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Magnetostriktiver Torsionsfühler
Den Gegenstand der Erfindung bildet ein magnetostriktiver Torsionsfühler, welcher aus einer geraden
Anzahl von fest miteinander verbundenen Torsionskörpern besteht, die mit Erregungs-, Polarisations-und
Aufnahmewicklungen versehen sind. Bisher bekannte Fühler dieser Art, welche auf dem magnetostriktiven Torsionsprinzip beruhen (dem sogenannten Wiedemann-Effekt) besitzen ein bloss mit einer Erregungsund einer Aufnahmewicklung, fallweise mit einer Polarisationswicklung versehenes Torsionsrohr. Obwohl im Vergleich mit nach dem Kapazitäts-, Induktions- oder Widerstandsprinzip arbeitenden Fühlern die Ausgangsleistung bei diesen Fühlern verhältnismässig hoch ist (proportional dem Drehmoment), genügt diese Ausgangsleistung nicht zur Steuerung kleiner Servomotoren.
Es ist meistens notwendig, Verstärker zu benützen, was allerdings beträchtliche Komplikationen mit sich bringt.
Die erwähnten Nachteile werden durch den erfindungsgemässen magnetostriktiven Torsionsfühler beseitigt. Sein Wesen besteht darin, dass alle Torsionskörper noch mit torroidalen Rückkopplungswicklungen versehen sind. Diese Rückkopplungswicklungen sind in die Diagonale einer Brücke eingeschaltet, in deren Zweige in bekannter Weise Aufnahme- und Polarisationswicklungen eingeschaltet sind. Der Kreis der Erregungswicklungen ist dabei symmetrisch angeordnet und in seiner Diagonale ist die eigentliche Belastung angeschlossen. Durch die Anordnung wird erzielt, dass die Ausgangsspannung des Fühlers, welche an den Klemmen der Aufnahmespulen erscheint, in eine besondere Rückkopplungswicklung gebracht wird, die in der Form eines Torroids einen Teil des Torsionskörpers umgibt.
Durch den Durchfluss des Stromes durch die Rückkopplungswicklung ändern sich jedoch die induktiven Widerstände in den zwei selbständigen Zweigen der torroidalen Erregungswicklung, wodurch natürlich das Gleichgewicht im Erregungskreis, aus welchem die Erregungswicklungen gespeist werden, gestört wird. Durch diese Gleichge- wichtsänderung wird-im mittleren Zweig des Erregungskreises - ein Strom hervorgerufen, der sowohl dem Strom in der Steuerwicklung als auch der Spannung an den Klemmen der Aufnahmespulen proportional ist.
Dieser Strom ist bereits so beträchtlich, dass in manchen Fällen schon eine für den Antrieb von ServoKleinmotoren und ihnen ähnlichen Einrichtungen genügende Leistung hervorgerufen wird.
In den beigefügten Zeichnungen sind eine beispielsweise Ausführung der Erfindung sowie eine Modifikation, ferner alle wesentlichen Bestandteile, der Vorgang beim Aufwickeln der einzelnen Wicklungen auf die Torsionskörper und schliesslich ein allgemeines Schaltbild veranschaulicht. In den Zeichnungen bedeutet :
Fig. 1 einen Längsachsenschnitt durch den Fühler in einer Anordnung, bei welcher die Torsionskraft "T" an einem Ende des Fühlers zur Einwirkung gebracht wird, Fig. 2 gleichfalls einen Längsschnitt durch den Fühler, jedoch in einer Anordnung, bei welcher die Torsionskraft "T" in der Mitte des Fühlers wirkt, dessen beide Enden festgehalten sind, Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie III-IH aus Fig. 2, welcher den Arm zur Übertragung der Torsionskraft a zeigt, Fig. 4 den eigentlichen einzelnen Tor- sionskörper-die obere Hälfte im Längsschnitt, die untere Hälfte in Ansicht, Fig. 5 einen Querschnitt nach der Linie V-V aus Fig. 4, Fig. 6 eine Seitenansicht in der Richtung VI, wie in Fig. 4 gezeichnet.
