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WO2018202243A1 - Anordnung und verfahren zum messen eines drehmomentes an einem maschinenelement mit zwei magnetfeldsensoren - Google Patents

Anordnung und verfahren zum messen eines drehmomentes an einem maschinenelement mit zwei magnetfeldsensoren Download PDF

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Publication number
WO2018202243A1
WO2018202243A1 PCT/DE2018/100397 DE2018100397W WO2018202243A1 WO 2018202243 A1 WO2018202243 A1 WO 2018202243A1 DE 2018100397 W DE2018100397 W DE 2018100397W WO 2018202243 A1 WO2018202243 A1 WO 2018202243A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
magnetic field
magnetization
axis
torque
field sensors
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2018/100397
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Neuschaefer-Rube
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of WO2018202243A1 publication Critical patent/WO2018202243A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102—Rotary-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 magnetostrictive means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G01L1/125—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using magnetostrictive means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00—Magnetostrictive devices
    • H10N35/101—Magnetostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. generators, sensors

Definitions

  • the present invention initially relates to an arrangement for measuring a torque on a machine element extending in an axis using the inverse magnetostrictive effect.
  • the machine element has at least one circumferentially around the axis in an axial section
  • the arrangement further comprises two magnetic field sensors for measuring one of the
  • the invention relates to a method for measuring a torque with the inventive arrangement.
  • US Pat. No. 9,347,845 B2 shows a magnetoelastic sensor which comprises a magnetoelastically active region of a shaft and a magnetic field sensor.
  • the magnetoelastically active region is circumferentially magnetically polarized.
  • a sensor is arranged, with which a magnetic field in a direction parallel to the axis of the shaft can be measured.
  • a magnetoelastic force sensor is known, which is designed to measure forces on an element which is circumferentially magnetized.
  • the US 6,301, 976 B1 shows a device for measuring torque with a magnetoelastic sleeve, which sits on a shaft.
  • EP 2 365 927 B1 shows a bottom bracket with two cranks and with one
  • Chainring carrier which is connected to a shaft of the bottom bracket.
  • Sprocket carrier is rotatably connected to a chainring shaft, which in turn is rotatably connected to the shaft.
  • the chainring shaft has sections one way Magnetization on.
  • a sensor is provided which detects a change in the magnetization at a torque present in the region of the magnetization.
  • a redundant torque sensor is described, which comprises a component with at least three magnetic tracks, which are alternately polarized. At the axial positions of the magnetic tracks are coils of at least two magnetic field sensors for emitting each of a signal axially associated with the component.
  • Fig. 8 of US 8,087,304 B2 shows an embodiment with three circumferential magnetizations which are alternately polarized, with one magnetic field sensor in the axial regions of the three
  • Magnetizations is arranged. Due to the special arrangement of
  • FIG. 18 of US 8,087,304 B2 shows an embodiment with two
  • circumferential magnetizations which are alternately polarized, wherein a plurality of magnetic field sensors are arranged at an axial transition between the two magnetizations.
  • FIG. 1 (e) of EP 0 953 169 B1 shows a shaft with two
  • FIG. 1 (g) of EP 0 953 169 B1 shows a shaft with three alternately polarized circular magnetizations and two each axially between the magnetizations
  • the object of the present invention starting from the prior art is the possibilities for measuring a torque on a
  • Machine element using the inverse magnetostrictive effect to expand, for which in particular an error compensation in the measurement should be possible with little effort.
  • the arrangement according to the invention serves to measure a torque on a machine element extending in the direction of an axis.
  • the torque acts on the machine element, which leads to mechanical stresses and the machine element usually deforms slightly.
  • the axis preferably forms an axis of rotation of the machine element. Through the axis are a radial direction, a tangential or circumferential direction and an axial
  • the vector of the torque is at least parallel to the axis of the machine element.
  • the vector of the torque preferably coincides with the axis of the machine element.
  • the machine element has in each case an axial section of the
  • Machine element exactly one or exactly two circumferentially extending around the axis extending magnetization areas for each formed in the machine element magnetization. It is thus in each case a magnetization region revolving around the axis, ie a circular magnetization region, wherein the axis itself preferably does not form part of the magnetization region.
  • the one or the two magnetization regions each have one tangential alignment with respect to a surface of the machine element extending about the axis.
  • Magnetization regions preferably each have exclusively a tangential orientation with respect to a surface of the machine element extending around the axis.
  • the one or two magnetization regions preferably extend along a closed path about the axis, wherein the one or the two magnetization regions may have short gaps.
  • the one or the two magnetization regions form a primary sensor for determining the torque.
  • the one or the two magnetization regions preferably have a high magnetostriction.
  • the arrangement further comprises exactly two magnetic field sensors which each form a secondary sensor for determining the torque.
