DE102017109534B4 - Arrangement and method for measuring a force or a moment on a machine element with at least two magnetic field sensors - Google Patents
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Abstract
Anordnung zum Messen einer Kraft (F) und/oder eines Momentes (M) an einem sich in einer Achse (03) erstreckenden Maschinenelement (01); wobei das Maschinenelement (01) in einem axialen Abschnitt einen sich umfänglich um die Achse (03) herum erstreckenden Magnetisierungsbereich (04) für eine Magnetisierung aufweist; wobei die Anordnung weiterhin mindestens zwei Magnetfeldsensoren (08) umfasst, welche jeweils zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft (F) und/oder durch das Moment (M) bewirkten Magnetfeldes (09) ausgebildet sind, wobei zwei der Magnetfeldsensoren (08) an axialen Positionen beiderseitig neben dem Magnetisierungsbereich (04) axial angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (08) jeweils derart angeordnet sind, dass sie innerhalb der Anordnung zur Messung des durch die Magnetisierung eines einzigen Magnetisierungsbereiches (04) sowie durch die Kraft (F) und/oder durch das Moment (Mt) bewirkten Magnetfeldes (09) ausgebildet sind.Arrangement for measuring a force (F) and / or a moment (M) on a machine element (01) extending in an axis (03); the machine element (01) having in an axial portion a magnetization region (04) extending circumferentially around the axis (03) for magnetization; wherein the arrangement further comprises at least two magnetic field sensors (08) which are each designed for the individual measurement of a radial direction component of a magnetic field (09) caused by the magnetization and by the force (F) and / or by the moment (M), two the magnetic field sensors (08) are axially arranged at axial positions on both sides next to the magnetization region (04), characterized in that the magnetic field sensors (08) are each arranged such that they are arranged within the arrangement for measuring the magnetization of a single magnetization region (04). and by the force (F) and / or by the moment (Mt) caused magnetic field (09) are formed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Das Maschinenelement weist in einem axialen Abschnitt einen sich umfänglich um die Achse herum erstreckenden Magnetisierungsbereich für eine Magnetisierung auf. Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens zwei Magnetfeldsensoren zur Messung eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung eines Drehmomentes oder einer Querkraft mit der erfindungsgemäßen Anordnung.The present invention initially relates to an arrangement for measuring a force and / or moment on a machine element extending in an axis using the inverse magnetostrictive effect. The machine element has an area of magnetization extending circumferentially about the axis in an axial section for magnetization. The arrangement further comprises at least two magnetic field sensors for measuring a magnetic field caused by the magnetization as well as by the force and / or by the moment. Furthermore, the invention relates to a method for measuring a torque or a transverse force with the inventive arrangement.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Möglichkeiten zur Messung von Kräften und/oder Momenten an einem Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes zu erweitern, wofür insbesondere eine Fehlerkompensation bei der Messung aufwandsarm möglich sein soll.The object of the present invention, starting from the prior art is to expand the possibilities for measuring forces and / or moments on a machine element using the inverse magnetostrictive effect, for which in particular an error compensation in the measurement should be possible with little effort.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch Verfahren gemäß den beigefügten nebengeordneten Ansprüchen 9 und 10.The above object is achieved by an arrangement according to the appended claim 1 and by methods according to the attached independent claims 9 and 10.
Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in Richtung einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Die Achse bildet bevorzugt eine Rotationsachse des Maschinenelementes. Durch die Achse sind eine radiale Richtung, eine tangentiale bzw. umfängliche Richtung und eine axiale Richtung definiert.The arrangement according to the invention serves to measure a force and / or a moment on a machine element extending in the direction of an axis. The force or the moment acts on the machine element, which leads to mechanical stresses and the machine element usually deforms slightly. The axis preferably forms an axis of rotation of the machine element. The axis defines a radial direction, a tangential or circumferential direction and an axial direction.
Das Maschinenelement weist in einem axialen Abschnitt des Maschinenelementes einen sich umfänglich um die Achse herum erstreckenden Magnetisierungsbereich für eine im Maschinenelement ausgebildete Magnetisierung auf. Es handelt sich somit um einen die Achse umlaufenden Magnetisierungsbereich, d. h. einen zirkulären Magnetisierungsbereich, wobei die Achse selbst bevorzugt nicht einen Teil des Magnetisierungsbereiches bildet. Der Magnetisierungsbereich weist eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Der Magnetisierungsbereich weist bevorzugt ausschließlich eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Der Magnetisierungsbereich erstreckt sich bevorzugt entlang eines geschlossenen Pfades um die Achse herum, wobei der Magnetisierungsbereich kurze Lücken aufweisen darf. Der Magnetisierungsbereich bildet einen Primärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes. Der Magnetisierungsbereich weist bevorzugt eine hohe Magnetostriktivität auf.The machine element has, in an axial section of the machine element, a magnetization area extending circumferentially around the axis for a magnetization formed in the machine element. It is thus an axis of rotation magnetization area, d. H. a circular magnetization region, wherein the axis itself preferably does not form part of the magnetization region. The magnetization region has a tangential orientation with respect to a surface of the machine element extending around the axis. The magnetization region preferably has only a tangential orientation with respect to a surface of the machine element extending around the axis. The magnetization region preferably extends along a closed path around the axis, wherein the magnetization region may have short gaps. The magnetization region forms a primary sensor for determining the force or moment. The magnetization region preferably has a high magnetostriction.
Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens zwei Magnetfeldsensoren, welche jeweils einen Sekundärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes bilden. Der Primärsensor, d. h. der Magnetisierungsbereich dient zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während die Sekundärsensoren die Wandlung dieses Magnetfeldes in ein elektrisches Signal ermöglichen. Die Magnetfeldsensoren sind jeweils gegenüber dem Maschinenelement angeordnet, wobei bevorzugt nur ein geringer radialer Abstand zwischen dem jeweiligen Magnetfeldsensor und einer äußeren oder inneren Oberfläche des Maschinenelementes vorhanden ist. Die Magnetfeldsensoren sind jeweils zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Die Eignung des jeweiligen Magnetfeldsensors zur einzelnen Messung der radialen Richtungskomponenten des Magnetfeldes kann unmittelbar oder mittelbar ausgebildet sein. Das genannte Magnetfeld tritt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auf. Somit beruht die mit der erfindungsgemäßen Anordnung mögliche Messung auf dem invers-magnetostriktiven Effekt. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils ausschließlich zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet.The arrangement further comprises at least two magnetic field sensors which each form a secondary sensor for determining the force or the moment. The primary sensor, d. H. the magnetization region serves to convert the force to be measured or the moment to be measured into a corresponding magnetic field, while the secondary sensors enable the conversion of this magnetic field into an electrical signal. The magnetic field sensors are each arranged opposite the machine element, wherein preferably only a small radial distance between the respective magnetic field sensor and an outer or inner surface of the machine element is present. The magnetic field sensors are each designed for the individual measurement of a radial direction component of a magnetic field caused by the magnetization as well as by the force and / or by the moment. The suitability of the respective magnetic field sensor for the individual measurement of the radial direction components of the magnetic field can be formed directly or indirectly. The said magnetic field occurs due to the inverse magnetostrictive effect. Thus, the possible with the inventive arrangement measurement based on the inverse magnetostrictive effect. The magnetic field sensors are preferably designed in each case exclusively for the individual measurement of a radial direction component of the magnetic field caused by the magnetization and by the force and / or by the moment.
Zwei der Magnetfeldsensoren sind an axialen Positionen beiderseitig neben dem Magnetisierungsbereich axial angeordnet, sodass sich der Magnetisierungsbereich axial zwischen diesen beiden Magnetfeldsensoren befindet. Diese beiden Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt eine gleiche tangentiale bzw. umfängliche Position auf, wobei eine Winkelabweichung in Bezug auf die Achse von ±10° oder auch ±30° tolerierbar ist. Die die gleiche tangentiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren sind somit in axialer Richtung nebeneinander angeordnet. Two of the magnetic field sensors are axially arranged at axial positions on both sides next to the magnetization region, so that the magnetization region is located axially between these two magnetic field sensors. These two magnetic field sensors preferably have the same tangential or circumferential position, wherein an angular deviation with respect to the axis of ± 10 ° or even ± 30 ° is tolerable. The magnetic field sensors having the same tangential position are thus arranged next to one another in the axial direction.
Aufgrund der axialen Anordnung der zwei Magnetfeldsensoren beiderseitig neben dem Magnetisierungsbereich weisen die Magnetfeldsensoren jeweils einen axialen Abstand zu dem Magnetisierungsbereich auf. Bauartbedingt weisen die Magnetfeldsensoren zumeist jeweils auch einen radialen Abstand zu dem Magnetisierungsbereich auf. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils an einer axialen Position angeordnet, an welcher der Magnetisierungsbereich in axialer Richtung endet. Bevorzugt befinden sich die Magnetfeldsensoren jeweils an einer axialen Position, an welcher das Maschinenelement keine oder eine nur geringfügige Magnetisierung aufweist, wobei die geringfügige Magnetisierung höchstens halb so groß wie die maximale Magnetisierung des Magnetisierungsbereiches ist. Die Magnetfeldsensoren befinden sich an axialen Positionen, an denen das durch die Magnetisierung des einzigen Magnetisierungsbereiches und durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkte Magnetfeld vorhanden und messbar ist.Due to the axial arrangement of the two magnetic field sensors on both sides next to the magnetization region, the magnetic field sensors each have an axial distance to the magnetization region. Due to the design, the magnetic field sensors generally each also have a radial distance to the magnetization region. The magnetic field sensors are preferably each arranged at an axial position at which the magnetization region ends in the axial direction. Preferably, the magnetic field sensors are each at an axial position at which the machine element has no or only a slight magnetization, wherein the slight magnetization is at most half as large as the maximum magnetization of the magnetization region. The magnetic field sensors are located at axial positions at which the magnetic field caused by the magnetization of the single magnetization region and by the force and / or by the moment is present and measurable.
