DE69222588T2

DE69222588T2 - Berührungsfreier ringförmig magnetisierter Drehmomentsensor, Verfahren und Wandlerring

Info

Publication number: DE69222588T2
Application number: DE69222588T
Authority: DE
Inventors: Ivan J Garshelis
Original assignee: Magnetoelastic Devices Inc
Current assignee: Magna Lastic Devices Inc
Priority date: 1991-07-29
Filing date: 1992-07-17
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2012-07-18
Also published as: CA2073293C; EP0525551B1; US5887335A; JPH05196517A; US20010029792A1; DE69222588D1; US5465627A; EP0525551A3; US6490934B2; US5351555A; CA2073293A1; JP2566709B2; US5706572A; EP0525551A2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen magnetoelastischen Drehmomentsensor und insbesondere auf einen berührungslosen magnetoelastischen Drehmomentsensor zur Lieferung eines Maßes für das Drehmoment, welches auf eine sich drehende Welle aufgebracht wird. Sie bezieht sich auch auf ein entsprechendes Verfahren und einen entsprechenden Wandlerring.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bei der Regelung bzw. Steuerung von Systemen mit rotierenden Antriebswellen sind Drehmoment und Geschwindigkeit die interessierenden Grundparameter. Daher ist das Abfühlen und die Messung von Drehmoment in genauer, zuverlässiger und billiger Weise ein primäres Ziel seit mehreren Jahrzehnten. Mit der verhältnismäßig jungen Entwicklung von Prototypen für elektrische Lenksysteme, bei welcher ein Elektromotor, der entsprechend der Betätigung eines Fahrzeuglenkrads angetrieben wird, das erzeugte Drehmoment durch Steuerung des ihm zugeführten Stromes steuert, wurde die Notwendigkeit einer Drehmomentabfühlvorrichtung, die das von einer Lenkspindel erzeugte Drehmoment genau feststellen kann, deutlich. Obwohl große Schritte gemacht wurden, bleibt die zwingende Notwendigkeit für kostengünstige Drehmomentabfühlvorrichtungen, die in der Lage sind, kontinuierlich Drehmomentmessungen über längere Zeiträume trotz schwieriger Umgebungs- und Arbeitsbedingungen durchzuführen.
Früher erfolgte eine Drehmomentmessung unter Verwendung von berührenden Sensoren, die direkt an der Welle angebracht waren. Ein solcher Sensor ist eine Drehmomentnachweisvorrichtung vom "Dehnungsmeßstreifen"-Typ, bei welcher ein oder mehrere Dehnungsmeßstreifen direkt an der äußeren Umfangsfläche der Welle angebracht sind und eine durch die Dehnung verursachte Widerstandsänderung mit einer Brückenschaltung oder anderen bekannten Einrichtungen gemessen wird. Berührende Sensoren sind jedoch infolge der direkten Berührung mit der drehenden Welle verhältnismäßig instabil und von beschränkter Zuverlässigkeit. Außerdem sind sie sehr teuer und daher für einen konkurrenzfähigen Einsatz an Fahrzeuglenksystemen kommerziell unzweckmäßig.
In ngch jüngerer Zeit wurden berührungslose Drehmomentsensoren vom magnetostriktiven Typ zur Verwendung bei rotierenden Wellen entwickelt. Beispielsweise offenbart EP-A-0 270 122 einen Sensor, welcher ein drehmomenttragendes Element mit einer geeignet ferromagnetischen und magnetostriktiven Oberfläche, zwei axial getrennte Umfangsbänder innerhalb des Elements, die jeweils mit symmetrischer, wendelförmig gerichteter restspannungsherbeigeführter magnetischer Anisotropie ausgestattet sind, und eine magnetische Diskriminatorvorrichtung zur Feststellung, ohne das mit dem Drehmoment versehene Element zu berühren, von Ansprechunterschieden der beiden Bänder auf gleiche, axiale Magnetisierungskräfte aufweist. In der typischsten Form erfolgen Magnetisierung und Abfühlen durch Vorsehen eines Paares von Erregungs- bzw. Magnetisierungsspulen, die über den Bändern liegen und diese umgeben, wobei die Wicklungen in Reihe geschaltet sind und durch Wechselstrom betrieben werden. Das Drehmoment wird unter Verwendung eines Paares von entgegengesetzt angeschlossenen Abfühlspulen zur Messung eines Differenzsignals, das sich aus den Flüssen in den beiden Bändem ergibt, abgefühlt. Leider hat das Vorsehen eines ausreichenden Platzes für die erforderlichen Erregungs- und Abfühlspulen auf und um die Vorrichtung, auf welcher der Sensor verwendet wird, praktische Probleme bei Anwendungen geschaffen, wo Platz hoch im Kurs steht. Auch erscheinen solche Sensoren untunlich teuer für Anwendungen auf stark über die Kosten konkurrierenden Vorrichtungen, wie etwa Fahrzeuglenksystemen
Ein Sensorkonzept, das dem in EP-A-0 270 122 ähnlich ist, ist in SAE TECHNICAL PAPER 1988, S. 2329-2339, Y. NONO- MURA, et al. 'MEASUREMENTS OF ENGINE TORQUE WITH THE INTER- BEARING-TORQUE SENSOR' offenbart.
Die Ausgangssignale bekannter berührungsloser magnetoelastischer Drehmomentaufnehmer entstehen als Ergebnis von Änderungen einer magnetischen Eigenschaft des Elements, das so angeordnet ist, daß es in einer geeignet in Beziehung stehenden Weise durch das interessierende Drehmoment mechanisch belastet wird. Bei allen solchen bekannten Vorrichtungen ist die effektiv abgefühlte magnetische Eigenschaft eine Permeabilität µ in der der einen oder anderen Form. Dies läßt sich aus der Tatsache heraus verstehen, daß die Ausgangssignale dieser Vorrichtungen von einer magnetischen Flußdichte B eines Flusses abgeleitet werden, der ansprechend auf ein Erregungsfeld H mit B = µH entsteht. µ kann zwar ohne weiteres durch die Belastung und damit durch das übertragene Drehmoment geändert werden, der tatsächliche Wert für irgendeine bestimmte Belastung hängt jedoch stark sowohl von inneren und strukturellen Eigenschaften des magnetoelastisch aktiven Materials, das das Element bildet, sowie von seiner Temperatur ab. Ferner hängt µ stark von H in einer Weise ab, die weder linear noch monoton ist. Das effektive Feld H ist seinerseits auf die Amplitude und Frequenz der elektrischen Ströme, von denen es im allgemeinen abgeleitet wird, sowie auf die Verteilung der magnetischen Leitwerte des zugeordneten Magnetkreises empfindlich. Temperatur beeinflußt den Spulenwiderstand, die Luftspaltabmessungen, den Leckfluß, die Permeabilitäten von Jochen und anderen Zusatzabschnitten des Magnetkreises zugeordnet ist, Dielektrizitätskonstanten von parasitären Kapazitäten zwischen Wicklungen und anderen leitfähigen Elementen, und auch andere Faktoren können einen signifikanten Einfluß auf den abgefühlten Wert von B unabhängig von Änderungen des Drehmoments haben. Die Grundschwäche dieses bekannten Ansatzes für magnetoelastische Drehmomentaufnehmer ist also darin zu sehen, daß die abgefühlte Größe, d.h., B, eine starke und komplexe Abhängigkeit von vielen Variablen und eine vergleichsweise geringe Abhängigkeit von der Torsionsbelastung hat, mit dem nicht wünschenswerten Ergebnis, daß die abgefühlten Änderungen von B nicht unzweideutig eine Änderung des Drehmoments angeben.
Versuche zur überwindung dieses Problems bei bekannten Vorrichtungen verwenden Aufbauten, die zwei getrennte B- abhängige Signale vorsehen, welche gleiche Ruhewerte, aber entgegengesetzte Antworten auf Drehmoment haben, mit Mitteln zum differentiellen Kombinieren der beiden Signale; die Idee ist dabei, Gleichtaktschwankungen von B unter Verdoppelung der Empfindlichkeit auf dem Drehmoment zugeordnete Änderungen zurückzuweisen. Das Erfordernis eines Null-Ausgangssignals bei angelegtem Null-Drehmoment erfordert große Sorgfalt bei der Errichtung exakter Symmetrie in den beiden B-Sensoren und exakter Gleichheit der beiden Ruhe-µ in den beiden Bereichen des Elements, die geprüft werden, und in den erregenden Feldern. Die Komplexitäten, die miteiner Realisierung der angestrebten Vorteile dieser Aufbauten, im Sensorabschnitt selbst sowie in den zugehörigen elektronischen Schaltungen, die für ein Vorsehen temperaturkompensierender Erregungsströme und Signalkonditionierung erforderlich sind, einhergehen, erhöhen sowohl die Kosten als auch die Größe eines kompletten Aufnehmers, wobei auch im allgemeinen seine Anpaßbarkeit, Wartbarkeit und Zuverlässigkeit reduziert werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen magnetoelastischen Drehmomentaufnehmer zu schaffen, der hinsichtlich seines Arbeitens vom Abfühlen einer Größe abhängt, die inhärent null ist, wenn das gemessene Drehmoment null ist, und die sich sowohl nach Richtung als auch Größe in einer korrelativen Weise mit dem gerade gemessenen Drehmoment ändert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines magnetoelastischen Drehmomentaufnehmers, bei welchem der Null-Wert der abgefühlten Größe unter Null-Drehmomentbedingungen im wesentlichen unbeeinflußt von Temperatur, Winkellage eines drehenden unter Drehmoment stehenden Elements, seiner Winkelgeschwindigkeit und irgendwelchen radialen oder longitudinalen Luftspalten zwischen dem unter Drehmoment stehenden Element und den Abfühlmitteln für die Größe unbeeinflußt ist.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen magnetoelastischen Drehmomentaufnehmer zu schaffen, der kein Erregungsfeld erfordert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen magnetoelastischen Drehmomentaufnehmer zu schaffen, welcher weder Erregungsströme noch Spulen erfordert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen magnetoelastischen Drehmomentaufnehmer zu schaffen, der einen magnetoelastisch aktiven Abschnitt aufweist, der mit einer effektiven uniaxialen magnetischen Anisotropie mit der Umfangsrichtung als leichter Achse ausgestattet und im wesentlichen in einer Umfangsrichtung magnetisch polarisiert ist.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen magnetoelastischen Drehmomentaufnehmer zu schaffen, welcher weder Erregungsströme noch Spulen erfordert und bei welchem die abgefühlte Größe durch eine Festkörpervorrichtung in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt wird.
Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung, einen magnetoelastischen Drehmomentaufnehmer zu schaffen, der weder Erregungsströme noch Spulen erfordert und bei welchem die integrierte Schaltungsvorrichtung Mittel zur Kompensation von Anderungen der Übertragungsfunktion, die durch Änderungen der Temperatur entstehen, enthält.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen magnetoelastischen Drehmomentaufnehmer zu schaffen, der weder Erregungsströme noch Spulen erfordert und bei welchem eine integrierte Schaltungsvorrichtung eine Kompensation zur Erweiterung des Bereichs, in dem die Ausgabe linear ist, liefert.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung ist es, einen magnetoelastischen Drehmomentaufnehmer zu schaffen, welcher weder Erregungsströme noch Spulen erfordert, einfach ist, bei niedrigen Kosten hergestellt werden kann, für Anwendungen geeignet ist, die extreme Zuverlässigkeit erfordern, beispielsweise zum Abfühlen des Drehmoments, das einem Lenksystem eines Kraftfahrzeugs eingegeben wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein berührungsloses Verfahren zur Messung von Drehmoment zu schaffen, welches die Schritte des Anbringens eines Umfangsaufnehmers, der mit einer effektiven uniaxialen magnetoelastischen Anisotropie ausgestattet und in Umfangsrichtung magnetisch polarisiert ist und ein Feld erzeugt, das ansprechend auf die auf den Aufnehmer aufgebrachte Spannung variiert, an einem drehenden unter Drehmoment stehenden Element, und Messens einer Feldausgabekomponente des Aufnehmers als Angabe des Drehmoments an dem drehenden unter Drehmoment stehenden Element aufweist.
Diese Aufgaben und andere werden durch Vorsehen eines Drehmomentsensors, wie er in Anspruch 1 definiert ist, eines Verfahrens zur Abfühlung eines Drehmoments, wie es in Anspruch 23 definiert ist, und eines Aufnehmerrings, wie er in Anspruch 28 definiert ist, gelöst.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Zusammenstellungszeichnung, die den Sensor der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist ein Graph, der die lineare Übertragungsfunktion eines in der vorliegenden Erfindung verwendeten Hall- Effekt sensors zeigt;
Fig. 3a bis 3g sind Ansichten verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die ein Magnetfluß sammeljoch enthalten;
Fig. 4 ist eine Zusammenstellungszeichnung, die einen Auffrischungsmagneten zeigt, der zur Verwendung in Verbindung mit dem Sensor der vorliegenden Erfindung eingerichtet ist;
Fig. 5a und 5b sind Graphen, die die Wirkung eines zunehmenden polarisierenden Felds auf den remanenten Magnetismus im Aufnehmer der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 6 ist ein Diagramm, welches die magnetische Polarisation des Aufnehmers der vorliegenden Erfindung durch Durchdrehen durch das Feld eines Magneten zeigt;
Fig. 7 ist ein Diagramm, welches die magnetische Polarisation des Aufnehmers der vorliegenden Erfindung durch Leiten eines Stromes durch einen toroidisch gewickelten Leiter zeigt;
Fig. 8 ist ein Diagramm, welches die magnetische Polarisation des Aufnehmers der vorliegenden Erfindung durch Verschieben eines Magneten längs der Außenseite des Aufnehmers zeigt;
Fig. 9 ist eine Schnittansicht, welche einen Abstandsring mit niedriger Permeabilität&sub1; der zwischen dem Aufnehmer der vorliegenden Erfindung und einer Maschinenwelle angebracht ist, zeigt;
Fig. 10 ist eine Schnittansicht, welche eine Verbindungsmuffe zeigt, die über einem weggeschnittenen Abschnitt einer Maschinenwelle angebracht ist und auf welcher der Aufnehmer dann angebracht wird;
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht eines Aufnehmers mit Nuten, die in seiner Innenfläche in Richtung seiner Längsachse zum Erfassen ähnlicher Aufbauten einer Welle eingeschnitten sind;
Fig. 12 ist eine Draufsicht eines Aufnehmers mit Nuten, die in seinen Rändern zum Erfassen ähnlicher Strukturen einer Welle eingeschnitten sind;
Fig. 13 ist eine Draufsicht eines Aufnehmers mit Perforationen um seinen Umfang herum zur Aufnahme eines Klebers für die Verbindung von Aufnehmer und Welle;
Fig. 14 veranschaulicht das Anbringen des Aufnehmers der vorliegenden Erfindung an einer Welle durch innere Aufweitung unter Verwendung eines Dorns;
Fig. 15 zeigt den Aufbau der Fig. 14 nach der Aufweitung der Welle; und
Fig. 16 zeigt einen Wellenaufbau, der für eine Verwendung bei dem Innenaufweitungsvorgang der Fig. 14 geeignet ist und in einem Mittelbereich zurückgeschnitten ist, um die Aufweitung des Aufnehmers 4 im mittleren axialen Bereich zu minimieren.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Unter Bezugnahme zunächst auf Fig. 1 ist ein Drehmomentsensor gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein bei 2 gezeigt. Der Drehmomentsensor 2 umfaßt einen Aufnehmer 4 und einen Magnetfeldvektorsensor 6. Der Drehmomentsensor 2 ist auf einer Welle 8 angebracht, die Teil einer (nicht gezeigten) Maschine ist und um eine zentrale Längsachse 10 dreht. Ein Drehmoment 12 wird an einem Abschnitt der Welle 8 aufgebracht und wird durch diesen auf einen anderen Abschnitt der Welle übertragen, wo die Bewegung der Welle 8 aufgrund des Drehmoments 12 irgendeine nützliche Arbeit verrichtet. Das Drehmoment 12 ist als im Uhrzeigersinn bei Blick auf das sichtbare Ende der Welle 8 seiend gezeigt, kann aber offensichtlich so aufgebracht werden, daß die Welle in eine von beiden oder beide Richtungen, abhängig von der Natur der die Welle 8 enthaltenden Maschine, gedreht wird.
Der Aufnehmer 4 ist fest an der Welle 8 in einer aus einer Reihe von Möglichkeiten, die später noch im einzelnen beschrieben werden, angebracht und wirkt als Mittel zur Lieferung eines axial oder radial identifizierbaren, magnetoelastisch aktiven Bereichs auf der Welle 8. In der Praxis wird der Aufnehmer 4 allgemein die Form einer zylindrischen Hülse oder eines zylindrischen Rings mit Endflächen 18 und 20, Innenfläche 22 und Außenfläche 24 annehmen, die bzw. der geeignet an der Welle 8 an einer zweckmäßigen Stelle längs der Achse 10, die innerhalb des torsionsbelasteten Bereichs der Welle 8 liegt, angebracht. Der Aufnehmer 4 ist durch Vorbearbeitung oder als Nebeneffekt der Mittel zur Anbringung an der Welle 8 mit einer effektiven uniaxialen magnetischen Anisotropie mit der Umfangsrichtung als der leichten Achse ausgestattet. Außerdem ist der Aufnehmer 4 auch in der einen oder anderen Umfangsrichtung durch irgendeine wirksame Methode, von denen mehrere später noch beschrieben werden, magnetisch polarisiert. Kurz gesagt, ist der Aufnehmer 4 in einer im wesentlichen reinen Umfangsrichtung 14 magnetisch polarisiert, wenigstens in dem Ausmaß, daß bei Fehlen eines Drehmoments 12 (im Ruhezustand) er keine Nettomagnetisierungskomponente in Richtung der Achse 10 und keine Nettoradialmagnetisierungskomponente hat. Domänen, deren Magnetisierungen ursprünglich Komponenten im entgegengesetzten Kreissinne hatten, sind also im wesentlichen beseitigt. Wenn die zirkulare Anisotropie geeignet dominant ist, liegen alle Domänenmagnetisierungen innerhalb einer Grenze von höchstens plus oder minus 45º und sind innerhalb ausreichend kleiner Volumina des Rings symmetrisch verteilt, so daß gewährleistet ist, daß kein unkompensierter externer Fluß durch den Magnetfeldvektorsensor 6 fühlbar ist. Die geschlossene zylindrische Form des Aufnehmers 4 verstärkt die Stabilität der Polarisation des Aufnehmers 4 dadurch, daß ein vollständiger Kreis vorgesehen ist.
Wie noch zu sehen sein wird, bewirkt infolge des Aufbaus und der Bearbeitung des Aufnehmers 4 das Aufbringen einer Torsionsbelastung auf die Welle 8 und damit auf den Aufnehmer 4 eine Umorientierung der polarisierten Magnetisierung im Aufnehmer 4. Die polarisierte Magnetisierung wird mit zunehmender Torsionsbelastung zunehmend wendelförmig. Die Wendelförmigkeit der Magnetisierung im Aufnehmer 4 hängt von der Größe des übertragenen Drehmoments 12 ab, und die Händigkeit hängt von der Direktionalität des übertragenen Drehmoments und den magnetoelastischen Eigenschaften des Aufnehmers 4 ab. Die wendelformige Magnetisierung, die von der Verwindung des Aufnehmers 4 herrührt, hat sowohl eine Umfangskomponente in Richtung 14 als auch eine Axialkomponente längs Achse 10. Von besonderer Wichtigkeit ist, daß die Größe der Axialkomponente gänzlich von der Verwindung im Aufnehmer 4 abhängt.
Der Magnetfeldvektorsensor 6 ist eine Magnetfeldvektorsensorvorrichtung, die in Bezug auf den Aufnehmer 4 so angeordnet und orientiert ist, daß sie die Größe und Polarität des Felds abfühlt, das in dem Raum um den Aufnehmer 4 herum als Ergebnis der Reorientierung der polarisierten Magnetisierung aus der Ruhe-Umfangsrichtung in eine mehr oder weniger steile Wendelrichtung entsteht. Der Magnetfeldvektorsensor 6 liefert eine Signalausgabe, die die Größe des Drehmoments 12 widerspiegelt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Magnetfeldvektorsensor 6 ein als integrierte Schaltung aufgebauter Hall-Effektsensor. Drähte 16 verbinden den Magnetfeldvektorsensor 6 mit einer Gleichspannungsquelle und übertragen die Signalausgabe des Magnetfeldvektors 6 auf eine (nicht gezeigte) Empfangsvorrichtung, wie etwa eine Steuer- oder Überwachungsschaltung für die Maschine oder das System, das die Welle 8 enthält.
