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Magnetostriktiver Torsionsfühler Die Erfindung betrifft einen magnetostriktiven
Torsionsfühler, welcher aus einer geraden Anzahl von fest miteinander verbundenen
Torsionskörpern be steht, die mit Erregungs-, Polarisations- und Aufnahmewicklungen
versehen sind. Bisher bekannte Fühler dieser Art, welche auf dem magnetostriktiven
Tofsionsprinzip beruhen (sogenannter Wiedemann-Effekt), besitzen ein bloß mit einer
Erregungs- und einer Aufuahmewicklung, fallweise mit einer Polarisationswicklung
versehenes Torsionsrohr. Obwohl im Vergleich mit auf dem Kapazitäts-, Induktions-
oder Widhrstandsprinzip gegründeten Fiihlern die Ausgangsleistung bei diesen Fühlern
verhältnismäßig hoch ist (proportional dem Drehmoment), genügt diese Ausgangsleistung
nicht zur Steuerung kleiner Servomotoren. Es ist meistens notwendig Verstärker zu
benutzen, was allerdings beträchtliche Komplikationen mit sich bringt.
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Die erwähnten Nachteile werden durch den erfindungsmäßigen magnetostriktiven
Torsions fühler beseitigt. Sein Wesen beruht darin, daß alle Torsionskörper noch
mit torroidalen Rückkopplungswicklungen versehen sind. Diese Rückkopplungswicklungen
sind in der Diagonale einer Brücke eingeschaltet, in deren Zweige in bekannter Weise
Aufnahme-und Polarisationswicklungen eingeschaltet sind. Der Kreis der Erregungswicklungen
ist dabei symmetrisch angeordnet, und in seiner Diagonale ist die eigentliche Belastung
angeschlossen. Durch die Anordnung wird erzielt, daß die Ausgangsspannung des Fühlers,
welche an den Klemmen der Aufnahmespulen erscheint, in eine besondere Rückkopplungswicklung
gebracht wird, welche in der Form eines Torroides einen Teil des Torsionskörpers
umgibt.
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Durch den Durchfluß des Stromes durch die Rückkopplungswicklung ändern
sich jedoch die induktiven Widerstände in den zwei selbständigen Zweigen der torroidalen
Erregungswicklung, wodurch natürlich das Gleichgewicht in den Erregungskreis, aus
welchem die Erregungswicklungen gespeist werden, gestört wird. Durch diese Gleichgewichtsänderung
wird -im mittleren Zweige des Erregungskreises - ein Strom hervorgerufen, der sowohl
dem Strom in der Steuerwicklung als auch der Spannung an den Klemmen der Aufnahmespulen
proportional ist. Dieser Strom ist bereits beträchtlich, so daß in manchen Fällen
schon eine für den Antrieb von Servokleinmotoren und ihnen ähnlichen Einrichtungen
genügende Leistung hervorgerufen wird.
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In den Zeichnungen sind eine beispielsweise Ausführung der Erfindung
sowie eine Modifikation, ferner alle wesentlichen Bestandteile, der Vorgang beim
Aufwickeln der einzelnen Wicklungen auf die Torsionskörper und schließlich ein allgemeines
Schaltbild veranschaulicht. In den Zeichnungen bedeutet: Fig. 1 einen Längsachsenschnitt
durch den Fühler in einer Anordnung, bei welcher die Torsionskraft T an einem Ende
des Fühlers zur Einwirkung gebracht wird.
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Fig. 2 gleichfalls einen Längsschnitt durch den Fühler, jedoch in
einer Anordnung, bei welcher die Torsionskraft T in der Mitte des Fühlers wirkt,
dessen beide Enden festgehalten sind.
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Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie III-III aus Fig. 2, welcher
den Arm zur Ubertragung der Torsionskraft 7 zeigt, Fig. 4 den eigentlichen einzelnen
Torsionskörper - die obere Hälfte im Längsschnitt, die untere Hälfte in Ansicht,
Fig. 5 einen Querschnitt nach der LinieV-V aus Fig. 4, Fig. 6 eine Seitenansicht
in der Richtung VI, wie in Fig. 4 gezeichnet.
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Die weiteren Abbildungen zeigen die einzelnen Aufwicklungsphasen,
zuerst des einzelnen Torsionskörpers, später das Aufwickeln zweier verbundener Körper.
Es zeigt Fig. 7 das Aufwickeln der eigentlichen Aufnahmewicklung, wie sie auf jeden
Körper gewickelt wird; Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht in Richtung VIII laut Fig.
