ТОРСИОМЕТР Советский патент 1947 года по МПК G01L3/24 

Для измерения мощности на валах гребных винтов, прокатных станов, станков и двигателей, в настоящее время нашли широкое применение торсиометры, основанные на измерении угла скручивания вала, пропорционального передаваемому валам моменту.

Одним из типов торсиометров, применяемых в современных установках, является фазовый. Принцип действия этого торсиометра состоит в следующем.

На валу устанавливаются два зубчатых диска-ротора А и В (фиг. 1). Около каждого диска смонтирован статор, имеющий обмотку возбуждения (W₁ и W₂) и рабочую обмотку или закладываемую в его пазы.

Каждый ротор и статор образует генератор переменного тока, в котором при вращении ротора магнитный поток, сцепленный с рабочей обмоткой, меняется, индуктируя в этой обмотке электродвижущую силу, зависящую от скорости вращения ротора. Каждый зубец ротора соответствует одному периоду изменения э. д. с. статора.

Пусть: Ω₀ - угловая скорость вращения ротора, W - число витков рабочей обмотки статора, D - диаметр ротора, В₁…В_ν - составляющие индукции в статоре (первая и ν-я гармоника), р - число зубцов ротора, ξ₁ и ξ_ν - обмоточные коэфициенты для 1-й и ν-й гармоник.

Электродвижущие силы обмоток первого и второго статора для угла скручивания вала α равны:

Обозначим произведения:

Тогда:

Если рабочие обмотки включить навстречу друг другу через магнитоэлектрический вольтметр (с твердым выпрямителем) с большим сопротивлением, то статоры будут находиться в режиме холостого хода, а малый ток, идущий через прибор, будет определяться средним значением электродвижущей силы на его зажимах за полупериод:

Так как:

то:

где Р - мощность, передаваемая валом, М - момент, скручивающий вал. Известно, что Р=MΩ₀; М=kα; рα≅sin pα, если pα<<30°.

Следовательно, в таком виде прибор для измерения мощности применить нельзя.

С другой стороны, применение магнито-электрического прибора с выпрямителем крайне выгодно, так как он дает возможность избежать погрешности измерения, возникающей вследствие переменного значения падения напряжения в обмотках статоров вследствие их нагрева или изменения скорости вращения вала.

Для обеспечения применения магнито-электрического вольтметра с выпрямителями предлагается, согласно данному изобретению, снабдить один из генераторов компенсационной обмоткой, расположенной на дополнительном статоре, и все три статора расположить друг относительно друга под углами, обеспечивающими прямую пропорциональность между средним значением э. д. с. в цепи измерительного прибора и углом закручивания вала.

На фиг. 1 дополнительным статором с обмоткой возбуждения W₃ и компенсационной обмоткой W_g снабжен левый генератор. Число витков обмотки W_g отличается от числа витков основных обмоток W_p.

Все три статора смещены на некоторый угол друг относительно друга.

Обмотки включаются по следующей схеме (фиг. 2): обе обмотки и W_g первого генератора согласно между собой (последовательно одна с другой) и встречно по отношению к обмотке второго генератора. Выбор угла сдвига статоров и числа витков дополнительной обмотки W_g базируется на выполнении следующих условий:

а) при отсутствии момента на валу сумма электродвижущих сил E₁ основной (рабочей) обмотки первого генератора. - дополнительной обмотки первого, генератора и Е₂ - обмотки второго генератора должна равняться нулю для любого мгновения (фиг. 4);

б) среднее значение суммы электродвижущих сил за полупериод для мощности Р>0 должно быть пропорционально этой мощности. Этим условиям возможно, например, удовлетворить, если:

1) дополнительную обмотку W_g первого генератора намотать с числом витков враз большим числа витков основной рабочей обмотки первого генератора (того же эффекта возможно добиться увеличением ампервитков обмотки возбуждения дополнительного статора или соответствующим уменьшением его воздушного зазора);

2) расположить статоры по отношению друг к другу со следующим сдвигом в электрических градусах: дополнительный статор по отношению к основному статору - со сдвигом, равным , а статор второго генератора по отношению к основному статору первого на угол , включив две обмотки первого генератора согласно между собой и навстречу обмотке второго генератора (фиг. 3).

При этом мы будем иметь: Е₁=E_m sin pΩ₀t;

Если α=0 (фиг. 4)

Если (фиг. 5), то

Среднее значение э. д. с. за полупериод будет равно:

если

sin pα≅pα=pkM,

то

E_med=c₁MΩ₀=cP.

Торсиометр фазового типа, состоящий из двух генераторов переменного тока с закрепляемыми на контролируемом валу роторами в виде зубчатых дисков и статорами, рабочие обмотки которых включены диференциально на электрический измерительный прибор, отличающийся тем, что, с целью получения прямой пропорциональности между средним значением электродвижущей силы в цепи измерительного прибора и углом закручивания вала, один из генераторов снабжен компенсационной обмоткой, расположенной на дополнительном статоре, и все три статора сдвинуты друг по отношению к другу на углы, обеспечивающие указанную зависимость.