SE460154B - Magnetoelastisk vridmomentgivare - Google Patents

Description

460 154 » 2 värmeflöde genom axeln, dvs det finns en temperaturgradient i axeln, påverkar detta mätningen. Det är känt från litteraturen att magnetiska materials permeabilitet har ett kraftigt temperaturberoende. Om således det finns en temperaturskillnad över axelns mätzon kommer mätsignalen på grund av den inom mätzonen varierande permeabiliteten ej att korrekt återge aktuellt moment. Applikationer där dessa mätproblem kan uppstå finns inom flera olika områden. Mellan t ex en förbränningsmotor och en tillhörande växellåda eller koppling kan förekomma temperaturskillnader på flera hundra grader. Den axel som förbinder dessa delar kommer därför att passeras av ett värmeflöde, varvid mätnoggrannheten vid momentmätning i axeln kommer att påverkas. En elektrisk motor kan vara placerad inne i ett väl uppvärmt maskinrum och får t ex på grund av hög belastning därvid en för motorn maximalt tillåten temperatur. Den arbetsmaskin som motorn dri- ver kan via en genom en vägg gående axel vara placerad utomhus. varvid stora förutsättningar förefinnes för att axeln får en temperaturgradient som kan förorsaka mätnoggrannhetsproblem.

Uppgifter om permeabilitetens temperaturberoende för de material som används i samband med aktuella magnetoelastiska momentgivare, dvs både glödgat och kallvalsat kiselstàl, finns oss veterligen ej inom till- gänglig litteratur. En viss uppfattning om förväntade storleksordningar kan.dock erhållas genom att utgå från en bok utgiven 1951 av D van Nostrand Company Inc, Princetown, New Jersey, "Ferromagnetism" av Bozorth.

Häri redovisas bland annat mätningar som gäller för rent järn som har avspänningsglödgats till 800 OC.

Ur denna bok, bilaga 1, fig 3-8, kan man utläsa att både begynnelsepermea- biliteten po och den maximala permeabiliteten pm ökar med ökande temperatur. Av figurerna framgår att gm ökar med en faktor två på 200 OC, dvs att p = yT=O Oc (l + T/ZOO) eller med andra ara au; p ökar med 0,5 z/°c.

Den magnetostriktiva permeabilitetšförändringen på grund av dragspänningen i en avspänningsglödgad strimla av det material som ingår i aktuella momentgivare har uppmätts och uppgår til minst 1 X/MPa. 3 460 154 För en måttligt belastad givare där materialet belastas till 20 MPa gäller således att maxlast ger samma permeabilitetsförändring som en temperatur- förändring pa 40 °c. Detta skulle 1 så fan ge en nanm-if: pa 1/ho = = 2,5 % av maxsignal per grad Celsius temperaturskillnad mellan mätzoner~ na.

Den redovisade uppskattningen är mycket grov. Den förutsätter bland annat att den magnetostriktiva permeabilitetsförändringen vid tryckspänningar är i samma storleksordning som den uppmätta för dragspänningar. Det uppskat- tade värdet bör dock vara ett representativt mått på nolldriftens maximala värde på grund av temperaturgradienter. Detta visar också att i applika- tioner där temperaturgradienter i en axels mätzoner kan förekomma och där en viss mätnoggrannhet måste innehållas måste ågärder vidtagas för att eliminera eller starkt reducera inverkan av det passerande värmeflödet.

Den uppfinning som nu skall beskrivas visar en anordning som på ett mycket påtagligt sätt minskar temperaturgradientkänsligheten hos magnetoelastiska vridmomentgivare.

RITNINGSFÖRTECIQVING Fig 1A-1D visar hur en temperaturgradient i en axel/mäthylsa påverkar nollsignalen hos en magnetoelastisk vridmomentgivare utförd i enlighet med dagens teknik.

Fig 2A-2D visar principen för en magnetoelastisk vridmomentgivare enligt uppfinningen, vilken på ett radikalt sätt minskar inverkan av en tempera- turgradient inom mätzonen hos en axel/mäthylsa.

Fig 3 visar en föredragen utföringsform av en givare enligt uppfinningen.

