EP3008438A1 - Arrangements and method for measuring a force or a torque on a machine element - Google Patents

Arrangements and method for measuring a force or a torque on a machine element

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EP3008438A1
EP3008438A1 EP14733980.8A EP14733980A EP3008438A1 EP 3008438 A1 EP3008438 A1 EP 3008438A1 EP 14733980 A EP14733980 A EP 14733980A EP 3008438 A1 EP3008438 A1 EP 3008438A1
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EP
European Patent Office
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magnetic field
axis
force
permanent magnetization
machine element
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Withdrawn
Application number
EP14733980.8A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Stephan Neuschaefer-Rube
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3008438A1 publication Critical patent/EP3008438A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G01L1/122—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using permanent magnets
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
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    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/104—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving permanent magnets

Definitions

  • the present invention relates to arrangements for measuring a force and / or a moment on a machine element extending in an axis using the in-magnetostrictive effect.
  • the invention further relates to a method for measuring a force and / or a moment, wherein the force or force the moment acts on a machine element extending in an axis
  • DE 698 38 904 T2 shows a torque sensor with circular magnetization in a magnetoelastically active region on a shaft exposed to a torque. Using a Hall effect sensor, the magnetic field is measured near the magnetoelastically active area
  • transducer element which is intended for use in a torque or force sensor.
  • the transducer element is integrally formed in a shaft of agnetisierbarem material and has an aligned in an axial direction magnetization.
  • DE 600 07 6 1 T2 shows a transducer element which is provided for a torque or force sensor converter.
  • magnetizations are formed in a radially inner region and in a radially outer region,
  • DE 601 05 794 T2 shows a force-sensitive transducer element with a body of magnetic material, wherein in the body at least two magnetized areas are formed, which at an angle to the force transmitting extending direction and have opposite magnetization apolarities
  • DE 699 36 138 T2 shows a magnetic force sensor, in which a magnetized material is exposed to a bending moment, wherein mithitfe a sensor arrangement, the external magnetic field of the magnetized material can be determined.
  • WO 201 1/085400 A1 shows a magnetoelastic force sensor with which mechanical loads of an element can be measured.
  • the object of the present invention is to expand the possibilities for measuring forces and moments using the inverse magnetostrictive effect.
  • the object is achieved by an arrangement according to the attached claim 1.
  • the object is further achieved by an arrangement according to the attached independent claim 5 and by methods according to the attached independent claims 9 and 10th
  • a first aspect of the invention is an arrangement for measuring a force and or moment on a machine element extending in an axis.
  • the force or the moment acts on the machine element, which leads to mechanical stresses and the machine element usually deforms slightly.
  • the machine element has a permanent magnetization.
  • the permanent magnetization is aligned in the axis, whereby the machine element and the Permanentmagnetisienjng are arranged coaxially with each other. Opposite poles of the permanent magnetization can be connected by a straight line, which is arranged parallel to the axis.
  • the arrangement further comprises at least one magnetic field sensor which is arranged opposite the machine element.
  • the MagnetfeWsensor is used to determine a magnetic field and is for measuring at least one vectorial component of the Machine element emerging magnetic field formed, which is caused on the one hand by the permanent magnetization and on the other hand by the force and / or by the moment.
  • this vectorial component is not the component of the magnetic field caused by the permanent magnetization, and by the force and / or by the moment, which are aligned in the axis or parallel to the axis of the machine element and the permanent magnetization is.
  • this vectorial component is the vectorial component of the magnetic field caused by the permanent magnetization, as well as by the force and / or by the moment, which is aligned in the axis or parallel to the axis of the machine element and the permanent magnetization is.
  • the magnetic field sensor By means of the magnetic field sensor, it is possible to measure the magnetic field which occurs due to the inverse magnetostrictive effect due to the permanent magnetization and due to the force acting on the machine element or the moment acting on the machine element.
  • the vectorial component of the machine element emerging from the machine element caused by the permanent magnetization and by the force and / or by the moment magnetic field and the arrangement of the magnetic field sensor relative to the machine element forces and or torques can be measured in certain directions.
  • the magnetic poles of the Pemnanentmagnetleiter are in the simplest case directly in the axis. Also, in the simplest case, only two magnetic poles, namely a north pole and a south pole of the permanent magnetization are formed. However, the permanent magnetization is preferably formed in circumferential sections. These portions are formed along a circumference around the axis. Preferably, the polarity of the permanent magnetization alternates between the sections such that the north pole and south pole of the permanent magnetization alternate along a circumference around the axis.
  • the permanent magnetization in individual ones of the peripheral sections may be considered as a single magnetization.
  • the circumferential portions of the permanent magnetization preferably have a same center angle with respect to the axis. Also, the circumferential portions of the permanent magnetization have a same axial length and are arranged flush with each other on the axis. Thus, the circumferential portions of the permanent magnetization preferably have a same size. Wetterhin the peripheral portions of the permanent magnetization are preferably distributed equal along the circumference around the axis
  • two to ten of the circumferential portions of the permanent magnetization are formed. More preferably, four of the circumferential portions of the permanent magnetization are formed
  • the permanent magnetization is aligned only in the axis. Consequently, the permanent magnetization has no directional component which is not in the axis or parallel to the axis. Thus, it is excluded that the permanent magnetization is arranged, for example, obliquely with respect to the axis.
  • the one magnetic field sensor or the plurality of magnetic field sensors for measuring the aligned in the tangential direction to the axis component of the caused by the permanent magnetization and by the force and / or by the moment magnetic field educated. Consequently, the one or more magnetic field sensors measure that component of the permanent magnetization as well as the force and / or magnetic field caused by the moment, which extends circumferentially around the axis.
