Drehmomentmesseinrichtung für rotierende Wellen
Es sind Einrichtungen bekannt zum elektrischen Messen des Drehmomentes, das in einer rotierenden Welle übertragen wird. Solche Einrichtungen sind hinsichtlich der Messmethode und dem Aufbau stark von dem Grössenbereich des Drehmomentes und zum Teil auch von der Drehzahl abhängig. Die Erfindung hat zum Ziel, eine Messeinrichtung für kleinste Drehmomente im Bereich feinmechanischer Apparate und Instrumente zu schaffen.
Es ist bekannt, zum Zweck der Drehmomentmessung eine elektromagnetische Kupplung zwischen zwei in einer Flucht liegende Wellen einzubauen und Magnetpulver als Übertragungsmittel zwischen den mit den Wellenenden fest verbundenen Kupplungsteilen zu verwenden. Bei der Erregung der Kupplung verlaufen die magnetischen Kraftlinien in der Richtung der Drehachse und das Magnetpulver kuppelt dabei die beiden Wellen durch mechanische Reibung. Bei einer solchen Einrichtung wird die elektrische Leitfähigkeit des Magnetpulvers als Indikationsgrösse für das übertragene Drehmoment benützt und aus einem von dieser Indikationsgrösse abhängigen Strom eine Steuergrösse für einen Regelkreis abgeleitet und einem Verstärker zugeführt, dessen Ausgangsstrom die Erregerspule der Kupplung speist.
Der dabei das Magnetpulver durchfliessende Strom kann als Mass für das Drehmoment gemessen und angezeigt werden.
Er ist aber wegen der im Magnetpulver auftretenden Zentrifugalkraft stark von der Drehzahl abhängig und muss einer Stromquelle mit konstanter Spannung entnommen werden.
Es ist auch bekannt, einen Torsionsstab als Kupplung zwischen den beiden fluchtenden Wellen zu verwenden und dessen Verwindung als Mass für das übertragene Drehmoment lichtelektrisch zu messen. Bei einer solchen bekannten Einrichtung sind die Wellenenden je mit einer Scheibe versehen, welche eincn ringsegmentförmigen Ausschnitt aufweist, wobei bei Verwindung des Torsionsstabes die Ausschnitte beider Scheiben sich überlappen und einen periodischen Durchlass für einen Lichtstrom bilden.
Die daraus entstehenden Lichtimpulse werden mittels einer Photozelle in elektrische Impulse umgesetzt und mittels einer Intearationsschaltung zu einem Gleichstrom integriert, der als Mass für das Drehmoment gemessen und angezeigt wird. Bei einer anderen bekannten Einrichtung mit einem Torsionsstab als Übertragungsglied wird für die Indikation der Verwindung ein permanenter Lichtstrom benützt, dessen Lichtmenge in Abhängigkeit vom Drehmoment ändert. Die diesem Lichtstrom ausgesetzten Photowiederstände liegen in einem Zweig einer Brückenschaltung, deren Diagonalstrom als Mass für das Drehmoment gemessen und angezeigt wird.
Diese bekannten Einrichtungen sind geeignet für die Messung von Drehmomenten im Kleinmaschinenbau, aber weder Einrichtungen mit Magnetpulverkupplungen, noch solche mit einer Torsionsstabkupplung sind für die Messung kleinster Drehmomente, die im Bereich feinmechanischer Apparate und Instrumente auftreten geeignet, da bei stetiger Verminderung des Drehmomentes die Störeinflüsse sich konstanten Werten nähern und dadurch im Verhältnis zur Indikationsgrösse steigen und eine beliebige Verminderung des Messbereiches unmöglich machen.