Erfindungsgemäß sind die beiderseitig axial neben dem Magnetisierungsbereich befindlichen Magnetfeldsensoren derart angeordnet, dass sie innerhalb der Anordnung zur Messung des durch die Magnetisierung eines einzigen Magnetisierungsbereiches sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind, wofür die Magnetfeldsensoren einen entsprechend kleinen Abstand zum Magnetisierungsbereich besitzen. Somit umfasst die Anordnung den Magnetisierungsbereich als einzigen Magnetisierungsbereich, welcher eine Magnetisierung bereitstellt, die gemeinsam mit der Kraft und/oder dem Moment das Magnetfeld bewirkt, welches durch die Magnetfeldsensoren der Anordnung messbar ist. Bevorzugt weist das Maschinenelement genau den einen Magnetisierungsbereich als den einzigen Magnetisierungsbereich auf. Die Magnetisierung dieses einzigen Magnetisierungsbereiches bewirkt gemeinsam mit der Kraft und/oder dem Moment das Magnetfeld, welches durch die Magnetfeldsensoren messbar ist. Grundsätzlich kann das Maschinenelement weitere Magnetisierungsbereiche aufweisen, welche nicht in einem funktionellen Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung stehen.According to the invention, the mutually axially next to the magnetization magnetic field sensors are arranged such that they are formed within the arrangement for measuring the magnetization caused by the magnetization of a single magnetization region and by the force and / or by the moment magnetic field, for which the magnetic field sensors a correspondingly small distance to Have magnetization area. Thus, the arrangement comprises the magnetization region as a single magnetization region which provides a magnetization which, together with the force and / or moment, effects the magnetic field measurable by the magnetic field sensors of the device. Preferably, the machine element has exactly one magnetization region as the single magnetization region. The magnetization of this single magnetization region, together with the force and / or the moment, causes the magnetic field, which can be measured by the magnetic field sensors. In principle, the machine element can have further magnetization regions which are not in a functional relationship with the arrangement according to the invention.
Die beiderseitig axial neben dem Magnetisierungsbereich befindlichen Magnetfeldsensoren sind derart angeordnet, dass sie innerhalb der Anordnung jeweils zur Messung einer radialen Richtungskomponente des durch die Magnetisierung eines einzigen Magnetisierungsbereiches sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind. The mutually axially adjacent to the magnetization region magnetic field sensors are arranged such that they are each formed within the arrangement for measuring a radial direction component of the magnetization caused by a single magnetization region and by the force and / or by the moment magnetic field.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass eine genaue Messung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes aufwandsarm möglich ist, wobei Störfelder oder nicht zu messende Kräfte bzw. Momente kompensiert werden. Es wird nur ein einziger im Maschinenelement ausgebildeter Magnetisierungsbereich benötigt.A particular advantage of the arrangement according to the invention is that an accurate measurement of the force to be measured or the torque to be measured is possible with little effort, whereby interference fields or forces or moments not to be measured are compensated. Only a single magnetization area formed in the machine element is required.
Bevorzugt sind sämtliche der Magnetfeldsensoren derart angeordnet, dass sie innerhalb der Anordnung zur Messung des durch die Magnetisierung des einzigen Magnetisierungsbereiches sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind,Preferably, all of the magnetic field sensors are arranged such that they are formed within the arrangement for measuring the magnetic field caused by the magnetization of the single magnetization region and by the force and / or by the moment,
Das Maschinenelement weist bevorzugt zwei magnetisch neutrale, axiale Abschnitte auf, die axial beiderseitig neben dem Magnetisierungsbereich angeordnet sind, sodass diese den Magnetisierungsbereich axial an beiden Seiten begrenzen. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt an den axialen Positionen der magnetisch neutralen Abschnitte axial angeordnet.The machine element preferably has two magnetically neutral, axial sections, which are arranged axially on both sides next to the magnetization region, so that they delimit the magnetization region axially on both sides. The magnetic field sensors are preferably arranged axially at the axial positions of the magnetically neutral sections.
