DE3823935A1

DE3823935A1 - Ringspulen-drehmomentsensor nach dem magnetostriktionsprinzip

Info

Publication number: DE3823935A1
Application number: DE19883823935
Authority: DE
Inventors: Robert Dr Kugler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-07-14
Filing date: 1988-07-14
Publication date: 1990-01-18

Description

Die Erfindung betrifft einen Ringspulen-Drehmomentsensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Solche Sensoren sind aus der Zeitschrift "Technisches Messen" 52 (1985), Heft 5, Seiten 189-198, Aufsatz "Sensoren aus amorphen Metallen" bekannt, wo in Bild 13 ein Sensor mit folienbeschichteter Welle gezeigt ist.

Sofern symmetrische Betriebsbedingungen ohne den primären magnetischen Erregerfeld überlagerte Störfelder gegeben sind, ist die an der sekundären Meßspulenanordnung abgreifbare Meß spannung ein zutreffendes Maß für die Torsion des Drehkörpers, da die Meßspulen in Differenzschaltung miteinander verbunden sind.

Falls solche symmetrischen Betriebsbedingungen jedoch fehlen, was z.B. bei Stellantrieben mit Hohlwellen, die von axial ver stellbaren Armaturspindeln aus ferromagnetischem Werkstoff durchdrungen sind, der Fall ist, können sich in den beiden torsionsbeanspruchten Folien unterschiedliche Magnetfelder ausbilden, die sich nicht kompensieren und daher das Meßsignal der Meßspulenanordnung mit einem Meßfehler belasten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehmoment sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der auch bei Störfeldern eine fehlerfreie Messung sicherstellt und daher bei Drehkörpern mit Störfelder und unsymmetrischen Anordnungen, wie z.B. Stellantrieben, besonders vorteilhaft eingesetzt werden können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die kennzeich nenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist anhand eines vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die schematische Schaltung der Spulen und Folien,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der räumlichen Zuordnung von Spulen und Folien zueinander und zu einer Hohlwelle.

Von einer Wechselspannung U _P werden die primären Erregerspulen P ₁, P ₂ und die mit diesen in Reihenschaltung betriebenen Kompen sationserregerspulen K ₁, K ₂ gespeist, die jeweils in gleicher Richtung wirkende magnetische Wechselfelder H ₁, H ₂, H _{K 1}, H _{K 2} von beispielsweise 220 Hz für die einzelnen torsionsbeanspruch ten Folien F ₁ und F ₂ sowie die torsionsfreien Kompensations folien F _{K 1}, F _{K 2} ausbilden.

Die torsionsbeanspruchten Folien F ₁, F ₂, die in bekannter Weise mit dem Drehkörper verklebt oder sonstwie flächig fest ver bunden sind, ändern mit der Torsionsbeanspruchung durch den Magnetostriktionseffekt ihre magnetischen Eigenschaften und diese Magnetänderungen ergeben in sekundären gegeneinanderge schalteten Meßspulen M ₁, M ₂ entsprechende veränderte Sekundär spannungen U _{S 1} und U _{S 2}.

Bei vollkommen symmetrischem Aufbau und symmetrischen Umgebungs verhältnissen würde bezüglich von Störfeldern durch die Diffe renzschaltung allein der Meßspulen am Ausgang des Meßsystems eine Störfeldkompensation erfolgen, so daß die Meßspannung ein Maß für die Torsionskraft wäre. In besonderen Ausführungen und Anordnungen der Drehkörper ist jedoch eine Symmetrie und damit eine Kompensation von Störfeldern durch die Gegeneinander schaltung von Meßspulen allein nicht möglich. Dies trifft beispielsweise für Stellantriebe mit motorisch angetriebenen Hohlwellen zu, die durch axial verstellbare Armaturspindeln aus ferromagnetischem Werkstoff durchdrungen und mit diesen kraft- und formschlüssig gekuppelt sind.

Zur Kompensation der dadurch hervorgerufenen Meßfehler sind mit den gegensinnig geschalteten Meßspulen M ₁, M ₂ zusätzlich gegen einander geschaltete Kompensationsmeßspulen M _{K 1}, M _{K 2} verbunden und jeder Kompensationsmeßspule eine nicht tordierte Kompen sationsfolie F _{K 1}, F _{K 2} zugeordnet, so daß die Folie F ₁ mit der Kompensationsfolie F _{K 1} einem gemeinsamen Störfeld H _S′ und die Folie F ₂ samt Kompensationsfolie F _{K 2} einem gemeinsamen anderen Störfeld H _S′′ ausgesetzt sind. Die Sekundärspannung U _{S 1}, U _{S 2} sind den jeweiligen Kompensationsspannungen U _{K 1}, U _{K 2} entgegen gerichtet, so daß sich für die kompensierte Meßspannung U _M die Beziehung ergibt

U _M = (U _{S 1}-U _{K 1}) - (U _{S 2}-U _{K 2}) . (1)

Dabei sind die Kompensationsspannungen

und

worin C ₁, C ₂ bau- und/oder betriebsbedingte Konstanten bedeuten.

