SE457116B - Magnetoelastisk kraftgivare - Google Patents

Description

457 116 dubbelkrökt balk. Denna givare uppvisar utomordentligt god linearitet och låga nollspänningsvärden.

I många'tillämpningar krävs numera att givarens utsignal är noll vid noll pålagd kraft. Av säkerhetstekniska skäl krävs också ofta att restnoll- spänningen inte får kompenseras på elektrisk väg, vilket vid svikt i el- tillförseln kan få allvarliga konsekvenser.

Ett stort önskemål i samband med tillverkning av givare är att de skall vara enkla att tillverka och inte behöva alltför stora mått av precision.

I svensk patentansökan nr 8605377-4 "Magnetoelastisk kraftgivare" redo- _ visas en magnetoelastisk givare bestående av tva cylindriska och lika kroppar. Från den ena cirkulära ändytan har upptagits ett första axiellt centrumhàl med en axiell längd något kortare än den cylindriska kroppens längd. Ett andra axiellt centrumhàl med en diameter mindre än det nyss nämnda har tagits upp i den kvarvarande centrala delen av den cylindriska kroppen. Detta hål är försett med invändiga gängor.

Från den cylindriska kroppens andra cirkulära ändyta har upptagits ett koncentriskt. rörformat utrymme med en axiell längd något kortare än kroppens längd. Det rörformiga utrymmets inre diameter är så anpassad att det bildas en tunn cylindrisk rörvägg mellan detta utrymme och det först upptagna centrumhàlet.

De två lika, cylindriska kropparna är monterade mot varandra på så sätt att de rörformiga utrymmena vänder mot varandra. Hopmonteringen sker med hjälp av en pinnskruv med en pinnskaftdiameter anpassad för frigång i det först upptagna centrumhålet och med en skruvdimension anpassad för det mindre andra uppgängade centrumhålets gängor. Pinnskruvens skaft har sådan längd att den sticker ut en bit utanför den hopmonterade givaren.

I det totala rörformiga utrymmet som bildas vid hopmonteringen är placerad en bobin, vars inre diameter är dimensionerad för anpassning mot den tunna cylindriska rörväggens ytterdiameter och vars axiella längd motsvarar det rörformiga utrymmets hela axiella längd. Bobinen är försedd med två mät- lindningar lindade på bobinen på så sätt att vardera mätlindningen kommer att axiellt vara belägen utanför den tunna cylindriska rörväggen i vardera av de två hopsatta cylindriska kropparna. Bobinen är också försedd med en *F fi' 457 116 magnetiseringslindning förlagd utanpå mätlindningarna och utsträckt över bobinens hela axiella längd.

Mätlindningarna är magnetiskt sett motkopplade. vilket medför att de i lindningarna inducerade spänningarna kopplas i motfas. varvid den totala utspänningen blir ungefär noll vid noll pålagd kraft.

Genom att ställa givaren på den ena cirkulara ändytan mot ett fast under- lag och lata den kraft som skall mätas appliceras på pinnskruvens skaft, erhålles en tryckspänning i den tunna cylindriska rörväggen som ligger närmast underlaget och en dragspänning i den tunna cylindriska rörväggen som vänder mot den kraftapplicerande sidan. Därvid påverkas de magnetiska' förhàllandena på för magnetoelastiska givare känt sätt och en signal pro- portionell mot den pàlagda kraften kan erhållas.

Givaren kan på ett mycket enkelt sätt ändras för att kunna mäta drag- krafter. Detta kan ske exempelvis genom att förse pinnskruven med en ögla eller liknande.

En sådan givare kommer med viss sannolikhet att uppvisa viss nollsignal vid noll pálagd kraft. Tack vare givarens utformning finns flera möjlig- heter till mekanisk balansering och kompensation av nollsignalen. Två olika anordningar framgår av patentansökan nr 8605378-2. Den ena går ut på att ge den bobin som uppbär lindningarna en axiell längd kortare än det rörformiga utrymmets axiella längd. Hed hjälp av ställskruvar i diametralt och koncentriskt placerade, gängade hål i givarens cirkulära ändytor kan bobinen förflyttas, justeras och fixeras i axiell riktning inne i givaren så att en eventuell nollsignal kan kompenseras. I allmänhet räcker en sådan justering.

