DE1115051B

DE1115051B - Vorrichtung zur Ermittlung des in einer rotierenden Welle uebertragenen Drehmomentes

Info

Publication number: DE1115051B
Application number: DES52957A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Wilhelm Kafka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1957-03-30
Filing date: 1957-03-30
Publication date: 1961-10-12

Description

Vorrichtung zur Ermittlung des in einer rotierenden Welle übertragenen Drehmomentes Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Ermittlung des in einer rotierenden Welle übertragenen Drehmomentes durch Messung der bei Torsion der Welle infolge dabei auftretender Entstehung einer magnetischen Vorzugsrichtung bewirkten Verschiebung eines in der Welle fließenden magnetischen Flusses.
Es ist bekannt, eine Welle mit einem Wechselfluß zu durchsetzen, der dann bei unbelastetem Zustand der Welle achsparallel in der Welle verläuft. Bei Torsion der Welle entstehen ringförmige Flüsse, die durch zwei in bestimmtem axialem Abstand auf der Welle schleifende Bürsten abgegriffen werden, an die ein Meßgerät angeschlossen ist. Die angezeigte Meßgröße gibt dann ein Maß für die Torsion der Welle.
Bei dieser Anordnung müssen aber Bürsten auf der Welle schleifen, die insbesondere bei schnell umlaufenden Wellen mit geringem Durchmesser meistens nicht ständig und nicht mit konstanter Auflagefläche sowie unter gleichem Auflagedruck mit der Welle in Berührung bleiben. Das Meßergebnis ist daher trotz des technischen Aufwandes ungenau und die Messung daher unzuverlässig. Außerdem ist diese Meßeinrichtung stark dem Verschleiß ausgesetzt und gegen Verunreinigungen empfindlich.
Diese Nachteile werden mit einfachen Mitteln sicher dadurch vermieden, daß nach der Erfindung der Fluß über mindestens zwei außerhalb der Welle befindliche, von dieser durch Luftspalte getrennte und an einer Stelle miteinander verbundene Schenkel aus magnetischem Material verläuft und daß die Flußverteilung durch mindestens ein in einen Schenkel eingebautes magnetfeldabhängiges Meßglied, z. B. einen Hallgenerator oder einen magnetfeldempfindlichen Widerstand, erfaßt wird.
Mit der Vorrichtung nach der Erfindung werden Bürsten überflüssig und einwandfreie Messungen für Wellen jeden Durchmessers und bei jeder Geschwindigkeit erzielt, da eine Berührung mit der Welle nicht notwendig ist.
Es ist zwar bekannt, zur Messung der Torsion eines prismatischen Körpers den magnetostriktiven Effekt auszunutzen, wobei ebenfalls keine Bürsten oder Schleifringe oder sonstigen rotierenden Stromabnahmevorrichtungen notwendig sind. Bei dieser Meßmethode wird schräg zur Längsachse des auf Torsion beanspruchten prismatischen Körpers an dessen Umfang oder in einer entsprechend angeordneten Nut ein länglicher Metallkörper angebracht und um den zu untersuchenden prismatischen Körper im Bereich des Metallkörpers eine wechselstromgespeiste Erregerwicklung und eine Speisewicklung angeordnet, die über eine Gleichrichteranordnung eine Meßeinrichtung speist. Der Metallkörper muß fest mit dem tordierten prismatischen Körper verbunden sein, damit er die bei Torsion auftretenden Längenänderungen getreulich mitmachen kann. Dies ist in der Praxis jedoch nur sehr schwierig und mit entsprechendem Fertigungsaufwand erreichbar. Dagegen braucht beim Gegenstand der Erfindung der tordierte Körper keinerlei Behandlung ausgesetzt zu werden. Die Meßvorrichtung nach der Erfindung ist daher schnell und an beliebiger Stelle des zu untersuchenden Körpers anbringbar.
Sie nutzt dabei den magnetoelastischen Effekt aus, d. h. die Änderung der Magnetisierung eines ferromagnetischen Körpers in Abhängigkeit von mechanischen Spannungen im Körper.
Man denkt sich hierzu einen ferromagnetischen Körper als aus einzelnen Bereichen zusammengesetzt, die spontan die Sättigungsmagnetisierung aufweisen.
Ohne äußeres Feld und ohne mechanische Spannung sind die Bereichsmomente im Kristall parallel oder antiparallel zu den Achsen der leichtesten Magnetisierung orientiert. Beispielsweise bei Eisen sind dies die Kanten, bei Nickel ist es die Körperdiagonale des beiden gemeinsamen raum- bzw. flächenzentrierten kubischen Gitters.
Ein in eine Stahlwelle oder einen anderen Rotationskörper aus ferromagnetischem Material eingeleiteter Magnetfluß schließt sich, solange die Magneteigenschaften der Welle in allen Richtungen gleich sind, auf dem kürzesten Wege bzw. verteilt sich auf zwei gleich lange Wege gleichmäßig. Wird die Welle tordiert, so stellen sich infolge des magnetoelastischen Effekts in Richtung der Druck- und der Zugspannungen innerhalb des Rotationskörpers verschiedene Magnetisierungen ein. Die Meßkörper können ortsfest oder drehbeweglich angeordnet sein.
Wenn beim Gegenstand der Erfindung als Meßglieder Hallgeneratoren verwendet werden, so ist es zweckmäßig, solche aus einem Stoff hoher Trägerbeweglichkeit zu verwenden, insbesondere aus Verbindungen nach Art der sogenannten A111Bv-Verbindungen, d. h. aus Elementen, die der III. und der V. Gruppe des Periodischen Systems angehören. So können beispielsweise als Materialien für den Hallgenerator InSb, InAs oder ähnliche Stoffe verwendet werden.
An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele in für die Erfindung wesentlichen Teilen stark vereinfachter, zum Teil schematischer Darstellung. Für gleiche Teile sind in sämtlichen Zeichnungen weitgehend gleiche Bezugszeichen verwendet.
