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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 mindestens drei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für jeweils eine Magnetisierung auf. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung eines Drehmomentes oder einer Querkraft mit der erfindungsgemäßen Anordnung.
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Die
US 9,347,845 B2 zeigt einen magnetoelastischen Sensor, welcher einen magnetoelastisch aktiven Bereich einer Welle und eine Magnetfeldsensor umfasst. Der magnetoelastisch aktive Bereich ist umfänglich magnetisch polarisiert. In dem axialen Bereich der magnetischen Polarisierung ist ein Sensor angeordnet, mit welchem ein Magnetfeld in einer Richtung parallel zur Achse der Welle messbar ist.
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Aus der
US 2012/0296577 A1 ist ein magnetoelastischer Kraftsensor bekannt, der zur Messung von Kräften an einem Element ausgebildet ist, welches umfänglich magnetisiert ist.
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Die
US 6,301,976 B1 zeigt eine Vorrichtung zur Drehmomentmessung mit einer magnetoelastischen Hülse, welche auf einer Welle sitzt.
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Aus der
DE 692 22 588 T2 ist ein ringförmig magnetisierter Drehmomentsensor bekannt.
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Die
EP 2 365 927 B1 zeigt ein Tretlager mit zwei Tretkurbeln und mit einem Kettenblattträger, der mit einer Welle des Tretlagers verbunden ist. Der Kettenblattträger ist drehfest mit einer Kettenblattwelle verbunden, die wiederum drehfest mit der Welle verbunden ist. Die Kettenblattwelle weist abschnittsweise eine Magnetisierung auf. Es ist ein Sensor vorgesehen, der eine Änderung der Magnetisierung bei einem im Bereich der Magnetisierung vorliegenden Drehmoment erfasst.
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In der
DE 10 2015 102 337 B4 ist ein redundanter Drehmomentsensor beschrieben, welcher ein Bauteil mit mindestens drei Magnetspuren umfasst, welche abwechselnd polarisiert sind. An den axialen Positionen der Magnetspuren sind Spulen von mindestens zwei Magnetfeldsensoren zur Emittierung je eines Signals axial zum Bauteil zugeordnet.
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Die
US 8,087,304 B2 zeigt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor zum Messen eines auf eine Welle wirkenden Drehmomentes. Die Welle weist eine oder mehrere umfängliche Magnetisierungen auf.
8 der
US 8,087,304 B2 zeigt eine Ausführungsform mit drei umfänglichen Magnetisierungen, die abwechselnd polarisiert sind, wobei jeweils ein Magnetfeldsensor in den axialen Bereichen der drei Magnetisierungen angeordnet ist. Durch die besondere Anordnung der Magnetfeldsensoren soll der Einfluss von magnetischen Störfeldern aufgehoben werden.
18 der
US 8,087,304 B2 zeigt eine Ausführungsform mit zwei umfänglichen Magnetisierungen, die abwechselnd polarisiert sind, wobei auch mehrere Magnetfeldsensoren an einem axialen Übergang zwischen den beiden Magnetisierungen angeordnet sind.
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Die
DE 10 2015 202 240 B3 zeigt in den
5 bis
8 verschiedene Ausführungsformen einer Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Diese Ausführungsformen umfassen radial messende Magnetfeldsensoren an mindestens drei unterschiedlichen axialen Positionen.
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Die
EP 0 953 169 B1 ,
DE 698 38 904 T2 und
US 6,047,605 lehren einen manschettenlosen magnetoelastischen Drehmomentsensor mit einer kreisförmigen Magnetisierung.
1(e) der
EP 0 953 169 B1 zeigt eine Welle mit zwei entgegengesetzt polarisierten kreisförmigen Magnetisierungen und einer axial dazwischen angeordneten Magnetfeldsensoreinrichtung.
1(g) der
EP 0 953 169 B1 zeigt eine Welle mit drei abwechselnd polarisierten kreisförmigen Magnetisierungen und zwei jeweils axial zwischen den Magnetisierungen angeordneten Magnetfeldsensoreinrichtungen. Es wird das von den axialen Komponenten der Magnetisierung herrührende Magnetfeld erfasst.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Messung von Kräften und/oder Momenten an einem Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes weniger aufwändig zu ermöglichen, ohne dabei sämtliche Möglichkeiten zur Fehlerkompensation zu verlieren.
