DE102017108471A1

DE102017108471A1 - Sensorkopf, Kombinationssensor, Drehmomentmessanordnung und Verfahren zum Messen von Drehmoment und Drehzahl

Info

Publication number: DE102017108471A1
Application number: DE102017108471.1A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schanz
Original assignee: TRAFAG AG
Current assignee: TRAFAG AG
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2018-10-25
Also published as: WO2018193115A1

Abstract

Um kostengünstig und mit einfachen Mitteln den Anwendungsbereich eines Drehmomentsensors (26) deutlich zu erweitern, schafft die Erfindung einen Sensorkopf (48) für einen Drehmomentsensor (26) zur Erfassung eines Drehmoments einer Drehwelle (32), wobei der Sensorkopf (48) umfasst: wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (50) zum Erzeugen eines Magnetfelds in der Drehwelle (32) und wenigstens eine Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) zum Messen wenigstens eines Parameters des erzeugten Magnetfelds in der Drehwelle (32), um hieraus ein auf der Drehwelle (32) anliegendes Drehmoment abzuleiten, und wenigstens eine von der Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) beabstandete gesonderte Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (110) zum Erfassen einer Oberflächenmarkierung (36) an der Oberfläche der Drehwelle (32), um eine Drehzahl der Drehwelle (32) zu bestimmen. Außerdem werden ein Kombinationssensor (S1), eine Drehmomentmessanordnung (22) sowie Verfahren zur Messung unter Verwendung des Sensorkopfes (48) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensorkopf für einen Drehmomentsensor zur Erfassung eines Drehmoments einer Drehwelle, wobei der Sensorkopf umfasst: wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds in der Drehwelle und wenigstens eine Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung zum Messen wenigstens eines Parameters des erzeugten Magnetfelds in der Drehwelle, um hieraus ein auf der Drehwelle anliegendes Drehmoment abzuleiten. Weiter betrifft die Erfindung einen einen solchen Sensorkopf beinhaltenden Sensor. Weiter betrifft die Erfindung eine Drehmomentmessanordnung, die einen solchen Sensorkopf und die zu vermessende Drehwelle aufweist. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen von Drehmoment.
Aus der DE 30 31 997 A1 und der EP 0 046 517 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zur berührungslosen Messung statischer und dynamischer Drehmomente an einer Drehwelle durch Erfassen einer Permeabilitätsänderung einer ferromagnetischen Drehwelle bekannt. Durch die Kombination der Drehwelle und eines Drehmomentsensors ist auch eine Drehmomentmessanordnung offenbart.
Aufgabe der Erfindung ist es, mit kostengünstigen und einfachen Mitteln die Anwendungsmöglichkeiten solcher Drehmomentmessungen deutlich zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensorkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Verwendungen desselben sind Gegenstand der Nebenansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft gemäß einem Aspekt davon einen Sensorkopf für einen Drehmomentsensor zur Erfassung eines Drehmoments einer Drehwelle, wobei der Sensorkopf umfasst:

wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds in der Drehwelle und wenigstens eine Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung zum Messen wenigstens eines Parameters des erzeugten Magnetfelds in der Drehwelle, um hieraus ein auf der Drehwelle anliegendes Drehmoment abzuleiten, und wenigstens eine von der Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung beabstandete gesonderte Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung zum Erfassen einer Oberflächenmarkierung an der Oberfläche der Drehwelle, um hieraus eine Drehzahl der Drehwelle zu erfassen.

Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung eine Abstandserfassungseinrichtung zum Erfassen eines Abstandes zu der Oberfläche der Drehwelle aufweist, wobei die Abstandserfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, Änderungen eines Abstandes zu der Oberfläche der Drehwelle zu erfassen, um bei Drehung der Drehwelle eine durch eine Veränderung der Form der Oberfläche eines Markierungsbereichs der Drehwelle gebildete Oberflächenmarkierung zu erfassen, um so die Drehzahl zu erfassen.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung eine Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung, insbesondere zum Bilden der Abstandserfassungseinrichtung, aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens eine Erregerspule aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtungen wenigstens eine Drehmoment-Messspule aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung wenigstens eine Drehzahl-Messspule aufweist, die in einer Orientierungsrichtung des Sensorkopfes, die im Betrieb parallel zu der Drehachse der Drehwelle anzuordnen ist, beabstandet zu der wenigstens einen Drehmoment-Messspule angeordnet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Erregerspule und die wenigstens eine Drehmoment-Messspule durch wenigstens ein Drehmoment-Mess-Magnetjoch zur Flussverstärkung zum Bilden wenigstens eines Drehmoment-Mess-Magnetkreises verbunden sind.
Es ist bevorzugt, dass die Erregerspule und die wenigstens eine Drehzahl-Messspule durch ein Drehzahl-Mess-Magnetjoch zur Flussverstärkung zum Bilden eines Drehzahl-Mess-Magnetkreises verbunden sind.
Es ist bevorzugt, dass die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung eine erste Magnetfeldmesseinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld an einem Drehmomentmessbereich der Oberfläche der Drehwelle in einer ersten Richtung zu erfassen, und eine zweite Magnetfeldmesseinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld an einem Drehmomentmessbereich der Oberfläche der Drehwelle in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung zu erfassen.
Vorzugsweise liegen die erste und die zweite Richtung in einem Winkel zueinander, der zwischen 10° und 170°, vorzugsweise zwischen 45° und 135° und mehr bevorzugt zwischen 85° und 95° liegt.
Vorzugsweise liegen wenigstens eine oder beide der ersten und der zweiten Richtung relativ zu der Orientierungsrichtung, in welcher die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung von der Drehmomentmagnetfelderfassungseinrichtung beabstandet ist, in einem Winkel der zwischen 10° und 170°, mehr vorzugsweise zwischen 25° und 65° und mehr bevorzugt zwischen 30° und 50° liegt.
Es ist bevorzugt, dass die erste Magnetfeldmesseinheit ein Paar erste Drehmoment-Messspulen aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die zweite Magnetfeldmesseinheit ein Paar zweiter Drehmoment-Messspulen aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Drehmoment-Messspulen sternförmig um eine zentral angeordnete Erregerspule der Magnetfelderzeugungseinrichtung herum angeordnet sind.
Es ist bevorzugt, dass die Drehmoment-Messspulen und die Erregerspule durch einen gemeinsamen Flusskonzentrator-Kern aus ferromagnetischen Material zum Bilden von Flusskonzentratoren für die erste Magnetfeldmesseinheit und die zweite Magnetfeldmesseinheit verbunden sind.
Es ist bevorzugt, dass der Flusskonzentrator-Kern einen Ausleger hat, der sich in der Orientierungsrichtung und durch die Drehzahl-Messspule erstreckt.
Es ist bevorzugt, dass die Spulen als Planarspulen ausgebildet sind.
Es ist bevorzugt, dass die Planarspulen auf einem gemeinsamen Leiterplattenelement ausgebildet sind, an dem auch ein ferromagnetisches Material zum Bilden eines Flusskonzentrators angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen Kombinationssensor zur Messung von Drehmoment und Drehzahl an einer Drehwelle, umfassend einen Sensorkopf nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und eine Auswerteeinrichtung, die mit der Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung verbunden ist, um ein das Drehmoment angebendes Drehmomentsignal zu erzeugen, und mit der Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung verbunden ist, um ein die Drehzahl angebendes Drehzahlsignal zu erzeugen.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus der mittels des Sensorkopfs erfassten Drehzahl und dem mittels des Sensorkopfs erfassten Drehmoment ein die momentane Leistung angebendes Leistungssignal zu erzeugen.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Drehmomentmessanordnung mit einer Drehwelle und einem Sensorkopf nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und/oder einem Kombinationssensor nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen, wobei die Drehwelle einen Drehmomentmessbereich mit einer kreiszylindrischen Oberfläche, an welchem die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung angeordnet ist, und axial benachbart hierzu einen Markierungsbereich mit Oberflächenmarkierung in Form einer von einer kreiszylindrischen Oberfläche abweichenden Oberflächenform aufweist.
Es ist bevorzugt, dass der Markierungsbereich einen Zahnkranz aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Messen eines Drehmoments und einer Drehzahl an einer Drehwelle umfassend:

a) Vorsehen der Drehwelle mit einem Markierungsbereich, an dem eine nicht rotationssymmetrische Oberflächenmarkierung angebracht ist und einem axial beabstandeten Drehmomentmessbereich ohne Oberflächenmarkierung
b) Erzeugen eines Magnetfelds an der Oberfläche der Drehwelle, Messen von Magnetfeldänderungen anhand von auf der Drehwelle anliegenden Kräften an dem Drehmomentmessbereich mittels einer Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung und
c) Erfassen des Passierens der Oberflächenmarkierung bei Drehung der Drehwelle mittels einer an dem Markierungsbereich angeordneten Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung.

