Anordnungen und Verfahren zum »tosten einer Kraft oder eines Momentes an einem Maschinenelement
Die vorliegende Erfindung betrifft Anordnungen zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement unter Nutzung des in ers-magnetostriktiven Effektes Im Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes, wobei die Kraft bzw. das Moment auf ein sich in einer Achse erstreckendes Maschinenelement wirkt
Die DE 698 38 904 T2 zeigt einen Drehmomentsensor mit kreisförmiger Magnetisierung in einem magnetoelastisch aktiven Bereich an einer einem Drehmoment ausgesetzten Welle. Mithilfe eines Hall-Effekt-Sensors wird das Magnetfeld In der Nähe des magnetoelastisch aktiven Bereiches gemessen
Aus der DE 600 08 543 T2 ist ein Wandlerelement bekannt, welches für eine Verwendung in einem Drehmoment- oder Kraftsensor vorgesehen ist. Das Wandlerelement liegt einstöckig in einer Welle aus agnetisierbarem Material vor und weist eine in einer axialen Richtung ausgerichtete Magnetisierung auf.
Die DE 600 07 6 1 T2 zeigt ein Wandlerelement, welches für einen Drehmomentoder Kraftsensorwandler vorgesehen ist. Bei diesem Wandlerelement sind Magnetisierungen in einer radial inneren Region und in einer radial äußeren Region ausgebildet,
Aus der DE 603 09 678 12 ist ein Verfahren zum Erfassen eines Drehmomentes In einer Welle bekannt, bei welchem Magnetfelder mit alternierender Polarität erzeugt werden, welche mit einer Sensoranordnung gemessen werden.
Die DE 601 05 794 T2 zeigt ein kraftempfindlichea Wandlerelement mit einem Körper aus magnetischem Material, wobei in dem Körper mindestens zwei magnetisierte Bereiche ausgebildet sind, welche sich unter einem Winkel zu der Kraftübermitt-
lungsrichtung erstrecken und entgegengesetzte Magnetisierungapolaritäten aufweisen
Die DE 699 36 138 T2 zeigt einen magnetischen Kraftsensor, bei welchem ein magnetisiertes Material einem Biegemoment ausgesetzt Ist, wobei mithitfe einer Sensoranordnung das äußere Magnetfeld des magnetisierten Materials bestimmbar ist.
Die WO 201 1/085400 A1 zeigt einen magnetoelastischen Kraftsensor, mit welchem mechanische Belastungen eines Elementes messbar sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Möglichkeiten zur Messung von Kräften und Momenten unter Nutzung des invere-magnetostriktiven Effektes zu erweitern.
Die genannte Aufgabe wird gelost durch eine Anordnung gemäß dem beigefugten Anspruch 1. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 5 sowie durch Verfahren gemäß den beigefügten nebengeordneten Ansprüchen 9 und 10
Einen ersten Gegenstand der Erfindung bildet eine Anordnung zum Messen einer Kraft und oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Das Maschinenelement weist eine Permanentmagnetisienjng auf. Die Permanentmagnetisierung ist in der Achse ausgerichtet, wodurch das Maschinenelement und die Permanentmagnetisienjng koaxial zueinander angeordnet sind. Entgegengesetzte Pole der Permanentmagnetisienjng können durch eine Gerade verbunden werden, welche parallel zur Achse angeordnet ist. Die Anordnung umfaset weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor, welcher gegenüber dem Maschinenelement angeordnet ist. Der MagnetfeWsensor dient zur Bestimmung eines magnetischen Feldes und ist zur Messung zumindest einer vektoriellen Komponente eines aus dem
Maschinenelement austretenden Magnetfeldes ausgebildet, welches einerseits durch die Permanentmagnetisierung und andererseits durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkt ist. Bei einer ersten Kategorie bevorzugter Ausführungsformen handelt es sich bei dieser vektoriellen Komponente nicht um diejenige Komponente des durch die Pemnanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes, welche in der Achse bzw. parallel zu der Achse des Maschinenelementes und der Permanentmagnetisierung ausgerichtet ist. Bei einer zweiten Kategorie bevorzugter Ausführungsformen handelt es sich bei dieser vektoriellen Komponente um diejenige vektorielle Komponente des durch die Permanentmagnetisiening sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes, welche in der Achse bzw. parallel zu der Achse des Maschinenelementes und der Permanentmagnetisierung ausgerichtet ist. Mithilfe des Magnetfeldsensors ist es möglich, das Magnetfeld, welches wegen des invers-magnetostriktiven Effektes aufgrund der Permanentmagnetisierung und infolge der auf das Maschinenelement wirkenden Kraft bzw. des auf das Maschinenelement wirkenden Momentes auftritt, zu messen. In Abhängigkeit von der vom Magnetfeldsensor gemessenen vektoriellen Komponente des aus dem Maschinenelement austretenden, durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes und von der Anordnung des Magnetfeldsensors gegenüber dem Maschinenelement lassen sich Kräfte und oder Drehmomente in bestimmten Richtungen messen.
