WO2008000012A2 - Measuring apparatus - Google Patents
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- WO2008000012A2 WO2008000012A2 PCT/AT2007/000321 AT2007000321W WO2008000012A2 WO 2008000012 A2 WO2008000012 A2 WO 2008000012A2 AT 2007000321 W AT2007000321 W AT 2007000321W WO 2008000012 A2 WO2008000012 A2 WO 2008000012A2
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
- G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
- G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
- G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
- G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
- G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
Definitions
- the invention relates to a device for measuring torque, in particular torque and / or rotational speed and / or rotational angle information of a test piece or a work machine, with an electrical machine, in particular a testing machine or optionally a control machine, wherein the test specimen or the working machine with the electric machine via a shaft, optionally with the interposition of at least one coupling element is connected.
- the pendulum machine is usually a separately excited DC machine, which is connected via a coupling with the machine to be tested. Your housing is freely suspended by two additional pedestal bearings, so that the reaction torque can be measured with a spring balance or a pressure sensor via a lever arm.
- asynchronous machines are known as pendulum machines.
- pendulum machines for speed measurement is known for example from AT 200 363 B1.
- WO 2005/064 281 A1 a position sensor with a magnetic code on the object and a detector and a Position indicator described. Furthermore, the introduction of the magnetized code and the evaluation of the waveforms are shown.
- Another torque sensor is known from WO 2005/064 301 A1. It also shows the form of introducing the current pulses on both longitudinal axes and circumferentially around a core. The sensor is for example a shaft. The current range for magnetization and the duration of the pulses and variations of the pulses are explained. The method of magnetizing is described in detail, which can be done in several steps.
- WO 2005/064 302 A2 discloses methods and apparatus for magnetizing and calibrating sensors and the accessories.
- a device and methods for detecting sensor events is known from WO 2005/064303 A1.
- differential detectors for the detection of magnetic areas are described, which run longitudinally and circumferentially at different depths.
- WO 2005/064 623 A2 discloses a method and a device for matching the magnetization of magnetized objects. It is proposed to surround magnetized areas on an object with one or more Entmagnetisierspulen.
- EP 1 375 945 A1 discloses a torque detection arrangement or a wear detection arrangement for a friction clutch.
- the object of the invention is to provide a device of the aforementioned type with which a highly dynamic measurement of the data is possible and which corresponds to the current requirements of the limit data from the side of the measurement accuracy.
- the object is achieved by the invention.
- the device according to the invention is characterized in that the shaft of the electric machine has at least one of its bearings a coded magnetized measuring range as an actuator which, preferably a magnetized magnetic field according to predetermined parameters, that in the region of this measuring range at least one sensor, preferably at least two sensors, the or the magnetic information of the magnetic field detect, is or are provided and that the or the sensors or electrically or optically, preferably serially, with a processing and
- Processing electronics is connected or are. With the invention, it is possible for the first time to carry out the measurements of torque, in particular torque and / or rotational speed and / or rotational angle information of a test piece or a working machine economically, namely preferably with a test set-up, the mechanical values of the shaft not being in any way Be influenced.
- the coded-magnetized measuring area is provided outside or inside the bearing of the shaft.
- the measuring range outside of the bearing has the advantage that at any time - to make changes without intervention in the machine - the sensors can be replaced.
- An arrangement of the measuring range within the bearing can bring constructive advantages.
- the coded-magnetized measuring range is provided in front of one or both bearing areas of the driven-side bearing.
- Torque and speed values are available and thus can be measured.
- the coded-magnetized measuring range of the shaft optionally determined according to the shaft diameter, wherein in particular the layer thickness in the shaft is at least 1%, preferably 10%, of the shaft diameter. This ensures that a correspondingly strong magnetic field is generated for the measurement.
- the magnetic coding of the measuring range takes place before the installation of the shaft. This ensures that the introduction or the application of the magnetic field is substantially simplified. Of course, it must be ensured that the further production steps are carried out during the assembly of the electric machine without loss of quality for the final measurements.
- the length of the coded-magnetized measuring range is determined according to the shaft diameter. According to this dimensioning formula can - regardless of the shaft diameter - always find the same sensors use.
- the length of the coded-magnetized measuring range is independent of the shaft diameter.
- the sensor is designed as a coil arrangement and evaluates the magnetic field-dependent inductance of the shaft or of the wave range.
