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Hintergrund der Erfindung
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1. Umfeld der
Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf
Messung und Test und im Besonderen bezieht sie sich auf eine Einrichtung
zur Messung von Drehmoment. Ganz speziell bezieht sich die Erfindung
auf einen Drehmoment-Sensor,
der auf magnetischem Wege das Drehmoment ermittelt, das auf eine
rotierbare Welle ausgeübt
wird, ohne die Welle direkt zu kontaktieren.
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2. Beschreibung des gegenwärtigen Entwicklungsstandes
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Drehmoment-Sensoren, die auf magnetischem
Wege Drehmoment mittels magnetoelastischen und/oder magnetostriktiven
Phänomenen
erfassen, sind gut bekannt. Es gibt typischerweise zwei Arten von
Drehmoment-Sensoren. Ein erster Typ von Drehmoment-Sensoren hat
eine rotierbare Welle, die aus einer magnetischen Legierung hergestellt
ist. Ein zweiter Typ von Drehmoment-Sensoren enthält eine rotierbare
Welle, die eine Schicht aus magnetischer Legierung auf der Oberfläche ihres äußeren Umfangs
trägt.
Beide Typen von Drehmoment-Sensoren weisen weiterhin Sensoren für das magnetische
Feldvauf, die in unmittelbarer Nachbarschaft der magnetischen Legierung
angeordnet sind. Die Sensoren für das
magnetische Feld werden verwendet, um das magnetische Feld zu erfassen,
das von der magnetischen Legierung ausgeht. Die Sensoren für das magnetische
Feld sind typisch, aber nicht notwendigerweise, so konfiguriert
und angeordnet, dass sie den Einfluss eines äußeren magnetischen Feldes,
wie zum Beispiel des Magnetfeldes der Erde, kompensieren. Beispielsweise
wird, wenn ein Drehmoment auf die rotierbare Welle ausgeübt wird,
die magnetische Legierung mechanisch belastet oder auf andere Weise
verformt. Dies führt
dazu, dass ein magnetisches Feld aus der magnetischen Legierung
austritt. Das magnetische Feld wird durch die Sensoren für das magnetische
Feld erfasst. Das magnetische Feld, das durch die Sensoren für das magnetische Feld
erfasst wird, wird durch einen Detektor gemessen, der ein Ausgangs-Signal
erzeugt, das der Richtung und Größe des Drehmoments,
das auf die Welle einwirkt, entspricht.
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Wenn Drehmoment einer rotierbarem
Welle gemessen wird, sind die austretenden magnetischen Felder Idealerweise
achsensymmetrisch. Allerdings können
Anomalitäten
in der magnetischen Legierung und/oder in der magnetischen Aufbereitung
der magnetischen Legierung nichtachsensymmetrische Inhomogenitäten in dem
magnetischen Feld hervorrufen, das von der Welle ausgeht. Wenn die
Welle rotiert, bewegen sich die Anomalitäten in der magnetische Legierung
mit der Welle. Als Folge davon bewegen sich die in Inhomogenitäten des
magnetischen Feldes, das von der Welle ausgeht, mit, wenn die Welle rotiert.
Wenn die Inhomogenitäten
in dem magnetischen Feld durch die Sensoren für das magnetische Feld erfasst
werden, die in einer beschränkten
Winkel-Ausdehnung um die Welle herum angeordnet sind, erzeugt der
Detektor eine Abweichung im Ausgangssignal, die irrtümlicherweise
als eine Änderung der
Richtung und/oder der Größe des Drehmoments auf
die Welle interpretiert wird. Die gewünschte Antwort des Sensors
sollte sich nur auf das wirkende Drehmoment beziehen. Im Gegensatz
dazu ist das anomale Ausgangssignal mit einer unerwünschten Antwort
auf den Drehwinkel der Welle verbunden.
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Was benötigt wird, ist ein Drehmoment-Sensor,
der nicht durch Anomalitäten
in der magnetischen Legierung beeinflusst ist und auf diese Weise eine
genaue und verlässliche
Erfassung des Drehmoments ermöglichtt,
das auf die rotierbare Welle ausgeübt wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ganz allgemein gesprochen bezieht
sich die vorliegende Erfindung auf einen Drehmoment-Sensor, der
die vorangehend beschrieben Anforderungen erfüllt. Der Drehmoment-Sensor
erfasst magnetisch das Drehmoment, das auf eine rotierende rotierbare
Welle ausgeübt
wird, ohne die Welle direkt zu kontaktieren. Der Drehmoment-Sensor
weist eine magnetische Legierung und ein oder mehrere Sensor- Elemente
in unmittelbarer Nachbarschaft der magnetischen Legierung auf, um
das magnetische Feld zu messen, das von der magnetischen Legierung
ausgeht, ohne dass er durch Anomalitäten in der magnetischen Legierung
beeinflusst ist.
