Устройство для измерения крутящего момента на вращающихся валах Советский патент 1992 года по МПК G01L3/10 

Предлагаемое устройство для измерения крутящего момента на вращающихся валах может использоваться в информационно-измерительной технике, системах управления для измерения крутящего момента на любых вращающихся валах машин и механизмов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является известное устройство для измерения крутящего момента, в котором крутящий момент преобразуется в осевое перемещение кольцевого элемента с помощью упругой вставки на которой закреплен токопроводящий виток, и неподвижный кольцевой элемент, на котором размещены обмотки возбуждения и измерительная обмотка.

К недостаткам устройства для измерения крутящего момента на вращающихся валах относятся следующее; 1. низкая чувствительность, так как обмотки возбуждения размещенные на кольцевом элементе маг- нитопровода шунтируются внешним цилиндром в торцах которого обязательное размещение магнитных шунтов, крайне необходимых для компенсации квадратурной составляющей, неизбежно возникающей из-за неточности установки измерительной обмотки, относительно геометрического центра магнитопровода, это не удобно при мелкосерийном и серийном производствах.

Измерительная обмотка, расположенная вдоль внутреннего цилиндра магнитопровода, является распределенной и механически не регулируемой относительно ее геометрического центра, который совпадает с электромагнитной нейтралью, расположенной в средней части магнитопровода, где находится перемычка, которая представляет единое целое, что уменьшает чувствительность всего устройства в целом.

Укрепленное токопроводящее кольцо е центре упругой вставки, требует подвод магнитных потоков под это токопроводящее кольцо, причем зазор между ним и магнито- проводом должен быть минимальным, что трудно выдержать при сборке в мелкосерийном и серийном производстве и резко уменьшает чувствительность всего устройства.

ыЁ

V| VI

О vj

00 СЬ

Достаточно большое количество витков на обмотках возбуждения (по 400 витков) и на измерительной обмотке (2000 витков) на частоте 1500 Гц. Это приводит к увеличению комплексного выходного сопротивления, что при нагружении его на конечное выходное сопротивление усилителей, приводит к большим квадратурным искажениям.

Сложный профиль неподвижного кольцевого элемента, служащего магнитопрово- дом, требует глубокие внутренние проточки, необходимые для размещения в них обмоток возбуждения с достаточно большим количеством витков.

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и технологичности изготовления (значительное упрощение конструкции) при мелкосерийном и серийном производстве,

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем неподвижный кольцевой магнитопровод с обмоткой возбуждения и измерительной обмоткой, упругую вставку и подвижное токопроводящее кольцо, неподвижный кольцевой магнитопровод выполнен в виде обращенных друг к другу торцами двух цилиндров, в которых размещены обмотки возбуждения и измерительные обмотки, а подвижное токопроводящее кольцо является экраном, закрепленным в геометрическом центре упругой вставки и охватывающим ее. При этом а устройстве для измерения крутящего момента на вращающихся валах отсутствуют какие либо регулирующие элементы, типа магнитных шунтов, и т.д., что является важнейшим свойством подобных конструкций при мелкосерийном и серийном производстве.

На чертеже представлено устройство для измерения крутящего момента на вращающихся валах.

Оно состоит из кольцевого элемента 1, крышек 2, со втулками 3 с запрессованными в них подшипниками качения 4, закрытыми с двух сторон пыльниками 5, два симметрично расположенных цилиндра, торцами обращенных друг к другу, служащих магнитопроводами 6 с обмотками возбуждения 1, соединенных между собой по дифференциальной схеме, и измерительными обмотками 8 соединенных между собой также по дифференциальной схеме, подвижное токопроводящее кольцо, являющееся экраном 9 укрепленное на сухаре 10, которое в свою очередь жестко закреплено в центре упругой вставки 11, место крепления упругой вставки точечной сваркой 12 к валу 13, передающий усилие.

Устройство работает следующим образом.

