JP2018536854A - トルク、ねじり固有振動および／またはねじり振動を非接触で検出する装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、シャフト（１０）のトルクおよび／またはねじり固有振動および／またはねじり振動を非接触で検出する装置（１４）および方法に関している。このシャフト（１０）は、強磁性材料を含む。シャフト外被（１２）に面する測定ヘッド（１６）は、磁場をシャフト（１０）に結合させる励磁コイル（２２）を有している。さらに、測定ヘッド（１６）は、シャフト（１０）を離れる磁場を測定する複数の測定コイル（２４，２６，２８，３０）を含んでいる。

Description

本発明は、トルク、ねじり固有振動および、ねじり振動を非接触で測定するのに適している誘導センサに関する。さらに本発明は、強磁性材料から製造されているかまたは強磁性特性を有する材料を含んでいる、中空シャフトかまたは中実材料からなるシャフトであり得るシャフトにおいて、トルク、ねじり固有振動、およびねじり振動を非接触で検出する方法に関する。

非接触でトルクを検出するために、特に強磁性材料の場合、異方性磁歪効果を十分に利用することができる。ここでは、例えばねじり応力のもとに、引張方向と圧縮方向とで透磁率が異なっていることが十分に利用される。非接触式センサを用いれば、幅広い測定範囲内で、表面応力もしくはシャフトにかかるトルクに比例する経過特性を有するそれらの差分を測定することができる。

本発明の課題は、例えばミキサー、スターラー、パドルドライヤー等において、シャフトにより多く印加され、その結果シャフトに機械的ストレスを与え得るトルクを検出することができる装置を提供することである。

本発明によれば、シャフトにおけるトルク、ねじり固有振動およびねじり振動を非接触で検出する装置が提案されており、この場合、このシャフトは、強磁性特性を有する材料から製造されているか、またはそのような材料を含んでいる。このシャフトのシャフト外被に面する測定ヘッドは、磁場をシャフト内に結合する励磁コイルを含み、この場合この測定ヘッドはさらに、シャフト外被を介してシャフトを離れる磁場を測定する複数の測定コイルを有する。

非接触での測定の利点の他に、本発明による解決手段は、比較的広い測定範囲内でシャフト材料の表面応力ならびにシャフトのトルクに比例している測定信号が、この種の装置によって得られるというさらなる利点を提供する。磁場の周波数および強度は、次のように選択される。すなわち、得られる測定信号が広い周波数領域にわたって線形的に経過し、磁気飽和はほとんどの既知の強磁性材料では実質的に達成されないように選択される。この周波数は、８０ＫＨｚ〜１２０ＫＨｚのオーダーにあり、例えば１００ＫＨｚである。

好適には、本発明に従って提案された装置は、複数の測定コイルを含んだ測定ヘッドを含む。特に好ましい実施形態では、測定ヘッドは、それぞれ相互に対称的に配置された４つの測定コイルを含む。好ましくは、測定コイルの数は、シャフトの主軸に対して４５°の角度の相互関係で位置決めすることができる。

励磁コイルも複数の測定コイルも収容している測定ヘッドは、シャフトのシャフト外被から所定の距離に配置されている。この距離は、エアギャップと称され、０．５ｍｍ〜１ｍｍの間にあり、好ましくは０．７５ｍｍのオーダーにある。この０．７５ｍｍの好ましい値から＋／−０．２５ｍｍの距離の偏差は、測定にほとんど影響を与えない。

本発明に従って提案された装置の好ましい実施形態では、測定ヘッドはＰＥＥＫから製造される。本発明に従って提案された装置の測定ヘッド内の励磁コイルは、５０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの間、好ましくは７５ｋＨｚ〜１２５ｋＨｚの間、特に好ましくは１００ｋＨｚのオーダーにある励磁周波数で動作する。これにより、シャフトの回転周波数に依存することなく、トルクの急激な動的変化を検出することが可能になる。

特に好ましくは、装置の水平方向の取り付け位置は、シャフトの長手方向軸線と装置の回転対称に形成されたハウジングの長手方向軸線とを通って拡がる平面内にある。この種の取り付け位置では、最適な測定結果を達成することができる。