Diesen bekannten Einrichtungen gegenüber betrifft die Erfindung eine Drehmomentmesseinrichtung für rotierende Wellen, mit einer elektromagnetischen Kupplung, einem photoelektrischen Wandler, dessen elektrisches Signal vom Torsionswinkel abhängig ist und einem Regelkreis, der die Erregung der elektromagnetischen Kupplung in Abhängigkeit vom Torsionswinkelsignal steuert, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die elektromagnetische Kupplung ein Drehmoment durch in einem Luftspalt-Magnetfeld auftretende Feldkräfte überträgt, und dass dem photoelektrischen Wandler ein permanenter, vom Torsionswinkel abhängiger Lichstrom zugeführt wird, wobei optische Mittel angeordnet sind, welche das von einer Lichtquelle ausgestrahlte Licht zu einem mehrere Löcher einer Lochscheibe durchsetzenden Lichtfluss sammeln, dieser Lichtfluss durch weitere Mittel in Abhängigkeit vom Torsionswinkel verändert,
den photoelektrischen Wandler beaufschlagt, wobei dessen Ausgangsstrom zur Erregung der Kupplung benützt wird und im Erregerstromkreis ein Messinstrument liegt, welches den Erregerstrom als Mass für das übertragene Drehmoment anzeigt.
Für Einrichtungen zur Messung kleinster Drehmomente ist es zweckmässig, die elektromagnetische Kupplung mit einem U-Magnet oder einem Topfmagnet zu versehen, wodurch eine relativ flache Drehmoment-Torsionswinkel-Charakteristik erreicht werden kann. Zur Erhöhung des Messbereiches kann die elektromagnetische Luftspalt-Kupplung mit einem Torsionsstab versehen werden, wobei vorteilhafterweise der Torsionsstab zur Änderung des Messbereiches auswechselbar ist. Zur Änderung des Messbereiches kann aber auch die Erregerspule der Kupplung mit Wicklungsanzapfungen oder mit mehreren getrennten Wicklungen für Parallel- oder Serieschaltung versehen sein.
Es kann aber auch vorteilhaft sein, insbesondere bei Verwendung eines die magnetische Luftspaltkupplung überbrückenden Torsionsstabes, die Kupplung so zu gestalten, dass die magnetischen Kraftlinien im Luftspalt tangential zur Rotationsachse verlaufen, wobei dann die den Luftspalt begrenzenden Pole als Anschläge bei Überlastung dienen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Messeinrichtung in schematischer Darstellung für kleinste Drehmomente mit einer elektromagnetischen Kupplung mit einem U-Magnet.
Fig. 2 eine Lochscheibe für die Verwindungsindikation aus Fig. 1,
Fig. 3 eine elektromagnetische Kupplung mit im Luftspalt tangential zur Rotationsachse verlaufenden Kraftlinien und einem Torsionsstab,
Fig. 4 ein Querschnitt durch die Kupplung nach der Linie III-III in Fig. 3,
Fig. 5 ein Seitenriss zu Fig. 3,
Fig. 6 eine Drehmomentmesseinrichtung mit Parabolspiegeln und Reibradantrieb für erhöhte Gleichförmigkeit der Rotation.
Im Ausführungsbeispiel gernäss Fig. 1 sind zwei in Flucht liegende Wellen 11, 12 in Lagern 13, 14 drehbar gelagert. Die beiden Wellen, deren Enden in Abstand voneinander liegen, sind durch eine elektromagnetische Kupplung miteinander gekuppelt. Diese Kupplung hat einen am Ende der Welle 11 sitzenden U-förmigen Permanentmagnet 15 mit zur Rotationsachse parallelen Schenkeln, zwischen welchen sich eine am Ende der andern Welle 12 befestigte Drehspule 16 befindet. Diese hat eine rähmchenförmige Wicklung, deren beide Enden über richtkraftlose Stromzuführungen 17, 18 mit zwei Schleifringen 19, 20 verbunden sind, denen der Erregerstrom mittels Bürsten 21, 22 zugeführt wird. Innerhalb der Drehspule ist ein Eisenkern 23 angeordnet.
