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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Bestimmung des in einer Antriebswelle
erzeugten Drehmoments. Sie betrifft insbesondere die kontaktfreie
Bestimmung eines derartigen Drehmoments unter Verwendung magnetisierter
Wandler, wobei sucht die Einflüsse
interferierender Magnetfelder kompensiert, eliminiert oder vermieden
werden sollen.
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Es
wurden schon früher
Vorschläge
gemacht, magnetisierte Wandlerelemente für die Drehmomentsbestimmung
zu verwenden, wobei die Wandlerelemente einen Ring darstellen, der
an eine Verdrehwelle oder an der Welle selbst angebracht wurde.
In diesem Zusammenhang wird auf US-P-5,351,555; 5,465,627 und 5,520,059
und die veröffentlichten
PCT-Anmeldungen WO99/21150; WO99/21151 und WO99/56099 verwiesen.
In diesen Bescheibungen besteht der Ring oder die Welle aus umgebungsmäßig magnetisiertem,
magnetoelastischem Material, so dass die Magnetisierung eine geschlossene
Schleife um die Welle bildet. Ein Magnetisierungsmuster, das bei
der Umsetzung dieser Erfindung angewendet werden kann, ist die längsgerichtete
Magnetisierung des Wandlerbereichs. Eine Art der längsgerichteten
Magnetisierung wird in der Internationalen Patentanmeldung PCT/GB00/03119 offenbart,
die am 14. August 2000 angemeldet und unter der Nummer WO01/13081
veröffentlicht
wurde.
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Eine
Merkmal von Wandlersystemen, bei denen die magnetisierten Wandlerelemente
der vorstehend beschriebenen Art eingesetzt werden, besteht darin,
dass die durch das Wandlerelement bereitgestellte, drehmomentabhängige Feldkomponente durch
einen oder mehrere Sensoren erfasst werden können, die sich angrenzend,
jedoch nicht in Kontakt, zu den Wandlerelementen befinden. Kontaktfreie Sensorenvorrichtungen
sind bei der Drehmomentsbestimmung rotierender Wellen von besonderem Wert.
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Die
vorstehend aufgeführten
Verfahren beruhen auf magnetischen Grundlagen und können daher
durch andere, interferierende Magnetfelder beeinflusst werden, wie
beispielsweise durch das Magnetfeld der Erde oder durch Felder,
die von Elektromotoren erzeugt werden. In einigen Umgebungen, in denen
es wünschenswert
ist, das Drehmoment einer Welle zu erfassen, können sehr starke magnetische Felder
gegenwärtig
sein, insbesondere in der longitudinalen Achse des Erfassungssystems.
Eine übliche, diesbezügliche Anwendung
ist die sich erstreckende Achse eines Elektromotors, der eine vom
Motor vorspringende Welle aufweist.
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Die
EP-A-0 434 089 zeigt einen Drehmomentwandler für die Erfassung des Drehmoments
in einer rotierenden Welle, die einen Wandlerbereich aufweist, in
dem ein magnetisches Wandlerfeld erzeugt wird, wobei der Wandler
mindestens einen kontaktfreien, an den Wandlerbereich angrenzenden Sensor
aufweist, um ein drehmomentabhängiges
Signal zu erzeugen und Mittel, die auf ein ein Niveau-repräsentierendes
Signal für
einen längsgerichteten
Fluss ansprechen, und zu der genannten Welle magnetisch gekoppelt
vorliegen, um einen kompensierenden Fluss zu erzeugen, der dem longitudinalen Fluss
an dem Wandlerbereich entgegenwirkt. Bei dem Sensor handelt es sich
um eine Spule, an die ein Drehmoment-abhängiges,
alternierendes Magnetfeld gekoppelt ist. Die bewertende Schaltung
erfasst ein interferierendes, statisches Feld nicht direkt, sondern
durch den untergeordneten Effekt, den es durch Verzerrung der Schleife
um die B-H-Krümmung
ausübt,
wobei es die Erzeugung von geraden, harmonischen Schwingungen bewirkt.
