DE60007641T2

DE60007641T2 - Magnetisiertes wandlerelement fuer einen drehmoment- oder kraftsensor

Info

Publication number: DE60007641T2
Application number: DE60007641T
Authority: DE
Inventors: Lutz Axel May
Original assignee: Fast Technology AG
Current assignee: Abas Inc
Priority date: 1999-08-12
Filing date: 2000-08-14
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2020-08-15
Also published as: GB9919065D0; EP1203209B1; DE60007641D1; US7219564B1; JP2003507701A; IL148016A0; WO2001013082A1; IL148017A0; JP4671259B2; AU6581700A; US6776057B1; DE60008543D1; ATE257587T1; WO2001013081A1; EP1203210A1; EP1203210B1; ATE260460T1; AU6582200A; EP1203209A1; JP2003507700A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Wandlerelement, das geeignet ist, um in einem Drehmoment- oder Kraft-Sensorwandler verwendet zu werden und eine Wandleranordnung, die das Element aufnimmt.
Ein Ansatz für nicht kontaktlose Drehmomenterfassung in einer Welle, die um ihre Achse rotiert, ist ein auf Magnetoelastizität beruhender Drehmomentsensor. Ein magnetoelastisches Wandlerelement ist an der Welle festgemacht oder darin integriert, wobei das Drehmoment, das gemessen werden soll, und das vom Drehmoment abhängige Magnetfeld, das von dem Wandlerelement ausgestrahlt wird, durch eine Erfassungsvorrichtung außerhalb der Welle detektiert wird, die jedoch nicht in Kontakt mit der Welle steht, und auf das ausgestrahlte Magnetfeld anspricht. Beispiele für Erfassungsvorrichtungen sind eine Hall-Effekt-Vorrichtung, ein sättigender Spulensensor, oder verschiedene andere magnetfeldempfindliche Vorrichtungen, die dem Stand der Technik bekannt sind. Es ist klar, dass in der Praxis eine Erfassungsvorrichtung eine Baugruppe aus Vorrichtungen sein kann. Beispielsweise können mehrere Erfassungsvorrichtungen um die Achse der Welle angeordnet sein und miteinander verbunden sein, um einen additiven Beitrag hinsichtlich des drehmomentabhängigen Felds zu leisten, jedoch hinsichtlich zu äußeren Feldern, wie dem Magnetfeld der Erde, eine Aushebung zu bewirken.
Magnetoelastische Wandlerelemente bilden einen Ring oder Kreisring, der umfangsmäßig magnetisiert ist. Das Feld bildet eine geschlossene Schleife, die gewöhnlich innerhalb des Elements enthalten ist.
Eine Art von Wandlerelement ist ein getrennter Ring aus magnetoelastischem Material, der an der Welle angebracht ist, wie in den, Garshelis und Magnetoelastic Devices, Inc. erteilten, US-P-5,351,555, 5,465,627 und 5,520,059 offenbart ist. In den ringförmigen Wandlerelementen erhält der Ring ein Umfangsmagnetfeld, das innerhalb des Rings begrenzt ist, so dass in Abwesenheit des Drehmoments kein Feld außerhalb erfassbar ist. Falls ein Drehmoment in der Welle auf den magnetoelastischen Ring übertragen wird, wird ein externes Magnetfeld ausgestrahlt und durch eine Sensoranordnung erfasst.
Ein anderer Ansatz, um einen umgebungsmäßig magnetisierten magnetoelastischen Sensor zur Verfügung zu stellen, wird in der Internationalen Patentanmeldung PCT/GB99/00736 (am 4. November 1999 unter der Nummer WO99/56099 veröffentlicht) beschrieben, worin das Wandlerelement ein einstückig ausgebildeter Teil der Welle ist, deren Drehmoment gemessen werden soll. Dabei werden Probleme bei der richtigen Befestigung eines gesonderten Rings an der Welle vermieden. Ein Ansatz für ein einstückiges Wandlerelement wird ebenfalls in den veröffentlichten Patenanmeldungen WO99/21150 und WO99/21151 offenbart.
Magnetoelastizität ist ein Phänomen, das bisher offenkundig immer noch nicht voll verstanden und erklärt ist. Daher ist es allgemein wünschenswert andere, insbesondere für die Drehmomenterfassung geeignete Magnetisierungsformen zu finden, die in Wandlerelementen eingesetzt werden könnten.
Als eine Alternative zur Umfangsmagnetisierung werden ein oder mehrere magnetische Wandlerelemente in einer Welle aus magnetisierbarem Material einstückig vorgesehen, jedoch unter Verwendung von Längsmagnetisierung, d.h. eine im Gegensatz zur Umfangsmagnetisierung in axialer Ausrichtung verlaufende Magnetisierung. Die Längsmagnetisierung wird auf einen kreisförmigen Bereich einer Welle oder mehrere derartige Bereiche angewendet.
Längsmagnetisierung ist das Thema unserer anhängigen Internationalen Anmeldung PCT/GB00/03119, die gleichzeitig hiermit angemeldet und unter der Nummer WO01/13081 veröffentlicht ist.
Sowohl Umfangsmagnetisierung als auch Längsmagnetisierung wurden in erster Linie auf Wellen oder ähnliche Teile angewendet, wobei das Drehmoment durch den magnetisierten Bereich in die Richtung der Wellenachse übertragen wird, beispielsweise eine lastübertragende Welle, die ein Drehmoment an einem Ende und eine Last am anderen Ende aufgebracht aufweist.