- Such coil arrangements provide a highly accurate result with minimal space requirements.
- such coil assemblies have a diameter of 3.5 mm with a length of 12 mm.
- two coil arrangements are switched against each other, since a compensation method is used as the measuring method.
- the senor or sensors are arranged outside or inside, on the housing and / or on the end shield of the bearing of the electric machine. As already mentioned, a rational interchangeability of the sensors is given by this.
- the coded-magnetized measuring range of the shaft and the sensor (s) are provided in an area free of other magnetic field influences and detect or detect, in particular, only the magnetic field influences of the coded-magnetized measuring range, whereby foreign influences, such as the geomagnetic field , not recorded. This avoids extraneous influences that could influence the highly accurate measurement result. In this context may be mentioned that even the geomagnetic field must be taken into account in the measurement.
- the electric machine is designed as a control machine and the working machine, for example, a tunnel boring drive, an extruder or a crane drive.
- the work machine could also be an injection molding or calendering machine.
- the electrical machine is designed as a control machine and the test specimen, for example, a
- Fig. 1 shows an electrical machine with a coded-magnetized measuring range of the shaft and the arrangement of the sensors
- Fig. 2 shows the magnetization curve of the measuring range in the initial state
- Fig. 3 shows the magnetization curve with externally applied torque.
- an electrical machine 1 is shown with its free end of the shaft 2.
- the shaft end 2 of the shaft 3 is mounted with bearings 4 in the housing 5 and in the bearing plate.
- the electric machine 1 serves as a testing machine, wherein the - not shown - test object or the working machine with the electric machine 1 via the shaft 3, with the interposition of at least one coupling element 6, such as a flange connected.
- the test object or the working machine is flanged to the coupling element 6.
- the shaft 3 of the electric machine 1 has at least one or in front of a driven-side bearing region of the bearing 4 a coded-magnetized measuring range 7 as an actuator.
- the coded-magnetized measuring area 7 is provided outside the bearings 4.
- the coded-magnetized measuring area 7 is a magnetized magnetic field according to specified parameters.
- the application or introduction of the magnetic field takes place in accordance with the method indicated in the introduction in the prior art.
- the magnetic coding of the measuring range 7 takes place before the shaft 3 is installed in the electrical machine 1.
- the coded-magnetized measuring range 7 of the shaft 3 is determined according to the shaft diameter, wherein in particular the layer thickness in the shaft (3) is at least 1%, preferably 10%, of the shaft diameter. Furthermore, in particular, the length of the coded-magnetized measuring area 7 is determined in accordance with the shaft diameter.
- At least one sensor 8 preferably at least two sensors, which detect the magnetic information of the magnetic field, is provided in the region of this measuring region 7.
- the sensors 8 are preferably designed as a coil arrangement and evaluate the magnetic field-dependent inductance. Further, the or the sensors 8 are connected to a processing and processing electronics 9.
- the coded-magnetized measuring area 7 of the shaft 3 and the sensors 8 are provided in a region free from other magnetic field influences.
- the electrical machine 1 is designed as a control machine and the machine is for example a tunnel boring drive, an extruder or a crane drive.
- a speed / torque controlled drive is given, which operates highly dynamically and highly accurate.
- the electrical machine is designed as a control machine and the candidate is, for example, an internal combustion engine, a transmission, a turbine or an electric machine.
- the method for measuring torque, in particular torque and / or rotational speed and / or rotational angle information of a test object or a work machine is briefly shown below.
- the ferromagnetic wave 3 is magnetically coded in a region, the measuring region 7, by introducing there an axial current pulse, which results in a radially extending magnetic field. After the end of the current pulse, a radial magnetization thus remains, which closes in the interior of the shaft 3.
- the time-varying axial current pulse is not uniformly distributed over the cross section due to eddy current effects, but it flows substantially only from the surface up to a certain penetration depth.
- a second current pulse in opposite direction to the first and with a different time course thus also has a different penetration depth.
- the magnetization, according to this pulse thus points in the opposite direction and is also at a different radial distance from the shaft center, as the remanence of the first current pulse.
- two oppositely magnetized areas can be set at different depths in the shaft, which corresponds to a constellation which is usually used for a good measuring effect.
