DE102017116508A1 - Arrangement for measuring a force or a moment and magnetic field sensor for this purpose - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst einen Magnetfeldsensor (06) zur Messung eines Magnetfeldes, welches durch eine Magnetisierung in einem Maschinenelement (01) und durch eine auf das Maschinenelement (01) wirkende Kraft und/oder durch ein auf das Maschinenelement (01) wirkendes Moment (M) aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes bewirkt ist. Der Magnetfeldsensor (06) umfasst mindestens ein Magnetfeldleitelement (11), welches mindestens einen ersten Schenkel (12) und einen zweiten Schenkel (13) umfasst. Erfindungsgemäß umfasst der Magnetfeldsensor (06) mindestens ein erstes auf dem ersten Schenkel (12) des Magnetfeldleitelementes (11) angeordnetes Magnetfeldsensorelement (08; 28) und ein zweites auf dem zweiten Schenkel (13) des Magnetfeldleitelementes (11) angeordnetes Magnetfeldsensorelement (09; 29). Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zur Messung einer Kraft und/oder eines Momentes (M) an einem sich in einer Achse (04) erstreckenden Maschinenelement (01). Die Messung der Kraft und/oder des Momentes (M) erfolgt unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes.The present invention initially relates to a magnetic field sensor (06) for measuring a magnetic field, which is characterized by a magnetization in a machine element (01) and by a force acting on the machine element (01) and / or by a moment acting on the machine element (01). M) due to the inverse magnetostrictive effect is effected. The magnetic field sensor (06) comprises at least one magnetic field guide element (11), which comprises at least a first leg (12) and a second leg (13). According to the invention, the magnetic field sensor (06) comprises at least one first magnetic field sensor element (08, 28) arranged on the first leg (12) of the magnetic field guide element (11) and a second magnetic field sensor element (09, 29, 29) arranged on the second leg (13) of the magnetic field guide element (11) ). The invention further relates to an arrangement for measuring a force and / or moment (M) on a machine element (01) extending in an axis (04). The measurement of the force and / or the moment (M) takes place using the inverse-magnetostrictive effect.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst einen Magnetfeldsensor zur Messung eines Magnetfeldes, welches durch eine Magnetisierung in einem Maschinenelement und durch eine auf das Maschinenelement wirkende Kraft und/oder durch ein auf das Maschinenelement wirkendes Moment aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes bewirkt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zur Messung einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Die Messung der Kraft und/oder des Momentes erfolgt unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes.The present invention initially relates to a magnetic field sensor for measuring a magnetic field which is caused by a magnetization in a machine element and by a force acting on the machine element and / or by a torque acting on the machine element due to the inverse-magnetostrictive effect. The invention further relates to an arrangement for measuring a force and / or moment on a machine element extending in an axis. The measurement of the force and / or the moment takes place using the inverse-magnetostrictive effect.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Genauigkeit einer auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhenden Messung einer auf ein Maschinenelement wirkenden Kraft und/oder eines auf ein Maschinenelement wirkenden Momentes zu erhöhen.The object of the present invention, starting from the prior art, is to increase the accuracy of a measurement based on the inverse-magnetostrictive effect of a force acting on a machine element and / or a moment acting on a machine element.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch einen Magnetfeldsensor gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Anordnung gemäß den beigefügten nebengeordneten Anspruch 9.Said object is achieved by a magnetic field sensor according to the appended claim 1 and by an arrangement according to the attached independent claim 9.
Der erfindungsgemäße Magnetfeldsensor dient zur Messung eines Magnetfeldes, welches durch eine Magnetisierung in einem Maschinenelement und durch eine auf das Maschinenelement wirkende Kraft und/oder durch ein auf das Maschinenelement wirkendes Moment aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes bewirkt ist. Somit dient der Magnetfeldsensor mittelbar zur Messung der auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und/oder des auf das Maschinenelement wirkenden Momentes unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Das Maschinenelement erstreckt sich in einer Achse. 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, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind.The magnetic field sensor according to the invention is used to measure a magnetic field which is caused by a magnetization in a machine element and by a force acting on the machine element and / or by a moment acting on the machine element due to the inverse-magnetostrictive effect. Thus, the magnetic field sensor indirectly serves to measure the force acting on the machine element and / or the torque acting on the machine element using the inverse-magnetostrictive effect. The machine element extends in one 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. By the axis are defined a radial direction, a tangential or circumferential direction and an axial direction, which are aligned perpendicular to each other.