Es besteht ein Bedarf, das Drehmoment in Teilen zu messen, in denen die Lastübertragung im Wesentlichen radial ist. Ein Beispiel ist eine scheibenförmige Struktur, die auf einer angetriebenen Welle angebracht ist, und ein Antriebsmittel wie ein Übersetzungszahnrad an ihrer äußeren Peripherie aufweist. Der Antrieb kann auch in entgegengesetzter Ausrichtung erfolgen.
Ein Vorschlag für die Drehmomentmessung eines Automobilgetriebes ist in der US-P-4,697,460 (Sugiyama et al.) beschrieben. Eine Erregerspule/Empfangsspulen-Baugruppe ist kontaktlos angrenzend zu einer Scheibe angeordnet, in der Drehmomentspannung auftritt. Die Erregerspule wird mit Wechselstrom versorgt, um einen alternierenden magnetischen Fluss in einem Flusspfad durch die Scheibe, die empfindlich auf das Drehmoment ist, zu schaffen. Die Empfangsspule erfasst drehmomentabhängige Änderungen in dem zirkulierenden magnetischen Fluss.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, mehrere Lösungen zu diesem Problem bereitzustellen, mittels einem magnetisches Wandlerelement oder Elementen, die sich in einem radial verlaufenden Drehmoment-Übertragungspfad befinden. Zu diesem Zweck kann das Wandlerelement als eine Platte oder Scheibe ausgebildet sein, in der mindestens eine größere Oberfläche der Platte oder Scheibe mit einer magnetischen Feld-Sensorvorrichtung zusammenwirkt.
Die vorliegende Erfindung umfasst ebenso das Konzept der Messung der Biegekraft oder Scheerkraft in einem scheibenförmigen oder plattenförmigen Element, das einem Biege- oder Scheermoment unterzogen ist.
Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung, für die Schutz angestrebt wird, sind in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden deren Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform zeigt, die ein scheibenförmiges Element verwendet, in dem das Wandlerelement ausgebildet ist;
2 eine Frontansicht der Wandlerbaugruppenseite der Scheibe von 1 ist;
3 ein Vektordiagramm ist, das die Radial- und Umfangsfelder zeigt;
4 eine Modifikation der Ausführungsform von 1 ist;
5 eine Ansicht auf eine andere Ausführungsform der Erfindung ist, die ein scheibenförmiges Element verwendet, in dem das Wandlerelement ausgebildet ist;
6 eine Ansicht ähnlich zu 1 ist, die die Verwendung einer einseitig magnetisierenden Quelle zeigt;
7 eine Seitenansicht einer scheibenförmigen drehmomentübertragenden Struktur ist, die einen einfach magnetisierten Wandlerbereich einsetzt;
8 eine Modifikation der Struktur von 7 ist, in der eine gestufte Struktur mit einem einfach magnetisierten Wandlerbereich in dem Stufenabschnitt eingesetzt wird;
9 bis 11 Umsetzungsbeispiele der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Messung von Biege- und Scheerkräften zeigen; und
12 einen Schaltplan der Vorrichtung für die Durchführung eines Prämagnetisierungsvorgangs zeigt.
In den zu beschreibenden Ausführungsformen tragen ähnliche Teile ähnliche Bezugszeichen.
Die folgende Beschreibung wird mehrere unterschiedliche Magnetisierungsformen oder -Arten beschreiben, die für die Erfassung des Drehmoments oder anderer Kräfte verwendet werden können. Für eine beständige und verlässliche Messung ist es bevorzugt, dass die zu magnetisierende Struktur zuerst einem, im Folgenden hinsichtlich 12 beschriebenen, Prämagnetisierungsvorgang und möglicherweise auch einem ebenfalls im Folgenden beschriebenen Postmagnetisierungsvorgang unterzogen wird.
1 zeigt einen diametralen Abschnitt durch eine kreisförmige Scheibe 1, die einem Drehmoment um eine Achse A-A unterzogen wird. Die Scheibe, oder mindestens die ringförmige Region 22, besteht aus magnetisierbarem Material. Angrenzend an ihrer Peripherie ist die Scheibe um zwei radial getrennte Bereiche 12 und 14 von entgegengesetzter Polarität durch ihre Schicht magnetisiert. Dies kann durch Rotation der Scheibe 10 zwischen einem Magnetpaar (permanent oder elektromagnetisch) 16 und 18 mit entgegengesetzten Polen erreicht werden, die sich durch die Scheibe gegenüberstehen. Daher ist jeder Bereich 12 und 14 ein Magnetisierungskreisring. Zusammen liefern sie ein Wandlerelement oder Bereich 22. Gewissermaßen wird der magnetische Fluss dazu tendieren einen, beide Bereiche umfassenden, Kreisring, einem kreisförmigen Flussmuster nicht unähnlich, zu umschließen. Dies setzt voraus, dass die Scheibe eine vergleichsweise hohe magnetische Permeabilität aufweist. Jedoch darf das Kreiskonzept nicht zu weit verwendet werden, da der gesamte ringförmig magnetisiertere Bereich durch Luft geringer Permeabilität an jeder Seite begrenzt wird. Daher wird sich ein Fluss von der Scheibenoberfläche in die Luftumgebung ausbilden. Die Leistung des Sensors kann durch Profilierung der Scheibe verbessert werden, dergestalt dass die magnetisierten ringförmigen Bereiche dicker sind, als die Bereiche dazwischen, oder durch Blockierung des Flusses auf der nicht-Sensoren-Seite der Scheibe, wie im Folgenden erläutert wird.
Weiterhin wird durch Änderung des Profils der kreisförmigen Bereiche in eine Umgebungsrichtung, eine Änderung der Größenordnung des magnetischen Feldes in Abhängigkeit der Scheibenrotation erzielt. Dies kann zum Nachweis der Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe verwendet werden.
