BRPI0619291A2 - sistema de sensor incluindo um eixo magnetizado - Google Patents
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Abstract
SISTEMA DE SENSOR INCLUINDO UM EIXO MAGNETIZADO Um sensor inclui um eixo e um sensor magnético. O eixo pode ter pelo menos uma região ativa magnetizada. O sensor magnético pode ser configurado para captar um campo magnético sobre o eixo, e pode prover uma saída representativa do torgue aplicado ao eixo, da velocidade rotacional do eixo e da posição rotacional do eixo.
Description
"SISTEMA DE SENSOR INCLUINDO UM EIXO MAGNETIZADO"
Campo Técnico
Esta revelação se refere a sensores e, mais especificamente, a um sistema de sensor incluindo um eixo magnetizado.
Histórico
No controle de sistemas tendo eixos rotacionais, o torque é um parâmetro fundamental de interesse. Consequentemente, foram desenvolvidos sensores para captar o torque aplicado a um eixo em rotação. Sensores que não contatam o eixo em rotação são desejáveis. Sensores isentos de contato podem criar e/ou monitorar um campo magnético sobre um eixo em rotação que é proporcional ao torque aplicado ao eixo.
Em uma configuração conhecida, o eixo em rotação, ou uma ou mais porções axiais do mesmo, pode ser circunferencialmente magnetizado, isto é, polarizado
magneticamente em direção única seguindo um caminho circular coaxial ao eixo geométrico do eixo. Quando o eixo estiver abaixo de torque zero, o campo magnético estabelecido pelo eixo não inclui um componente na direção do eixo geométrico do eixo. Quando torque é aplicado ao eixo, o campo magnético circunferencial se torna crescentemente helicoidal com o aumento de torque. A magnetização helicoidal resultante do torque aplicado inclui um componente axial na direção do eixo geométrico do eixo e um componente circunferencial. O componente axial pode ser diretamente proporcional ao torque aplicado. Um sensor magnético localizado próximo do eixo pode detectar o componente axial e prover uma saída indicativa do nível de torque aplicado ao eixo. Magnetização apropriada do eixo nesta configuração é crítica para a operação. Erros de fabricação na magnetização do eixo ou na montagem do eixo no sistema podem conduzir a uma falha total do sistema de sensor. Também, a magnetização do eixo pode enfraquecer com o tempo. Entretanto, a falta de componente de campo axial sensível quando o eixo está no torque zero não permite um meio externo passivo simples para determinar se o eixo está magnetizado apropriadamente ou mesmo magnetizado de alguma forma.
Uma abordagem conhecida para prover um sensor
tendo um campo magnético axial inativo no torque zero envolve a magnetização de forma circunferencial de um eixo enquanto o eixo está sob um torque predeterminado. Visto que o campo circunferencial é induzido na presença do torque predeterminado, um componente de campo axial não mensurável ocorre no torque aplicado durante a magnetização, e quando o torque no eixo é removido o campo circunferencial é enviesado, resultando em um componente de campo axial inativo. Embora esta configuração permita diagnósticos no torque zero, ela também sofre de várias deficiências. Por exemplo, a magnetização do eixo sob um torque predeterminado é um processo incômodo e de alto custo que não permite a fácil produção de grandes volumes.
Adicionalmente, uma configuração magnetizada de forma circunferencial pode permitir apenas medição de torque, e não a medição de posição ou velocidade. Em algumas aplicações, pode ser desejável que o sensor também, ou alternativamente, proveja captação de posição e/ou velocidade com o mesmo conjunto de componentes eletrônicos. Consequentemente, existe uma necessidade de um sistema sensor que inclua um eixo magnetizado provendo um componente de campo axial mensurável no torque zero, o qual possa ser produzido de forma eficiente e a um custo baixo. Existe também uma necessidade de um sistema sensor que inclua um eixo magnetizado que proveja a captação de torque, posição, e/ou velocidade.
Breve Descrição dos Desenhos
Características e vantagens de configurações do assunto revelado se tornarão aparentes conforme a Descrição Detalhada é apresentada, e mediante referência aos Desenhos, nos quais numerais iguais ilustram partes iguais, e nos quais:
A Figura 1 é um diagrama de bloco de um sistema exemplificativo consistente com a presente invenção;
A Figura 2 ilustra em forma de diagrama um sensor exemplif icativo consistente com a presente invenção,·
A Figura 3 é uma vista seccional transversal do eixo da Figura 2 tomada ao longo da linha A-A da Figura 2, ilustrando a magnetização elíptica do eixo.
A Figura 4 ilustra em forma de diagrama um outro sensor exemplificativo consistente com a presente invenção;
A Figura 5 é uma vista em perspectiva de um eixo e pares de prendedores de eletrodo para ilustrar um método de indução de magnetização elíptica em um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 6 é uma vista superior do eixo e prendedores de eletrodo da Figura 5;
A Figura 7 é uma vista seccional transversal do eixo e prendedores de eletrodo da Figura 6 tomada ao longo da linha A-A da Figura 6;
A Figura 8 é uma vista de um eixo e eletromagneto inclinado em relação ao eixo para ilustrar um outro método de indução de magnetização eliptica em um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 9 é uma vista seccional transversal do eixo e eletromagneto da Figura 8 tomada ao longo da linha A-A da Figura 8;
A Figura 10 é uma vista de um eixo e magneto permanente inclinado em relação ao eixo para ilustrar um outro método de indução de magnetização eliptica em um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 11 é uma vista seccional transversal do eixo e magneto permanente da Figura 10 tomada ao longo da linha A- A da Figura 10;
A Figura 12 ilustra, em forma de diagrama, uma outra configuração de um sensor tendo duas regiões magnetizadas elipticamente com análise AC de um campo magnético com variação de tempo conforme o eixo gira;
A Figura 13 ilustra, em forma de diagrama, uma outra configuração de um sensor tendo duas regiões magnetizadas elipticamente com análise AC de um campo magnético com variação de tempo conforme o eixo gira, de modo a monitorar simultaneamente parâmetros de eixo adicionais ao torque;
A Figura 14 é uma seção transversal da região ativa do eixo da Figura 13 que ilustra um exemplo de deslocamento radial das duas bobinas de desbloqueio de fluxo da Figura 13; A Figura 15 é uma vista lateral de um eixo e prendedores de eletrodo que ilustra um outro sistema e método de magnetização de um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 15A é uma vista seccional radial da configuração da Figura 15 tomada entre os conjuntos de prendedores de eletrodo;
A Figura 16 é uma vista lateral de um eixo e prendedores de eletrodo que ilustra um outro sistema e método de magnetização de um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 17 é uma vista lateral de um eixo e prendedores de eletrodo que ilustra um outro sistema e método de magnetização de um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 18 é uma vista lateral de um eixo magnetizado usando uma configuração conforme mostrado na Figura 17 e incluindo uma configuração de detector diferencial duplo;
A Figura 19 é uma vista lateral de um eixo e prendedores de eletrodo que ilustra um outro sistema e método de magnetização de um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 20 é uma vista lateral de um eixo e prendedores de eletrodo que ilustra um outro sistema e método de magnetização de um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 20A é uma vista seccional radial da configuração da Figura 2 0 tomada através dos conjuntos de prendedores de eletrodo;
A Figura 21 é uma vista superior de um eixo e prendedores de eletrodo que ilustra um outro sistema e método de magnetização de um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 2IA é uma vista seccional radial da configuração da Figura 21 tomada através dos conjuntos de prendedores de eletrodo;
A Figura 22 é uma vista lateral de um eixo e prendedores de eletrodo que ilustra um outro sistema e método de magnetização de um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 22A é uma vista seccional radial da configuração da Figura 22 tomada através dos conjuntos de prendedores de eletrodo;
A Figura 23 é uma vista superior de um eixo e prendedores de eletrodo que ilustra um outro sistema e método de magnetização de um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 23A é uma vista seccional radial da configuração da Figura 23 tomada através de um primeiro par de conjuntos de prendedores de eletrodo;
A Figura 23B é uma vista seccional radial da configuração da Figura 23 tomada através de um segundo par de conjuntos de prendedores de eletrodo;
A Figura 24 é uma vista superior de um eixo e prendedores de eletrodo que ilustra um outro sistema e método de magnetização de um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 24A é uma vista em perspectiva da configuração da Figura 24;
A Figura 25 é uma vista superior de um eixo e prendedores de eletrodo que ilustra um outro sistema e método de magnetização de um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 25A é uma vista em perspectiva da configuração da Figura 25;
A Figura 26 é uma vista superior de um eixo e prendedores de eletrodo que ilustra um outro sistema e método de magnetização de um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 26A é uma vista em perspectiva da configuração da Figura 26;
A Figura 27 é uma vista lateral de um eixo consistente com a presente invenção que inclui uma primeira e uma segunda região ativa;
A Figura 27A é uma vista lateral de um eixo consistente com a presente invenção que ilustra a provisão de zonas de saturação por isolamento de uma corrente axial através de um centro do eixo;
A Figura 28 é uma vista lateral de um eixo e prendedores de eletrodo que ilustra um outro sistema e método de magnetização de um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 29 é uma vista lateral de um eixo e prendedores de eletrodo que ilustra um outro sistema e método de magnetização de um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 30 ilustra em forma de diagrama uma configuração de um pino de contato;
A Figura 31 é uma vista de um eixo e uma pluralidade de pinos de contato em contato com o eixo em uma primeira configuração exemplificativa para estabelecer região ativa magnetizada no eixo;
A Figura 32 é uma vista de um eixo e uma pluralidade de pinos de contato em contato com o eixo em uma segunda configuração exemplificativa para prover região ativa magnetizada no eixo;
A Figura 33 ilustra, na forma de diagrama, um sistema exemplificativo e método para prover correntes desequilibradas para prover primeira e segunda regiões ativas em um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 34 ilustra, na forma de diagrama, bobinas de desbloqueio de fluxo orientadas radialmente e tangencialmente consistentes com a presente invenção;
A Figura 35 ilustra, em forma de diagrama, bobinas de desbloqueio de fluxo orientadas axialmente consistentes com a presente invenção;
A Figura 3 6 ilustra, na forma de diagrama, um alojamento exemplificativo para posicionamento de três bobinas de desbloqueio de fluxo ao redor de um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 3 7 ilustra, na forma de diagrama, um alojamento exemplificativo para posicionar quatro bobinas de desbloqueio de fluxo ao redor de um eixo consistente com a presente invenção;
A Figura 38 é um gráfico de saída de sensor vs. torque para um sensor exemplificativo consistente com a presente invenção;
A Figura 3 9 é um gráfico de saída de sensor vs. ângulo rotacional do eixo para um sensor exemplif icativo consistente com a presente invenção; e
A Figura 40 é um gráfico de saída de sensor vs. ângulo rotacional do eixo para um sensor exemplificativo consistente com a presente invenção.
