DE69500078T2 - Magnetisches Torsionsmessgerät zur absoluten Messung von Verdrehung und Drehmoment - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft ein Drehmomentmesser magnetischer Art für die Messung von Momenten anhand einer Torsionswelle, besonders geeignet für die Torsionsmessung von großen Wellen, wie zum Beispiel Schraubenwellen der Marine, Turbinenwellen, Mühlenwellen, usw., unter der Wirkung eines Moments.
• Man kennt bereits Drehmomentmesser mit einem Torsionsstab, dessen Enden jeweils an ein Wellenende, das ein Antriebsmoment liefert, und an ein anderes Wellenende, das ein Gegenmoment aufweist, angeschlossen sind. Der Torsionsstab, der sich in bezug auf einen externen Käfig mit zwei Zahnkronen und ihre jeweilige stationäre Wicklung drehen kann, umfaßt zwei Zahnscheiben, die jeweils an einem Ende des Torsionsstabs montiert sind. Wenn die Zähne der Scheiben vor denjenigen der Kronen vorbeilaufen, bildet sich eine Schwankung des Magnetflusses und damit verbunden eine Modulation des Signals in den Wicklungen, deren jeweilige Phasenverschiebung dann mit einem Phasenmesser gemessen werden kann. Eine derartige Vorrichtung erfordert jedoch den Einsatz komplexer Elektronikschaltungen, die für die Synchronisierung der Phasenverschiebungen notwendig sind, und außerdem ist diese Methode schlecht geeignet für Studien von Übergangserscheinungen und ungeeignet für Messungen bei Stillstand.
• Von der Patentschrift FR 2 689 633 wurde ebenfalls vorgeschlagen, einen aus einem Winkelkomparator bestehenden magnetischen Drehmomentmesser herzustellen, mit einerseits einem ersten und einem zweiten gezähnten Rotor aus ferromagnetischem Werkstoff, die jeweils mit einem ersten und einem zweiten Ende einer Drehwelle verbunden sind, wobei sich die Zähne der Rotoren gegenüberstehen und zwischen ihnen einen Luftspalt definieren, und andererseits einem externen Magnetkreis mit konstanter Reluktanz, bestehend aus einem statischen Kreis aus ferromagnetischem Werkstoff, der ein erstes und ein zweites Ende aufweist, die jeweils gegenüber zylindrischen, ungezahnten Teilen des ersten und zweiten gezähnten Rotors angeordnet sind und jeweils zwischen ihnen einen ersten und einen zweiten Transferluftspalt definieren. Bei einem derartigen Drehmomentmesser ist eine Halleffekt-Sonde in einem Meßluftspalt angeordnet, der im externen, von Erregungsmitteln versorgten Magnetkreis definiert ist, und liefert ein elektrisches Amplitudensignal proportional zur Reluktanzschwankung im Meßluftspalt und demnach zum auf die Drehwelle ausgeübten Moment.
• Eine derartige Vorrichtung ermöglicht jedoch keine absolute Momentmessung, da keine Nullreferenz besteht. Das ist der Hauptnachteil dieser Vorrichtung.
• Zu erwähnen ist, daß eine elektronische Korrektur des Meßsignals, die eine Null-Anzeige für ein Moment null ermöglichen würde, nicht den ganzen Schwankungsbereich der Störparameter mechanischen oder thermischen Ursprungs abdecken kann. Sie würde außerdem eine absolute Stabilität der Versorgungsquelle der Halleffekt-Sonde erfordern.
• Man könnte sich eine Weiterbildung der Vorrichtung des Patents FR 2 689 633 vorstellen, um eine Absolutmessung des Moments zu erreichen, indem man entlang der Torsionswelle zwei identische Vorrichtungen Kopf bei Fuß montiert, deren gleiche und ungleiche Meßsignale voneinander abgezogen werden würden, wobei die gemeinsame Fläche als Referenz dient.
• Diese Lösung ist nicht völlig zufriedenstellend, da die beiden Vorrichtungen, wenngleich auch identischer Auslegung, zwangsweise unterschiedliche Imperfektionen aufiveisen würden und ihre Halleffekt-Sonden unterschiedliche Schwankungsgesetze hätten, die auch hier zu einer unmöglichen Kompensation über den ganzen Signalschwankungsbereich führen.
• Demzufolge ermöglicht die Vorrichtung des Patents FR 2 689 633 auch nach allen beliebigen Weiterbildungen nicht die absolute Messung der Torsion und des Moments.
• Diese Erfindung zielt darauf ab, ein Drehmomentmesser magnetischer Art herzustellen, dessen Gesamtaufbau ermöglicht, die vorgenannten Nachteile zu beseitigen, und der insbesondere ein geringeres Gewicht und Abmessungen aufweist, mit gleichzeitig besseren Meßgenauigkeiten als die Vorrichtungen des vorherigen Stands der Technik. Die Erfindung muß selbstverständlich für echte Wellen geeignet sein, um Momentmessungen an einer existierenden kinematischen Kette durchführen zu können, ohne sie zu demontieren. Die Erfindung muß insbesondere Absolutmessungen der Torsion und des Moments ermöglichen.
• Diese Ziele werden erreicht dank eines magnetischen Drehmomentmessers zur Messung des auf eine drehende Einheit ausgeübten Moments (C), mit einem ersten und einem zweiten, von einer Torsionwelle verbundenem Drehwellenabschnitt und einem ersten und einem zweiten Rotor, die jeweils mit dem ersten und den zweiten Drehwellenabschnitt verbunden sind, so daß sich der erste und der zweite Rotor unter der Wirkung des ausgeübten Moments ( C ) gegenseitig um einen Torsionswinkel (γ) proportional zum Moment ( C ) verschieben,
