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Stand der Technik
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Aus
der
US 2005/0193834
A1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, dessen Tordierelement mit
einer magnetischen Kodierung versehen ist. Dem Tordierelement ist
ein Magnetfeldsensor zugeordnet, mit dem eine Änderung
eines Magnetfeldes durch Tordieren des magnetisierten Tordierelementes
detektierbar ist. Mittels einer geeigneten Elektronik ist aus den
Messwerten des Magnetfeldsensors das auf das Tordierelement wirkende
Drehmoment ermittelbar. Die magnetische Kodierung, d. h. die Magnetisierung,
wird bei dem bekannten Drehmomentsensor auf das Tordierelement durch
Beaufschlagen des Tordierelementes mit mindestens einem Strompuls erzeugt.
Der zeitliche Verlauf des Strompulses gehorcht dabei einer e-Funktion.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
anzugeben, mit denen die Verteilung der Magnetisierung im Tordierelement
exakter einstellbar ist. Bevorzugt soll mit dem Verfahren und der
Vorrichtung bei gleichen oder geringeren Stromstärken eine
stärkere Magnetisierung des Tordierelementes erzielbar
sein.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1, mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und durch eine
Verwendung gemäß Anspruch 15 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche
Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder
den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen
sollen rein verfahrensgemäß offenbarte Merkmale
auch als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und
beanspruchbar sein. Ebenso sollen rein vorrichtungsgemäß offenbarte
Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart gelten
und beanspruchbar sein.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den zeitlichen Verlauf eines
von mindestens einer Stromquelle, vorzugsweise von mindestens einem Kondensator,
erzeugten Strompulses zu formen, insbesondere derart, dass die Stabilität
und/oder die Stärke der mindestens einen magnetischen Kodierung,
d. h. der mindestens einen Magnetisierung erhöht wird.
Insbesondere soll hierdurch die Nutzbarkeit der magnetischen Kodierung
im Hinblick auf eine verbesserte Auswertbarkeit bzw. Detektierbarkeit verbessert
werden. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei
der das Tordierelement mit Hilfe von mindestens zwei gegensinnig
orientierten Strompulsen magnetisiert wird, vorzugsweise derart, dass
Magnetisierungen in unterschiedlichen Bereichen, vorzugsweise in
zwei gegenläufigen Schalen des Tordierelementes erreicht
werden. Besonders bevorzugt ist es dabei, den zeitlichen Verlauf
sämtlicher Strompulse zu formen, d. h. hinsichtlich der
Stabilität und der Stärke der zu erreichenden
Magnetisierungen zu optimieren. Im Hinblick auf eine mögliche
Ausbildung des Drehmomentsensors, insbesondere des ein- oder mehrteiligen
Tordierelementes sowie im Hinblick auf Aufbringungsvarianten des
mindestens einen Strompulses, beispielsweise durch das Vorsehen
von mehreren in Umfangsrichtung beabstandeten Elektroden, wird auf
die
US 2005/0193834
A1 verwiesen, die diesbezüglich als zur vorliegenden
Offenbarung gehörig offenbart gelten soll, derart, dass
mindestens ein beliebiges Merkmal der vorliegenden Anmeldung mit
mindestens einem beliebigen Merkmal der genannten Druckschrift kombinierbar
und beanspruchbar sein soll.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der
zeitliche Verlauf des Strompulses derart geformt wird, dass die
Steilheit der Anstiegsflanke des Strompulses, d. h. die Anstiegsgeschwindigkeit,
zumindest in einem Abschnitt, vorzugsweise in ihrer Gesamtheit,
reduziert wird. Durch den verlangsamten Stromanstieg wird erreicht,
dass der Strompuls in radialer Richtung tiefer in das Tordierelement
eindringen kann (Skin-Effekt), wodurch mehr Weisssche Bezirke ausgerichtet
werden und in der Folge eine stärkere Magnetisierung bei
gleichen oder sogar geringeren Stromstärken erhalten wird. Zusätzlich
oder alternativ kann der zeitliche Verlauf des Strompulses so geformt
werden, dass die Steilheit der Stromanstiegsflanke, zumindest in
einem Abschnitt, insbesondere in einem Flankenabschnitt vor unmittelbarem
Erreichen des Maximalstroms, erhöht wird, um somit eine
geringe Stromeindringtiefe in radialer Richtung zu realisieren (Skin-Effekt),
mit der Folge, dass eine sehr starke und sehr dünne Magnetisierungsschale
erhalten wird, was für einige Anwendungen von einem erheblichen
Vorteil sein kann.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform der Erfindung,
bei der die Anstiegsflanke in zumindest einem Abschnitt derart verformt
wird, dass sie, zumindest näherungsweise, linear ist, d.
h. die Stromstärke über die Zeit nicht exponentiell,
sondern linear zunimmt, insbesondere um die Stromanstiegsgeschwindigkeit
in einem mittleren Zeitabschnitt zu reduzieren und vor Erreichen
des Strommaximums zu erhöhen.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der
mindestens eine Stromimpuls derart aufgebracht wird, dass er zumindest über
einen Längsabschnitt des Tordierelementes entlang der Längserstreckung
des Tordierelementes verläuft. Bevorzugt wird der mindestens
eine Strompuls mit Axialabstand zu den Enden des Tordierelementes ein-
und/oder ausgeleitet.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der die
Stromstärke des Strompulses aus einem Wertebereich zwischen
etwa 40 Ampere und etwa 1400 Ampere gewählt wird. Zusätzlich
oder alternativ kann die Dauer des Stromimpulses, d. h. die zeitliche
Erstreckung aus einem Wertebereich zwischen etwa 10 Mikrosekunden
und etwa 300 Millisekunden gewählt werden.
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Neben
dem zuvor beschriebenen Verfahren führt die Erfindung auch
auf eine Vorrichtung zum Versehen eines ein- oder mehrteiligen Tordierelementes
eines Drehmomentsensors mit mindestens einer magnetischen Kodierung
durch Beaufschlagen des Tordierelementes mit mindestens einem Strompuls,
wobei die Vorrichtung mindestens eine Stromquelle zum Erzeugen mindestens
eines Strompulses aufweist. Bevorzugt sind mehrere Stromquellen
zum zeitgleichen oder zeitversetzten Erzeugen mehrerer Strompulse
vorgesehen. Alternativ können mit nur einer Stromquelle
mehrere Strompulse zeitlich versetzt erzeugt werden. Besonders bevorzugt
werden mit der Vorrichtung gleichzeitig oder nacheinander zwei gegensinnig
orientierte Strompulse zum Erzeugen zweier stabiler Magnetisierungen
in zwei gegenläufigen Schalen des Tordierelementes erzeugt.
Die nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Vorrichtung umfasst
dabei Mittel zum Formen des zeitlichen Verlaufs mindestens eines
Strompulses, wodurch die Stabilität und die Stärke
des mindestens einen erhaltenen Magnetfeldes positiv beeinflusst
werden kann.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der die
Stromquelle zum Erzeugen des mindestens einen Strompulses als Kondensatoranordnung
mit mindestens einem Kondensator ausgebildet ist oder eine solche
Kondensatoranordnung umfasst, wobei der Strompuls vom Entladestrom
der Kondensatoranordnung gebildet wird. Ohne ein Vorsehen der erfindungsgemäßen
Mittel zum Formen des zeitlichen Verlaufs des Strompulses würde
der zeitliche Verlauf des Strompulses in einer derartig ausgebildeten
Stromquelle einer e-Funktion entsprechen bzw. einer aus mehreren
e-Funktionen zusammengesetzten Funktion.
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Mit
Vorteil sind die Mittel zum Formen des zeitlichen Verlaufs des mindestens
einen Strompulses im Stromkreis zwischen der Stromquelle und dem
Tordierelement und/oder zwischen dem Tordierelement und der Stromquelle
angeordnet. Dabei können die Mittel zum Formen des zeitlichen
Verlaufs aus mehreren Einzelkomponenten gebildet sein, die bevorzugt
in Reihe geschaltet sind.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform der Vorrichtung,
bei der die Mittel zum Formen des zeitlichen Verlaufs derart ausgebildet
sind, dass mit ihnen die Steilheit der Anstiegsflanke des Strompulses
zumindest in einem Zeitabschnitt verringerbar ist. Besonders bevorzugt
sind die Mittel zusätzlich oder alternativ derart ausgebildet,
dass mit ihnen der zeitliche Verlauf des Strompulses in zumindest
einem Abschnitt linearisierbar ist.
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Bevorzugt
ist eine Ausführungsform, bei der die Mittel zum Formen
des zeitlichen Verlaufs des Strompulses mindestens ein elektrisches
Element umfassen, das bei Strombeaufschlagung ein nicht lineares
Ansteigen der Stromstärke verursacht. Besonders bevorzugt
handelt es sich dabei um mindestens eine Induktivität.
Werden mehrere derartige elektrische Elemente vorgesehen, so sind
diese bevorzugt in Reihe geschaltet.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der die
mindestens eine Induktivität von mindestens einer Spule,
insbesondere einer Ringspule, mit einem Spulenkern (Kern) gebildet
ist. Werden mehrere Spulen eingesetzt, so sind diese bevorzugt in
Reihe geschaltet.
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Besonders
gute Ergebnisse im Hinblick auf die Stabilität und Stärke
der erhaltenen magnetischen Kodierung werden erzielt, wenn der Kern
der mindestens einen Spule derart ausgebildet ist, dass diese sich
möglichst schnell sättigt, da hierdurch die Stromanstiegsgeschwindigkeit
in zumindest einem, insbesondere mittleren, Abschnitt minimiert
und in einem Zeitabschnitt unmittelbar vor Erreichen des Strommaximums
erhöht wird. Es ist auch denkbar, mehrere Kern-Materialien
mit unterschiedlichen Sättigungsfeldstärken zu
kombinieren.
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Weiterhin
führt die Erfindung auf eine Verwendung einer zuvor beschriebenen
Vorrichtung zum Versehen eines ein- oder mehrteiligen Tordierelementes
eines Drehmomentsensors mit mindestens einer magnetischen Kodierung.
Dabei kann die Vorrichtung beispielsweise derart ausgebildet werden, dass
mit ihr der zeitliche Verlauf nur eines einzigen Strompulses beeinflussbar
ist, oder derart, dass der zeitliche Verlauf von einem Teil der
zum Einsatz kommenden Strompulse beeinflussbar ist, oder bevorzugt
derart, dass der zeitliche Verlauf sämtlicher eingesetzter
Strompulse, wie zuvor beschrieben beeinflussbar ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1:
eine stark schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zum Magnetisieren
eines Tordierelementes eines Drehmomentsensors und
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2:
ein Diagramm, aus dem sowohl der Verlauf eines Strompulses über
die Zeit nach dem Stand der Technik, als auch der Verlauf eines
Strompulses über die Zeit nach einer entsprechenden Formung
dargestellt ist.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und gleiche Elemente sowie Bauteile
und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
eine Vorrichtung 1 zum Aufbringen einer Magnetisierung
(magnetische Kodierung) auf ein Tordierelement 2 eines
Drehmomentsensors 3 gezeigt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist das Tordierelement 2 als einteiliger Tordierbalken ausgebildet.
Das Tordierelement 2 kann auch mehrteilig und/oder unterschiedlich
konturiert ausgebildet sein. Der Drehmomentsensor 3 umfasst
neben dem Tordierelement 2, das von einem zu messenden Drehmoment
tordiert wird, (mindestens) einen Magnetfeldsensor 4, beispielsweise
Hallsensor, der mit einer Auswerteelektronik 5 verbunden
ist, die aus den von dem Magnetfeldsensor 4 gemessenen Messwerten,
das an dem Tordierelement 2 anliegende Drehmoment misst.
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Um
das Tordierelement 2 mit einer Magnetisierung zu versehen,
umfasst die Vorrichtung 1 einen Stromkreis 6 mit
einer Stromquelle 7, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
von einem Kondensator gebildet wird. Von der Stromquelle 7 führt
eine elektrische Leitung 8 zu einem Schalter 9 und
von dort aus zu einer ersten Elektrode 10, über
die ein Strompuls (Entladungsstrompuls) in das Tordierelement 2 fließen
kann. Die erste Elektrode 10 ist mit Axialabstand zu den
beiden Enden des Tordierelementes 2 angeordnet. Mit Axialabstand
zu der ersten Elektrode 10 versetzt, befindet sich eine
zweite Elektrode 11, über die der Strompuls über
eine Leitung 13 zu Mitteln 12 zum Formen des zeitlichen
Verlaufs des Strompulses und über diese zurück
zur Stromquelle 7 fließen kann. Die Mittel 12 bestehen
beispielsweise aus mindest einer Ringspule mit einem Kern (nicht gezeigt),
wobei der Kern aus einem schnell magnetisch gesättigten
Material besteht, so dass der zeitliche Verlauf des Strompulses
derart beeinflusst wird, dass sich eine vergleichsweise langsame
Stromanstiegsgeschwindigkeit und ein zumindest näherungsweise
linearer zeitlicher Verlauf des Strompulses ergibt.
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Sobald
der Stromkreis 6 durch Betätigen des Schalters 9 geschlossen
wird, strömt ein durch die Entladung des Kondensators der
Stromquelle 7 verursachter Strompuls zum Tordierelement 2 und strömt
in diesem in Längsrichtung zu der mit Axialabstand zu den
Enden des Tordierelementes 2 angeordneten zweiten Elektrode 11 und
von dort aus zu den Mitteln 12. Durch den Stromimpuls mit
einer Stärke von in diesem Ausführungsbeispiel
etwa 900 Ampere und einer zeitlichen Dauer von etwa 100 ms wird
das Tordierelement 2 in einem Abschnitt mit einer magnetischen
Kodierung versehen. Zusätzliche, vorzugsweise gegenläufige,
Magnetisierungen können ebenfalls realisiert werden, beispielsweise
durch das zeitgleiche oder zeitlich versetzte Beaufschlagen mit
mindestens einem weiteren Strompuls, wobei der Strompuls mit der
gezeigten Vorrichtung 1 oder einer analog aufgebauten Vorrichtung 1 aufgebracht
werden kann. Es ist auch denkbar den zeitlichen Verlauf des mindestens
einen weiteren Strompulses nicht zu formen.
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In 2 ist
die Wirkung der Mittel 12 gemäß 1 ersichtlich.
In einem Diagramm, bei dem die Stromstärke I des Strompulses über
die Zeit aufgetragen ist, ist der zeitliche Verlauf eines Strompulses 14 nach
dem Stand der Technik gezeigt. Zu erkennen ist, dass der Verlauf
einer e-Funktion gehorcht. In einer strichlierten Linie ist der
zeitliche Verlauf eines Strompulses 15 nach der Erfindung
gezeigt. Zu erkennen ist ein nahezu linearer Anstieg, wobei die
Anstiegsgeschwindigkeit im Vergleich zu einem Strompuls gemäß dem
Stand der Technik in einem mittleren Zeitabschnitt reduziert ist.
Ebenso ist zu erkennen, dass die maximale Stromstärke des
Strompulses 15 größer ist als das Maximum
des Strompulses 14 und dass die Stromanstiegsgeschwindigkeit
in einem auf den mittleren Zeitabschnitt folgenden Zeitabschnitt
unmittelbar vor Erreichen des Strommaximums größer
ist als bei dem Strompuls 14, um mit dem maximalen Strom
eine geringe Eindringtiefe und somit eine starke Magnetisierung
in einer dünnen Schale zu realisieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0001, 0004]