Die Drehspule kann sich um einen kleinen Winkel, der durch nicht dargestellte Anschläge begrenzt ist, im Luftspalt zwischen den Magnetschenkeln und dem Kern drehen. Wenn ein Erregerstrom durch die Drehspule fliesst, besteht ein Drehmoment zwischen den beiden Wellen 11, 12, das zur Messung eines durch die Wellen zu übertragenden Drehmomentes benützt werden kann, indem das Luftspalt Magnetfeld das Drehmoment überträgt und der Torsionswinkel gemessen, oder ein von diesem abhängiges Torsionswinkelsignal gebildet wird. Zu diesem Zweck sind zwei gleiche Lochscheiben 24, 25 mit auf einem Kreis liegenden Löchern 26 angeordnet, wobei die Lochscheibe 24 fest auf der Welle 11 und die Lochscheibe 25 fest auf der Welle 12 sitzt.
Von einer Glühlampe 27 ausgestrahltes Licht wird durch eine Linse 28 zu einem parallel strahliaen Lichtfluss 29 gesammelt, welcher dauernd mehrere Löcher 26, in Fig. 1 sind es drei, gleichzeitig durchflutet. Der von den beiden Scheiben durchgelassene Lichtfluss 30 wird von einer Linse 31 auf eine Photozelle 32 gesammelt und von dieser in einen Gleichstrom 33 umgesetzt, der einen Verstärker 34 steuert. Der Ausgangsstrom 35 des Verstärkers wird über die Bürsten 21, 22 und die Schleifringe 19, 20 der Drehspule 16 als Erregerstrom zugeführt. Das elektromagnetische Drehmoment in der Kupplung ist mit dem auf die Wellen 11, 12 wirkenden mechanischen Drehmoment im Gleichgewicht, wenn die Relativlage der beiden Lochscheiben gegeneinander stabil ist. Der Erregerstrom 35 ist dann ein Mass für das Drehmoment.
Er wird mit einem Messinstrument 36 gemessen und kann direkt in Einheiten des Drehmomentes angezeigt werden.
In der in Fig. 1 dargestellten Lage der Lochscheiben decken sich die Löcher und lassen den maximalen Lichtfluss durch, der den maximalen Steuerstrom und den maximalen Erregerstrom zur Folge hat. Wenn sich die beiden Lochscheiben um einen Winkel y, der dem Scheibenwinkel des Lochdurchmessers entspricht, (Fig. 2) gegeneinander verdrehen, so sinkt der Lichtfluss auf den Wert Null, indem kein Licht mehr durchgeht. Dann sinken auch der Steuerstrom, der Erregerstrom und das Kupplungs-Drehmoment auf den Wert Null. Der Arbeitswinkel liegt daher immer innerhalb des Winkels y. Wenn deshalb die Löcher 26 klein gemacht werden, kann eine sehr steile Regelcharakteristik erreicht werden.
Durch Einbauen einer Gegenspannungsquelle 37 in den Erregerstromkreis kann der Drehmoment-Nullpunkt innerhalb des Winkels y gelegt werden, was vorteilhaft oder erforderlich sein kann, wenn das auf die Wellen wirkende Drehmoment von treibend auf bremsend wechseln kann.
Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 sind zwei in einer Flucht liegenden Wellen 40, 41 durch eine elektromagnetische Kupplung verbunden, welche zusätzlich mit einem die Wellenenden verbindenden Torsionsstab 42 überbrückt ist. ¯Die Welle 40 hat an ihrem Ende eine flanschförmige Verdickung 43, von deren Stirnseite vier Pole 44 mit in Axialebenen liegenden Polflächen abstehen. Diesen stehen, je einen Luftspalt bildend, Polflächen eines vierarmigen Ankers 45 gegenüber. Dieser Anker hat in einer Nabe 46 ein Vierkantloch und sitzt damit auf einem Vierkant 47 der Welle 42. Die Nabe 46 bildet mit dem Ende der Welle 40 einen Luftspalt und ist gegen dieses Wellenende mit einem Kugellager 48 abgestützt.
Eine ringförmige Erregerwicklung 49 ist in eine Ringnut in der flanschförmigen Verdickung 43 eingebettet. Ihre Wicklungsenden sind mit zwei Schleifringen 50, 51 verbunden, denen über Bürsten 52, 53 der Erregerstrom zugeführt wird. Der Erregerstrom wird analog in einem Regelkreis gebildet, wie für Fig. 1 beschrieben. In dieser elektromagnetischen Kupplung verlaufen die magnetischen Kraftlinien in den vier Luftspälten an den Ankerarmen tangential zur Rotationsachse.
