DE102015200268B3

DE102015200268B3 - Arrangement for measuring a force or a moment with a magnetic field sensor and with a magnetic field guide element

Info

Publication number: DE102015200268B3
Application number: DE102015200268.3A
Authority: DE
Inventors: Jan Matysik; Christian Mock; Stephan Neuschaefer-Rube
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2035-01-13
Also published as: WO2016112901A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse (01) erstreckenden Maschinenelement (02). Die Messung der Kraft und/oder des Momentes erfolgt unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Das Maschinenelement (02) weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse (01) herum erstreckende Magnetisierungsbereiche (04) für eine Magnetisierung auf. Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens zwei axial zueinander beabstandete Magnetfeldsensoren (06), welche jeweils einem der Magnetisierungsbereiche (04) gegenüberstehen und jeweils zur Messung zumindest eine Komponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind. Erfindungsgemäß ist zwischen den Magnetfeldsensoren (06) jeweils ein Magnetfeldleitelement (09) ausgebildet.The present invention relates to an arrangement for measuring a force and / or a moment on a machine element (02) extending in an axis (01). The measurement of the force and / or the moment takes place using the inverse-magnetostrictive effect. The machine element (02) has at least two magnetization regions (04) extending around the axis (01) in the circumferential direction for magnetization. The arrangement further comprises at least two axially spaced-apart magnetic field sensors (06), each facing one of the magnetization regions (04) and each for measuring at least one component of a caused by the magnetization and by the force and / or caused by the moment magnetic field. According to the invention, a magnetic field guide element (09) is formed in each case between the magnetic field sensors (06).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Die Anordnung umfasst einen Magnetfeldsensor, der gemeinsam mit einem Magnetfeldleitelement einem Magnetisierungsbereich am Maschinenelement gegenübersteht. Die Messung der Kraft und/oder des Momentes erfolgt unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes.The present invention relates to an arrangement for measuring a force and / or moment on a machine element extending in an axis. The arrangement comprises a magnetic field sensor which, together with a magnetic field guide element, faces a magnetization region on the machine element. The measurement of the force and / or the moment takes place using the inverse-magnetostrictive effect.

Die EP 2 365 927 B1 zeigt ein Tretlager mit zwei Tretkurbeln und mit einem Kettenblattträger, der mit einer Welle des Tretlagers verbunden ist. Der Kettenblattträger ist drehfest mit einer Kettenblattwelle verbunden, die wiederum drehfest mit der Welle verbunden ist. Die Kettenblattwelle weist abschnittsweise eine Magnetisierung auf. Es ist ein Sensor vorgesehen, der eine Änderung der Magnetisierung bei einem im Bereich der Magnetisierung vorliegenden Drehmoment erfasst.The EP 2 365 927 B1 shows a bottom bracket with two cranks and a chainring carrier, which is connected to a shaft of the bottom bracket. The chainring carrier is rotatably connected to a chainring shaft, which in turn is rotatably connected to the shaft. The sprocket shaft has a section on a magnetization. A sensor is provided which detects a change in the magnetization at a torque present in the region of the magnetization.

Die US 6,490,934 B2 lehrt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmomentes, welches auf ein Element mit einem ferromagnetischen, magnetostriktiven und magnetoelastisch aktiven Bereich wirkt. Dieser Bereich ist in einem Messwandler ausgebildet, der als zylindrische Hülse beispielsweise auf einer Welle sitzt. Der Drehmomentsensor steht dem Messwandler gegenüber und umfasst bevorzugt ein Joch, welches aus zwei rechtwinkligen Segmenten besteht und dafür sorgen soll, dass der vom Messwandler herrührende magnetische Fluss effizient in den Drehmomentsensor geleitet wird.The US Pat. No. 6,490,934 B2 teaches a magnetoelastic torque sensor for measuring torque acting on an element having a ferromagnetic, magnetostrictive and magnetoelastically active region. This area is formed in a transducer, which sits as a cylindrical sleeve, for example on a shaft. The torque sensor faces the transducer and preferably includes a yoke, which consists of two rectangular segments and is intended to ensure that the magnetic flux originating from the transducer is efficiently conducted into the torque sensor.

Aus der EP 0 803 053 B1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der einen magnetoelastischen Messwandler umfasst. Der Messwandler sitzt als zylindrische Hülse auf einer Welle. Der Drehmomentsensor umfasst bevorzugt ein Joch, welches aus zwei rechtwinkligen Segmenten besteht. Das Joch soll den magnetischen Fluss zum Drehmomentsensor leiten.From the EP 0 803 053 B1 For example, a torque sensor comprising a magnetoelastic transducer is known. The transducer sits as a cylindrical sleeve on a shaft. The torque sensor preferably comprises a yoke, which consists of two rectangular segments. The yoke is intended to conduct the magnetic flux to the torque sensor.

Die US 8,087,304 B2 lehrt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor, bei welchem der Einfluss eines äußeren Magnetfeldes unterdrückt werden soll. Hierfür umfasst der Drehmomentsensor drei einzelne Magnetfeldsensoren, die unterschiedlich ausgerichteten umlaufenden Magnetisierungen gegenüberstehen.The US 8,087,304 B2 teaches a magnetoelastic torque sensor in which the influence of an external magnetic field is to be suppressed. For this purpose, the torque sensor comprises three individual magnetic field sensors, which face differently aligned circumferential magnetizations.

Die DE 10 2012 211 000 A1 betrifft eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelementes. Das Maschinenelement weist eine Permanentmagnetisierung auf, die in der Achse oder radial zur Achse ausgerichtet ist, und deren durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkte Magnetfeld von einem Magnetfeldsensor gemessen werden kann.The DE 10 2012 211 000 A1 relates to an arrangement for measuring a force and / or moment on a machine element extending in an axis. The machine element has a permanent magnetization which is aligned in the axis or radially to the axis, and whose magnetic field caused by the force and / or by the moment can be measured by a magnetic field sensor.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Genauigkeit der Messung von Kräften und/oder Momenten auf der Basis des invers-magnetostriktiven Effektes zu erhöhen, ohne dafür einen aufwändigeren Sensor verwenden zu müssen.The object of the present invention, starting from the prior art, is to increase the accuracy of the measurement of forces and / or moments on the basis of the inverse-magnetostrictive effect, without having to use a more complex sensor.

Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.The above object is achieved by an arrangement according to the appended claim 1.

Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Die Achse bildet bevorzugt eine Rotationsachse des Maschinenelementes.The arrangement according to the invention serves to measure a force and / or a moment on a machine element extending in an axis. The force or the moment acts on the machine element, which leads to mechanical stresses and the machine element usually deforms slightly. The axis preferably forms an axis of rotation of the machine element.

Erfindungsgemäß weist das Maschinenelement mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für eine im Maschinenelement ausgebildete Magnetisierung auf. Es handelt sich somit um mehrere die Achse umlaufende Magnetisierungsbereiche, wobei die Achse selbst bevorzugt nicht einen Teil der Magnetisierungsbereiche bildet. Die Magnetisierungsbereiche weisen jeweils eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Die Magnetisierungsbereiche weisen jeweils bevorzugt ausschließlich eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Die Magnetisierungsbereiche erstrecken sich jeweils bevorzugt entlang eines geschlossenen Pfades um die Achse herum, wobei der jeweilige Magnetisierungsbereich kurze Lücken aufweisen darf. Die Magnetisierungsbereiche bilden jeweils einen Primärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes. Die Magnetisierungsbereiche können wegen ihrer umfänglichen Ausbildung auch als Magnetisierungsspuren angesehen werden.According to the invention, the machine element has at least two magnetization areas extending circumferentially about the axis for a magnetization formed in the machine element. It is thus a plurality of magnetization areas revolving around the axis, wherein the axis itself preferably does not form part of the magnetization areas. The magnetization regions each have a tangential orientation with respect to a surface of the machine element extending around the axis. The magnetization regions preferably each have exclusively a tangential orientation with respect to a surface of the machine element extending around the axis. The magnetization regions preferably each extend along a closed path around the axis, the respective magnetization region being allowed to have short gaps. The magnetization regions each form a primary sensor for determining the force or the moment. The magnetization regions can also be regarded as traces of magnetization because of their circumferential formation.