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Die
GB-A-968503 zeigt zwei Wandleranordnungen, die jeweils einen Lesekopf
für das
Lesen einer entsprechenden, ständig-geschriebenen,
modulierten Magnetspur aufweisen, wobei der durch die Leseköpfe bereitgestellte
Phasenunterschied der Signale ausgewertet wird, um das Drehmoment
zu erhalten.
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Die
vorliegende Erfindung beinhaltet mehrere Gesichtspunkte. Ein erster
kann allgemein als einem interferierenden, magnetischen Feld kompensierend
oder entgegenwirkend angegeben werden. Eine zweiter kann allgemein
als eine selektive Signalannäherung
angegeben werden, insbesondere durch Einführung eines Frequenz-selektiven
Elements in den zu messenden, drehmomentabhängigen, magnetischen Fluss,
mit dem Signale aufgrund eines interferierenden Felds unterschieden
werden können.
Ein dritter Gesichtspunkt besteht darin, das interferierende, magnetische
Feld als ein Quell-Feld zu nutzen und einzusetzen, um davon eine
drehmomentabhängige
Komponente zu erhalten. Ein vierter Gesichtspunkt ist ein neuer
Weg, um das Drehmoment zu erfassen, auf den ein Frequenz-selektives Element
angewendet werden kann. Es ist möglich, Kombinationen
dieser Gesichtspunkte zu verwenden, insbesondere durch Kombination
des ersten Gesichtspunkts mit dem zweiten oder dritten.
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Eine
erfindungsgemäße Ausführung gemäß dem vorstehend
aufgeführten,
ersten Gesichtspunkt stellt einen in Anspruch 1 definierten Drehmomentwandler
bereit.
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Vorzugsweise
umfasst das an die Welle zur Erzeugung des kompensierenden Flusses
gekoppelte Mittel mindestens eine stromtragende Spule um die Welle.
Es kann ein paar axial beabstandete Spulen umfassen, zwischen denen
sich der Wandlerbereich befindet. Alternativ oder zusätzlich kann
auch eine magnetische Struktur bereitgestellt werden, die axial
beabstandete Pole entlang der Welle aufweist, wobei mindestens eine
Spule um die magnetische Struktur gewickelt ist.
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Eine
erfindungsgemäße Ausführung gemäß des vorstehend
aufgeführten,
dritten Gesichtspunkts stellt einen Drehmomentwandler für die Erfassung des
Drehmoments in einer rotierenden Welle bereit, die im Betrieb ein
sich dort entlang erstreckendes, longitudinales Feld aufweist, wobei
mindestens ein Sensor kontaktfrei, angrenzend an einen Abschnitt der
Welle, angeordnet ist, um ein Signal zu erfassen und bereitzustellen,
das von der transversalen Komponente des aus dem longitudinalen
Fluss als Antwort auf das Drehmoment der Welle entstehenden Flusses
abhängt.
Insbesondere ist eine transversale Komponente transversal zu der
Rotationsachse und wird auf der Oberfläche des Bereichs der Welle üblicherweise
als Komponente in der umgebungsmäßigen oder
tangentialen Richtung nachgewiesen. In der bevorzugten Ausführungs form
ist mindestens ein weiterer, kontaktfreier Sensor angeordnet, um
den longitudinalen Fluss zu erfassen und um ein davon abhängendes
Referenzsignal bereitzustellen, gegen das die transversale Komponente
erfasst wird, die dazu verwendet wird, um einen Wert für das Drehmoment
in der Welle zu erhalten.
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In
noch einer anderen Ausführung
der Erfindung, dieses mal gemäß dem zweiten,
vorstehend aufgeführten
Gesichtspunkt des selektiven Signals, beinhaltet ein Drehmomentwandler
für die
Erfassung des Drehmoments in einer rotierenden Welle einen Anteil
oder Bereich der Welle, die als ein Wandlerelement fungiert und
die zwischen einem Spulenpaar angeordnet ist, das die Welle umgibt
und angeschlossen ist, um ein longitudinales, magnetisches Feld
durch den Wandlerbereich nach dem Einschalten der Spule zu induzieren.