Wegen der Symmetrie im Falle von Domänen des Aufnehmers 4, die nicht exakt in Umfangsrichtung polarisiert sind, und wegen der reinen Zirkulanät von anderer magnetischer Orientierung in anderen Domanen ist kein abfühlbares Feld im Raum außerhalb des ruhenden, drehmomentfreien Aufnehmers 4 vorhanden. Tatsächlich gibt es keine passiven externen Mittel zur Erkennung, daß der Aufnehmer 4 tatsächlich polarisiert ist. Die Wirkung der biaxialen Hauptspannungen, die der Übertragung von Drehmoment zugeordnet sind, fügt über die innere magnetoelastische Wechselwirkung des Materials des Aufnehmers 4 einen zusätzlichen anisotropen Einfluß der Gleichgewichtsorientierung der Magnetisierung einer jeden Domäne hinzu, wodurch die Richtung der effektiven leichten Achse einer jeden Domäne zur nächsten positiven Hauptspannung (die Spannung ist Zugspannung in Materialien mit positiven Magnetostriktionen und Druckspannung in Materialien mit negativen Magnetostriktionen) geändert wird. Da im drehmomentfreien Zustand dank der verliehenen Anisotropie und der zirkularen Polarisation alle Domänen Magnetisierungen haben, die innerhalb eines Kreisbogens von 90º liegen, wird die Richtung der effektiven leichten Achse einer jeden Domäne zur Umfangsrichtung hin geändert. Die ursprüngliche Symmetrie oder reine Zirkularität der Magnetisierung wird durch das Aufbringen von Drehmoment also gebrochen, so daß eine Nettowendelförmigkeit der Magnetisierung innerhalb des Aufnehmers 4 erscheint. Diese Wendelförmigkeit in Verbindung mit dem einzirkularen Sinn der Polarisation führt zu einer Magnetisierung, die sich in zwei Komponenten auflösen läßt: eine Umfangskomponente und eine Axialkomponente. Während die Umfangskomponente, wie bereits erwähnt, nicht eine Quelle nachweisbarer Felder im Raum außerhalb des Aufnehmers 4 ist, läßt sich die Axialkomponente ohne weiteres feststellen. Der Aufnehmer 4 erzeugt, wenn er unter Drehmoment steht, ein Feld, das außen von demjenigen eines rohrförmigen Stabmagneten ununterscheidbar ist, wenn die axiale Magnetisierung des Stabmagneten gleich der volumetrisch gemittelten Axialkomponente der wendelförmig gerichteten Magnetisierung einer jeden Domane ist. Die Richtung des aufgebrachten Drehmoments bestimmt also (zusammen mit dem Vorzeichen der effektiven Magnetostriktion des Materials des Aufnehmers 4) die Polarität des Ersatzstabmagneten, und die Größe des Drehmoments bestimmt die Stärke des Ersatzstabmagneten.
Bezug nehmend nun auf die Fig. 3a bis 3g, ist in der bevorzugten Ausführungsform ein Joch 26 aus magnetisch weichem (niedrige Koerzitivkraft, hohe Permeabilität) Material in Verbindung mit dem Magnetsensor oder den Magnetsensoren 6 vorgesehen. Das Joch 26 ist eine Einrichtung zur Erhöhung des magnetischen Leitwerts des Flußschließwegs durch den Magnetfeldsensor 6, und ist auch ein Mittel zum Sammeln von Fluß aus Umfangsabschnitten des Aufnehmers 4, die vom Magnetfeldvektorsensor 6 weiter weg sind. Das Joch 26 ist besonders nützlich bei integrierten Hall-Effektschaltungen, da diese Vorrichtungen zu verhältnismäßig hohen Rauschpegeln neigen, die mit abnehmender Frequenz zunehmen. Es wird daher bevorzugt, diese Vorrichtung unter Verwendung von eher höheren als niedrigen Feldstärken zu betreiben, um den Rauschabstand zu erhöhen.
Wie in Fig. 3a gezeigt, ist der Magnetfeldvektorsensor 6 vorzugsweise in der Nähe des Randes 18 (oder Randes 20) des Aufnehmers 4 angeordnet, da die Orientierung des Magnetfelds des Aufnehmers 4 diktiert, daß eine größere Feldintensität in der Nähe der Ränder 18 und 20 des Aufnehmers 4 als in anderen Bereichen in der Nähe des Aufnehmers 4 vorhanden ist. Bei dieser Ausführungsform ist das Joch 26 ein allgemein stabförmiger Flußsammler, der an einer Seite des Auf nehmers 4 und der Welle 8 angeordnet ist. Das Joch 26 weist Fortsätze 28 und 30 an seinen Enden in der Nähe der Ränder 18 und 20 des Aufnehmers 4 auf. Der Magnetfeldvektorsensor 6 ist an dem Fortsatz 30 zwischen Joch 26 und Aufnehmer 4 angebracht.
Fig. 3b zeigt ein Joch 26, das sich aus zwei Segmenten 32 und 34 mit Fortsätzen 28 und 30, die sich jeweils zum Aufnehmer 4 hin erstrecken, zusammensetzt. Der Magnetfeldvektorsensor 6 ist axial (in Bezug auf Welle 8) zwischen Jochsegment 32 und Jochsegment 34 angeordnet und vervollständigt einen magnetischen Weg vom Rand 18 des Aufnehmers 4 durch Luftspalt 36, Jochsegment 32, Magnetfeldvektorsensor 6, Jochsegment 34, Luftspalt 38 zum Rand 20 des Aufnehmers 4.
Fig. 3c zeigt eine der Ausführungsform der Fig. 3b allgemein ähnliche weitere Ausführungsform des Jochs 26, bei welcher der Magnetfeldvektorsensor radial zwischen den Jochsegmenten 32 und 34 angeordnet ist; das heißt, der magnetische Weg verläuft vom Jochsegment 32 radial nach außen in Bezug auf die Welle, durch den Magnetfeldvektorsensor 6 und ferner radial nach außen zum Jochsegment 34.
Fig. 3d ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des Jochs 26. Die Ausführungsform der Fig. 3d ist ähnlich der Auführungsform der Fig. 3c, aber in dieser Ausführungsform sind die Jochsegmente 32 und 34 stabförmig und in der Nähe der Außenfläche 24 des Aufnehmers 4 längs verschiedener zentraler Achsen ausgerichtet, wobei jede Achse parallel zur Achse 10 der Welle 8 ist. Der Magnetfeldvektorsensor 6 ist zwischen den Enden der Jochsegmente 32 und 34 angeordnet. Der Weg vom Jochsegment 32 zum Jochsegment 34 durch den Magnetfeldvektorsensor 6 verläuft also in Umfangsrichtung um Aufnehmer 4 und Welle 8 und quer zur zentralen Mittellängsachse der Jochsegmente 32 und 34.
Fig. 3e zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher zwei Magnetsensoren 6 verwendet werden. Die Magnetsensoren 6 sind an entgegengesetzten Enden des Aufnehmers 4 in der Nähe der Ränder 18 und 20 angeordnet und werden durch ein einfaches stabförmiges Joch 26 verbunden. Mehrfachsensorausführungsformen erhöhen die Kosten der Vorrichtung, sind aber wünschenswert, weil die Magnetsensoren 6 differentiell zur Gleichtaktabweisung von Temperaturschwankungen, Spannungs schwankungen und Umgebungsfeldsignalen verschaltet werden können. Wahlweise können zur Minimierung von Umgebungsfeldeinflüssen die Magnetsensoren 6 durch eine Abschirmung 39 aus irgendeinem Material mit sehr niedriger magnetischer Permeabilität abgeschirmt werden. Die Abschirmung 39 kann die Magnetsensoren 6 in allen Richtungen, die von der Richtung des vom Aufnehmer 4 empfangenen Flusses verschieden sind, umgeben.
Natürlich könnte eine größere Anzahl von Magnetsensoren 6, falls gewünscht, ebenfalls verwendet werden. Bei der in Fig. 3f gezeigten Ausführungsform werden vier Magnetsensoren 6 verwendet, wobei zwei den anderen beiden in Bezug auf den Aufnehmer 4 diametral gegenüberliegend angeordnet sind.
Fig. 3g zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensors 2 der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist das Joch 26 aus zwei rechtwinkligen stabförmigen Segmenten 40 und 42 aufgebaut. Schenkel 44 der Segmente 40 und 42 enden in der Nähe der Welle 8 in dem Bereich der Ränder 18 und 20 des Aufnehmers 4. An ihren Enden schließen sich die Schenkel 44 an einen Umfangsabschnitt 41 des Jochs 46 an. Umfangsabschnitte 41 können einen Teil der oder die gesamte Welle 8 umgeben und sammeln Fluß aus einem Umfangsbereich. Der Fluß wird einen Schenkel zu einem kleinen sich verjüngenden Luftspalt 46 hochgeleitet, wo "ausfransender" Fluß durch den Magnetfeldvektorsensor 6 zum anderen der Segmente 40 und 42 gerichtet wird. Der Spalt 46 ist vorzugsweise von der Größenordnung einiger tausendstel inch, oder weniger, über seinen engsten Punkt hinweg und liefert so ein intensives Feld in dem Bereich. Der Spalt ist axial, ähnliche Anordnungen könnten aber auch Spalte verwenden, die radial oder in Umfangsrichtung in Bezug auf den Aufnehmer 4 orientiert sind.
Die in den Fig. 3a bis 39 gezeigten Joche 26 erfüllen mehrere nützliche Funktionen. Neben der Konzentrierung des aus einem größeren Bereich gesammelten Flusses und Richten desselben zu einem oder durch einen Magnetfeldvektorsensor 6 vermindern die Joche 26 die Effekte von Inhomogenitäten in dem axialen magnetischen Moment, die an unterschiedlichen Umfangsstellen um den Aufnehmer 4 herum vorhanden sein könnten. In extremen Fällen einer solchen Inhomogenität oder radialen Unrundheit (Exzentrizität) der Welle kann es auch wünschenswert sein, ein Joch 26 vorzusehen, das den Aufnehmer 4 vollständig umschließt. Ein solches Joch könnte aus koaxialen Ringen aus leichtmagnetischem Material in der Nähe jedes Endes, aber in radialem Abstand von diesem, des Aufnehmers 4 bestehen. Die Flußsammelteile würden fest (mit minimalen dazwischenliegenden Zwischenräumen) an anderen Teilen des Jochs 26 angebracht sein, die so konfiguriert sind, daß sie den gesammelten Fluß zum Magnetfeldvektorsensor 6 leiten.
Ein Experimentieren mit dem polarisierten Aufnehmer 4 gemäß der vorliegenden Erfindung legt nahe, daß seine magnetischen Eigenschaften gegenüber Zeit, Temperaturauswanderungen, Schwingungen (Belastung in verschiedenen Moden) und fortgesetztem zyklischem Drehmomentdurchlauf stabil sind. Insbesondere der polarisierte Aufnehmer 4 mit seiner geschlossenen Ringform ist in seinem tiefstmöglichen Energiezustand und daher in dem stabilsten Zustand. Im Entmagnetisierungszustand ist potentielle Energie in den Domänenwänden sowie in lokalen Spannungen als Folge einer "Fehlpassung" von Domänen mit nicht-kohärenten spontanen Magnetostriktionen und in den mikroskopischen Feldern in der Nachbarschaft der Bereiche, wo die lokale Magnetisierung ihre Richtung ändert, vorhanden.
Sollten sich hinsichtlich der Langzeitstabilität der vom Aufnehmer 4 erzeugten Felder Probleme ergeben, kann ein fester Auffrischungsmagnet 47 in der Maschine oder dem System in der Nähe des rotierenden Aufnehmers 4 vorgesehen sein, wie dies in Fig. 4 veranschaulicht ist. Das zusätzliche Vorsehen dieser Magnetkomponente liefert eine kontinuierliche schwache Magnetkraft auf den Aufnehmer 4, die in Richtung einer Aufrechterhaltung der gewünschten Polarisation des Aufnehmers 4 wirkt. Der Magnet 47 kann verhältnismäßig schwach sein, da er nicht so stark sein muß, daß er den gesamten Aufnehmer 4 tatsächlich polarisiert, sondern nur in der Lage sein muß, irgendwelche widerspenstigen Domänen zu korrigieren, die während eines längeren Betriebs der Vorrichtung in dem Feld entstehen. Ein kleiner Magnet 47 aus gebundenem Ferrit mit einer Länge, die ungefähr gleich der Länge des Aufnehmers 4 längs der Achse 10 ist und magnetisiert in Richtung seiner Dicke (mit dem N-Pol an der einen Fläche und dem S-Pol an der anderen, wie gezeigt) kann verwendet werden.