Die magnetischen Pole der Pemnanentmagnetisierung liegen im einfachsten Fall unmittelbar in der Achse. Auch sind im einfachsten Fall lediglich zwei Magnetpole, nämlich ein Nordpol und ein Südpol der Permanentmagnetisierung ausgebildet. Bevorzugt ist die Permanentmagnetisierung jedoch in umfänglichen Abschnitten ausgebildet. Diese Abschnitte sind entlang eines Umfanges um die Achse herum ausgebildet. Bevorzugt wechselt die Polarität der Permanentmagnetisierung zwischen den Abschnitten, sodass entlang eines Umfanges um die Achse herum Nordpole und Südpote der Permanentmagnetisierung einander abwechsel Die Permanentmagnetisierung in einzelnen der umfänglichen Abschnitte kann als Einzelmagnetislerung angesehen werden. wobei auch sämtliche Einzelmagnetisierungen jeweils in der Achse ausgerichtet sind Auf dem Umfang um
die Achse können sich zwischen den umfänglichen Abschnitten der Permanentmagnetisierung jeweils auch unmagnetisierte umfängliche Abschnitte befinden. Die umfänglich alternierend ausgebildete Permanentmagnetisierung erlaubt eine genaue Messung der Magnetfeldanderungen, welche wegen des magnetostriktiven Effektes durch Kräfte und oder Momente am Maschinenelement bewirkt werden.
Die umfänglichen Abschnitte der Permanentmagnetisierung weisen bevorzugt einen gleichen Mittelpunktswinkel in Bezug auf die Achse auf. Auch weisen die umfänglichen Abschnitte der Permanentmagnetisierung eine gleiche axiale Länge auf und sind bündig zueinander auf der Achse angeordnet. Somit weisen die umfänglichen Abschnitte der Permanentmagnetisierung bevorzugt eine gleiche Größe auf. Wetterhin sind die umfänglichen Abschnitte der Permanentmagnetisierung bevorzugt gleich entlang des Umfanges um die Achse herum verteilt
Bevorzugt sind zwei bis zehn der umfänglichen Abschnitte der Permanentmagnetisierung ausgebildet. Besonders bevorzugt sind vier der umfänglichen Abschnitte der Permanentmagnetisierung ausgebildet
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Anordnung gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung ist die Permanentmagnetisierung ausschließlich in der Achse ausgerichtet. Folglich weist die Permanentmagnetisierung keine Richtungskomponente auf, welche nicht in der Achse bzw parallel zu der Achse liegt. Somit ist ausgeschlossen, dass die Permanentmagnetisierung beispielsweise schräg gegenüber der Achse angeordnet ist.
Bei einer ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen der Anordnung gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung ist der eine Magnetfeldsensor bzw. sind die mehreren Magnetfeldsensoren zur Messung der in tangentialer Richtung zur Achse ausgerichteten Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Folglich misst der eine bzw. messen die mehreren Magnetfeldsensoren diejenige Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft
und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes, welche sich umfänglich um die Achse herum erstreckt Dabei sind der bzw. d»e Magnetfeld Sensoren bevorzugt zur Messung ausschließlich der in der tangentialen Richtung zur Achse ausgerichteten Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet In diesem Fall sind durch den bz die Magnetfeldsensoren keine anderen Komponenten dieses Magnetfeldes messbar
Das Maschinenelement ist bevorzugt durch ein in der Achse ausgerichtetes Drehmoment beaufschlagbar und ggf. auch verformbar, wobei die in der tangentialen Richtung zur Achse ausgerichtete Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch das Drehmoment bewirkten MagnetfekJes ein Mali der durch das Drehmoment bewirkten mechanischen Spannung ist. Folglich ist mit dem bzw. mit den Magnetfeldsensoren zur Messung der in der tangentialen Richtung zur Achse ausgerichteten Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes eine Messung des Drehmomentes möglich. Das In der Achse ausgerichtete Drehmoment weist eine Drehachse auf, welche mit der Achse des Maschinenetementes zusammenfällt oder zumindest parallel zu dieser ist. Dieses Drehmoment führt insbesondere zu einer Torsion des Maschinenelementes. Das Maschinenelement ist bevorzugt durch das in der Achse ausgerichtete Drehmoment elastisch verformbar.