• dadurch gekennzeichnet, daß er einen festen, externen, U-förmigen Magnetkreis aufweist, dessen von einer ständigen magnetischen Erregungsquelle erzeugter Magnetfluß sich durch Luftspälte des ersten und zweiten Rotors schließt, daß der erste und zweite Rotor jeweils aus einer Ringplatte aus nicht magnetischem Werkstoff bestehen und jeweils zwei konzentrische Kronen aus ferromagnetischen Klötzen aufweisen, wobei die Klötze des ersten Rotors gegenüber den Klötzen des zweiten Rotors angeordnet sind und zwei Meßluftspaltkronen definieren, und wobei die relative Winkelposition der auf beiden Seite des gleichen Meßluftspalts angeordneten Klötze so gestaltet ist, daß die Luftspaltreluktanz (r1(γ), r2(γ)) pro Klotzpaar für die beiden Luftspaltkronen mit Moment null gleich ist, während diese Reluktanzen (r1(γ), r2(γ)) jedoch in entgegengesetzter Richtung je nach Kronen schwanken, wenn aufgrund des ausgeübten Moments ( C ) ein Torsionswinkel (γ) erscheint, daß er außerdem mindestens zwei magnetische Induktionssonden umfaßt, die in einem der glatten Luftspalte des U-förmigen Magnetkreises angeordnet sind und die Magnetflüsse messen, die den Klötzen jeder Krone des ersten oder zweiten Rotors entsprechen, die in entgegengesetzter Richtung zum Torsionswinkel (γ) schwanken, wobei diese Sonden einem Verarbeitungskreis angeschlossen sind, der ein elektrisches Ausgangssignal proportional zum Torsionswinkel (γ) erzeugt.
• Mit einem derartigen Aufbau, aufgrund einer lokalen Beschränkung der Flußlinien nur auf die betroffenen Magnetklötze (wie bei einem Gleichstrommotor mit Kollektor), werden die magnetischen Verluste minimiert und die Genauigkeit der Vorrichtung vergrößert. Die Reduzierung des externen Magnetkreises auf einen einzigen, einen beschränkten Abschnitt deckenden Bügel ermöglicht außerdem, die Abmessungen der Vorrichtung zu reduzieren und dort die elektronischen Schalt- und Meßkreise zu integrieren, die dann dicht an den magnetischen Meßsonden angeordnet werden können.
• Der besondere Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht die Herstellung eines doppelten Magnetkomparators, dessen Reluktanzschwankungen in gegensätzlicher Richtung die Verdopplung der Empfindlichkeit der Vorrichtung bewirken. Außerdem bildet eine derartige Anordnung ein sogenanntes «Null- Gerät», dessen Ruhewert sich nur aus seiner Geometrie ergibt.
• Nach einem besonderen Merkmal dieser Erfindung weisen die Magnetklötze eine T-Form auf, wobei die Klötze der ersten und zweiten Krone des ersten Rotors paarweise magnetisch miteinander verbunden sind, und die Klötze der ersten und zweiten Krone des zweiten Rotors magnetisch voneinander getrennt sind.
• Diese Klötze können aus einem konventionellen ferromagnetischen Werkstoff hergestellt werden oder im Sinterverfahren ab einem Magnetpulver mit sehr hoher Resistivität, was einen Betrieb der Vorrichtung bei hohen Drehzahlen erlaubt.
• Vorteilhafterweise umfaßt der Drehmomentmesser eine mechanische Schutzvorrichtung zur Begrenzung der relativen Winkelverschiebungen zwischen dem ersten und zweiten Rotor, so daß das maximale auf die Torsionswelle ausgeübte Moment beschränkt wird. Diese Schutzvorrichtung umfaßt mindestens ein Steckelement am ersten oder am zweiten Rotor und mindestens ein Aufnahmeelement am anderen ersten oder zweiten Rotor, um das Steckelement mit einem vorbestimmten Spiel aufzunehmen.
• Diese Schutzvorrichtung gegen einen unfallbedingten Bruch der Torsionswelle ist besonders interessant, wenn der Drehmomentmesser in eine Servosteuervorrichtung eines Servomotors eingebaut ist, wie z.B. eines Servomotors einer elektrischen Servolenkung eines Straßenfahrzeugs.
• Die magnetische Erregungsquelle kann aus einem Elektromagneten oder aus einem Dauermagneten bestehen.
• Um eine Redundanz der Messungen zu erzielen und dem erfindungsgemäßen Drehmomentmesser somit eine noch höhere Zuverlässigkeit zu verleihen, kann er mehrere externe, feste, U-förmige Magnetkreise umfassen, die am Umfang der Platten des ersten und zweiten Rotors verteilt sind, mit ihren eigenen zugehörigen Vorrichtungen von magnetischen Induktionssonden und Verarbeitungskreisen.
• Die magnetischen Induktionssonden können aus Halleffekt-Sonden oder Magnetwiderständen bestehen.
• Nach einer besonderen Ausgestaltung sind die Versorgungskreise der magnetischen Induktionssonden und die Verarbeitungskreise der von diesen Sonden gelieferten Signale gegen eine der externen Seitenwände des externen, festen, U- förmigen Magnetkreises angeordnet.
• Nach einer ersten möglichen Anwendung, besonders geeignet für die Messung von auf Wellen mit großen Abmessungen ausgeübten Momenten, wie z.B. Schraubenwellen der Marine, Turbogeneratorenwellen oder Mühlenwellen, besteht die Torsionswelle direkt aus einem drehbaren Wellenabschnitt einer bestehenden Welle, und der erste und zweite Rotor sind jeweils mechanisch über zwei starre halbzylindrische Abschnitte, die den drehbaren Wellenabschnitt umgeben, mit zwei entfernten Drehwellenabschnitten, die dem Torsionswinkel (γ) unterliegen, verbunden. Dank dieser Anordnung kann der Drehmomentmesser ohne Wellenbruch montiert und demontiert werden.
