SE452509B

SE452509B - Magnetoelastic torque-sensing transducer

Info

Publication number: SE452509B
Application number: SE8302961A
Authority: SE
Inventors: K Blomkvist; J O Nordvall
Original assignee: Asea Ab
Priority date: 1983-05-26
Filing date: 1983-05-26
Publication date: 1987-11-30
Also published as: SE8302961L; SE8302961D0

Abstract

The torque-sensing transducer comprises a sleeve (1) of soft magnetic material, attached concentrically and rigidly to an axle (4), a pair of excitation windings (10,11), a pair of sensing windings (8,9) and a magnetic housing (5) concentrically surrounding the windings and the axle. The sleeve is formed with two parallel, spaced-apart annular zones (2,3) each provided with uniformly spaced-apart slits inclined to a generatrix of the surface of the sleeve. The slits in the two zones are oppositely inclined and lie in the range 30 to 60 degrees to the generatrix. The excitation windings are series-connected and generate a magnetic flux in the sleeve in each respective annular zone. The measuring windings are connected in opposition, whereby the measuring signals from the two zones approximately cancel each other in case of zero axle torque. When the axle is subjected to a torque, the bars between the slits in the zones (2,3) will be subjected to tensile and compressive stress, respectively, in the direction of the flux. This leads to a polarised magnetic unbalance, which results in a difference voltage from the measuring windings. After phase-sensitive detection, this difference voltage indicates the magnitude and sign of the torque.

Description

20 25 30 35 4-52 509 magnetisk orientering i spårens riktning i de båda zonerna, bl a på grund av den ökade väglängden vinkelrätt mot spåren. Om axeln belastas med vridande moment och har positiv magnetostriktion, minskar reluktansen i den zon, där spåren är parallella med den positiva huvudspänningen och reluktansen ökar i den andra zonen, där spåren är parallella med den negativa huvudspänningen. 20 25 30 35 4-52 509 magnetic orientation in the direction of the grooves in the two zones, partly due to the increased road length perpendicular to the tracks. If the shaft is loaded with twisting moment and has positive magnetostriction, reduces the reluctance in the zone where the grooves are parallel to the positive main voltage and the reluctance increases in the second zone, where the grooves are parallel to the negative main voltage.

Genom att jämföra reluktanserna i en differenskoppling, erhålles ett mått på r. det pålagda momentet. Denna princip realiseras genom att vardera zonen omges med två med axeln koncentriska stillastående spolar, som användes för respek- tive magnetisering med växelström med seriekopplade spolar och avkänning av \ skillnaden mellan flödena i de båda zonerna med motkopplade spolar. En järn- kärna utförd som en rotationskropp med E-formad genererande yta omger spo- larna och har luftgap mot axeln.By comparing the reluctances in a differential coupling, a measure of is obtained r. the applied moment. This principle is realized by surrounding each zone with two shaft-stationary stationary coils, which were used for tive alternating current with series-connected coils and sensing of \ the difference between the flows in the two zones with opposite coils. An iron core designed as a rotating body with E-shaped generating surface surrounds the and have air gaps against the shoulder.