Es ist bevorzugt, dass der Schritt a) umfasst: Vorsehen der Oberflächenmarkierung derart, dass diese eine von einer Kreiszylinderform abweichende Oberflächenform bedingt und dass Schritt c) umfasst: Erfassen des Abstandes der Oberfläche der Drehwelle von der Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst: Erzeugen eines Magnetfelds sowohl im Drehmomenterfassungsbereich als auch im benachbarten Markierungsbereich mittels einer gemeinsamen Magnetfelderzeugungseinrichtung und dass Schritt c) umfasst: Messen einer Magnetfeldänderung, die sich durch Passieren der Oberflächenmarkierung ergibt.
Es ist bevorzugt, dass bei dem Verfahren ein Sensorkopf und/oder ein Sensor und/oder eine Drehmomentmessanordnung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen verwendet wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Drehmomentmessanordnung ist mit einer Drehwelle und einem Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmoments an der Drehwelle durch induktives Messen des Drehmoments der Drehwelle mittels magnetischer Wechselfelder und mit einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung des Signals des Drehmomentsensors versehen, wobei die Drehwelle eine Oberflächenmarkierung an einem Markierungsbereich hat, der benachbart zu dem durch den Drehmomentsensor zur Drehmomentmessung erfassten Umfangsbereich hat, wobei sich die Oberflächenmarkierung bei Drehung der Drehwelle um die Drehachse dreht und bei Passieren einer an dem Drehmomentsensor vorgesehenen Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung ein sich entsprechend der Drehfrequenz änderndes Drehzahlsignal hervorruft, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus dem Drehzahlsignal wenigstens einen, mehrere oder alle der Parameter Drehzahl, Drehgeschwindigkeit, Drehrichtung und/oder Drehwinkel der Drehwelle zu ermitteln.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenmarkierung eine sich in axialer Richtung erstreckende Abflachung, Einkerbung oder Erhöhung an der Oberfläche des Umfangsbereichs umfasst. Besonders bevorzugt ist eine Anordnung von Zähnen, inbesondere in Form eines Zahnkranzes, vorgesehen.
Es ist bevorzugt, dass der Drehmomentsensor einen Sensorkopf aufweist, der mit wenigstens einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes in der Drehwelle und mit wenigstens einer Magnetfelderfassungseinrichtung zum Messen wenigstens eines Parameters des magnetischen Wechselfeldes in der Drehwelle versehen ist.
Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens einen Flusskonzentrator mit wenigstens einer Magnetfelderzeugungsspule und einem weichmagnetischen Kern aufweist und dass die Magnetfelderfassungseinrichtung mehrere Messspulen zum Messen unterschiedlicher Magnetfeldausrichtungen aufweist. Vorzugsweise wird ein Drehmomentsensor eingesetzt, wie er vom Grundaufbau her in der DE 30 31 997 A1 , der EP 0 046 517 A1 oder der US 4 503 714 beschrieben ist. Diese Druckschriften werden hinsichtlich näherer Einzelheiten des Drehmomentsensors durch Bezugnahme inkorporiert. Zusätzlich zu dem bekannten Aufbau zum Messen des Drehmoments weist der hier vorgeschlagenen Sensor noch eine gesonderte Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung auf.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung eine Zähleinrichtung zum Zählen der Anzahl der Signalveränderungen und/oder zum Erfassen eines Drehwinkels aufweist. So können z.B. von durch Zähne eines Zahnkranzes verursachte Signalimpulse gezählt werden, um einen Drehwinkel oder bei zusätzlicher Berücksichtigung der Zeit eine Drehgeschwindigkeit zu bestimmen.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung eine Signalveränderungsabstandserfassungseinrichtung zum Erfassen des Abstands zwischen den durch Passieren der Oberflächenmarkierung erzeugten Signalveränderungen und/oder zum Erfassen einer Drehzahl pro Zeit aufweist.
Es ist bevorzugt, dass Auswerteeinrichtung eine Frequenzerfassungseinrichtung zum Erfassen der Frequenz der Änderungen in dem Drehzahl aufweist, um hieraus die Drehzahl der Drehwelle und/oder die Drehgeschwindigkeit an der Oberfläche der Drehwelle zu ermitteln.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Pulsform der Signalveränderung zu erfassen und hieraus die Drehgeschwindigkeit an der Oberfläche der Drehwelle und/oder die Drehrichtung zu erfassen.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung eine Pulsweitenerfassungseinrichtung zum Erfassen einer Pulsweite der Signalveränderung und/oder zum Ermitteln der Drehgeschwindigkeit aus einer Breite der Signalveränderung aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenmarkierung eine Flächenform hat, die zu einer in axialer Richtung verlaufenden Mittelachse unsymmetrisch ist und/oder dass mehrere der Oberflächenmarkierungn mit unregelmäßigen Abständen und/oder mit zu einer in axialer Richtung verlaufenden Achse unsymmetrischer Anordnung vorgesehen sind, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus einer Steigung einer Pulsflanke der Signalveränderung und/oder aus einer Abstandsfolge zwischen Signalveränderungen die Drehrichtung zu ermitteln. Insbesondere kann eine entsprechende Zahnform der Zähne eines Zahnkranzes vorgesehen sein. Besonders bevorzugt weisen die Zähne unterschiedliche Flankenformen an ihren beiden Seiten auf.
Die Drehwelle ist vorzugsweise zumindest an ihrer Oberfläche oder auch ganz aus einem weichmagnetischen oder ferromagnetischen Material ausgebildet. Dabei wird vorzugsweise eine Permeabilitätsänderung bei sich verändernder Drehmomentbelastung erfasst. Dies erfolgt vorzugsweise mittels durch eine Magnetfelderzeugungseinrichtung in dem ferromagnetischen Material erzeugten Magnetfeldern und Erfassen der sich bildenden Magnetfelder - insbesondere Dichte und Ausrichtung der Feldlinien - mittels einer Magnetfelderfassungseinrichtung. Die Magnetfelderfassungseinrichtung weist z.B. mehrere sich kreuzende Magnetkreise auf, die teilweise durch die Drehwelle verlaufen und teilweise durch einen ersten und zweiten Jochbereich eines Sensorkopfes laufen. Bei weniger bevorzugten Ausgestaltungen wird eine zumindest an ihrer Oberfläche permanentmagnetisierte Drehwelle verwendet.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur gleichzeitigen Erfassung eines Drehmoments und wenigstens einer der Parameter Drehzahl, Drehwinkel, Drehgeschwindigkeit oder Drehrichtung an einer aus oder mit einem weichmagnetischen Material gebildeten Drehwelle, umfassend:

Vorsehen einer Oberflächenmarkierung auf einem Sektor eines ersten Umfangsbereichs der Drehwelle;
Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds in der Drehwelle an dem ersten Umfangsbereich und einem axial benachbarten zweiten Umfangsbereich; Messen des Drehmoments durch Erfassen wenigstens eines durch den magnetoelastischen Effekt beeinflussten Parameters des erzeugten magnetischen Wechselfeldes mittels wenigstens einer Magnetfelderfassungseinrichtung an dem zweiten Umfangsbereich und Erzeugen eines Signals aus der Erfassung des Parameters,
Erfassen einer Magnetfeldänderung an dem ersten Umfangsbereich, die dadurch erzeugt wird, dass die Oberflächenmarkierung eine weitere Magnetfelderfassungseinrichtung passiert und
Auswerten der Magnetfeldänderung an dem ersten Umfangsbereich zur Erfassung wenigstens einer der Parameter Drehzahl, Drehwinkel, Drehgeschwindigkeit oder Drehrichtung.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Drehmomentregelvorrichtung zum Regeln der Ausgangsleistung und/oder des Drehmoments eines Elektroantriebes, der einen Elektromotor mit Ständer und Läufer und eine mit dem Läufer zur gemeinsamen Drehung verbundene Abtriebswelle als Drehwelle hat, umfassend:

einen Drehmomentmessanordnung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen zum Messen eines Drehmoments an der Abtriebswelle und eine mit der Drehmomentmessanordnung verbundene Steuerung, die dazu eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit von dem durch den Drehmomentsensor gemessenen Drehmoment zu steuern.

Es ist bevorzugt, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit von dem durch die Drehmomentmessanordnung gemessenen Drehmoment und der durch die Drehmomentmessanordnung ermittelten Drehzahl zu steuern, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, aus dem Drehmoment und der Drehzahl die Ausgangsleistung des Elektroantriebes zu ermitteln und den Elektromotor in Abhängigkeit von der ermittelten Ausgangsleistung zu steuern.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Elektroantrieb, umfassend eine Drehmomentregelvorrichtung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und/oder eine Drehmomentmessanordnung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen.
Eine Grundidee der Erfindung ist, unter Ausnutzung einer Permeabilitätsänderung von aus ferromagnetischen Materialien gebildeten Drehwelle und von Oberflächeneffekten einen Kombinationssensor zu bilden, der neben Drehmoment auch wenigstens einen weiteren Parameter der Drehbewegung der Drehwelle mit vorzugsweise mit dem gleichen Messaufbau erfasst. Besonders bevorzugt werden ein Drehmomentsignal und ein Drehzahlsignal in dem gleichen Messaufbau durch unterschiedliche zueinander beabstandete Messspulen erzeugt und über getrennte Kanäle ausgegeben. So kann man die Drehzahl-Messspule an einem Markierungsbereich der Drehwelle anordnen, der eine für eine Drehzahlerfassung optimierte Oberflächenform oder Materialverteilung hat, während eine Drehmoment-Messspule oder eine Drehmoment-Mess-Magnetfelderfassungseinrichtung mit mehreren Drehmoment-Messspulen an einem Drehmomentmessbereich der Drehwelle anordnen kann, der eine für die Drehmomentmessung optimierte Oberflächenform und Materialverteilung - insbesondere möglichst gleichförmig über den gesamten Umfang - hat. Insbesondere können so unabhängige Signale für Drehzahl und Drehmoment mit hoher Auflösung mit dem gleichen einfachen Messaufbau erreicht werden.
Insbesondere ist die Anwendung in Verbindung mit einem Elektromotor interessant. Das erfasste Drehmoment und der wenigstens eine weitere Parameter können zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors eingesetzt werden. Es kann z.B. eine exakte Drehmomentregelung oder Leistungsregelung erfolgen. Auch kann der Drehwinkel erfasst werden und so in einfacher Weise ein Stellmotor oder Servomotor geschaffen werden, der mit exaktem Drehmoment in eine vorbestimmte Position verfahren werden kann. So können sehr leistungsfähige Stellantriebe geschaffen werden.
Es sind aber auch viele andere Anwendungen möglich, beispielsweise können auch andere Antriebe, z.B. mit einer Verbrennungskraftmaschine, einem pneumatischen oder hydraulischen Antrieb mit der Drehmomentmessanordnung versehen werden, um die Drehmomentabgaben und/oder Drehgeschwindigkeit und/oder den Stellweg zu überwachen und/oder zu steuern.
Eine bevorzugte Anwendung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Regeln der Ausgangsleistung und/oder des Drehmoments eines Elektroantriebes, der einen Elektromotor mit Ständer und Läufer und eine mit dem Läufer zur gemeinsamen Drehung verbundene Abtriebswelle hat.
Bei bisher auf dem Markt erhältlichen Leistungselektroniken für Elektroantriebe kann durch das Messen der Phasenströme und Phasenspannungen die Leistungsaufnahme eines Elektromotors relativ genau gemessen werden. Durch entsprechende Modelle zum Wirkungsgrad und verschiedener Abhängigkeiten (Temperaturabhängigkeit, Alterungsverhalten...) kann die Ausgangsleistung berechnet werden. Mit diesen Größen können Elektromotoren auf ein spezifisches Drehmoment bei bekannter Winkelgeschwindigkeit der Achse geregelt werden. Derartige Elektroantriebe und deren Vorrichtungen zur Drehmomentregelung finden sich beispielsweise in auf dem Markt erhältlichen Haupt-Elektroantrieben für Elektrofahrzeuge.
Ein Beispiel für eine bekannte Regelung eines Elektroantriebes auf dem Gebiet der elektrischen Lenksysteme findet sich in der US 2005/037884 A1 .
Ein Vorteil einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass derartige Vorrichtungen und Verfahren zur Drehmomentregelung und/oder Regelung der Leistung von Elektroantrieben hinsichtlich der Genauigkeit des Ausgangsdrehmoments bzw. der Ausgangsleistung und/oder hinsichtlich Sicherheitsaspekten verbessert werden können.
Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung betrifft eine Drehmomentregelvorrichtung zum Regeln der Ausgangsleistung und/oder des Drehmoments eines Elektroantriebes, der einen Elektromotor mit Ständer und Läufer und eine mit dem Läufer zur gemeinsamen Drehung verbundene Abtriebswelle hat, umfassend:
einen Drehmomentsensor zum Messen eines Drehmoments an der Abtriebswelle und eine mit dem Drehmomentsensor verbundene Steuerung, die dazu eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit von dem durch den Drehmomentsensor gemessenen Drehmoment zu steuern.
Insbesondere lässt sich damit ein drehmomentgeregelter Elektromotor bereitstellen, dessen Regelung nicht durch Spannung/Strom, sondern durch ein aktives Sensorelement erfolgt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Drehzahlsensor zur Messung der Drehzahl der Abtriebswelle, wobei die Steuerung mit dem Drehzahlsensor verbunden ist und dazu eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit von dem durch den Drehmomentsensor gemessenen Drehmoment und der durch den Drehzahlsensor verbundenen Drehzahl zu steuern.
Es ist bevorzugt, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, aus dem Drehmoment und der Drehzahl die Ausgangsleistung des Elektroantriebes zu ermitteln und den Elektromotor in Abhängigkeit von der ermittelten Ausgangsleistung zu steuern.
Es ist bevorzugt, dass die Steuerung zur Überwachung der Leistungsabgabe des Elektroantriebes eingerichtet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, den Elektroantrieb abhängig von einer aus einem Eingangsstrom und einer Eingangsspannung ermittelten Eingangsleistung und einer aus dem Drehmoment ermittelten Ausgangsleistung und einer Sollleistung zu steuern und/oder zu überwachen.
Vor allem bei der Elektromobilität gibt es ein Erfordernis (SIL2 gemäß EN61508 und/oder Performance Level d gemäß ISO 13849-1), dass die Ausgangsleistung des Elektromotors überwacht wird. Das kann man mit Spannung/Strom machen. Wesentlich genauer geht dies aber durch unmittelbare Überwachung über direkte Sensoren an der Abtriebswelle, wie bei der Erfindung vorgeschlagen. Besondere Vorteile hat die erfindungsgemäße Idee, wenn der Elektroantrieb man für ein Torque Vectoring auf das Drehmoment geregelt wird. In einem solchen Fall ist ein aktives Sensorelement wie bei der Erfindung vorgeschlagen sehr vorteilhaft, da man nicht auf sowohl Spannung/Strom regeln kann und diese Größe auch noch für die Sicherheits-Überwachung verwenden kann.
Es ist bevorzugt, dass der Drehmomentsensor ein induktiver berührungsloser Sensor zur induktiven Drehmomenterfassung unmittelbar an der Abtriebswelle mittels magnetischer Wechselfelder ist. Derartige Sensoren sind sehr einfach an der Abtriebswelle einsetzbar, wobei die Abtriebswelle auch unverändert bleiben kann und keine aktiven Elemente im mitdrehenden System benötigt werden. Die berührungslose Messung erfolgt ohne Reibungsverluste und ist im Wesentlichen wartungsfrei.
Mit einer Drehmomentmessanordnung gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann man gleichzeitig mit einem Signal das Drehmoment der Drehwelle (z.B. der Abtriebswelle) und mit einem weiteren Signal z.B. deren Drehzahl bestimmen. Damit kann man mit von einem einzelnen Sensorkopf erzeugten und dennoch unabhängigen Signalen unmittelbar die mechanische Leistung an der Drehwelle bestimmen. Dies ist selbstverständlich für die Regelung von Elektroantrieben hoch interessant, kann aber auch für andere Verwendungen Anwendung finden. Z.B. könnte sich bei unterschiedlichen Anwendungen (PKW; LKW; Schiffe; Maschinen; Flugzeuge; Fahrzeuge) an einer Abtriebswelle die mechanische Leistung unmittelbar messen.
Vorzugsweise ist die Drehmomentmessanordnung zur Verwendung in einer Drehmomentregelung gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen ausgebildet, wobei die Abtriebswelle die zu vermessende Drehwelle der Drehmomentmessanordnung ist. Die Drehmomentmessanordnung ist aber auch für andere Einsatzzwecke geeignet und vorteilhaft, wo neben der Messung eines Drehmoments einer Drehwelle auch deren Drehzahl ermittelt werden soll.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Regelungsverfahren zum Regeln der Ausgangsleistung und/oder des Drehmoments eines Elektroantriebes, der einen Elektromotor mit Ständer und Läufer und eine mit dem Läufer zur gemeinsamen Drehung verbundene Abtriebswelle hat, umfassend:

Messen eines Drehmoments an der Abtriebswelle mittels eines Drehmomentsensors,
Messen der Drehzahl der Abtriebswelle und
Steuern des Elektromotors in Abhängigkeit von dem durch den Drehmomentsensor gemessenen Drehmoment und der durch den Drehzahlsensor ermittelten Drehzahl.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst:

Ermitteln der Ausgangsleistung des Elektroantriebes aus dem Drehmoment und der Drehzahl und
Steuern des Elektromotors in Abhängigkeit von der ermittelten Ausgangsleistung.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst:

Überwachen der Leistungsabgabe des Elektroantriebes mittels der Ausgangsleistung, der aus einem Eingangsstrom und einer Eingangsspannung ermittelten Eingangsleistung und einer Sollleistung.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst: berührungsloses induktives Messen des Drehmoments an der Abtriebswelle mittels magnetischer Wechselfelder.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst:

Verwenden einer Abtriebswelle, die eine Oberflächenmarkierung an einem ersten durch den Kombinationssensor erfassten Umfangsbereich hat, welche sich bei Drehung der Abtriebswelle um die Drehachse dreht und bei Passieren eines zur Oberflächenmarkierungserfassung vorgesehenen Teil des Kombinationssensors eine Veränderung in einem ersten Signal des Drehmomentsensors hervorruft, und
Ermitteln der Drehzahl der Abtriebswelle aus der Periode der Veränderung des ersten Signals des Kombinationssensors.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst:

Vorsehen einer sich in axialer Richtung erstreckenden Abflachung, Einkerbung oder Erhöhung an der Oberfläche des ersten Umfangsbereichs zum Bilden der Oberflächenmarkierung.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst:

Vorsehen der Oberflächenmarkierung mit einer vorgegebenen Erstreckung in Umfangsrichtung und
Ermitteln der Drehgeschwindigkeit aus der Länge einer durch die Oberflächenmarkierung in dem Signal des Drehmomentsensors verursachten Signaländerung. Beispielsweise kann ein Zahnkranz mit sich über eine vorbestimmte Länge in Umfangsrichtung erstreckenden Zähnen vorgesehen werden, und der Drehwinkel und die Drehgeschwindigkeit können mittels Zählen von entsprechend durch die Zähne verursachten Impulsen in dem Drehzahlsignal erfasst werden.

Eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung betrifft insbesondere eine Drehmomentregelung eines Elektromotors oder für einen Elektromotor.
Eine bevorzugte Ausgestaltung betrifft eine Drehmomentregelung eines Elektromotors durch Messung der Ausgangsleistung mittels eines vorzugsweise kombinierten Drehmomentsensors und Drehzahlsensors. Hierdurch ist eine sehr genaue Regelung möglich.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung und das Verfahren zusätzlich oder alternativ eine Überwachung der Motorleistungsabgabe als Sicherheitsüberwachung mittels der Eingangsleistung (Spannung, Strom).
Damit ist eine sehr gute Sicherheitsüberwachung für drehmomentgeregelte Elektromotoren möglich. Dadurch, dass man die über gemessenes Drehmoment und gemessene Drehzahl ermittelte tatsächliche Ausgangsleistung als Regeleingangsgrößen heranzieht, kann man die Spannung und den Strom als zusätzliche Größen für andere Aufgaben, insbesondere die Sicherheitsüberwachung heranziehen. Außerdem kann man durch einen Vergleich auch ohne Umwege über Berücksichtigung weiterer Parameter (wie Umweltbedingungen) den Wirkungsgrad und die Verlustleistung bestimmen.
Eine vorteilhafte Anwendung wird im Folgenden erläutert: Durch den Einsatz von Elektromotoren in der Elektromobilität wird deren Funktion als sicherheitskritisch eingestuft, d.h. die Leistungsabgabe sollte in einer Safety-Funktion überwacht werden. Diese Überwachung kann mittels Strom und Spannung umgesetzt werden. Bei einer aktiven Regelung der Ausgangsleistung des Elektromotor (Torque Vectoring, Anti-Schlupf Regelung....) an der Welle eines Antrieb benötigt es eine zweite Messeinrichtung für die aktive Regelung, um die Funktionsüberwachung mittels Spannung und Strom als unabhängige Größe außerhalb des Regelkreis weiterhin verwenden zu können. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird hierzu eine unmittelbare Messung des Drehmoments und gegebenenfalls der Drehzahl an der Abtrieswelle vorgeschlagen.
Eine weitere besonders bevorzugte Verwendungsmöglichkeit des hier beschriebenen Sensorkopfes, der hier beschriebenen Drehmomentmessanordnung und des hier beschriebenen Sensors ist die Durchführung einer Leistungsmessung.
Für eine Leistungsmessung wird das Drehmoment und die Drehzahl / Drehgeschwindigkeit benötigt. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung beschreibt eine Anordnung für einen Drehmomentsensor und einen Drehzahlsensor, der auf ähnlicher technologischer Basis wie der Drehzahlsensor funktioniert und die Kombination von beidem in einem Package.
Vorzugsweise wird ein Magnetfeld von einem Generator mit einer Erregerspule in die Messwelle eingekoppelt und für die Drehmomentmessung verwendet. Besonders bevorzugt wird zur Drehmomentmessung eine Anordnung einer zentralen Erregerspule und zweier Paare von Messspulen angeordnet auf 5 Pins eines ferromagnetischen Kerns verwendet. Über einen 6. Pin im ferromagnetischen Kern (z.B. Ferrit) wird eine zusätzliche Drehzahl-Messspule in den magnetischen Kreis eingekoppelt.
Besonders bevorzugt befindet sich die Drehzahl-Messspule über einem Zahnkranzmuster, welches in die Messwelle eingeprägt ist. Durch die Höhen-Tiefenprofile des Zahnkranzes verändert sich die Induktivität der Drehzahl-Messpule, was sich in einer Variation im Signal der Drehzahl-Messspule (=Drehzahlsignal) äußert.
Beispielsweise können mit 32 Zähnen in dem Zahnkranz auf der Messwelle 64 Winkeleinheiten aufgelöst werden. Bei guter mechanischer Verarbeitung der Zahnkränze bzw. Ausführung in einem sinusförmigen Verlauf können deutlich höhere Auflösungen erzielt werden. Z.B. mit unterschiedlichen Flankenformen der Zähne auf der Vorder- und Rückseite kann auch die Drehrichtung erfasst werden.
Vorstellbar ist auch jede andere Variante für einen Drehwinkel und Drehzahlsensor mit dem Drehmomentsensor als Leistungssensor.
Der Sensorkopf ist vorzugsweise als Sensorpackage ausgeführt, wie dies in der deutschen Patentanmeldung 10 2016 122 172.4 beschrieben und gezeigt ist. Dementsprechend sind Spulen vorzugweises als Planarspulen an einem Substrat, insbesondere in Leiterplattentechnik ausgeführt, wie dies näher in dieser Patentanmeldung 10 2016 122 172.4 beschrieben ist. Es wird für weitere Einzelheiten zum Herstellen des Sensorkopfes ausdrücklich auf die DE 10 2016 122 172.4 verwiesen.
Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Drehmomentmessanordnung mit einer Drehwelle und einem Sensor, der einen an der Drehwelle angeordneten Sensorkopf aufweist;
2 eine schematische Darstellung eines Elektroantriebes mit einem Elektromotor als Beispiel für einen Anwendungsfall der Drehmomentmessanordnung; und
3 der Elektroantrieb von 2 mit einer Drehmomentregelvorrichtung zum Regeln des Drehmoments und/oder der Abtriebsleistung des Elektromotors.

In 1 ist eine Drehmomentmessanordnung 22 gezeigt, die eine Drehwelle 32 und einen Drehmomentsensor 26 zum Messen eines Drehmoments an der Drehwelle 32 aufweist.
Der Drehmomentsensor 26 ist als berührungslos arbeitender magnetoelastischer Sensor S1 ausgebildet, der mit magnetischen Wechselfeldern arbeitet. Für nähere Einzelheiten zu solchen Sensoren wird auf folgende Literaturstellen verwiesen:

[1] Lutz May, „Drehmoment so einfach wie Temperatur messen“ in Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2015;
[2] Gerhard Fiedler, Franz Merold „Intelligente Sensorik - Magnetorestriktive Drehmomentsensoren“ in Elektronik Journal 04/2016;
[3] H. Ruser, U. Tröltzsch, M. Horn, H.-R. Tränkler; „Magnetische Drehmomentmessung mit Low-cost Sensor“ downgeloaded am 02.06.2016 unter http://www.mikrocontroller.net/attachment/22413/Drehmomentsensor-Kreuzspule.pdf; Vortrag VDE/VDI-Fachtagung 11. und 12. März 2002, Ludwigsburg, siehe auch die Referenzen in diesem Dokument;
[4] WO2015/001097 A1 .
[5] DE 30 31 997 A1
[6] EP 00 46 517 A1
[7] US 4 503 714 A

