CN103765182A - 用于测定转矩的装置以及所属的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于无接触地测定通过马达（10）的驱动轴（14）来传递的转矩（16、18）的装置（20、42）。对于已知的转矩传感器来说，不利的是，这些转矩传感器也可能在转矩恒定时产生剧烈波动的测量信号。对于所述按本发明的装置来说，使用有机的、磁阻的半导体元件（22’），用于在驱动轴（14）上或者在所述转动轴的联轴器上无接触地测定所述转矩（16、18）。为此，提供一种与所述驱动轴（14）或者所述联轴器固定地相连接的磁场产生机构，该磁场产生机构在所述驱动轴（14）的周围环境中产生磁场，该磁场取决于所述转矩（16、18）。在这个周围环境中位置固定地布置了OMR半导体元件（22’）。该OMR半导体元件（22’）具有两个电极（24、26），在这两个电极之间电压源（28）产生电压（U）。本发明也包括一种用于测定所述转矩（16、18）的方法。

Description

用于测定转矩的装置以及所属的测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于测定作用于驱动轴的转矩的装置。所述驱动轴例如可以是处于马达与做功机械之间的轴，通过该轴将马达的转矩传递给所述做功机械。本发明也涉及一种用于测定所述转矩的方法。

背景技术

对在轴上或者在用于这种轴的联轴器上的转矩的检测应用在工业驱动技术中、能量技术中、轨道驱动装置中和汽车技术中。在转矩传感器的一种设计方案中，对转矩的测定无接触地进行。在此，将与转矩的方向或者量相关联的信号从旋转部件（轴或者联轴器）例如越过气隙来传输给位置固定的传感器。因此不必使用磨损件，例如滑动接点。这显著地提高了所述传感器的可靠性。

与所传递的转矩相关联的信号可以借助于磁性机构来产生，所述磁性机构被固定在轴上并且所述磁性机构产生磁场。这种磁场由位置固定地布置在轴附近的磁场传感器来测量并且由合适的电子装置来继续进行处理。作为磁场传感器，使用霍耳传感器或者基于AMR效应（各向异性的磁阻效应）的传感器。对于基于磁场的转矩传感器来说，不利的是，所使用的磁场传感器也在转矩恒定时产生剧烈波动的信号。因此较大的线路费用是必要的，以便利用基于磁场的转矩传感器来可靠地测定转矩。

发明内容

本发明的目的是，测定在驱动轴上或者在所述驱动轴的联轴器上的转矩。

所述目的通过一种按照权利要求1所述的装置并且通过一种按照权利要求10所述的方法来实现。所述按本发明的装置的有利的改进方案通过从属权利要求给出。

在按本发明的装置中，使用有机的磁阻的半导体元件（OMR半导体元件），用于无接触地测定在驱动轴上或者在所述联轴器上的转矩。OMR半导体元件以有机的半导体为基础并且在磁场穿过所述OMR半导体元件时根据磁场改变有机的半导体的电阻。

为了检测所述转矩，所述按本发明的装置在此具有与驱动轴或者所述驱动轴的联轴器固定地连接的磁场产生机构，该磁场产生机构在所述驱动轴的周围环境中产生磁场，该磁场取决于所述转矩（所述转矩的方向和/或所述转矩的大小）。在场产生于其中的周围环境中，位置固定地布置了所述OMR半导体元件。所述OMR半导体元件具有两个电极，在这两个电极之间所述按本发明的装置的电压源产生电流或者电压。

利用所述按本发明的装置，能以如下方式按照根据本发明的方法测定所述转矩。通过所述磁场产生机构在所述驱动轴上（或者必要时在所述联轴器上）根据所述转矩产生磁场。

这种场在所述驱动轴的周围环境中借助于所述OMR半导体元件来检测。由此能够借助于所述OMR半导体元件根据所检测到的磁场来调节电参量。该电参量例如可以是在所述电极之间流动的电流。优选通过所述电压源能够进行电流恒定的或者电压恒定的测量。

所述按本发明的装置和所述按本发明的方法具有以下优点：利用其测定的、用于所述转矩的测量信号仅仅具有较小的、不是由转矩变化引起的波动。此外，可以在所述装置及所述方法的基础上以较小的花费和较低的成本来制造转矩传感器。

