CH680391A5 - - Google Patents

Description

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CH 680 391 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Drehmoment-Messeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einer bekannten Drehmoment-Messreinrichtung (US-PS 2 737 049) hat die Welle einen Abschnitt verminderten Durchmessers, so dass bei einem auf die Welle wirkenden Drehmoment eine Verdrehung zwischen den beiden Wellenenden hauptsächlich im Bereich des Abschnitts verminderten Durchmessers erfolgt. Die Verdrehung der Wellenteile auf beiden Seiten des Abschnitts verminderten Durchmessers wird mit Hilfe einer Hülse gemessen. Die Hülse hat einen Mittelteil, der mit dem einen Hülsenende über in einem Winkel zur Wellenachsrichtung laufenden Stege und mit dem anderen Hülsenende über eine Art Faltenbalg verbunden ist. Werden die beiden Wellenenden und damit die beiden Hülsenenden gegeneinander verdreht, bewegt sich der Mittelteil unter dem Einfluss der Stege geringfügig in axialer Richtung. Ein an dem Mittelteil befestigter Anker verändert die Induktivität zweier in der Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung angeordneter Spulen. Diese Veränderung kann über eine Brückenschaltung, die beispielsweise mit einer Wechselspannung gespeist wird, gemessen werden. Der bekannte Geber ist verhältnismässig gross und erzeugt nur ein relativ schwaches und ungenaues Ausgangssignal.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehmoment-Messeinrichtung anzugeben, die bei kleinerer Baugrösse ein stärkeres Ausgangssignal abgeben kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Drehmoment-Mess-einrichtung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale gemäss Anspruch 1 gelöst.

Damit entsteht bei der Verdrehung der beiden Hülsenteile gegeneinander eine Bewegung an dem Zungenende, an dem der Anker befestigt ist, die durch das Verhältnis zwischen dem Abstand der beiden Hülsenteile und der Zungenlänge verstärkt ist. Je schmaler der Abstand zwischen den beiden Hülsenteilen und je länger die Zunge ist, desto stärker ist der Ausschlag der Zungenspitze. Man erreicht damit bei gleicher Verdrehung der Hülsenenden gegeneinander eine weitaus grössere axiale Bewegung des Ankers, die zu einem stärkeren Signal umgewandelt werden kann, ohne dass dadurch die Hülse vergrössert werden müsste.

In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft die Zunge im wesentlichen zwischen den Hüisenteilen, und ihre Längsachse liegt in der Ruhelage in einer senkrecht zur Wellenachse angeordneten Ebene. Damit ist die Zunge auf gleiche Art und Weise gekrümmt wie die beiden Hülsenteile. Die Zunge steht also nicht über den Aussendurchmesser der Hülse über. Trotzdem kann bis zu einem gewissen Grad eine Verstärkung des Ausschlags des Zungenendes, an dem der Anker angeordnet ist, erreicht werden. Der maximale Ausschlag wird erreicht, wenn die Zunge über eine der Hälfte des Um-fangs der Hülse entsprechende Strecke verläuft. Dadurch, dass die Zunge in der Ruhelage, d.h.,

wenn ein Drehmoment auf die Welle wirkt, in einer Ebene liegt, die senkrecht zur Wellenachse angeordnet ist, ist sowohl für ein positives als auch für ein negatives Drehmoment die gleiche Ausgangssituation gegeben. Beide Vorzeichen des aufgebrachten Drehmoments können also auf gleiche Art und Weise problemlos gemessen werden.

Mit Vorteil erfolgt die Verbindung der Zunge mit jedem Hülsenteil über jeweils einen Steg, der sich zumindest teilweise in Umfangsrichtung erstreckt. Wenn sich die beiden Hülsenteile gegeneinander verdrehen, stellt sich das Ende der Zunge, das mit den beiden Hülsenteilen verbunden ist, schräg in den die beiden Hülsenteile trennenden Spalt. Dadurch verkürzt sich die Projektion dieses Zungenendes in den Spalt. Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung wird diese Verkürzung durch die Federwirkung der beiden Stege aufgefangen. Die Verbindung zwischen Hülse und Welle wird axial praktisch kaum beansprucht.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind mindestens zwei in Umfangsrichtung gleichmässig verteilte Zungen vorgesehen, die den Anker tragen. Hierdurch wird eine sichere Lagerung des Ankers auf zwei diametral gegenüberliegenden Punkten der zwei Zungen oder auf mehreren in Umfangsrichtung gleichmässig verteilten Ab-stützungspunWen erreicht.

