AT504137B1 - Einrichtung zur messung - Google Patents

Description

2 AT 504 137 B1

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von Momenten-, insbesondere Drehmomenten- und/oder Drehzahl- und/oder Drehwinkelinformationen eines Prüflings oder einer Arbeitsmaschine, mit einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Prüfmaschine oder einer Regelmaschine, wobei der Prüfling mit der elektrischen Maschine über eine Welle, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung mindestens eines Kupplungselementes, verbunden ist.

Es ist an sich lange bekannt, zur Belastungsprüfung von Arbeitsmaschinen oder Prüflingen elektrische Maschinen, vorwiegend Gleichstrom-Pendelmaschinen, zu verwenden. Die elektrische Maschine hat gegenüber den mechanischen Belastungseinrichtungen den Vorteil der Energierückgewinnung.

Die Pendelmaschine ist in der Regel eine fremderregte Gleichstrommaschine, die über eine Kupplung mit der zu prüfenden Maschine verbunden ist. Ihr Gehäuse ist durch zwei zusätzliche Stehlager frei beweglich aufgehängt, so dass über einen Hebelarm das Reaktionsmoment mit einer Federwaage oder einem Druckaufnehmer gemessen werden kann.

Darüber hinaus sind auch Asynchronmaschinen als Pendelmaschinen bekannt.

Die Verwendung von Pendelmaschinen zur Drehzahlmessung ist beispielsweise aus der AT 200 363 B1 bekannt.

Nachteilig bei dieser Prüfmethode ist der enorme Aufwand für die Pendelmaschine sowie für den Drehmomentmessflansch mit seinen Dehnmessstreifen.

Ferner sind verschiedene berührungslose Sensorlösungen zur Erfassung von Drehmoment, Position und Kraft bekannt. So ist in der WO 2005/064 281 A1 ein Positions-Sensor mit einem Magnetcode am Objekt und einem Detektor sowie ein Positionsanzeigegerät beschrieben. Ferner werden die Einbringung des magnetisierten Codes und die Auswertung der Kurvenformen aufgezeigt.

Ein weiterer Drehmomentsensor ist aus der WO 2005/064 301 A1 bekannt. Es wird auch die Form der Einbringung der Strom-Pulse sowohl auf longitudinalen Achsen, wie auch umlaufend um einen Kern, aufgezeigt. Der Sensor ist beispielsweise eine Welle. Der Strom-Bereich zur Magnetisierung und die Dauer der Impulse sowie Variationen der Impulse werden erläutert. Die Methode des Magnetisierens wird detailliert beschrieben, wobei dies in mehreren Schritten erfolgen kann.

Aus der WO 2005/064 302 A2 sind Methoden und Apparate zur Magnetisierung und Kalibrierung von Sensoren sowie das Zubehör bekannt.

Eine Einrichtung und Methoden zur Erkennung von Sensorereignissen ist aus der WO 2005/064 303 A1 bekannt. Dabei werden Differenzdetektoren zur Erkennung magnetischer Bereiche beschrieben, die longitudinal wie umlaufend in unterschiedlicher Tiefe verlaufen.

Aus der WO 2005/064 623 A2 ist weiters eine Methode und eine Vorrichtung zur Abgleichung der Magnetisierung magnetisierter Objekte bekannt. Dabei wird vorgeschlagen, magnetisierte Bereiche auf einem Objekt mit einer oder mehreren Entmagnetisierspulen zu umgeben.

Ferner ist aus der DE 103 06 594 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Drehmomentes in hydraulischen Antriebseinheiten bekannt. Eine magnetische Drehmomentmessung wird auch in der WO 01/96826 A2 aufgezeigt. Schließlich ist aus der EP 1 375 945 A1 eine Drehmomenterfassungsanordnung bzw. eine Verschleißerfassungsanordnung für eine Reibungskupplung bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen mit der 3 AT 504 137 B1 eine hochdynamische Messung der Daten möglich ist und die von Seiten der Messgenauigkeit den heutigen Anforderungen der Grenzdaten entspricht.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Welle der elektrischen Maschine nahe mindestens einem ihrer Lager einen codiert-magnetisierten Messbereich als Aktuator aufweist, der ein aufmagnetisiertes Magnetfeld ist, dass im Bereich dieses Messbereiches mindestens ein Sensor, vorzugsweise mindestens zwei Sensoren, der bzw. die die magnetischen Informationen des Magnetfeldes erfassen, vorgesehen ist bzw. sind und dass der bzw. die Sensoren elektrisch oder optisch, vorzugsweise seriell, mit einer Aufbereitungs- und Verarbeitungselektronik verbunden ist bzw. sind. Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, die Messungen von Momenten-, insbesondere Drehmomenten- und/oder Drehzahl- und/oder Drehwinkelinformationen eines Prüflings bzw. einer Arbeitsmaschine wirtschaftlich, nämlich vorzugsweise mit einem Prüfaufbau, durchzuführen, wobei die mechanischen Werte der Welle in keinerlei Hinsicht beeinflusst werden.

