DE1961281A1

DE1961281A1 - Magnetoelastischer Kraftgeber

Info

Publication number: DE1961281A1
Application number: DE19691961281
Authority: DE
Inventors: Orvar Dahle
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1968-12-09
Filing date: 1969-12-06
Publication date: 1970-11-05
Also published as: FR2025647A1; BE742107A; SU674693A3; CH512735A; GB1238611A; DE1961281B2; SE326843B; NL6917941A; AT290886B; US3782187A

Description

Maggietoelastischer Kraftgeber

Ein bekannter magnetoelaetischer Kraftgeber besteht aus einem kraftaufnehmenden Hagnetkern, aus magnetostriktiven Blechen und aus Hagnetis.icruiigs- und Heßwicklmigen, die in rohrförmigen Kanälen des Kerns verlegt sind. Das magnetostriktive Blechmaterial besteht gewöhnlich aus warm- oder kaltgewalztem Elektroblech, das weich;;eglüht wurde, um bestmögliche magnetische Eigenschaften zu erzielen. ?>ei aus solchem Material hergestellten magnetoelastischen Kraftgebern erhält man immer einen mehr oder weniger nichtj-inearen Zusammenhang zwischen Ausgangs Spannung und Kraft, was für eine Kraftrichtung eine einfach oder doppelt gekrümmte Kurve sein kann, abhängig von Hagnetisieruiigsstrom und sekundärer Belastungsimpedanz. Um einen Kraftgeber mit annehmbarer linearität zwischen d&n genannt en (irUuoii zu. erhalten, muß der Meßbereich stark begrenzt worden. "Das hat den ITachteil, daß die Oberfläche des Gebers um ο in Vielfaches grüß^r gemacht werden muß, als es aus DauiirfeDti/jkoits^eöichtapunkten erforderlich ist und daß trotzdum die urr<j iahbare Linearität innerhalb des reduzierten Meßbereiches nur eine angenäherte lüfc,

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Die Erfindung betrifft einen magnetoelastischen Geber mit siner in hohem G-rad -verbesserten Linearität bsw. Vergrößerung des Heßgebietes aufgrund einer praictisch angeordneten Zusammen— lagerung von Elementarteilen mit verschiedener mechanischer "Vorspannung. Gemäß der Erfindung ist das Kernblech auf solche Weise behandelt, daß in diesem bleibende mechanische IDigenspamiungen vorhanden sind und der Durchschnittswert der absoluten Summe der Sigenspannungen zumindestens in der magnetoelastisch wirksamen Zone des Gebers mindestens dieselbe Gr.öße hat wie die in der genannten Zone von der vollen Belastung verursachte Beanspruchung.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, in dieser zeigen:

ig. 1 ein Prinzipbild eines magnetoelastischen Gebers und

]?ig. 2, 3 und 4 für einige verschiedene Anwendungsbeispiele die Ausgangsspannung ü des Gebers als Funktion der auf den Geber wirkenden Kraft ]?.

Der Geber gemäß Pig. 1 besteht aus einem Kern 1 aus magnetostriktivem Blechmatorial. Der Kern hat vier Löcher 2, 3» 4 und Die Löcher 2 und 3 nehmen eine Wicklung 6 auf, die an einer

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Wechselspannungsquelle 3 angesclilosseii ist. Der Strom in der Wicklung 6 erzeugt in dem Kern einen magnetischen Fluß um die Löcher. Eine zweite Wicklung 7 in den Löchern 4 und 5 ist an einem Meßgerät 9 angeschlossen. Wenn der Kern 1 von mechanischen Kräften unbeeinflußtist, ist der Fluß in dem Gebiet um und zwischen den Löchern symmetrisch, so daß keine Spannung in der Wicklung 7 induziert wird. Wenn der Kern einer mechanischen Kraftbeanspruchung ausgesetzt wird, wird der Fluß verzerrt und eine Spannung in der Wicklung 7 induziert, so daß das Meßgerät 9 ausschlägt. Das Gebiet um die Löcher herum und zwischen den Löchern ist die sogenannte Meßzone.

I¹Ig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen Ausgangs spannung und Kraft bei einem solchen Geber, es ist eine für jede Kraftrichtung einfachgekrümmte Ktcre 10. Fig. 3 zeigt eine aus geraden Linien zusammengesetzte Kurve 11, die eine Annäherung an die Kurve 10 ist. Fig. 4 zeigt ein Kurvenbündel, in dem die einzelnen Kurven dieselbe Form haben wie in Fig. 3, bei denen aber die iiullpunkte gleichmäßig zwischen -F- und +F₁ verteilt sind. Physikalisch entspricht dies z.B. ej.nem Geber, dessen einzelne Bleche verschiedene Zug- und Druckvorspannungen haben. Die zusammengesetzte Kurve 12 für einen solchen Geber, die man durch einfaches Summieren der Teilkurven erhält, ist in Fig. 4 mit einer kräftig gezeichneten Kurve wiedergegeben. Das völlig lineare Gebiet ist in diesem Fall beinahe doppelt so- groß wie das einer Elementarkurve und hat eine Empfindlichkeit, die zwischen den Empfindlichkeiten der steilen

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und flachen Teile der Elementar kurve liegt. Obx^ohl man hier die Elementar kurve zu einer Kurve mit scharfen Kiiiclrpunkten vereinfacht hat, bekommt die Summenkurve sehr-weiche Übergänge zwischen dem völlig linearen Gebiet in der Mitte und den linearen Außenteilen mit derselben Empfindlichkeit wie die flachen Teile der Elementarkurve.