Vorteilhafterweise ist die Hülse aus einem unmagnetischen Material gebildet. Insbesondere, wenn die Änderung eines magnetischen Feldes zur Auswertung des Drehmoments herangezogen wird, wird erreicht, dass nur der Anker und seine axiale Bewegung das Magnetfeld beeinflussen und nicht die Hülse.

Mit Vorteil sind die Hülsenteile und die Zunge bzw. die Zungen einstückig ausgebildet. Die Zunge ist also von den beiden Hülsenteilen durch im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Schlitze getrennt. Die gesamte Hülse einschliesslich der Zungen ist damit aus einem homogenen Material gefertigt, bei dem keine oder nur eine sehr geringer Hysterese auftritt. Ausserdem wird hierdurch ein mechanisch sehr stabiles System erzielt. In einem Ausführungsbeispiel wurde ein Faktor zwischen dem kleinsten und dem grössten gemessenen Drehmoment von grösser als 1000 erreicht. Darüber hinaus lässt sich auf diese Art die Drehmoment-Messeinrichtung sehr kompakt gestalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung mindestens eine Spule auf, die gegenüber der Hülse axial unverschiebbar und drehbar gelagert ist, insbesondere mit Hilfe von schlupffreien Lagern, deren innerer Ring auf der Hülse und deren äusserer Ring in einem Spulenträger angeordnet ist. Die Ermittlung der Feldänderung eines Magnetfeldes lässt sich relativ einfach bewerkstelligen. Das Magnetfeld ist von äusseren Einflüssen, wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit etc. im wesentlichen unabhängig. Störungen, die im Betrieb auftreten könnten, werden dadurch weitgehend vermieden. Die Spule kann stationär, also nicht drehend, angeordnet sein, was die Abnahme eines Messsignals ausserordentlich vereinfacht. Es müssen keine schleifenden Kontakte

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vorgesehen sein, die das Messsignal verfälschen könnten. Die Anbringung des Lagers auf der Hülse statt auf der Welle erlaubt eine genauere Positionierung der Spule in bezug auf den Anker.

Vorzugsweise weist die Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung eine ein Magnetfeld erzeugende Primärspule und zwei jeweils ein Ausgangssignal erzeugende Sekundärspulen auf, wobei der Anker bei axialer Bewegung die magnetische Kopplung zwischen der Primär- und den Sekundärspulen ändert.

Durch die erfindungsgemässe Anordnung wird erreicht, dass bei Bewegung des Ankers in beiden Richtungen ausgehend von der Neutralstellung, die durch die Primärspule definiert ist, Ausgangssignale von den Sekundärspulen erzeugt werden, die proportional zu der Verdrehung der beiden Hülsenenden gegeneinander und damit proportional zum gemessenen Drehmoment sind. Die Verwendung einer Primärspule als felderzeugende Spule und zweier Sekundärspulen als Sensorspulen hat den Vorteil, dass die Anregung, d.h. das Eingangssignal, von dem Messwert, d.h. dem Ausgangssignal, weitgehend entkoppelt ist. Erfindungsgemäss wird tatsächlich weitgehend die Änderung des Feldes ermittelt. Änderungen in den Eigenschaften der Spulen oder der anderen Bauelemente können dadurch leichter erkannt und kompensiert werden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umgibt die Primärspule die Hülse im Bereich des Ankers, und auf jeder Seite der Primärspule ist jeweils eine der Sekundärspulen angeordnet, wobei der Anker mindestens teilweise innerhalb der Primärspule angeordnet ist und aus magnetisch leitendem Material gebildet ist.

Die Feldänderungs-Ermittlungseinrichtung ist also als linearer Differential-Transformator aufgebaut, in dessen Primärspule ein konstanter magnetischer Fluss erzeugt wird. Der Fluss schliesst sich durch die beiden Sekundärspulen. In der Neutralstellung befindet sich der Anker symmetrisch zu den beiden Sekundärspulen, so dass sich der Fluss jeweils symmetrisch in den beiden Sekundärspulen verteilt und folglich auch eine gleich grosse Anzahl von Windungen durchsetzt. Durch Verschieben des Ankers wird das Feld in einer Sekundärspule mehr und in der anderen Sekundärspule weniger geführt, so dass die Symmetrie aufgehoben wird und sich die Feldverteilung und damit der Fluss in den beiden Sekundärspulen ändert. In der Sekundärspule, in die der Anker weiter eintaucht, durchsetzt das Magnetfeld eine grössere Anzahl von Spulenwindungen und induziert damit beispielsweise eine grössere Spannung als in der anderen Sekundär-spule, in der eine geringere Anzahl von Spulenwindungen vom Magnetfeld durchsetzt werden. Dadurch, dass die beiden Spulen gegensinning vom Anker beeinflusst werden, erreicht man eine différentielle Wirkung, die zu einer Verstärkung des Messsignals verwendet wird.