Das Maschinenelement weist mindestens 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, 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 kann beispielsweise innerhalb einer Hülse ausgebildet sein, die einen Teil des Maschinenelementes bildet und fest auf einer einen weiteren Teil des Maschinenelementes bildenden Welle sitzt. Der Magnetisierungsbereich bildet einen Primärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes. Der Magnetisierungsbereich kann wegen seiner umfänglichen Ausbildung auch als Magnetisierungsspur angesehen werden.The machine element has at least one magnetization area extending circumferentially about the axis for a magnetization formed in the machine element. It is thus a magnetization region revolving around the axis, 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 can be formed, for example, within a sleeve, which forms part of the machine element and sits firmly on a shaft forming a further part of the machine element. The magnetization region forms a primary sensor for determining the force or moment. The magnetization region can also be regarded as a magnetization track because of its circumferential configuration.
Der Magnetfeldsensor bildet einen Sekundärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes. Der Primärsensor, d. h. der Magnetisierungsbereich dient zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während der Sekundärsensor die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglicht. Der Magnetfeldsensor steht dem Magnetisierungsbereich gegenüber, sodass er sich bevorzugt an einer gleichen axialen Position wie der Magnetisierungsbereich befindet. Somit ist der Magnetfeldsensor gegenüber dem Magnetisierungsbereich radial versetzt.The magnetic field sensor forms a secondary sensor for determining the force or the moment. The primary sensor, d. H. the magnetization area serves to convert the force to be measured or the moment to be measured into a corresponding magnetic field, while the secondary sensor enables the conversion of this magnetic field into electrical signals. The magnetic field sensor faces the magnetization region, so that it is preferably located at a same axial position as the magnetization region. Thus, the magnetic field sensor is radially offset from the magnetization region.
Der Magnetfeldsensor umfasst mindestens ein Magnetfeldleitelement, welches mindestens einen ersten magnetfeldleitenden Schenkel und einen zweiten magnetfeldleitenden Schenkel aufweist.The magnetic field sensor comprises at least one magnetic field conducting element, which has at least one first magnetic field conducting leg and a second magnetic field conducting leg.
Erfindungsgemäß umfasst der Magnetfeldsensor mindestens ein erstes auf dem ersten Schenkel angeordnetes Magnetfeldsensorelement und ein zweites auf dem zweiten Schenkel des Magnetfeldleitelementes angeordnetes Magnetfeldsensorelement. Die beiden Magnetfeldsensorelemente dienen zum Empfangen des Magnetfeldes, welches durch die Magnetisierung und durch die Kraft und/oder durch das Moment aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes bewirkt ist. Die Schenkel sind auf den Magnetisierungsbereich des Maschinenelementes zu richten. Zwischen den Schenkeln und dem Magnetisierungsbereich verbleibt lediglich jeweils ein Luftspalt. Durch das erfindungsgemäß ausgebildete Magnetfeldleitelement sind die beiden Magnetfeldsensorelemente mit nur einem geringen magnetischen Widerstand an den Magnetisierungsbereich des Maschinenelementes gekoppelt, sodass das wegen des invers-magnetostriktiven Effektes entstehende Magnetfeld verlustarm zu den beiden Magnetfeldsensorelementen gelangt. Der Magnetkreis verläuft bis auf die verbleibenden schmalen Luftspalte nicht durch die Luft. Das dadurch mit den beiden Magnetfeldsensorelementen messbare Magnetfeld ist in vielen Anwendungsfällen deutlich größer als das Erdmagnetfeld, wodurch der störende Einfluss des Erdmagnetfeldes oder anderer Störfelder minimiert ist und das Signal-Rausch-Verhältnis der Messung erhöht ist. Da insbesondere das radial ausgerichtete Magnetfeld gemessen wird, genügt für die meisten Anwendungen der genau eine Magnetisierungsbereich bzw. die genau eine Magnetisierungsspur des Maschinenelementes, sodass ein weiterer Magnetisierungsbereich bzw. eine weitere Magnetisierungsspur zur Kompensation von Störfeldern nicht notwendig ist. Entsprechend weist das Maschinenelement bevorzugt nur den genau einen Magnetisierungsbereich bzw. nur die genau eine Magnetisierungsspur auf.According to the invention, the magnetic field sensor comprises at least one first magnetic field sensor element arranged on the first leg and a second magnetic field sensor element arranged on the second leg of the magnetic field conducting element. The two magnetic field sensor elements serve to receive the magnetic field, which is caused by the magnetization and by the force and / or by the moment due to the inverse-magnetostrictive effect. The legs are to be directed to the magnetization region of the machine element. Only one air gap remains between the legs and the magnetization area. By virtue of the magnetic field guide element formed according to the invention, the two magnetic field sensor elements are coupled to the magnetization region of the machine element with only a small magnetic resistance so that the magnetic field produced due to the inverse magnetostrictive effect reaches the two magnetic field sensor elements with little loss. The magnetic circuit does not run through the air except for the remaining narrow air gaps. The thus measurable with the two magnetic field sensor elements magnetic field is significantly greater than the earth's magnetic field in many cases, whereby the disturbing influence of the earth's magnetic field or other interference fields is minimized and the signal-to-noise ratio of the measurement is increased. Since, in particular, the radially oriented magnetic field is measured, it is sufficient for most applications to have exactly one magnetization region or exactly one magnetization track of the machine element, so that a further magnetization region or a further magnetization trace is not necessary for compensating interference fields. Accordingly, the machine element preferably has only the exact one magnetization region or only the exactly one magnetization trace.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist zwischen den auf den Magnetisierungsbereich gerichteten Schenkeln des Magnetfeldleitelementes und dem Magnetisierungsbereich jeweils ein Luftspalt ausgebildet. Der Luftspalt ist jeweils zwischen einer Stirnfläche des jeweiligen Schenkels und dem Magnetisierungsbereich ausgebildet.In preferred embodiments, an air gap is formed in each case between the limbs of the magnetic field guide element directed toward the magnetization region and the magnetization region. The air gap is formed in each case between an end face of the respective leg and the magnetization region.
Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die Magnetfeldsensorelemente in der axialen Richtung beabstandet. Die Magnetfeldsensorelemente weisen bevorzugt eine gleiche Position in der radialen Richtung auf, sodass sie einen gleichen Abstand zur Achse besitzen. Die Magnetfeldsensorelemente weisen bevorzugt eine gleiche Position in der tangentialen Richtung auf, sodass sie eine gleiche umfängliche Position besitzen.In preferred embodiments, the magnetic field sensor elements are spaced in the axial direction. The magnetic field sensor elements preferably have a same position in the radial direction, so that they have an equal distance from the axis. The magnetic field sensor elements preferably have a same position in the tangential direction, so that they have a same circumferential position.
Die Magnetfeldsensorelemente sind bevorzugt jeweils durch eine Empfängerspule oder durch ein Halbleitersensorelement gebildet. Die Empfängerspulen bzw. die Halbleitersensorelemente wandeln das empfangene magnetische Feld in ein elektrisches Signal.The magnetic field sensor elements are preferably each formed by a receiver coil or by a semiconductor sensor element. The receiver coils and the semiconductor sensor elements convert the received magnetic field into an electrical signal.
Der Magnetfeldsensor ist bevorzugt durch eine Förster-Sonde bzw. durch ein Fluxgate-Magnetometer gebildet. Die Förster-Sonde bzw. das Fluxgate-Magnetometer umfasst die durch die Empfängerspulen gebildeten Magnetfeldsensorelemente.The magnetic field sensor is preferably formed by a Förster probe or by a fluxgate magnetometer. The Förster probe or the fluxgate magnetometer comprises the magnetic field sensor elements formed by the receiver coils.
Bei bevorzugten Ausführungsformen bildet der erste Schenkel des Magnetfeldleitelementes einen Spulenkern für das durch die erste Empfängerspule gebildete erste Magnetfeldsensorelement, während der zweite Schenkel des Magnetfeldleitelementes einen Spulenkern für das durch die zweite Empfängerspule gebildete zweite Magnetfeldsensorelement bildet.In preferred embodiments, the first leg of the magnetic field guide element forms a coil core for the first magnetic field sensor element formed by the first receiver coil, while the second leg of the magnetic field guide element forms a coil core for the second magnetic field sensor element formed by the second receiver coil.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen sind die Empfängerspulen auf einer flexiblen Platine ausgebildet. Hierdurch kann der Magnetfeldsensor in einer flachen Form ausgeführt werden, sodass er in einem kleinen Zwischenraum angeordnet werden kann. Zudem kann der Magnetfeldsensor an unterschiedlich große Maschinenelemente angepasst werden. Die flexible Platine ist bevorzugt gebogen und/oder gefaltet. Die flexible Platine ist bevorzugt wie ein Ring oder wie ein Ringbogen gebogen, sodass der Magnetfeldsensor leicht in beispielsweise eine Bohrung eingebracht werden kann. Die Empfängerspulen sind bevorzugt durch Leiterzüge auf der flexiblen Platine gebildet. Die Empfängerspulen können in die flexible Platine eingedruckt oder auf die flexible Platine aufgedruckt sein. Die Empfängerspulen können auch als Leiterbahnen in mehreren Schichten aufgedruckt sein. Die Empfängerspulen können auch in einem Chip ausgebildet sein.In particularly preferred embodiments, the receiver coils are formed on a flexible board. Thereby, the magnetic field sensor can be made in a flat shape so that it can be arranged in a small gap. In addition, the magnetic field sensor can be adapted to different sized machine elements. The flexible board is preferred bent and / or folded. The flexible board is preferably bent like a ring or as a ring arc, so that the magnetic field sensor can be easily inserted into, for example, a bore. The receiver coils are preferably formed by conductor tracks on the flexible board. The receiver coils can be printed into the flexible board or printed on the flexible board. The receiver coils can also be printed as interconnects in several layers. The receiver coils may also be formed in a chip.
Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die Schenkel des Magnetfeldleitelementes in der radialen Richtung ausgerichtet. Alternativ bevorzugt ist eine Abweichung von der radialen Richtung von bis zu 30° gegeben. Die Schenkel des Magnetfeldleitelementes sind bevorzugt senkrecht zu einer Oberfläche des Maschinenelementes ausgerichtet. Alternativ bevorzugt ist eine Abweichung von der zu der Oberfläche des Maschinenelementes Senkrechten von bis zu 30° gegeben.In preferred embodiments, the legs of the magnetic field guide are aligned in the radial direction. Alternatively preferred is a deviation from the radial direction of up to 30 ° given. The legs of the magnetic field guiding element are preferably aligned perpendicular to a surface of the machine element. Alternatively, a deviation from the perpendicular to the surface of the machine element of up to 30 ° is given.
Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Magnetfeldleitelement einen magnetfeldleitenden Steg, welcher die beiden Schenkel verbindet. Der Steg dient zur Ausbildung eines magnetischen Kreises in dem Abschnitt zwischen den beiden Schenkeln. Der Steg gewährleistet einen kleinen magnetischen Widerstand zwischen den beiden Schenkeln. Der Steg verbindet die beiden Schenkel bevorzugt an den dem Maschinenelement abgewandten Seiten der Schenkel.In preferred embodiments, the magnetic field guiding element comprises a magnetic field conducting web which connects the two legs. The web serves to form a magnetic circuit in the section between the two legs. The bridge ensures a small magnetic resistance between the two legs. The web connects the two legs preferably on the side facing away from the machine element of the legs.
Der Steg verläuft bevorzugt in der axialen Richtung, sodass er parallel zu der Achse ausgerichtet ist.The web preferably extends in the axial direction so that it is aligned parallel to the axis.
Der Steg und die beiden Schenkel sind bevorzugt gemeinsam einstückig ausgebildet, beispielsweise durch einen Draht.The web and the two legs are preferably formed together in one piece, for example by a wire.
Die Schenkel weisen bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt auf. Entsprechend weisen die Empfängerspulen bevorzugt kreisförmige Windungen auf.The legs preferably have a circular cross-section. Accordingly, the receiver coils preferably have circular turns.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist das Magnetfeldleitelement durch einen U-förmig gebogenen Draht gebildet. Der Steg und die Schenkel sind bevorzugt jeweils gerade. Die Empfängerspulen weisen bevorzugt kreisförmige Windungen auf, die sich um die Schenkel aus Draht winden. Die Windungen erstrecken sich bevorzugt senkrecht um die Schenkel.In preferred embodiments, the magnetic field guiding element is formed by a U-shaped bent wire. The web and the legs are preferably each straight. The receiver coils preferably have circular turns which wind around the legs of wire. The turns preferably extend vertically around the legs.
Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen weist der Steg die Form eines Zylindermantelabschnittes auf, während die Schenkel jeweils die Form eines Kreisringsegmentes aufweisen. Somit weist der Steg einen kreisbogenförmigen Querschnitt auf. Die Zylindermantelabschnittsform ist bevorzugt koaxial zum Maschinenelement angeordnet. Das Magnetfeldleitelement besteht bei diesen Ausführungsformen bevorzugt aus einem Blech aus einem weichmagnetischen Material. Die Empfängerspulen weisen bei diesen Ausführungsformen bevorzugt rechteckförmige Windungen auf, die sich um die Schenkel aus Blech winden.In alternatively preferred embodiments, the web has the shape of a cylinder jacket portion, while the legs each have the shape of a circular ring segment. Thus, the web has a circular arc-shaped cross-section. The cylinder shell section shape is preferably coaxial with the machine element. The magnetic field guiding element in these embodiments preferably consists of a sheet of a soft magnetic material. The receiver coils in these embodiments preferably have rectangular windings which wind around the legs of sheet metal.
Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen ist der Steg in einem Magnetfeldsensorträger ausgebildet ist. Der Magnetfeldsensorträger trägt den Magnetfeldsensor, wobei der Magnetfeldsensor bevorzugt zwischen dem Magnetfeldsensorträger und dem Maschinenelement angeordnet ist. Der Magnetfeldsensorträger besteht aus einem magnetisch leitenden Material. Die Schenkel sind bei diesen Ausführungsformen bevorzugt gerade ausgebildet und münden auf den Magnetfeldsensorträger. Die Schenkel sind bevorzugt stiftartig ausgebildet. Die Schenkel sind bevorzugt senkrecht zum Magnetfeldsensorträger angeordnet. Die Schenkel sind bevorzugt am Magnetfeldsensorträger befestigt.In alternatively preferred embodiments, the web is formed in a magnetic field sensor carrier. The magnetic field sensor carrier carries the magnetic field sensor, wherein the magnetic field sensor is preferably arranged between the magnetic field sensor carrier and the machine element. The magnetic field sensor carrier consists of a magnetically conductive material. The legs are preferably straight in these embodiments and open onto the magnetic field sensor carrier. The legs are preferably formed like a pin. The legs are preferably arranged perpendicular to the magnetic field sensor carrier. The legs are preferably attached to the magnetic field sensor carrier.
Da das Maschinenelement bevorzugt die äußere Form eines Zylinders aufweist, besitzt der Magnetfeldsensor bevorzugt die Form eines Zylindermantelabschnittes, wenn seine geringe Dicke in der radialen Richtung vernachlässigt wird. Entsprechend besitzt der Magnetfeldsensor einen kreisbogenförmigen Querschnitt. Die Zylindermantelabschnittsform ist bevorzugt koaxial zum Maschinenelement und zum Magnetisierungsbereich angeordnet. Insofern die geringe Dicke des Magnetfeldsensors in der radialen Richtung nicht vernachlässigt wird, besitzt er entsprechend bevorzugt die Form eines Hülsenabschnittes, welcher auch als ein Hohlzylinderabschnitt aufgefasst werden kann. Der Hülsenabschnitt ist bevorzugt koaxial zum Maschinenelement und zum Magnetisierungsbereich angeordnet. Der Zylindermantelabschnitt bzw. der Hülsenabschnitt weist einen Mittelpunktswinkel in Bezug auf die Achse auf, der bevorzugt zwischen 20° und 90° beträgt.Since the machine element preferably has the outer shape of a cylinder, the magnetic field sensor preferably has the shape of a cylinder barrel portion when its small thickness in the radial direction is neglected. Accordingly, the magnetic field sensor has a circular arc-shaped cross section. The cylinder shell portion shape is preferably coaxial with the machine element and the magnetization region. Insofar as the small thickness of the magnetic field sensor is not neglected in the radial direction, it preferably has the form of a sleeve section, which can also be understood as a hollow cylinder section. The sleeve portion is preferably arranged coaxially with the machine element and the magnetization region. The cylinder shell portion or the sleeve portion has a center angle with respect to the axis, which is preferably between 20 ° and 90 °.
Da das Maschinenelement bevorzugt die äußere Form eines Zylinders aufweist, besitzt der Magnetfeldsensor bevorzugt die Form eines Zylindermantels, wenn seine geringe Dicke in der radialen Richtung vernachlässigt wird. Entsprechend besitzt der Magnetfeldsensor einen kreisförmigen Querschnitt. Die Zylindermantelform ist bevorzugt koaxial zum Maschinenelement und zum Magnetisierungsbereich angeordnet. Insofern die geringe Dicke des Magnetfeldsensors in der radialen Richtung nicht vernachlässigt wird, besitzt er entsprechend bevorzugt die Form einer Hülse, welche auch als ein Hohlzylinder aufgefasst werden kann. Die Hülsenform ist bevorzugt koaxial zum Maschinenelement und zum Magnetisierungsbereich angeordnet.Since the machine element preferably has the outer shape of a cylinder, the magnetic field sensor preferably has the shape of a cylinder jacket when its small thickness in the radial direction is neglected. Accordingly, the magnetic field sensor has a circular cross-section. The cylinder jacket mold is preferably arranged coaxially with the machine element and with the magnetization region. Insofar as the small thickness of the magnetic field sensor is not neglected in the radial direction, it preferably has the form of a sleeve, which can also be understood as a hollow cylinder. The sleeve shape is preferably arranged coaxially to the machine element and to the magnetization region.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Magnetfeldsensor mehrere Paare der jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente sowie mehrere der Magnetfeldleitelemente. Jedes der Paare der Magnetfeldsensorelemente sitzt auf den Schenkeln eines der Magnetfeldleitelemente. In particularly preferred embodiments, the magnetic field sensor comprises a plurality of pairs of the respective two magnetic field sensor elements and a plurality of the magnetic field guide elements. Each of the pairs of magnetic field sensor elements sits on the legs of one of the magnetic field guide elements.