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Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch Verfahren gemäß den beigefügten nebengeordneten Ansprüchen 6 und 7.
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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.
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Das Maschinenelement weist mindestens drei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für jeweils eine im Maschinenelement ausgebildete Magnetisierung auf. Es handelt sich somit jeweils um einen die Achse umlaufenden Magnetisierungsbereich, d. h. einen zirkulären Magnetisierungsbereich, wobei die Achse selbst bevorzugt nicht einen Teil des jeweiligen Magnetisierungsbereiches bildet. Die Magnetisierungsbereiche weisen jeweils eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt jeweils ausschließlich eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Die Magnetisierungsbereiche erstrecken sich bevorzugt jeweils entlang eines geschlossenen Pfades um die Achse herum, wobei die Magnetisierungsbereiche kurze Lücken aufweisen dürfen. Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt axial benachbart. Die Magnetisierungsbereiche sind jeweils in einem axialen Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet. Die Magnetisierungsbereiche bilden einen Primärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes.
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Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens zwei Magnetfeldsensoren, welche jeweils einen Sekundärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes bilden. Der Primärsensor, d. h. die mindestens drei Magnetisierungsbereiche dienen zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während die Sekundärsensoren die Wandlung dieses Magnetfeldes in 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 jeweiligen Magnetisierungen 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.
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Erfindungsgemäß sind die Magnetfeldsensoren jeweils an einer axialen Zwischenposition angeordnet, welche sich axial zwischen zwei benachbarten der Magnetisierungsbereiche befindet. Somit sind die Magnetfeldsensoren an axialen Positionen angeordnet, an denen das durch die Magnetisierungen der beiden jeweils benachbarten Magnetisierungsbereiche und durch die Kraft bzw. durch das Moment bewirkte Magnetfeld vorhanden und messbar ist. Jedenfalls befinden sich die Magnetfeldsensoren nicht vollständig innerhalb eines axialen Bereiches, in welchem einer der Magnetisierungsbereiche ausgebildet ist. Bevorzugt sind die Magnetfeldsensoren jeweils an einer axialen Position angeordnet, welche sich axial mittig zwischen zwei benachbarten der Magnetisierungsbereiche befindet.
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Erfindungsgemäß sind die Magnetfeldsensoren an höchstens zwei unterschiedlichen axialen Zwischenpositionen angeordnet sind. Die axialen Zwischenpositionen unterscheiden sich dann, wenn sie sich zwischen anderen der Magnetisierungsbereiche befinden, sodass jede der axialen Zwischenpositionen einen axialen Abschnitt umfassen kann. Somit befinden sich die jeweiligen Magnetfeldsensoren an genau einer der axialen Zwischenpositionen, wenn sie sich zwischen denselben der Magnetisierungsbereiche befinden. Es können aber auch Magnetfeldsensoren an weiteren axialen Zwischenpositionen vorhanden sein, insofern sie nicht zum Messen der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes verwendet werden. Bevorzugt sind die Magnetfeldsensoren an höchstens zwei unterschiedlichen axialen Positionen angeordnet.
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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. Die Magnetfeldsensoren müssen an nicht mehr als zwei axialen Positionen angeordnet werden.
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Axial benachbarte der mindestens drei sich um die Achse erstreckenden Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt unterschiedliche Polaritäten auf, d. h. sie besitzen zueinander einen umgekehrten Umlaufsinn. Insbesondere weisen die Magnetisierungen der axial benachbarten der mindestens drei sich um die Achse erstreckenden Magnetisierungsbereiche jeweils unterschiedliche Polaritäten auf, d. h. sie besitzen zueinander einen umgekehrten Umlaufsinn. Die sich um die Achse erstreckenden Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt zueinander abwechselnde Polaritäten auf. Insbesondere weisen die Magnetsierungen der sich um die Achse erstreckenden Magnetisierungsbereiche bevorzugt zueinander abwechselnde Polaritäten auf. Die Magnetisierungsbereiche sind abgesehen von deren Polarität bevorzugt gleich ausgebildet. Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt jeweils eine hohe Magnetostriktivität auf.