• Nach einer anderen möglichen Anwendung ist der erfindungsgemäße Drehmomentmesser in eine Servosteuervorrichtung eines Servomotors eingebaut, wie z.B. eines Servomotors einer elektrischen Servolenkung eines Straßenfahrzeugs.
• Weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung gehen aus der nachstehenden, unverbindlichen und uneinschränkenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen hervor.
• - Fig. 1 ist eine axiale Schnittansicht einer ersten Gestaltungsart eines erfindungsgemäßen Drehmomentmessers.
• - Fig. 2 ist eine Außenansicht nach Linie II-II der Fig. 1 einer ersten Platte des Drehmomentmessers mit einem abgerissenen Teil.
• - Fig. 3 ist eine Außenansicht nach Linie III-III der Fig. 1 einer zweiten Platte des Drehmomentmessers mit einem abgerissenen Teil.
• - Fig. 4 ist ein erstes Gestaltungsbeispiel der Magnetklötze der Platten des erfindungsgemäßen Drehmomentmessers.
• - Fig. 5A und 5B zeigen im Detail die Anordnung der die Platten der Fig. 2 und 3 bildenden Klötze.
• - Fig. 6 ist ein äquivalenter Stromlaufplan des erfindungsgemäßen Magnetmeßkreises.
• - Fig. 7 ist eine Kurve mit Darstellung der Schwankungen an den Klemmen der magnetischen Induktionsmeßsonden je nach Torsionswinkel γ.
• - Fig. 8 zeigt das Prinzipschema der Messung ab den an den Klemmen der magnetischen Induktionsmeßsonden anstehenden Signalen.
• - Fig. 9 ist eine axiale Schnittansicht, die ein besonderes Einsatzbeispiel des erfindungsgemäßen Drehmomentmessers zeigt.
• - Fig. 10 ist ein zweites Gestaltungsbeispiel der Magnetklötze der Platten des erfindungsgemäßen Drehmomentmessers.
• - Fig. 11 ist eine axiale Schnittansicht, die ein weiteres besonderes Einsatzbeispiel des erfindungsgemäßen Drehmomentmessers zeigt.
• Fig. 1 zeigt einen Abschnitt einer Drehwelle mit großen Abmessungen, mit einem drehbaren Teil 3 zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 1,2, wobei diese Welle einer erfindungsgemäßen Momentmeßvorrichtung zugeordnet ist. Wenn zum Beispiel der erste Abschnitt 1 an einem Antriebsorgan angeschlossen ist und der zweite Abschnitt 2 an ein Empfangsorgan, oder umgekehrt, wird von diesem Antriebsorgan ein Moment C an das Empfangsorgan übertragen, und zwar über den drehbaren Teil 3 der Drehwelle, der eine relative Winkelverschiebung γ zwischen den beiden Abschnitten proportional zum angewendeten Moment C erzeugt.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die aus einem magnetischen Drehmomentmesser besteht, ermöglicht eine einfache Bestimmung dieser Winkelverschiebung γ und demnach des ausgeübten Moments C.
• Bei der auf Fig. 1 gezeigten bevorzugten Gestaltungsart der Erfindung umfaßt der Drehmomentmesser im wesentlichen einen doppelten Winkelkomparator, bestehend aus einem ersten Rotor 10 aus nicht magnetischem Werkstoff (zum Beispiel Aluminium oder Glasfasern), der starr auf einer ersten radialen Ebene A mit dem ersten Abschnitt 1 der Drehwelle verbunden ist, und aus einem zweiten Rotor 20, ebenfalls aus nicht magnetischem Werkstoff, der starr auf einer zweiten radialen Ebene B mit dem zweiten Abschnitt 2 dieser Drehwelle verbunden ist. Jeder Rotor, der mit dem Wellenabschnitt, an dem er angeschlossen ist, rotationssolidarisch ist, besteht aus einer Ringplatte 11, 21 mit einer Reihe von Klötzen aus ferromagnetischem Werkstoff 12a, 12 b; 22a, 22b, die in regelmäßigen Abständen zueinander an zwei konzentrischen Kronen angeordnet sind, wobei die Klötze 12a, 12b des ersten Rotors 10 gegenüber den Klötzen 22a, 22b des zweiten Rotors 20 angeordnet sind und Meßluftspalte 30a, 30b definieren.
• Bei dem dargestellten Beispiel ist die Verbindung zwischen den Rotoren und den Abschnitten der Drehwelle über starre halbzylindrische Abschnitte aus nicht magnetischem Werkstoff variabler Anzahl, zum Beispiel 70 bis 73, hergestellt, die sich um den drehbaren Teil 3 dieser Drehwelle erstrecken. In konventioneller Weise können diese halbzylindrischen Abschnitte an den Wellenabschnitten mit (nicht dargestellten) Verankerungselementen befestigt werden, die gemäß den radialen Ebenen A und B angeordnet werden.
• Da die Rotoren starr mit den Drehwellenabschnitten 1,2 auf beiden Seiten des drehbaren Teils 3 der Drehwelle verbunden sind, ist die Fläche gegenüber den magnetischen Klotzreihen 12a, 12b; 22a, 22b der Rotoren 10, 20 direkt mit dem Torsionswinkel γ verbunden, der, wie vorstehend erwähnt, linear mit dem zu messenden Moment schwankt. Die Reluktanz der Meßluftspalte 30a, 30b ist daher, bei einer gegebenen Geometrie, eine direkte Funktion des zu messenden Moments C.
• Erfindungsgemäß ist diese drehende Reluktanz auf einem externen, statischen Magnetkreis 40 mit bekannter konstanter Reluktanz über zwei glatte Lufispalte 41, 42 verschleift, die die Kontinuität des Flusses zwischen dieses externen Kreis und den Rotoren 10, 20 des magnetischen Komparators gewährleisten. Dieser externe Magnetkreis ist bügel- oder U-förmig, erstreckt sich über einen begrenzten Bereich der ringförmigen Rotoren 10, 20 und überdeckt mindestens einen Magnetklotz 12a, 12b; 22a, 22b jeder Krone.