Die mehreren Paare der jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente sind bevorzugt über einen umfänglichen Abschnitt um den Magnetisierungsbereich verteilt angeordnet. Somit sind die mehreren Paare der jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente in der tangentialen Richtung verteilt angeordnet. Die mehreren Paare der jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente weisen bevorzugt eine gleiche axiale Position und eine gleiche radiale Position auf.The plurality of pairs of each of the two magnetic field sensor elements are preferably distributed over a peripheral portion around the magnetization region. Thus, the plural pairs of each of the two magnetic field sensor elements are distributed in the tangential direction. The plurality of pairs of each of the two magnetic field sensor elements preferably have a same axial position and a same radial position.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Magnetfeldsensorelemente der Paare der jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente gemeinsam auf der flexiblen Platine ausgebildet. Dabei ist die flexible Platine bevorzugt wie ein Zylindermantelabschnitt oder wie ein Zylindermantel geformt. Dabei sind die Magnetfeldsensorelemente bevorzugt durch die Empfängerspulen gebildet, die als Leiterzüge auf der flexiblen Platine ausgebildet sind.In a preferred embodiment, the magnetic field sensor elements of the pairs of the respective two magnetic field sensor elements are formed together on the flexible board. In this case, the flexible board is preferably shaped like a cylinder jacket section or like a cylinder jacket. The magnetic field sensor elements are preferably formed by the receiver coils, which are formed as conductor tracks on the flexible board.
Alternativ bevorzugt sind die Magnetfeldsensorelemente jeweils auf einer starren Platine einzeln angeordnet, wobei die starren Platinen in einem flexiblen Trägerwerkstoff eingebettet sind. Die starren Platinen weisen jeweils die Abmessungen des jeweiligen der Magnetfeldsensorelemente auf, wobei das jeweilige Magnetfeldsensorelement bevorzugt als Empfängerspule auf der jeweiligen starren Platine ausgebildet ist. Die starren Platinen sind bevorzugt jeweils quadratförmig. Die starren Platinen mit den einzelnen Magnetfeldsensorelementen sind bevorzugt vollständig im Trägerwerkstoff eingeschlossen, sodass die Magnetfeldsensorelemente vor Feuchtigkeit, Öl u. ä. geschützt sind. Der flexible Trägerwerkstoff ist bevorzugt wie ein Zylindermantelabschnitt oder wie ein Zylindermantel geformt, sodass der Magnetfeldsensor leicht in beispielsweise eine Bohrung eingebracht werden kann. Die Anordnung der vergleichsweise kleinen starren Platinen in dem flexiblen Trägerwerkstoff erlaubt eine flache und kleine Ausführung des Magnetfeldsensors.Alternatively, preferably, the magnetic field sensor elements are arranged individually on a rigid board, wherein the rigid circuit boards are embedded in a flexible carrier material. The rigid boards each have the dimensions of the respective one of the magnetic field sensor elements, wherein the respective magnetic field sensor element is preferably designed as a receiver coil on the respective rigid board. The rigid boards are preferably each square. The rigid circuit boards with the individual magnetic field sensor elements are preferably completely enclosed in the carrier material, so that the magnetic field sensor elements are protected against moisture, oil and the like. Ä. Are protected. The flexible carrier material is preferably shaped like a cylinder jacket section or like a cylinder jacket, so that the magnetic field sensor can be easily introduced into, for example, a bore. The arrangement of the comparatively small rigid circuit boards in the flexible carrier material allows a flat and small design of the magnetic field sensor.
Alternativ bevorzugt sind die Paare der jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente jeweils auf einer starren Platine einzeln angeordnet, wobei die starren Platinen in einem flexiblen Trägerwerkstoff eingebettet sind. Die starren Platinen weisen jeweils die Abmessungen des jeweiligen Paares der Magnetfeldsensorelemente auf, wobei die beiden Magnetfeldsensorelemente des jeweilige Paares bevorzugt als zwei Empfängerspulen auf der jeweiligen starren Platine ausgebildet sind. Die starren Platinen sind bevorzugt jeweils rechteckförmig. Die starren Platinen mit den einzelnen Paaren der Magnetfeldsensorelemente sind bevorzugt vollständig im Trägerwerkstoff eingeschlossen, sodass die Magnetfeldsensorelemente vor Feuchtigkeit und Öl u. ä. geschützt sind. Der flexible Trägerwerkstoff ist bevorzugt wie ein Zylindermantelabschnitt oder wie ein Zylindermantel geformt, sodass der Magnetfeldsensor leicht in beispielsweise eine Bohrung eingebracht werden kann. Die Anordnung der vergleichsweise kleinen starren Platinen in dem flexiblen Trägerwerkstoff erlaubt eine flache und kleine Ausführung des Magnetfeldsensors.Alternatively, preferably, the pairs of the two magnetic field sensor elements are each arranged individually on a rigid board, the rigid boards being embedded in a flexible carrier material. The rigid boards each have the dimensions of the respective pair of magnetic field sensor elements, wherein the two magnetic field sensor elements of the respective pair are preferably formed as two receiver coils on the respective rigid board. The rigid boards are preferably each rectangular. The rigid circuit boards with the individual pairs of the magnetic field sensor elements are preferably completely enclosed in the carrier material, so that the magnetic field sensor elements from moisture and oil u. Ä. Are protected. The flexible carrier material is preferably shaped like a cylinder jacket section or like a cylinder jacket, so that the magnetic field sensor can be easily introduced into, for example, a bore. The arrangement of the comparatively small rigid circuit boards in the flexible carrier material allows a flat and small design of the magnetic field sensor.