  • the primary sensor d. H. the magnetization area is used to convert the moment to be measured into a corresponding magnetic field, while the secondary sensors allow the conversion of this magnetic field into an electrical signal.
  • the two magnetic field sensors are each arranged opposite the machine element, wherein preferably only a small radial distance between the respective magnetic field sensor and an outer or inner surface of the machine element is present.
  • the two magnetic field sensors are each a single measurement of a radial
  • Direction component of a one or two magnetizations and caused by the torque magnetic field formed can be formed directly or indirectly.
  • Magnetic field occurs due to the inverse magnetostrictive effect.
  • the two magnetic field sensors are preferably each designed exclusively for the individual measurement of a radial direction component of the magnetic field caused by the magnetization and by the moment.
  • the exactly two magnetic field sensors are arranged axially at a same axial position next to the exactly one magnetization region or axially between the two magnetization regions. Thus, none of the Magnetic field sensors at an axial position at which the one or one of the two magnetization region is formed.
  • the exactly two magnetic field sensors are preferably arranged axially centrally between the two magnetization regions.
  • the magnetic field sensors each have an axial arrangement of exactly two magnetic field sensors in addition to the magnetization region, the magnetic field sensors each have an axial
  • Magnetic sensors usually each also a radial distance to the
  • the magnetic field sensors are each at an axial position at which the machine element has no or only a slight magnetization, wherein the slight magnetization is at most half as large as the maximum magnetization of the magnetization region.
  • the machine element can have further magnetization areas, which are not in a functional relationship with the
  • inventive arrangement stand.
  • further magnetic field sensors can be arranged in the vicinity of the machine element, which are not in a functional relationship with the arrangement according to the invention.
  • a particular advantage of the arrangement according to the invention is that an accurate measurement of the torque to be measured is possible with little effort, whereby interference fields or forces or moments not to be measured are compensated.
  • the two magnetic field sensors are preferably opposite each other with respect to the axis.
  • the two magnetic field sensors arranged opposite one another with respect to the axis thus have an angle of 180 ° with respect to the axis, wherein a deviation of ⁇ 10 ° or also ⁇ 30 ° is tolerable.
  • the two magnetic field sensors preferably have an equal distance from the axis, so that they have a same radial position.
  • the exactly two magnetization regions preferably have different
  • the magnetizations of the two magnetization regions each have different polarities, ie. H. they have one another
  • the magnetization regions are preferably the same except for their polarity.
  • the magnetization regions preferably each have a high magnetostriction.
  • the machine element preferably has at least one magnetically neutral, axial section which is arranged axially next to the exactly one magnetization region or between the exactly two magnetization regions.
  • Magnetic field sensors are preferably arranged axially at a same axial position as the magnetically neutral portion.
  • the exactly two magnetization regions are arranged axially directly adjacent, so that between the two exactly
  • the one or the two magnetization regions can be permanently or temporarily magnetized.
  • the one or the two magnetization regions are permanently magnetized, so that the one or the two magnetizations are each formed by a permanent magnetization.
  • the at least one magnet may be formed by at least one permanent magnet or preferably by an electromagnet.
  • Magnetizing regions are in one of a force and a moment unloaded state of the machine element to the outside of the respective magnetization region preferably magnetically neutral, so that no technically relevant magnetic field outside the respective magnetization region is measurable.
  • Magnetization regions are preferably each formed in a magnetoelastic axial section of the machine element.
  • the machine element preferably consists of a magnetostrictive material. Not only a section is preferred, but the machine element as such
  • the machine element consists of a magnetostrictive material, in particular of a magnetostrictive steel.
  • the one or both magnetization areas each represent a part of the volume of the machine element.
  • Magnetization regions are preferably each annular, wherein the axis of the machine element also forms a central axis of the respective ring shape.
  • the one or the two magnetization regions each have the shape of a hollow cylinder coaxial with the axis of the machine element.
  • the machine element preferably has the shape of a prism or a cylinder, wherein the prism or the cylinder is arranged coaxially to the axis.
  • the prism or the cylinder is preferably straight.
  • the machine element has the shape of a straight circular cylinder, wherein the
  • Circular cylinder is arranged coaxially to the axis.
  • the prism or the cylinder is conical.
  • the prism or the cylinder can also be hollow.
  • the magnetic field sensors can also be arranged in a cavity of the prism or of the cylinder.
  • the machine element is preferably by a shaft, by a hollow shaft, by a shift fork, by a flange, by a sleeve or by a Hollow flange formed.
  • the shaft, the shift fork, the flange, the sleeve or the hollow flange can be designed for loads due to different forces and moments and, for example, be a component of a sensor bottom bracket, a roll stabilizer or a fertilizer spreader.
  • the sleeve may for example sit on a shaft.