Gemäß einer Anordnung nach Fig. 2 sind in einer magnetischen Gesamtabschirmung A um eine Hohlwelle W (z.B. ohne eine sie durchdringende Armaturspindel gezeichnet) axial übereinander beabstandet die primären Erregerspulen P ₁, P ₂ sowie die Kompen sationserregerspulen K ₁, K ₂ mit radialem Abstand ruhend um die Hohlwelle W und radial von den Meß- bzw. Kompensationsmeßspulen M ₁, M ₂, M _{K 1}, M _{K 2} umgeben. Zwischen diesen sind magnetische Zwischenabschirmungen A′, A′′ vorgesehen. Die Folien F ₁, F ₂ sind im Bereich der Erregerspulen P ₁, P ₂ fest mit der Hohlwelle W, die Kompensationsfolie K ₁, K ₂ mit den ruhend angeordneten Kompensationserregerspulen K ₁, K ₂ verbunden. Somit ergibt sich eine ausreichend genaue magnetische Kompensation von störenden Einflüssen der Umgebung und/oder der Armaturspindel betreffs der Gleich- und Wechselstörfelder.

Claims

1. Ringspulen-Drehmomentsensor nach dem Magnetostriktions prinzip für einen Drehkörper, der mindestens zwei voneinander axial beabstandete und am Umfang des Drehkörpers befestigte ferromagnetische amorphe Folien aufweist, denen in Reihe ge schaltete primäre Erregerspulen sowie in Gegenreihe geschal tete sekundäre Meßspulen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei unsymmetrischen Betriebsbedingungen ausgesetzten Dreh körpern (W) mit unterschiedlichen Magnetfeldern für die beiden torsionsbeanspruchten Folien (F ₁, F ₂) jeder derselben in deren magnetischem Störfeld eine mechanisch unbelastete, den Dreh körper (W) berührungslos ruhend umgebende gleichartige Kompen sationsfolie (F _{K 1}, F _{K 2}) mit eigener Kompensationserregerspule (K ₁, K ₂) in Reihenschaltung zu den Erregerspulen (P ₁, P ₂) und eigener Kompensationsmeßspule (M _{K 1}, M _{K 2}) in jeweiliger Gegen reihenschaltung zu den Meßspulen (M ₁, M ₂) zugeordnet sind, so daß die zusammengehörigen Erreger-, Kompensationserreger-, Meß- und Kompensationsmeßspulen sowie die Folien samt zugeord neten Kompensationsfolien zumindest etwa gleichen Störfeldern ausgesetzt sind.

2. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils zusammengehörigen Erreger- und Meßspulen (P ₁, M ₁; P ₂, M ₂) bzw. Kompensationserreger- und Kompensationsmeß spulen (K ₁, M _{K 1}; K ₂, M _{K 2}) jeweils paarweise konzentrisch und gegeneinander magnetisch abgeschirmt in einer ringförmigen Gesamtabschirmung (A) jeweils eine Folie umgeben, wobei jede Kompensationsfolie (F _{K 1}, F _{K 2}) unmittelbar an der Innenseite einer Kompensationsmeßspule (M _{K 1}, M _{K 2}) anliegt.

3. Drehmomentsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtabschirmung (A) abschließende ringscheibenförmige Stirnflächen sowie zwischen diesen zwei ringscheibenförmige Zwischenabschirmungen (A′, A′′) aufweist, zwischen denen die Kompensationserreger-, Kompensationsmeßspulenanordnungen (K ₁, K ₂; M _{K 1}, M _{K 2}) axial voneinander beabstandet gehalten sind und die Erregerspulen- und Meßspulenanordnungen (P ₁,P ₂; M ₁, M ₂) jeweils zwischen einer Stirnfläche der Gesamtabschirmung (A) und einer Zwischenabschirmung (A′, A′′) liegen.

4. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung bei Stell antrieben mit die Antriebshohlwellen durchdringenden Armatur spindeln.