DE3940220A1 - Belastungsdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft berührungsfreie Belastungsdetektoren, um Belastungen, Spannungen, Verformungen oder dergleichen zu messen, die durch ein Drehmoment hervorgerufen werden, welches an einer Welle von rotierenden Maschinen hervorgerufen wird, und zwar auf der Grundlage des magnetostriktiven Effektes, ohne daß ein direkter Kontakt mit der Welle stattfindet.

In jüngerer Zeit sind berührungsfreie Belastungsdetektoren, die auch als Drehmomentwandler oder Drehmomentsensoren bezeich­ net werden, bekannt geworden, welche spannungs- oder belastungs­ empfindliche, bandförmige dünne Elemente verwenden, die an ei­ ner Welle in einem Zick-Zack-Muster angebracht sind. Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines solchen Belastungsdetektors, der bei­ spielsweise aus der JP-OS 57-2 11 030 bekannt ist. Der Aufbau einer solchen Anordnung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 kurz erläutert.

Auf der seitlichen Oberfläche einer angetriebenen Welle 1, an der ein Drehmoment angreift, sind eine Vielzahl von magneto­ striktiven Elementen 2 und 3 in einem Zick-Zack-Muster ange­ bracht, die aus einem weichen magnetischen Material bestehen, dessen Permeabilität sich in Abhängigkeit von den Werten der Belastung ändert, die sich darin durch das an der Welle 1 an­ greifende Drehmoment ausbildet. Die belastungsempfindlichen Elemente sind in zwei parallelen Gruppen von Streifen oder Bän­ dern 2 und 3 angeordnet, deren Längsrichtung mit der Achse der Welle 1 Winkel von +45° bzw. -45° bildet. Ringförmige Abtast- oder Meßspulen 4 und 5 sind um die beiden Gruppen von magneto­ striktiven belastungsempfindlichen Elementen 2 bzw. 3 herum­ gewickelt, um die Änderungen ihrer Permeabilität zu messen.

Die Arbeitsweise des Belastungsdetektors gemäß Fig. 1 ist fol­ gende: Wenn ein Drehmoment an der Welle 1 angreift, werden die Hauptspannungen in der Welle 1 und somit in den daran angebrach­ ten magnetostriktiven Elementen 2 und 3 längs der Hauptachsen erzeugt, deren Richtungen mit den Längsrichtungen der beiden Gruppen von magnetostriktiven Elementen 2 bzw. 3 zusammenfal­ len. Diese Hauptspannungen wirken als Zugkraft auf die eine der beiden Gruppen von magnetostriktiven Elementen 2 und 3 so­ wie als Schubkraft auf die andere der beiden Gruppen.

Dies ruft Veränderungen in den Permeabilitäten dieser magneto­ striktiven Elemente 2 und 3 hervor, die nachstehend erläutert sind. Wenn eine (mechanische) Spannung auf ein magnetisches Material ausgeübt wird, werden im allgemeinen seine magneti­ schen Eigenschaften und damit seine Permeabilität verändert, so daß die Permeabilität in Abhängigkeit vom jeweiligen Fall zunimmt oder abnimmt. Dieser Effekt, welcher dem Villari-Effekt entspricht, bei dem die Permeabilität eines magnetischen Mate­ rials in Abhängigkeit von der darin ausgebildeten Verformung oder Belastung geändert wird, wird in Magnetostriktionswand­ lern verwendet, die eine mechanische Energie in eine elektrische Energie umwandeln.

Die Konstante, welche quantitativ den Wert der magnetostrikti­ ven Empfindlichkeit eines magnetischen Materials repräsen­ tiert, wird als magnetostriktive Konstante bezeichnet. Die magnetostriktive Konstante eines Materials gibt nämlich quan­ titativ die Abhängigkeit seiner Permeabilität oder Suszepti­ bilität von der darin ausgebildeten Belastung an. Wenn der Wert der magnetostriktiven Konstanten positiv ist, nimmt die Permeabilität bei einwirkender Zugkraft zu; wenn ihr Wert ne­ gativ ist, liegt der umgekehrte Effekt vor.

Somit nimmt die Permeabilität der beiden Gruppen von magneto­ striktiven Elementen 2 und 3 zu oder ab, und zwar in Abhängig­ keit von der darin ausgebildeten Verformung, entsprechend dem Wert des an der Welle 1 angreifenden Drehmomentes. Diese Ände­ rungen der Permeabilitäten in den beiden Gruppen von magneto­ striktiven Elementen 2 und 3 werden von den Meßspulen 4 bzw. 5 abgetastet als Änderungen der magnetischen Impedanz. Somit kann die Beanspruchung, Belastung oder Verformung in der Welle 1 ohne direkten Kontakt mit ihr gemessen werden.