Genom att förse det första axiella hålet med gängor och i det hålet som vänder mot det fasta underlaget placera en spiralfjäder eller brickfjäd- rar, vars förspänning kan påverkas med en justerskruv med gängor anpassade för halets gängor, kan genom att förspänna fjädern en lämplig kraftverkan på givaren erhållas som motverkar resterande nollsignal. Då fjaderns kraftväg är mycket längre än givarens kompression vid belastning kommer fjäderkraften endast att ändras försumbart vid givarens belastning, dvs att givaren från spiralfjädern i huvudsak belastas med konstant kraft. 457 116 Även om dessa båda metoder är'enkla och tillförlitliga finns dock möjlig- heter till sättning i ställskruvjusteringen, åldring av fjäderegenskaper beroende på temperatur- och stora belastningsvariationer m m.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN En anordning enligt uppfinningen för att åstadkomma nollkompensering går ut på att mellan de bada cylindriska och lika kropparna placeras en tunn osymmetrisk mittpol i form av en stansad skiva av mjukmagnetiskt material med samma yttre diameter som de båda cylindriska kropparna. Osymmetrien skapas genom att på ena sidan av mittpolen limma en väsentligt tunnare mjukmagnetisk folie, varvid olika dimensioner på folien skapar olika mycket osymmetri.

Med en symmetrisk mittpol i form av enbart en skiva av mjukmagnetiskt material uppstår kring ett tänkt plan i skivans mitt, parallellt med skivans yttersidor. ett symmetriskt magnetfält, som pà grund av fältför- trängning orsakad av virvelströmmar är störst vid skivans ytor och som är exponentiellt avtagande in mot det tänkta mittplanet.

Limmas nu en tunnare mjukmagnetisk folie på den ena sidan av skivan leder även denna magnetfältet. På grund av att folien är tunnare än det så kallade magnetiska inträngningsdjupet uppstår däri full inträngning, varvid totalt sett en osymmetri alstras.

På grund av de nya mangetiska flödesvägarna som uppstår vid användande av en mittpol kommer cylindriska kraftgivare enligt den beskrivna konstruk- tionen att fà en kraftigt förhäjd känslighet. Nollsignalen kan dock med enbart en magnetisk mittpol och utan den beskrivna osymmetrien som uppstår på grund av den ledande folien uppgå till samma storleksordning som känsligheten.(volt/mätlindningsvarv).

Konstruktionen med en osymmetrisk mittpol medger en både rationell och billig produktionsmetod eftersom stansning av mittpolen kan ske efter det att den ledande folien har limmats på mittpolen.

En mittpol av beskrivna typ innebär att bobinen måste delas, vilket både ur tillverknings- och monteringssynpunkt kan anses vara en nackdel. Upp- finningen omfattar dock också ett utförande av anordningen där en odelad 457 116 bobin kan komma till användning. Bobinen utformas då med ett mittre liv- stycke och mittpolen med en slits som anpassas till livstycket. Därvid kan mittpolen skjutas in i bobinen mittre del. En närmare beskrivning av utförandet ges under UTFÖRANDEFORMER.

RITNINGSFÖRTECKNING Figur l visar en kraftgivare enligt uppfinningen med en osymmetrisk mittpol.

Figur 2 visar hur i givaren ingående mät- och magnetiseringslindningar är kopplade.

Figur 3 visar fëltförträngning i en mittpol bestående av enbart en skiva.

Figur 4 visar fältbilden vid en osymmetrisk mittpol.

Figur 5 visar en bobin utförd enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen.

Figur 6 visar en mittpol enligt uppfinningen avsedd för den föredragna utföringsformen av bobinen enligt figur 3.

BESKRIVNING AV UTFÖRANDEFORMER I figur 1 visas en magnetoelastisk kraftgivare som till större delen överensstämmer med kraftgivaren i patentansökan nr 8605377-ï. Den består av de samma cylindriska, lika kropparna 1 och 2. I kropparnas båda yttre utåtriktade ändytor 3 och 4 är centralt och axiellt upptagna första hål 5 och 6, vars axiella längd är kortare än respektive kropps axiella längd. och i den kvarvarande centrala delen av kropparna är axiellt anordnade andra gängade hål 7 och 8. De två kropparna hålls ihop med en pinnskruv 9, som är anpassad för frigàng i de först upptagna centrala hålen, och med en gängad del för hopskruvning via de gängade hålen 7 och 8. Kraftangrepp är avsett att ske vid pinnskruvens ände P. I var och en av de lika kropparna är från de mot varandra vända ändytorna upptaget ett inre axiellt och koncentriskt rörformat ytrymme för en bobin bestående av två bobinhalvor 10a och l0b. på vilken mëtlindningar 11 och 12 samt två magnetiserings- lindningar 13 och lfi är lindade. Lindningarna är i övrigt kopplade enligt 457 116 figur 2. som visar att magnetiseringslindningarna är seriekopplade och mätlindningarna är motkopplade. Mätsignalen kan i princip visas på ett instrument 15. Kraftgivaren vilar mot ett underlag 16 enligt figur 1.

Mellan de båda cylindriska kropparna finns enligt uppfinningen en osymmetrisk mittpol som består av en skiva 17 av mjukmagnetiskt plåt-' material och ett tunt lager 18 av en pålimmad magnetiskt ledande folie.