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Verschiedene Objekte und Vorteile
dieser Erfindung werden für
Fachleute klar aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
der bevorzugten Ausführungen,
wenn diese im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen gesehen
werden. In der Zeichnung zeigen:
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Drehmomentsensors entsprechend der
vorliegenden Erfindung zur Erfassung eines magnetischen Feldes, das
von einer rotierbarem Welle ausgeht, in einer axialen Richtung relativ
zu der Welle,
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2 eine
seitliche Ansicht des Drehmomentsensors, der in 1 dargestellt ist,
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3 eine
querschnittliche Ansicht des Drehmomentsensors, der in den 1 und 2 dargestellt ist,
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4 eine
perspektivische Ansicht einschließlich der umgebenden Elemente
eines anderen Ausführungsbeispiels
des Drehmomentsensors entsprechend der Erfindung,
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5 eine
perspektivische Ansicht einschließlich der umgebenen Elemente
eines weiteren Drehmomentsensors entsprechend der Erfindung,
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6 eine
Ansicht eines Ausschnitts aus dem Drehmoment-Sensor, der in 5 dargestellt ist,
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7 eine
schematische Darstellung eines Querschnitts des Drehmomentsensors,
der in b dargestellt ist,
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8 eine
schematische Darstellung im Querschnitt des Drehmomentsensors, der
in 7 dargestellt ist,
mit einem darüber
befindlichen Element, das als Rückweg
für ein
magnetisches Feld wirkt,.
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9 eine
schematische Darstellung im Querschnitt eines anderen Drehmomentsensors
entsprechend der Erfindung,
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10 eine
perspektivische schematische Darstellung eines weiteren Dreh momentsensors
entsprechend der Erfindung,
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11 eine
perspektivische schematische Darstellung noch eines weiteren Drehmomentsensors
entsprechend der Erfindung,.
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12 eine
perspektivische Ansicht eines Drehmomentsensors entsprechend der
Erfindung zur Erfassung des magnetischen Feldes, das von einer rotierbarem
Welle ausgeht, in einer radialen Richtung relativ zur Welle,
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13 eine
querschnittliche Ansicht des Drehmomentsensors, der in 12 dargestellt ist,
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14.
eine vergrößerte, teilweise
schematische Darstellung als Querschnittszeichnung des Drehmomentsensors,
der in 13 dargestellt
ist,
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15 eine
teilweise schematische Darstellung als Querschnittszeichnung eines
weiteren Drehmomentsensors entsprechend der Erfindung zur Erfassung
des magnetischen Feldes, das von einer rotierbaren Welle ausgeht,
entlang kurvenförmigen Wegen
in Richtung von spitzen Winkeln relativ zu der Welle,
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16 eine
teilweise schematische Darstellung in Querschnitts-Ansicht eines
Drehmomentsensors entsprechend der Erfindung, wobei der Drehmoment-Sensor
ein Element zur Verteilung der Inhomogenitäten im magnetischen Feld um
die rotierbare Welle herum besitzt, so dass die Inhomogenitäten in der
Nachbarschaft der Sensorelemente für das magnetische Feld abgeschwächt werden,
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17 eine
seitliche Ansicht eines weiteren Drehmomentsensors entsprechend
der Erfindung,
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18 eine
Draufsicht vom Ende her gesehen des Drehmomentsensors, entlang den
Linien 18-18 in 17,
und
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19.
eine schematischeAbbildung in perspektivischer Darstellung eines
weiteren Drehmomentsensors entsprechend der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung
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Mit Bezug auf die Zeichnung, worin
gleiche Ziffern gleiche Komponenten durch alle Figuren hindurch
kennzeichnen, ist in den 1 bis 3 ein Drehmoment-Sensor 10 entsprechend
der Erfindung an einer drehbaren Welle 12 dargestellt.
Der Drehmoment-Sensor 12 wird verwendet, um magnetisch
das Drehmoment zu erfassen, das auf die rotierbare Welle 12 ausgeübt wird,
ohne die Welle 12 direkt zu berühren. Die rotierbare Welle 12 kann
aus einer magnetischen Legierung hergestellt sein, wobei die magnetische
Legierung eine Materialkomponente der Welle ist, oder sie kann eine
Lage aus magnetischer Legierung auf ihrer äußeren umfänglichen Oberfläche tragen.
Wenn ein Drehmoment auf die Welle 12 ausgeübt wird,
wird die magnetische Legierung unter mechanische Spannung gesetzt
oder auf andere Weise verformt. Dies führt dazu, dass ein magnetisches
Feld aus der magnetischen Legierung austritt. Eine Komponente des
magnetischen Feldes wird durch den Drehmoment-Sensor 10 erfasst,
um dort ein Ausgangs-Signal zu erzeugen, das in Beziehung steht
zur Richtung und Größe des Drehmoments,
das auf die rotierbare Welle 12 ausgeübt wird.
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Entsprechend einer Ausführung der
Erfindung weist der Sensor 10 eine Vielzahl von Sensor-Elementen
in Form von Spulenpaaren 14 auf, die über einen bestimmten Winkel-Bereich
auf dem Umfang der rotierbaren Welle 12 angeordnet sind.
Die Spulenpaare 14 werden im Abstand von der rotierbaren
Welle 12 gehalten. Dies kann durch jede geeignete mechanische
Aufhängung
erfolgen, wie zum Beispiel durch den gezeigten Spulenkörper 16.