Diese kontaktfreien Belastungsdetektoren sind im Prinzip aus­ gezeichnet, dennoch bleiben einige Aspekte verbesserungsbedürf­ tig. Aus diesem Grunde sind zahlreiche Vorschläge zur Verbes­ serung von derartigen Belastungsdetektoren gemacht worden.

In der JP-OS 59-1 80 338 wird beispielsweise ein Drehmomentsen­ sor angegeben, wobei ein magnetischer Kern aus einer amorphen Legierung bei der Abtastung der Veränderung der magnetischen Eigenschaften verwendet wird. Weiterhin ist in der JP-OS 60- 2 60 821 ein Drehmomentsensor angegeben, wobei ein Joch aus ei­ ner amorphen Kupfer-Nickel-Legierung vorgesehen ist, um magne­ tischen Streufluß außerhalb der Abtastspule zu verhindern.

Die Vorschläge für Verbesserungen der kontaktfreien magneto­ striktiven Belastungssensoren sind jedoch für die Praxis nicht ausreichend. Da nämlich die Curie-Temperatur von amorphen magnetischen Materialien niedrig ist, besteht bei ihren magne­ tischen Eigenschaften die Tendenz, daß sie über eine längere Zeitdauer Veränderungen unterliegen. Außerdem tritt bei Bändern aus diesen Materialien Anisotropie in Längsrichtung auf, was durch das Verfahren zu ihrer Herstellung bedingt ist.

Wenn sie infolgedessen als ein magnetisches Joch in der Form von Mehrfachschichten um die Welle herum vorgesehen sind, so ist eine Anisotropie senkrecht zur Richtung des Magnetflusses unvermeidlich. Obwohl Verbesserungen unter Verwendung von Wär­ mebehandlungen in magnetischen Feldern versucht worden sind, treten bei derartigen Behandlungen Schwierigkeiten in der Hand­ habung auf, die durch die Sprödigkeit des Materials bedingt sind, wobei ein sicheres Haftvermögen der Materialien nicht gewährleistet werden kann.

Ein weiterer Nachteil von amorphen magnetischen Legierungen, die als Materialien für magnetostriktive Elemente verwendet werden, besteht darin, daß ihre magnetostriktiven Konstanten nicht ausreichend hoch sind, um eine ausreichend hohe Empfind­ lichkeit des Belastungsdetektors zu gewährleisten. Wenn sie als Material für das magnetische Joch verwendet werden, tritt außerdem Rauschen auf, bedingt durch die Resonanz, welche durch die Magnetostriktion hervorgerufen wird.

Da bei herkömmlichen Anordnungen keinerlei magnetische Abschir­ mungen vorgesehen sind, war die Unterbindung von magnetischem Streufluß und der Schutz gegenüber äußeren magnetischen Stö­ rungen unzureichend. Ferner treten bei den magnetischen Jochen hinsichtlich ihrer Halterung Probleme auf, und die magnetischen Eigenschaften der Joche unterliegen Veränderungen, die hervor­ gerufen werden durch thermische Belastungen von anderen Teilen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen kontaktfreien Bela­ stungsdetektor der oben beschriebenen Art anzugeben, der sich durch eine verbesserte Meßgenauigkeit und Meßempfindlichkeit auszeichnet, wobei der Belastungsdetektor gegenüber äußeren magnetischen Störungen geschützt sein soll und die magnetischen Joche, welche die Abtastspulen umgeben, um den Magnetfluß hin­ durchgehen zu lassen, keinerlei Belastungen von anderen Teilen unterliegen, so daß eine genaue und zuverlässige Spannungs- bzw. Belastungsabtastung gewährleistet ist.

Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung in zufriedenstellender Weise erreicht. In vorteilhafter Weise wird von dem erfindungs­ gemäßen Belastungsdetektor kein akustisches Rauschen in den Jochen erzeugt, so daß insofern keine Störung bei der Messung durch die Magnetostriktion der magnetischen Joche auftritt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Belastungsdetektors besteht darin, daß seine Montage in einfacher Weise durchge­ führt werden kann, insbesondere die Anbringung der Wicklungen der Abtastspulen sowie der magnetischen Joche.