Die Spulen werden an eine Wechselstromquelle, vorzugsweise eine
gepulste Quelle, angeschlossen, die bei einer ausgewählten Frequenz
betrieben wird, so dass der Wandlerbereich einem magnetischen Feld
alternierender Polarität
unterworfen ist. Eine Sensorvorrichtung spricht auf eine drehmomentabhängige Komponente
des alternierenden, magnetischen Felds an und stellt einen Wechselstrom-Ausgangang
bereit, der auf eine Frequenz-selektive Art verarbeitet und mit
der Quell-Frequenz verknüpft
wurde, um die gewünschte
Komponente von jedem anderen Rauschen (Gleich- oder Wechselstrom)
zu trennen. Die Frequenz-selektive Verarbeitung kann durch einen
Hardware oder Software aufgeführten
Filter erfolgen, der bei einer gewählten Frequenz betrieben und
mit der Wechselstromquelle verknüpft
ist, um die Filterfrequenz an die Quellfrequenz anzugleichen. Ein
gleichlaufendes Detektionsschema kann dazu verwendet werden, um das
Sensoren-Ausgangssignal mit der Hilfe des Wechselstrom-Quellausgangs
nachzuweisen, um einen inhärenten
Filterbetrieb bereitzustellen.
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Gemäß einer
anderen Ausführung
umfasst eine Wandlervorrichtung zur vorzugsweise kontaktfreien Erfassung
des Drehmoments in einer rotierenden Welle einen Löschkopf,
der einen Bereich der Welle bei ihrer Rotation reinigt, einen Schreibkopf
unterhalb des Löschkopfs
in der Rotationsrichtung, um eine magnetische Spur auf den gereinigten
Bereich zu schreiben, wobei die Spur eine bestimmte Breite aufweist,
ein Paar auf die magnetische Spur ansprechende Leseköpfe in axialer
Richtung beabstandet, wobei die Leseköpfe auf, zu oder angrenzend
an entgegengesetzten Seiten der Spur angeordnet sind, um entsprechende
Signale zu erzeugen, und ein auf die entsprechenden Signale reagierendes
Differential-Mittel, um ein Signal bereitzustellen, das von dem Drehmoment
in der Welle abhängt.
Es ist bevorzugt, den Schreibkopf mit einem Wechselstrom-Signal
zu betreiben, vorzugsweise mit einem gepulsten Signal, um die Wechselstromausgaben
der Leseköpfe
zu erfassen, die von der Wechselstrom-modulierten Spur abgeleitet sind. Die
Erfassung kann auf eine Frequenz-selektive Art erfolgen, um die
Abgrenzung von anderen, möglicherweise
vorhandenen Signal-Feldern zu verbessern. Es ist bevorzugt, dass
der Schreibkopf mit dem Kopfabstand in die umgebungsmäßige oder
tangentiale Richtung ausgerichtet ist.
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Aspekte
und Merkmale dieser Erfindung werden in den Ansprüchen, die
dieser Beschreibung folgen, dargelegt.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen beschrieben, worin:
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1 bis 3 die Erfassung des Wellen-Drehmoments,
unter Verwendung umgebungsmäßiger Magnetisierung,
darstellen;
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4 und 5 die Erfassung des Wellen-Drehmoments,
unter Verwendung longitudinaler Magnetisierung, darstellen;
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6 den longitudinalen, magnetischen Fluss
zeigt, der in der Welle eines üblichen
Elektromotors ausgebildet ist;
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7 und 8a eine Vorrichtung zum Schließen eines
interferierenden, magnetischen Felds zeigen, das von einem Elektromotor,
in Übereinstimmung
zu einer ersten Ausführungsform
der Erfindung, erzeugt wurde;
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8b eine End-Ansicht der
Welle ist, die in 8a gezeigt
wurde;
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9a und 9b Seiten- und End-Ansichten, eines abgeschirmten
und aktiv kompensierten Drehmomentwandlers gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigen;
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10a und 10b Seiten- bzw. End-Ansichten einer
Vorrichtung zur Erfassung eines Wellen-Drehmoments unter Verwendung
eines Magnetfelds in der Welle gemäß einer dritten, erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigen;
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11 ein abgelenktes, magnetisches
Feld in der Welle von 10a zeigt;
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12 eine für die Eliminierung
der Auswirkungen eines interferierenden, magnetischen Feldes durch
Verwendung eines bei ausgewählter
Frequenz betriebenen Wandlersystems, Anordnung gemäß einer
vierten, erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
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13a und 13b Seiten- und End-Ansichten einer Anordnung
zur Erfassung des Wellen-Drehmoments
unter Verwendung von magnetischen Lösch-, Lese- und Schreibköpfen neben
der Welle gemäß einer
fünften,
erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigen.