Denna lösning fungerar i princip bra, men har vissa svagheter. För det första måste materialet i axeln i första hand väljas med hänsyn till det aktuella användningsområdet, och de för mätningen erforderliga magnetiska egenskaperna får komma i andra hand. I många fall fordras exempelvis hög hållfasthet och därmed stor hårdhet, varvid permeabiliteten och därmed känsligheten blir mycket låg, i andra fall fordras en austenitisk rostfri axel, som gör mät- metoden helt oanvändbar. Även i de fall, då axelns magnetiska egenskaper är tillräckligt goda, stöter man på andra svårigheter. I en axel finns sålunda alltid, som tidigare nämnts, betydande slumpartad magnetisk orientering, i första hand på grund av inner- spänningar men även i form av områden med olika kristallorientering, allt som resultat av tillverkningsprocessen för axlar, det må vara smidning vid grova axlar eller stångvalsning vid klenare dimensioner. Denna magnetiska orientering kan visserligen reduceras i stor utsträckning genom upprepade normaliseringar, om de utföres med mycket stor omsorg med axlarna hängande och på tillräckligt stort avstånd från varandra och från ugnsväggen. Även med största omsorg erhålles alltid en restorientering på någon procent, tro- ligen på grund av den nämnda varierande kristallorienteringen, som är svår att utplåna helt.This solution works well in principle, but has some weaknesses. Firstly the material of the shaft must be chosen in the first place with regard to the current area of use, and the magnetic properties required for the measurement may come second. In many cases, for example, high strength and thus great hardness, whereby the permeability and thus the sensitivity becomes very low, in other cases an austenitic stainless steel shaft is required, which makes method completely useless. Even in cases where the magnetic properties of the shaft are good enough, collide one on other difficulties. Thus, as previously mentioned, a shaft always has significant random magnetic orientation, primarily due to internal stresses but also in the form of areas with different crystal orientation, everything as a result of the manufacturing process for axles, it may be forging at coarse shafts or bar rolling for smaller dimensions. This magnetic orientation can admittedly be greatly reduced by repeated normalizations, if performed with great care with the shoulders hanging and at a sufficiently large distance from each other and from the oven wall. Also with the greatest care, a residual orientation of a few percent is always obtained, tro- due to the said varying crystal orientation, which is difficult to wipe out completely.

Om de nämnda spelarna med tillhörande magnetkärna vore absolut koncentriska c med axeln och utan orientering i gavlarna, skulle denna kvarvarande oriente- ring i axeln ej ge någon vinkelberoende signal. Med hänsyn till ofullkomlig- t heter i centreringen och bristande ringsymmetrisk orientering i gavlarna er- hålles emellertid alltid ett visst vinkelberoende hos signalen även med den bästa värmebehandling av axlarna på grund av deras tillblivelseprocess. 10 15 20 25 30 35 3 452 509 Helt annorlunda ställer det sig, om axeln i stället förses med en exempel- vis fastlödd hylsa, i vilken de nämnda zonerna utformats. Spåren kan i detta fall lämpligen utföras som genomgående slitsar. Fördelen med en sådan hylsa är att den kan utföras av valsat rörmaterial, som genom valsningen fått mycket mera homogena egenskaper i periferiled. Härigenom kan signalens variation med vinkeln minskas med minst en storleksordning, vilket är en förutsättning för mätmetodens användbarhet vid många tillämpningsområden med lågt moment.If the mentioned players with associated magnetic core were absolutely concentric c with the shaft and without orientation in the ends, this remaining orientation would ring in the shaft do not give any angle-dependent signal. With regard to imperfection- t in the centering and lack of ring symmetrical orientation in the ends however, a certain angular dependence of the signal is always maintained with it as well best heat treatment of the shoulders due to their formation process. 10 15 20 25 30 35 3 452 509 It is completely different if the shaft is instead provided with an exemplary soldered sleeve in which the said zones are formed. The tracks can in this cases are suitably made as continuous slots. The advantage of such a sleeve is that it can be made of rolled pipe material, which has received a lot through rolling more homogeneous properties in the peripheral. This allows the signal variation with the angle is reduced by at least one order of magnitude, which is a prerequisite for the usefulness of the measurement method in many low torque applications.

Med en separat tillverkad mäthylsa vinner man givetvis också fördelen att kunna välja ett material med gynnsamma magnetiska egenskaper, som kan kombi- neras med en axel, som kan vara utförd av höghållfast material med dåliga magnetiska egenskaper, eller en axel av austenitiskt, omagnetiskt stål. Även vid axlar av vanligt axelstål med relativt goda magnetiska egenskaper har emellertid en hylsa av rörmaterial som nämnts fördelen av mycket mera homo- gen magnetisk orientering. _ Det vid fastlödning av hylsan använda lodet bildar ett omagnetiskt distans- material, som minskar den magnetiska kopplingen mellan hylsan och axeln.With a separately manufactured measuring sleeve, you of course also gain the advantage of be able to choose a material with favorable magnetic properties, which can be combined with a shaft, which may be made of high-strength material with bad magnetic properties, or an axis of austenitic, non-magnetic steel. Also on shafts of ordinary shaft steel with relatively good magnetic properties however, a sleeve of tubular material mentioned the advantage of much more homogeneous gene magnetic orientation. The solder used in soldering the sleeve forms a non-magnetic spacer. material, which reduces the magnetic coupling between the sleeve and the shaft.