中空シャフトとして形成されるかまたは中実材料からなるシャフトであり得るシャフトのシャフト外被に関して同等の各距離にセンサを固定するために、装置のハウジングは、第１のセンサホルダによって取り囲まれていてもよい。この第１のセンサホルダは、特に分割して構成された外郭半部から形成され、センサのハウジングを取り囲んでいる。さらに、センサを、例えば角度板として設計された第２のセンサホルダを用いて、ハウジングまたは測定ヘッドの根元に固定し、測定ヘッドと、その中に収容されている複数のコイルと、シャフトのシャフト外被との間の距離を、非接触での検出を実施している間、一定に維持することを保証することが可能である。

可能な範囲で最良の測定結果を得るために、シャフトのシャフト外被に関する、測定ヘッド内に収容された全てのコイルの距離は、同じである。測定ヘッド内に収容されたコイルは、電圧を発生し、その下限値は、１０ニュートン／ｍｍ^２のオーダーのシャフトの最小ねじり負荷のもとで発生する電圧に相当する。測定ヘッド内の中央に収容される励磁コイルに関して、円筒状に形成された測定ヘッド内に配置される全ての測定コイルは、励磁コイルに関して径方向で同じ距離にある。測定ヘッド自体は、そのねじり応力が測定されるシャフトのシャフト外被に関して、数ｍｍのオーダーの僅かな距離に、好ましくは０．７５ｍｍの短い距離にある。

好ましくは、励磁コイルも、測定ヘッドの周面に配置された測定コイルも、プラスチック材料内に、例えばＰＥＥＫ内に埋め込まれる。測定ヘッドは、円筒状の外観を有し、約２０ｍｍの直径を有する。

本発明は、その上さらに、本発明による装置を用いて、シャフトのトルクおよび／またはねじり固有振動および／またはねじり振動を非接触で検出する方法に関しており、この場合、装置の励磁コイルにより、磁場がシャフトに結合され、複数の測定コイルにより、シャフトから離れる磁場が測定され、複数の測定コイルに印加される全電圧の総和が測定される。

検出されたトルクの方向は、複数の測定コイルの個々の測定コイル間の電圧差の極性から決定することができる。

本発明に従って提案された方法により、シャフトに作用するトルクに比例する表面応力が、シャフトのシャフト外被において測定される。それにより、好ましくは少なくとも３５ｍｍの直径を有するシャフトにおけるトルク検出を行うことができる。

本発明に従って提案された方法によれば、特に、線形測定信号が生成され得る８０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚの周波数範囲を含む磁場、例えば１００ＫＨｚの磁場が、周波数と磁場強度に関してシャフトに結合される。

出力信号として、本発明に従って提案された装置は、４ｍＡ〜２０ｍＡの間のオーダーの電流を供給し、この電流は、トルク値に換算される。トルク、ねじり固有振動、およびねじり振動を非接触で検出する装置の励磁コイルの供給電圧は、好ましくは２４Ｖである。

装置の較正の際には、本発明に従って提案された装置を用いて、トルクの非接触での検出が実施される。この目的のために、装置および関連するソフトウェアも、シャフト毎に個別に較正され、そのために定常的測定が２つの既知の負荷点において実施される。較正の品質は、得られた測定の品質に多大な影響を与える。本発明に従って提案された装置は、この種の較正の実施なしで、ねじり固有振動および前述のねじり振動を求めるために使用することができる。

本発明に従って提案された装置では、一例を挙げれば、個々のトルクに比例する、強磁性駆動シャフトの表面応力が測定される。この装置で結果として生じる測定信号は、使用されるシャフト材料の磁気特性の影響ならびに磁歪のオーダーもしくは既存の材料の不均一性の影響を受ける。たとえ材料の不均一性が大きい場合であっても、１０ニュートン／ｍｍ^２を超える表面応力をもたらす負荷のもとで、慎重な較正を行った場合には、良好な測定結果を得ることができる。