Jedes Spu lenpaar 14 wird von einem oder mehreren Kern-Elementen 18 getragen,
die aus magnetischer Legierung hergestellt sind. Jedes Spulenpaar 14 enthält eine
erste Spule 14a, die in einer ersten Richtung gewickelt
ist, und eine zweite Spule 14b, die in einer zweiten Richtung
entgegen gesetzt zu der ersten Richtung gewickelt ist. Die erste
Spule 14a und die zweite Spule 14b sind axial
angeordnet in einer mit ihren Spulenenden hintereinander liegenden
Ausrichtung und in Nähe
des Spulenkörpers 16 positioniert.
Die rotierbare Welle 12 geht durch den Spulenkörper 16 hindurch
und befindet sich im Abstand zu dem Spulenkörper 16, so dass der
Spulenkörper 16 die
rotierbare Welle 12 nicht berührt.
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In einer bevorzugten Ausführung der
Erfindung sind alle Spulenpaare 14aus einem einzigen Stück Draht
oder Drahtlitze 20 gewickelt. Zum Beispiel kann das einzelne
Stück Drahtlitze 20 in
einer ersten Richtung um ein Kern-Element 18 gewickelt sein,
um eine der ersten Spulen 14a auszubilden, und dann in
einer zweiten Richtung um dasselbe oder ein anderes Kern-Element 18 gewickelt
sein, um die korrespondierende oder zweite Spule 14b darzustellen.
Daher kann das einzelne Stück
Drahtlitze 20 um ein oder mehrere auf dem Umfang benachbarte Kern-Elemente 18 gewickelt
sein, um ein anderes Spulenpaar 14 darzustellen, wie in
den Zeichnungen dargestellt. Das einzelne Stück Drahtlitze 20 des
resultierenden Drehmomentsensors 10 hat zwei Anschluss-Enden
mit Anschlüssen 20a und 20b,
durch die Strom fließen
kann. Entsprechend der bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die
ersten und die zweiten Spulen 14a, 14b und die
Spulenpaare 14, die dadurch hergestellt sind, in Reihe
geschaltet, so dass der Drehmoment-Sensor 10 mit einem
Detektor (nicht gezeigt) über
die zwei Anschlüsse 20a, 20b verbunden
werden kann. Alternativ kann jedes der Spulenpaare 14 und
jede der ersten und zweiten Spulen 14a, 14b, die
dabei geformt sind, einzeln mit dem Detektor verbunden sein, der
dann die Antwort-Signale der einzelnen Spulen 20a, 20b arithmetisch
kombiniert, um ein zusammengesetztes Ausgangs-Signal zu erzeugen,
das von den Anomalien bezüglich
des Drehwin kels der magnetischen Legierung unabhängig ist.
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Im Betrieb misst der Detektor die
Stärke
der axialen Komponente des magnetischen Feldes, das von der rotierbarem
Welle 12 ausgeht, indem er die Strom Änderungen in den Spulenpaaren 14 aufzeichnet.
Ein Beispiel eines solchen Detektors ist im US Patent Nr. 6,330,833,
erteilt am 18. Dezember 2001 an Opie et al., dargestellt, und die
Beschreibung dieses Patents wird hier vollumfänglich als Referenz einbezogen.
Der Detektor enthält
einen Generators für ein
dreiecksförmiges
Frequenz Signal (dreieckförmiger
Spannungsverlauf über
der Zeit), der mit den Anschlüssen 20a, 20b verbunden
ist, um einen dreieckförmigen
Strom in die Spulenpaare 14 einzuleiten. Der dreieckförmige Strom
erregt die Kern-Elemente 18, indem er die Kern-Elemente 18 in
die und aus der magnetischen Sättigung
treibt. Für
große
Ströme geht
das Material der Kern-Elemente 18 in die magnetische Sättigung
und hat dementsprechend einen relativ kleinen Wert für die Permeabilität. Bei kleinen Strömen ist
das Material jedes Kern-Elements 18 nicht gesättigt, und
seine Permeabilität
steigt an. Die Spannung, die an den Anschlüssen 20a, 20b mit
einem Spannungs-Sensor gemessen wird, ist proportional zu der Permeabilität von jedem
der Kern-Elemente 18.
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Wenn kein Drehmoment durch die rotierbare Welle 12 übertragen
wird, tritt kein magnetische Feld aus der Welle 12 aus
und es besteht ein Zustand des Gleichgewichts. Wenn Drehmoment durch
die rotierbare Welle 12 übertragen wird, ändert sich
die Permeabilität
jedes der Kern-Elemente 18 als ein Ergebnis der Änderung
im magnetischen Feld, das von der rotierbarem Welle 12 ausgeht.
Die Änderung
im magnetischen Feld, die von der rotierbarem Welle 12 ausgeht,
verursacht, dass die periodische Spitze der Permeabilität jedes
Kern-Elements 18 sich in Bezug auf einen (Referenz-) Zeitpunkt
verschiebt (das heißt,
dass eine Phasenverschiebung erzeugt wird). Der Detektor enthält auch
einen Analysator, der die Zeitverschiebung der periodischen Spitzenwerte
der Permeabilität
in einen entsprechenden Wert des Drehmo ments übersetzt. Eine Anzeigeeinheit,
die mit dem Analysator verbunden ist, erzeugt ein Ausgangs-Signal,
das repräsentativ
ist für
die Größe des Drehmoments,
das an der rotierbaren Welle 12 angelegt ist.