Der erfindungsgemäße Belastungsdetektor weist, zusätzlich zu den magnetostriktiven Elementen, die an der Welle angebracht sind, deren Belastung gemessen werden soll, eine Abtast- oder Meßspule, welche die magnetostriktiven Elemente umgibt, ein hohles zylindrisches Joch aus einem weichen magnetischen Mate­ rial hoher Permeabilität, welche die Abtastspule umgibt, so­ wie eine hohle magnetische Abschirmung auf, welche das Joch umgibt, wobei radiale Spalten zwischen dem Joch und der Spu­ le einerseits und zwischen dem Joch und der Abschirmung ande­ rerseits ausgebildet sind.

Das magnetische Joch erhöht die Abtastempfindlichkeit, und die magnetische Abschirmung sorgt für einen Schutz gegenüber äuße­ ren magnetischen Störungen. Aufgrund der vorgesehenen radialen Spalten wird das magnetische Joch außerdem von äußeren Belastun­ gen befreit, welche Spannungen in dem Joch hervorrufen und da­ mit seine Permeabilität ändern könnten. Somit werden schädliche Einwirkungen von solchen Belastungen hinsichtlich der Genauig­ keit der Belastungsmessung minimal gemacht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die magneto­ striktiven Elemente aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die 45 bis 55 Gew.-% Nickel enthält. Das Joch besteht vorzugsweise aus einem weichen magnetischen Material hoher Permeabilität mit einer Magnetostriktion von Null oder einem vernachlässig­ baren Wert, beispielsweise aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die 70 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise etwa 80 Gew.-%, Nickel ent­ hält, oder aus einem Stahl mit 6,5% Si Rest Eisen. Die Ver­ wendung von derartigen Materialien verhindert die Erzeugung von akustischem Rauschen in dem Joch und gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Messung von Belastungen in der Welle.

Die magnetische Abschirmung kann aus einer hohlen zylindrischen Abschirmung aus einem nicht-magnetischen Material hoher elek­ trischer Leitfähigkeit bestehen. Sie kann außerdem eine äußere hohle zylindrische Abschirmung aufweisen, die aus einem wei­ chen magnetischen Material hoher Permeabilität besteht, wobei es sich um eine Nickel-Eisen-Legierung, die 70 bis 80 Gew.-% Nickel enthält, oder einen Stahl mit 6,5% Si, Rest Eisen, handeln kann.

In dem Falle, wo die magnetostriktiven Elemente in zwei axial beabstandete Gruppen unterteilt und zwei Abtastspulen vorge­ sehen sind, jeweils eine für eine der Gruppen, wird bevorzugt, daß die beiden Spulen um einen einzigen, integral ausgebilde­ ten Spulenkörper aus nicht-magnetischem Material gewickelt sind, während zwei separate Joche für jeweils eine der Spulen vorgesehen sind.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungs­ beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnun­ gen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt eines herkömm­ lichen Belastungsdetektors;

Fig. 2 eine Seitenansicht im Schnitt eines Belastungsdetektors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Skin-Tiefe oder Eindringtiefe des Magnetflusses in Ab­ hängigkeit von der Frequenz des Magnetflusses;

Fig. 4 und 5 Teilseitenansichten im Schnitt von zwei abgewan­ delten Ausführungsformen im Aufbau des Belastungsdetek­ tors gemäß Fig. 2; und in

Fig. 6 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung zur Erläuterung eines Belastungsdetektors gemäß einer vierten und fünf­ ten Ausführungsform der Erfindung.

Im folgenden soll zunächst auf Fig. 2 der Zeichnungen Bezug genommen werden, die eine erste Ausführungsform gemäß der Er­ findung zeigt und zur Erläuterung des grundsätzlichen Aufbaus des Belastungsdetektors dient.

Auf der Umfangsoberfläche der angetriebenen Welle 1, die sich um eine Mittelachse 6 dreht, sind zwei parallele Gruppen von dünnen platten- oder bandförmigen spannungsempfindlichen mag­ netostriktiven Elementen 7 und 8 in einem Zick-Zack-Muster an­ geordnet, und zwar in gleicher Weise wie die Gruppen von mag­ netostriktiven Elementen 2 und 3 gemäß Fig. 1. Die magneto­ striktiven Elemente 7 und 8 bestehend aus einem weichen magne­ tischen Material hoher Permeabilität, dessen magnetostriktive Konstante groß ist, beispielsweise aus Permalloy oder einer anderen Nickel-Eisen-Legierung oder aus einer amorphen magne­ tischen Legierung.

