Elektromagnetischer Drehmomentmesser
Den Gegenstand der Erfindung bildet ein elektromagnetischer Drehmomentmesser zum Messen der zwischen zwei Wellen, einer antreibenden und einer getriebenen, auftretenden Drehmomente, der die deformationsabhängigen Änderungen der Eigenschaften von ferromagnetischen Materialien ausnützt.
Es gibt viele Arten von Drehmomentmessern, und dieselben beruhen auf verschiedensten Prinzipien. Besonders sind die Induktions-, Kapazitäts-, Piezoelektrizitäts-, Magnetostriktions-, Widerstands-, mechanischen und optischen Drehmomentmesser bekannt. Die Mehrheit von ihnen sind in bezug auf die Erzeugungsgenauigkeit und auf das Material anspruchsvoll, und die elektrischen Drehmomentmesser pflegen eine komplizierte Apparatur mit Verstärkungsstufen zu haben. Die bisher bekannten magnetostriktiven Drehmomentmesser haben besonders den Nachteil, dass sie auf Anderungen äusserer magnetischer Streufelder sehr empfindlich sind.
Der elektromagnetische Drehmomentmesser nach dieser Erfindung ist sehr einfach, billig, anspruchslos in bezug auf die Erzeugung und das verwendete Material und gibt eine genügende Leistung, was bedeutet, dass derselbe keine Verstärkungsstufen in Anspruch nimmt. Der erfindungsgemässe Drehmomentmesser zeichnet sich dadurch aus, dass zwei im wesentlichen rohrförmige ferromagnetische Torsionskörper, die je an einem Ende miteinander fest verbunden und an ihren anderen Enden mit Flanschen versehen sind, welche zur Verbindung mit Wellen eines hinsichtlich seiner Drehmomente zu untersuchenden Mechanismus bestimmt sind, von welchen Wellen die eine den Drehmomentmesser belasten, die andere ihn antreiben soll, je eine toroidale Erregungswicklung aufweisen, die über Schleifringe und Schleifbürsten in gegenseitig entgegengesetztem Sinne an eine Erregungsspannung angeschlossen sind;
und dass zwei Aufnahmespulen, an welche ein Messkreis angeschlossen ist, gleichachsig die Torsionskörper frei umgeben und innerhalb eine Mantels an diesem angebracht sind; und dass ferner im Mantel ein Lager angebracht ist, mittels welchem einer der genannten Flansche drehbar innerhalb des Mantels gelagert ist.
Ein Ausführungsbeispiel des Drehmomentmessers nach dieser Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung veranschaulicht, wo in Fig. 1 ein schematischer Längsschnitt durch einen elektromagnetischen Dreh momentmesser und in Fig. 2 ein Schema der Schaltung und die Anordnung der Wicklungen dargestellt sind.
Der Drehmomentmesser nach Fig. 1 besteht aus zwei gegenseitig fest verbundenen rohrförmigen Torsionskörpern 11 und 12, die auf einem Ende, zum Beispiel durch eine Zahnkupplung, mit Flanschen 2 und 3 und durch diese Flansche 2 und 3 mit einer antreibenden Welle 1 verbunden sind; sinngemäss sind auf dem anderen Ende diese verbundenen Torszons- körper 11 und 12 durch eine Zahnkupplung mit den Flanschen 4 und 5 und durch diese Flansche 4 und 5 mit einer Welle 6 eines Mechanismus, mit welchem der Drehmomentmesser belastet wird, verbunden. Durch die Torsionskörper 11 und 12 sind toroidale Wicklungen 31 und 32 durchgezogen, welche an Schleifringe 51 und 52 angeschlossen sind, an welche Schleifbürsten 61 und 62 angedrückt werden.
Die Torsionskörper 11 und 12 sind mit festen, unbeweglichen Aufnahmespulen 21 und 22 umgeben, die mit dem Aufnahmekreis 10, 13, 14, 15, 41 und 42 (Fig. 2) verbunden und an einem Mantel 8 befestigt sind. Der ganze Drehmomentmesser ist mit diesem festen, unbeweglichen Mantel 8 umgeben, der - ihm gegenüber in einer nur angedeuteten Weise isoliert - die Schleifbürsten 61 und 62 trägt und in dem der Flansch 4 mittels eines Wälzlagers 7 drehbar gelagert ist.
