-
Diese Erfindung bezieht sich auf einen Drehmoment-Sensor, der auf magnetischem Wege das Drehmoment ermittelt, das auf eine rotierbare Welle ausgeübt wird, ohne die Welle direkt zu kontaktieren, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
-
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 Feld auf, 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.
-
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.
-
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.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, den Drehmoment-Sensor der eingangs genannten Art zu verbessern, wobei insbesondere ein Ausgleich von nicht achsensymmetrischen Inhomogenitäten magnetischer Felder erfolgen soll. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
-
Ganz allgemein gesprochen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Drehmoment-Sensor, der die vorangehend beschriebenen 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.
-
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:
-
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, jedoch nicht nach dem Wortlaut des Patentanspruchs 1;
-
2 eine seitliche Ansicht des Drehmomentsensors, der in 1 dargestellt ist, jedoch nicht nach dem Wortlaut des Patentanspruchs 1;
-
3 eine querschnittliche Ansicht des Drehmomentsensors, der in den 1 und 2 dargestellt ist, jedoch nicht nach dem Wortlaut des Patentanspruchs 1;
-
4 eine perspektivische Ansicht einschließlich der umgebenden Elemente eines anderen Ausführungsbeispiels des Drehmomentsensors entsprechend der Erfindung, jedoch nicht nach dem Wortlaut des Patentanspruchs 1;
-
5 eine perspektivische Ansicht einschließlich der umgebenen Elemente eines weiteren Drehmomentsensors, jedoch nicht nach dem Wortlaut des Patentanspruchs 1;
-
6 eine Ansicht eines Ausschnitts aus dem Drehmoment-Sensor, der in 5 dargestellt ist,
-
7 eine schematische Darstellung eines Querschnitts des Drehmomentsensors, der in 6 dargestellt ist,
-
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 und nicht nach dem Wortlaut des Patentanspruchs 1;
-
9 eine schematische Darstellung im Querschnitt eines anderen Drehmomentsensors, jedoch nicht nach dem Wortlaut des Patentanspruchs 1;
-
10 eine perspektivische schematische Darstellung eines weiteren Drehmomentsensors, jedoch nicht nach dem Wortlaut des Patentanspruchs 1;
-
11 eine perspektivische schematische Darstellung noch eines weiteren Drehmomentsensors, jedoch nicht nach dem Wortlaut des Patentanspruchs 1;
-
12 eine perspektivische Ansicht eines Drehmomentsensors zur Erfassung des magnetischen Feldes, das von einer rotierbarem Welle ausgeht, in einer radialen Richtung relativ zur Welle, jedoch nicht nach dem Wortlaut des Patentanspruchs 1;
-
13 eine querschnittliche Ansicht des Drehmomentsensors, der in 12 dargestellt ist,
-
14 eine vergrößerte, teilweise schematische Darstellung als Querschnittszeichnung des Drehmomentsensors, der in 13 dargestellt ist,
-
15 eine teilweise schematische Darstellung als Querschnittszeichnung eines weiteren Drehmomentsensors zur Erfassung des magnetischen Feldes, das von einer rotierbaren Welle ausgeht, entlang kurvenförmigen Wegen in Richtung von spitzen Winkeln relativ zu der Welle, jedoch nicht nach dem Wortlaut des Patentanspruchs 1;
-
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,
-
17 eine seitliche Ansicht eines weiteren Drehmomentsensors, jedoch nicht nach dem Wortlaut des Patentanspruchs 1;
-
18 eine Draufsicht vom Ende her gesehen des Drehmomentsensors, entlang den Linien 18-18 in 17, und
-
19. eine schematische Abbildung in perspektivischer Darstellung eines weiteren Drehmomentsensors, jedoch nicht nach dem Wortlaut des Patentanspruchs 1.
-
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 Welk 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.
-
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 Spulenpaar 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.
-
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind alle Spulenpaare 14 aus 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 Drehwinkels der magnetischen Legierung unabhängig ist.
-
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.
-
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 Drehmoments 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.
-
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.
-
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 halb-zylindrischen 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 24b mit Verzahnung, die in der Figur dargestellt sind 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.
-
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.
-
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.
-
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 Folien-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.
-
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.
-
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.
-
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 Spult 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 verbinden 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.
-
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 Oberfläche 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.
-
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.
-
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 magnetischen Feld, das von der Schicht aus magnetischer Legierung 90a ausgeht, und das aus Anomalien in der magnetischen Legierung resultiert, praktisch eliminiert werden.
-
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.
-
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 Rotation-Winkel in der magnetischen Legierung.
-
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 dementsprechenden 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 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 Legierung 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.
-
Obwohl diese Erfindung in Form von verschiedenen bevorzugten 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.
-
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.