2 zeigt eine Ansicht auf eine Oberfläche 11 der Scheibe mit den, in schraffierter Linie, gezeigten Bereichen 12, 14. Es ist ersichtlich, dass der magnetische Fluss außerhalb der Oberfläche und verknüpfenden Bereiche 12 und 14 radial verlaufen wird. Dieser Fluss wird als Mr in 3 gezeigt. Nun eine Betrachtung eines Gebrauchs der Scheibe, bei dem diese dazu eingesetzt wird, Drehmoment von einer Welle 20, an der sie befestigt ist, um damit um die Achse A-A zu rotieren, zu übertragen, um in der Scheibenperipherie einen Antrieb vorzusehen, der beispielsweise als Zahnrad 24 ausgebildet ist. Das durch die Scheibe übertragene Drehmoment wird dazu den in 3 gezeigten, radialen Feldanteil Mr umleiten oder verzerren, um leicht von der, durch Mr' gezeigten, radialen Ausrichtung abzuweichen. Mr' kann in einen radialen Anteil und einen orthogonalen Anteil Ms zerlegt werden, der in eine Umfangsrichtung hinsichtlich eines kreisförmigen Erfassunjgsbereichs 122 wirkt. Die Größenordnung und Ausrichtung von Ms hängt von der Größenordnung und Ausrichtung des angelegten Drehmoments ab. Diese Situation würde ebenso auf die Antriebsübertragung von der äußeren Scheibenperipherie auf die zentrale Welle angewendet.
Unter wiederholtem Bezug auf 2 kann das radiale Feld Mr durch einen radial orientierten Sensor 26 nachgewiesen werden und die Ms Komponente wird durch einen rechtwinklig zu der radialen Ausrichtung angebrachten Sensor 128 gemessen. Diese Sensoren werden an festen Positionen in Bezug auf die Scheibe angeordnet, die berührungsfrei an ihnen vorbei rotiert.
In Abhängigkeit von der Antriebsanordnung und der Spannungsverteilung in der Scheibe können mehrere Paare von berührungsfreien Sensoren 26, 28, ringförmig um die Scheibe verteilt, bereitgestellt werden. 2 zeigt vier derartige Paare berührungsfreier Sensoren.
Es ist ebenso klar, dass die beschriebene Drehmoment-Sensoranordnung dazu verwendet werden kann, das auf die Scheibe übertragene Drehmoment in der Welle 20 zu messen, falls die äußere Peripherie fixiert oder unter Bremskraft gehalten wird, oder falls das Drehmoment auf die Peripherie ausgeübt wird und die Welle 20 fixiert oder gebremst ist.
Die Orientierung von einem Paar diametrisch entgegengesetzter Ms-Sensoren 28a, 28 ergeben Ms Komponenten, so dass die Sensoren miteinander additiv verbunden werden können soweit Ms Komponenten betroffen sind, die Effekte eines äußeren Feldes, wie dem Magnetfeld der Erde, jedoch ausheben. Die Verwendung von vier Sensoren 28a-d in zwei orthogonal angeordneten Paaren ermöglicht die Aufhebung von äußeren Feldern von jeglicher Ausrichtung, während Ms Komponenten hinzugefügt werden.
Die Verwendung mehrerer radialer Sensoren 26 für die Referenzkomponenten Mr, insbesondere vier Sensoren in orthogonal angeordneten Paaren, ermöglicht ebenso die Verbindung auf eine Art, die es ermöglicht, jegliches externe Feld aufzuheben. Die Lage der Sensoren, um gewünschte Feldkomponenten hinzuzufügen, während externe Felder aufgehoben werden, wird im Folgenden in der vorstehend aufgeführten, gegenwärtig anhängigen PCT-Anmeldung PCT/GB00/03119 diskutiert, die unter der Nummer WO01/13081 veröffentlicht wurde.
Die Sensorenvorrichtungen für die Wandlerbaugruppe befinden sich auf einer Seite der Scheibe 10. Die magnetische Effizienz kann durch Schließen des magnetischen Pfades auf der anderen Seite durch ein Element erhöht werden, das einen Kreisring eines hochpermeablen Materials vorsieht, um die Bereiche 12 und 14 zu überbrücken.
In der Ausführungsform von 1 bis 3 wird die Scheibe direkt als ein lastübertragendes Element verwendet. Eine Scheibe oder ein anderes plattenähnliches, geeignet magnetisiertes Element kann auch für die Drehmomentsmessung verwendet werden, indem die Scheibe oder Platte an einem lastübertragenden Teil oder jeglichen Teil gesichert wird, das einem Drehmoment, während dessen Betrieb, unterzogen wird. So zeigt beispielsweise 4 ein Teil 30, das sich um eine Achse A-A dreht, um ein Drehmoment in dem Teil zu erzeugen. Das Teil weist eine Oberfläche 32 auf, auf der die Spannungen aufgrund des Drehmoments zum Ausdruck gebracht sind, wobei eine Scheibe 34 von der An wie in 2 gezeigt, ist an der Oberfläche 32 befestigt. Die Scheibe muss sicher auf die Oberfläche fixiert sein, beispielsweise durch Schrauben 36, beide radial innerhalb und außerhalb des Sensorenbereichs 22, so dass die Spannungen in diesem Bereich exakt reflektiert werden.
Um die magnetische Effizienz der Scheibe zu verbessern kann die nicht-Sensor-Seite einen magnetischen Pfad an dem Wandlerbereich aufweisen, der durch zumindest einen Kreisring 38 eines hochpermeablen Materials, das zwischen den Bereichen 12 und 14 wirkt, geschlossen ist. Das Teil 130 kann selbst diese Funktion zur Verfügung stellen.
