МАГНИТОУПРУГИЙ ДАТЧИК КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА Российский патент 2003 года по МПК G01L3/10 

Изобретение относится к измерительно-преобразовательной технике и может быть использовано в электротехнической, машиностроительной, химической и других отраслях промышленности.

Известно устройство для измерения мощности на валу, содержащее преобразователь угла скручивания магнитоупругого вала (см. а.с. 575509, МКИ G 01 L 3/24, приоритет от 15.05.75, опубл. 05.10.77, БИ 37). Однако данное устройство имеет сложную конструкцию.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и технической сущности предлагаемого изобретения является магнитоупругий датчик крутящего момента, содержащий кольцевую магнитную систему и чувствительный элемент в виде ферромагнитного вала с размещенной на нем обмоткой (см. а.с. 1183844, МПК G 01 L 3/10, приоритет от 08.02.84, опубл. 07.10.85, БИ 37), принятый нами за прототип. На статоре датчика размещены две секции обмотки возбуждения и измерительной обмотки. Чувствительный элемент выполнен в виде ферромагнитного вала, обладающего магнитоупругими свойствами, с размещенной на нем, концентрично валу, двухсекционной обмоткой, причем каждая из секций электрически замкнута на участок вала, образуя короткозамкнутые контуры. Направления навивки проводников в секциях правое и левое. Секции чувствительного элемента расположены под соответствующими секциями измерительной обмотки.

Недостатком представленного выше датчика является высокая потребляемая мощность обмотки возбуждения. Это объясняется тем, что короткозамкнутые контуры на валу являются вторичными обмотками трансформаторов, первичными обмотками которых являются секции обмотки возбуждения. Такие трансформаторы, работающие в режиме короткого замыкания, потребляют от источника питания значительную мощность независимо от наличия крутящего момента на валу.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение мощности, потребляемой обмоткой возбуждения магнитоупругого датчика момента.

Для достижения, обеспечиваемого изобретением, технического результата в магнитоупругом датчике крутящего момента, содержащем двухсекционный кольцевой магнитопровод с расположенными во внутренней полости секциями обмотки возбуждения и секциями измерительной обмотки, чувствительный элемент, выполненный в виде магнитоупругого вала и установленный с возможностью вращения, а также расположенную на чувствительном элементе двухсекционную обмотку, секции обмотки чувствительного элемента выполнены взаимосвязанными последовательно-встречно и образуют замкнутый электрический контур.

Магнитоупругий вал выполнен полым с радиальными отверстиями для пропуска проводника, соединяющего секции обмотки чувствительного элемента.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения и прототипа показал, что предлагаемое изобретение содержит следующие существенные отличия:
- секции обмотки чувствительного элемента соединены между собой последовательно-встречно и образуют замкнутый электрический контур;
- магнитоупругий вал выполнен полым с радиальными отверстиями для пропуска проводника, соединяющего секции обмотки чувствительного элемента.

В замкнутом электрическом контуре чувствительного элемента предлагаемого датчика при отсутствии момента на валу ток не протекает, т.е. образуется трансформатор, работающий в режиме холостого хода.

Таким образом, в предлагаемом изобретении устранены короткозамкнутые контуры, потребляющие дополнительную мощность.

На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого датчика, на фиг.2 представлена векторная диаграмма, показывающая изменение магнитной индукции в материале вала при нагружении вала крутящим моментом.

Магнитоупругий датчик крутящего момента содержит магнитоупругий вал 1, на котором концентрично размещена двухсекционная обмотка 2а и 2б чувствительного элемента. Секции обмотки 2а и 2б имеют равное количество витков и противоположное направление намотки. Противоположные концы секций обмотки соединены между собой посредством проводника 3, проходящего через аксиальное и радиальные отверстия вала и образующего с обмоткой 2а, 2б замкнутый контур.

Секции обмотки 2а, 2б расположены под двумя секциями неподвижной измерительной обмотки 4а и 4б. Под секциями измерительной обмотки 4а, 4б расположены секции обмотки возбуждения 5а и 5б, соединенные последовательно-согласно. Измерительные обмотки 4а, 4б и обмотки возбуждения 5а, 5б заключены в цилиндрический экран-магнитопровод 6. Для уменьшения потоков рассеяния установлены ферромагнитные шайбы 7. Секции 4а, 4б измерительной обмотки и обмотки возбуждения 5а, 5б разделены между собой ферромагнитным экраном-шайбой 8.