  • the magnetic field sensors are preferred for measuring only the component oriented in the tangential direction to the axis through the permanent magnetization and / or or formed by the moment caused magnetic field In this case, by the bz the magnetic field sensors no other components of this magnetic field can be measured
  • the machine element is preferably acted upon by a torque aligned in the axis and possibly also deformable, wherein the aligned in the tangential direction to the axis component of the caused by the permanent magnetization as well as the torque MagnetfekJes is a mali of the mechanical stress caused by the torque. Consequently, with the or with the magnetic field sensors for measuring the aligned in the tangential direction to the axis component of the caused by the permanent magnetization and by the torque magnetic field, a measurement of the torque is possible.
  • the axis-aligned torque has an axis of rotation which coincides with or at least parallel to the axis of the machine element. This torque leads in particular to a torsion of the machine element.
  • the machine element is preferably elastically deformable by the torque oriented in the axle.
  • the magnetic field sensors are preferably present, which are arranged distributed equally at an equal distance from the axis around the axis. Consequently, the four magnetic field sensors in pairs have a center angle of 90 ° with respect to the axis to each other.
  • the magnetic field sensors preferably lie together in a plane which is aligned perpendicular to the axis.
  • four of the circumferential portions of the permanent magnetization are equally distributed about the axis.
  • the four circumferential portions of the permanent magnetization and the four magnetic field sensors stand In this case, in each case two opposite of the four agnetfekJsensoren preferably additively sixteengeschattet signal side, whereby the influence of other torques and forces, in particular lateral forces on the machine element and the resulting magnetic field in the measurement by the magnetic field sensors is eliminated. As a result, the measurement is limited to the axis-oriented torque.
  • the machine element is alternatively preferably acted upon by a perpendicular to the axis aligned transverse force and possibly deformable, wherein the aligned in the tangential direction to the axis component of the by the permanent magnetization and by
  • the transverse force caused magnetic field is a measure of the shear force caused by the shear force. Consequently, with the magnetic field sensor or the magnetic field sensors, the determination of the component of the magnetic field oriented in the tangential direction to the axis enables the transverse force acting on the machine tool to be measured.
  • the machine element is elastically deformable by the transverse force aligned perpendicular to the axis. The transverse force can lead, for example, to a bending of the machine element.
  • two of the magnetic field sensors are preferably present, which are equally distributed at the same distance from the axis about the axis. Consequently, the two MagnetfekJsensoren have a center angle of 180 ° with respect to the axis to each other and are arranged opposite to the axis. They are preferably located together in a plane which is arranged perpendicular to the axis.
  • the two magnetic field sensors are preferably interconnected subtracting on the signal side.
  • four of the circumferential sections of the permanent magnetization are preferably formed, which are arranged distributed equally around the axis
  • the one magnetic field sensor bz are the a plurality of MagnetfekJsensoren for measuring the aligned in a radial direction to the axis component of the permanent magnetization as well as by de force and / or caused by the moment magnetic field.
  • the component of the magnetic field which is exposed in the radial direction to the axis is arranged perpendicular to the axis and intersects the axis.
  • the magnetic field sensors or measuring elements are preferred for measuring only the component oriented in the radial direction relative to the axis of the magnet as well as by the force and / or force Moment caused magnetic field formed
  • the Maschineneleme t is preferably acted upon by an aligned torque in the axis and possibly deformable, wherein the aligned in the radial direction to the axis component of the permanent magnetization and by the torque caused magnetic field is a measure of the torque caused by the mechanical stress. Consequently, with the magnetic field sensor bz with the magnetic field sensors, the torque acting on the machine element can be measured.
  • the machine element is elastically deformable by the torque oriented in the axle.
  • a third group of preferred embodiments of the arrangement according to the first subject of the invention is the one magnetic field sensor or the plurality of magnetic field sensors for measuring the aligned in the axis or parallel to the axis component of the permanent magnetization and by the force and / or by the moment formed magnetic field.
  • the magnetic field sensor (s) are / are preferably designed to measure only the component of the component of the magnetic field caused by the permanent magnetization and by the force and / or by the moment that is aligned in the axial direction relative to the axis.
  • the machine element is preferably characterized by a traction force aligned in the axis or by an axis-aligned one Compressive force acted upon and possibly deformable, wherein the aligned in the axial direction component of the caused by the permanent magnetization and by the torque magnetic field is a measure of the tensile force or compressive force caused by the mechanical stress. Consequently, with the magnetic field sensor or with the magnetic field sensors acting on the machine element tensile force or compressive force can be measured.
  • the machine element is elastically deformable by the traction force or pressure force aligned in the axis
  • a second object of the present invention is a further arrangement for measuring a force and / or moment on a machine element extending in an axis.
  • the poles of magnetization namely one or more pairs of each of a north pole and a south pole, respectively lie on a radius which is perpendicular to the axis and proceeding from the axis.
  • the arrangement furthermore comprises at least one magnetic field sensor, which is designed to measure at least one vector-like component of a magnetic element emerging from the machine element, caused by the permanent magnetization and by the force and / or by the moment, this vectorial component of the magnet as well as the force and / or by the moment hosted magnetic field is preferably not radially aligned with the axis
  • the magnetic field due to the inverse magnetostrictive effect due to the permanent magnetization and due to the force acting on the machine element force or of the machine r > e learning waving moment occurs, to measure
  • the permanent magnetization may comprise a plurality of components which are each aligned radially to the axis.
  • the permanent magnetization is aligned exclusively radially to the axis. Consequently, the permanent magnetization preferably has no other directional component, for example in the direction of the axis or tangentially to the axis. Therefore, the permanent magnetism is preferably not oriented obliquely to a radius Insofar as the permanent magnetization comprises a plurality of components, the components are also preferably aligned exclusively radially with respect to the axis.
  • the permanent magnetism is formed in axial sections between which the polarity of the permanent magnetization changes.
  • the permanent magnetization may be formed completely circumferentially or in circumferential sections.
  • the polarity of the permanent magnetization preferably does not change. There may be unmagnetized axial sections between the axial sections of the permanent magnet.
  • the axial sections of the permanent magnetization preferably have a same axial length.
  • two to ten of the axial sections are formed.
  • three of the axial sections of the permanent magnetization are formed.