Als elektrische Maschine kann praktisch die komplette Palette verwendet werden. Vorzugsweise können permanent erregte Synchronmaschinen Verwendung finden. Jedoch ist die Verwendung einer Asynchronmaschine genauso denkbar, wie auch Gleichstrommaschinen.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ist also der gravierende Vorteil gegeben, dass eine hohe Wirtschaftlichkeit erreicht wird. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass durch die Ölfreiheit der erfindungsgemäßen Einrichtung keine Ölverschmutzung der Umwelt gegeben ist, das insbesondere bei Lackierstrassen in der Autoindustrie von immenser Bedeutung ist.

Ebenso ist in der hochdynamischen Messmöglichkeit ein großer Vorteil zu sehen, da schnellste Änderungen der Drehzahl bzw. des Drehmomentes erfasst werden können.

Nach einem Merkmal der Erfindung ist der codiert-magnetisierte Messbereich außerhalb oder innerhalb des Lagers der Welle vorgesehen. Bei einer Anordnung des Messbereiches außerhalb des Lagers ist der Vorteil gegeben, dass jederzeit - ohne Eingriffe in der Maschine vorzunehmen - die Sensoren getauscht werden können. Eine Anordnung des Messbereiches innerhalb des Lagers kann konstruktive Vorteile bringen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der codiert-magnetisierte Messbereich vor oder nach dem abtriebsseitigen Lager vorgesehen. Der Vorteil liegt darin, dass in diesem Bereich unverfälschte Drehmoment- und Drehzahlwerte vorliegen und somit gemessen werden können.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung beträgt der codiert-magnetisierte Messbereich der Welle eine Schichtdicke von etwa 1%, vorzugsweise 10%, des Wellendurchmessers der Welle. Dadurch ist sicher gestellt, dass ein entsprechend starkes Magnetfeld für die Messung generiert ist.

Nach einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung erfolgt die magnetische Kodierung des Messbereiches vor dem Einbau der Welle. Dadurch ist gewährleistet, dass die Einbringung bzw. die Aufbringung des Magnetfeldes wesentlich vereinfacht ist. Natürlich muss sichergestellt werden, dass die weiteren Produktionsschritte während des Zusammenbaues der elektrischen Maschine, ohne Qualitätsverlust für die endgültigen Messungen, durchgeführt werden.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Länge des codiert-magnetisierten Messbereiches unabhängig vom Wellendurchmesser der Welle. Entsprechend dieser Dimensionierungsformel kann - unabhängig vom Wellendurchmesser - immer die gleiche Sensorik Verwendung finden. 4 AT 504 137 B1

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor als Spulenanordnung ausgebildet und erfasst die Induktivität der Welle bzw. des Wellenbereichs. Derartige Spulenanordnungen liefern ein hochgenaues Ergebnis bei geringstem Platzbedarf. Beispielsweise weisen derartige Spulenanordnungen einen Durchmesser von 3,5 mm bei einer Länge von 12 mm auf. Bei einer bevorzugten Ausführung werden zwei Spulenanordnungen gegeneinander geschaltet, da als Messverfahren ein Kompensationsverfahren Anwendung findet.

Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung ist bzw. sind der bzw. die Sensoren außerhalb oder innerhalb, am Gehäuse und/oder am Lagerschild des Lagers der elektrischen Maschine angeordnet. Wie bereits erwähnt, ist eine rationelle Tauschbarkeit der Sensoren dadurch gegeben.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfasst bzw. erfassen der bzw. die Sensoren nur die Magnetfeldeinflüsse des codiert-magnetisierten Messbereiches, wobei Fremdeinflüsse, wie beispielsweise das Erdmagnetfeld, nicht erfasst werden. Dadurch werden Fremdeinflüsse vermieden, die das hochgenaue Messergebnis beeinflussen könnten. In diesem Zusammenhang darf erwähnt werden, dass sogar das Erdmagnetfeld bei der Messung berücksichtigt werden muss.

Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung sind über den codiert-magnetisierten Messbereich der Welle und dem bzw. den Sensoren Änderungen des codiert-magnetisierten Messbereiches messbar bzw. erfassbar, wobei diese Änderungen durch Gefügeveränderungen der Welle, insbesondere durch Risse an der Oberfläche, hervorgerufen werden. Durch diese Ausgestaltung ist der Vorteil gegeben, dass der Zustand der Welle kontrolliert werden kann. Etwaige Haarrisse könnten das Messergebnis negativ beeinflussen bzw. es verfälschen.

Nach einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung ist die elektrische Maschine als Regelmaschine ausgebildet und die Arbeitsmaschine beispielsweise ein Tunnelbohrantrieb, ein Extruder oder ein Kranlaufwerk. Natürlich könnte die Arbeitsmaschine auch eine Spritzgussoder Kalandermaschine sein. Durch die Ausführung der elektrischen Maschine als Regelmaschine ist ein Drehzahl/Drehmoment geregelter Antrieb gegeben, der hochdynamisch und hochgenau arbeitet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Maschine als Regelmaschine ausgebildet und der Prüfling beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine, ein Getriebe, eine Turbine oder eine elektrische Maschine. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt vor allem darin, dass der Wirkungsgrad oder die Verluste genau ermittelt werden können.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, an Hand dessen die Erfindung näher erläutert wird.

Die Fig. 1 zeigt eine elektrische Maschine mit einem codiert-magnetisierten Messbereich der Welle und die Anordnung der Sensoren,

Fig. 2 den Magnetisierungsverlauf des Messbereiches im Ausgangszustand und Fig. 3 den Magnetisierungsverlauf mit extern aufgebrachtem Drehmoment.

Entsprechend der Fig. 1 ist eine elektrische Maschine 1 mit ihrem freien Wellenende 2 dargestellt. Das Wellenende 2 der Welle 3 ist mit Lagern 4 im Gehäuse 5 bzw. im Lagerschild gelagert. Die elektrische Maschine 1 dient als Prüfmaschine, wobei der - nicht dargestellte - Prüfling bzw. die Arbeitsmaschine mit der elektrischen Maschine 1 über die Welle 3, unter Zwischenschaltung mindestens eines Kupplungselementes 6, wie beispielsweise eines Flansches, verbunden ist. Zur Messung von Momenten-, insbesondere Drehmomenten- und/oder Drehzahl-und/oder Drehwinkelinformationen eines Prüflings oder einer Arbeitsmaschine, wird der Prüfling bzw. die Arbeitsmaschine an das Kupplungselement 6 angeflanscht. 5 AT 504 137 B1

Die Welle 3 der elektrischen Maschine 1 weist nahe mindestens einem bzw. vor einem abtriebsseitigen Lagerbereich der Lager 4 einen codiert-magnetisierten Messbereich 7 als Aktuator auf. Insbesondere ist der codiert-magnetisierte Messbereich 7 außerhalb der Lager 4 vorgesehen. Der codiert-magnetisierte Messbereich 7 ist ein nach festgelegten Parametern aufmagnetisiertes Magnetfeld. Die Aufbringung bzw. Einbringung des Magnetfeldes erfolgt entsprechend den einleitend im Stand der Technik aufgezeigten Verfahren. Die magnetische Kodierung des Messbereiches 7 erfolgt vor dem Einbau der Welle 3 in die elektrische Maschine 1.

Der codiert-magnetisierte Messbereich 7 der Welle 3 wird entsprechend dem Wellendurchmesser festgelegt, wobei insbesondere die Schichtdicke in der Welle (3) mindestens 1%, vorzugsweise 10%, des Wellendurchmessers beträgt. Ferner wird insbesondere auch die Länge des codiert-magnetisierten Messbereiches 7 entsprechend dem Wellendurchmesser festgelegt.

Im Bereich dieses Messbereiches 7 ist mindestens ein Sensor 8, vorzugsweise mindestens zwei Sensoren, die die magnetischen Informationen des Magnetfeldes erfassen, vorgesehen. Die Sensoren 8 sind vorzugsweise als Spulenanordnung ausgebildet und werten die magnetfeldabhängige Induktivität aus. Ferner ist bzw. sind der bzw. die Sensoren 8 mit einer Aufberei-tungs- und Verarbeitungselektronik 9 verbunden.