  • the machine element can also be formed by completely different types of machine elements.
  • the magnetic field sensors are preferably each formed by a semiconductor sensor.
  • the magnetic field sensors are alternatively preferably each formed by a Hall sensor, by a coil, by a Förster probe or by a fluxgate magnetometer.
  • other sensor types can also be used insofar as they are suitable for the individual measurement of a radial direction component of the magnetic field produced by the inverse-magnetostrictive effect.
  • the method according to the invention is used to measure a torque which acts on the machine element of the arrangement according to the invention.
  • Torque acts in the axis of the machine element.
  • a first measurement signal of a first of the two magnetic field sensors is received, so that a radial direction component of the magnetic field caused by the at least one magnetization and by the torque is measured, which is dependent on the torque.
  • a second measurement signal of a second one of the two magnetic field sensors is received, so that once again a radial one
  • Direction component of the caused by the at least one magnetization and by the torque magnetic field is measured, which is dependent on the torque.
  • the first measurement signal and the second measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field caused by the at least one magnetization and by the torque, wherein these two radial direction components either coincide with respect to their sense of direction Axis down or shared the axis are washed away.
  • the respective sense of direction can be achieved by aligning the respective magnetic field sensor or by a sign selection of the measurement signal of the respective magnetic field sensor.
  • the first measurement signal and the second measurement signal are added. In this way, a sum measuring signal is obtained which is approximately twice as large as the first measuring signal or the second measuring signal and is dependent on the torque to be measured.
  • the method according to the invention is preferably carried out using one of the preferred embodiments described above
  • Fig. 1 shows a first preferred embodiment of an inventive
  • Fig. 2 shows a second preferred embodiment of the invention
  • FIGS. 1 and 2 each show an arrangement according to the invention, each in two views.
  • the left parts of the figures each comprise a cross-sectional view, while the right parts of the figures each comprise a plan view of the arrangement according to the invention.
  • Fig. 1 shows a first preferred embodiment of the invention
  • the arrangement initially comprises a machine element in the form of a hollow flange 01, which is fastened to a base body 02.
  • the hollow flange 01 has the shape of a hollow Circular cylinder on.
  • the hollow flange 01 extends in an axis 03, which also forms the central axis of the hollow cylindrical shape of the hollow flange 01.
  • the hollow flange 01 is subjected in particular to torsion by the torque Mt.
  • the hollow flange 01 consists of a magnetoelastic material which has the inverse magnetostrictive effect.
  • Permanent magnetization region 04 is formed, which extends circumferentially around the axis 03 around; d. H. it is a circular
  • Permanent magnetization In axial sections on both sides of the axial section of the permanent magnetization region 04 are outer magnetically neutral
  • Sections 07 arranged where the hollow flange 01 is not magnetized.
  • Magnetic field sensors 08 are at an axial position axially adjacent to
  • Permanent magnetization 04 arranged so that this axial position is located in one of the two outer magnetically neutral portions 07.
  • the two magnetic field sensors 08 which have the same axial position, are arranged uniformly distributed about the axis 03 so that they face each other with respect to the axis 03.
  • the magnetic field sensors 08 are each axially close to the axial position of the permanent magnetization region 04, so that in each case only a small distance between the permanent magnetization region 04 and the magnetic field sensors 08 is present.
  • the magnetic field sensors 08 are
  • the magnetic field sensors 08 are each designed to form a radial directional component of a
  • Magnetic field which is illustrated by magnetic circuits 09 and because of the inverse magnetostrictive effect due to the magnetization in
  • Permanent magnetization region 04 and the torque Mt occurs to measure individually.
  • the two magnetic field sensors 08 each measure a radial
  • Magnetic field wherein the two radial direction components directed with respect to their sense of direction together to the axis 03 toward or jointly from the Axis 03 are directed away.
  • the sense of direction is illustrated by an arrow 1 1.
  • Fig. 2 shows a second preferred embodiment of the invention
  • the second embodiment has two of the permanent magnetization regions 04, which are axially spaced so that a magnetically neutral portion 06 is formed therebetween.
  • the two magnetic field sensors 08 are located axially at an axial position between the two permanent magnetization regions 04, ie at a central axial position of the magnetically neutral portion 06.
  • the two permanent magnetization regions 04 are polarized opposite to one another.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen eines Drehmomentes (Mt) an einem sich in einer Achse (03) erstreckenden Maschinenelement (01) unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Das Maschinenelement (01) weist genau einen oder genau zwei sich umfänglich um die Achse (03) herum erstreckende Magnetisierungsbereiche (04) für jeweils eine Magnetisierung auf. Die Anordnung umfasst weiterhin genau zwei Magnetfeldsensoren (08), welche jeweils zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente eines durch die mindestens eine Magnetisierung und durch das Drehmoment (Mt) bewirkten Magnetfeldes (09) ausgebildet sind. Erfindungsgemäß sind die beiden Magnetfeldsensoren (08) an einer gleichen axialen Position neben dem einen Magnetisierungsbereich (04) oder zwischen den beiden Magnetisierungsbereichen (04) axial angeordnet. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung eines Drehmomentes (Mt) mit der erfindungsgemäßen Anordnung.