  • the arrangement according to the second aspect of the invention preferably comprises two of the magnetic field sensors which are evenly distributed at an equal distance from the axis about the axis.
  • the two magnetic field sensing furnaces have a center angle of 180 * with respect to the axis and are opposite one another arranged relative to the axis.
  • the two magnetic field sensors are arranged together in a plane which is aligned perpendicular to the axis.
  • the one magnetic field sensor or the plurality of magnetic field sensors for measuring at least one aligned in the tangential direction to the axis component of the permanent magnetization and by the force and / or by the moment formed magnetic field. It is a component which surrounds the axis at least partially circumferentially. Particularly preferred are the or the magnetic field sensors for measuring exclusively in the tangential direction to the axis aligned component of the magnetic field caused by the permanent magnetization as well as by the force and / or by the moment. Consequently, with the magnetic field sensors exclusively a component of the magnetic field can be detected, which results in a mechanical stress of the machine element due to the inverse magnetostrictive effect.
  • the machine element is preferably acted upon by a transverse to the axis aligned torque and possibly deformable, wherein the aligned in the tangential direction to the axis component caused by the Permanentmagnetisienjng and by the torque Magnetic field em measure of the torque caused by the mechanical stress is.
  • the torque oriented transversely to the axis is, in particular, a bending moment, which leads to bending of the machine element.
  • the machine element is preferably elastically deformable by the transversely aligned to the axis transverse torque.
  • the torque oriented transversely to the axis has an axis of rotation which preferably intersects the axis.
  • the magnetic field sensor or the magnetic field sensors for measuring at least one aligned in the axis component of the permanent magnetization and by the force and / or caused by the moment magnetic field.
  • the or the magnetic field sensors are particularly preferably designed for measuring exclusively the component oriented in the axis of the magnetic field caused by the permanent magnetization and by the force and / or by the moment.
  • the machine element is preferably acted upon by a transverse force aligned perpendicular to the axis and possibly deformable, wherein the axis-aligned component of the magnetic field caused by the permanent magnetization and by the lateral force is a measure of the mechanical stress caused by the lateral force.
  • the transverse force leads in particular to a bending of the machine element.
  • the machine element is preferably elastically deformable by the transverse force aligned perpendicular to the axis.
  • the permanent magnetization is preferably formed in an axial magnetization section of the machine element.
  • This axial magnetization section may comprise the axial sections of the magnetization of alternating polarity.
  • the machine element may extend far beyond the permanent magnetization in the axis. If, for example, a torque arranged in the axis is to be measured, a short axial magnetization section is sufficient to be able to determine the magnetic field that occurs.
  • the component having the permanent magnetization is connected at least fixedly to the machine element or to a main component of the machine element, the permanent magnetization being exposed to the mechanical stresses occurring on the machine element together with the machine element.
  • the permanent magnetization is preferably formed integrally with the machine element or with a main component of the machine element. In any case, these are not additional permanent magnets, which are fastened to the outside of the machine element and are not exposed to the mechanical stresses occurring on the machine element.
  • the permanent magnetization is preferably formed in a magnetoelastic section of the machine element. In the magnetoelastic section of the machine element, the machine element preferably consists of a magnetostrictive material. Not only is preferred Section, but the machine element designed as such magnetoelastic In this case, the machine element consists of a magnetostrictive material.
  • one or more magnetic field sensors are preferably stationary and spaced from the machine element arranged While the force or the torque can lead to movements or deformations of the machine element, the magnetic field sensors do not change their stationary position.
  • the machine element preferably has the form of a prism or a cylinder, wherein the prism or the cylinder is arranged coaxially to the axis.
  • the prism or the cylinder is preferably straight.
  • the machine element has the shape of a straight circular cylinder, wherein the circular cylinder is arranged coaxially to the axis.
  • these circumferential portions are formed by cylinder arc sections.
  • the prism or the cylinder is conical, in particular in the third group of preferred embodiments of the arrangement according to the first subject of the invention.
  • the machine element is preferably formed by a world or by a flange.
  • the shaft or the flange can be designed for loads due to different forces and torques.
  • the Maschineneternent preferably has a cavity through which the axis extends at least in sections. Consequently, the cavity encloses at least a portion of the axis.
  • the cavity preferably extends in the axis.
  • the cavity is preferably cylindrical, wherein the cylindrical shape is arranged coaxially to the axis.
  • the one or more magnetic field sensors are preferably arranged in the cavity.
  • the one or more magnetic field sensors are alternatively preferably arranged outside the cavity.
  • the one or more magnetic field sensors are preferably formed by Hall sensors, coils or fluxgate agnetometers. Basically, other sensor types can also be used insofar as they are suitable for measuring the magnetic fields produced by the inverse-magnetostrictive effect.
  • a third object of the invention is a method for measuring a force and / or a moment.
  • the force or the moment acts on a machine element extending in an axis.
  • the machine element has a permanent magnetization which is aligned in the axis. Consequently, the permanent magnetization has one or more pairs of magnetic poles, namely a north pole and a south pole, whose connecting line m is arranged along the axis or parallel to the axis.
  • the force bz of the moment is determined by at least one vectorial component of an emerging from the machine element, is measured by the permanent magnetization and by the force and / or by the moment caused by the inverse magnetostrictive effect magnetic field.
  • this vectorial component of the magnetic field is not aligned in the axis.
  • the vectorial component of the magnetic field caused by the permanent magnetization as well as by the force and / or by the moment is aligned in the tangential direction to the axis or in the radial direction to the axis.
  • the inventive method according to the third object of the invention corresponds to the arrangement according to the first object of the invention. Consequently, the method according to the third aspect of the invention is preferably applied to arrangements described in accordance with the first subject of the invention and its preferred embodiments.
  • the fourth object is a method for measuring a force and / or moment.
  • the force or moment acts on an axis extending machine element.
  • the machine element has a permanent magnetization.
  • the permanent magnetization has one or more pairs of magnetic poles, namely a north pole and a south pole, whose connecting degrees each forms a radius that intersects the axis.