Embora a Descrição Detalhada a seguir prossiga com referência sendo feita a configurações ilustrativas, muitas alternativas, modificações, e variações da mesma ficarão aparentes para aqueles especializados na técnica. Consequentemente, ê pretendido que o assunto reivindicado seja observado de forma ampla.
Descrição Detalhada
A descrição provida aqui faz referência a várias configurações exemplificativas. Deve ser entendido que as configurações descritas aqui são apresentadas como ilustrações e não como limitações. A presente invenção pode ser incorporada em uma ampla variedade de sistemas sem se afastar do espírito e escopo da invenção.
Observando agora a Figura 1, é mostrada na forma de diagrama de bloco uma configuração exemplificativa de um sistema 100 que inclui um sensor 104 consistente com a presente invenção. Conforme mostrado, o sistema 100 pode incluir um controlador 106 e um ou mais sistemas 108 e 110 controlados pelo controlador 106. O sensor 104 pode monitorar o torque aplicado ao eixo 102. Em uma configuração exemplif icativa, o eixo 102 pode ser acoplado, ou constituir uma porção de um eixo de partida de energia de um trator. Uma saída representativa do torque aplicado à partida de energia pode ser acoplada a partir do sensor 104 para o controlador 106. 0 controlador pode ser um microcontrolador, por exemplo, incluindo um microprocessador apropriadamente programado e memória associada, configurados para controlador os sistemas 108 e 110 em resposta à saída do sensor.
Em uma outra configuração exemplificativa, o eixo 102 pode ser acoplado, ou constituir uma porção de um eixo de direção de um sistema de direção de veículo. 0 sensor 104 pode prover uma saída representativa do torque aplicado ao eixo de direção para o controlador 106. 0 controlador 106 pode controlar um ou mais sistemas de veículo 108, 110 em resposta à saída do sensor. Por exemplo, o sistema 108 pode incluir um sistema de freio automático onde a frenagem é influenciada pelo torque aplicado ao eixo de direção. Se um operador do veículo estiver executando uma manobra evasiva, o sensor 104 pode captar um torque aplicado ao eixo de direção que excede um nível de limite. Em resposta, o controlador 106 pode prover um sinal de controle para o sistema de frenagem automático 108. 0 sistema de frenagem 108 pode, então, administrar seletivamente os freios do veículo para controlar o veículo. 0 sistema 110 pode incluir um sistema de controle de tração onde a resposta do motor e outros parâmetros são influenciados pelo torque aplicado ao eixo de direção.
A Figura 2 ilustra na forma de diagrama uma configuração exemplificativa de um sensor 104a consistente com a presente invenção. 0 sistema de sensor exemplificativo ilustrado inclui um eixo cilíndrico 102a que inclui uma região ativa magnetizada elipticamente 202 e um sensor de campo magnético 205. A região ativa 202 pode ser estabelecida pela magnetização de uma porção de um eixo homogêneo entre duas regiões passivas 204 e 206. O eixo 10 pode ser formado de um material magneto-restritivo capaz de manter uma magnetização induzida no mesmo após aplicação repetida de torque e retornar a magnetização à direção estabelecida na polarização quando o torque é reduzido a zero. Uma variedade de materiais que exibem estas propriedades é bem conhecida daqueles com especialização ordinária na técnica. Alguns materiais exemplificativos para formar o eixo são descritos em detalhe na Patente Norte-Americana N2 6.553.847, os ensinamentos da qual estão incorporados aqui por referência.
Uma variedade de configurações para os sensores de campo magnético 205 úteis em conexão com a presente invenção é também bem conhecida daqueles com especialização ordinária na técnica. Em uma configuração, por exemplo, os sensores de campo magnético podem ser configurados como sensores de desbloqueio de fluxo. Sensores "Hall Effect" podem, também ou alternativamente, ser usados dependendo do nível do campo captado.
Com referência continuada à Figura 2, consistente com a presente invenção, a região ativa 202 pode ser magnetizada elipticamente quando o eixo está sob torque zero. Conforme usado aqui "magnetizado elipticamente" e "magnetização elíptica" se referem a uma polarização magnética de um eixo estabelecida em um ângulo oblíquo ao eixo geométrico da linha central do eixo em um caminho elíptico não circular ao redor do eixo. Conforme mostrado, por exemplo, a região ativa 202 pode ser polarizada em uma direção indicada pela seta B em um ângulo oblíquo 2 em relação a um eixo geométrico de linha central 212 do eixo. Em uma configuração, uma magnetização elíptica pode ser provida com uma direção de polarização em um ângulo 2 entre aproximadamente 10° e 80°. Deve ser entendido, entretanto, que embora o ângulo 2 seja ilustrado na Figura 2 como sendo menor que 90 graus, o ângulo 2 pode também ser maior que 90 graus, dependendo da orientação desejada da magnetização elíptica, e pode ser selecionado para estabelecer uma magnitude desejada do componente axial 250 no torque zero. Também, a região ativa pode se estender sobre uma extensão axial do eixo, entre a primeira extremidade 24 0 e segunda extremidade 242 que são substancialmente paralelas à direção de magnetização Β. A extensão axial da região ativa pode ser selecionada dependendo da aplicação, por exemplo, para acomodar tolerâncias de fabricação ou operação na posição axial do eixo.
A região ativa magnetizada elipticamente 202 estabelece um campo magnético que inclui um componente axial diferente de zero 250 que pode ser captado pelo sensor de campo magnético quando o eixo 102 está em torque zero. Isto permite teste de diagnóstico para garantir magnetização apropriada, instalação e/ou calibração do eixo 102. Conforme o torque é aplicado ao eixo em qualquer direção, a magnetização elíptica pode ser oblíqua em relação a sua posição original no torque zero, resultando em uma mudança na magnitude do componente axial do campo magnético. A alteração no componente axial do campo magnético pode ser proporcional ao torque aplicado. 0 sensor de campo magnético 205 pode captar a magnitude do componente axial e prover um sinal de saída representativo do torque aplicado ao eixo 102.