• Dem externen Magnetkreis 40 ist ein magnetisches Dauererregungsmittel zugeordnet, um über diesen Kreis und die Rotoren 10, 20 einen Magnetfluß zu erzeugen, dessen Schwankung Funktion der Reluktanzschwankung zwischen den Meßluftspalten 30a, 30 b ist. Dieses Erregungsmittel kann aus einem oder mehreren Dauermagneten 43 bestehen, die im Körper des Bügels 44 angeordnet sind, oder, wie auf Fig. 9 dargestellt, aus einer torischen Spule 45, die auf dem Bügelkörper zentriert ist und von einem konstanten Gleichstrom angespeist wird.
• Die Ermittlung der Reluktanzschwankung in den Meßluftspalten erfolgt mit mindestens einer magnetischen Meßsonde, zum Beispiel einer Halleffekt- Sonde 50, 51, oder mit einer magnetoresistenten Vorrichtung, die in einem glatten Luftspalt 42 am externen Magnetkreis angeordnet wird. In der Praxis sind diese Sonden an einer der internen Seitenwände 46, 47 des Bügels befestigt, die sich jeweils gegenüber den ringförmigen Rotoren 10, 20 befinden. So kann das von diesen Sonden gelieferte, analogische Stromsignal sofort von einem Verarbeitungskreis 60 verarbeitet werden, der vorzugsweise an der Empfangsseitenwand dieser Sonden angeordnet ist. Selbstverständlich kann dieser Verarbeitungskreis gleichzeitig die Versorgungskreise dieser Sonden, die Amplifikationskreise der Meßsignale, wie bezüglich der Fig. 8 beschrieben, sowie ebenfalls die Kompensationskreise der Wärmeverluste umfassen.
• Fig. 2 und 3 sind externe Ansichten, jeweils nach Ebene II-II und III-III der Fig. 1, ohne Drehwelle und halbzylindrischen Abschnitten. Wie man auf diesen Figuren sehen kann, sind die Klötze aus ferromagnetischem Werkstoff, die eine T- Form aulweisen (siehe zum Beispiel die beiden verschiedenen Gestaltungsformen der Figuren 4 und 10) und über die beiden konzentrischen Kronen verteilt sind, so angeordnet, daß die Klötze 12a, 12b der ersten und zweiten Krone der ersten Platte 11 paarweise magnetisch miteinander verbunden sind (siehe Fig. 2), während die Klötze 22a, 22b der ersten und zweiten Krone der zweiten Platte 21 magnetisch voneinander getrennt sind (siehe Fig. 3). Diese An- oder Abwesenheit einer magnetischen Verbindung ergibt sich ganz einfach aus einer unterschiedlichen Ausrichtung (um 90º) der Klötze der ersten und zweiten Platte, die in einem Fall einen Kontakt zwischen den Köpfen von zwei überlagerten Klötzen der beiden Kronen ermöglicht, und im anderen Fall einen solchen Kontakt unterbindet.
• Betrachtet man die Fig. 5A und 5B, so kann man feststellen, daß bei Abwesenheit eines externen Moments eine ursprüngliche Winkelverschiebung (αi) zwischen den Winkelpositionen der Magnetklötze des ersten Rotors 10 und den Winkelpositionen der Magnetklötze des zweiten Rotors 20 besteht. Es ist wichtig zu bemerken, daß diese ursprüngliche Winkelverschiebung zwischen den Magnetklötzen des ersten und zweiten Rotors identisch ist (und damit eine strikte Identität der Reluktanzen der Meßluftspalte bei Moment null gewährleistet), jedoch gegensätzlich an der ersten und zweiten Krone.
• Wenn nun zwischen den Drehwellenabschnitten 1, 2 auf ihren drehbaren Teil 3, also zwischen den Rotoren 10, 20, ein externes Moment C nicht null ausgeübt wird, entsteht zwischen den Klötzen 12a, 22a; 12b, 22b, die sich durch die Meßlufispalten 30a, 30b gegenübersitzen, eine relative Winkelverschiebung γ, die eine Reluktanzschwankung dieses Luftspalts in gegensätzlicher Richtung an der ersten und zweiten Krone erzeugt, und demnach eine entsprechende gegenteilige Schwankung der diese Klötze durchströmenden und vom statischen Erregungsmittel erzeugten Magnetflüsse.
• Die Fig. 6 ist ein Stromlaufplan, der dem magnetischen Meßkreis entspricht und ermöglicht, die Verteilung der Magnetflüsse in den einzelnen Elementen des doppelten Magnetkomparators besser zu verstehen. Der Erregungsfluß φ des externen Magnetkreises 40 wird über glatte Luftspalte 41, 42 mit konstanter Reluktanz rga und rgb auf die Magnetklötze der ersten und zweiten Krone verteilt, die jeweils von den Flüssen (φ)1 und (φ)2 durchströmt werden. Der geometrische Aufbau des Komparators läßt damit zwei parallele Magnetkreise erscheinen, mit Reluktanzen r1(φ)+rgb und r2(γ)+rgb, die der gleichen vom Dauermagneten 43 erzeugten magnetomotorischen Kraft unterworfen sind.
• Da die Induktionen B1 und B2, die am glatten Luftspalt 42 herrschen, proportional zu den entsprechenden Flüssen (φ)1(γ) und 4)2(γ) sind, kann man ab den von den Magnetsonden 50, 51 gelieferten Signalen s1 und s2 die Beziehung S ( γ )=(s2-s1)/(s2+s1)=(B2-B1)/(B2+B1)= (r1(γ)-r2(γ)/(r1(γ)+r2(γ)+2rgb) ermitteln, d.h. nimmt man für kleine Winkel γ (linearer Bereich der Messung):
• r1(γ)=r0(1+kγ) und r2(γ)=r0(1+kγ)
• erhält man: S(γ)=kγ/(1+rgb/r0)
• Das Ausgangssignal S(γ) ist also direkt proportional zum Torsionswinkel und damit zum auf die Drehwelle ausgeübten Moment C(γ), wobei die Parameter k, rgb, r0 Konstanten sind, die nur von der Geometrie der Vorrichtung abhängen. So werden mit dieser differentiellen Messung alle anderen Schwankungen als die Winkelschwankung γ zwischen den Rotoren beseitigt, und die externen Effekte des Meßkreises werden annuliert.
