DE102020203914A1

DE102020203914A1 - System zur Drehmomentmessung sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102020203914A1
Application number: DE102020203914.3A
Authority: DE
Inventors: Christoph Ossmann; Adrian Kussmann; Michael Zegowitz; Frank Schatz; Sven Schickle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2021-09-30
Also published as: JP2023519836A; EP4127637A1; WO2021190936A1; US20230114605A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Drehmomentmessung, insbesondere bei einem Antrieb eines E-Bikes, umfassend zumindest eine sich um eine Achse drehbare Welle, welche in zumindest einem axialen Teilabschnitt magnetisiert ist und an die ein zu messendes Drehmoment anlegbar ist,zumindest einen TMR-Sensor, der außerhalb der Welle angeordnet ist und ausgebildet ist,zumindest zweidimensional, insbesondere dreidimensional ein Magnetfeld zu messen undder so zu dem zumindest einen Teilabschnitt angeordnet ist, dass der zumindest eine Sensor bei Drehung der Welle um die Achse eine Änderung des Magnetfelds auf Grund des magnetostriktiven Effekts im magnetisierten Teilabschnitt bei Einwirkung des Drehmoments auf die Welle misst, undeine Auswerteeinrichtung, die mit dem zumindest einen TMR-Sensor verbunden ist, und die ausgebildet ist, basierend auf den gemessenen Werten des Magnetfelds ein auf die Welle wirkendes Drehmoment zu bestimmen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein System zur Drehmomentmessung, insbesondere bei einem Antrieb eines E-Bikes.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Drehmomentmessung, insbesondere bei einem Antrieb eines E-Bikes.
Obwohl die Erfindung allgemein auf beliebige Drehmomentmessungen anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf Drehmomentmessungen bei einem Antrieb eines E-Bikes erläutert.
Stand der Technik
Bei E-Bike-Antrieben ist es bekannt geworden, dass diese das vom Fahrer des E-Bikes erzeugte Drehmoment in der Antriebseinrichtung schnell und genau messen. In bekannter Weise kann mittels eines Magnetfeldsensors in Form einer Spule der magnetische Fluss gemessen werden, der aus seiner magnetisierten und durch den Fahrer des E-Bikes mit Drehmoment belasteten Welle ausbricht. Durch die durch das Drehmoment erzeugte Anisotropie auf Grund des magnetostriktiven Effekts „bricht“ das Magnetfeld beziehungsweise der magnetische Fluss aus der Welle aus. Ein Problem dabei ist, dass externe Magnetfelder, also störende Magnetfelder, und das durch das Drehmoment entstehende interne Magnetfeld, also das Nutzfeld, nicht unterschieden werden können.
Aus der US 2014/360285 A1 ist ein Verfahren zur Drehmomentbestimmung bekannt geworden, wobei eine dritte Magnetspur eingebracht wird und beispielsweise mittels einer zusätzlichen Verschaltung der als Magnetfeldsensor dienenden Spulen ein entsprechender Gradient im Verlauf des gemessenen Magnetfelds erkannt und stückweise kompensiert werden kann, sodass Störfelder von Nutzfeldern unterschieden werden können. Allerdings benötigt dies durch die zusätzliche Anordnung von Spulen mehr Bauraum. Außerdem ist mittels der Spulen nur jeweils eine der drei Raumrichtungen des Magnetfelds messbar.
Aus der US 2013/125669 A1 ist ein Verfahren zur Drehmomentbestimmung bekannt geworden, wobei die Sensoren in Form von Spulen unterschiedlich beschaltet werden. Dadurch ist eine zeitweise Addition beziehungsweise Subtraktion des Nutzfelds, also das Auslöschen des Nutzfelds möglich. Eines der Probleme dabei ist jedoch, dass während einer gewissen Zeitspanne kein Drehmoment gemessen werden kann. Da außerdem ein zeitlicher Versatz zwischen der Messung von Nutzfeld und Störfeld und einmal Störfeld entsteht, besteht die Möglichkeit, dass das Drehmoment ungenau ermittelt wird.
Aus der EP 3 364 163 A1 ist weiter ein magnetoelastischer Drehmomentsensor bekannt geworden. Dieser umfasst eine Welle, die in einem ersten axialen Abschnitt in einer ersten Umfangsrichtung magnetisiert ist, und an die ein zu messendes Drehmoment anlegbar ist und einen ersten Magnetfeldsensor zum Erfassen eines durch den ersten Abschnitt der Welle erzeugten, vom angelegten Drehmoment abhängigen Magnetfelds außerhalb der Welle, wobei der erste Magnetfeldsensor einen ersten 3D-AMR-Sensor umfasst.
Offenbarung der Erfindung
In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein System zur Drehmomentmessung bereit, insbesondere bei einem Antrieb eines E-Bikes, umfassend zumindest eine sich um eine Achse drehbare Welle, welche in zumindest einem axialen Teilabschnitt magnetisiert ist und an die ein zu messendes Drehmoment anlegbar ist, zumindest einen TMR-Sensor, der außerhalb der Welle angeordnet ist und ausgebildet ist, zumindest zweidimensional, insbesondere dreidimensional ein Magnetfeld zu messen und der so zu dem zumindest einen Teilabschnitt angeordnet ist, dass der zumindest eine TMR-Sensor bei Drehung der Welle um die Achse eine Änderung des Magnetfelds auf Grund des magnetostriktiven Effekts im magnetisierten Teilabschnitt bei Einwirkung des Drehmoments auf die Welle misst, und eine Auswerteeinrichtung, die mit dem zumindest einen TMR-Sensor verbunden ist, und die ausgebildet ist, basierend auf den gemessenen Werten des Magnetfelds ein auf die Welle wirkendes Drehmoment zu bestimmen.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Drehmomentmessung, insbesondere bei einem Antrieb eines E-Bikes, bereit umfassend die Schritte:

- Magnetisieren zumindest eines axialen Teilabschnitts zumindest einer sich um eine Achse drehbare Welle,
- Drehen der Welle um ihre Achse,
- zumindest zweidimensionales, insbesondere dreidimensionales Vermessen einer Änderung eines Magnetfelds im magnetisierten Teilabschnitt auf Grund des magnetostriktiven Effekts während der Drehung der Welle um die Achse mittels zumindest eines TMR-Sensors und
- Auswerten, mittels einer Auswerteeinrichtung, der gemessenen Werte des zumindest einen TMR-Sensors, und
- Bestimmen eines auf die Welle wirkenden Drehmoments anhand der ausgewerteten Werte.

Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass mittels des zumindest zweidimensional messenden zumindest einen TMR-Sensors Stör- und Nutzfelder zuverlässig unterschieden und damit die Messung des Drehmoments erheblich verbessert wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass die „Blindzeit“, also der zeitliche Versatz zwischen der Messung von Nutzfeld und Störfeld einerseits und Störfeld andererseits entfällt. Darüber hinaus ist das System beziehungsweise das Verfahren robuster gegenüber Fremd- beziehungsweise Störfeldern. Weiterhin sind die Sensoren kleiner ausführbar, sodass Bauraum eingespart werden kann.
Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Welle zumindest zwei axiale Teilabschnitte auf, welche magnetisiert sind. Damit wird die Zuverlässigkeit der Messung erhöht, da unterschiedliche Bereiche gemessen werden können und Störungen beziehungsweise Messfehler herausgemittelt werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weisen die zumindest zwei axialen Teilabschnitte unterschiedliche Magnetisierung, insbesondere entgegengesetzte Magnetisierung, auf. Damit kann die Zuverlässigkeit der Drehmomentmessung weiter erhöht werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind mehrere Sensoren, insbesondere mehrere TMR-Sensoren angeordnet und jedem Teilabschnitt ist zumindest ein Sensor zur Messung zugeordnet. Vorteil hiervon ist, das eine Drehmomentmessung noch zuverlässiger erfolgen kann. Externe Störfelder können noch zuverlässiger erkannt und Messfehler können beispielsweise herausgemittelt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die beiden axialen Teilabschnitte benachbart zueinander angeordnet. Damit kann der für die Drehmomentmessung nötige Bauraum vermindert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der zumindest eine dem jeweiligen axialen Teilabschnitt zugeordnete Sensor axial mittig zum jeweiligen axialen Teilabschnitt angeordnet. Dies ermöglicht eine zuverlässige Messung von den durch das Drehmoment verursachten Magnetfeldern auf Grund des magnetostriktiven Effekts.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die zumindest zwei benachbarten Teilabschnitten zugeordneten Sensoren in axialer Richtung näher beieinander angeordnet als die Summe der Hälften der jeweiligen axialen Erstreckungen der benachbarten Teilabschnitte. Damit kann der Bauraum weiter gesenkt werden. Darüber hinaus können externe Störfelder noch zuverlässiger erkannt und bei der Messung des Drehmoments berücksichtigt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der zumindest eine TMR-Sensor in Form eines ASIC bereitgestellt. Damit ist ein einfacher und fortlaufender Zugriff auf die Messwerte des TMR-Sensors möglich, sodass das Drehmoment beispielsweise mittels Software basierend auf den Messwerten ermittelt werden kann. Durch die Nutzung eines Magnetfeldsensors, insbesondere eines 3D Magnetfeldsensors, mit einer eigenständigen Auswerteinheit in Form eines ASIC, zur Messung des entstehenden Magnetfelds kann das Drehmomentensignals mit Störsignal erfasst werden und anschließend das Störsignal berechnet werden, so dass anschließend das reine Nutzensignal in Form des Drehmomentensignals ohne Störsignal ermittelt werden kann, ohne dass eine Blindzeit vorliegt. Durch die Verwendung eines 3D Magnetfeldsensors kann das äußere Magnetfeld über eine vektorgestützte Betrachtung besser bestimmt werden. Durch die Verwendung kleiner Magnetfeldsensorelemente im Vergleich zu relativ größeren Spulen kann das Magnetfeld punktuell und insbesondere vektoriell, erfasst werden, um dem durch äußere Störfelder wirkenden Gradienten zu minimieren.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
Figurenliste
Dabei zeigt in schematischer Darstellung