Die Welle 1 ist mit einem Paar von Lagern 9 und 10 gelagert, an denen ein hohler zylindrischer Spulenkörper 11 aus einem nicht-magnetischen, elektrisch isolierenden Material wie z. B. Kunstharz, angebracht und an seinen beiden Enden gelagert ist, so daß er die Welle 1 mit einem kleinen radialen Spalt umgibt. Der Spulenkörper 11 hat ein Paar von ringförmigen Aussparungen, die an seiner Außenoberfläche ausgebildet sind, und zwar in axialer Ausfluchtung mit den beiden Gruppen von magnetostrik­ tiven Elementen 7 und 8 im Zick-Zack-Muster; ein Paar von Ab­ tastspulen oder Meßspulen 12 und 13 sind um den Spulenkörper 11 herum in den jeweiligen Aussparungen gewickelt, so daß sie in axialer Ausfluchtung mit den jeweiligen Gruppen von magneto­ striktiven Elementen 7 und 8 sind.

Genauer gesagt, die beiden ringförmigen Aussparungen, die in der Außenoberfläche des Spulenkörpers 11 ausgebildet sind, sind stufenförmig in seinen axialen Endbereichen ausgebildet, wie es in Fig. 2 im einzelnen dargestellt ist, wobei die beiden Abtastspulen 12 und 13 in dem unteren abgestuften Bereich der jeweiligen Aussparungen untergebracht sind. Zwei magnetische Joche 14 und 15, die aus einem weichen magnetischen Material hoher Permeabilität bestehen, beispielsweise aus einer Eisen- Nickel (Fe-Ni) -Legierung, z. B. aus Permalloy PC gemäß der japanischen Industrienorm JIS C 2531, wobei es sich um eine Nickel-Eisen-Legierung mit einem Gehalt von 70 bis 80 Gew.-% Nickel handelt, oder aus einer amorphen Eisen-Kobalt (Fe-Co) - Legierung, dessen magnetostriktive Konstante einen kleinen Wert von etwa 1 bis 3 hat, sind innerhalb der jeweiligen Aus­ sparungen auf dem Spulenkörper 11 untergebracht, so daß sie an ihren axialen Endbereichen auf den Stufen gelagert sind, die an den axialen Enden der Aussparungen ausgebildet sind, und zwar in der Weise, daß kleine radiale Spalten 14 a und 15 a zwischen den Abtastspulen 12 und 13 einerseits und den jewei­ ligen Jochen 14 und 15 andererseits vorhanden sind. Die Joche 14 und 15 sind am Spulenkörper 11 an ihren axialen Endbereichen mit Klebstoff, Klebebändern oder dergleichen befestigt.

Außerdem umgibt eine hohle zylindrische Abschirmung 16 aus einem metallischen Material hoher Leitfähigkeit, wie z. B. Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al) die beiden Joche 14 und 15, wobei radiale Spalten 14 b und 15 b zwischen den Jochen 14 und 15 einerseits und der Abschirmung 16 andererseits ausgebil­ det sind. Eine Abtast- oder Meßschaltung 18 ist an die Aus­ gangsanschlüsse der Abtast- oder Meßspulen 12 und 13 ange­ schlossen.

Die Arbeitsweise des Belastungsdetektors gemäß Fig. 2 ist wie folgt: Wenn die Welle 1 beispielsweise in der Richtung T angetrieben wird und somit ein Drehmoment an der Welle 1 an­ greift, das darin Spannungen und Belastungen hervorruft, so sind die Gruppen von magnetostriktiven Elementen 7 und 8 Be­ lastungen ausgesetzt, so daß sich ihre Permeabilitäten ändern, und zwar in Abhängigkeit von den darin entwickelten Belastun­ gen.

Die Abtastspulen 12 und 13 messen die Änderungen der Permeabi­ litäten aus den Änderungen der magnetischen Impedanz der Mag­ netkreise, welche die beiden Gruppen von magnetostriktiven Elementen 7 bzw. 8 enthalten. Beim Empfang der Ausgangssignale von den Abtastspulen 12 und 13 erhält die Abtastschaltung 18 die Differenz der beiden Ausgangssignale von den Abtastspulen 12 und 13, und das Differenz-Ausgangssignal wird von der Ab­ tastschaltung 18 als Belastungs-Ausgangssignal V abgegeben, welches dem an der Welle 1 angreifenden Drehmoment entspricht.