Embora captando um componente axial diferente de zero 250 do campo magnético no torque zero, os componentes eletrônicos associados com o sensor magnético 205 podem ser calibrados para prover uma saída captada desejada no torque zero. Em uma configuração, a saída captada no torque zero pode ser definida como a metade da voltagem de entrada. Os componentes eletrônicos podem também ser configurados para redefinir a saída de torque zero para um nível diferente, de modo a permitir o teste de diagnóstico, por exemplo, para garantir magnetização, instalação, e/ou calibração apropriadas do eixo 102. A Figura 3 é uma vista seccional cruzada do eixo da Figura 2 tomada ao longo da linha A-A da Figura 2, a qual ilustra uma magnetização elíptica do eixo. A linha A-A é tomada ao longo da direção de magnetização B no ângulo 2 para o eixo geométrico da linha central 212 do eixo. Como tal, a vista seccional cruzada da região ativa do eixo ê formatada elipticamente ilustrando a direção elíptica de magnetização da região ativa indicada pela seta 302.
Um sistema de sensor consistente com a presente invenção pode incluir um eixo tendo uma pluralidade de regiões ativas magnetizadas. A Figura 4, por exemplo, ilustra na forma de diagrama uma configuração exemplificativa de um sistema de sensor 104b que inclui um eixo 102b tendo a primeira e segunda regiões ativas magnetizadas elipticamente 202-1 e 202-2 e primeiro e segundo sensores de campo magnético associados 205-1 e 205-2. Na configuração exemplificativa ilustrada, a direção da polarização da região ativa 202-1 indicada pela seta Bl está na direção oposta se comparada com a direção de polarização da região ativa 202-2 indicada pela seta B2. Prover as regiões ativas com direções de magnetização opostas pode permitir captação diferencial usando sensores 205-1 e 205-2 para facilitar o cancelamento de ruído. Embora a configuração ilustrada mostre duas regiões ativas, qualquer número de regiões ativas pode ser provido. Adicionalmente, as regiões ativas podem ser magnetizadas elipticamente no. mesmo ângulo oblíquo em relação ao eixo geométrico de linha central 212 do eixo, ou em ângulos diferentes.
Observando agora as Figuras 5 a 7, é ilustrado um sistema e método exemplificativos para induzir uma magnetização elíptica em um eixo consistente com a presente invenção. De forma geral, a configuração exemplificativa ilustrada estabelece uma magnetização elíptica pela provisão de uma corrente através de uma região ativa de um eixo em um ângulo oblíquo ao eixo geométrico da linha central do eixo. A Figura 5 ilustra uma porção do eixo 102 e primeiro e segundo conjuntos de prendedores de eletrodo 550 e 552. O primeiro conjunto de prendedores de eletrodo 550 inclui um prendedor superior 502 e um prendedor inferior 504. O prendedor superior 502 pode incluir porções que definem uma primeira porção 510 de uma abertura do eixo, e o prendedor inferior 504 pode incluir porções que definem uma segunda porção 512 da abertura do eixo. Quando os prendedores superior 502 e inferior 504 são unidos, por exemplo, usando fixadores que se estendem através das aberturas 514, 516, 518 e 520, a primeira e segunda porções 510 e 512 da abertura do eixo definidas pelas porções de prendedores superior e inferior podem ser posicionadas em relacionamento oposto para definir uma abertura de eixo 700 tendo uma seção cruzada de formato elíptico, conforme ilustrado na Figura 7. O segundo conjunto de prendedores de eletrodo 552, pode ser construído de uma maneira similar ao primeiro conjunto de prendedores de eletrodo 550, incluindo prendedores superior 506 e inferior 508, que se unem para definir a abertura de eixo tendo uma seção cruzada de formato elíptico.
Conforme mostrado na Figura 6, quando os prendedores superior 502 e inferior 504 do primeiro conjunto de prendedores 550 e os prendedores superior 506 e inferior 508 do segundo conjunto de prendedores 552 são unidos sobre o eixo 102, o primeiro e segundo conjuntos de prendedores 550 e 552 são dispostos em um ângulo oblíquo ao eixo geométrico de linha central 212 do eixo correspondente ao ângulo pretendido θ da magnetização elíptica. Uma fonte de corrente 600 pode ser acoplada aos primeiro e segundo conjuntos de prendedores de eletrodo para estabelecer fluxo de corrente através do eixo indicada pelas setas a partir do segundo conjunto de prendedores para o primeiro conjunto de prendedores. O fluxo de corrente resulta em uma magnetização elíptica da região ativa 202 indicada pela seta B, e adicionalmente ilustrada na vista seccional cruzada da Figura 7 tomada ao longo da linha A-A da Figura 6. A magnetização elíptica exibe um componente axial diferente de zero no torque zero.
A magnitude do campo induzido no eixo pode depender dos requisitos da aplicação pretendida. Em uma configuração, uma corrente de 400A pode ser usada para magnetizar elipticamente um eixo para atingir uma força de campo na superfície do eixo de aproximadamente 3000 Gauss. A magnetização do eixo pode diminuir a partir da superfície do eixo para o centro do eixo. Em uma outra configuração, a fonte de corrente pode prover uma corrente de 1.000A para magnetizar elipticamente o eixo.
As Figuras 8 e 9 ilustram um outro sistema e método exemplificativo para induzir uma magnetização elíptica em um eixo consistente com a presente invenção. Na configuração exemplificativa ilustrada, o eixo 102 é magnetizado para incluir uma região ativa 202 usando um eletromagneto 806 orientado em ângulo oblíquo θ em relação à linha central 212 do eixo. A Figura 9 é uma vista seccional cruzada do eixo e eletromagneto 806 da Figura 8 tomada ao longo da linha A-A da Figura 8, adicionalmente ilustrando a magnetização elíptica da região ativa 202 induzida pelo eletromagneto 806.
As Figuras 10 e 11 ilustram um outro sistema e método exemplificativo para induzir uma magnetização elíptica em um eixo consistente com a presente invenção. Na configuração exemplificativa ilustrada, o eixo 102 é magnetizado para incluir uma região ativa 202 usando um magneto permanente 1006 orientado em um ângulo oblíquo 2 em relação à linha central 212 do eixo. A Figura 11 é uma vista seccional cruzada do eixo e magneto permanente da Figura 10 tomada ao longo da linha A-A da Figura 10, ilustrando adicionalmente a magnetização elíptica da região ativa 202 induzida pelo magneto permanente 1006.
A Figura 12 ilustra uma outra configuração 104c de um sensor consistente com a presente invenção. A configuração exemplificativa ilustrada inclui a primeira e a segunda regiões ativas 1280 e 1282 com magnetização elíptica. A primeira região ativa 1280 pode ser estabelecida pela provisão de uma corrente a partir do prendedor de eletrodo 1212 para o prendedor de eletrodo 1214, conforme ilustrado pelas setas entre os prendedores 1212 e 1214. Similarmente, a segunda região ativa 1282 pode ser estabelecida pela provisão de uma corrente a partir do prendedor de eletrodo 1210 para o prendedor de eletrodo 1208, conforme ilustrado pelas setas entre os prendedores 1210 e 1208. O sensor 104c pode incluir uma bobina de desbloqueio de fluxo 1205 e um magnetômetro acoplado A.C. 1206.
Na operação, a bobina de desbloqueio de fluxo 1205 pode captar polaridades magnéticas alternantes conforme o eixo gira devido às magnetizações elípticas das regiões ativas do eixo. Para um torque constante aplicado, a saída do magnetômetro 1206 pode ser um sinal alternante tendo amplitude proporcional ao torque aplicado. A freqüência do sinal alternante pode ser proporcional à velocidade do eixo para prover medições de velocidade do eixo em adição às medições de torque. Por meio de acoplamento A.C. do magnetômetro 1206, qualquer D.C. indesejada ou campos magnéticos de variação lenta, tal como sinais de campo de modo comum, podem ser rejeitados.
Consequentemente, o sensor 104c que tem magnetização elíptica produz um campo magnético com variação de tempo captado pela bobina de desbloqueio de fluxo 1205. Somente uma bobina de desbloqueio de fluxo 1205 pode ser necessária. 0 processamento A.C. do sensor 104c pode rejeitar campos magnéticos de modo comum de variação lenta indesejados. A complexidade do processamento de sinal pode, portanto, ser significativamente reduzida se comparada com processamento D.C. convencional. Adicionalmente, processamento A.C. pode eliminar deslocamentos D.C. e ruídos no sistema associados com processamento D.C. (ruído 1/f) . O desvio D.C. na saída pode também ser evitado, e os níveis de sinal-para-ruído (S/N) do sinal de saída podem ser melhorados se comparados com processamento D.C. convencional.