Alternativ bevorzugt sind die Paare der jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente jeweils auf einer starren Platine einzeln angeordnet, wobei die starren Platinen an einem oder an zwei Ringen befestigt sind. Die starren Platinen weisen jeweils die Abmessungen des jeweiligen Paares der Magnetfeldsensorelemente auf, wobei die beiden Magnetfeldsensorelemente des jeweilige Paares bevorzugt als zwei Empfängerspulen auf der jeweiligen starren Platine ausgebildet sind. Die starren Platinen sind bevorzugt jeweils rechteckförmig. Der Ring bzw. die Ringe sind bevorzugt jeweils durch eine starre Platine gebildet. Bevorzugt sind die die Paare der jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente tragenden starren Platinen axial mittig zwischen den zwei Ringen angeordnet. Die Ringe verleihen dem Magnetfeldsensor eine Ringform, die leicht in beispielsweise eine Bohrung eingebracht werden kann.Alternatively preferably, the pairs of the two magnetic field sensor elements are each arranged individually on a rigid board, wherein the rigid boards are attached to one or two rings. The rigid boards each have the dimensions of the respective pair of magnetic field sensor elements, wherein the two magnetic field sensor elements of the respective pair are preferably formed as two receiver coils on the respective rigid board. The rigid boards are preferably each rectangular. The ring or rings are preferably each formed by a rigid board. Preferably, the pairs of the respective two magnetic field sensor elements supporting rigid circuit boards are arranged axially centrally between the two rings. The rings give the magnetic field sensor a ring shape that can be easily inserted into, for example, a bore.
Die Magnetfeldsensorelemente sind bevorzugt gleich ausgebildet. Die mindestens eine Anordnung aus den jeweils zwei Magnetfeldsensorelementen und dem Magnetfeldleitelement ist bevorzugt symmetrisch ausgebildet.The magnetic field sensor elements are preferably identical. The at least one arrangement of the respective two magnetic field sensor elements and the magnetic field guiding element is preferably symmetrical.
Das Magnetfeldleitelement bzw. die Magnetfeldleitelemente bestehen bevorzugt aus einem weichmagnetischen Werkstoff und sind bevorzugt ferromagnetisch. Das Magnetfeldleitelement bzw. die Magnetfeldleitelemente sind bevorzugt unmagnetisiert.The magnetic field guiding element or the magnetic field guiding elements are preferably made of a soft magnetic material and are preferably ferromagnetic. The magnetic field guiding element or the magnetic field guiding elements are preferably unmagnetised.
Die erfindungsgemäße Anordnung dient zur Messung einer Kraft und/oder eines Momentes an dem Maschinenelement. Die Anordnung umfasst das oben bereits beschriebene Maschinenelement, welches den oben beschriebenen Magnetisierungsbereich aufweist. Die Anordnung umfasst weiterhin den erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor, wobei die Schenkel des mindestens einen Magnetfeldleitelementes des Magnetfeldsensors auf den Magnetisierungsbereich gerichtet sind. Die Anordnung umfasst bevorzugt eine der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors. Im Übrigen weist die Anordnung bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor angegeben sind.The arrangement according to the invention serves to measure a force and / or a moment on the machine element. The arrangement comprises the machine element already described above, which has the above-described magnetization region. The arrangement further comprises the magnetic field sensor according to the invention, wherein the legs of the at least one magnetic field guiding element of the magnetic field sensor are directed towards the magnetizing area. The arrangement preferably comprises one of the described preferred embodiments of the magnetic field sensor according to the invention. Moreover, the arrangement preferably also has features that are related are specified with the magnetic field sensor according to the invention.
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 dann 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 momentarily outside the magnetization region, so that no technically relevant magnetic field outside the magnetization region can then be measured.
