-
HINTERGRUND
-
Ein E-Bike beziehungsweise Pedelec ist ein Elektrofahrrad, bei dem der Fahrer von einem Elektroantrieb unterstützt wird, wenn er in die Pedale tritt. Üblicherweise wird das auf die Pedale beziehungsweise das Tretlager einwirkende Drehmoment gemessen und der Elektromotor unterstützt die mechanische Antriebsleistung entsprechend dem einwirkenden Drehmoment. Beispielsweise kann die Unterstützung umso stärker sein, je mehr Kraft der Fahrer aufwendet. Zur Ermittlung des einwirkenden Drehmoments werden magnetoelastische Drehmomentsensoren verwendet, die in das Tretlager eingebaut sind und eine Magnetfeldänderung aufgrund des magnetoelastischen Effekts messen. Der Magnetfeldsensor misst dabei nicht nur die durch das Drehmoment verursachte Magnetfeldänderung, sondern auch externe Störfelder, die beispielsweise durch magnetisierte Gegenstände in der Nähe des Tretlagers, aber auch durch das Erdmagnetfeld verursacht werden können.
-
Externe Magnetfelder können dazu führen, dass beispielsweise ein zu großes einwirkendes Drehmoment ermittelt wird und somit ein falscher Sollwert für eine vom Elektroantrieb abzugebende Unterstützung bzw. Leistung vorgegeben wird. Beispielsweise kann es durch externe Magnetfelder vor allem bei langsamer Fahrt oder beim Abbremsen zu einer unerwünschten und überraschenden starken Beschleunigung kommen, die in bestimmten Situationen (Einfahrt in Hauptstraße, bei Abhängen etc.) gefährlich sein kann.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensorvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die unabhängig bezüglich externer Störfelder ist. Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem mit einer derartigen Sensorvorrichtung, ein Verfahren zum Messen eines Drehmoments unter Verwendung der Sensorvorrichtung sowie ein Verfahren zum Regeln eines Antriebssystems zur Verfügung zu stellen.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand beziehungsweise das Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
-
Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die begleitenden Zeichnungen sind enthalten, um ein tieferes Verständnis von Ausführungsbeispielen zu liefern, sie sind in diese Anmeldung einbezogen und einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Hauptausführungsbeispiele und dienen gemeinsam mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile werden sofort erkannt, wenn sie beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander. Gleiche Bezugszeichen geben entsprechend ähnliche Teile an.
-
1 zeigt ein Beispiel einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
-
2 zeigt ein Beispiel einer Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
-
3 zeigt ein Beispiel einer Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
-
4 zeigt ein Beispiel einer Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
-
5A zeigt Elemente eines Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform.
-
5B zeigt Elemente eines weiteren Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform.
-
6 veranschaulicht ein Fahrrad-Tretlager mit einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
-
7 zeigt einen Rollstuhl mit einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
-
8 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform.
-
9 zeigt ein Verfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der detaillierten Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele dargestellt sind, in denen die Erfindung verwirklicht werden kann. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „vorne“, „hinten“ und so weiter in Hinblick auf die Orientierung der in diesem Zusammenhang beschriebenen Figuren verwendet. Da die Komponenten von Ausführungsbeispielen der Erfindung in einer Vielzahl von verschiedenen Orientierungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie für Zwecke der Veranschaulichung verwendet und ist in keiner Weise einschränkend. Es ist selbstverständlich, dass weitere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Veränderungen gemacht werden können, ohne den durch die Patentansprüche definierten Bereich zu verändern.
-
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend. Insbesondere können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele, die im Folgenden beschrieben sind, mit Elementen von verschiedenen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
-
In zylindersymmetrischen Systemen bezeichnet der Begriff „axial“ eine Richtung entlang der Längsausdehnung des Zylinders. „Radial“ bezeichnet eine Richtung parallel zur Richtung des Radius des zylindrischen Körpers. Verschiedene Punkte entlang des Umfangs des Zylinders lassen sich durch Angabe eines Winkels γ charakterisieren. In 1 beispielsweise entspricht die axiale Richtung der Richtung entlang der X-Achse, die radiale Richtung betrifft eine beliebige Richtung vom Mittelpunkt einer Bodenfläche eines Basiselements 110 zur Oberfläche des Basiselements.
-
Die hier verwendeten Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“, „mit“ und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, die das Vorhandensein der jeweiligen Elemente oder Merkmale anzeigen, zusätzliche Elemente oder Merkmale jedoch nicht ausschließen. Bestimmte und unbestimmte Artikel sollen Plural sowie Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht deutlich etwas anderes ergibt.
-
Die in dieser Beschreibung verwendeten Begriffe „verbunden“ und/oder „elektrische verbunden“ sollen nicht bedeuten, dass diese Elemente direkt miteinander verbunden sein müssen. Es können dazwischenliegende Elemente zwischen den „verbundenen“ oder „elektrisch verbundenen“ Elementen vorgesehen sein. Insbesondere beschreibt der Begriff „elektrisch verbunden“ eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den elektrisch miteinander verbundenen Elementen.
-
1 zeigt ein Beispiel einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform. Die Sensorvorrichtung 100 umfasst ein sich in einer axialen Richtung erstreckendes Basiselement 110 und einen ersten magneto-elastisch aktiven Bereich 115, der einen ersten Längenabschnitt einer Oberfläche des Basiselements 110 darstellt. Der erste Längenabschnitt erstreckt sich in die axiale Richtung, beispielsweise die X-Richtung und ist in einer ersten Umfangsrichtung magnetisiert. Die Sensorvorrichtung 100 umfasst weiterhin einen ersten Magnetfeldsensor 125, der mit dem ersten Längenabschnitt überlappt und einen zweiten Magnetfeldsensor 130, der entlang der axialen Richtung beabstandet zu dem ersten Magnetfeldsensor 125 angeordnet ist und mit dem ersten Längenabschnitt überlappt.
-
Das Basiselement 110 kann beispielsweise eine Welle oder eine Achse aus einem geeigneten Material sein. Beispielsweise kann das Basiselement aus einem ferromagnetischen Material ohne permanente Magnetisierung hergestellt sein. Beispiele für das Material des Basiselements umfassen Eisen, Stahl mit optionalen Zusätzen wie Molybden, Vanadium, Zinn, Chrom, Nickel, Kobalt, Silizium oder Aluminium sowie beliebige ferromagnetische Legierungen. Ein Teil der Achse beziehungsweise Welle kann den ersten magneto-elastisch aktiven Bereich 115 ausbilden, beispielsweise, nachdem dieser Teil magnetisiert worden ist. Beispielsweise kann dies durch Einprägen einer permanenten Magnetisierung erfolgen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der erste magneto-elastisch aktive Bereich 115 als eine separate Schicht mit magneto-elastischen Eigenschaften über dem Basiselement 110 angeordnet und mit diesem verbunden sein. Anders ausgedrückt kann das Basiselement 110 beispielsweise einstückig mit dem ersten magneto-elastisch aktiven Bereich ausgebildet sein. Alternativ kann das Basiselement 110 separat von dem ersten magneto-elastisch aktiven Bereich ausgebildet sein. In diesem Fall sind der erste magneto-elastisch aktive Bereich 115 und das Basiselement 110 in der Weise miteinander verbunden, dass sich eine auf das Basiselement wirkende Kraft beziehungsweise ein auf das Basiselement wirkendes Drehmoment auf den magneto-elastisch aktiven Bereich 115 überträgt. Die Sensorvorrichtung basiert auf dem Effekt der Magnetostriktion, das heißt der Änderung der Magnetisierung durch mechanische Spannungen, die beispielsweise durch ein einwirkendes Drehmoment beziehungsweise eine aufgewendete Kraft verursacht werden. Eine Änderung der Magnetisierung des ersten magnetoelastisch aktiven Bereichs 115 wird durch den ersten und zweiten Magnetfeldsensor 125, 130 gemessen. Durch Messung der Änderung der Magnetisierung lässt sich das einwirkende Drehmoment beziehungsweise die einwirkende Kraft bestimmen.
-
Das Basiselement 110 kann massiv beziehungsweise ausgefüllt sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Basiselement 110 als Hohlelement ausgeführt sein. Wenn das Basiselement als Hohlelement ausgeführt ist, können der magneto-elastisch aktive Bereich 115 und der erste und zweite Magnetfeldsensor 125, 130 auch auf der Innenseite des hohlen Basiselements angeordnet sein.
-
Das Basiselement 110 kann eine beliebige, beispielsweise zylindrische Form aufweisen. Der Radius des zylindrischen Elements kann entlang der axialen Richtung, beispielsweise der X-Richtung variieren. Das Basiselement 110 muss aber auch nicht notwendigerweise als Zylinder ausgeführt sein sondern kann eine beliebige Form aufweisen, solange diese den Wirkmechanismus der beschriebenen Ausführungsform nicht stört. Der erste magneto-elastisch aktive Bereich hat eine gewisse Ausdehnung entlang der X-Richtung (axiale Richtung) und stellt somit einen ersten Längenabschnitt der Oberfläche des Basiselements dar. Der erste magneto-elastisch aktive Bereich 115 ist entlang einer ersten Umfangsrichtung magnetisiert. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung bezeichnet eine Umfangsrichtung im Idealfall eine Richtung entlang des Mantels eines Zylinders. Wenn beispielsweise das Basiselement als zylindrischer Körper ausgeführt ist, entspricht die Umfangsrichtung der Richtung entlang des Mantels des Basiselements. Wenn das Basiselement nicht als zylindrischer Körper ausgeführt ist, entspricht die Umfangsrichtung einer Richtung entlang des Umfangs eines Schnitts durch das Basiselement, wobei dieser Schnitt die axiale Richtung des Basiselements senkrecht schneidet. Bei einer Polarisation entlang der Umfangsrichtung kann ohne einwirkendes Drehmoment keine Netto-Magnetisierungskomponente in axialer Richtung oder in radialer Richtung vorliegen.
-
Der erste magneto-elastisch aktive Bereich hat eine Länge in der axialen Richtung von etwa 15 bis 25 mm, beispielsweise 20 mm. Die Länge kann aber auch in einem größeren Wertebereich liegen, beispielsweise von 5 bis 30 mm. Die Mitte des magneto-elastischen Bereichs entspricht der Position auf der axialen Achse (x-Position), die den magneto-elastischen Bereich entlang der axialen Achse halbiert.
-
Der erste Magnetfeldsensor 125 und der zweite Magnetfeldsensor 130 sind entlang der axialen Richtung benachbart zu dem ersten magneto-elastisch aktiven Bereich 115 in der Weise angeordnet, dass sie jeweils mit dem ersten magneto-elastisch aktiven Bereich 115 überlappen. Beispielsweise können der erste und der zweite Magnetfeldsensor jeweils in gleichem Abstand zu der Mitte des magneto-elastisch aktiven Bereichs angeordnet sein. Der erste Magnetfeldsensor 125 und der zweite Magnetfeldsensor 130 können so angeordnet sein, dass sie nicht mit einem an den ersten magneto-elastisch aktiven Bereich 115 angrenzenden Bereich überlappen.
-
Als Magnetfeldsensoren können beispielsweise Flux-Gate Sensoren, ein- oder mehrachsige Kompasssensoren, Magnetometer oder Hallsensoren verwendet werden. Beispielsweise kann der Magnetfeldsensor ein Vektorsensor sein, der die Größe und Polarität der axialen und/oder radialen Feldkomponenten bestimmt. Der Magnetfeldsensor kann als Festkörpersensor ausgeführt sein und beispielsweise auf dem Hall-Effekt, Magnetowiderstand beruhen, er kann ein Magnetotransistor („Magnistor“), eine Magnetodiode oder ein MagFET (manetic field effect transistor) Feldsensor sein.
-
Störfelder können beispielsweise das Erdmagnetfeld sein oder aber auch durch Komponenten des Fahrrads oder in der Nähe der Sensorvorrichtung vorhandene Komponenten, wie beispielsweise eine magnetisierte Pedalschraube, eine elektrische Leitung, den Gleichstrommotor etc. verursacht werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass beispielsweise die Wirkung einer „Fernquelle“ wie dem Erdmagnetfeld als konstant entlang der axialen Richtung anzusehen ist, während die magnetische Feldstärke, die durch eine „Nahfeldquelle“, als mit zunehmender Entfernung von der Nahfeldquelle 180 in etwa linear abnehmend anzusehen ist, wobei der Abstand der Nahfeldquelle von der Sensorvorrichtung bis zu 50 cm betragen kann.
-
Der erste und der zweite Magnetfeldsensor 125, 130 können unter demselben Azimutwinkel angeordnet sein.
-
Der untere Teil von
1 veranschaulicht ein Beispiel für die Abnahme der Magnetfeldstärke W in Abhängigkeit des Abstands von der Nahfeldquelle
180. In erster Näherung wird davon ausgegangen, dass man den Einfluss von Fernquellen wie beispielsweise dem Erd-Magnetfeld vernachlässigen kann. Zur Ermittlung des Einflusses der Nahfeldquelle
180 sind der erste Magnetfeldsensor
125 und der zweite Magnetfeldsensor
130 vorgesehen, die jeweils mit dem ersten magneto-elastisch aktiven Bereich
115 überlappen. Der Einfluss des Nahfelds ist durch „1“ beziehungsweise „2“ Bewertungseinheiten im oberen Teil der
1 veranschaulicht. Die durch den ersten Magnetfeldsensor
125 und den zweiten Magnetfeldsensor
130 aufgenommenen Messwerte, die jeweils eine Magnetfeldstärke in dem ersten Längenabschnitt repräsentieren, werden der Verarbeitungseinheit
170 zugeführt. Die Verarbeitungseinheit
170 bildet einerseits die Differenz der beiden Signale andererseits die Summe dieser Signale. Aus der Differenz der Signale lässt sich der Einfluss der Störfeldquelle
180 ermitteln. Aus der Summe der Messsignale lässt sich das auf die Sensorvorrichtung
100 einwirkende Drehmoment beziehungsweise die einwirkende Kraft ermitteln. Die Ermittlung des Einflusses der Nahfeldquelle
180 sowie die Bestimmung des Drehmoments lassen sich aus folgender Tabelle 1 ermitteln: Tabelle 1
| Magnetfeldsensor | gemessenes Magnetfeld |
| 125 | T + a |
| 130 | T + 2a |
| Summe | 2T + 3a |
| Differenz (125 – 130) | –a |
wobei T das durch das einwirkende Drehmoment verursachte Magnetfeld bezeichnet und a eine Bewertungseinheit des durch die Nahfeldquelle
180 verursachten Störfelds.
-
Hier wird davon ausgegangen, dass die Magnetfeldsensoren jeweils derart ausgerichtet sind, dass sie denselben Vektor des Magnetfelds erfassen.
-
Obwohl nicht explizit dargestellt, kann die Sensorvorrichtung weitere Magnetfeldsensoren umfassen, die beispielsweise mit dem ersten Längenabschnitt überlappen.
-
2 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Sensorvorrichtung. Im Vergleich zur 1 sind die beiden Magnetfeldsensoren 125 und 130 überlappend angeordnet. Diese überlappende Anordnung der Magnetfeldsensoren kann bei der Verwendung von Flux Gate Sensoren in Betracht kommen. Bei einer Spurbreite des magneto-elastisch aktiven Bereich von beispielsweise etwa 15 bis 25mm können die beiden Flux Gate Sensoren eine jeweilige Breite von etwa 4 bis 20 mm aufweisen. Die Überlappung der beiden Flux Gate Sensoren kann im Bereich von 1 bis 8 mm in Breitenrichtung liegen.
-
3 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Sensorvorrichtung. Die Sensorvorrichtung nach 3 umfasst im Vergleich zu der in 1 gezeigten einen zweiten magneto-elastisch aktiven Bereich 120, der einen zweiten, vom ersten Längenabschnitt verschiedenen Längenabschnitt der Oberfläche des Elements darstellt. Der zweite Längenabschnitt erstreckt sich ebenfalls in die axiale Richtung und kann beabstandet zu dem ersten magneto-elastisch aktiven Bereich 115 oder an diesen angrenzend angeordnet sein. Der zweite magneto-elastisch aktive Bereich 120 ist in einer zweiten Umfangsrichtung, die von der ersten Umfangsrichtung verschieden ist, magnetisiert. Der Sensor umfasst weiterhin einen dritten Magnetfeldsensor 135. Dieser ist mit ähnlichem Abstand zum Mittelpunkt des zweiten magneto-elastisch aktiven Bereich 120 angeordnet wie der erste oder der zweite Magnetfeldsensor 125, 130. Der zweite magneto-elastisch aktive Bereich 120 hat bevorzugt dieselbe Breite wie der erste magneto-elastisch aktive Bereich 115, allerdings können die Breiten der magneto-elastischen Bereiche 115, 120 auch verschieden voneinander sein. Die Sensorvorrichtung kann darüber hinaus noch einen vierten Magnetfeldsensor 140 umfassen. Der dritte und der vierte Magnetfeldsensor 135, 140 sind jeweils symmetrisch zur Mitte des zweiten magneto-elastisch aktiven Bereichs 120 angeordnet. Die Signale des dritten und gegebenenfalls des vierten Magnetfeldsensors 135, 140 werden der Auswerteeinheit 170 zugeführt. Durch die in 3 gezeigte Anordnung lässt sich die Genauigkeit der Messung erhöhen. Insbesondere kann der Einfluss durch räumlich konstante Magnetfelder eliminiert werden. Beispielsweise lässt sich dadurch der Einfluss des Erdmagnetfelds beseitigen.
-
Die Verarbeitungseinheit
170 bildet Summen- und Differenzsignale aus den Signalen des ersten, zweiten, dritten und gegebenenfalls vierten Magnetfeldsensor in analoger Weise zu dem zu
1 beschriebenen Verfahren. Tabelle 2
| Magnetfeldsensor | gemessenes Magnetfeld |
| 125 | T + a + b |
| 130 | T + 2a + b |
| 135 | T + 3a b |
| 140 | T + 4a – b |
| 125 – 130 + (135 – 140) | –2a |
| 125 + 130 + 135 + 140 | 4T + 10a |
-
Abweichungen zwischen den gemessenen Magnetfeldern gemäß Tabelle 1 und Tabelle 2 ergeben sich daraus, dass anders als bei Tabelle 1 gemäß Tabelle 2 der Einfluss des räumlich statischen Störfelds berücksichtigt wird. Insbesondere bezeichnet b den Einfluss des konstanten externen Magnetfelds.
-
Alternativ oder ergänzend können auch Werte gemäß Tabelle 3 berechnet werden: Tabelle 3
| Magnetfeldsensor | gemessenes Magnetfeld |
| k·(125 – 140) – l·(130 – 135),
wobei 0,3 ≤ k ≤ 3,0
und 0,3 ≤ l ≤ 3,0 | k·(–3a + 2b) – l·(–a + 2b),
wobei 0,3 ≤ k ≤ 3,0 und
0,3 ≤ l ≤ 3,0 |
-
Die Berechnung gemäß Tabelle 3 ist insbesondere vorteilhaft, weil der in gemessenen Amplituden enthaltene Fehlerbetrag an den Sensorvorrichtungen 125, 130, 135 und 140 nicht linear ist und auf diese Weise bessere Aussagen über das Vorliegen von Einflüssen externer Magnetfelder getroffen werden können.
-
Bei der in 3 gezeigten Anordnung kann eine hohe Messgenauigkeit erzielt werden. Insbesondere kann der Einfluss räumlich statischer Magnetfelder beseitigt werden. Ein schmaler Aufbau des Sensorelements kann erreicht werden, insbesondere, wenn dieses nur 2 magneto-elastisch aktive Bereiche enthält.
-
Gemäß einer Ausführungsform können weitere magneto-elastisch aktive Bereiche vorgesehen sein, die jeweils mit entsprechenden Magnetfeldsensoren ausgerichtet sind. Gemäß einer Ausführungsform können die gegenläufig magnetisierten magneto-elastisch aktiven Bereiche 115, 120 durch Einprägen von Stromimpulsen aufmagnetisiert werden. Dabei wird eine Elektrode an Bereichen des Umfangs des Basiselements, an denen die magneto-elastisch aktiven Bereiche 115, 120 auszubilden sind, aufgebracht und es wird ein Stromimpuls mit einer Stromstärke von etwa 4–5 kA eingeprägt. Als Ergebnis können durch diese Stromstöße zwei magneto-elastisch aktive Bereiche 115, 120, die jeweils gegenläufig zueinander polarisiert sind, gleichzeitig ausgebildet werden.
-
4 zeigt eine Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform. Abweichend von den in den 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsformen ist gemäß der Ausführungsform von 4 eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren entlang des Umfangs der Sensorvorrichtung unter verschiedenen Azimutwinkeln γ angeordnet. Beispielsweise können die verschiedenen Sensorpaare immer bei den Winkeln 0°, 90°, 180°, 270° angeordnet sein. Der obere Teil von 4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Sensorvorrichtung 100. Der untere Teil von 4 zeigt eine Querschnittsansicht mit der Position der Sensoren 125, 145, 155, 165, die jeweils unter verschiedenen Winkeln γ angeordnet sind. Der Abstand der einzelnen Sensoren zum Basiselement 110 kann dabei jeweils gleich sein. Die Anordnung gemäß 4 ist auch auf eine Ausführungsform anwendbar, bei der mehrere magneto-elastisch aktive Bereiche mit jeweils gegenläufig zueinander verlaufender Magnetisierung vorgesehen sind.
-
5A zeigt ein Blockschaltbild eines Antriebssystems 400. Das in 5A veranschaulichte Antriebssystem umfasst eine Antriebsvorrichtung 410, beispielsweise einen Elektromotor, eine hydraulische oder beliebig andere Antriebsvorrichtung. Eine äußere Kraft beziehungsweise ein äußeres Drehmoment 440 wirkt auf ein Antriebselement 420 ein. Das Antriebselement 420 wird durch die Antriebsvorrichtung 410 angetrieben. Das Antriebselement 420 kann beispielsweise ein Tretlager, eine Welle oder eine Achse sein. Die Sensorvorrichtung 100 misst das einwirkende Drehmoment beziehungsweise die einwirkende Kraft in der vorstehend beschriebener Weise unter Verwendung des magneto-elastischen Effekts. Insbesondere ist die Sensorvorrichtung in der unter Beschreibung der 1 bis 4 dargestellten Weise ausgeführt. Obwohl als eigenständige Komponente dargestellt, ist offensichtlich, dass wesentliche Elemente der Sensorvorrichtung 100 einen Teil des Antriebselements 420 darstellen können. Insbesondere kann das Basiselement 110 einen Teil des Antriebselements 420 darstellen. Das von der Sensorvorrichtung 100 ermittelte Messergebnis wird der Regelvorrichtung 430 zugeführt, die daraufhin die Antriebsleistung der Antriebsvorrichtung 410 steuert. Beispielsweise kann bei einem E-Bike bei starkem einwirkenden Drehmoment auch die Leistung der Antriebsvorrichtung 410 erhöht werden, so dass der Fahrer ein sehr großes Unterstützungsmoment durch die Antriebsvorrichtung 410 erfährt.
-
Gemäß der in 5B dargestellten Ausführungsform kann die von außen wirkende Kraft beziehungsweise das von außen wirkende Drehmoment 440 auch auf die Sensorvorrichtung 100, die von dem Antriebselement 420 getrennt ist, einwirken. Dies kann beispielsweise in Fällen eintreten, in denen ein spezieller Handgriff betätigt wird um die Leistung der Antriebsvorrichtung 410 zu erhöhen oder zu erniedrigen. In diesem Fall wirkt die von außen wirkende Kraft beziehungsweise das Drehmoment 440 direkt auf die Sensorvorrichtung 100, die von dem Antriebselement 420 entkoppelt ist, ein. Das einwirkende Drehmoment beziehungsweise die einwirkende Kraft 440 wird von der Sensorvorrichtung 100 ermittelt und ein entsprechendes Signal wird der Regelvorrichtung 430 zugeführt, die daraufhin die Leistung der Antriebsvorrichtung 410 erhöht oder erniedrigt. Die Antriebsvorrichtung 410 erhöht oder erniedrigt dann die Antriebsleistung des Antriebselements 420.
-
6 zeigt als Beispiel das Tretlager 510 beziehungsweise eine entsprechende Achse eines E-Bikes. Die Sensorvorrichtung 100 bildet einen Bestandteil des Tretlagers. Ein Drehmoment 530 des rechten Fußes sowie ein Drehmoment 540 des linken Fußes wirken auf das Tretlager 510 ein. Das einwirkende Drehmoment wird in der vorstehend beschriebenen Weise ermittelt, und die Leistung des Elektromotors wird entsprechend eingestellt.
-
7 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Sensorvorrichtung 600 von dem Antriebselement 420 entkoppelt ist. 7 zeigt einen Rollstuhl 630 mit einem Handgriff 610. Durch Betätigen des Handgriffs 610 lässt sich die Antriebsleistung variieren. Der Handgriff 610 umfasst somit eine Kraftübertragungseinrichtung 620. Durch Betätigen des Handgriffs, beispielsweise durch Drehen oder Drücken, wird eine Kraft beziehungsweise ein Drehmoment aufgewendet, welches durch die Sensorvorrichtung 600 ermittelt wird. Die Sensorvorrichtung 600 stellt eine Antriebsleistung einer Antriebsvorrichtung 410 entsprechend der einwirkenden Kraft beziehungsweise dem aufgewendeten Drehmoment ein, wodurch entsprechend der Bewegung des Handgriffs 610 die Antriebsleistung des Rollstuhls 630 bestimmt wird.
-
Die beschriebene Sensorvorrichtung kann beispielsweise allgemein zur Drehmomentüberwachung eingesetzt werden, beispielsweise in Lenksäulen oder einer Abtriebswelle eines Getriebes. Ein weiterer Anwendungsbereich ergibt sich bei der Messung des Drehmoments in Radnaben von Landmaschinen beispielsweise als Überlastschutz.
-
Die beschriebenen Antriebssysteme können beispielsweise ebenfalls in diesen Gebieten eingesetzt werden. Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich im Bereich der Werkzeugmaschinen, bei Windkraftwerken und bei allgemeinen Generatoren in Kraftwerken.
-
8 fasst ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform zusammen. Ein Verfahren zum Messen eines Drehmoments unter Verwendung der hier beschriebenen Sensorvorrichtung umfasst das Erfassen eines ersten Signals von dem ersten Magnetfeldsensor (S100), das Erfassen eines zweiten Signals von dem zweiten Magnetfeldsensor (S110), das Ermitteln eines Differenzsignals zwischen erstem und zweitem Signal zur Ermittlung eines Störsignals (S120), das Ermitteln eines Summensignals aus erstem und zweitem Signal zur Ermittlung eines durch das Drehmoment verursachten Magnetfelds (S130), und das Bestimmen des Drehmoments unter Verwendung des Differenzsignals und des Summensignals (S140). Das Ermitteln des Summensignals und des Differenzsignals können in beliebiger Reihenfolge oder gleichzeitig durchgeführt werden.
-
9 zeigt Schritte eines weiteren Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. Ein Verfahren zum Regeln eines Antriebssystems umfasst das Durchführen des in 8 gezeigten Verfahrens zum Bestimmen eines von außen einwirkenden Drehmoments (S200), und das Regeln einer Antriebsleistung unter Berücksichtigung des von außen einwirkenden Drehmoments (S210).