Aufbau des Magnetsensors

Der Magnetfeldvektorsensor 6 umfaßt vorzugsweise eine oder mehrere Festkörpersensorvorrichtungen, wie etwa Hall- Effekt-, Magnetwiderstands-, Magnettransistor- ("Magnistor"), Magnetdioden- oder MAGFET (Magnetfeldeffekttransistor-) Sensoren. Zu anderen möglichen Sensoren gehören nicht-lineare Kerne mit magnetischen Eigenschaften, die sich mit H ändern, Magnetometer, induktive Magnetometer und Spulen, entweder umgebend oder in der Nähe angeordnet, die im Fluß liegen und eine induzierte EMK haben, die proportional zu d /dt ist.
Die Festkörpersensoren sind bei dieser Anwendung wegen ihrer geringen Größe und niedrigen Kosten und weil sie in einer integrierten Schaltungskomponente gewünschte Elektronik zur Temperaturkompensation, Signalformung, Spannungsregelung und andere Betriebsfunktionen enthalten können. Hall-Effektsensoren sind besonders bevorzugt, weil sie, wie in Fig. 2 gezeigt, eine ideale Übertragungscharakteristik haben, die sowohl linear als auch polaritätsempfindlich ist. Einige Hall-Effektsensoren mit integrierter Schaltung, die zur Verwendung als Magnetfeldvektorsensoren geeignet sind, sind Modell TL173C, hergestellt von Texas Instruments, Modell Nr. AD22150, hergestellt von Analog Devices, Modelle UGN3503U und UUGN3503UA, hergestellt von Allegra Microsystems, Inc. Ahnliche potentiell geeignete Vorrichtungen werden auch von Microswitch, Siemens und Wolff Controls Corporation hergestellt.
Der Magnetfeldvektorsensor 6 ist so angeordnet und orientiert, daß er eine maximale Antwort auf das externe Feld erzeugt, das mit der Übertragung von Drehmoment entsteht. Wie es sich aus der Äquivalenz des unter Drehmoment stehenden Aufnehmers und eines axial magnetisierten Stabmagneten ergibt, findet man die intensivsten Felder in der Nähe der Pole, das heißt in der Nähe der Endflächen 18 und 20 des Aufnehmers 4. Der Magnetfeldvektorsensor 6 ist vorzugsweise in der Nähe der Welle 8 befestigt und rotiert nicht. Da zu den häufigsten Anwendungen von Drehmomentaufnehmern drehende unter Drehmoment stehende Elemente, wie Welle 8, gehören, muß der Magnetfeldvektorsensor 6 radial von der Welle 8 getrennt sein, um einen körperlichen Kontakt mit der Welle 8 bei rotierender Welle 8 zu vermeiden. Die exakte Anordnung und Orientierung des Magnetfeldvektorsensors 6 hängt von seinem speziellen Arbeitsprinzip, der Komponentengröße, dem aktiven Bereich und anderen konstruktiven Einzelheiten sowie von den geometrischen und magnetischen Eigenschaften des Aufnehmers 4 (beispielsweise Schärfe von Ecken, radiale Dicke, axiale Länge, Durchmesser) und dem erforderlichen radialen Raum ab, ein in etwa optimaler Ort für den Magnetfeldvektorsensor 6 findet sich aber üblicherweise radial auswärts von einer der Endflächen 18 und 20 und so orientiert, daß radialer Fluß abgefühlt wird.
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Tatsache, daß eine Umfangsinhomogenität, die in dem Aufnehmer 4 auftritt, sehr viel kleiner ist verglichen beispielsweise mit einer Inhomogenität bei bekannten Drehmomentaufnehmern, die lokale Sensoren verwenden. Solche Sensoren fühlen nur einen kleinen lokalen Bereich (einen Punkt) der Wellenoberfläche ab, während der hier verwendete Magnetfeldvektorsensor 6 das axiale Feld eines Bereichs, der sich über die volle Länge des Aufnehmers 4 erstreckt, abfühlt. Der Magnetfeldvektorsensor 6 mittelt also lokale Momente, die aus den vielen Domänen längs einer Linie entstehen, und fühlt nicht nur einen Punkt auf einer Linie ab.
Ein weiterer signifikanter Vorteil der Abfühlung bei der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das von dem Magnetfeldvektorsensor 6 abgefühlte Feld nur durch Richtung und Größe des übertragenen Drehmoments moduliert wird. Unter den Bedingungen eines stationären Drehmoments gibt es keine zeitliche Schwankung dieses Felds. Anders als beim größten Teil bekannter Drehmomentaufnehmer, bei welchen der abgefühlte Fluß durch eine wechselnde Polarität, hochfrequente magnetomotorische Kraft, zyklisch gelenkt wird, liegt die Drehmomentinformation des gegenständlichen Aufnehmers gänzlich in der momentanen Flußdichte und nicht in Merkmalen eines periodischen Wellenträgers oder seiner zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit. Dies erlaubt die Verwendung von Festkörpermagnetsensoren 6, die zu B (Flußdichte) oder H (Feldstärke) proportionale elektrische Ausgaben liefern, da der Sensor 6 in einem Luftspalt liegt, wo µ (Permeabilität) = 1. Festkörpermagnetsensoren sind kleiner, im Aufbau einfacher und weniger teuer als Spulen-Feldsensoren.
Wie weiter oben erwähnt, können, obwohl es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß Spulen nicht erforderlich sind, Magnetsensoren 6, die Spulen verwenden, beim Aufnehmer 4 bei geeigneten Anwendungen verwendet werden. Kleine, Fluxgate- (sättigbarer Kern) oder ähnliche Typen von Feldsensoren können verwendet werden, insbesondere dort, wo die Umweltbedingungen zu extrem für gegenwärtig verfügbare Festkörpervorrichtungen sind. Flußverkettungsarten von Feldsensoren sind ebenfalls brauchbar, sind aber, da sie Integratorschaltungen erfordern, um das d /dt-Signal in umzuwandeln, weniger bevorzugt.