Fig 4 visar ett principschema för matning av magnetiseringsspolarna och mätning av signalerna från avkänningsspolarna.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Inledningsvis skall med hjälp av figurerna 1A-ID visas hur en temperatur- gradient påverkar nollsignalen, dvs givarens utsignal då axeln ej överför något moment. Vid belastad axel kommer givetvis den av en temperaturgra- dient orsakade nollsignalen att adderas till den aktuella momentsignalen. 460 154 u Om en obelastad axel med mathylsa enligt fig 1B utsattes för en tempera- turgradient enligt fig 1A kommer mätlindningarna att på grund av de olika permeabiliteter som råder vid respektive matlindning att avge en A-noll- signal enligt fig 1C och därmed erhålles en resulterande 2-nollsignal enligt figur 1D. Givarens magnetiseringslindningar har som det framgår av fig 1B utelämnats.

En vridmomentgivare enligt uppfinningen framgår av fig 2B. Mäthylsan har här tre parallella ringformade zoner pa något av stånd från varandra och som år försedda med slitsar med i huvudsak regelbunden delning. De två yttre zonernas axiella utbredning är var för sig i stort sett hälften så lång som den mittersta zonen. Slitsarna i dessa yttersta zoner har en riktning som förlöper i stort sett med ü5° lutning mot en generatris till mäthylsan. Slitsarna i den mellersta zonen förlöper också i stort sett med en lutning på 450 mot en generatris till mäthylsan, dock riktad i stort sett 900 mot riktningen för slitsarna i de yttre zonerna.

Zonernas magnetiseringslindningar, som ej visas i fig 2B, är på vanligt sätt seriekopplade.

Mätlindningarna för de två yttre zonerna förses med ett lika antal lindningsvarv N och mätlindningen för den mittre zonen har ett antal lindningsvarv som i stort sett motsvarar summan av de två yttre, dvs 2N.

Som det framgår av fig 2B seriekopplas de yttre lindningarna och den mittre zonens mätlindning motkopplas relativt de två förra.

Som framgår av fig 2C och fig 2D kommer därvid den resulterande nollsigna- len från en temperaturgradient att praktiskt taget bli noll. Detta innebär att en vridmomentgivare enligt det redovisade konceptet kan användas vid applikationer där axeln genomflytes av en värmeström. Vid ett stationärt värmeflöde, dvs vid en lineär temperaturgradient, kan värmeflödets in~ verkan på permeabiliteten och därmed mätsignalen på detta sätt helt kom- penseras. Vid övriga mer komplicerade gradienter reduceras känsligheten för dessa avsevärt.

BESKRIVNING Av UTFÖRINGSFORMER Fig 3 visar en föredragen utföringsform av en magnetoelastisk vridmoment- givare enligt uppfinningen. En sådan måste med nödvändighet få stor likhet med t ex den tidigare i US 4 506 55U beskrivna momentgivaren. 5 4eop1s4 Runt en axel l sitter momentstyvt infäst en mathylsa 2. Denna är försedd med tre ringformiga zoner 3, 4 och 5, där zonerna 3 och 5 har samma axiella längd, och med slitsar upptagna åt samma håll relativt en gene- ratris till mäthylsan och med i stort 450 vinkel mot generatrisen.

Mätzonen 4 har en axiell längd som är dubbelt så lång som de båda övriga och är försedd med slitsar med samma delning som dessa och riktade i 900 vinkel relativt dessa. Vardera mätzonen 3, 4 och 5 omges av med axeln stillastående koncentriska bobbiner 6, 7 och 8 med spolarna 9, 10 res- pektive 11, 12 och 13, 14, av vilka 10, 12 och 14 används för magnetise- ring med växelström med spolarna seriekopplade och med spolarna 9, 11 och 13 som användes för avkänning av ett på axeln pålagt moment, varvid spolen 11 är motkopplad de övriga yttre två spolarna. Den elektriska kopplingen framgår i övrigt av fig 4. En järnkärna 15 är utformad som rotationskropp med en U-formad genererande yta som omger spolarna och har luftgap mot axeln vid de två ringformade yttre delarna 16, 17 av jårnkärnan.