以下では図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

装置の位置決めを示した図 測定ヘッドにおけるコイルの位置決めを示した図 装置の電気的な端子を示した図 装置および設定要素の背面側を示した図 装置の較正を示した図 装置の較正を示した図 装置の較正を示した図 第１のセンサホルダを示した図 第１のセンサホルダを示した図 第２のセンサホルダの実施形態を示した図

図１による図面では、本発明に従って提案された装置の、特にセンサ形態の装置の位置決めであることが見て取れる。

中実材料からなるシャフトとして製造されるかまたは中空のシャフトとしても製造されるシャフト１０は、シャフト外被１２を有している。このシャフト外被１２に水平方向の配向１８において対向するように、本発明に従って提案される装置１４があり、この装置１４は、好ましくはセンサとして設計される。このセンサ１４は、その長手方向軸線に関して、センサ１４のハウジング１７の長手方向軸線および図平面に垂直なシャフト１０の長手方向軸線を通って拡がる平面内に位置する。図１の図面では、センサ１４の好ましい取り付け位置２０が示されている。センサ１４のハウジング１７では、前方端部に測定ヘッド１６があり、この測定ヘッド１６は、シャフト１０のシャフト外被１２から以下でより詳細に記述する距離に位置決めされている。

図２は、図１の概略図によるセンサの測定ヘッドにおける複数のコイルの位置を示している。

図２からは、測定ヘッド１６において、当該測定ヘッド１６のほぼ中央に励磁コイル２２があることが明らかである。この励磁コイル２２は、５０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの間、好ましくは７５ｋＨｚ〜１２５ｋＨｚの間、特に好ましくは１００ｋＨｚのオーダーの励磁周波数で励磁される。これにより、シャフト１０の回転周波数に依存することなく、トルクの急激な動的変化を検出することが可能になる。励磁コイル２２によってシャフト１０に結合される磁場は、次のように選択される。すなわち、測定信号が広い周波数領域にわたって線形であり、磁気飽和は、強磁性特性を有するほとんどの既知の材料では下回り続けるように選択される。特に、この周波数領域は、８０ＫＨｚ〜１２０ＫＨｚの間にあり、例えば１００ＫＨｚの周波数を選択することができる。

励磁コイルには、図２の図面によれば、２４Ｖのオーダーにある入力電圧３２Ｕ_ｉｎが印加される。好ましくは、例えばＰＥＥＫのような材料で製造された測定ヘッド１６の周囲には、複数の測定コイル２４，２６，２８，３０がある。これらの測定コイル２４，２６，２８，３０は、出力電圧３４Ｕ_ｏｕｔを供給する（図３による図面参照）。図２による図面からは、これらの測定コイルが（当該実施例では４つの数の）、相互に対称的に配置されていることが明らかである。図２において、これらの測定コイル２４，２６，２８，３０は、それぞれシャフト１０の主軸に関して相互に４５°の配列角度３６で位置決めされている。好ましくは、図１の図面による測定ヘッド１６および該測定ヘッド１６に収容されたコイル、すなわち励磁コイル２２、ならびに複数の測定コイル２４，２６，２８，３０は、中実材料からなるかまたは中空シャフトとして形成されたシャフト１０であり得るシャフト１０のシャフト外被１２から同じ距離にある。

測定ヘッド１６のサイズならびに当該測定ヘッド１６に対称的に取り付けるべき複数の測定コイル２４，２６，２８，３０を考慮すれば、シャフト１０の必要最小限の直径は約３５ｍｍであることが明らかである。これらの測定コイル２４，２６，２８，３０の配置構成およびそれらの電気的な相互接続ならびにシャフト１０のシャフト外被１２に関する測定ヘッド１６の位置決めに基づいて、センサ１４により、シャフト１０のシャフト外被１２において、トルクに比例した表面応力のみが検出される。