Der Sensor S1 ist vorzugsweise berührungslos auf Basis des induktiven Messprinzips ausgeführt, siehe [3], [2], [5]-[7]. Wie in [4] ausgeführt, wird der Sensor S1 mit einem magnetischen Wechselfeld betrieben. Vorteilhaft ist dabei der Betrieb in einem aktiven Modus; so erfordert das schnelle magnetische Wechselfeld keine physikalische Veränderung an der Drehwelle 32, eine permanente und eventuell nicht langzeitstabile Magnetisierung ist nicht erforderlich, siehe [1]. Die Methodik ist unempfindlich gegenüber Verschmutzung (Wasser, Öl, Staub), Vibration, Luftspaltänderung und kann auch keinen Schaden nehmen, wenn zu große Kräfte an der Drehwelle 32 wirken, da der Sensor S1 sich außerhalb des Kraftflusses befindet.
Der Drehmomentsensor 26 weist einen Sensorkopf 48 auf.
An dem Sensorkopf 48 weist der Drehmomentsensor 26 eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 50 zur Erzeugung eines Magnetfeldes in und an der Drehwelle 32 und eine Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung 52 zum Messen von Änderungen des Magnetfeldes an der Drehwelle 32 zwecks Erzeugung eines das anliegende Drehmoment anzeigenden Drehmomentsignals auf.
Als Teil dieser Einrichtungen 50, 52 weist der Sensorkopf 48 einen hier auch als Kern bezeichneten Körper 54 aus weichmagnetischem Material mit zu der Drehwelle 32 hin gerichteten Vorsprüngen 56, 57a, 57b, 57c, 57d auf, die jeweils von Spulen 58-62 umgeben sind.
So bildet ein zentraler fünfter Vorsprung 56, der mit einer an einen elektrischen Schwingungsgenerator (nicht dargestellt, kann Teil einer Elektronik 80 sein) angeschlossenen zur Magnetfelderzeugung ausgebildeten Erregerspule 48 umgeben ist, einen Teil eines Flusskonzentrators 66, mit dem sich der Magnetfluss des in die Drehwelle 32 indizierten Magnetfeldes konzentrieren lässt.
Ein erster von einer ersten Drehmoment-Messspule 59 umgebener Vorsprung 57a und ein zweiter von einer zweiten Drehmoment-Messspule 60 umgebener Vorsprung 57b sind Teil eines ersten Drehmoment-Mess-Magnetkreises 70, und ein dritter von einer dritten Messspule 61 umgebener Vorsprung 57c und ein vierter von einer vierten Messspule 62 umgebener Vorsprung 57d sind Teil eines zweiten Drehmoment-Mess-Magnetkreises 72. Hierzu sind die Vorsprünge 57a-57d jeweils paarweise gegenüberliegend, so dass die Paare sich kreuzen, angeordnet. Aufgrund der unterschiedlichen Winkel der beiden Magnetkreise 70, 72 lassen sich Magnetfeldrichtungsänderungen erfassen.
Die entsprechend zwischen dem ersten Vorsprung 57a und dem zweiten Vorsprung 57b verlaufenden und zwischen dem dritten Vorsprung 57c und 57b verlaufenden Bereiche des Flusskonzentrators 66 wirken als Drehmoment-Mess-Magnetjoche 74, 76 zum Bilden der entsprechenden Drehmoment-Mess-Magnetkreise 70, 72, die in einem Winkel zwischen 10° und 170°, insbesondere zwischen 45° und 135° zueinander angeordnet sind. Besonders bevorzugt sind Winkel im Bereich um 90°.
Somit sind durch die beiden unterschiedlich ausgerichteten Drehmoment-Mess-Magnetkreise 70, 72 eine erste Magnetfeldmesseinheit 102 und eine zweite Magnetfeldmesseinheit 104 gebildet, die an einem Drehmomentmessbereich 106 der Drehwelle 32 erzeugte Magnetfelder unterschiedlicher Richtungen erfassen können.
Die Drehmoment-Messspulen 59-62 sind an eine Drehmoment-Auswerteeinheit 30 angeschlossen. Die Drehmoment-Auswerteeinheit 30 kann Teil einer Auswerteeinrichtung 100 und z.B. als Software in einer Elektronik 80 an einem Baustein 78 an einem Leiterplattenelement 130 des Sensors S1 ausgebildet sein. Die Drehmoment-Auswerteeinheit 30 liefert ein Drehmomentsignal M durch Auswertung der Signale A1, A2, B1, B2 der Drehmoment-Messspulen 59-62. Insbesondere lassen sich Winkeländerungen des induzierten Magnetfeldes, die aufgrund des magnetoelastischen Effekts bei Auftreten eines Drehmoments entstehen, erfassen, z.B. durch Bilden einer Differenz aus den Signalen A und B der Paare von Drehmoment-Messspulen 59-62, insbesondere durch $M = A - B = (A1 + A2) - B1 + B2),$
wobei M das Drehmomentsignal, A=A1+A2 das Signal der ersten Magnetfeldmesseinheit 102 ist, welches die Summe des Signals A1 aus der ersten Drehmoment-Messspule 59 und des Signals A2 aus der zweiten Drehmoment-Messspule 60 darstellt, und B=B1+B2 das Signal der zweiten Magnetfeldmesseinheit 104 ist, welches die Summe des Signals B1 aus der dritten Drehmoment-Messspule 61 und des Signals B2 aus der vierten Drehmoment-Messspule 62 darstellt.
Die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung 52 arbeitet ansonsten zur Erfassung des Drehmomentes so, wie dies aus der vorerwähnten Literatur bekannt ist.
Weiter ist an dem Sensorkopf 48 eine Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung 110 vorgesehen, mittels der erfasst wird, ob eine Oberflächenmarkierung 36, die in einem Markierungsbereich 112 an der Oberfläche der Drehwelle 32 vorgesehen ist, den Sensorkopf 48 bei Drehung der Drehwelle 32 passiert. Dadurch lässt sich der Sensor S1 nicht nur als Drehmomentsensor 26, sondern auch als Drehzahlsensor 28 verwendet und ist somit als Kombinationssensor ausgebildet, der sowohl ein Drehmomentsignal als auch ein Drehzahlsignal ausgeben kann.
Dabei ist die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung 110 in einer Orientierungsrichtung 114 des Sensorkopfes 48, welche im Betrieb parallel zu der Drehachse der Drehwelle 32 auszurichten ist, beabstandet zu der Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung 52 angeordnet. Die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung 52 ist axial an dem Drehmomentmessbereich 106 der Drehwelle 32 angeordnet, welcher kreiszylinderförmig mit einer möglichst rotationssymmetrischen Oberflächenform und Materialverteilung ausgebildet ist. Der Markierungsbereich 112 der Drehwelle 32 ist benachbart zu dem Drehmomentmessbereich angeordnet und mit der wenigstens einen Oberflächenmarkierung 36 versehen, die durch die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung 110 erfassbar ist.
Die Art und entsprechend die Erfassung der Oberflächenmarkierung 110 kann unterschiedlich sein. Besonders bevorzugt weist die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung eine Abstandserfassungseinrichtung 116 auf, mittels der der Abstand zu der Oberfläche des Markierungsbereichs 112 der Drehwelle 32 erfassbar ist, wobei die Oberflächenmarkierung 36 durch eine Variation des Abstandes gebildet ist. Die Abstandserfassungseinrichtung 116 ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel insbesondere durch eine im Folgenden näher erläuterte Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung 122 gebildet.
In dem in 1 dargestellten Beispiel ist zum Bilden der Oberflächenmarkierung 36 ein Zahnkranz 118 mit einer Reihe von Zähnen 120 vorgesehen. Z.B. sind 32 Zähne und entsprechende Täler dazwischen vorgesehen. Die Anzahl der Zähne 120 kann selbstverständlich je nach gewünschter Auflösung anders gewählt werden.
Besonders bevorzugt weist die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung 110 eine weitere Magnetfelderfassungseinrichtung auf, die im Folgenden zur Unterscheidung zu der zuvor beschriebenen, zur Drehmomenterfassung vorgesehenen Drehmoment-Mess-Magnetfelderfassungseinrichtung 52 als Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung 122 bezeichnet wird. Die Oberflächenmarkierung 36 ist entsprechend derart ausgebildet, dass sie magnetisch erfassbar ist. Dies kann auf unterschiedliche Art und Weise geschehen, vorzugsweise aber durch die bereits beschriebene Variation des Abstandes zu der Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung 122.
Die Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung 122 weist ein Drehzahl-Mess-Magnetjoch 124 auf, das im Wesentlichen durch einen sich in der Orientierungsrichtung 114 erstreckenden Ausleger 125 des Kerns oder Körpers 54 aus weichmagnetischen Material gebildet ist. Der Ausleger 125 weist einen sechsten zu der Drehwelle 32 hin gerichteten Vorsprung 126 - die Vorsprünge können auch als PIN bezeichnet werden - auf, um den herum eine sechste Spule angeordnet ist, die als fünfte Messspule in Form einer Drehzahl-Messspule 128 eingesetzt wird und mit der Auswerteeinrichtung zum Bilden eines Drehzahlsignals verbunden ist.
Dadurch ist ein dritter Magnetkreis 132 gebildet, der sich von dem zentralen fünften Vorsprung 56 des Körpers 54 oder Flusskonzentrators 66 aus in axialer Richtung in der Drehwelle 32 bis in den Markierungsbereich 112 und von dort durch den sechsten Vorsprung 126 und den Ausleger 125 zurück erstreckt.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zum Bilden der Oberflächenmarkierung 36 wie oben erwähnt der Zahnkranz 118 vorgesehen.
Durch die Höhen-Tiefen-Profile des Zahnkranzmusters ändert sich bei Drehung der Drehwelle 32 aufgrund der Änderung des Abstandes der Oberfläche der Drehwelle 32 zu der Drehzahl-Messspule 128 bzw. deren sechsten Vorsprung 126 die Induktivität der Drehzahl-Messspule 128. Somit variiert entsprechend dem durch das Zahnkranzmuster variierten Abstand das Signal der Drehzahl-Messspule 128.
In der Auswerteeinrichtung 100 wird aus der Variation dieses Signals der Drehzahl-Messspule 128 in einer entsprechend z.B. durch Software realisierten Drehzahl-Auswerteeinheit 134 die Drehzahl n und/oder die Drehgeschwindigkeit bestimmt. Durch Zählen entsprechender Pulse dieses Signals kann auch der Relativdrehwinkel bestimmt werden. Werden die jeweiligen Zähne 120 unsymmetrisch ausgebildet, z.B. durch unterschiedliche Flankenformen oder durch unterschiedliche Abstände zueinander, kann man aufgrund der Signalform auch die Drehrichtung erfassen.
Die Herstellung des Sensorkopfes 48 erfolgt vorzugsweise in der gleichen Art, wie dies für einen Sensorkopf ohne Ausleger in der deutschen Patentanmeldung 10 2016 122 172.4 beschrieben und gezeigt ist. Demnach sind die erste bis sechste Spule 32, 59-62, 128 als Planarspulen auf einem Substrat ausgebildet. Insbesondere ist ein Leiterplattenelement 130 vorgesehen, auf dem die Planarspulen ausgebildet sind und auch entsprechende Kontaktierungen zur Signalleitung ausgebildet sind. Auch die Auswerteeinrichtung 100 kann auf dem Leiterplattenelement 130 realisiert werden, wie dies durch die Elektronik 80 angebdeutet ist. Ebenfalls kann weichmagnetisches Material zum Bilden des Körpers 54 einschließlich Ausleger 125 und dem ersten bis sechsten Vorsprung 56, 57a-57d, 126 in entsprechender Weise wie in der 10 2016 122 172.4 beschrieben hergestellt werden.
Der Sensor S1 liefert somit auf einem ersten Kanal ein Drehmomentsignal M und auf einem zweiten Kanal ein Drehzahlsignal n. Entsprechend ist er als Kombinationssensor zum Messen von Drehmoment und Drehzahl ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Sensor S1 als Leistungssensor L zum Messen einer mechanischen Leistung an der Drehwelle 32 ausgebildet, wobei die Leistung, wie im Folgenden unter Bezug auf die 2 und 3 anhand eines Verwendungsbeispiels erläutert wird, z.B. in der Auswerteeinrichtung 100, aus dem Drehmomentsignal M und dem Drehzahlsignal n ermittelt wird.
In 2 ist ein Elektroantrieb 10 schematisch dargestellt, der hier durch einen Elektromotor 12 mit Ständer und Läufer (nicht im Einzelnen dargestellt, gut bekannt) ausgebildet ist. Eine Welle des Läufers bildet eine Abtriebswelle 14 des Elektroantriebs 10. Bei anderen (nicht dargestellten) Ausgestaltungen ist die Abtriebswelle 14 eine mit der Welle des Läufers zur gemeinsamen Drehung gekuppelte Welle, z.B. eine Endwelle eines am Elektromotor vorgesehenen Motorgetriebes.
Bei Elektromotoren wird bisher die Antriebsleistung P nur über die Spannung U und den Strom I mit P= U*I bestimmt. Dadurch wird aber die Eingangsleistung P_in=U*I bestimmt. Um die Abtriebsleistung zu bestimmen, musste daher über Modellrechnungen die Verlustleistung Pv berücksichtigt werden.
Für die mechanische Abtriebleistung P_ab gilt: P_ab = 2*Pi*M*n, wobei M das Drehmoment an der Abtriebswelle 12 und n die Drehzahl der Abtriebswelle 14 bezeichnet. Wollte man bisher den Elektroantrieb 10 so regeln, dass ein konstantes Abtriebsdrehmoment M abgegeben wird, dann hat man entsprechend die Eingangsleistung anhand der gemessenen Spannung U und dem gemessenen Strom I geregelt.
In 3 ist der Elektroantrieb 10 mit einer Drehmomentregelvorrichtung 20 dargestellt. Die Drehmomentregelvorrichtung 20 umfasst die Drehmomentmessanordnung 22 und eine Steuerung 24, die mit der Drehmomentmessanordnung 22 verbunden ist, um den Elektromotor 12 abhängig von einem durch den Drehmomentsensor 26 der Drehmomentmessanordnung 22 gemessenen Drehmoment M an der Abtriebswelle 14 zu steuern.
Weiter umfasst die dargestellte Drehmomentregelvorrichtung 20 den Drehzahlsensor 28 zur Erfassung der Drehzahl n der Abtriebswelle 14.
Hier wird der Sensor S1 als Kombinationssensor sowohl als Drehmomentsensor 26 und als Drehzahlsensor 28 eingesetzt. Die Signale für Drehmoment und Drehzahl können auf unterschiedlichen Kanälen bereitgestellt werden. Dennoch lassen sie sich durch einen gemeinsamen, einfach und kostengünstig hergestellten Sensorkopf 48 erzeugen, und dies derart, dass sie sich gegenseitig nicht oder nur unwesentlich beeinflussen.
Bei der in 3 dargestellten Anwendung der Drehmomentmessanordnung 22 ist die Drehwelle 32 gleich der Abtriebswelle 14 des Elektroantriebs 10.
Wie oben erläutert, wird ein magnetoelastischer berührungsloser Sensor S1 unter Ausnutzung von magnetischen Wechselfeldern höherer Frequenz mit Sendespule und Empfangsspule verwendet, der sowohl als Drehmomentsensor 26 zum Erfassen des Drehmoments M der Drehwelle 32 und bei 3 der Abtriebswelle 14 des Elektroantriebs 10, als auch als Drehzahlsensor 28 zur Erfassung der Drehzahl n der Drehwelle 32 und somit bei 3 der Abtriebswelle 14 des Elektroantriebs 10 dient.
Wie in 3 ersichtlich liefert die Auswerteeinrichtung 100 somit das Ausgangs-Drehmoment M an der Abtriebswelle 14 als auch die Drehzahl n der Abtriebswelle 14, so dass daraus die Abtriebsleistung P_ab ermittelt werden kann.
Die z.B. als Motorcontroller ausgebildete Steuerung 24 steuert den Elektromotor 12 in Abhängigkeit des so ermittelten Drehmoments M bzw. in Abhängigkeit der so ermittelten Ausgangsleistung P_ab. Insbesondere kann dadurch das Drehmoment M und/oder die Ausgangsleistung P_ab auf einen gewünschten Wert, insbesondere eine Sollleistung P_soll (bzw. ein Solldrehmoment) geregelt werden.
Weiter kann die Steuerung 24 aufgrund der mehreren Messgrößen sowohl eine Regelung als auch eine Sicherheitsüberwachung unabhängig von der Regelung realisieren. Beispielsweise wird der Elektromotor 12 aufgrund der gemessenen Werten M und n bzw. P_ab geregelt und dabei die Motoreingangsleistung P_i über der Motorstrom I und die Motorspannung U zur Sicherheitsabschaltung überwacht.
Bezugszeichenliste:

10: Elektroantrieb
12: Elektromotor
14: Abtriebswelle
20: Drehmomentregelvorrichtung
22: Drehmomentmessanordnung
24: Steuerung
26: Drehmomentsensor
28: Drehzahlsensor
30: Drehmoment-Auswerteeinheit
32: Drehwelle
36: Oberflächenmarkierung
48: Sensorkopf
50: Magnetfelderzeugungseinrichtung
52: Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung
54: Körper aus weichmagnetischen Material
56: (fünfter) Vorsprung (Flusskonzentrator)
57a: erster Vorsprung (erster Magnetkreis)
57b: zweiter Vorsprung (erster Magnetkreis)
57c: dritter Vorsprung (zweiter Magnetkreis)
57d: vierter Vorsprung (zweiter Magnetkreis)
58: Erregerspule (fünfte Spule)
59: erste Drehmoment-Messspule
60: zweite Drehmoment-Messspule
61: dritte Drehmoment-Messspule
62: vierte Drehmoment-Messspule
66: Flusskonzentrator
70: erster Drehmoment-Mess-Magnetkreis
72: zweiter Drehmoment-Mess-Magnetkreis
74: erstes Drehmoment-Mess-Magnetjoch
76: zweites Drehmoment-Mess-Magnetjoch
78: Baustein
80: Elektronik
100: Auswerteinrichtung
102: erste Magnetfeldmesseinheit
104: zweite Magnetfeldmesseinheit
106: Drehmomentmessbereich (zweiter Umfangsbereich an der Drehwelle)
110: Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung
112: Markierungsbereich (erster Umfangsbereich an der Drehwelle)
114: Orientierungsrichtung
116: Abstandserfassungseinrichtung
118: Zahnkranz
120: Zahn
122: Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung
124: Drehzahl-Mess-Magnetjoch
125: Ausleger
126: sechster Vorsprung
128: Drehzahl-Messspule (sechste Spule, fünfte Messspule)
130: Leiterplattenelement
132: dritter Magnetkreis
134: Drehzahl-Auswerteeinheit
L: Leistungssensor
S1: Sensor (Kombinationssensor: kontaktloser Drehzahlsensor und kontaktloser Drehmomentsensor; Leistungssensor)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 3031997 A1 [0002, 0034, 0084]
EP 0046517 A1 [0002, 0034, 0084]
US 4503714 [0034]
US 2005037884 A1 [0051]
DE 102016122172 [0081, 0105]
WO 2015/001097 A1 [0084]
US 4503714 A [0084]