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Fachleute werden erkennen, dass die
ersten und zweiten Spulen 14a, 14b jedes Spulenpaares 14 gegensinnig
zu einander gewickelt sind, um ein divergentes Verhalten bezüglich eines
externen magnetischen Feldes herzustellen. Demzufolge ist das resultierende
externe magnetische Feld, das durch den Detektor erfasst wird, Null.
Indem die Spulenpaare 14 um den Umfang der rotierbarem
Welle herum angeordnet werden, können
Effekte von Inhomogenitäten im
von der rotierbaren Welle 12 ausgehenden magnetischen Feld,
die von Anomalitäten
in der magnetischen Legierung der rotierbarem Welle 12 herrühren, reduziert
werden. Indem die Spulenpaare 14 sehr nahe beieinander
angeordnet werden, können
die Effekte der Inhomogenitäten
im magnetischen Feld, die von der Welle 12 ausgehen, praktisch
eliminiert werden.
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Ein weiterer Drehmoment-Sensor 30 entsprechend
der Erfindung ist in 4 dargestellt.
Dieser Drehmoment-Sensor 30 ist ähnlich dem Drehmoment-Sensor 10,
der oben beschrieben ist, außer dass
dieser Drehmoment-Sensor 30 einen Spulenkörper 32 besitzt,
der aus einer Vielzahl von Trägerelementen
geformt ist, die einen Bereich des Umfangs der rotierbarem Welle 34 bedecken
und im Bereich 34a mit reduziertem Umfang der rotierbarem
Welle 34 miteinander verbunden werden können. Zum Beispiel kann der
Spulenkörper 32 aus
zwei (wie gezeigt) diametral gegenüber angeordneten halbzylindrischen
Elementen 32a, 32b oder möglicherweise mehreren teilzylindrischen
Elementen geformt sein. Jedes halb-zylindrische Element 32a, 32b trägt eine Vielzahl
von Sensor-Elementen in Form von Spulenpaaren 14. Jedes
Spulenpaar 14 enthält
eine erste Spule 14a und eine zweite Spule 14b.
Die ersten und zweiten Spulen 14a, 14b und die
Spulenpaare 14, die dadurch hergestellt sind, sind in Reihe
geschaltet, genauso wie die Spulenpaare 14 der zwei diametral angeordneten
halb-zylindrischen Elemente 32a,
32b. Alternativ
können
die Spulenpaare der zwei diametral angeordneten halb-zylindrischen
Elemente 32a, 32b und weiterhin jedes der Spulenpaare 14 und
jede der ersten und zweiten Spulen 14a, 14b, die
damit zusammenhängen,
individuell mit dem Detektor verbunden sein, der danach das Antwortsignal
von jeder der individuellen Spulen 14a, 14b arithmetisch
kombiniert, um ein zusammengesetztes Ausgangs-Signal zu erzeugen,
das unabhängig
ist von dem den Anomalien bezüglich
des Rotations-Winkels in der magnetischen Legierung. Dieser Drehmoment-Sensor 30 ist
gut geeignet zur Messung von Drehmoment, das auf eine rotierbare
Welle ausgeübt
wird, die Bereiche vergrößerten Durchmessers
besitzt, wie zum Beispiel die Verbindungs-Enden 34b mit
Verzahnung, die in der Figur dargestellt sind.
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Ein weiterer Drehmoment-Sensor 40 entsprechend
der Erfindung ist in den 5 bis 7 dargestellt. Dieser Drehmoment-Sensor 40 hat
ein Element zur Erfassung des magnetischen Feldes in der Form eines
Spulenpaares 42, das aus einer ersten Spule 42a und
einer zweiten Spule 42b, die gegensinnig, alsonin einer
entgegengesetzten Richtung zu der der ersten Spule 42a gewickelt
ist, besteht. Jede Spule 42a, 42b besitzt ein
Folien-Kern-Element 44, das zwischen einer inneren Spulenwicklung 46 und einer äußeren Spulenwicklung 48 angeordnet
ist, wie es deutlich in den 6 und 7 dargestellt ist. Das Folien-Kern-Element 44,
das die aktive erfassende Komponente des Sensors für das magnetische
Feld darstellt, umfasst vollständig
die rotierbare Welle 50, und bietet damit die Abdeckung
des Umfangs-Winkels,
der für
das erfassende Element gewünscht
ist. Die innere Spulenwicklung 46 jeder Spulen 42a, 42b ist
in einer Richtung gewickelt, die entgegen gesetzt ist zu der äußeren Spulenwicklung 48.