図３は、センサの電気的な端子を示す。

図３は、センサ１４の水平方向の配向１８において、測定ヘッド１６が図１に示されているように、シャフト１０のシャフト外被１２に直接対向していることが見て取れる。センサ１４のハウジング１７は、アース接続３８を有し、さらには供給電圧４２Ｕ_ＤＣ用ならびに出力線路用の端子を有しており、当該出力線路からは、測定コイル２４，２６，２８，３０セットの測定された各出力電圧３４がタップされ得る。ここでは、５００Ωのオーダーの抵抗値Ｒを有するシャント抵抗４０が設けられている。好ましくは、供給電圧４２用の接続ケーブルは、センサ１４の供給電圧４２に対する電圧降下が２％を超えないような仕様である。

図４はセンサの背面側を示す。

位置４６は、センサハウジング１７の背面側を表す。このセンサハウジング１７の背面側４６は、ソケット４８およびケーブル入力側５０を有する。零点調整部５２では、センサ１４の較正を行うことができる。調整装置５４では、増幅率もしくは減衰率の調整を行うことができ、この場合は、次のステップ、すなわち、０．３１２／０．６２５／１．２５／２．５／５および１０が利用可能である。周波数調整部５６では、１Ｈｚから開始して５Ｈｚ、１０Ｈｚ、５０Ｈｚ、１００Ｈｚおよび２００Ｈｚまでの周波数調整を行うことができる。

図５，図６および図７の一連の図面は、測定セグメントを定める手段が見て取れる。

図５、図６および図７による図面からは、厚さ６０を有する薄板５８の使用によって、測定コイル２４，２６，２８，３０の位置が求められ得ることがわかる。この薄板５８の薄板厚６０は、好ましくは２ｍｍのオーダーにある。センサ１４の零点調整は、例えば、１２ｍＡで行われる。センサ１４の測定ヘッド１６の前方に位置決めされるべき薄板５８とその回転とによって（左に４５°回転させている位置の図６または右に４５°回転させている位置の図７参照）、それぞれ偏位が生じる。図５による薄板５８の垂直位置では、偏位は生じない。これは、例えば１２ｍＡのオフセット電流が測定されることを意味する。図６に示されている、左に４５°回転させている位置６４では、正の最大値が生じ、図７に示されている、薄板５８を右に４５°回転させている位置６６では、負の最大値が生じている。薄板５８の移動によって、センサの機能、ならびに電流変化の方向も検査することができる。

図８および図９は、センサ用の第１のセンサホルダを示す。

図８は、センサ１４のハウジング１７が第１のセンサホルダ７０によって取り囲まれていることを示している。その上さらに、図８による図面からは、センサ１４のハウジング１７から離れるように延在している測定ヘッド１６は、シャフト１０のシャフト外被１２に関して距離６８にあることも見て取れる。この距離６８は、好ましくは０．５ｍｍ〜１ｍｍの間にあり、特に好ましくは０．７５ｍｍである。ハウジング１７の背面側４６には、既に前述したケーブル入力側５０がある。

図９は、第１のセンサホルダ７０が、第１のホルダ半部７２と第２のホルダ半部７４とを有することを示している。これらは取り付け状態において、貫通開口部７６を画定しており、この貫通開口部７６は、開口部直径８２において形成されていてもよい。２つのホルダ半部７２，７４のうちの一方は、複数の締め付けねじ用のねじ頭用凹部７８を含み、これらの締め付けねじと共に当該ホルダ半部７２，７４は、センサ１４のハウジング１７を取り囲む。

図１０は、第２のセンサホルダを示す。

図１０による図面からは、角度板８６として設計された第２のセンサホルダ８４が、ねじ山８８にねじ込まれるナット９０を用いてセンサ１４のハウジング１７に固定できることが明らかである。このねじ山８８（図８による図面も参照）は、センサ１４の測定ヘッド１６の外被面にある。ナット９０によって、角度板８６の一端がセンサ１４のハウジング１７に当接する。図１０による図面でも、測定ヘッド１６の端面側が、シャフト１０のシャフト外被１２から所定の距離６８にあることが示されており、このシャフト１０は、強磁性材料から製造されているかまたはそのような強磁性材料を含んでいる。センサ１４のハウジング１７の背面側４６には、既に述べたケーブル入力側５０がある。

