anwendungsart, bei der die Meßhülse außerhalb
der Welle angeordnet
ist und das Spulensystem mit dem Eisenkern
die Hülse umgibt, Fig. 3 ein Prinzipschaltbild zur Speisung der Erregerwicklungen
und zur Messung des Signals durch die Meßwicklungen, Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel
für die Anordnung einer Meßhülse in Form eines Futters innerhalb einer Hohlwelle
in stirnseitiger Ansicht und im achsparallelen Schnitt, Fig. 5 die Ausführungsform
nach Figur 4 mit in die Meßhülse eingesetzten Erregerwicklungen und zugehörigem
Magnetkern, Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der Meßhülse für einen Drehmomentgeber
gemäß der Erfindung, die sich besonders für große Wellen eignet.
-
Figur 1 zeigt eine Meßhülse 1 aus weichmagnetischem Material, deren
innere und äußere Zylinderwandflächen hochgradig konzentrisch zueinander ausgebildet
sind.
-
In zwei parallelen ringförmigen Zonen 2 und 3, die einen gewissen
axialen Abstand voneinander haben, sind untereinander parallele Schlitze mit gleichmäßiger
Teilung angeordnet, z.B.
-
durch Ausfräsen, wobei die Schlitze einen Winkel o( von ungefähr +450
in der einen Zone und ungefähr -450 in der anderen Zone mit der Erzeugenden der
Zylinderfläche der Hülse bilden.
-
Figur 2 zeigt, wie die Hülse 1 konzentrisch auf einer Welle 4 festgelötet
ist, deren Drehmoment gemessen werden soll. Jede Zone 2, 3 ist von je einem zur
Welle konzentrisch liegenden Spulenkörper 16, 17 umgeben, von denen jeder je zwei
zur Welle konzentrisch liegende Wicklungen 8, 10 bzw. 9, 11 trägt. Die Wicklungen
10 und 11 sind in Reihe geschaltet und werden mit Wechselstrom zur Erregung eines
magnetischen Feldes gespeist (Erregerwicklungen). Die Wicklungen 8 und 9 dienen
zur Erfassung der Differenz der magnetischen Flüsse in den beiden Zonen (Meßwicklungen);
diese Wicklungen sind gegensin-
nig in Reihe geschaltet. Ein rotationssymmetrischer
Eisenkern 5 mit einer E-förmigen erzeugenden Fläche umgibt die Spulen und bildet
an seinen drei ringförmigen Teilen Luftspalte mit der Welle 4.
-
Zur sicheren Zentrierung in bezug auf die Welle kann es vorteilhaft
sein, den Luftspalt zwischen- der Hülse und den Polflächen des Magnetkerns mit einer
unmagnetischen Hülse aus geeignetem Material mit niedriger Reibung, beispielsweise
Teflon oder Bronze, auszufüllen.
-
Wenn die Zonen völlig symmetrisch ausgeführt sind, so ist das Ausgangssignal
bei unbelasteter Welle Null, sofern der Eisenkern 5 in bezug auf die Welle 4 gut
zentriert ist, die Hülse homogene magnetische Eigenschaften hat und die Hülse magnetisch
- beispielsweise durch die beim Festlöten gebildete Lötmittelschicht - von der Welle
getrennt ist. Unter diesen Voraussetzungen können nur Unterschiede in der magnetischen
Permeabilität in Richtung der Stege in den Zonen das Gleichgewicht im Geber stören.
Wenn die Magnetisierung mit einer so hohen Frequenz erfolgt, daß das Eindringen
des magnetischen Flusses in die Welle vernachlässigbar ist, so hat die magnetische
Trennung durch das Lötmittel nur geringe Bedeutung.
-
Wenn die Welle nun durch ein Drehmoment belastet wird, so werden die
Stege in der einen Zone einer Zugspannung in der Flußrichtung und die Stege in der
anderen Zone einem Druck in der Flußrichtung ausgesetzt, was bei einem Material
mit positiver Magnetostriktion, wie zum Beispiel Eisen bei mäßiger Magnetisierung,
zu einer Erhöhung bzw. Verminderung des Flusses durch die beiden Zonen führt, wobei
man ein dem Drehmoment proportionales Signal erhält.
-
Figur 3 zeigt, daß die Spulen 10 und 11 in Reihe liegen und von der
Wechselstromquelle 13 gespeist werden. Das Signal am Ausgang der beiden gegensinnig
in Reihe geschalteten Spulen 8 und 9 wird phasenempfindlich in dem gesteuerten Gleichrichter
14
mit Filter gleichgerichtet und durch das Anzeigegerät 15 angezeigt.
-
Die Figuren 4 und 5 zeigen die Anwendung des Gebers gemäß der Erfindung
bei einer Hohlwelle, wobei es wünschenswert ist, die Messung innerhalb der Welle
vorzunehmen. Dabei tauschen Welle und Geber ihren Platz. Die drehmomentübertragende
Welle 30 ist auf der Innenseite mit einer Hülse gefütter-t, die zwei geschlitzte
Zonen 31, 32 hat. Der weichmagnetische Kern besteht aus einem zylindrischen Zapfen
36, der mit drei ringförmigen Scheiben 33, 34, 35 versehen ist, zwischen denen die
Erregerwicklungen 37, 38 und die Meßwicklungen 39, 40 auf Spulenkörß pern 41, 42
angeordnet sind. Der Kern mit dem Wicklungssystem wird konzentrisch zur Hohlwelle,
beispielsweise mittels eines herausragenden Teils des Zapfens 36, festgehalten.
-
Figur 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die sich besonders
für große Wellen 51 eignet, für die eine dünne Meßhülse schwer herzustellen ist.
Die Hülse ist hier durch ein weichmagnetisches Band 50 ersetzt, welches gestanzte
oder geätzte Schlitze in zwei parallelen Zonen 53, 54 in gleicher Weise hat, wie
es vorstehend für die Hülse beschrieben wurde.
-
Die Bandfuge 52 muß natürlich den Richtungen der Schlitze folgen.
-
- Leerseite -