• Die Fig. 7 zeigt im vorgenannten linearen Bereich Schwankungen der Ausgangsspannung an den Klemmen der magnetischen Meßsonden 50, 51 je nach Winkel γ. Eine Feineinstellung der «Null» der Meßvorrichtung (erforderlich aufgrund der nicht genauen Identität der Sonden) kann mechanisch vorgenommen werden, indem mau die Sonden leicht in ihrer Aufnahme versetzt, oder noch einfacher durch eine elektronische Einstellung am Verarbeitungskreis 60, der nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 8 beschrieben wird.
• Der Verarbeitungskreis 60 verarbeitet die von den Sonden 50 und 51 gelieferten analogischen Signale. Er umfaßt ebenfalls Versorgungskreise dieser Sonden 600 sowie eventuell diejenigen 610, die zur Steuerung des Erregungsmittels erforderlich sind. Die von den beiden Sonden gelieferten Signale werden jeweils an zwei Eingangsverstärker 620, 630 übertragen, die außer ihrer natürlichen Verstärkungsfunktion eine Kompensation der Nullverschiebung gewährleisten und eine Einstellung der Empfindlichkeit der betroffenen Sonde ermöglichen. Diese Verstärker gewährleisten außerdem eine Filterfunktion der hohen Frequenzen. Die Ausgangssignale dieser Verstärker werden anschließend einerseits an einen Additionskreis 640 und andererseits an einen Substraktionskreis 650 weitergeleitet, die jeweils die Differenz s2-s1 und die Summe s2+s1 erstellen. Ein analogischer Teiler 660 errechnet dann die Beziehung S ab den Ausgangssignalen der Kreise 640 und 650, wobei ein Spannungs-/Stromwandler am Ausgang dieses Teilers ein leichter nutzbares Signal liefert. Verschiedene, mit A bis G bezeichnete Teststeckdosen ermöglichen die Einstellung und die Betriebskontrolle des Verarbeitungskreises, der vorzugsweise mit einer stabilisierten Referenzspannung (zum Beispiel 28 V) versorgt wird. Selbstverständlich kann dieser Verarbeitungskreis gegebenenfalls auch einen Analog-Digital-Wandler umfassen, um das von den Sonden gelieferte analogische Signal in ein leichter zu nutzendes digitales Signal umzuwandeln.
• Die Fig. 9 und 11 zeigen zwei Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen magnetischen Drehmomentmessers, bei dem der drehbare Teil der Drehwelle von einer zwischen zwei Drehwellenabschnitten 1, 2 angeordneten Torsionswelle 3a ersetzt wurde. Die Vorrichtung nach Fig. 9 ist besonders gut geeignet zum Messen von Momenten im Labor mit den Vorteilen der Zuverlässigkeit, Möglichkeit der Momentmessung in beiden Richtungen und beim Stillstand und statisch durchführbarer Eichung.
• Die Enden des Wellenabschnitts 1, 2, an denen die Torsionswelle 3a aufgesteckt ist, sind in Lagern 80, 82 montiert in bezug auf einen externen, zweiteiligen Kasten 84, 86, der die Torsionswelle 3a und sämtliche Bestandteile des Drehmomentmessers umgibt. Der externe Magnetkreis 40 ist direkt an einen der Teile 84 des Kastens angesetzt, während die Rotoren 10, 20 an den Enden der Torsionswelle 3a verankert sind, die auf die Drehwellenabschnitte aufgesteckt sind.
• Um die Torsionswelle 3a gegen unbeabsichtigte Übermomente zu schützen und die relative Winkelverschiebung zwischen den Rotoren auf einen Wertebereich von weniger als eine halbe Klotzbreite zu beschränken, kann man sinnvollerweise eine (nicht dargestellte) mechanische Schutzvorrichtung verwenden, die diese Winkelverschiebungen beschränkt. Diese mechanische Schutzvorrichtung kann einfach nur aus mindestens einem Steckelement (zum Beispiel ein Finger) am ersten oder zweiten Rotor und mindestens einem Aufnahmeelement am anderen des ersten oder zweiten Rotors zur Aufnahme dieses Steckelements mit einem vorbestimmten Spiel bestehen.
• Die Vorrichtung der Fig. 11 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehmomentmesser, der zwischen einem Antriebsorgan 100 und einem Empfangsorgan 110 einer komplexen kinematischen Kette angeordnet ist. Man kann bemerken, daß die Klotzanzahl eines jeden Rotors im wesentlichen von seinem Durchmesser abhängt, und bei kleinen Durchmessern (zum Beispiel Laborinstrument), diese Klötze in kleinerer Anzahl vorhanden sein können, zum Beispiel sechs bis zwölf. Sie können ebenfalls aus Formteilen bestehen, die aus Magnetpulver mit hoher Resistivität hergestellt werden, wenn die Verwendungshäufigkeiten sehr groß sind.
• Man kann ebenfalls bemerken, daß man, obwohl zwei Magnetsonden für die Messung des auf die Torsionswelle oder den drehbaren Teil einer Drehwelle ausgeübten Moments ausreichend sind und daher nur ein einziger externer Magnetkreis 40 benötigt wird, mehrere dieser Kreise um die Rotoren 10, 20 herum anordnen kann, um dem Drehmomentmesser durch eine Redundanz der Ergebnisse eine größere Sicherheit zu verleihen. So kann man zum Beispiel zwei Meßvorrichtungen einsetzen, mit jeweils einem externen Magnetkreis 40, die genau gegenüber den Rotoren 10, 20 angeordnet werden. Eine derartige Redundanz kann zum Beispiel bei Anwendungen im Automobilbereich wünschenswert sein, wo ein derartiger magnetischer Drehmomentmesser eingesetzt werden kann, zum Beispiel in den Servolenkungen, dem Schlupfschutz oder der Leistungskontrolle von Motoren.