Bei der genannten ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsfonmen der Anordnung gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung sind bevorzugt vier der Magnetfeldsensoren vorhanden, welche in einem gleichen Abstand von der Achse um die Achse herum gleich verteilt angeordnet sind. Folglich weisen die vier Magnetfeldsensoren paarweise einen Mittelpunktswinkel von 90° bezogen auf die Achse zueinander auf. Dabei liegen die Magnetfeldsensoren bevorzugt gemeinsam In einer Ebene, welche senkrecht zur Achse ausgerichtet ist. In gleicher Weise sind vier der umfänglichen Abschnitte der Permanentmagnetisierung ausgebildet, welche um die Achse herum gleich verteilt sind Folglich stehen sich die vier umfänglichen Abschnitte der Permanentmagnetisierung und die vier Magnetfeldsensoren
gegenüber Dabei sind jeweils zwei gegenüberliegende der vier agnetfekJsensoren bevorzugt signalseitig additiv zusammengeschattet, wodurch der Einfluss von anderen Drehmomenten und Kräften, insbesondere von Querkräften auf das Maschinenelement und des sich daraus ergebenden Magnetfeldes bei der Messung durch die Magnetfeldsensoren eliminiert wird. Hierdurch wird die Messung auf das in der Achse ausgerichtete Drehmoment beschränkt.
Bei Ausführungsformen der ersten Gruppe der bevorzugten Ausführungsformen der Anordnung gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung ist das Maschinenelement alternativ bevorzugt durch eine senkrecht zur Achse ausgerichtete Querkraft beaufschlagbar und ggf. verformbar, wobei die in der tangentialen Richtung zur Achse ausgerichtete Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Querkraft bewirkten Magnetfeldes ein Maß der durch die Querkraft bewirkten mechanischen Spannung ist. Folglich ist mit dem Magnetfeldsensor bzw mit den Magnetfeldsensoren durch die Bestimmung der in der tangentialen Richtung zur Achse ausgerichteten Komponente des Magnetfeldes die auf das Maschinert« lerne nt wirkende Querkraft messbar. Bevorzugt ist das Maschinenelement durch die senkrecht zur Achse ausgerichtete Querkraft elastisch verformbar. Die Querkraft kann beispielsweise zu einer Biegung des Maschinenelementes führen.
Zur Messung der Querkraft sind bevorzugt zwei der Magnetfeldsensoren vorhanden, welche in einem gleichen Abstand von der Achse um d»e Achse henjrn gleich verteilt sind. Folglich weisen die beiden MagnetfekJsensoren einen Mittelpunktswinkel von 180° bezogen auf die Achse zueinander auf und sind gegenüberliegend bezogen auf die Achse angeordnet. Sie befinden sich bevorzugt gemeinsam in einer Ebene, welche senkrecht zur Achse angeordnet ist Die beiden Magnetfeldsensoren sind bevorzugt signalseitig subtrahierend zusammengeschaltet. Dabei sind bevorzugt vier der umfänglichen Abschnitte der Permanentmagnetisierung ausgebildet, welche um die Achse herum gleich verteilt angeordnet sind
Bei einer zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen der Anordnung gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung ist der eine Magnetfeldsensor bz sind die
mehreren MagnetfekJsensoren zur Messung der in einer radialen Richtung zur Achse ausgerichteten Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch d e Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Die in radialer Richtung zur Achse auegerichtete Komponente des Magnetfeldes ist senkrecht zur Achse angeordnet und schneidet die Achs Bevorzugt sind der bzw. die Magnetfeldsensoren zur Messung ausschließlich der in radialer Richtung zur Achse ausgerichteten Komponente des durch die Penmanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet
Bei der zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen der Anordnung gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung ist das Maschineneleme t bevorzugt durch ein in der Achse ausgerichtetes Drehmoment beaufschlagbar und ggf. verformbar, wobei die in der radialen Richtung zur Achse ausgerichtete Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes ein Maß der durch das Drehmoment bewirkten mechanischen Spannung ist. Folglich ist mit dem Magnetfeldsensor bz mit den Magnetfeldsensoren das auf das Maschinenelement wirkende Drehmoment messbar. Bevorzugt Ist das Maschinenelement durch das in die Achse ausgerichtete Drehmoment elastisch verformbar.