In dieser Anordnung ist die magnetische Kupplung der beiden Wellen bei gleichstarker elektrischer Erregung wesentlich stärker als im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 und kann durch den Torsionsstab 42 noch verstärkt werden. Dieser Torsionsstab ist lösbar und auswechselbar eingesetzt und sitzt zu diesem Zweck mit einem zylindrischen Zapfen 54 in einer Führungsbohrung in der hohlen Welle 40 und mit einem Vierkant 55 in der Ankernabe 46. Der Torsionsstab ist mittels eines Stiftes 56 wahlweise fixierbar oder durch dessen Entfernen ausschaltbar. Es können auch in der Drehrichtung mehrere Stiftlöcher angeordnet werden, wodurch ermöglicht wird, den Torsionsstab bei verschieden grossen Luftspälten einzusetzen.
Die magnetische Kupplung ist mit einer Haube 57 verschlossen, die fest auf dem Flanschteil 43 sitzt und mit Gleitsitz auf der Ankernabe 46 abgestützt ist. Der von der Haube abgegrenzte Raum kann mit einer Dämpfüngsflüssigkeit gefüllt sein, welche störende Resonanzschwingungen der Magnetpole vermindern kann. In geringem Abstand von der Stirnfläche der Haube sitzt fest auf der Welle 41 eine Lochscheibe 58 mit sektorförmigen Löchern 59. Die Lochscheibe hat eine matte schwarze Oberfläche um kein Licht zu reflektieren. Die Stirnfläche der Haube 57 ist mit den Löchern 59 konformen Reflexflächen 60 auf nicht reflektierendem Grund versehen. Von einer Glühlampe 61 ausgestrahltes Licht wird durch eine Linse 62 zu einem parallelstrahligen, durch eine Blende 63 begrenzten Lichtstrom gesammelt, der mittels eines Spiegels 64 auf ein Feld 65 der Lochscheibe reflektiert wird.
Das durch mehrere Löcher gleichzeitig durchtretende Licht wird von den Reflexflächen durch die Löcher zurück auf eine Photozelle 66 geworfen. Dieser permanente Lichtfluss ist ein Mass für die Verwindung durch das Drehmoment. Um aus einer allfälligen Exzentrizität der Löcher und Reflexflächen resultierende Schwankungen des Lichtflusses zu eliminieren, ist es vorteilhaft, zwei diametral angeordnete Lichtflüsse mit zwei elektrisch parallelgeschalteten Photozellen 66, 67 zu benützen.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 6 ist hinsichtlich der magnetischen Kupplung zwischen den beiden Wellen 70, 71, die in Lagern 72, 73 laufen, ähnlich gebaut wie in Fig. 1. Der Permanentmagnet 74, der fest auf der Welle 70 sitzt, besteht aus hochkoerzitivem Material, das topfförmig gepresst und in einer Axialebene magnetisiert ist. Koaxial in diesem Magnettopf sitzt fest ein zylindrischer Eisenkern 75 mit einem Zapfenlager für die Welle 71. Im Luftspalt ist die Erregerspule 76 angeordnet, die in einem topfförmigen Targkörper 77 eingegossen ist, der fest auf der Welle 71 sitzt. Die Spule 76 ist durch eine Anzapfung in zwei Wicklungen unterteilt und an drei Schleifringe 78, 79, 80 angeschlossen, so dass wahlweise der eine oder andere Wicklungsteil einzeln, oder beide parallel oder in Reihe vom Erregerstrom durchflossen werden können.
Die Schleifringe könnten auch auf der Welle 71 angebracht werden. Es sind nahe beieinander zwei Lochscheiben 81, 82 angeordnet, wobei die Scheibe 81 auf der Stirnseite des Magnettopfes 74 sitzt und im Zentrum ausgeschnitten ist zum Einsetzen des Spulenkörpers 77. Die Scheibe 82 sitzt fest auf der Welle 71.