Zusätzlich können radial beabstandete Bereiche entgegengesetzter Polarität auf der Scheibe zur Verfügung gestellt werden. Diese zusätzlichen Bereiche können Anker- oder Schutzbereiche ausbilden. Weitere Diskussion über Anker- und Schutzbereiche können in der gleichzeitig eingereichten Anmeldung PCT/GB00/03119, veröffentlicht unter der Nummer WO01/13081, gefunden werden.
5 zeigt, wie die scheibenförmige Drehmoment Wandlerbaugruppe an eine Arbeit mit Umgebungsmagnetisierung angepasst werden kann. 5 ist eine Frontansicht einer Scheibe 50, durch die das Drehmoment zwischen einem, auf die Achse A übertragenen, Antrieb und der Peripherie, oder umgekehrt, wie zuvor beschrieben, übertragen wird. In dieser Ausführungsform gibt es einen Wandlerbereich 58, der einen inneren kreisförmigen Bereich 54 und einen äußeren kreisförmigen Bereich 56 umfasst. Die Umgebungsmagnetisierung kann durch die Außenfläche 58 unter Verwendung einer U-förmigen Magnetvorrichtung angewendet werden, in dem die Nord- und Südpole gewöhnlich zu einem Radius ausgerichtet sind, wie in 40, 42 für den Kreisring 54 gezeigt, vielmehr als wie in 2 radial ausgerichtet zu sein. Der Kreisring 56 wird auf ähnliche An erzeugt, es ist so zu verstehen, dass die Scheibe relativ zum Magneten in Rotation versetzt wird, um den Kreisring zu magnetisieren.
In der Abwesenheit des Drehmoments werden die Umgebungsfelder in den Bereichen 54 und 56, innerhalb des kreisförmigen Bereichs, fixiert. Hierbei wird angenommen, dass das magnetisierbare Material Magnetoelastizität aufweist. Jedoch wird unter Drehmoment das Feld, auf die gut bekannte An mit Umgebungswandlern nach dem Stand der Wissenschaft, verzerrt, beispielsweise US-P-5,351,555, 5,520,059 und 5,465,627 von Garshelis. Daraus folgt, dass sich an der Außenfläche 58 die Bereiche 54 und 56 magnetische Pole entgegengesetzter Polarität entwickeln. Die Polarität hängt von der Ausrichtung des Drehmoments ab.
Ein radiales Feld Ms wird außerhalb der Oberfläche 58 zwischen den Bereichen 54 und 56 erzeugt, wobei die radiale magnetische Flussrichtung und Größenordnung eine Funktion der Drehmomentsrichtung und Größenordnung sind. Der radiale Fluss kann durch Sensoren, wie für den radialen (Referenz) Fluss in 2 angebracht, erfasst werden. Im Gegensatz zu 2 wird bemerkt, dass der messbare drehmomentabhängige Fluss vielmehr radial als umfangsgemäß ist, allerdings gibt es keine verfügbare Referenz-Feldkomponente.
Eine Modifikation der Magnetisierungsrichtung von 2 ist diejenige gezeigt in 6, wobei die Scheibe 10 einer einzelnen Magnetquelle auf einer Seite unterzogen wird, beispielsweise der an den Magneten 16 angrenzenden Außenfläche 11, um eine magnetisierte Zone 23 zu erstellen, die innerhalb des Scheibenmaterials, wie mit den gepunkteten Linien angezeigt, eingeschlossen ist, mit zwei radial unterbrochenen kreisförmigen Polen 12' und 14' von entgegengesetzter Polarität zwischen denen, wie in 3, ein externes Referenz Radialfeld Mr besteht und ein drehmomentabhängiges Umgebungs- oder Tangentialfeld Ms unter Drehmoment erzeugt wird. Andere Modifikationen sind möglich. Beispielsweise könnten die Magneten, die die magnetisierende Quelle in 1 vorsehen, wie in 7 durch einen entsprechenden einzelnen Magneten 16', 18' auf jeder Seite der Scheibe 10 ersetzt werden, mit ihren Polen in entgegengesetzter Polarität schräg angeordnet, um eine einzelne kreisförmige Zone zu erzeugen, wie die Zone 12' in einem Winkel zu der Ausrichtung der Drehmomentsübertragung durch die Scheibe. Eine Alternative ist es sich auf den radialen Ausgleich der Magneten zu verlassen, um eine schrägverlaufende Magnetisierung in der Scheibe zu erhalten. Ein solche Zone kann ebenfalls durch einen einzelnen Magnetpol erzeugt werden, der hinsichtlich zu der Scheibenfläche nur auf einer Seite erzeugt wird, falls die Scheibe ausreichend dünn und der Magnet ausreichend stark ist. Ein einzelner Magnet könnte ebenfalls parallel zur Oberfläche der Scheibe platziert werden, um einen Flusspfad geschlossen durch die Scheibe zu erhalten, welcher die Scheibe magnetisieren würde, um zwei radial beabstandete Pole zu erzeugen, von denen jeder eine kreisförmige Zone darstellt.
8 zeigt ein Zahnrad mit Profil, das einen zentralen Nabenanteil 10a aufweist, der an einen äußeren gezähnten Anteil 10b durch einen Zwischenanteil 10c verknüpft ist, der eine Stufe zwischen den Anteilen 10a und 10b vorsieht, die in verschiedenen Ebenen liegen. Ähnlich zu 7 liegt ein Magnetpaar 16" und 18" in einem Winkel zu der Ausrichtung der Drehmomentsübertragung vor, um eine Magnetisierungszone 12" bereit zu stellen. Es wird angemerkt, dass die Magnete innerhalb der Ebenen liegen, die durch die Anteile 10a und 10b definiert sind.