センサ１４の較正に関して、最良の可能な測定結果は、センサ１４がその動作温度を有すると同時に生じることに留意されたい。期待されるスペクトル全体において測定値を得るためには、対応する調整部５４において、増幅率を適切に選択する必要がある。センサ１４のフィルタ周波数の設定は、主に測定目的から生じる。カットオフ周波数を調整するために、周波数調整部５６が用いられ、これはセンサ１４の背面側４６にある（図４による図面参照）。トルクを両方向で非接触に検出するために、オフセットはできるだけ測定範囲の中心におく必要がある（抵抗４０が５００Ωの場合、１２ｍＡかもしくは６Ｖの入力電圧）。シャフト１０内に存在する材料の不均一性の影響を考慮するために、オフセットの正確な決定は、好ましくはシャフト１０のアイドリング回転数のもとで行われる。センサ１４は、出力信号として、４ｍＡ〜２０ｍＡの間にある電流を常時供給する。Ｒ＝５００Ωの抵抗値を有するシャント抵抗４０を使用する場合、２Ｖ〜１０Ｖの間の出力電圧が得られる。トルクを求めるためにはこれらの出力電圧を換算する必要がある。センサ１４の測定範囲内では、次の関係、Ｍｏｍｅｎｔ＝ＦＡＫＴ（電圧−オフセット）が成り立つ。

変換係数ＦＡＫＴおよびオフセットを算出するために、２つの既知の測定点を選択する必要がある。材料の不均一性の影響を正確に考慮するために、オフセットの正確な決定は、シャフト１０の定格速度で行うべきである。このことは、シャフト１０のアイドリングのもとで行うのが最良である。これが不可能な場合には、まず、低負荷の、そして次に、高負荷の動作点を選択することも可能である。オフセットの計算は、以下の式、
Ｏｆｆｓｅｔ＝[Ｕ_２（Ｍ_１−Ｕ_１）Ｍ_２]／（Ｍ_１−Ｍ_２）
に従って行われる。

ここで、前述のＭ_１は、この目的のために測定されたセンサ電圧Ｕ_１を有する高負荷であり、Ｍ_２は、センサ電圧Ｕ_２を有する低負荷である。センサ１４の増幅率を決定するためには、できるだけ定格負荷に近い負荷点が必要である。従って、変換係数ＦＡＫＴは、以下の式
ＦＡＫＴ ＝（Ｍ_１−Ｍ_２）／（Ｕ_１−Ｕ_２）
から得られる。

１０ シャフト
１２ シャフト外被
１４ 装置／センサ
１６ 測定ヘッド
１７ ハウジング
１８ 水平方向の配向
２０ 装置１４の取り付け位置
２２ 励磁コイル
２４ 第１の測定コイルＬ_１
２６ 第２の測定コイルＬ_２
２８ 第３の測定コイルＬ_３
３０ 第４の測定コイルＬ_４
３２ 入力電圧Ｕ_ｉｎ
３４ 出力電圧Ｕ_ｏｕｔ
３６ 配列角度（４５°）
３８ アース接続
４０ シャント抵抗（Ｒ＝５００Ω）
４２ 供給電圧Ｕ_ＤＣ
４４ 信号電流４ｍＡ〜２０ｍＡ
４６ センサハウジングの背面側
４８ ソケット
５０ ケーブル入力側
５２ 零点調整部
５４ 増幅率／減衰率調整部
５６ 周波数調整部
５８ 較正薄板
６０ 薄板厚ｄ
６２ ９０°位置
６４ 左に４５°回転させた位置
６６ 右に４５°回転させた位置
６８ 距離
７０ 第１のセンサホルダ
７２ 第１のセンサホルダ半部
７４ 第２のセンサホルダ半部
７６ 貫通開口部
７８ ねじ頭用凹部
８０ ホルダ開口部
８２ 開口部幅／開口部直径
８４ 第２のセンサホルダ
８６ 角度板
８８ ねじ山
９０ ナット