Die Forderungen an die Lagerung der Spulenanordnung in bezug auf eine Spielfreiheit in axialer Richtung sind erheblich. Es muss sichergestellt sein, dass der Anker bei Fehlen eines Drehmomentes seine Neutralstellung einnimmt und nicht durch eine Verschiebung der Spulenanordnung gegenüber der Welle aus der Neutralstellung herausgebracht wird. Um die Forderungen an die Lager diesbezüglich zu reduzieren, wird vorteilhafterweise auf der Welle axial nicht verschiebbar ein zweiter Anker angeordnet, der die magnetische Kopplung zwischen einer zweiten, eine Primär- und zwei Sekundärspulen aufweisenden Spulenanordnung bei Bewegung der Welle ändert, wobei die zweite Spulenanordnung mit der ersten mit axial konstantem Abstand verbunden ist. Vorteilhafterweise sind beide Spulenanordnungen identisch aufgebaut. Damit lässt sich zuverlässig feststellen, ob ein Ausgangssignal durch eine Bewegung des Ankers hervorgerufen wird, die durch ein aufgebrachtes Drehmoment bewirkt wird, oder ob es sich lediglich um eine Relativbewegung zwischen Spulenanordnung und Welle handelt. Das Drehmoment kann beispielsweise als Differenz zwischen den zwei Ausgangssignalen der beiden Spulenanordnungen gemessen werden.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Primärspule auf dem mittleren Schenkel eines E-förmigen Kerns und die beiden Sekundärspulen auf den beiden äusseren Schenkeln des Kerns angeordnet, wobei der Anker mit konstantem Luftspalt zum mittleren Schenkel und zwischen den beiden äusseren Schenkeln des Kerns angeordnet ist. Damit wird das Prinzip eines Reluktanzmessers realisiert. In einem Reluktanzmesser läuft der gesamte von der Primärspule erzeugte magnetische Fluss ständig durch alle Sekundärwicklungen. Durch Änderung der Grösse des magnetischen Flusses, beispielsweise durch Erhöhung oder Verringerung des magnetischen Widerstandes durch Vergrösserung oder Verkleinerung eines im magnetischen Kreis befindlichen Luftspaltes wird die in den jeweiligen Sekundärwicklungen erzeugte Spannung proportional zur Bewegung des Ankers geändert.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Spulen der Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung von einer magnetisch leitenden Kappe umgeben. Diese magnetisch leitende Kappe stellt zum einen sicher, dass von aussen keine störenden Einflüsse das Messergebnis verfälschen können. Zum anderen wird durch die magnetisch leitende Kappe ein Pfad für den magnetischen Fluss gebildet, über den sich die Feldlinien schliessen können. Damit kann bei geringerer Erregungsleistung ein stärkeres Ausgangssignal abgenommen werden.

Mit Vorteil ist die Kappe mit der Hülse axial unverschiebbar verbunden und weist mindestens einen Kompensationsluftspalt auf, der bei axialer Verschiebung der Spulenanordnung relativ zur Hülse die magnetische Kopplung zwischen Primärspule und den Sekundärspulen gegensinnig zur Beeinflussung durch den Anker ändert. Damit werden die störenden Einflüsse, die sich durch eine axiale Relativbewegung zwischen Spulenanordnung und Hülse ergeben können, unmittelbar kompensiert. Der Anker leitet dann zwar das Feld so, dass eine grössere Anzahl von Spulenwindungen einer Sekundärspule vom Feld durchsetzt werden. Gleichzeitig wird aber

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aufgrund des Kompensationsluftspalts der Kappe, der sich zusammen mit dem Anker verschiebt, der magnetische Widerstand für das diese Sekundärspule durchsetzende Feld vergrössert, so dass zwar eine grössere Anzahl von Spulenwindungen vom Magnetfeld durchsetzt sind, das Magnetfeld aber so abgeschwächt ist, dass sich dadurch keine Änderung des Ausgangssignals ergibt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kompensationsluftspalt durch einen Umfangspalt in der Kappe im Bereich der Primärspule gebildet. Bei richtiger Dimensionierung lässt sich damit der gewünschte Effekt erzielen. Insbesondere ist vorteilhaft, dass der Spalt in Axialrichtung mindestens so breit wie die Primärspule ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Drehmoment-Messwelle mit Hülse,