Aufbau des Abnehmers

Der Aufbau eines wirkungsvollen Abnehmers 4 gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert eine geeignete Dimensionierung, geeignete Materialauswahl und geeignete Orientierung der Magnetisierung im Aufnehmer 4.
Zunächst wird eine Dimensionierung des Aufnehmers 4 als Beispiel im Detail diskutiert. In einem erläuternden und bevorzugten Beispiel für eine Welle mit einem Durchmesser von 1/2" (13 mm) kann der Aufnehmer 4 1/2" (13 mm) längs seiner Mittellängsachse lang sein, aus 18%-Ni-Maraging-Stahl (T-250) sein, mit einer zentralen Bohrung von 0,499 bis 0,498 inch (12,98-12,96 mm) zur Lieferung einer Preßpassung auf Welle 8 und mit einer Wanddicke im Bereich von 0,030- 0,050 inch (0,8-0,13 mm). Die Abmessungen des Aufnehmers 4 können in individueller Anwendung gemäß den folgenden allgemeinen Regeln variieren.
Üblicherweise ist eine verhältnismäßig geringe Wanddikke für den Aufnehmer 4 wünschenswert. Die Belastung im Aufnehmer 4 variiert linear von 0 in der Mitte (wenn der Auf nehmer 4 ein Vollzylinder ist) oder einem größeren Wert an der Innenfläche 22 zu einem Maximum an der Außenfläche 24. Es wäre möglich, den Aufnehmer 4 in Form eines Vollzylinders herzustellen, der in einer Lücke in der Welle 8 zwischengelegt werden könnte. Ein vollzylindrischer Aufnehmer 4 würde jedoch Material sowohl mechanisch als auch magnetisch ineffizient verwenden. Nicht nur würde der Mittelabschnitt nur wenig Drehmoment übertragen, sondern der Gradient der axialen Magnetisierungskomponente, der am höchsten an der Oberfläche ist, bedeutet auch, daß einiger Oberflächenfluß abgezweigt werden würde in einem Versuch, das innere Material stärker axial zu magnetisieren, was die Flußmenge, die für die Messung mit dem Magnetfeldvektorsensor verfügbar ist, reduziert.
Wenn im anderen Extrem der Aufnehmer 4 zu dünn ist, dann ist ein unzureichendes Volumen an Material, das zum externen Magnetfeld beiträgt, vorhanden. Das Feld ist proportional dem magnetischen Moment, aus dem es hervorgeht, und das magnetische Moment = MV, wobei M die Axialkomponente der Magnetisierung und V das Volumen des so magnetisierten Materials ist.
Die axiale Länge des Aufnehmers 4 hängt zum Teil von der Dicke der Welle ab. Ein Zylinder, bei dem seine axiale Länge unverhältnismäßig kleiner als sein Durchmesser ist, ist schwer auf der Welle 8 zu montieren und anzubringen. Wenn beispielsweise der Aufnehmer 4 auf der Welle durch einen Preßsitz gehalten wird, kann der Sitz fester sein, wenn der Aufnehmer 4 dicker und länger ist.
Wenn die axiale Länge zu klein ist, wird die Magnetisierung instabil. Wie weiter oben ausgeführt, erzeugt der unter Torsionsspannung stehende Aufnehmer 4 ein Feld, das demjenigen eines Stabmagneten mit einem Pol an jedem Ende äquivalent ist. Je enger diese Pole beieinander liegen, desto intensiver ist das innere "Entmagnetisierungsfeld" des Magneten. Es gibt drei Energieterme, die die Orientierung der Magnetisierung des Aufnehmers 4 beeinflussen: (1) Die Anisotropie des Materials trachtet die Magnetisierung in Umfangsrichtung zu halten; (2) magnetoelastische Kräfte trachten die Magnetisierung in einer 45º-Wendel auszurichten, und (3) das Entmagnetisierungsfeld trachtet die axiale Komponente des Magnetfelds zu reduzieren.
Das Entmagnetisierungsfeld nimmt mit der Axialkomponente der Magnetisierung zu. Das Entmagnetisierungsfeld wächst also in dem Maße, wie magnetoelastische Kräfte die anisotropen Kräfte überwinden. Der Entmagnetisierungsfaktor (eine Zahl, die im allgemeinen zwischen 0 und 4*PI fällt) wächst mit abnehmender Axiallänge und (nicht genauso rasch) mit zunehmender Dicke. Wenn im anderen Extrem der Aufnehmer 4 übermäßig lang ist, ist ein viel größerer externer magnetischer Aufbau erforderlich, um den magnetischen Kreis durch einen lokalen Feldsensor zu schließen. Für kleine Wellen ist eine Breite, die grob gleich dem Durchmesser der Welle ist, ein guter Ausgangspunkt für die Gestaltung.
Die Materialauswahl für die Herstellung des Aufnehmers 4 ist kritisch, und es sollten Materialien ausgewählt werden, indem die Eigenschaften verfügbarer Materialien den Anforderungen der Aufnehmeranwendung angepaßt werden, und in Verbindung mit der Auswahl der Materialien für die Welle 8. Bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform ist der Aufnehmer 4 aus Nickel-Maraging-Stahl, wie etwa 18 % Nickel- Maraging-Stahl, aufgebaut.
Das ausgewählte Material muß ferromagnetisch sein, um das Vorhandensein magnetischer Domänen zu gewährleisten, und muß magnetostriktiv sein, damit die Orientierung der Magnetisierung durch die einem aufgebrachten Drehmoment zugeordneten mechanischen Spannungen geändert werden kann.
Andere Materialien als Nickel-Maraging-Stahl können auch geeignet sein, abhängig von den Kenngrößen der Anwendung. Materialien sollten im Hinblick auf die folgenden allgemeinen Kriterien gewählt werden.
Bei der Aufnehmeranwendung geht das Feld, das mit dem Drehmoment entsteht, auf die Diskontinuität der Axialkomponente der Magnetisierung an den beiden Enden des aktiven Bereichs zurück. Diese Enden werden in ihrer Wirkung zu den Polen eines Stabmagneten. Dieses Feld nimmt mit der Sättigungsmagnetisierung, Ma, des aktiven Materials zu. Je größer Ms wird, desto größer die Diskontinuität. Formal gilt, divH = -divM = (im Grenzfall) - 0,7071 divMs, wobei 0,7071 = sin45º.
Die Polarisation wird gegen Störfelder durch die Ruheanisotropie Ku aufrechterhalten. Deshalb ist ein größeres Ku bevorzugt. Die Magnetisierung wird jedoch durch mechanische Spannung leichter (weniger Drehmoment erfordernd) umorientiert, wenn Lambdas/Ku groß ist, wobei Lambdas die Sättigungsmagnetostriktion ist. Wenn hohe Empfindlichkeit gewünscht wird, sollte daher Lambdas im Verhältnis zu Ku groß sein. Wenn ein großer dynamischer Bereich gewünscht wird, sollte Lambdas/Ku so klein sein, daß 3 (Lambdas) (Sigma) /Ku beim höchsten geforderten Drehmoment im linearen Bereich bleibt.
Zu anderen Materalien, die diese Kriterien im wesentlichen erfüllen und daher für den Aufbau des Aufnehmers 4 verwendet werden können, gehören die folgenden:
- Andere Nickel-Maraging-Stähle.
- Andere Nickel-Eisen-Legierungen, einschließlich sowohl binärer Legierungen als auch Stähle. Die binären Legierungen müssen Legierungen mit hohem Nickelanteil (40%-50%) enthalten, während Stähle 9-4-20 oder AISI 9310 enthalten können.
- Aluminium-Maraging-Stähle, die typischerweise 13% Aluminium enthalten, wie etwa Alfer (13% Al-Bal Fe).
- Mangan-Maraging-Stähle, die den Vorteil haben, daß sie weniger teuer als Nickel-Maraging-Stähle sind.
- Permendur-Legierungen, wie etwa 49Co 49Fe 2V, mit sehr hoher Magnetostriktion. Vanadium kann zugesetzt werden, um das Material leichter bearbeitbar zu machen und seine Festigkeit zu erhöhen. Ähnliche Legierungen mit einem kleineren Kobalt-Anteil können verwendet werden.
- Martensitischer rostfreier Stahl, einschließlich reiner Chrom-Typen, wie etwa 410, 416 oder 440.
- Ferritischer rostfreier Stahl, wie etwa AISI 430.
- Ausscheidungshärtender rostfreier Stahl, wie etwa 15- 5 pH oder 17-4 pH.
- Amorphe oder nanokristalline Materialien.
Der Aufnehmer 4 kann in seiner Grundform aus dem ausgewählten Material mit irgendeinem geeigneten Materialbearbeitungsprozeß hergestellt werden. Im Anschluß an die Ausbildung des Aufnehmers werden zwei Schritte durchgeführt, um dem Material des Aufnehmers 4 die gewünschte Umfangsmagnetfeldorientierung auf zuprägen. Zunächst wird der Aufnehmer 4, durch eine Vorbearbeitung oder als Nebeneffekt seiner Anbringung an der Welle, mit einer effektiven uniaxialen magnetischen Anisotropie mit der Umfangsrichtung als leichter Achse ausgestattet. Als zweites muß der Aufnehmer 4 in der einen oder anderen Umfangsrichtung polarisiert werden.
Der erste Schritt beim Einrichten der geforderten Magnetfeldorientierung besteht darin, der Struktur des Aufnehmers 4 eine Umfangs-Ruhemagnetanisotropie aufzuprägen. Um einen effizienten Gebrauch aller magnetischer Domänen, das heißt des gesamten Volumens des Aufnehmers 4 zu erzielen, sollte die Ruheanisotropie in jeder um nicht mehr als 45º von der Umfangsrichtung abweichen. Damit jede magnetische Domäne mit gleicher Wirksamkeit und symmetrisch für sowohl das Drehmoment im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn arbeitet, sollten sie alle rein zirkular, das heißt exakt in Umfangsrichtung, sein. Eine absolute Perfektion in dieser Hinsicht ist jedoch nicht erforderlich, um gute Arbeitsergebnisse zu erzielen; es ist nur erforderlich, daß die magnetische Orientierung in jeder Domäne innerhalb von 45º gegenüber dem Ideal liegt.