Större magnetisk isolering av hylsan kan erhållas med en nedsvarvning av axeln under vardera zonen, varvid hylsan endast fästes till axeln vid ändarna och på mitten, i detta fall eventuellt med svetsning, företrädesvis laser- svetsning.Greater magnetic insulation of the sleeve can be obtained with a turning of the shaft below each zone, the sleeve only being attached to the shaft at the ends and in the middle, in this case possibly with welding, preferably laser welding.

Rent tillverkningstekniskt har utförandet med slitsförsedd hylsa stora för- delar i förhållande till utförandet med spår frästa direkt i axeln. Vid fräs- ning av spår i axeln måste pinnfräs användas, varvid axeln samtidigt måste ha en skruvformig rörelse under bearbetningen. Slitsarna i hylsan kan där- emot enkelt frâsas med slitsfräs vid stillastående rör. Att slitsarna härvid ej helt kommer att sammanfalla med huvudspänningsriktningarna i hela sin längd saknar betydelse.From a purely manufacturing point of view, the version with a slotted sleeve has major parts in relation to the design with grooves milled directly in the shaft. When milling To make grooves in the shaft, a pin cutter must be used, the shaft having to be at the same time have a helical movement during machining. The slots in the sleeve can therefore counter is easily milled with a slot cutter on stationary pipes. That the slots here will not completely coincide with the main voltage directions throughout length is irrelevant.

När mätning är aktuell vid endast en momentriktning, kan man använda olika vinklar för slitsarna i de båda zonerna för att få förbättrad linearitet för givaren. Den teoretiska grunden för reduktionen av linearitetsfelet hos magnetoelastiska givare genom kombination av signalkomponenter i lämpliga proportioner från element med drag- respektive tryckspänning är känd genom svenska patentet 405 755, även om förfaringssättet här är helt annorlunda.When measurement is relevant at only one torque direction, different can be used angles for the slits in the two zones to obtain improved linearity for the sensor. The theoretical basis for the reduction of the linearity error of magnetoelastic sensors by combining signal components in suitable proportions from elements with tensile and compressive stress are known through Swedish patent 405,755, although the procedure here is completely different.

Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas i anslutning till bi- fogade figurer 1-6. 10 15 20 25 30 452 509 Fig 1a och b visar mäthylsan med två parallella zoner med inbördes parallella slitsar i ca + 1150 och - 1450 i förhållande till en generatris till cylinder- ytan.The invention will be described in more detail below in connection with attached figures 1-6. 10 15 20 25 30 452 509 Figs. 1a and b show the measuring sleeve with two parallel zones with mutually parallel ones slots in about + 1150 and - 1450 in relation to a generatrix to cylinder surface.

Fig 2a och b visar en utföringsform av uppfinningen vid det vanligaste till- lämpningsområdet med mäthylsan utanpå en axel och spolsystemet med tillhör- ande mantelkärna omgivande hylsan.Figures 2a and b show an embodiment of the invention in the most common embodiment. the area of application with the measuring sleeve on the outside of a shaft and the coil system with spirit mantle core surrounding the sleeve.

Fig 3 visar ett principschema för matning av magnetiseringsspolarna och mät- ning av signalen från avkänningsspolarna.Fig. 3 shows a principle diagram for feeding the excitation coils and measuring signaling from the sensing coils.

Fig Ha och b och 5 visar uppfinningen tillämpad vid rörformig axel med mät- hylsan som ett foder inuti axeln och de stillastående spolarna med tillhör- ande magnetkärna inuti mäthylsan.Figures Ha and b and 5 show the invention applied to tubular shaft with measuring the sleeve as a liner inside the shaft and the stationary coils with associated magnetic core inside the measuring sleeve.

Fig 6 visar slutligen ett utförande av uppfinningen som är speciellt lämpat för stora axlar, där en tunn mäthylsa skulle bli svår att tillverka. Hylsan kan här ersättas av ett band med stansade slitsar som fästes runt axeln.Fig. 6 finally shows an embodiment of the invention which is particularly suitable for large shafts, where a thin measuring sleeve would be difficult to manufacture. The sleeve can here be replaced by a band with punched slits that are fastened around the shaft.