Es sind zwei Parabolspiegel 84, 85 angeordnet, durch welche die beiden Wellen 70, 71 hindurchgeführt sind.
Der Spiegel 84 reflektiert von einer Glühlampe 86 ausgestrahltes Licht achsparallel auf die ganze Fläche der Lochscheibe 81. Der alle Löcher 83 durchsetzende Lichtfluss wird vom Spiegel 85 auf eine Photozelle 87 reflektiert. Die durchgelassene Lichtmenge ist wieder von der Verwindung abhängig und somit Indikationsgrösse für das Drehmoment. Der von der Photozelle 87 abgegebene Strom steuert wieder über einen Verstärker den der Spule 76 zugeführten Erregerstrom, der als ein elektrisches Mass für das Drehmoment gemessen und angezeigt wird. Da bei dieser Torsionsindikation die ganze Scheibenfläche angestrahlt und alle Löcher 83 vom Licht durchsetzt werden, wird jegliche Exzentrizität und Unsvmmetrie der Lochkreise eliminiert.
Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft für Drehmomentmessungen, während denen Drehbeschleuni vunzTen auftreten, indem periodische Schwankungen des Tndikationsstromes periodische Drehbeschleunigungen bedeuten, wobei solche von einem Getriebe im Antriebspfad einer der Wellen oder von Ungleichförmigkeiten der Belastung herrühren können. Da Messungen oft bei verschiedenen vorbestimmten Drehzahlen durchgeführt werden müssen, oder die Drehzahl zur Ausmessung einer Charakteristik kontinuierlich geändert werden soll, ist es von Bedeutung, über einen Antrieb mit hohem Gleichförmigkeitsgrad zu verfügen. Zu diesem Zweck ist die Einrichtung mit einem Reibradgetriebe versehen.
An der Welle 70 sitzt fest eine Antriebscheibe 88 auf deren Fläche eine von einem nicht dargestellten Synchronmotor angetriebene, längs einem Scheibenradius verstellbare Reibrolle 89 abrollt. Es hat sich gezeigt, dass Zahnradgetriebe ungeeignet sind, wegen der Ungleichförmigkeit jedes einzelnen Zahnrades und solche Ungleichförmigkeit mit der erfindungsgemässen Einrichtung festgestellt werden kann. Ungleichförmigkeitsmessungen können dadurch verbessert werden, dass die eine Welle der Messeinrichtung mit einer Trägheitsmasse versehen wird, die naturgemäss bei Beschleunigungen das Drehmoment erhöht.
Gegenüber den eingangs erwähnten bekannten Einrichtungen können erfindungsgemässe Einrichtungen für die Messung von unbegrenzt kleinen Drehmomenten gebaut werden, z. B. für die Ermittlung der Lagerreibung, Messung von Dämpfungsmomenten, Torsionscharakteristiken von Spiralfedern und dergleichen im Instrumentenbau. Durch stärkere Dimensionierung der elektromagnetischen Kupplung können auch Drehmomentmesser für den Kleinmaschinenbau und den Maschinenbau ohne Schwierigkeiten gebaut werden. Der Bau von Drehmomentmessern ist auch für grosse und grösste Drehmomente nicht beschränkt, da elektromagnetische Luftspalt-Kupplungen für die Übertragung solcher Drehmomente an sich bekannt sind und es eine rein fachmännische Angelegenheit ist, in einer erfindungsgemässen Messeinrichtung den Erzeuger des Erregerstromes mittels des Photozellenstromes oder in Abhängigkeit von diesem zu steuern.
Torque measuring device for rotating shafts
Devices are known for electrically measuring the torque transmitted in a rotating shaft. With regard to the measuring method and the structure, such devices are heavily dependent on the size range of the torque and partly also on the speed. The aim of the invention is to create a measuring device for extremely small torques in the field of fine mechanical apparatus and instruments.
