DE102015200268B3

DE102015200268B3 - Anordnung zur Messung einer Kraft oder eines Momentes mit einem Magnetfeldsensor und mit einem Magnetfeldleitelement

Info

Publication number: DE102015200268B3
Application number: DE102015200268.3A
Authority: DE
Inventors: Jan Matysik; Christian Mock; Stephan Neuschaefer-Rube
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2035-01-13
Also published as: WO2016112901A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse (01) erstreckenden Maschinenelement (02). Die Messung der Kraft und/oder des Momentes erfolgt unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Das Maschinenelement (02) weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse (01) herum erstreckende Magnetisierungsbereiche (04) für eine Magnetisierung auf. Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens zwei axial zueinander beabstandete Magnetfeldsensoren (06), welche jeweils einem der Magnetisierungsbereiche (04) gegenüberstehen und jeweils zur Messung zumindest eine Komponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind. Erfindungsgemäß ist zwischen den Magnetfeldsensoren (06) jeweils ein Magnetfeldleitelement (09) ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Die Anordnung umfasst einen Magnetfeldsensor, der gemeinsam mit einem Magnetfeldleitelement einem Magnetisierungsbereich am Maschinenelement gegenübersteht. Die Messung der Kraft und/oder des Momentes erfolgt unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes.
Die EP 2 365 927 B1 zeigt ein Tretlager mit zwei Tretkurbeln und mit einem Kettenblattträger, der mit einer Welle des Tretlagers verbunden ist. Der Kettenblattträger ist drehfest mit einer Kettenblattwelle verbunden, die wiederum drehfest mit der Welle verbunden ist. Die Kettenblattwelle weist abschnittsweise eine Magnetisierung auf. Es ist ein Sensor vorgesehen, der eine Änderung der Magnetisierung bei einem im Bereich der Magnetisierung vorliegenden Drehmoment erfasst.
Die US 6,490,934 B2 lehrt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmomentes, welches auf ein Element mit einem ferromagnetischen, magnetostriktiven und magnetoelastisch aktiven Bereich wirkt. Dieser Bereich ist in einem Messwandler ausgebildet, der als zylindrische Hülse beispielsweise auf einer Welle sitzt. Der Drehmomentsensor steht dem Messwandler gegenüber und umfasst bevorzugt ein Joch, welches aus zwei rechtwinkligen Segmenten besteht und dafür sorgen soll, dass der vom Messwandler herrührende magnetische Fluss effizient in den Drehmomentsensor geleitet wird.
Aus der EP 0 803 053 B1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der einen magnetoelastischen Messwandler umfasst. Der Messwandler sitzt als zylindrische Hülse auf einer Welle. Der Drehmomentsensor umfasst bevorzugt ein Joch, welches aus zwei rechtwinkligen Segmenten besteht. Das Joch soll den magnetischen Fluss zum Drehmomentsensor leiten.
Die US 8,087,304 B2 lehrt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor, bei welchem der Einfluss eines äußeren Magnetfeldes unterdrückt werden soll. Hierfür umfasst der Drehmomentsensor drei einzelne Magnetfeldsensoren, die unterschiedlich ausgerichteten umlaufenden Magnetisierungen gegenüberstehen.
Die DE 10 2012 211 000 A1 betrifft eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelementes. Das Maschinenelement weist eine Permanentmagnetisierung auf, die in der Achse oder radial zur Achse ausgerichtet ist, und deren durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkte Magnetfeld von einem Magnetfeldsensor gemessen werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Genauigkeit der Messung von Kräften und/oder Momenten auf der Basis des invers-magnetostriktiven Effektes zu erhöhen, ohne dafür einen aufwändigeren Sensor verwenden zu müssen.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Die Achse bildet bevorzugt eine Rotationsachse des Maschinenelementes.
Erfindungsgemäß weist das Maschinenelement mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für eine im Maschinenelement ausgebildete Magnetisierung auf. Es handelt sich somit um mehrere die Achse umlaufende Magnetisierungsbereiche, wobei die Achse selbst bevorzugt nicht einen Teil der Magnetisierungsbereiche bildet. Die Magnetisierungsbereiche weisen jeweils eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Die Magnetisierungsbereiche weisen jeweils bevorzugt ausschließlich eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Die Magnetisierungsbereiche erstrecken sich jeweils bevorzugt entlang eines geschlossenen Pfades um die Achse herum, wobei der jeweilige Magnetisierungsbereich kurze Lücken aufweisen darf. Die Magnetisierungsbereiche bilden jeweils einen Primärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes. Die Magnetisierungsbereiche können wegen ihrer umfänglichen Ausbildung auch als Magnetisierungsspuren angesehen werden.
Erfindungsgemäß umfasst die Anordnung weiterhin mindestens zwei Magnetfeldsensoren, welche jeweils einen Sekundärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes bilden. Die Primärsensoren, d. h. die Magnetisierungsbereiche dienen zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während die Sekundärsensoren die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglichen. Die Magnetfeldsensoren stehen jeweils einem der Magnetisierungsbereiche gegenüber, sodass sie sich jeweils an einer gleichen axialen Position wie der zugehörige Magnetisierungsbereich befinden. Somit sind die Magnetfeldsensoren gegenüber den Magnetisierungsbereichen radial versetzt. Die Magnetfeldsensoren sind jeweils zur Messung zumindest einer Komponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Die Eignung der Magnetfeldsensoren zur Messung der mindestens einen Komponente des Magnetfeldes kann unmittelbar oder mittelbar ausgebildet sein. Das genannte Magnetfeld tritt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auf. Somit beruht die mit der erfindungsgemäßen Anordnung mögliche Messung auf dem invers-magnetostriktiven Effekt.
Erfindungsgemäß ist zwischen zwei benachbarten der mehreren Magnetfeldsensoren jeweils ein Magnetfeldleitelement angeordnet. Das jeweilige Magnetfeldleitelement ist in zwei magnetischen Kreisen angeordnet; nämlich in den beiden magnetischen Kreisen, die jeweils durch die beiden benachbarten der mehreren Magnetfeldsensoren mit den jeweilig zugehörigen Magnetisierungsbereichen ausgebildet werden. Das eine Magnetfeldleitelement bzw. die mehreren Magnetfeldleitelemente verringern jeweils den magnetischen Widerstand zwischen den Magnetfeldsensoren und den jeweilig zugehörigen Magnetisierungsbereichen. Das mindestens eine Magnetfeldleitelement ist mit den beiden der mehreren Magnetfeldsensoren, zwischen denen es angeordnet ist, magnetisch gekoppelt und bevorzugt auch mechanisch mit diesen fest verbunden. Alternativ bevorzugt ist das mindestens eine Magnetfeldleitelement mit den beiden der mehreren Magnetfeldsensoren, zwischen denen es angeordnet ist, magnetisch gekoppelt, aber mechanisch mit dem Maschinenelement fest verbunden.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass das Signal-Rausch-Verhältnis einer Messung auf der Basis des invers-magnetostriktiven Effektes mithilfe von einfachen Komponenten deutlich erhöht werden kann.
Bevorzugt sind die umlaufenden Magnetisierungsbereiche axial zueinander beabstandet und nebeneinander angeordnet. Sie unterscheiden sich bevorzugt ausschließlich in ihrer Polarität, d. h. in ihrem Umlaufsinn. Bevorzugt weisen die jeweils benachbarten der Magnetisierungsbereiche entgegengesetzte Polaritäten auf, sodass die Polarität der Magnetisierung zwischen den Magnetisierungsbereichen wechselt.
Die Magnetisierungsbereiche können permanent oder temporär magnetisiert sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Magnetisierungsbereiche permanent magnetisiert, sodass die Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist. Hierfür bestehen die Magnetisierungsbereiche bevorzugt aus einem magnetisch harten oder magnetisch halbharten Werkstoff. Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung weist diese weiterhin einen Magneten zum Magnetisieren der Magnetisierungsbereiche auf, sodass die Magnetisierung der Magnetisierungsbereiche grundsätzlich temporär ist. Der Magnet kann durch einen Permanentmagneten oder bevorzugt durch einen Elektromagneten gebildet sein.
Die permanent oder temporär magnetisierten Magnetisierungsbereiche sind in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb des Magnetisierungsbereich bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb der Magnetisierungsbereiche messbar ist.
Die Magnetisierungsbereiche stellen bevorzugt jeweils einen Teil des Volumens des Maschinenelementes dar, sodass sie jeweils einen integralen Bestandteil des Maschinenelementes bilden. Somit sind die Magnetisierungselemente bevorzugt nicht als zusätzliches Bauteil auf das Maschinenelement aufgebracht, wenngleich dies grundsätzlich möglich ist.
Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt jeweils einzeln in einem axialen Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet.
Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt jeweils ringförmig ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine mittlere Achse der jeweiligen Ringform bildet. Besonders bevorzugt weisen die Magnetisierungsbereiche jeweils die Form eines zur Achse des Maschinenelementes koaxialen Hohlzylinders auf.
Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse des Maschinenelementes auf. Grundsätzlich können die Magnetfeldsensoren außerhalb des Maschinenelementes oder auch innerhalb eines Hohlraumes des Maschinenelementes angeordnet sein, beispielsweise wenn das Maschinenelement durch eine Hohlwelle gebildet ist.
Bevorzugt ist jeweils zwischen zwei axial benachbarten der Magnetfeldsensoren genau eines der Magnetfeldleitelemente angeordnet. Die benachbarten Magnetfeldsensoren sind bevorzugt in axialer Richtung zueinander benachbart, d. h. sie weisen in radialer Richtung und in tangentialer Richtung jeweils die gleiche Ortskomponente auf und unterscheiden sich ausschließlich in ihrer Ortskomponente in axialer Richtung. Das jeweilige Magnetfeldleitelement befindet sich bevorzugt axial zwischen den beiden axial benachbarten der mehreren Magnetfeldsensoren.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ist auch jeweils ein weiteres abschließendes Magnetfeldleitelement axial neben denjenigen der Magnetfeldsensoren angeordnet, welche an dieser axialen Seite nicht zu einem weiteren Magnetfeldsensor benachbart sind. Diese weiteren abschließenden Magnetfeldleitelemente sind bevorzugt genauso wie das Magnetfeldleitelement bzw. wie die Magnetfeldleitelemente zwischen den Magnetfeldsensoren magnetisch an den jeweiligen Magnetfeldsensor gekoppelt.
Die axial nebeneinander ausgebildete Anordnung der Magnetfeldsensoren und des mindestens einen Magnetfeldleitelementes kann auch dadurch beschrieben werden, dass die Magnetfeldsensoren und das mindestens eine Magnetfeldleitelement eine stabförmige Anordnung bilden, in welcher die Magnetfeldsensoren und das eine Magnetfeldleitelement bzw. die mehreren Magnetfeldleitelemente abwechselnd aneinandergereiht sind. Die stabförmige Anordnung ist bevorzugt parallel zur Achse ausgerichtet. Bevorzugt endet die stabförmige Anordnung an ihren beiden Enden jeweils mit einem der weiteren abschließenden Magnetfeldleitelemente.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst genau zwei der Magnetisierungsbereiche, genau zwei der Magnetfeldsensoren, genau eines der Magnetfeldleitelemente zwischen den beiden Magnetfeldsensoren und jeweils eines der weiteren abschließenden Magnetfeldsensoren an den axialen Seiten der beiden Magnetfeldsensoren, an denen diese zu keinem weiteren Magnetfeldsensor benachbart sind.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst genau drei der Magnetisierungsbereiche, genau drei der Magnetfeldsensoren, genau zwei der Magnetfeldleitelemente zwischen den drei Magnetfeldsensoren und jeweils eines der weiteren abschließenden Magnetfeldsensoren an den axialen Seiten der beiden äußeren Magnetfeldsensoren, an denen diese zu keinem weiteren Magnetfeldsensor benachbart sind.
Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Anordnung auch mehr als drei der Magnetisierungsbereiche und mehr als drei der Magnetfeldsensoren umfassen. Bevorzugt steht jedem der Magnetisierungsbereiche mindestens einer der Magnetfeldsensoren gegenüber. Bevorzugt steht jedem der Magnetisierungsbereiche genau einer der Magnetfeldsensoren gegenüber, sodass die Anzahl der Magnetisierungsbereiche gleich der Anzahl der Magnetfeldsensoren ist. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen steht jedem der Magnetisierungsbereich eine gleiche Anzahl der Magnetfeldsensoren gegenüber, sodass die Anzahl der Magnetfeldsensoren ein ganzes Mehrfaches der Anzahl der Magnetisierungsbereiche beträgt.
Das eine Magnetfeldleitelement bzw. die mehreren Magnetfeldleitelemente sind bevorzugt jeweils in einem axialen Abschnitt angeordnet, der sich axial zwischen zwei benachbarten der Magnetisierungsbereiche befindet und der nicht für eine Magnetisierung ausgebildet ist. In diesen axialen Abschnitten weist das Maschinenelement bevorzugt keine Magnetisierung auf. Diese axialen Abschnitte weisen bevorzugt eine gleiche axiale Länge auf. Auch die ggf. vorhandenen weiteren abschließenden Magnetfeldleitelemente befinden sich bevorzugt in axialen Abschnitten, in denen das Maschinenelement keine Magnetisierung aufweist. Allerdings können das mindestens eine Magnetfeldleitelement und die ggf. vorhandenen weiteren abschließenden Magnetfeldleitelemente auch in diejenigen axialen Abschnitte hineinragen, in denen die Magnetisierungsbereiche angeordnet sind, sodass axial kurz ausgeführte Magnetfeldsensoren verwendbar sind.
Das mindestens eine Magnetfeldleitelement und ggf. die weiteren abschließenden Magnetfeldleitelemente weisen bevorzugt einen Abstand in radialer Richtung zu den Magnetisierungsbereichen auf, der geringer ist als der Abstand in radialer Richtung zwischen den Magnetfeldsensoren und den Magnetisierungsbereichen.
Das mindestens eine Magnetfeldleitelement und ggf. die weiteren abschließenden Magnetfeldleitelemente weisen bevorzugt jeweils eine Maschinenelementgrenzfläche auf, welche dem Maschinenelement gegenübersteht bzw. mit welcher das jeweilige Magnetfeldleitelement an das Maschinenelement angrenzt. Die Maschinenelementgrenzfläche kann auch als Befestigungsfläche zum Befestigen des jeweiligen Magnetfeldleitelementes am Maschinenelement dienen.
Das eine Magnetfeldleitelement bzw. die mehreren Magnetfeldleitelemente weisen bevorzugt jeweils zwei axial seitliche Sensorgrenzflächen auf, an die jeweils eines der beiden benachbarten Magnetfeldsensoren angrenzt bzw. mit denen das jeweilige Magnetfeldleitelement jeweils einem der beiden benachbarten Magnetfeldsensoren gegenübersteht. Die ggf. vorhandenen beiden weiteren abschließenden Magnetfeldleitelemente weisen bevorzugt jeweils eine axial seitliche Sensorgrenzfläche auf, an welche der jeweilige der beiden äußeren Magnetfeldsensoren angrenzt bzw. mit welcher das jeweilige Magnetfeldleitelement dem jeweiligen der beiden äußeren Magnetfeldsensoren gegenübersteht. Die Sensorgrenzflächen können auch innerhalb eines einzigen Elementes ausgebildet sein, welches zumindest das jeweilige Magnetfeldleitelement und einen Teil des jeweiligen Magnetfeldsensors umfasst. In diesem Fall stellen die Sensorgrenzflächen jeweils einen Querschnitt dar.
Zwischen dem Maschinenelement und den Maschinenelementgrenzflächen ist bevorzugt jeweils ein Luftspalt ausgebildet. Alternativ bevorzugt ist zwischen den Magnetfeldsensoren und den Sensorgrenzflächen jeweils ein Luftspalt ausgebildet. Der eine bzw. die mehreren Luftspalte sind bevorzugt jeweils kleiner als 5 mm und besonders bevorzugt kleiner als 1 mm. Der eine bzw. die mehreren Luftspalte sind bevorzugt mit einem magnetisch leitfähigen Fluid gefüllt. Das magnetisch leitfähige Fluid ist bevorzugt durch ein Ferrofluid gebildet.
Die Maschinenelementgrenzflächen verlaufen bevorzugt parallel zu dem gegenüberstehenden Abschnitt des Maschinenelementes, sodass sich die Magnetfeldleitelemente an die Oberfläche des Maschinenelementes anschmiegen. Die Maschinenelementgrenzflächen sind bevorzugt jeweils bogenförmig ausgebildet, um sich an die Oberfläche des Maschinenelementes anzupassen. Besonders bevorzugt sind die Maschinenelementgrenzflächen jeweils zylindermantelsegmentförmig ausgebildet, um sich parallel zum zylinder- oder hohlzylinderförmigen Maschinenelement zu erstrecken.
Die Sensorgrenzflächen sind bevorzugt jeweils rechteckförmig oder elliptisch ausgebildet. Besonders bevorzugt sind die Sensorgrenzflächen jeweils quadratisch oder kreisförmig ausgebildet.
Die Maschinenelementgrenzfläche bzw. die Maschinenelementgrenzflächen sind bevorzugt jeweils größer als die Sensorgrenzflächen. Besonders bevorzugt ist die Maschinenelementgrenzfläche bzw. sind die Maschinenelementgrenzflächen jeweils mehrfach so groß wie die Sensorgrenzflächen. Besonders bevorzugt ist die Maschinenelementgrenzfläche bzw. sind die Maschinenelementgrenzflächen jeweils mindestens fünf Mal so groß wie die Sensorgrenzflächen. Diese Größengestaltung ermöglicht es, auch räumlich kleine Magnetfeldsensoren zu verwenden und den von den Magnetfeldleitelementen aufgenommenen magnetischen Fluss konzentriert in die Magnetfeldsensoren einzuleiten.
Das Magnetfeldleitelement bzw. die Magnetfeldleitelemente sind bevorzugt jeweils als ein Polschuh ausgebildet. Die Funktion der als Polschuh ausgebildeten Magnetfeldleitelemente ist vergleichbar mit der Funktion eines Polschuhes eines Elektromotors. Hierfür ist das Magnetfeldleitelement bzw. sind die Magnetfeldleitelemente bevorzugt hornartig geformt.
Bevorzugt weist die sich von der Maschinenelementgrenzfläche zu den Sensorgrenzflächen erstreckende Oberfläche des mindestens einen Magnetfeldleitelementes keine Sprünge und weiter bevorzugt auch keine Ecken oder Kanten auf. Demzufolge ist die sich von der Maschinenelementgrenzfläche zu den Sensorgrenzflächen erstreckende Oberfläche des mindestens einen Magnetfeldleitelementes bevorzugt durch eine stetige mehrdimensionale Funktion beschreibbar.
Das Magnetfeldleitelement bzw. die Magnetfeldleitelemente bestehen bevorzugt aus einem weichmagnetischen Werkstoff und sind bevorzugt ferromagnetisch. Das Magnetfeldleitelement bzw. die Magnetfeldleitelemente sind bevorzugt unmagnetisiert.
Das Magnetfeldleitelement bzw. die Magnetfeldleitelemente sind bevorzugt mechanisch fest mit den Magnetfeldsensoren verbunden. Alternativ können die Magnetfeldleitelemente fest mit dem Maschinenelement verbunden sein.
Bei einer besonderen Ausführungsform ist das mindestens eine Magnetfeldleitelement ringförmig ausgebildet und erstreckt sich um das zylinderförmige Maschinenelement herum bzw. innerhalb des Hohlraumes des hohlzylinderförmigen Maschinenelementes. Die Ringform ist koaxial zur Achse des Maschinenelementes angeordnet. Die Ringform kann unterbrochen sein. Bevorzugt verläuft die Ringform jeweils parallel zu denjenigen axialen Abschnitten des Maschinenelementes, die sich axial zwischen den Magnetisierungsbereichen befinden.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung umfassen die Magnetfeldsensoren jeweils mindestens eine Spule auf einem Spulenkern, der bevorzugt axial ausgerichtet ist. Axial zwischen den Spulenkernen zweier benachbarter der Magnetfeldsensoren ist jeweils eines der Magnetfeldleitelemente angeordnet, welches diese beiden Spulenkerne mechanisch verbindet. Axial zwischen den Spulenkernen zweier benachbarter der Magnetfeldsensoren ist bevorzugt jeweils genau eines der Magnetfeldleitelemente angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Spulenkerne und das mindestens eine Magnetfeldleitelement gemeinsam einstückig ausgebildet, sodass die die Spulenkerne und das mindestens eine Magnetfeldleitelement aus einem einzigen Werkstück und aus demselben Werkstoff bestehen. Bei den mindestens eine Spule umfassenden Magnetfeldsensoren handelt es sich bevorzugt um Fluxgate-Sensoren oder um Förstersonden.
Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt eine hohe Magnetostriktivität auf. Sie sind bevorzugt magnetoelastisch ausgebildet.
Das Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Prismas oder eines Zylinders auf, wobei das Prisma bzw. der Zylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Das Prisma bzw. der Zylinder ist bevorzugt gerade. Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement die Form eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet. Das Prisma bzw. der Zylinder kann auch hohl sein.
Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle, durch eine Hohlwelle, durch eine Schaltgabel oder durch einen Flansch gebildet. Es kann sich beispielsweise um eine Welle in einem Tretlager oder um den Flansch eines Wankstabilisators handeln. Die Welle, die Schaltgabel bzw. der Flansch können für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momente ausgelegt sein. Grundsätzlich kann das Maschinenelement auch durch völlig andersartige Maschinenelementtypen gebildet sein.
Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils durch einen Halbleitersensor, durch einen Hall-Sensor, durch einen SQUID, durch eine Feldplatte, durch einen magnetostriktiven Sensor, durch eine Spule, durch eine Förstersonde oder durch ein Fluxgate-Magnetometer gebildet. Grundsätzlich können auch andere Sensortypen verwendet werden, insofern sie zur Messung mindestens einer Komponente des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet sind.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist bevorzugt zum Messen eines auf das Maschinenelement wirkenden Drehmomentes ausgebildet, dessen Drehachse die Achse des Maschinenelementes bildet. Alternativ bevorzugt ist die erfindungsgemäße Anordnung zum Messen einer auf das Maschinenelement wirkenden Querkraft ausgebildet. Die zu messende Kraft bzw. das zu messende Drehmoment wird durch die Anordnung der Magnetisierungsbereiche und der Magnetfeldsensoren, aber auch die unterschiedliche Auswertung der Signale der mehreren Magnetfeldsensoren bestimmt, beispielsweise durch eine Summen- oder Differenzbildung der Signale der mehreren Magnetfeldsensoren.
Bei besonderen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst diese mehrere Gruppen der Magnetfeldsensoren. Jede der Gruppen umfasst mindestens zwei der axial zueinander beabstandeten Magnetfeldsensoren, zwischen denen jeweils eines der Magnetfeldleitelemente angeordnet ist. Bevorzugt weist jede der Gruppen die gleiche Anzahl der Magnetfeldsensoren auf, die auch der Anzahl der Magnetisierungsbereiche gleicht. Die Gruppen befinden sich bevorzugt an einer gleichen axialen Position und an einer gleichen radialen Position, jedoch an unterschiedlichen tangentialen Positionen, sodass die Gruppen umfänglich um die Achse verteilt sind. Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Anordnung zwei der Gruppen der Magnetfeldsensoren, die gegenüber der Achse einen Winkel von 180° zueinander aufweisen.
Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt auf einer Platine angeordnet, auf welcher sie mechanisch befestigt und elektrisch angeschlossen sind. Die Platine trägt bevorzugt auch die Magnetfeldleitelemente. Die Platine wird bevorzugt durch einen Platinenhalter getragen.
Die genannte axiale Richtung, die genannte tangentiale Richtung und die genannte radiale Richtung beziehen sich grundsätzlich auf die Achse des Maschinenelementes.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit Magnetfeldleitelementen;
2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit ringförmigen Magnetfeldleitelementen;
3 eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit gemeinsam ausgebildeten Spulenkernen und Magnetfeldleitelementen;
4 die in 3 gezeigte Ausführungsform in einer seitlichen Ansicht;
5 ein Detail der in 3 gezeigten Ausführungsform;
6 eine vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit angepassten Magnetfeldleitelementen;
7 ein Magnetfeldleitelement mit einer quadratischen Sensorgrenzfläche in einer Detailansicht;
8 ein Magnetfeldleitelement mit einer rechteckförmigen Sensorgrenzfläche in einer Detailansicht;
9 ein Magnetfeldleitelement mit einer kreisförmigen Sensorgrenzfläche in einer Detailansicht;
10 ein Magnetfeldleitelement mit zwei quadratischen Sensorgrenzflächen in einer Detailansicht; und
11 ein Magnetfeldleitelement mit zwei kreisförmigen Sensorgrenzflächen in einer Detailansicht.
1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer durch eine Achse 01 verlaufenden Querschnittsansicht und in einem Schnitt A-A senkrecht zu der Achse 01. Die Anordnung dient zum Messen eines Drehmomentes M_t oder einer Kraft, wobei das Drehmoment M_t bzw. die Kraft auf ein Maschinenelement in Form eines hohlzylinderförmigen Flansches 02 wirkt. Der Flansch 02 erstreckt sich in der Achse 01, sodass die Achse 01 auch die Achse seiner Hohlzylinderform bildet. Der Flansch 02 ist an einem Grundkörper 03 befestigt.
Der Flansch 02 weist drei umfänglich um die Achse 01 herum verlaufende Magnetisierungsbereiche in Form von Magnetisierungsspuren 04 auf, die axial zueinander beabstandet sind. Die drei Magnetisierungsspuren 04 besitzen jeweils eine Permanentmagnetisierung. Die drei Magnetisierungsspuren 04 sind gleich ausgebildet und unterscheiden sich lediglich in ihrer magnetischen Polarität, d. h. in ihrem Umlaufsinn.
Radial beabstandet zu den Magnetisierungsspuren 04 sind Magnetfeldsensoren 06 im Inneren der Hohlzylinderform des Flansches 02 angeordnet, welche den Magnetisierungsspuren 04 gegenüberstehen. Die Magnetfeldsensoren 06 sind in zwei Gruppen 07, 08 angeordnet. Jede der beiden Gruppen 07, 08 umfasst drei der Magnetfeldsensoren 06, die axial zueinander beabstandet auf einer Geraden angeordnet sind, welche parallel zu der Achse 01 verläuft. Die beiden Gruppen 07, 08 der Magnetfeldsensoren 06 sind bezogen auf die Achse 01 symmetrisch angeordnet.
Zwischen denjenigen der Magnetfeldsensoren 06, die axial benachbart sind, und an den äußeren Seiten derjenigen Magnetfeldsensoren 06, denen kein weiterer benachbarter Magnetfeldsensor folgt, ist jeweils ein Magnetfeldleitelement 09 angeordnet. Die Magnetfeldleitelemente 09 schließen magnetische Kreise 11 zwischen den Magnetfeldsensoren 06 und den Magnetisierungsspuren 04. Die Magnetfeldleitelemente 09 sind am Flansch 02 befestigt und magnetisch mit diesem gekoppelt. Zwischen den Magnetfeldleitelementen 09 und den Magnetfeldsensoren 06 ist jeweils ein Luftspalt 12 ausgebildet.
Die Magnetfeldsensoren 06 befinden sich in axialen Abschnitten, in denen auch die Magnetisierungsspuren 04 angeordnet sind. Zwischen den Magnetisierungsspuren 04 weist der Flansch 02 nicht magnetisierte Bereiche auf, die sich in axialen Abschnitten befinden, in denen auch die Magnetfeldleitelemente 09 angeordnet sind.
Die Magnetfeldleitelemente 09 sind in der 1 vereinfacht dargestellt. Die Magnetfeldleitelemente 09 weisen bevorzugt eine besondere Formgebung auf, die in 2 bis 11 veranschaulicht ist.
2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer durch die Achse 01 verlaufenden Querschnittsansicht und in einem Schnitt A-A senkrecht zu der Achse 01. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die Magnetfeldleitelemente 09 ringförmig ausgebildet, sodass jedes der Magnetfeldleitelemente 09 die zugehörigen Magnetfeldsensoren 06 beider Gruppen 07, 08 mit den Magnetisierungsspuren 04 magnetisch verbindet.
3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer durch die Achse 01 verlaufenden Querschnittsansicht und in einer partiellen Aufsicht. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten Ausführungsform. Die Magnetfeldsensoren 06 sind bei dieser Ausführungsform durch Fluxgate-Sensoren bzw. durch Förstersonden gebildet, die jeweils eine Spule 13 auf einem Spulenkern 14 umfassen. Die Magnetfeldleitelemente 09 und die Spulenkerne 14 der jeweiligen Gruppe 07 sind innerhalb eines einzigen Werkstückes ausgebildet. Hierdurch wird ein sehr geringer magnetischer Widerstand zwischen den Magnetfeldleitelementen 09 und den Magnetfeldsensoren 06 bewirkt.
4 zeigt die in 3 gezeigte Ausführungsform in einer seitlichen Ansicht. In dieser seitlichen Ansicht ist eine Platine 16 dargestellt, welche die Magnetfeldsensoren 06 und die Magnetfeldleitelemente 09 trägt. Die Magnetfeldleitelemente 09 weisen jeweils eine Maschinenelementgrenzfläche 17 auf, mit welcher sie dem Flansch 02 gegenüberstehen. Zwischen den Maschinenelementgrenzflächen 17 und dem Flansch 02 ist jeweils einer der Luftspalte 12 ausgebildet. Die Maschinenelementgrenzflächen 17 sind jeweils zylindermantelsegmentförmig ausgebildet, sodass sich diese an die innere Oberfläche des Flansches 02 anschmiegen.
5 zeigt ein Detail der in 3 gezeigten Ausführungsform. Es ist insbesondere eines der Magnetfeldleitelemente 09 dargestellt, welches an einen derjenigen Magnetfeldsensoren 06 angrenzt, welcher nur zu einem der anderen Magnetfeldsensoren 06 axial benachbart ist.
6 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Querschnittsansicht. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die Magnetfeldleitelemente 09 an die räumlich kleiner ausgeführten Magnetfeldsensoren 06 angepasst. Hierfür weisen die Magnetfeldleitelemente 09 eine bzw. zwei Sensorgrenzflächen 19 auf, mit denen sie dem jeweiligen Magnetfeldsensor 06 gegenüberstehen. Die Sensorgrenzflächen 19 sind an die Größe der Magnetfeldsensoren 06 angepasst. Die Magnetfeldleitelemente 09 sind jeweils über ihre Maschinenelementgrenzfläche 17 am Flansch 02 befestigt Die Maschinenelementgrenzflächen 17 sind jeweils größer als die Sensorgrenzflächen 19. Zudem weisen die Sensorgrenzflächen 19 einen axialen Versatz gegenüber den Maschinenelementgrenzflächen 17 auf, da die Magnetfeldsensoren 06 axial kürzer als die Magnetisierungsspuren 04 sind.
7 zeigt das Magnetfeldleitelement 09 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer Detailansicht. Dabei handelt es sich um eines der abschließenden Magnetfeldleitelemente 09, welche nur an einen der Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) angrenzen. Bei dieser Ausführungsform ist die Sensorgrenzfläche 19 quadratisch und um ein Vielfaches kleiner als die Maschinenelementgrenzfläche 17. Hierdurch wird der magnetische Fluss stark konzentriert. Die Sensorgrenzfläche 19 ist axial versetzt zur Maschinenelementgrenzfläche 17 angeordnet, sodass die Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) deutlich schmaler als die Magnetisierungsspuren 04 (gezeigt in 6) sein können. Die Oberfläche des Magnetfeldleitelementes 09 ist so gestaltet, dass sie keine Sprünge aufweist.
8 zeigt das Magnetfeldleitelement 09 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer Detailansicht. Dabei handelt es sich um eines der abschließenden Magnetfeldleitelemente 09, welche nur an einen der Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) angrenzen. Bei dieser Ausführungsform ist die Sensorgrenzfläche 19 rechteckförmig und um ein Vielfaches kleiner als die Maschinenelementgrenzfläche 17. Hierdurch wird der magnetische Fluss stark konzentriert. Die Oberfläche des Magnetfeldleitelementes 09 ist so gestaltet, dass sie keine Sprünge aufweist.
9 zeigt das Magnetfeldleitelement 09 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer Detailansicht. Dabei handelt es sich um eines der abschließenden Magnetfeldleitelemente 09, welche nur an einen der Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) angrenzen. Bei dieser Ausführungsform ist die Sensorgrenzfläche 19 kreisförmig und um ein Vielfaches kleiner als die Maschinenelementgrenzfläche 17. Hierdurch wird der magnetische Fluss stark konzentriert. Die Sensorgrenzfläche 19 ist axial versetzt zur Maschinenelementgrenzfläche 17 angeordnet, sodass die Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) deutlich schmaler als die Magnetisierungsspuren 04 (gezeigt in 6) sein können. Die Oberfläche des Magnetfeldleitelementes 09 ist so gestaltet, dass sie keine Sprünge aufweist.
10 zeigt das Magnetfeldleitelement 09 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer Detailansicht. Dabei handelt es sich um eines der Magnetfeldleitelemente 09, welche jeweils axial zwischen zwei benachbarten der Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) angeordnet sind und daher zwei der Sensorgrenzflächen 19 aufweisen. Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Sensorgrenzflächen 19 quadratisch und um ein Vielfaches kleiner als die Maschinenelementgrenzfläche 17. Hierdurch wird der magnetische Fluss stark konzentriert. Die Sensorgrenzflächen 19 sind axial versetzt zur Maschinenelementgrenzfläche 17 angeordnet, sodass die Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) deutlich schmaler als die Magnetisierungsspuren 04 (gezeigt in 6) sein können. Die Oberfläche des Magnetfeldleitelementes 09 ist so gestaltet, dass sie keine Sprünge aufweist.
11 zeigt das Magnetfeldleitelement 09 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer Detailansicht. Dabei handelt es sich um eines der Magnetfeldleitelemente 09, welche jeweils axial zwischen zwei benachbarten der Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) angeordnet sind und daher zwei der Sensorgrenzflächen 19 aufweisen. Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Sensorgrenzflächen 19 kreisförmig und um ein Vielfaches kleiner als die Maschinenelementgrenzfläche 17. Hierdurch wird der magnetische Fluss stark konzentriert. Die Sensorgrenzflächen 19 sind axial versetzt zur Maschinenelementgrenzfläche 17 angeordnet, sodass die Magnetfeldsensoren 06 (gezeigt in 6) deutlich schmaler als die Magnetisierungsspuren 04 (gezeigt in 6) sein können. Die Oberfläche des Magnetfeldleitelementes 09 ist so gestaltet, dass sie keine Sprünge aufweist.
Bezugszeichenliste

01: Achse
02: Maschinenelement (Flansch)
03: Grundkörper
04: Magnetisierungsspur
05: -
06: Magnetfeldsensor
07: erste Gruppe
08: zweite Gruppe
09: Magnetfeldleitelement
10: -
11: magnetischer Kreis
12: Luftspalt
13: Spule
14: Spulenkern
15: -
16: Platine
17: Maschinenelementgrenzfläche
18: -
19: Sensorgrenzfläche

Claims

Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse (01) erstreckenden Maschinenelement (02); wobei das Maschinenelement (02) mindestens zwei sich umfänglich um die Achse (01) herum erstreckende Magnetisierungsbereiche (04) für eine Magnetisierung aufweist; wobei die Anordnung weiterhin mindestens zwei axial zueinander beabstandete Magnetfeldsensoren (06) umfasst, welche jeweils einem der Magnetisierungsbereiche (04) gegenüberstehen und jeweils zur Messung zumindest eine Komponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind; und wobei zwischen den Magnetfeldsensoren (06) jeweils ein Magnetfeldleitelement (09) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (06) jeweils mindestens eine Spule (13) auf einem Spulenkern (14) umfassen, wobei axial zwischen den Spulenkernen (14) zweier benachbarter der Magnetfeldsensoren (06) jeweils eines der Magnetfeldleitelemente (09) angeordnet ist, welches diese beiden Spulenkerne (14) mechanisch verbindet.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenkerne (14) und das mindestens eine Magnetfeldleitelement (09) gemeinsam einstückig ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Magnetfeldleitelement (09) oder die mehreren Magnetfeldleitelemente (09) jeweils ringförmig ausgebildet und koaxial zur Achse (01) angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils benachbarten der Magnetisierungsbereiche (04) entgegengesetzte Polaritäten aufweisen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Magnetfeldleitelement (09) oder die mehreren Magnetfeldleitelemente (09) jeweils in einem axialen Abschnitt angeordnet sind, der sich axial zwischen zwei benachbarten der Magnetisierungsbereiche (04) befindet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Magnetfeldleitelement (09) oder die mehreren Magnetfeldleitelemente (09) jeweils eine Maschinenelementgrenzfläche (17) aufweisen, welche dem Maschinenelement (02) gegenübersteht.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenelementgrenzfläche (17) des einen Magnetfeldleitelementes (09) oder die Maschinenelementgrenzflächen (17) der mehreren Magnetfeldleitelemente (09) jeweils zylindermantelsegmentförmig sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Magnetfeldleitelement (09) oder die mehreren Magnetfeldleitelemente (09) jeweils zwei Sensorgrenzflächen (19) aufweisen, an welche jeweils eines der beiden benachbarten der mehreren Magnetfeldsensoren (06) angrenzt.
Anordnung nach dem auf Anspruch 7 rückbezogenen Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenelementgrenzfläche (17) des einen Magnetfeldleitelementes (09) oder die Maschinenelementgrenzflächen (17) der mehreren Magnetfeldleitelemente (09) jeweils mehrfach so groß wie die Sensorgrenzflächen (19) des mindestens einen Magnetfeldleitelementes (09) sind.