所述OMR半导体元件可以构造为层，该层至少局部地包围所述驱动轴和/或所述联轴器。由此，与用霍耳传感器或者AMR传感器进行的检测相比，借助于所述OMR半导体元件不是在近似点状地而是相对大面积地来检测所述磁场。由此在测量转矩时出现平均效应，该平均效应用于产生波动小的测量信号。所述按本发明的装置的一种优选的实施方式具有OMR半导体元件，该OMR半导体元件具有空心柱形的形状。这个空心柱形的OMR半导体元件在此沿着所述驱动轴的圆周方向包围所述驱动轴，从而极为有效地抑制了所述测量信号的、像可能由于所述驱动轴的旋转而引起的那样的波动。同样可以证实为有利的是，OMR半导体元件构造为空心柱形的扇形区段的形式，因为这种OMR半导体元件（例如为了维修目的）能以较小的花费从所述驱动轴的周围环境中移走。此外，例如所述OMR半导体元件也可以构造为轴保护件。

另外有利的是，所述OMR半导体元件布置在柔性的基板上。这允许了所述装置的壳体的非常简单的、节省位置空间的结构并且能够实现转矩传感装置的容易的、成本低廉的安装。

所述按本发明的装置的另一种改进方案设置了一种用于测量参量的测量机构，该参量与流经所述OMR半导体元件的电流和/或加载在所述OMR半导体元件上的电压成比例。该参量例如可以是电流或者电压本身或者是通过另一个元件下降的电压，所述另一个元件被和所述OMR半导体元件相同的电流流过。在用于所述参量的测量信号的基础上，可以以有利的方式提供对于所述转矩的自动化的监控或者形成用于指示器的控制信号。

如果所述OMR半导体元件以一种运行范围内的恒定电压来运行，在所述运行范围内所述OMR半导体元件具有最大的场敏感性，则获得特别好的、用于所述转矩的测量效果。相应地，所述按本发明的装置的一种有利的改进方案规定，所述电压源被设计为是恒电压源。所述场敏感性在此表明所述OMR半导体元件的电阻的、关于磁场强度dH的变化的变化dR、也就是dR/dH。

按照所述按本发明的装置的另一种有利的改进方案，通过所述OMR半导体元件来形成OLED，也就是说，有机的发光二极管（OLED-organic light emitting diode）。这能够通过相应的选择用于制造所述OMR半导体元件的有机的半导体材料来实现。借助于OLED，能够通过可容易地实现的方式来可视地显示由所述轴传递的转矩。例如可以实现：所述轴的、其中大的转矩起作用的区域显得比负荷小的区域更亮。

如果将在所述OLED的电极之间产生的电压调节到一数值，在该数值时只有所述转矩满足预先确定的标准，所述OLED才发光，则得到另一种有利的光学的转矩显示。因此，例如通过对于所述标准的相应的预先规定可以表明，是否传递特定的最小的转矩或者是否可能超过了最大允许的转矩。

在所述按本发明的装置的另一种有利的改进方案中，该装置具有至少两个OMR半导体元件，所述OMR半导体元件相应地以已经描述的方式之一来构成。在这种改进方案中，所述OMR半导体元件可以具有不同的特性曲线，从而其具有不同的磁阻特性。作为补充方案或者作为替代方案，在所述装置的运行中在所述OMR半导体元件的相应的电极之间产生不同大小的电压。通过提供多个OMR半导体元件得到了以下优点：在每个OMR半导体元件中可以为另一绝对磁场强度给出最大的场敏感性。这能够在越过较大的转矩范围的情况下仍精确地测量转矩。

结合提供多个也分别形成OLED的OMR半导体元件的方式获得另一优点：所述OLED关于所述转矩具有不同的发光界限。发光界限在此是指相应的磁场强度，在超过所述相应的磁场强度时相应的OLED发光。借助于这种布置，可以预先规定用于转矩范围的界限。关于各个转矩范围由相应发光的OLED来显示，当前的转矩刚好处于哪个转矩范围中。通过相应大数量的OLED，甚至可以在所述驱动轴或者所述联轴器上提供对于所述转矩的、几乎连续的可视的显示。

结合在所述驱动轴或者联轴器上面产生磁场的方式，所述按本发明的装置的一种实施方式规定，所述磁场产生机构具有两个磁性元件，它们相对彼此的相对位置取决于所述转矩。在此可以设想，磁体作为第一磁性元件被第二软磁元件遮盖，所述第二软磁元件朝所述驱动轴的周围环境屏蔽所述磁体。然后，通过相应的机构所述软磁元件可以根据所述转矩移动，从而所述磁体的场的一部分到达所述周围环境中。

所述按本发明的装置的一种优选的实施方式规定，所述磁场产生机构包括一元件，该元件通过反向的磁弹性根据其形状的、由所述转矩引起的变化来产生所述磁场。这种实施方式的优点是，不需要易受干扰的、机械的、用于产生可变的磁场的布置。

