DE102006017727A1

DE102006017727A1 - Berührungslose Sensorvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften einer Welle

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Publication number: DE102006017727A1
Application number: DE200610017727
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. Hillenbrand (Fh); Klaus Dipl.-Phys. Hoffmann; Reiner Dr. Schaub; Winfried Stiltz
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-04-15
Filing date: 2006-04-15
Publication date: 2007-10-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine berührungslose Sensorvorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften einer Welle (30) mit einer Erregerspule (20), die mit symmetrisch zur Erregerspule (20) angeordneten Sensorspulen (22, 24, 26, 28) zusammenwirkt, wobei eine Spulenlängsachse (42) der Erregerspule (20) senkrecht zu einer Wellenlängsachse (40) angeordnet ist und wobei die Sensorspulen (22, 24, 26, 28) in einer bevorzugten Orientierung zu der Welle (30) angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind die Erregerspule (20) und zwei Sensorspulen (22, 24, 26, 28) in Ecken eines gleichschenkligen Dreiecks so bezüglich der Welle (30) angeordnet, dass in der gewählten Anordnung eine Erfassung von Drehmoment und Drehzahl oder Drehmoment und axialer Position der Welle (30) durchführbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften einer Welle (30).

Description

Die Erfindung betrifft eine berührungslose Sensorvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften einer Welle nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Zur Bestimmung von Eigenschaften bzw. Zuständen einer Welle, wie etwa deren Drehmoment, deren Drehzahl oder deren Position, sind eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Häufig beruhen die Verfahren auf gezielten Veränderungen der Welle. So kann die Welle selbst magnetisiert werden oder eine magnetisierte Hülle aufgebracht werden. Entsprechend aufwändig ist die Sensorvorrichtung.
Aus der Offenlegungsschrift DE 33 19 449 A1 ist ein magnetoelastischer Drehmomentgeber bekannt, bei dem zwei stationäre Erregerwicklungen und zwei stationäre Messwicklungen konzentrisch zur Welle angeordnet sind. Weiterhin ist ein ebenfalls konzentrisch zur Welle angeordneter magnetischer Kern vorgesehen, der einerseits die Wicklungen umgibt und andererseits eine Trennwand zwischen den Wicklungen bildet. Auf beiden Seiten des Kerns werden im unbelasteten Zustand gleich große magnetische Flüsse induziert. Kern und Wicklungen umgibt eine weichmagnetische Hülse, die in einem bestimmten axialen Abstand voneinander zwei parallele Zonen aufweist, in denen jeweils eine Mehrzahl von zueinander parallelen Schlitzen ausgebildet ist, wobei die Schlitze der beiden Zonen mit der achsparallelen Mantellinie der Hülse einen Winkel von +45° bzw. -45° einschließen.
Aus der DE 32 06 503 C1 ist ein Drehmomentaufnehmer einer Welle bekannt, bei dem vier Sensorspulen symmetrisch um eine Erregerspule angeordnet sind. Die Anordnung bildet ein Quadrat mit den Sensorspulen in den Ecken und der Erregerspule im Zentrum des Quadrats. Die Grundfläche ist tangential zur Welle angeordnet, und die Spulenlängsachsen sind jeweils senkrecht zur Wellenlängsachse ausgerichtet. Die Diagonalen des Quadrats sind um +45° bzw. -45° zur Wellenlängsachse orientiert und folgen damit Hauptspannungslinien des Wellenmaterials.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer berührungslosen Sensorvorrichtung sowie eines Verfahrens zur Bestimmung von Eigenschaften einer Welle, bei der eine Vorbehandlung der Welle entfallen kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Bei der erfindungsgemäßen berührungslosen Sensorvorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften einer Welle wirkt eine Erregerspule mit wenigstens einem Paar von Sensorspulen zusammen, die in einer bevorzugten Orientierung zu der Welle angeordnet sind. Bevorzugt entspricht die Orientierung so genannten Hauptspannungslinien der Welle, welche sich aus mechanischen Spannungsverhältnissen ergeben. Vorteilhaft kann mit einer einzigen Sensorvorrichtung eine berührungslose Messung von Drehmoment, Drehzahl und einer axialen bzw. linearen Wellenverschiebung durchgeführt werden. Eine Vorbehandlung der Welle ist nicht notwendig. Die Sensorvorrichtung kann geeignet neben der Welle platziert werden und muss nicht konzentrisch zu dieser angeordnet werden. Dies ist beispielsweise bei Wellen in Kraftfahrzeugen günstig, da dort in der Regel kaum zusätzlicher Bauraum verfügbar ist und eine Montage von derartigen Komponenten aus Kosten- und Zuverlässigkeitsgründen möglichst wenig aufwändig sein sollte. Bei der Sensorvorrichtung kann vorteilhaft ein magnetoelastischer Effekt einer insbesondere aus ferromagnetischem Material, beispielsweise Stahl, gefertigten Welle ausgenutzt werden.
Die Erregerspule ist mit ihrer Spulenlängsachse senkrecht zu einer Wellenlängsachse angeordnet, wobei sie in ihrer Verlängerung die Wellenlängsachse schneidet. Dies ermöglicht eine geometrisch besonders einfache Anordnung und eine leicht interpretierbare Auswertung der Messgrößen. Erfindungsgemäß sind die Erregerspule und zwei Sensorspulen in Ecken eines gleichschenkligen Dreiecks so bezüglich der Welle angeordnet, dass in der gewählten Anordnung eine Erfassung von Drehmoment und Drehzahl oder Drehmoment und axialer Position der Welle durchführbar ist. Sind vier Sensorspulen vorgesehen, ergibt sich die Anordnung so, dass je zwei Sensorspulen in zueinander orthogonalen Ebenen angeordnet sind, wobei deren Spulenlängsachsen und die Längsachse der Erregerspule in der jeweiligen Ebene liegen. Mit dieser Anordnung kann eine höhere Messgenauigkeit erreicht werden.
Dabei können die Spulenlängsachsen der Sensorspulen parallel zur Spulenlängsachse der Erregerspule und senkrecht zu einer Wellenlängsachse angeordnet sein. Die Sensorspulen und die Erregerspule sind in diesem Fall an ihrem der Welle zugewandten Ende tangential zur Welle angeordnet. Diese Ausgestaltung ist relativ einfach zu fertigen.
Die Spulenlängsachsen der Sensorspulen und die Spulenlängsachse der Erregerspule können sich an der Wellenlängsachse schneiden. Die Sensorspulen und die Erregerspule weisen dann an ihrem der Welle zugewandten Ende denselben Abstand von der Wellenlängsachse auf. Diese Ausgestaltung ist sehr Platz sparend.
Vorteilhaft sind abhängig von einem angewendeten Messverfahren zur Bestimmung des Drehmoments, der Drehzahl und/oder der axialen Position der Welle jeweils die Sensorspulen auf derselben Seite der Wellenlängsachse oder die Sensorspulen auf unterschiedlichen Seiten der Wellenlängsachse zur Bestimmung der jeweiligen Größe anordenbar und/oder korrelierbar. Es gelingt, mit einem einzigen Sensorspulenpaar durch geeignete Verknüpfung der Sensorsignale und geeignete Orientierung des Sensorspulenpaares unterschiedliche Messgrößen zu gewinnen. Dabei ist bei der Ausgestaltung mit zwei Sensorspulen der Sensor einfach um die Spulenlängsachse der Erregerspule um 90° gedreht worden, um von der einen Messanordnung, in der beispielsweise Drehmoment und Drehzahl bestimmt werden, in die Messanordnung zur Bestimmung von Drehmoment und axialer Position bzw. Verschiebung der Welle umzuschalten.
Bei der Ausgestaltung mit vier Sensorspulen sind zweckmäßigerweise die Ebenen unter 45° zur Wellenlängsachse angeordnet. Durch die gewählte Symmetrie lassen sich aus dem Vergleich von Spannungssignalen der verschiedenen Sensorspulen in gegebenenfalls unterschiedlicher Kombination unterschiedliche Messgrößen bei unveränderter Anordnung der Sensorvorrichtung gewinnen.
Bevorzugt sind die Paare bildenden Sensorspulen elektrisch in Serie geschaltet. Dadurch kann die Signalgröße insbesondere bei der Bestimmung des Drehmoments verdoppelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften einer Welle mit einer Sensorvorrichtung sieht vor, dass ein Erregersignal der Erregerspule in die Sensorspulen eingespeist wird und resultierende Spannungssignale von jeweils mindestens zwei Sensorspulen miteinander verglichen werden, um ein Drehmoment und/oder eine Drehzahl und/oder eine axiale Position der Welle zu bestimmen, wobei je nach zu bestimmender Größe Spannungssignale von zwei Sensorspulen entweder auf derselben Seite der Wellenlängsachse oder auf verschiedenen Seiten der Wellenlängsachse miteinander korreliert werden.
Die zwei Spulen können beispielsweise in zueinander orthogonalen Ebenen angeordnet sein und auf derselben Seite der Wellenlängsachse auf unterschiedlicher axialer Höhe oder auf verschiedenen Seiten der Wellenlängsachse auf gleicher axialer Höhe der Wellenlängsachse.
Vorteilhafterweise werden zur Bestimmung des Drehmoments der Welle die Spannungssignale von auf orthogonalen Hauptspannungslinien liegenden Sensorspulen miteinander verglichen. Bevorzugt wird das Drehmoment aus einer Differenz von gleichgerichteten Werten der Spannungssignale bestimmt.
In einem bevorzugten Verfahrensschritt wird die Drehzahl der Welle aus einem zeitlichen Versatz der Spannungssignale derjenigen Sensorspulen bestimmt, welche bezogen auf eine Wellenlängsachse auf verschiedenen Seiten der Wellenlängsachse positioniert sind. Bevorzugt kann die Drehzahl aus dem zeitlichen Versatz und einem umfänglichen Abstand der Sensorspulen bestimmt werden. Die zwei Sensorspulen liegen auf gleicher axialer Höhe der Wellenlängsachse.
In einem weiteren günstigen Verfahrensschritt kann die axiale Position der Welle aus einem zeitlichen Versatz der Spannungssignale derjenigen Sensorspulen bestimmt werden, die auf axial beabstandeten Hauptspannungslinien angeordnet sind. Dabei kann die axiale Position bevorzugt aus dem zeitlichen Versatz und einem axialen Abstand der Sensorspulen bestimmt werden. Die zwei Sensorspulen liegen auf unterschiedlicher axialer Höhe der Wellenlängsachse.
Günstigerweise kann der zeitliche Versatz der Spannungssignale durch wenigstens eines der Verfahren Korrelation, schnelle Fouriertransformation, phasengekoppelte Regelungsschleife ausgewertet werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in der Zeichnung beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt zu sein.
Dabei zeigen:
1 eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung mit zwei Sensorspulen in einer Anordnung zur Bestimmung von Drehmoment und Drehzahl;
2 eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung mit zwei Sensorspulen in einer Anordnung zur Bestimmung von Drehmoment und axialer Position einer Welle;
3 eine bevorzugte Sensorvorrichtung mit vier Sensorspulen; und
4 einen Schnitt durch eine bevorzugte gekrümmte (a) und tangentiale (b) Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung.
1 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung 10 zur Bestimmung eines Drehmoments und einer Drehzahl einer Welle 30. Die Sensorvorrichtung 10 weist zwei Sensorspulen 22, 28 auf, die mit einer Erregerspule 20 in Wirkverbindung stehen, wobei die Sensorspulen 22, 28 und die Erregerspule 20 in den Ecken eines gleichschenkligen Dreiecks angeordnet sind. Die Erregerspule 20 ist in der Spitze des Dreiecks angeordnet, an der sich der rechte Winkel des gleichschenkligen Dreiecks befindet. Die Sensorspulen 22, 28 sind mit ihren Spulenlängsachsen parallel zur Spulenlängsachse 42 der Erregerspule 20 angeordnet. Die Sensorspulen 22, 28 sind auf verschiedenen Seiten der Wellenlängsachse 40 auf gleicher axialer Höhe angeordnet.
Die Sensorspulen 22, 28 sind in einer bevorzugten Orientierung zu der Welle 30 angeordnet, welche so genannten Hauptspannungslinien 34a, 34b, 34c und 36a, 36b, 36c entspricht.
Wird die gezeigte Welle 30 durch ein Drehmoment belastet, bilden sich in ihr mechanische Torsionsspannungen. Dadurch dehnt bzw. staucht sich das Wellenmaterial und bewirkt eine Änderung der Permeabilität des Wellenmaterials. Dies ist allgemein als magnetoelastischer Effekt bekannt. Die Torsionsspannungen sind unmittelbar an der Oberfläche der Welle 30 unter einem Winkel von 45° zur Wellenlängsachse 30 am höchsten. Torsionsspannungen können in Zug- und Druckkomponenten, die im rechten Winkel zueinander stehen, zerlegt werden. Dies ist in der 1 durch die Hauptspannungslinien 34a, 34b, 34c und 36a, 36b, 36c dargestellt.
Wird die Welle 30 in der durch kleine Pfeile an ihren Stirnseiten 32 bzw. 34 angedeuteten Weise mit Drehmoment belastet, d.h. in der gezeigten Weise an ihrem Stirnseiten 32, 34 in verschiedene Richtungen tordiert, entsprechen die Hauptspannungslinien 34a, 34b, 34c denen einer Zugspannung und die Hauptspannungslinien 36a, 36b, 36c denen einer Druckspannung. Das Wellenmaterial wird also in der einen Richtung gedehnt und in der anderen Richtung, die im rechten Winkel dazu verläuft, gestaucht. Proportional dazu erhöht bzw. verringert sich die Permeabilität des Wellenmaterials, vorzugsweise aus ferromagnetischem Material (z.B. Stahl).
Die Sensorvorrichtung 10 nutzt die Permeabilitätsänderung des Stahls unter Belastung durch Drehmomente. Dazu ist die Erregerspule 20 zentrisch mit ihrer Spulenlängsachse 42 zu einer Wellenlängsachse 40 der Welle 30 angeordnet. In ihrer Verlängerung schneidet sie die Wellenlängsachse 40.
Die Erregerspule 20 magnetisiert die Wellenoberfläche mit einem hochfrequenten Wechselstrom. Unter einem Winkel von 45° zur Wellenlängsachse 40, nämlich auf den Hauptspannungslinien 34a-34c, 36a-36c, sind die Sensorspulen 22 und 28 angeordnet, in welche jeweils eine Wechselspannung mit der Erregerfrequenz induziert wird. Die Sensorspulen 22, 28 sind gleich weit von der Erregerspule 20 entfernt.
Die Erregerspule 20 induziert die Wechselspannung über einen Wechselwirkungskreis 44a, 44b in die Sensorspule 22 und über einen weiteren Wechselwirkungskreis 46c, 46d in die Sensorspule 28, wie mit Pfeilen zwischen der Erregerspule 20 und den Sensorspulen 22, 28 angedeutet ist. Teile der Wechselwirkungskreise 44a und 46c verlaufen dabei in der Oberfläche der Welle 30, und zwar entlang von Bereichen, die komprimiert bzw. gedehnt sind.
Durch Permeabilitätsänderungen des Stahls der Welle 30 unter Torsionsbeanspruchung wird entsprechend der dargestellten Torsionsrichtungen in der Sensorspule 22 (Hauptspannungslinie 34b mit Zugbelastung) beispielsweise eine höhere elektrische Spannung induziert als in der Sensorspule 28 (Hauptspannungslinie 36b mit Druckbelastung). Es hängt dabei von der Materialzusammensetzung ab, wie sich die Permeabilität bei Zug- bzw. Druckbelastung ändert. Dies bedeutet, dass bei einer entsprechenden Materialwahl bei Zugbelastung auch eine kleinere Spannung induziert werden kann.
Um ein dem Drehmoment proportionales Spannungssignal zu erhalten, werden die Spannungssignale der Sensorspulen 22 und 28 elektrisch gleichgerichtet und eine Differenz gebildet. Die Differenz der gleichgerichteten Spannungssignale ergibt ein dem Drehmoment proportionales Messsignal. Durch entsprechende Eichmessungen kann gegebenenfalls eine Absolutmessung vorgenommen werden.
Ferromagnetische Wellen 30 besitzen herstellungsbedingt innere, fest eingeprägte, von Ort zu Ort variierende Zug- und Druckspannungen. Diese beeinflussen ebenfalls die magnetischen Eigenschaften des Wellenmaterials und prägen sich auch bei Abwesenheit eines Drehmoments dem Messsignal auf. Sie bilden eine Signatur, die zur Messung der Drehzahl der Welle 30 herangezogen werden kann.
Bei rotierender Welle 30 tasten die Sensorspulen 22 und 28 eine Spur auf der Oberfläche der Welle 30 ab. Das Spannungssignal der Spule 22 ist identisch mit dem Spannungssignal an der Sensorspule 28, jedoch zeitlich um einen Betrag t verschoben. Dieser zeitliche Versatz wird zur Drehzahlbestimmung herangezogen. Die Drehzahl der Welle 30 wird aus dem zeitlichen Versatz der Spannungssignale und einem bekannten umfänglichen Abstand derjenigen Sensorspulen 22, 28 bestimmt, welche bezogen auf die Wellenlängsachse 40 auf verschiedenen Seiten und auf gleicher axialer Höhe der Wellenlängsachse 40 positioniert sind. Aus dem bekannten Abstand der Sensorspulen 22 und 28 und der Zeit t lässt sich die Geschwindigkeit und damit die Drehzahl der Welle 30 bestimmen.
Der zeitlichen Versatz t der Spannungssignale kann durch bekannte Verfahren wie Korrelation, schnelle Fouriertransformation (FFT, fast Fourier transformation) und/oder phasengekoppelte Regelungsschleife (PLL, phase locked loop) ausgewertet werden.
2 zeigt eine Anordnung, bei der das Drehmoment und die axiale Position der Welle 30 bestimmt werden können. Die Sensorvorrichtung 10 ist gegenüber der in 2 lediglich um 90° um die Spulenlängsachse 42 der Erregerspule 20 gedreht. Zu den hier nicht weiter erläuterten Elementen wird auf die vorangegangene Figurenbeschreibung verwiesen.
Die Spannungssignale der Sensorspulen 26, 28 können zur Bestimmung des Drehmoments und der axialen Position der Welle 30 herangezogen werden. Die Sensorspulen 26, 28 sind auf der gleichen Seite der Wellenlängsachse 40 und auf unterschiedlicher axialer Höhe der Wellenlängsachse 40 angeordnet.
Die Bestimmung des Drehmoments erfolgt analog zur Bestimmung gemäß der Anordnung in 1. Die Spannungssignale der Sensorspulen 26, 28 werden gleichgerichtet und voneinander subtrahiert, um ein dem Drehmoment proportionales Spannungssignal zu erhalten. Die Erregerspule 20 induziert die Wechselspannung über einen Wechselwirkungskreis 44c, 44d in die Sensorspule 26 und über einen weiteren Wechselwirkungskreis 46c, 46d in die Sensorspule 28, wie mit Pfeilen zwischen der Erregerspule 20 und den Sensorspulen 26, 28 angedeutet ist. Teile der Wechselwirkungskreise 44c und 46c verlaufen dabei in der Oberfläche der Welle 30, und zwar entlang von Bereichen, die gedehnt bzw. komprimiert sind, und deren Permeabilität entsprechend geändert ist.
Zur Bestimmung der axialen Verschiebung bzw. Position der Welle 30 werden die Spannungssignale der Sensorspulen 26 und 28 hinsichtlich ihres zeitlichen Versatzes t analysiert und aus ihrem bekannten axialen Abstand die Geschwindigkeit der Verschiebung und daraus die Position berechnet.
Wie aus der 3 ersichtlich ist, weist eine alternative Ausgestaltung einer bevorzugten berührungslosen Sensorvorrichtung 10 zur Bestimmung von Eigenschaften einer Welle 30 eine Erregerspule 20 mit einem ersten Paar 12 von Sensorspulen 22, 26 und einem zweiten Paar 14 von Sensorspulen 24, 28 auf.
Die Paare 12, 14 sind in einer bevorzugten Orientierung zu der Welle 30 angeordnet, welche so genannten Hauptspannungslinien 34a, 34b, 34c und 36a, 36b, 36c entspricht.
Wird die gezeigte Welle 30, wie durch Pfeile an den Stirnseiten 32, 34 angedeutet, durch ein Drehmoment belastet, bilden sich in ihr mechanische Torsionsspannungen, die unmittelbar an der Oberfläche der Welle 30 unter einem Winkel von 45° zur Wellenlängsachse 30 am höchsten sind. Die Hauptspannungslinien 34a, 34b, 34c entsprechen denen einer Zugspannung und die Hauptspannungslinien 36a, 36b, 36c denen einer Druckspannung. Die Erregerspule 20 ist zentrisch mit ihrer Spulenlängsachse 42 zu einer Wellenlängsachse 40 angeordnet. In ihrer Verlängerung schneidet sie die Wellenlängsachse 40.
Die Erregerspule 20 magnetisiert die Wellenoberfläche mit einem hochfrequenten Wechselstrom. Unter einem Winkel von 45° zur Wellenlängsachse 40, nämlich auf den Hauptspannungslinien 34a-34c, 36a-36c, sind vier Sensorspulen 22, 24, 26, 28 angeordnet, in welche jeweils eine Wechselspannung mit der Erregerfrequenz induziert wird. Die Sensorspulen 22, 24, 26, 28 sind gleich weit von der Erregerspule 20 entfernt und bilden Ecken eines Quadrats, in dessen Mitte die Erregerspule 20 angeordnet ist.
Zwei der Sensorspulen 22, 26 bilden ein erstes Paar 12, die zwei anderen Sensorspulen 24, 28 bilden ein zweites Paar 14. Die beiden Paare 12, 14 sind in zueinander orthogonalen Ebenen 16, 18 angeordnet, wobei deren nicht dargestellten Spulenlängsachsen in der jeweiligen Ebene 16, 18 liegen. Die Spulenlängsachsen sind parallel zur Spulenlängsachse 42 der Erregerspule 20. Die beiden orthogonalen Ebenen 16, 18 schneiden sich an der Spulenlängsachse 42. Die Anordnung kann auch so gesehen werden, dass die Spulen 22, 28 und die Erregerspule 20 ein gleichschenkliges Dreieck bilden und die Sensorspulen 24, 26 mit der Erregerspule 20 ebenfalls ein gleichschenkliges Dreieck bilden, wobei die Erregerspule jeweils in der Ecke mit dem rechten Winkel des gleichschenkligen Dreiecks angeordnet ist.
Die Erregerspule 20 induziert die Wechselspannung über einen Wechselwirkungskreis 44a, 44b in die Sensorspule 22 und über einen weiteren Wechselwirkungskreis 44c, 44d in die Sensorspule 26 der Paares 12 sowie über einen Wechselwirkungskreis 46a, 46b in die Sensorspule 24 und über einen weiteren Wechselwirkungskreis 46c, 46d in die Sensorspule 28 des Paares 14, wie mit Pfeilen zwischen der Erregerspule 20 und den Sensorspulen 22, 26, 24, 28 angedeutet ist. Teile der Wechselwirkungskreise 44a, 44c, 46a, 46c verlaufen dabei in der Oberfläche der Welle 30.
Durch die Permeabilitätsänderungen des Stahls der Welle 30 unter Torsionsbeanspruchung wird entsprechend der dargestellten Torsionsrichtungen in den Sensorspulen 22, 26 (Hauptspannungslinie 34b mit Zugbelastung) abhängig vom jeweiligen Wellenmaterial beispielsweise eine höhere elektrische Spannung induziert als in den Sensorspulen 24, 28 (Hauptspannungslinie 36b mit Druckbelastung).
Um ein dem Drehmoment proportionales Spannungssignal zu erhalten, werden die Sensorspulen 22, 26 des ersten Paares 12 und die Sensorspulen 24, 28 des zweiten Paares 14 jeweils elektrisch in Serie geschaltet. Die Spannungssignale beider Paare 12, 14 werden elektrisch gleichgerichtet und eine Differenz gebildet. Die Differenz der gleichgerichteten Spannungssignale ergibt ein dem Drehmoment proportionales Messsignal. Durch entsprechende Eichmessungen kann gegebenenfalls eine Absolutmessung vorgenommen werden.
Ferromagnetische Wellen 30 besitzen herstellungsbedingt innere, fest eingeprägte, von Ort zu Ort variierende Zug- und Druckspannungen. Diese beeinflussen ebenfalls die magnetischen Eigenschaften des Wellenmaterials und prägen sich auch bei Abwesenheit eines Drehmoments dem Messsignal auf. Sie bilden eine Signatur, die zur Messung der Drehzahl der Welle 30 herangezogen werden kann.
Bei rotierender Welle 30 tasten die Sensorspulen 22 und 28 sowie 24 und 26 jeweils eine Spur auf der Oberfläche der Welle 30 ab. Das Spannungssignal der Spule 22 ist identisch mit dem Spannungssignal an der Sensorspule 28, ebenso sind die Spannungssignale der Sensorspulen 24, 26 identisch, jedoch zeitlich um einen Betrag t verschoben. Dieser zeitliche Versatz wird zur Drehzahlbestimmung herangezogen.
Die Drehzahl der Welle 30 wird aus einem zeitlichen Versatz der Spannungssignale derjenigen Sensorspulen 22, 28 und 24, 26 bestimmt, welche bezogen auf die Wellenlängsachse 40 auf verschiedenen Seiten der Wellenlängsachse 40 positioniert sind. Die Drehzahl wird aus dem zeitlichen Versatz und einem bekannten umfänglichen Abstand der Sensorspulen 22, 28 und 24, 26 bestimmt. Aus dem bekannten Abstand der Sensorspulen 22 und 28 bzw. 24 und 26 und der Zeit t lässt sich die Geschwindigkeit und damit die Drehzahl der Welle 30 bestimmen. Dadurch, dass zwei Sensorspulenpaarungen betrachtet werden, kann die Messgenauigkeit durch Mittelwertbildung der erhaltenen Messsignale erhöht werden.
Zur Bestimmung der axialen Verschiebung der Welle 30 werden die Spannungssignale der Sensorspulen 22 und 24 sowie der Sensorspulen 26 und 28 hinsichtlich ihres zeitlichen Versatzes t analysiert und aus ihrem bekannten axialen Abstand die Geschwindigkeit der Verschiebung und daraus die Position berechnet.
In Schnittdarstellung erläutern die 4a und 4b zwei Varianten einer Sensorvorrichtung 10 mit unterschiedlicher Anordnung an einer Welle 30. In 4a sind die Sensorspulen 22, 28 (und gegebenenfalls 24 und 26 in der Ausführung der Sensorvorrichtung nach 3) so geneigt zur Erregerspule 20, dass sie senkrecht zur Wellenoberfläche der Welle 30 stehen. Es ergibt sich ein gleicher Abstand aller Spulen 20, 22, 24, 26, 28 von der Wellenoberfläche. Dies ist durch einen zur Wellenoberfläche konzentrischen Kreis 48 angedeutet. Alle Spulenlängsachsen schneiden die Wellenlängsachse 40.
In der Ausgestaltung nach 4b sind die Sensorspulen 22 und 28 (und gegebenenfalls 24 und 26 in der Ausführung der Sensorvorrichtung nach 3) parallel zur Erregerspule 20. Der Abstand der Sensorspulen 22, 28 zur Wellenoberflache ist größer als der der Erregerspule 20 zur Welle 30. Die der Welle 30 zugewandten Enden der Spulen 22, 28, 20 sind tangential zur Wellenoberfläche bzw. parallel zu einer Tangentialebene der Wellenoberfläche angeordnet. Dies ist durch eine Linie 50 angedeutet. Der Spulenkern ist hier einfacher herzustellen, z. B. aus einem halben Ferrit-Topfkern.

Claims

Berührungslose Sensorvorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften einer Welle (30) mit einer Erregerspule (20), die mit symmetrisch zur Erregerspule (20) angeordneten Sensorspulen (22, 24, 26, 28) zusammenwirkt, wobei eine Spulenlängsachse (42) der Erregerspule (20) senkrecht zu einer Wellenlängsachse (40) angeordnet ist und wobei die Sensorspulen (22, 24, 26, 28) in einer bevorzugten Orientierung zu der Welle (30) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspule (20) und zwei Sensorspulen (22, 24, 26, 28) in Ecken eines gleichschenkligen Dreiecks so bezüglich der Welle (30) angeordnet sind, dass in der gewählten Anordnung eine Erfassung von Drehmoment und Drehzahl oder Drehmoment und axialer Position der Welle (30) durchführbar ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der zu bestimmenden Größe Drehmoment, Drehzahl und/oder axialer Position der Welle (30) jeweils die Sensorspulen (26, 28) auf derselben Seite und auf unterschiedlicher axialer Höhe der Wellenlängsachse (40) oder die Sensorspulen (22, 28) auf unterschiedlichen Seiten und auf gleicher axialer Höhe der Wellenlängsachse (40) angeordnet sind und zur Bestimmung der jeweiligen Größe korrelierbar sind.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vier Sensorspulen (22, 24, 26, 28) vorgesehen sind, die jeweils in Bezug zur Erregerspule (20) in Ecken gleichschenkliger Dreiecke angeordnet sind.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass je zwei Sensorspulen (22, 26; 24, 28) diagonal zueinander angeordnet sind und zur Bestimmung der jeweiligen Größe korrelierbar sind.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Drehmoments der Welle (30) die Spannungssignale von auf zueinander orthogonalen Hauptspannungslinien (34a, 34b, 34c, 36a, 36b, 36c) liegenden Sensorspulen (22, 26; 24, 28) miteinander korrelierbar sind.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Spulenlängsachsen der Sensorspulen (22, 24, 26, 28) parallel zur Spulenlängsachse (42) der Erregerspule (20) und senkrecht zu einer Wellenlängsachse (40) angeordnet sind.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorspulen (22, 24, 26, 28) und die Erregerspule (20) an ihrem der Welle (30) zugewandten Ende tangential oder parallel zu einer Tangentialebene der Welle (30) angeordnet sind.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Spulenlängsachsen der Sensorspulen (22, 24, 26, 28) und die Spulenlängsachse (42) der Erregerspule (20) die Wellenlängsachse (40) schneiden.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorspulen (22, 24, 26, 28) und die Erregerspule (20) an ihrem der Welle (30) zugewandten Ende denselben Abstand von der Wellenlängsachse (40) aufweisen.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (10) um die Spulenlängsachse (42) der Erregerspule (20) drehbar ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Drehzahl der Welle (30) die Sensorspulen (22, 28; 24, 26) auf verschiedenen Seiten und auf gleicher axialer Höhe der Wellenlängsachse (40) korrelierbar sind.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Drehmoments und der Drehzahl der Welle (30) die Spannungssignale von auf verschiedenen Seiten und auf gleicher axialer Höhe der Wellenlängsachse (40) liegenden Sensorspulen (22, 28; 24, 26) angeordnet und miteinander korrelierbar sind.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der axialen Position der Welle (30) die Sensorspulen (22, 24; 26, 28) auf der gleichen Seite der Wellenlängsachse (40) und auf axial beabstandeten Hauptspannungslinien (34a, 34b, 34c, 36a, 36b, 36c) korrelierbar sind.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Drehmoments und der axialen Position der Welle (30) die Sensorspulen (22, 24; 26, 28) auf der gleichen Seite der Wellenlängsachse (40) und auf axial beabstandeten Hauptspannungslinien (34a, 34b, 34c, 36a, 36b, 36c) angeordnet und miteinander korrelierbar sind.
Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften einer Welle (30) mit einer Sensorvorrichtung (10) zur Bestimmung von Eigenschaften einer Welle (30) mit einer Erregerspule (20), die mit symmetrisch zur Erregerspule (20) angeordneten Sensorspulen (22, 24, 26, 28) zusammenwirkt, wobei eine Spulenlängsachse (42) der Erregerspule (20) senkrecht zu einer Wellenlängsachse (40) angeordnet ist und wobei die Sensorspulen (22, 24, 26, 28) in einer bevorzugten Orientierung zu der Welle (30) angeordnet sind, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Erregersignal der Erregerspule (20) in die Sensorspulen (22, 26; 24, 28) eingespeist wird und resultierende Spannungssignale von jeweils zwei Sensorspulen (22, 24, 26, 28) miteinander verglichen werden, um ein Drehmoment und eine Drehzahl und/oder ein Drehmoment und eine axiale Position der Welle (30) zu bestimmen, wobei je nach zu bestimmender Größe Spannungssignale von zwei Sensorspulen (22, 24, 26, 28) entweder auf derselben Seite der Wellenlängsachse (40) oder auf verschiedenen Seiten der Wellenlängsachse (40) miteinander korreliert werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Drehmoments und der Drehzahl der Welle (30) die Spannungssignale von auf verschiedenen Seiten und auf gleicher axialer Höhe der Wellenlängsachse (40) liegenden Sensorspulen (22, 28; 24, 26) miteinander verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Drehmoments und der axialen Position der Welle (30) die Spannungssignale von auf gleicher Seite und auf unterschiedlicher axialer Höhe der Wellenlängsachse (40) liegenden Sensorspulen (26, 28; 22, 24) miteinander verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Drehmoments der Welle (30) die Spannungssignale von auf zueinander orthogonalen Hauptspannungslinien (34a, 34b, 34c, 36a, 36b, 36c) liegenden Sensorspulen (22, 26; 24, 28) miteinander verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment aus einer Differenz von gleichgerichteten Spannungssignalen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Welle (30) aus einem zeitlichen Versatz der Spannungssignale derjenigen Sensorspulen (22, 28; 24, 26) bestimmt wird, welche bezogen auf eine Wellenlängsachse (40) auf verschiedenen Seiten der Wellenlängsachse (40) positioniert sind.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl aus dem zeitlichen Versatz und einem umfänglichen Abstand der Sensorspulen (22, 28; 24, 26) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Position der Welle (30) aus einem zeitlichen Versatz der Spannungssignale derjenigen Sensorspulen (22, 24; 26, 28) bestimmt wird, die auf axial beabstandeten Hauptspannungslinien (34a, 34b, 34c, 36a, 36b, 36c) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Position aus dem zeitlichen Versatz und einem axialen Abstand der Sensorspulen (22, 24; 26, 28) bestimmt wird
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Versatz der Spannungssignale durch wenigstens eines der Verfahren Korrelation, schnelle Fouriertransformation, phasengekoppelte Regelungsschleife ausgewertet wird.