Bei einer dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen der Anordnung gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung ist der eine Magnetfeldsensor bzw. sind die mehreren Magnetfeldsensoren zur Messung der in der Achse bzw parallel zur Achse ausgerichteten Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Bevorzugt sind der bzw. die Magnetfeldsensoren zur Messung ausschließlich der in axialer Richtung zur Achse ausgerichteten Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet.
Bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen der Anordnung gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung ist das Maschinenelement bevorzugt durch eine in der Achse ausgerichtete Zugkraft oder durch eine in der Achse ausgerichtete
Druckkraft beaufschlagbar und ggf verformbar, wobei die In der axialen Richtung ausgerichtete Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes ein Maß der durch die Zugkraft bzw Druckkraft bewirkten mechanischen Spannung ist. Folglich ist mit dem Magnetfeldsensor bzw mit den Magnetfeldsensoren die auf das Maschinenelement wirkende Zugkraft bzw, Druckkraft messbar. Bevorzugt ist das Maschinenelement durch die in der Achse ausgerichtete Zugkraft bzw Druckkraft elastisch verformbar
Einen zweiten Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet eine weitere Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Das Maschinenelement weist eine Permanentmagnetisierung auf, die radial zu der Achse ausgerichtet ist Folglich liegen die Pole der Magnetisierung, nämlich ein oder mehrere Paare jeweils eines Nordpoles und eines Südpoles jeweils auf einem Radius, welcher senkrecht zur Achse und ausgehend von der Achse verlauft. Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor, welcher zur Messung zumindest einer vektohellen Komponente eines aus dem Maschinenelement austretenden, durch die Permanerrtmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet ist, Diese vektorielle Komponente des durch die Penmanentmagnetisienjng sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirteten Magnetfeldes ist bevorzugt nicht radial zur Achse ausgerichtet Mithilfe des Magnetfeldsensors ist es möglich, das Magnetfeld, welches wegen des invers-magnetostriktiven Effektes aufgrund der Permanentmagnetisierung und infolge der auf das Maschinenelement wirkenden Kraft bzw. des auf das Maschine r>e lerne nt winkenden Momentes auftritt, zu messen
Die Permanentmagnetisierung kann mehrere Komponenten umfassen, welche jeweils radial zur Achse ausgerichtet sind. Bevorzugt ist die Permanentmagnetisierung ausschließlich radial zur Achse ausgerichtet Folglich weist die Permanentmagnetisierung bevorzugt keine andere Richtungskomponente, beispielsweise in Richtung der Achse oder tangential zur Achse auf. Daher ist die Permanentmagnetisterung bevorzugt nicht schräg zu einem Radius ausgerichtet
Insofern d»e Permanentmagnetisierung mehrere Komponenten umfasst, sind auch die Komponenten bevorzugt jeweils ausschließlich radial zur Achse ausgerichtet.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß dem zweiten Gegenstand der Erfindung ist die Permanentmagnetisterung in axialen Abschnitten ausgebildet, zwischen denen die Polarität der Permanentmagnetisierung wechselt. Innerhalb der axialen Abschnitte kann die Permanentmagnetisierung vollständig umlaufend oder in umfänglichen Abschnitten ausgebildet sein. Innerhalb der axialen Abschnitte ändert sich die Polarität der Permanentmagnetisierung bevorzugt nicht. Zwischen den axialen Abschnitten der Permanentmagnetie»enjng können sich unmagnetisierte axiale Abschnitte befinden.
Die axialen Abschnitte der Permanentmagnetisierung weisen bevorzugt eine gleiche axiale Länge auf. Bevorzugt sind zwei bis zehn der axialen Abschnitte ausgebildet. Besonders bevorzugt sind drei der axialen Abschnitte der Permanentmagnetisierung ausgebildet.
Die Anordnung gemäß dem zweiten Gegenstand der Erfindung umfasst bevorzugt zwei der Magnetfeld sensoren, welche in einem gleichen Abstand von der Achse um die Achse herum gleich verteilt angeordnet sind Folglich weisen die beiden Magnetfeldsensofen einen Mittelpunktswinkel von 180* zueinander bezogen auf die Achse auf und sind gegenüberliegend bezogen auf die Achse angeordnet. Bevorzugt sind die beiden Magnetfeld Sensoren gemeinsam in einer Ebene angeordnet, welche senkrecht zur Achse ausgerichtet ist.