It is known to install an electromagnetic coupling between two aligned shafts for the purpose of torque measurement and to use magnetic powder as a transmission medium between the coupling parts firmly connected to the shaft ends. When the clutch is excited, the magnetic lines of force run in the direction of the axis of rotation and the magnetic powder couples the two shafts by mechanical friction. In such a device, the electrical conductivity of the magnetic powder is used as an indicator for the transmitted torque and a control variable for a control circuit is derived from a current dependent on this indicator and fed to an amplifier whose output current feeds the excitation coil of the clutch.
The current flowing through the magnetic powder can be measured and displayed as a measure of the torque.
However, because of the centrifugal force occurring in the magnetic powder, it is strongly dependent on the speed and must be taken from a power source with constant voltage.
It is also known to use a torsion bar as a coupling between the two aligned shafts and to measure its torsion photoelectrically as a measure of the transmitted torque. In such a known device, the shaft ends are each provided with a disk which has a segment-shaped cutout, with the cutouts of both disks overlapping when the torsion bar is twisted and forming a periodic passage for a luminous flux.
The resulting light impulses are converted into electrical impulses by means of a photo cell and integrated into a direct current by means of an integration circuit, which is measured and displayed as a measure of the torque. In another known device with a torsion bar as the transmission element, a permanent luminous flux is used to indicate the twist, the amount of light changing depending on the torque. The photoresistors exposed to this luminous flux are located in a branch of a bridge circuit, the diagonal current of which is measured and displayed as a measure of the torque.
These known devices are suitable for the measurement of torques in small machine construction, but neither devices with magnetic powder clutches nor those with a torsion bar coupling are suitable for the measurement of the smallest torques that occur in the field of fine mechanical apparatus and instruments, since the disturbance influences arise with constant reduction of the torque approach constant values and thus increase in relation to the indication size and make any reduction in the measuring range impossible.
In relation to these known devices, the invention relates to a torque measuring device for rotating shafts, with an electromagnetic clutch, a photoelectric converter, the electrical signal of which is dependent on the torsion angle and a control circuit which controls the excitation of the electromagnetic clutch as a function of the torsion angle signal, which is characterized in that the electromagnetic clutch transmits a torque through field forces occurring in an air-gap magnetic field, and that the photoelectric converter is supplied with a permanent light current that is dependent on the torsion angle, optical means being arranged which transfer the light emitted by a light source to a plurality of holes in a perforated disc collect penetrating light flux, this light flux is changed by further means depending on the torsion angle,
applied to the photoelectric converter, the output current of which is used to excite the clutch and a measuring instrument is located in the excitation circuit, which displays the excitation current as a measure of the transmitted torque.
For devices for measuring very small torques, it is advisable to equip the electromagnetic coupling with a U-magnet or a pot magnet, whereby a relatively flat torque-torsion angle characteristic can be achieved. In order to increase the measuring range, the electromagnetic air gap coupling can be provided with a torsion bar, with the torsion bar advantageously being exchangeable for changing the measuring range. To change the measuring range, however, the excitation coil of the coupling can also be provided with winding taps or with several separate windings for parallel or series connection.
However, it can also be advantageous, especially when using a torsion bar bridging the magnetic air gap clutch, to design the clutch in such a way that the magnetic lines of force in the air gap are tangential to the axis of rotation, with the poles delimiting the air gap then serving as stops in the event of overload.
Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing. In the drawing shows:
1 shows a measuring device in a schematic representation for the smallest torques with an electromagnetic clutch with a U-magnet.
FIG. 2 shows a perforated disk for the twist indication from FIG. 1,
3 shows an electromagnetic coupling with lines of force running tangentially to the axis of rotation in the air gap and a torsion bar,
Fig. 4 is a cross section through the coupling along the line III-III in Fig. 3,
FIG. 5 is a side elevation of FIG. 3,
6 shows a torque measuring device with parabolic mirrors and friction wheel drive for increased uniformity of rotation.