A Figura 13 ilustra uma configuração 104d do sensor que inclui uma primeira e uma segunda regiões ativas 1380 e 1382 com magnetização elíptica, e primeira e segunda bobinas de desbloqueio de fluxo 1302 e 1304. As primeira e segunda bobinas de desbloqueio de fluxo 1302 e 1304 podem ser acopladas a magnetômetros associados 1316, 1311, respectivamente. A magnetização elíptica pode produzir um campo magnético de variação de tempo captado pela bobinas de desbloqueio de fluxo conforme o eixo gira. Adicionalmente ao monitoramento do torque, o sensor 104d da Figura 13 pode monitorar parâmetros tais como posição do eixo, velocidade do eixo, e a força transmitida pelo eixo.
As bobinas de desbloqueio de fluxo 13 02 e 13 04 podem ser posicionadas sobre o eixo, de modo que os sinais para os magnetômetros associados 1316 e 1311 são de variação de tempo e 90 graus fora de fase entre si. Conjuntos de circuitos adicionais 1318, 1320, 1322, e 1315 podem utilizar uma ou ambas as saídas dos magnetômetros 1316 e 1311, tanto direta quanto indiretamente, para monitorar torque, posição do eixo, velocidade do eixo, e força transmitida.
Na configuração exemplificativa ilustrada na Figura 13, as bobinas de desbloqueio de fluxo 13 02 e 13 04 são espaçadas axialmente em relação às regiões ativas 1380, 1382 para produzir sinais de variação de tempo 90 graus fora de fase entre si. As bobinas de desbloqueio de fluxo 1302 e 1304 podem, também ou alternativamente, serem deslocadas circunf erencialmente em relação ao eixo. A Figura 14, por exemplo, ilustra as bobinas 1302 e 13 04 espaçadas em 90 graus entre si ao redor da circunferência do eixo para prover sinais com variação de tempo 90 graus fora de fase entre si.
Na operação, o sinal de saída do magnetômetro de 0 grau 1316 pode ser um sinal de voltagem de variação de tempo que esteja 90 graus fora de fase em relação ao sinal de voltagem de variação de tempo enviado do magnetômetro de 90 graus 1311. 0 conjunto de circuitos de torque 1318 pode aceitar os sinais de saída a partir dos magnetômetros 1316 e 1311 e prover um sinal de saída no terminal 1350 representativo do torque aplicado ao eixo. O conjunto de circuitos de torque 1318 pode calcular a magnitude da raiz quadrada da soma do quadrado dos dois sinais de saída do magnetômetro para prover o sinal de saída representativo do torque aplicado.
O conjunto de circuitos de posição 1320 pode aceitar os sinais de saída a partir de ambos os magnetômetros 1316 e 1311 e prover um sinal de saída representativo de uma posição do eixo no terminal 1352. O conjunto de circuitos de posição 1320 pode calcular a tangente do arco da proporção do sinal de saída do magnetômetro de 90 graus 1311 para o magnetômetro de 0 grau 1316, de modo a prover o sinal de saída representativo da posição do eixo.
O conjunto de circuitos de velocidade do eixo 1322 pode aceitar um sinal de saída tanto do magnetômetro de 90 graus 1311 quanto do magnetômetro de 0 grau 1316 e prover um sinal de saída representativo da velocidade do eixo no terminal 1354. O conjunto de circuitos de velocidade do eixo 1322 pode analisar a freqüência do sinal de variação de tempo de entrada para apurar a velocidade do eixo. Finalmente, o conjunto de circuitos de produto 1315 pode multiplicar o sinal de saída do conjunto de circuitos de torque 1318 com a saída do conjunto de circuitos de velocidade do eixo 1322 para determinar a energia transmitida através do eixo. Um sinal de saída representativo da energia transmitida através do eixo pode então ser provido no terminal 1356. Aqueles especializados na técnica reconhecerão várias configurações de conjunto de circuitos para prover a funcionalidade dos conjuntos de circuito 1318, 1320, 1322, e 1315. Um sistema de sensor consistente com a presente invenção pode incluir um eixo que inclui uma ou mais regiões ativas providas em outras configurações ou configurações adicionais. Uma região ativa magnetizada única em um eixo consistente com a presente invenção pode incluir polarizações magnéticas pelo menos parcialmente opostas para prover polaridades de campo magnético alternantes a um sensor posicionado adjacente à região ativa conforme o eixo gira. Polarizações magnéticas opostas em uma região ativa magnetizada única podem ser estabelecidas pela provisão de correntes em um eixo de extensão axial que estão em direções pelo menos parcialmente opostas em uma seção cruzada radial na extensão axial. As polaridades do campo magnético alternante providas a um sensor nesta configuração podem fazer que o sensor proveja uma saída sinusoidal que pode ser usada para captar torque no eixo, a posição rotacional e/ou axial do eixo e/ou a velocidade rotacional do eixo.
Observando agora a Figura 15, por exemplo, uma região ativa pode ser formada em um eixo 102 usando primeiro e segundo conjuntos de prendedores de eletrodo configurados para prover uma primeira corrente indicada pela seta 1508 geralmente paralela ao eixo geométrico do eixo em uma primeira porção radial da região ativa e uma segunda corrente indicada pela seta 1510 em uma direção oposta a primeira corrente em uma segunda porção radial da região ativa. Na configuração exemplificativa ilustrada, o primeiro conjunto de prendedores de eletrodo inclui um primeiro prendedor 15 00 disposto no eixo e um segundo prendedor 1502 posicionado em um relacionamento espaçado e oposto em um lado oposto do eixo do primeiro prendedor. O segundo conjunto de prendedor de eletrodo inclui um primeiro prendedor 1504 disposto no eixo e um segundo prendedor 1506 posicionado em um relacionamento espaçado e oposto em um lado oposto do eixo a partir do primeiro prendedor. O primeiro e segundo conjuntos de prendedores de eletrodo são espaçados entre si ao longo do comprimento do eixo para estabelecer um comprimento axial da região ativa.
Para evitar formação de curtos de prendedores adjacentes, a corrente pode ser estabelecida nas direções ilustradas usando duas fontes de corrente separadas com isolamento de terra. Em várias configurações exemplificativas as fontes de corrente descritas não são mostradas por uma questão de simplicidade. Ao invés disso, conexões terminais positiva e negativa de fontes de corrente podem ser indicadas usando sinais de " + " e "-" nos prendedores de eletrodo associados. Conforme mostrado na Figura 15, os terminais positivos de fontes de corrente separadas podem ser conectados aos prendedores 1500 e 1506, respectivamente, e os terminais negativos de fontes de corrente podem ser conectados aos prendedores 1502 e 1504, respectivamente. Em uma configuração onde a distância entre os prendedores é suficientemente grande, uma fonte de corrente única pode ser usada para estabelecer o fluxo de corrente ilustrado.
A Figura 15A é uma vista seccional cruzada radial da configuração da Figura 15 tomada entre o primeiro e o segundo conjuntos de prendedores e ilustrando a direção de fluxo de corrente na seção cruzada radial da região ativa. A corrente na folha é indicada por um "x" e a corrente fora da folha é indicada por um "." . Conforme mostrado, a configuração estabelece corrente em direções opostas na mesma extensão axial do eixo.
As correntes opostas no eixo podem estabelecer campos magnéticos opostos na mesma região ativa. Quando torque é aplicado uma porção da região ativa pode estabelecer um componente de campo axial positivo enquanto a outra porção da região ativa pode produzir um componente de campo axial negativo. Conforme o eixo é girado, os componentes de campo positivo e negativo sob alteração podem ser captados por um ou mais sensores de campo magnético posicionados adjacentes ao eixo. 0 sensor pode prover uma saída sinusoidal indicativa de torque no eixo, velocidade rotacional do eixo e/ou posição do eixo.
A Figura 16 ilustra uma outra configuração de prendedor de eletrodo para formar uma região ativa em um eixo consistente com a presente invenção. Conforme mostra, uma região ativa pode ser formada em um eixo 102 usando o primeiro e segundo conjuntos de prendedores de eletrodo acoplados ao eixo em um ângulo 0 oblíquo ao eixo geométrico do eixo 212 para prover superfícies de contato pelo menos parcialmente elípticas. Na configuração exemplificativa ilustrada, o primeiro conjunto de prendedores de eletrodo inclui um primeiro prendedor 1600 disposto angularmente no eixo e um segundo prendedor 1602 posicionado em um relacionamento oposto espaçado em um lado oposto do eixo a partir do primeiro prendedor para, portanto, prover superfícies de contato parcialmente elípticas entre o primeiro e o segundo prendedores e o eixo. 0 segundo conjunto de prendedor de eletrodo inclui um primeiro prendedor 1604 disposto angularmente no eixo e um segundo prendedor 1606 posicionado em um relacionamento oposto espaçado em um lado oposto do eixo a partir do primeiro prendedor para, portanto, prover superfícies de contato parcialmente elípticas entre o primeiro e o segundo prendedores e o eixo. 0 primeiro e segundo conjuntos de prendedores de eletrodo são espaçados entre si ao longo do comprimento do eixo para estabelecer o comprimento axial da região ativa.