  • the force or the moment is thereby determined by measuring at least one vectorial component of a magnetic field emerging from the machine element and caused by the permanent magnetization and by the force and / or by the moment due to the inverse magnetostrictive effect.
  • This vektonelle component is preferably not aligned radially to the axis.
  • this component of the magnetic field caused by the permanent magnetization as well as by the force and / or by the moment is aligned in a tangential direction to the axis or in the axis.
  • the method according to the fourth aspect of the invention corresponds to the arrangement according to the second subject of the invention. Consequently, the method according to the fourth aspect of the invention is preferably applied to arrangements formed according to the second subject of the invention and its preferred embodiments.
  • Fig. 1 an inventive arrangement with axially aligned
  • Magnetization for measuring a torque 4 shows an arrangement according to the invention with radially oriented magnetization for measuring a bending moment;
  • Fig. 5 an inventive arrangement with radially aligned
  • the figures show the arrangements according to the invention in two views.
  • the upper parts of the figures each comprise a plan view, while the lower parts of the figures each comprise a cross-sectional view of the respective arrangement according to the invention
  • the arrangement initially comprises a machine element in the form of a flange 01, which is fastened to a base body 02.
  • the flange 01 has the shape of a hollow circular cylinder.
  • the flange 01 extends in an axis 03, which also forms the central axis of the hollow cylindrical shape of the flange 01.
  • the flange 01 is made of a magnetoelastic material which has the magneto-trictive effect.
  • a permanent magnetization 04 is formed, which extends in the same direction as the axis 03.
  • the permanent magnetization 04 is not formed completely circumferentially around the flange 01, but only in peripheral portions 06, 07, 08, 09 , wherein the polarity of the permanent magnetization 04 between the circumferential sections 06, 07, 08, 09 respectively changes.
  • the changing polarity of the permanent magnetization 04 is symbolized by arrows 1 1, 12, 3, 14.
  • each of the four magnetic field sensors 16, 17, 18, 19 faces one of the four circumferential sections 06, 07, 08, 09 of the permanent magnetization 04.
  • the four magnetic field sensors 16, 17, 18, 19 are each formed by a measuring coil, for example Magnetic field sensors 18, 17, 18, 19 are designed to measure a magnetic field whose direction is arranged tangentially to the axis 03. Consequently, with the four magnetic field sensors 16, 17, 18. 19, a magnetic field formed circumferentially around the axis 03 can be measured.
  • the permanent magnetization 04 causes a magnetic field aligned tangentially to the axis 03 when a mechanical stress on the flange 01 has led to the inverse-magnetostrictive effect.
  • This mechanical load is, in particular, a torque about the axis 03 which torsion the flange 01 claimed. Consequently, with the four magnetic field sensors 16, 17, 18, 19, a torque acting on the flange 01 can be measured about the axis 03.
  • FIG. 2 shows a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention with axially aligned permanent magnetization 0. This embodiment is designed to measure a transverse force.
  • This embodiment of the arrangement according to the invention again comprises the flange 01 shown in FIG. 1, which is designed in the same way.
  • the embodiment shown in FIG. 2 comprises only two of the shown magnetic field sensors 16, 18 which, however, are designed and arranged in the same way as the magnetic field sensors 16, 18 shown in FIG.
  • the two magnetic field sensors 16, 18 allow the measurement of a transverse force, which acts on the flange 01 and perpendicular to the axis 03 and according to the arrangement of the two magnetic field sensors 18 18 is aligned. Should further lateral forces be measurable, this embodiment can also be used with four of the Be equipped magnetic field sensors, which are arranged gleichvereitt about the axis 03
  • FIG. 3 shows a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention with an axially aligned permanent magnetization 04.
  • the embodiment shown in FIG. 3 is provided for measuring a torque and, in turn, comprises the flange 01, which is similar to the flange 01 shown in FIG.
  • the embodiment shown in FIG. 3 again comprises the four magnetic field sensors 16, 17, 18, 19, which, however, in contrast to the embodiment shown in FIG. 1, are designed to measure a magnetic field which extends radially to the axis 03.
  • the four MagnetfekJsensoren 16, 17, 18, 19 with an offset of 45 * about the axis 03 with respect to the four circumferential portions 06, 07, 08, 09 of the permanent magnetization 04 are arranged.
  • a torque about the axis 03 can be measured, which acts on the flange 01 and stresses it on torsion.
  • Fig. 4 shows a mittenre embodiment of the inventive arrangement.
  • This embodiment in turn has the flange 01. which initially equals the flange 01 shown in FIG. 1, but differs in the design of the permanent magnetization 04 from the flange 01 shown in FIG. 1.
  • the permanent magnetization 04 is radially aligned so that it faces the axis
  • the permanent magnetization 04 comprises three axial sections 21, 22, 23, between which the polarity of the permanent magnetization 04 changes.
  • FIG. 5 shows a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention, which, like the embodiment shown in FIG. 4, has a radially oriented permanent magnetization 04.
  • This Aue arrangement turn comprises the flange 01, which is similar to the flange 01 shown in FIG. 4, including the permanent magnetization 04.
  • the magnetic field sensors 16, 18 shown in FIG. 1 are designed to measure a magnetic field which extends in the direction of the axis 03. Such a magnetic field arises due to the inverse-magnetostrictive effect when acting on the flange 01 a transverse force perpendicular to the axis 03

Abstract

The present invention relates to arrangements for measuring a force and/or a torque on a machine element (01) extending in an axis (03) using the inverse magnetostrictive effect. The invention further relates to a method for measuring a force and/or a torque, wherein the force or the torque is acting on a machine element (01) extending in an axis (03). In a first arrangement according to the invention, the machine element (01) has a permanent magnetisation (04) that is aligned in the axis (03). The arrangement further comprises at least one magnetic field sensor (16, 17, 18, 19) that is designed to measure at least one vectorial component of a magnetic field generated by the permanent magnetisation (04) and by the force and/or by the torque.