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1 bis 3 zeigen die Erfassung des Wellen-Drehmoments
unter Verwendung des Verfahrens der umgebungsmäßigen Magnetisierung, das vorstehend
beschrieben ist. 1 zeigt
das umgebungsmäßige Feld,
durch den Pfeil 2 gezeigt, unter Bedingungen ohne Drehmoment
in einem Wandlerbereich 3 einer Welle 4, die um
die Achse A-A rotierbar ist. 2 zeigt
die geschlossene Schleifen-Eigenschaft des Felds in einem Oberflächen-angrenzenden
Bereich der Bereich-Welle 3. Der Bereich 3 weist
Magnetoelastizität
auf. Ohne Drehmoment ist das umgebungsmäßige Feld 2 im Bereich 3 vollständig in
dem Bereich 4 enthalten: es gibt kein externes Randfeld. Unter
Drehmoment, wie in 3 gezeigt,
ist das Feld 2 verzerrt, wobei eine achsen-ausgerichtete Nord-Süd(NS)-Magnetisierung
erzeugt wird, deren Polarität
und Größenordnung
von der Richtung (im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn)
des Drehmoments und seiner Größenordnung
abhängen.
Die axiale Magnetisierung strahlt ein vom Drehmoment abhängiges,
externes Randfeld aus, das mit einem Sensor 7 erfassbar
ist, oder gewöhnlicher
mit einer Sensorvorrichtung , die mehrere Sensoren umfasst. Der
Sensor (die Sensoren) kann (können)
von der Hall-Effekt-Art oder magnetoresistiver Art sein, sind jedoch
vorzugsweise vom an einen Stromkreis angeschlossenen, gesättigten
Kern-Typ, wie in der veröffentlichten
PCT-Anmeldung WO98/52063 offenbart. 4 und 5 zeigen die Erfassung des
Wellen-Dremoments,
bei der eine longitudinale Magnetisierung eines Bereichs 3' der Welle 4 verwendet
wird. Das longitudinale Feld 8 verläuft entlang der Welle in einem
an der Oberfläche
angrenzenden Kreisring, der einen Toroid des magnetischen Flusses
ausbildet, der hauptsächlich
in einem inneren Bereich der Bereiche 3' schließt, um eine geschlossene, torische Schleife
auszubilden. Das Oberflächenfeld
verläuft insgesamt
in der gleichen Richtung. Es gibt ein kleines, longitudinales Ruhe-Randfeld,
das von der Welle, wie in 4 beschrieben,
austritt. In der erläuterten
Form der longitudinalen Magnetisierung wird das Feld 2' unter Drehmoment
verzerrt (5), wie durch die
gestrichelten Pfeile angezeigt, und bringt eine kleine, transversale
oder umgebungsmäßige Komponente
hervor, die mit dem Sensor 22 erfassbar ist: die longitudinale
Komponente ist mit dem Sensor 21 erfassbar. Die Sensoren
der bereits genannten Arten weisen richtungsabhängige Reaktionen auf und sind ausgerichtet,
um auf die gewünschte
Feldkomponente zu reagieren.
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Eine
weitere Information über
die vorstehend erörterte
Form der longitudinalen und die Mittel zu ihrer Herstellung werden
in der Internationalen Patentanmeldung PCT/GB00/03119 gefunden,
die als WO01/13081 veröffentlicht
wurde.
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Aufmerksamkeit
kann jetzt Problemen zugewandt werden, die entstehen, wenn die Welle 4 angetrieben
wird und daher durch eine Maschine, wie einen Elektromotor, unter
Drehmoment gestellt wird.
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Ein
Elektromotor 63 ist in 6 schematisch gezeigt.
