DE102006054665A1

DE102006054665A1 - Verfahren zum Beseitigen von Hysterese aus einem magnetoelastischen Drehmomentsensor

Info

Publication number: DE102006054665A1
Application number: DE102006054665A
Authority: DE
Inventors: David W. Chatham Cripe
Original assignee: Siemens VDO Automotive Corp
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2008-05-29

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren von Hysterese in einem Drehmomentsensorelement umfasst eine Magnetspule, die mit einem Wechselstrom erregt wird, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das das Drehmomentsensorelement sättigt. Die magnetische Sättigung des Drehmomentsensorelements wird durch eine Wechselfrequenz bereitgestellt, die eine beliebige Koerzitivkraft des Materials übersteigt. Der Wechselstrom wird langsam reduziert, um das ungewünschte Magnetfeld zu reduzieren. Die Magnetspulenanordnung wird mit einer Amplitudenfrequenz in solch einer Art und Weise erregt, um nur Bestandteile des Magnetfeldes zu entfernen, die nicht gewünscht werden.

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Verfahren zum Beseitigen von Hysterese in einem magnetoelastischen Drehmomentsensor. Im Speziellen betrifft diese Erfindung ein Verfahren zum Beseitigen von Restmagnetismus außerhalb eines gewünschten magnetischen Flusspfades.
Ein magnetoelastischer Drehmomentsensor verwendet einen oder mehrere Bänder aus magnetoelastischem Material, die auf einem Substrat gehalten werden. Die magnetoelastischen Bänder weisen eine Restmagnetisierung bzw. Remanenz in Umfangsrichtung auf, die durch die magnetokristalline Anisotropie des Materials bestimmt wird. Ein an das Substrat angelegtes Drehmoment induziert eine spiralförmige Scherbelastung auf das magnetoelastische Material, das in einer Veränderung des Richtungsverlaufs des magnetischen Feldes von einer umfänglichen zu einer spiralförmigen Orientierung resultiert. Die axialen Bestandteile des magnetischen Feldes werden unter Verwendung einer Magnetfeldmessvorrichtung gemessen und werden verwendet, um das Drehmoment zu bestimmen.
In nachteiliger Weise verbleibt ein Restbestandteil des magnetischen Feldes, sobald das Drehmoment nicht mehr auf das Substrat einwirkt. Das axial gerichtete Restmagnetfeld innerhalb des magnetoelastischen Bandes verursacht eine Nullpunktverschiebung des Drehmomentsensors. Die Verschiebung des Nullwertes ist allgemein als Hysterese bekannt. Ein bekanntes Verfahren zum Entfernen des Magnetismus innerhalb eines mag netisierten Körpers umfasst das Anordnen der Struktur in einem Wechselmagnetfeld, wobei die Spitzenwertamplitude die Koerzitivkraft des Materials übersteigt. Derartige Verfahren erfordern jedoch eigene Vorrichtungen, die während des Betriebs nicht verfügbar sind, und sie beseitigen sämtliche magnetischen Bestandteile, auch die in der gewünschten umfänglichen magnetischen Orientierung.
Demgemäß ist es wünschenswert, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum wahlweisen Entfernen von axialen hysteretischen Remanenzen zu entwickeln, wobei der gewünschte umfängliche Restmagnetismus erhalten bleibt.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein beispielhaftes Verfahren gemäß dieser Erfindung stellt die Beseitigung der Hysterese mit einem Drehmomentsensorelement bereit, indem ein magnetisches Wechselfeld von einer Magnetspule ausgeübt wird, um die Restmagnetisierung entlang einer Achse einer Welle des Drehmomentsensors zu entfernen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst das Halten einer Magnetspule axial um einen Drehmomentsensor herum. Die Magnetspule wird durch einen Wechselstrom ausreichender Amplitude erregt, um ein magnetisches Wechselfeld mit einer Amplitude eines wesentlichen Bruchteils der Koerzitivkraft des Materials zu erzeugen, das der Drehmomentsensor umschließt. Die magnetische Erregung des Drehmomentsensors sorgt für das Entfernen der remanenten magnetischen Felder in axialer Richtung. Durch besonderes und spezielles Ausrichten der Magnetspule mit dem magnetoelastischen Band des Drehmomentsensors kann das remanente magnetische Feld in axialer Richtung entfernt werden, ohne das gewünschte magnetische Feld in Um fangsrichtung zu stören, das innerhalb des Sensorbandes angeordnet ist.
Entsprechend umfasst ein erfindungsgemäßer Drehmomentsensor eine Magnetspulenanordnung, die durch einen Wechselstrom erregt wird, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, das ungewünschte Restmagnetfelder reduziert oder beseitigt, ohne die gewünschten magnetischen Bestandteile innerhalb des Drehmomentsensors zu stören.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung können am besten aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren verstanden werden, die nachfolgend kurz beschrieben werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine Teilquerschnittansicht eines erfindungsgemäßen beispielhaften Drehmomentsensors.
2 ist eine beispielhafte Querschnittansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Drehmomentsensors;
3 ist eine Querschnittansicht noch eines weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Drehmomentsensors;
4 ist eine Flussdiagramm, das die Verfahrensschritte gemäß dieser Erfindung veranschaulicht.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Ausschnitt einer Drehmomentsensoranordnung 10 schematisch dargestellt. Der Drehmomentsensor 10 umfasst ein Drehmomentsensorelement 15, das ein Substrat oder eine Welle 12 umschließt, das/die einen magnetoelastischen Ring 16 trägt. Der magnetoelastische Ring 16 ist auf der Welle 12 derart angebracht, dass das wie mit 26 bezeichnete auf die Welle 12 angelegte Drehmoment auf den magnetoelastischen Ring 16 übertragen wird.
Ein in Umfangsrichtung verlaufendes magnetisches Feld, schematisch mit 18 gezeigt, ist in dem magnetoelastischen Ringmaterial 16 angeordnet. Die umfängliche Richtung des magnetischen Feldes 18 ist der neutrale oder nicht mit einem Drehmoment beaufschlagte Zustand des Drehmomentsensorelementes 15. Während des Anlegens von Drehmoment 26 nimmt ein Teil des magnetischen Feldes 18 eine axiale Komponente an und bewegt sich aus der umfänglichen Richtung heraus. Die axiale Komponente des magnetischen Feldes 18 ist durch die mit 20 angegebenen Pfeile veranschaulicht. Diese axiale Komponente 20 des magnetischen Feldes 18 wird durch ein Magnetometer 22 gemessen. Das Magnetometer 22 ist relativ zu dem Sensorelement 15 angeordnet, um die axiale Komponente 20 des magnetischen Feldes 18 zu erfassen. Bei Wegnahme des auf die Welle 12 angelegten Drehmoments jedoch verbleibt ein Teil des axialen Bestandteils 20 des magnetischen Felds 18. Der verbleibende axiale Bestandteil 20 des Magnetfelds 18 stört die Nullstellung des Drehmomentsensorelements 15, woraus sich eine ungewünschte Hysterese ergibt.
Demgemäß umfasst die Drehmomentsensoranordnung 10 gemäß dieser Erfindung die Magnetometerspule 22 mit einer Mehrzahl von Spulendrähten 24, die koaxial mit dem Drehmomentsensorelement 15 gewendelt sind. Die Magnetspule 22 ist mit einer Stromquelle 28 verbunden, die einen Wechselstrom 25 liefert. Der Wechselstrom 25 erregt die Magnetspule 22, um ein Magnetfeld mit alternierenden Spitzenwerten zu erzeugen. Die Größe und Frequenz des Wechselstromes 25 wird derart gewählt, dass der hysteretische Magnetfeldbestandteil 20 entfernt wird, während der umfängliche Bestandteil 18 intakt gelassen wird.
Das Wechselmagnetfeld 25 wird derart gewählt, dass es eine Amplitude und Frequenz aufweist, die basierend auf dem für das Drehmomentsensorelement 15 verwendeten besonderen Material bestimmt werden. In einem beispielhaften Drehmomentsensorelement 15, das aus einer 9310-Stahllegierung besteht, wird eine Frequenz von 60 Hz mit Magnetfeldern von 50 Oe (Oersted) Spitzenwert verwendet. Ein derart großer Wechselstrom erregt das Sensorelement 15 magnetisch, um die axialen Bestandteile 20 des Magnetfelds 18 zu entfernen. Die Entfernung des axialen Bestandteils 20 des hysteretischen Magnetfelds 18 sorgt für die wesentliche Reduktion der Nullverschiebung.
Sobald das Drehmoment gelöst und der hysteretische axiale Bestandteil des Magnetfeldes 20 entfernt ist, arbeitet der Drehmomentsensor mit einer erheblichen Reduktion oder Beseitigung der Hysterese und bietet damit eine erhöhte Genauigkeit.
Es versteht sich, dass die Erregung der Magnetspule 22 mit einem großen Wechselstrom 25 potenziell die Erfassung des Magnetfeldes 18 durch die Magnetfelderfassungsvorrichtung oder das Magnetometer behindern könnte. Ein Verfahren gemäß dieser Erfindung umfasst jedoch das Wechseln der Stromamplituden und -frequenzen, um die Magnetfelderfassungsfunktion bereitzustellen und um ebenfalls die Beseitigungsfunktion des hysteretischen Magnetfeldes bereitzustellen.
Unter Bezugnahme auf 3 ist mit 60 ein weiterer beispielhafter Drehmomentsensor angegeben und umfasst eine Mag netspulenanordnung 65, die lediglich als Entmagnetisierungsfunktion arbeitet und wahlweise axiale hysteretische Komponenten des Magnetfeldes 68 entfernt. Eingebettet innerhalb der Magnetspulenanordnung 65 sind Magnetvektorerfassungseinrichtungen 62, die als solche bekannt sind. Diese Magnetvektorerfassungsvorrichtungen übertragen Messungen des Magnetfeldes auf Steuereinrichtungen 64 in bekannter Art und Weise. Die Magnetspulenanordnung 65 arbeitet, um wahlweise die axialen Komponenten 66 des Magnetfeldes zu entfernen. Die Magnetspulenanordnung 65 des beispielhaften Drehmomentsensors 60 empfängt einen mit 70 bezeichneten Wechselstrom, um die Magnetspule 65 zu erregen und eine periodische magnetische Erregung einer Amplitude und einer Frequenz zu erzeugen, die bestimmt ist, um die unerwünschten hysteretischen Bestandteile des Magnetfeldes zu entfernen, die durch das Anlegen eines Drehmoments 26 verursacht werden.
Unter Bezugnahme auf 4 sind Verfahrensschritte zum Entfernen von Bestandteilen eines Magnetfeldes durch ein schematisches Flussdiagramm mit 80 bezeichnet. Das Verfahren beginnt mit dem ersten Anlegen eines Drehmoments auf die Substratwelle 12, mit 82 gekennzeichnet. Das an die Welle 12 angelegte Verdrehen oder Drehmoment verursacht eine Verwindung nicht nur in der Welle 12, sondern auch in dem magnetoelastischen Band 16. Die Verwindung des magnetoelastischen Bandes 16 wird durch eine Magnetfelderfassungseinrichtung erfasst, mit 84 gekennzeichnet. Beim Lösen des Drehmoments, mit 86 bezeichnet, verbleibt ein Bestandteil des Magnetfeldes, das durch das Drehmoment erzeugt wurde. Der axiale Bestandteil der Magnethysterese kann eine Verschiebung im Magnetfeld verursachen, das durch das Drehmomentsensorelement 15 gelesen wird. Diese Verschiebung, die durch die axialen Bestandteile des hysteretischen Magnetfeldes verursacht wird, kann besei tigt werden, um die Genauigkeit der Drehmomentsensoranordnung zu verbessern. Die Magnetspule, die das Drehmomentsensorelement 15 umgibt, wird mit einem Wechselstrom erregt, mit 88 gekennzeichnet. Der Wechselstrom wird bestimmt, um die erforderliche Amplitude und Frequenz bereitzustellen, die ein Wechselmagnetfeld mit einer solchen Spitzenwertamplitude erzeugt, die einen wesentlichen Bruchteil der Koerzitivkraft eines Materials übersteigt. Die Amplitude des Magnetfeldes, das durch die Magnetspule erzeugt wird, weist eine Amplitude auf, die ausreichend ist, dass sich die Sättigung des Kernmaterials der Magnetfelddetektorvorrichtungen 62 ergibt. Die Sättigung dieser Vorrichtungen kann durch Magnetspulen bestimmt werden, die diese unmittelbar bei einer herkömmlichen Herstellungsart umgeben. Eine Asymmetrie der Spannungswellenform auf den Magnetspulen der Magnetfelddetektoren gibt das Vorliegen eines Magnetfeldes von dem Sensorelement an.
Demgemäß bringen das Verfahren und die Vorrichtungen gemäß dieser Erfindung eine erhöhte Genauigkeit für einen Drehmomentsensor durch Entfernen der axialen Bestandteile von beliebigen Magnetfeldern hervor, die eine Nullverschiebung bei Drehmomentmessungen verursachen können.
Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung offenbart wurde, wird der auf dem Gebiet einschlägige Fachmann erkennen, dass gewisse Modifikationen innerhalb des Umfangs dieser Erfindung liegen. Aus diesem Grund sollten die nachfolgenden Ansprüche studiert werden, um das wahre Wesen und den Inhalt dieser Erfindung zu bestimmen.

Claims

Verfahren zum Entfernen von hysteretischem Magnetismus aus einem magnetoelastischen Drehmomentsensor mit folgenden Schritten: a) Halten einer Magnetspule in konzentrischer Art und Weise relativ zu einem magnetoelastischen Abschnittssensorelements; und b) Erregen der Magnetspule mit einem Wechselstrom einer gewünschten Frequenz und Amplitude, um wahlweise ein hysteretisches Restmagnetfeld auszulöschen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt b) das Entfernen lediglich der axialen Bestandteile des Restmagnetfeldes aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt b) das Intaktlassen der Bestandteile in Umfangsrichtung der magnetischen Polarisation des Drehmomentsensors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Frequenz und Amplitude ausgewählt werden, so dass sie eine Spitzenwertamplitude des magnetischen Feldes umfassen, die einen wesentlichen Bruchteil der Koerzitivkraft des Materials übersteigt, das den Drehmomentsensor umschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ein Magnetometer umfasst, der um den Drehmomentsensor herum gehalten wird, und das den Schritt des wechselnden Betriebs des Magnetometers und der Magnetspule umfasst, um das hystereti sche axiale Magnetfeld zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Magnetspule das Magnetometer aufweist, und wobei die Magnetspule wechselweise mit einer Erfassungswechselfrequenz und – amplitude erregt wird, die Verzerrungen in dem Magnetfeld des Drehmomentsensors erfasst, und mit einer Entfernungswechselfrequenz und -amplitude, die wahlweise ungewünschte hysteretische Magnetfeldbestandteile entfernt.
Verfahren nach Anspruch 6, das weiterhin die Schritte des periodischen Sättigens eines magnetischen Kerns aufweist, um ein Verzerrungssignal basierend auf der Überlagerung eines Erregungsfeldes mit einem Magnetfeld, das durch den Drehmomentsensor erzeugt wird, zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, das den Schritt des Erfassens eines Magnetfeldes innerhalb des Drehmomentsensors mit einem Magnetfeldsensor umfasst, der innerhalb der Magnetspule angeordnet ist.
Drehmomentsensor mit: einem Substrat, das eine Drehmomentlast aufnimmt; einem Band aus magnetoelastischem Material, das auf dem Substrat gehalten wird und das auf die Drehmomentlast auf dem Substrat durch Erzeugen eines Magnetfeldes reagiert, das die Drehmomentlast angibt; einem Magnetfeldsensor, der das Magnetfeld misst; und einer Magnetspule, die um das Band aus magnetoelastischem Material herum angeordnet ist, die ein Wechselmagnetfeld erzeugt, das mindestens einen Teil des Restmagnetfeldes in dem Band aus magnetoelastischem Material entfernt.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Erregung der Magnetspule ein Magnetfeld erzeugt, das axial ausgerichtete Bestandteile des Magnetfeldes entfernt, das innerhalb des Bandes verbleibt.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei die axial ausgerichteten Bestandteile des Magnetfeldes entfernt werden, nachdem das an das Substrat angelegte Drehmoment entfernt wurde.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei die Magnetspule in koaxialer Weise um das Substrat herum angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei die Magnetspule eine axiale Länge aufweist, die größer oder gleich einer axialen Länge des Bandes ist.
Anordnung nach Anspruch 10, die eine Stromquelle zum Liefern eines Wechselstromes an die Magnetspule umfasst, die das Wechselmagnetfeld erzeugt.
Anordnung nach Anspruch 14, wobei die Stromquelle einen ersten Wechselstrom bereitstellt, der eine periodische Magnetsättigung in dem Drehmomentsensor erzeugt, und einen zweiten Wechselstrom, der wahlweise unerwünschte Bestandteile eines verbleibenden Magnetfeldes besei tigt.
Anordnung nach Anspruch 15, wobei der erste Wechselstrom und der zweite Wechselstrom wahlweise angelegt werden, um die Magnetspule zu erregen.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Magnetspule eine erste Magnetspule und eine zweite Magnetspule zum Erfassen des Magnetfeldes innerhalb des Bandes aufweist.