Corrente para magnetização da região ativa pode ser estabelecida nas direções indicadas pelas setas que se estendem entre os prendedores, pela conexão dos prendedores 1600 e 1606 a um terminal positivo de uma fonte de corrente e conectando os prendedores 1602 e 1604 a um terminal negativo da fonte de corrente. Novamente, conforme o eixo gira, campos alternantes mais e menos produzem um campo sinusoidal que pode ser captado por um sensor de campo magnético posicionado adjacente ao eixo. O sensor pode prover uma saída sinusoidal indicativa de torque no eixo, velocidade rotacional do eixo e/ou posição do eixo. Na configuração ilustrada, o valor de deslocamento do sensor, isto é, a saída de sensor no torque zero, e a fase e amplitude da saída sinusoidal do sensor podem ser ajustadas pelo ajuste do ângulo Θ.
A Figura 17 ilustra uma outra configuração de prendedor de eletrodo para formar a primeira e a segunda regiões ativas em um eixo consistente com a presente invenção. Na configuração exemplificativa ilustrada, primeiro, segundo e terceiro conjuntos de prendedores de eletrodo podem ser acoplados ao eixo em relacionamento espaçado, oposto, conforme ilustrado e descrito em conexão com a Figura 15. Na configuração da Figura 17, entretanto, as primeira e segunda regiões ativas tendo magnetizações opostas podem ser estabelecidas para facilitar medições diferenciais duplas. Em especial, os prendedores 1702, 1704 e 1706 podem ser acoplados ao(s) terminal(is) positivo(s) de uma fonte de corrente única ou de fontes de correntes separadas, e os prendedores 1700, 1706 e 1708 podem ser acoplados aos terminais negativos associados para estabelecer as correntes indicadas pelas setas mostradas entre os prendedores.
Embora uma configuração de captação diferencial única possa ser útil em conexão com um sistema consistente com a presente invenção, em algumas aplicações uma medição diferencial pode interpretar um sinal de interferência como um sinal válido. Um magneto permanente, por exemplo, produz gradientes que uma medição diferencial pode captar como sinal válido. Um campo magnético associado com um magneto permanente pode desintegrar de uma maneira não linear conforme a distância do magneto é aumentada. Se um magneto permanente, por exemplo, como parte de uma ferramenta mecânica, é colocado próximo de um sensor com medição diferencial única, pode ser produzido um erro no sinal de saída do sensor. Uma medição diferencial dupla pode ser usada para evitar este erro.
A Figura 18 ilustra um eixo que inclui a primeira e a segunda regiões formadas, por exemplo, usando a configuração da Figura 17 e uma configuração de detector/magnetômetro diferencial duplo associada. Conforme mostrado, sensores de desbloqueio de fluxo separados 1802, 1804, 1806 e 1808 podem ser posicionados adjacentes às regiões ativas respectivas para captar campos magnéticos nas direções indicadas pelas setas adjacentes aos sensores. As saídas do sensor podem ser providas a um detector diferencial duplo 1810, que podem determinar a diferença entre as diferenças entre as saídas do sensor associadas com cada conjunto de prendedor, isto é, o diferencial de um diferencial. Esta abordagem diferencial dupla pode ser efetiva no cancelamento de gradientes de campo magnético de primeira ordem, e resultar em um aumento de quatro vezes na força do sinal em oposição a um aumento de duas vezes no caso de uma medição diferencial tradicional.
A Figura 19 ilustra uma outra configuração de prendedor de eletrodo para formar a primeira, segunda e terceira regiões ativas em um eixo consistente com a presente invenção. Na configuração exemplificativa ilustrada, o primeiro, segundo, terceiro, e quarto conjuntos de prendedores podem ser acoplados ao eixo em relacionamento espaçado, oposto, conforme ilustrado e descrito em conexão com a Figura 15. Na configuração da Figura 19, entretanto, os prendedores 1900, 1906, 1908 e 1914 podem ser prendedores de eletrodo condutivos e os prendedores 1902, 1904, 1910 e 1912 podem ser prendedores não condutivos. Os prendedores 1906 e 1908 podem ser acoplados ao(s) terminal(is) positivo(s) de uma fonte de corrente única ou de fontes de corrente separadas, e os prendedores 1900 e 1914 podem ser acoplados aos terminais negativos associados para estabelecer as correntes indicadas pelas setas mostradas entre os prendedores. Conforme o eixo gira, as magnetizações estabelecidas pelo fluxo de corrente ilustrado podem ser captadas por um ou mais sensores, por exemplo, posicionados axialmente no centro da região ativa central, que pode prover uma saída sinusoidal indicativa de torque, velocidade e/ou posição.
A Figura 20 ilustra uma outra configuração exemplificativa de uma configuração de prendedor de eletrodo para formar uma região ativa magnetizada em um eixo consistente com a presente invenção. Na configuração ilustrada, o primeiro e o segundo prendedores de eletrodo 2002 e 2004 são posicionados, de forma geral, paralelos ao eixo geométrico do eixo 102. 0 primeiro eletrodo é disposto em uma superfície superior do eixo e um segundo eletrodo é disposto em uma superfície inferior do eixo a aproximadamente 180 graus do primeiro eletrodo.
A corrente para magnetizar a região ativa do eixo pode ser estabelecida pela conexão do primeiro prendedor 2002 a um terminal positivo de uma fonte de corrente e o segundo prendedor 2004 a um terminal negativo da fonte de corrente. A Figura 20A é uma vista seccional cruzada radial da configuração da Figura 20 tomada através dos primeiro e segundo prendedores de eletrodo com as setas ilustrando a direção resultante do fluxo de corrente na seção cruzada radial da região ativa. Conforme mostrado, a configuração estabelece correntes, e, dessa maneira, polaridades magnéticas, em direções opostas na mesma extensão axial do eixo. Conforme o eixo gira, os componentes de campo negativo e positivo sob alteração podem ser captados por um ou mais sensores de campo magnético posicionados adjacente ao eixo. O sensor pode prover uma saída sinusoidal indicativa de torque no eixo, velocidade rotacional do eixo e/ou posição do eixo.
A Figura 21 ilustra uma outra configuração exemplificativa de uma configuração de prendedores de eletrodo para formar uma região ativa magnetizada em um eixo consistente com a presente invenção. A configuração da Figura 21 inclui o primeiro e o segundo prendedores de eletrodo similares à configuração da Figura 20, exceto que os eletrodos são dispostos em um ângulo θ ao eixo geométrico do eixo. A corrente para magnetização da região ativa do eixo pode ser estabelecida pela conexão do primeiro prendedor 2102 a um terminal positivo de uma fonte de corrente e o segundo prendedor 2104 a um terminal negativo da fonte de corrente. Esta configuração resulta em corrente, e assim polaridades magnéticas, fluindo e torcendo na superfície do eixo em direções pelo menos parcialmente opostas na mesma extensão axial do eixo. Novamente, conforme o eixo gira polaridades de campo magnético alternantes produzem um campo sinusoidal que pode ser captado por um sensor de campo magnético posicionado adjacente ao eixo. 0 sensor pode prover uma saída sinusoidal indicativa de torque no eixo, velocidade rotacional do eixo e/ou posição do eixo. Na configuração ilustrada, o valor de deslocamento do sensor, isto é, a saída do sensor no torque zero, e a fase e amplitude da saída sinusoidal do sensor podem ser ajustados pelo ajuste do ângulo Θ.
A Figura 22 ilustra uma outra configuração exemplificativa de uma configuração de prendedores de eletrodo para formar uma região ativa magnetizada em um eixo consistente com a presente invenção. A configuração da Figura 22 é similar à configuração da Figura 20, exceto que os primeiro, segundo, terceiro e quarto prendedores de eletrodo 2202, 2204, 2206 e 2208 são providos geralmente paralelos à superfície do eixo e aproximadamente a 90 graus entre si. A corrente para magnetizar a região ativa do eixo pode ser estabelecida pela conexão dos prendedores 2204 e 2208 a um terminal (is) positivo (s) de uma ou mais fontes de corrente e os prendedores 2202 e 2206 ao terminal(is) negativo(s) das fontes de corrente.