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Das Maschinenelement weist bevorzugt weiterhin mindestens zwei magnetisch neutrale, axiale Abschnitte auf. Die magnetisch neutralen Abschnitte sind bevorzugt jeweils axial zwischen zwei benachbarten der Magnetisierungsbereiche angeordnet. Die axialen Zwischenpositionen befinden sich bevorzugt axial in den magnetisch neutralen Abschnitten, d. h. die Magnetfeldsensoren sind an den axialen Positionen der magnetisch neutralen Abschnitte angeordnet. Die magnetisch neutralen Abschnitte weisen bevorzugt eine gleiche axiale Länge auf.
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Das Maschinenelement weist bevorzugt weitere magnetisch neutrale, axiale Abschnitte auf, die axial neben der Gesamtheit der Magnetisierungsbereiche angeordnet sind, sodass diese die Gesamtheit der Magnetisierungsbereiche axial an beiden Seiten begrenzen. Besonders bevorzugt ist jeweils einer der magnetisch neutralen Abschnitte axial zwischen den mehreren Magnetisierungsbereichen und jeweils einer der magnetisch neutralen Abschnitte axial auf beiden Seiten der Gesamtheit der Magnetisierungsbereiche angeordnet.
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Die mindestens drei Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt axial beabstandet zueinander angeordnet, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten der Magnetisierungsbereiche einer der magnetisch neutralen Abschnitte angeordnet ist. Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt jeweils einen gleichen axialen Abstand zueinander auf.
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Alternativ bevorzugt sind die mehreren Magnetisierungsbereiche axial unmittelbar benachbart angeordnet, sodass sich zwischen den Magnetisierungsbereichen keine magnetisch neutralen Abschnitte befinden. Die axialen Zwischenpositionen sind bei diesen Ausführungsformen an den axialen Übergängen zwischen jeweils zwei benachbarten der Magnetisierungsbereiche angeordnet, d. h. die Magnetfeldsensoren befinden sich axial an den axialen Übergängen zwischen jeweils zwei benachbarten der Magnetisierungsbereiche.
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Die mindestens drei Magnetisierungsbereiche können permanent oder temporär magnetisiert sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Magnetisierungsbereiche permanent magnetisiert, sodass die Magnetisierungen jeweils durch eine Permanentmagnetisierung gebildet sind. Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung weist diese weiterhin mindestens einen Magneten zum Magnetisieren der Magnetisierungsbereiche auf, sodass die Magnetisierungen der Magnetisierungsbereiche grundsätzlich temporär sind. Der mindestens eine Magnet kann durch mindestens einen Permanentmagneten oder bevorzugt durch einen Elektromagneten gebildet sein.
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Die permanent bzw. temporär magnetisierten Magnetisierungsbereiche sind in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb der Magnetisierungsbereiche bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb der Magnetisierungsbereiche messbar ist.
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Die permanent bzw. temporär magnetisierten Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt in magnetoelastisch ausgebildeten Abschnitten des Maschinenelementes ausgebildet. In den magnetoelastisch ausgebildeten Abschnitten des Maschinenelementes besteht das Maschinenelement bevorzugt aus einem magnetostriktiven Material. Bevorzugt sind nicht lediglich Abschnitte, sondern das Maschinenelement als solches magnetoelastisch ausgebildet. In diesem Fall besteht das Maschinenelement aus einem magnetostriktiven Material, insbesondere aus einem magnetostriktiven Stahl.
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Die Magnetisierungsbereiche stellen jeweils einen Teil des Volumens des Maschinenelementes dar. Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt jeweils ringförmig ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine mittlere Achse der jeweiligen Ringform bildet. Besonders bevorzugt weisen die Magnetisierungsbereiche jeweils die Form eines zur Achse des Maschinenelementes koaxialen Hohlzylinders auf.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Magnetfeldsensoren an genau zwei der unterschiedlichen axialen Zwischenpositionen angeordnet. Axial zwischen diesen genau zwei axialen Zwischenpositionen befindet sich genau einer der Magnetisierungsbereiche. Axial zwischen diesen genau zwei axialen Zwischenpositionen befindet sich bevorzugt der mittlere Magnetisierungsbereich.