Er weist eine einstückige
Ausgabe-Welle 61 auf,
die einen Pfad für
magnetische Kräfte,
die durch den Motor während
seines Betriebs erzeugt werden, bereitstellen kann. In Abhängigkeit
von der spezifischen Gestaltung des Motors und der dadurch angetriebenen
Welle 61 können
einige magnetische Felder die Motor-Baugruppe (unbeabsichtigt oder versehentlich)
durch die Antriebswelle 61 des Motors 63 verlassen,
wie durch Pfeile 60 gezeigt ist. Dies unter der Annahme,
dass die Welle aus einem ferromagnetischen Material besteht und
einen derartigen, vorstehend beschriebenen Wandlerbereich in einem
einstückigen
Anteil der Welle zu unterstützen
kann.
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Beim
Versuch, das mechanische Drehmoment zu erfassen, das durch den Elektromotor 63 in der
Welle 61 durch Verwendung des vorstehend beschriebenen
Verfahrens mit einer geeigneten Wandlerbaugruppe 62 erzeugt
wurde, die einen magnetisierten Wandlerbereich 64 der Welle 61 beinhaltet, induziert
der Motor einen longitudinalen, magnetischen Fluss 60,
der in dem Wandlerbereich 64 der Antriebswelle 61 vorliegt
und kann große
Sensor-Signalverschiebungen erzeugen. Die Antriebswelle selbst stellt
den magnetischen Sensor-Anordnungs punkt/-Wirt (sensor-host) für den Wandlerbereich
bereit. Diese Signalverschiebungen werden durch die Änderungen
der mechanischen Last auf der Motorenachse und durch den bereitgestellten,
elektrischen Strom für
den Motor angepasst. Die Verschiebung ist daher dynamisch und kann
nicht leicht ausgeglichen werden.
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Eine
Lösung
für dieses
Problem, unter Bezug auf 6,
ist in 7 dargestellt.
Ein Spulenpaar L1 und L2 ist über
den Wandlerbereich 64 axial beabstandet und wird betrieben,
um ein longitudinales, magnetisches Feld im Bereich 64 bereitzustellen, das
dem vom Motor 63 erzeugten Feld entgegenwirkt.
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Wie
in 7 gezeigt, kann die
Höhe der
interferierenden, magnetischen Feldstärke in Realzeit durch einen
axial ausgerichteten Sensor (derartig wie Sensor 7 oder 21)
erfasst werden, der einen Teil der Wandlerbaugruppe 62 bildet
und eine kompensierende Stromquelle 65 beeinflusst, die
die Spulen L1 und L2 betreibt, die wiederum in Serie mit einem Strom
I, von einer Größenordnung,
um das durch den Motor induzierte Feld 60 aufzuheben, geschaltet
sind.
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Um
die Erfassung von longitudinalen (axial-ausgerichteten) Feldkomponenten
des Wandlerbereichs zu ermöglichen,
kann der Kompensierungsvorgang unter Bedingungen Ohne-Drehmoment für die umgebungsmäßige Magnetisierung
eingerichtet werden und dann bei diesem Wert gehalten werden. Ansonsten
kann die Einstellung manuell vorgenommen werden, um einen voreingestellten
Stromwert einzurichten. Die am besten geignete Methode wird von
der Sachlage jeder individuellen Anlage abhängen.
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8a und 8b zeigen eine bevorzugte Ausführung der
aktiven Kompensierungsmethode von 7.
Diese Figuren zeigen eine Einfassungsstruktur, die in vielen anderen
Ausführungsformen
der untenstehend beschriebenen Erfindung Anwendung findet. In 8a und 8b ist die Welle 61 bei 20 eingefasst,
um eine Aussparung 20 hervorzubringen, die Grundlage auf
der sie sich um den Wandlerbereich 64 erstreckt und welche
hilft, einen inneren, longitudinalen Fluss zu verursachen, um aus
der Welle "auszutreten" und erfassbar zu
sein. Der externe, longitudinale Fluss wird durch Sensoren 24 erfasst,
die einen Strom kontrollieren können
und ein Mittel erzeugen, um die Spulen L1, L2 zu betreiben, um so
dem externen, longitudinalen Fluss, wie vorstehend beschrieben,
entgegenzuwirken und/oder als Teil des Drehmomenterfassungs-Vorgangs.