Bei einer ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß dem zweiten Gegenstand der Erfindung ist der eine Magnetfeldsensor bzw. sind die mehreren Magnetfeldsensoren zur Messung zumindest einer in tangentialer Richtung zur Achse ausgerichteten Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Dabei handelt es sich um eine Komponente, welche die Achse zumindest teilweise umfänglich umgibt. Besonders bevorzugt sind der bzw. die Magnetfeldsensoren zur Messung ausschließlich der in
der tangentialen Richtung zur Achse ausgerichteten Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Folglich ist mit den Magnetfeldsensoren ausschließlich eine Komponente des Magnetfeldes nachweisbar, welche sich bei einer mechanischen Beanspruchung des Maschinenelementes infolge des invers-magnetostriktiven Effektes ergibt.
Bei der ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen der Anordnung gemäß dem zweiten Gegenstand der Erfindung ist das Maschinenelement bevorzugt durch ein quer zur Achse ausgerichtetes Drehmoment beaufschlagbar und ggf. verformbar, wobei die in der tangentialen Richtung zur Achse ausgerichtete Komponente des durch die Permanentrnagnetisienjng sowie durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes em Maß der durch das Drehmoment bewirkten mechanischen Spannung ist. Bei dem quer zur Achse ausgerichteten Drehmoment handelt es sich insbesondere um ein Biegemoment, welches zu Verbiegungen des Maschinenelementes führt. Das Maschinenelement ist durch das quer zur Achse ausgerichtete Quermoment bevorzugt elastisch verformbar. Das quer zur Achse ausgerichtete Drehmoment weist eine Rotationsachse auf, welche d»e Achse bevorzugt schneidet.
Bei einer zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß dem zweiten Gegenstand der Erfindung ist der Magnetfeldsensor bzw. sind die Magnetfeldsensoren zur Messung zumindest einer in der Achse ausgerichteten Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Dabei sind der bzw. die Magnetfeldsensoren besonders bevorzugt zur Messung ausschließlich der in der Achse ausgerichteten Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet.
Bei der zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen der Anordnung gemäß dem zweiten Gegenstand der Erfindung ist das Maschinenelement bevorzugt durch eine senkrecht zur Achse ausgerichtete Querkraft beaufschlagbar und ggf verformbar,
wobei die in der Achse ausgerichtete Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Querkraft bewirkten Magnetfeldes ein Maß der durch die Querkraft bewirkten mechanischen Spannung ist. Die Querkraft führt insbesondere zu einem Verbiegen des Maschinenelementes. Das Maschinenelement ist durch die senkrecht zur Achse ausgerichtete Querkraft bevorzugt elastisch verformbar.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen bezieht sich auf erfindungsgemäße Anordnungen gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung und gemäß dem zweiten Gegenstand der Erfindung.
Die Permanentmagnetisierung ist bevorzugt in einem axialen Magnetisierungsabschnitt des Maschinenelementes ausgebildet. Dieser axiale Magnetisierungsabschnitt kann die axialen Abschnitte der Magnetisierung wechselnder Polarität umfassen. Jedenfalls kann sich das Maschinenelement weit über die Permanentmagnetisierung hinaus in der Achse erstrecken. Insofern beispielsweise ein in der Achse angeordnetes Drehmoment gemessen werden soll, genügt ein kurzer axialer Magnetisierungsabschnrtt, um das auftretende Magnetfeld bestimmen zu können.
Die die Permanentmagnetisierung aufweisende Komponente ist zumindest fest mit dem Maschinenelement oder mit einer Hauptkomponente des Maschinenetementes verbunden, wobei die Permanentmagnetisierung den am Maschinenelement auftretenden mechanischen Spannungen gemeinsam mit dem Maschinenelement ausgesetzt ist. Die Permanentmagnetisierung ist bevorzugt einstückig mit dem Maschinenelement oder mit einer Hauptkomponente des Maschinenelementes ausgebildet Es handelt sich jedenfalls nicht um zusätzliche Dauermagnete, welche beispielsweise außen am Maschinenelement befestigt sind und nicht den am Maschinenelement auftretenden mechanischen Spannungen ausgesetzt sind. Die Permanentmagnetisierung ist bevorzugt in einem magnetoelastisch ausgebildeten Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet. In dem magnetoelastisch ausgebildeten Abschnitt des Maschinenelementes besteht das Maschinenetement bevorzugt aus einem magnetostriktiven Material. Bevorzugt ist nicht lediglich ein
Abschnitt, sondern das Maschinenelement als solches magnetoelastisch ausgebildet In diesem Fall besteht das Maschinenelement aus einem magnetostriktiven Material.
Oer eine bzw. die mehreren Magnetfeldsensoren sind bevorzugt ortsfest und beabstandet zum Maschinenelement angeordnet Während die Kraft bzw. das Drehmoment zu Bewegungen oder Verformungen des Maschinenelementes führen kann, verändern die Magnetfeldsensoren ihre ortsfeste Position nicht.