Claims (15)

1. Magnetischer Drehmomentmesser zur Messung des auf eine drehende Einheit ausgeübten Moments (C), mit einem ersten und einem zweiten, von einer Torsionwelle (3) verbundenem Drehwellenabschnitt (1, 2) und einem ersten und einem zweiten Rotor (10, 20), die jeweils mit dem ersten und den zweiten Drehwellenabschnitt (1, 2) verbunden sind, so daß sich der erste und der zweite Rotor (10, 20) unter der Wirkung des ausgeübten Moments ( C ) gegenseitig um einen Torsionswinkel (γ) proportional zum Moment ( C ) verschieben,

dadurch gekennzeichnet, daß er einen festen, externen, U-förmigen Magnetkreis (40) aufweist, dessen von einer ständigen magnetischen Erregungsquelle (43, 45) erzeugter Magnetfluß sich durch Luftspälte des ersten und zweiten Rotors (10, 20) schließt, daß der erste und zweite Rotor (10, 20) jeweils aus einer Ringplatte (11, 21) aus nicht magnetischem Werkstoff bestehen und jeweils zwei konzentrische Kronen aus ferromagnetischen Klötzen (12a, 12b, 22a, 22b) aufweisen, wobei die Klötze (12a, 12b) des ersten Rotors (10) gegenüber den Klötzen (22a, 22b) des zweiten Rotors (20) angeordnet sind und zwei Meßluftspaltkronen (30a, 30b) definieren, und wobei die relative Winkelposition der auf beiden Seite des gleichen Meßluftspalts (30a, 30b) angeordneten Klötze (12a, 22a, 12b, 22b) so gestaltet ist, daß die Luftspaltreluktanz