Description

Anordnungen und Verfahren zum »tosten einer Kraft oder eines Momentes an einem Maschinenelement  Arrangements and methods for toasting a force or a moment on a machine element
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 The present invention relates to arrangements for measuring a force and / or a moment on a machine element extending in an axis using the in-magnetostrictive effect. The invention further relates to a method for measuring a force and / or a moment, wherein the force or force the moment acts on a machine element extending in an axis
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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. From DE 600 08 543 T2 a transducer element is known which is intended for use in a torque or force sensor. The transducer element is integrally formed in a shaft of agnetisierbarem material and has an aligned in an axial direction magnetization.
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, DE 600 07 6 1 T2 shows a transducer element which is provided for a torque or force sensor converter. In this transducer element magnetizations are formed in a radially inner region and in a radially outer region,
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. From DE 603 09 678 12 a method for detecting a torque in a shaft is known in which magnetic fields with alternating polarity are generated, which are measured with a sensor arrangement.
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 DE 601 05 794 T2 shows a force-sensitive transducer element with a body of magnetic material, wherein in the body at least two magnetized areas are formed, which at an angle to the force transmitting extending direction and have opposite magnetization apolarities
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. DE 699 36 138 T2 shows a magnetic force sensor, in which a magnetized material is exposed to a bending moment, wherein mithitfe a sensor arrangement, the external magnetic field of the magnetized material can be determined.
Die WO 201 1/085400 A1 zeigt einen magnetoelastischen Kraftsensor, mit welchem mechanische Belastungen eines Elementes messbar sind. WO 201 1/085400 A1 shows a magnetoelastic force sensor with which mechanical loads of an element can be measured.
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. The object of the present invention, starting from the state of the art, is to expand the possibilities for measuring forces and moments using the inverse magnetostrictive effect.
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 The object is achieved by an arrangement according to the attached claim 1. The object is further achieved by an arrangement according to the attached independent claim 5 and by methods according to the attached independent claims 9 and 10th
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. A first aspect of the invention is an arrangement for measuring a force and or moment on a machine element extending in an axis. The force or the moment acts on the machine element, which leads to mechanical stresses and the machine element usually deforms slightly. The machine element has a permanent magnetization. The permanent magnetization is aligned in the axis, whereby the machine element and the Permanentmagnetisienjng are arranged coaxially with each other. Opposite poles of the permanent magnetization can be connected by a straight line, which is arranged parallel to the axis. The arrangement further comprises at least one magnetic field sensor which is arranged opposite the machine element. The MagnetfeWsensor is used to determine a magnetic field and is for measuring at least one vectorial component of the Machine element emerging magnetic field formed, which is caused on the one hand by the permanent magnetization and on the other hand by the force and / or by the moment. In a first category of preferred embodiments, this vectorial component is not the component of the magnetic field caused by the permanent magnetization, and by the force and / or by the moment, which are aligned in the axis or parallel to the axis of the machine element and the permanent magnetization is. In a second category of preferred embodiments, this vectorial component is the vectorial component of the magnetic field caused by the permanent magnetization, as well as by the force and / or by the moment, which is aligned in the axis or parallel to the axis of the machine element and the permanent magnetization is. By means of the magnetic field sensor, it is possible to measure the magnetic field which occurs due to the inverse magnetostrictive effect due to the permanent magnetization and due to the force acting on the machine element or the moment acting on the machine element. Depending on the vectorial component of the machine element emerging from the machine element, caused by the permanent magnetization and by the force and / or by the moment magnetic field and the arrangement of the magnetic field sensor relative to the machine element forces and or torques can be measured in certain directions.
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. The magnetic poles of the Pemnanentmagnetisierung are in the simplest case directly in the axis. Also, in the simplest case, only two magnetic poles, namely a north pole and a south pole of the permanent magnetization are formed. However, the permanent magnetization is preferably formed in circumferential sections. These portions are formed along a circumference around the axis. Preferably, the polarity of the permanent magnetization alternates between the sections such that the north pole and south pole of the permanent magnetization alternate along a circumference around the axis. The permanent magnetization in individual ones of the peripheral sections may be considered as a single magnetization. whereby all individual magnetizations are also aligned in the axis on the circumference around the axis may also have unmagnetized circumferential portions between the circumferential portions of the permanent magnetization. The circumferentially alternately formed permanent magnetization allows an accurate measurement of the magnetic field changes, which are caused due to the magnetostrictive effect by forces and or moments on the machine element.
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 The circumferential portions of the permanent magnetization preferably have a same center angle with respect to the axis. Also, the circumferential portions of the permanent magnetization have a same axial length and are arranged flush with each other on the axis. Thus, the circumferential portions of the permanent magnetization preferably have a same size. Wetterhin the peripheral portions of the permanent magnetization are preferably distributed equal along the circumference around the axis
Bevorzugt sind zwei bis zehn der umfänglichen Abschnitte der Permanentmagnetisierung ausgebildet. Besonders bevorzugt sind vier der umfänglichen Abschnitte der Permanentmagnetisierung ausgebildet Preferably, two to ten of the circumferential portions of the permanent magnetization are formed. More preferably, four of the circumferential portions of the permanent magnetization are formed
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. In preferred embodiments of the arrangement according to the first object of the invention, the permanent magnetization is aligned only in the axis. Consequently, the permanent magnetization has no directional component which is not in the axis or parallel to the axis. Thus, it is excluded that the permanent magnetization is arranged, for example, obliquely with respect to the axis.