- the effect of the inverse magnetostriction is utilized. Due to a torque occurs in the shaft material to a torsional stress. The atoms of the ferromagnetic material are small elemental magnets and firmly anchored in the crystal lattice. Due to the torsional stress acting on the crystal lattice, the
- Fig. 2 this principle is indicated by means of a shaft 3, which has only one magnetization region, the measuring region 7, which is sufficient for the basic function. It is shown the initial state.
- the magnetization - indicated by the arrows 10 - and the resulting magnetic flux are purely radial and close concentrically in the shaft interior.
- Fig. 3 shows the shaft 3, which transmits a torque.
- the larger magnetization component of course remains the radially directed one.
- the added axial field - indicated by the arrows 11 - now runs partly over the shaft interior, where the material is not magnetically encoded, but also partially over air.
- the external axial magnetic field can be detected by the sensors 8 mounted near the shaft surface. These sensors 8 are coils with a thin ferromagnetic core, which change their electromagnetic properties by the magnetic field of the shaft 3.
- An evaluation or a processing and processing electronics 9 detects this behavior, which can be concluded on the torque back.
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Abstract
Description
Einrichtung zur Messung Device for measurement
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 gegebenenfalls einer Regelmaschine, wobei der Prüfling bzw. die Arbeitsmaschine mit der elektrischen Maschine über eine Welle, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung mindestens eines Kupplungselementes, verbunden ist.The invention relates to a device for measuring torque, in particular torque and / or rotational speed and / or rotational angle information of a test piece or a work machine, with an electrical machine, in particular a testing machine or optionally a control machine, wherein the test specimen or the working machine with the electric machine via a shaft, optionally with the interposition of at least one coupling element is connected.
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.It has long been known to use electrical machines, mainly DC pendulum machines, for stress testing work machines or test specimens. The electrical machine has the advantage of energy recovery over the mechanical load devices.
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.The pendulum machine is usually a separately excited DC machine, which is connected via a coupling with the machine to be tested. Your housing is freely suspended by two additional pedestal bearings, so that the reaction torque can be measured with a spring balance or a pressure sensor via a lever arm.
Darüber hinaus sind auch Asynchronmaschinen als Pendelmaschinen bekannt.In addition, asynchronous machines are known as pendulum machines.
Die Verwendung von Pendelmaschinen zur Drehzahlmessung ist beispielsweise aus der AT 200 363 B1 bekannt.The use of pendulum machines for speed measurement is known for example from AT 200 363 B1.
Nachteilig bei dieser Prüfmethode ist der enorme Aufwand für die Pendelmaschine sowie für den Drehmomentmessflansch mit seinen Dehnmessstreifen.The disadvantage of this test method is the enormous expense for the pendulum machine and the torque measuring flange with its strain gauges.
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.Furthermore, various non-contact sensor solutions for detecting torque, position and force are known. Thus, in WO 2005/064 281 A1 a position sensor with a magnetic code on the object and a detector and a Position indicator described. Furthermore, the introduction of the magnetized code and the evaluation of the waveforms are shown. Another torque sensor is known from WO 2005/064 301 A1. It also shows the form of introducing the current pulses on both longitudinal axes and circumferentially around a core. The sensor is for example a shaft. The current range for magnetization and the duration of the pulses and variations of the pulses are explained. The method of magnetizing is described in detail, which can be done in several steps.
Aus der WO 2005/064 302 A2 sind Methoden und Apparate zur Magnetisierung und Kalibrierung von Sensoren sowie das Zubehör bekannt.WO 2005/064 302 A2 discloses methods and apparatus for magnetizing and calibrating sensors and the accessories.
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.A device and methods for detecting sensor events is known from WO 2005/064303 A1. In this case, differential detectors for the detection of magnetic areas are described, which run longitudinally and circumferentially at different depths.
Schließlich ist noch aus der WO 2005/064 623 A2 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.Finally, WO 2005/064 623 A2 discloses a method and a device for matching the magnetization of magnetized objects. It is proposed to surround magnetized areas on an object with one or more Entmagnetisierspulen.
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.Furthermore, a method and a device for measuring the torque in hydraulic drive units is known from DE 103 06 594 A1. A magnetic torque measurement is also shown in WO 01/96826 A2. Finally, EP 1 375 945 A1 discloses a torque detection arrangement or a wear detection arrangement for a friction clutch.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen mit der 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.The object of the invention is to provide a device of the aforementioned type with which a highly dynamic measurement of the data is possible and which corresponds to the current requirements of the limit data from the side of the measurement accuracy. The object is achieved by the invention.