In den Fig. 1 und 2 ist eine Anordnung veranschaulicht, bei der die Torsion in einer Welle 1 den Fluß durch das eine Schenkelpaar 2, 3 des Magnetsystems verstärkt und durch das andere Schenkelpaar 4, 5 schwächt. Dem Schenkelpaar 2, 3 ist der Hallgenerator 6, dem Schenkelpaar 4, 5 der Hallgenerator 7 zugeordnet. Die Differenz der Hallspannungen gibt ein Maß für die Torsion. Die Erregerspule 8 kann von Gleich- oder Wechselströmen durchflossen werden. Die Meßanordnung befindet sich gegenüber der rotierenden Welle 1 in Ruhe.
In den Fig. 3 und 4 ist eine Anordnung veranschaulicht, in der die Fluß differenz durch einen einzigen Hallgenerator gemessen wird. Wenn die Luftspalte9, 10 des Joches 11 gegenüber der Welle symmetrisch angordnet und gleich groß sind, so wird ohne Vorhandensein einer Torsion der Fluß durch den Hallgenerator 12 Null. Zum Zweck ihrer Regelung kann man gegebenenfalls auch ungleiche Luftspalte benutzen und damit einen Sollwert für das Drehmoment vorgeben. Bei Uber- oder Unterschreiten des Soll-Wertes ändert der Fluß durch den Hallgenerator dann seine Richtung. Für solche Regelungen kann es empfehlenswert sein, die Erregerwicklung oder den Hallgenerator-Steuerstrom mit Wechselströmen zu betreiben. Man kann dann einen Wechselstromverstärker anschließen, der auch für kleinste Eingangsleistungen als nullpunktsicher bezeichnet werden kann. Nach erfolgter Verstärkung kann durch phasenempfindliche Gleichrichtung eine der Richtung der Regelabweichung entsprechende Gleichstromausgangsgröße gewonnen werden.
Der an die Welle von einem festen Punkt am Umfang eingeleitete Magnetfluß wird bei Drehung der Welle auch durch Wirbelströme beeinflußt und gewissermaßen in der Drehrichtung der Welle mitgeschleppt. Damit würde eine solche Anordnung eine von der Drehgeschwindigkeit abhängige Anzeige bewirken. Um von der Drehgeschwindigkeit unabhängige Meßergebnisse zu erreichen, können besondere Maßnahmen angewendet werden. So kann beispielsweise die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Meßeinrichtung verdoppelt und so angeordnet werden, daß sich die Einflüsse der Feldverschleppung durch die Drehung der Welle aufheben, die Feldverschiebungen durch Torsion sich aber addieren.
In den Fig. 5 und 6 ist ein Ausführungsbeispiel für eine solche Anordnung veranschaulicht, mit der die Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit weitgehend eliminiert werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist im übrigen an Stelle einer Erregerwicklung ein Permanentmagnet 13 verwendet, um einen Magnetfluß durch die Welle 1 zu schicken.
Während bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 zwei Hallgeneratoren 6 und 7 verwendet wurden, werden hier vier Hallgeneratoren 14 bis 17 benötigt.
Wenn bei einer Anordnung entsprechend den Fig. 5 und 6 Hallgeneratoren angesetzt werden, so dürfen diese wegen der Reihenschaltung der Hallelektroden nicht mit ihren Steuerelektroden einander parallel geschaltet sein. Man muß dann besondere Maßnahmen vorsehen, um die Steuerelektroden durch Ohmsche Widerstände potentialmäßig voneinander zu trennen. Eine solche Anordnung ist in Fig. 7 schematisch vranschaulicht. Die einzelnen Hallgeneratoren sind in Übereinstimmung mit den Fig. 5 und 6 mit 14 bis 17 bezeichnet. Ihre Hallspannungsanschlüsse 18 bis 25 sind dabei in Reihe miteinander verbunden und an dem Eingang des Verstärkers 26 angeschlossen. Die Stromelektrodenanschlüsse 27 bis 34 sind über Widerstände 35 bis 42 mit den Anschlußklemmen43 und 44 für den Steuerstrom so verbunden, daß die Hallgeneratoren potentialmäßig entsprechend der ausgangsseitigen Stufung gelegt sind. Diese Widerstände können zweckmäßig verstellbar gewählt werden, so daß durch Verändern der Widerstandswerte gegeneinander auch hier ein Sollwert für eine Drehmomentregelung eingestellt werden kann. Bei Verwendung eines Wechselstromverstärkers 26 kann der Steuerstrom I, ein Wechselstrom sein.
Bei den Ausführungen nach den Fig. 5 bis 7 werden bei drehender unbelasteter Welle z. B. die Spannungen der Hallgeneratoren 14 und 15 zunehmen und die der Hallgeneratoren 16 und 17 abnehmen, wobei die Summe aller vier Spannungen Null bleibt. Bei Torsion der Welle werden aber z. B. die Spannungen der Hallgeneratoren 15 und 17 ansteigen, dagegen die der Hallgeneratoren 14 und 16 abnehmen, so daß nunmehr die Summe aller Spannungen von Null verschieden ist.
An Stelle von Hallgeneratoren können auch magnetfeldabhängige Widerstände verwendet werden. In Fig.8 ist ein Ausführungsbeispiel für eine solche Meßanordnung veranschaulicht, bei der magnetfeldabhängige Widerstände in einer Brückenschaltung liegen. Die magnetfeldabhängigen Widerstände sind mit 45 bis 48 bezeichnet, wobei die Brückenschaltung durch eine Wechselspannungsquelle 49 gespeist ist.
Am Brückenausgang liegt ein Verstärker 50. Der Sollwert einer Regelung kann hier z. B. durch zusätzliche Beeinflussung der Widerstände 45 bis 47 mit einstellbaren Permanentmagneten 51 und 52 oder Luftspalten oder magnetischen Nebenanschlüssen vorgenommen werden. Fehler durch Temperaturschwankungen der Welle oder der feldabhängigen Widerstände können gegebenenfalls durch temperaturabhängige Kompensation eliminiert werden.