Erfindungsgemäß umfasst die Anordnung weiterhin mindestens zwei Magnetfeldsensoren, welche jeweils einen Sekundärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes bilden. Die Primärsensoren, d. h. die Magnetisierungsbereiche dienen zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während die Sekundärsensoren die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglichen. Die Magnetfeldsensoren stehen jeweils einem der Magnetisierungsbereiche gegenüber, sodass sie sich jeweils an einer gleichen axialen Position wie der zugehörige Magnetisierungsbereich befinden. Somit sind die Magnetfeldsensoren gegenüber den Magnetisierungsbereichen radial versetzt. Die Magnetfeldsensoren sind jeweils zur Messung zumindest einer Komponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Die Eignung der Magnetfeldsensoren zur Messung der mindestens einen Komponente des Magnetfeldes kann unmittelbar oder mittelbar ausgebildet sein. Das genannte Magnetfeld tritt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auf. Somit beruht die mit der erfindungsgemäßen Anordnung mögliche Messung auf dem invers-magnetostriktiven Effekt.According to the invention, the arrangement further comprises at least two magnetic field sensors which each form a secondary sensor for determining the force or the moment. The primary sensors, ie the magnetization regions serve to convert the force to be measured or the moment to be measured into a corresponding magnetic field, while the secondary sensors allow the conversion of this magnetic field into electrical signals. The magnetic field sensors each face one of the magnetization regions, so that they are each located at a same axial position as the associated magnetization region. Consequently the magnetic field sensors are radially offset from the magnetization regions. The magnetic field sensors are each designed to measure at least one component of a magnetic field caused by the magnetization and by the force and / or by the moment. The suitability of the magnetic field sensors for measuring the at least one component of the magnetic field can be formed directly or indirectly. The said magnetic field occurs due to the inverse magnetostrictive effect. Thus, the possible with the inventive arrangement measurement based on the inverse magnetostrictive effect.

Erfindungsgemäß ist zwischen zwei benachbarten der mehreren Magnetfeldsensoren jeweils ein Magnetfeldleitelement angeordnet. Das jeweilige Magnetfeldleitelement ist in zwei magnetischen Kreisen angeordnet; nämlich in den beiden magnetischen Kreisen, die jeweils durch die beiden benachbarten der mehreren Magnetfeldsensoren mit den jeweilig zugehörigen Magnetisierungsbereichen ausgebildet werden. Das eine Magnetfeldleitelement bzw. die mehreren Magnetfeldleitelemente verringern jeweils den magnetischen Widerstand zwischen den Magnetfeldsensoren und den jeweilig zugehörigen Magnetisierungsbereichen. Das mindestens eine Magnetfeldleitelement ist mit den beiden der mehreren Magnetfeldsensoren, zwischen denen es angeordnet ist, magnetisch gekoppelt und bevorzugt auch mechanisch mit diesen fest verbunden. Alternativ bevorzugt ist das mindestens eine Magnetfeldleitelement mit den beiden der mehreren Magnetfeldsensoren, zwischen denen es angeordnet ist, magnetisch gekoppelt, aber mechanisch mit dem Maschinenelement fest verbunden.According to the invention, a magnetic field conducting element is arranged in each case between two adjacent ones of the plurality of magnetic field sensors. The respective magnetic field guiding element is arranged in two magnetic circuits; namely in the two magnetic circuits, which are each formed by the two adjacent ones of the plurality of magnetic field sensors with the respectively associated magnetization regions. The one magnetic field guiding element or the plurality of magnetic field guiding elements respectively reduce the magnetic resistance between the magnetic field sensors and the respective associated magnetizing regions. The at least one magnetic field guiding element is magnetically coupled to the two of the plurality of magnetic field sensors, between which it is arranged, and preferably also mechanically connected thereto. Alternatively, preferably, the at least one magnetic field guiding element with the two of the plurality of magnetic field sensors, between which it is arranged, is magnetically coupled, but mechanically firmly connected to the machine element.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass das Signal-Rausch-Verhältnis einer Messung auf der Basis des invers-magnetostriktiven Effektes mithilfe von einfachen Komponenten deutlich erhöht werden kann.A particular advantage of the arrangement according to the invention is that the signal-to-noise ratio of a measurement based on the inverse-magnetostrictive effect can be significantly increased by means of simple components.

Bevorzugt sind die umlaufenden Magnetisierungsbereiche axial zueinander beabstandet und nebeneinander angeordnet. Sie unterscheiden sich bevorzugt ausschließlich in ihrer Polarität, d. h. in ihrem Umlaufsinn. Bevorzugt weisen die jeweils benachbarten der Magnetisierungsbereiche entgegengesetzte Polaritäten auf, sodass die Polarität der Magnetisierung zwischen den Magnetisierungsbereichen wechselt.The circulating magnetization regions are preferably axially spaced from one another and arranged next to one another. They preferably differ only in their polarity, d. H. in their sense of circulation. The respectively adjacent polarities of the magnetization regions preferably have opposite polarities, so that the polarity of the magnetization changes between the magnetization regions.

Die Magnetisierungsbereiche können permanent oder temporär magnetisiert sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Magnetisierungsbereiche permanent magnetisiert, sodass die Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist. Hierfür bestehen die Magnetisierungsbereiche bevorzugt aus einem magnetisch harten oder magnetisch halbharten Werkstoff. Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung weist diese weiterhin einen Magneten zum Magnetisieren der Magnetisierungsbereiche auf, sodass die Magnetisierung der Magnetisierungsbereiche grundsätzlich temporär ist. Der Magnet kann durch einen Permanentmagneten oder bevorzugt durch einen Elektromagneten gebildet sein.The magnetization regions can be permanently or temporarily magnetized. In preferred embodiments of the arrangement according to the invention, the magnetization regions are permanently magnetized, so that the magnetization is formed by a permanent magnetization. For this purpose, the magnetization regions preferably consist of a magnetically hard or magnetically semi-hard material. In alternatively preferred embodiments of the arrangement according to the invention, this further comprises a magnet for magnetizing the magnetization regions, so that the magnetization of the magnetization regions is basically temporary. The magnet may be formed by a permanent magnet or preferably by an electromagnet.

Die permanent oder temporär magnetisierten Magnetisierungsbereiche sind in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb des Magnetisierungsbereich bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb der Magnetisierungsbereiche messbar ist.The permanently or temporarily magnetized magnetization regions are preferably magnetically neutral in a state of the machine element which is unloaded by a force or momentarily outside the magnetization region, so that no technically relevant magnetic field outside the magnetization regions can be measured.

Die Magnetisierungsbereiche stellen bevorzugt jeweils einen Teil des Volumens des Maschinenelementes dar, sodass sie jeweils einen integralen Bestandteil des Maschinenelementes bilden. Somit sind die Magnetisierungselemente bevorzugt nicht als zusätzliches Bauteil auf das Maschinenelement aufgebracht, wenngleich dies grundsätzlich möglich ist.The magnetization areas preferably each represent a part of the volume of the machine element, so that they each form an integral part of the machine element. Thus, the magnetization elements are preferably not applied as an additional component on the machine element, although this is possible in principle.

Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt jeweils einzeln in einem axialen Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet.The magnetization regions are preferably each formed individually in an axial section of the machine element.

Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt jeweils ringförmig ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine mittlere Achse der jeweiligen Ringform bildet. Besonders bevorzugt weisen die Magnetisierungsbereiche jeweils die Form eines zur Achse des Maschinenelementes koaxialen Hohlzylinders auf.The magnetization regions are preferably each annular, wherein the axis of the machine element also forms a central axis of the respective ring shape. Particularly preferably, the magnetization regions each have the shape of a hollow cylinder coaxial with the axis of the machine element.

Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse des Maschinenelementes auf. Grundsätzlich können die Magnetfeldsensoren außerhalb des Maschinenelementes oder auch innerhalb eines Hohlraumes des Maschinenelementes angeordnet sein, beispielsweise wenn das Maschinenelement durch eine Hohlwelle gebildet ist.The magnetic field sensors preferably have an equal distance from the axis of the machine element. In principle, the magnetic field sensors can be arranged outside the machine element or even within a cavity of the machine element, for example when the machine element is formed by a hollow shaft.

Bevorzugt ist jeweils zwischen zwei axial benachbarten der Magnetfeldsensoren genau eines der Magnetfeldleitelemente angeordnet. Die benachbarten Magnetfeldsensoren sind bevorzugt in axialer Richtung zueinander benachbart, d. h. sie weisen in radialer Richtung und in tangentialer Richtung jeweils die gleiche Ortskomponente auf und unterscheiden sich ausschließlich in ihrer Ortskomponente in axialer Richtung. Das jeweilige Magnetfeldleitelement befindet sich bevorzugt axial zwischen den beiden axial benachbarten der mehreren Magnetfeldsensoren.Preferably, exactly one of the magnetic field guiding elements is arranged in each case between two axially adjacent ones of the magnetic field sensors. The adjacent magnetic field sensors are preferably adjacent to each other in the axial direction, i. H. they each have the same local component in the radial direction and in the tangential direction and differ only in their local component in the axial direction. The respective magnetic field guiding element is preferably located axially between the two axially adjacent ones of the plurality of magnetic field sensors.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ist auch jeweils ein weiteres abschließendes Magnetfeldleitelement axial neben denjenigen der Magnetfeldsensoren angeordnet, welche an dieser axialen Seite nicht zu einem weiteren Magnetfeldsensor benachbart sind. Diese weiteren abschließenden Magnetfeldleitelemente sind bevorzugt genauso wie das Magnetfeldleitelement bzw. wie die Magnetfeldleitelemente zwischen den Magnetfeldsensoren magnetisch an den jeweiligen Magnetfeldsensor gekoppelt. In preferred embodiments of the arrangement according to the invention, in each case another final magnetic field guiding element is arranged axially next to those of the magnetic field sensors which are not adjacent to another magnetic field sensor on this axial side. These further final magnetic field guiding elements are preferably magnetically coupled to the respective magnetic field sensor just like the magnetic field guiding element or like the magnetic field guiding elements between the magnetic field sensors.

Die axial nebeneinander ausgebildete Anordnung der Magnetfeldsensoren und des mindestens einen Magnetfeldleitelementes kann auch dadurch beschrieben werden, dass die Magnetfeldsensoren und das mindestens eine Magnetfeldleitelement eine stabförmige Anordnung bilden, in welcher die Magnetfeldsensoren und das eine Magnetfeldleitelement bzw. die mehreren Magnetfeldleitelemente abwechselnd aneinandergereiht sind. Die stabförmige Anordnung ist bevorzugt parallel zur Achse ausgerichtet. Bevorzugt endet die stabförmige Anordnung an ihren beiden Enden jeweils mit einem der weiteren abschließenden Magnetfeldleitelemente.The axially juxtaposed arrangement of the magnetic field sensors and the at least one magnetic field guiding element can also be described by the fact that the magnetic field sensors and the at least one magnetic field guiding element form a rod-shaped arrangement in which the magnetic field sensors and the one magnetic field guiding element or the plurality of magnetic field guiding elements are lined up alternately. The rod-shaped arrangement is preferably aligned parallel to the axis. Preferably, the rod-shaped arrangement ends at its two ends in each case with one of the further final magnetic field guiding elements.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst genau zwei der Magnetisierungsbereiche, genau zwei der Magnetfeldsensoren, genau eines der Magnetfeldleitelemente zwischen den beiden Magnetfeldsensoren und jeweils eines der weiteren abschließenden Magnetfeldsensoren an den axialen Seiten der beiden Magnetfeldsensoren, an denen diese zu keinem weiteren Magnetfeldsensor benachbart sind.A particularly preferred embodiment of the inventive arrangement comprises exactly two of the magnetization regions, exactly two of the magnetic field sensors, exactly one of the magnetic field guiding elements between the two magnetic field sensors and one of the further final magnetic field sensors on the axial sides of the two magnetic field sensors, to which they are not adjacent to any further magnetic field sensor ,

Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst genau drei der Magnetisierungsbereiche, genau drei der Magnetfeldsensoren, genau zwei der Magnetfeldleitelemente zwischen den drei Magnetfeldsensoren und jeweils eines der weiteren abschließenden Magnetfeldsensoren an den axialen Seiten der beiden äußeren Magnetfeldsensoren, an denen diese zu keinem weiteren Magnetfeldsensor benachbart sind.A further particularly preferred embodiment of the arrangement according to the invention comprises exactly three of the magnetization regions, exactly three of the magnetic field sensors, exactly two of the magnetic field elements between the three magnetic field sensors and one of the further final magnetic field sensors on the axial sides of the two outer magnetic field sensors, to which these no further magnetic field sensor are adjacent.

Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Anordnung auch mehr als drei der Magnetisierungsbereiche und mehr als drei der Magnetfeldsensoren umfassen. Bevorzugt steht jedem der Magnetisierungsbereiche mindestens einer der Magnetfeldsensoren gegenüber. Bevorzugt steht jedem der Magnetisierungsbereiche genau einer der Magnetfeldsensoren gegenüber, sodass die Anzahl der Magnetisierungsbereiche gleich der Anzahl der Magnetfeldsensoren ist. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen steht jedem der Magnetisierungsbereich eine gleiche Anzahl der Magnetfeldsensoren gegenüber, sodass die Anzahl der Magnetfeldsensoren ein ganzes Mehrfaches der Anzahl der Magnetisierungsbereiche beträgt.In principle, the arrangement according to the invention can also comprise more than three of the magnetization regions and more than three of the magnetic field sensors. Preferably, each of the magnetization regions faces at least one of the magnetic field sensors. Preferably, each of the magnetization regions faces exactly one of the magnetic field sensors, so that the number of magnetization regions is equal to the number of magnetic field sensors. In further preferred embodiments, each of the magnetization regions faces an equal number of magnetic field sensors, so that the number of magnetic field sensors is a whole multiple of the number of magnetization regions.

Das eine Magnetfeldleitelement bzw. die mehreren Magnetfeldleitelemente sind bevorzugt jeweils in einem axialen Abschnitt angeordnet, der sich axial zwischen zwei benachbarten der Magnetisierungsbereiche befindet und der nicht für eine Magnetisierung ausgebildet ist. In diesen axialen Abschnitten weist das Maschinenelement bevorzugt keine Magnetisierung auf. Diese axialen Abschnitte weisen bevorzugt eine gleiche axiale Länge auf. Auch die ggf. vorhandenen weiteren abschließenden Magnetfeldleitelemente befinden sich bevorzugt in axialen Abschnitten, in denen das Maschinenelement keine Magnetisierung aufweist. Allerdings können das mindestens eine Magnetfeldleitelement und die ggf. vorhandenen weiteren abschließenden Magnetfeldleitelemente auch in diejenigen axialen Abschnitte hineinragen, in denen die Magnetisierungsbereiche angeordnet sind, sodass axial kurz ausgeführte Magnetfeldsensoren verwendbar sind.The one magnetic field guiding element or the plurality of magnetic field guiding elements are preferably each arranged in an axial section which is located axially between two adjacent ones of the magnetizing regions and which is not designed for magnetization. In these axial sections, the machine element preferably has no magnetization. These axial sections preferably have a same axial length. The possibly existing further final magnetic field guiding elements are preferably located in axial sections in which the machine element has no magnetization. However, the at least one magnetic field guiding element and the optionally present further closing magnetic field guiding elements can also protrude into those axial sections in which the magnetizing regions are arranged, so that magnetic field sensors designed to be axially short can be used.