Falls der Bereich 64 longitudinal magnetisiert wird, wird
das Drehmoment unter Verwendung des Sensors 23 (möglichst ein
Paar diametral entgegengesetzter Sensoren) erfasst, um eine Drehmoment-abhängige Komponente des
externen Flusses zu bestimmen. In 7 befindet
sich der Wandlerbereich 64 zwischen den Spulen L1 und L2
innerhalb der Sensorenvorrichtung, die sich angrenzend befindet,
jedoch nicht die Welle berührt.
Ebenso befindet sich in 8a und 8b der magnetisierte Wandlerbereich
in dem Bereich, der die Grundlage für die Aussparung 25 mit
den kontaktfreien Sensoren 23 und 24 bildet. Die
Einfassungsstruktur kann auf einen umfangsmäßig oder longitudinal magnetisierten
Wandlerbereich angewendet werden.
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9a und 8b zeigen eine zu den 7 und 8 verwandte
Vorrichtung, da sie danach strebt, den Leck-Fluss des Motors in
der Welle 61 zurückzudrängen oder
aufzuheben. Sie ist für
größere Fluss-Niveaus
bestimmt. L1 und L2 werden wie zuvor betrieben, beispielsweise in
Abhängigkeit
von dem erfassten Fluss an 24. Ein Gehäuse 70, bestehend
aus magnetischem Material, stellt ein magnetisches Schild bereit,
das den Wandlerbereich 64 der Welle 61 und die
benachbarten Spulen L1, L2 einschließt. Der Schild 70 ist
bei 72a und 72b für den Durchlass der Welle geöffnet, und
diese Öffnungen
stellen axial beabstandete, magnetische Pole von entgegengesetzter
Polarität
bereit, zwischen denen sich die Einfassungsstruktur 64 befindet.
Die Pole wirken auf die Welle 61, um einen longitudinalen
Fluss durch den Wandlerbereich 64 zu induzieren, um einem
longitudinalen Fluss in der Welle aufgrund des betriebenen Motors
entgegenzuwirken. Die Pole 72a, 72b werden magnetisiert
durch eine oder mehrere Spulen, die um das Gehäuse 70 gewunden sind.
Besonders werden ein paar Spulen L3 und L4 gezeigt, und L3/L4 werden durch
den Strom I' betrieben,
der von dem durch 24 erfassten Fluss abhängt. Für einen
geringen Durchmesser der Welle ermöglicht es der magnetische Schild
und Spulen L3/L4, höhere
Ampère-Umsatzraten,
um größeren Leck-Flüssen Rechnung
zu tragen. Die Kombination von L3/L4 und Schild auf der einen Seite
und den Spulen L1/L2 auf der anderen kann gesondert angewendet werden.
Die Schildvorrichtung kann von Vorteil sein, wenn es andere, stärkere Quellen
eines magnetischen Streufelds gibt, die in der Nähe des Wandlers gelegen sind.
Beispielsweise kann der Schild den Wandler vor Feldern von 100 oder
mehr Gauß Größenordnung
schützen,
während die
Spulen L1 und L2 üblicherweise
gegen Felder einer Größenordnung
im zweistelligen Bereich schützen.
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Eine
andere Betrachtungsweise wird in der Vorrichtung der 10a, 10b und 11 angenommen. Eher
als den longitudinalen Fluss des Motors aufzuheben, wird stattdessen
die Wandlerfluss-Quelle für eine
Erfassung eines longitudinalen Magnetisierungstyps verwendet. Wiederum
unterstützt
hier eine Einfassungsstruktur 20 beim nach außen gerichteten Ablenken
des longitudinalen Flusses in dem Bereich 64, um ein longitudinal
(axial) ausgerichtetes, externes Feld bereitzustellen. Die longitudinalen
Sensoren 64 erfassen den longitudinalen Fluss (von gleich welchem
Wert). Der transversale Sensor (die transversalen Sensoren) 23 erfasst
(erfassen) die umgebungsmäßige Komponente.
Die Berechnung des Drehmoments wird unabhängig vom gegenwärtigen Fluss
in der Welle durchgeführt,
wobei dieser als Bezug verwendet wird. Die Erfassung der Sensoren 24 wird
als Bezug gegen den Wert der drehmomentabhängigen Komponente, von dem
Sensor (den Sensoren) 23 erfasst, verwendet.