7; Fig. 9 zeigt das Aufwickeln zweier separater Polansafions- und Erregungs-Torroidspulen,
von denen jede aus zwei Wicklungen besteht, wie
Fig. 10 in Seitenansicht
in- Richtung gemäß ig. 9 zeigt; Fig. 11 veranschaulicht, wie nach erfolgtem Aufwickeln
zweier Torsionskörper die beiden Körper mit ren Stirnwänden verbunden und dann mit
zwei weiihren Torroidwicklungen - mit einer Magnetisiernd einer Rückkopplungswiclchmg
umwickelt werden. ede von ihnen besteht aus zwei Wicklungen, wie in Fig. 12 in Seitenansicht
in der in Fig. 11 anedeuteten Richtung XIT dargestellt ist; Fig. 13 ist ein Schaltbild
der ganzen Schaltung mit benutzung des Servomotors -für die Umstellung des mittleren
Kontaktes des Potentiometers. Zu dieser figur sei bemerkt, daß an allen Wicklungen
des kühlers die Anfänge mit leeren Kreisen, die Enden er Wicklungen mit schwarzen
I(reisen bezeichnet ind.
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Das grundlegende Element der Fühlerkonstruktion t der Torsionskörper
15 (s. Fig. 4, 5 und 6), dessen auptsächlichsten Bestandteil ein Rohr 155 aus manetischem
Material bildet. An seine beiden Enden ind Flansche 151 aus nichtmagnetischem Material
est aufgesetzt, deren Stirnflächen Aussparungen 153 nd außerdem Öffnungen 152 besitzen,
welche für Terbindungsstifte 19 (s. auch Fig. 1 und 11) bestimmt ind.
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Auf das Rohr 155 jedes- Torsionskörpers 15 wird unächst die Aufnahmewicklung
gewunden - Fig. 7 nd 8 zeigen das Aufwickeln der Aufnahmewickung 41 auf einen Torsionskörper
-, auf die weiteren 'orsionskörper werden ähnliche Wicklungen 42, 43 nd 44 gewickelt.
Hierauf werden über beide Flansche .51, über die Aufuahmewicklung 41 und das Innere
Les Rohres 155 Torroidwicklungen gewickelt, und war die Polarisationswicklung 21
mit ihrer zweiten spule 21' und die Erregungswicklung 31 ebenfalls mit hrer zweiten
Spule 31' (s. Fig. 9 und 10).
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Ein Paar der derart umwickelten Torsionskörper .5 wird nunmehr mit
Hilfe der Stifte 19 zu einem leichachsigen Ganzen (s. Fig. 11) zusammengesetzt,
Ind dieses Ganze wird mit zwei Paaren von Torroidvicklungen, der Magnetisierwicklung
51 (mit der ;weiten Spule 51') und der Rückkopplungswicklung i1 (ebenfalls mit einer
zweiten Spule 61'), umwickelt.
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Nus zwei derart ausgeführten Ganzen - von denen edes aus einem Paar
von Torsionskörpern 15 besteht wird nun der eigentliche Torsionsfühler zusammengestellt.
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Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines solchen Fühlers, bei welchem die
Torsionskörper 15 (bzw. die von ihnen gebildete Säule) in der Grundplatte 20 festgehalten
werden, an welcher auch ein gleichachsiger Mantel 18 )befestigt ist. An den oberen
Torsionskörper 15 ist der Flansch 17 mit einem Zapfen 171 befestigt, auf welchen
das gemessene Drehmoment T übertragen wird.
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Bei der abgeänderten Ausführung gemäß Fig. 2 ind 3 ist die aus vier
Torsionskörpern 15 bestehende säule an beiden Enden in zwei Grundplatten 20 be-Fertigt.
Zwischen beide Paapè von Torsionskörpern ist ine Scheibe 16 mit einem Arm 161 eingelegt,
wobei der letztere durch einen Schlitz 181 im Mantel 18 hindurchtritt; auf den Arm
161 wird dann das gemessene Drehmoment 74 (s. Fig. 3) iibertragen.
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Die Gesamtschaltung ist'in Fig. 13 dargestellt, wo einfachheitshalber
die obenerwähnten zweiten Spulen 21', 22', 23', 24', 61', 62', 31', 32', 33', 34',
51' und 52' nicht eingezeichnet sind, denn diese Spulen bilden vom Standpunkt der
Schaltung aus immer eine Einheit mit den ursprüngliçhen Spulen 21, 22 usw. Alle
gezeichneten
Wicklungen sind in folgender Weise geschaltet: Ende der Polarisationswicklung 21
- Ende der Polarisationswicklung 22, Anfang der Polarisationswicklung 22 - Anfang
der Aufnahmewicklung 42, Ende der Aufnahmewicklung 42 - Ende der Aufnahmewicklung
41, Anfang der Aufnahmewicklung 41 - Ende der Aufnahmewicklung 44, Anfang der Aufnahmewicklung
44 - Anfang der Aufnahmewicklung 43, Ende der Aufnalhmewicklung 43 - Anfang der
Polarisationswicklung 23, Ende der Polarisationswicklung 23 - Ende der Polarisationswicklung
24.