A Figura 22A é uma vista seccional cruzada radial da configuração da Figura 22 tomada através dos prendedores de eletrodo com as setas ilustrando a direção resultante do fluxo de corrente na seção cruzada radial da região ativa. Conforme mostrado, a configuração provê correntes e, dessa maneira, polaridades magnéticas, em direções opostas na mesma extensão axial do eixo. Conforme o eixo gira através de uma revolução, quatro alterações na polaridade do campo magnético podem ser captadas por um ou mais sensores de campo magnético posicionado adjacente ao eixo. O sensor pode prover uma saída sinusoidal indicativa de torque no eixo, velocidade rotacional no eixo e/ou posição do eixo. Devido às alterações na polaridade magnética, a saída sinusoidal pode ter uma freqüência mais alta do que aquela da configuração, por exemplo, da Figura 20.
A Figura 23 ilustra uma outra configuração exemplificativa de uma configuração de prendedores de eletrodo para formar uma região ativa magnetizada em um eixo consistente com a presente invenção. A configuração da Figura 23 é similar à configuração da Figura 20, exceto que a primeira região ativa é provida pelo primeiro e segundo prendedores de eletrodo 2302 e 23 04 e uma segunda região ativa é provida pelo terceiro e quarto prendedores de eletrodo 2306 e 2308. A corrente para magnetização das regiões ativas do eixo 102 pode ser estabelecida pela conexão de prendedores 2302 e 2308 para um ou mais terminais positivos de uma ou mais fontes de corrente e prendedores 2304 e 2306 ao terminal ou terminais negativos das fontes de corrente. A Figura 23A é uma vista seccional cruzada radial da configuração da Figura 23 tomada através dos prendedores 2306 e 2308 e a Figura 23B é uma vista seccional cruzada radial da configuração da Figura 23 tomada através dos prendedores 2302 e 2304. As setas nas Figuras 23A e 23B ilustram a direção de fluxo de corrente nas seções cruzadas radiais das regiões ativas. Conforme mostrado, a configuração estabelece correntes e, assim, polaridades magnéticas, em direções opostas na primeira região ativa do eixo, e correntes opostas na segunda região ativa que estão em direções opostas àquela da primeira região ativa. Esta configuração facilita uma medição diferencial dupla da alteração no fluxo magnético resultante do torque no eixo.
As Figuras 24 e 24A ilustram uma outra configuração exemplificativa de uma configuração de prendedores de eletrodo para formar uma região ativa magnetizada em um eixo consistente com a presente invenção. A configuração da Figura 24 inclui um primeiro conjunto de prendedores de eletrodo incluindo um primeiro e segundo prendedores 2400 e 2402 e um segundo conjunto de prendedores de eletrodo incluindo o primeiro e segundo prendedores 2406 e 2408. A corrente para magnetização das regiões ativas do eixo pode ser estabelecida na direção das setas na Figura 24 pela conexão dos prendedores de eletrodo a uma ou mais fontes de corrente conforme mostrado. Na configuração ilustrada, a corrente pode fluir 90 graus na superfície do eixo tomando um caminho espiralado.
As Figuras 25 e 25A ilustram uma outra configuração exemplificativa de uma configuração de prendedores de eletrodo consistente com a presente invenção. A configuração da Figura 2 5 é similar à configuração da Figura 24, exceto que a primeira e a segunda regiões ativas são estabelecidas usando o primeiro, segundo e terceiro conjuntos de prendedores de eletrodo 2502, 2504 e 2508. A corrente para magnetização das regiões ativas do eixo pode ser estabelecida na direção das setas na Figura 25 pela conexão dos prendedores de eletrodo a uma ou mais fontes de corrente conforme mostra. Esta configuração permite uma medição diferencial dupla, conforme descrito acima.
As Figuras 26 e 26A ilustram uma outra
configuração exemplificativa de uma configuração de prendedores de eletrodo para formar uma região ativa magnetizada em um eixo consistente com a presente invenção. A configuração da Figura 26 inclui dois conjuntos de três eletrodos dispostos a intervalos de 60 graus ao redor do eixo. Conforme mostrado, o primeiro conjunto 2602 de três eletrodos pode ser conectado a um terminal positivo de uma fonte de corrente e o segundo conjunto 2604 de três eletrodos pode ser conectado a um segundo conjunto de três eletrodos para estabelecer uma corrente na direção das setas na Figura 26. Nesta configuração, a corrente pode fluir 60 graus na superfície do eixo de um eletrodo para um outro, portanto estabelecendo mais pólos magnéticos e uma saída sinusoidal de freqüência mais elevada.
A Figura 27 ilustra um eixo consistente com a presente invenção incluindo as primeira e segunda regiões ativas 2702 e 2704 onde uma região pode ser usada para medir o torque enquanto a outra região mede a posição. A região de torque 2702 pode ser magnetizada de acordo com qualquer dos esquemas descritos aqui. A região de captação de posição 2704 pode ser magnetizada em uma bobina ou magneto permanente para simplesmente criar dois pólos. Conforme o eixo 102 gira, um sinal sinusoidal é gerado que não varia com o torque e pode ser usado para medir a posição rotacional do eixo. Consistente com a presente invenção, configurações para estabelecer uma ou mais regiões ativas magnetizadas podem também estabelecer zonas de saturação em lados opostos da região (ões) ativa (s) . Como é sabido, uma zona de saturação pode ser provida para estabelecer limites magnéticos fortes para a região ativa, resultando em uma região ativa que é mais estável e menos afetada por objetos ferrosos próximos. Em uma configuração, uma corrente pode ser passada axialmente através do eixo antes de estabelecer a região ativa magnetizada, por exemplo, usando conjuntos de prendedores de eletrodo, conforme descrito acima. A corrente axial através do eixo pode estabelecer zonas de saturação fortes em ambos os lados da região ativa subseqüentemente estabelecida. A Figura 27A ilustra uma outra configuração onde uma corrente de saturação inicial é derivada através do meio do eixo, isto é, para estabelecer uma corrente de saturação na direção das setas ilustradas. Esta configuração pode ser usada para estabelecer zonas de saturação de polaridades opostas em lados opostos de uma região ativa subseqüentemente formada.
Zonas de saturação podem também ser formadas usando configurações de prendedores de eletrodo. A Figura 28, por exemplo, ilustra uma configuração exemplificativa usando conjuntos de prendedores de eletrodo para estabelecer zonas de saturação em lados opostos de uma região ativa para uma configuração similar à configuração da Figura 15. A Figura 29 ilustra uma configuração exemplificativa usando conjuntos de prendedores de eletrodo para estabelecer zonas de saturação em lados opostos de uma região ativa para uma configuração similar à configuração da Figura 20. Observando agora as Figuras 30 a 32, pinos de contato, ao invés de prendedores de eletrodo, podem ser usados para estabelecer um fluxo de corrente formando uma ou mais regiões ativas consistentes com qualquer configuração consistente com a presente invenção. Pinos de contato podem ser usados para estabelecer qualquer magnetização desejada em um eixo. A Figura 30 ilustra uma configuração exemplificativa de um pino de contato 3000 que pode ser utilizado para prover um ponto de contato condutivo para passar corrente através do eixo. O pino 3000 pode incluir uma placa de fixação não condutiva 3006 e um pino de contato condutivo 3010. Uma mola 3004 pode ser provida entre uma porção da placa de fixação não condutiva 3006 e uma porção 3020 do pino de contato condutivo 3010 para inclinar o pino de contato 3010 contra o eixo 102.
Conforme ilustrado, por exemplo, na Figura 31, pinos de contato, por exemplo, os pinos 3102, 3104, 3106, 3108, 3110 e 3112, podem ser acoplados ao redor do eixo para estabelecer fluxo de corrente na direção das setas, similar à configuração da Figura 15. A configuração da Figura 31 pode também ser usada para estabelecer uma magnetização elíptica pelo arranjo de pares de pinos em um ângulo entre si e seqüencialmente passar corrente através do eixo entre os pares associados. Pinos de contato podem ser usados para estabelecer qualquer magnetização de assinatura em um eixo. A Figura 32 ilustra uma configuração exemplificativa incluindo seis pinos condutivos que provêem seis pontos de contato 3202, 3204, 3206, 3208, 3210 e 3212, respectivamente, na superfície do eixo para estabelecer uma assinatura magnética única. Uma fonte de corrente pode ser programada para passar corrente seqüencialmente através de pares selecionados dos pinos de contato para criar uma assinatura magnética no eixo, por exemplo, na direção das setas ilustradas. A assinatura magnética pode ser utilizada para fazer medições diferentes de torque adicionais, tais como medições de velocidade de rotação. A assinatura magnética pode prover vários pólos em uma revolução do eixo para prover resolução adicional na captação de velocidade. A assinatura magnética pode também criar um sinal de variação de tempo que pode ser diferente de um sinal de seno/co-seno e que pode ser diferenciado singularmente de ruído sinusoidal.