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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.
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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.
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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.
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Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse auf.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung besitzen jeweils zwei der eine unterschiedliche axiale Zwischenposition aufweisenden Magnetfeldsensoren eine gleiche tangentiale Position. Die die gleiche tangentiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren sind somit in axialer Richtung nebeneinander angeordnet. Diese in axialer Richtung nebeneinander angeordneten Magnetfeldsensoren können zur Bestimmung desselben Momentes bzw. derselben Kraft genutzt werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst bevorzugt mindestens drei der Magnetfeldsensoren, wobei jeweils zwei der eine gleiche axiale Zwischenposition aufweisenden Magnetfeldsensoren in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind. Diese jeweils zwei 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.
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Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst bevorzugt mindestens vier der Magnetfeldsensoren, wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Zwischenposition aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind, und wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche tangentiale Position aufweisen. Axial zwischen den beiden axialen Zwischenpositionen befindet sich genau einer der Magnetisierungsbereiche.
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Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst genau drei der Magnetisierungsbereiche und genau vier der Magnetfeldsensoren, wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Zwischenposition aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind, und wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche tangentiale Position aufweisen. Axial zwischen den beiden axialen Zwischenpositionen befindet sich der mittlere der drei Magnetisierungsbereiche. 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.
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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 die oben beschriebene erfindungsgemäße Anordnung mit genau drei der Magnetfeldsensoren, wobei jeweils zwei der eine gleiche axiale Zwischenposition aufweisenden Magnetfeldsensoren in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind.
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In einem Schritt des Verfahrens wird ein erstes Messsignal eines ersten der die gleiche axiale Zwischenposition aufweisenden Magnetfeldsensoren empfangen, sodass eine radiale Richtungskomponente des durch die jeweiligen Magnetisierungen und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes gemessen wird, welche abhängig von dem Drehmoment ist.
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In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird ein zweites Messsignal eines zweiten der die gleiche axiale Zwischenposition aufweisenden Magnetfeldsensoren empfangen, sodass wiederum eine radiale Richtungskomponente des durch die jeweiligen Magnetisierungen und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes gemessen wird, welche abhängig von dem Drehmoment ist. Der erste die gleiche axiale Zwischenposition aufweisende Magnetfeldsensor und der zweite die gleiche axiale Zwischenposition 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 jeweiligen Magnetisierungen 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.
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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.
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Zur Durchführung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dient die oben beschriebene erfindungsgemäße Anordnung mit genau drei der Magnetisierungsbereiche und genau vier der Magnetfeldsensoren, wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Zwischenposition aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind, und wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche tangentiale Position aufweisen. Der erste die erste axiale Zwischenposition aufweisende Magnetfeldsensor und der erste die zweite axiale Zwischenposition aufweisende Magnetfeldsensor weisen die gleiche tangentiale Position auf. Der zweite die erste axiale Zwischenposition aufweisende Magnetfeldsensor und der zweite die zweite axiale Zwischenposition aufweisende Magnetfeldsensor weisen die gleiche tangentiale Position auf. Entsprechend wird ein drittes Messsignal des ersten die zweite axiale Zwischenposition aufweisenden Magnetfeldsensors empfangen. Entsprechend wird ein viertes Messsignal des zweiten die zweite axiale Zwischenposition aufweisenden Magnetfeldsensors empfangen. Wiederum repräsentieren das dritte Messsignal und das vierte Messsignal zwei radiale Richtungskomponenten des durch die jeweiligen Magnetisierungen 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 jeweiligen Magnetisierungen 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 jeweiligen Magnetisierungen 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.
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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 die oben beschriebene erfindungsgemäße Anordnung mit genau drei der Magnetfeldsensoren, wobei jeweils zwei der eine gleiche axiale Zwischenposition aufweisenden Magnetfeldsensoren in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind. Die Querkraft ist bevorzugt senkrecht zu einer Gerade ausgerichtet, welche zwei der in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordneten und eine gleiche axiale Zwischenposition aufweisenden Magnetfeldsensoren verbindet, wobei eine Winkelabweichung von ±10° oder auch ±30° tolerierbar ist.