Claims

PATENTANSPRCHE: 1. Vorrichtung zur Ermittlung des in einer rotierenden Welle übertragenen Drehmomentes durch Messung der bei Torsion der Welle infolge dabei auftretender Entstehung einer magnetischen Vorzugsrichtung bewirkten Verschiebung eines in der Welle fließenden magnetischen Flusses, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluß über mindestens zwei außerhalb der Welle befindliche, von dieser durch Luftspalte getrennte und an einer Stelle miteinander verbundene Schenkel aus magnetischem Material verläuft und daß die Flußverteilung durch mindestens ein in einen Schenkel eingebautes magnetfeld abhängiges Meßglied, z. B. einen Hallgenerator oder einen magnetfeldempfindlichen Widerstand, erfaßt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei zueinander und zu der Mantellinie der Welle parallel angeordnete Schenkel, die auf der einen Seite durch ein Joch verbunden und auf der anderen Seite durch einen Luftspalt getrennt sind, von denen mindestens der eine Schenkel ein magnetfeldabhängiges Meßglied enthält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schenkel einen Luftspalt hat und zwischen den beiden nicht durch das Joch verbundenen Schenkelenden das Meßglied eingefügt ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfluß in der Welle durch eine diese umschließende, im Bereich der Schenkel angeordnete Spule erzeugt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Welle an einer Stelle von außen ein Magnetfluß zugeführt und dieser Magnetfluß an vier zur Wellenachse symmetrisch liegenden Stellen von der Welle abgeführt und der Flußkreis über kreuzweise angeordnete Schenkel geschlossen wird, wobei jeder der vier zwischen der zentralen Flußzuführungsstelle und den vier Abnahmestellen liegenden Schenkelteile je ein Meßglied enthält, die die Flußverteilung messen.
6. Vorrichtung nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kreuzungsstelle der vier Schenkel ein Magnet, insbesondere ein Permanentmagnet, angeordnet ist, der von der Welle durch einen Luftspalt getrennt ist.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel mit dem oder den Meßgliedern zur Welle drehbeweglich angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1035423; schwedische Patentschrift Nr. 158 349; Kohlrausch, Prakt. Physik, Bd. 2 (1944), S.94 und 95; Siemens-Zeitschrift, September 1954, H.
8, S.376 bis 384.