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DE20220388U1 - Device for measurement of the torque applied to a shaft, e.g. a motor vehicle steering wheel shaft, has a flux concentrator that enables a magnetic field sensor to be securely positioned so that it is insensitive to tolerances - Google Patents

Device for measurement of the torque applied to a shaft, e.g. a motor vehicle steering wheel shaft, has a flux concentrator that enables a magnetic field sensor to be securely positioned so that it is insensitive to tolerances

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DE20220388U1
DE20220388U1 DE20220388U DE20220388U DE20220388U1 DE 20220388 U1 DE20220388 U1 DE 20220388U1 DE 20220388 U DE20220388 U DE 20220388U DE 20220388 U DE20220388 U DE 20220388U DE 20220388 U1 DE20220388 U1 DE 20220388U1
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DE
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magnetic flux
shaft
field sensor
magnetic field
magnetic
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Valeo Schalter und Sensoren GmbH
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Valeo Schalter und Sensoren GmbH
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    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01L3/00Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/104Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving permanent magnets

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Abstract

Device for determining the torque between two shaft sections that move relative to each other, comprises a multipolar magnetic ring (24) arranged around the first shaft section (14) and a stator support (30) with two stator elements (26, 32) fixed to the second shaft section (12). Each stator has axially extending fingers equally distributed around its circumference. The fingers (34, 36) form holes between themselves with the fingers of each section linked by a flux ring. A magnetic flied sensor (44) has flux concentrators between the flux rings of the stator elements.

Description

S:\IB5DUP\DUPAMM\2C0211\382 6090IDE-20C30S23.docS:\IB5DUP\DUPAMM\2C0211\382 6090IDE-20C30S23.doc

Anmelder:Applicant:

Valeo Schalter und SensorenValeo switches and sensors

Stuttgarter Straße 119Stuttgarter Strasse 119

74321 Bietigheim-Bissingen74321 Bietigheim-Bissingen

Allgemeine Vollmacht: 4.3.5.-Nr.306/99AVGeneral power of attorney: 4.3.5.-No.306/99AV

38260901DE 04.04.200338260901EN 04.04.2003

STE/HUTSTE/HAT

Titel: Vorrichtung zum Bestimmen eines auf eine Welle ausgeübten DrehmomentsTitle: Device for determining a torque exerted on a shaft

BeschreibungDescription

Die Erfindung betriftt eine Vorrichtung zum Bestimmen eines auf eine Welle ausgeübten Drehmoments, wobei die Welle einen ersten Wellenabschnitt und einen zweiten Wellenabschnitt aufweist und die beiden Wellenabschnitte gegeneinander verdrehbar sind, mit einem den ersten Wellenabschnitt umgebenden und mit diesem verbundenen Multipol-Magnetring und einem am zweiten Wellenabschnitt befestigten Statorhalter, wobei am Statorhalter zwei Statorelemente befestigt sind und jedes Statorelement in axialer Richtung abragende Finger aufweist, die gleichmäßig zumindest über einen Teil desThe invention relates to a device for determining a torque exerted on a shaft, wherein the shaft has a first shaft section and a second shaft section and the two shaft sections can be rotated relative to one another, with a multipole magnet ring surrounding the first shaft section and connected to it and a stator holder fastened to the second shaft section, wherein two stator elements are fastened to the stator holder and each stator element has fingers projecting in the axial direction, which are evenly distributed over at least part of the

Umfar.gs verteilt angeordnet sind und zwischen sich Lücken aufweisen, wobei die Finger eines jeden Statorelements über einen Magnetflussring miteinander verbunden sind, die Magnetflussringe einen Abstand zueinander aufweisen und zwischen den Magnetflussringen ein Magnetfeldsensor angeordnet ist, wobei dem Magnetfeldsensor wenigstens ein Magnetflusskonzentrator zugeordnet ist.Umfar.gs are arranged distributed and have gaps between them, wherein the fingers of each stator element are connected to one another via a magnetic flux ring, the magnetic flux rings are spaced apart from one another and a magnetic field sensor is arranged between the magnetic flux rings, wherein at least one magnetic flux concentrator is assigned to the magnetic field sensor.

Aus der US 4,984,474 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der im wesentlichen von einem oder mehreren Magnetringen und zwei Statorelementen gebildet wird, die jedoch eine geringe Polzahl aufweisen. Die geringe Polzahl besitzt den Nachteil, dass dem vom Sensor gemessenen Signal beim Drehen der Lenkwelle eine Welligkeit aufmoduliert wird, welche nur durch geeignete elektronische Addition zweier um eine halbe Polbreite versetzter Signale beziehungsweise durch komplett ringförmig ausgebildete Flusssammeiringe kompensiert werden kann. Weiterhin ist ein derart aufgebauter Drehmomentsensor relativ empfindlich und störanfällig, da der Magnetflusskonzentrator radial außerhalb der Statoren angebracht ist. Ferner weist ein derartiger Aufbau eine große Empfindlichkeit gegen Rundlauftoleranzen auf. Schließlich besitzen die Statoren Abstandshalter, die von separaten Ringen gebildet werden, wodurch der Aufbau relativ komplex wird.US 4,984,474 discloses a torque sensor which is essentially formed by one or more magnetic rings and two stator elements, which, however, have a small number of poles. The small number of poles has the disadvantage that a ripple is modulated onto the signal measured by the sensor when the steering shaft rotates, which can only be compensated for by suitable electronic addition of two signals offset by half a pole width or by completely ring-shaped flux collecting rings. Furthermore, a torque sensor constructed in this way is relatively sensitive and susceptible to interference, since the magnetic flux concentrator is mounted radially outside the stators. Furthermore, such a construction is very sensitive to concentricity tolerances. Finally, the stators have spacers which are formed by separate rings, which makes the construction relatively complex.

Aus der FR 2,821,668 Al ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher der Sensor aus einem diskret aufgebauten Multipolmagnetring und zwei ineinander geschachteltenFrom FR 2,821,668 Al a device is known in which the sensor consists of a discretely constructed multipole magnet ring and two nested

weichmagnetischen Staroren besteht. Diese Statoren besitzen auf der radialen Innenseite fingerförmige Strukturen, welche die Magnetpole abtasten, sowie auf der radialen Außenseite einen ringförmigen Spalt, in welchem sich ein ortsfester Magnetfeldsensor befindet.soft magnetic stators. These stators have finger-shaped structures on the radial inside, which scan the magnetic poles, and an annular gap on the radial outside, in which a stationary magnetic field sensor is located.

Die Polteilung muss durch diskreten Aufbau des Magnetrades relativ grob gewählt werden (Polbreite 20°), was einen ebenso großen Linearitätsbereich bewirkt, der aber nicht vollständig ausgenutzt wird, da der Bereich des zu messenden Winkels aufgrund der geforderten Steifigkeiten des Torsionssystem nur etwa ± 3° bis 5° beträgt. Der Magnetfluss kann nicht optimal ausgenutzt werden, da der den magnetischen Rückschluss bildende Luftspalt über den gesamten Umfang gleich, ausgebildet ist, so dass sich der Magnetfluss auf eine große Fläche verteilt und deshalb am Ort des Magnetfeldsensors nur relativ gering ist.The pole pitch must be chosen relatively roughly due to the discrete design of the magnetic wheel (pole width 20°), which results in an equally large linearity range, but this is not fully utilized because the range of the angle to be measured is only about ± 3° to 5° due to the required rigidity of the torsion system. The magnetic flux cannot be utilized optimally because the air gap forming the magnetic return path is the same over the entire circumference, so that the magnetic flux is distributed over a large area and is therefore relatively small at the location of the magnetic field sensor.

Ausgehend von der FR 2,821,668 Al liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Drehmomentsensor bereitzustellen, mit dem ohne großen technischen Aufwand ein stärkeres Signal generiert werden kann. Dabei soll der Magnetsensor jedoch robust ausgebildet und unempfindlich gegen die in Kraftfahrzeugen auftretenden Vibrationen sein.Based on FR 2,821,668 A1, the invention is based on the object of providing a torque sensor with which a stronger signal can be generated without great technical effort. However, the magnetic sensor should be robust and insensitive to the vibrations that occur in motor vehicles.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass derThis object is achieved according to the invention with a device of the type mentioned above in that the

Magnetflusskonzentrator zwischen den Magnetflussringen vorgesehen ist.Magnetic flux concentrator is provided between the magnetic flux rings.

Die Anordnung des Magnetflusskonzentrators hat den wesentlichen Vorteil, dass der Magnetfeldsensor geschützt angeordnet ist. Durch den Magnetflusskonzentrator wird ein wesentlich stärkeres Signal empfangen, welches als direktes Maß für das Drehmoment verwendet werden kann, ohne dass dieses noch aufwendig ausgewertet werden müsste. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der erfindungsgemäße Aufbau unempfindlich gegenüber mechanischen Toleranzen ist, da der Magnetflusskonzentrator innerhalb des Stators sich befindet.The arrangement of the magnetic flux concentrator has the significant advantage that the magnetic field sensor is arranged in a protected manner. The magnetic flux concentrator receives a much stronger signal, which can be used as a direct measure of the torque without the need for complex evaluation. A further advantage is that the structure according to the invention is insensitive to mechanical tolerances, since the magnetic flux concentrator is located inside the stator.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen dem Magnetfeldsensor und jedem Magnetflussring ein Magnetflusskonzentrator angeordnet ist. Dies bedeutet, dass der Magnetfluss zwischen dem Magnetflussring und dem Magnetfeldsensor stets über einen Magnetflusskonzentrator läuft.In a further development, a magnetic flux concentrator is arranged between the magnetic field sensor and each magnetic flux ring. This means that the magnetic flux between the magnetic flux ring and the magnetic field sensor always runs via a magnetic flux concentrator.

Um eine optimale Verstärkung des Signals zu erhalten, erstreckt sich der Magnetflusskonzentrator benachbart zum Magnetflussring über einen Abschnitt in dessen Umfangsrichtung. Dabei ist der Magnetflusskonzentrator vorteilhaft der Krümmung des Magnetflussringes angepasst. Um den Widerstand im den Rückschluss bildenden Luftspalt so gering wie möglich zu halten, ist zwischen dem Magnetflusskonzentrator und dem Magnetflussring ein sehr engerIn order to obtain an optimal amplification of the signal, the magnetic flux concentrator extends adjacent to the magnetic flux ring over a section in its circumferential direction. The magnetic flux concentrator is advantageously adapted to the curvature of the magnetic flux ring. In order to keep the resistance in the air gap forming the return as low as possible, a very narrow gap is provided between the magnetic flux concentrator and the magnetic flux ring.

Luftspalt vorhanden. Dabei ist von Vorteil, dass der Magnenfeldsensor berührungslos arbeitet und dennoch einen geringen Widerstand im Rückschluss besitzt.Air gap is present. The advantage here is that the magnetic field sensor works without contact and yet has a low resistance in the return path.

Bei einem Ausführungsbeispiel verläuft der Luftspalt in einer in Umfangsrichtung sich erstreckenden Fläche. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel verläuft der Luftspalt in einer in radialer Richtung sich erstreckenden Fläche, das heißt in einer Radialebene. Im ersteren Fall ist der Magnetfeldsensor axial und im zweiten Ausführungsbeispiel radial in den Stator eingesetzt.In one embodiment, the air gap runs in a surface extending in the circumferential direction. In another embodiment, the air gap runs in a surface extending in the radial direction, i.e. in a radial plane. In the first case, the magnetic field sensor is inserted axially into the stator and in the second embodiment, it is inserted radially.

Mit Vorzug weist der Magnetflusskonzentrator einen dem Magnetflussring benachbarten und einen dem Magnetfeldsensor benachbarten Abschnitt auf. Auf diese Weise kann sich der Magnetflusskonzentrator sowohl bis in die unmittelbare Nähe des Magnetflussringes als auch bis in die unmittelbare Mähe des Magnetfeldsensors erstrecken.Preferably, the magnetic flux concentrator has a section adjacent to the magnetic flux ring and a section adjacent to the magnetic field sensor. In this way, the magnetic flux concentrator can extend both into the immediate vicinity of the magnetic flux ring and into the immediate vicinity of the magnetic field sensor.

Bei einer besonderen Ausführungsform sind dabei die Abschnitte in zueinander versetzten oder winklig zueinander stehenden Ebenen oder Flächen angeordnet. Auf diese Weise wird der Magnetfluss optimal von den Magnetflussringen in Richtung des Magnetfeldsensors gelenkt und geleitet. Dabei sind die beiden Abschnitte über eine Abkröpfung miteinander verbunden.In a special embodiment, the sections are arranged in planes or surfaces that are offset from one another or at an angle to one another. In this way, the magnetic flux is optimally directed and guided by the magnetic flux rings in the direction of the magnetic field sensor. The two sections are connected to one another via a bend.

Um eine optimale Ausnutzung des gesamten Feldes, und zwar hinsichtlich der Feldstärke, des Winkelmessbereichs, derIn order to ensure optimal use of the entire field, namely in terms of field strength, angle measuring range,

Polzahl und so weiter zu erhalten, ist der den Magnetflussring benachbarte Abschnitt breiter als die Breite eines Fingers, insbesondere ist dieser doppelt so breit. Für eine Redundanz sind mindestens zwei unabhängige Magnetfeldsensoren vorgesehen. D ie Flusskonzentratoren haben dann zwei Abkröpfungen. Der Flusskonzentrator ist in einer bestimmten Länge ausgeführt, um eine größere Empfindlichkeit zu erhalten und um eine eventuelle Signalwelligkeit auszumitteln.To obtain the required number of poles and so on, the section adjacent to the magnetic flux ring is wider than the width of a finger, in particular it is twice as wide. For redundancy, at least two independent magnetic field sensors are provided. The flux concentrators then have two bends. The flux concentrator is designed in a certain length to obtain greater sensitivity and to average out any signal ripple.

Eine einfache Montage und exakte Zuordnung zueinander wird dadurch erzielt, dass der beziehungsweise die Magnetflusskonzentrator(en) und der Magnetfeldsensor in einem gemeinsamen Halter und/oder Sensorgehäuse angeordnet sind. Über diesen Halter werden sowohl der Magnetfeldsensor als auch die Magnetflusskonzentratoren zueinander positioniert und innerhalb des Stators fixiert und zudem gegen Umwelteinflüsse geschützt.Simple assembly and precise allocation to one another is achieved by arranging the magnetic flux concentrator(s) and the magnetic field sensor in a common holder and/or sensor housing. This holder is used to position both the magnetic field sensor and the magnetic flux concentrators relative to one another and to fix them within the stator, while also protecting them against environmental influences.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung zwei besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten als auch in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention emerge from the subclaims and the following description, in which two particularly preferred embodiments are described in detail with reference to the drawing. The features shown in the drawing and mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination.

In der Zeichnung zeigen:In the drawing show:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen, an einer Welle angeordneten Drehmomentsensors, teilweise geschnitten;Figure 1 is a perspective view of the torque sensor according to the invention arranged on a shaft, partially in section;

Figur 2 eine Schnittansicht in Richtung des Pfeils II gemäß Figur 1;Figure 2 is a sectional view in the direction of arrow II in Figure 1;

Figur 3 eine schematische Darstellung der Relativpositionen von Magnetring und Stator ohne an der Welle wirkendem Drehmoment (Figur 3a) und bei aufgebrachtem Drehmoment (Figur 3b);Figure 3 is a schematic representation of the relative positions of the magnetic ring and the stator without any torque acting on the shaft (Figure 3a) and with torque applied (Figure 3b);

Figur 4 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehmomentsensors;Figure 4 shows a longitudinal section through a second embodiment of the torque sensor according to the invention;

Figur 5 eine vergrößerte Wiedergabe des Ausschnitts V gemäß Figur 4;Figure 5 is an enlarged representation of detail V according to Figure 4;

Figur 6 einen Schnitt VI-VI gemäß Figur 5; Figur 7 einen Schnitt VII-VII gemäß Figur 5; undFigure 6 shows a section VI-VI according to Figure 5; Figure 7 shows a section VII-VII according to Figure 5; and

Figur 8 eine schematische Darstellung der Relativpositionen von Magnetring und Stator ohne an der Welle wirkendem Drehmoment (Figur 8a) und bei aufgebrachtem Drehmoment (Figur 8b).Figure 8 is a schematic representation of the relative positions of the magnetic ring and the stator without any torque acting on the shaft (Figure 8a) and with applied torque (Figure 8b).

Die Figur 1 zeigt eine insgesamt mit 10 bezeichnete Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs, von der zwei Wellenabschnitte 12 und 14 erkennbar sind. Die beiden Wellenabschnitte 12 und 14 sind über eine Torsionsstabfeder 16 miteinander verbunden, so dass ihre freien, einander zugewandten Enden 18 und 20 dann relativ zueinander verdreht werden, wenn auf die Lenkwelle 10 ein Drehmoment aufgebracht wird. Am Ende 20 des Wellenabschnitts 14 ist ein Magnetringhalter 22 befestigt, welcher einen insgesamt mit 24 bezeichneten Mulipol-Magnetring trägt. Dieser Magnetring 24 umgibt die Lenkweile 10 mit radialem Abstand, so dass zwischen dem Magnetring 24 und der Lenkwelle 10 ein Statorelement 26 eingreifen kann.Figure 1 shows a steering shaft of a motor vehicle, designated as a whole by 10, of which two shaft sections 12 and 14 can be seen. The two shaft sections 12 and 14 are connected to one another via a torsion bar spring 16, so that their free, mutually facing ends 18 and 20 are rotated relative to one another when a torque is applied to the steering shaft 10. A magnetic ring holder 22 is attached to the end 20 of the shaft section 14, which carries a multipole magnetic ring, designated as a whole by 24. This magnetic ring 24 surrounds the steering shaft 10 with a radial distance, so that a stator element 26 can engage between the magnetic ring 24 and the steering shaft 10.

Dieses Statorelement 26 ist Teil eines insgesamt mit 28 bezeichneten Stators, der an einem Statorhalter 30 befestigt ist. Dieser Statorhalter 30 ist wiederum am freien Ende 18 des Wellenabschnitts 12 angebracht. Dem ersten Statorelement 26 liegt ein zweites Statorelement 32 radial gegenüber und wird, wie das erste Statorelement 26, vom Statorhalter 30 gehalten und sicher positioniert. Von beiden Statorelementen 26 und 32 ragen nach unten Finger 34 und 36 ab, die zwischen sich den Magnetring 24 aufnehmen. Die beiden Statorelemente 26 und 32 sind aus weichmagnetischem Material gefertigt.This stator element 26 is part of a stator, designated overall by 28, which is attached to a stator holder 30. This stator holder 30 is in turn attached to the free end 18 of the shaft section 12. A second stator element 32 is located radially opposite the first stator element 26 and, like the first stator element 26, is held and securely positioned by the stator holder 30. Fingers 34 and 36 protrude downwards from both stator elements 26 and 32, which hold the magnetic ring 24 between them. The two stator elements 26 and 32 are made of soft magnetic material.

Ferner ist in der Figur 1 erkennbar, dass die freien oberen Enden 38 und 40 der beiden Statoreiemente 26 und 32 einen Spalt 42 bilden. In diesem Spalt 42 ist ein Magnetfeldsensor 44 angeordnet, und liegt den beiden Enden 38 und 40 direktFurthermore, it can be seen in Figure 1 that the free upper ends 38 and 40 of the two stator elements 26 and 32 form a gap 42. A magnetic field sensor 44 is arranged in this gap 42 and is located directly

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gegenüber, was aus Figur 2 deutlich erkennbar ist. Die Finger 34 und 36 ragen jeweils von einem Magnetflussring 46 und 43 ab, die den in den Fingern 34 und 36 jeweils induzierten Magnetfluss zusammenführen und in Richtung des Magnetfeldsensors 44 leiten.which can be clearly seen from Figure 2. The fingers 34 and 36 each protrude from a magnetic flux ring 46 and 43, which bring together the magnetic flux induced in the fingers 34 and 36 and direct it in the direction of the magnetic field sensor 44.

Aus der Figur 2 ist deutlich erkennbar, dass am Magnetfeldsensor 44 ein erster Magnetflusskonzentrator 56 angeordnet ist, der zwischen dem Magnetfeldsensor 44 und dem Magnetflussring 46 liegt. Zwischen dem Magnetfeldsensor 44 und dem Magnetflussring 48 ist ein zweiter Magnetflusskonzentrator 58 angeordnet. Die beiden Magnetflusskonzentratoren 56 und 58 weisen jeweils einen Abschnitt 60 und 62 auf, die den Magnetflussringen 46 und 48 benachbart sind. Zwischen den beiden Abschnitten 60 und 62 befindet sich jeweils ein Abschnitt 64, der dem Magnetfeldsensor 44 benachbart ist. Die Abschnitte 60 und 62 gehen über eine Abkröpfung jeweils in den Abschnitt 64 über. Bei Herstellung der Flusskonzentratoren 56 und 58 als Sinterteile ist der mittlere Abschnitt 64 nicht abgekröpft, sondern die dem Magnetflussring 46 und 48 zugewandte Abschnitt 60 und 62 ist durchgehend, und nur auf der dem Magnetfeldsensor 44 zugewandten Seite befindet sich dann ein Höcker, der den Abschnitt 64 bildet. Benachbart zu den Abschnitten 60 und 62 befindet sich ein geringer Luftspalt 42, der diese von den Magnetflussringen 46 und 48 trennt, was deutlich zum zweiten Ausführungsbeispiel in Figur 7 dargestellt ist. Die beiden Magnetflusskonzentratoren 56 und 58 und der Magnetfeldsensor 44 sind in einem gemeinsamenFrom Figure 2 it is clearly visible that a first magnetic flux concentrator 56 is arranged on the magnetic field sensor 44, which lies between the magnetic field sensor 44 and the magnetic flux ring 46. A second magnetic flux concentrator 58 is arranged between the magnetic field sensor 44 and the magnetic flux ring 48. The two magnetic flux concentrators 56 and 58 each have a section 60 and 62, which are adjacent to the magnetic flux rings 46 and 48. Between the two sections 60 and 62 there is a section 64, which is adjacent to the magnetic field sensor 44. The sections 60 and 62 each merge into the section 64 via a bend. When the flux concentrators 56 and 58 are manufactured as sintered parts, the middle section 64 is not bent, but the sections 60 and 62 facing the magnetic flux ring 46 and 48 are continuous, and only on the side facing the magnetic field sensor 44 is there a hump that forms the section 64. Adjacent to the sections 60 and 62 there is a small air gap 42 that separates them from the magnetic flux rings 46 and 48, which is clearly shown for the second embodiment in Figure 7. The two magnetic flux concentrators 56 and 58 and the magnetic field sensor 44 are in a common

Gehäuse angeordnet und können in axialer Richtung zwischen die beiden Magnetflussringe 46 und 43 in den Stator 28 eingeschoben werden.Housing and can be inserted in the axial direction between the two magnetic flux rings 46 and 43 into the stator 28.

Den Figuren 3a und 3b kann die Stellung der einzelnen Finger 34 und 36 bezüglich der Pole 50 und 52 des Magnetringes 24 entnommen werden. Außerdem ist ersichtlich, dass die Finger 34 und 36 einander radial gegenüberliegen.Figures 3a and 3b show the position of the individual fingers 34 and 36 with respect to the poles 50 and 52 of the magnetic ring 24. It can also be seen that the fingers 34 and 36 are radially opposite one another.

In der Figur 3a wird auf die Lenkwelle 10 kein Drehmoment aufgebracht, so dass die Figur 3a den Ruhe- oder Neutralzustand zeigt. Dabei ist deutlich erkennbar, dass die Finger 34 und 36 jeweils den Übergängen 54 zwischen den Polen 50 und 52 gegenüberliegen. Aus Symmetriegründen bleiben die Statorelemente 26 und 32 insgesamt magnetisch neutral; das heißt im Luftspalt 42 bildet sich deshalb kein Magnetfeld aus.In Figure 3a, no torque is applied to the steering shaft 10, so that Figure 3a shows the rest or neutral state. It is clearly visible that the fingers 34 and 36 are opposite the transitions 54 between the poles 50 and 52. For reasons of symmetry, the stator elements 26 and 32 remain magnetically neutral overall; this means that no magnetic field is formed in the air gap 42.

Wird auf die Lenkwelle 10 ein Drehmoment ausgeübt, dann verdrehen sich die beiden Enden 38 und 40 der beiden Wellenabschnitte 12 und 14 gegeneinander, was in Figur 3b dargestellt ist. Die Finger 34 und 36 liegen nunmehr einem der Pole 50 und 52 gegenüber (in der Figur 3b dem Pol 50) . Die radial inneren Finger 34 liegen zum Beispiel den Nordpolen und die radial äußeren Finger 36 den Südpolen gegenüber. Folglich wird das innere Statorelement 26 zu einem Nordpol und das äußere Statorelement 32 zu einem Südpol aufmagnetisiert. Der durch die Enden 38 und 40 begrenzte Spalt 42, welcher über den gesamten Umfang ausgebildet ist, stellt den magnetischenIf a torque is applied to the steering shaft 10, the two ends 38 and 40 of the two shaft sections 12 and 14 rotate against each other, which is shown in Figure 3b. The fingers 34 and 36 are now opposite one of the poles 50 and 52 (in Figure 3b, the pole 50). The radially inner fingers 34 are opposite the north poles, for example, and the radially outer fingers 36 are opposite the south poles. Consequently, the inner stator element 26 is magnetized to a north pole and the outer stator element 32 to a south pole. The gap 42 delimited by the ends 38 and 40, which is formed over the entire circumference, represents the magnetic

Rückschluss dar. Der Magnetfeldsensor 44, welcher ortsfest an z.B. in Figur 4 dargestellten Gehäuse 63 der Lenkweile 10 angebracht ist, taucht mit seiner empfindlichen Fläche in diesen Spalt 42 ein und misst über die Magentflusskonzentratoren 56 und 58 die Stärke der magnetischen Induktion, welche ein direktes Maß für die Größe des Drehmoments ist. Die Stärke der magnetischen Induktion ist dabei bei konstantem Drehmoment ebenfalls über den gesamten Umfang des Spalts 42 konstant. Dies bedeutet, dass die Lenkwelle 10 mit dem Magnetring 24 und dem Stator 28 ungehindert gedreht v/erden kann. Der Sensor 4 4 arbeitet vollkommen berührungslos.Conclusion: The magnetic field sensor 44, which is fixedly attached to the housing 63 of the steering shaft 10, shown in Figure 4, for example, dips its sensitive surface into this gap 42 and measures the strength of the magnetic induction via the magnetic flux concentrators 56 and 58, which is a direct measure of the magnitude of the torque. The strength of the magnetic induction is also constant over the entire circumference of the gap 42 at a constant torque. This means that the steering shaft 10 with the magnetic ring 24 and the stator 28 can be rotated unhindered. The sensor 44 works completely contactlessly.

Bei negativem Drehmoment ändert sich die Richtung der relativen Verdrehung, so dass die Finger 34 den Polen 52 gegenüberliegen. Dadurch vertauschen sich die Polaritäten in den Statorelementen 26 und 32.With negative torque, the direction of the relative rotation changes so that the fingers 34 are opposite the poles 52. This reverses the polarities in the stator elements 26 and 32.

Von Vorteil ist, dass die Polteilung des Magnetringes 24 relativ fein gewählt werden kann, so dass der Linearitätsbereich sich nahezu mit dem zu messenden Winkelbereichen deckt. Es ergibt sich dadurch bei gleichem Drehmoment, verglichen mit dem Stand der Technik, ein größeres Ausgangssignal, was gleichbedeutend mit einem besseren Signal/Rauschverhältnis ist. Da der Magnetring aus einem kunststoffgebundenen Magnetmaterial hergestellt ist, kann dieser preisgünstiger und genauer gefertigt werden. Durch den im Verhältnis zum Luftspalt 42 großen Abstand der Finger 34The advantage is that the pole pitch of the magnetic ring 24 can be selected relatively finely, so that the linearity range almost coincides with the angle ranges to be measured. This results in a larger output signal for the same torque compared to the state of the art, which is equivalent to a better signal-to-noise ratio. Since the magnetic ring is made of a plastic-bonded magnetic material, it can be manufactured more cheaply and more precisely. Due to the large distance between the fingers 34 in relation to the air gap 42

und 3 6 ist kein konkurrierender Nebenschluss vorhanden und die Magnetfeldlinien konzentrieren sich optimal auf die Magentflusskonzentratoren 56 und 58. Hierdurch wird das Ausgangssignal ebenfalls vergrößert. Da der Magnetfeldsensor 44 in axialer Richtung im Spalt 42 angeordnet ist, wird die Montage erleichtert, da der Magnetfeldsensor 44 direkt an einem Halter befestigt werden kann, welcher in axialer Richtung auf die Welle 10 aufgeschoben wird und von dieser zentriert wird. Dadurch entstehen geringe Montagetoleranzen.and 3 6 there is no competing shunt and the magnetic field lines concentrate optimally on the magnetic flux concentrators 56 and 58. This also increases the output signal. Since the magnetic field sensor 44 is arranged in the axial direction in the gap 42, assembly is made easier because the magnetic field sensor 44 can be attached directly to a holder which is pushed onto the shaft 10 in the axial direction and is centered by it. This results in small assembly tolerances.

Die Figur 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Am Ende 18 des Wellenabschnitts 14 ist der Magnetring befestigt, der vom Stator 28 umgeben ist. Dieser Stator 28 ist seinerseits über den Statorhalter 30 am Ende 20 des Wellenabschnitts 12 befestigt. Der Aufbau des Stators 28 entspricht im Wesentlichen dem, wie er in der FR 2,821,668 Al beschrieben ist, so dass der Stator 28 zwei Statorelemente 26 und 32 besitzt. Diese Statorelemente 26 und 32 sind im wesentlichen L-förmig abgewinkelt, wobei der eine L-Schenkel vom Magnetflussring 46 beziehungsweise 48 und der andere L-Schenkel von den Fingern 34 beziehungsweise 36 gebildet werden. Die Finger 34 und 36 sind zum Beispiel in den Figuren 6 und 8 gezeigt.Figure 4 shows a longitudinal section through a second embodiment of the invention, wherein identical or equivalent components are designated by identical reference numerals. The magnetic ring, which is surrounded by the stator 28, is attached to the end 18 of the shaft section 14. This stator 28 is in turn attached to the end 20 of the shaft section 12 via the stator holder 30. The structure of the stator 28 essentially corresponds to that described in FR 2,821,668 A1, so that the stator 28 has two stator elements 26 and 32. These stator elements 26 and 32 are bent essentially in an L-shape, wherein one L-leg is formed by the magnetic flux ring 46 or 48 and the other L-leg is formed by the fingers 34 or 36. The fingers 34 and 36 are shown, for example, in Figures 6 and 8.

Zwischen den beiden Magnetflussringen 46 und 48 ist, wie deutlich in Figur 5 gezeigt, der Magnetfeldsensor 44Between the two magnetic flux rings 46 and 48, as clearly shown in Figure 5, the magnetic field sensor 44

angeordnet, der seinerseits im Sensorgehäuse 65 untergebracht ist. Neben dem Magnetfeldsensor 44 befinden sich die beiden Magnetflusskonzentratoren 56 und 58, die mit ihrem Abschnitt 64 direkt am Magnetfeldsensor 44 anliegen.which in turn is housed in the sensor housing 65. Next to the magnetic field sensor 44 are the two magnetic flux concentrators 56 and 58, which with their section 64 lie directly against the magnetic field sensor 44.

Die Figur 6 zeigt den Magnetflusskonzentrator 56 im Längsschnitt und es ist erkennbar, dass der Abschnitt 64 in die beiden Abschnitte 60 und 62 übergeht. Insgesamt ist der Magnetflusskonzentrator 56 gebogen ausgeführt und folgt der Krümmung des Magnetflussringes 46. Außerdem ist erkennbar, dass die beiden Abschnitte 60 und 62 im wesentlichen zwei Finger 36 des Magnetflussringes 46 überdecken, wodurch der Magnetfluss, der in diesen beiden Fingern 36 induziert wird, konzentriert und dem Magnetfeldsensor 44 zugeführt wird. Der Flusskonzentrator 56 bzw. 58 kann auch gerade ausgeführt werden. Die Länge ist nicht mit Zahl der überdeckten Finger bzw. 36 korreliert. Der von den Fingern 34 und 36 gesammelte Fluss wird durch die Magnetflussringe 46 und 48 über den Umfang verteilt und die Flusskonzentratoren 56 und 58 leiten den Fluss gezielt über den Magnetfeldsensor 44 zurück.Figure 6 shows the magnetic flux concentrator 56 in longitudinal section and it can be seen that the section 64 merges into the two sections 60 and 62. Overall, the magnetic flux concentrator 56 is curved and follows the curvature of the magnetic flux ring 46. It can also be seen that the two sections 60 and 62 essentially cover two fingers 36 of the magnetic flux ring 46, whereby the magnetic flux induced in these two fingers 36 is concentrated and fed to the magnetic field sensor 44. The flux concentrator 56 or 58 can also be straight. The length is not correlated with the number of fingers 36 covered. The flux collected by the fingers 34 and 36 is distributed over the circumference by the magnetic flux rings 46 and 48 and the flux concentrators 56 and 58 specifically direct the flux back via the magnetic field sensor 44.

Die Ausgestaltung der beiden Magnetflusskonzentratoren 56 und 58 ist deutlich aus der Figur 7 erkennbar, insbesondere der Verlauf der Abschnitte 60, 62 und 64, und es ist deutlich erkennbar, dass die Abschnitte 64 am Magnetfeldsensor 44 anliegen und die Abschnitte 60 und 62 unmittelbar den Magnetflussringen 46 und 48 benachbart sind, wobei zwischenThe design of the two magnetic flux concentrators 56 and 58 can be clearly seen from Figure 7, in particular the course of the sections 60, 62 and 64, and it is clearly visible that the sections 64 are adjacent to the magnetic field sensor 44 and the sections 60 and 62 are directly adjacent to the magnetic flux rings 46 and 48, whereby between

den Abschnitten 60 und 62 sowie den Magnet flussringen 4 6 und 48 lediglich ein geringer Luftspalt 42 vorherrscht.between sections 60 and 62 and the magnetic flux rings 4, 6 and 48 there is only a small air gap 42.

In der Figur 8a ist, wie in der Figur 3a, die Neutralstellung gezeigt, in weicher kein Drehmoment auf die Lenkwelle 10 aufgebracht wird. In dieser Position stehen die einzelnen Finger 34 und 36 genau mittig den jeweiligen Übergängen 54 zwischen den Polen 50 und 52 gegenüber. Aus Symmetriegründen bleiben die Statorelemente 26 und 32 und somit auch die Magnetflussringe 4 6 und 48 magnetisch neutral. Das heißt im Luftspalt 42 bildet sich kein Magnetfeld aus.In Figure 8a, as in Figure 3a, the neutral position is shown, in which no torque is applied to the steering shaft 10. In this position, the individual fingers 34 and 36 are exactly in the middle of the respective transitions 54 between the poles 50 and 52. For reasons of symmetry, the stator elements 26 and 32 and thus also the magnetic flux rings 46 and 48 remain magnetically neutral. This means that no magnetic field is formed in the air gap 42.

In der Figur 8b wird auf die Lenkwelle 10 ein Drehmoment ausgeübt, so dass sich der Magnetring 24 und der Stator 28 relativ zueinander verdrehen. Die Finger 34 und 36 liegen nun den Südpolen 50 beziehungsweise den Nordpolen 52 gegenüber. In den Statorelementen 26 und 32 wird nun ein Magnetfluss induziert, der über die Magnetflussringe 46 und 48 und die Magnetflusskonzentratoren 56 und 58 auf den Magnetfeldsensor 44 übertragen wird. Es werden die gleichen Vorteile erzielt, wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Die Montage des Magnetfeldsensors 44 zusammen mit seinem Sensorgehäuse 66 erfolgt in radialer Richtung, was aus Figur 4 ersichtlich ist. Dieses Sensorgehäuse 66 wird von einem Gehäuse 68 fixiert, wobei die Lenkwelle 10 über Drehlager 70 vom Gehäuse 68 abgekoppelt ist.In Figure 8b, a torque is exerted on the steering shaft 10 so that the magnetic ring 24 and the stator 28 rotate relative to one another. The fingers 34 and 36 are now opposite the south poles 50 and the north poles 52, respectively. A magnetic flux is now induced in the stator elements 26 and 32, which is transferred to the magnetic field sensor 44 via the magnetic flux rings 46 and 48 and the magnetic flux concentrators 56 and 58. The same advantages are achieved as in the first embodiment. The magnetic field sensor 44 is mounted together with its sensor housing 66 in the radial direction, which can be seen in Figure 4. This sensor housing 66 is fixed by a housing 68, with the steering shaft 10 being decoupled from the housing 68 via pivot bearings 70.

HF" VNV VN ;:;;::;:::: MiHF" VNV VN ; : ;; :: ;: :: : Wed

Auch bei dieser Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor 44 geschützt angeordnet und einfach montierbar, wobei aufgrund der Magnetflusskonzentratoren 56 und 58 das Signal keine Welligkeit aufweist. Das vom Magnetfeldsensor 44 erzeugte Signal entspricht direkt dem aufgebrachten Drehmoment.In this embodiment, the magnetic field sensor 44 is also arranged in a protected manner and is easy to install, and the signal has no ripple due to the magnetic flux concentrators 56 and 58. The signal generated by the magnetic field sensor 44 corresponds directly to the applied torque.

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Claims (13)

1. Vorrichtung zum Bestimmen eines auf eine Welle (10) ausgeübten Drehmoments, wobei die Welle (10) einen ersten Wellenabschnitt (14) und einen zweiten Wellenabschnitt (12) aufweist und die beiden Wellenabschnitte (12 und 14) gegeneinander verdrehbar sind, mit einem den ersten Wellenabschnitt (14) umgebenden und mit diesem verbundenen Multipol-Magnetring (24) und einem am zweiten Wellenabschnitt (12) befestigten Statorhalter (30), wobei am Statorhalter (30) zwei Statorelemente (26, 32) befestigt sind und jedes Statorelement (26, 32) in axialer Richtung abragende Finger (34, 36) aufweist, die gleichmäßig zumindest über einen Teil des Umfangs verteilt angeordnet sind und zwischen sich Lücken aufweisen, wobei die Finger (34, 36) eines jeden Statorelements (26, 32) über einen Magnetflussring (46, 48) miteinander verbunden sind, die Magnetflussringe (46, 48) einen Abstand zueinander aufweisen und zwischen den Magnetflussringen (46, 48) ein Magnetfeldsensor (44) angeordnet ist, wobei dem Magnetfeldsensor (44) wenigstens ein Magnetflusskonzentrator (56, 58) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magentflusskonzentrator (56, 58) zwischen den Magnetflussringen (46, 48) vorgesehen ist. 1. Device for determining a torque exerted on a shaft ( 10 ), wherein the shaft ( 10 ) has a first shaft section ( 14 ) and a second shaft section ( 12 ) and the two shaft sections ( 12 and 14 ) can be rotated relative to one another, with a multipole magnet ring ( 24 ) surrounding the first shaft section ( 14 ) and connected thereto and a stator holder ( 30 ) fastened to the second shaft section ( 12 ), wherein two stator elements ( 26 , 32 ) are fastened to the stator holder ( 30 ) and each stator element ( 26 , 32 ) has fingers ( 34 , 36 ) projecting in the axial direction, which are arranged evenly distributed over at least part of the circumference and have gaps between them, wherein the fingers ( 34 , 36 ) of each stator element ( 26 , 32 ) are connected to one another via a magnetic flux ring ( 46 , 48 ), the magnetic flux rings ( 46 , 48 ) are spaced apart from one another and a magnetic field sensor ( 44 ) is arranged between the magnetic flux rings ( 46 , 48 ), wherein at least one magnetic flux concentrator ( 56 , 58 ) is assigned to the magnetic field sensor ( 44 ), characterized in that the magnetic flux concentrator ( 56 , 58 ) is provided between the magnetic flux rings ( 46 , 48 ). 2. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Magnetfeldsensor (44) und jedem Magnetflussring (46, 48) ein Magnetflusskonzentrator (56, 58) angeordnet ist. 2. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a magnetic flux concentrator ( 56 , 58 ) is arranged between the magnetic field sensor ( 44 ) and each magnetic flux ring ( 46 , 48 ). 3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetflusskonzentrator (56, 58) sich benachbart zum Magnetflussring (46, 48) über einen Abschnitt dessen Umfangs erstreckt. 3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic flux concentrator ( 56 , 58 ) extends adjacent to the magnetic flux ring ( 46 , 48 ) over a portion of its circumference. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetflusskonzentrator (56, 58) der Krümmung des Magnetflussringes (46, 48) angepasst ist. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic flux concentrator ( 56 , 58 ) is adapted to the curvature of the magnetic flux ring ( 46 , 48 ). 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Magnetflusskonzentrator (56, 58) und dem Magnetflussring (46, 48) ein enger Luftspalt (42) vorhanden ist. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a narrow air gap ( 42 ) is present between the magnetic flux concentrator ( 56 , 58 ) and the magnetic flux ring ( 46 , 48 ). 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (42) in einer in Umfangsrichtung sich erstreckenden Fläche verläuft. 6. Device according to claim 5, characterized in that the air gap ( 42 ) extends in a surface extending in the circumferential direction. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (42) in einer in radialer Richtung sich erstreckenden Fläche (Radialebene) verläuft. 7. Device according to claim 5, characterized in that the air gap ( 42 ) extends in a surface (radial plane) extending in the radial direction. 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetflusskonzentrator (56, 58) einen dem Magnetflussring (46, 48) benachbarten Abschnitt (60, 62) und einen dem Magnetfeldsensor (44) benachbarten Abschnitt (64) aufweist. 8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic flux concentrator ( 56 , 58 ) has a section ( 60 , 62 ) adjacent to the magnetic flux ring ( 46 , 48 ) and a section ( 64 ) adjacent to the magnetic field sensor ( 44 ). 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (60, 62, 64) in zueinander versetzten oder winklig zueinander stehenden Ebenen oder Flächen angeordnet sind. 9. Device according to claim 8, characterized in that the sections ( 60 , 62 , 64 ) are arranged in planes or surfaces which are offset from one another or at an angle to one another. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (60, 62, 64) über eine Abkröpfung ineinander übergehen. 10. Device according to claim 8 or 9, characterized in that the sections ( 60 , 62 , 64 ) merge into one another via an offset. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Magnetflussring (46, 48) benachbarte Abschnitt (60, 62) breiter ist als die Breite eines Fingers (34, 36), insbesondere doppelt so breit ist. 11. Device according to one of claims 8 to 10, characterized in that the section ( 60 , 62 ) adjacent to the magnetic flux ring ( 46 , 48 ) is wider than the width of a finger ( 34 , 36 ), in particular is twice as wide. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der beziehungsweise die Magnetflusskonzentrator(en) (56, 58) und der Magnetfeldsensor (44) in einem gemeinsamen Halter (68) und/oder Sensorgehäuse (66) angeordnet sind. 12. Device according to one of claims 8 to 11, characterized in that the magnetic flux concentrator(s) ( 56 , 58 ) and the magnetic field sensor ( 44 ) are arranged in a common holder ( 68 ) and/or sensor housing ( 66 ). 13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetflusskonzentrator (56, 58) sich über wenigstens eine Fläche erstreckt, die der Breite von zwei einander benachbarten Fingern (34, 36) eines Statorelements (26, 32) entspricht. 13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic flux concentrator ( 56 , 58 ) extends over at least one area which corresponds to the width of two adjacent fingers ( 34 , 36 ) of a stator element ( 26 , 32 ).
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