Novamente, configurações consistentes com a invenção podem usar fontes de corrente únicas ou múltiplas para magnetizar uma ou mais regiões ativas em um eixo. Em qualquer configuração consistente com a presente invenção, fontes separadas podem ser usadas para equilibrar ou deliberadamente desequilibrar as correntes de magnetização, por exemplo, para ajustar ganho e deslocamento do sensor (saída no torque zero). Conforme mostrado, por exemplo, na Figura 33, fontes separadas 3302 e 3304 podem ser aplicadas para estabelecer zonas de magnetização no eixo, conforme descrito na Figura 12. O torque pode, então, ser medido para determinar o deslocamento e o ganho estabelecidos. Se o deslocamento e ganho desejados não forem estabelecidos, as saídas das fontes, por exemplo, V1 e/ou V2, podem ser modificadas e deslocamento e ganho podem ser medidos. Este processo pode ser repetido até o deslocamento e ganho desejados serem atingidos. Esta abordagem pode ser usada para eliminar a necessidade de combinar eixos específicos a sensores associados específicos.
Após um eixo ser magnetizado de acordo com a presente invenção, o eixo pode ser mecanicamente condicionado para estabilizar o eixo e/ou para ajustar ganho e deslocamento. Em uma configuração, pulsos de choque mecânico controlados providos ao eixo por dispositivo de impacto de vibração podem ser usados para estabilizar o eixo. Em uma outra configuração, bobinas solenóides desmagnetizadas segmentadas podem ser usadas para ajustar o eixo após a magnetização.
Em qualquer configuração de acordo com a presente invenção, componentes de campo magnético associados com uma ou mais regiões ativas podem ser captados por um ou mais sensores de campo magnético posicionados adjacentes ao eixo. Em uma configuração onde os sensores são configurados como sensores de desbloqueio de fluxo, as bobinas de desbloqueio de fluxo podem ser posicionadas em um relacionamento radial, axial e/ou tangencial ao eixo. A Figura 34 ilustra uma bobina de desbloqueio de fluxo orientada radialmente 3402 e uma bobina de desbloqueio de fluxo orientada tangencialmente 3404, e a Figura 35 ilustra uma bobina de desbloqueio de fluxo orientada axialmente 3502. Cada bobina pode prover uma saída sinusoidal separada indicativa de torque no eixo, velocidade rotacional do eixo e/ou posição do eixo.
O uso de três bobinas radiais permite medição de torque enquanto rejeitam campos de modo comum. Conforme mostrado, por exemplo, na Figura 36, três bobinas radiais 3604, 3606 e 3608 podem ser dispostas em um alojamento 3602 que é deslizado sobre o eixo 102 para colocar as bobinas próximas ao eixo para captar campos gerados em uma região ativa conforme o eixo gira. A soma das saídas das três bobinas 3604, 3606 e 3608 pode ser tomada como uma indicação de torque, enquanto o efeito combinado de um campo constante nas bobinas resulta no cancelamento de qualquer componente de campo de modo comum. Em uma outra configuração, quatro bobinas 3704, 3706, 3708 e 3710 podem ser dispostas em um alojamento que é deslizado sobre o eixo 102, conforme mostrado, por exemplo, na Figura 37. A modificação do espaçamento das bobinas na configuração da Figura 37 permite ajuste de ganho e deslocamento.
Um sensor consistente com a presente invenção pode produzir uma saída sinusoidal onde a amplitude de saída sinusoidal é proporcional ao torque. Os elementos de sensor magnético, por exemplo, bobinas de desbloqueio de fluxo, podem ser arranjados para prover sinais de seno e co-seno conforme o eixo gira. Campos DC podem ser rejeitados a partir das medições por acoplamento AC das saídas em um magnetômetro. Também, relacionamentos trigonométricos podem ser implementados no magnetômetro com relação às saídas de seno e co-seno para determinar torque e posição. Em especial, o torque pode ser determinado por
torque = √ (seno2+co-seno2)
e a posição pode ser determinada por
Posição = tan do arco (seno/co-seno).
Visto que √(seno2+co-seno2) produz apenas números positivos, um sistema consistente com a invenção pode incluir um método para produzir uma saída negativa quando um torque negativo é medido. Em uma configuração, um sensor de posição pode ser usado para determinar a direção de alteração de ângulo rotacional instantâneo. Se a alteração de ângulo instantâneo está em uma direção positiva, então o torque terá uma primeira polaridade predeterminada. Se o ângulo instantâneo estiver em uma direção negativa, então o torque terá uma polaridade oposta à primeira polaridade. Um sistema de acordo com a presente invenção pode também, ou alternativamente, usar uma média DC de sinal captada por colocação de bobina específica. Se a média DC de uma senóide (dependente de torque) for positiva, então o torque pode ser considerado positivo. Se a média DC for negativa, então o torque pode ser considerado negativo.
O relacionamento seno/co-seno pode permitir o uso de um conjunto de componentes eletrônicos (por exemplo, um ASIC) para obter posição e torque. A velocidade rotacional pode ser obtida de uma das senóides, por exemplo, pela contagem da taxa de ocorrência da amplitude de pico. O relacionamento seno/co-seno pode, também, ser usado para diagnóstico. Qualquer afastamento do relacionamento seno/co-seno captado pode desencadear um sinal de diagnóstico.
Um sensor de acordo com a presente invenção pode também incluir um algoritmo antienvelhecimento. Magnetos (material flexível ou rígido) podem envelhecer com o tempo e a temperatura. Esta alteração pode ser pequena e aceitável em muitas aplicações, mas em certa aplicação crítica isto pode não ser aceitável. Um sensor consistente com a presente invenção pode corrigir as amplitudes sinusoidal (ou o torque calculado resultante) com base em um sinal de referência a partir de uma ou mais bobinas que provêem uma saída sinusoidal que não é alterada com o torque. Por exemplo, a zona magnetizada 2704 usada para medir a posição na configuração da Figura 27 pode produzir uma senóide tendo uma amplitude que não altera com o torque aplicado, mas altera com o envelhecimento. A alteração nesta amplitude com o envelhecimento pode ser usada como um sinal de referência para corrigir saída de torque do sensor com o envelhecimento. Por exemplo, a amplitude da saída de torque do sensor pode ser mantida em uma taxa constante ao sinal de referência. Qualquer configuração consistente com a presente invenção pode incorporar um algoritmo antienvelhecimento usando uma saída de sensor que não varia com o torque.
Observando agora as Figuras 38-40 são providos gráficos de saída de sensor vs. torque e ângulo rotacional para uma configuração incluindo uma região ativa magnetizada única, magnetizada conforme mostrado na Figura 20, e incluindo a primeira e a segunda bobina de campo radial em lados opostos da zona ativa e a primeira e segunda bobina tangencial em lados opostos da zona ativa. Cada uma das bobinas pode ser centrada na região ativa com a linha central da bobina disposta a aproximadamente 6 mm a partir da superfície do eixo. Medições diferenciais das saídas de bobina radial e tangencial podem ser usadas para rejeitar campos de modo comum.
O gráfico 3802 na Figura 38 ilustra a amplitude de saída pico-a-pico vs. torque aplicado para saída sinusoidal derivada das bobinas radiais, e o gráfico 3804 ilustra a amplitude de saída pico-a-pico vs. torque aplicado para a saída sinusoidal derivada das bobinas tangenciais. Conforme mostrado, a saída varia substancialmente de forma linear em relação ao torque aplicado para ambas as bobinas radial e tangencial.