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Das Spulenpaar 42 wird im
Abstand gehalten zu der Schicht aus magnetischer Legierung 50a,
die auf der Oberfläche
eines äußeren Umfangs 50b der rotierbarem
Welle 50 angebracht ist. Dies kann durch jedes geeignete
Trägermaterial
erreicht werden, wie zum Beispiel den Spulenkörper 52, der in den
Figuren dargestellt ist. Dieser Spulenkörper 52 hat eine erste
Aussparung 52a und eine zweite Aussparung 52b,
die auf diesem Spulenkörper
ausgeformt sind. Die erste Aussparung 52a und die zweite
Aussparung 52b sind axial nebeneinander angeordnet. Die erste
Aussparung 52a ist dafür
vorgesehen, die erste Spule 42 zu tragen, und die zweite
Aussparung 52b ist dafür
vorgesehen, die zweite Spule 42b zu tragen.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführung der
Erfindung sind die inneren und äußeren Spulenwicklungen 46 und 48 und
die ersten und zweiten Spulen 42a, 42b, die daraus
aufgebaut sind, in Reihe miteinander verbunden, so dass das Spulenpaar 42 über die
zwei Anschlüsse 54a, 54b des
einzelnen Stückes
Draht bzw. Drahtlitze 54 mit einem Detektor verbunden werden
können.
Alternativ können
die ersten und zweiten Spulen 42a, 42b und auch
die inneren und äußeren Spulenwicklungen 46,48,
die dadurch ausgeformt sind, individuell mit dem Detektor verbunden
werden, der nachfolgend die Signale der einzelnen Spulen 42a, 42b arithmetisch
miteinander kombiniert, um ein zusammengesetztes Ausgangs-Signal
zu erzeugen, das unbeeinflusst ist von den Anomalien in der magnetischen
Legierung bezüglich
des Rotations-Winkels.
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Der Drehmoment-Sensor 40 arbeitet
in einer Art und Weise, die ähnlich
ist zu den Drehmoment-Sensoren 10 und 30, die
oben beschrieben sind. Der Detektor misst die Stärke der axialen Komponente
des magnetischen Feldes, das von der Lage aus magnetischer Legierung 50a austritt,
indem Strom-Änderungen
in dem Spulenpaar 42 erfasst werden. Der Spannungs-Wert
an den Anschlüssen 54a, 54b,
der mit Hilfe eines Spannungs-Sensors gemessen wird, ist proportional
zu der Permeabilität
eines der zwei Folien-Kern-Elemente 44.
Wenn kein Drehmoment auf die Welle 50 ausgeübt wird,
geht kein magnetisches Feld von der Schicht aus magnetischer Legierung 50a aus,
und es besteht ein Zustand des Gleichgewichts. Wenn Drehmoment auf die
rotierbare Welle 50 ausgeübt wird, ändert sich die Permeabilität der Fo lien-Kern-Elemente 44 als
eine Folge der Änderung
im magnetischen Feld, das von der Schicht aus magnetischer Legierung 50a ausgeht.
Die Änderung
im magnetischen Feld, die von der Schicht aus magnetischer Legierung 50a ausgeht,
hat zur Folge, dass eine Phasenverschiebung in den periodischen
Spitzenwerten der Permeabilität der
Folien-Kern-Elemente 44 auftritt. Ein Analysator übersetzt
die Phasenverschiebung der periodischen Spitzenwerte der Permeabilität in einen
entsprechenden Wert des Drehmoments. Eine Anzeige-Baugruppe, die
mit dem Analysator verbunden ist, erzeugt ein Ausgangs-Signal, das
die Größe des Drehmoments, das
an der rotierbarem Welle 50 angelegt ist, repräsentiert.
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Fachleute sollten erkennen, dass
die ersten und zweiten Spulen 42a, 42b jedes Spulenpaares 42 in
unterschiedlichen Richtungen zueinander gewickelt sind, um eine
divergente Beziehung bezüglich eines
externen magnetischen Feldes herzustellen. Demzufolge ist das resultierende
externe magnetische Feld, das durch den Detektor erfasst wird, Null. Indem
jede der ersten und zweiten Spulen 42a, 42b um
den Umfang der Schicht aus magnetischer Legierung 50a herum
angeordnet werden, können
Effekte von Inhomogenitäten
im magnetischen Feld, die von der Schicht aus magnetischer Legierung 50a ausgehen,
praktisch eliminiert werden .
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Ein weiterer Drehmoment-Sensor 60 entsprechend
der Erfindung ist in 8 dargestellt.
Dieser Drehmoment-Sensor 60 ist ähnlich dem Drehmoment-Sensor 40,
der unmittelbar vorangehend beschrieben ist, enthält aber
zusätzlich
ein Rückführ- oder
Rückleiter-Element
für magnetischen
Fluss 62 über
jeder äußeren Spulenwicklung 48.
Das Rückleiter-Element
für magnetischen
Fluss 62 arbeitet als ein Rückweg für den magnetischen Fluss, der
aus den Folien-Kern-Elementen 44 ausgeht und reduziert deswegen
den Strom, der erforderlich ist, um das Spulenpaar 42 anzuregen.
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Ein weiterer Drehmoment-Sensor 70 entsprechend
der Erfindung ist in 9 dargestellt.
Dieser Drehmoment-Sensor 70 ist ähnlich dem Drehmoment-Sensor 40,
der oben beschrieben ist, außer dass
jede Spule aus einer Vielzahl von Elementen hergestellt wird. Zum
Beispiel kann jede Spule aus zwei (wie dargestellt) gegenüberliegend
angeordneten halb-zylindrischen Folien Kern-Elementen 72, oder
möglicherweise
mehreren Formelementen, und einer Spulenwicklung 74, die
um das Folien-Kern-Element 72 gewickelt ist, bestehen.
