DE10038767C1 - Magnetostrictive torque sensor for measuring torsion in loaded shafts has flux guide for dividing measurement field into compressive, strain components detected by separate coils - Google Patents
Magnetostrictive torque sensor for measuring torsion in loaded shafts has flux guide for dividing measurement field into compressive, strain components detected by separate coilsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Erzeugnis mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs.The invention relates to a product with the features of the independent claim.
Eine wichtige Größe zur Regelung und zur Beurteilung einer Antriebsmaschine ist das von der Maschine abgegebene Drehmoment. Aus Drehzahl und Drehmoment kann die Leistung berechnet werden. Die Kenntnis der aktuellen Drehmoment- und Leistungswerte erlaubt im Falle eines Kraftfahrzeuges eine Vereinfachung des Motormanagements, die Ansteuerung automatisierter Schaltgetriebe, eine Motordiagnose sowie eine Senkung des Treibstoffverbrauchs durch Regelung des Motors mit den aktuellen Drehmomentwerten.An important parameter for the control and assessment of a drive machine is that of torque delivered to the machine. Performance can be achieved from speed and torque be calculated. Knowing the current torque and power values allows in In the case of a motor vehicle, a simplification of the engine management, the control automated manual transmission, engine diagnosis and a reduction in Fuel consumption by controlling the engine with the current torque values.
Im Zusammenhang mit dem Antrieb eines Industrieroboters hat man hierzu z. B. in der Patentschrift DE 42 14 368 C2 vorgeschlagen eine Welle mit einer magnetostriktiven Schicht zu versehen, die auf die Wellenoberfläche aufgeschweißt wird. In die magnetostriktive Schicht werden zwei symetrisch angeordnete Gruppen von konkaven, streifenförmigen, länglichen Bereichen mit einer Tiefe von 1 mm und mit einer Breite von 2 mm geschnitten, so daß die Schnittlinien der ersten Gruppe mit den Schnittlinien der zweiten Gruppen einen rechten Winkel bilden und jeweils um 45° bzw. -45° gegen die Wellenachse geneigt sind. Mit Hilfe der streifenförmigen Bereiche wird in der magnetostriktiven Schicht eine Anisotropie erzeugt. Zwei ringförmige Spulen, die jeweils gleichzeitig als Erregerspule und Meßspule genutzt werden, umgeben je eine der beiden Gruppen konkaver Bereiche und erzeugen in der magnetostriktiven Schicht ein Meßfeld. Durch die von den beiden Gruppen konkaver Bereiche erzeugte Anisotropie wirken diese Bereiche als Flußführungsmittel für das magnetische Meßfeld der beiden Erregerspulen. Die eine Gruppe von Bereichen verstärkt das Meßfeld in Druckspannungsrichtung der tordierten Welle und die andere Gruppe von Bereichen verstärkt das Meßfeld in Zugspannungsrichtung der tordierten Welle. Auf Grund der Wellentorsion und durch den magnetostriktiven Effekt ergibt sich in der magnetostriktiven Schicht in Druckspannungsrichtung eine andere magnetische Permeabilität als in Zugspannungsrichtung, so daß die magnetischen Kreise der beiden Erregerspulen, von denen eine ein Meßfeld mit einer verstärkten Druckspannungskomponente erzeugt und die andere ein Meßfeld mit einer verstärkten Zugspannungskomponente erzeugt, aufgrund der Wellentorsion unterschiedliche induktive Widerstände haben, die z. B. mittels einer Brückenschaltung verglichen werden können. Die Differenz der Induktanzen ist dann ein Maß für die Torsion der Welle.In connection with the drive of an industrial robot, z. B. in the Patent specification DE 42 14 368 C2 proposed a wave with a magnetostrictive layer to be provided, which is welded onto the shaft surface. In the magnetostrictive Layer are two symmetrically arranged groups of concave, strip-shaped, cut elongated areas with a depth of 1 mm and a width of 2 mm, so that the intersection lines of the first group unite with the intersection lines of the second groups form a right angle and are inclined by 45 ° or -45 ° to the shaft axis. With the help of the stripe-shaped areas, a Anisotropy is generated. Two ring-shaped coils, each acting as an excitation coil and Measuring coil are used, each surround one of the two groups concave areas and generate a measuring field in the magnetostrictive layer. By that of the two groups Concave areas created anisotropy, these areas act as a flux guide for the magnetic measuring field of the two excitation coils. One group of areas reinforces this Measuring field in the compressive stress direction of the twisted shaft and the other group of Areas strengthened the measuring field in the direction of tension of the twisted shaft. Because of the wave torsion and the magnetostrictive effect result in the magnetostrictive layer in the compressive stress direction another magnetic permeability than in the tension direction, so that the magnetic circuits of the two excitation coils, from which one creates a measuring field with an increased compressive stress component and the others created a measuring field with an increased tensile stress component, due to the Wave torsion have different inductive resistances, the z. B. by means of a Bridge circuit can be compared. The difference between the inductances is then a Measure of the torsion of the shaft.
Dieser Aufbau hat den schwerwiegenden Nachteil, daß die Oberfläche der Welle verändert werden muß. Es ist ein aufwendiges Schweißverfahren notwendig, um die magnetostriktive Schicht an der Welle anzubringen und nach dem Schweißvorgang muß die Welle nochmals auf 850°C erhitzt werden, in Öl von 80°C abgeschreckt und dann bei 170°C getempert werden. Nach der thermischen Behandlung muß die Welle zur Sicherheit auf mögliche Risse, die durch das Abschrecken entstanden sein könnten, untersucht werden.This construction has the serious disadvantage that the surface of the shaft changes must become. An elaborate welding process is necessary to make the magnetostrictive Apply layer to the shaft and after the welding process the shaft must again heated to 850 ° C, quenched in 80 ° C oil and then annealed at 170 ° C become. After the thermal treatment, the shaft must be checked for possible cracks, that could have been created by the quenching are examined.
In dem Europäischen Patent EP 0 502722 B1 hat man einen magnetostriktiven Drehmomentmeßfühler für eine rotierende Welle vorgeschlagen, bei dem auf die rotierende Welle, deren Drehmoment gemessen werden soll, ein Metallfilm aus einer amorphen magnetischen Legierung auf die Oberfläche der Welle aufgeklebt wird. Der Metallfilm enthält zwei parallele Reihen schräg um die Welle umlaufender Streifenmuster, von denen das eine Streifenmuster einen Neigungswinkel von 45° gegen die Wellenachse hat und das zweite Streifenmuster einen Neigungswinkel von -45° gegen die Wellenachse aufweist.European patent EP 0 502722 B1 has a magnetostrictive Torque sensor proposed for a rotating shaft, in which on the rotating Shaft, the torque of which is to be measured, a metal film made of an amorphous magnetic alloy is glued to the surface of the shaft. The metal film contains two parallel rows of stripes that run at an angle around the shaft that a stripe pattern has an angle of inclination of 45 ° to the shaft axis and that second stripe pattern has an inclination angle of -45 ° to the shaft axis.
Das Aufkleben eines magnetostriktiven Films beeinflußt zwar die Oberfläche der Welle oder die gesamte Wellenstruktur wesentlich weniger stark als ein Aufschweißen des magnetostriktiven Bereichs. Aber auch bei diesem Sensor muß die Oberfläche der Welle, deren Drehmomentbelastung gemessen werden soll, bearbeitet werden. Ferner nimmt die Festigkeit der Verklebung mit steigender Temperatur ab, so daß die zuverlässige Übertragung des mechanischen Spannungszustandes gefährdet werden kann.The sticking of a magnetostrictive film affects the surface of the wave or the entire wave structure is much less strong than welding the magnetostrictive area. But even with this sensor, the surface of the shaft, whose torque load is to be measured. Furthermore, the Strength of the bond with increasing temperature, so that the reliable transmission of the mechanical stress state can be endangered.
Bei beiden vorbeschriebenen Drehmomentmeßfühlern ist die zu messende Welle wesentlicher Bestandteil des Drehmomentmeßfühlers. Die zuvorbeschriebenen Drehmomentmeßfühler sind daher stets nur zusammen mit einer Bearbeitung der zu messenden Welle einsetzbar. The shaft to be measured is the case for both of the torque sensors described above essential part of the torque sensor. The previously described Torque sensors are therefore always only together with a processing of measuring shaft can be used.
Ein gattungsfremder Drehmomentmeßfühler, der ohne solenoidförmige Spulen und ohne gattungsbildende magnetostriktive Streifenmuster oder magnetische Abschirmungen ausgekommt ist in der DE 43 37 852 A1 offenbart. Dieser Drehmomentmeßfühler arbeitet mit einer Vielzahl gekreuzter Induktoren, deren Spulen sich jeweils durch eine trapezförmige planare Wicklung auszeichnen.A non-generic torque sensor that without solenoid-shaped coils and without generic magnetostrictive stripe patterns or magnetic shields getting along is disclosed in DE 43 37 852 A1. This torque sensor is working with a large number of crossed inductors, the coils of which are each trapezoidal mark planar winding.
Aus der DE 40 16 955 A1 ist eine gattungsbildende Ausführungsform eines Drehmomentmeßfühlers bekannt, bei der ein ringförmiges Streifenmuster von Ausnehmungen in einer magnetischen Abschirmung zum selektiven Abschirmen einer magnetostriktiven Welle gegenüber einem Magnetfeld dient. Das Streifenmuster ist so orientiert, daß Schub- und Druckspannungskomponenten gemessen werden können. Die magnetische Abschirmung und damit das Streifenmuster ist an den Meßspulen des Drehmomentfühlers befestigt und damit mit der Welle nicht kraftschlüssig verbunden. Hierdurch werden thermische Spannungen aufgrund unterschiedlicher temperaturbedingter Längenausdehnung zwischen magnetischer Abschirmung und magnetostriktiver Welle vermieden.DE 40 16 955 A1 is a generic embodiment of a Torque sensor known in which an annular stripe pattern of Recesses in a magnetic shield for the selective shielding of a serves magnetostrictive wave against a magnetic field. The stripe pattern is like this oriented that shear and compressive stress components can be measured. The magnetic shielding and thus the stripe pattern is on the measuring coils of the Torque sensor attached and thus not non-positively connected to the shaft. As a result, thermal stresses due to different temperature-related Linear expansion between magnetic shielding and magnetostrictive wave avoided.
Die patentgemäße Ausgestaltung eines Drehmomentmeßfühler ist durch die vorgenannten Druckschriften nicht nahegelegt, da Flußführungsmittel in Form von Streifenmustern im Gegensatz zu magnetischen Abschirmungen bisher nur in kraftschlüssiger Verbindung mit einer ebenfalls magnetostriktiven Welle bekannt waren.The patented design of a torque sensor is through the aforementioned Publications not suggested, since flux guides in the form of stripe patterns in the In contrast to magnetic shielding, only a non-positive connection with an also magnetostrictive wave were known.
Wünschenswert und Aufgabe der Erfindung ist jedoch ein Drehmomentmeßfühler, der vollständig getrennt vom Meßobjekt gefertigt werden kann und der der rotierenden Welle einfach übergeschoben werden kann, ohne daß für die Messung eine Oberflächenbehandlung der Welle notwendig ist.A torque sensor, however, is desirable and the object of the invention can be manufactured completely separately from the object to be measured and that of the rotating shaft can simply be pushed over without a surface treatment for the measurement the shaft is necessary.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.According to the invention, this object is achieved by the features of the independent Claim. Further advantageous embodiments are contained in the subclaims.
Mit der Erfindung werden hauptsächlich die folgenden Vorteile erzielt:
Im Unterschied zu konventionellen magnetostriktiven Drehmomentmeßfühlern für rotierende
Wellen sind bei dem erfindungsgemäßen Drehmomentmeßfühler die Flußführungsmittel
originärer Bestandteil des Drehmomentmeßfühlers. Diese integrierte Bauweise ermöglicht es,
auf eine spezielle Bearbeitung der zu messenden Welle und der Wellenoberfläche zu
verzichten. Der erfindungsgemäße Drehmomentmeßfühler nutzt die ohnehin vorhandenen
ferromagnetischen Eigenschaften der üblicherweise für Antriebswellen verwendeten
Stahlsorten aus.The main advantages of the invention are as follows:
In contrast to conventional magnetostrictive torque sensors for rotating shafts, in the torque sensor according to the invention the flux guiding means are an original component of the torque sensor. This integrated design makes it possible to do without special processing of the shaft to be measured and the shaft surface. The torque sensor according to the invention utilizes the ferromagnetic properties of the steel grades usually used for drive shafts.
Die integrierte Bauweise des Drehmomentmeßfühlers ermöglicht es mit Vorteil, den Drehmomentmeßfühler weitgehend unabhängig von der Antriebswelle einzubauen. Hierdurch kann z. B. der Einbauort des Drehmomentmeßfühlers entlang der Antriebswelle unabhängig von einem speziell präparierten Wellenabschnitt gewählt werden.The integrated design of the torque sensor advantageously enables the Install torque sensor largely independent of the drive shaft. As a result, z. B. the location of the torque sensor along the drive shaft can be selected regardless of a specially prepared wave section.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Flußführungsmittel und die Spulenanordnung des erfindungsgemäßen Drehmomentmeßfühlers in Folientechnik gefertigt. Durch den Einsatz moderner Folientechnologie und der damit verbundenen modernen Aufbau- und Verbindungstechnik ist der erfindungsgemäße Drehmomentmeßfühler besonders geeignet für die Serienfertigung. Der erfindungsgemäße Drehmomentmeßfühler kann daher nicht zuletzt sehr kostengünstig gefertigt werden.In a preferred embodiment, the flux guide and the Coil arrangement of the torque sensor according to the invention manufactured in film technology. Through the use of modern film technology and the associated modern Construction and connection technology is the torque sensor according to the invention particularly suitable for series production. The torque sensor according to the invention last but not least, can therefore be manufactured very inexpensively.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen dargestellt und näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are described below with reference to drawings shown and explained in more detail. Show it:
Fig. 1 schematisch eine teilweise aufgeschnittene dreidimensionale Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehmomentmeßfühlers, Fig. 1 schematically shows a partially cut three-dimensional view of an embodiment of the torque sensor according to the invention,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Drehmomentmeßfühlers in der Ausführungsform nach Fig. 1 mit spiralförmig dargestellten Druckspannungslinien und Zugspannungslinien in der Oberfläche einer mit einem Drehmoment belasteten Welle, Fig. 2 is a sectional view of a torque sensor according to the invention in the embodiment of FIG. 1 with spirally shown compressive stress lines and Zugspannungslinien in the surface of a loaded with a torque shaft,
Fig. 3 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehmomentmeßfühlers mit zwei getrennten Meßspulen und zwei getrennten Erregerspulen, Fig. 3 shows an embodiment of the torque sensor according to the invention with two separate measurement coils and two separate excitation coils,
Fig. 4 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehmomentmeßfühlers, bei dem die beiden Meßspulen zugleich als Erregerspulen wirken, Fig. 4 shows an embodiment of the torque sensor according to the invention, in which the two sensing coils at the same time act as exciting coils,
Fig. 5 eine Detaildarstellung eines Streifensystems für die Flußführungsmittel eines erfindungsgemäßen Drehmomentmeßfühlers, bei dem das Streifensystem aus einer Vielzahl ferromagnetischer paraller Streifen gebildet ist, Fig. 5 is a detail view of a strip of a torque sensor system for the Flußführungsmittel according to the invention, in which the fringe system is formed of a plurality of ferromagnetic paraller strip,
Fig. 6 eine alternative Detaildarstellung eines Streifensystems für die Flußführungsmittel in Folientechnologie, Fig. 6 shows an alternative detailed view of a system for the strip Flußführungsmittel in film technology,
Fig. 7 eine Detaildarstellung eines Streifensystems für die Flußführungsmittel eines erfindungsgemäßen Drehmomentmeßfühlers, bei dem das Streifensystem aus einer Vielzahl paralleler V-förmiger erhabener Winkel aus ferromagnetischem Material gebildet ist. Fig. 7 is a detailed view of a strip system for the flux guide means of a torque sensor according to the invention, in which the strip system is formed from a plurality of parallel V-shaped raised angles made of ferromagnetic material.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehmomentmeßfühlers 1 in einer teilweise aufgeschnittenen, dreidimensionalen Darstellung. Der Drehmomentmeßfühler ist auf eine Welle 2 aufgeschoben. In einem ringförmigen magnetischen Joch 6 sind eine Erregerspule 8 und zwei getrennte Meßspulen 4 und 5 angeordnet. Die Erregerspule 8 bildet zusammen mit den Meßspulen 4, 5 eine solenoidförmige Spulenanordnung 3 zur Erzeugung eines magnetischen Meßfeldes, das vom magnetischen Joch 6 in die zu messende Welle 2 eingekoppelt wird. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform bildet das magnetische Joch 6 ein tragendes Element des integrierten Meßfühlers und schließt den Meßfühler als tubusförmiger Gehäusebestandteil nach außen hin ab. Im Innern des tubusförmigen Jochs sind in jeweils einer umlaufenden Nut des Jochs 6 die beiden Meßspulen 4, 5 angebracht. Mit den Meßspulen 4 und 5 wird das von der Erregerspule 8 in die Welle 2 induzierte magnetische Feld gemessen. Da das Meßfeld auch die zu messende Welle durchsetzt, ändert sich aufgrund des magnetostriktiven Effektes die magnetische Induktion mit der Veränderung des Belastungszustandes der Welle durch z. B. die Einwirkung eines Drehmomentes. Dies macht sich bemerkbar durch eine Veränderung der von den Meßspulen erfaßten magnetischen Widerständen. Da der Drehmomentmeßfühler aufgrund seiner rohrförmigen Gestalt die Welle 2 am ganzen Umfang umfaßt und weil die Meßspulen und die Erregerspulen die Welle 2 auch am ganzen Umfang umfassen, wird in den Meßspulen 4, 5 ein über den Wellenumfang gemitteltes Meßsignal erzeugt. Damit sich die unterschiedlichen Signalanteile in Druckspannungsrichtung und Zugspannungsrichtung nicht über den Wellenumfang aufheben, ist es notwendig eine magnetische Anisotropie zu erzeugen, die eine Trennung der beiden Signalanteile erlaubt. Hierzu enthält der Drehmomentmeßfühler Flußführungsmittel (7), die das Meßfeld in jeweils einer Vorzugsrichtung besonders verstärken. Sinnvollerweise wählt man die räumliche Vorzugsrichtung der Flußführungsmittel derart, daß bei einer Meßspule 4, die Druckspannungskomponente verstärkt wird und in der anderen Meßspule 5 die Zugspannungskomponente verstärkt wird. Dies gelingt, indem man die Flußführungsmittel 7, als ringförmige Streifensysteme (7a, 7b) ausbildet, deren Streifenmuster eine Vorzugsrichtung parallel zur Druckspannungslinie der Welle hat oder eine Vorzugsrichtung parallel zur Zugspannungslinie der Welle 2 hat, oder beide Vorzugsrichtungen aufweist. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die Flußführungsmittel in einen rohrförmigen Träger (11) integriert, der ebenfalls Bestandteil des Drehmomentmeßfühlers ist und die Spulenanordnung zur Wellenoberfläche hin abdeckt. Hierdurch entsteht aus dem magnetischen Joch 6 und dem Träger 11 ein allseitig geschlossenes Gehäuse eines integrierten magnetostriktiven Drehmomentmeßfühlers, der in seinem Inneren sämtliche zur Drehmomentmessung notwendigen Spulenanordnungen und Flußführungsmittel aufweist. Der Träger 11, der auch als Abdeckung bezeichnet werden kann, schützt die Meßspulen vor Verschmutzung und Feuchtigkeitseinwirkung und ermöglicht gegebenenfalls eine leichte Reinigung des Drehmomentmeßfühlers. Fig. 1 shows an embodiment of a torque sensor 1 according to the invention in a partially cut, three-dimensional representation. The torque sensor is pushed onto a shaft 2 . An excitation coil 8 and two separate measuring coils 4 and 5 are arranged in an annular magnetic yoke 6 . The excitation coil 8 forms, together with the measuring coils 4 , 5, a solenoid-shaped coil arrangement 3 for generating a magnetic measuring field, which is coupled into the shaft 2 to be measured by the magnetic yoke 6 . In the embodiment shown in FIG. 1, the magnetic yoke 6 forms a supporting element of the integrated sensor and closes off the sensor as a tubular housing component from the outside. In the interior of the tubular yoke, the two measuring coils 4 , 5 are each installed in a circumferential groove of the yoke 6 . With the measuring coils 4 and 5 , the magnetic field induced by the excitation coil 8 in the shaft 2 is measured. Since the measuring field also penetrates the wave to be measured, the magnetic induction changes due to the magnetostrictive effect with the change in the load state of the wave by z. B. the action of a torque. This is noticeable through a change in the magnetic resistances detected by the measuring coils. Since the torque sensor, due to its tubular shape, encompasses the shaft 2 over the entire circumference and because the measuring coils and the excitation coils also encompass the shaft 2 over the entire circumference, a measuring signal averaged over the shaft circumference is generated in the measuring coils 4 , 5 . So that the different signal components in the compressive stress direction and tensile stress direction do not cancel each other out over the shaft circumference, it is necessary to generate a magnetic anisotropy which allows the two signal components to be separated. For this purpose, the torque sensor contains flux guiding means ( 7 ), which particularly strengthen the measuring field in one preferred direction. It makes sense to choose the preferred spatial direction of the flux guiding means in such a way that the compressive stress component is amplified in one measuring coil 4 and the tensile stress component is amplified in the other measuring coil 5 . This is achieved by designing the flux guiding means 7 as ring-shaped stripe systems ( 7 a, 7 b), the stripe pattern of which has a preferred direction parallel to the compressive stress line of the shaft or a preferential direction parallel to the tensile stress line of the shaft 2 , or has both preferred directions. In the embodiment of FIG. 1, the flux guiding means are integrated in a tubular support ( 11 ) which is also part of the torque sensor and covers the coil arrangement towards the shaft surface. As a result, the magnetic yoke 6 and the carrier 11 form a housing of an integrated magnetostrictive torque sensor which is closed on all sides and which has in its interior all the coil arrangements and flux guiding means necessary for torque measurement. The carrier 11 , which can also be referred to as a cover, protects the measuring coils against dirt and moisture and, if necessary, enables the torque sensor to be cleaned easily.
Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels der Fig. 1. Gleiche Vorrichtungsmerkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sind die bereits angesprochenen, gedanklichen Druckspannungslinien σc und Zugspannungslinien σT in der mit einem Drehmoment belasteten Welle eingezeichnet. Bekanntlich stehen Druckspannung und Zugspannung aufeinander senkrecht und lassen sich daher durch Flußführungsmittel 7, 7a, 7b, die jeweils unterschiedliche Magnetfeldanteile bevorzugt verstärken, meßtechnisch trennen. Mit B1 und B2 sind die beiden geschlossenen magnetischen Kreise zwischen jeder der beiden Meßspulen 4 und 5 und der zu messenden Welle 2 bezeichnet. Die Funktionsweise des Drehmomentsensors ist nun wie folgt. FIG. 2 shows a schematic sectional illustration of the exemplary embodiment in FIG. 1. Identical device features are provided with the same reference symbols. To further explain the invention, the already mentioned, theoretical compressive stress lines σ c and tensile stress lines σ T are shown in the shaft loaded with a torque. As is known, compressive stress and tensile stress are perpendicular to one another and can therefore be separated by measuring means by flux guiding means 7 , 7 a, 7 b, which preferably amplify different magnetic field components. B1 and B2 denote the two closed magnetic circuits between each of the two measuring coils 4 and 5 and the shaft 2 to be measured. The torque sensor now works as follows.
Das magnetische Meßfeld wird durch die konstruktive Ausgestaltung des magnetischen Jochs 6 in die Welle 2 eingekoppelt und in zwei geschlossene magnetische Kreise B1 und B2 aufgeteilt. The magnetic measuring field is coupled into the shaft 2 by the design of the magnetic yoke 6 and divided into two closed magnetic circuits B1 and B2.
Der magnetische Kreis B1 umfaßt die Meßspule 4, die Flußführungsmittel 7 mit dem Streifenmuster 7a, das magnetische Joch 6 und die Welle 2. Im gezeigten Ausführungsbeispiel soll beispielhaft das Streifenmuster 7a eine Vorzugsorientierung parallalel zur Druckspannungslinie σC haben. Dann werden im magnetischen Kreis B1 die Magnetfeldanteile parallel zur Druckspannungslinie verstärkt und von der Meßspule 4 in Druckspannungsrichtung gemessen.The magnetic circuit B1 comprises the measuring coil 4 , the flux guide 7 with the stripe pattern 7 a, the magnetic yoke 6 and the shaft 2 . In the exemplary embodiment shown, the stripe pattern 7 a should have a preferred orientation parallel to the compressive stress line σ C , for example. Then the magnetic field portions in the magnetic circuit B1 are amplified parallel to the compressive stress line and measured by the measuring coil 4 in the compressive stress direction.
Der magnetische Kreis B2 umfaßt die Meßspule 5, die Flußführungsmittel 7 mit dem Streifenmuster 7b, das magnetische Joch 6 und die Welle 2. Im gezeigten Ausführungsbeispiel hat dann das Streifenmuster 7b eine Vorzugsorientierung parallel zur Zugspannungslinie σT. Dadurch werden im magnetischen Kreis B2 die Magnetfeldanteile parallel zur Zugspannungslinie verstärkt und von der Meßspule 5 in Zugspannungslinie gemessen.The magnetic circuit B2 comprises the measuring coil 5 , the flux guiding means 7 with the stripe pattern 7 b, the magnetic yoke 6 and the shaft 2 . In the exemplary embodiment shown, the stripe pattern 7 b then has a preferred orientation parallel to the tension line σ T. As a result, the magnetic field components in the magnetic circuit B2 are amplified parallel to the tension line and measured by the measuring coil 5 in the tension line.
Man hat also einen magnetostriktiven Drehmomentmeßfühler an dessen einer Meßspule ein Meßsignal als Maß für die in der Welle vorhandene Druckspannung auftritt und an dessen anderer Meßspule ein Signal als Maß für die in der Welle vorhandene Zugspannung auftritt. Die Meßsignale können dann in an sich bekannter Weise an den Meßspulen abgegriffen werden und mit ebenfalls an sich bekannten Meßwerterfassungen erfaßt, weiterverarbeitet und ausgewertet werden. Die Meßwerterfassung ist nicht mehr Bestandteil der Erfindung.So you have a magnetostrictive torque sensor on one of the measuring coils Measuring signal occurs as a measure of the compressive stress present in the shaft and at its another measuring coil, a signal occurs as a measure of the tensile stress present in the shaft. The measurement signals can then be tapped at the measuring coils in a manner known per se are further processed and also recorded with known measured value acquisitions and be evaluated. The measured value acquisition is no longer part of the invention.
Die Fig. 3 bis 7 zeigen weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Drehmomentmeßfühlers. So zeigt Fig. 3 einen Drehmomentmeßfühler bei dem an Stelle der in Fig. 1 gezeigten einteiligen Erregerspule, zwei getrennte Erregerspulen 8a und 8b verwendet werden. Die Erregerspule 8a erzeugt dann das Meßfeld für die Meßspule 4 und die Erregerspule 8b erzeugt das Meßfeld für die Meßspule 5. FIGS. 3 to 7 show further embodiments of the torque sensor according to the invention. Thus, FIG. 3 shows a torque sensor in which separate in place of the one-piece exciting coil shown in Fig. 1, two excitation coils 8 a and 8 are used b. The excitation coil 8 a then generates the measuring field for the measuring coil 4 and the excitation coil 8 b generates the measuring field for the measuring coil 5 .
Fig. 4 zeigt eine besonders kostengünstige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehmomentmeßfühlers, bei der die magnetischen Meßfelder mit den Meßspulen erzeugt werden. Hierdurch können mit Vorteil die getrennten Erregerspulen entfallen. Es muß jedoch für die Detektion des Meßsignals aus dem Erregerstrom der Meßspulen ein erhöhter meßtechnischer Aufwand getrieben werden. Fig. 4 shows a particularly inexpensive embodiment of the torque sensor according to the invention, in which the magnetic measuring fields are generated with the measuring coils. As a result, the separate excitation coils can advantageously be omitted. However, for the detection of the measurement signal from the excitation current of the measurement coils, an increased expenditure on measurement technology must be made.
Die Fig. 5 bis 7 zeigen Detaildarstellungen von möglichen Streifenmuster für die Flußführungsmittel eines erfindungsgemäßen Drehmomentmeßfühlers. In Fig. 5 sind auf einem rohrförmigen Träger 11 zwei Ringe angebracht, die jeweils eine Vielzahl paralleler länglicher Streifen 10 von ferritischen Materialien oder anderen den magnetischen Fluß leitenden Materialien enthalten. Diese Streifen bilden die bereits erwähnten Streifenmuster 7a, 7b. Die vorzugsweise ferritischen Streifen 10 des Streifenmusters 7a haben hierbei eine Vorzugsorientierung der Streifen von 45° gegenüber der Längsachse des rohrförmigen Trägers 11. Während die vorzugsweise ferritischen Streifen 10 des Streifenmusters 7b in einem Winkel von -45° gegen die Längsachse des rohrförmigen Trägers 11 geneigt sind. Verlängert man die Streifen des Streifenmuster 7a und die Streifen des Streifenmusters 7b gedanklich jeweils mit einer Geraden, so würden sich diese Geraden also in einem rechten Winkel schneiden, so wie sich auch die Druckspannungslinien und die Zugspannungslinien in einer drehmomentbehafteten Welle senkrecht schneiden. Da die Längsachse des rohrförmigen Trägers 11 im Meßbetrieb mit der Wellenachse der zu messenden Welle zusammenfällt, ist jeweils eines der Streifenmuster parallel zur Druckspannungsrichtung, während das jeweils andere Streifenmuster parallel zur Zugspannungsrichtung ist. Das heißt, mit einem Drehmomentmeßfühler, der ein Streifenmuster der hier gezeigten Art hat, lassen sich die beiden Signalanteile für die Druckspannungsrichtung und die Zugspannungsrichtung vorteilhaft trennen und messen. Figs. 5 to 7 show detailed views of possible stripe pattern for the Flußführungsmittel of a torque sensor according to the invention. In Fig. 5, two rings are mounted on a tubular support 11 , each containing a plurality of parallel elongated strips 10 of ferritic materials or other materials that conduct magnetic flux. These strips form the strip patterns 7 a, 7 b already mentioned. The preferably ferritic strips 10 of the strip pattern 7 a have a preferred orientation of the strips of 45 ° with respect to the longitudinal axis of the tubular carrier 11 . While the preferably ferritic strips 10 of the strip pattern 7 b are inclined at an angle of -45 ° to the longitudinal axis of the tubular support 11 . If you lengthen the stripes of the stripe pattern 7 a and the stripes of the stripe pattern 7 b each with a straight line, then these straight lines would intersect at a right angle, just as the compressive stress lines and the tensile stress lines intersect vertically in a torque-laden shaft. Since the longitudinal axis of the tubular support 11 coincides with the shaft axis of the shaft to be measured in the measuring mode, one of the stripe patterns is parallel to the compressive stress direction, while the other stripe pattern is parallel to the tensile stress direction. That is, with a torque sensor that has a stripe pattern of the type shown here, the two signal components for the compressive stress direction and the tensile stress direction can advantageously be separated and measured.
Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform für das bereits in Fig. 5 beschriebene Streifenmuster. Ein Drehmomentmeßfühler mit einem Streifenmuster der Fig. 6 läßt sich vorteilhafterweise zumindest teilweise in Folientechnologie fertigen. In einer alternativen Ausführungsform können auf dem rohrförmigen Träger dann auch die Spulenanordnung in Folientechnologie aufgebracht werden. Der Träger 11 ist dann gleichzeitig der Spulenträger für eine der Spulenanordnungen aus den Fig. 1 bis 4. Ein teilweise in Folientechnik hergestellter Drehmomentmeßfühler kann sehr kompakt und kostengünstig gefertigt werden und ist für die Serienproduktion geeignet. FIG. 6 shows another embodiment for the stripe pattern already described in FIG. 5. A torque sensor with a striped pattern of FIG. 6 can advantageously be manufactured at least partially using film technology. In an alternative embodiment, the coil arrangement can then also be applied to the tubular support using film technology. The carrier 11 is then at the same time the coil carrier for one of the coil arrangements from FIGS. 1 to 4. A torque sensor partially produced using film technology can be manufactured in a very compact and cost-effective manner and is suitable for series production.
Fig. 7 zeigt nochmals eine Variante für ein mögliches Streifenmuster für einen erfindungsgemäßen Drehmomentmeßfühler. In diesem Ausführungsbeispiel besteht das Streifenmuster aus einer Vielzahl paraller V-förmiger Winkel 13, deren Schenkel jeweils einen Winkel von 45°, respektive -45° gegen die Längsachse der Trägers 11 bilden. Die Winkel können als erhabene ferritische Streifen analog zu Fig. 5 ausgebildet sein. Ein V- förmiges Streifenmuster 9 erlaubt eine besonders kompakte Bauweise eines erfindungsgemäßen Drehmomentmeßfühlers, da mit einem V-förmigen Streifenmuster die beiden Meßspulen 4 und 5 dicht nebeneinander angeordnet sein können. FIG. 7 again shows a variant for a possible stripe pattern for a torque sensor according to the invention. In this embodiment, the stripe pattern consists of a plurality of parallel V-shaped angles 13 , the legs of which each form an angle of 45 ° or -45 ° with respect to the longitudinal axis of the carrier 11 . The angles can be designed as raised ferritic strips analogous to FIG. 5. A V-shaped stripe pattern 9 allows a particularly compact design of a torque sensor according to the invention, since the two measuring coils 4 and 5 can be arranged close to one another with a V-shaped stripe pattern.
Claims (6)
einer solenoidförmigen Spulenanordnung (3), die auf die zu messende Welle (2) aufschiebbar ist und aus mindestens einer ersten Meßspule (4) und einer zweiten Meßspule (5) besteht,
einem ringförmigem magnetischen Joch (6), das die Spulenanordnung (3) an ihrem äußeren Umfang umfaßt, zur Ausbildung eines Meßfeldes aus zwei geschloßenen magnetischen Kreisen (B1, B2) zwischen jeder der beiden Meßspulen (4, 5) und der zu messenden Welle (2),
Flußführungsmitteln (7), die entweder aus zwei getrennten ringförmigen Streifensystemen (7a, 7b) oder aus einem ringförmigen Streifensystem (7c) mit einem V- förmigen Streifenmuster (9) bestehen und zur Aufteilung des Meßfeldes (B1, B2) in eine Druckspannungskomponente (σC) und eine Zugspannungskomponente (σT) dienen,
bei dem die Flußführungsmittel (7) integraler Bestandteil der Spulen/Jochanordnung (3, 6) sind und die erste Meßspule (4) die Druckspannungskomponente (σC) des Meßfeldes (B1) erfaßt und die zweite Meßspule (5) die Zugspannungskomponente (σT) des Meßfeldes (B2) erfaßt,
und die Flußführungsmittel (7) aus ferromagnetischen, insbesondere ferritischen Materialien bestehen. 1. Magnetostrictive torque sensor ( 1 ) for detecting the torque load of a shaft ( 2 ) with
a solenoid-shaped coil arrangement ( 3 ) which can be pushed onto the shaft ( 2 ) to be measured and which consists of at least a first measuring coil ( 4 ) and a second measuring coil ( 5 ),
an annular magnetic yoke ( 6 ), which comprises the coil arrangement ( 3 ) on its outer circumference, for forming a measuring field from two closed magnetic circuits (B 1 , B 2 ) between each of the two measuring coils ( 4 , 5 ) and the one to be measured Shaft ( 2 ),
Flux guiding means ( 7 ), which either consist of two separate annular strip systems ( 7 a, 7 b) or of an annular strip system ( 7 c) with a V-shaped strip pattern ( 9 ) and for dividing the measuring field (B 1 , B 2 ) serve in a compressive stress component (σ C ) and a tensile stress component (σ T ),
in which the flux guiding means ( 7 ) are an integral part of the coil / yoke arrangement ( 3 , 6 ) and the first measuring coil ( 4 ) detects the compressive stress component (σ C ) of the measuring field (B 1 ) and the second measuring coil ( 5 ) the tensile stress component (σ T ) of the measuring field (B 2 ),
and the flux guiding means ( 7 ) consist of ferromagnetic, in particular ferritic, materials.
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