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Die
axiale Komponente (erfasst durch 24) wird zur Bestimmung
der maximalen, verfügbaren Feldstärke verwendet,
um das Drehmoment an dem Sensorbereich zu erfassen. Das Ergebnis
dieser Erfassung wird verwendet, den Gewinn an Kreislauf-Verarbeitung
zu steuern, um ein das Drehmoment darstellende Signal bereitzustellen.
Je größer das
longitudinale, magnetische Feld 60 ist, desto höher ist
die Empfindlichkeit des magnetischen Felds, das durch die umgebungsmäßig angeordneten,
magnetischen Feldsensoren erfasst wird. Daher muss die Verstärkung in
der Signalaufbereitungs-Elektronik für die umgebungsmäßigen, magnetischen Feldsensoren
proportional zu einem Ansteigen in dem longitudinalen, magnetischen
Feld verringert werden.
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Wie
in 11 gezeigt, wird
das sich durch den Bereich 64 erstreckende, longitudinale
Feld 60, wie durch 60a gezeigt, in Abhängigkeit
zu den anlegten Wellen-Kräften
auf die Antriebswelle 61 abgelenkt. Die gesamte Welle wirkt
gewissermaßen
als Kraftsensor. Je größer das
Drehmoment, desto größer ist
die, durch den Sensor 23 erfasste, umgebungsmäßige Feldkomponente.
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In
den Ausführungsformen
von 7 und 8a und 8b, wird Strom an die Spulen L1 und L2 angelegt,
so dass die Schleifen-Felder das interferierende Feld kompensieren
oder aufheben. Eine verwandte Spulenvorrichtung zu der in 7 und 8a und 8b gezeigten,
kann auf eine verschiedene Art bei einer Methode verwendet werden,
die darauf zielt, den Effekt des interferierenden Felds von dem
Drehmoment-Erfassungs-Vorgang zu eliminieren, eher als das interferierende
Feld aufzuheben oder zu kompensieren. Dies ist in 12 gezeigt.
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In 12 werden die Spulen L1
und L2 nicht in Abhängigkeit
von einem erfassten Feld, sondern vielmehr betrieben, um ein von
interferierenden Feldern unterscheidbares Feld zu schaffen. Zu diesem Zweck
werden die Spulen L1 und L2 an eine Wechselstromquelle 30 angeschlossen,
vorzugsweise eine Quelle vom gepulsten Typ, um ein alternierendes,
magnetisches Feld in dem Wandlerbereich 32 zwischen den
Spulen zu induzieren. Hierbei handelt es sich um ein longitudinales
Feld. Die Quellfrequenz sollte ein Verhältnis zu den hauptsächlichen,
gelieferten Frequenzen (50 oder 60 Hz) oder irgend einer anderen
Frequenz vermeiden, die durch den Betrieb des Motors oder Geräts, mit
dem die Welle in Verbindung steht, auferlegt wird. In geeigneter
Weise befindet sich die Quellfrequenz im hörbaren Bereich, d.h. zwischen
500 Hz und 10 kHz. Eine Frequenz um 1 kHz würde geeignet sein. Es handelt
sich ebenso um eine Frequenz, in der sich die Erfassungsmöglichkeiten
von Sensoren des gesättigten
Kern-Typs befinden. Von Hall-Effekt oder magnetoresistiven Sensorenarten
kann es erwartet werden, dass sie eine höhere Frequenz-Reaktion aufweisen,
wobei jedoch Frequenzbegrenzungen auch durch den Betrieb der Spulen
L1 und L2 verhängt
werden können.