Die Joche 14 und 15 aus weichem magnetischen Material hoher Permeabilität lassen den Magnetfluß hindurchfließen, der von den Abtastspulen 12 bzw. 13 erzeugt wird, um dadurch die mag­ netische Impedanz der Magnetkreise bezüglich der Abtastspulen 12 und 13 zu verringern und dadurch die Meßempfindlichkeit und Meßgenauigkeit zu erhöhen. Infolgedessen können die Abtastspu­ len 12 und 13 bei einem niedrigen Strompegel betrieben werden, was die Erzeugung von Hitze in ihnen minimal macht und dadurch die Einschalt-Drift unterdrückt, also die Änderung der Eigen­ schaften während der Einschaltdauer.

Die Abschirmung 16 aus einem nicht-magnetischen metallischen Material hoher Leitfähigkeit verhindert magnetischen Streufluß und das Eindringen von äußeren Magnetfeldern durch den Skin- Effekt, wodurch die Skin-Tiefe oder Eindringtiefe des Magnet­ flusses bei Hochfrequenzbetrieb reduziert wird.

Dieser Skin-Effekt ist in Fig. 3 schematisch dargestellt, wo­ bei die Skin-Tiefe des Magnetflusses von verschiedenen Mate­ rialien, einschließlich Kupfer, längs der Ordinate aufgetra­ gen ist gegenüber der Betriebsfrequenz längs der Abszisse. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß der Magnetfluß vollständig abge­ schnitten oder abgeschirmt wird von einem metallischen Material hoher Leitfähigkeit bei einer Frequenz oberhalb von 5 kHz, welches die Frequenz ist, die an den Abtastspulen 12 und 13 anliegt.

Somit verhindert das Vorsehen der Abschirmung 16 magnetischen Streufluß und das Eindringen von äußeren Störungen von Magnet­ feldern. Weiterhin wird durch das Vorsehen der Spalten 14 a, 14 b sowie 15 a, 15 b zwischen den Jochen 14 und 15 sowie den Ab­ tastspulen 12 und 13 einerseits und zwischen den Jochen 14 und 15 sowie der Abschirmung 16 andererseits die Erzeugung von thermischen Belastungen und deren Ausbreitung, hervorgerufen durch Differenzen zwischen den linearen Wärmeausdehnungskoef­ fizienten dieser Teile verhindert. Somit wird eine Veränderung der magnetischen Eigenschaften der Joche 14 und 15 minimal gemacht, welche aus den auf sie einwirkenden Beanspruchungen resultiert; somit wird die Präzision der Belastungsmessung gesteigert.

Da weiterhin der Spulenkörper 11 einen integralen Aufbau hat, wobei nämlich beide Abtastspulen 12 und 13 auf dem einen inte­ gralen Spulenkörper 11 montiert werden, kann der Wickelvor­ gang der Abtastspulen 12 und 13 bei der Montage des Detektors vereinfacht werden, wobei sich die Präzision der Wicklungen verbessern läßt. Da andererseits separate Joche 14 und 15 für die entsprechenden Abtastspulen 12 und 13 vorgesehen sind, kann eine Beeinträchtigung oder Störung der magnetischen Im­ pedanz der beiden Magnetkreise bezüglich der beiden Abtast­ spulen 12 und 13 verhindert werden.

Da weiterhin die Joche 14 und 15 aus einem magnetischen Mate­ rial bestehen, dessen magnetostriktive Konstante klein ist, wird die Erzeugung von akustischem Rauschen, die aufgrund ihrer Magnetostriktion stattfindet, wenn die Abtastspulen 12 und 13 im hörbaren Frequenzbereich betrieben werden, in wirksamer Weise verhindert, während die Änderung der magnetischen Impe­ danz der Magnetkreise, die durch äußere, auf die Joche 14 und 15 wirkenden Beanspruchungen hervorgerufen wird, minimal ge­ macht wird.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform, die eine Modifizie­ rung der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist. Bei dieser Ausführungsform haben die magnetischen Joche 14 und 15 einen mehrschichtigen oder mehrlagigen Aufbau, bestehend aus 5 bis 20 Schichten oder Lagen. Somit kann die Erzeugung von Wärme in den Jochen 14 und 15 bei Hochfrequenzbetrieb in noch wirksamerer Weise verhindert werden.

