CN105899922B - 用于测量机器元件上的力或扭矩的装置 - Google Patents

用于测量机器元件上的力或扭矩的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于利用逆磁致伸缩效应测量机器元件上的力和/或力矩的装置，所述机器沿轴线延伸。机器元件具有至少一个永久磁化部。永久磁化部沿着闭合的磁化路径(01)延伸。磁化路径(01)优选至少部分地沿着机器元件的表面(02)伸展。该装置还包括至少一个磁场传感器，所述磁场传感器对置于机器元件设置。磁场传感器用于确定磁场并且构成用于测量从机器元件中射出的磁场的至少一个矢量分量，所述磁场一方面通过永久磁化部并且另一方面通过力和/或通过力矩引起。根据本发明，永久磁化部相对于轴线的定向沿着磁化路径(01)而发生改变。

Description

用于测量机器元件上的力或扭矩的装置
技术领域
本发明涉及一种用于利用逆磁致伸缩效应测量机器元件上的力和/或力矩的装置，所述机器元件沿轴线延伸。
背景技术
从DE 600 08 543 T2中已知一种换能器元件，所述换能器元件设置用于应用在扭矩或力传感器中。换能器元件一件式地存在于由可磁化的材料构成的轴中并且具有沿轴向方向定向的磁化部。
DE 600 07 641 T2示出一种换能器元件，所述换能器元件设置用于扭矩或力传感器换能器。在该换能器元件中，磁化部在径向内部的区域中和在径向外部的区域中构成。
从DE 603 09 678 T2中已知一种用于检测轴中的扭矩的方法，其中产生具有交替极性的磁场，所述磁场借助传感器装置测量。
DE 601 05 794 T2示出一种力敏感的换能器元件，其具有由磁性材料构成的体部，其中在所述体部中构成至少两个可磁化的区域，所述区域以一定角度相对于力传输方向延伸并且具有相反的磁化极性。
DE 699 36 138 T2示出一种磁性力传感器，其中磁性材料经受弯曲力矩，其中借助于传感器装置能够确定磁性材料的外部磁场。
WO 2011/085400 A1示出一种磁弹性的力传感器，借助所述力传感器能够测量元件的机械负荷。所述元件具有切向环绕的磁化部并且加载有弯曲力矩。磁场传感器位于中间平面上。
DE 602 00 499 T2示出一种具有磁性结构的位置探测器，所述磁性结构具有两个铁磁的环。
从DE 692 22 588 T2中已知一种被环形磁化的扭矩传感器。
DE 691 32 101 T2示出一种具有线的磁性图像传感器，所述图像传感器具有沿环周方向的磁化部。
从DE 698 38 904 T2中已知一种具有圆形的磁化部的扭矩传感器。
WO 2007/048143 A2教导一种具有磁化柱的传感器。
WO 01/27638 A1示出一种具有柱的振动传感器，所述柱被环周地或纵向地磁化。
从WO 2006/053244 A2中已知一种扭矩传感器，所述扭矩传感器包括旋转的柱的磁化部。所述磁化部环周地构成。
US 8,191,431 B2示出一种具有磁化部的柱的传感器，其中至少两个磁性有源区域轴向地延伸。
发明内容
基于现有技术，本发明的目的在于：扩展用于利用逆磁致伸缩效应测量机器元件上的力和力矩的可行性。
所述目地通过根据所附的权利要求1的装置来实现。
根据本发明的装置用于测量机器元件上的力矩和/或力，所述机器元件沿轴线延伸。力或力矩作用于机器元件上，由此产生机械应力并且机器元件通常略微变形。机器元件具有至少一个永久磁化部。永久磁化部沿着闭合的磁化路径延伸。磁化路径在机器元件的材料中伸展。在围绕磁化路径的区域中，机器元件的材料被永久磁化。在该区域之外，机器元件优选不被磁化。磁化路径优选至少部分地沿着机器元件的表面伸展，使得永久磁化部优选至少部分地在机器元件的表面上延伸。
所述装置还包括至少一个磁场传感器，所述磁场传感器对置于机器元件设置。磁场传感器用于确定磁场并且构成用于测量从机器元件中射出的磁场的至少一个矢量分量，所述磁场一方面通过永久磁化部并且另一方面通过力和/或通过力矩引起。因此，借助于至少一个磁场传感器可行的是：测量磁场，所述磁场由于基于永久磁化部的逆磁致伸缩效应并且由于作用于机器元件上的力或作用于机器元件上的力矩而出现。
根据本发明，永久磁化部相对于轴线的定向沿着磁化路径而发生改变。因此，磁化路径的沿着其延伸的定向相对于轴线发生改变。因此，存在磁化路径的如下部段，所述部段相对于轴线具有不同的定向。相反于现有技术，根据本发明的装置沿着其延伸的永久磁化部示出相对于轴线的不同的定向，其中在所述现有技术中永久磁化部基本上轴向地、基本上相对于轴线倾斜地或基本上在环周上定向。闭合的磁化路径例如能够完全地在表面上在机器元件的环周的部段中伸展。通过改变定向，能够闭合在环周的部段之内的磁化路径。在任何情况下，磁化路径不完全地沿着元件的环周伸展，对此所述磁化路径不必相对于轴线改变其定向。通过根据本发明的可自由选择的磁化路径定向，只要磁化路径闭合，就能够为磁化路径在机器元件之内选择任意形状。尤其，磁化路径能够超出机器元件的环周相对于轴线具有不同的定向。
根据本发明的装置的一个特别的优点在于：机器元件能够具有以特殊方式定向的永久磁化部，由此能够减少例如外部磁场的干扰影响，并且能够单独地测量通过单独的力和力矩导致的机器元件的负荷。尤其，机器元件能够包括多个永久磁化部，使得能够测量机器元件的不同位置上的力和/或力矩。
在根据本发明的装置的优选的实施方式中，在机器元件未受力和/或力矩负荷的状态下，永久磁化部在机器元件之外是磁中性的。因此，在机器元件不受力或力矩负荷并且不具有机械应力时，机器元件向外是磁中性的。于是，所述机器元件不具有在机器元件之外可测量到的任何技术上可用的磁场。
在根据本发明的装置的优选的实施方式中，永久磁化部在机器元件的如下状态下处于能量平衡，在所述状态下机器元件不受力和/或力矩负荷。因此，机器元件的材料中的磁性极化在未受负荷的状态下处于能量平衡中。
机器元件优选形成该装置的整体的组成部分。
永久磁化部优选通过机器元件的体积的被磁化的三维的子区域形成，所述子区域具有闭合绳索的形状，其中磁化路径为绳索的中轴线。绳索优选具有圆形的或四边形的横截面。横截面能够是展平的，其例如呈展平的超椭圆或扁平的矩形的形状。优选地，绳索的横截面沿着绳索的延伸是不变的。当然，绳索的横截面沿着绳索的延伸也能够是变化的。
磁化路径优选通过在空间中闭合的三维曲线形成。所述曲线在机器元件中伸展，尤其伸展穿过机器元件的材料。所述曲线原则上能够任意地伸展，尤其，所述曲线也能够不规则地伸展。
磁化路径或三维曲线优选是轴线对称的。磁化路径或三维曲线因此优选具有至少一个对称轴线。
机器元件的轴线优选设置在闭合的磁化路径之外或闭合的曲线之外。因此，磁化路径不能够如从现有技术中已知的那样沿着机器元件的环周闭合。
磁化路径或三维曲线也能够环周地围绕机器元件中的凹部延伸。所述凹部例如能够为钻孔，所述钻孔径向地设置在机器元件中。
在第一组优选的实施方式中，磁化路径或三维曲线完全地沿着机器元件的表面伸展。因此，机器元件仅在其表面的一部分上被磁化。因此，磁化路径为机器元件的表面上的闭合的曲线。
磁化路径或三维曲线优选具有多边形或超椭圆的形状，其中多边形或超椭圆投影到机器元件的表面上。多边形或超椭圆优选投影到机器元件的表面的环周部段上。
磁化路径或三维曲线优选具有平行四边形或超椭圆的形状，其中平行四边形或超椭圆投影到机器元件的表面上。平行四边形或超椭圆优选投影到机器元件的表面的环周部段上。
平行四边形优选通过矩形形成。矩形的边能够相对于机器元件的轴线正交地或平行地设置。在该情况下，将矩形的四个边中的两个边相对于轴线正交地定向，而矩形的四个边中的另外两个边相对于机器元件的轴线平行地定向。因此，永久磁化部的相对于轴线的定向沿着磁化路径从切向变成平行，并且反之亦然。
在替选的优选的实施方式中，平行四边形的边或构成为矩形的平行四边形的边相对于轴线倾斜。能够实现不同的倾斜角度。
超椭圆的轴线能够相对于机器元件的轴线正交地或平行地设置。替选地，超椭圆的轴线也能够相对于轴线倾斜。
超椭圆优选通过椭圆形成。椭圆优选通过圆形成。替选地，超椭圆优选构成为是蛋形的。
在第二组优选的实施方式中，磁化路径或三维曲线仅部分地沿着机器元件的表面伸展。磁化路径或三维曲线的另一部分因此更内部地在机器元件中在机器元件的表面之下伸展。在该组优选的实施方式中，磁化路径优选在一个平面中伸展。从由磁化路径展开的面的中点到机器元件的轴线的垂线位于所述平面中。中点能够为几何中点，但是也能够为由磁化路径展开的面的重心。在该第二组优选的实施方式中，磁化路径的优选给定的轴线对称的对称轴线优选平行于或垂直于机器元件的轴线设置，其中该对称轴线也能够相对于轴线倾斜地设置。轴线对称的磁化路径优选具有两个长边，其中这两个长边中的一个设置在机器元件的表面上，而这两个长边中的另一个设置在机器元件的表面之下，优选位于设置在表面上的长边之下。
在优选的实施方式中，机器元件具有多个永久磁化部。多个永久磁化部优选相同地构成。多个永久磁化部优选也以相同的方式相对于轴线定向。多个永久磁化部能够彼此间隔开地或彼此邻接地设置。多个永久磁化部的极性优选在各相邻的永久磁化部之间交替。多个永久磁化部也能够不同地构成，以便同时能够测量通过永久磁化部以及通过力和/或通过力矩引起的磁场的不同的分量。
具有永久磁化部的部件至少牢固地与机器元件或与机器元件的主部件连接，其中永久磁化部与机器元件一起经受在机器元件处出现的机械应力。永久磁化部优选与机器元件或与机器元件的主部件一件式地构成。在任何情况下，其不是附加的永磁体，所述永磁体例如在外部固定在机器元件上并且不经受在机器元件处出现的机械应力。永久磁化部优选构成在机器元件的磁弹性地构成的部段中。在机器元件的磁弹性地构成的部段中，机器元件优选由磁致伸缩的材料构成。优选地，不仅一个部段，而且机器元件本身都磁弹性地构成。在该情况下，机器元件由磁致伸缩的材料构成。
在优选的实施方式中，所述装置包括多个磁场传感器。
一个或多个磁场传感器优选与轴线间隔开地设置。
一个或多个磁场传感器优选位置固定地且与机器元件间隔开地设置。当力或力矩能够引起机器元件的移动或变形时，磁场传感器不改变其位置固定的位置。
磁场传感器优选构成用于测量从机器元件中射出的磁场的刚好一个矢量分量，所述磁场一方面通过永久磁化部并且另一方面通过力和/或通过力矩引起。因此，磁场传感器构成用于确定唯一的负荷类型并且相对于其他的负荷类型是不灵敏的。
机器元件优选具有棱柱或圆柱的形状，其中棱柱或圆柱相对于轴线同轴地设置。棱柱或圆柱优选是直的。尤其优选地，机器元件具有直的圆柱的形状，其中圆柱相对于轴线同轴地设置。在特殊的实施方式中，棱柱或圆柱锥形地构成。
机器元件优选通过轴或通过法兰形成。轴或法兰能够针对通过不同的力和力矩引起的负荷来设计。
机器元件优选具有空腔，轴线至少分部段地伸展穿过所述空腔。因此，空腔包围轴线的至少一个部段。空腔优选沿轴线延伸。
空腔优选构成为是圆柱形的，其中圆柱形相对于轴线同轴地设置。机器元件例如能够通过空心轴形成。
一个或多个磁场传感器优选设置在机器元件的空腔中。一个或多个磁场传感器替选地优选设置在空腔之外。
一个或多个磁场传感器优选通过霍尔传感器、线圈或磁通门磁力计形成。原则上，也能够应用其他的传感器类型，只要其适合于测量通过逆磁致伸缩效应引起的磁场。
附图说明
从优选的实施方式的下面的描述中参考附图得出本发明的其他的优点、细节和改进形式。附图示出：
图1示出根据本发明的装置的一个优选的实施方式的机器元件的横截面图；
图2示出根据本发明的装置的磁化路径；
图3示出根据本发明的装置的第一优选实施方式的磁化路径；
图4示出根据本发明的装置的第二优选实施方式的磁化路径；
图5示出根据本发明的装置的第三优选实施方式的磁化路径；
图6示出根据本发明的装置的第四优选实施方式的磁化路径；
图7示出根据本发明的装置的第五优选实施方式的磁化路径；
图8示出根据本发明的装置的第六优选实施方式的磁化路径；
图9示出根据本发明的装置的第七优选实施方式的磁化路径；
图10示出根据本发明的装置的第八优选实施方式的磁化路径；
图11示出根据本发明的装置的第九优选实施方式的磁化路径；
图12示出图8中示出的磁化路径的另一视图；和
图13示出图8中示出的磁化路径的另一视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的装置的一个优选实施方式的机器元件的横截面图。该机器元件为由磁致伸缩的材料构成的空心轴。空心轴能够经受不同的力和力矩，所述力和力矩能够借助于根据本发明的装置测量。此外，根据本发明的装置包括磁场传感器(未示出)，所述磁场传感器与空心轴间隔开地设置在空心轴附近。
空心轴部分地通过永久磁化部来磁化。永久磁化部沿着磁化路径01(在图2至图13中示出)构成。
在图1中示出角度β。图2至图13包含空心轴关于角度β的视图。图2至图11示出空心轴的不同的实施方式的圆柱套状的表面02，其中圆柱套状的表面02分别经由将空心轴关于角度β卷开而示出。与之相应地，空心轴的圆柱套状的表面02分别作为矩形示出。
图2示出根据本发明的装置的磁化路径01。磁化路径在空心轴的圆柱套状的表面02上伸展。磁化路径01被闭合并且在所示出的普遍的实施方式中具有不规则的形状。因为磁化路径01设置在空心轴的圆柱套状的表面02上并且被闭合，所以磁化路径沿着其伸展具有相对于空心轴的轴线不同的定向。
图3示出根据本发明的装置的第一优选实施方式的磁化路径01。在卷开的视图中，磁化路径具有方形的形状。方形相对于空心轴的轴线倾斜45°。但是，该倾角α也能够具有不同的大小。棱边长a和b也能够是不同大的，使得磁化路径在卷开的视图中具有矩形形状。
图4示出根据本发明的装置的第二优选实施方式的磁化路径01。在卷开的视图中，磁化路径具有方形的形状。方形平行于空心轴的轴线定向。但是，方形也能够相对于轴线以倾角α倾斜。棱边长度a和b也能够是不同大的，使得磁化路径01在卷开的视图中具有矩形的形状。
图5示出根据本发明的装置的第三优选实施方式的磁化路径01。在卷开的视图中，磁化路径01具有圆形形状。磁化路径也能够不同地取向。
图6示出根据本发明的装置的第四优选实施方式的磁化路径01。在卷开的视图中，磁化路径01具有超椭圆的蛋形形状。磁化也能够不同地取向。半径r1和r2能够是不同大的并且是可变的。棱边长度b同样是可变的。
图7示出根据本发明的装置的第五优选实施方式的磁化路径01。在卷开的视图中，磁化路径01具有超椭圆的蛋形形状。磁化也能够不同地取向。半径r1和r2能够是不同大的并且是可变的。棱边长度a同样是可变的。
图8至图13示出根据本发明的装置的优选的实施方式的磁化路径01，其中磁化路径01不完全地设置在空心轴的圆柱套状的表面02上。因此，图8至图11分别仅示出各磁化路径01的一部分，即设置在空心轴的圆柱套状的表面02上的部分。该部分在所示出的实施方式中在卷开的视图中分别具有直的线段的形状。
图8至13中示出的实施方式分别具有两个永久磁化部，其中这两个永久磁化部象征多个永久磁化部。
图8至图13中示出的实施方式的磁化路径01分别位于一个平面中并且具有超椭圆状的蛋形形状。蛋形构成为是细长的，使得其分别具有两个长边。这两个长边中的一个分别在空心轴的表面02上伸展。这两个长边中的另一个分别在空心轴的材料内部中以沿空心轴的轴线方向错开的方式在位于表面02上的长边下方伸展。因此，从各超椭圆状的蛋形的中点到空心轴的轴线上的垂线位于各超椭圆状的蛋形的平面中。
图8示出根据本发明的装置的第六优选的实施方式的两个磁化路径01。在该实施方式中，包括磁化路径01或超椭圆状的蛋形的平面分别以角度α相对于空心轴的轴线(未示出)倾斜。角度α是可变的。长边的棱边长度a和b同样是可变的。
图9示出根据本发明的装置的第七优选的实施方式的两个磁化路径01。在该实施方式中，包括磁化路径01或超椭圆状的蛋形的平面分别以角度α相对于空心轴的轴线(未示出)倾斜。角度α是可变的。长边的棱边长度a和b同样是可变的。
图10示出根据本发明的装置的第八优选的实施方式的两个磁化路径01。在该实施方式中，包括磁化路径01或超椭圆状的平面分别相对于空心轴的轴线(未示出)垂直地设置。长边的棱边长度a和b是可变的。
图11示出根据本发明的装置的第九优选的实施方式的两个磁化路径01。在该实施方式中，包括磁化路径01或超椭圆状的蛋形的平面分别也包括空心轴的轴线(未示出)。长边的棱边长度a和b是可变的。
图12示出图8中示出的磁化路径01的另一视图。该视图的平面包括空心轴的轴线(未示出)，使得空心轴和其圆柱套状的表面02被剖开。在该视图中示出磁化路径01的超椭圆状的蛋形的两个长边。在圆柱套状的表面02之下伸展的长边能够以不同的深度设置在空心轴的材料的内部中。
图13示出图8中示出的磁化路径01的另一视图。该视图的平面垂直于空心轴的轴线(未示出)设置，使得空心轴和其圆柱套状的表面02被剖开。在该视图中又示出磁化路径01的超椭圆状的蛋形的两个长边。在圆柱套状的表面02之下伸展的长边能够以不同的深度设置在空心轴的材料的内部中。
附图标记列表
01 磁化路径
02 圆柱套状的表面

Claims (10)

1.一种用于测量机器元件上的力和/或力矩的装置，所述机器元件沿轴线延伸，其中所述机器元件具有永久磁化部，所述永久磁化部沿着闭合的磁化路径(01)延伸，其中所述装置还包括至少一个磁场传感器，所述磁场传感器构成用于测量磁场的至少一个分量，所述磁场通过所述永久磁化部以及通过力和/或通过力矩引起，其特征在于，所述永久磁化部相对于轴线的定向沿着所述磁化路径(01)而发生改变，机器元件的轴线设置在闭合的磁化路径(01)之外。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述机器元件未受所述力和/或所述力矩负荷的状态下，所述永久磁化部在所述机器元件之外是磁中性的。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述永久磁化部通过所述机器元件的磁化的三维的子区域形成，所述子区域具有闭合绳索的形状，其中所述磁化路径(01)为所述绳索的中轴线。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁化路径(01)通过在空间中闭合的三维曲线形成。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁化路径(01)具有平行四边形或超椭圆的形状，其中所述平行四边形或所述超椭圆投影到所述机器元件的表面(02)上。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述平行四边形的边或所述超椭圆的轴线相对于所述机器元件的轴线倾斜。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁化路径(01)在一个平面中伸展，其中从由所述磁化路径(01)展开的面的中点到所述轴线的垂线位于所述平面中。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述磁化路径(01)具有两个长边，其中这两个所述长边中的一个在所述机器元件的所述表面(02)上伸展，并且其中这两个所述长边中的另一个在所述机器元件的所述表面(02)之下伸展。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机器元件具有多个所述永久磁化部。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，多个所述永久磁化部相同地构成，并且以相同的方式相对于所述机器元件的轴线定向。
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