Wenn man 8 betrachtet zeigt diese, dass die Erfindung auf eine generell radial verlaufende Struktur anwendbar ist, durch die sich radiale Drehmomentsübertragung ereignet, selbst wenn das Drehmoment auf einem, selbst nicht radial orientierten, Anteil der Struktur erfasst wird.
In der Praxis wurde herausgefunden, dass selbst mit den einzelnen Feldern der 7 und 8 das übertragene Drehmoment eine Störung des ausgestrahlten Felds verursacht, die durch externe Sensoren nachgewiesen wird.
Andere Modifikationen können an den Drehmoment Sensorvorrichtungen, soweit beschrieben, vorgenommen werden. Die obenstehend erörterten, scheibenförmigen Strukturen haben vollständige Kreisringe um die Achse ausgewiesen, zumindest wo das magnetische Wandlerelement ausgebildet wird. Jedoch ist es möglich, dass die scheibenförmige Struktur und der magnetisierte Bereich (die magnetisierten Bereiche) an einer oder mehreren Stellen aufgebrochen werden kann (können). Die Voraussetzung ist, dass sich Material der Struktur über mindestens einen winkligen Sektor erstreckt, durch den ein Drehmoment Übertragungspfad verläuft und der in der Lage ist, in einem der obenstehend beschriebenen Wege eine drehmomentabhängige magnetische Feld-Leistung zur Verfügung zu stellen. Die Unterbrechung des kreisförmigen Pfads in eine oder mehrere winklig versetzte, angrenzende Sektoren kann verwendet werden, um eine gepulste Leistungsart zur Verfügung zu stellen, da die scheibenförmige Struktur relativ zum Sensorsystem rotiert, so dass sowohl Geschwindigkeits- als auch Drehmomentmessungen vorgenommen werden können.
In den obenstehend beschriebenen Ausführungsformen, wird die scheibenförmige oder ähnliche Struktur wie benötigt magnetisiert und anschließend nach der Entfernung von der Magnetisierungsquelle, oder umgekehrt, wirksam benutzt zu werden. Unter manchen Umständen ist es auch in Betracht zu ziehen, dass die magnetisierende Quelle an ihrem Platz in wirksamer Verbindung mit der scheibenförmigen Struktur verbleiben kann. Dies ermöglicht es dem Wandlerbereich jedes Mal, wenn die Struktur rotiert, erneuert oder aktualisiert zu werden. Der Sensor oder das Sensorensystem ist winklig versetzt von der magnetisierenden Quelle, ohne von der Quelle beeinflusst zu werden. Dieser kontinuierlich aktualisierte Wandler kann der Notwendigkeit der Verwendung eines Prämagnetisierungsverfahrens, wie unten stehend beschrieben, begegnen.
Was angenehm die Scheibenform der Erfindungsumsetzung genannt werden kann, sieht die Grundlage der Umsetzung in einer im Wesentlichen ebenen Form verschiedener Konfigurationen vor, die analog zu umsetzbaren Konfigurationen auf einer rotierenden Welle sind. Die Scheibenform kann auch für, vom Drehmoment verschiedene, Spannungsmessungen angepasst werden. Verschiedene Umsetzungen dieser Ideen werden jetzt beschrieben.
Mit der Scheibenanordnung, wie allgemein in den 1 bis 8 gezeigt, ist es ebenso möglich von dem Drehmoment unterschiedliche angewendete Kräfte zu messen. Eine geeignete Anordnung wird in den 9 bis 11 gezeigt. In dieser Anordnung wird ein Rohr 170, um den äußeren magnetisierten Bereich, wie in den 9a und 9b gezeigt, auf der Scheibe angebracht. Kräfte, die auf die Achse angewendet werden, werden durch die Scheibe auf das Rohr 170 übertragen, und umgekehrt. Falls eine axiale Kraft auf die Achse oder das Rohr 170 angewendet wird, oder eine biegende Kraft oder Scheerkraft, wie in 11 gezeigt ist, angewendet wird, werden, wie in 10 gezeigt, mechanische Spannungen in der Scheibe hervorgerufen, dies führt zu einer Änderung des magnetischen Flusses, wie beispielsweise in 11a gezeigt. Durch den Nachweis von Änderungen im magnetischen Fluss durch magnetische Sensoren, wie vorherig beschrieben, können die Natur und Größenordnung dieser Kräfte erfasst werden. Die präzise Platzierung von diesen Sensoren angrenzend an den magnetisierten Bereich(n) wird von der Natur der hervorgerufenen mechanischen Spannung in der scheibenförmigen Struktur, ebenso wie von der verwendeten Art zur Magnetisierung, abhängen.
Um eine optimale Wandlerleistung in Bezug auf beständige und wiederholbare Messungen zu erhalten, ist es zuerst wünschenswert die Scheibe, oder scheibenförmige Struktur, oder plattenförmige Struktur (alle im Folgenden einfach als Scheibe bezeichnet), oder zumindest dem für die zu magnetisierenden Bereich oder Bereiche relevanten Teil, einem Prämagnetisierungsverfahren zu unterziehen, durch das die Scheibe magnetisch gereinigt wird.