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform, die ebenfalls eine Modifizierung der ersten Ausführungsform darstellt. Bei dieser dritten Ausführungsform ist eine zweite Abschirmung 16 a aus nicht-magnetischem metallischem Material um den Außenumfang der Abschirmung 16 vorgesehen. Somit wird die Abschirmungs­ wirkung weiter verbessert. Es darf darauf hingewiesen werden, daß die Abschirmung 16, welche eine ausreichende Festigkeit hat, als Spulenkörper für die Abschirmung 16 a dienen kann, welche um sie herumgelegt ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 der Zeichnungen soll eine vierte Ausführungsform gemäß der Erfindung beschrieben werden, deren Aufbau ähnlich dem Aufbau der ersten Ausführungsform ist, mit der Ausnahme, daß eine zweite hohle zylindrische Abschirmung 17 aus einem magnetischen Material um die erste Abschirmung 16 herum angepaßt ist, welche aus einem nicht-magnetischen Material hoher elektrischer Leitfähigkeit besteht. Die ring­ förmigen Spalten 14 a, 14 b, 15 a, 15 b, die an den Innenseiten und Außenseiten der Joche 14 und 15 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 vorgesehen sind, können bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 entfallen. Es wird jedoch bevorzugt, daß der­ artige Spalten auch bei dieser Ausführungsform vorgesehen sind, obwohl sie in Fig. 6 zeichnerisch nicht dargestellt sind.

Die vierte Ausführungsform gemäß Fig. 6 zeichnet sich aus durch die Materialien, die für die verschiedenen Teile verwendet werden. Die beiden Gruppen von magnetostriktiven Elementen 7 und 8 bestehen aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die 45 bis 55 Gew.-% Nickel enthält (Permalloy PE gemäß der japanischen Industrienorm JIS C 2531). Die Joche 14 und 15 bestehen aus einer Nickel-Eisen-Legierung (Permalloy PC gemäß der japani­ schen Industrienorm JIS C 2531), die etwa 80 Gew.-% Nickel ent­ hält, wobei ihre Magnetostriktion Null oder vernachlässigbar klein ist.

Weiterhin darf darauf hingewiesen werden, daß die Joche 14 und 15 aus Permalloy PC zäh gegenüber Belastungen sind. Die erste Abschirmung 16 besteht aus einem nicht-magnetischen Material hoher Leitfähigkeit wie die entsprechende Abschirmung 16 gemäß der ersten Ausführungsform. Andererseits besteht die zweite Abschirmung 17 aus einer Nickel-Eisen-Legierung hoher Permea­ bilität (Permalloy PC gemäß der japanischen Industrienorm JIS C 2531).

Die Wirkungsweise der vierten Ausführungsform ist ähnlich wie die der oben beschriebenen ersten Ausführungsform. Im Falle der vierten Ausführungsform bestehen jedoch die Gruppen von magnetostriktiven Elementen 7 und 8, die Joche 14 und 15 so­ wie die zweite Abschirmung 17 aus den Permalloys der oben an­ gegebenen Art. Somit sind sie magnetisch stabil über eine lan­ ge Betriebsdauer; weiterhin sind sie zäh und stabil und erfor­ dern keine besonders vorsichtige Handhabung bei der Montage.

Genauer gesagt, da die Gruppen von magnetostriktiven Elementen 7 und 8 aus Permalloy PE der oben beschriebenen Art bestehen, dessen Permeabilität hoch und dessen magnetostriktive Konstan­ te groß ist, wird die Abtastempfindlichkeit verbessert, wobei ein breiter dynamischer Bereich erzielt werden kann.

Die Joche 14 und 15, welche die Funktion haben, den von den Abtastspulen 12 und 13 erzeugten Magnetfluß zu konzentrieren und hindurchfließen zu lassen, um magnetischen Streufluß zu verhindern und um die Abtastempfindlichkeit um ein Mehrfaches zu erhöhen, bestehen aus Permalloy PC der oben angegebenen Art, dessen Magnetostriktion Null oder vernachlässigbar klein ist. Infolgedessen findet eine Resonanz aufgrund der Magneto­ striktion nicht statt, so daß die Erzeugung von akustischem Rauschen darin in wirksamer Weise verhindert werden kann.

Infolgedessen kann störendes Rauschen in effektiver Weise ver­ hindert werden, das in den Jochen 14 und 15 dann erzeugt wird, wenn die Abtastspulen 12 und 13 im hörbaren Frequenzbereich be­ trieben werden. Außerdem kann die Empfindlichkeit der magneti­ schen Impedanz im Hinblick auf störende äußere Einwirkungen reduziert werden.

