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Die Erfindung betrifft einen Drehmomentmessgeber für einen Drehmomentsensor zum Messen eines Drehmoments an einer Welle unter Erfassung von Magnetfeldänderungen. Außerdem betrifft die Erfindung einen mit einem solchen Drehmomentmessgeber versehenen Drehmomentsensor, eine mit einem solchen Drehmomentmessgeber versehene Drehmomentmessanordnung, ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Drehmomentmessgebers sowie ein Messverfahren zum Messen eines Drehmoments durch Erfassung von Magnetfeldänderungen. Insbesondere sind der Drehmomentmessgeber, der Drehmomentsensor und das Messverfahren zur Erfassung von Magnetfeldänderungen aufgrund des Villari-Effektes, und mehr insbesondere zur magnetoelastischen (=invers magnetorestriktiven) Erfassung von Drehmomenten ausgebildet.
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Derartige Drehmomentsensoren, die Drehmomente in Wellen aufgrund von Magnetfeldänderungen erfassen, sowie die wissenschaftlichen Grundlagen hierfür sind in den folgenden Literaturstellen beschrieben:
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Insbesondere eine Bauart von Drehmomentmessgebern, wie sie in der D4 (
DE 30 31 997 A1 ) beschrieben ist, hat sich als besonders wirkungsvoll für die Messung von Drehmomenten in Wellen und anderen Messstellen herausgestellt.
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Eine Herausforderung bei dieser Technologie der Drehmomentmessung aufgrund des magnetoelastischen Effekts und bei der Anordnung von Sensorköpfen bzw. Messgebern ist es, eine Abstandskompensation und/oder eine Kompensation der sogenannten „RSN“ zu bewerkstelligen. RSN steht für „Rotational Signal Non-Uniformity“ und bezeichnet eine Signalvariation, die auftritt, wenn sich ein Messkörper bewegt oder dreht, bedingt durch verschiedene physikalische Effekte in der Messstelle. Es wurden bereits in der vorerwähnten Literatur Anstrengungen zur Verkleinerung der RSN unternommen; typischerweise bleiben jedoch stets ein paar Prozent übrig.
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Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, einen Drehmomentmessgeber, einen damit versehenen Drehmomentsensor sowie ein Messverfahren bereitzustellen, mit dem bei einfacher Herstellbarkeit und kostengünstiger Realisierung eine deutliche Verringerung einer Abstandsabhängigkeit und Verringerung einer Abhängigkeit der RSN ermöglicht ist.
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Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung einen Drehmomentmessgeber nach Anspruch 1. Ein damit versehener Drehmomentsensor sowie eine damit versehene Drehmomentmessanordnung, ein Herstellverfahren hierfür und ein Messverfahren damit sind Gegenstand der weiteren Nebenansprüche.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung schafft gemäß einem Aspekt davon einen Drehmomentmessgeber für einen Drehmomentsensor zum Messen eines Drehmoments an einer Welle, mit einer Trägerplatte, die mehrere Sensorelement-Trägerplattenbereiche, auf denen jeweils wenigstens ein Sensorelement zum Erfassen von Magnetfeldänderungen, insbesondere aufgrund des magnetoelastischen Effekts, angeordnet ist, und wenigstens einen Umgreifbereich hat, der zum zumindest teilweisen Umgreifen der Welle um den Umfang der Welle ausgebildet ist, wobei wenigstens ein flexibler Verbindungsbereich vorgesehen ist, mittels dem wenigstens einer der Sensorelement-Trägerplattenbereiche relativ zu einem anderen Sensorelement-Trägerplattenbereich oder relativ zu dem wenigstens einen Umgreifbereich verschwenkbar ist.
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Es ist bevorzugt, dass der Umgreifbereich zumindest teilweise durch mehrere der Sensorelement-Trägerplattenbereiche gebildet ist, wobei wenigstens ein flexibler Verbindungsbereich zwischen benachbarten Sensorelement-Trägerplattenbereichen angeordnet ist.
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Es ist bevorzugt, dass der Umgreifbereich ringförmig ausgebildet ist, wobei radial innerhalb des Umgreifbereichs in Umfangsrichtung beabstandet mehrere Sensorelement-Trägerplattenbereiche angeordnet sind, nach innen hin abstehen und mittels des flexiblen Verbindungsbereichs in Axialrichtung heraus biegbar sind.
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Es ist bevorzugt, dass jedes der Sensorelemente wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes in der Welle und eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen einer Änderung des Magnetfeldes aufgrund eines auf der Welle anliegenden Drehmoments hat.
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Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens eine Generatorspule hat und die Magnetfelderfassungseinrichtung wenigstens eine Messspule hat, wobei wenigstens eine, mehrere oder alle dieser Spulen als Planarspulen an der Trägerplatte ausgebildet sind.
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Es ist bevorzugt, dass die Trägerplatte durch wenigstens ein Substrat, an dem die Sensorelemente ausgebildet sind, oder durch wenigstens eine Leiterplatte oder Platine gebildet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen Drehmomentsensor, der eine Hülse mit einer Durchgangsöffnung zum Durchstecken einer Welle und einen Drehmomentmessgeber umfasst, der in oder an der Hülse um die Durchgangsöffnung herum angeordnet ist.
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Insbesondere ist der Drehmomentmessgeber nach einer der zuvor erläuterten Ausführungsformen ausgestaltet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Drehmomentmessanordnung zum Messen des Drehmoments an einer Welle, umfassend die Welle und einen Drehmomentmessgeber nach einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen, der die Welle
- a) zumindest teilweise,
- b) zum Großteil oder
- c) vollständig
umgibt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Drehmomentmessgebers, umfassend:
- a) Bereitstellen einer Trägerplatte
- b) Bestücken mehrerer Bereiche der Trägerplatte mit Sensorelementen zur Erfassung von durch Kräfte an einer Welle verursachten Magnetfeldänderungen,
- c) Vorsehen wenigstens eines flexiblen Verbindungsbereichs zwischen den mit Sensorelementen bestückten oder zu bestückenden Bereichen derart, dass zumindest ein Umgreifbereich der Trägerplatte eine Welle unter Umbiegung des flexiblen Verbindungsbereichs zumindest teilweise umfassen kann.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst: Herstellen von Planarspulen auf den mehreren Bereichen.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines Drehmomentsensors gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst Durchführen des Herstellverfahrens für den Drehmomentmessgeber gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen und Einbetten des Drehmomentmessgebers in eine Hülse mit einer Durchgangsöffnung zum Aufstecken auf eine zu vermessende Welle.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Messverfahren zum Messen eines Drehmoments an einer Welle, umfassend: Anordnen eines Drehmomentmessgebers nach einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen zumindest teilweise um die Welle und Erfassen des Drehmoments mittels der mehreren Sensorelemente an in Umfangsrichtung beabstandeten oder verteilten Bereichen der Welle.
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Durch die Erfindung sowie deren vorteilhaften Ausgestaltungen wird eine Möglichkeit für eine Messung geschaffen, die eine deutlich verbesserte Abstandsunabhängigkeit und eine deutlich verbesserte Unabhängigkeit der RSN darstellt. Vorzugsweise wird bei der Erfindung das Magnetfeld nicht lokal in eine Messstelle eingekoppelt, sondern der Sensor bzw. dessen Drehmomentmessgeber wird um die Welle herum angeordnet. Dafür kommen mehrere Anordnungen in Frage, die Gegenstand von besonders bevorzugten Ausgestaltungen sind.
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Vorzugsweise werden hierzu mehrere Sensorelemente vorgesehen, die jeweils Drehmomente an einer Welle durch magnetoelastisches Erfassen von Magnetfeldänderungen erfassen können. Der Drehmomentmessgeber ist somit besonders für Welle geeignet, an denen ein magnetoelastischer Effekt (=invers magnetostriktiv=Villari-Effekt) auftreten kann. Auch Wirbelstromeffekte oder lokale Störfelder können die RSU/RSN beeinflussen, aber auch den Signalpegel verstärken.
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Vorzugsweise sind Sensorelemente, die auf unterschiedlichen Trägerplattenbereichen des Drehmomentsensors bzw. dessen Drehmomentmessgebers vorgesehen sind, mit Planarspulen ausgestattet, die zum Erzeugen und/oder Messen von Magnetfeldern an der Welle ausgebildet sind.
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Die Sensorelement-Trägerplattenbereiche sind vorzugsweise als Sensorzellen ausgebildet.
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Vorzugsweise weist das jeweilige Sensorelement wenigstens einen Ferritkern für einen magnetischen Rückschluss auf. Insbesondere lassen sich durch einen Fluxkonzentrator, wie z.B. Ferrit, zu vermessende Magnetfeldkreise, die zumindest teilweise durch die Welle, insbesondere an der Oberfläche derselben, verlaufen, ausbilden. Vorzugsweise werden wenigstens zwei Magnetfeldkreise mit zueinander unterschiedlichen Richtungen vermessen.
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Bei bevorzugten Ausgestaltungen sind zwischen 3 und 10 Sensorelement-Trägerplattenbereiche vorgesehen, die weiter vorzugsweise durch flexible Verbindungsbereiche miteinander verbunden sind.
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Besonders bevorzugt hat jedes Sensorelement wenigstens eine Generatorspule, die weiter bevorzugt zentral angeordnet ist.
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Besonders bevorzugt hat jedes Sensorelement wenigstens zwei Messspulen, die vorzugsweise durch einen Ferritkern mit der Generatorspule verbunden sind.
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Vorzugsweise ist eine Ferrit-Verbindung zwischen einer ersten Messspule und einer Generatorspule in einem Winkel zwischen 10° und 170° zu einer Ferrit-Verbindung zwischen einer zweiten Messspule und der Generatorspule angeordnet.
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Vorzugsweise sind zwei Paare von Messspulen vorgesehen. Vorzugsweise sind die Messspulen kreuzartig um eine Generatorspule herum angeordnet.
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Besonders bevorzugt ist eine Planarspulenausführung mit vier Sensorzellen inklusive Ferrit für den magnetischen Rückschluss.
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Bei einer einfacheren Ausgestaltung reichen eine erste und eine zweite Messspule pro Sensorzelle für eine reduzierte Baugröße. Mit fünf Spulen ist aber die Signalausbeute höher.
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Die Generatorspulen der einzelnen Sensorcluster bzw. Sensorelemente können bei einer bevorzugten Ausgestaltung zusammengeschaltet werden. Bei einer anderen besonders bevorzugten Ausgestaltung werden die Generatorspulen einzelner Sensorelemente separat betrieben.
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Bei der Herstellung kann man unterschiedliche Leistungsklassen des Drehmomentmessgebers einfach dadurch schaffen, dass die Anzahl der Windungen aufgeteilt auf die einzelnen Spulen je nach gewünschter Leistungsklasse gewählt und hergestellt wird.
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Durch ein alternierend Verschalten der Spulen fließen Magnetfelder der einzelnen Elemente ineinander. Bei Gleichschaltung stoßen sie sich ab. Die Wahl der Verschaltung hat einen relativ großen Einfluss auf die Unterdrückung der RSN. Besonders bevorzugt werden entsprechende Spulen benachbarter Sensorelemente gleich geschaltet.
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Für einen Drehmomentmessgeber gemäß einer der oben näher beschriebenen Ausgestaltungen ist somit bevorzugt,
| 6.1 | dass Generatorspulen (26) der Magnetfelderzeugungseinrichtungen (20) wenigstens zweier benachbarter Sensorelemente (18) |
| | 6.1.1 | alternierend oder |
| | 6.1.2 | gleich geschaltet sind und/oder |
| 6.2 | dass mehrere Messspulen (28) der Magnetfelderfassungseinrichtung (22) eines Sensorelements (18) |
| | 6.2.1 | alternierend oder |
| | 6.2.2 | gleich geschaltet sind und/oder |
| 6.3 | dass einander entsprechende Messspulen (28) der Magnetfelderfassungseinrichtungen (22) wenigstens zweier benachbarter Sensorelemente (18) |
| | 6.3.1 | alternierend oder |
| | 6.3.2 | gleich geschaltet sind. |
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Die Idee der besonderen Spulenverschaltung ist unabhängig von der Herstellweise des Drehmomentmessgebers zu sehen und wird als eigenständige Idee angesehen. Demnach wird hier auch ein Drehmomentmessgeber offenbart, der nicht die Merkmale der unabhängigen Ansprüche enthält, sondern wie in Klausel 1 definiert ist:
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Klausel 1:
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Drehmomentmessgeber (10) für einen Drehmomentsensor (12) zum Messen eines Drehmoments an einer Welle (14), mit mehreren Sensorelementen (18) zum Erfassen von Magnetfeldänderungen, die derart ausgebildet sind, dass sie um die Welle herum anordenbar sind, wobei jedes der Sensorelemente (18) wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) zum Erzeugen eines Magnetfeldes in der Welle (14) und eine Magnetfelderfassungseinrichtung (22) zum Erfassen einer Änderung des Magnetfeldes aufgrund eines auf der Welle (14) anliegenden Drehmoments hat, wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) wenigstens eine Generatorspule (26) hat und die Magnetfelderfassungseinrichtung (22) mehrere Messspulen (28) hat,
| 1 | wobei Generatorspulen (26) der Magnetfelderzeugungseinrichtungen (20) wenigstens zweier benachbarter Sensorelemente (18) |
| | 1.1 | alternierend oder |
| | 1.2 | gleich geschaltet sind und/oder |
| 2 | wobei mehrere Messspulen (28) der Magnetfelderfassungseinrichtung (22) eines Sensorelements (18) |
| | 2.1 | alternierend oder |
| | 2.2 | gleich geschaltet sind und/oder |
| 3 | wobei einander entsprechende Messspulen (28) der Magnetfelderfassungseinrichtungen (22) wenigstens zweier benachbarter Sensorelemente (18) |
| | 3.1 | alternierend oder |
| | 3.2 | gleich geschaltet sind. |
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Bevorzugte Ausgestaltungen dieser weiteren Idee ergeben sich durch beliebige Kombination der Klausel 1 mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 15.
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Bei einer Anordnung mit einer ersten Messspule A1, einer zweiten Messspule B1 und einer Generatorspule setzt sich das Messsignal vorzugsweise zusammen aus einer Differenz zwischen dem Signal der ersten Messspule A1 und der zweiten Messspule B1 (A1-B1) = Drehmoment. Bei einer Anordnung mit einem ersten Paar von Messspulen A1, A2 und einem zweiten Paar von Messspulen B1, B2, wobei die Paare sich vorzugsweise gegenüberliegen, wird ein Messsignal vorzugsweise durch (A1+A2) - (B1+B2) = Drehmoment erzeugt. Alternativ oder zusätzlich werden die einzelnen Amplituden A1+A2 und/oder B1+B2 direkt gemessen. Die Möglichkeiten, ein Messsignal aus einzelnen Summensignalen (Amplituden) und/oder aus einer Differenz daraus zu bilden, helfen, ein wesentlich besseres und höheres Signal zu erzeugen.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung werden Planarspulen auf eine Kunststoffhülse geclipst als Halterung und um die Planarspulen für einen Verguss- oder Umspritzvorgang in einer richtigen Form zu halten. Dieses Kunststoffteil wird dann bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung entweder in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt oder bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung für ein Vergießen in einer zweiten Spritzgussform eingebettet und vergossen.
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Vorzugsweise entsteht eine Anordnung einer kompletten Baugruppe mit untereinander über eine flexible Verbindung sowohl mechanisch als auch elektrisch verbundener Sensorelemente, die um die Messwelle herum angeordnet sind.
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Bei einer Ausführung einer umschlossenen Welle für sehr kleine Wellendurchmesser kann z.B. eine runde Trägerplatte vorgesehen sein, so dass der Umgreifbereich z.B. als runde Leiterplatte (PCB) ausgebildet ist. Zur Mitte hin können vorzugsweise dreieckförmige Sensorelement-Trägerplattenbereiche mit den Sensorelementen angeordnet sein, welche sich beim Einstecken einer Welle zur Axialrichtung hin ausbiegen und sich so an die Welle anlegen.
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Bei besonders kleinen Wellen lässt sich ein Messprinzip mit Generatorspule und Messspulen nur relativ schwer anwenden, da ein Ferritkern oder dergleichen Flusskonzentrator bedingt durch die Herstellung Grenzen in den Dimensionen hat. Hier kann z.B. ein einzelnes Joch aus Ferrit oder sonstigem magnetverstärkendem Material in Verbindung mit einem Magneten vorgesehen sein.
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Demnach können die Planarspulen beispielsweise auf Rastnasen innerhalb eines ringförmigen Umgreifbereichs ausgebildet sein.
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Als Trägerplatte dient vorzugsweise eine Leiterplatte oder PCB, beispielsweise als Starrflex. Die Verbindungsbereiche lassen sich beispielsweise durch Materialabtrag von der Leiterplatte erreichen, so dass ein dünnerer Bereich zum Umbiegen entsteht.
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Eine andere Alternative ist, eine Leiterplatte in Semiflexausführung zu verwenden.
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Besonders bevorzugt ist demnach eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Drehmomentmessgebers, mit einem der folgenden Schritte:
- 12.1
- Vereinzeln der mit Sensorelementen (18) bestückten oder zu bestückenden Bereiche der Trägerplatte (34), wobei Schritt c) Verbinden der vereinzelten Bereiche mittels der flexiblen Verbindungsbereiche (40) umfasst, oder
- 12.2
- Vorsehen der Trägerplatte (34) derart, dass die mit Sensorelementen (18) bestückten oder zu bestückenden Bereiche flexibel zueinander verbunden sind oder
- 12.3
- Vorsehen einer flexiblen Trägerplatte (34) oder
- 12.3
- Vorsehen der flexiblen Verbindungsbereiche durch Materialbearbeitung an der Trägerplatte.
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Die Verwendung von Planarspulen anstatt gewickelter Spulen bringt deutliche Vorteile bezüglich einer kostengünstigen und kompakten Fertigung. Z.B. können die Planarspulen zweidimensional hergestellt werden und dann durch entsprechende Fertigungstechniken dreidimensional verarbeitet werden. Für nähere Einzelheiten hierzu wird ausdrücklich auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung
DE 10 2016 122 172.4 verwiesen, wo Einzelheiten hinsichtlich der Herstellung der Planarspulen, der Ferritkerne sowie der Vergießungen erläutert sind.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Drehmoment durch Messung einer Veränderung der Feldrichtung durch Fluxgatemessung gemessen. Diese Technologie eignet sich besonders für sehr kleine Wellen. Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung wird das Drehmoment dadurch gemessen, dass Veränderungen der magnetischen Vorzugsrichtung der Felder und Wirbelströme aufgrund von Oberflächenspannungen gemessen werden. Hierzu wird ein Aufbau, wie er grundsätzlich aus dem Dokument D4 bekannt ist, jedoch vorzugsweise unter Verwendung von Leiterplattentechnik und Planarspulen, eingesetzt.
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Beide Technologien können grundsätzlich dafür verwendet werden, um eine homogene Messung um die Welle herum durchzuführen.
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Bei der Technologie der Messung der Veränderung der magnetischen Vorzugsrichtung der Felder und Wirbelströme aufgrund Oberflächenspannungen kommt vorzugsweise eine 5-Spulenanordnung - vorzugsweise in Kreuzanordnung mit zentraler Generatorspule - oder eine 3-Spulentechnologie mit einer Generatorspule und zwei Sensorspulen, jeweils im 45°-Winkel (+/- 10°) von der Mittelachse. Vorteilhaft ist, dass aufgrund der Anordnung der unterschiedlichen Sensorelemente um die Welle herum keine Verkippung oder Verdrehung berücksichtigt werden muss.
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Durch eine komplette Umwicklung der Welle gibt es Möglichkeiten, durch eine Degaussing-Sequenz z.B. Restmagnetfelder zu eliminieren oder eventuelle magnetische Hysteresefehler zu reversieren.
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Es können mehrere Sensorelemente - auch Sensorcluster oder Sensorzellen genannt - verwendet werden, die vorzugsweise jeweils wenigstens eine Generatorspule, wenigstens eine oder vorzugsweise zwei Sensorspulen und Ferrit zur Fluxverstärkung aufweisen, um eine Welle herum angeordnet werden. Vorzugsweise ist die Anordnung um die Welle so, dass das so generierte Messfeld die gesamte Messwelle umfasst. Wenn es Bereiche gibt, die an einem Messtakt nicht erfasst werden, erhöht das das Signalrauschen durch die RSN. Insoweit sind wenigstens vier Sensorelemente bevorzugt, es können auch mehrere Sensorelemente sein.
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Die komplette Leiterplatte kann als Semiflex oder Starrflexausführung gefertigt werden. Theoretisch ist auch eine Flex-Ausführung - voll flexible Leiterplatte - möglich. Eine derartige Ausführung ist jedoch relativ kostenaufwändig und aufwändig in der Herstellung und damit eventuell nur für spezielle Anwendungen interessant.
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Die komplette Baugruppe einschließlich Sensorelementen sowie Elektronik zur Auswertung kann in einem Nutzen bestückt und getestet werden.
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Vorzugsweise können Spulen und Elektronik in 2D-Technologien hergestellt werden und als 3D-Anordnung verwendet werden.
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Bei dem Messverfahren ist bevorzugt, dass Sensorelemente (18) verwendet werden, die wenigstens zwei Paare von Messspulen (A1, A2; B1, B2) aufweisen, wobei jedes Paar Messspulen jeweils einen Magnetfeldkreis vermisst und der Magnetfeldkreis des ersten Paars (A1, A2) in einem Winkel von 5° bis 175°, vorzugsweise 20° bis 160°, zu dem Magnetfeldkreis des zweiten Paars (B1, B2) angeordnet ist, wobei ein Messsignal gebildet wird aus einem oder mehreren der Signale der Gruppe von Signalen, die die Summe (A) der Signale aus dem ersten Paar Messspulen (A1+A2), die Summe (B) der Signale aus dem zweiten Paar Messspulen (B1+B2) und die Differenz (A-B=(A1+B1)-(B1+B2)) aus der Summe der Messsignale des ersten Paars Messspulen (A1+A2) und der Summe der Messsignale des zweiten Paars Messspulen (B1+B2).
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Drehmomentmessgeber zum Bilden eines Drehmomentsensors, mit dem Drehmoment an einer Welle durch Erfassung von Magnetfeldänderungen aufgrund des magnetoelastischen Effekts erfassbar sind;
- 2 einen Zwischenschritt zur Herstellung eines Drehmomentsensors aus dem Drehmomentmessgeber von 1;
- 3 eine Drehmomentmessanordnung mit einem Drehmomentsensor, der mit dem Drehmomentmessgeber von 1 gebildet ist, und einer zu vermessenden Welle;
- 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Drehmomentmessgeber;
- 5 noch eine weitere Ausführungsform für einen Drehmomentmessgeber;
- 6 eine Drehmomentmessanordnung zum Messen eines Drehmoments an einer Welle, umfassend die Welle und einen um die Welle herum angeordneten Drehmomentmessgeber gemäß der Ausführungsform von 4; und
- 7 eine Draufsicht auf eine vergleichbare Drehmomentmessanordnung, die eine weitere Ausführungsform eines Drehmomentmessgebers anwendet.
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In den Figuren sind unterschiedliche Ausführungsformen von Drehmomentmessgebern 10, welche in einem Drehmomentsensor 12 verwendbar sind, dargestellt. Die Drehmomentmessgeber 10 werden zum Messen eines Drehmoments an einer Welle 14 eingesetzt. Hierzu ist der Drehmomentmessgeber 10 derart ausgebildet, dass er um die Welle 14 herum angeordnet werden kann. Die Anordnung ist derart, dass der Drehmomentmessgeber 10 die Welle 14 zumindest teilweise, vorzugsweise zum Großteil, und mehr bevorzugt vollständig umgreift.
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Hierzu weist der Drehmomentmessgeber 10 einen Umgreifbereich 16 auf. Weiter weist der Drehmomentmessgeber 10 mehrere Sensorelemente auf, die jeweils eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 20 und eine Magnetfelderfassungseinrichtung 22 aufweisen.
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Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 20 dient zum Erzeugen eines Magnetfeldes in und insbesondere an der Oberfläche der Welle 14. Die Magnetfelderfassungseinrichtung 22 ist zum Erfassen von Änderungen des Magnetfeldes aufgrund eines auf die Welle 14 wirkenden Drehmoments aufgrund des magnetoelastischen Effekts ausgebildet. Für nähere Einzelheiten zu möglichen Ausführungen und Geometrien sowie zu den physikalischen Grundlagen wird auf die eingangs erwähnten Dokumente D1 bis D4 verwiesen.
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Wenigstens eine der Einrichtungen 20, 22 weist wenigstens eine Spule auf, die als Planarspule 24 ausgebildet ist.
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Bei besonders bevorzugten Ausgestaltungen weist die Magnetfelderzeugungseinrichtung 20 wenigstens eine Generatorspule 26 auf.
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Bei besonders bevorzugten Ausgestaltungen weist die Magnetfelderfassungseinrichtung 22 wenigstens eine Messspule 28 auf. Vorzugsweise ist eine Anordnung von Messspulen 28 vorgesehen, die eine erste Messspule A1 und eine zweite Messspule B1 aufweist.
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Bei besonders bevorzugten Ausgestaltungen ist ein Paar erster Messspulen A1, A2 und ein Paar zweiter Messspulen B1, B2 vorgesehen. Vorzugsweise sind sowohl die Generatorspule 26 als auch jede der Messspulen 28 als Planarspule ausgebildet.
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Weiter umgreift jede der Spulen 26, 28 einen vorzugsweise einen Ferritkern 30 aufweisenden Magnetflusskonzentrator 32.
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Alle Sensorelemente 18 sind vorzugsweise auf einer - vorzugsweise mehrteiligen - Trägerplatte 34 hergestellt. Die Trägerplatte kann ein Substrat aufweisen, auf dem die Planarspulen 24 sowie der Ferritkern 30 nach Methoden der Halbleitertechnik aufgebracht worden sind.
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Besonders bevorzugt weist die Trägerplatte
34 wenigstens eine Leiterplatte
36 (PCB) auf, wobei die Planarspulen
24 an einer oder mehreren Leiterschichten der Leiterplatte 36 ausgebildet sind und wobei der Ferritkern
30 der einzelnen Magnetflusskonzentratoren 32 zusätzlich vorgesehen ist, wie dies im Einzelnen in der
DE 10 2016 122 172.4 gezeigt und erläutert worden ist.
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Die Trägerplatte 34 kann aus mehreren Einzelelementen aufgebaut sein. Es kann auch eine Herstellung auf einer Trägerplatte erfolgen, wobei dann die Trägerplatte 34 in mehrere Einzelbereiche durch Materialbearbeitung aufgeteilt wird.
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Insbesondere werden mehrere Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 gebildet, wobei auf jedem dieser Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 ein Sensorelement 18 mit den entsprechenden Spulen 24, 26, 28 und dem entsprechenden Magnetflusskonzentrator 32 angeordnet ist.
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Weiter ist ein flexibler Verbindungsbereich 40 vorgesehen, mit dem einzelne Bereiche der Trägerplatte 34 relativ zueinander in der Lage verschwenkbar oder verbiegbar miteinander verbunden sind, wobei gleichzeitig eine elektrische Leitungsverbindung zum Verbinden der Spulen 24, 26, 28 mit einer Treiber- und Auswerteelektronik 42 vorgesehen ist. Auch die Bausteine der Treiber- und Auswerteelektronik 42 kann auf einem entsprechenden Bereich der Trägerplatte 34 ausgebildet werden (Elektronik-Trägerplattenbereich 44).
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In den 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsform des Drehmomentmessgebers 10 dargestellt, bei dem mehrere Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 untereinander mit einem flexiblen Verbindungsbereich 40 dazwischen verbunden sind. Bei der dargestellten Ausführungsform sind vier Sensorelement-Trägerplattenbereiche und somit vier Sensorelemente 18 vorgesehen. In anderen Ausgestaltungen sind drei oder fünf oder auch mehr Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 mit einer entsprechenden Anzahl von Sensorelementen 18 vorgesehen.
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Die Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 können durch den flexiblen Verbindungsbereich 40 zueinander verschwenkt werden und so um die Welle 14 herumgelegt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung zur Herstellung eines solchen Drehmomentmessgebers 10 gemäß der ersten Ausführungsform werden die Sensorelemente 18 auf der Trägerplatte 34 hergestellt und anschließend die flexiblen Verbindungsbereiche 40 durch Materialabtrag so hergestellt, dass Leiterbahnen zur Verbindung zwischen Spulen 26, 28 und der Treiber- und Auswerteelektronik 42 bestehen bleiben, jedoch der flexible Verbindungsbereich 40 relativ zu den Sensorelement-Trägerplattenbereichen 38 verbiegbar ist.
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform zum Herstellen eines Drehmomentsensors 12 unter Verwendung des Drehmomentmessgebers 10 der ersten Ausführungsform anhand der Darstellung in den Fig. 2 und 3 näher erläutert. In 2 ist eine Trägerhülse 46 dargestellt, die beispielsweise aus Kunststoff ausgebildet sein kann, und Befestigungselemente zum - beispielsweise temporären - Festhalten der Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 aufweist.
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Der Umgreifbereich 16 wird bei dieser Ausgestaltung des Drehmomentmessgebers durch die einzelnen Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 mit den flexiblen Verbindungsbereichen 40 dazwischen gebildet. Dieser wird um die Trägerhülse 46 herumgeführt, wobei die Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 mit den Befestigungselementen - beispielsweise Halteclipse 48 - an der Trägerhülse 46 fixiert werden.
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Diese Konstruktion der 2 kann dann in eine Spritzmaschine eingesetzt werden und außenherum mit Kunststoff umspritzt werden, um so eine Hülse 50 zu erzeugen, in der der Drehmomentmessgeber 10 um eine Durchgangsöffnung 52 der Hülse herum angeordnet ist. So sind die einzelnen Elemente des Drehmomentmessgebers 10 in Kunststoff eingebettet und verpackt. Durch das Innere der Durchgangsöffnung 52 lässt sich die zu vermessende Welle 14 durchstecken, so dass die in 3 gezeigte Drehmomentmessanordnung 54 entsteht.
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Bei einer Ausgestaltung bleibt die Trägerhülse 46 als weiterer Schutz vorhanden; bei einer anderen Ausgestaltung wird die Trägerhülse 46 nach dem Umspritzen mit der Hülse 50 entfernt.
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3 zeigt die Drehmomentmessanordnung 54 mit der Welle 14 und dem durch die Hülse 50 und den Drehmomentmessgeber 10 gebildeten Drehmomentsensor 12.
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Vorzugsweise liegen dabei die Sensorelemente 18 jeweils paarweise diametral gegenüber.
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Durch die Anordnung von einzelnen Sensorelementen um die zu vermessende Welle 14 herum lassen sich Abhängigkeiten des Drehmomentmesssignals von Abstandsänderungen sowie Variationen im Sensorsignal aufgrund anderer Effekte bei Drehung der Welle (RSN) kompensieren, so dass ein Messsignal entsteht, das möglichst unabhängig von Toleranzen bei der Lagerung der Welle und deren Umfang sowie möglichst unabhängig von Materialuneinheitlichkeiten rund um den Umfang der Welle ist.
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Die Verschaltung der einzelnen Spulen der Sensorelemente 18 kann dabei unterschiedlich gewählt werden. Bei einer Ausgestaltung erfolgt die Herstellung derart, dass die Generatorspulen 26 wahlweise gleich oder alternierend zueinander in Reihe oder parallel zu einer Wechselstromquelle (nicht dargestellt z.B. ausgeführt in der Elektronik an dem Elektronik-Trägerplattenbereich 44) geschaltet werden. Bei einer alternativen Verschaltung sind die Generatorspulen 26 einzeln oder in Gruppen verschaltet unterschiedlich ansteuerbar.
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Auch die Verschaltung der Messspulen 28 der Sensorelemente 18 kann unterschiedlich sein. Vorzugsweise erfolgt eine Verschaltung derart, dass sowohl die Summe der Signale der in einer ersten Richtung sensitiven ersten Paare A1+A2 der Messspulen als auch die Summe der Signale der in einer zweiten Richtung sensitiven zweiten Paare (B1+B2) direkt gemessen werden können als auch die Differenz dieser Summen gemessen werden kann.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Drehmomentmessgebers 10 dargestellt, welches für kleinere Wellendurchmesser geeignet ist.
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Hier ist der Umgreifbereich 16 nicht durch miteinander verbundene Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 gebildet, sondern durch einen gesonderten Ringbereich 56 der Trägerplatte 34, wobei an einem inneren Bereich Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 nach innen hin abstreben. Zwischen den Sensorelement-Trägerplattenbereichen 38 und dem Ringbereich 56 ist jeweils ein flexibler Verbindungsbereich 40 vorgesehen, so dass die Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 aus der Zeichnungsebene in 4 axial herausgeklappt werden können. Hierzu können beispielsweise zwischen den einzelnen Sensorelement-Trägerplattenbereichen 38 Sollbruchstellen vorgesehen sein.
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Wie in 6 dargestellt, kann die Welle 14 durch das Innere des Ringbereichs 56 hindurch gesteckt werden, so dass die Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 an den flexiblen Verbindungsbereichen 40 in eine axiale Richtung wegschwenken und sich um den Umfang der Welle 14 verteilt an die Welle 14 anlegen.
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Bei der Darstellung von 4 ist eine Generatorspule 26 sowie eine erste Messspule A1 und eine zweite Messspule B1 vorgesehen, so dass pro Sensorelement 18 drei Planarspulen 24 vorgesehen sind, wobei die Ferritkerne 30, die zwischen der Generatorspule 26 und jeder der Messspulen A1, B1 vorgesehen sind, einen Winkel zwischen sich einschließen, der zwischen 90° und 0° und insbesondere zwischen 55° und 35° beträgt.
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In 5 ist noch eine weitere Ausführungsform für sehr kleine Wellendurchmesser dargestellt. Diese Ausgestaltung entspricht vom Grundaufbau her der Ausgestaltung von 4 mit Ringbereich 56 und nach innen hin abragenden Sensorelement-Trägerplattenbereichen 38. Hierbei sind nur zwei Sensorelemente 18 vorgesehen, wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung 20 einen Dauermagneten aufweist und mittels der Magnetfelderfassungseinrichtung 22 Richtungsänderungen von Magnetfeldlinien erfasst werden.
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7 zeigt die Anordnung des Ringbereiches 56 einer weiteren Ausgestaltung des Drehmomentmessgebers 10, die vom Grundaufbau her dem Aufbau der 4 und 5 entspricht, wobei noch eine größere Anzahl von Sensorelementen 18 um die Welle 14 herum vorgesehen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Drehmomentmessgeber
- 12
- Drehmomentsensor
- 14
- Welle
- 16
- Umgreifbereich
- 18
- Sensorelement
- 20
- Magnetfelderzeugungseinrichtung
- 22
- Magnetfelderfassungseinrichtung
- 24
- Planarspule
- 26
- Generatorspule
- 28
- Messspule
- A1
- erste Messspule
- B1
- zweite Messspule
- A2
- erste Messspule
- B2
- zweite Messspule
- 30
- Ferritkern
- 32
- Magnetflusskonzentrator
- 34
- Trägerplatte
- 36
- Leiterplatte
- 38
- Sensorelement-Trägerplattenbereich
- 40
- flexibler Verbindungsbereich
- 42
- Treiber- und Auswerteelektronik
- 44
- Elektronik-Trägerplattenbereich
- 46
- Trägerhülse
- 48
- Halteclips
- 50
- Hülse
- 52
- Durchgangsöffnung
- 54
- Drehmomentmessanordnung
- 56
- Ringbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3311818 [0002]
- EP 0384042 A2 [0002]
- DE 3031997 A [0002]
- US 3011340 A [0002]
- US 4135391 A [0002]
- DE 3031997 A1 [0003]
- DE 102016122172 [0049, 0069]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Gerhard Hinz und Heinz Voigt „Magnoelastic Sensors“ in „Sensors“, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1989, Seiten 97-152 [0002]