För tydlighetens skull har mittpolen ritats med betydligt större tjocklek än vad som behövs och är lämpligt. Skivans tjocklek år i praktiken i stor- leksordningen 1/U mm och foliens tjockled i storleksordningen 100 pm.

I figur 3 visas hur den tidigare omtalade fältförträngningen i en mitt- I polsskiva ger en kring ett tänkt mittplan symmetrisk fältbild.

I figur 4 visas den osymmetriska fältbild som uppstår då en tunn folie av mjukmagnetiskt material limmas fast på skivans ena sida.

I ett utförande av uppfinningen består mittpolen i figur 1 av en skiva med endast ett centrumhål för den genomgående gängade delen av pinnskruven.

Detta medför att bobinen måste vara delad i en övre och en nedre bobin- halva. Rent tekniskt innebär inte detta några större problem och olägen- heter. Rent praktiskt innebär det dock flera delar, mera kopplingsarbete OSV .

I en föredragen utföringsform användes därför en bobin enligt figur 5 och en mittpol enligt figur 6. Mittpolen består som det har framgått av en cirkelformad skiva 17 med ett pålimmat folielager 18 och har en ytterdia- meter motsvarande de lika, cylindriska kropparnas 1 och 2 ytterdiameter.

Skivan är försedd med ett centrumhål 19 för frigång mot pinnskruvens gängade del. Mittpolen är dessutom i detta utförande försedd med en diametral slits 20 som delar den i två lika halvor, vilka hålls ihop med den i slitsens förlängning kvarvarande delen 21 av mittpolen. vars dimension motsvarar den yttre cylindriska rörväggens tjocklek.

Bobinen 22 enligt figur 5 är till det yttre utformad som bobinen i den beskrivna svenska ansökningen nr 8605377-4. Man utgår således från en hel bobin som omfattar de båda bobinhalvorna 10a och 10b i figur 1. I den mittre delen av bobinen fräses eller sågas bort material motsvarande mittpolen enligt figur 6. Detta innebär att det mellan de båda bobin-

Claims (3)

7 halvorna kommer att finnas ett sammanhàllande livstycke beståendå äf7tva1 diametrala stavar 23 och 24. Dessa har ett rektangulärt tvärsnitt med en höjd i bobinens axiella riktning lika med mittpolens tjocklek och med en bredd lika med slitsens bredd. En kraftgivare enligt uppfinningen med en mittpol kan självfallet komplet- teras med de tidigare namnda mekaniska nollpunktsjusteringarna. Genom att göra bobinen något lite kortare än det inre rörformade utrymmet och förse ändytorna med gängade hål för ställskruvar kan bobinen förflyttas, juste- ras och fixeras i axiell riktning inne i givaren så att en eventuell kvar- varande nollspänning kan kompenseras. En restnollspänning efter mittpolsjustering kan slutligen nolljusteras genom lämnplig förspänning av en fjäder i ett med gängor och justerskruv försett första axiella hål i den av de lika. cylindriska kropparna som vänder mot underlaget. PATENTKRAV

1. Magnetoelastisk kraftgivare omfattande en sluten kärna av massivt magnetoelastiskt material försedd med två magnetiseringslindningar (13, 13), som skall matas med växelström, och två mätlindningar (11, 12), k ä n n e t e c k n a d a v att den slutna kärnan består av två centralt och axiellt sammanskruvade, lika, cylindriska kroppar (1, 2), från vars utåtriktade ändytor (3, 4) är centralt och axiellt upptagna första hål (5, 6), vars axiella längd är kortare än respektive kropps axiella längd, och att i den kvarvarande centrala delen av kropparna är axiellt anordnade andra gängade hål (7. 8), att en pinnskruv (9), anpassad för frigàng mot först upptagna hal i ena änden. är utformad som en skruv med samma gängor som de andra i kropparna upptagna hålen, att i kropparna är upptagna axiellt och koncentriskt rörformade utrymmen avsedda för bobinhalvor (10a. 10b), på vilka mät- och magnetiseringslindningar är lindade, samt att mellan de bada lika kropparna är anordnad en med ett centrumhål (19) för-_ sedd osymmetrisk mittpol bestående av en cirkulär skiva (17) av mjukmagne- . tiskt material med en pàlimmad folie (18) av mjukmagnetiskt material. 457 116

2. Magnetoelastisk kraftgivare enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d a v att bobinhalvorna hålls ihop av ett livstycke (23, ZU) och att mittpolen är försedd med en diametral slits (20) för anpassning kring liv- stycket.

3. Magnetoelastisk kraftgivare enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d a v att bobinhalvorna är delade till två separata bobiner och att mittpolen består av en hel cirkulär skiva. il: lr.