Eine Ausführungsform einer für die magnetischen Reinigung geeigneten Vorrichtung wird in 12 gezeigt. Der zu beschreibende Prämagnetisierungsvorgang ist auf eine Scheibe anwendbar, in der die benötigten magnetisierten Bereiche ausgebildet werden. Der zu beschreibende Vorgang wird eine Scheibe entmagnetisieren oder de-gaussen, in der sich unbekannte magnetische Feldmuster ausgebildet haben können.
Die so erhaltene Scheibe kann verschiedenen Vorgängen zur mechanischen Behandlung und/oder Hitzebehandlung unterzogen werden, die unterschiedlichst die magnetischen Domänen innerhalb des Materials beeinflussen. Sie kann unbekannten magnetischen Feldern unterzogen sein und sie sich angeeignet haben. Daher wird die Scheibe in den meisten Fällen einem Prämagnetisierungverfahren unterzogen, um sie in einem magnetisch definierten Zustand zu erhalten, was obenstehend als magnetisch gereinigt bezeichnet wurde.
Der Grad an benötigter Entmagnetisierung hängt teilweise von der Magnetisierung ab, die danach angewendet wird. Beispielsweise wird es wichtiger den Sensoren-Wirt (die Scheibe) vollständig zu entmagnetisieren, wenn die, durch das Wandlerelement erzeugte, magnetische Programmierung einen relativ geringen Wert magnetischer Feldstärke verwendet. In diesem Zusammenhang bedeutet das magnetische Reinigen, dass das De-gauss- oder das Entmagnetisierungsverfahren magnetische Ausrichtungen der einzelnen Körner des Wellenmaterials zufällig hervorruft, so dass keine Gruppierung von magnetischen Domänen in einer erfassten Ausrichtung vorhanden ist. Das Vorhandensein der magnetischen Domänengruppierung, um einige organisierte Magnetisierungsorientierungen von einzelnen Körnern bereitzustellen, führt zu Unzulänglichkeiten in dem magnetisierten Wandlerelement. Beispielsweise zu erhöhten Versetzungen des gemessenen magnetischen Signals, Uneinheitlichkeit des Signals als eine Funktion des Rotationswinkels der Welle, und geringerer zeitlicher Stabilität des Wandlerelements.
Das magnetische Reinigen sollte deutlich über die Bereiche, in denen das magnetisierte Wandlerelement ausgebildet werden soll, ausgedehnt werden, beispielsweise sollte bevorzugt die ganze Scheibe entmagnetisiert werden, so dass keine undefinierten Magnetsysteme in dem Sensoren-Wirt vorliegen. Es ist möglich, dass sich solche lokalen Systeme mit der Zeit in der Scheibe bewegen können, um die Wandlerspezifikationen auf anhaltender Grundlage zu beeinflussen. Die Bereitstellung von Schutzfeldern, wie obenstehend erwähnt, stellt ein Maß zur Verfügung diese Möglichkeit abzuschwächen, falls solche Felder selbst trotz magnetischem Reinigen verbleiben.
12 zeigt eine Vorrichtung zum magnetischen Reinigen. Sie umfasst eine Entmagnetisierungsspule 80, die als hohlgewickelter Selenoidtyp gewickelt ist, eine mit Leitungsstrom betriebene Transformatorbaugruppe 82 und einen Strombegrenzer 84. Für eine Scheibe mit 18 mm Durchmesser, wies eine geeignete Spule um 300 Windungen von etwa 30 cm Durchmesser eines schweren ladungstragenden Kapazitätskabels auf. Der äußere Konduktor aus einem schweren Koaxialkabel, das in eine Selenoidspule gewickelt wurde, erwies sich geeignet. Die Transformatorbaugruppe 82 umfasst einen variablen Transformator 86, der an 110 oder 240 Volt Wechselspannung zur Stromversorgung angeschlossen wurde. Dieser wird nacheinander an einen Isolierungstransformator 88 angeschlossen, der in der Lage ist sicher 10 Ampere oder mehr und zweitens eine Spannung bis zu 48 Volt sicher bereitzustellen. Die Spule 80 wird durch den Strombegrenzer 84, der ein Widerstand, beispielsweise Leistungs-Rheostat, oder ein komplexeres elektronisches Gerät sein kann, an den zweiten Transformator 88 angeschlossen. Der Strombegrenzer kann weggelassen werden, da Schritte unternommen wurden, um den Strom durch die Spule zu beobachten. Ein üblicher Spulenwiderstand würde um 100 mW betragen. Die Vielfalt der Transformatorbaugruppen ermöglicht es den Strom wunschgemäß zu kontrollieren. Die Spule 80 wird unter Strom gestellt und die Scheibe wird durch die Spule gebracht, während die Spule mit 8-10 Ampere unter Strom gestellt wird. Dies erzeugt das De-Gauss Feld von etwa 1 kGauss. Normalerweise versucht man Felder im 500-1200 Gauss Bereich zu erhalten. Die Scheibe kann auf eine bewegliche Einspannvorrichtung angebracht werden, um sie entlang der Achse der Spule zu bewegen und die Bewegung hält an, bis das Ende der Scheibe die Spule verlässt, so dass das Feld, dem die Welle unterzogen ist, schrittweise abnimmt. Es können andere Wege zum Erhalt des De-Gauss Verfahrens vorhanden sein, die die Kontrolle des Spulenstroms als eine Funktion der axialen Position der Scheibe, hinsichtlich der Spule, beinhalten.
Es ist klar, dass die Spule 80 die Größe aufweist, um die Scheibe aufzunehmen. Es ist nicht praktikabel, die Spule nahe an die Scheibe und anschließend von der Scheibe weg zu bewegen. Eine Selenoidspule, die sich spiralförmig um eine Achse windet, kann nicht die beste Benutzungsweise in diesem Fall sein.