(r1(γ), r2(γ) pro Klotzpaar (12a, 22a, 12b, 22b) für die beiden Luftspaltkronen (30a, 30b) mit Moment null gleich ist, während diese Reluktanzen (r1(γ), r2(γ)) jedoch in entgegengesetzter Richtung je nach Kronen (30a, 30b) schwanken, wenn aufgrund des ausgeübten Moments ( C ) ein Torsionswinkel (γ) erscheint, daß er außerdem mindestens zwei magnetische Induktionssonden (50, 51) umfaßt, die in einem der glatten Luftspalte des U-förmigen Magnetkreises (40) angeordnet sind und die Magnetflüsse messen, die den Klötzen (12a oder 22a, 12b oder 22b) jeder Krone des ersten oder zweiten Rotors entsprechen, die in entgegengesetzter Richtung zum Torsionswinkel (γ) schwanken, wobei diese beiden Sonden (50, 51) einem Verarbeitungskreis (60) angeschlossen sind, der ein elektrisches Ausgangssignal proportional zum Torsionswinkel (γ) erzeugt.

2. Magnetischer Drehmomentmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetklötze (12a, 12b, 22a, 22b) eine T-Form aufweisen, wobei die Klötze (12a, 12b) der ersten und zweiten Krone des ersten Rotors (10) paarweise magnetisch miteinander verbunden sind, und die Klötze (22a, 22b) der ersten und zweiten Krone des zweiten Rotors (20) magnetisch voneinander getrennt sind.