Die weiteren Zeichnungen zeigen die einzelnen Aufwicklungsphasen, zuerst des einzelnen Torsionskörpers, später das Aufwickeln zweier verbundener Körper. Es zeigt : Fig. 7 das Aufwickeln der eigent-
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lichen Aufnahmewicklung, wie sie auf jeden Körper gewickelt wird, Fig. 8 ist eine Seitenansicht in Richtung Vm gemäss Fig. 7, Fig. 9 zeigt das Aufwickeln zweier separater Polarisations- und ErregungsToroidspulen, von denen jede aus zwei Wicklungen besteht, wie Fig. 10 in Seitenansicht in Richtung X gemäss Fig. 9 zeigt ; Fig. 11 veranschaulicht, wie nach erfolgter Bewicklung zweier Torsionskörper die beiden Körper mit ihren Stirnwänden verbunden und dann mit zwei weiteren Torroidwicklungen - mit einer Magnetisier- und einer Rückkopplungswicklung - umwickelt werden.
Jede von ihnen besteht aus zwei Wicklungen, wie in Fig. 12 in Seitenansicht in der in Fig. 11 angedeuteten Richtung XII dargestellt ist. Fig. 13 ist ein Schaltbild der ganzen Schaltung mit Benutzung des Servomotors für die Umstellung des mittleren Kontaktes des Potentiometers. Zu dieser Figur sei bemerkt, dass an allen Wicklungen des Fühlers die Anfänge mit leeren Kreisen, die Enden der Wicklungen mit schwarzen Kreisen bezeichnet sind.
Das grundlegende Element der Fühlerkonstruktion ist der Torsionskörper 15 (s. Fig. 4,5 und 6), dessen hauptsächlichsten Bestandteil ein Rohr 155 aus magnetischem Material bildet. An seine beiden Enden sind Flanschen 151 aus nichtmagnetischem Material fest aufgesetzt, deren Stirnflächen Aussparungen 153 und ausserdem Öffnungen 152 besitzen, welche für Verbindungsstifte 19 (s. auch Fig. 1 und Fig. 11) bestimmt sind.
Auf das Rohr 155 jedes Torsionskörpers 15 wird zunächst die Aufnahmewicklung gewunden - Fig. 7 und 8 zeigen das Aufwickeln der Aufnahmewicklung 41 auf einen Torsionskörper-, auf die weiteren Torsionskörper werden ähnliche Wicklungen 42,43 und 44-gewickelt. Hierauf werden über beide Flanschen
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zweiten Spule 31'-s. Fig. 9 und 10.
Ein Paar der derartig umwickelten Torsionskörper 15 wird nunmehr mit Hilfe der Stifte 19 zu einem gleichachsigen Körper (s. Fig. 11) zusammengesetzt und dieser Körper wird mit zwei Paaren von Torroidwicklungen, der Magnetisierwicklung 51 (mit der zweiten Spule 51') und der Rückkopplungswicklung 61 (ebenfalls mit einer zweitenSpule 61') umwickelt. Aus zwei derart ausgeführten Körpern - von denen jeder aus einem Paar von Torsionskörpern 15 besteht-wird nun der eigentliche Torsionsfühler zusammengestellt.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines solchen Fühlers, bei welchem die Torsionskörper 15 (bzw. die von ihnen gebildete Säule) in der Grundplatte 20 festgehalten werden, an welcher auch ein gleichachsiger Mantel 18 befestigt ist. An dem oberen Torsionskörper 15 ist der Flansch 17 mit einem Zapfen 171 befestigt, auf welchen das gemessene Drehmoment "T" übertragen wird.
Bei der abgeänderten Ausführung gemäss Fig. 2 und 3 ist die aus vier Torsionskörpern 15 bestehende Säule an beiden Enden in zwei Grundplatten 20 befestigt. Zwischen beide Paare von Torsionskörpern ist eine Scheibe 16 mit einem Arm 161 eingelegt, wobei der letztere durch einen Schlitz 181 im Mantel 18 hindurchtritt ; auf den Arm 161 wird dann das gemessene Drehmoment "T" (s. Fig. 3) übertragen.
Die Gesamtschaltung ist in Fig. 13 dargestellt, wo einfachheitshalber die oberwähnten zweiten Spulen 21', 22', 23', 24', 61', 62', 31', 32', 33', 34', 51'und 52'nicht eingezeichnet sind, denn diese Spulen bilden vom Standpunkt der Schaltung aus immer eine Einheit mit den ursprünglichen Spulen 21, 22 usw.