Utrymmena 18 och 19 kan upptas av cirkulära skivor av magnetiskt material, varvid det magnetiserande flödet får en något bättre fördelning än om mot- svarande utrymme fylles av skivor av isolermaterial. Denna variant kan bestå i att bobbinernas sidoväggar görs så breda att bobhinerna kan monte- ras dikt an mot varandra, eller att samtliga lindningar lindas på en bobbin med ursvarvade öppningar motsvarande de tre i figuren visade sepa- rata bobbinerna. I ett sådant fall är det lämpligt att magnetiserings- spolen lindas som en över samtliga mätzoner Jämnt fördelad lindning.

I likhet med de olika utförandena som beskrivs i US 4 506 554 kan också givaren utformas så att mätningen utförs inuti en rörformad axel. I ett sådant utförande har den momentöverförande axeln på insidan fodrats med en mäthylsa enligt 2 i fig 3. Magnetiserande och avkännande lindningar är då monterade med sina respektive bobbiner på en koncentrisk, cylindrisk tapp.

Fig 4 visar att spolarna 10, 12 och 14 matas i serie från en växelströms- källa 20 och att spolarna 7, 11 och 13 kopplas så att spolen ll blir mot- kopplad de övriga två och att summasignalen likriktas faskänsligt i den styrda likriktaren 21 och presenteras på ett instrument 22.

På grund av att ett visst läckflöde alltid kommer att finnas vid ändarna av en sådan konstruktion kommer flödet vid den mittre måtzonen att vara något kraftigare än vid de två ytterzonerna om den mittre magnetiserings-

Claims (4)

460 154 6 spolen har dubbelt så många lindningsvarv som de yttre spolarna. För att temperaturgradientens inverkan skall bli minimal kan därför antalet lind- ningsvarv på antingen den mittre magnetiseringsspolen eller den mittre måtspolen göras något lägre än det dubbla av motsvarande för de två ytterspolarna. PATENTKRAV

1. Magnetoelastisk vridmomentgivare omfattande en axel (1) och en vid denna momentstyvt infäst mjukmagnetisk hylsa (2). och mittför hylsan stillastående, med axeln koncentriska lindningar (10, 12, ln), för att med växelström magnetisera givaren, och stillastående lindningar (9, 11, 13) för mätning av det på axeln pålagda yttre vridmomentet och ett likaledes med axeln koncentriskt magnetiskt hölje (15, 16, 17), k a n n e t e c k - n a d av att hylsan är försedd med tre parallella zoner (3, Ä, 5) på något avstånd från varandra, försedda med slitsar med i huvudsak regel- bunden delning, som i de yttersta zonerna (3, 5) i stort förlöper med 450 lutning mot en generatris till axeln och som i den mellanliggande zonen (Ä) i stort förlöper med 900 lutning mot slitsarna i de yttersta zonerna, vilka båda yttre zoners axiella utbredning är i stort hälften så lång som den mellersta éonens axiella utbredning. Givaren är anordnad med en magnetiseringsspole med en Jämnt utspridd lindning över samtliga zoner eller med tre magnetiseringsspolar, belägna utanför var sin ringformad, med slitsar försedda matzon på mathylsan, varvid de yttre magnetiserings- spolarna (10, 14) är lindade med hälften eller mindre än hälften så många lindningsvarv som den mittre magnetiseringsspolen (12). Magnetiserings- spolarna är anordnade att seriekopplas. Vid och innanför varje magnetise- ringsspole är anordnad en mätspole, varvid de yttre mätspolarna (9. 13) är lindade med hälften eller mindre än hälften så många lindningsvarv som den mittre mätspolen (11). Den mittre mätspolen är anordnad att motkopplas de yttre mätspolarna.

2. Magnetoelastisk vridmomentgivare enligt patentkrav 1, k ä n n e - t e c k n a.d av att antalet lindningsvarv på den mittre magnetiserings- spolen är lägre än det dubbla av antalet lindningsvarv på de yttre magne- tiseringsspolarna.

3. Magnetoelastisk vridmomentgivare enligt patentkrav 1, k ä n n e - t e c k n a d av att antalet lindningsvarv på den mittre mätspolen är lägre än det dubbla av antalet lindningsvarv på de yttre mätspolarna. m I 7 460 154

4. Magnetøelastisk vridmoment-givare enligt patentkrav 1. k ä n n e - t e c k n a d av att givaren är anordnad med cirkulär-a skivor av magnetiskt material i utrymmet (18, 19) mellan spolama.