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Das
alternierende, magnetische Feld stellt eine alternierende, drehmomentabhängige Komponente
bei der Quell-Frequenz bereit, die von dem Sensor (den Sensoren) 23 erfasst
wird (werden). Die gesamte, drehmomentabhängige Komponente, auf die der
Sensor (die Sensoren) 23 reagiert (reagieren), kann eine
Gleichstrom-Komponente von einem Gerät-induzierten Interferenzfeld
oder einer anderen Wechselstrom-Komponente beinhalten, die mit der wesentlichen
Frequenz oder einer Frequenz zugehören, die wiederum von dem Motor
ausgestrahlt wird, der die Welle antreibt. Die gewünschte Quell-Frequenz-Komponente
wird aus den ungewünschten Rausch-Komponenten
durch einen Filter 34 entnommen, der innerhalb der Signalprozessierungseinheit zugefüttert oder
enthalten ist, von der das Drehmoment-vertretende Signal T erhalten
wird. Der Filter 34 kann als Hardware oder Software verwirklicht
werden, und die Filterfrequenz wird, wie durch die Strichpunktlinie 36 gezeigt,
von der Quelle bestimmt, damit der Filter die Quell-Frequenz finden
kann. Eine gleichzeitige Bestimmung, bei der der Detektor durch ein
Signal von der Quelle 30 angetrieben wird, kann verwendet
werden. Alle diese Methoden sind bekannt.
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Die
Sensoren (24) können
verwendet werden, um ein Bezugssignal zu erhalten, um das Drehmoment
der drehmomentabhängigen
Komponente zu erhalten, die durch Sensor 23 bereitgestellt
wird. In diesem Fall ist das Bezugssignal eine Komponente bei der
Quell-Frequenz und wird bei 31 einer Filterung unterzogen
und dadurch auf die gleiche Art wie die drehmomentabhängige Komponente
gefiltert wird. Diesbezüglich
ist die Vorgehensweise vergleichbar zu der der Ausführungsform
in 10a, 10b und 11.
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Eine
andere Betrachtungsweise für
die Drehmomenterfassung ist in 13a und 13b gezeigt. Während die
Welle 61 rotiert, wird ein umlaufendes Band 16 durch
einen magnetischen Löschkopf
(magnetische Löschköpfe) 12 gereinigt,
der (die) von der Art ist (sind), die beim magnetischen Aufzeichnen verwendet
werden. Anschließend
an den Löschkopf (nachgelagert)
schreibt ein Schreibkopf 13 eine magnetische Spur 15 (jeglicher
Art) der Breite w. Die Welle sollte vorzugsweise bei mindestens
100 Upm rotieren, wenn diese Methode verwendet wird. Der Schreibkopf 13 ist
ausgerichtet, so dass eine Kopf-Lücke transversal zu der Rotationsachse
der Welle vorhanden ist und sich vorzugsweise senkrecht auf der
Rotationsachse befindet, so dass die Lücke tangential verläuft oder
umgebungsmäßig in Bezug
auf die rotierende Wellenoberfläche
angeordnet ist.
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Die
zwei Leseköpfe 14a und 14b sind
jeweils in der Breite w beabstandet, um kein Signal zu geben, wenn
die Welle kaum rotiert oder bekannte, ausgeglichene Signale sich
ausheben können.
Wenn sich ein Drehmoment in der Welle aufbaut, wurde gefunden, dass
die Signale der Leseköpfe 14a und 14b in
einem Maß unausgeglichen
werden, das von dem Wert des Drehmoments abhängt. Diese Reaktion gegenüber dem
Drehmoment ist derart, als ob die magnetisierte Spur 15 oder
der mit ihr einhergehende Fluss in Abhängigkeit von der Richtung der
Rotation leicht auf eine Seite oder auf die andere abgelenkt ist, um
eine nicht-ausgeglichene Ausgabe von den Leseköpfen 14a und 14b zu
liefern, das ein Mass des Drehmoments darstellt.
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Der
Schreibkopf 13 kann vorzugsweise die Spur 15 irgendwie
modulieren, um ein Signal an jedem Lesekopf bereitzustellen, das
von dem Rauschen getrennt werden kann. Zu diesem Zweck kann der
Schreibkopf mit einer Impuls-Wellenform bei einer bestimmten Frequenz
betrieben werden. Filtern bei der Quell-Frequenz wird auf die Leseköpfe 14a und 14b angewendet.
Diese Frequenz-selektive Betriebsart ist zu der für die Ausführungsform
von 12 beschriebenen
vergleichbar. Die Lese-Pulse in 13 werden
hinsichtlich der Schreib-Pulse in einem Ausmaß zeitlich verzögert, was
als Mass für
die Rotationsgeschwindigkeit verwendet werden kann.