In the exemplary embodiment according to FIG. 1, two aligned shafts 11, 12 are rotatably mounted in bearings 13, 14. The two shafts, the ends of which are at a distance from one another, are coupled to one another by an electromagnetic coupling. This coupling has a U-shaped permanent magnet 15 seated at the end of the shaft 11 with legs parallel to the axis of rotation, between which there is a moving coil 16 attached to the end of the other shaft 12. This has a frame-shaped winding, the two ends of which are connected to two slip rings 19, 20 via power supply lines 17, 18 without directional force, to which the excitation current is supplied by means of brushes 21, 22. An iron core 23 is arranged within the moving coil.
The rotating coil can rotate through a small angle, which is limited by stops, not shown, in the air gap between the magnet legs and the core. When an excitation current flows through the moving coil, there is a torque between the two shafts 11, 12, which can be used to measure a torque to be transmitted through the shafts, in that the air gap magnetic field transmits the torque and the torsion angle is measured, or a torque dependent on it Torsion angle signal is formed. For this purpose, two identical perforated disks 24, 25 with holes 26 lying on a circle are arranged, the perforated disk 24 firmly seated on the shaft 11 and the perforated disk 25 firmly seated on the shaft 12.
Light emitted by an incandescent lamp 27 is collected by a lens 28 to form a parallel beam light flux 29, which continuously floods several holes 26, in FIG. 1 there are three, simultaneously. The light flux 30 transmitted by the two panes is collected by a lens 31 on a photocell 32 and converted by this into a direct current 33 which controls an amplifier 34. The output current 35 of the amplifier is fed via the brushes 21, 22 and the slip rings 19, 20 of the moving coil 16 as an excitation current. The electromagnetic torque in the clutch is in equilibrium with the mechanical torque acting on the shafts 11, 12 when the relative position of the two perforated disks is stable with respect to one another. The excitation current 35 is then a measure of the torque.
It is measured with a measuring instrument 36 and can be displayed directly in units of the torque.
In the position of the perforated disks shown in FIG. 1, the holes overlap and allow the maximum light flux through, which results in the maximum control current and the maximum excitation current. If the two perforated disks rotate relative to one another by an angle y, which corresponds to the disk angle of the hole diameter (FIG. 2), the light flux drops to the value zero because no more light passes through. Then the control current, the excitation current and the clutch torque also drop to zero. The working angle is therefore always within the angle y. Therefore, if the holes 26 are made small, a very steep control characteristic can be obtained.
By installing a counter voltage source 37 in the excitation circuit, the torque zero point can be placed within the angle y, which can be advantageous or necessary if the torque acting on the shafts can change from driving to braking.
In the exemplary embodiment according to FIG. 3, two aligned shafts 40, 41 are connected by an electromagnetic coupling which is additionally bridged with a torsion bar 42 connecting the shaft ends. At its end, the shaft 40 has a flange-shaped thickening 43, from the end face of which four poles 44 protrude with pole faces lying in axial planes. Opposite these are pole faces of a four-armed armature 45, each forming an air gap. This armature has a square hole in a hub 46 and thus sits on a square 47 of the shaft 42. The hub 46 forms an air gap with the end of the shaft 40 and is supported against this shaft end with a ball bearing 48.
An annular excitation winding 49 is embedded in an annular groove in the flange-shaped thickening 43. Their winding ends are connected to two slip rings 50, 51, to which the excitation current is supplied via brushes 52, 53. The excitation current is generated analogously in a control loop, as described for FIG. 1. In this electromagnetic clutch, the magnetic lines of force in the four air gaps on the armature arms run tangential to the axis of rotation.
In this arrangement, the magnetic coupling of the two shafts is significantly stronger than in the exemplary embodiment according to FIG. 1 when the electrical excitation is equally strong and can be reinforced by the torsion bar 42. This torsion bar is detachably and interchangeably inserted and for this purpose sits with a cylindrical pin 54 in a guide bore in the hollow shaft 40 and with a square 55 in the armature hub 46. The torsion bar can either be fixed by means of a pin 56 or switched off by removing it. Several pin holes can also be arranged in the direction of rotation, which makes it possible to use the torsion bar with air gaps of different sizes.