Jede benachbarte Spulenwicklung 74 ist so gewickelt, dass
der Stromfluss, der verwendet wird um die Folien Kern-Elemente 72 anzuregen,
in derselben Richtung um den Umfang verläuft für die äußeren Lagen der zwei Spulenwicklungen 74,
und entsprechend für die
inneren Lagen, wie schematisch in der Zeichnung dargestellt. Die
Richtung des Stromflusses ist in entgegengesetzten Richtungen zwischen
den äußeren und
den inneren Lagen. Entsprechend einer bevorzugten Ausführung der
Erfindung sind die Spulenwicklungen 74 in Reihe miteinander
verbunden, so dass das Spulen-Paar
mit einem Detektor über
zwei Anschlüsse
eines Stückes
Draht bzw. Drahtlitze verbunden werden kann (nicht dargestellt).
Alternativ können
die Spulen-Wicklungen 74 individuell mit dem Detektor verbunden
werden, der danach die Signale der Spulenwicklungen 74 arithmetisch
miteinander kombiniert, um ein zusammengesetztes Ausgangs-Signal
zu erzeugen, das unbeeinflusst ist von den Anomalien bezüglich des
Rotations-Winkel in der magnetischen Legierung.
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Ein weiterer Drehmoment-Sensor 80 entsprechend
der vorliegenden Erfindung ist in 10 dargestellt.
Dieser Drehmoment-Sensor 80 hat eine Vielzahl von Sensor-Elementen
in Form von Paaren von Hall-Platten 82, die um den Umfang
einer Schicht aus magnetischer Legierung 90a angeordnet
sind, die auf der äußeren Oberfläche des
Umfangs 90b einer rotierbaren Welle 90 angebracht
ist. Jedes Paar von Hall-Platten 82 enthält eine
erste Hall-Platte 82a und eine zweite Hall-Platte 82b,
die im axialem Abstand zueinander stehen. Jede der ersten und zweiten
Hall-Platten 82a, 82b hat eine eindeutige Erfassungs-Achse 82c,
die senkrecht steht zu der ebenen Ober fläche der Platten. Um das magnetische
Feld, das aus der Schicht aus magnetischer Legierung 90a in
axialer Richtung relativ zur rotierbaren Welle 90 heraustritt,
zu erfassen, ist deswegen jede der ersten Hall-Platten 82a auf
dem Umfang angeordnet in einer ersten gemeinsamen Ebene über der
Schicht aus magnetischer Legierung 90a und jede der zweiten Hall-Platten 82b ist
auf dem Umfang angeordnet in einer zweiten gemeinsamen Ebene über der
Schicht aus magnetischer Legierung 90a.
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Im Betrieb fließt Strom durch jede der ersten Hall-Platten 82a in
einer ersten Richtung und durch jede der zweiten Hall-Platten 82b in
einer zweiten Richtung, die entgegen gesetzt ist zum Fluss durch jede
der ersten Hall-Platten 82a. Der Strom, der durch die ersten
und zweiten Hall-Platten 82a, 82b fließt, fließt weiterhin
in einem rechten Winkel relativ zu den Erfassungs-Achsen der ersten
und zweiten Hall-Platten 82a, 82b. Dies erzeugt
einen Spannungsabfall an jeder der ersten und zweiten Hall-Platten 82a, 82b in
einem rechten Winkel zu dem dadurch fließenden Stromfluss und dem dadurch
fließenden
Fluss des magnetischen Feldes. Der Spannungsabfall über den
Platten 82a, 82b entspricht dem Wert des Drehmoments.
Die ersten Hall-Platten 82a sind in einer ersten Richtung
orientiert und die zweiten Hall-Platten 82b sind in einer zweiten
Richtung orientiert, die entgegengesetzt ist zu der der ersten Hall-Platten 82a,
so dass das resultierende externe magnetische Feld, das durch die Hall-Platten 82a, 82b erfasst
wird, Null ist.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführung der
Erfindung sind die ersten und zweiten Hall-Platten 82a, 82b und
die Hall-Platten-Paare 82, die dadurch dargestellt sind,
(zu dem Detektor hin) in Reihe geschaltet. Alternativ können die
Hall-Platten 82a, 82b und/oder die Hall-Platten
Paare 82 einzeln mit dem Detektor verbunden werden. Es
sollte von einem Fachmann wahrgenommen werden, dass durch die Positionierung
der ersten und zweiten Hall-Platten 82a, 82b eng
beieinander im Umfang um die Schicht aus magnetischer Legierung 90a die
Auswirkungen von Inhomogenitäten
im magne tischen Feld, das von der Schicht aus magnetischer Legierung 90a ausgeht,
und das aus Anomalien in der magnetischen Legierung resultiert,
praktisch eliminiert werden.
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Ein weiterer Drehmoment-Sensor 100 entsprechend
der Erfindung ist in 11 dargestellt. Dieser
Drehmoment-Sensor 100 hat ein Erfassungselement in Form
eines Arrays bzw. Netzes aus anisotropischen Magneto-Widerständen (AMR)
bzw. magnetoresistiven Elementen 102. Das Netz aus anisotropischen
Magneto-Widerständen 102 kann
auf jedem Substrat-Material 104 aufgebracht werden, das in
eine Form gebracht wird, die mit der Form der rotierbaren Welle 110 verträglich ist.