Das Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Prismas oder eines Zylinders auf, wobei das Prisma bzw der Zylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Das Prisma bzw. der Zylinder ist bevorzugt gerade. Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement die Form eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Insofern das Maschinenelement umfängliche Abschnitte der Permanentmagnetisierung aufweist, so sind diese umfänglichen Abschnitte durch Zylinderbogenabschnitte gebildet. Bei besonderen Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet, insbesondere bei der dritten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen der Anordnung gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung.
Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welte oder durch einen Flansch gebildet Die Welle bzw. der Flansch können für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Drehmomente ausgelegt sein.
Das Maschineneternent weist bevorzugt einen Hohlraum auf, durch welchen die Achse zumindest abschnittsweise verläuft. Folglich umschließt der Hohlraum zumindest einen Abschnitt der Achse. Der Hohlraum erstreckt sich bevorzugt in der Achse.
Der Hohlraum ist bevorzugt zylinderförmig ausgebildet, wobei die Zylinderform koaxial zur Achse angeordnet ist.
Der eine bzw. die mehreren Magnetfeldsensoren sind bevorzugt in dem Hohlraum angeordnet. Der eine bzw die mehreren Magnetfeldsensoren sind alternativ bevorzugt außerhalb des Hohlraumes angeordnet.
Der eine bzw die mehreren Magnetfeldsensoren sind bevorzugt durch Hall- Sensoren, Spulen oder Fluxgate- agnetometer gebildet Grundsätzlich können auch andere Sensortypen verwendet werden, insofern sie zur Messung der durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Felder geeignet sind.
Einen dritten Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes Die Kraft bzw, das Moment wirkt auf ein sich in einer Achse erstreckendes Maschinenelement. Das Maschinenelement weist eine Permanentmagnetisierung auf, welche in der Achse ausgerichtet ist. Folglich weist die Permanentmagnetisierung ein oder mehrere Paare von Magnetpolen, nämlich jeweils einen Nordpol und einen Südpol auf, deren Verbindungsgerade m der Achse oder parallel zur Achse angeordnet ist Die Kraft bz das Moment wird bestimmt, indem zumindest eine vektorielle Komponente eines aus dem Maschinenelement austretenden, durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment wegen des invers-magnetostriktiven Effektes bewirkten Magnetfeldes gemessen wird. Bevorzugt ist diese vektorielle Komponente des Magnetfeldes nicht in der Achse ausgerichtet. Bevorzugt ist die vektorielle Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes in tangentialer Richtung zur Achse oder in radialer Richtung zur Achse ausgerichtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem dritten Gegenstand der Erfindung korrespondiert mit der Anordnung gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung. Folglich wird das Verfahren gemäß dem dritten Gegenstand der Erfindung bevorzugt auf Anordnungen angewendet, welche gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung und dessen bevorzugten Ausführungsformen beschrieben sind.
Emen vierten Gegenstand bildet ein Verfahren zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes. Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf ein sich in einer Achse
erstreckendes Maschinenelement. Das Maschinenelement weist eine Permanentmagnetisierung auf. welche radial zur Achse ausgerichtet ist Folglich weist die Permanentmagnetisierung ein oder mehrere Paare Magnetpole, nämlich jeweils einen Nordpol und einen Südpol auf, deren Verbindungsgrade jeweils einen Radius bildet, der die Achse schneidet. Die Kraft bzw. das Moment wird dadurch bestimmt, indem zumindest eine vektorielle Komponente eines aus dem Maschinenelement austretenden, durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment wegen des invers-magnetostriktlven Effektes bewirkten Magnetfeldes gemessen wird. Diese vektonelle Komponente ist bevorzugt nicht radial zur Achse ausgerichtet. Bevorzugt ist diese Komponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes in tangentialer Richtung zur Achse oder in der Achse ausgerichtet.
Das Verfahren gemäß dem vierten Gegenstand der Erfindung korrespondiert mit der Anordnung gemäß dem zweiten Gegenstand der Erfindung. Folglich wird das Verfahren gemäß dem vierten Gegenstand der Erfindung bevorzugt auf Anordnungen angewendet, welche gemäß dem zweiten Gegenstand der Erfindung und dessen bevorzugten Ausführungsformen ausgebildet sind.