Description

Anordnung und Verfahren zum Messen eines Drehmomentes an einem
Maschinenelement mit zwei Magnetfeldsensoren
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Anordnung zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Das Maschinenelement weist in einem axialen Abschnitt mindestens einen sich umfänglich um die Achse herum
erstreckenden Magnetisierungsbereich für eine Magnetisierung auf. Die Anordnung umfasst weiterhin zwei Magnetfeldsensoren zur Messung eines durch die
Magnetisierung und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung eines Drehmomentes mit der erfindungsgemäßen Anordnung.
Die US 9,347,845 B2 zeigt einen magnetoelastischen Sensor, welcher einen magnetoelastisch aktiven Bereich einer Welle und eine Magnetfeldsensor umfasst. Der magnetoelastisch aktive Bereich ist umfänglich magnetisch polarisiert. In dem axialen Bereich der magnetischen Polarisierung ist ein Sensor angeordnet, mit welchem ein Magnetfeld in einer Richtung parallel zur Achse der Welle messbar ist. Aus der US 2012/0296577 A1 ist ein magnetoelastischer Kraftsensor bekannt, der zur Messung von Kräften an einem Element ausgebildet ist, welches umfänglich magnetisiert ist.
Die US 6,301 ,976 B1 zeigt eine Vorrichtung zur Drehmomentmessung mit einer magnetoelastischen Hülse, welche auf einer Welle sitzt.
Aus der DE 692 22 588 T2 ist ein ringförmig magnetisierter Drehmomentsensor bekannt. Die EP 2 365 927 B1 zeigt ein Tretlager mit zwei Tretkurbeln und mit einem
Kettenblattträger, der mit einer Welle des Tretlagers verbunden ist. Der
Kettenblattträger ist drehfest mit einer Kettenblattwelle verbunden, die wiederum drehfest mit der Welle verbunden ist. Die Kettenblattwelle weist abschnittsweise eine Magnetisierung auf. Es ist ein Sensor vorgesehen, der eine Änderung der Magnetisierung bei einem im Bereich der Magnetisierung vorliegenden Drehmoment erfasst. In der DE 10 2015 102 337 B4 ist ein redundanter Drehmomentsensor beschrieben, welcher ein Bauteil mit mindestens drei Magnetspuren umfasst, welche abwechselnd polarisiert sind. An den axialen Positionen der Magnetspuren sind Spulen von mindestens zwei Magnetfeldsensoren zur Emittierung je eines Signals axial zum Bauteil zugeordnet.
Die US 8,087,304 B2 zeigt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor zum
Messen eines auf eine Welle wirkenden Drehmomentes. Die Welle weist eine oder mehrere umfängliche Magnetisierungen auf. Fig. 8 der US 8,087,304 B2 zeigt eine Ausführungsform mit drei umfänglichen Magnetisierungen, die abwechselnd polarisiert sind, wobei jeweils ein Magnetfeldsensor in den axialen Bereichen der drei
Magnetisierungen angeordnet ist. Durch die besondere Anordnung der
Magnetfeldsensoren soll der Einfluss von magnetischen Störfeldern aufgehoben werden. Fig. 18 der US 8,087,304 B2 zeigt eine Ausführungsform mit zwei
umfänglichen Magnetisierungen, die abwechselnd polarisiert sind, wobei auch mehrere Magnetfeldsensoren an einem axialen Übergang zwischen den beiden Magnetisierungen angeordnet sind.
Die DE 10 2015 202 240 B3 zeigt in den Fig. 5 bis Fig. 8 verschiedene
Ausführungsformen einer Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines
Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement unter
Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Diese Ausführungsformen umfassen radial messende Magnetfeldsensoren an mindestens drei unterschiedlichen axialen Positionen. Die EP 0 953 169 B1 , DE 698 38 904 T2 und US 6,047,605 lehren einen
manschettenlosen magnetoelastischen Drehmomentsensor mit einer kreisförmigen Magnetisierung. Fig. 1 (e) der EP 0 953 169 Blzeigt eine Welle mit zwei
entgegengesetzt polarisierten kreisförmigen Magnetisierungen und einer axial dazwischen angeordneten Magnetfeldsensoreinrichtung. Fig. 1 (g) der EP 0 953 169 B1 zeigt eine Welle mit drei abwechselnd polarisierten kreisförmigen Magnetisierungen und zwei jeweils axial zwischen den Magnetisierungen
angeordneten Magnetfeldsensoreinrichtungen. Es wird das von den axialen
Komponenten der Magnetisierung herrührende Magnetfeld erfasst.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Möglichkeiten zur Messung eines Drehmomentes an einem
Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes zu erweitern, wofür insbesondere eine Fehlerkompensation bei der Messung aufwandsarm möglich sein soll.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 4.
Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in Richtung einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Das Drehmoment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Die Achse bildet bevorzugt eine Rotationsachse des Maschinenelementes. Durch die Achse sind eine radiale Richtung, eine tangentiale bzw. umfängliche Richtung und eine axiale
Richtung definiert. Der Vektor des Drehmomentes ist zumindest parallel zur Achse des Maschinenelementes. Der Vektor des Drehmomentes fällt bevorzugt mit der Achse des Maschinenelementes zusammen.
Das Maschinenelement weist in jeweils einem axialen Abschnitt des
Maschinenelementes genau einen oder genau zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für jeweils eine im Maschinenelement ausgebildete Magnetisierung auf. Es handelt sich somit jeweils um einen die Achse umlaufenden Magnetisierungsbereich, d. h. einen zirkulären Magnetisierungsbereich, wobei die Achse selbst bevorzugt nicht einen Teil des Magnetisierungsbereiches bildet. Der eine bzw. die zwei Magnetisierungsbereiche weisen jeweils eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Der eine bzw. die zwei
Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt jeweils ausschließlich eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Der eine bzw. die zwei Magnetisierungsbereiche erstrecken sich bevorzugt entlang eines geschlossenen Pfades um die Achse herum, wobei der eine bzw. die zwei Magnetisierungsbereiche kurze Lücken aufweisen dürfen. Der eine bzw. die zwei Magnetisierungsbereiche bilden einen Primärsensor zur Bestimmung des Momentes. Der eine bzw. die zwei Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt eine hohe Magnetostriktivität auf.
Die Anordnung umfasst weiterhin genau zwei Magnetfeldsensoren, welche jeweils einen Sekundärsensor zur Bestimmung des Momentes bilden. Der Primärsensor, d. h. der Magnetisierungsbereich dient zur Wandlung des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während die Sekundärsensoren die Wandlung dieses Magnetfeldes in ein elektrisches Signal ermöglichen. Die beiden Magnetfeldsensoren sind jeweils gegenüber dem Maschinenelement angeordnet, wobei bevorzugt nur ein geringer radialer Abstand zwischen dem jeweiligen Magnetfeldsensor und einer äußeren oder inneren Oberfläche des Maschinenelementes vorhanden ist. Die beiden Magnetfeldsensoren sind jeweils zur einzelnen Messung einer radialen
Richtungskomponente eines durch die eine bzw. zwei Magnetisierungen und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Die Eignung des jeweiligen Magnetfeldsensors zur einzelnen Messung der radialen Richtungskomponenten des Magnetfeldes kann unmittelbar oder mittelbar ausgebildet sein. Das genannte
Magnetfeld tritt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auf. Somit beruht die mit der erfindungsgemäßen Anordnung mögliche Messung auf dem invers- magnetostriktiven Effekt. Die beiden Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils ausschließlich zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente des durch die Magnetisierung und durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet.
Die genau zwei Magnetfeldsensoren sind an einer gleichen axialen Position axial neben dem genau einen Magnetisierungsbereich bzw. axial zwischen den beiden Magnetisierungsbereichen axial angeordnet. Somit befindet sich keiner der Magnetfeldsensoren an einer axialen Position, an welcher der eine bzw. einer der beiden Magnetisierungsbereich ausgebildet ist. Die genau zwei Magnetfeldsensoren sind bevorzugt axial mittig zwischen den beiden Magnetisierungsbereichen axial angeordnet.
Aufgrund der axialen Anordnung der genau zwei Magnetfeldsensoren neben dem Magnetisierungsbereich weisen die Magnetfeldsensoren jeweils einen axialen
Abstand zu dem Magnetisierungsbereich auf. Bauartbedingt weisen die
Magnetfeldsensoren zumeist jeweils auch einen radialen Abstand zu dem
Magnetisierungsbereich auf.
Bevorzugt befinden sich die Magnetfeldsensoren jeweils an einer axialen Position, an welcher das Maschinenelement keine oder eine nur geringfügige Magnetisierung aufweist, wobei die geringfügige Magnetisierung höchstens halb so groß wie die maximale Magnetisierung des Magnetisierungsbereiches ist.