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Auf diese Weise ist der Stromkreis geschlossen und dies derart, daß
die Anfänge beider Polarisationswicklungen 21 bzw. 24 über die Gleichrichter 77
bzw. 76 an die beiden Enden des Potentiometers 75 angeschlossen sind, an dessen
Reiter 74 der Anfang der Rückkopplnngswicklung 62 angeschlossen ist; das Ende dieser
Wicklung 62 ist mit dem Ende der zweiten Riickkopplungswicklung 61 verbunden. Der
Anfang der Riickkopplungswicklung 61 ist an der Stelle 40 an die Verbindung zwischen
dem Ende der Aufnahmewicklung 41 und dem Ende der Aufnahmewicklung 44 angeschlossen.
Auf diese Weise wird der ganze Aufnahmekreis gebildet.
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Der Erregungskreis ist durch die Erregungswicklungen 31, 32, 33 und
34 gebildet, die wie folgt geschaltet sind: Ende der Wicklung 31.- Ende der Wicklung
32 Anfang der Wicklung 32 - Anfang der Wicklung 33, Ende der Wicklung 33 - Ende
der Wicklung 34.
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Die Anfänge beider Wicklungen 31 und 34 sind an beiden Enden einer
Sekundärwicklung des Transformators 80 angeschlossen. Der Punkt 30 der Verbindung
zwischen den Anfängen der Erregungswicklungen 32 und 33 ist über die Steuerwicklung
71 eines Zweiphasenmotors 70 mit der Mitte 81 der erwähnten Sekundärwicklung verbunden.
Die zweite Steuerwicklung 72 des Motors 70 ist mit der zweiten Sekundärwicklung
82 des Transformators 80 verbunden. Der Kleinmotor 70 verstellt dann mit Hilfe einer
geeigneten mechanischen Kopplung (schematisch als 73 angedeutet) den Reiter 74 des
Potentiometers 75.
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Der Magnetisierungsltreis wird von zwei seriengesdhalteten Magnetisierwicklungen
51 und 52 gebildet, wobei der Beginn der Wicklung 51 und das Ende der Wicklung 52
an einen zweiwegigen Gleichrichter 84 angeschlossen sind, welcher von der dritten
Sekundärwicklung 83 des Transformators 80 gespeist wird.
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Die Wirkungsweise des magnetostriktiven Torsionsfühlers gemäß der
Erfindung ist die folgende: Durch Einwirkung des aus dem Transformator 80 in alle
Erregungswicklungen 31 bis 34 zugeführten Wechselstromes wird in allen vier Rohren
155 aller vier Torsionskörper 15 ein sogenanntes zylindrisches Magnetfeld gebildet.
Bei mechanischer Belastung der Rohre 155 durch ein Drehmoment T wird in den Aufnahmewicklungen
41 bis 44 eine Spannung induziert, deren Größe der Größe des Drehmomentes T proportional
ist. Die Paare der Erregungswicklungen 31 und 32 bzw. 33 und 34 sind deshalb im
entgegengesetzten Sinn geschaltet, damit aus diesen Erregungswicklungen keine Spannung
in den Rückkopplungswicklungen 61,62
und auch nicht in den Magnetisierwicklungen
51, 52 induziert wird. Im Hinblick auf die angeführte Schaltung der Paare der Erregungswicklungen
31, 32 bzw.
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33, 34 müssen analog auch die Paare der Aufnahmewicklungen 41 und
42 bzw. 43 und 44 in einander entgegengesetztem Sinn geschaltet werden.
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Die Wechselspannung aus den beiden Paaren der Aufuahmewicklungen
41 und 42 bzw. 43 und 44 wird nun mittels der Gleichrichter 77 bzw. 76 gleichgerichtet.
Um den Arbeitspunkt dieser Stromrichter 77 und 76 in den linearen Teil ihrer Charakteristik
zu verschieben, wird in den erwähnten Stromkreis auch die Spannung aus den Polarisierungswicklungen
21 bis 24 zugeführt, welche der Spannung in den Erregungswicklungen 31 bis 34 proportional
ist.
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In unbelastetem Zustand befindet sich der Reiter 74 in seiner Mittellage,
und durch die Rückkopplungswicklungen 61 und 62 fließt kein Strom. Falls nun der
Fühler mit einem Torsionsmoment T belastet wird, wird in den Aufnahmewicklungen
41 bis 44 eine Spannung induziert. Infolgedessen fließt durch den mittleren Zweig
und daher auch durch die Rückkopplungswicklungen 61 und 62 Gleichstrom, dessen Größe
und Richtung von der Größe und dem Sinn des Torsionsmomentes T abhängen.