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 In a first group of preferred embodiments of the arrangement according to the first subject of the invention is the one magnetic field sensor or the plurality of magnetic field sensors for measuring the aligned in the tangential direction to the axis component of the caused by the permanent magnetization and by the force and / or by the moment magnetic field educated. Consequently, the one or more magnetic field sensors measure that component of the permanent magnetization as well as the force and / or magnetic field caused by the moment, which extends circumferentially around the axis. The magnetic field sensors are preferred for measuring only the component oriented in the tangential direction to the axis through the permanent magnetization and / or or formed by the moment caused magnetic field In this case, by the bz the magnetic field sensors no other components of this magnetic field can be measured
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. The machine element is preferably acted upon by a torque aligned in the axis and possibly also deformable, wherein the aligned in the tangential direction to the axis component of the caused by the permanent magnetization as well as the torque MagnetfekJes is a mali of the mechanical stress caused by the torque. Consequently, with the or with the magnetic field sensors for measuring the aligned in the tangential direction to the axis component of the caused by the permanent magnetization and by the torque magnetic field, a measurement of the torque is possible. The axis-aligned torque has an axis of rotation which coincides with or at least parallel to the axis of the machine element. This torque leads in particular to a torsion of the machine element. The machine element is preferably elastically deformable by the torque oriented in the axle.
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. In the mentioned first group of preferred embodiments of the arrangement according to the first subject of the invention, four of the magnetic field sensors are preferably present, which are arranged distributed equally at an equal distance from the axis around the axis. Consequently, the four magnetic field sensors in pairs have a center angle of 90 ° with respect to the axis to each other. In this case, the magnetic field sensors preferably lie together in a plane which is aligned perpendicular to the axis. Similarly, four of the circumferential portions of the permanent magnetization are equally distributed about the axis. Thus, the four circumferential portions of the permanent magnetization and the four magnetic field sensors stand In this case, in each case two opposite of the four agnetfekJsensoren preferably additively zusammengeschattet signal side, whereby the influence of other torques and forces, in particular lateral forces on the machine element and the resulting magnetic field in the measurement by the magnetic field sensors is eliminated. As a result, the measurement is limited to the axis-oriented torque.
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. In embodiments of the first group of preferred embodiments of the arrangement according to the first subject of the invention, the machine element is alternatively preferably acted upon by a perpendicular to the axis aligned transverse force and possibly deformable, wherein the aligned in the tangential direction to the axis component of the by the permanent magnetization and by The transverse force caused magnetic field is a measure of the shear force caused by the shear force. Consequently, with the magnetic field sensor or the magnetic field sensors, the determination of the component of the magnetic field oriented in the tangential direction to the axis enables the transverse force acting on the machine tool to be measured. Preferably, the machine element is elastically deformable by the transverse force aligned perpendicular to the axis. The transverse force can lead, for example, to a bending of the machine element.
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 To measure the transverse force, two of the magnetic field sensors are preferably present, which are equally distributed at the same distance from the axis about the axis. Consequently, the two MagnetfekJsensoren have a center angle of 180 ° with respect to the axis to each other and are arranged opposite to the axis. They are preferably located together in a plane which is arranged perpendicular to the axis. The two magnetic field sensors are preferably interconnected subtracting on the signal side. In this case, four of the circumferential sections of the permanent magnetization are preferably formed, which are arranged distributed equally around the axis
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 In a second group of preferred embodiments of the arrangement according to the first subject of the invention, the one magnetic field sensor bz are the a plurality of MagnetfekJsensoren for measuring the aligned in a radial direction to the axis component of the permanent magnetization as well as by de force and / or caused by the moment magnetic field. The component of the magnetic field which is exposed in the radial direction to the axis is arranged perpendicular to the axis and intersects the axis. The magnetic field sensors or measuring elements are preferred for measuring only the component oriented in the radial direction relative to the axis of the magnet as well as by the force and / or force Moment caused magnetic field formed
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. In the second group of preferred embodiments of the arrangement according to the first subject of the invention, the Maschineneleme t is preferably acted upon by an aligned torque in the axis and possibly deformable, wherein the aligned in the radial direction to the axis component of the permanent magnetization and by the torque caused magnetic field is a measure of the torque caused by the mechanical stress. Consequently, with the magnetic field sensor bz with the magnetic field sensors, the torque acting on the machine element can be measured. Preferably, the machine element is elastically deformable by the torque oriented in the axle.
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. In a third group of preferred embodiments of the arrangement according to the first subject of the invention is the one magnetic field sensor or the plurality of magnetic field sensors for measuring the aligned in the axis or parallel to the axis component of the permanent magnetization and by the force and / or by the moment formed magnetic field. The magnetic field sensor (s) are / are preferably designed to measure only the component of the component of the magnetic field caused by the permanent magnetization and by the force and / or by the moment that is aligned in the axial direction relative to the axis.
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 In the third group of preferred embodiments of the arrangement according to the first aspect of the invention, the machine element is preferably characterized by a traction force aligned in the axis or by an axis-aligned one Compressive force acted upon and possibly deformable, wherein the aligned in the axial direction component of the caused by the permanent magnetization and by the torque magnetic field is a measure of the tensile force or compressive force caused by the mechanical stress. Consequently, with the magnetic field sensor or with the magnetic field sensors acting on the machine element tensile force or compressive force can be measured. Preferably, the machine element is elastically deformable by the traction force or pressure force aligned in the axis
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 A second object of the present invention is a further arrangement for measuring a force and / or moment on a machine element extending in an axis. Thus, the poles of magnetization, namely one or more pairs of each of a north pole and a south pole, respectively lie on a radius which is perpendicular to the axis and proceeding from the axis. The arrangement furthermore comprises at least one magnetic field sensor, which is designed to measure at least one vector-like component of a magnetic element emerging from the machine element, caused by the permanent magnetization and by the force and / or by the moment, this vectorial component of the magnet as well as the force and / or by the moment hosted magnetic field is preferably not radially aligned with the axis With the aid of the magnetic field sensor, it is possible, the magnetic field due to the inverse magnetostrictive effect due to the permanent magnetization and due to the force acting on the machine element force or of the machine r > e learning waving moment occurs, to measure
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. The permanent magnetization may comprise a plurality of components which are each aligned radially to the axis. Preferably, the permanent magnetization is aligned exclusively radially to the axis. Consequently, the permanent magnetization preferably has no other directional component, for example in the direction of the axis or tangentially to the axis. Therefore, the permanent magnetism is preferably not oriented obliquely to a radius Insofar as the permanent magnetization comprises a plurality of components, the components are also preferably aligned exclusively radially with respect to the axis.