Die Fig. 2 stellt ein Schema der elektrischen Schaltung dar. Der Erregungskreis 9 ist über die primäre Wicklung 43 des Umspanners (Transformators) 40 und weiter über die Schleifbürste 61 und den Ring 51 an den Anfang der toroidalen Wicklung 31 angeschlossen, die um den Ringquerschnitt des Torsionskörpers 11 herum gewickelt bzw. zum Teil durch seinen Innenraum hindurchgezogen ist. Das Ende der toroidalen Wicklung 31 ist mit dem Ende der toroidalen Wicklung 32 verbunden, die um den Ringquerschnitt des Torsionskörpers 12 herum gewickelt ist. Der Anfang der toroidalen Wicklung 32 ist über den Ring 52 und die Schleifbürste 62 an den Erregungskreis 9 zurück angeschlossen.
Der Messkreis ist folgendermassen geschaltet: das Ende der Aufnahmewicklung 21 ist an den Anfang der sekundären Wicklung 41 des Umspanners 40 angeschaltet, und das Ende der sekundären Wicklung 41 ist über den Spannungsteiler 13 mit dem Anfang der sekundären Wicklung 42 des Umspanners 40 verbunden. Das Ende der sekundären Wicklung 42 ist an den Anfang der Aufnahmewicklung 22 angeschlossen, deren Ende über den Stromrichter 10, Spannungsteiler 14 und den anderen Stromrichter 10 mit dem Anfang der Aufnahmewicklung 21 verbunden ist. Das Messgerät 13 ist an die Mittelabzweigung des Messkreises zwischen die verstellbaren Abgriffe der Spannungsteiler 13 und 14 angeschlossen.
Die zylindrischen, das heisst in Kreisen um die Achse verlaufenden, magnetischen Felder, welche in den Torsionskörper 11 und 12 durch den Wechselstrom erregt werden, der durch die toroidale Wicklung 31 in einem Sinne und durch die toroidale Wicklung 32 im entgegengesetzten Sinne fliesst, werden durch die Wirkung des Drehmomentes auf die Torsionskörper 11 und 12 derart deformiert, dass sie Längskomponenten bilden, die in der Aufnahmespule 21 eine elektromotorische Kraft in einem Sinne und in der Aufnahmespule 22 eine solche im entgegengesetzten Sinne induzieren.
Die elektromotorischen Kräfte, die durch den Erregungsstrom in den sekundären Wicklungen 41 und 42 des Umspanners 40 induziert werden, haben beide denselben Sinn und dienen zur Verschiebung des Arbeitspunktes der Stromrichter 10 in einen geeigneten Teil der Charakteristik. Die in der Aufnahmespule 21 induzierte Spannung wirkt gegen den Sinn der Spannung der sekundären Wicklung 41, während die in der Aufnahmespule 22 induzierte Spannung im Sinne der Spannung der sekundären Wicklung 42 wirkt. Dadurch kommt es zur Zerstörung der Symmetrie des Kreises, und durch das Messgerät 15, welches an die Mittelabzweigung des Messkreises angeschlossen ist, fliesst ein Strom, der der in den Aufnahmespulen 21 und 22 induzierten Spannung und daher auch dem gemessenen Drehmoment proportional ist.
Dagegen wirken die Spannungen, welche in den Aufnahmespulen 21 und 22 durch die Wirkung äusserer magnetischer Streufelder induziert werden, in demselben Sinne wie die Spannungen in den sekundären Wicklungen 41 und 42 und haben daher keinen Einfluss auf die Symmetrie des Kreises und dadurch auch auf den durch das Messgerät 15 flie ssenden Strom.
Dies ermöglicht die Benützung dieses Drehmomentmessers zum Beispiel zum Messen des Drehmomentes von Elektromotoren oder von Verbrennungsmotoren unmittelbar an der Achse derselben, wo die Benützung der früheren Typen von elektromagnetischen Drehmomentmessern gerade durch den Einfluss von starken magnetischen Streufeldern erschwert wurde.