Claims (17)

1. シャフト（１０）のトルクおよび／またはねじり固有振動および／またはねじり振動を非接触で検出する装置（１４）であって、
   前記シャフト（１０）は、強磁性材料を含んでいる、装置（１４）において、
   前記シャフト（１０）のシャフト外被（１２）に面する測定ヘッド（１６）は、磁場を前記シャフト（１０）内に結合させる励磁コイル（２２）を有し、
   前記測定ヘッド（１６）は、前記シャフト（１０）を離れる磁場を測定する複数の測定コイル（２４，２６，２８，３０）を含んでいる、
   ことを特徴とする装置（１４）。
2. 前記複数の測定コイル（２４，２６，２８，３０）は、相互に対称的に配置されている、
   請求項１記載の装置（１４）。
3. 前記複数の測定コイル（２４，２６，２８，３０）は、前記シャフト（１０）の主軸に関して４５°の角度に配置されている、
   請求項２記載の装置（１４）。
4. 前記測定ヘッド（１６）は、前記シャフト外被（１２）から所定の距離（６８）に配置されている、
   請求項１記載の装置（１４）。
5. 前記距離（６８）は、０．５ｍｍ〜１ｍｍの間にあり、好ましくは０．７５ｍｍである、
   請求項４記載の装置（１４）。
6. 前記測定ヘッド（１６）は、ＰＥＥＫから製造されている、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の装置（１４）。
7. 前記励磁コイル（２２）の励磁周波数は、５０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの間、好ましくは７５ｋＨｚ〜１２５ｋＨｚの間、特に好ましくは１００ｋＨｚのオーダーにある、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の装置（１４）。
8. 前記装置（１４）の取り付け位置（２０）は、前記シャフト（１０）および前記装置（１４）のハウジング（１７）の長手方向軸線を通って拡がる平面内にある、
   請求項１から７までのいずれか１項記載の装置（１４）。
9. 前記装置（１４）のハウジング（１７）は、分割して設計された第１のセンサホルダ（７０）によって取り囲まれているかまたは角度板（８６）として設計された第２のセンサホルダ（８４）に固定されている、
   請求項１から８までのいずれか１項記載の装置（１４）。
10. 前記励磁コイル（２２）に関する、前記測定ヘッド（１６）内に収容された全ての前記複数の測定コイル（２４，２６，２８，３０）の距離（６８）は、同じである、
    請求項１から９までのいずれか１項記載の装置（１４）。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置（１４）を用いて、シャフト（１０）のトルクおよび／またはねじり固有振動および／またはねじり振動を非接触で検出する方法において、
    ａ）前記装置（１４）の励磁コイル（２２）により、磁場を前記シャフト（１０）に結合し、
    ｂ）複数の測定コイル（２４，２６，２８，３０）により、前記シャフト（１０）から離れる磁場を測定し、
    ｃ）前記複数の測定コイル（２４，２６，２８，３０）に印加される全電圧の総和を測定する、
    ことを特徴とする方法。
12. 検出されたトルクの方向を、前記複数の測定コイル（２４，２６，２８，３０）間の電圧差の極性から決定する、
    請求項１１記載の方法。
13. 前記シャフト（１０）のシャフト外被（１２）において、トルクに比例する表面応力を測定する、
    請求項１１または１２記載の方法。
14. 前記励磁コイル（２２）によって結合される磁場の周波数および強度は、８０ｋＨｚ〜１２０ｋＨｚの周波数領域にわたる線形的な測定信号を可能にする、
    請求項１１から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. 前記測定信号として、４ｍＡ〜２０ｍＡの間の電流が生成される、
    請求項１１から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. 前記励磁コイル（２２）は、好ましくは２４Ｖの供給電圧で動作する、
    請求項１１から１５までのいずれか１項記載の方法。
17. トルクおよび／またはねじり固有振動および／またはねじり振動の検出のための前記装置（１４）を、２つの既知の負荷点における定常的な測定によって較正する、
    請求項１１から１６までのいずれか１項記載の方法。

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