Der codiert-magnetisierte Messbereich 7 der Welle 3 und die Sensoren 8 sind in einem von anderen Magnetfeldeinflüssen freien Bereich vorgesehen. Es ist natürlich selbstverständlich, dass im Sinne der Technik damit ein äußerst magnetfeldschwacher Bereich gemeint ist.

Mit dieser Einrichtung ist eine hochdynamische und vor allem hochgenaue Messmöglichkeit für die Messung von Momenten-, insbesondere Drehmomenten- und/oder Drehzahl- und/oder Drehwinkelinformationen eines Prüflings oder einer Arbeitsmaschine gegeben.

Ein gravierender Vorteil dieser Einrichtung ist auch darin zu sehen, dass über den codiert-magnetisierten Messbereich 7 der Welle 3 und den Sensoren 8 Gefügeveränderungen der Welle 3, insbesondere Risse an der Oberfläche, messbar bzw. erfassbar sind. Eine stete Kontrolle ist dadurch gewährleistet.

Eine weitere Anwendung ist dann gegeben, wenn die elektrische Maschine 1 als Regelmaschine ausgebildet ist und die Arbeitsmaschine beispielsweise ein Tunnelbohrantrieb, ein Extruder oder ein Kranlaufwerk ist. Mit dieser Ausführung der elektrischen Maschine 1 als Regelmaschine ist ein Drehzahl/Drehmoment geregelter Antrieb gegeben, der hochdynamisch und hochgenau arbeitet.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind gegeben, wenn die elektrische Maschine als Regelmaschine ausgebildet ist und der Prüfling beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine, ein Getriebe, eine Turbine oder eine elektrische Maschine ist.

Nachstehend wird kurz das Verfahren zur Messung von Momenten-, insbesondere Drehmomenten- und/oder Drehzahl- und/oder Drehwinkelinformationen eines Prüflings oder einer Arbeitsmaschine aufgezeigt.

Die Voraussetzung für das Funktionieren dieser Methode ist ein ferromagnetischer Werkstoff für die Maschinenwelle. Diese Werkstoffe haben die Eigenschaft, dass nach Anlegen eines äußeren Magnetfeldes eine Magnetisierung des Werkstoffes, die sogenannte Remanenz, aufrecht bleibt.

Die ferromagnetische Welle 3 wird in einem Bereich, dem Messbereich 7, magnetisch codiert, indem dort ein axialer Stromimpuls, welcher ein radial verlaufendes Magnetfeld zur Folge hat, eingeleitet wird. Nach Ende des Stromimpulses bleibt somit eine radiale Magnetisierung aufrecht, welche sich im Inneren der Welle 3 schließt.

Claims (12)