Wettere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung Es zeigen:
Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Anordnung mit axial ausgerichteter
Permanentmagnetisierung zur Messung eines Drehmomentes;
Fig 2: eine erfindungsgemäße Anordnung mit axial ausgerichteter
Permanentmagnetisierung zur Messung einer Querkraft:
Fig 3: eine weitere erfindungsgemäße Anordnung mit axial ausgerichteter
Magnetisierung zur Messung eines Drehmomentes;
Fig. 4. eine erfindungsgemäße Anordnung mit radial ausgerichteter Magnetisierung zur Messung eines Biegemomentes; und
Fig. 5: eine erfindungsgemaße Anordnung mit radial ausgerichteter
Permanentmagnetisierung zur Messung einer Querkraft
Samtliche Figuren zeigen die erfindungsgemäßen Anordnungen in zwei Ansichten Die oberen Teile der Figuren umfassen jeweils eine Aufsicht, wahrend die unteren Teile der Figuren jeweils eine QuerschnittsansK.ht der jeweiligen erfindungsgemäßen Anordnung umfassen
Fig 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung. Die Anordnung umfasst zunächst ein Maschinenelement in Form eines Flansches 01 , welcher an einem Grundkörper 02 befestigt ist. Der Flansch 01 weist die Form eines hohlen Kreiszylinders auf. Der Flansch 01 erstreckt sich in einer Achse 03, welche auch die mittlere Achse der Hohlzylinderform des Flansches 01 bildet. Der Flansch 01 besteht aus einem magnetoelastischen Material, welches den magnet08triktiven Effekt aufweist.
In einem axialen Abschnitt des Flansches 01 Ist eine Permanentmagnetisierung 04 ausgebildet, welche sich in die gleiche Richtung wie die Achse 03 erstreckt Die Permanentmagnetisierung 04 ist nicht vollständig umfänglich um den Flansch 01 herum ausgebildet, sondern lediglich in umfänglichen Abschnitten 06, 07, 08, 09, wobei die Polarität der Permanentmagnetisierung 04 zwischen den umfänglichen Abschnitten 06, 07, 08, 09 jeweils wechselt. Die wechselnde Polarität der Permanentmagnetisierung 04 ist durch Pfeile 1 1 , 12, 3, 14 symbolisiert.
Im Hohlraum des hohlzylinderförmigen Flansches 01 sind vier Magnetfeldsensoren 16, 17, 18, 19 angeordnet, welche einen gleichen Abstand zur Achse 03 aufweisen und um diese gleichverteilt angeordnet sind. Folglich steht jeder der vier Magnetfeldsensoren 16, 17, 18, 19 einem der vier umfänglichen Abschnitte 06, 07, 08, 09 der Permanentmagnetisierung 04 gegenüber Die vier Magnetfeldsensoren 16, 17. 18, 19 sind beispielsweise jeweils durch eine Messspule gebildet Die vier
Magnetfeldsensoren 18, 17, 18, 19 sind dazu ausgebildet, ein Magnetfeld zu messen, dessen Richtung tangential zur Achse 03 angeordnet is Folglich ist mit den vier Magnetfeldsensoren 16, 17, 18. 19 ein umfänglich um die Achse 03 ausgebildetes Magnetfeld messbar. Die Permanentmagnetisienjng 04 bewirkt ein tangential zur Achse 03 ausgerichtetes Magnetfeld dann, wenn eine mechanische Beanspruchung des Flansches 01 zu dem invers-magnetostriktiven Effekt geführt hat Bei dieser mechanischen Belastung handelt es sich insbesondere um ein Drehmoment um die Achse 03, welches den Flansch 01 auf Torsion beansprucht. Folglich ist mit den vier Magnetfeldsensoren 16, 17, 18, 19 ein auf den Flansch 01 wirkendes Drehmoment um die Ache 03 messbar.
Die jeweils gegenüberliegenden der vier Magnetfeldsensoren 16, 18; 17, 19 sind signatseHig additiv zusammengeschattet, sodass die Wirkung von Querkräften auf den Flansch 01 eliminiert und ausschließlich das Drehmoment um die Achse 03 gemessen wird.
Flg. 2 zeigt eine weitere bevorzugte Aueführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit axial ausgerichteter Permanentmagnetisienjng 0 Diese Ausfuhrungsform Ist zur Messung einer Querkraft ausgebildet.
Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst wiederum den in Fig. 1 gezeigten Flansch 01 , welcher in gleicher Weise ausgebildet ist.