Herstellungsmäßig wäre es allzu kompliziert, die verschiedenen Blechelemente bei dem Zusammensetzen des Blechpaketes su einem Geber mit statistisch verteilten Zug- und Druckspannungen au versehen. Gemäß der Erfindung erreicht man dieselbe Linearität der Kurve innerhalb jedes Blechelementes, indem man dem Bj.ech mittels geeigneter Behandlung Eigenspannungen gibt, die bezüglich Grüße, Vorzeichen und Richtung statistisch über das Volumen des Bleches oder jedenfalls über die für die Messung aus magnetoelastischen Gesichtspunkten interessanten Teil des Bleches variieren, d.h. über die Teile des Bleches, in denen die magnetische Flußdichte groß ist.

Die Sigenspannungen werden gewöhnlich in drei verschiedene Gruppen eingeteilt:

1. Eigenspannungen 1. Art, die über gewisse, relativ große .Bereiche eines Körpers ziemlich einheitlich sein können, aber ganz· verschieden in verschiedenen Teilen eines Körpers. Solche

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unterschiede Iroumen s.U. bei einem plastisch gebogenen Biech in ju^rscimittsrieirfcimp; vor und in gewissem Umfang- auch bei ^evaiatem Bxec.i.

2. "Ji/iens'prjiirdn^in 2. Art, die hauptsächlich swisclien verschiedenen Kristall ten vorhanden sind und z.B. bei Kaltbearbeitung austreten, ua die Zugfestigkeit in den verschiedenen Kristallr■-chtun^en und infolgedessen in.benachbarten ilristaliiteii versohicdoii ist. Jerartigo 3pa.inun,?;svertei.Lun,^en kann man z.3. b-iiii '."Itirtf-n vo-i iJtah.L im 'Zusammenhaiig nit der Hartensit'bildimg

j. ;^!ij.;;enB^:auuin£en -j. Art sind so'.eli«/yu/i ßubmi--:rosico.pischer Grüßo, ν/Ιο a..;. ji"ohierstel±en λιπ G-.i.tter, besonders Yersetsun- ;tc:i, Go¹,/.! ο 3pr,nnun^f"--vi, die durch ssixc fo !ndisper.^ierte "ülntiiiiri-;nun ;on verursacht werden.

AjJ.ö d. .^r.,·^ Ax'bc.i '/on iJi^enDpannungeu ΐ::ϋϊΐ.ιθιΐ aus^onutat werden, um don Οί>;-·α oosohr'obenen atatistiaenen Aus_t ^r;i.eiuii und die Lineari~ aiüran/i eier Geuer:aii;'ve ;iu erreioliGii.

Durch Ii α ι. buoaruei. tung versclii^dener Art ant stehen gewö.mii.ich il.i.e ^ a'Jigüncprjixiun^fj.-j.rtün, d.iesex¹ \1q% int auc'i dor wirksamste, di⁽3 IjLn&arisiorunij hu erroi alien. Um einen optimalen Jüiltboarbei tungcgraa zu erüaiton, kann man im Prinzip awei Wege ^ehen, ent Wfider wählt man ■:Ln. weichgeglühtes Material und unterwirft es

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einer gewissen Kaltverformung oder man geht von einem Harten, ■ kaitbearbeiteteii Material, aus und führt eine Wärmebehandlung bei !Temperaturen durch, die zu keiner vollständigen Entspannung führen. Temperatur und Seit v/erden so gewählt, daß das Material nach der Wärmebehandlung bleibende Uigenspannungen- gewünschter■ Größe hat.

Versuche haben ergeben, daß eine Kaltverformung von 1 fi in den meisten Fällen zu einer annehmbaren Linearität führt.■■Wird eine bessere linearität gefordert, so - sollte die Kaltverformung 4 fi oder mehr betragen. Mit Kaltverformung ist eine plastische Dehnung des Materials gemeint, ausgedrückt als relative Verlängerung, die die Kaltbearbeitung bei einem weichgeglühten Material verursacht.