Der Magnetisierungsbereich kann permanent oder temporär magnetisiert sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Magnetisierungsbereich permanent magnetisiert, sodass die Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist. Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung weist diese weiterhin mindestens einen Magneten zum Magnetisieren des Magnetisierungsbereiches auf, sodass die Magnetisierung des Magnetisierungsbereiches grundsätzlich temporär ist. Der mindestens eine Magnet kann durch mindestens einen Permanentmagneten oder bevorzugt durch einen Elektromagneten gebildet sein.The magnetization region can be permanently or temporarily magnetized. In preferred embodiments of the arrangement according to the invention, the magnetization region is permanently magnetized, so that the magnetization is formed by a permanent magnetization. In alternatively preferred embodiments of the arrangement according to the invention, this further comprises at least one magnet for magnetizing the magnetization region, so that the magnetization of the magnetization region is basically temporary. The at least one magnet may be formed by at least one permanent magnet or preferably by an electromagnet.
Der permanent bzw. temporär magnetisierte Magnetisierungsbereich ist in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb des Magnetisierungsbereiches bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des Magnetisierungsbereiches messbar ist.The permanently or temporarily magnetized magnetization region is preferably magnetically neutral in a state of the machine element that is unloaded from a force or moment, and outside of the magnetization region, so that no technically relevant magnetic field outside the magnetization region can be measured.
Der permanent bzw. temporär magnetisierte Magnetisierungsbereich ist bevorzugt in einem magnetoelastisch ausgebildeten axialen Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet. In dem magnetoelastisch ausgebildeten Abschnitt des Maschinenelementes besteht das Maschinenelement bevorzugt aus einem magnetostriktiven Material. Bevorzugt ist nicht lediglich ein Abschnitt, sondern das Maschinenelement als solches magnetoelastisch ausgebildet. In diesem Fall besteht das Maschinenelement aus einem magnetostriktiven Material, insbesondere aus einem magnetostriktiven Stahl.The permanently or temporarily magnetized magnetization region is preferably formed in a magnetoelastic axial section of the machine element. In the magnetoelastic section of the machine element, the machine element preferably consists of a magnetostrictive material. Preferably, not only a portion, but the machine element is designed as such magnetoelastic. In this case, the machine element consists of a magnetostrictive material, in particular of a magnetostrictive steel.
Der Magnetisierungsbereich stellt einen Teil des Volumens des Maschinenelementes dar. Der Magnetisierungsbereich ist bevorzugt ringförmig ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine mittlere Achse der Ringform bildet. Besonders bevorzugt weist der Magnetisierungsbereich die Form eines zur Achse des Maschinenelementes koaxialen Hohlzylinders auf.The magnetization region represents a part of the volume of the machine element. The magnetization region is preferably annular, wherein the axis of the machine element also forms a central axis of the ring shape. Particularly preferably, the magnetization region has the shape of a hollow cylinder coaxial with the axis of the machine element.
Das Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Prismas oder eines Zylinders auf, wobei das Prisma bzw. der Zylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Das Prisma bzw. der Zylinder ist bevorzugt gerade. Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement die Form eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet. Das Prisma bzw. der Zylinder kann auch hohl sein. Die Magnetfeldsensoren können auch in einem Hohlraum des Prismas bzw. des Zylinders angeordnet sein.The machine element preferably has the shape of a prism or a cylinder, wherein the prism or the cylinder is arranged coaxially to the axis. The prism or the cylinder is preferably straight. Particularly preferably, the machine element has the shape of a straight circular cylinder, wherein the circular cylinder is arranged coaxially to the axis. In particular embodiments, the prism or the cylinder is conical. The prism or the cylinder can also be hollow. The magnetic field sensors can also be arranged in a cavity of the prism or of the cylinder.
Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle, durch eine Hohlwelle, durch eine Schaltgabel, durch einen Flansch, durch eine Hülse oder durch einen Hohlflansch gebildet. Die Welle, die Schaltgabel, der Flansch, die Hülse bzw. der Hohlflansch können für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momente ausgelegt sein und beispielsweise eine Komponente eines Sensortretlagers, eines Wankstabilisators oder eines Düngemittelstreuers sein. Die Hülse kann beispielsweise auf einer Welle sitzen. Grundsätzlich kann das Maschinenelement auch durch völlig andersartige Maschinenelementtypen gebildet sein.The machine element is preferably formed by a shaft, by a hollow shaft, by a shift fork, by a flange, by a sleeve or by a hollow flange. The shaft, the shift fork, the flange, the sleeve or the hollow flange can be designed for loads due to different forces and moments and be, for example, a component of a sensor bottom bracket, a roll stabilizer or a fertilizer spreader. The sleeve may for example sit on a shaft. In principle, the machine element can also be formed by completely different types of machine elements.
Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils durch einen Halbleitersensor gebildet. Die Magnetfeldsensoren sind alternativ bevorzugt jeweils durch einen Hall-Sensor, durch eine Spule, durch eine Förstersonde oder durch ein Fluxgate-Magnetometer gebildet. Grundsätzlich können auch andere Sensortypen verwendet werden, insofern sie zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet sind.The magnetic field sensors are preferably each formed by a semiconductor sensor. The magnetic field sensors are alternatively preferably each formed by a Hall sensor, by a coil, by a Förster probe or by a fluxgate magnetometer. In principle, other sensor types can also be used insofar as they are suitable for the individual measurement of a radial direction component of the magnetic field produced by the inverse-magnetostrictive effect.
Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse auf, sodass sie eine gleiche radiale Position besitzen. The magnetic field sensors preferably have a same distance from the axis, so that they have a same radial position.
Bevorzugt weisen die an axialen Positionen beiderseitig neben dem Magnetisierungsbereich axial angeordneten Magnetfeldsensoren einen gleichen axialen Abstand zum Magnetisierungsbereich auf. Entsprechend befindet sich der Magnetisierungsbereich mit seiner axialen Position mittig zwischen den axialen Positionen diesen beiden Magnetfeldsensoren. Die Anordnung umfasst bevorzugt zwei Paare von Magnetfeldsensoren, die mit ihren axialen Positionen beiderseitig neben dem Magnetisierungsbereich axial angeordnet sind und eine gleiche umfängliche Position aufweisen.Preferably, the axial positions on both sides next to the magnetization axially arranged magnetic field sensors have a same axial distance to the magnetization region. Accordingly, the magnetization region with its axial position is located centrally between the axial positions of these two magnetic field sensors. The arrangement preferably comprises two pairs of magnetic field sensors, which are arranged axially with their axial positions on both sides next to the magnetization region and have a same peripheral position.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung umfassen mindestens drei der Magnetfeldsensoren. Zwei der Magnetfeldsensoren weisen eine gleiche axiale Position auf und sind in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet. Diese beiden in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordneten Magnetfeldsensoren weisen somit einen Winkel von 180° in Bezug auf die Achse auf, wobei eine Abweichung von ±10° oder auch ±30° tolerierbar ist, was in gleicher Weise auch für nachfolgend angegebene in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnete Magnetfeldsensoren gilt. Eine diese beiden Magnetfeldsensoren verbindende Gerade schneidet die Achse in einem rechten Winkel. Diese in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordneten Magnetfeldsensoren können zur Bestimmung desselben Momentes bzw. derselben Kraft genutzt werden.Preferred embodiments of the inventive arrangement comprise at least three of the magnetic field sensors. Two of the magnetic field sensors have a same axial position and are located opposite each other with respect to the axis. These two oppositely arranged with respect to the axis of the magnetic field sensors thus have an angle of 180 ° with respect to the axis, with a deviation of ± 10 ° or even ± 30 ° is tolerable, which also in the same way with respect to indicated below the axis oppositely arranged magnetic field sensors applies. A straight line connecting these two magnetic field sensors intersects the axis at a right angle. These magnetic field sensors arranged opposite one another with respect to the axis can be used to determine the same moment or the same force.
Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst bevorzugt mindestens vier der Magnetfeldsensoren, wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind, und wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren bevorzugt eine gleiche umfängliche Position aufweisen. Somit sind die Magnetfeldsensoren paarweise an mindestens zwei axialen Positionen angeordnet. Axial zwischen den beiden axialen Positionen befindet sich der Magnetisierungsbereich. Bevorzugt befindet sich der Magnetisierungsbereich axial mittig zwischen den beiden axialen Positionen.The arrangement according to the invention preferably comprises at least four of the magnetic field sensors, wherein in each case two of the magnetic field sensors have a same axial position and are arranged opposite each other with respect to the axis, and in each case two of the magnetic field sensors preferably have a same circumferential position. Thus, the magnetic field sensors are arranged in pairs at at least two axial positions. Axial between the two axial positions is the magnetization region. The magnetization region is preferably located axially in the middle between the two axial positions.
Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst besonders bevorzugt genau vier der Magnetfeldsensoren, wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind, und wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren bevorzugt eine gleiche umfängliche Position aufweisen. Axial zwischen den beiden axialen Positionen befindet sich der Magnetisierungsbereich. Die vier Magnetfeldsensoren sind somit an den Eckpunkten eines Rechteckes angeordnet, welches in einer gleichen Ebene wie die Achse liegt, wobei die Achse das Rechteck mittig halbiert.The arrangement according to the invention particularly preferably comprises exactly four of the magnetic field sensors, wherein in each case two of the magnetic field sensors have a same axial position and are arranged opposite one another with respect to the axis, and in each case two of the magnetic field sensors preferably have a same peripheral position. Axial between the two axial positions is the magnetization region. The four magnetic field sensors are thus arranged at the vertices of a rectangle, which lies in a same plane as the axis, wherein the axis halves the rectangle in the middle.
Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dient zum Messen eines Drehmomentes, welches auf das Maschinenelement der erfindungsgemäßen Anordnung wirkt. Das Drehmoment wirkt in der Achse des Maschinenelementes. Zum Messen des Drehmomentes dient insbesondere die oben beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, bei welcher zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind.A first embodiment of the method according to the invention is used to measure a torque which acts on the machine element of the arrangement according to the invention. The torque acts in the axis of the machine element. For measuring the torque is used in particular the embodiment of the inventive arrangement described above, in which two of the magnetic field sensors have a same axial position and are arranged opposite to the axis.
In einem Schritt des Verfahrens wird ein erstes Messsignal eines ersten der die gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren empfangen, sodass eine radiale Richtungskomponente des durch die Magnetisierung und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes gemessen wird, welche abhängig von dem Drehmoment ist.In a step of the method, a first measurement signal of a first of the magnetic field sensors having the same axial position is received, so that a radial direction component of the magnetic field and the torque caused by the magnetic field is measured, which is dependent on the torque.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird ein zweites Messsignal eines zweiten der die gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren empfangen, sodass wiederum eine radiale Richtungskomponente des durch die Magnetisierung und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes gemessen wird, welche abhängig von dem Drehmoment ist. Der erste die gleiche axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor und der zweite die gleiche axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor sind in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet. Erfindungsgemäß repräsentieren das erste Messsignal und das zweite Messsignal zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes, wobei diese beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes entweder gemeinsam zur Achse hin gerichtet oder von der Achse weg gerichtet sind. Der jeweilige Richtungssinn kann durch ein Ausrichten des jeweiligen Magnetfeldsensors oder durch eine Vorzeichenwahl des Messsignals des jeweiligen Magnetfeldsensors erzielt werden.In a further step of the method, a second measurement signal of a second of the magnetic field sensors having the same axial position is received, so that in turn a radial direction component of the magnetic field caused by the magnetization and by the torque is measured, which is dependent on the torque. The first magnetic field sensor having the same axial position and the second magnetic field sensor having the same axial position are arranged opposite to each other with respect to the axis. According to the invention, the first measurement signal and the second measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field and the torque caused by the magnetic field, these two radial direction components are either directed towards the axis or directed away from the axis with respect to their sense of direction. The respective sense of direction can be achieved by aligning the respective magnetic field sensor or by a sign selection of the measurement signal of the respective magnetic field sensor.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden das erste Messsignal und das zweite Messsignal addiert. Hierdurch wird ein Summenmesssignal gewonnen, welches in etwa doppelt so groß wie das erste Messsignal bzw. das zweite Messsignal ist und von dem zu messenden Drehmoment abhängig ist.In a further step of the method, the first measurement signal and the second measurement signal are added. In this way, a sum measuring signal is obtained which is approximately twice as large as the first measuring signal or the second measuring signal and is dependent on the torque to be measured.