Магнитоупругий датчик крутящего момента работает следующим образом.

При отсутствии крутящего момента секции обмотки возбуждения 5а, 5б создают переменный магнитный поток аксиального направления магнитными индукциями B₀₁, В₀₂, наводящий в секциях 2а, 2б обмотки чувствительного элемента две равные и встречно направленные ЭДС. Ток в замкнутом электрическом контуре чувствительного элемента, образованном секциями 2а, 2б обмотки и проводником 3, при этом не протекает.

При нагружении вала 1 крутящим моментом вследствие магнитоупругого эффекта возникает анизотропия магнитных свойств магнитоупругого материала вала по направлениям растяжения и сжатия, расположенных под углом ±45^o к оси вала. Для вала, выполненного из конструкционной стали, например Ст20, в направлении растягивающих напряжений магнитная проницаемость возрастает, а в направлении сжимающих напряжений снижается. Вследствие этого происходит поворот векторов магнитной индукции магнитоупругого вала 1 в положение B₀₁, B₀₂ соответственно направлению увеличивающейся магнитной проницаемости на угол α, величина которого возрастает с увеличением крутящего момента. Векторы магнитных индукций B₀₁, B₀₂ имеют тангенциальные составляющие B_С1, B_С2, создающие ЭДС и, как следствие, ток в замкнутом электрическом контуре чувствительного элемента. Ток соединенных последовательно-встречно секций 2а, 2б чувствительного элемента создает направленные встречно друг другу магнитные индукции B₀₃, B₀₄. Ввиду соосности обмоток чувствительного элемента и возбуждения, векторы магнитных индукций B₀₃, B₀₄ также повернуты относительно оси вала, как и векторы магнитных индукций B₀₁, B₀₂.

Результирующие векторы магнитных индукций B"₀₁=B"₀₁+В₀₃, В"₀₂=В"₀₂+В₀₄ имеют разную величину. Соответственно разную величину имеют их аксиальные составляющие B₁, B₂ и ЭДС, возбуждаемые в секциях 4а, 4б измерительной обмотки. Разность этих ЭДС является выходным сигналом магнитоупругого датчика крутящего момента.

Как видно из векторной диаграммы, при изменении знака крутящего момента изменяется знак угла α, а также направления тангенциальных составляющих магнитных индукций B_С1, B_С2 на противоположные. Соответственно изменяется на противоположный знак разности ЭДС секций 4а, 4б измерительной обмотки.

Снижение мощности, потребляемой обмоткой возбуждения, позволяет уменьшить расход активных материалов - стали и меди, и снизить соответственно массу и габариты магнитоупругого датчика крутящего момента. Снижается также мощность источника питания обмотки возбуждения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в электротехнической, машиностроительной, химической и других отраслях промышленности. Датчик содержит двухсекционный кольцевой магнитопровод, чувствительный элемент, выполненный в виде магнитоупругого вала. Во внутренней полости кольцевого магнитопровода расположены секции обмотки возбуждения и измерительной обмотки. На магнитоупругом валу расположена двухсекционная обмотка, секции которой выполнены взаимосвязанными последовательно-встречно и образуют замкнутый электрический контур. Магнитоупругий вал выполнен полым с радиальными отверстиями для пропуска проводника, соединяющего секции обмотки чувствительного элемента. Технический результат заключается в снижении мощности, потребляемой обмоткой возбуждения магнитоупругого датчика. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Магнитоупругий датчик крутящего момента, содержащий двухсекционный кольцевой магнитопровод с расположенными во внутренней полости секциями обмотки возбуждения и секциями измерительной обмотки, чувствительный элемент, выполненный в виде магнитоупругого вала и установленный с возможностью вращения, а также расположенную на чувствительном элементе двухсекционную обмотку, чувствительного элемента отличающийся тем, что секции обмотки чувствительного элемента взаимосвязаны последовательно-встречно и выполнены в виде замкнутого электрического контура. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что магнитоупругий вал выполнен полым с радиальными отверстиями для пропуска проводника, соединяющего секции обмотки чувствительного элемента.