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, vorzugsweise ein nach festgelegten Parametern, 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- undThe device according to the invention is characterized in that the shaft of the electric machine has at least one of its bearings a coded magnetized measuring range as an actuator which, preferably a magnetized magnetic field according to predetermined parameters, that in the region of this measuring range at least one sensor, preferably at least two sensors, the or the magnetic information of the magnetic field detect, is or are provided and that the or the sensors or electrically or optically, preferably serially, with a processing and
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.Processing electronics is connected or are. With the invention, it is possible for the first time to carry out the measurements of torque, in particular torque and / or rotational speed and / or rotational angle information of a test piece or a working machine economically, namely preferably with a test set-up, the mechanical values of the shaft not being in any way Be influenced.
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.As an electric machine, practically the complete range can be used. Preferably, permanently excited synchronous machines can be used. However, the use of an asynchronous machine is just as conceivable as DC machines.
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 keineWith the device according to the invention, therefore, there is the serious advantage that high efficiency is achieved. Another advantage is the fact that no oil due to the freedom of the device according to the invention
Ölverschmutzung der Umwelt gegeben ist, das insbesondere bei Lackierstrassen in der Autoindustrie von immenser Bedeutung ist.Pollution of the environment is given, which is of immense importance, especially in paint shops in the auto industry.
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.Likewise, a great advantage can be seen in the highly dynamic measurement possibility, since fastest changes in the rotational speed or the torque can be detected. According to a feature of the invention, the coded-magnetized measuring area is provided outside or inside the bearing of the shaft. With an arrangement of the measuring range outside of the bearing has the advantage that at any time - to make changes without intervention in the machine - the sensors can be replaced. An arrangement of the measuring range within the bearing can bring constructive advantages.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der codiert-magnetisierte Messbereich vor einem oder beiden Lagerbereichen des abtriebsseitigen Lagers vorgesehen. Der Vorteil liegt darin, dass in diesem Bereich unverfälschteAccording to a further feature of the invention, the coded-magnetized measuring range is provided in front of one or both bearing areas of the driven-side bearing. The advantage is that in this area unadulterated
Drehmoment- und Drehzahlwerte vorliegen und somit gemessen werden können.Torque and speed values are available and thus can be measured.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird der codiert- magnetisierte Messbereich der Welle, gegebenenfalls entsprechend dem Wellendurchmesser, festgelegt, wobei insbesondere die Schichtdicke in der Welle mindestens 1 %, vorzugsweise 10%, des Wellendurchmessers beträgt. Dadurch ist sicher gestellt, dass ein entsprechend starkes Magnetfeld für die Messung generiert ist.According to a particular embodiment of the invention, the coded-magnetized measuring range of the shaft, optionally determined according to the shaft diameter, wherein in particular the layer thickness in the shaft is at least 1%, preferably 10%, of the shaft diameter. This ensures that a correspondingly strong magnetic field is generated for the measurement.
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.According to a further special feature of the invention, the magnetic coding of the measuring range takes place before the installation of the shaft. This ensures that the introduction or the application of the magnetic field is substantially simplified. Of course, it must be ensured that the further production steps are carried out during the assembly of the electric machine without loss of quality for the final measurements.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Länge des codiert- magnetisierten Messbereiches entsprechend dem Wellendurchmesser festgelegt. Entsprechend dieser Dimensionierungsformel kann - unabhängig vom Wellendurchmesser - immer die gleiche Sensorik Verwendung finden.According to a particular embodiment of the invention, the length of the coded-magnetized measuring range is determined according to the shaft diameter. According to this dimensioning formula can - regardless of the shaft diameter - always find the same sensors use.
Entsprechend einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Länge des codiert-magnetisierten Messbereiches unabhängig vom Wellendurchmesser. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor als Spulenanordnung ausgebildet und wertet die magnetfeldabhängige Induktivität der Welle bzw. des Wellenbereiches aus. 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.According to an alternative embodiment of the invention, the length of the coded-magnetized measuring range is independent of the shaft diameter. According to a further embodiment of the invention, the sensor is designed as a coil arrangement and evaluates the magnetic field-dependent inductance of the shaft or of the wave range. Such coil arrangements provide a highly accurate result with minimal space requirements. For example, such coil assemblies have a diameter of 3.5 mm with a length of 12 mm. In a preferred embodiment, two coil arrangements are switched against each other, since a compensation method is used as the measuring method.