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Unter Einwirkung des Gleichstromes in den Magnetisierwicklungen 51
und 52 wird in allen Rohren 155 ein zylindrisches Gleichstrommagnetfeld von derselben
Größe bzw. derselben Intensität gebildet. Deshalb ist in allen Erregungswicklungen
31 bis 34 derselbe Induktionswiderstand vorhanden. Wenn nun durch die beiden in
entgegengesetztem Sinne geschalteten Rückkopplungswicklungen 61 und 62 Gleichstrom
hindurchfließt, ruft dieser Strom in dem einen Torsionsko"rperpaar 15 eine Vergrößerung
des magnetischen Gleichstrom-Flusses hervor, wogegen in dem anderen Torsionskörperpaar
15 derselbe Strom eine Verringerung des magnetischen Flusses hervorruft. Deshalb
wird in dem einen Paar der Erregungswicklungen (z. B. 31 und 32) der induktive Widerstand
verringert, während in dem anderen Paar der Erregungswicklungen (z. B. 33 und 34)
der induktive Widerstand erhöht wird.
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Dadurch wird das Gleichgewicht in dem Erregungskreis gestört, und
infolgedessen fließt durch seinen mittleren Zweige d. h. durch die Steuerwicklung
71 - Strom hindurch. Der Motor 70 wird in Bewegung gesetzt und verschiebt den Reiter
74 so lange, bis in den beiden Stromkreisen, d. h. in dem Erregungs- und in dem
Aufnahmestromkreis ein Gleichgewichtszustand eintritt. Es ist wichtig, daß die Ausgeglichenheit
des Aufnahmekreises sich noch dadurch vergrößert, daß infolge ungleicher Induktionswiderstände
der Wicklungen 31 bis 34 auch in den Polarisierwicklungen21 bis 24 eine ungleiche
Spannung induziert wird. Hierdurch wird eine bestimmte Rückkopplung erzielt, die
die Wirkung des Stromes aus den Aufnahmewicklungen 41 bis 44 und dadurch auch die
im
Erregungskreis erhaltene Leistung wesentlich verstärkt.
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Die Ausführung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich in ihrer Gesaintschaltung
nur dadurch, daß die Aufnahmewicklung 43 und 44 in den Aufnahmekreis in einem entgegengesetzten
Sinn als in Fig. 13 gezeichnet geschaltet ist.
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Der mit einer Rückkopplung versehene erfindungsmäßige Fühler stellt
im wesentlichen einen magnetischen Verstärker dar, der durch ein bestimmtes Drehmoment
mechanisch gesteuert wird und bei dem gleichzeitig die Wicklung mit einer veränderlichen
Induktivität zur Erregung des Fühlers ausgenutzt wird.
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Die Schaltung der einzelnen Wicklung kann im Rahmen der Erfindung
auch in einer anderen Art und Weise, als soeben beschrieben, durchgeführt werden,
so wie dies bei magnetischen Verstärkern der Fall ist.
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Es können z. B. alle Erregungswicklungen 31 bis 34 in vier Zweige
einer wechselstromgespeisten Brücke geschaltet werden, in deren mittleren Zweig
der Kleinmotor geschaltet ist od. ä.
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Der erfindungsmäßige, eine Rückkopplurlg aufweisende Fühler stellt
ein für die Meßtechnik, Automatisierung sowie Regelung äußerst zweckmäßiges Element
dar. Sein grundlegender Vorteil beruht darin, daß er an seinem Austritt ein Signal
sowie eine Leistung abgibt, mit welchen ohne weitere Verstärkung ein leistungsfähiges
Regelelement, z. B. ein kleinerServomotor, unmittelbar gespeist werden kann.
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PATENT.~NSPRUCHE 1. Magnetostriktiver Torsionsfühler, der aus einer
geraden Anzahl von fest miteinander verbundenen Torsionskörpern besteht, die mit
Erregungs-, Polarisations- und Aufnahmewicklungen versehen sind, dadurch gekennzeichnet,
daß alle Torsionskörper (15) außerdem mit torroidalen Rückkopplungswicklungen (61
und 62) versehen sind, die in der Diagonale einer Brücke geschaltet sind, in deren
Zweigen in an sich bekannter Weise die Aufnahme- (41 bis 44) und Polarisationswicklungen
(21 bis 24) geschaltet sind, wobei der Kreis der Erregungswicklungen (31 bis 34)
symmetrisch angeordnet und in seine Diagonale die eigentliche Belastung (71) angeschlossen
ist.