Fig. 2 eine Abwicklung eines Teiles der Hülse, Fig. 3 einen Axialschnitt der Drehmoment-Mess-welle mit einer Spulenanordnung,

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Spulenanordnung,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform mit einer Kompensationseinrichtung,

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung,

Fig. 7 eine weitere Drehmoment-Messeinrichtung und

Fig. 8a und 8b Prinzipdarstellungen zur Erläuterung des Prinzips der Einrichtung nach Fig. 7.

Eine Drehmoment-Messwelle einer Drehmoment-Messeinrichtung weist einen Abschnitt 3 verminderten Durchmessers auf. Ein auf der Welle aufgebrachtes Drehmoment wird die Welle 1 im wesentlichen im Bereich dieses Abschnitts 3 verminderten Durchmessers in sich verdrehen. Der Abschnitt 3 verminderten Durchmessers ist durch eine Hülse 2 überbrückt, die auf den Abschnitten der Welle 1 drehfest und axial unverschiebbar angeordnet ist, die sich auf beiden Seiten an den Abschnitt 3 verminderten Durchmessers anschliessen.

Die Hülse ist durch einen in Umfangsrichtung verlaufenden Schlitz 41 in zwei Hülsenteile 4, 5 unterteilt. In .dem Schlitz 41 sind zwei Zungen 6, 7 angeordnet. Jede Zunge ist an einem Ende über einen Steg 8 mit einem Hülsenteil 4 und über einen anderen Steg 9 mit dem anderen Hülsenteil 5 verbunden. Die Stege 8, 9 verlaufen zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung. Am anderen Ende der Zunge befindet sich ein Lagerpunkt 10, 11, an dem ein Anker 12 befestigt werden kann.

Wirkt nun ein Drehmoment auf die Welle 1, werden die beiden Hülsenteile 4, 5 gegeneinander verdreht. Betrachtet man beispielsweise die Fig. 2, so bewegt sich das Hülsenteil 4 nach unten und das Hülsenteil 5 nach oben. Dabei werden die Zungen 6, 7 aus ihrer Lage parallel zu den beiden Hülsenteilen 4, 5 ausgelenkt, und die Enden, die an den Lagerpunkten 10, 11 den Anker 12 aufnehmen, bewegen sich nach rechts. Die beiden Stege 8, 9 geben dabei etwas federnd nach und bewirken somit einen Längenausgleich, der notwendig ist, weil die Projektion des mit den Hülsenteilen 4, 5 verbundenen Endes der Zungen 6, 7 kürzer wird, wenn sich die Zungen in Richtung des Pfeiles A (Fig. 1 ) bewegen. Je dichter die Hülstenteile 4, 5 benachbart sind, d.h., je schmaler der Schlitz 41 ist und je länger die Zungen 6, 7 sind, desto grösser ist die Auslenkung der Lagerpunkte 10, 11, wenn die beiden Hülsenteile 4, 5 gegeneinander verdreht werden. Theoretisch reicht es aus, eine einizige Zunge vorzusehen. In der Praxis hat es sich jedoch als vorteilhaft herausgestellt, zwei Zungen 6, 7 vorzusehen, die den Anker 12 an diametral gegenüberliegenden Punkten unterstützen. Damit ist im wesentlichen sichergestellt, dass der Anker jederzeit koaxial mit der Welle 1 bleibt. Die gesamte Hülse, d.h. die beiden Hülsenteile 4, 5 und die Zungen 6, 7 sind vorzugsweise einstückig ausgeführt. Beispielsweise kann die Hülse in abgewickeltem Zustand aus einem Blech gestanzt und dann um die Welle herum gewickelt werden. Diese Herstellungsweise ergibt eine Hülse, die im wesentlichen homogen ist und deswegen keine oder nur sehr geringe Hysterese-Eigenschaften aufweist. Unabhängig davon, ob das Drehmoment in positiver oder in negativer Richtung auf die Welle 1 wirkt, ergibt sich in jedem Fall eine gleichförmige Auslenkung des Ankers 12 durch die Zungen 6, 7. Durch das Fehlen von Verbindungsgelenken zwischen den beiden Hülsenteilen 4, 5 und den Zungen 6, 7 ergibt sich ein mechanisch sehr stabiles System, das sehr wenig fehleranfällig ist. Durch die Wahl einer geeigneten Länge für die Stege 8, 9 lässt sich erreichen, dass die durch das Verdrehen der beiden Hülsenteile 4, 5 bewirkte Verformung der Hülse 2 im elastischen Bereich bleibt, und zwar in einem Bereich, der auch bei widerholten Bewegungsspielen nicht zu Ermüdungsbrüchen führt. Die Zungen 6, 7 liegen in der Zylindermantelfläche, in der die Hülsenteile 4, 5 angeordnet sind.