При подаче переменного напряжения прямоугольной формы со скважностью 2 в

обмотки возбуждения 7, включенные между собой по дифференциальной схеме в неподвижных кольцевых элементах, выполненных в виде двух цилиндров, торцами обращенными друг к другу 6, служащих маг0 нитопроводом, симметрично расположенных, возникают два магнитных потока, направленных встречно друг к другу противоположного направления. Эти два магнитных потока экранируются друг от друга

5 подвижным токопроводящим кольцом, являющимся экраном 9 и располагающимся между ними. Подвижнйе токопроводящее кольцо, являющееся экраном 9 экранирует магнитный поток и замыкает по своей по0 верхности торцы двух неподвижных цилиндров кольцевого элемента 6 с двух сторон симметрично, находясь в магнитной нейтрали. Так как это подвижное токопроводящее кольцо, являющееся экраном 9, располага5 ется симметрично относительно геометрического центра кольцевого элемента, jo он автоматически оказывается в магнитной нейтрали, и э.д.с. в измерительные обмотки 8 не наводится. Измерительные обмотки 8

0 состоят из двух секций и выполняются так же, как обмотки возбуждения 7,т .е. включаются между собой по дифференциальной схеме включения. За счет выпучивания магнитных потоков, краевых эффектов и не иде5 альной симметрией расположения неподвижных кольцевых элементов 6 частично э.д.с. будет наводиться в измерительные обмотки 8, но так как они включаются по дифференциальной схеме, то при идеэ0 лизации характера процессов можно принять, что через экран магнитный поток не проходит, а э.д.с., возникающая в обеих половинках измерительных обмоток, взаимно компенсируется и равна нулю.

5 При вращении в подшипниках качения 4 вала 13с ним соответственно вращается и упругая вставка 11, так как она жестко связана с валом 13 при помощи точечной сварки 12. В центре упругой вставки 11 через

0 сухарь 10 закреплено подвижное токопроводящее кольцо, являющееся экраном 9, которое также начинает вращаться.

Рассматривая случай, когда подвижное токопроводящее кольцо, являющееся экра5 ном 9, вращаясь, находится в установившемся режиме, т.е. скорость вращения вала 12с упругой вставкой 11, а значит и подвижное токопроводящее кольцо, являющееся экраном 9, величина постоянная и не изменяется во времени. Если скорость вращения

подвижного токопроводящего кольца, являющееся экраном, является в данном случае к.з. витком для э.д.с., наводимого в нем, величина постоянная, то э.д.с. в электрической цепи подвижного токопроводящего кольца, являющемся экраном тоже величина постоянная и соответственно вызывает постоянную составляющую магнитного потока, который не наводит э.д.с, в измерительную обмотку. Для доказательства запишем для подвижного токопроводящего кольца, являющееся экраном уравнение его электрической цепи:J wWR Ф(о)+2 0 (1). где Z - собственное комплексное электрическое сопротивление к.з. витка, которое об- разует подвижное токопроводящее кольцо, являющееся экраном,

I - ток, протекающий в подвижном токо- проводящем экране,

R - отношение наружного диаметра по- движного токопроводящего экрана к внутреннему D/d R.

ф- магнитный поток, проходящий через подвижный токопроводящий экран;

а- частота электромагнитного поля,

W - виток подвижного токопроводящего экрана, приведенного к теоретическому виду, т.е. идеализированный.

Такое расположение магнитной системы, в данном случае два неподвижных коль- цевых элемента, обеспечивает в устройстве для измерения крутящего момента на вращающихся валах, потокосцепление, близкое к линейному, поэтому для потока Ф(0) на каждом участке подвижного токопрово- дящего экрана будет правомерно и необходимое для качественного анализа объяснение процессов, протекающих в подвижном токопроводящем экране при условии: Zf - 0, то для полного импеданса подвижного токопроводящего экрана

Z Г+ j О) т.э.

(2)

где г- активная составляющая сопротивле- 45 ния подвижного токопроводящего экрана;

Ln.T.3. - индуктивная (реактивная) составляющая подвижного токопроводящего экрана сопротивления; выполняя условие равенства, запишем50

Ъ j ш п т.э

(3)

правомерно записать в операторной форме55

вп.т.э. «п.т.э. VB

(4)

где 1п.тэ. отрезок проводника подвижного токопроводящего экрана, условно принимаемый элементарный участок,

вп.т.э - Э.д.с.. возникающая в подвижном токопроводящем экране.

Выражение (4) получено имитационным путем параметров эквивалентных за- мещэния.

V - вектор скорости вращения подвижного токопроводящего экрана внутри мэг- нитопровода, которое выполняет неподвижный кольцевой элемент;

В - вектор магнитной индукции для однородного поля, где

R- Ф

в s;SH площадь, нормальная к направлению магнитного потока, прошедшего через толщину подвижного токопроводящего кольцевого элемента.