A Figura 39 inclui gráficos 3900 da saída de bobina radial vs. ângulo rotacional do eixo para torques aplicados de -5,0 NM, -2,5 NM, 0 NM, 2,5 NM e 5,0 NM. Os gráficos exibem amplitude pico a pico crescente com torque crescente. A Figura 40 inclui os gráficos 4000 da saída de bobina tangencial vs. ângulo rotacional do eixo para torques aplicados de -5,0 NM, -2,5 NM, 0 NM, 2,5 NM, e 5,0 NM. Os gráficos exibem amplitude de pico a pico crescente com torque crescente, assim como uma mudança de fase entre valores de torque diferentes. Por exemplo, o gráfico 4004 está associado com um torque aplicado de 5,0 NM e o gráfico 4004, que teve a fase alterada em relação ao gráfico 4002, está associado com um torque aplicado de -5,0 NM.
De acordo com um aspecto da invenção, é provido um sensor incluindo um eixo tendo pelo menos uma região ativa magnetizada tendo polarizações magnéticas pelo menos parcialmente opostas; e um sensor magnético posicionado adjacente à região ativa. O sensor pode ser configurado para prover uma saída sinusoidal em resposta às polarizações magnéticas opostas conforme o eixo gira. A saída sinusoidal pode ser representativa de um torque aplicado ao eixo.
De acordo com um outro aspecto da invenção, é provido um método de indução de uma magnetização em um eixo magneto-restritivo usado em um sistema de sensor para monitoramento de torque aplicado ao eixo, o método incluindo diretamente uma corrente através de uma extensão axial do eixo em uma direção que não é uma direção axial única.
Ainda, de acordo com um outro aspecto da invenção, é provido um sensor incluindo um eixo tendo pelo menos uma região ativa tendo uma magnetização elíptica; e um sensor magnético configurado para captar um campo magnético sobre o eixo. O campo magnético pode ser representativo de um torque aplicado ao eixo.
Ainda, de acordo com um outro aspecto da invenção é provido um sensor incluindo um eixo tendo pelo menos uma região ativa magnetizada; uma primeira bobina de desbloqueio de fluxo posicionada sobre o eixo e acoplada a um primeiro magnetômetro e configurada para prover um primeiro sinal sinusoidal conforme o eixo é girado; uma segunda bobina de desbloqueio de fluxo posicionada sobre o eixo configurada para prover um segundo sinal sinusoidal conforme o eixo é girado, o segundo sinal sinusoidal estando noventa graus fora de fase em relação ao primeiro sinal sinusoidal; e conjunto de circuitos de torque configurado para aceitar o primeiro e o segundo sinais sinusoidais e prover um sinal de saída representativa de torque aplicada ao eixo.
Outros aspectos são definidos na descrição precedente e desenhos associados. Os termos e expressões que foram empregados na mesma são usados como termos de descrição e não de limitação, e não existe intenção, no uso destes termos e expressões, de excluir quaisquer equivalentes das características mostradas e descritas (ou porções das mesmas), e é sabido que várias modificações são possíveis dentro do escopo das reivindicações. Também, as várias características e aspectos revelados aqui podem ser combinados entre si. Todas estas variações e combinações são contempladas dentro do escopo da presente invenção. Outras modificações, variações, e alternativas são também possíveis. Consequentemente, as reivindicações objetivam cobrir todos estes equivalentes.
Claims (20)
1. Sensor caracterizado pelo fato de que compreende: um eixo tendo pelo menos uma região magnetizada ativa, a referida pelo menos uma região ativa tendo polarizações magnéticas pelo menos parcialmente opostas; e um sensor magnético posicionado adjacente à referida região ativa e configurado para prover uma saída sinusoidal em resposta às referidas polarizações magnéticas opostas conforme o referido eixo gira, a referida saída sinusoidal sendo representativa de um torque aplicado ao referido eixo.
2. Sensor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma amplitude do referido sinal sinusoidal é representativa de uma posição rotacional do referido eixo.
3. Sensor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a freqüência do referido sinal sinusoidal é representativa de uma velocidade do referido eixo.
4. Sensor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido eixo compreende zonas de saturação magnetizadas em lados opostos da referida região ativa.
5. Método de indução de uma magnetização em um eixo magneto-restritivo usado em um sistema de sensor para monitorar torque aplicado ao eixo, o referido método caracterizado pelo fato de que compreende: direcionar uma corrente através de uma extensão axial do eixo em uma direção que não seja uma direção axial única.
6. Método, de acordo com a reivindicação 5, o referido método caracterizado pelo fato de que compreende direcionar corrente através do referido eixo em um ângulo oblíquo ao um eixo geométrico do eixo.
7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o referido ângulo oblíquo está entre aproximadamente 10 graus e 80 graus.
8. Método, de acordo com a reivindicação 5, o referido método caracterizado pelo fato de que compreende direcionar a primeira e a segunda correntes através da referida extensão axial do referido eixo em direções pelo menos parcialmente opostas.
9. Método, de acordo com a reivindicação 5, o referido método caracterizado pelo fato de que compreende direcionar a primeira e a segunda correntes através da referida extensão axial em direções circunferenciais pelo menos parcialmente opostas.
10. Método, de acordo com a reivindicação 5, o referido método caracterizado pelo fato de que compreende direcionar a primeira e a segunda correntes através da referida extensão axial em direções axiais pelo menos parcialmente opostas.
11. Sensor caracterizado pelo fato de que caracterizado pelo fato de que compreende: um eixo tendo pelo menos uma região ativa, a referida pelo menos uma região ativa tendo uma magnetização elíptica; e um sensor magnético configurado para captar um campo magnético sobre o referido eixo, o referido campo magnético sendo representativo de um torque aplicado ao referido eixo.
12. Sensor, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a referida magnetização elíptica tem um componente axial diferente de zero direcionado ao longo de um eixo geométrico de linha central do referido eixo no torque zero aplicado ao referido eixo, e onde o referido sensor magnético é configurado para captar o referido componente axial diferente de zero no torque zero.
13. Sensor, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a referida magnetização elíptica é induzida por corrente acionada entre um par de prendedores de eletrodo, o referido par de prendedores de eletrodo orientado paralelamente entre si e adicionalmente orientado em um ângulo oblíquo com relação a uma linha central do eixo geométrico do referido eixo, onde a referida magnetização elíptica tem um componente axial diferente de zero ao longo de um eixo geométrico de linha central do referido eixo no torque zero, e onde o referido componente axial diferente de zero no torque zero é pelo menos parcialmente dependente em um valor do referido ângulo oblíquo.
14. Sensor, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a referida magnetização elíptica tem um componente axial diferente de zero ao longo de um eixo geométrico de linha central do referido eixo no torque zero, e onde o componente axial diferente de zero muda conforme o referido torque é aplicado ao referido eixo.
15. Sensor, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o referido campo magnético captado pelo referido sensor magnético compreende polaridades magnéticas alternantes conforme o referido eixo é girado e o referido sensor magnético provê um sinal sinusoidal tendo uma amplitude representativa do referido torque aplicado ao referido eixo.
16. Sensor, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que uma freqüência do referido sinal sinusoidal é representativa de uma velocidade do referido eixo.
17. Sensor caracterizado pelo fato de que compreende: um eixo tendo pelo menos uma região ativa magnetizada; uma primeira bobina de desbloqueio de fluxo sobre o referido eixo e acoplada a um primeiro magnetômetro e configurada para prover um primeiro sinal sinusoidal conforme o referido eixo é girado; uma segunda bobina de desbloqueio de fluxo sobre o referido eixo configurada para prover um segundo sinal sinusoidal conforme o referido eixo é girado, o referido segundo sinal sinusoidal estando noventa graus fora de fase em relação ao referido primeiro sinal sinusoidal; e conjunto de circuito de torque para aceitar os referidos primeiro e segundo sinais sinusoidais e prover um sinal de saída representativo de torque aplicado ao referido eixo.
18. Sensor, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o referido conjunto de circuitos de torque é configurado para calcular uma raiz quadrada de uma soma do referido primeiro sinal sinusoidal ao quadrado e referido segundo sinal sinusoidal ao quadrado para prover o referido sinal de saída representativo de torque aplicado ao referido eixo.
19. Sensor, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que compreende ainda conjunto de circuito de velocidade do eixo configurado para aceitar pelo menos um dentre os referidos primeiro e referido segundo sinais sinusoidais e para prover um sinal de saída representativo de uma velocidade do referido eixo, onde uma freqüência do referido pelo menos ura dentre os referidos primeiro e segundo sinais sinusoidais é representativa da referida velocidade do referido eixo.
20. Sensor, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um conjunto de circuito de posicionamento para calcular uma tangente de arco de uma proporção do referido segundo sinal sinusoidal em relação ao primeiro sinal sinusoidal, onde um resultado da referida operação de tangente de arco é representativo de uma posição do referido eixo.
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