Zur Ermittlung der axialen Bewegung des Ankers 12 ist eine Spulenanordnung 13 vorgesehen, die eine Primärspule 14 und zwei Sekundärspulen 15,16 aufweist. Die drei Spulen verlaufen konzentrisch zur Welle 1, d.h., sie umgeben die Welle 1. Die Primärspule 14 ist dabei zwischen den beiden Sekundärspulen 15, 16 angeordnet. Alle drei Spulen sind durch einen Spulenträger 17 miteinander verbunden, der beispielsweise aus einem Kunststoff oder aus Hartpapier besteht. Der Spulenträger 17 ist mit Hilfe von zwei Lagern 18, 19 drehbar auf der Hülse 2 gelagert. Die Lager 18, 19 sind dabei vorzugsweise schlupffreie Kugellager, d.h. Lager ohne axiales Spiel. Der Innenring 20 der Lager ist dabei auf der Hülse 2 befestigt, während der Aussenring mit dem Spulenträger 17 in Verbindung steht. Durch diese Lagerung wird erreicht, dass sich die Welle 1 drehen kann, während die Spulenanordnung 13 stationär bleibt. Spulenanschlüsse 22, 23, 24 können daher ohne Schwierigkeiten aus den Spulen 14, 15, 16 herausgeführt werden, um elektrische Eingangsbzw. Ausgangssignale von bzw. an eine Auswerteeinrichtung zu übertragen. In axialer Richtung ist die Spulenanordnung 13 so gelagert, dass der Anker 12 in der Ruhestellung, d.h. bei Fehlen eines

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äusseren Drehmoments auf die Welle 1, genau symmetrisch zur Primärspule 14 und zu den beiden Sekundärspulen 15,16 liegt.

Die Funktionsweise dieser Spulenanordnung lässt sich anhand von Fig. 4 erkennen. Die Primärspule 14 wird von einem Strom durchflössen und erzeugt dadurch ein Magnetfeld, das durch die Pfeile 25, 26 angedeutet ist. Dieses Magnetfeld durchsetzt die beiden Sekundärspulen 15,16 und induziert dort eine elektrische Spannung. Die elektrische Spannung ist unter anderem davon abhängig, wieviele Spulenwindungen vom Magnetfeld durchsetzt werden. Der Anker 12, der aus magnetisch leitendem Material besteht, führt dabei das Feld. In der Ruhe- oder Neutralstellung ragt der Anker gleich weit in beide Sekundärspulen 15,16 hinein. In beiden Sekundärspulen wird also die gleiche Spannung induziert. Wenn die beiden Spannungen voneinander subtrahiert werden, erscheint am Ausgang das Signal Null, was anzeigt, dass kein Drehmoment auf die Welle wirkt. Durch Verschieben der Spulenanordnung 13 relativ zum Anker 12 in Richtung des Pfeils B oder, was die gleiche Wirkung hat, des Ankers 12 relativ zur Spulenanordnung 13, wird die symmetrische Feldverteilung aufgehoben. In der Sekundärspule, in die der Anker 12 weiter eindringt, wird eine grössere Anzahl von Spuienwindungen vom Magnetfeld durchsetzt als in der anderen Sekundärspule, aus der der Anker 12 ein Stück weit herausgezogen worden ist. In der ersten Sekundärspule wird also eine grössere Spannung induziert als in der zweiten. Durch eine einfache Differenzbildung der beiden Spannungen lässt sich ein elektrisches Signal gewinnen, das die Grösse des auf die Welle wirkenden Drehmoments anzeigt. Das Signal kann dadurch verstärkt werden, dass die Anregung der Primärspule 14 vergrössert wird. Die einzige Grenze dafür ist die Sättigung des Ankers. Um störende Einflüsse auszuschalten, ist die Hülse 2 aus nichtmagnetischem, d.h. magnetisch nicht leitendem Material gefertigt. Die Beeinflussung des von der Primärspule 14 angeregten Magnetfeldes 25, 26 erfolgt dann ausschliesslich durch den Anker 12. Es kann auch von Vorteil sein, die Hülse 2 aus einem elektrisch nicht leitenden Material zu fertigen, um die Induktion von Wirbelströmen zu vermeiden, die ebenfalls parasitäre oder störende Magnetfelder bewirken könnten.