Diese Prämagnetisierung wird als eine allgemeine Anwendung auf eine Vielfalt von Sensor-Wirt Gestaltungen (Wellen, Scheiben, usw.) und auf eine Vielfalt von magnetischen Wandlertypen angesehen.
Dem Prämagnetisierungsverfahren folgt, wie obenstehend beschrieben, die Magnetisierung der Scheibe. Gemäß dem beschriebenen Prämagnetisierungsverfahren kann ein Postmagnetisierungsschritt auf die gleiche Art wie das Prämagnetisierungsverfahren durchgeführt werden, jedoch bei niedrigerer Stärke des magnetischen Felds.
In dem Postmagnetisierungsverfahren, wird die jetzt magnetisierte Scheibe wieder axial durch die unter Strom stehende Selenoidspule 80 geführt. Jedoch ist der Wechselstrom durch die Spule um eine Größenordnung geringer als für das Prämagnetisierungsverfahren. In dem obenstehenden Beispiel zur Prämagnetisierung, wird der angelegte 8-10 Ampere Strom auf 0.5-1 Ampere für die Postmagnetisierung verringert. Der Strom beträgt einen Wert, der das angenommene gebildete grundlegende magnetische Muster nicht ändert, jedoch wie es am Ehesten vermutet werden kann, reduziert er oder drängt parasitische Felder zurück, die nach der Magnetisierungsverfahren vorhanden sein können. Es wurde detektiert, dass der Postmagnetisierungsschritt die Einheitlichkeit des Ausgabesignals mit der Rotation der Scheibe, die zeitliche Versetzung und die letztendliche Sensorstabilität allgemein verbessert.
Wie bereits obenstehend angemerkt kann das obenstehend aufgeführte Prämagnetisierungsverfahren unnötig sein, falls die Scheibe kontinuierlich durch ein Magnetsystem aufgefrischt wird, wenn sie rotiert.

Claims

Wandlerelement für einen Drehmoment- oder Kraftwandler, umfassend ein Element mit einer Struktur, die allgemein radial zu einer Achse verläuft, um eine Spannung zwischen einer radial inneren Region der Struktur und einer radial äußeren Region zu übertragen, und wenigstens eine Region mit Dauermagnetisierung, die zwischen der genannten inneren und äußeren Region angeordnet ist, so dass sie auf die übertragene Spannung reagiert und ein spannungsabhängiges Magnetfeld ausstrahlt.
Wandlerelement nach Anspruch 1, wobei zwei magnetisierte Regionen vorhanden sind, eine radial innere Region und eine radial äußere Region, zwischen denen ein spannungsabhängiges Feld erzeugt wird.
Wandlerelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die oder jede Dauermagnetisierungsregion in Bezug auf die genannte Achse bogenförmig ist.
Wandlerelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die oder jede Dauermagnetisierungsregion ein unterbrochener Kreisring ist.
Wandlerelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die oder jede Dauermagnetisierungsregion ringförmig ist.
Wandlerelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die genannte Struktur eine allgemein radial verlaufende Oberfläche hat, zu der sich die oder jede magnetisierte Region erstreckt.
Wandlerelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das genannte Element eine allgemein scheibenförmige Struktur hat.
Wandlerelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwei Dauermagnetisierungsregionen vorhanden sind, die jeweils in einer axialen Richtung magnetisiert sind, wobei die Magnetisierungspolaritäten der beiden Regionen entgegengesetzt sind.
Wandlerelement nach Anspruch 6, 7 und 8, wobei die genannte Struktur zwei radial verlaufende Oberflächen hat, zu denen sich die oder jede Dauermagnetisierungsregion erstreckt, und ferner Mittel umfasst, die sich an einer der genannten beiden Oberflächen befinden, um einen Flusspfad zwischen den beiden Regionen zu schließen.
Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zwei Dauermagnetisierungsregionen vorhanden sind, die radial beabstandete Magnetpole von entgegengesetzter Polarität an einer Oberfläche des Elementes bereitstellen.
Wandlerelement nach Anspruch 9, wobei ein die genannten Regionen verbindender Flusspfad innerhalb des Materials des genannten Elementes geschlossen ist.
Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zwei Dauermagnetisierungsregionen vorhanden sind, die jeweils umfangsmäßig magnetisiert ist, wobei die Polaritäten der Umfangsmagnetisierung der beiden Regionen entgegengesetzt sind.
Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine einzelne Dauermagnetisierungsregion vorhanden ist, die schräg zu der genannten Achse verläuft.
Wandlerelement nach Anspruch 13, wobei die genannte Struktur allgemein scheibenförmig ist und einen Stufenabschnitt aufweist, in dem die genannte einzelne Region vorgesehen ist.
Spannungserfassendes Wandlersystem, umfassend ein Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, das einer Spannung ausgesetzt wird, die zwischen den genannten radial inneren und äußeren Regionen der genannten Struktur durch die genannte wenigstens eine magnetisierte Region erzeugt wird, um ein drehmomentabhängiges Magnetfeld auszustrahlen, und ein Sensorsystem, das ein oder mehrere Magnetfeldsensoren umfasst, die auf das genannte spannungsabhängige Magnetfeld reagieren, indem sie ein Signal erzeugen, das die Spannung repräsentiert, die zwischen der einen und der anderen der genannten radial inneren und äußeren Regionen erzeugt wird.