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In einem Schritt des Verfahrens wird ein erstes Messsignal eines ersten eine erste der axialen Zwischenpositionen aufweisenden Magnetfeldsensoren empfangen, sodass eine radiale Richtungskomponente des durch die jeweiligen Magnetisierungen und durch die Querkraft bewirkten Magnetfeldes gemessen wird, welche abhängig von der Querkraft ist.
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In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird ein zweites Messsignal eines zweiten eine zweite der axialen Zwischenpositionen aufweisenden Magnetfeldsensoren empfangen, sodass wiederum eine radiale Richtungskomponente des durch die jeweiligen Magnetisierungen und durch die Querkraft bewirkten Magnetfeldes gemessen wird, welche abhängig von der Querkraft ist. Der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor sind in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet. Erfindungsgemäß repräsentieren das erste Messsignal und das zweite Messsignal zwei radiale Richtungskomponenten des durch die jeweiligen Magnetisierungen 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 Ausrichten des jeweiligen Magnetfeldsensors oder durch Vorzeichenwahl des Messsignals erzielt werden.
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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.
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Zur Durchführung der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dient die oben beschriebene erfindungsgemäße Anordnung mit genau drei der Magnetisierungsbereiche und genau vier der Magnetfeldsensoren, wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Zwischenposition aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind, und wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche tangentiale Position aufweisen. Der erste die erste axiale Zwischenposition aufweisende Magnetfeldsensor und der erste die zweite axiale Zwischenposition aufweisende Magnetfeldsensor weisen die gleiche tangentiale Position auf. Der zweite die erste axiale Zwischenposition aufweisende Magnetfeldsensor und der zweite die zweite axiale Zwischenposition aufweisende Magnetfeldsensor weisen die gleiche tangentiale Position auf. Entsprechend wird ein drittes Messsignal des ersten die zweite axiale Zwischenposition aufweisenden Magnetfeldsensors empfangen. Entsprechend wird ein viertes Messsignal des zweiten die erste axiale Zwischenposition aufweisenden Magnetfeldsensors empfangen. Wiederum repräsentieren das dritte Messsignal und das vierte Messsignal zwei radiale Richtungskomponenten des durch die jeweiligen Magnetisierungen 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 jeweiligen Magnetisierungen 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 jeweiligen Magnetisierungen 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.
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Im Übrigen werden die beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt unter Verwendung einer der weiteren oben beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung durchgeführt.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung, die zur Durchführung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist; und
- 2 die in 1 gezeigte Anordnung, die zur Durchführung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist.
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1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Anordnung jeweils in zwei Ansichten. Die linken Teile der Figuren umfassen jeweils eine Querschnittsansicht, während die rechten Teile der Figuren jeweils eine Aufsicht der erfindungsgemäßen Anordnung umfassen.
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, welche zum Messen eines Drehmomentes Mt gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist. Die Anordnung umfasst zunächst ein Maschinenelement in Form eines Hohlflansches 01, welcher an einem Grundkörper 02 befestigt ist. Der Hohlflansch 01 weist die Form eines hohlen Kreiszylinders auf. Der Hohlflansch 01 erstreckt sich in einer Achse 03, welche auch die mittlere Achse der Hohlzylinderform des Hohlflansches 01 bildet. Der Hohlflansch 01 wird insbesondere auf Torsion durch das Drehmoment Mt belastet. Der Hohlflansch 01 besteht aus einem magnetoelastischen Material, welches den invers-magnetostriktiven Effekt aufweist.