Das mindestens eine Magnetfeldleitelement und ggf. die weiteren abschließenden Magnetfeldleitelemente weisen bevorzugt einen Abstand in radialer Richtung zu den Magnetisierungsbereichen auf, der geringer ist als der Abstand in radialer Richtung zwischen den Magnetfeldsensoren und den Magnetisierungsbereichen.The at least one magnetic field guide element and, if appropriate, the further terminating magnetic field guide elements preferably have a distance in the radial direction to the magnetization regions that is less than the distance in the radial direction between the magnetic field sensors and the magnetization regions.

Das mindestens eine Magnetfeldleitelement und ggf. die weiteren abschließenden Magnetfeldleitelemente weisen bevorzugt jeweils eine Maschinenelementgrenzfläche auf, welche dem Maschinenelement gegenübersteht bzw. mit welcher das jeweilige Magnetfeldleitelement an das Maschinenelement angrenzt. Die Maschinenelementgrenzfläche kann auch als Befestigungsfläche zum Befestigen des jeweiligen Magnetfeldleitelementes am Maschinenelement dienen.The at least one magnetic field guiding element and optionally the further terminating magnetic field conducting elements preferably each have a machine element boundary surface which faces the machine element or with which the respective magnetic field guiding element adjoins the machine element. The machine element interface can also serve as a mounting surface for attaching the respective magnetic field guiding element on the machine element.

Das eine Magnetfeldleitelement bzw. die mehreren Magnetfeldleitelemente weisen bevorzugt jeweils zwei axial seitliche Sensorgrenzflächen auf, an die jeweils eines der beiden benachbarten Magnetfeldsensoren angrenzt bzw. mit denen das jeweilige Magnetfeldleitelement jeweils einem der beiden benachbarten Magnetfeldsensoren gegenübersteht. Die ggf. vorhandenen beiden weiteren abschließenden Magnetfeldleitelemente weisen bevorzugt jeweils eine axial seitliche Sensorgrenzfläche auf, an welche der jeweilige der beiden äußeren Magnetfeldsensoren angrenzt bzw. mit welcher das jeweilige Magnetfeldleitelement dem jeweiligen der beiden äußeren Magnetfeldsensoren gegenübersteht. Die Sensorgrenzflächen können auch innerhalb eines einzigen Elementes ausgebildet sein, welches zumindest das jeweilige Magnetfeldleitelement und einen Teil des jeweiligen Magnetfeldsensors umfasst. In diesem Fall stellen die Sensorgrenzflächen jeweils einen Querschnitt dar.The one magnetic field guiding element or the plurality of magnetic field guiding elements preferably each have two axially lateral sensor boundary surfaces adjoining each one of the two adjacent magnetic field sensors or with which the respective magnetic field guiding element faces one of the two adjacent magnetic field sensors. The possibly existing two further final magnetic field guide elements preferably each have an axially lateral sensor interface, to which the respective one of the two outer magnetic field sensors adjoins or with which the respective magnetic field guide element faces the respective one of the two outer magnetic field sensors. The sensor interfaces can also be formed within a single element, which at least the respective magnetic field and a part of the respective magnetic field sensor includes. In this case, the sensor interfaces each represent a cross section.

Zwischen dem Maschinenelement und den Maschinenelementgrenzflächen ist bevorzugt jeweils ein Luftspalt ausgebildet. Alternativ bevorzugt ist zwischen den Magnetfeldsensoren und den Sensorgrenzflächen jeweils ein Luftspalt ausgebildet. Der eine bzw. die mehreren Luftspalte sind bevorzugt jeweils kleiner als 5 mm und besonders bevorzugt kleiner als 1 mm. Der eine bzw. die mehreren Luftspalte sind bevorzugt mit einem magnetisch leitfähigen Fluid gefüllt. Das magnetisch leitfähige Fluid ist bevorzugt durch ein Ferrofluid gebildet.Between the machine element and the machine element interfaces, an air gap is preferably formed in each case. Alternatively, an air gap is formed in each case between the magnetic field sensors and the sensor boundary surfaces. The one or more air gaps are preferably each smaller than 5 mm and more preferably smaller than 1 mm. The one or more air gaps are preferably filled with a magnetically conductive fluid. The magnetically conductive fluid is preferably formed by a ferrofluid.

Die Maschinenelementgrenzflächen verlaufen bevorzugt parallel zu dem gegenüberstehenden Abschnitt des Maschinenelementes, sodass sich die Magnetfeldleitelemente an die Oberfläche des Maschinenelementes anschmiegen. Die Maschinenelementgrenzflächen sind bevorzugt jeweils bogenförmig ausgebildet, um sich an die Oberfläche des Maschinenelementes anzupassen. Besonders bevorzugt sind die Maschinenelementgrenzflächen jeweils zylindermantelsegmentförmig ausgebildet, um sich parallel zum zylinder- oder hohlzylinderförmigen Maschinenelement zu erstrecken.The machine element interfaces preferably run parallel to the opposite section of the machine element, so that the magnetic field guide elements conform to the surface of the machine element. The machine element boundary surfaces are preferably each arc-shaped, in order to adapt to the surface of the machine element. Particularly preferably, the machine element boundary surfaces are each designed in the form of a cylinder jacket segment in order to extend parallel to the cylinder-shaped or hollow-cylindrical machine element.

Die Sensorgrenzflächen sind bevorzugt jeweils rechteckförmig oder elliptisch ausgebildet. Besonders bevorzugt sind die Sensorgrenzflächen jeweils quadratisch oder kreisförmig ausgebildet.The sensor interfaces are preferably formed in each case rectangular or elliptical. Particularly preferably, the sensor interfaces are each formed square or circular.

Die Maschinenelementgrenzfläche bzw. die Maschinenelementgrenzflächen sind bevorzugt jeweils größer als die Sensorgrenzflächen. Besonders bevorzugt ist die Maschinenelementgrenzfläche bzw. sind die Maschinenelementgrenzflächen jeweils mehrfach so groß wie die Sensorgrenzflächen. Besonders bevorzugt ist die Maschinenelementgrenzfläche bzw. sind die Maschinenelementgrenzflächen jeweils mindestens fünf Mal so groß wie die Sensorgrenzflächen. Diese Größengestaltung ermöglicht es, auch räumlich kleine Magnetfeldsensoren zu verwenden und den von den Magnetfeldleitelementen aufgenommenen magnetischen Fluss konzentriert in die Magnetfeldsensoren einzuleiten.The machine element interface or the machine element interfaces are preferably each larger than the sensor interfaces. Particularly preferably, the machine element boundary surface or the machine element boundary surfaces are each several times as large as the sensor boundary surfaces. Particularly preferably, the machine element interface or the machine element interfaces are each at least five times as large as the sensor interfaces. This size configuration also makes it possible to use spatially small magnetic field sensors and to introduce the magnetic flux received by the magnetic field guide elements into the magnetic field sensors in a concentrated manner.

Das Magnetfeldleitelement bzw. die Magnetfeldleitelemente sind bevorzugt jeweils als ein Polschuh ausgebildet. Die Funktion der als Polschuh ausgebildeten Magnetfeldleitelemente ist vergleichbar mit der Funktion eines Polschuhes eines Elektromotors. Hierfür ist das Magnetfeldleitelement bzw. sind die Magnetfeldleitelemente bevorzugt hornartig geformt.The magnetic field guiding element or the magnetic field guiding elements are preferably designed in each case as a pole shoe. The function of the magnetic field guide elements designed as pole shoes is comparable to the function of a pole shoe of an electric motor. For this purpose, the magnetic field guiding element or the magnetic field guiding elements are preferably horn-shaped.

Bevorzugt weist die sich von der Maschinenelementgrenzfläche zu den Sensorgrenzflächen erstreckende Oberfläche des mindestens einen Magnetfeldleitelementes keine Sprünge und weiter bevorzugt auch keine Ecken oder Kanten auf. Demzufolge ist die sich von der Maschinenelementgrenzfläche zu den Sensorgrenzflächen erstreckende Oberfläche des mindestens einen Magnetfeldleitelementes bevorzugt durch eine stetige mehrdimensionale Funktion beschreibbar.Preferably, the surface of the at least one magnetic field guide element extending from the machine element boundary surface to the sensor boundary surfaces has no cracks and more preferably also no corners or edges. Consequently, the surface of the at least one magnetic field guiding element extending from the machine element boundary surface to the sensor boundary surfaces can preferably be described by a continuous multi-dimensional function.