Die magnetische Anisotropie wird vorzugsweise durch physikalische Bearbeitung des Materials des Aufnehmers 4 erzeugt. Jede physikalische Quelle für eine magnetische Anisotropie kann allein oder in Kombination verwendet werden, um die gewünschte Verteilung der Domänenruheorientierungen zu erzielen, die in Umfangsrichtung innerhalb von plus oder minus 45º liegt. Eine Quelle der magnetischen Anisotropie ist magnetokristalline, das heißt "Kristallanisotropie", was die bevorzugte Orientierung der magnetischen Momente ("Spins") der Atome (ferromagnetischen Atome) in Richtungen meint, die zu den Achsen, die die Kristallstruktur definieren, korreliert sind. Eine zweite Quelle magnetischer Anisotropie ist Richtungsordnung, was die Verteilung von Atomarten, Gitterdefekten, Einschlüssen (Ausschlüssen) oder anderer chemischer oder struktureller Merkmale, die man in einer Richtung (oder mehr als einer, aber nicht allen Richtungen) findet, meint. Eine dritte Quelle magnetischer Anisotropie ist magnetoelastisch, was der Direktionalität von mechanischer Spannung in Materialien mit einer spontanen magnetostriktiven Dehnung, die mit ihrem spontanen magnetischen Moment (Magnetostriktion-ferromagnetisch) korreliert ist, zugeordnet ist. Eine vierte Quelle magnetischer Anisotropie ist die Form des Materials, die der Divergenz von M an Materialgrenzen zugeordnet ist. Speziell entsteht ein Entmagnetisierungsfeld an den "Polen" eines magnetisierten Körpers und ist intensiver, wenn die Pole im engen Abstand liegen. Andere als sphärische Formen haben inhärent einige Achsen, die magnetisch "leichter" sind als andere.
Irgendeine oder alle diese physikalischen Quellen der Anisotropie können beim Aufbau des Aufnehmers 4 verwendet werden. Beispielsweise entsteht Kristalltextur aus verschiedenen Kombinationen mechanischer Bearbeitung und Wärmebehandlung. Mechanische Bearbeitung, wie etwa Walzen, hat die Tendenz, die Kristalle auszurichten, da sie anisotrope Festigkeiten und Steifigkeiten haben. Die gewünschte magnetische Anisotropie könnte also durch Kaltwalzen des Aufnehmers 4 zwischen zwei in engem Abstand liegenden Arbeitswalzen eingeführt werden, die um Achsen drehen, die parallel zur Mittellängsachse des Aufnehmers 4 sind. Ein anderes Verfahren der Erzielung der gewünschten Anisotropie könnte darin bestehen, den Aufnehmer 4 aufzubauen, indem ein kontinuierlicher schmaler Streifen aus dem Material des Aufnehmers 4 in seiner Längsrichtung gewalzt wird und nachfolgend der Aufnehmer 4 durch spiralförmiges Umwickeln der Welle 8 mit dem Streifen unter Verwendung eines Klebers zum Instellunghalten des Streifens ausgebildet wird. Eine nachfolgende Wärmebehandlung der vorher gewalzten Materialien bewirkt eine Rekristallisation mit Kristallwachstum in Richtungen, die die Walzrichtung widerspiegeln, so daß die gewünschte Anisotropie verstärkt wird. Als weiteres Beispiel kann die Außenfläche des Wandlers 4 so gewalzt (oder spanend bearbeitet) werden, daß sie eine Folge von Umfangsrippen und Mulden (eine Umfangsrändelung) hat, um eine Formanisotropie (mit oder ohne Spannungsanisotropie) zu entwickeln.
Die oben genannten Methoden können bei bestimmten Anwendungen besonders brauchbar sein, eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht aber vor, daß der Aufnehmer 4 an der Welle durch "Preßsitz", "Schrumpfsitz" oder irgendeine andere Art von "Festsitz" angebracht wird, wobei der Innendurchmesser des Aufnehmers 4 kleiner gehalten wird als der Außendurchmesser der Welle am Übergang. Dieser Aufbau setzt den Aufnehmer 4 in Umfangsspannung (bezeichnet als "Reifspannung") . Wenn der Aufnehmer 4 aus einem Material mit positiver Magnetostriktion hergestellt wird, schafft diese Zugspannung inhärent die gewünschte zirkulare Anisotropie. Diese Methode ist besonders vorteilhaft, da die magnetische Anisotropie als eine inhärente Funktion der Maschinenmontage erzeugt werden kann, was die Notwendigkeit eines Vorbearbeitungsschritts zur Herstellung gerichteter magnetischer Anisotropie im Wandler 4 beseitigt.
In einem besonders bevorzugten Prozeß können der Innendurchmesser des Aufnehmers 4 und/oder der Außendurchmesser der Welle 8 nach Montage "justiert" werden, um diese Reifspannungsbedingung zu erfüllen, solange geeignete Materialien für den Aufnehmer 4 und/oder die Welle 8 gewählt werden. Wenn der Aufnehmer 4 aus Maraging-Stahl besteht, schrumpft er während des Alterungsprozesses. Ahnlich dehnt sich die Welle 8 aus, wenn die Welle 8 zu einer martensitischen Umwandlung, etwa durch Abschrecken aus einer erhöhten Temperatur, gebracht wird. Wenn der Martensit nur mäßig getempert wird, bleibt er magnetisch hart und hat damit niedrige Permeabilität, wie für die Welle 8 erforderlich. Dieser Schrumpfsitz des Aufnehmers 4 auf der Welle 8 erzeugt inhärent eine Umfangsreifspannung im Aufnehmer 4, die zusammen mit seiner positiven Magnetostriktion die gewünschte magnetische Anisotropie liefert.
Anschließend an die Einführung einer magnetischen Anisotropie in den Aufnehmer 4 muß der Aufnehmer 4 in der gewünschten Richtung, entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn, um den Umfang des Aufnehmers 4 polarisiert werden. Die Polarisierung des Aufnehmers 4 (oder allgemeiner, des aktiven Elements) erfordert, daß alle Abschnitte einem genügend großen Feld in der gewünschten Umfangsrichtung ausgesetzt werden. Die erforderliche Größe des polarisierenden Felds wird durch das praktische Erreichen von Sattigungseffekten begrenzt. Eine Verwendung größerer Felder ändert das Arbeiten der richtig polarisierten Vorrichtung nicht merkbar. Der Aufnehmer 4 sollte dem Feld für eine Zeitdauer ausgesetzt werden, die ausreicht, die gewünschten Polarisierungseffekte des Felds herbeizuführen, daß Wirbelströme abklingen, und so, daß nichts darüber hinaus passiert, wenn das Feld fur eine längere Zeit aufrechterhalten wird. Fig. 5a veranschaulicht den Effekt der Erhöhung des polarisierenden Felds von Punkt A zu B zu C zu Punkt D und die resultierende Zunahme des remanenten Magnetismus MR von A zu B zu C zu D. Wie in Fig. Sb gezeigt, erreicht MR bei einem gewissen Wert H = HSAT effektiv Sättigung, so daß ein weiter zunehmendes H keine zusätzliche Zunahme von MR erzeugt.
Eine bevorzugte Methode der Polarisierung des Aufnehmers 4 ist in Fig. 6 gezeigt. Bei dieser Methode wird der Aufnehmer 4 polarisiert, indem er in dem Feld in der Nähe von zwei entgegengesetzten Magentpolen 48 und 49, wie sie beispielsweise durch einen Hufeisenmagneten 50 geliefert werden, gedreht wird. Während der Drehung des Aufnehmers 4 wird der Magnet 50 radial nach innen nahe an den Aufnehmer 4 (der sich während der Annäherung des Magneten 50 kontinuierlich dreht) bewegt, und nach einigen Umdrehungen zur Stabilisierung der Wirkungen des Magneten 50 wird der Magnet 50 langsam so weit wegbewegt, daß er keine weitere Auswirkung auf die Magnetisierung des Aufnehmers 4 hat. Die durch den Magneten 50 bei dieser Methode verliehene Polarität hängt von der Orientierung der Pole des Magneten 50 ab und ist unabhängig von der Drehrichtung des Aufnehmers 4.
Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zur Erzeugung eines zirkular gerichteten Felds besteht darin, einen Strom in einer axialen Richtung in der Nähe des Aufnehmers 4 vorzusehen. Beispielsweise kann ein geeigneter großer unidirektionaler Strom direkt durch die Welle, auf der der Aufnehmer 4 montiert ist, geleitet werden. Alternativ kann ein solcher Strom durch einen koaxialen Leiter, der durch die Mittelbohrung des Aufnehmers 4 vor seiner Montage auf der Welle 8 geführt ist, geleitet werden. Ferner kann, wie in Fig. 7 gezeigt, ein Leiter 52, der einen Strom 54 in einer einzigen Richtung führt, wendelförmig um die Innenseite und Außenseite des Aufnehmers 4 gewickelt sein, um so eine wirksame Reihe von Leitern in der Nähe von sowohl der Innenseite 22 als auch Außenseite 24 des Aufnehmers 4 auszubilden. Stromflusse in entgegengesetzten axialen Richtungen innerhalb und außerhalb des Aufnehmers 4 erzeugen zusätzliche Felder in den gleichen zirkularen Richtungen. Wickeln dieses wendelförmigen Musters und nachfolgendes Entfernen desselben ist eine weniger wünschenswerte Art und Weise der Polarisierung des Aufnehmers 4. Für große Ringe könnte jedoch eine magnetische Vorrichtung vorgesehen werden, bei welcher der in Fig. 7 gezeigte Leiter 52 aus zwei Teilen aufgebaut ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Leiterteile durch Verschiebung längs der Mittellängsachse des Aufnehmers 4 an einer Unterbrechungslinie 56 axial separierbar, damit der Aufnehmer 4 eingefügt werden kann, wonach sie sich aufeinander zubewegen und den wendelförmigen Kreis vervollständigen. Nach Abschluß des Polarisierungsprozesses werden die Leiterteile erneut in entgegengesetzte Richtungen längs der Mittellängsachse des Aufnehmers 4 verschoben, damit der Aufnehmer 4 entfernt werden kann.
Wenn die Einzelleitermethode gewählt wird, ist ein verhältnismäßig starker Strom, insbesondere bei einem Aufnehmer 4 mit großem Durchmesser, erforderlich, da das Feld an der Oberfläche eines langen runden Leiters, der I Ampère führt, H = 2I/10r (H in Oersted; r ist der Radius des Leiters in cm) ist. Für einen Aufnehmer 4 eines Durchmessers von 2 cm (ungefähr 0,8 inch):
H = 2I/(10 x 1 cm) = 0,2I
so daß 1000 A erforderlich sind, um 200 Oersted Feld zu erreichen. Eine zweckmäßige Art mit einem Leiter 52 auf diese Weise zu magnetisieren (polarisieren) besteht darin, den Strom 54 mit einer monostabilen Kippschaltung zu steuern, mit der eine einzelne Halbwelle eines 60-Hz-Wechselstroms, das heißt die erste vollständige Halbwelle nach dem Schließen eines Schalters, durchgehen kann. Große Stromimpulse könnten auch aus der Entladung einer Kondensatorbank oder aus der Trägheit eines freilaufenden Generators und durch andere dem Fachmann bekannte Methoden gewonnen werden.
Wie in Fig. 8 gezeigt, ist es auch möglich, den Aufnehmer 4 mit einem Magneten 53, der nicht so breit wie der Aufnehmer 4 ist, zu magnetisieren, indem er axial am Aufnehmer 4 längs eines Weges 55 vorbeigeführt wird, während der Aufnehmer 4 kontinuierlich rotiert, wobei diese Methode insbesondere für die Polarisierung eines sehr großen Aufnehmers 4 brauchbar ist.