结合所述按本发明的方法，与按本发明的装置的改进方案相对应的改进方案也属于本发明。因此在这里不单独地对其进行描述。

附图说明

下面借助于实施例对本发明进行说明。为此附图示出：

图1是按照所述按本发明的装置的一种实施方式的转矩传感器的示意图；

图2是OMR传感器或者OLED的特性曲线的原理曲线图；以及

图3是按照所述按本发明的装置的另一种实施方式的转矩传感器的示意图。

具体实施方式

在图1中示出了马达10和做功机械12。所述做功机械12例如可以是铣床或者输送带。所述做功机械12由马达10来驱动。为此，所述马达10通过轴14与所述做功机械12相耦合，马达10通过所述轴将马达转矩16传递给做功机械12的（未详细示出的）联轴器。所述轴14在此围绕着其纵轴线旋转。在所述联轴器上，所述做功机械12的负载力矩18作用于所述轴14。

在做功机械12运行期间，应该测定：由马达10通过轴14传递给做功机械12的转矩是多大。为此，作用于所述轴14的扭力利用设置在轴14上的转矩传感器20来测量。所述扭力从马达转矩16和反作用于该马达转矩的负载力矩18中产生。从所测定到的扭力中，可以推断出所传递的转矩。

转矩传感器20是按本发明的装置的一种实施方式。测量工作无接触地进行。为此，轴14同心地布置在套筒22中。该套筒22不接触所述轴14，从而轴14可以在套筒22中旋转。该套筒22固定地与（未示出的）底部相连接并且不与所述轴14一起旋转。

套筒22具有一由有机半导体材料构成的层22’，其中电阻取决于从半导体材料中穿过的磁场的场强（磁阻效应）。磁场由磁性涂层所产生，所述磁性涂层是所述轴14的组成部分并且所述磁性涂层在套筒22的区域中处于所述轴14的钢质的棒的上或中。所述涂层如此固定地与所述棒相连接，使得其形状在待测量的扭力作用于所述棒时与棒的形状一起变化。磁性涂层包括磁性材料，所述磁性材料围绕轴14或者在涂层的端部上产生漏磁场，所述漏磁场的场强取决于通过涂层形成的本体的形状（反向的磁弹性）。这种磁场穿过套筒22。作用于轴14的扭力越大，所述磁场的场强就越大。

下面借助于图1和图2来解释，如何测定通过所述轴14来传递的转矩，也就是作用于所述轴14的扭力。

处于套筒22上的、由有机半导体材料构成的层22’通过两个电极24、26与电压源28进行电连接。所述电压源28在所述电极24、26之间产生具有电压值U0的电压U。对于没有扭力作用于所述轴14这种情况来说，由此具有所述电流强度I0的电流I流过所述层22’。这相应于在所述有机半导体材料的U/I特性曲线K1上面的工作点A。在所述有机半导体材料被具有特定的更大的场强的磁场穿过时，产生特性曲线K2。由此对于所述电压源28产生具有电压值U0的恒定的电压U这种情况来说，所述电流I上升了电流强度值dI。而如果通过所述电压源28产生具有电流强度I0的恒定的电流I，那么所述电压U就降低了电压值dU。

如果使用恒电压源作为电压源28，那就可以为了定量地测量所述磁场而借助于在图1中示出的布置得到相对于I0大约百分之十到三十的电流升高dI。这样实现了非常精确地测量所述磁场强度的变化。

借助于测量线路30测量在该测量线路30的两个测量电极32、34之间在所述层22’上的电压Um。所述电压Um由所述电流I引起。所测量的电压Um由所述测量线路30的放大器36以电子的方式放大。将如此经过放大的信号传输给所述测量线路30的指示机构38，该指示机构在所述信号的基础上求得并且显示作用于所述轴14的扭力以及进而求得并且显示通过轴14传递的转矩。所述电压Um的数值以及进而所述经过放大的信号在转矩恒定时仅仅具有微小的波动。通过所述套筒22以及进而所述层22’沿着圆周方向完全将所述轴14包围，所述磁场的非对称性由于在所述层22’中的平均效应没有对所述电压Um产生影响，所述非对称性由于所述轴14的旋转而在所述套筒22的每个点中产生周期性波动的场强。对于不可以像所述有机半导体元件一样构造为平面状并且因此仅仅逐点地对所述磁场进行检测的霍耳传感器来说，所述轴14的旋转会引起波动的信号。

所述电流I和所述电压Um是电参量，通过所述磁阻效应由所述层22’根据所述磁场来改变所述电参量。也可以取代所述电压Um，通过所述测量线路30来对测量电流进行测量。

所述层22’的有机半导体材料代表一种OLED，该OLED在通过其流动的电流I的电流强度超过特定的电流强度值时发光。如此调节所述电压源28的电压U，从而在作用于所述轴14的转矩大于最大允许的转矩时使用所述发光效应。因此随后直接通过所述层22’的发光的区域40来向所述做功机械12的操作人员显示，所述马达10、做功机械12或者轴14过载。