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.According to a particular feature of the invention, the sensor or sensors are arranged outside or inside, on the housing and / or on the end shield of the bearing of the electric machine. As already mentioned, a rational interchangeability of the sensors is given by this.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der codiert-magnetisierte Messbereich der Welle und der bzw. die Sensoren in einem von anderen Magnetfeldeinflüssen freien Bereich vorgesehen und erfasst bzw. erfassen insbesondere 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.According to a further embodiment of the invention, the coded-magnetized measuring range of the shaft and the sensor (s) are provided in an area free of other magnetic field influences and detect or detect, in particular, only the magnetic field influences of the coded-magnetized measuring range, whereby foreign influences, such as the geomagnetic field , not recorded. This avoids extraneous influences that could influence the highly accurate measurement result. In this context may be mentioned that even the geomagnetic field must be taken into account in the measurement.
Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung sind über den codiert- magnetisierten Messbereich der Welle und dem bzw. den Sensoren Gefügeveränderungen der Welle, insbesondere Risse an der Oberfläche, messbar bzw. erfassbar, wobei diese Gefügeveränderungen der Welle Änderungen des codiert-magnetisierten Messbereich hervorrufen. 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 Spritzguss- oder Kalandermaschine sein. Durch die Ausführung der elektrischen Maschine als Regelmaschine ist einAccording to a particular feature of the invention, structural changes of the shaft, in particular cracks on the surface, can be measured or detected via the coded-magnetized measuring range of the shaft and the sensor (s), wherein these microstructural changes of the shaft cause changes in the coded-magnetized measuring range. This embodiment provides the advantage that the state of the shaft can be controlled. Any hairline cracks could adversely affect the measurement result or falsify it. According to a further special feature of the invention, the electric machine is designed as a control machine and the working machine, for example, a tunnel boring drive, an extruder or a crane drive. Of course, the work machine could also be an injection molding or calendering machine. By the execution of the electric machine as a rule machine is a
Drehzahl/Drehmoment geregelter Antrieb gegeben, der hochdynamisch und hochgenau arbeitet.Speed / torque controlled drive, which operates highly dynamically and with high precision.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Maschine als Regelmaschine ausgebildet und der Prüfling beispielsweise eineAccording to a further embodiment of the invention, the electrical machine is designed as a control machine and the test specimen, for example, a
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.Internal combustion engine, a transmission, a turbine or an electric machine. The advantage of this embodiment is, above all, that the efficiency or the losses can be accurately determined.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, an Hand dessen die Erfindung näher erläutert wird.In the drawing, an embodiment of the invention is shown, by means of which the invention is explained in more detail.
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.1 shows an electrical machine with a coded-magnetized measuring range of the shaft and the arrangement of the sensors, Fig. 2 shows the magnetization curve of the measuring range in the initial state and Fig. 3 shows the magnetization curve with externally applied torque.
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. 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 aufmag netisiertes 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 1.1, an electrical machine 1 is shown with its free end of the shaft 2. The shaft end 2 of the shaft 3 is mounted with bearings 4 in the housing 5 and in the bearing plate. The electric machine 1 serves as a testing machine, wherein the - not shown - test object or the working machine with the electric machine 1 via the shaft 3, with the interposition of at least one coupling element 6, such as a flange connected. For measuring torque, in particular torque and / or rotational speed and / or rotational angle information of a test object or a working machine, the test object or the working machine is flanged to the coupling element 6. The shaft 3 of the electric machine 1 has at least one or in front of a driven-side bearing region of the bearing 4 a coded-magnetized measuring range 7 as an actuator. In particular, the coded-magnetized measuring area 7 is provided outside the bearings 4. The coded-magnetized measuring area 7 is a magnetized magnetic field according to specified parameters. The application or introduction of the magnetic field takes place in accordance with the method indicated in the introduction in the prior art. The magnetic coding of the measuring range 7 takes place before the shaft 3 is installed in the electrical machine 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.The coded-magnetized measuring range 7 of the shaft 3 is determined according to the shaft diameter, wherein in particular the layer thickness in the shaft (3) is at least 1%, preferably 10%, of the shaft diameter. Furthermore, in particular, the length of the coded-magnetized measuring area 7 is determined in accordance with the shaft diameter.