Drehmomenterfassendes Wandlersystem, umfassend ein Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, das einen Drehmomentübertragungspfad hat, der von der einen der genannten radial inneren und äußeren Regionen der genannten Struktur durch die genannte wenigstens eine magnetisierte Region zur anderen verläuft, um ein drehmomentabhängiges Magnetfeld auszustrahlen, und ein Sensorsystem, umfassend ein oder mehrere Magnetfeldsensoren, die auf das genannte spannungsabhängige Magnetfeld reagieren, indem sie ein Signal erzeugen, das für die Spannung repräsentativ ist, die zwischen der einen und der anderen der genannten radial inneren und äußeren Regionen übertragen wird.
Wandler nach Anspruch 16, wobei das genannte Element als Drehmomentübertragungsteil ausgestaltet ist, das einen auf die genannte innere Region der genannten Struktur aufgebrachten Drehantrieb auf eine auf deren genannte äußere Region aufgebrachte Last überträgt oder umgekehrt.
Wandler nach Anspruch 15, 16 oder 17, bei dem das genannte Element scheibenförmig ist.
Wandlersystem nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die genannten ein oder mehreren Magnetfeldsensoren so angeordnet und ausgerichtet sind, dass sie eine Umfangsmagnetfeldkomponente erfassen und ein diese repräsentierendes Signal erzeugen.
Wandlersystem nach Anspruch 19, ferner umfassend eine Magnetfeldsensorvorrichtung, die so angeordnet und ausgerichtet ist, dass sie eine radiale Magnetfeldkomponente erfasst und ein diese repräsentierendes Signal erzeugt.
Wandlersystem nach Anspruch 20, ferner umfassend einen Signalverarbeitungsschaltkomplex, der auf die genannten, jeweils die Umfangsmagnetkomponente und das radiale Magnetfeld repräsentierenden Signale reagiert, indem er ein Ausgangssignal ableitet, das die auf das radiale Magnetfeld bezogene Umfangsmagnetkomponente repräsentiert.
Drehmoment- oder Kraftwandlerelement, umfassend ein Element, das so gestaltet ist, dass es Drehmoment oder Kraft, das/die entlang, auf oder um eine durch das Element verlaufende Achse aufgebracht wird, auf einen Abschnitt des von der genannten Achse beabstandeten Elementes überträgt oder umgekehrt, wobei das genannte Element eine Oberfläche transversal zu der genannten Achse hat, wobei sich eine erste, äußere Region zwischen der genannten Achse und dem genannten Abschnitt befindet und zu der genannten Oberfläche verläuft; wobei sich eine zweite, innere Region zwischen der genannten Achse und der genannten äußeren Region befindet und bis zu der genannten Oberfläche verläuft, wobei die genannte erste und zweite ringförmige Region mit entgegengesetzter Polarität magnetisiert sind und mit der genannten Oberfläche zusammenwirken, um eine Magnetfeldkomponente zu erzeugen, die von der/dem genannten Drehmoment oder Kraft abhängig ist.
Wandlerelement nach Anspruch 22, wobei die genannte erste und zweite Region ringförmig sind und die genannte Achse umgeben oder wenigstens eine der ringförmigen Regionen ein unterbrochener Kreisring ist oder die genannte erste und zweite Region in Bezug auf die genannte Achse bogenförmig sind.
Wandlerelement nach Anspruch 22 oder 23, wobei die genannte erste und zweite Region beide längs magnetisiert sind, um eine radiale Magnetfeldkomponente zu entwickeln, die dazwischen an der genannten Oberfläche verläuft, und eine Umfangsmagnetfeldkomponente an der genannten Oberfläche, die von dem Drehmoment abhängig ist.
Wandlerelement nach Anspruch 22 oder 23, wobei die genannte erste und zweite Region beide umfangsmäßig magnetisiert sind, um eine radiale Magnetfeldkomponente an der genannten Oberfläche in Abhängigkeit vom Drehmoment zu entwickeln.
Drehmoment- oder Kraftwandlerbaugruppe, umfassend koaxial angeordnete erste und zweite Elemente, wobei das genannte erste Element einen größeren Durchmesser hat als das genannte zweite Element, ein scheibenähnliches Element, das allgemein radial zu der genannten Achse verläuft und das genannte erste Element mit dem genannten zweiten Element verbindet, um Kraft von einem Element auf das andere zu übertragen, wobei das genannte scheibenähnliche Element zwei magnetisierte ringförmige Regionen umfasst, die wenigstens bogenförmig oder ringförmig oder teilweise ringförmig sind, wobei die genannten magnetisierten Regionen eine solche Magnetisierung haben, dass die Regionen zusammenwirken, um eine Magnetfeldkomponente zu erzeugen, die von einer Spannung abhängig ist, die bei der Übertragung einer Last zwischen dem genannten ersten und zweiten Element entsteht.
Wandlerbaugruppe nach Anspruch 26, wobei die genannte Baugruppe so gestaltet ist, dass sie Drehmoment von dem genannten einen der genannten Elemente auf das andere überträgt.
Wandlerbaugruppe nach Anspruch 26 oder 27, wobei die genannten magnetisierten Regionen längs mit entgegengesetzten Polaritäten oder umfangsmäßig mit entgegengesetzten Polaritäten magnetisiert sind.
Wandlerbaugruppe nach Anspruch 26, wobei das genannte erste und zweite Element so montiert sind, dass sie ein Biegen des genannten scheibenähnlichen Elementes als Reaktion auf eine relative axiale Verschiebung des ersten und zweiten Elementes bewirken.
Wandlerbaugruppe nach Anspruch 26, wobei das genannte erste und zweite Element so angeordnet sind, dass sie ein Biegen des genannten scheibenähnlichen Elementes als Reaktion auf eine relative Verschiebung des genannten ersten und zweiten Elementes von der axialen Ausrichtung weg bewirken.