Aus den obigen Erläuterungen ist ersichtlich, dass an die Spielfreiheit der Lager 18, 19 in axialer Richtung sehr grosse Anforderungen gestellt werden. Eine Verschiebung des Ankers 12 aufgrund eines axialen Spiels in den Lagern 18, 19 würde sonst ein falsches Drehmoment anzeigen. Um die Forderungen an die Spielfreiheit der Lager 18,19 herabzusetzen, kann, wie in Fig. 5 dargestellt, eine Kompensationseinrichtung vorgesehen sein, die eine zur ersten Spulenanordnung 13 im wesentlichen identische zweite Spulenanordnung 28 aufweist. Diese zweite Spulenanordnung weist eine Primärspule 29 und zwei Sekundärspulen 30,31 auf, die in einem gemeinsamen Spulenträger 32 angeordnet sind. Auf der Welle ist ein zweiter Anker 27 angeordnet, der in der Normalstellung symmetrisch in die beiden Sekundärspulen 30, 31 der zweiten Spulenanordnung

28 hineinragt. Die erste Spulenanordnung 13 und die zweite Spulenanordnung 28 sind über eine gemeinsame Halterung 33 miteinander verbunden. Die gemeinsame Halterung 33 stellt sicher, dass der axiale Abstand zwischen der ersten Spulenanordnung 13 und der zweiten Spulenanordnung 28 immer konstant gehalten wird. Die zweite Spulenanordnung 28 ermittelt zusammen mit dem Anker 27, ob sich die Welle 1 gegenüber den Spulenanordnungen 13, 28 axial bewegt hat oder nicht. Wenn sich nämlich die Welle 1 axial bewegt, wird die symmetrische Verteilung des Magnetfeldes in der zweiten Spulenanordnung 28 gestört. In gleichem Masse wird auch die symmetrische Feldverteilung in der ersten Spulenanordnung 13 gestört. Treten in beiden Spulenanordnungen die gleichen Störungen auf, ist dies ein Zeichen dafür, dass ein daraus resultierendes Signal in der ersten Spulenanordnung 13 durch eine axiale Verschiebung der Welle 1 und nicht durch ein auf die Welle aufgebrachtes Drehmoment bewirkt wurde. Durch geeignete elektrische Verknüpfungen lassen sich also die durch axiale Verschiebung bedingten falschen Signale kompensieren.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Spulenanordnung zur Ermittlung des Ankers. Teile, die denen der Fig. 1 bis 5 entsprechen, sind mit um 100 erhöhten Bezugszeichen versehen. Die Primärspule 114 ist um den mittleren Schenkel eines E-förmi-gen Jochs 34 herum angeordnet, während die beiden Sekundärspulen 115,116 um die beiden äusseren Schenkel des E herum angeordnet sind. Der Anker 112 läuft an dem mittleren Schenkel 43 des Jochs mit einem konstanten Luftspalt 42 vorbei und hat gegenüber den beiden äusseren Schenkeln 44, 45 jeweils Luftspalte 35, 36. Bei Bewegung des Ankers in Richtung des Pfeiles A ändern sich die beiden Luftspalte 35, 36 gegensinnig. Die Primärspule 114 induziert ein magnetisches Feld, das den Luftspalt 42 überquert und durch den Anker 114, die Luftspalte 135, 136 und die beiden äusseren Schenkel 44, 45 des Jochs durch die Spulen 115,116 geführt wird. In diesem Fall wird der gesamte Fluss des Magnetfeldes permanent durch die beiden Sekundärspulen 115, 116 geführt. Durch die Veränderung der Luftspalte 35, 36 lässt sich jedoch der magnetische Widerstand des durch den Anker 112, die Luflspalte 35, 36 und das E-förmige Joch 34 gebildeten magnetischen Kreises verändern, so dass sich bei gleichbleibendem magnetischem Feld der magnetische Fluss durch die beiden Sekundärspulen 115,116 und damit die darin induzierte Spannung ändert. Bewegt sich beispielsweise der Anker 112 nach rechts, wird der rechte Luftspalt 36 verkleinert und der linke Luftspalt 35 vergrössert. Folglich fliesst ein stärkerer magnetischer Fluss durch die Sekundärspule 116 als durch die Sekundärspule 115. Die in der Sekundärspule 116 induzierte Spannung wird folglich grösser werden. Bei geeigneter Dimensionierung der beiden Luftspalte 35, 36 wird der Widerstand des magnetischen Kreises praktisch ausschliesslich durch die beiden Luftspalte bestimmt. Damit lässt sich in guter Näherung ein lineares Verhalten der Spannungen in Abhängigkeit von der Bewegung des Ankers 112 in Richtung des Doppelpfeils A erreichen.