Claims

Sensorkopf (48) für einen Drehmomentsensor (26) zur Erfassung eines Drehmoments einer Drehwelle (32), wobei der Sensorkopf (48) umfasst: wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (50) zum Erzeugen eines Magnetfelds in der Drehwelle (32) und wenigstens eine Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) zum Messen wenigstens eines Parameters des erzeugten Magnetfelds in der Drehwelle (32), um hieraus ein auf der Drehwelle (32) anliegendes Drehmoment abzuleiten, gekennzeichnet durch wenigstens eine von der Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) beabstandete gesonderte Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (110) zum Erfassen einer Oberflächenmarkierung (36) an der Oberfläche der Drehwelle (32), um eine Drehzahl der Drehwelle (32) zu bestimmen.
Sensorkopf (48) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (110) eine Abstandserfassungseinrichtung (116) zum Erfassen eines Abstandes zu der Oberfläche der Drehwelle (32) aufweist, wobei die Abstandserfassungseinrichtung (116) dazu ausgebildet ist, Änderungen eines Abstandes zu der Oberfläche der Drehwelle (32) zu erfassen, um bei Drehung der Drehwelle (32) eine durch eine Veränderung der Form der Oberfläche eines Markierungsbereichs (112) der Drehwelle gebildete Oberflächenmarkierung (36) zu erfassen, um so die Drehzahl zu bestimmen.
Sensorkopf (48) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (110) eine Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung (122), insbesondere zum Bilden der Abstandserfassungseinrichtung (116), aufweist.
Sensorkopf (48) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (50) wenigstens eine Erregerspule (58) aufweist, dass die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtungen (52) wenigstens eine Drehmoment-Messspule (59-62) aufweist, dass die Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung (122) wenigstens eine Drehzahl-Messspule (128) aufweist, die in einer Orientierungsrichtung (114) des Sensorkopfes (48), die im Betrieb parallel zu der Drehachse der Drehwelle (32) anzuordnen ist, beabstandet zu der wenigstens einen Drehmoment-Messspule (59-62) angeordnet ist, und dass die Erregerspule (58) und die wenigstens eine Drehmoment-Messspule (128) durch wenigstens ein Drehmoment-Mess-Magnetjoch (74, 76) zur Flussverstärkung zum Bilden wenigstens eines Drehmoment-Mess-Magnetkreises (70, 72) verbunden sind und die Erregerspule (58) und die wenigstens eine Drehzahl-Messspule (128) durch ein Drehzahl-Mess-Magnetjoch (124) zur Flussverstärkung zum Bilden eines Drehzahl-Mess-Magnetkreises (124) verbunden sind.
Sensorkopf (48) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) eine erste Magnetfeldmesseinheit (102), die dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld an einem Drehmomentmessbereich (106) der Oberfläche der Drehwelle (32) in einer ersten Richtung zu erfassen, und eine zweite Magnetfeldmesseinheit (104) aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld an dem Drehmomentmessbereich (106) der Oberfläche der Drehwelle (32) in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung zu erfassen.
Sensorkopf (48) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Magnetfeldmesseinheit (102) ein erstes Paar Drehmoment-Messspulen (59, 60) aufweist und die zweite Magnetfeldmesseinheit ein zweites Paar Drehmoment-Messspulen (61, 62) aufweist und dass die Drehmoment-Messspulen (59-62) sternförmig um eine zentral angeordnete Erregerspule (58) der Magnetfelderzeugungseinrichtung (50) herum angeordnet sind.
Sensorkopf (48) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmoment-Messspulen (59-62) und die Erregerspule (58) durch einen gemeinsamen Körper (54) aus weichmagnetischen Material zum Bilden von Flusskonzentratoren (66) für die erste Magnetfeldmesseinheit (102) und die zweite Magnetfeldmesseinheit (104) verbunden sind.
Sensorkopf (48) nach Anspruch 7 und nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (54) aus weichmagnetischen Material einen Ausleger (125) hat, der sich in der Orientierungsrichtung (114) erstreckt und weiter durch die Drehzahl-Messspule (128) erstreckt.
Sensorkopf (48) nach einem der Ansprüche 4 oder 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (58-62, 128) als Planarspulen ausgebildet sind.
Sensorkopf (48) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Planarspulen auf einem gemeinsamen Leiterplattenelement (130) ausgebildet sind, an dem auch ein weichmagnetisches Material zum Bilden eines Flusskonzentrators (66) angeordnet ist.
Kombinationssensor (S1) zur Messung von Drehmoment und Drehzahl an einer Drehwelle (32), umfassend einen Sensorkopf (48) nach einem der voranstehenden Ansprüche und eine Auswerteeinrichtung (100), die mit der Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) verbunden ist, um ein das Drehmoment angebendes Drehmomentsignal (M) zu erzeugen, und mit der Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (110) verbunden ist, um ein die Drehzahl angebendes Drehzahlsignal (n) zu erzeugen.
Kombinationssensor (S1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (100) dazu ausgebildet ist, aus der mittels des Sensorkopfs (48) erfassten Drehzahl und dem mittels des Sensorkopfs (48) erfassten Drehmoments ein die momentane Leistung angebendes Leistungssignal zu erzeugen.
Drehmomentmessanordnung (22) mit einer Drehwelle (32) und einem Sensorkopf (48) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder einem Kombinationssensor (S1) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Drehwelle (32) einen Drehmomentmessbereich (106) mit einer kreiszylindrischen Oberfläche, an welchem die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) angeordnet ist, und axial benachbart hierzu einen Markierungsbereich (112) mit wenigstens einer Oberflächenmarkierung (36), insbesondere in Form einer von einer kreiszylindrischen Oberfläche abweichenden Oberflächenform, aufweist.
Drehmomentmessanordnung (22) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Markierungsbereich (112) einen Zahnkranz (118) aufweist.
Verfahren zum Messen eines Drehmoments und einer Drehzahl an einer Drehwelle (32) umfassend: a) Vorsehen der Drehwelle (32) mit einem Markierungsbereich (112), an dem eine nicht rotationssymmetrische Oberflächenmarkierung (36) angebracht ist und einem axial beabstandeten Drehmomentmessbereich (106) ohne Oberflächenmarkierung (36), b) Erzeugen eines Magnetfelds an der Oberfläche der Drehwelle (32) und Messen von Magnetfeldänderungen anhand von auf der Drehwelle (32) anliegenden Kräften an dem Drehmomentmessbereich (106) mittels einer Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) und c) Erfassen des Passierens der Oberflächenmarkierung (36) bei Drehung der Drehwelle (32) mittels einer Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (110).
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) umfasst: Vorsehen der Oberflächenmarkierung (36) derart, dass diese eine von einer Kreiszylinderform abweichende Oberflächenform bedingt und dass Schritt c) umfasst: Erfassen des Abstandes der Oberfläche der Drehwelle (32) von der Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (110).
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) umfasst: Erzeugen eines Magnetfelds sowohl im Drehmomenterfassungsbereich (106) als auch im benachbarten Markierungsbereich (112) mittels einer gemeinsamen Magnetfelderzeugungseinrichtung (50) und dass Schritt c) umfasst: Messen einer Magnetfeldänderung, die sich durch Passieren der Oberflächenmarkierung ergibt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch Verwendung eines Sensorkopfes (48) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder eines Sensors (S1) nach einem der Ansprüche 11 oder 12 und/oder einer Drehmomentmessanordnung (22) nach einem der Ansprüche 13 oder 14.