Grundsätzlich kann das Maschinenelement weitere Magnetisierungsbereiche aufweisen, welche nicht in einem funktionellen Zusammenhang mit der
erfindungsgemäßen Anordnung stehen. Grundsätzlich können in der Umgebung des Maschinenelementes weitere Magnetfeldsensoren angeordnet sein, welche nicht in einem funktionellen Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung stehen.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass eine genaue Messung des zu messenden Drehmomentes aufwandsarm möglich ist, wobei Störfelder oder nicht zu messende Kräfte bzw. Momente kompensiert werden.
Die beiden Magnetfeldsensoren stehen sich in Bezug auf die Achse bevorzugt gegenüber. Die beiden in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordneten Magnetfeldsensoren weisen somit einen Winkel von 180° in Bezug auf die Achse auf, wobei eine Abweichung von ±10° oder auch ±30° tolerierbar ist.
Die beiden Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse auf, sodass sie eine gleiche radiale Position besitzen. Die genau zwei Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt unterschiedliche
Polaritäten auf, d. h. sie besitzen zueinander einen umgekehrten Umlaufsinn.
Insbesondere weisen die Magnetisierungen der beiden Magnetisierungsbereiche jeweils unterschiedliche Polaritäten auf, d. h. sie besitzen zueinander einen
umgekehrten Umlaufsinn. Die Magnetisierungsbereiche sind abgesehen von deren Polarität bevorzugt gleich ausgebildet. Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt jeweils eine hohe Magnetostriktivität auf. Das Maschinenelement weist bevorzugt mindestens einen magnetisch neutralen, axialen Abschnitt auf, der axial neben dem genau einen Magnetisierungsbereich bzw. zwischen den genau zwei Magnetisierungsbereichen angeordnet ist. Die
Magnetfeldsensoren sind bevorzugt an einer gleichen axialen Position wie der magnetisch neutrale Abschnitt axial angeordnet.
Alternativ bevorzugt sind die genau zwei Magnetisierungsbereiche axial unmittelbar benachbart angeordnet, sodass sich zwischen den genau zwei
Magnetisierungsbereichen kein magnetisch neutraler Abschnitt befindet. Der eine bzw. die beiden Magnetisierungsbereiche können permanent oder temporär magnetisiert sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ist der eine bzw. sind die beiden Magnetisierungsbereiche permanent magnetisiert, sodass die eine bzw. die zwei Magnetisierungen jeweils durch eine Permanentmagnetisierung gebildet sind. Bei alternativ bevorzugten
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung weist diese weiterhin mindestens einen Magneten zum Magnetisieren des einen bzw. der beiden
Magnetisierungsbereiche auf, sodass die eine bzw. die beiden Magnetisierungen grundsätzlich temporär sind. Der mindestens eine Magnet kann durch mindestens einen Permanentmagneten oder bevorzugt durch einen Elektromagneten gebildet sein.
Der eine bzw. die beiden permanent bzw. temporär magnetisierten
Magnetisierungsbereiche sind in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb des jeweiligen Magnetisierungsbereiches bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des jeweiligen Magnetisierungsbereiches messbar ist.
Der eine bzw. die beiden permanent bzw. temporär magnetisierten
Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt jeweils in einem magnetoelastisch ausgebildeten axialen Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet. In dem magnetoelastisch ausgebildeten Abschnitt des Maschinenelementes besteht das Maschinenelement bevorzugt aus einem magnetostriktiven Material. Bevorzugt ist nicht lediglich ein Abschnitt, sondern das Maschinenelement als solches
magnetoelastisch ausgebildet. In diesem Fall besteht das Maschinenelement aus einem magnetostriktiven Material, insbesondere aus einem magnetostriktiven Stahl. Der eine bzw. die beiden Magnetisierungsbereiche stellen jeweils einen Teil des Volumens des Maschinenelementes dar. Der eine bzw. die beiden
Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt jeweils ringförmig ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine mittlere Achse der jeweiligen Ringform bildet. Besonders bevorzugt weist der eine bzw. die beiden Magnetisierungsbereiche jeweils die Form eines zur Achse des Maschinenelementes koaxialen Hohlzylinders auf.
Das Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Prismas oder eines Zylinders auf, wobei das Prisma bzw. der Zylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Das Prisma bzw. der Zylinder ist bevorzugt gerade. Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement die Form eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der
Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen
Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet. Das Prisma bzw. der Zylinder kann auch hohl sein. Die Magnetfeldsensoren können auch in einem Hohlraum des Prismas bzw. des Zylinders angeordnet sein.
Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle, durch eine Hohlwelle, durch eine Schaltgabel, durch einen Flansch, durch eine Hülse oder durch einen Hohlflansch gebildet. Die Welle, die Schaltgabel, der Flansch, die Hülse bzw. der Hohlflansch können für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momente ausgelegt sein und beispielsweise eine Komponente eines Sensortretlagers, eines Wankstabilisators oder eines Düngemittelstreuers sein. Die Hülse kann beispielsweise auf einer Welle sitzen. Grundsätzlich kann das Maschinenelement auch durch völlig andersartige Maschinenelementtypen gebildet sein.
Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils durch einen Halbleitersensor gebildet. Die Magnetfeldsensoren sind alternativ bevorzugt jeweils durch einen Hall-Sensor, durch eine Spule, durch eine Förstersonde oder durch ein Fluxgate-Magnetometer gebildet. Grundsätzlich können auch andere Sensortypen verwendet werden, insofern sie zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet sind. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Messen eines Drehmomentes, welches auf das Maschinenelement der erfindungsgemäßen Anordnung wirkt. Das
Drehmoment wirkt in der Achse des Maschinenelementes.
In einem Schritt des Verfahrens wird ein erstes Messsignal eines ersten der beiden Magnetfeldsensoren empfangen, sodass eine radiale Richtungskomponente des durch die mindestens eine Magnetisierung und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes gemessen wird, welche abhängig von dem Drehmoment ist.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird ein zweites Messsignal eines zweiten der beiden Magnetfeldsensoren empfangen, sodass wiederum eine radiale
Richtungskomponente des durch die mindestens eine Magnetisierung und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes gemessen wird, welche abhängig von dem Drehmoment ist. Erfindungsgemäß repräsentieren das erste Messsignal und das zweite Messsignal zwei radiale Richtungskomponenten des durch die mindestens eine Magnetisierung und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes, wobei diese beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes entweder gemeinsam zur Achse hin genchtet oder gemeinsam von der Achse weg genchtet sind. Der jeweilige Richtungssinn kann durch ein Ausrichten des jeweiligen Magnetfeldsensors oder durch eine Vorzeichenwahl des Messsignals des jeweiligen Magnetfeldsensors erzielt werden.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden das erste Messsignal und das zweite Messsignal addiert. Hierdurch wird ein Summenmesssignal gewonnen, welches in etwa doppelt so groß wie das erste Messsignal bzw. das zweite Messsignal ist und von dem zu messenden Drehmoment abhängig ist.
Im Übrigen wird das erfindungsgemäße Verfahrens bevorzugt unter Verwendung einer der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Anordnung durchgeführt. Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Anordnung mit einem Magnetisierungsbereich; und
Fig. 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung mit zwei Magnetisierungsbereichen.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen jeweils eine erfindungsgemäße Anordnung jeweils in zwei Ansichten. Die linken Teile der Figuren umfassen jeweils eine Querschnittsansicht, während die rechten Teile der Figuren jeweils eine Aufsicht der erfindungsgemäßen Anordnung umfassen.
Fig. 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung, welche zum Messen eines Drehmomentes Mt dient. Die Anordnung umfasst zunächst ein Maschinenelement in Form eines Hohlflansches 01 , welcher an einem Grundkörper 02 befestigt ist. Der Hohlflansch 01 weist die Form eines hohlen Kreiszylinders auf. Der Hohlflansch 01 erstreckt sich in einer Achse 03, welche auch die mittlere Achse der Hohlzylinderform des Hohlflansches 01 bildet. Der Hohlflansch 01 wird insbesondere auf Torsion durch das Drehmoment Mt belastet. Der Hohlflansch 01 besteht aus einem magnetoelastischen Material, welches den invers- magnetostriktiven Effekt aufweist.
In einem axialen Abschnitt des Hohlflansches 01 ist ein
Permanentmagnetisierungsbereich 04 ausgebildet, welcher sich umlaufend um die Achse 03 herum erstreckt; d. h. es handelt sich eine zirkuläre
Permanentmagnetisierung. In axialen Abschnitten beiderseits des axialen Abschnittes des Permanentmagnetisierungsbereiches 04 sind äußere magnetisch neutrale
Abschnitte 07 angeordnet, wo der Hohlflansch 01 nicht magnetisiert ist.
