PL210963B1 - Magnetoelastyczny czujnik siły - Google Patents

Description

RZECZPOSPOLITA

POLSKA

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 210963 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 379611 ^{(51) Int.Cl.}

G01L 1/12 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 04.05.2006 (54) Magnetoelastyczny czujnik siły (43) Zgłoszenie ogłoszono:

12.11.2007 BUP 23/07 (73) Uprawniony z patentu:

RESZKE EDWARD, Wrocław, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

30.03.2012 WUP 03/12 (72) Twórca(y) wynalazku:

EDWARD RESZKE, Wrocław, PL

PL 210 963 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest magnetoelastyczny czujnik siły oparty na efekcie ViIlari'ego, który polega na zmianie przenikalności magnetycznej materiałów magnetycznych wskutek naprężeń mechanicznych.

Znane są magnetoelastyczne czujniki siły, w których na cylindryczny pręt z materiału magnetycznego wykazującego zdolność do magnetostrykcji jest nawinięta cewka z drutu nawojowego. Przyłożenie siły działającej wzdłuż takiego pręta powoduje zmianę indukcyjności skojarzoną ze zmianami przenikalności magnetycznej pręta. Ta zmiana może być dodatnia lub ujemna w zależności od tego, czy pręt stanowiący rdzeń magnetyczny jest rozciągany, czy ściskany.

Z polskiego opisu patentowego nr 207 914 znany jest magnetoelastyczny przetwornik sił y, który ma na toroidalny rdzeń magnetyczny naniesione uzwojenie, wykonane z cienkiej blachy, które tworzy elektrycznie zamknięte i nie zwarte zwoje toroidalnego nawoju o rozwiniętej powierzchni, przy czym rdzeń magnetyczny wykonany jest z materiału magnetoelastycznego o liniowej zmianie przenikalności magnetycznej w funkcji nacisku. W wariancie rozwiązania, pomiędzy sekcjami uzwojenia osadzone są elementy dystansujące zdolne do równomiernego przenoszenia obciążeń mechanicznych.

Z polskiego opisu zgł oszenia patentowego nr P. 345 758 znane jest urzą dzenie do obciążania rdzenia pierścieniowego czujnika magnetosprężystego. Urządzenie to posiada dwie cylindryczne nakładki na rdzeń wykonane z materiału nie magnetycznego, posiadające nacięcia promieniowe, w których są umieszczone uzwojenia pomiarowe. Między nakładkami cylindrycznymi umieszczany jest rdzeń toroidalny, zaś nakładki są umieszczone w cylindrycznych nasadach, stanowiących część przegubów kulistych, przy czym oś nakładek, rdzenia toroidalnego i przegubów kulistych jest wspólna.

Znany jest też z polskiego opisu zgłoszenia patentowego nr P. 303 929 magnetoelastyczny czujnik siły, który posiada uzwojenia nawinięte na rdzeniu ferromagnetycznym, z których część jest nawinięta w płaszczyźnie zgodnej z kierunkiem działania siły, natomiast pozostałe uzwojenia są nawinięte w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku działania siły, przy czym uzwojenia czujnika są włączone różnicowo do układu pomiarowego.

Istota magnetoelastycznego czujnika według wynalazku polega na tym, że ma prostokątny rdzeń magnetyczny o trzech kolumnach połączonych jarzmami tworzącymi wraz z kolumnami dwa okna, przy czym zewnętrzne kolumny rdzenia i jarzma z elementami dystansującymi stanowią zespół przenoszący obciążenia mechaniczne, zaś wokół środkowej kolumny jest nawinięte uzwojenie pomiarowe.

Istota magnetoelastycznego czujnika według wynalazku polega na tym, że ma pierścieniowy rdzeń magnetyczny z jedną prostą kolumną usytuowaną wzdłuż promienia, na której nawinięte jest uzwojenie pomiarowe, zaś elementy dystansujące stanowią elementy osiowo-symetryczne. Rdzeń magnetyczny może być wykonany z materiału magnetycznego litego lub z blach magnetycznych.

Korzystnie, zewnętrzna część rdzenia magnetycznego jest wykonana jako pakiet z blach magnetycznych.

Również korzystnie, kolumna rdzenia magnetycznego z uzwojeniem pomiarowym jest wykonana z innego materiału magnetycznego niż pozostała część rdzenia, przy czym pomiędzy częściami rdzenia zachowany jest dobry kontakt magnetyczny. Warto podkreślić, że rdzeń czujnika siły według wynalazku nie musi być jednorodny. Z materiału magnetoelastycznego powinna być wykonana tylko ta część rdzenia magnetycznego czujnika, która jest obciążana mechanicznie, zaś ta część rdzenia gdzie jest nawinięte uzwojenie pomiarowe, może być wykonana z materiału o przenikalności magnetycznej niezmiennej w funkcji nacisku. Zastosowanie dwóch różnych materiałów magnetycznych może być wykorzystywane także przy kompensacji temperaturowej czujników siły Ponadto, magnetoelastyczny czujnik siły według wynalazku, rozwiązuje problem obciążania mechanicznego rdzenia magnetoelastycznego dużymi siłami. Poprzez umieszczenie uzwojenia pomiarowego czujnika na środkowej kolumnie rdzenia i zastosowanie elementów dystansujących, uzwojenie jest uwolnione od działania sił. Nowy czujnik charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na nacisk sił zewnętrznych, a jednocześnie zapewnienia, że uzwojenia pomiarowe czujnika są wolne od nacisków, dzięki zastosowaniu elementów dystansujących, które obciążają tylko zewnętrzną część rdzenia wykonaną z materiału magneto elastycznego. Zastosowanie elementów dystansujących oraz rdzenia litego lub w postaci pakietu z blach magnetycznych znacznie wzmacnia strukturę czujnika, czyniąc ją niezniszczalną przy działaniu sił o skrajnej wielkości.