Das Substrat-Material 104 kann Permalloy sein, es ist aber
nicht darauf beschränkt.
Das Netz aus anisotropischen Magneto-Widerständen 102, das in den
Zeichnungen dargestellt ist, verwendet eine Vielzahl von AMR-Element-Flächenstücken 102a,
von denen jede vier Magneto-Widerstände in einer Wheatstone-Brücken-Konfiguration
aufweist. Die Flächenstücke 102a können aus
einer Stromquelle gespeist werden. Jedes der AMR-Element-Flächenstücke 102a kann einen
Spannungs-Abgriff
besitzen, oder es kann ein einziger paralleler Spannungs-Abgriff
für die
gesamte Flächenanordnung
aus anisotropischen Magneto-Widerständen 102 verwendet
werden. Ein Differential-Verstärker 106 und
eine Signalaufbereitungs-Schaltung (nicht gezeigt) können die
Spannung am Spannungs-Abgriff
messen.
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Jeder der vorangehenden Drehmoment-Sensoren
erfasst das magnetische Feld, das von der rotierbarem Welle in axialer
Richtung relativ zu der Welle ausgeht. Die vorliegende Erfindung
ist nicht beschränkt
auf Drehmoment-Sensoren
zur Erfassung von magnetischen Feldern, die von rotierbaren Wellen
in axialer Richtung relativ zu den Wellen ausgehen. Zum Beispiel
ist in den 12 bis 14 ein Drehmoment-Sensor 120 dargestellt,
der das magnetische Feld ermittelt, das von einer rotierbaren Welle 130 an
der Grenze zwischen zwei Drehmoment Erfassungs-Zonen und in radialer
Richtung relativ zu der Welle 130 ausgeht. Dieser Drehmoment-Sensor 120 weist
eine Vielzahl von Spulen 122 auf, die im Abstand zu der
rotierbaren Welle 130 angeordnet sind. Dies kann mit jedem
geeigneten Träger
erfolgen, wie zum Beispiel dem gezeigten Spulenkörper 124. Jede Spule 122 weist
eine Wicklung auf, die von einem Kern-Element 126 aus magnetischer
Legierung getragen wird. Die Spulen 122 erstrecken sich
radial relativ zu der rotierbaren Welle 130 und auf den
Umfang bezogen in einer gemeinsamen Ebene. Alle Spulen 122 können aus
einer einzelnen Länge
an Draht 128 hergestellt sein, wie in den Zeichnungen dargestellt,
und mit einem Detektor verbunden sein (nicht gezeigt) mit Hilfe
der Länge des
Drahtes 128. Alternativ können die Spulen 122 einzelnen
mit dem Detektor verbunden sein, der nachfolgend die Signale der
einzelnen Spulen 122 arithmetisch kombiniert, um ein gemeinsames
Ausgangs-Signal zu erzeugen, das unabhängig ist von den Anomalien
bezüglich
des Rotations-Winkel in der magnetischen Legierung.
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Der Betrieb dieses Drehmomentsensors 120 ist ähnlich dem
Betrieb der oben beschriebenen Drehmoment-Sensoren. Zum Beispiel
misst der Detektor die Stärke
der radialen Komponente des magnetischen Feldes, das von der rotierbaren
Welle 130 ausgeht, indem die Strom-Änderungen in den Spulen 122 erfasst
werden. Der Spannungswert an den Anschlüssen 128a, 128b,
der mit einem Spannungs-Sensor gemessen wird, ist proportional zu
der Permeabilität
der Kern-Elemente 126. Wenn kein Drehmoment über die
rotierbare Welle 130 übertragen
wird, tritt kein magnetisches Feld aus der rotierbaren Welle 130 aus,
und es besteht ein Zustand des Gleichgewichts. Wenn Drehmoment über die
rotierbare Welle 130 übertragen
wird, ändert
sich die Permeabilität
der Kern-Elemente 126 als Folge der Änderung im magnetischen Feld,
das aus der rotierbaren Welle 130 austritt. Die Änderung
im magnetischen Feld, das aus der rotierbaren Welle 130 heraus
tritt, erzeugt eine Phasenverschiebung der periodischen Spitzenwerte
der Permeabilität
der Kern-Elemente 126. Ein Analysator übersetzt die Phasenverschiebung
der periodischen Spitzenwerte der Permeabilität in einen dementspre chenden
Wert des Drehmoments. Eine Anzeige-Schaltung, die mit dem Analysator
verbunden ist, erzeugt ein Ausgangs-Signal, das der Größe des Drehmoments
entspricht, das an der rotierbaren Welle 130 angelegt ist.
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Ein weiterer Drehmoment-Sensor 140 ist
in 15 dargestellt. Dieser
Drehmoment-Sensor 140 ist ähnlich dem unmittelbar vorangehenden
Drehmoment-Sensor 120, außer dass die Spulen 142 so
orientiert sind, dass sie die magnetischen Felder erfassen, die
von der rotierbaren Welle 150 entlang den Feldlinien des
magnetischen Feldes ausgehen, die im Allgemeinen kurvenförmigen Wegen
folgen in Richtungen von spitzen Winkeln relativ zu der rotierbaren
Welle 150.
