MAGNETO-ELASTIC FORCE TRANSDUCER

Abstract: 1. Magnetoelastic force transducer characterized in that it comprises a solid of revolution (1) of soft-magnetic material provided with two substantially identically identical thin, force-sensing, cylindrical parts (2, 3) which are surrounded by series-connected, AC-current supplied magnetizing windings (4, 5) and oppositely series-connected measuring windings (6, 7), that between said thin parts there is an inwardly directed, force-absorbing inner flange or a disc (8) and an outwardly directed middle flange (9), the middle flange (9) having substantially the same outer diameter as the entire windings on the outer side of said thin parts, that the axially outer sides are porvided with outwardly extending flanges (10, 11), the outer diameter of which is at least as that of the entire windings on said thin parts, that the solid of revolution is surrounded by a tube (12) of soft-magnetic material, which tube is fixed to the outer outwardly-extending flanges (10, 11) by means of joints, capable of transmitting shearing forces, and which tube defines a norrow air gap with the outwardly extending middle flange, and that the outwardly extending flanges (10, 11) simultaneously serve a supporting surface for the ractive force.

Description: Magnetoelastisches Kraftmessgerät Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetoelastisches Kraftmessgerät, das insbesondere zum Messen von Axialkräften an rotierenden Wellen, beispielsweise bei Werkzeugmaschinen, geeignet ist. Die Erfindung kann jedoch auch als Zugmessgerät, beispielsweise zur Messung einer Seilspannung, oder als Lastzelle zur Messung von Druckkräfte verwendet werden. Da ein Axialkraftmessgerät für Werkzeugmaschinen die auf ein Lager, normalerweise ein Kugellager, wirkende Axialkraft messen soll, muss es einen rotationssymmetrischen Aufbau haben, damit für das Lager eine gleichmässige Anlagefläche vorhanden ist und das Messgerät leicht in das Maschinengehäuse eingebaut werden kann. Ferner muss das Messgerät eine möglichst geringe Länge in Achsrichtung der Welle haben, grosse Überlasten aufnehmen können und unempflindlich gegen andere Umweltfaktoren sein, wie beispielsweise Temperaturschwankungen sowie Öl und Scherflüssigkeiten. Mit Rücksicht auf die letztgenannten Anforderungen sollte das Messgerät vorzugsweise hermetisch verschlossen sein. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein magnetoelastisches Kraftmessgerät zu entwickeln, welches den vorgenannten Forderungen entspricht. zur Lösung dieser Aufgabe wird ein magnetoelastisches Kraftmessgerät vorgeschlagen, welches die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches genannten Merkmale hat. Das magnetoelastische Kraftmessgerät gemäss der Erfindung besteht im wesentlichen aus einem Rotationskörper aus weichmagnetischem Material mit zwei gleichen relativ dünnen, krafterfassenden zylindrischen Teilen, die von in Reihe geschalteten wechselstromgespeisten Magnetisierungswicklungen und gegensinnig in Reihe geschalteten Messwicklungen umgeben sind, welche bei unbelastetem Messgerät den Messspannungswert Null liefern. Zwischen den krafterfassenden Teilen ist ein nach innen gerichteter Flansch vorhanden, der als Anschlag für ein axialkraftaufnehmendes Lager dient. Zwischen den Wicklungen und ausserhalb der Wicklungen hat der Rotationskörper nach aussen gerichtete Flansche, die etwa den gleichen Aussendurchmesser wie die Wicklungen haben. Der Rotationskörper ist von einem aus weichmagnetischem Material bestehenden Rohr umgeben, das an den äusseren Flanschen mittels schubkraftübe agender Fugen befestigt ist und mit dem mittleren Flansch einen kleinen Luftspalt bildet, wodurch eine auf den zentralen Innenflansch wirkende Axialkraft in dem einen krafterfassenden Teil eine den magnetischen Fluss vergrössernden Zugbeanspruchung und in dem anderen krafterfassenden Teil eine den magnetischen Fluss verkleinernde Druckbeanspruchung erzeugt, wenn das Material ein solches mit positiver Magnetostriktion ist. Der Flussunterschied in den beiden krafterfassenden Teilen induziert in den gegeneinander geschalteten Messwicklungen eine resultierende Messspannung, die der Axialkraft proportional ist und die eine von der Kraftrichtung bestimmte Phasenlage hat. Durch phasenempfindliche Gleichrichtung erhält man ein Messsignal, das die zu messende Kraft nach Grösse und Richtung beschreibt. Anhand des in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen Figur 1A und 1B Schnitte längs der Linie B-B in Figur 1B bzw. A-A in Figur 1A ein Axialkraftmessgerät gemäss der Er findung zusammen mit Wellen und Kugellager, einge spannt in einem Gehäuse zum Messern einer Axialkraft, die ihr Vorzeichen wechseln kann, Figur 2 eine Schaltung zur Speisung der Magnetisierungswick lungen und zur Verarbeitung des von den Messwicklun gen gelieferten Signals. Figur 1 zeigt den Rotationskörper 1 aus weichmagnetischem Material mit den beiden dünnen, krafterfassenden Teilen 2 und 3. Um diese sind einerseits die in Reihe geschalteten, wechselstromgespeisten Magnetisierungswicklungen 4 und 5 und andererseits die gegeneinander geschalteten Messwicklungen 6 und 7 gewickelt. Der Rotationskörper hat zwischen den krafterfassenden Teilen einen nach innen grichteten Flansch 8, der als Anschlag für Axialkräfte aufnehmende Lager dient. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf jeder Seite des Flansches 8 ein Lager vorhanden, um Axialkraftmessungen in beiden Richtungen vornehmen zu können. Ferner hat der Rotationskörper einen nach aussen gerichteten Flansch 9, der im wesentlichen den gleichen Aussendurchmesser hat wie die Wicklungen. Ausserhalb der kraftmessende Teile hat der Rotationskörper ausserdem äussere Flansche 10 und 11, deren Aussendurchmesser mindestens genauso gross wie die der Wicklungen sind. Der Rotationskörper ist von einem Rohr 12 aus weichmagnetischem Material umgeben, welches mit dem mittleren Flansch 9 einen Luftspalt bildet und an den äusseren Flanschen 10 und 11 mittels schubkraftübertragender Fugen, zweckmässigerweise durch Schweissen, befestigt ist. Das Rohr 12 dient einerseits als magnetischer Rückschluss für die magnetischen Flüsse durch die krafterfassenden Teile 2 und 3 und andererseits als ein mechanisch tragendes Element, welches die Kraft desjenigen krafterfassenden Teils auf nimmt, welches in dem jeweiligen Messvorgang auf Zug beansprucht wird. Wenn der Rotationskörper aus einem Material mit positiver Magnetostriktion, wie z.B. Eisen bei mässiger Magnetisierung, besteht, so wird die Permeabilität und damit der magnetische Fluss in dem zugbelasteten Teil grösser, während die Permeabilität und damit der Fluss in dem druckbelasteten Teil kleiner wird. Hierdurch wird eine der zu messenden Kraft proportionale Spannung in den gegensinnig in Reihe geschalteten Messwicklungen induziert. Figur 2 zeigt, wie die in Reihe geschalteten Magnetisierungswicklungen 4 und 5 von einer Wechselstromquelle 13 gespeist werden, die zugleich den phasenempfindlichen Gleichrichter 14 speist, der das kraftproportionale Signal von den gegensinnig in Reihe geschalteten Messwicklungen 6 und 7 gleichrichtet. Das gleichgerichtete Messsignal wird von dem Gerät 15 angezeigt. Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschreibt die Erfindung anhand der Anwendung zur Messung des Axialdruckes bei einer rotierenden Welle. Dieselbe Ausführungsform kann auch als Zuglastzelle zum Messen beispielsweise einer Seilspannung verwendet werden. Die gezeigte Ausführungsform kann in unveränderter Ausführung auch zur Druckkraftmessung verwendet werden, wobei die zu messende Kraft auf ein zylindrisches Druckstück zur Einwirkung gebracht wird, welches auf dem kraftaufnehmenden Flansch ruht. Eine andere denkbare Ausführungsform besteht darin, dass man den Flansch durch eine volle Scheibe ersetzt auf welcher die Kraft zur Einwirkung gebracht wird.