Aufbau der Welle

Der Aufbau der Welle 8 ist für die Erfindung insofern wichtig, als die Welle 8 das Arbeiten des Sensors 2 nicht stören sollte. Im Interesse der Empfindlichkeit ist es klar vorteilhaft, so viel des axialen Flusses, der aus dem Drehmoment entsteht, wie möglich durch den Magnetfeldvektorsensor zu leiten. Die Welle 8 und der Aufnehmer 4 sollten so ausgelegt sein, daß sie im Sinne einer Maximierung des magnetischen Leitwerts von Flußschließwegen durch den Sensor unter gleichzeitiger Minimierung des magnetischen Leitwerts aller Paralleiwege zusammenwirken. Es ist also wichtig zu vermeiden, daß Materialien mit hoher Permeabilität axial oder radial in der Nähe der Ränder 18 und 20 des Aufnehmers 4 vorhanden sind. Allgemein sollte nicht zugelassen werden, daß magnetisch permeables Material der Welle einen magnetischen Weg am Aufnehmer 4 erzeugt. Diese Einschränkung kann auf mehrere Weisen erzielt werden. Unter Bezugnahme erneut auf Fig. 1 ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Welle 8 aus einem Material mit niedriger Permeabilität (d.h. paramagnetischem Material) aufgebaut und der Aufnehmer 4 direkt auf der Welle 8 montiert. In einer weiteren Ausführungsform ist, wie in Fig. 9 gezeigt, die Welle 8 ferromagnetisch und ein Abstandsteil 60 mit niedriger Permeabilität zwischen Welle 8 und Aufnehmer 4 angeordnet. In einer in Fig. 10 dargestellten weiteren Ausführungsform hat die Welle 8 einen wesentlich kleineren Durchmesser im Bereich 62 in der Nähe des Aufnehmers 41 oder es ist (wie gezeigt) die Welle 8 im Bereich 62 vollständig weggeschnitten. In beiden Fällen ist eine Verbindungsmuffe 64 aus Material mit niedriger Permeabilität zur Überbrückung des Zwischenraums vorgesehen, der durch das Wegschneiden der Welle 8 hervorgerufen ist. Der Aufnehmer 4 wird dann auf der Verbindungsmuffe 64 montiert.
Es ist zu betonen, daß ein richtiges Arbeiten von Vorrichtungen, die unter Verwendung der Methoden der Fig. 9 und 10 installiert sind, erfordert, daß kein Rutschen zwischen irgendwelchen dieser Komponenten an ihren Übergängen passiert. Jeder Aufbau muß als ein Körper über den gesamten Nenndrehmomentbereich wirken. Das heißt, der Aufnehmer 4 muß an dem unter Drehmoment stehenden Element in einer solchen Weise angebracht sein, daß die Oberflächenscherdehnung ihres Überganges auf beiden die gleiche ist, das heißt, kein Schlupf vorhanden ist.
Etwas weniger offensichtlich, aber nicht weniger wichtig, ist das Erfordernis, daß keine inelastische Dehnung in der Welle 8 in irgendeinem Querschnitt, der den Aufnehmer 4 enthält, vorhanden ist. Alle zur Übertragung von Drehmoment gehörigen Dehungen müssen also vollständig rückführbar sein, wenn das Drehmoment weggenommen wird. Da eine plastische Dehnung durch Schlupfen zwischen Atomebenen oder ähnliche Ereignisse auftritt, ist dieses Erfordernis einfach eine Erstreckung der offensichtlicheren Einschränkung für den Interkomponentenschlupf. Wenn Schlupf irgendeiner Größe auftritt, stellt die mechanische Spannung in dem Aufnehmer 4 nicht das auf die Welle aufgebrachte Drehmoment dar. Ferner ist dann eine Verteilung von Restspannung über den Querschnitt hinweg vorhanden, wenn das Drehmoment auf null zurückgenommen wird, wobei der Aufnehmer 4 oder Teile desselben in einem umgekehrten Spannungszustand sind. Schlupf macht sich als negative Hysterese in der Übertragungsfunktion des Aufnehmers bemerkbar.
Jeder dieser Aufbauten erlaubt es auch, den Aufnehmer 4 auf eine unmittelbar darunterliegende Komponente aufzupressen oder aufzuschrumpfen. Wenn eine vorherrschend zirkulare Anisotropie durch Zug-Reifspannung gewonnen werden soll, ist dieses Merkmal wichtig. Wenn die Anisotropie des Aufnehmers 4 anders als durch eine Umfangsspannung gewonnen werden soll, beispielsweise durch vorhergehende Alterung oder sonst Wärmebehandlung in einem Magnetfeld, oder unter Umfangsspannung oder unter Axialdruck, oder wenn die Leistung der Vorrichtung ohne diese vorherrschende Anisotropie angemessen ist, sind andere Konstruktionen möglich.
Wenn Wellen mit niedriger Permeabilität verwendet werden, muß deren Festigkeitseigenschaften sowie deren Wärmeausdehnungskoeffizienten (relativ zum Aufnehmer 4) einige Aufmerksamkeit zugewendet werden. Herkömmliche austenitische Stähle (rostfreie Stähle) sind üblicherweise wesentlich schwächer als martensitische Stähle. Ferner können sie, da sie Einphasenmaterialien sind, zur Gewinnung größerer Festigkeit nicht wärmebehandelt werden. Eine Erhöhung der Streckgrenze kann nur durch Kaltarbeit, wie Walzen, Ziehen etc., gewonnen werden. Extensive Kaltarbeit kann eine Umwandlung in Martensit bewirken, der ferromagnetisch ist.
Wünschenswertere Materialien für Wellen mit niedriger Permeabilität finden sich in der Nitronic-Familie - die allgemein Mangan mit wenig Nickel zusammen mit Chrom aufweist. Diese Stähle bleiben unter harter Kaltarbeit voll austenitisch und haben die doppelte Streckgrenze herkömmlicher austenitischer Stähle auch im angelassenen Zustand. Ein besonders geeignetes Material ist Nitronic 32 (oder 33), hergestellt von der Firma Armco. Andere potentiell geeignete Materialien sind verschiedene Nickellegierungen, wie etwa Inconel (International Nickel Co.), Beryllium-Kupfer und übervergüteter Maraging-Stahl. Übervergütung dieses Stahls bewirkt eine Umkehrung zu Austenit. Ein besonderer Vorteil von übervergütetem Maraging-Stahl ist seine chemische Ähnlichkeit mit dem im Aufnehmer 4 verwendeten Material. Diese Ähnlichkeit wirkt im Sinne einer Verhinderung von Grenzflächenkorrosion.
Es könnte auch möglich sein, eine Welle aus durchgehärtetem, oder selbst einsatzgehärtetem, Kohlenstoff- oder Legierung-plus-Kohlenstoffstahl zu verwenden, da solche mechanisch gehärteten Stähle auch niedrige Permeabilitäten haben.

Anbringung des Aufnehmers an der Welle

Wie bereits angegeben, müssen der Aufnehmer 4 und die darunterliegende Welle als mechanische Einheit wirken. Eine starre Anbringung des Aufnehmers 4 entweder direkt oder indirekt an der Welle 8 ist kritisch für das richtige Arbeiten des Aufnehmers 4. Im Prinzip braucht der Aufnehmer 4 nur an den beiden Enden angebracht zu werden, damit dieses Erfordernis erfüllt ist.
Anbringungsmethoden können nach den Punkten der Kraftverteilung für die Übertragung von Drehmoment längs der Welle klassifiziert werden. Die Punkte der Kraftverteilung können entweder vorspringend, verteilt (flächig) oder diffus sein.
Eine vorspringende Kraftverteilung kann durch Vorsehen von zusammenpassenden Oberflächen auf Aufnehmer 4 und Welle 8 mit wechselseitig im Eingriff befindlichen Profilen, wie etwa eine nicht-runde Welle, die ein dazupassendes polygonales oder elliptisches Loch im Aufnehmer 4 erfaßt, erzielt werden. Wie in Fig. 11 gezeigt, können zusammenpassende innere und äußere Keile, Rändelungen oder Zähne 66 in die Innenfläche 22 des Aufnehmers 4 passend zu ähnlichen auf die Welle 8 geschnittenen Strukturen geschnitten sein. Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform dieses Konzepts, bei welcher Zähne 68 in die Ränder 18 und 20 des Aufnehmers 4 geschnitten sind. Dazupassende Zähne 70 sind auch in die Enden von zwei Segmenten der Welle 8 (nicht gezeigt) geschnitten, und ein Vorsprung 72 ist auf der Welle 8 vorgesehen, der zum Mittelloch des Aufnehmers 4 paßt. Wenn der Aufnehmer 4 an den beiden Segmenten der Welle 8 montiert wird, passen Zähne 70 mit Zähnen 68 zusammen und machen Welle 8 und Aufnehmer 4 in Bezug zueinander drehfest. Bei anderen Ausführungsformen können Keile, Stifte oder auch Einstellschrauben verwendet werden, wenn auch diese Befestigungsverfahren nur für Anwendungen mit geringeren Strukturanforderungen bevorzugt werden.
Eine verteilte Übertragung von Kräften läßt sich durch Reibung oder Kleben des Aufnehmers 4 an die Welle 8 erreichen. Die Verbindung ist der gleichen Scherspannung wie die, die übertragen wird, unterworfen. Diese Verbindung begrenzt das maximale meßbare Drehmoment auf einen niedrigeren Wert als er sonst unter Umständen von der Welle allein oder dem Aufnehmer allein gehandhabt werden könnte, ist aber aus anderen Gründen, wie vorstehend angegeben, vorteilhaft. Preß- oder Schrumpfsitze können zur Gewinnung der gewünschten zirkularen Anisotropie verwendet werden und können sehr wesentliche Greifkräfte liefern, die durch erwartete Drehmomente auf die Welle 8 praktisch nicht gebrochen werden. Mit sauberen, entfetteten (und vielleicht entoxidierten) Oberflächen kann der effektive Reibungskoeffizient ohne Grenze wachsen und wie eine Schweißung wirken. Es gibt auch einige anaerobe Kleber, die enge Sitze enger machen, indem sie sich in mikroskopische Risse ausdehnen, wenn sie härten. Wenn Temperatur- und Umgebungsbedingungen die Verwendung von Klebern nicht verhindern, können Kleber bei Konstruktionen des Aufnehmers 4 verwendet werden, bei welchen die geklebte Fläche groß verglichen mit dem Querschnittsbereich von Aufnehmer 4 oder Verbindung ist. Dies kann erfolgen, indem man den Aufnehmer 4 aus einem spiralig gewickelten Streifen unter Verwendung eines Zwischenschichtklebers erzeugt, wie dies vorstehend beschrieben worden ist.
Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform eines Aufnehmers 41 welcher eine Anzahl von Löchern 74 durch seinen Radius aufweist, die mit Kleber gefüllt werden können, um den Aufnehmer 4 mit der Welle 8 zu verbinden.
Unter Bezugnahme nun auf Fig. 14 kann der Aufnehmer 4, wenn die Welle 8 hohl ist, wie es insbesondere bei der Ausführungsform der Fig. 10 der Fall sein könnte, von innen aufgeweitet werden, indem ein übergroßer Dorn 76 durch das Loch 78 gedrückt wird, oder alternativ, durch hydraulisches Pressen oder Walzen. Andere geeignete Aufweitverfahren, die verwendet werden können, sind im Zusammenhang der Anbringung von Kesselrohren an Rohrmänteln bekannt. Fig. 15 zeigt den Aufbau der Fig. 14, nachdem der Dorn 76 durch das Loch 78 gedrückt worden ist. Wie man erkennen kann, ist dieses Anbringungsverfahren insofern wünschenswert, als es den Aufnehmer 4 radial nach außen aufzuweiten trachtet, was die gewünschten Reifspannungen im Aufnehmer 4 erzeugt. Wenn Reifspannungen nicht gewünscht werden, kann ein enger Aufweitsitz nur an den Enden des Aufnehmers 4 vorgesehen werden, indem der in Fig. 16 gezeigte Aufbau der Welle 8 verwendet wird, die im Bereich 80 um die axiale Mitte des Aufnehmers 4 heruntergeschnitten ist.
Die Drehmomenttragfähigkeit der Verbindung in den Fig. 14 bis 16 kann verstärkt werden, wenn die Welle axiale Rippen (Rändelungen) hat, die lokal in den Innendurchmesser des Aufnehmers 4 bei der Aufweitung einschneiden oder ihn verformen.
Eine diffuse Kraftverteilung kann unter Verwendung von Schweißungen oder Hartlöten erzielt werden. Schweißungen können offensichtlich an den Enden oder durch Perforationen im Aufnehmer 4 (wie in Fig. 13 gezeigt) verwendet werden. Punktschweißungen oder kontinuierliche Linienschweißungen (Nahtschweißungen) oder Schweißungen über Teile der oder über die gesamte Fläche des Aufnehmers 4 (Schmiedeschweißung) können ebenfalls verwendet werden. Der Aufnehmer 4 könnte auch um die Welle herum in einer Form gegossen oder aufgesprüht (im geschmolzenen Zustand), explosionsgeschweißt, galvanisch aufgebracht oder durch Ionenimplantation oder eine andere Oberflächenmodifikation der Wellenoberfläche erzeugt werden. Kombinationen dieser allgemeinen Verfahren können natürlich ebenfalls verwendet werden und könnten für spezielle Anwendungen besonders geeignet sein.
Es wurde also ein neuartiges und verbessertes Verfahren der Abfühlung von Drehmoment auf eine rotierende Welle offenbart. Im ersten Schritt des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Aufnehmer 4 gemäß der Erfindung hergestellt und um den Umfang einer Maschinenwelle 8 mit einem der oben beschriebenen Verfahren angebracht. Entweder vor der Anbringung oder während des Vorgangs der Anbringung, wie vorstehend beschrieben, wird der Aufnehmer 4 mit den erforderlichen anisotropen magnetischen Eigenschaften ausgestattet und kann, wie vorstehend beschrieben, zu jeder Zeit danach polarisiert werden. Der Aufbau aus Welle 8 und Aufnehmer 4 wird dann in der Maschine angebracht. Ein Magnetfeldvektorsensor 6 gemäß der Erfindung wird in der Nähe des Aufnehmers 4 mit einer Orientierung angebracht, die den Empfang des belastungsinduzierten Magnetfelds des Aufnehmers 4 gestattet. Im Betrieb der Maschine liefert der Magnetfeldvektorsensor dann ein Signal, das linear das Drehmoment auf die Welle 8 angibt, und das Signal wird durch eine Regelung oder andere Überwachungsschaltung, die mit dem Magnetfeldvektorsensor 6 verbunden ist, überwacht.