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Noch ein weiterer Drehmoment-Sensor 160 ist
in 16 dargestellt. Dieser
Drehmoment-Sensor 160 ist ähnlich zu den vorangehenden
Drehmoment-Sensoren 120, 140,
außer
dass dieser Drehmoment-Sensor 160 zusätzlich ein Element zur Fluss-Verteilung 162 enthält, das
zwischen der rotierbaren Welle 170 und dem Spulenkörper 164 angeordnet
ist. Inhomogenitäten
im magnetischen Feld, das aus der rotierbaren Welle 170 heraus
tritt, die aus Anomalien in der magnetischen Legierung der rotierbaren
Welle 170 herrühren,
werden auf dem Umfang verteilt in die Elemente zur Fluss-Verteilung 162 und besitzen
deswegen abgeschwächte
Größenordnungen
relativ zu den achsensymmetrischen Komponenten des magnetischen
Feldes, wie es durch die Spulen erfasst wird.
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Ein weiterer Drehmoment-Sensor 180 ist
in den 17 und 18 dargestellt. Dieser Drehmoment-Sensor 180 ist
hergestellt aus einer Vielzahl von Sensor-Elementen. Jedes Sensor-Element
enthält
eine Spule 182, die aufgebaut ist aus einem, zwei (wie
dargestellt) oder möglicherweise
auch mehr diametral angeordneten, ringförmigen, halbringförmigen oder
teilringförmigen
Folien-Kern-Elementen 184 und einer Spulenwicklung 186,
die um die Folien-Kern-Elemente 184 gewickelt ist.
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Noch ein weiterer Drehmoment-Sensor 200 ist
in 19 dargestellt, wobei
die Sensor-Elemente die Form eines um den Umfang angeordneten Feldes von
Hall-Platten 202 haben, die im Abstand von einer rotierbaren
Welle 210 angeordnet sind. Die Sensoren-Achse jeder Hall-Platte 202 ist
radial gerichtet und positioniert an einer Grenze 210a zwischen
zwei Drehmoment-Erfassungszonen 210b der
rotierbaren Welle 210. Jeder der Drehmoment-Sensoren 180, 200 steht
zur Verfügung
zu Erfassung des magnetischen Feldes, das aus einer rotierbaren
Welle 210 in radialer Richtung heraus tritt relativ zu
der Welle 210.
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Die Drehmoment-Sensoren entsprechend der
vorliegenden Erfindung weisen jeder eine magnetische Substanz bzw.
Verbindung bzw. Legierung und eine oder mehrere Sensoren-Elemente über der magnetischen
Legierung auf, um das magnetische Feld zu erfassen, das von der
magnetischen Legierung ausgeht. Da die Sensorelemente auf dem Umfang
um die magnetische Legierung herum angeordnet sind, im Gegensatz
zu einer Anordnung an einem einzelnen isolierten Punkt gegenüber der
magnetischen Legierung, ist der Drehmoment-Sensor unbeeinflusst
von Anomalien in der magnetischen Legierung und er bietet deswegen
eine genaue und verlässliche
Erfassung des Drehmoments, das mit der rotierbaren Welle übertragen
wird.
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Anomalien im magnetischen Feld, das
aus der magnetischen Legierung heraus tritt, sind substanziell in
ihrem Einfluss verringert durch die Verteilung der Elemente für die Erfassung
des magnetischen Feldes über
eine Anordnung in einem Winkel-Bereich des Umfangs der rotierbaren
Welle in der axialen Nachbarschaft der magnetoelastisch aktiven, das
Drehmoment erfassenden Zonen der Welle. Durch Anordnung eines auf
dem Umfang verteilten Feldes von Erfassungs-Elementen und Erzeugung eines
summierten Ausgangssignals von diesem Array bzw. Feld wird nur die
achsensymmetrische Komponente des magnetischen Feldes erfasst, das
aus der magnetischen Le gierung heraus tritt. Es ist die achsensymmetrische
Komponente, die die Antwort auf das Drehmoment darstellt, das auf
die rotierende Welle ausgeübt
wird. Die anomalen Komponenten, die mit dem Rotations-Winkel der
Welle variieren, werden im Wesentlichen aus dem Ausgangssignal herausgeholt.
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Obwohl diese Erfindung in Form von
verschiedenen bevorzugter. Ausführungen
beschrieben worden ist, können
Fachleute sich verschiedene Modifikationen und Zusätze vorstellen.
Alle solche Variationen, Modifikationen und Veränderungen sollen im Geltungsumfang
dieses Patentes enthalten sein, der nur durch die beigefügten Patentansprüche eingeschränkt ist.
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Entsprechend den Regeln der Patent-Statuten
ist das Prinzip und die Art der Durchführung dieser Erfindung mit
Hilfe der bevorzugten Ausführungen
erklärt
und illustriert worden. Die Erfindung ist aber trotzdem so zu verstehen,
dass sie auch anders ausgeführt
werden kann, als speziell erklärt
und illustriert, ohne von Geist oder Geltungsumfang abzugehen.