Der permanent bzw. temporär magnetisierte Magnetisierungsbereich ist bevorzugt in einem magnetoelastisch ausgebildeten Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet. In dem magnetoelastisch ausgebildeten Abschnitt des Maschinenelementes besteht das Maschinenelement bevorzugt aus einem magnetostriktiven Material, welches magnetisch hart oder magnetisch halbhart ist. Der mindestens eine Magnetisierungsbereich besitzt bevorzugt eine hohe Magnetostriktivität. 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. Der Magnetisierungsbereich ist bevorzugt innerhalb einer Hülse ausgebildet sein, die einen Teil des Maschinenelementes bildet und fest auf einem bevorzugt zylinderförmigen Teil des Maschinenelementes sitzt. Die Schenkel des mindestens einen Magnetfeldleitelementes stehen bevorzugt den axialen Seitenflächen der Hülse gegenüber, wobei sie die Hülse in der radialen Richtung überlappen. Die Schenkel des mindestens einen Magnetfeldleitelementes stehen alternativ bevorzugt den axialen Enden des Magnetisierungsbereiches gegenüber.The permanently or temporarily magnetized magnetization region is preferably formed in a magnetoelastic section of the machine element. In the magnetoelastic section of the machine element, the machine element preferably consists of a magnetostrictive material which is magnetically hard or magnetically semi-hard. The at least one magnetization region preferably has a high magnetostriction. 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. The magnetization region is preferably formed within a sleeve, which forms part of the machine element and sits firmly on a preferably cylindrical part of the machine element. The legs of the at least one magnetic field guiding element are preferably opposite the axial side surfaces of the sleeve, wherein they overlap the sleeve in the radial direction. The legs of the at least one magnetic field guiding element are alternatively preferably opposite the axial ends of the magnetizing area.
Der mindestens eine 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 at least one 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, der koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet. Das Maschinenelement kann auch hohl 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 in the form of a right circular cylinder, which is arranged coaxially to the axis. In particular embodiments, the prism or the cylinder is conical. The machine element may also be hollow.
Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle, durch ein Getriebeteil, durch eine Schaltgabel, durch eine Hülse oder durch einen Flansch gebildet. Die Welle, das Getriebeteil, die Schaltgabel, die Hülse bzw. der Flansch kann für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momente ausgelegt sein und beispielsweise eine Komponente eines Sensortretlagers, eines Wankstabilisators oder eines Düngemittelstreuers sein. Grundsätzlich kann das Maschinenelement auch durch völlig andersartige hohle Maschinenelementtypen gebildet sein.The machine element is preferably formed by a shaft, by a gear part, by a shift fork, by a sleeve or by a flange. The shaft, the gear part, the shift fork, the sleeve or the flange may 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. In principle, the machine element can also be formed by completely different types of hollow machine elements.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
-
1 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in zwei Ansichten; -
2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in zwei Ansichten; -
3 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors; -
4 eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors; -
5 eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors; -
6 eine vierte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors; -
7 eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung; und -
8 eine vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
-
1 a first preferred embodiment of an arrangement according to the invention in two views; -
2 a second preferred embodiment of the inventive arrangement in two views; -
3 a first preferred embodiment of a magnetic field sensor according to the invention; -
4 a second preferred embodiment of the magnetic field sensor according to the invention; -
5 a third preferred embodiment of the magnetic field sensor according to the invention; -
6 a fourth preferred embodiment of the magnetic field sensor according to the invention; -
7 a third preferred embodiment of the inventive arrangement; and -
8th a fourth preferred embodiment of the arrangement according to the invention.
Die Hülse
Die Anordnung umfasst weiterhin einen Magnetfeldsensor
Der Magnetfeldsensor
Der Magnetfeldsensor
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 0101
- Maschinenelementmachine element
- 0202
- Wellewave
- 0303
- Hülse, PermanentmagnetisierungsbereichSleeve, permanent magnetization region
- 0404
- Achseaxis
- 0505
- --
- 0606
- Magnetfeldsensormagnetic field sensor
- 0707
- flexible Platineflexible board
- 0808
- erste Empfängerspulefirst receiver coil
- 0909
- zweite Empfängerspulesecond receiver coil
- 1010
- --
- 1111
- MagnetfeldleitelementMagnetfeldleitelement
- 1212
- erster Schenkelfirst leg
- 1313
- zweiter Schenkelsecond leg
- 1414
- Stegweb
- 1515
- --
- 1616
- MagnetfeldsensorträgerMagnetic field sensor support
- 1717
- --
- 1818
- starre Platinerigid board
- 1919
- --
- 2020
- --
- 2121
- flexibler Trägerwerkstoffflexible carrier material
- 2222
- --
- 2323
- Steckverbindungconnector
- 2424
- --
- 2525
- --
- 2626
- Ring aus starrem PlatinenmaterialRing made of rigid board material
- 2727
- --
- 2828
- erstes Halbleitersensorelementfirst semiconductor sensor element
- 2929
- zweites Halbleitersensorelementsecond semiconductor sensor element
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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