Claims

1. Magnetoelastischer Drehmomentsensor zur Lieferung eines Ausgangssignals, welches das auf ein Teil (8) um eine axial sich erstreckende Achse (10) des Teils aufgebrachte Drehmoment angibt, mit

einem ferromagnetischen, magnetostriktiven magnetoelastisch aktiven Element (4), welches direkt oder indirekt an der Oberfläche des Teils (8) angebracht ist oder einen Teil der Oberfläche des Teils (8) bildet, derart, daß auf das Teil aufgebrachtes Drehmoment proportional auf das Element übertragen wird,

wobei das magnetoelastisch aktive Element (4) mit einer effektiven uniaxialen magnetischen Anisotropie mit der Umfangsrichtung als leichter Achse ausgestattet ist und eine magnetische Polarisation in Umfangsrichtung in einem Sinne aufweist, wodurch, wenn Drehmoment auf das Teil (8) aufgebracht wird, das magnetoelastisch aktive Element (4) ein mit dem Drehmoment variierendes magnetisches Feld erzeugt, und

Magnetfeldsensormitteln (6), die in der Nähe des magnetoelastisch aktiven Elements (4) angebracht sind und bezüglich desselben so orientiert sind, daß sie die Größe des Magnetfelds abfühlen und ansprechend darauf das Ausgangssignal liefern.

2. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei das magnetoelastisch aktive Element (4) bei Fehlen von auf das Teil aufgebrachtem Drehmoment eine magnetische Orientierung in Umfangsrichtung aufweist, die keine Nettomagnetisierungskomponente in der Axialrichtung hat.

3. Drehmomentsensor nach Anspruch 2, wobei das magnetoelastisch aktive Element (4) bei Aufbringen von Drehmoment auf das Teil eine wendelförmige magnetische Orientierung mit sowohl Umfangs- als auch Axialkomponenten aufweist, wobei die Magnetfeldsensormittel (6) so positioniert und orientiert sind, daß sie das Magnetfeld abfühlen, das durch die Axialkomponenten der Magnetisierung entsteht.

4. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeldsensormittel (6) einen Festkörpersensor aufweisen.

5. Drehmomentsensor nach Anspruch 4, wobei die Magnetfeldsensormittel (6) einen Hall-Effekt-Sensor aufweisen.

6. Drehmomentsensor nach Anspruch 4, wobei die Magnetfeldsensormittel (6) eine Magnetwiderstandsvorrichtung aufweisen.

7. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeldsensormittel (6) ein Magnetometer aufweisen.

8. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeldsensormittel (6) eine Spule aufweisen.

9. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei das magnetoelastisch aktive Element ferromagnetische, magnetostriktive Wandlermittel (4) aufweist.

10. Drehmomentsensor nach Anspruch 9, wobei die Wandlermittel (4) eine ferromagnetische, magnetostriktive Wandlerschicht auf der Oberfläche des Teils (8) aufweisen.

11. Drehmomentsensor nach Anspruch 9, wobei die Wandlermittel (4) einen direkt oder indirekt an dem Teil (8) angebrachten Ring aufweisen.

12. Drehmomentsensor nach Anspruch 11, wobei der Ring rohrförmig mit entgegengesetzten Endflächen und einem axial sich erstreckenden Umfangsabschnitt dazwischen ist.

13. Drehmomentsensor nach Anspruch 12, wobei die Sensormittel (6) in der Nähe wenigstens einer Endfläche des Rings angeordnet sind.

14. Drehmomentsensor nach Anspruch 12, wobei der Ring koaxial mit und um die Oberfläche des Teils (8) angebracht ist.

15. Drehmomentsensor nach Anspruch 14, wobei der Ring an dem Teil (8) über einen Preßsitz zwischen dem Innendurchmesser des Rings und dem Außendurchmesser des Teils angebracht ist.

16. Drehmomentsensor nach Anspruch 11 welcher ferner Permeanzerhöhungsmittel zur Erhöhung der Permeanz des Flußschlußwegs durch die Magnetfeldsensormittel (6) aufweist.

17. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, welcher ferner Jochmittel (26), die in der Nähe des magnetoelastisch aktiven Elements (4) und der Magnetfeldsensormittel (6) befestigt sind, zum Sammeln von Magnetfluß aus dem magnetoelastisch aktiven Element und Richten des Flusses auf die Magnetfeldsensormittel, aufweist.

18. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, welcher ferner Abschirmungsmittel (39) zum Abschirmen der Magnetfeldsensormittel (6) gegenüber anderen als den durch das magnetoelastisch aktive Element erzeugten Feldern aufweist.

19. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeldsensormittel (6) eine Anzahl von Magnetfeldabfühlvorrichtungen aufweisen.

20. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, welcher ferner Auffrischmittel (47) zur Verhinderung einer Depolarisation des magnetoelastisch aktiven Elements (4) aufweist.

21. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei das Teil (8) aus einem Material mit niedriger Permeabilität ausgebildet ist.

22. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, welcher Abstandsmittel (60) niedriger Permeabilität zur Beabstandung des Teils (8) und des magnetoelastisch aktiven Elements (4) aufweist.

23. Verfahren zum Abfühlen eines Drehmoments, welches auf ein einem Drehmoment unterworfenes Teil (8), welches sich in axialer Richtung erstreckt, aufgebracht wird, mit den Verfahrensschritten des

(a) Vorsehens eines ferromagnetischen, magnetostriktiven magnetoelastisch aktiven Elements (4), welches mit einer effektiven uniaxialen magnetischen Anisotropie mit der Umfangsrichtung als leichter Achse ausgestattet ist und eine magnetische Polarisation in Umfangsrichtung in einem Sinne aufweist, direkt oder indirekt angebracht an der Oberfläche des einem Drehmoment unterworfenen Elements (8) oder als ein Teil der Oberfläche desselben, derart, daß auf das Teil aufgebrachtes Drehmoment proportional auf das Element (4) übertragen wird,

(b) Erzeugens eines Magnetfelds als Folge des Aufbringens von Drehmoment auf das Teil, und

(c) Abfühlens der Größe des Magnetfelds an einer Stelle in der Nähe des magnetoelastisch aktiven Elements als eine Anzeige der Größe des auf das Teil aufgebrachten Drehmoments.

24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das magnetoelastisch aktive Element (4) um den Umfang des Teils (8) herum angebracht ist.

25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das magnetoelastisch aktive Element (4) an dem Teil (8) über einen Preßsitz angebracht ist.

26. Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Schritt (c) wenigstens teilweise durch Positionieren einer Magnetfeldabfühlvorrichtung (6) in der Nähe zu und im Abstand von dem magnetoelastisch aktiven Element (4) durchgeführt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Aufbringen von Drehmoment auf das Teil (8) bewirkt, daß das magnetoelastisch aktive Element (4) eine wendelförmige magnetische Orientierung mit sowohl Umfangs- als auch axialen Magnetisierungskomponenten hat, und wobei der Abfühlschritt das Abfühlen des Magnetfelds aufweist, das von den Axialkomponenten der Magnetisierung herrührt.

28. Wandlerring, eingerichtet zur direkten oder indirekten Anbringung an der Oberfläche eines Teils (8), auf welches Drehmoment um eine in axialer Richtung desselben sich erstreckende Achse in einer solchen Weise aufgebracht wird&sub1; daß auf das Teil aufgebrachtes Drehmoment proportional auf den Ring übertragen wird, wobei der Ring ein ferromagnetisches, magnetostriktives magnetoelastisch aktives Element (4) aufweist, welches mit einer effektiven uniaxialen magnetischen Anisotropie mit der Umfangsrichtung als leichter Achse ausgestattet ist und eine magnetische Polarisation in Umfangsrichtung in einem Sinne aufweist, wobei das Element (4), wenn kein Drehmoment auf das Teil aufgebracht wird, eine magnetische Orientierung in Umfangsrichtung mit allein einer Umfangskomponente aufweist, und, wenn ein Drehmoment auf das Teil aufgebracht wird, eine wendelförmige magnetische Orientierung mit sowohl Umfangs- als auch Axialkomponenten aufweist, wobei der Ring ein Magnetfeld erzeugt, das mit dem auf das Teil aufgebrachten Drehmoment variiert.

29. Wandlerring nach Anspruch 28, wobei der Ring Zylinderform hat.