Das Magnetfeldleitelement bzw. die Magnetfeldleitelemente bestehen bevorzugt aus einem weichmagnetischen Werkstoff und sind bevorzugt ferromagnetisch. Das Magnetfeldleitelement bzw. die Magnetfeldleitelemente sind bevorzugt unmagnetisiert.The magnetic field guiding element or the magnetic field guiding elements are preferably made of a soft magnetic material and are preferably ferromagnetic. The magnetic field guiding element or the magnetic field guiding elements are preferably unmagnetised.

Das Magnetfeldleitelement bzw. die Magnetfeldleitelemente sind bevorzugt mechanisch fest mit den Magnetfeldsensoren verbunden. Alternativ können die Magnetfeldleitelemente fest mit dem Maschinenelement verbunden sein.The magnetic field guiding element or the magnetic field guiding elements are preferably mechanically fixedly connected to the magnetic field sensors. Alternatively, the magnetic field guiding elements can be firmly connected to the machine element.

Bei einer besonderen Ausführungsform ist das mindestens eine Magnetfeldleitelement ringförmig ausgebildet und erstreckt sich um das zylinderförmige Maschinenelement herum bzw. innerhalb des Hohlraumes des hohlzylinderförmigen Maschinenelementes. Die Ringform ist koaxial zur Achse des Maschinenelementes angeordnet. Die Ringform kann unterbrochen sein. Bevorzugt verläuft die Ringform jeweils parallel zu denjenigen axialen Abschnitten des Maschinenelementes, die sich axial zwischen den Magnetisierungsbereichen befinden.In a particular embodiment, the at least one magnetic field guide is annular and extends around the cylindrical machine element or within the cavity of the hollow cylindrical machine element. The ring shape is arranged coaxially with the axis of the machine element. The ring shape can be interrupted. Preferably, the annular shape is in each case parallel to those axial sections of the machine element which are located axially between the magnetization regions.

Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung umfassen die Magnetfeldsensoren jeweils mindestens eine Spule auf einem Spulenkern, der bevorzugt axial ausgerichtet ist. Axial zwischen den Spulenkernen zweier benachbarter der Magnetfeldsensoren ist jeweils eines der Magnetfeldleitelemente angeordnet, welches diese beiden Spulenkerne mechanisch verbindet. Axial zwischen den Spulenkernen zweier benachbarter der Magnetfeldsensoren ist bevorzugt jeweils genau eines der Magnetfeldleitelemente angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Spulenkerne und das mindestens eine Magnetfeldleitelement gemeinsam einstückig ausgebildet, sodass die die Spulenkerne und das mindestens eine Magnetfeldleitelement aus einem einzigen Werkstück und aus demselben Werkstoff bestehen. Bei den mindestens eine Spule umfassenden Magnetfeldsensoren handelt es sich bevorzugt um Fluxgate-Sensoren oder um Förstersonden.In particularly preferred embodiments of the arrangement according to the invention, the magnetic field sensors each comprise at least one coil on a coil core, which is preferably axially aligned. Axially between the coil cores of two adjacent of the magnetic field sensors each one of the magnetic field is arranged, which mechanically connects these two coil cores. Axially between the coil cores of two adjacent magnetic field sensors, one of the magnetic field guiding elements is preferably arranged in each case. Particularly preferably, the coil cores and the at least one magnetic field guide element are formed integrally in one piece, so that the coil cores and the at least one magnetic field guide element consist of a single workpiece and of the same material. The magnetic field sensors comprising at least one coil are preferably fluxgate sensors or forster probes.

Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt eine hohe Magnetostriktivität auf. Sie sind bevorzugt magnetoelastisch ausgebildet.The magnetization regions preferably have a high magnetostriction. They are preferably magnetoelastic.

Das Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Prismas oder eines Zylinders auf, wobei das Prisma bzw. der Zylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Das Prisma bzw. der Zylinder ist bevorzugt gerade. Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement die Form eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet. Das Prisma bzw. der Zylinder kann auch hohl sein.The machine element preferably has the shape of a prism or a cylinder, wherein the prism or the cylinder is arranged coaxially with the axis. The prism or the cylinder is preferably straight. Particularly preferably, the machine element has the shape of a straight circular cylinder, wherein the circular cylinder is arranged coaxially to the axis. In particular embodiments, the prism or the cylinder is conical. The prism or the cylinder can also be hollow.

Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle, durch eine Hohlwelle, durch eine Schaltgabel oder durch einen Flansch gebildet. Es kann sich beispielsweise um eine Welle in einem Tretlager oder um den Flansch eines Wankstabilisators handeln. Die Welle, die Schaltgabel bzw. der Flansch können für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momente ausgelegt sein. Grundsätzlich kann das Maschinenelement auch durch völlig andersartige Maschinenelementtypen gebildet sein.The machine element is preferably formed by a shaft, by a hollow shaft, by a shift fork or by a flange. It may, for example, be a shaft in a bottom bracket or the flange of a roll stabilizer. The shaft, the shift fork or the flange can be designed for loads due to different forces and moments. In principle, the machine element can also be formed by completely different types of machine elements.

Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils durch einen Halbleitersensor, durch einen Hall-Sensor, durch einen SQUID, durch eine Feldplatte, durch einen magnetostriktiven Sensor, durch eine Spule, durch eine Förstersonde oder durch ein Fluxgate-Magnetometer gebildet. Grundsätzlich können auch andere Sensortypen verwendet werden, insofern sie zur Messung mindestens einer Komponente des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet sind.The at least two magnetic field sensors are preferably each formed by a semiconductor sensor, by a Hall sensor, by a SQUID, by a field plate, by a magnetostrictive sensor, by a coil, by a Förster probe or by a fluxgate magnetometer. In principle, other sensor types can also be used insofar as they are suitable for measuring at least one component of the magnetic field produced by the inverse-magnetostrictive effect.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist bevorzugt zum Messen eines auf das Maschinenelement wirkenden Drehmomentes ausgebildet, dessen Drehachse die Achse des Maschinenelementes bildet. Alternativ bevorzugt ist die erfindungsgemäße Anordnung zum Messen einer auf das Maschinenelement wirkenden Querkraft ausgebildet. Die zu messende Kraft bzw. das zu messende Drehmoment wird durch die Anordnung der Magnetisierungsbereiche und der Magnetfeldsensoren, aber auch die unterschiedliche Auswertung der Signale der mehreren Magnetfeldsensoren bestimmt, beispielsweise durch eine Summen- oder Differenzbildung der Signale der mehreren Magnetfeldsensoren.The arrangement according to the invention is preferably designed for measuring a torque acting on the machine element, whose axis of rotation forms the axis of the machine element. Alternatively, the arrangement according to the invention is preferably designed for measuring a transverse force acting on the machine element. The force to be measured or the torque to be measured is determined by the arrangement of the magnetization regions and the magnetic field sensors, but also the different evaluation of the signals of the plurality of magnetic field sensors, for example by a sum or difference of the signals of the plurality of magnetic field sensors.

Bei besonderen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst diese mehrere Gruppen der Magnetfeldsensoren. Jede der Gruppen umfasst mindestens zwei der axial zueinander beabstandeten Magnetfeldsensoren, zwischen denen jeweils eines der Magnetfeldleitelemente angeordnet ist. Bevorzugt weist jede der Gruppen die gleiche Anzahl der Magnetfeldsensoren auf, die auch der Anzahl der Magnetisierungsbereiche gleicht. Die Gruppen befinden sich bevorzugt an einer gleichen axialen Position und an einer gleichen radialen Position, jedoch an unterschiedlichen tangentialen Positionen, sodass die Gruppen umfänglich um die Achse verteilt sind. Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Anordnung zwei der Gruppen der Magnetfeldsensoren, die gegenüber der Achse einen Winkel von 180° zueinander aufweisen.In particular embodiments of the arrangement according to the invention, this comprises a plurality of groups of magnetic field sensors. Each of the groups comprises at least two of the axially spaced-apart magnetic field sensors, between each of which one of the magnetic field guiding elements is arranged. Preferably, each of the groups has the same number of magnetic field sensors, which also equals the number of magnetization regions. The groups are preferably located at a same axial position and at a same radial position but at different tangential positions such that the groups are circumferentially distributed around the axis. Preferably, the arrangement according to the invention comprises two of the groups of magnetic field sensors which have an angle of 180 ° to one another with respect to the axis.

Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt auf einer Platine angeordnet, auf welcher sie mechanisch befestigt und elektrisch angeschlossen sind. Die Platine trägt bevorzugt auch die Magnetfeldleitelemente. Die Platine wird bevorzugt durch einen Platinenhalter getragen.The magnetic field sensors are preferably arranged on a circuit board on which they are mechanically fastened and electrically connected. The board preferably also carries the magnetic field guiding elements. The board is preferably carried by a board holder.

Die genannte axiale Richtung, die genannte tangentiale Richtung und die genannte radiale Richtung beziehen sich grundsätzlich auf die Achse des Maschinenelementes.Said axial direction, said tangential direction and said radial direction basically relate to the axis of the machine element.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further details, advantages and developments of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the invention, with reference to the drawing. Show it:

1 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit Magnetfeldleitelementen; 1 a first preferred embodiment of an inventive arrangement with magnetic field guide elements;

2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit ringförmigen Magnetfeldleitelementen; 2 a second preferred embodiment of the arrangement according to the invention with annular magnetic guide elements;

3 eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit gemeinsam ausgebildeten Spulenkernen und Magnetfeldleitelementen; 3 a third preferred embodiment of the arrangement according to the invention with jointly formed coil cores and magnetic field guide elements;

4 die in 3 gezeigte Ausführungsform in einer seitlichen Ansicht; 4 in the 3 embodiment shown in a side view;

5 ein Detail der in 3 gezeigten Ausführungsform; 5 a detail of in 3 embodiment shown;

6 eine vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit angepassten Magnetfeldleitelementen; 6 a fourth preferred embodiment of the arrangement according to the invention with adapted magnetic field guide elements;

7 ein Magnetfeldleitelement mit einer quadratischen Sensorgrenzfläche in einer Detailansicht; 7 a magnetic field guide with a square sensor interface in a detailed view;

8 ein Magnetfeldleitelement mit einer rechteckförmigen Sensorgrenzfläche in einer Detailansicht; 8th a magnetic field guide with a rectangular sensor interface in a detailed view;

9 ein Magnetfeldleitelement mit einer kreisförmigen Sensorgrenzfläche in einer Detailansicht; 9 a magnetic field guide with a circular sensor interface in a detailed view;

10 ein Magnetfeldleitelement mit zwei quadratischen Sensorgrenzflächen in einer Detailansicht; und 10 a magnetic field guide with two square sensor interfaces in a detailed view; and

11 ein Magnetfeldleitelement mit zwei kreisförmigen Sensorgrenzflächen in einer Detailansicht. 11 a magnetic field guide with two circular sensor interfaces in a detailed view.

1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer durch eine Achse 01 verlaufenden Querschnittsansicht und in einem Schnitt A-A senkrecht zu der Achse 01. Die Anordnung dient zum Messen eines Drehmomentes M_t oder einer Kraft, wobei das Drehmoment M_t bzw. die Kraft auf ein Maschinenelement in Form eines hohlzylinderförmigen Flansches 02 wirkt. Der Flansch 02 erstreckt sich in der Achse 01, sodass die Achse 01 auch die Achse seiner Hohlzylinderform bildet. Der Flansch 02 ist an einem Grundkörper 03 befestigt. 1 shows a first preferred embodiment of an inventive arrangement in one through an axis 01 extending cross-sectional view and in a section AA perpendicular to the axis 01 , The arrangement is used to measure a torque M _t or a force, wherein the torque M _t or the force on a machine element in the form of a hollow cylindrical flange 02 acts. The flange 02 extends in the axis 01 so the axis 01 also forms the axis of its hollow cylindrical shape. The flange 02 is on a body 03 attached.

Der Flansch 02 weist drei umfänglich um die Achse 01 herum verlaufende Magnetisierungsbereiche in Form von Magnetisierungsspuren 04 auf, die axial zueinander beabstandet sind. Die drei Magnetisierungsspuren 04 besitzen jeweils eine Permanentmagnetisierung. Die drei Magnetisierungsspuren 04 sind gleich ausgebildet und unterscheiden sich lediglich in ihrer magnetischen Polarität, d. h. in ihrem Umlaufsinn.The flange 02 has three circumferentially around the axis 01 around magnetization areas in the form of traces of magnetization 04 on, which are axially spaced from each other. The three traces of magnetization 04 each have a permanent magnetization. The three traces of magnetization 04 are identical and differ only in their magnetic polarity, ie in their sense of circulation.

Radial beabstandet zu den Magnetisierungsspuren 04 sind Magnetfeldsensoren 06 im Inneren der Hohlzylinderform des Flansches 02 angeordnet, welche den Magnetisierungsspuren 04 gegenüberstehen. Die Magnetfeldsensoren 06 sind in zwei Gruppen 07, 08 angeordnet. Jede der beiden Gruppen 07, 08 umfasst drei der Magnetfeldsensoren 06, die axial zueinander beabstandet auf einer Geraden angeordnet sind, welche parallel zu der Achse 01 verläuft. Die beiden Gruppen 07, 08 der Magnetfeldsensoren 06 sind bezogen auf die Achse 01 symmetrisch angeordnet.Radially spaced from the tracks of magnetization 04 are magnetic field sensors 06 inside the hollow cylindrical shape of the flange 02 arranged, which the magnetization tracks 04 face. The magnetic field sensors 06 are in two groups 07 . 08 arranged. Each of the two groups 07 . 08 includes three of the magnetic field sensors 06 spaced apart axially on a straight line parallel to the axis 01 runs. The two groups 07 . 08 the magnetic field sensors 06 are related to the axis 01 arranged symmetrically.

Zwischen denjenigen der Magnetfeldsensoren 06, die axial benachbart sind, und an den äußeren Seiten derjenigen Magnetfeldsensoren 06, denen kein weiterer benachbarter Magnetfeldsensor folgt, ist jeweils ein Magnetfeldleitelement 09 angeordnet. Die Magnetfeldleitelemente 09 schließen magnetische Kreise 11 zwischen den Magnetfeldsensoren 06 und den Magnetisierungsspuren 04. Die Magnetfeldleitelemente 09 sind am Flansch 02 befestigt und magnetisch mit diesem gekoppelt. Zwischen den Magnetfeldleitelementen 09 und den Magnetfeldsensoren 06 ist jeweils ein Luftspalt 12 ausgebildet.Between those of the magnetic field sensors 06 which are axially adjacent and on the outer sides of those magnetic field sensors 06 which is not followed by another adjacent magnetic field sensor is in each case a magnetic field guiding element 09 arranged. The magnetic field guide elements 09 close magnetic circles 11 between the magnetic field sensors 06 and the magnetization tracks 04 , The magnetic field guide elements 09 are on the flange 02 attached and magnetically coupled with this. Between the magnetic field guide elements 09 and the magnetic field sensors 06 each is an air gap 12 educated.

Die Magnetfeldsensoren 06 befinden sich in axialen Abschnitten, in denen auch die Magnetisierungsspuren 04 angeordnet sind. Zwischen den Magnetisierungsspuren 04 weist der Flansch 02 nicht magnetisierte Bereiche auf, die sich in axialen Abschnitten befinden, in denen auch die Magnetfeldleitelemente 09 angeordnet sind.The magnetic field sensors 06 are located in axial sections, in which the magnetization tracks 04 are arranged. Between the tracks of magnetisation 04 indicates the flange 02 non-magnetized areas, which are located in axial sections, in which also the magnetic field guiding elements 09 are arranged.