Claims: Patentanspruch Magnetoelastisches Kraftmessgerät d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass es einen Rotationskörper (1) aus weichmagnetischem Material enthält, der mit zwei im wesentlichen gleichen, dünnen, krafterfassenden, zylindrischen Teilen (2, 3) versehen ist, die von in Reihe geschalteten, wechselstromgespeisten Magnetisierungswicklungen (4, 5) und gegensinnig in Reihe geschalteten Messwicklungen (6, 7) umgeben sind, dass zwischen den genannten dünnen Teilen ein nach innen gerichteter, kraftaufnehmender Innenflansch oder eine Scheibe (8) und ein nach aussen gerichteter Mittelflansch (9) vorhanden ist, wobei der Mittelflansch (9) im wesentlichen den gleichen Aussendurchmesser wie die Gesamtwicklungen auf der Aussenseite der genannten dünnen Teile hat, dass an den axial aussen gelegenen Seiten nach aussen gerichtete Flansche (10, 11) vorhanden sind, deren Aussendurchmesser mindestens genauso gross wie der der Gesamtwicklungen auf den dünnen Teilen ist, dass der Rotationskörper von einem aus weichmagnetischem Material bestehenden Rohr (12) umgeben ist, welches an den äusseren nach aussen gerichteten Flanschen (10, 11) mittels schubkraftübertragender Fugen befestigt ist und einen kleinen Luftspalt gegen über dem nach aussen gerichteten Mittelflansch begrenzt, und dass die nach aussen gerichteten Flansche (10, 11) zugleich als Auflagefläche für die Reaktionskraft dienen.

Inventors: NORDVALL, JAN O., DIPL.-ING.
Applicants: ASEA AB
Application year: 1984
Main classification: G01L5
IPC codes: G01L1, G01L5