Ferner wirkt die zweite Abschirmung 17 aus Permalloy PC als magnetische Abschirmung. Es wird darauf hingewiesen, daß der Abschirmungseffekt der zweiten Abschirmung 17 im Hochfrequenz­ bereich gesteigert werden kann durch die Verwendung eines Mehr­ schichtenaufbaus, wobei eine Beschichtung aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z. B. Magnesiumoxid (MgO), darauf aufgebracht wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 soll eine fünfte Ausführungsform beschrieben werden, die den gleichen strukturellen Aufbau hat wie die vierte Ausführungsform. Es sind lediglich die Materia­ lien der Joche 14 und 15 sowie der zweiten Abschirmung 17 ver­ schieden von denen, die bei der vierten Ausführungsform ver­ wendet werden.

Die Joche 14 und 15 bestehen nämlich aus einer Stahlplatte mit 6,5 Gew.-% Silizium (Si), Rest Eisen (Fe), wobei die Vickers- Härte Hv dieses Materials etwa 500 beträgt. Die zweite Abschir­ mung 17 kann aus einem herkömmlichen weichen magnetischen Mate­ rial hoher Permeabilität (wie oben beschrieben) bestehen, oder aus einem Stahl mit 6,5 Gew.-% Silizium (Si), Rest Eisen (Fe).

Der Vorteil der Verwendung einer Stahlplatte mit 6,5 Gew.-% Silizium, Rest Eisen, als Material für die Joche 14 und 15 und möglicherweise für die zweite Abschirmung 17, verglichen mit dem Fall, wo ein herkömmliches weiches magnetisches Material hoher Permeabilität verwendet wird, wie z. B. eine amorphe Legierung oder ein Siliziumstahl, ist nachstehend erläutert.

Bevor der eigentliche Vorteil angegeben wird, soll zunächst einmal das Problem bei herkömmlichen magnetischen Materialien erläutert werden. Amorphe Legierungen haben eine hohe Permea­ bilität in der Größenordnung von etwa 10⁵ und liefern somit gute magnetische Eigenschaften. Die Magnetkreise für die Ab­ tastspulen 12 und 13 enthalten jedoch Luftschichten oder Luft­ spalten sowie Teile aus magnetischen Materialien, und diese Luftschichten oder Luftspalten sind Hauptfaktoren, welche die magnetische Impedanz der Magnetkreise bestimmen.

Somit ist eine hohe Permeabilität in der vorstehend angegebe­ nen Größenordnung für die Joche 14 und 15, usw. nicht erforder­ lich. Eine Permeabilität von etwa 10⁴ ist ausreichend. Weiter­ hin sind die amorphen Legierungen teuer und haben eine große Härte, was ihre Verarbeitung schwierig macht. Da außerdem eisenhaltige amorphe Legierungen und herkömmliche Silizium­ stahlplatten keine Materialien mit sogenannter Null-Magneto­ struktion sind, können sie aufgrund der Magnetostriktion der Resonanz unterliegen, so daß dadurch die Abtastgenauigkeit und -empfindlichkeit verringert wird.

Stahl mit 6,5 Gew.-% Silizium, Rest Eisen, hat andererseits eine Null-Magnetostriktion sowie eine Vickers-Härte Hv, die etwa halb so groß ist wie die von amorphen Legierungen, und ist außerdem nicht teuer. Somit ergeben sich die folgenden Vorteile aus der Verwendung von Stahl mit 6,5 Gew.-% Silizium, Rest Eisen, als Material für die Joche 14 und 15.

Da nämlich die Härte von Stahl mit 6,5 Gew.-% Silizium, Rest Eisen, etwa halb so groß ist wie die von amorphen Legierungen, wird die Verarbeitbarkeit stark verbessert. Da außerdem Stahl mit 6,5 Gew.-% Silizium, Rest Eisen, ein Material mit sogenann­ ter Null-Magnetostriktion ist, findet keine Resonanz statt, und die Abtastempfindlichkeit und -genauigkeit wird verbessert.

Obwohl die maximale Permeabilität von Stahl mit 6,5 Gew.-% Silizium, Rest Eisen, 5,8×10⁴ beträgt, was um eine Größen­ ordnung kleiner ist als der entsprechende Wert von amorphen Legierungen, beeinträchtigt diese Abnahme der Permeabilität bei den Jochen 14 und 15 kaum die Funktion der Magnetfluß­ konzentration der Joche 14 und 15, da die Luftspalten inner­ halb der Magnetkreise die Hauptfaktoren sind, welche ihre magnetische Impedanz bestimmen.