Как видно из выражения (4). э.д с., наведенная в измерительные обмотки от вращения подвижного токопроводящего экрана, инвариантна к скорости вращения подвижного токопроводящего экрана.расположенного в магнитной нейтрали. Если подвижный токопроводящий экран, вращаясь, не выходит за геометрический центр, в котором располагается магнитная нейтраль и его торцы не выходят за края магнитного потока, то э.д.с. в измерительную обмотку не наводится. Это равноценно скольжению подвижного токопроводящего экрана вдоль магнитных силовых линий не пересекая их.

Поскольку всегда имеет место подвижный токопроводящий экран (круглый тонкостенный фланец, выполненный токарным способом), геометрический центр которого совпадает с геометрическим центром магнитной нейтрали и не выходит за геометрические размеры нейтрали, а как бы находится внутри нейтрали, то э.д.с. на выходе измерительных обмоток будет иметь место только в том случае, когда непараллельность изготовления подвижного токопроводящего экрана, или его неточной установки в центре упругой вставки при его вращении вызывает флуктуацию торцов этого элемента. Если при вращении подвижного токопроводящего экрана, находится внутри неподвижного кольцевого элемента выполненного в виде двух цилиндров, служащих магнитопроводом. при непараллельности его изготовления, будет описывать движения, схожие с движениями, возникающими от внешних возбуждений, и описываются уравнением: sin am KRn т.э. где К - коэффициент, характеризующий непараллельность торцов подвижного токопроводя- щего экрана;

Яп.т.э. - радиус подвижного токопрово- дящего экрана,

то это приведет к изменению фазы между измерительными обмотками и обмотками возбуждения.

Существует также частный случай работы описываемого устройства для измерения крутящего момента на вращающихся валах это когда вал с укрепленными на нем упругой вставкой и подвижным токопроводящим экраном не вращается, а только испытывает нагрузку, приложенную внешним моментом сил. Этот случай будет адекватен работе устройства для измерения крутящего момента на вращающихся валах в динамическом режиме, т.к. скорость вращения не вносит искажений и соответственно не наводит э.д.с. в измерительные обмотки.

Далее под воздействием нагрузки упругая вставка 11 будет деформироваться и ее средняя часть с укрепленным в этом месте подвижным токопроводящим экраном будет перемещаться в ту или иную сторону, уменьшая зазор с одной стороны и увеличивая его с другой стороны. Зазор будет изменяться и между торцами неподвижного кольцевого элемента. При этом разность магнитных потенциалов в правых и левых обмотках, где располагаются измерительные обмотки, равны нулю и потоки Ф| и Фг (условно показаны пунктирными линиями) полностью проходят через зазор. При симметрии подвижного токопроводя- щего экрана от геометрического центра магнитное сопротивление левых и правых зазоров по обе стороны от подвижного то- копроводящего экрана становятся разными, вследствие чего появляется разность потенциалов магнитных и через измерительную обмотки проходит рабочий магнитный поток Фр. Соответственно в измерительных обмотках наведется э.д.с. пропорциональная изменению крутящего

момента возникающего на валу в момент нагрузки (то есть в момент прикладываемого усилия).

Сфера применения устройств для измерения крутящего момента на вращающихся

валах довольно разнообразна. Предлагаемое устройство для измерения крутящего момента на вращающихся валах отвечает всем требованиям, предъявляемым к аналогичным устройствам. Это хорошая разрешающая способность .всего устройства в целом, большая чувствительность, что исключает применение, особенно в системах автоматического регулирования, усилителей, а технологичность изделия резко уменьшает себестоимость устройства, что

очень важно при мелкосерийном и серийном производствах.

Формула изобретения

Устройство для измерения крутящего момента на вращающихся валах, содержащее неподвижный кольцевой магнитопро- вод с обмоткой возбуждения и измерительной обмоткой, упругую вставку и подвижное токопроводящее кольцо, отличающееся тем. что. с целью повышения чувствительности и технологичности, неподвижный кольцевой магнитопровод выполнен в виде обращенных друг к другу торцами двух цилиндров, в которых размещены обмотки возбуждения и измерительные обмотки, а подвижное токопроводящее кольцо является экраном, закрепленным в геометрическом центре упругой вставки и охватывающим ее.

Сущность изобретения; устройство содержит неподвижный кольцевой магнито- провод, который выполнен в виде обращенных друг к другу торцами двух цилиндров (6) с обмотками возбуждения (7) и измерительными обмотками (8). упругую вставку (1) и подвижные бакопроводящее кольцо, являющееся экраном (9), закрепяен- ным в геометрическом центре упругой вставки (11) и охватывающим ее. 1 ил.