Die Kaltbearbeitung des weichgeglühten Materials kann durch Walzen, wiederholtes Biegen in einem Richtwerk oder durch Ziehen erfolgen. Die letztgenannte Methode kann entweder allein oder zusammen mit Walzen oder Richten angewandt werden. Andere mögliche Kaltbearbeitungsmethoden sind Sandstrahlbehandlung oder Pressen, wobei die Behandlung evtl. auf den Teil des Gebers beschränkt werden kann, dessen magnetoelastische Eigenschaften von Bedeutung sind.

Die gewünschte Linearisierung der Geberkurve gemäß der Erfindung durch Einführung von statistisch verteilten Innenspannungen von geeigneter Größe kann auch durch Martensitbildung beim Härten

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von. Staiii oder durch die beim Entmischungshärten entstehenden. Innenspannungen erreicht werden.

Auch die Fehlerstellen im Kristallgitter, die man bei Bestrahlung mit Elementarpartikein erhält, ergeben Innenspannungen mit linearisierender Wirkung auf die Geberkurve.

Bezüglich der Wahl des Bleches für den Geberkern gibt es viele mögliche Legierungen mit einem der drei ferromagnetischen Stoffe Eisen, ITickel und Kobalt als Grundkomponente. Außer Legierungen dieser Stoffe kommen Zusätze von Silizium bis zu ca. 5 %, Aluminium bis zu ca. 16 $ und außerdem geringere Mengen Mangan, Kupfer, Molybdän und Vanadin vor, abgesehen von den in solchen Legierungen normalerweise vorkommenden nicht-metallischen Stoffen^rie Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor.

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Claims

Patentansprüche:

Magnetoelastischer Geber zum Messen mechanischer Kräfte, wobei der Geber aus einem laminierten Kern aus magnetostriktivem Blech mit rohrförmigen Kanälen besteht, in denen Magnetisieruiigs- und Meßwicklungen angeordnet sind, dadurch gekennselehnet, daß das Blech auf solche '//eise behandelt .ißt, daß bleibende mechanische Sigenspannungen vorhanden sind und daß der Durchschnittswert der absoluten Suimie der Eigenspaiimmgen sumindesteiis in der magnetoelastisch wirksamen Zone des Gebers mindestens dieselbe Größe hat wie die in genannter Zone von voller Belastung verursachte Beanspruchung.

2. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Durchschnittswert der Eigenspannungen durch Wärmebehandlung eines vorher kaitbearbeiteten Materials bei Temperaturen unterhalb der Rekristallisationstemperatur zustandekommt.

3. Geber nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Durchschnittswert der Eigenspannungen durch Kaltwalzen eines vorher weichgeglühten Materials zustandekommt.

4. Geber nach Anspruch 1 , dadurch gekennseichiiet, daß der genannte Durchschnittswert der liligenspannungen durch Ziehen eines vorher weichte glüht en Materials austandeluommt.

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i). Geoer nach Anspruch 1, dadurch gelreiinaeiclmet, daß der genaaiite Durolisolm.:.ttswert der üigenspaxmxmgen durch Biegen eines vorher v/eiohg&jiLUiten Materials sustaiidelrommt.

6. ^rieoer _iaoli .i:i3pruch 1, dadurch gekennzeichnet, de,ß de:? geiiGiintfc JJur'jIiGorjii-ttsv.'^rt der .üi-jenspaniiungen mittels Ziehen und "lie,'c\i ein':3 vornor v;eieh. egj.ühten. Katerials la r;.J3. einer irie r.;uatandekoimxit.

/. Geber xiacli iUispriioh 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Durchs ο iixi-Lt tsv/ert der aüjoiispannun^en durch Pressen von yorher weichte-^uIitem Jiech, oder irumindeDtuiis der' ieiie der .Jleche, die großo Flußdichte haben, zustaiidelcommt.

3. G-eber nach iinsi^ruch 1, dadurch geicennrieichnet, daß der genannt-; "Durchschnittswert dor aii^enupannun^eii durch Uandstrahltjf,handluni'; von vorher weichgüglühtem Blech, oder aumindesteiis dor Teile der Bi.oche , die groj-le Flußdichte haben, zustandekoinint.

S». G-eber nach Anspruch 1, dadurch geiiennseiclinet, daß der genannte JJurohsyiuii ttcwert der E Lgenspannun,;en durch "Bestrahlung von vorher v/eichge^Iuhtem ■LL^r:oh mit Elemeiitarpartilceln, zumindeatons der TeILo der Bleche, die große Fxußdichte haben, zustande komint.

1U. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennaelehnet, daß der genannte IXirchBoiini t bflwort der Eigenöpannungen dadurch austande-

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kommt, daß der Geber aus härtbarem Stahl ist, den man durch Martensitbildung in einen geeigneten Härtungszustand gebracht hat.

11. Geber nach Anspruch 1,. dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Durchschnittswert der Eigenspannungen dadurch zustandekommt, daß der G-eber aus entmischungshärtbarem Stahl ist, den man durch iüntmischungshärten eines vorher auflpsungsbehandelten Materials in einen geeigneten Härtungszustand gebracht hat.

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