Czujnik wykorzystuje efekt Villari'ego, który występuje w materiałach magnetosprężystych niezależnie od kierunku działania sił na ten materiał. Zastosowanie w czujniku rdzenia magnetoelastyczPL 210 963 B1 nego wykonanego z materiału charakteryzującego liniową zmianę przenikalności magnetycznej w funkcji nacisku oraz niezależ noś cią przenikalnoś ci magnetycznej od temperatury lub z takiego materiału, w którym przenikalność magnetyczna jest liniowo zależna od temperatury, pozwala na łatwe i proste jego wyskalowanie.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia magnetoelastyczny czujnik siły z prostokątnym rdzeniem magnetycznym, a fig. 2 - magnetoelastyczny czujnik siły z rdzeniem pierścieniowym.

P r z y k ł a d 1

Magnetoelastyczny czujnik siły ma rdzeń magnetyczny RM o obrysie kwadratu wyposażony w trzy kolumny połączone jarzmami i wraz z nimi tworzące dwa okna, dwie kolumny boczne oraz jedną kolumnę środkową, na którą jest naniesione uzwojenie SE z przewodami pomiarowymi WP, wykonane z cienkiego drutu. Rdzeń magnetyczny RM wykonany jest z materiału magnetoelastycznego o liniowej zmianie przenikalności magnetycznej w funkcji nacisku, którego przenikalność magnetyczna nie zależy od temperatury. Uzwojenie SE z wyprowadzeniami elektrycznymi, jest nawinięte wokół środkowej kolumny rdzenia RM. Ponadto, rdzeń magnetyczny RM umieszczony jest pomiędzy elementami dystansującymi ED.

P r z y k ł a d 2

Magnetoelastyczny czujnik siły wykonany jak w przykładzie pierwszym, z tą różnicą, że prostokątny rdzeń magnetyczny RM wykonany z blach magnetoelastycznych tworzących pakiet o laminacji prostopadłej do kierunku działania nacisku.

P r z y k ł a d 3

Magnetoelastyczny czujnik siły wykonany jak w przykładzie pierwszym, z tą różnicą, że ma pierścieniowy rdzeń magnetyczny RM z jedną kolumną usytuowaną wzdłuż promienia, na której nawinięte jest uzwojenie SE.

P r z y k ł a d 4

Magnetoelastyczny czujnik siły wykonany jak w przykładzie trzecim, z tą różnicą, pierścieniowy rdzeń magnetyczny RM wykonany jest z blach magnetoelastycznych.

Magnetoelastyczne czujniki siły, według wynalazku, stanowią takie rozwiązania, w których uzwojenie pomiarowe SE naniesione na środkowej kolumnie rdzenia RM jest uwolnione od działania sił obciążających dzięki zastosowaniu elementów dystansujących, które przenoszą te siły tylko na tę zewnętrzną część rdzenia magnetoelastycznego gdzie nie ma uzwojeń, która jest konstrukcyjnie jest zdolna do przenoszenia znacznych nacisków. Zrealizowane to zastało poprzez zastosowanie rdzenia magnetycznego RM podobnego do rdzenia powszechnie stosowanego w transformatorach elektrycznych wykonanego z blachy albo jako lity element z materiału magnetoelastycznego, przy czym uzwojona środkowa kolumna rdzenia magnetycznego nie musi być wykonana z tego samego materiału co reszta rdzenia, w szczególności ta część rdzenia nie musi wykazywać efektu magnetoelastycznego.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Magnetoelastyczny czujnik siły ma rdzeń magnetyczny, na który nawinięte jest uzwojenie z wyprowadzeniami elektrycznymi, umieszczony pomiędzy elementami dystansującymi, przy czym co najmniej jedna część rdzenia magnetycznego obciążana mechanicznie poprzez elementy dystansujące wykonana jest z materiału magnetoelastycznego o przenikalności magnetycznej zmiennej w funkcji nacisku, znamienny tym, że prostokątny rdzeń magnetyczny (RM) ma trzy kolumny połączone jarzmami tworzącymi wraz z kolumnami dwa okna, przy czym zewnętrzne kolumny rdzenia i jarzma z elementami dystansującymi (ED) stanowią zespół przenoszący obciążenia mechaniczne, zaś wokół środkowej kolumny jest nawinięte uzwojenie pomiarowe (SE).
2. 2. Magnetoelastyczny czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że ma pierścieniowy rdzeń magnetyczny (RM) z jedną kolumną usytuowaną wzdłuż promienia, na której nawinięte jest uzwojenie pomiarowe (SE), zaś elementy dystansujące (ED) stanowią elementy osiowo-symetryczne.
3. 3. Magnetoelastyczny czujnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że rdzeń magnetyczny jest wykonany z litego materiału magnetoelastycznego.
4. 4. Magnetoelastyczny czujnik według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że kolumna rdzenia magnetycznego (RM) z uzwojeniem pomiarowym (SE) jest wykonana z innego materiału ma4

   PL 210 963 B1 gnetycznego niż pozostała część rdzenia (RM), przy czym pomiędzy częściami rdzenia (RM) zachowany jest dobry kontakt magnetyczny.
5. 5. Magnetoelastyczny czujnik według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że zewnętrzna część rdzenia magnetycznego (RM) jest wykonana jako pakiet z blach magnetycznych.