Die Magnetfeldleitelemente 09 sind in der 1 vereinfacht dargestellt. Die Magnetfeldleitelemente 09 weisen bevorzugt eine besondere Formgebung auf, die in 2 bis 11 veranschaulicht ist.The magnetic field guide elements 09 are in the 1 shown in simplified form. The magnetic field guide elements 09 preferably have a special shape, which in 2 to 11 is illustrated.

2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer durch die Achse 01 verlaufenden Querschnittsansicht und in einem Schnitt A-A senkrecht zu der Achse 01. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die Magnetfeldleitelemente 09 ringförmig ausgebildet, sodass jedes der Magnetfeldleitelemente 09 die zugehörigen Magnetfeldsensoren 06 beider Gruppen 07, 08 mit den Magnetisierungsspuren 04 magnetisch verbindet. 2 shows a second preferred embodiment of the inventive arrangement in a through the axis 01 extending cross-sectional view and in a section AA perpendicular to the axis 01 , This embodiment is initially similar to the one in FIG 1 shown embodiment. Unlike the in 1 embodiment shown are the magnetic field guide elements 09 ring-shaped, so that each of the magnetic field guiding elements 09 the associated magnetic field sensors 06 both groups 07 . 08 with the magnetization tracks 04 connects magnetically.

3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer durch die Achse 01 verlaufenden Querschnittsansicht und in einer partiellen Aufsicht. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten Ausführungsform. Die Magnetfeldsensoren 06 sind bei dieser Ausführungsform durch Fluxgate-Sensoren bzw. durch Förstersonden gebildet, die jeweils eine Spule 13 auf einem Spulenkern 14 umfassen. Die Magnetfeldleitelemente 09 und die Spulenkerne 14 der jeweiligen Gruppe 07 sind innerhalb eines einzigen Werkstückes ausgebildet. Hierdurch wird ein sehr geringer magnetischer Widerstand zwischen den Magnetfeldleitelementen 09 und den Magnetfeldsensoren 06 bewirkt. 3 shows a third preferred embodiment of the inventive arrangement in a through the axis 01 extending cross-sectional view and in a partial supervision. This embodiment is initially similar to the one in FIG 1 shown embodiment. The magnetic field sensors 06 are formed in this embodiment by fluxgate sensors or by Förstersonden, each having a coil 13 on a spool core 14 include. The magnetic field guide elements 09 and the coil cores 14 the respective group 07 are formed within a single workpiece. This results in a very low magnetic resistance between the magnetic field guide elements 09 and the magnetic field sensors 06 causes.

4 zeigt die in 3 gezeigte Ausführungsform in einer seitlichen Ansicht. In dieser seitlichen Ansicht ist eine Platine 16 dargestellt, welche die Magnetfeldsensoren 06 und die Magnetfeldleitelemente 09 trägt. Die Magnetfeldleitelemente 09 weisen jeweils eine Maschinenelementgrenzfläche 17 auf, mit welcher sie dem Flansch 02 gegenüberstehen. Zwischen den Maschinenelementgrenzflächen 17 und dem Flansch 02 ist jeweils einer der Luftspalte 12 ausgebildet. Die Maschinenelementgrenzflächen 17 sind jeweils zylindermantelsegmentförmig ausgebildet, sodass sich diese an die innere Oberfläche des Flansches 02 anschmiegen. 4 shows the in 3 shown embodiment in a side view. In this side view is a circuit board 16 shown which the magnetic field sensors 06 and the magnetic field guiding elements 09 wearing. The magnetic field guide elements 09 each have a machine element interface 17 on, with which they the flange 02 face. Between the machine element interfaces 17 and the flange 02 is one of the air gaps 12 educated. The machine element interfaces 17 are each formed cylinder-segment-shaped, so that they to the inner surface of the flange 02 nestle.

5 zeigt ein Detail der in 3 gezeigten Ausführungsform. Es ist insbesondere eines der Magnetfeldleitelemente 09 dargestellt, welches an einen derjenigen Magnetfeldsensoren 06 angrenzt, welcher nur zu einem der anderen Magnetfeldsensoren 06 axial benachbart ist. 5 shows a detail of in 3 shown embodiment. It is in particular one of the magnetic field guide elements 09 which is connected to one of those magnetic field sensors 06 adjacent, which only to one of the other magnetic field sensors 06 axially adjacent.

6 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Querschnittsansicht. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die Magnetfeldleitelemente 09 an die räumlich kleiner ausgeführten Magnetfeldsensoren 06 angepasst. Hierfür weisen die Magnetfeldleitelemente 09 eine bzw. zwei Sensorgrenzflächen 19 auf, mit denen sie dem jeweiligen Magnetfeldsensor 06 gegenüberstehen. Die Sensorgrenzflächen 19 sind an die Größe der Magnetfeldsensoren 06 angepasst. Die Magnetfeldleitelemente 09 sind jeweils über ihre Maschinenelementgrenzfläche 17 am Flansch 02 befestigt Die Maschinenelementgrenzflächen 17 sind jeweils größer als die Sensorgrenzflächen 19. Zudem weisen die Sensorgrenzflächen 19 einen axialen Versatz gegenüber den Maschinenelementgrenzflächen 17 auf, da die Magnetfeldsensoren 06 axial kürzer als die Magnetisierungsspuren 04 sind. 6 shows a fourth preferred embodiment of the arrangement according to the invention in a cross-sectional view. This embodiment is initially similar to the one in FIG 1 shown embodiment. Unlike the in 1 embodiment shown are the magnetic field guide elements 09 to the spatially smaller magnetic field sensors 06 customized. For this purpose, the magnetic field guide elements 09 one or two sensor interfaces 19 on, with which they the respective magnetic field sensor 06 face. The sensor interfaces 19 are due to the size of the magnetic field sensors 06 customized. The magnetic field guide elements 09 are each about their machine element interface 17 on the flange 02 fastened The machine element interfaces 17 are each larger than the sensor interfaces 19 , In addition, the sensor interfaces 19 an axial offset relative to the machine element interfaces 17 on, because the magnetic field sensors 06 axially shorter than the magnetization tracks 04 are.

7 zeigt das Magnetfeldleitelement 09 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer Detailansicht. Dabei handelt es sich um eines der abschließenden Magnetfeldleitelemente 09, welche nur an einen der Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) angrenzen. Bei dieser Ausführungsform ist die Sensorgrenzfläche 19 quadratisch und um ein Vielfaches kleiner als die Maschinenelementgrenzfläche 17. Hierdurch wird der magnetische Fluss stark konzentriert. Die Sensorgrenzfläche 19 ist axial versetzt zur Maschinenelementgrenzfläche 17 angeordnet, sodass die Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) deutlich schmaler als die Magnetisierungsspuren 04 (gezeigt in 6) sein können. Die Oberfläche des Magnetfeldleitelementes 09 ist so gestaltet, dass sie keine Sprünge aufweist. 7 shows the magnetic field guiding element 09 a further preferred embodiment in a detailed view. This is one of the final magnetic field guide elements 09 , which only to one of the magnetic field sensors 06 (shown in 6 ). In this embodiment, the sensor interface is 19 square and many times smaller than the machine element interface 17 , This greatly concentrates the magnetic flux. The sensor interface 19 is axially offset from the machine element interface 17 arranged so that the magnetic field sensors 06 (shown in 6 ) significantly narrower than the magnetization tracks 04 (shown in 6 ) could be. The surface of the magnetic field guiding element 09 is designed so that it has no cracks.

8 zeigt das Magnetfeldleitelement 09 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer Detailansicht. Dabei handelt es sich um eines der abschließenden Magnetfeldleitelemente 09, welche nur an einen der Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) angrenzen. Bei dieser Ausführungsform ist die Sensorgrenzfläche 19 rechteckförmig und um ein Vielfaches kleiner als die Maschinenelementgrenzfläche 17. Hierdurch wird der magnetische Fluss stark konzentriert. Die Oberfläche des Magnetfeldleitelementes 09 ist so gestaltet, dass sie keine Sprünge aufweist. 8th shows the magnetic field guiding element 09 a further preferred embodiment in a detailed view. This is one of the final magnetic field guide elements 09 , which only to one of the magnetic field sensors 06 (shown in 6 ). In this embodiment, the sensor interface is 19 rectangular and many times smaller than the machine element interface 17 , This greatly concentrates the magnetic flux. The surface of the magnetic field guiding element 09 is designed so that it has no cracks.