Im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten Ausfuhrungsfomn umfasst die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform nur zwei der gezeigten Magnetfeldsensoren 16, 18. welche jedoch in gleicher Weise wie die in Fig. 1 gezeigten Magnetfeldsensoren 16, 18 ausgebildet und angeordnet sind
Die beiden Magnetfeldsensoren 16, 18 ermöglichen die Messung einer Querkraft, welche auf den Flansch 01 wirkt und senkrecht zur Achse 03 sowie entsprechend der Anordnung der beiden Magnetfeldsensoren 18. 18 ausgerichtet ist. Sollen weitere Querkrafte messbar sein, kann diese Ausfuhrungsform auch mit vier der
Magnetfeldsensoren ausgestattet sein, welche um die Achse 03 gleichverteitt angeordnet sind
Fig. 3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer axial ausgerichteten Permanentmagnetisierung 04. Die in Fig 3 gezeigte Ausführungsform ist zur Messung eines Drehmomentes vorgesehen und umfasst zunächst wiederum den Flansch 01 , welcher dem in Fig. 1 gezeigten Flansch 01 gleicht. Auch umfasst die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform wiederum die vier Magnetfeldsensoren 16, 17, 18, 19, die jedoch im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform zur Messung eines Magnetfeldes ausgebildet sind, welches sich radial zur Achse 03 erstreckt. Auch sind die vier MagnetfekJsensoren 16, 17, 18, 19 mit einem Versatz von 45* um die Achse 03 gegenüber den vier umfänglichen Abschnitten 06, 07, 08, 09 der Permanentmagnetisierung 04 angeordnet. Mithilfe der vier Magnetfeldsensoren 16, 17, 18, 19 ist ebenso wie bei der in Fig. 1 gezeigten Ausfuhrungsform ein Drehmoment um die Achse 03 messbar, welches auf den Flansch 01 wirkt und diesen auf Torsion beansprucht.
Fig. 4 zeigt eine wertere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung. Diese Ausfuhrungsform weist wiederum den Flansch 01 auf. welcher zunächst dem in Fig. 1 gezeigten Flansch 01 gleicht, sich jedoch in der Ausbildung der Permanentmagnetisierung 04 von dem in Fi 1 gezeigten Flansch 01 unterscheidet Die Permanentmagnetisierung 04 ist radial ausgerichtet, sodass diese zu der Achse
03 zeigt bzw. von der Achse 03 weg zeigt Die Permanentmagnetisierung 04 umfasst drei axiale Abschnitte 21. 22, 23, zwischen denen die Polarität der Permanentmagnetisierung 04 wechselt. Die Polarität der Permanentmagnetisierung
04 in den axialen Abschnitten 21. 22, 23 Ist wiederum durch Pfeile 24. 26. 27 symbolisiert.
Im Hohlraum des hohlzylmdertörmigen Flansches 01 befinden sich zwei der MagnetfekJsensoren 17, 19, welche den in Fig. 1 gezeigten Magnetfeldsensoren 17, 19 gleichen Mithilfe der beiden MagnetfekJsensoren 17. 19 ist ein Biegemoment messbar, welches auf den Flansch 01 wirkt und dessen Rotationsachse die Achse 03 senkrecht schneidet.
Fig. 5 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, weiche wie d e in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform eine radial ausgerichtete Permanentmagnetisierung 04 aufweist. Diese Aueführungeform urnfasst wiederum den Flansch 01 , welcher dem in Fig. 4 gezeigten Flansch 01 einschließlich der Permanentmagnetisierung 04 gleicht.
Im Hohlraum des hohlzylinderförmigen Flansches 01 befinden sich zwei der MagnetfekJsensoren 16, 18. deren Anordnung zunächst der Anordnung der in Fig. 1 gezeigten Magnetfeldsensoren 16, 18 gleicht. Im Gegensatz zu den in F>g 1 gezeigten Magnetfeldsensoren sind die In Fig. 5 gezeigten Magnetfeldsensoren 16, 18 zur Messung eines Magnetfeldes ausgebildet, welches sich in Richtung der Achse 03 erstreckt. Ein solches Magnetfeld entsteht aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes, wenn auf den Flansch 01 eine Querkraft senkrecht zu der Achse 03 wirkt
Bezugszeichenliste
Flansch
Grundkörper
Achse
Permanentmagnetisierung umfänglicher Abschnitt der Permanentmagnetisierung umfänglicher Abschnitt der Permanentmagnetisierung umfänglicher Abschnitt der Permanentmagnetisierung umfänglicher Abschnitt der Permanentmagnetieierung
Pfeil
Pfeil
Pfeil
Pfeil
Magnetfeldsensor
Mag etfeldsensor
Magnetfeldsensor
Magnetfeldsensor axialer Abschnitt der Permanentmagnetieierung axialer Abschnitt der Permanentmagnetieierung axialer Abschnitt der Permanentmagnetisierung Pfeil
Pfeil
Pfeil