1 ein bekanntes System;
2 ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein bekanntes System.
Im Detail zeigt 1 ein System 1, welches eine Welle 3 umfasst, die um eine Achse 2 drehbar ist. Die Welle 3 weist weiter in Umfangsrichtung drei benachbarte axiale Teilabschnitte 4a, 4b, 4c auf, wobei jeweils benachbarte Bereiche 4a, 4b beziehungsweise 4b, 4c entgegengesetzte Magnetisierung 7 in Umfangsrichtung der Welle 3 aufweisen. Den beiden axial äußeren axialen Teilabschnitte 4a, 4c ist jeweils eine Messspule 5 zugeordnet, wobei diese mit jeweils einer Messspule 5 des mittleren axialen Teilabschnitts 4b sich auf gleicher vertikaler Höhe, also Abstand zur Achse 2 der Welle 3 befinden.
2 zeigt ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Im Detail zeigt 2 im Wesentlichen ein System 1 gemäß 1. Im Unterschied zum System 1 gemäß 1 weist das System 1 gemäß 2 lediglich zwei benachbarte axiale Teilabschnitte 4a, 4b auf, wobei diese entgegengesetzte Magnetisierung 7a, 7b in Umfangsrichtung der Welle 3 aufweisen. Den beiden axialen Teilabschnitten 4a, 4b ist jeweils ein 3D-Magnetfeldsensor 5a, 5b in Form eines TMR-Sensors zugeordnet, der jeweils in der axialen Mitte des jeweiligen axialen Teilabschnitts 4a, 4b angeordnet ist. Die beiden 3D-Magenetfeldsensoren 5a, 5b sind weiter mit einer Auswerteeinrichtung 6 verbunden, die ausgebildet ist, anhand der Messwerte des Magnetfelds der beiden Sensoren 5a, 5b in bekannter Weise das auf die Welle 3 einwirkende Drehmoment zu ermitteln.
3 zeigt ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Im Detail zeigt 3 im Wesentlichen ein System 1 gemäß 2. Im Unterschied zum System 1 gemäß 2 sind beim System 1 gemäß 3 die beiden 3D-Magenetfeldsensoren 5a, 5b möglichst nah beieinander angeordnet, also im Wesentlichen an der gemeinsamen Grenze zwischen den beiden axialen Teilabschnitten 4a, 4b. Diese Anordnung entspricht einer zur Mitte versetzten Anordnung der Magnetfelssensoren 5a und 5b in Bezug auf die Teilabschnitte 4a und 4b. Damit ist es möglich, den wirkenden Gradienten im Verlauf des Magnetfelds zwischen den beiden Messorten von externen Störfeldern sowie den Abstand nach außen zu möglichen Anbauteilen zu optimieren.
4 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Im Detail zeigt 4 Schritte eines Verfahrens zur Drehmomentmessung, insbesondere bei einem Antrieb eines E-Bikes. Dieses umfasst die folgenden Schritte:

In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Magnetisieren zumindest eines axialen Teilabschnitts zumindest einer sich um eine Achse drehbare Welle.

In einem weiteren Schritt S2 erfolgt ein Drehen der Welle um ihre Achse.
In einem weiteren Schritt S3 erfolgt ein zumindest zweidimensionales, insbesondere dreidimensionales Vermessen einer Änderung eines Magnetfelds im magnetisierten Teilabschnitt auf Grund des magnetostriktiven Effekts während der Drehung der Welle um die Achse mittels zumindest eines TMR-Sensors.
In einem weiteren Schritt S4 erfolgt ein Auswerten, mittels einer Auswerteeinrichtung, der gemessenen Werte des zumindest einen TMR-Sensors und in einem weiteren Schritt S5 ein Bestimmen eines auf die Welle wirkendes Drehmoments anhand der ausgewerteten Werte.
Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:

- Geringerer Bauraum
- Genauere Bestimmung des auf die Welle einwirkenden Drehmoments
- Kontinuierliche Bestimmung des auf die Welle einwirkenden Drehmoments
- Höhere Flexibilität in Bezug auf die Anordnung von Anbauteilen

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2014360285 A1 [0005]
US 2013125669 A1 [0006]
EP 3364163 A1 [0007]

Claims

System (1) zur Drehmomentmessung, insbesondere bei einem Antrieb eines E-Bikes, umfassend zumindest eine sich um eine Achse (2) drehbare Welle (3), welche in zumindest einem axialen Teilabschnitt (4a, 4b, 4c) magnetisiert ist und an die ein zu messendes Drehmoment anlegbar ist, zumindest einen TMR-Sensor (5a, 5b), der außerhalb der Welle (3) angeordnet ist und ausgebildet ist, zumindest zweidimensional, insbesondere dreidimensional ein Magnetfeld zu messen und der so zu dem zumindest einen Teilabschnitt (4a, 4b, 4c) angeordnet ist, dass der zumindest eine TMR-Sensor (5a, 5b) bei Drehung der Welle (3) um die Achse (2) eine Änderung des Magnetfelds auf Grund des magnetostriktiven Effekts im magnetisierten Teilabschnitt (4a, 4b, 4c) bei Einwirkung des Drehmoments auf die Welle (3) misst, und eine Auswerteeinrichtung (6), die mit dem zumindest einen TMR-Sensor (5a, 5b) verbunden ist, und die ausgebildet ist, basierend auf den gemessenen Werten des Magnetfelds ein auf die Welle (3) wirkendes Drehmoment zu bestimmen.
System (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Welle (3) zumindest zwei axiale Teilabschnitte (4a, 4b) aufweist, welche magnetisiert sind.
System (1) gemäß Anspruch 2, wobei die zumindest zwei axialen Teilabschnitte (4a, 4b) unterschiedliche Magnetisierung, insbesondere entgegengesetzte Magnetisierung aufweisen.
System (1) gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei mehrere Sensoren (5a, 5b), insbesondere mehrere TMR-Sensoren, angeordnet sind und jedem Teilabschnitt (4a, 4b, 4c) zumindest ein Sensor (5a, 5b) zur Messung zugeordnet ist.
System (1) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die beiden axialen Teilabschnitte (4a, 4b) benachbart zueinander angeordnet sind.
System (1) gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei der zumindest eine dem jeweiligen axialen Teilabschnitt (4a, 4b, 4c) zugeordnete Sensor (5a, 5b) axial mittig zum jeweiligen axialen Teilabschnitt (4a, 4b, 4c) angeordnet ist.
System (1) gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die zumindest zwei benachbarten Teilabschnitten (4a, 4b) zugeordneten Sensoren (5a, 5b) in axialer Richtung näher beieinander angeordnet sind als die Summe der Hälften der jeweiligen axialen Erstreckungen der benachbarten Teilabschnitte (4a, 4b).
System gemäß einem der Ansprüche 1-7, wobei der zumindest eine TMR-Sensor (5a, 5b) in Form eines ASIC bereitgestellt ist.
Verfahren zur Drehmomentmessung, insbesondere bei einem Antrieb eines E-Bikes, umfassend die Schritte: - Magnetisieren (S1) zumindest eines axialen Teilabschnitts (4a, 4b, 4c) zumindest einer sich um eine Achse (2) drehbare Welle (3), - Drehen (S2) der Welle (3) um ihre Achse (2), - zumindest zweidimensionales, insbesondere dreidimensionales Vermessen (S3) einer Änderung eines Magnetfelds im magnetisierten Teilabschnitt (4a, 4b, 4c) auf Grund des magnetostriktiven Effekts während der Drehung der Welle (3) um die Achse (2) mittels zumindest eines TMR-Sensors (5a, 5b) und - Auswerten (S4), mittels einer Auswerteeinrichtung (6), der gemessenen Werte des zumindest einen TMR-Sensors (5a, 5b), und - Bestimmen (S5) eines auf die Welle (3) wirkendes Drehmoments anhand der ausgewerteten Werte.