Zur Durchführung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dient bevorzugt die oben beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit genau vier der Magnetfeldsensoren, wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind. Der erste die erste axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor und der erste die zweite axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor weisen bevorzugt die gleiche umfängliche Position auf. Der zweite die erste axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor und der zweite die zweite axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor weisen bevorzugt die gleiche umfängliche Position auf. Entsprechend wird ein drittes Messsignal des ersten die zweite axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensors empfangen. Entsprechend wird ein viertes Messsignal des zweiten die zweite axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensors empfangen. Wiederum repräsentieren das dritte Messsignal und das vierte Messsignal zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes, wobei diese beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes entweder gemeinsam zur Achse hin gerichtet oder von der Achse weg gerichtet sind. Das erste Messsignal und das dritte Messsignal repräsentieren zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes, wobei eine dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes zur Achse hin gerichtet ist, während die andere dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes von der Achse weg gerichtet ist. Das zweite Messsignal und das vierte Messsignal repräsentieren zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes, wobei eine dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes zur Achse hin gerichtet ist, während die andere dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes von der Achse weg gerichtet ist. Es werden das dritte Messsignal und das vierte Messsignal addiert.To carry out the first embodiment of the method according to the invention preferably serves the above-described embodiment of the inventive arrangement with exactly four of the magnetic field sensors, in each case two of the Magnetic field sensors have a same axial position and are arranged opposite with respect to the axis. The first magnetic field sensor having the first axial position and the first magnetic field sensor having the second axial position preferably have the same circumferential position. The second magnetic field sensor having the first axial position and the second magnetic field sensor having the second axial position preferably have the same circumferential position. Accordingly, a third measurement signal of the first magnetic field sensor having the second axial position is received. Accordingly, a fourth measurement signal of the second magnetic field sensor having the second axial position is received. Again, the third measurement signal and the fourth measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field and the torque caused by the magnetic field, these two radial direction components are either directed towards the axis or directed away from the axis with respect to their sense of direction. The first measurement signal and the third measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field caused by the magnetization and by the torque, wherein one of these two radial direction components is directed with respect to their direction to the axis, while the other of these two radial direction components with respect to their sense of direction from the axis is directed away. The second measurement signal and the fourth measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field caused by the magnetization and the torque, wherein one of these two radial direction components is directed with respect to their direction to the axis, while the other of these two radial direction components with respect to their sense of direction from the axis is directed away. The third measurement signal and the fourth measurement signal are added.
Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dient zum Messen einer Querkraft, welche auf das Maschinenelement der erfindungsgemäßen Anordnung wirkt. Die Querkraft wirkt senkrecht zur Achse des Maschinenelementes. Zum Messen der Querkraft dient insbesondere die oben beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, bei welcher zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind. Die Querkraft ist bevorzugt senkrecht zu einem von der Achse ausgehenden und durch einen der Magnetfeldsensoren verlaufenden Radius ausgerichtet, wobei eine Winkelabweichung von ±10° oder auch ±30° tolerierbar ist.A second embodiment of the method according to the invention is used for measuring a transverse force which acts on the machine element of the arrangement according to the invention. The lateral force acts perpendicular to the axis of the machine element. For measuring the transverse force, in particular, the above-described embodiment of the arrangement according to the invention is used, in which two of the magnetic field sensors have a same axial position and are arranged opposite one another with respect to the axis. The transverse force is preferably aligned perpendicular to a radius extending from the axis and passing through one of the magnetic field sensors, wherein an angular deviation of ± 10 ° or even ± 30 ° is tolerable.
In einem Schritt des Verfahrens wird ein erstes Messsignal eines ersten an einer axialen Position auf einer ersten Seite des Magnetisierungsbereiches axial angeordneten Magnetfeldsensors der mindestens drei Magnetfeldsensoren empfangen, sodass eine radiale Richtungskomponente des durch die Magnetisierung und durch die Querkraft bewirkten Magnetfeldes gemessen wird, welche abhängig von der Querkraft ist.In a step of the method, a first measurement signal of a first axial position on a first side of the magnetization region axially arranged magnetic field sensor of the at least three magnetic field sensors is received, so that a radial direction component of the caused by the magnetization and by the lateral force magnetic field is measured, which depends on the shear force is.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird ein zweites Messsignal eines zweiten an einer axialen Position auf einer zweiten Seite des Magnetisierungsbereiches axial angeordneten Magnetfeldsensors der mindestens drei Magnetfeldsensoren empfangen, sodass wiederum eine radiale Richtungskomponente des durch die Magnetisierung und durch die Querkraft bewirkten Magnetfeldes gemessen wird, welche abhängig von der Querkraft ist. Der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor, die axial beiderseitig vom Magnetisierungsbereich angeordnet sind, sind in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet. Erfindungsgemäß repräsentieren das erste Messsignal und das zweite Messsignal zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch die Querkraft bewirkten Magnetfeldes, wobei diese beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes entweder gemeinsam zur Achse hin gerichtet oder von der Achse weg gerichtet sind. Der jeweilige Richtungssinn kann durch ein Ausrichten des jeweiligen Magnetfeldsensors oder durch eine Vorzeichenwahl des Messsignals erzielt werden.In a further step of the method, a second measurement signal of a second axial position on a second side of the magnetization region axially arranged magnetic field sensor of the at least three magnetic field sensors is received, so that in turn a radial direction component of the caused by the magnetization and by the lateral force magnetic field is measured depends on the shear force. The first magnetic field sensor and the second magnetic field sensor, which are arranged axially on both sides of the magnetization region, are arranged opposite one another with respect to the axis. According to the invention, the first measurement signal and the second measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field caused by the magnetization and by the lateral force, these two radial direction components being either directed towards the axis or away from the axis with respect to their sense of direction. The respective sense of direction can be achieved by aligning the respective magnetic field sensor or by a sign selection of the measurement signal.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden das erste Messsignal und das zweite Messsignal addiert. Hierdurch wird ein Summenmesssignal gewonnen, welches in etwa doppelt so groß wie das erste Messsignal bzw. das zweite Messsignal ist und von der zu messenden Querkraft abhängig ist.In a further step of the method, the first measurement signal and the second measurement signal are added. As a result, a sum measuring signal is obtained, which is approximately twice as large as the first measuring signal or the second measuring signal and is dependent on the transverse force to be measured.