The magnetic coupling is closed with a hood 57 which sits firmly on the flange part 43 and is supported with a sliding fit on the armature hub 46. The space delimited by the hood can be filled with a damping fluid which can reduce disruptive resonance oscillations of the magnetic poles. A perforated disk 58 with sector-shaped holes 59 is firmly seated on the shaft 41 at a small distance from the end face of the hood. The perforated disk has a matt black surface so as not to reflect light. The end face of the hood 57 is provided with reflective surfaces 60 conforming to the holes 59 on a non-reflective base. Light emitted by an incandescent lamp 61 is collected by a lens 62 to form a light flux with parallel rays, limited by a diaphragm 63, which is reflected by means of a mirror 64 onto a field 65 of the perforated disk.
The light passing through several holes at the same time is reflected by the reflective surfaces through the holes back onto a photocell 66. This permanent flow of light is a measure of the twist caused by the torque. In order to eliminate fluctuations in the light flux resulting from any eccentricity of the holes and reflective surfaces, it is advantageous to use two diametrically arranged light fluxes with two photocells 66, 67 electrically connected in parallel.
The embodiment according to FIG. 6 is constructed similarly to FIG. 1 with regard to the magnetic coupling between the two shafts 70, 71, which run in bearings 72, 73. The permanent magnet 74, which sits firmly on the shaft 70, is made of highly coercive material Material that is pressed into a cup shape and magnetized in an axial plane. A cylindrical iron core 75 with a journal bearing for the shaft 71 is firmly seated coaxially in this magnet pot. The excitation coil 76, which is cast in a pot-shaped target body 77 which is firmly seated on the shaft 71, is arranged in the air gap. The coil 76 is divided into two windings by a tap and connected to three slip rings 78, 79, 80 so that the excitation current can flow through either one or the other winding part individually or both in parallel or in series.
The slip rings could also be mounted on shaft 71. Two perforated disks 81, 82 are arranged close to one another, the disk 81 sitting on the end face of the magnetic pot 74 and being cut out in the center for the insertion of the coil former 77. The disk 82 is firmly seated on the shaft 71.
Two parabolic mirrors 84, 85 are arranged through which the two shafts 70, 71 are passed.
The mirror 84 reflects light emitted by an incandescent lamp 86 axially parallel to the entire surface of the perforated disk 81. The light flux passing through all the holes 83 is reflected by the mirror 85 onto a photocell 87. The amount of light let through is again dependent on the torsion and is therefore an indication of the torque. The current emitted by the photocell 87 controls again via an amplifier the excitation current supplied to the coil 76, which is measured and displayed as an electrical measure for the torque. Since the entire disk surface is illuminated with this indication of torsion and all holes 83 are penetrated by light, any eccentricity and asymmetry of the hole circles is eliminated.
This embodiment is particularly advantageous for torque measurements during which rotational accelerations occur, in that periodic fluctuations in the indication current mean periodic rotational accelerations, which can result from a gear in the drive path of one of the shafts or from irregularities in the load. Since measurements often have to be carried out at different predetermined speeds, or the speed is to be changed continuously to measure a characteristic, it is important to have a drive with a high degree of uniformity. For this purpose, the device is provided with a friction gear.
A drive pulley 88 is firmly seated on the shaft 70, on the surface of which a friction roller 89 which is driven by a synchronous motor (not shown) and adjustable along a pulley radius rolls. It has been shown that gear drives are unsuitable because of the non-uniformity of each individual gear and such non-uniformity can be determined with the device according to the invention. Nonuniformity measurements can be improved by providing one shaft of the measuring device with an inertial mass which naturally increases the torque during acceleration.
Compared to the known devices mentioned above, devices according to the invention can be built for the measurement of infinitely small torques, for. B. for the determination of the bearing friction, measurement of damping torques, torsional characteristics of coil springs and the like in instrument construction. Due to the larger dimensioning of the electromagnetic clutch, torque meters for small machine construction and mechanical engineering can also be built without difficulty. The construction of torque meters is also not restricted for large and large torques, since electromagnetic air-gap clutches are known per se for the transmission of such torques and it is a purely professional matter to generate the excitation current in a measuring device according to the invention by means of the photocell current or as a function to steer from this.