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. In preferred embodiments of the arrangement according to the invention according to the second subject of the invention, the permanent magnetism is formed in axial sections between which the polarity of the permanent magnetization changes. Within the axial sections, the permanent magnetization may be formed completely circumferentially or in circumferential sections. Within the axial sections, the polarity of the permanent magnetization preferably does not change. There may be unmagnetized axial sections between the axial sections of the permanent magnet.
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. The axial sections of the permanent magnetization preferably have a same axial length. Preferably, two to ten of the axial sections are formed. Particularly preferably, three of the axial sections of the permanent magnetization are formed.
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. The arrangement according to the second aspect of the invention preferably comprises two of the magnetic field sensors which are evenly distributed at an equal distance from the axis about the axis. Thus, the two magnetic field sensing furnaces have a center angle of 180 * with respect to the axis and are opposite one another arranged relative to the axis. Preferably, the two magnetic field sensors are arranged together in a plane which is aligned perpendicular to the axis.
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. In a first group of preferred embodiments of the arrangement according to the invention according to the second subject of the invention is the one magnetic field sensor or the plurality of magnetic field sensors for measuring at least one aligned in the tangential direction to the axis component of the permanent magnetization and by the force and / or by the moment formed magnetic field. It is a component which surrounds the axis at least partially circumferentially. Particularly preferred are the or the magnetic field sensors for measuring exclusively in the tangential direction to the axis aligned component of the magnetic field caused by the permanent magnetization as well as by the force and / or by the moment. Consequently, with the magnetic field sensors exclusively a component of the magnetic field can be detected, which results in a mechanical stress of the machine element due to the inverse magnetostrictive effect.
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. In the first group of preferred embodiments of the arrangement according to the second subject of the invention, the machine element is preferably acted upon by a transverse to the axis aligned torque and possibly deformable, wherein the aligned in the tangential direction to the axis component caused by the Permanentmagnetisienjng and by the torque Magnetic field em measure of the torque caused by the mechanical stress is. The torque oriented transversely to the axis is, in particular, a bending moment, which leads to bending of the machine element. The machine element is preferably elastically deformable by the transversely aligned to the axis transverse torque. The torque oriented transversely to the axis has an axis of rotation which preferably intersects the axis.
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. In a second group of preferred embodiments of the arrangement according to the invention according to the second subject of the invention, the magnetic field sensor or the magnetic field sensors for measuring at least one aligned in the axis component of the permanent magnetization and by the force and / or caused by the moment magnetic field. In this case, the or the magnetic field sensors are particularly preferably designed for measuring exclusively the component oriented in the axis of the magnetic field caused by the permanent magnetization and by the force and / or by the moment.
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. In the second group of preferred embodiments of the arrangement according to the second subject of the invention, the machine element is preferably acted upon by a transverse force aligned perpendicular to the axis and possibly deformable, wherein the axis-aligned component of the magnetic field caused by the permanent magnetization and by the lateral force is a measure of the mechanical stress caused by the lateral force. The transverse force leads in particular to a bending of the machine element. The machine element is preferably elastically deformable by the transverse force aligned perpendicular to the axis.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen bezieht sich auf erfindungsgemäße Anordnungen gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung und gemäß dem zweiten Gegenstand der Erfindung. The following description of preferred embodiments relates to arrangements according to the invention according to the first subject of the invention and according to the second object of the invention.
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. The permanent magnetization is preferably formed in an axial magnetization section of the machine element. This axial magnetization section may comprise the axial sections of the magnetization of alternating polarity. In any case, the machine element may extend far beyond the permanent magnetization in the axis. If, for example, a torque arranged in the axis is to be measured, a short axial magnetization section is sufficient to be able to determine the magnetic field that occurs.
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. The component having the permanent magnetization is connected at least fixedly to the machine element or to a main component of the machine element, the permanent magnetization being exposed to the mechanical stresses occurring on the machine element together with the machine element. The permanent magnetization is preferably formed integrally with the machine element or with a main component of the machine element. In any case, these are not additional permanent magnets, which are fastened to the outside of the machine element and are not exposed to the mechanical stresses occurring on the machine element. The permanent magnetization is preferably formed in a magnetoelastic section of the machine element. In the magnetoelastic section of the machine element, the machine element preferably consists of a magnetostrictive material. Not only is preferred Section, but the machine element designed as such magnetoelastic In this case, the machine element consists of a magnetostrictive 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. Oer one or more magnetic field sensors are preferably stationary and spaced from the machine element arranged While the force or the torque can lead to movements or deformations of the machine element, the magnetic field sensors do not change their stationary position.
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. The machine element preferably has the form of a prism or a cylinder, wherein the prism or the cylinder is arranged coaxially to the axis. The prism or the cylinder is preferably straight. Particularly preferably, the machine element has the shape of a straight circular cylinder, wherein the circular cylinder is arranged coaxially to the axis. Inasmuch as the machine element has circumferential portions of the permanent magnetization, these circumferential portions are formed by cylinder arc sections. In particular embodiments, the prism or the cylinder is conical, in particular in the third group of preferred embodiments of the arrangement according to the first subject of the invention.
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. The machine element is preferably formed by a world or by a flange. The shaft or the flange can be designed for loads due to different forces and torques.
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. The Maschineneternent preferably has a cavity through which the axis extends at least in sections. Consequently, the cavity encloses at least a portion of the axis. The cavity preferably extends in the axis.
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. The cavity is preferably cylindrical, wherein the cylindrical shape is arranged coaxially to the axis. The one or more magnetic field sensors are preferably arranged in the cavity. The one or more magnetic field sensors are alternatively preferably arranged outside the cavity.