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 Aufbereitungs- und Verarbeitungselektronik 9 verbunden.At least one sensor 8, preferably at least two sensors, which detect the magnetic information of the magnetic field, is provided in the region of this measuring region 7. The sensors 8 are preferably designed as a coil arrangement and evaluate the magnetic field-dependent inductance. Further, the or the sensors 8 are connected to a processing and processing electronics 9.
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.The coded-magnetized measuring area 7 of the shaft 3 and the sensors 8 are provided in a region free from other magnetic field influences. Of course, it goes without saying that in the sense of the technology, this means an extremely weak magnetic field.
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.With this device, a highly dynamic and above all highly accurate measurement possibility for the measurement of torque, in particular torque and / or rotational speed and / or rotational angle information of a specimen or a working machine is given. A serious advantage of this device is also to be seen in the fact that on the coded-magnetized measuring region 7 of the shaft 3 and the sensors 8 structural changes of the shaft 3, in particular cracks on the surface, are measurable or detectable. A constant control is guaranteed.
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.Another application is given when the electrical machine 1 is designed as a control machine and the machine is for example a tunnel boring drive, an extruder or a crane drive. With this embodiment of the electric machine 1 as a control machine, a speed / torque controlled drive is given, which operates highly dynamically and highly accurate.
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.Further applications are given when the electrical machine is designed as a control machine and the candidate is, for example, an internal combustion engine, a transmission, a turbine or an electric machine.
Nachstehend wird kurz das Verfahren zur Messung von Momenten-, insbesondere Drehmomenten- und/oder Drehzahl- und/oder Drehwinkelinformationen eines Prüflings oder einer Arbeitsmaschine aufgezeigt.The method for measuring torque, in particular torque and / or rotational speed and / or rotational angle information of a test object or a work machine is briefly shown below.
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.The prerequisite for the functioning of this method is a ferromagnetic material for the machine shaft. These materials have the property that after application of an external magnetic field, a magnetization of the material, the so-called remanence, remains upright.
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.The ferromagnetic wave 3 is magnetically coded in a region, the measuring region 7, by introducing there an axial current pulse, which results in a radially extending magnetic field. After the end of the current pulse, a radial magnetization thus remains, which closes in the interior of the shaft 3.
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.The time-varying axial current pulse is not uniformly distributed over the cross section due to eddy current effects, but it flows substantially only from the surface up to a certain penetration depth. A second current pulse in opposite direction to the first and with a different time course thus also has a different penetration depth. The magnetization, according to this pulse, thus points in the opposite direction and is also at a different radial distance from the shaft center, as the remanence of the first current pulse. With this procedure, two oppositely magnetized areas can be set at different depths in the shaft, which corresponds to a constellation which is usually used for a good measuring effect.
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 dieFor torque measurement, the effect of the inverse magnetostriction is utilized. Due to a torque occurs in the shaft material to a torsional stress. The atoms of the ferromagnetic material are small elemental magnets and firmly anchored in the crystal lattice. Due to the torsional stress acting on the crystal lattice, the
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.Elementarmagnete realigned, so that the original, purely radial magnetization now undergoes an axial component. The field lines of this axial magnetization emerge from the magnetically coded portion of the shaft and close both through the shaft interior, as well as over air.
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.In Fig. 2, this principle is indicated by means of a shaft 3, which has only one magnetization region, the measuring region 7, which is sufficient for the basic function. It is shown the initial state. The magnetization - indicated by the arrows 10 - and the resulting magnetic flux are purely radial and close concentrically in the shaft interior.
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. Fig. 3 shows the shaft 3, which transmits a torque. As before, the larger magnetization component of course remains the radially directed one. The added axial field - indicated by the arrows 11 - now runs partly over the shaft interior, where the material is not magnetically encoded, but also partially over air. The external axial magnetic field can be detected by the sensors 8 mounted near the shaft surface. These sensors 8 are coils with a thin ferromagnetic core, which change their electromagnetic properties by the magnetic field of the shaft 3. An evaluation or a processing and processing electronics 9 detects this behavior, which can be concluded on the torque back.
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