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Fig. 7 zeigt eine weitere Möglichkeit der Kompensation von Einflüssen, die durch ein axiales Spiel in den Lagern 18, 19 verursacht werden könnten. Zur Verhinderung von magnetischen Einflüssen, die von aussen zu der Spulenanordnung 13 vordringen könnten, ist die gesamte Spulenanordnung von einer Kappe 37 umgeben. Diese Kappe ist drehfest und axial unverschiebbar auf der Hülse 2 bzw. auf der Welle 1 befestigt. Zur Kompensation von axialen Bewegungen der Spulenanordnung 13 gegenüber der Hülse 2 weist die Kappe 37 einen Kompensationsluftspalt 38 auf. Dieser Luftspalt verläuft in Umfangsrichtung und teilt die Kappe in zwei Kappenhälften 39, 40. Der übrige Aufbau dieses Ausführungsbeispiels entspricht dem von Fig. 3.

Die Kompensationswirkung dieser Kappe lässt sich aus Fig. 8a und 8b ersehen. Im Normalzustand, d.h. ohne eine durch axiales Spiel bedingte Relativverschiebung zwischen Spulenanordnung 13 und Hülse 2 befindet sich in der Neutralstellung sowohl die Kappe 37 als auch der Anker 12 symmetrisch zur Primärspule 14 und zu den beiden Sekundärspulen 15, 16. In der linken Sekundärspule 15 wird ein Bereich a von dem Magnetfeld durchsetzt. In der rechten Sekundärspule 16 wird ein Bereich b von dem Magnetfeld durchsetzt. Beide Bereiche a und b sind gleich gross, so dass in beiden Sekundärspulen 15, 16 die gleiche Anzahl von Spulenwindungen vom Magnetfeld durchsetzt wird. Da auch die Kappe 37 symmetrisch zur Primärspule 14 angeordnet ist, ergibt sich insgesamt ein symmetrischer Magnetfeld-Aufbau. Der magnetische Widerstand ist in den beiden Kreisen um die beiden Sekundärspulen herum gleich gross.

Verschiebt sich nun die Spulenanordnung 13 aufgrund eines axialen Spiels in den Lagern 18, 19 gegenüber der Hülse 2, erfolgt nicht nur eine Relativbewegung gegenüber dem Anker 12, sondern auch eine gegenüber der Kappe 37. Beispielsweise dringt der Anker nun tiefer, nämlich über einen Bereich a' in die linke Sekundärspule 15 ein, während die Eindringtiefe b' in die rechte Sekundärspule 16 verringert wird. Dies hätte normalerweise eine Vergrös-serung der induzierten Spannung in der linken Sekundärspule 15 zur Folge, während die induzierte Spannung in der rechten Sekundärspule 16 verkleinert würde. Gleichzeitig ist aber auch die Kappe 37 relativ zur Spulenanordnung nach links verschoben worden, so dass die rechte Kappenhälfte 40 näher an die Primärspule 14 herangerückt wird. Der Widerstand des magnetischen Kreises, der durch die rechte Kappenhälfte läuft, ist somit geringer als der Widerstand des magnetischen Kreises, der durch die linke Kappenhälfte 39 läuft. Dies bewirkt, dass in der linken Sekundärspule 15 zwar eine grössere Anzahl von Spulenwindungen vom Magnetfeld durchsetzt wird. Der magnetische Fluss in der rechten Sekundärspule 16 ist aber aufgrund des geringeren magnetischen Widerstands grösser, so dass in der rechten Sekundärspule 16 die gleiche Spannung induziert werden kann, obwohl hier nur eine geringere Anzahl von Spulenwindungen durchsetzt wird. Bei geeigneter Dimensionierung wird also auch bei einer axialen Verschiebung der Spulenanordnung 13 gegenüber der Hülse 2 in beiden Sekundärspulen die gleiche Spannung induziert, wenn ansonsten kein Drehmoment auf die Welle 1 wirkt.