Fig 1 visar mäthylsan 1 av mjukmagnetiskt material och med de inre och yttre cylinderytorna väl koncentriska. I två parallella, ringformade zoner 2 och 3 på något avstånd från varandra har inbördes parallella slitsar urfrästs med jämn delning och bildande ungefär + ﬂ5° och - HSO vinkel med en generatris till hylsans cylinderytor.Fig. 1 shows the measuring sleeve 1 of soft magnetic material and with the inner and outer ones cylinder surfaces well concentric. In two parallel, annular zones 2 and 3 at some distance from each other, mutually parallel slots have been milled out with even division and forming approximately + ﬂ5 ° and - HSO angle with a generator to the cylinder surfaces of the sleeve.

Fig 2 visar hylsan 1 fastlödd omkring en axel H, vars moment skall mätas. vardera zonen 2, 3 omges med två med axeln stillastående koncentriska bobiner 16, 17 med spolarna 8, 10 och 9, 11 av vilka 10 och 11 används för magnetise- i ring med växelström med spolarna seriekopplade och 8 och 9 användes för av- 1 känning av skillnaden mellan flödena i de båda zonerna med spolarna motkopp- lade. En järnkärna 5, utförd som en rotationskropp med E-formad genererande yta, omger spolarna och har luftgap mot axeln vid de tre ringformade delarna av Järnkärnan. För säker centrering av axeln kan det vara fördelaktigt att n. utfylla luftgapet mellan hylsan och magnetkärnans polytor med en omagnetisk hylsa av lämpligt material med låg friktion, exempelvis teflon eller brons.Fig. 2 shows the sleeve 1 soldered about an axis H, the torque of which is to be measured. each zone 2, 3 is surrounded by two concentric bobbins stationary with the shaft 16, 17 with the coils 8, 10 and 9, 11 of which 10 and 11 are used for magnetizing ring with alternating current with the coils connected in series and 8 and 9 were used for off- 1 sensing the difference between the flows in the two zones with the coils lade. An iron core 5, designed as a rotating body with E-shaped generating surface, surrounds the coils and has an air gap towards the shaft at the three annular parts of the Iron Core. For safe centering of the shaft, it may be advantageous to n. fill the air gap between the sleeve and the magnetic surfaces of the magnetic core with a non-magnetic one sleeve of suitable material with low friction, for example Teflon or bronze.

Om zonerna är helt symmetriskt utförda, blir utsignalen noll vid obelastad axel under förutsättning att axeln är väl centrerad i järnkärnan 5, att hyl- san har homogena magnetiska egenskaper och att hylsan är magnetiskt skild 10 15 20 25 452 509 från axeln exempelvis genom det vid fastlödningen bildade lodskiktet. Det är härvid endast ändringar i permeabiliteten 1 riktning av strävorna 1 zonerna som kan påverka balansen i givaren. Vid magnetisering med så hög frekvens att flödets inträngning i axeln blir försumbar, spelar den magnetiska avskiljningen genom lodet mindre roll.If the zones are completely symmetrically designed, the output signal becomes zero when unloaded axis provided that the axis is well centered in the iron core 5, that the san has homogeneous magnetic properties and that the sleeve is magnetically separated 10 15 20 25 452 509 from the shaft, for example through the solder layer formed during soldering. It is in this case only changes in the permeability 1 direction of the struts 1 the zones which can affect the balance of the sensor. When magnetizing with such a high frequency that the penetration of the flow into the shaft becomes negligible, the magnetic separation plays through the weight less role.

On nu axeln utsättes för ett vridande moment, blir strävorna 1 den ena zonen utsatta för dragspänning i flödesriktningen och strävorna i den andra zonen utsatta för tryck i flödesriktningen med åtföljande ökning respektive minsk- ning av flödet genom de båda zonerna vid material med positiv magnetostrik- tion, exempelvis järn vid måttlig magnetisering, varvid en mot momentet pro- portionell signal erhålles.Now that the shaft is subjected to a rotating torque, the struts 1 become one zone exposed to tensile stress in the flow direction and the struts in the other zone exposed to pressures in the flow direction with concomitant increase and decrease flow through the two zones in the case of materials with positive magnetostriction ion, for example in the case of moderate magnetization, whereby a portion signal is obtained.