Umfänglich um den Hohlflansch 01 herum sind zwei Magnetfeldsensoren 08 angeordnet, welche einen gleichen Abstand zur Achse 03 aufweisen. Die
Magnetfeldsensoren 08 sind an einer axialen Position axial neben dem
Permanentmagnetisierungsbereich 04 angeordnet, sodass sich diese axiale Position in einem der beiden äußeren magnetisch neutralen Abschnitte 07 befindet. Die beiden eine gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren 08 sind gleichverteilt um die Achse 03 herum angeordnet, sodass sie sich in Bezug auf die Achse 03 gegenüberstehen. Die Magnetfeldsensoren 08 stehen jeweils axial nahe neben der axialen Position des Permanentmagnetisierungsbereiches 04, sodass jeweils nur ein geringer Abstand zwischen dem Permanentmagnetisierungsbereich 04 und den Magnetfeldsensoren 08 vorhanden ist. Die Magnetfeldsensoren 08 sind
beispielsweise jeweils durch einen Halbleitersensor gebildet. Die Magnetfeldsensoren 08 sind jeweils dazu ausgebildet, eine radiale Richtungskomponente eines
Magnetfeldes, welches durch magnetische Kreise 09 veranschaulicht ist und wegen des invers-magnetostriktiven Effektes aufgrund der Magnetisierung im
Permanentmagnetisierungsbereich 04 und des Drehmomentes Mt auftritt, einzeln zu messen. Die beiden Magnetfeldsensoren 08 messen jeweils eine radiale
Richtungskomponente des durch die magnetischen Kreise 09 verbildlichten
Magnetfeldes, wobei die beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes gemeinsam zur Achse 03 hin gerichtet bzw. gemeinsam von der Achse 03 weg gerichtet sind. Der Richtungssinn ist jeweils durch einen Pfeil 1 1 veranschaulicht.
Fig. 2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung, die zunächst der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform gleicht. Abweichend von der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform weist die zweite Ausführungsform zwei der Permanentmagnetisierungsbereiche 04 auf, die axial beabstandet sind, sodass dazwischen ein magnetisch neutraler Abschnitt 06 ausgebildet ist. Die beiden Magnetfeldsensoren 08 befinden sich an einer axialen Position axial mittig zwischen den beiden Permanentmagnetisierungsbereichen 04, d. h. an einer mittleren axialen Position des magnetisch neutralen Abschnittes 06. Die beiden Permanentmagnetisierungsbereiche 04 sind entgegengesetzt zueinander polarisiert.
Bezuqszeichenliste Hohlflansch
Grundkörper
Achse
Permanentmagnetisierungsbereich
- magnetisch neutraler Abschnitt
äußerer magnetisch neutraler Abschnitt Magnetfeldsensor
magnetischer Kreis
- Pfeil

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zum Messen eines Drehmomentes (Mt) an einem sich in einer
Achse (03) erstreckenden Maschinenelement (01 ); wobei das
Maschinenelement (01 ) genau einen oder genau zwei sich umfänglich um die Achse (03) herum erstreckende Magnetisierungsbereiche (04) für jeweils eine Magnetisierung aufweist; wobei die Anordnung weiterhin genau zwei
Magnetfeldsensoren (08) umfasst, welche jeweils zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente eines durch die mindestens eine
Magnetisierung und durch das Drehmoment (Mt) bewirkten Magnetfeldes (09) ausgebildet sind; und wobei die beiden Magnetfeldsensoren (08) an einer gleichen axialen Position neben dem einen Magnetisierungsbereich (04) oder zwischen den beiden Magnetisierungsbereichen (04) axial angeordnet sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die genau zwei Magnetisierungsbereiche (04), insbesondere die Magnetisierungen der beiden Magnetisierungsbereiche (04), zueinander einen umgekehrten Umlaufsinn aufweisen.
3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (03) eine Rotationsachse des Maschinenelementes (01 ) bildet.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vektor des Drehmomentes (Mt) mit der Achse (03) des Maschinenelementes (01 ) zusammenfällt.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie genau zwei der Magnetfeldsensoren (08) umfasst, die sich in Bezug auf die Achse (03) gegenüberstehen.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die genau zwei Magnetfeldsensoren (08) axial mittig zwischen den beiden Magnetisierungsbereichen (04) axial angeordnet sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (01 ) weiterhin mindestens einen magnetisch neutralen Abschnitt (07; 06) aufweist, der axial neben dem einen Magnetisierungsbereich (04) oder zwischen den beiden Magnetisierungsbereichen (04) angeordnet ist, wobei die beiden Magnetfeldsensoren (08) an einer gleichen axialen Position wie der magnetisch neutrale Abschnitt (07; 06) angeordnet sind.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die genau zwei Magnetisierungsbereiche (04) axial unmittelbar benachbart angeordnet sind.
9. Verfahren zum Messen eines Drehmomentes (Mt) mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, folgende Schritte umfassend:
- Empfangens eines ersten Messsignals eines ersten der beiden
Magnetfeldsensoren (08);
- Empfangens eines zweiten Messsignals eines zweiten der beiden
Magnetfeldsensoren (08), wobei das erste Messsignal und das zweite Messsignal zwei radiale Richtungskomponenten des durch die mindestens eine Magnetisierung und durch das Drehmoment (Mt) bewirkten
Magnetfeldes (09) repräsentieren, die hinsichtlich ihres Richtungssinnes
(1 1 ) entweder gemeinsam zur Achse (03) hin gerichtet oder von der Achse (03) weg gerichtet sind; und
- Addieren des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals.
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