Zur Durchführung der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dient bevorzugt die oben beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit genau vier der Magnetfeldsensoren, wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind. Der erste die erste axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor und der erste die zweite axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor weisen bevorzugt die gleiche umfängliche Position auf. Der zweite die erste axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor und der zweite die zweite axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor weisen bevorzugt die gleiche umfängliche Position auf. Entsprechend wird ein drittes Messsignal des ersten die zweite axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensors empfangen. Entsprechend wird ein viertes Messsignal des zweiten die erste axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensors empfangen. Wiederum repräsentieren das dritte Messsignal und das vierte Messsignal zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch die Querkraft bewirkten Magnetfeldes, wobei diese beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes entweder gemeinsam zur Achse hin gerichtet oder von der Achse weg gerichtet sind. Das erste Messsignal und das dritte Messsignal repräsentieren zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch die Querkraft bewirkten Magnetfeldes, wobei eine dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes zur Achse hin gerichtet ist, während die andere dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes von der Achse weg gerichtet ist. Das zweite Messsignal und das vierte Messsignal repräsentieren zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch die Querkraft bewirkten Magnetfeldes, wobei eine dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes zur Achse hin gerichtet ist, während die andere dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes von der Achse weg gerichtet ist. Es werden das dritte Messsignal und das vierte Messsignal addiert.For carrying out the second embodiment of the method according to the invention, the above-described embodiment of the inventive arrangement is preferably used with exactly four of the magnetic field sensors, wherein each two of the magnetic field sensors have a same axial position and are arranged opposite each other with respect to the axis. The first magnetic field sensor having the first axial position and the first magnetic field sensor having the second axial position preferably have the same circumferential position. The second magnetic field sensor having the first axial position and the second magnetic field sensor having the second axial position preferably have the same circumferential position. Accordingly, a third measurement signal of the first magnetic field sensor having the second axial position is received. Accordingly, a fourth measurement signal of the second magnetic field sensor having the first axial position is received. Again, the third measurement signal and the fourth represent Measuring signal two radial direction components of the caused by the magnetization and by the lateral force magnetic field, these two radial direction components are directed either in direction of sense together towards the axis or directed away from the axis. The first measurement signal and the third measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field caused by the magnetization and by the lateral force, one of these two radial direction components being directed with respect to their direction to the axis, while the other of these two radial direction components with respect to their sense of direction from the axis is directed away. The second measurement signal and the fourth measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field caused by the magnetization and by the lateral force, one of these two radial direction components being directed with respect to their direction to the axis, while the other of these two radial direction components with respect to their sense of direction from the axis is directed away. The third measurement signal and the fourth measurement signal are added.
Im Übrigen werden die beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt unter Verwendung einer der weiteren oben beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung durchgeführt.Incidentally, the described embodiments of the method according to the invention are preferably carried out using one of the other embodiments of the inventive arrangement described above.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further details, advantages and developments of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the invention, with reference to the drawing. Show it:
-
1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung, die zur Durchführung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist; und1 a preferred embodiment of an inventive arrangement, which is configured to carry out a first preferred embodiment of a method according to the invention; and -
2 die in1 gezeigte Anordnung, die zur Durchführung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist.2 in the1 shown arrangement which is configured to carry out a second preferred embodiment of the method according to the invention.
In einem axialen Abschnitt des Hohlflansches
Umfänglich um den Hohlflansch
Die beiden jeweils eine gleiche umfängliche Position aufweisenden Magnetfeldsensoren
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 0101
- Hohlflanschhollow flange
- 0202
- Grundkörperbody
- 0303
- Achseaxis
- 0404
- PermanentmagnetisierungsbereichPermanent magnetic domain
- 0505
- --
- 0606
- --
- 0707
- äußerer magnetisch neutraler Abschnittouter magnetically neutral section
- 0808
- Magnetfeldsensormagnetic field sensor
- 0909
- magnetischer Kreismagnetic circle
- 1010
- --
- 1111
- Pfeilarrow
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