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In drei axialen Abschnitten des Hohlflansches 01 ist jeweils einer von drei Permanentmagnetisierungsbereichen 04 ausgebildet, welche sich jeweils umlaufend um die Achse 03 herum erstrecken; d. h. es handelt sich um zirkuläre Permanentmagnetisierungen, wobei die Permanentmagnetisierungsbereiche 04 einen abwechselnden Umlaufsinn aufweisen. Die Permanentmagnetisierungsbereiche 04 liegen in drei axial beabstandeten Ebenen. In zwei axialen Abschnitten zwischen jeweils zwei benachbarten der Permanentmagnetisierungsbereiche 04 ist jeweils ein magnetisch neutraler Abschnitt 06 angeordnet, wo der Hohlflansch 01 nicht magnetisiert ist, d. h. magnetisch neutral ist. Auch in den axialen Abschnitten neben der durch die Permanentmagnetisierungsbereiche 04 und den magnetisch neutralen Abschnitten 06 gebildeten Einheit sind äußere magnetisch neutrale Abschnitte 07 angeordnet, wo der Hohlflansch 01 nicht magnetisiert ist.
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Umfänglich um den Hohlflansch 01 herum sind vier Magnetfeldsensoren 08 angeordnet, welche einen gleichen Abstand zur Achse 03 aufweisen. Jeweils zwei der vier Magnetfeldsensoren 08 sind an einer mittleren axialen Position einer der beiden magnetisch neutralen Abschnitte 06 angeordnet. Die beiden jeweils eine gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren 08 sind gleichverteilt um die Achse 03 angeordnet, sodass sie sich in Bezug auf die Achse 03 gegenüberstehen. Die vier Magnetfeldsensoren 08 stehen jeweils axial zwischen den Permanentmagnetisierungsbereichen 04, sodass nur ein geringer Abstand zwischen den Permanentmagnetisierungsbereichen 04 und den Magnetfeldsensoren 08 vorhanden ist. Die Magnetfeldsensoren 08 sind beispielsweise jeweils durch einen Halbleitersensor gebildet. Die Magnetfeldsensoren 08 sind jeweils dazu ausgebildet, eine radiale Richtungskomponente eines Magnetfeldes, welches durch magnetische Kreise 09 veranschaulicht ist und wegen des invers-magnetostriktiven Effektes aufgrund der Magnetisierungen in den Permanentmagnetisierungsbereichen 04 und des Drehmomentes Mt auftritt, einzeln zu messen. Die beiden jeweils eine gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren 08, welche sich in Bezug auf die Achse 03 gegenüberstehen, messen jeweils eine radiale Richtungskomponente des durch die magnetischen Kreise 09 verbildlichten Magnetfeldes, wobei die beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes gemeinsam zur Achse 03 hin gerichtet bzw. von der Achse 03 weg gerichtet sind. Der Richtungssinn ist jeweils durch einen Pfeil 11 veranschaulicht.
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Die beiden jeweils eine gleiche umfängliche Position aufweisenden Magnetfeldsensoren 08, welche unterschiedliche axiale Positionen aufweisen und somit axial nebeneinander angeordnet sind, messen jeweils eine radiale Richtungskomponente des durch die magnetischen Kreise 09 verbildlichten Magnetfeldes, wobei eine der beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes zur Achse 03 hin gerichtet ist, während die andere der beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes von der Achse 03 weg gerichtet ist.
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2 zeigt die in 1 gezeigte Anordnung, welche so modifiziert ist, dass sie zur Durchführung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist. Diese zweite bevorzugte Ausführungsform dient zum Messen einer Querkraft Fq . Im Unterschied zu der in 1 veranschaulichten ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens messen die beiden jeweils eine gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren 08 radiale Richtungskomponenten des durch die magnetischen Kreise 09 verbildlichten Magnetfeldes, wobei eine der beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes zur Achse 03 hin gerichtet ist, während die andere der beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes von der Achse 03 weg gerichtet ist. Das durch die magnetischen Kreise 09 verbildlichte Magnetfeld tritt wegen des invers-magnetostriktiven Effektes aufgrund der Magnetisierung im Permanentmagnetisierungsbereich 04 und der Querkraft Fq auf.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Hohlflansch
- 02
- Grundkörper
- 03
- Achse
- 04
- Permanentmagnetisierungsbereich
- 05
- -
- 06
- magnetisch neutraler Abschnitt
- 07
- äußerer magnetisch neutraler Abschnitt
- 08
- Magnetfeldsensor
- 09
- magnetischer Kreis
- 10
- -
- 11
- Pfeil