1. 6 AT 504 137 B1 Der zeitlich veränderliche axiale Stromimpuls ist aufgrund von Wirbelstromeffekten nicht gleichmäßig über den Querschnitt verteilt, vielmehr fließt er im Wesentlichen nur von der Oberfläche ausgehend bis zu einer gewissen Eindringtiefe. Ein zweiter Stromimpuls in gegensätzlicher Richtung zum ersten und mit einem unterschiedlichen zeitlichen Verlauf hat somit auch eine unterschiedliche Eindringtiefe. Die Magnetisierung, zufolge dieses Impulses, weist also in die entgegengesetzte Richtung und liegt auch in einem anderen radialen Abstand von der Wellenmitte, als die Remanenz des ersten Stromimpulses. Mit dieser Vorgehensweise lassen sich zwei entgegengesetzt magnetisierte Bereiche in unterschiedlicher Tiefe in der Welle einstellen, was einer Konstellation entspricht, welche üblicherweise für einen guten Messeffekt eingesetzt wird. Zur Drehmomentmessung wird der Effekt der inversen Magnetostriktion ausgenützt. Zufolge eines Drehmoments kommt es im Wellenmaterial zu einer Torsionsspannung. Die Atome des ferromagnetischen Werkstoffes sind kleine Elementarmagnete und fest im Kristallgitter verankert. Zufolge der Torsionsspannung, welche auf das Kristallgitter einwirkt, werden die Elementarmagnete neu ausgerichtet, so dass die ursprüngliche, rein radiale Magnetisierung nun eine axiale Komponente erfährt. Die Feldlinien dieser axialen Magnetisierung treten aus dem magnetisch codierten Abschnitt der Welle aus und schließen sich sowohl durch das Welleninnere, als auch über Luft. In Fig. 2 ist dieses Prinzip anhand einer Welle 3 angedeutet, die nur einen Magnetisierungsbereich, den Messbereich 7, hat, was für die grundlegende Funktion ausreichend ist. Es ist der Ausgangszustand dargestellt. Die Magnetisierung - angedeutet mit den Pfeilen 10 - und der resultierende magnetische Fluss sind rein radial und schließen sich konzentrisch im Welleninneren. Fig. 3 zeigt die Welle 3, welche ein Drehmoment überträgt. Nach wie vor die größere Magnetisierungskomponente bleibt natürlich die radial gerichtete. Das hinzukommende axiale Feld - angedeutet mit den Pfeilen 11 - verläuft nun zum Teil über das Welleninnere, wo der Werkstoff nicht magnetisch codiert ist, aber auch teilweise über Luft. Das äußere, axiale Magnetfeld kann von den nahe der Wellenoberfläche angebrachten Sensoren 8 erfasst werden. Bei diesen Sensoren 8 handelt es sich um Spulen mit einem dünnen ferromagnetischen Kern, welche durch das Magnetfeld der Welle 3 ihre elektromagnetischen Eigenschaften ändern. Eine Auswerteelektronik bzw. eine Aufbereitungs- und Verarbeitungselektronik 9 detektiert dieses Verhalten, womit auf das Drehmoment rück geschlossen werden kann. Patentansprüche: 1. Einrichtung zur Messung von Momenten-, insbesondere Drehmomenten- und/oder Drehzahl- und/oder Drehwinkelinformationen eines Prüflings oder einer Arbeitsmaschine, mit einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Prüfmaschine oder einer Regelmaschine, wobei der Prüfling bzw. die Arbeitsmaschine mit der elektrischen Maschine über eine Welle, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung mindestens eines Kupplungselementes, verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) der elektrischen Maschine (1) nahe mindestens einem ihrer Lager (4) einen codiert-magnetisierten Messbereich (7) als Aktuator aufweist, der ein aufmagnetisiertes Magnetfeld ist, dass im Bereich dieses Messbereiches (7) mindestens ein Sensor (8), vorzugsweise mindestens zwei Sensoren, der bzw. die die magnetischen Informationen des Magnetfeldes erfassen, vorgesehen ist bzw. sind und dass der bzw. die Sensoren (8) elektrisch oder optisch, vorzugsweise seriell, mit einer Aufbereitungs- und Verarbeitungselektronik (9) verbunden ist bzw. sind.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der codiert-magnetisierte 7 AT504137 B1 Messbereich (7) außerhalb oder innerhalb des Lagers (4) der Welle (3) vorgesehen ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der codiertmagnetisierte Messbereich (7) vor oder nach dem abtriebsseitigen Lager (4) vorgesehen ist.
4. 4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der codiert-magnetisierte Messbereich (7) der Welle (3) eine Schichtdicke von etwa 1%, vorzugsweise 10%, des Wellendurchmessers der Welle (3) beträgt.
5. 5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Kodierung des Messbereiches (7) vor dem Einbau der Welle (3) erfolgt.
6. 6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des codiert-magnetisierten Messbereiches (7) unabhängig vom Wellendurchmesser der Welle (3) ist.
7. 7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (8) als Spulenanordnung ausgebildet ist und die Induktivität der Welle (3) bzw. des Wellenbereichs erfasst.
8. 8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Sensoren (8) außerhalb oder innerhalb, am Gehäuse (5) und/oder am Lagerschild des Lagers (4) der elektrischen Maschine (1) angeordnet ist bzw. sind.
9. 9. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Sensoren (8) nur die Magnetfeldeinflüsse des codiert-magnetisierten Messbereiches (7) erfasst bzw. erfassen, wobei Fremdeinflüsse, wie beispielsweise das Erdmagnetfeld, nicht erfasst werden.
10. 10. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass über den codiert-magnetisierten Messbereich (7) der Welle (3) und dem bzw. den Sensoren (8) Änderungen des codiert-magnetisierten Messbereiches (7) messbar bzw. erfassbar sind, wobei diese Änderungen durch Gefügeveränderungen der Welle (3), insbesondere durch Risse an der Oberfläche, hervorgerufen werden.
11. 11. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1) als Regelmaschine ausgebildet ist und die Arbeitsmaschine beispielsweise ein Tunnelbohrantrieb, ein Extruder oder ein Kranlaufwerk ist.
12. 12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1) als Regelmaschine ausgebildet ist und der Prüfling oder die Arbeitsmaschine beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine, ein Getriebe, eine Turbine oder eine elektrische Maschine ist. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen