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STAND DER TECHNIK
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Diese
Erfindung betrifft Drehmomentmeßfühler und
insbesondere magnetostriktive Drehmomentmeßfühler.
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Der
magnetostriktive Effekt kann als die Veränderung von Maßen eines
Materials beschrieben werden, wenn dieses einem magnetischen Feld
ausgesetzt wird, oder seine umgekehrte Wirkung, d.h. die Änderung
der Magnetisierung eines Materials als Ergebnis einer Beanspruchung
von außen.
Dieser inverse magnetostriktive Effekt wird bisweilen als der magnetoelastische
Effekt bezeichnet, aber der Begriff Magnetostriktiv wird ausschließlich in
dem vorliegenden Dokument benutzt. Im allgemeinen gehört der magnetostriktive
Effekt zu ferromagnetischen Materialien.
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US 5,351,555 beschreibt
einen kontaktfreien Drehmomentmeßfühler der magnetostriktiven
Art, der bei drehenden Wellen benutzt werden kann. Wie in
16 der
anliegenden Zeichnungen veranschaulicht ist, weist der Drehmomentmeßfühler einen
Kragen
120 auf, der eng auf eine Welle
116 aufgepaßt ist.
Der Kragen
120 ist umfangsmäßig um die Welle herum magnetisiert,
wie in der Figur durch Pfeile veranschaulicht ist. Wenn die Welle
116 gedreht
wird, wird das Drehmoment auf den Kragen
120 übertragen
und induziert in diesem ein spiralförmiges magnetisches Feld. Eine
Komponente des spiralförmigen Feldes
wird von einem extern angeordneten Magnetflußdetektor
118 abgefühlt, von
welchem die Größe des Drehmomentes
abgeleitet werden kann.
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Ein ähnlicher
Meßfühler ist
in der
US 5,465,627 beschrieben,
der auch einen extern befestigten Auffrischmagneten aufweist, der
nicht stark genug ist, um den Kragen zu polarisieren, der statt
dessen aber wirkt, um eine etwaige Instabilität zu korrigieren, die sich
bei der Magnetisierung entwickelt.
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Obwohl
diese Aufbauten gut funktionieren, wurden sie aus verschiedenen
Gründen
kritisiert. Ein Problem besteht darin, daß es unter hohen Drehmomentbedingungen
möglich
ist, daß ein
Schlupf des Kragens auf der Welle auftreten kann. Ein anderer Sachverhalt
sind die Herstellungskosten, die zu der Herstellung und dem Aufpassen
des Kragens auf die Welle gehören
und die man für
sehr hoch ansah.
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WO
99/21150, WO 99/21151 und WO 99/56099 beschreiben verschiedene Aufbauten
eines Drehmomentmeßfühlers, welche
die Nachteile der Konzeptionen auf Kragenbasis ansprechen. Bei diesen
mehr kürzlichen
Konzeptionen wird ein Abschnitt der Welle selbst magnetisiert, wodurch
die Möglichkeit
gegeben wird, ohne separaten magnetisierten Kragen auszukommen. 17 der
anliegenden Zeichnungen veranschaulicht ein Beispiel dieser kragenfreien
Aufbauten. Integrale Abschnitte 122 einer Welle 116 werden
in der Umfangsrichtung magne tisch polarisiert, d.h. um die Welle
herum, wie bei den Konzeptionen auf Kragenbasis. Mehrfach polarisierte
Bereiche sind bevorzugt, wobei benachbarte Gebiete entgegengesetzt
magnetisch polarisiert werden, wie in der Figur veranschaulicht
ist, bei welcher zwei solcher Gebiete gezeigt sind. Das Verdrehen der
Welle verursacht eine Veränderung
des magnetischen Feldes außerhalb
der Welle, was durch einen geeigneten magnetischen Kraftflußdetektor 118 gemessen
wird ähnlich
den Aufbauten auf Basis mit einem Kragen.
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Ein
allen diesen Aufbauten gemeinsames Problem ist ihre Abhängigkeit
von der permanenten Polarisierung des Kragens oder der Welle. Die
magnetische Polarisierung wird während
der Herstellung induziert, aber Herstellungsveränderungen rufen Veränderungen
in der Polarisationsstärke
hervor, was seinerseits Veränderungen
der Sensitivität
bzw. Empfindlichkeit zwischen unterschiedlichen Sensoren hervorruft.
Obwohl in der WO 99/56099 Maßnahmen
vorgeschlagen werden, um diese Veränderung zu steuern, sind die
Maßnahmen
doch recht komplex. Ernster ist es, daß alle vorgenannten Aufbauten von
der langfristigen Stabilität
des magnetisch polarisierten Teils des Meßfühlers abhängen und voraussetzen. Wenn
die magnetische Polarisation abklingt, dann führt ein auf die Welle aufgebrachtes
gegebenes äußeres Drehmoment
zu einer geringeren Leistungsabgabe aus dem Magnetflußdetektor.
Eine periodische Rekalibrierung des Sensors ist deshalb erforderlich,
wenn eine absolute Empfindlichkeit benötigt wird. Wenn das Abklingen
ernsthafter ist, dann wird die Remagnetisierung des magnetisierten
Teils des Drehmomentmeßfühlers oder
wahrscheinlicher ein Austausch des ganzen Meßfühlers notwendig.
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Es
ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Drehmomentmeßfühler zur
Verfügung
zu stellen, welcher die herkömmliche
Abhängigkeit
von der magnetischen Polarisationsstärke reduziert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Drehmomentmeßfühler vorgesehen
mit: einer Welle mit magnetostriktivem Material; einem ersten Paar
von gegenüberliegenden Permanentmagnetpolen,
die eine Achse bestimmen, welche tangential zu der Umfangsfläche der
Welle ausgerichtet ist, um ein örtlich
begrenztes magnetisches Feld in dem magnetostriktiven Material zwischen
den gegenüberliegenden
Magnetpolen zu induzieren; und mindestens einem Kraftflußdetektor
für die
Drehmomentmessung, der angeordnet ist, um eine Komponente des örtlich begrenzten
magnetischen Feldes zu erfassen, welches aus dem magnetostriktiven
Material austritt, wenn die Welle gedreht wird.
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Auf
diese Weise braucht man nicht einen permanent magnetisch polarisierten
Teil der gedrehten Komponente, d.h. der Welle oder ihres Kragens, was
für alle
oben erwähnten
bekannten Aufbauten wesentlich ist. Das magnetische Feld in der
gedrehten Komponente wird statt dessen mit einem äußeren magnetischen
Feld induziert. Infolgedessen wird die magneti sche Feldstärke leicht
quantifiziert, z.B. durch zusätzliche
Kraftflußdetektoren,
die dicht an den äußeren Magnetpolen
angeordnet sind. Eine andere Konsequenz des vorgeschlagenen Aufbaus
besteht darin, daß das
herkömmliche
Herstellen mit permanentem Magnetisieren des Kragens oder der Welle
vollständig
ausgeschaltet wird, wodurch die Herstellung des Drehmomentmeßfühlers erheblich vereinfacht
wird.
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Die
magnetostriktive Welle kann aus einem weiten Bereich ferromagnetischer
Materialien hergestellt werden, einschließlich vieler Arten von nichtrostendem
Stahl, Werkzeugstahl und Ni-Fe-Legierungen. Dies gibt den Vorteil,
daß der
magnetostriktive Drehmomentmeßfühler zu
einem Bauteil einschließlich
einer Welle nachgerüstet
werden kann, die gedreht wird, denn die Welle muß nicht magnetisiert werden
oder besondere Beschichtungen oder an ihr angebrachte Kragen haben.
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Bei
einer Ausführungsform
weist der magnetostriktive Drehmomentmeßfühler eine magnetostriktive
Welle auf, die einen Hauptkörper
aus nichtferromagnetischem Material hat, der von einer Schicht aus
magnetostriktivem Material umgeben ist. Ein Meßfühler dieser Art ist besonders
vorteilhaft, weil er eine Gestaltungsfreiheit in der Auswahl der
Welle erlaubt. Z.B. kann die Welle aus nichtferromagnetischem Metall
oder Verbundmaterialien hergestellt sein.
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Weitere
Kraftflußdetektoren,
die neben den Magneten angeordnet sind, können vorgesehen werden, um
eine von der Stärke
der Magneten unabhängige
Meßgröße zu geben.
Die Ausgangsleistung der weiteren Kraftflußdetektoren kann mit der Ausgangsleistung
aus den Kraftflußdetektoren
kombiniert werden, die angeordnet sind, um das Drehmoment zu messen,
so daß Veränderungen
der Stärke
der Magneten kompensiert werden können. Diese Anordnung ist gegenüber dem
Stand der Technik vorteilhaft, bei welchem das permanente magnetische
Umfangsfeld entweder in der Welle oder ihrem Kragen während der
Messung nicht quantifiziert werden kann. Die bekannten Meßfühler erfordern
ein bekanntes Drehmoment, welches auf sie aufgebracht werden muß, um die
Kalibrierung zu prüfen,
was unpraktisch oder in gewissen Situationen schwierig zu erreichen
ist, z.B. für
eine Lenkradsäule
in einem Kraftfahrzeug.
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Die
Erfindung kann einen breiten Anwendungsbereich vermitteln. Z.B.
kann ein Drehmomentmeßfühler gemäß der Erfindung
in einer Kraftfahrzeuglenksäule
oder einem Kraftfahrzeuggetriebe eingebaut werden. Im Falle eines
Getriebes kann der Drehmomentmeßfühler angeordnet
sein, um das Verdrehen der Getriebehauptwelle zu messen, und kann
z.B. innerhalb des Hauptgetriebegehäuses angeordnet sein. Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren für das Messen
eines Drehmomentes vorgesehen mit:
- (a) Vorsehen
einer Welle mit magnetostriktivem Material;
- (b) Aufbringen eines äußeren magnetischen
Feldes auf die Welle unter Verwendung eines Paares von entgegengesetzten
Permanentmagnetpolen, welche eine Achse bestimmen, die tangential
zu einer Umfangsfläche
der Welle ausgerichtet ist, um ein örtlich begrenztes ma gnetisches
Feld in dem magnetostriktiven Material zwischen den entgegengesetzten
Magnetpolen zu induzieren;
- (c) Verdrehen der Welle, so daß eine Komponente des inneren
magnetischen Feldes aus dem magnetostriktiven Material austritt;
und
- (d) Messen der ausgetretenen Komponente des inneren magnetischen
Feldes und Vorsehen eines auf diese ansprechenden Drehmomentsignals.
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Bei
einer Ausführungsform
weist der mindestens eine Kraftflußdetektor für die Drehmomentmessung vorzugsweise
ein Paar von Kraftflußdetektoren für die Drehmomentmessung
auf, die auf gegenüberliegenden
Seiten der Welle am Umfang versetzt von dem Paar gegenüberliegender
Magnetpole angeordnet sind.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
weist der Drehmomentmeßfühler auf:
eine Welle mit magnetostriktivem Material; ein erstes Paar von gegenüberliegenden
Permanentmagnetpolen, welche eine erste Achse bestimmen, die tangential
zu einer Umfangsfläche
der Welle ausgerichtet ist, um ein erstes örtlich begrenztes magnetisches
Feld in dem magnetostriktiven Material in einer ersten Umfangsrichtung zu
induzieren; ein zweites Paar von gegenüberliegenden Permanentmagnetpolen,
die axial versetzt längs
der Welle von dem ersten Paar von gegenüberliegenden Permanentmagnetpolen
angeordnet sind und eine zweite Achse bestimmen, die tangential
zu der Umfangsfläche
der Welle ausgerichtet ist, um ein zweites, örtlich begrenztes magnetisches
Feld in dem magnetostriktiven Material in einer zweiten Umfangsrichtung
entgegengesetzt zu der ersten Umfangsrichtung zu induzieren; und
erste und zweite Kraftflußdetektoren
für die
Drehmomentmessung, die angeordnet sind, um erste und zweite Komponenten
der ersten und zweiten örtlich
begrenzten magnetischen Felder zu erfassen, die aus dem magnetostriktiven
Material austreten, wenn die Welle gedreht wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Für ein besseres
Verständnis
der Erfindung und um darzustellen, wie dieselbe ausgeführt werden kann,
wird nun beispielshalber auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen.
Bei diesen ist:
-
1 eine
schematische Ansicht eines magnetostriktiven Drehmomentmeßfühlers;
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2 eine
Querschnittsansicht unter Darstellung des magnetostriktiven Drehmomentmeßfühlers der 1;
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3 eine
Querschnittsansicht eines weiteren magnetostriktiven Drehmomentmeßfühlers;
-
4 die
Zusammenschaltungen zwischen den zwei Kraftflußdetektoren der 3;
-
5 eine
schematische Ansicht eines weiteren magnetostriktiven Drehmomentmeßfühlers;
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6 eine
schematische Ansicht eines weiteren anderen magnetostriktiven Drehmomentmeßfühlers;
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7 eine
schematische Querschnittsansicht eines magnetostriktiven Drehmomentmeßfühlers;
-
8 die
Zusammenschaltung zwischen vier Kraftflußdetektoren der 7;
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9 eine
schematische Querschnittsansicht eines weiteren magnetostriktiven
Drehmomentmeßfühlers;
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10 ein
schematisches Diagramm eines Rückkopplungssystems,
welches für
die Steuerung des Magnetfeldes in 9 verwendet
wird;
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11 eine
Querschnittsansicht eines magnetostriktiven Drehmomentmeßfühlers nach
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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12 die
Zusammenschaltung zwischen den Kraftflußdetektoren für die Ausführungsform
der 11;
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13 eine
schematische perspektivische Ansicht des magnetostriktiven Drehmomentmeßfühlers der
Ausführungsform
der 11;
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14 eine
schematische perspektivische Ansicht des magnetostriktiven Drehmomentmeßfühlers gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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15 ein
Schnitt eines Kraftfahrzeuggetriebes mit einem Drehmomentmeßfühler nach
einer Ausführungsform
der Erfindung;
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16 eine
schematische Ansicht eines bekannten magnetostriktiven Drehmomentmeßfühlers nach
der
US 5,351,555 ; und
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17 eine
schematische Ansicht eines bekannten magnetostriktiven Drehmomentmeßfühlers gemäß der WO
99/21150.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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1 ist
eine schematische Zeichnung eines Beispieles eines magnetostriktiven
Meßfühlers 8,
der außerhalb
des Umfanges der anliegenden Ansprüche liegt. Der magnetostriktive
Meßfühler 8 weist eine
Welle 16 auf, die einem Drehmoment 38 unterworfen
werden kann, welches zu messen ist und in der Figur durch einen
Pfeil veranschaulicht ist. Die Welle 16 ist aus einem magnetostriktiven
Material hergestellt, ist selbst aber nicht permanent magnetisiert
(im Gegensatz zu den bekannten Konzepten, auf die in der Beschreibung
eingegangen wurde). Anstelle der permanenten Magnetisierung der
Welle ist die Welle 16 in situ durch ein äußeres magnetisches Feld
magnetisiert, welches durch ein Paar von Permanentmagneten 10 und 12 erzeugt
ist.
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Die
Welle 16 ist aus dem magnetostriktiven Material "Terfenol-D" hergestellt, das
einen sehr hohen magnetostriktiven Koeffizienten λ = ΔL/L in der Größenordnung
von 2000 × 10–6 hat.
Im allgemeinen sind Materialien mit magnetostriktiven Koeffizienten von
mindestens 20 × 10–6 für die Welle
bevorzugt, obwohl eine Welle, die aus einem Material mit einem geringeren
magnetostriktiven Koeffizienten hergestellt ist, noch arbeitet.
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Einige
Beispiele anderer geeigneter Materialien für die Welle sind:
- 1. martensitaushärtende
Ni-Fe-Legierungen;
- 2. 17-4 PH, 17-7 PH und 15-5 PH nichtrostende Stähle;
- 3. Werkzeugstahl;
- 4. Ni-Fe mit einem Ni-Gehalt zwischen 14–28%;
- 5. Ni-Fe mit einem Ni-Gehalt zwischen 42–65%;
- 6. Ni-Fe-Legierung (AMS 5663E);
- 7. Legierung Supermet 625;
- 8. Permenorm 5000 H2;
- 9. Dimag 1, 2 und Dimag X;
- 10. Fe/B/Si-Legierungen.
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Die
Permanentmagneten 10 und 12 sind so angeordnet,
daß ein
Paar von entgegengesetzten Magnetpolen 11 und 13 (d.h.
Nord und Süd)
am Umfang um die Welle herum angeordnet ist und der Welle so zugewandt
ist, daß ein örtlich begrenztes
magnetisches Feld in dem magnetostriktiven Material der Welle zwischen
den entgegengesetzten Magnetpolen 11 und 13 induziert
wird. In der Figur sind die Permanentmagneten 10 und 12 einander
diametral gegenüberliegend
um die magnetostriktive Welle 16 herum angeordnet, wobei
eine ihrer Endflächen 11 und 13 tangential
zu der Oberfläche
der magnetostriktiven Welle 16 liegt.
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Bei
einer (nicht gezeigten) alternativen Konstruktion könnte ein
einziger Permanentmagnet anstelle eines Paares von Magneten verwendet
werden, wobei die einzelnen Pole des einzigen Permanentmagneten
in denselben Positionen wie die Pole 11 und 13 der
zwei Magneten der ersten Ausführungsform
angeordnet wären.
Z.B. könnte
eine Hufeisenform des Magneten eine solche Konstruktion ermöglichen.
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Ein
magnetischer Kraftflußdetektor 18 ist
am Umfang zwischen den Permanentmagneten 10 und 12 angeordnet,
um eine Komponente des örtlich
begrenzten magnetischen Feldes zu erfassen, das aus dem magnetostriktiven
Material austritt, wenn die Welle dem Drehmoment 38 unterworfen
ist. Der bevorzugte Kraftflußdetektor 18 ist
ein gesättigter
Spulendetektor. Es könnte
jedoch auch eine Vielzahl anderer Kraftflußdetektoren benutzt werden,
z.B. ein Hall-Detektor,
Magnetoresistenz-, Magnetotransistor- oder MAGFET-(magnetischer
Feldeffekttransistor)-Meßfühler.
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2 ist
eine Querschnittsansicht durch den magnetostriktiven Sensor 8 der 1.
Die magnetischen Flußbahnen
in der Welle 16 sind mit Linien 22 angedeutet.
Die Kraftflußbahnen
führen
von dem Nordpol 11 des Magneten 10 über einen
Luftspalt zu der Oberfläche
der Welle 16 und erstrecken sich dann in der Welle 16 im
allgemeinen in der Nord-Süd-Richtung,
bevor sie einen weiteren Luftspalt zwischen der Oberfläche der
Welle 16 und dem Südpol 13 des
Magneten 12 kreuzen. Das magnetische Feld innerhalb der
Welle 16 bewirkt eine Ausrichtung der magnetostriktiven
Gebiete in der örtlichen
Richtung des magnetischen Feldes.
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Die
Permanentmagnete 10 und 12 sind durch ein Magnetschleifenteil 20 verbunden,
welches im Schnitt eine Halbkreisform hat. Das Schleifenteil 20 ist
mit den distalen Enden der Permanentmagnete 10 und 12 verbunden,
so daß es
einen hohen Grad von Fluß für das magnetische
Feld 22 gibt, wodurch das magnetische Feld, welches in
die magnetostriktive Welle 16 eindringt, verstärkt wird
und Streufelder verringert werden.
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Bei
dem vorliegenden Beispiel sind die Permanentmagnete 10 und 12 aus
gesinterter NiFeBr-Legierung hergestellt und erzeugen eine Magnetflußdichte
von etwa 350 mT. Es könnten
jedoch auch Magnete mit niedriger (oder höherer) Stärke verwendet werden. Ein geeigneter
Wert der Magnetflußdichte,
die von dem Permanentmagneten erzeugt wird, hängt von dem Aufbau und den
Maßen
der magnetostriktiven Welle und dem Bereich der Drehmomente 38 ab,
die auf die magnetostriktive Welle aufgebracht werden.
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Bei
der Benutzung erzeugt eine magnetostriktive Welle 16 ein
magnetisches Feld in Abhängigkeit
von einem Drehmoment 38, welches auf die magnetostriktive
Welle 16 aufgebracht ist, welches die Wiederausrichtung
der magnetostriktiven Gebiete in der Welle erzwingt. Das durch das
Drehmoment 38 erzeugte magnetische Feld stört das magnetische Feld,
welches von den permanenten Magneten 10 und 12 erstellt
ist. Der Kraftflußdetektor 18 erfaßt diese
Störung.
Das Ausgangssignal aus dem Kraftflußdetektor 18 ist allgemein
ein Anzeichen für
die Größe des Drehmoments 38.
In dem Ausmaß,
wie die Reaktion nicht perfekt linear ist, kann dies durch Kalibrieren
in Kombination mit dem richtigen Verarbeiten des Ausgangssignals
kompensiert werden. Die Welle 16 kann z.B. eine Lenksäule eines
Kraftfahrzeuges oder anderen Fahrzeuges sein, und die Ausgangswerte
aus dem Kraftflußdetektor 18 können für die Rückkopplung
in ein von elektronischer, Energie gestütztes Lenksteuersystem verwendet
werden.
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3 zeigt
einen Drehmomentmeßfühler gemäß einer
zweiten Ausführungsform
außerhalb des
Geltungsbereiches der anliegenden Ansprüche. Wie bei dem ersten Beispiel
ist die Welle 16 aus magnetostriktivem Material hergestellt
und ist in situ durch ein äußeres magnetisches
Feld magnetisiert, welches durch ein Paar von Permanentmagneten 10 und 12 erzeugt
ist und in die Welle 16 eindringt. Die Permanentmagneten 10 und 12 sind
so angeordnet, daß ein
Paar von entgegengesetzten Magnetpolen 11 und 13 (d.h.
Nord und Süd)
unter Zuwendung zur Welle am Umfang um diese herum angeordnet sind. Die
gegenüberliegenden
Magnetpole induzieren ein örtlich
begrenztes Magnetfeld in dem magnetostriktiven Material der Welle,
welches zwischen den entgegengesetzten Magnetpolen 11 und 13 durchgeht.
Ein Paar von Magnettlußdetektoren 18 ist
radial außerhalb
der Welle am Umfang zwischen den Permanentmagneten 10 und 12 angeordnet,
um eine Komponente des örtlich
begrenzten Magnetfeldes zu erfassen, das aus dem magnetostriktiven
Material austritt, wenn die Welle einem Drehmoment 38 unterworfen wird.
Es sei bemerkt, daß bei
einer Konstruktion mit einer hohlen Welle es auch möglich wäre, die
Kraftflußdetektoren
(den Detektor) 18 innerhalb des hohlen Teils der Welle
anzuordnen. Ein Ring 30 aus magnetischem Material ist auch
vorgesehen, um die distalen Enden der Magneten 10 und 12 zu
verbinden und beide Magnete 10 und 12 und die
Kraftflußdetektoren 18 zu
halten.
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Der
Drehmomentsensor 8 des zweiten Beispiels unterscheidet
sich prinzipiell von dem des ersten Beispiels dadurch, daß die Welle 16 hohl
statt massiv ist. Der innere Raum in der hohlen Welle dient dazu,
Magnetfluß auszuschließen, wodurch
das induzierte Magnetfeld radial auswärts der Drehmomentachse konzentriert
wird, wo die durch das Drehmoment 38 induzierte Spannung
höher und
dichter an den Kraftflußdetektoren 18 ist.
Eine Hohlwelle wird durch Torsion auch gleichmäßiger beansprucht als eine
massive Welle.
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4 zeigt
die elektrischen Zusammenschaltungen der zwei Kraftflußdetektoren 18 des zweiten
Beispiels. Gemäß Darstellung
sind die Kraftflußdetektoren 18 in
Reihe geschaltet. Außerdem sind
die Verbindungen derart, daß der
durch den Magnetfluß induzierte
Strom sich in den zwei Kraftflußdetektoren
summiert. Dies erreicht man, wenn Anschlüsse gleicher Polarität umfangsmäßig nebeneinander
angeordnet werden, wie um die äußere Oberfläche der
Welle 16 herum gezeigt. Dieses Verbindungsschema ist geometrisch
entgegengesetzt dem beim Stand der Technik, bei welchem Anschlüsse entgegengesetzter
Polarität
in umfangsmäßig benachbarten
Detektoren zusammen verbunden würden.
Der Grund liegt darin, daß beim
Stand der Technik der Magnetfluß in
einer Richtung um den Umfang der Welle, z.B. in Uhrzeigerrichtung
als Ergebnis des gleichlaufenden bzw. unidirektionalen permanentmagnetischen
Pols fließt.
Im Gegensatz dazu gibt es im vorliegenden Falle zwei Umfangsfeldkomponenten, die
eine fließt
im Uhrzeigersinn und die andere im Gegenuhrzeigersinn um die Welle,
als Folge des durch die Magnetpole extern induzierten Magnetfeldes.
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5 zeigt
einen Drehmomentmeßfühler gemäß einem
dritten Beispiel außerhalb
des Geltungsbereiches der anliegenden Ansprüche. Die Anordnung ist allgemein ähnlich der
des ersten Beispieles in Bezug auf die Permanentmagneten 10 und 12, den
Kraftflußdetektor 18 und
die Welle 16. Bei dem dritten Beispiel unterscheidet sich
jedoch der Aufbau der Welle 16. Anstelle einer einfachen
Welle aus magnetostriktivem Material ist der Hauptkörper 40 der Welle 16 aus
einem Material hergestellt, welches nicht magnetostriktiv ist. Der
Hauptkörper 40 ist
massiv dargestellt, er kann aber auch hohl sein oder irgendeine
andere innere Konstruktion haben. Auf der äußeren Oberfläche des
Hauptkörpers 40 der
Welle ist neben den Permanentmagneten 10 und 12 eine Schicht
aus magnetostriktivem Material 36 angeordnet. Durch diese
Konstruktion wird eine ähnliche Konzentration
des induzierten Magnetfeldes wie bei der oben beschriebenen Anordnung
mit hohler Welle erzeugt. Das induzierte Magnetfeld ist nämlich in dem äußeren Teil
der Welle konzentriert, wo das Drehmoment 38 am höchsten und
zu den Kraftflußdetektoren
proximal ist.
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Bei
einem Beispiel hat die magnetostriktive Schicht 36 eine
Dicke von 1,5 mm und ist durch einen herkömmlichen thermischen Spritzprozeß abgelegt. Drahtflammspritzen
ist geeignet. Dieses Verfahren beinhaltet das Sputtern eines reinen
Metall- oder Legierungsdrahtes mit Sauerstoff und Brennstoff. Schichten
von bis zu 5 mm Dicke können
ohne Schwierigkeit unter Verwendung des thermischen Spritzens niedergeschlagen
werden. Wenn dünnere Schichten
bevorzugt sind, kann herkömmliches
Elektroplattieren verwendet werden. Schichten von bis zu etwa 0,1
mm Dicke können
herkömmlich
durch Elektroplattieren zur Verfügung
gestellt werden.
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6 zeigt
einen Drehmomentmeßfühler gemäß einem
vierten Beispiel außerhalb
des Geltungsbereiches der anliegenden Ansprüche. Die Anordnung ist allgemein ähnlich der
des ersten Beispieles bezüglich
der Permanentmagnete 10 und 12, des Kraftflußdetektors 18 und
der Welle 16. Bei dem vierten Beispiel wird jedoch eine
weitere alternative Wellenausführung
verwendet. Die Welle 16 weist einen Hauptkörper 32 aus
magnetostriktivem Material auf, wie z.B. martensitaushärtende Ni-Fe-Legierung.
Auf der äußeren Oberfläche des
Hauptkörpers 32 in
dem aktiven Wellenbereich ist eine Schicht 34 aus Material
niedriger Permeabilität
angeordnet. In dem vorliegenden Beispiel ist die Schicht niedriger
Permeabilität
aus Aluminium mit einer typischen Dicke von 0,5 bis 1 mm hergestellt.
Die Schicht 34 niedriger Permeabilität kann thermisch gespritzt
oder elektroplattiert sein. Auf der Schicht 34 mit niedriger
Permeabilität
ist eine Schicht 36 aus magnetostriktivem Material angeordnet.
Bei dem vorliegenden Beispiel ist die magnetostriktive Schicht 36 aus
Ni-Fe-Legierung hergestellt, in typischer Weise mit einer Dicke
zwischen 0,5 und 5 mm. Die magnetostriktive Schicht 36 kann durch
thermisches Spritzen oder Elektroplattieren abgelegt sein. Der Zweck
der Schicht 34 mit niedriger Permeabilität ist es,
dem Eindringen des äußerlich
induzierten Magnetfeldes in den magnetostriktiven Hauptkörper 32 der
Welle hinein zu widerstehen. Mit anderen Worten isoliert die Schicht 34 die
aktive äußere magnetostriktive
Schicht 36 von dem Hauptkörper der Welle, der sonst wegen
seiner magnetostriktiven Eigenschaften das induzierte Magnetfeldmuster stark
beeinflussen würde.
Es ist deshalb möglich,
für den
Hauptkörper
der Welle ein Material auszuwählen,
welches magnetostriktiv ist, ohne das Leistungsverhalten des Meßfühlers merklich
zu ändern.
Man versteht, daß der
Hauptkörper
der Welle nicht massiv sein muß,
sondern hohl sein oder irgendeinen anderen inneren Aufbau haben
kann.
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7 zeigt
im Querschnitt einen Drehmomentmeßfühler nach einem fünften Beispiel
außerhalb
des Geltungsbereiches der anliegenden Ansprüche. Der Drehmomentmeßfühler 8 weist
vier Permanentmagnete 10, 12, 10' und 12' auf, die radial in
einem Ring angeordnet und durch diesen am Platz gehalten sind, wobei
der Ring aus magnetischem Material hergestellt ist, um dem durch
die Permanentmagnete erzeugten Magnetfeld 22 einen Schluß zu geben.
Die Magnete sind so angeordnet, daß umfangsmäßig benachbarte Magnete entgegengesetzte Pole 11, 13, 11', 13' haben, welche
der Welle 16 in einer Folge zugeneigt sind. Außerdem sind
die Magnete in gleichen Winkelabständen von 90° angeordnet, obwohl dieser Winkelabstand
nicht kritisch ist und variiert werden könnte. Bei dieser Anordnung
tritt der Magnetfluß vorherrschend
in seinen radial äußeren Bereichen
in die Welle 16 ein, so daß ähnliche Vorteile wie bei den
oben beschriebenen Beispielen erreicht werden, bei denen der Fluß von dem
mittleren Bereich entweder durch Verwendung einer Hohlwelle oder
dadurch ausgeschlossen ist, daß eine
den Fluß ausschließende, nichtmagnetische
Schicht vorgesehen ist. Das vorliegende Beispiel hat den zusätzlichen
Vorteil, daß die
gewünschte
Konzentration des magnetischen Flusses in den radial äußeren Teilen der
Welle mit einer einfachen massiven Welle erreichbar ist.
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Der
Drehmomentmeßfühler ist
mit vier Kraftflußdetektoren 18 versehen,
die umfangsmäßig zwischen
den Permanentmagneten 10, 12, 10' und 12' zum Messen
der Magnetflußkomponente
angeordnet sind, welche dem Drehmoment in der Welle 16 zuschreibbar
ist. Die Kraftflußdetektoren 18 werden herkömmlich von
dem Ring 30 am Platz gehalten. Durch Erhöhung der
Anzahl an Kraftflußdetektoren 18 können Signalveränderungen,
welche durch Abstandsänderungen
zwischen der äußeren Oberfläche der
Welle und den Kraftflußdetektoren
verursacht sind, z.B. wegen der Exzentrizität der Welle und ihrer Befestigung,
für kleinere
Drehungen der Welle kompensiert werden. Dies ist vorteilhaft für Anwendungen,
bei welchen die Welle nicht schnell gedreht wird, sondern nur verdreht
wird als Folge kleiner Winkeldrehungen, die kleiner sind als eine
oder mehrere volle Drehungen. Ein Beispiel einer solchen Anwendung
ist die Lenksäule
eines Kraftfahrzeuges, bei welcher die Drehung von Anschlag zu Anschlag nur
etwa eine volle Drehung sein kann. Ein weiteres Merkmal des fünften Beispiels
ist das Vorsehen eines zusätzlichen
Kraftflußdetektors 19,
der neben einem der Permanentmagneten 12' in dem Luftspalt zwischen dem
Magnetpol 13',
welcher der Welle zugewandt ist, und der Welle angeordnet ist. Um
eine Verwechselung mit den Kraftflußdetektoren 18 zu
vermeiden, wird der Kraftflußdetektor 19 im
folgenden als der Magnetüberwachungs-Flußdetektor
bezeichnet und die Kraftflußdetektoren 18 als
Drehmomentabfühl-Flußdetektoren.
Der Magnetüberwachungs-Flußdetektor 19 dient
dazu, eine von der Erregerenergie, welche der Welle 16 von
dem Permanentmagneten 12' zugeführt wird,
unabhängige
Messung vorzusehen. Eine Störung
der Stärke
des von den Permanentmagneten zugeführten Magnetfeldes 22,
welches beispielsweise durch Temperaturschwankungen oder Alterung
der Permanentmagneten verursacht wird, kann somit aus dem Ausgangssignal
der Drehmomentabfühl-Flußdetektoren 18 ausgeklammert
werden. Es versteht sich, daß der Magnetüberwachungs-Flußdetektor 19 neben
jedem der Permanentmagnete angeordnet werden könnte. Ferner versteht sich,
daß eine
Mehrzahl von Magnetüberwachungs-Flußdetektoren
vorgesehen sein kann, z.B. einer für jeden aktiven Magnetpol.
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8 zeigt
die elektrischen Zusammenschaltungen der vier Flußdetektoren 18 des
fünften Beispiels.
Gemäß Darstellung
sind die Flußdetektoren 18 in
Serie geschaltet. Weiterhin sind die Verbindungen derart, daß der von
dem magnetischen Fluß in
den vier Flußdetektoren
induzierte Strom sich summiert. Dies erreicht man, wenn Anschlüsse gleicher Polarität am Umfang
nebeneinander angeordnet werden, wie um die äußere Oberfläche der Welle 16 zu
sehen ist. Dieses Verbindungsschema ist geometrisch der Gegensatz
zu dem was beim Stand der Technik vorgenommen wurde, wie weiter
oben unter Bezugnahme auf das zweite Beispiel beschrieben wurde.
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9 zeigt
im Querschnitt einen Drehmomentmeßfühler gemäß einem sechsten Beispiel außerhalb
des Geltungsbereiches der anliegenden Ansprüche. Dieses Beispiel ist analog
dem ersten Beispiel, benutzt aber Elektromagnete 60 und 62 anstelle
der Permanentmagnete für
das Induzieren des magnetischen Feldes in der Welle 16.
Ein Feldüberwachungs-Flußdetektor 19 ist
zusätzlich
zu einem Drehmomentabfühl-Flußdetektor 18 vorgesehen.
Der Feldüberwachungs-Flußdetektor 19 kann
verwendet werden, um das von den Elektromagneten erzeugte magnetische
Feld zu steuern, wie in 10 veranschaulicht
ist, sowie oder statt dessen für
passiven Ausgleich der von dem Drehmomentabfühl-Flußdetektor 18 erzeugten
Signale.
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10 ist
eine schematische Blockdarstellung des Drehmomentmeßfühlers des
sechsten Beispieles mit zugehörigem
Elektromagnet-Steuersystem. Eine Veränderung der Stärke des
magnetischen Feldes 22, welches von dem Elektromagnet 60 erzeugt
wird, wird von dem Magnetüberwachungs-Flußdetektor 19 erfaßt. Die
Magnetüberwachungs-Flußdetektoren 19 führen ein
Ausgangssignal einer Steuerschaltung 42 zu, wobei das Steuersignal
eine Anzeige der Größe des augenblicklichen Feldes
des Elektromagneten 60 ist. Die Steuerschaltung 42 steuert
dann die den Spulen der Elektromagneten 60 und 62 zugeführte Leistung über die
Steuerung des Netzteils 44 der Elektromagnete. Dementsprechend
kann die den Elektromagneten zugeführte Energie in einer Rückkopplungsschleife
stabilisiert werden.
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Es
versteht sich, daß bei
jedem der vorstehenden Beispiele die Anzahl der Kraftflußdetektoren 18 variiert
werden kann, wie unter Bezugnahme auf die anderen Beispiele beschrieben
ist, um weitere Varianten zur Verfügung zu stellen.
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Es
versteht sich auch, daß bei
jedem der obigen Beispiele einer oder mehrere Magnetüberwachungs-Flußdetektoren
vorgesehen werden können, z.B.
nur einer oder einer für
jeden aktiven Magnetpol.
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11 ist
eine Querschnittsansicht eines magnetostriktiven Drehmomentmeßfühlers nach
einer Ausführungsform
der Erfindung. Der magnetostriktive Meßfühler 8 weist eine
Welle auf, die aus magnetostriktivem Material hergestellt ist, ist
aber nicht selbst permanent magnetisiert. Die Welle 16 ist als
massive Welle dargestellt, aber es könnte jede der Wellenaufbauten,
die unter Bezugnahme auf die vorstehenden Beispiele diskutiert wurden,
verwendet werden. Ein einzelner Permanentmagnet 110, der
bei einem Beispiel eine Länge
von 20 mm hat, ist neben der Oberfläche der Welle 16 angeordnet,
wobei sich seine Nord-Süd-Achse
tangential relativ zum Umfang der Welle 16 und senkrecht
zur Hauptdrehachse der Welle 16 erstreckt (es versteht
sich, daß eine
exakt tangentiale und senkrechte Ausrichtung nicht notwendig ist,
daß aber
die Ausrichtung etwa zu diesen Kriterien konform sein sollte. Z.B.
kann der Tangentialwinkel um 10, 20 Grad oder mehr variieren, und
die senkrechte Ausrichtung kann um 10, 20, 30, 40 Grad oder mehr
variieren.) Diese Anordnung hat mit den früheren Beispielen gemeinsam,
daß ein
Paar von entgegengesetzten Magnetpolen am Umfang um die Welle 16 herum
angeordnet ist, unterscheidet sich aber von den vorhergehenden Beispielen
bezüglich der
Ausrichtung des Magneten bezüglich
der Welle. Der Permanentmagnet 110 wird an einem Flußring 30 durch
einen Magnethalter 112 gehalten, der vorzugsweise aus nichtmagnetischem
Material besteht, wie z.B. Aluminium. Der Flußring 30 kann aus
Stahl oder anderem magnetischen Material hergestellt sein. Die Flußringanordnung
ist ähnlich
der des zweiten Beispiels.
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Der
Sensor 8 ist mit einem Paar von magnetischen Kraftflußdetektoren 18 versehen,
die bei ±90° relativ
zu dem Permanentmagnet 110 und im Abstand von 180° im Querschnitt,
längs der
Drehachse der Welle 16 gesehen, angeordnet sind. Mit anderen Worten
sind die magnetischen Flußdetektoren 18 radial
auf jeder Seite der Welle 16 einander entgegengesetzt angeordnet.
Die magnetischen Flußdetektoren 18 sind
vorzugsweise Detektoren mit Sättigungsspule,
aber auch andere Detektoren könnten
benutzt werden, wie in Bezug auf die früheren Beispiele diskutiert
wurde.
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Der
Flußring 30 wirkt
als magnetischer Schild für
die Kraftflußdetektoren 18.
Folglich haben äußere Magneten
oder magnetische Felder eine vernachlässigbare Wirkung auf die Leistung
der Vorrichtung.
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12 zeigt,
wie die Spulendetektoren in Reihe verbunden sind. Das Verbindungsschema
ist vergleichbar mit dem des zweiten in 4 veranschaulichten
Beispiels. Das Verbindungsschema unterscheidet sich von dem des
zweiten Beispieles in Folge der Tatsache, daß das in der Oberfläche der Welle 16 induzierte
magnetische Feld in einer Richtung um den größeren Teil der Wellenoberfläche fließt, wie
in 11 veranschaulicht ist, wobei nur ein kleiner
Teil der Wellenoberfläche
direkt neben dem Permanentmagneten 110 liegt, wobei der
magnetische Fluß in
der entgegengesetzten Umfangsrichtung fließt.
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Die
Anordnung der Ausführungsform
der 11, bei welcher das magnetische Feld durch entgegengesetzte
magnetische Pole induziert wird, die längs einer Achse senkrecht zur
Achse der Welle 16 und tangential zu der Wellenoberfläche ausgerichtet sind,
hat verschiedene Vorteile. Es ergibt sich die Möglichkeit der Herstellung eines
Drehmomentmeßfühlers mit
einem einfachen einzigen Stabmagneten, wodurch die Kosten reduziert
werden. Ein größerer Betrag
an Umfangsmagnetisierung wird durch das Konzentrieren des induzierten
magnetischen Feldes in dem äußeren Abschnitt
der Welle 16 vorgesehen. Der Betrag des Differentialfeldes
wird im Vergleich zu den Mehrfachmagnetanordnungen reduziert, die
bei den früheren
Beispielen beschrieben sind. Die Verwendung von mehrfachmagnetischen
Flußdetektoren
zum Messen des durch einen einzigen Magneten induzierten Flusses
ermöglicht
eine Reduzierung der Drehstörung
des Signals und erhöht
das Verhältnis von
Sensitivität
zu Störung.
Die dargestellte Anordnung mit einem Paar von Spulen, die diametral
einander gegenüber
angeordnet sind, d.h. unter 180° zueinander,
sorgt für
eine maximale Reduktion der Störung.
(Das Detektorpaar könnte selbstverständlich unter
unterschiedlichen Winkeln in einem weiten Bereich zueinander angeordnet
werden, obwohl je weiter ihre Winkelpositionen von 180° zueinander
abweichen, um so weniger Störungsannullierung
wird erwartet. Es wäre
selbstverständlich
auch möglich, nur
einen einzigen magnetischen Flußdetektor
zu verwenden, dann wären
aber keine Störungsannullierungseffekte
zu erreichen.)
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Bei
einem Beispiel der Ausführungsform
der 11 wird die Ausgangsleistung aus der Kraftflußdetektorschaltung
unter Null Drehmoment-Bedingungen auf 2,5 Volt gesetzt. Wenn ein
Drehmoment auf die Welle 16 aufgebraucht wird, werden die
leichten Kristallgebiete, die umfangsmäßig ausgerichtet sind, zum
Drehen gezwungen. Seinerseits verursacht dies eine Flußänderung
in den Spulen. Das Ausgangssignal aus der Flußdetektorschaltung wird dann
bei linear proportional zum aufgebrachten Drehmoment sich verändernder
Spannung verändert.
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13 zeigt
den magnetostriktiven Drehmomentmeßfühler der Ausführungsform
der 11 in schematischer Perspektive. Der einzige Permanentmagnet 110 ist
neben der magnetostriktiven Welle 16 angeordnet gezeigt,
wie vorstehend beschrieben, wobei einer der magnetischen Flußdetektoren 18 offensichtlich
bei seiner Anordnung um 90° von
dem Permanentmagneten 110 versetzt ist, wie längs der Wellenachse
gesehen. Die Umfangsfeldlinien 22, die von dem Permanentmagneten 110 induziert
sind, sind auch veranschaulicht.
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Es
versteht sich, daß viele
der in Bezug auf das erste bis sechste Beispiel diskutierten Veränderungen
bei dem Aufbau der Ausführungsform
der 11 vorgenommen werden können. Insbesondere können verschiedene
unterschiedliche Arten von magnetischen Flußdetektoren verwendet werden,
und zusätzliche
Magnetüberwachungs-Flußdetektoren können eingeschlossen
werden. Zusätzlich
zu diesen Abweichungen versteht es sich, daß, obwohl die Verwendung eines
einzigen Permanentmagneten bei der vorliegenden Ausführungsform
bevorzugt ist, mehrere Permanentmagnete mit der befürworteten senkrechten
Ausrichtung zwischen der Wellenachse und Nord-Süd-Achse des Permanentmagneten
benutzt werden könnten.
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14 ist
eine perspektivische Ansicht eines magnetostriktiven Drehmomentmeßfühlers gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung. Der magnetostriktive Meßfühler 8 weist eine
Welle 16 auf, die aus einem magnetostriktiven Material
hergestellt ist, selbst aber nicht permanent magnetisiert ist. Die
Welle 16 ist als massive Welle dargestellt, aber jede der
Wellenaufbauten, die in Bezug auf die vorstehenden Ausführungsformen
diskutiert wurden, könnte
verwendet werden. In einem ersten Längenabschnitt oder einer Zone
längs der
Welle, die in der Figur als Zone A bezeichnet ist, ist ein erster
Permanentmagnet 110A, der bei einem Beispiel eine Länge von
20 mm hat, neben der Oberfläche
der Welle 16 angeordnet, wobei seine Nord-Süd-Achse
sich tangential zu dem Umfang der Welle 16 und senkrecht zur
Hauptdrehachse der Welle 16 erstreckt. Die Welle weist
einen zweiten Längenabschnitt
oder eine Zone auf, die in der Figur als Zone B gekennzeichnet ist,
axial neben dem ersten Längenabschnitt
A, in welchem ein zweiter Permanentmagnet 18B angeordnet
ist. Der zweite Permanentmagnet 18B ist neben der Oberfläche der
Welle 16 angeordnet, wobei sich seine Nord-Süd-Achse
tangential zum Umfang der Welle 16 und senkrecht zu der
Hauptdrehachse der Welle 16 erstreckt. Die Pole des zweiten
Permanentmagneten 110B sind jedoch entgegengesetzt zu denen
des ersten Permanentmagneten 110A angeordnet, so daß die zwei
Permanentmagnete in den Zonen A und B entsprechende Umfangsfelder
entgegengesetzter Richtung induzieren, d.h. im Uhrzeigersinn und
im Gegenuhrzeigersinn. Die Zonen A und B sind mit entsprechenden
Paaren von magnetischen Flußdetektoren 18A und 18B versehen,
die bei ±90° relativ
zu den Permanentmagneten 110A und 110B angeordnet
sind und 180° entfernt
im Querschnitt längs
der Drehachse der Welle 16 gesehen angeordnet sind. Nur
jeweils einer der Kraftflußdetektoren
jedes Paares ist in der Figur sichtbar, aber man weiß die Anordnung
unter Bezugnahme auf die Ausführungsform
der 11 zu schätzen.
Jede Zone hat somit ihren eigenen Magneten und Flußdetektoren, die
an einem (nicht gezeigten) Flußring
befestigt sind, wie in Verbindung mit der Ausführungsform der 11 beschrieben
ist. Gegebenenfalls können
weitere Zonen hinzugefügt
werden.
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Die
Anordnung mit Mehrfachzonen der Ausführungsform der 14 ist
vorteilhaft insofern, als sie dazu neigt, irgendwelche störenden Magnetfelder aufzuheben,
die sonst an den Enden der Welle 16 vorhanden sein können.
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15 ist
ein Schnitt eines Kraftfahrzeuggetriebes, in welchem ein Drehmomentmeßfühler 8 gemäß der Erfindung
angeordnet ist. Der Drehmomentmeßfühler 8 ist um die
Hauptwelle 80 herum angeordnet. Die Kupplung 82 ist
auch ersichtlich.