Alle gezeichneten Wicklungen sind in folgender Weise geschaltet : Ende der Polarisationswicklung 21 - Ende derPolarisationswicklung 22 ; Anfang derPolarisationswicklung 22 - Anfang der Aufnahmewicklung 42 ; Ende der Aufnahmewicklung 42 - Ende der Aufnahmewicklung 41 ; Anfang der Aufnahmewicklung 41-Ende der Aufnahmewicklung 44 ; Anfang der Aufuahmewicklung 44 - Anfang der Aufnahmewicklung 43 ; Ende der Aufnahmewicklung 43 - Anfang der Polarisationswicklung 23 ; Ende der Polarisa- tionsv cklung 23 - Ende der Polarisationswicklung 24.
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geschlossen sind, an dessen Schleifer 74 der Anfang der Rückkopplungswicklung 62 angeschlossen ist ; das Ende dieser Wicklung 62 ist mit dem Ende der zweiten Rückkopplungswicklung 61 verbunden.
Der Anfang der Rückkopplungswicklung 61 ist an der Stelle 40 an die Verbindung zwischen dem Ende der Aufnahmewicklung 41 und dem Ende der Aufnahmewicklung 44 angeschlossen. Auf diese Weise wird der ganze Aufnahmekreis gebildet.
Der Erregungskreis ist durch die Erregungswicklungen 31,32, 33 und 34 gebildet, die wie folgt geschaltet sind : Ende der Wicklung 31 - Ende der Wicklung 32 ; Anfang der Wicklung 32 - Anfang der Wicklung 33 ; Ende der Wicklung 33-Ende der. Wicklung 34.
Die Anfänge der beiden Wicklungen 31 und 34 sind an beide Enden einer Sekundärwicklung des
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wähnten Sekundärwicklung verbunden. Die zweite Steuerwicklung 72 des Motors 70'ist mit der zweiten
Sekundärwicklung 82 des Transformators 80 verbunden. Der Kleinmotor 70 verstellt dann mit Hilfe einer geeigneten mechanischen Kupplung (schematisch als 73 angedeutet) den Schleifer 74 des Potentio- meters 75.
Der Magnetisierungsstromkreis wird von zwei seriengeschalteten Magnetisierungswicklungen 51 und
52 gebildet, wobei der Beginn der Wicklung 51 und das Ende der Wicklung 52 an einen Zweiweg-Gleich- richter 8 angeschlossen sind, welcher von der dritten Sekundärwicklung 83 des Transformators 80 gespeist ) wird.
Die Wirkungsweise des magnetostriktiven Torsionsfühlers gemäss der Erfindung ist folgende :
Durch Einwirkung des aus dem Transformator 80 allen Erregungswicklungen 31 - 34 zugeführten
Wechselstromes wird in allen vier Rohren 155 aller vier Torsionskörper 15 ein sogenanntes zylindrisches
Magnetwechselfeld gebildet. Bei mechanischer Belastung der Rohre 155 durch ein Drehmoment "T" wird in den Aufnahmewicklungen 41 - 44 eine Spannung induziert, deren Grösse der Grösse des Drehmomentes "T" proportional ist. Die Paare der Erregungswicklungen 31 und 32 bzw. 33 und 34 sind deshalb im ent- gegengesetzten Sinn geschaltet, damit aus diesen Erregungswicklungen keine Spannung in die Rückkopp- lungswicklungen 61,62 und auch nicht in die Magnetisierungswicklungen 51,52 induziert wird.
Im Hin- blick auf die angeführte Schaltung der Paare der Erregungswicklungen 31,32 bzw. 33,34 müssen analog auch die Paare der Aufnahmewicklungen 41 und 42 bzw. 43 und 44 in einander entgegengesetztem Sinn geschaltet werden.
Die Wechselspannung aus den beiden Paaren der Aufnahmewicklungen 41 und 42 bzw. 43 und 44 wird nun mittels der Gleichrichter 77 bzw. 76 gleichgerichtet. Um den Arbeitspunkt dieser Stromrichter 77 und
76 in den linearen Teil ihrer Charakteristik zu verschieben, wird in den erwähnten Stromkreis auch die
Spannung aus den Polarisierungswicklungen 21 -24 eingeführt, welche der Spannung in den Erregungs- wicklungen 31 - 34 proportional ist.
Im unbelasteten Zustand befindet sich der Schleifer 74 in seiner Mittellage und durch die Rückkopp- lungswicklungen 61 und 62 fliesst kein Strom. Falls nun der Fühler mit einem Torsionsmoment "T" be- lastet wird, wird in den Aufnahme wicklungen 41 - 44 eine Spannung induziert. Infolgedessen fliesst durch den mittleren Zweig, und daher auch durch die Rückkopplungswicklungen 61 und 62, Gleichstrom, dessen
Grösse und Richtung von der Grösse und dem Sinn des Torsionsmomentes"T"abhängen.