Ähnliche Vorteile resultieren aus der Verwendung von Stahl mit 6,5 Gew.-% Silizium, Rest Eisen, als Material für die zweite Abschirmung 17.

Claims (8)

1. Belastungsdetektor zur Messung von Belastungen, Spannungen, Verformungen oder dergleichen in einer zylindrischen Welle, an der ein Drehmoment angreift, gekennzeichnet durch

• - dünne magnetostriktive Elemente (7, 8) aus einem weichen magnetischen Material hoher Permeabilität, die an der Außenumfangsfläche der Welle (1) angebracht sind, wobei die Permeabilität der magnetostriktiven Elemente (7, 8) sich in Abhängigkeit von einer darin ausgebildeten Bean­ spruchung ändert;
• - eine Abtastspulenanordnung (12, 13, 18) mit einer Abtast­ spule (12, 13), die um die Welle (1) herum angeordnet ist und die magnetostriktiven Elemente (7, 8) umgibt, um Ver­ änderungen der Permeabilität der magnetostriktiven Ele­ mente (7, 8) zu messen,
• - ein hohles zylindrisches Joch (14, 15) aus einem weichen magnetischen Material hoher Permeabilität, das um die Ab­ tastspule (12, 13) der Abtastspulenanordnung herum ange­ ordnet ist, wobei ein radialer Spalt (14 a, 15 a) zwischen einer Außenoberfläche der Abtastspule (12, 13) und einer Innenoberfläche des zylindrischen Joches (14, 15) ausge­ bildet ist, und
• - eine hohle zylindrische magnetische Abschirmung (16), die um das Joch (14, 15) herum angeordnet ist, wobei ein radialer Spalt (14 b, 15 b) zwischen einer Außenoberfläche des Joches (14, 15) und einer Innenoberfläche der Abschir­ mung (16) ausgebildet ist.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Abschirmung (16) eine hohle zylindri­ sche Abschirmung aus einem nicht-magnetischem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit aufweist.

3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Elemente (7, 8) aus einer Nickel- Eisen-Legierung bestehen, die 45 bis 55 Gew.-% Nickel ent­ hält.

4. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (14, 15) aus einer Nickel-Eisen-Legierung be­ steht, die 70 bis 80 Gew.-% Nickel enthält.

5. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Abschirmung (16) eine zweite hohle zylindrische Abschirmung aufweist, die aus einer Nickel- Eisen-Legierung mit 70 bis 80 Gew.-% Nickel besteht und die um die Abschirmung (16) aus nicht-magnetischem Material her­ um angeordnet ist.

6. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (14, 15) aus Stahl mit 6,5 Gew.-% Silizium, Rest Eisen, besteht.

7. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Abschirmung (16) eine zweite hohle zylindrische Abschirmung (17) aufweist, die aus Stahl mit 6,5 Gew.-% Silizium, Rest Eisen, besteht und die um die Ab­ schirmung (16) aus nicht-magnetischem Material herum ange­ ordnet ist.

8. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetostriktiven Elemente (7, 8) in zwei Gruppen an der Außenoberfläche der Welle (1) angebracht sind, wobei die Gruppen von magnetostriktiven Elementen (7, 8) in axia­ ler Richtung voneinander getrennt sind, die Abtastspulen­ anordnung (12, 13, 18) zwei Abtastspulen (12, 13) enthält, von denen jeweils eine um eine der beiden Gruppen von mag­ netostriktiven Elementen (7, 8) in axialer Ausfluchtung an­ geordnet ist,
daß ein integral ausgebildeter, hohler zylindrischer Spulen­ körper (11) aus nicht-magnetischem Material vorgesehen ist, der um die Welle (1) herum angeordnet ist und ein Paar von Aussparungen aufweist, die an seiner Außenoberfläche vor­ gesehen sind und die beiden Abtastspulen (12, 13) der Ab­ tastspulenanordnung (12, 13, 18) aufnehmen,
und daß zwei separat ausgebildete Joche (14, 15) aus einem weichen magnetischen Material hoher Permeabilität vorgesehen sind, die jeweils eine der beiden Abtastspulen (12, 13) der Abtastspulenanordnung (12, 13, 18) in axialer Ausfluchtung umgeben.