Fig 3 visar att spelarna 10 och 11 matas i serie från växelströmskällan 13 och att signalen från de motkopplade spolarna 8 och 9 likriktas faskänsligt i den styrda likriktaren 1Ä med filter och presenteras på instrumentet 15.Fig. 3 shows that the players 10 and 11 are fed in series from the alternating current source 13 and that the signal from the opposite coils 8 and 9 is phase sensitive in the controlled rectifier 1Ä with filter and presented on the instrument 15.

Fig H och 5 visar tillämpning av uppfinningen vid en rörformig axel, där det är önskvärt att utföra mätningen inuti axeln, och axel och givare kommer här- vid att byta plats. Den momentöverförande axeln 30 har här på insidan fodrats med en hylsa med två slitsade zoner 31, 32. Den mjukmagnetiska kärnan utgöres här av en cylindrisk tapp 36 försedd med tre ringformade skivor 33, 34, 35 mellan vilka magnetiseringsspolarna 37, 38 och avkänningsspolarna 39, H0 är placerade på bobinerna H1, H2. Kärnan med spolsystemet fasthålles koncent- riskt med den rörformiga axeln, exempelvis medelst en utstickande del av tappen 36.Figures H and 5 show application of the invention to a tubular shaft, where it it is desirable to perform the measurement inside the shaft, and the shaft and sensor will be when changing places. The torque transmitting shaft 30 has been lined here on the inside with a sleeve with two slotted zones 31, 32. The soft magnetic core is formed here by a cylindrical pin 36 provided with three annular discs 33, 34, 35 between which the excitation coils 37, 38 and the sensing coils 39, H0 are placed on the bobbins H1, H2. The core with the coil system is kept concentrated risk with the tubular shaft, for example by means of a protruding part of tap 36.

Fig 6 visar ett utförande av uppfinningen, som är speciellt lämpat för stora axlar 51, där en tunn mäthylsa skulle bli svår att tillverka. Hylsan har här ersatts av ett mjukmagnetiskt band 50 med stansade eller etsade slitsar i I två parallella zoner 53, SU på samma sätt som tidigare beskrivits för hylsan.Fig. 6 shows an embodiment of the invention, which is particularly suitable for large axles 51, where a thin measuring sleeve would be difficult to manufacture. The sleeve has here replaced by a soft magnetic tape 50 with punched or etched slits in I two parallel zones 53, SU in the same manner as previously described for the sleeve.

Bandskarven 52 måste givetvis följa slitsarnas riktningar.The strip joint 52 must of course follow the directions of the slots.

Claims

452 509 and 6 PATENT CLAIMS

Magnetoelastic torque transducer comprising one shaft (Ä) and at least two stationary windings intended for excitation (10, 11) and for measuring (8, 9), which are concentric with the shaft and provided with a shaft similar to the shaft concentric magnetic housing (5), which together with the shaft partly encloses the coils and partly forms a symmetrically located partition between them, the windings being partly arranged and fed so that equal flows in unloaded state are induced in the shaft on both sides of the partition and on the one hand, are arranged to sense the difference between said flows which arises when the shaft is loaded with torque, characterized in that the shaft opposite said coils and magnetic housing is provided with a torque rigidly attached soft magnetic sleeve (1) with two parallel zones (2). , 3) at some distance from each other, in which mutually parallel slots are formed with even pitch and forming an angle with a generator to the cylinder surfaces of the sleeve of approximately + 1 | 5 ° in one zone and approximately - 115 ° in the other.

2. A magnetoelastic torque sensor according to claim 1, characterized in that the soft magnetic sleeve is made of rolled tubular material.

3. A magnetoelastic torque transducer according to claim 1, characterized in that said sleeve is attached to the outer cylinder surface of a shaft and that said coils and magnetic housing surround the sleeve-provided shaft.

U. A magnetoelastic torque sensor according to claim 1, characterized in that said sleeve is attached to an inner cylinder surface in a hollow shaft and that said coils and magnetic housing are surrounded by the sleeve-provided hollow shaft.

5. A magnetoelastic torque sensor according to claim 1, characterized in that said sleeve is formed by a sheet metal strip formed with corresponding slots being fastened around a cylindrical surface on the shaft, for example by hardening; w) -