9 zeigt das Magnetfeldleitelement 09 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer Detailansicht. Dabei handelt es sich um eines der abschließenden Magnetfeldleitelemente 09, welche nur an einen der Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) angrenzen. Bei dieser Ausführungsform ist die Sensorgrenzfläche 19 kreisförmig und um ein Vielfaches kleiner als die Maschinenelementgrenzfläche 17. Hierdurch wird der magnetische Fluss stark konzentriert. Die Sensorgrenzfläche 19 ist axial versetzt zur Maschinenelementgrenzfläche 17 angeordnet, sodass die Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) deutlich schmaler als die Magnetisierungsspuren 04 (gezeigt in 6) sein können. Die Oberfläche des Magnetfeldleitelementes 09 ist so gestaltet, dass sie keine Sprünge aufweist. 9 shows the magnetic field guiding element 09 a further preferred embodiment in a detailed view. This is one of the final magnetic field guide elements 09 , which only to one of the magnetic field sensors 06 (shown in 6 ). In this embodiment, the sensor interface is 19 circular and many times smaller than the machine element interface 17 , This greatly concentrates the magnetic flux. The sensor interface 19 is axially offset from the machine element interface 17 arranged so that the magnetic field sensors 06 (shown in 6 ) significantly narrower than the magnetization tracks 04 (shown in 6 ) could be. The surface of the magnetic field guiding element 09 is designed so that it has no cracks.

10 zeigt das Magnetfeldleitelement 09 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer Detailansicht. Dabei handelt es sich um eines der Magnetfeldleitelemente 09, welche jeweils axial zwischen zwei benachbarten der Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) angeordnet sind und daher zwei der Sensorgrenzflächen 19 aufweisen. Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Sensorgrenzflächen 19 quadratisch und um ein Vielfaches kleiner als die Maschinenelementgrenzfläche 17. Hierdurch wird der magnetische Fluss stark konzentriert. Die Sensorgrenzflächen 19 sind axial versetzt zur Maschinenelementgrenzfläche 17 angeordnet, sodass die Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) deutlich schmaler als die Magnetisierungsspuren 04 (gezeigt in 6) sein können. Die Oberfläche des Magnetfeldleitelementes 09 ist so gestaltet, dass sie keine Sprünge aufweist. 10 shows the magnetic field guiding element 09 a further preferred embodiment in a detailed view. This is one of the magnetic field guiding elements 09 which respectively axially between two adjacent ones of the magnetic field sensors 06 (shown in 6 ) and therefore two of the sensor interfaces 19 exhibit. In this embodiment, the two sensor interfaces 19 square and many times smaller than the machine element interface 17 , This greatly concentrates the magnetic flux. The sensor interfaces 19 are axially offset to the machine element interface 17 arranged so that the magnetic field sensors 06 (shown in 6 ) significantly narrower than the magnetization tracks 04 (shown in 6 ) could be. The surface of the magnetic field guiding element 09 is designed so that it has no cracks.

11 zeigt das Magnetfeldleitelement 09 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer Detailansicht. Dabei handelt es sich um eines der Magnetfeldleitelemente 09, welche jeweils axial zwischen zwei benachbarten der Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) angeordnet sind und daher zwei der Sensorgrenzflächen 19 aufweisen. Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Sensorgrenzflächen 19 kreisförmig und um ein Vielfaches kleiner als die Maschinenelementgrenzfläche 17. Hierdurch wird der magnetische Fluss stark konzentriert. Die Sensorgrenzflächen 19 sind axial versetzt zur Maschinenelementgrenzfläche 17 angeordnet, sodass die Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) deutlich schmaler als die Magnetisierungsspuren 04 (gezeigt in 6) sein können. Die Oberfläche des Magnetfeldleitelementes 09 ist so gestaltet, dass sie keine Sprünge aufweist. 11 shows the magnetic field guiding element 09 a further preferred embodiment in a detailed view. This is one of the magnetic field guiding elements 09 which respectively axially between two adjacent ones of the magnetic field sensors 06 (shown in 6 ) and therefore two of the sensor interfaces 19 exhibit. In this embodiment, the two sensor interfaces 19 circular and many times smaller than the machine element interface 17 , This greatly concentrates the magnetic flux. The sensor interfaces 19 are axially offset to the machine element interface 17 arranged so that the magnetic field sensors 06 (shown in 6 ) significantly narrower than the magnetization tracks 04 (shown in 6 ) could be. The surface of the magnetic field guiding element 09 is designed so that it has no cracks.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

0101: Achseaxis
0202: Maschinenelement (Flansch)Machine element (flange)
0303: Grundkörperbody
0404: Magnetisierungsspurmagnetization track
0505: --
0606: Magnetfeldsensormagnetic field sensor
0707: erste Gruppefirst group
0808: zweite Gruppesecond group
0909: MagnetfeldleitelementMagnetfeldleitelement
1010: --
1111: magnetischer Kreismagnetic circle
1212: Luftspaltair gap
1313: SpuleKitchen sink
1414: SpulenkernPlunger
1515: --
1616: Platinecircuit board
1717: MaschinenelementgrenzflächeMachine element interface
1818: --
1919: SensorgrenzflächeSensor interface

Claims

Arrangement for measuring a force and / or moment on an axis ( 01 ) extending machine element ( 02 ); the machine element ( 02 ) at least two circumferentially about the axis ( 01 ) extending magnetization areas ( 04 ) for magnetization; wherein the arrangement further comprises at least two axially spaced-apart magnetic field sensors ( 06 ), which in each case one of the magnetization areas ( 04 ) and in each case for measuring at least one component of a magnetic field caused by the magnetization and by the force and / or by the moment are formed; and wherein between the magnetic field sensors ( 06 ) each have a magnetic field guiding element ( 09 ) is trained.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the magnetic field sensors ( 06 ) at least one coil ( 13 ) on a spool core ( 14 ), wherein axially between the coil cores ( 14 ) of two adjacent magnetic field sensors ( 06 ) each one of the magnetic field guiding elements ( 09 ) is arranged, which these two coil cores ( 14 ) mechanically connects.

Arrangement according to claim 2, characterized in that the coil cores ( 14 ) and the at least one magnetic field guiding element ( 09 ) are formed integrally together.

Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the a magnetic field guiding element ( 09 ) or the plurality of magnetic field guiding elements ( 09 ) each annular and coaxial with the axis ( 01 ) are arranged.

Arrangement according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the respectively adjacent ones of the magnetization regions ( 04 ) have opposite polarities.

Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the a magnetic field guiding element ( 09 ) or the plurality of magnetic field guiding elements ( 09 ) are each arranged in an axial section extending axially between two adjacent ones of the magnetization regions ( 04 ) is located.

Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the a magnetic field guiding element ( 09 ) or the plurality of magnetic field guiding elements ( 09 ) each have a machine element interface ( 17 ), which the machine element ( 02 ) faces.

Arrangement according to claim 7, characterized in that the machine element interface ( 17 ) of a magnetic field guiding element ( 09 ) or the machine element interfaces ( 17 ) of the plurality of magnetic field guiding elements ( 09 ) are each cylinder-shell segment-shaped.

Arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the a magnetic field guiding element ( 09 ) or the plurality of magnetic field guiding elements ( 09 ) two sensor interfaces ( 19 ), to each of which one of the two adjacent ones of the plurality of magnetic field sensors ( 06 ) adjoins.

Arrangement according to claim 9 dependent on claim 7, characterized in that the machine element interface ( 17 ) of a magnetic field guiding element ( 09 ) or the machine element interfaces ( 17 ) of the plurality of magnetic field guiding elements ( 09 ) in each case several times as large as the sensor interfaces ( 19 ) of the at least one magnetic field guiding element ( 09 ) are.