Claims (14)

Patentansprüche

1. Drehmoment-Messeinrichtung mit einer Welle, die einen Abschnitt verminderten Durchmessers aufweist, einer Hülse, die mit der Welle auf beiden Seiten des Abschnitts verminderten Durchmessers drehfest und axial unverschiebbar verbunden ist und einen Anker trägt, der sich bei Verdrehung der beiden Hülsenenden gegeneinander in axialer Richtung verschiebt und ein elektrisches und/oder magnetisches Feld verändert, und einer Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung, wobei die Hülse axial in zwei Teile unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (12) an einem Ende (10) einer Zunge (6, 7) befestigt ist, deren anderes Ende (8, 9) mit beiden Hülsenteilen (4, 5) verbunden ist, wodurch bei einer Verdrehung der beiden Hülsenteile (4, 5) gegeneinander eine um das Verhältnis zwischen der Zungenlänge und dem Abstand der beiden Hülsenteile verstärkte Bewegung des Zungenendes (10) erfolgt, an dem der Anker (12) befestigt ist, und dass die Verbindung der Zunge (6, 7) mit jedem Hülsenteil (4, 5) über jeweils einen Steg (8, 9) erfolgt, der sich zumindest teilweise in Umfangsrichtung erstreckt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunge (6, 7) im wesentlichen zwischen den Hülsenteilen (4, 5) verläuft und ihre Längsachse in der Ruhelage in einer senkrecht zur Wellenachse (1) angeordneten Ebene liegt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei in Umfangsrichtung gleichmässig verteilte Zungen (6, 7) vorgesehen sind, die den Anker (12) tragen.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (2) aus einem unmagnetischen Material gebildet ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülsenteile (4, 5) und die Zunge (6, 7) einstückig ausgebildet sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung mindestens eine Spule (14,15,16) aufweist, die gegenüber der Hülse (2) axial unverschiebbar und drehbar gelagert ist, insbesondere mit Hilfe von schlupffreien Lagern (18, 19), deren innerer Ring (20) auf der Hülse (2) und deren äusserer Ring (21) in einem Spulenträger (17) angeordnet ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung eine ein Magnetfeld erzeugende Primärspule (14) und zwei jeweils ein Ausgangssignal erzeugende Sekundärspulen (15, 16) aufweist, und der Anker (12) bei axialer Bewegung die magnetische Kopplung zwischen der Primär- (14) und den Sekundärspulen (15,16) ändert.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule (14) die Hülse (2) im Bereich des Ankers umgibt und auf jeder Seite der Primärspule (14) jeweils eine der Sekundärspulen (15,16) angeordnet ist, wobei der Anker (12)

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mindestens teilweise innerhalb der Primärspule (14) angeordnet ist und aus magnetisch leitendem Material gebildet ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Welle (1) axial nicht verschiebbar ein zweiter Anker (27) angeordnet ist, der die magnetische Kopplung in einer zweiten eine Primär- (29) und zwei Sekundärspulen (30, 31) aufweisenden Spulenanordnung (28) bei Bewegung der Welle (1 ) ändert, wobei die zweite Spulenanordnung (28) mit der ersten (13) mit axial konstantem Abstand verbunden ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule (114) auf dem mittleren Schenkel (43) eines E-förmigen Kerns (34) und die beiden Sekundärspulen (115, 116) auf den beiden äusseren Schenkeln (44, 45) des Kerns angeordnet sind, wobei der Anker (112) mit konstantem Luftspalt (42) zum mittleren Schenkel (43) und zwischen den beiden äusseren Schenkeln (44, 45) des Kerns angeordnet ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (14, 15, 16) der Einrichtung zur Ermittlung der Feldänderung von einer magnetisch leitenden Kappe (37) umgeben sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (37) mit der Hülse (2) axial unverschiebbar verbunden ist und mindestens einen Kompensationsluftspalt (38) aufweist, der bei axialer Verschiebung der Spulenanordnung (13) relativ zur Hülse (2) die magnetische Kopplung zwischen Primärspule (14) und Sekundärspulen (15,16) gegensinnig zur Beeinflussung durch den Anker ändert.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsluftspalt (38) durch einen Umfangsspalt in der Kappe (37) im Bereich der Primärspule (14) gebildet ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (38) in Axialrichtung mindestens so breit wie die Primärspule (14) ist.

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