3. Magnetischer Drehmomentmesser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionswelle (3) direkt aus einem drehbaren Wellenabschnitt einer bestehenden Welle besteht, und daß der erste und zweite Rotor (10,20) jeweils mechanisch über zwei starre halbzylindrische Abschnitte, die den drehbaren Wellenabschnitt (3) umgeben, mit zwei entfernten Drehwellenabschnitten, die dem Torsionswinkel (γ) unterliegen, verbunden sind, wobei der Drehmomentmesser dank dieser Anordnung ohne Wellenbruch montiert und demontiert werden kann.

4. Magnetischer Drehmomentmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er, um eine Redundanz der Messungen zu gewährleisten, mehrere externe, feste, U-förmige Magnetkreise (40) umfaßt, die am Umfang der Platten (11, 21) des ersten und zweiten Rotors (10, 20) verteilt sind, mit ihren eigenen zugehörigen Vorrichtungen von magnetischen Induktionssonden (50, 51) und Verarbeitungskreisen (60).

5. Magnetischer Drehmomentmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ständige magnetische Erregungsquelle einen Magneten (43) umfaßt.

6. Magnetischer Drehmomentmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ständige magnetische Erregungsquelle einen Elektromagneten (45) umfaßt.

7. Magnetischer Drehmomentmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Induktionssonden (50, 51) aus Halleffekt-Sonden bestehen.

8. Magnetischer Drehmomentmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Induktionssonden (50, 51) aus Magnetwiderständen bestehen.

9. Magnetischer Drehmomentmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetklötze (12a, 12b, 22a, 22b) aus einem konventionellen ferromagnetischen Werkstoff bestehen.

10. Magnetischer Drehmomentmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetklötze (12a, 12b, 22a, 22b) im Sinterverfahren ab einem Magnetpulver mit sehr hoher Resistivität hergestellt werden.

11. Magnetischer Drehmomentmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungskreise (60) der magnetischen Induktionssonden und Verarbeitungskreise der von diesen Sonden gelieferten Signale gegen eine der externen Seitenwände des festen, externen, U-förmigen Magnetkreises (40) angeordnet sind.

12. Magnetischer Drehmomentmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er in eine Servorsteuervorrichtung eines Servomotors, wie zum Beispiel eines Servomotors einer elektrischen Servolenkung eines Straßenfahrzeugs eingebaut ist.

13. Magnetischer Drehmomentmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er in eine Welle einer Wärmemaschine, zum Beispiel einer Turbomaschine, eingebaut oder ihr zugeordnet ist.

14. Magnetischer Drehmomentmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er in eine Welle einer Strommaschine, zum Beispiel eines Stromwerkgenerators, eingebaut oder ihr zugeordnet ist.

15. Magnetischer Drehmomentmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß er eine mechanische Schutzvorrichtung zur Begrenzung der relativen Winkelverschiebungen zwischen dem ersten und zweiten Rotor (10, 20) umfaßt, so daß das maximale auf die Torsionswelle ausgeübte Moment beschränkt wird, und daß diese Schutzvorrichtung mindestens ein Steckelement am ersten oder am zweiten Rotor (10, 20) und mindestens ein Aufnahmeelement am anderen ersten oder zweiten Rotor umfaßt, um das Steckelement mit einem vorbestimmten Spiel aufzunehmen.