为了形成所述层22’，将所述有机半导体材料涂到了柔性的基板上。在此所述有机半导体材料例如可以是聚乙烯（PET）或者是像例如能以名称酮（Kepton）得到的一种聚酰亚胺。

在图3中示出了另一种由马达10、做功机械12和轴14构成的布置。在图3中，在其作用方式方面与在图1中示出的元件相对应的元件设有与在图1中相同的附图标记。

转矩传感器42在图3所示的实施例中具有三个环44、46、48，在这些环中每个环具有一由有机半导体材料构成的层，通过所述有机半导体材料形成OLED。所述转矩传感器42是所述按本发明的装置的一种实施方式。在所述三个层的每个中都流动着电流，该电流通过（未示出的）电压源以与结合图1已经解释的情况相类似的方式来产生。所述三个环44、46、48被由所述轴14以已经描述的方式产生的磁场穿过。

所述环44、46、48中的每个环都具有不同的发光界限：如果通过所述轴14来传递比预先确定的最小转矩大的转矩，那么所述环48就发光，而其余的环44、46则首先保持暗的状态。只有所述转矩超过正常转矩范围或者工作转矩范围的下界限时，所述环46才也发光。如果超过了预先确定的最大允许的转矩或者也超过了过载-转矩，则所述环44也发光。如果通过负载跃变来重复或者仅仅短时间地超过所述过载-转矩，则所述环44闪烁。通过这种信号表示，可以由操作人员识别动态的负载峰值。

所描述的转矩传感器也可以布置在联轴器上而不是布置在轴上。此外，所述转矩传感器可以用于测定通过轴传递给发电机的转矩。

通过所述实施例表明，如何通过套筒的或者环的、可以相应地由柔性的材料构成的、面状的并且连贯的涂层实现了在设计上有利的测量转矩。通过所述发光效应，可以额外地使在所述轴上的转矩可视化。

Claims (10)

1. 用于测定作用于驱动轴（14）的转矩的装置（20、42），包括：

-与所述驱动轴（14）或者该驱动轴的联轴器固定地相连接的磁场产生机构（14），该磁场产生机构在所述驱动轴（14）的周围环境中产生一取决于所述转矩的磁场；

-有机的、磁阻的OMR半导体元件（22’），所述OMR半导体元件位置固定地布置在所述周围环境中；以及

-用于在所述OMR半导体元件（22’）的两个电极（24、26）之间产生电压的电压源（28）。

2. 按权利要求1所述的装置（20、42），其中所述OMR半导体元件（22’）构造为层，该层至少局部地包围着所述驱动轴（14）和/或所述联轴器，其中所述层优选具有空心柱形（22、44、46、48）的或者其扇形区段的形状。

3. 按权利要求1或2所述的装置（20、42），其中所述OMR半导体元件（22’）布置在柔性的基板上。

4. 按前述权利要求中任一项所述的装置（20、42），所述装置具有一用于测量参量（Um）的测量机构（32到38），所述参量与流经所述OMR半导体元件的电流（I）和/或施加在所述OMR半导体元件上的电压（U）成比例。

5. 按前述权利要求中任一项所述的装置（20、42），其中所述电压源（28）设计成恒电压源。

6. 按前述权利要求中任一项所述的装置（20、42），其中OLED通过OMR半导体元件（22’）来构成，其中将所述电压（U）优选调节到一种数值（U0），在该数值时只有所述转矩满足预先确定的标准，所述OLED（22’）才发光。

7. 按前述权利要求中任一项所述的装置（42），所述装置总共具有至少两个所述类型的OMR半导体元件（44、46、48），所述OMR半导体元件具有不同的、描绘其磁阻的特性的特性曲线和/或在所述OMR半导体元件的电极上所述电压源在所述装置的运行中产生不同大小的电压。

8. 按前述权利要求中任一项所述的装置（42），所述装置总共具有至少两个OMR半导体元件（44、46、48），所述OMR半导体元件分别形成OLED（44、46、48），其中所述OLED（44、46、48）关于所述转矩具有不同的发光界限。

9. 按前述权利要求中任一项所述的装置（20、42），其中所述磁场产生机构（14）包括一元件，该元件通过反向的磁弹性根据其形状的、通过所述转矩引起的变化来产生所述磁场。

10. 用于测定通过驱动轴（14）传递的转矩（16、18）的方法，

-在所述驱动轴（14）上或者在该驱动轴的联轴器上根据所述转矩（16、18）产生磁场；

-借助于有机的、磁阻的半导体元件（22’）来检测在所述驱动轴（14）的周围环境中的磁场；

-根据所检测到的磁场借助于所述半导体元件（22’）来调节电参量（Um）。

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