Infolge des Gleichstromflusses in den Magnetisierungswicklungen 51 und 52 wird in allen Rohren 155 ein zylindrisches Gleichstrom-Magnetfeld von derselben Grösse bzw. derselben Intensität gebildet. Des- halb ist in allen Erregungswicklungen 31 - 34 derselbe induktive Widerstand vorhanden. Wenn nun durch die beiden in entgegengesetztem Sinn geschalteten Rückkopplungswicklungen 61 und 62 Gleichstrom hin- durchfliesst, ruft dieser Strom in dem einen Torsionskörperpaar 15 eine Vergrösserung des magnetischen
Gleichstrom-Flusses hervor, wogegen in dem andern Torsionskörperpaar 15 derselbe Strom eine Verringe- rung des magnetischen Flusses hervorruft. Deshalb wird in dem einen Paar der Erregungswicklungen (z. B.
31 und 32) der induktive Widerstand verringert, während in dem andern Paar der Erregungswicklungen (z.
B. 33 und 34) der induktive Widerstand erhöht wird.
Dadurch wird das Gleichgewicht in dem Erregungskreis gestört und infolgedessen fliesst durch seinen mittleren Zweig-d. h. durch die Steuerwicklung 71 - Strom hindurch. Der Motor 70 wird in Bewegung gesetzt und verschiebt den Schleifer 74 solange, bis in den beiden Stromkreisen, d. h. in dem Erregungs- und in dem Aufnahmestromkreis, ein Gleichgewichtszustand eintritt.
Es ist wichtig, dass die Unwucht des Aufnahmestromkreises sich noch dadurch vergrössert, dass infolge ungleicher induktiver Widerstände der
Wicklungen 31 - 34 auch in den Polarisationswicklungen 21 - 24 eine ungleiche Spannung induziert wird.
Hiedurch wird eine bestimmte Rückkopplung erzielt, die die Wirkung des Stromes aus den Aufnahme- wicklungen 41 - 44 und dadurch auch die im Erregungskreis erhaltene Leistung wesentlich verstärkt.
Die Ausführung gemäss Fig. 2 unterscheidet sich in ihrer Gesamtschaltung nur dadurch, dass die Auf- nahmewicklung 43 und 44 in denAufnahmekreis in einem entgegengesetzten Sinn, als in Fig. 13 gezeich- net, geschaltet ist.
Der mit einer Rückkopplung versehene erfindungsgemässe Fühler stellt im wesentlichen einen ma- gnetischen Verstärker dar, der durch ein bestimmtes Drehmoment mechanisch gesteuert wird und bei dem gleichzeitig die Wicklung mit einer veränderlichen Induktivität zur Erregung des Fühlers ausgenützt wird.
Die Schaltung der einzelnen Wicklungen kann im Rahmen der Erfindung auch in einer andern Art und
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Weise als soeben beschrieben durchgeführt werden, so wie dies bei magnetischen Verstärkern der Fall ist.
Es können z. B. alle Erregungswicklungen 31 - 34 in vier Zweige einer wechselstromgespeisten Brücke geschaltet werden, in deren mittleren Zweig der Kleinmotor geschaltet ist od. ähnl.
Der erfindungsgemässe, eine Rückkopplung aufweisende Fühler stellt ein für die Messtechnik, Automatisierung sowie Regelung äusserst zweckmässiges Element dar. Sein grundlegender Vorteil beruht darin, dass er an seinem Ausgang ein Signal sowie eine Leistung abgibt, mit welcher ohne weitere Verstärkung ein leistungsfähiges Regelelement, z. B. ein kleiner Servomotor, unmittelbar gespeist werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Magnetostriktiver Torsionsfühler, der aus einer geraden Anzahl von fest miteinander verbundenen Torsionskörpern besteht, die mit Erregungs-, Polarisations- und Aufnahmewicklungen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass alle Torsionskörper (15) ausserdem mit torroidalen Rückkopplungswicklungen (61 und 62) versehen sind, die in die Diagonale einer Brücke geschaltet sind, in deren Zweige in an sich bekannter Weise die Aufnahme- (41-44) und Polarisationswicklungen (21-24) geschaltet sind, wobei der Kreis der Erregungswicklungen (31-34) symmetrisch angeordnet und in seine Diagonale die eigentliche Belastung (71) angeschlossen ist.