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. The one or more magnetic field sensors are preferably formed by Hall sensors, coils or fluxgate agnetometers. Basically, other sensor types can also be used insofar as they are suitable for measuring the magnetic fields produced by the inverse-magnetostrictive effect.
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. A third object of the invention is a method for measuring a force and / or a moment. The force or the moment acts on a machine element extending in an axis. The machine element has a permanent magnetization which is aligned in the axis. Consequently, the permanent magnetization has one or more pairs of magnetic poles, namely a north pole and a south pole, whose connecting line m is arranged along the axis or parallel to the axis. The force bz of the moment is determined by at least one vectorial component of an emerging from the machine element, is measured by the permanent magnetization and by the force and / or by the moment caused by the inverse magnetostrictive effect magnetic field. Preferably, this vectorial component of the magnetic field is not aligned in the axis. Preferably, the vectorial component of the magnetic field caused by the permanent magnetization as well as by the force and / or by the moment is aligned in the tangential direction to the axis or in the radial direction to the axis.
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. The inventive method according to the third object of the invention corresponds to the arrangement according to the first object of the invention. Consequently, the method according to the third aspect of the invention is preferably applied to arrangements described in accordance with the first subject of the invention and its preferred embodiments.
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. The fourth object is a method for measuring a force and / or moment. The force or moment acts on an axis extending machine element. The machine element has a permanent magnetization. Thus, the permanent magnetization has one or more pairs of magnetic poles, namely a north pole and a south pole, whose connecting degrees each forms a radius that intersects the axis. The force or the moment is thereby determined by measuring at least one vectorial component of a magnetic field emerging from the machine element and caused by the permanent magnetization and by the force and / or by the moment due to the inverse magnetostrictive effect. This vektonelle component is preferably not aligned radially to the axis. Preferably, this component of the magnetic field caused by the permanent magnetization as well as by the force and / or by the moment is aligned in a tangential direction to the axis or in the axis.
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. The method according to the fourth aspect of the invention corresponds to the arrangement according to the second subject of the invention. Consequently, the method according to the fourth aspect of the invention is preferably applied to arrangements formed according to the second subject of the invention and its preferred embodiments.
Wettere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung Es zeigen: Weather advantages, details and developments of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, with reference to the drawing in which:
Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Anordnung mit axial ausgerichteter Fig. 1: an inventive arrangement with axially aligned
Permanentmagnetisierung zur Messung eines Drehmomentes;  Permanent magnetization for measuring a torque;
Fig 2: eine erfindungsgemäße Anordnung mit axial ausgerichteter 2 shows an inventive arrangement with axially aligned
Permanentmagnetisierung zur Messung einer Querkraft:  Permanent magnetization for measuring a lateral force:
Fig 3: eine weitere erfindungsgemäße Anordnung mit axial ausgerichteter 3 shows a further arrangement according to the invention with axially aligned
Magnetisierung zur Messung eines Drehmomentes; Fig. 4. eine erfindungsgemäße Anordnung mit radial ausgerichteter Magnetisierung zur Messung eines Biegemomentes; und Magnetization for measuring a torque; 4 shows an arrangement according to the invention with radially oriented magnetization for measuring a bending moment; and
Fig. 5: eine erfindungsgemaße Anordnung mit radial ausgerichteter Fig. 5: an inventive arrangement with radially aligned
Permanentmagnetisierung zur Messung einer Querkraft  Permanent magnetization for measuring a lateral force
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 The figures show the arrangements according to the invention in two views. The upper parts of the figures each comprise a plan view, while the lower parts of the figures each comprise a cross-sectional view of the respective arrangement according to the invention
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. 1 shows a first preferred embodiment of an arrangement according to the invention. The arrangement initially comprises a machine element in the form of a flange 01, which is fastened to a base body 02. The flange 01 has the shape of a hollow circular cylinder. The flange 01 extends in an axis 03, which also forms the central axis of the hollow cylindrical shape of the flange 01. The flange 01 is made of a magnetoelastic material which has the magneto-trictive effect.
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. In a axial portion of the flange 01, a permanent magnetization 04 is formed, which extends in the same direction as the axis 03. The permanent magnetization 04 is not formed completely circumferentially around the flange 01, but only in peripheral portions 06, 07, 08, 09 , wherein the polarity of the permanent magnetization 04 between the circumferential sections 06, 07, 08, 09 respectively changes. The changing polarity of the permanent magnetization 04 is symbolized by arrows 1 1, 12, 3, 14.
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. In the cavity of the hollow cylindrical flange 01 four magnetic field sensors 16, 17, 18, 19 are arranged, which have an equal distance from the axis 03 and are arranged uniformly distributed about this. Consequently, each of the four magnetic field sensors 16, 17, 18, 19 faces one of the four circumferential sections 06, 07, 08, 09 of the permanent magnetization 04. The four magnetic field sensors 16, 17, 18, 19 are each formed by a measuring coil, for example Magnetic field sensors 18, 17, 18, 19 are designed to measure a magnetic field whose direction is arranged tangentially to the axis 03. Consequently, with the four magnetic field sensors 16, 17, 18. 19, a magnetic field formed circumferentially around the axis 03 can be measured. The permanent magnetization 04 causes a magnetic field aligned tangentially to the axis 03 when a mechanical stress on the flange 01 has led to the inverse-magnetostrictive effect. This mechanical load is, in particular, a torque about the axis 03 which torsion the flange 01 claimed. Consequently, with the four magnetic field sensors 16, 17, 18, 19, a torque acting on the flange 01 can be measured about the axis 03.
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. The respective opposite of the four magnetic field sensors 16, 18; 17, 19 SignatseHig additively zusammengeschattet, so that the effect of lateral forces on the flange 01 is eliminated and only the torque is measured about the axis 03.
Flg. 2 zeigt eine weitere bevorzugte Aueführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit axial ausgerichteter Permanentmagnetisienjng 0 Diese Ausfuhrungsform Ist zur Messung einer Querkraft ausgebildet. Flg. FIG. 2 shows a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention with axially aligned permanent magnetization 0. This embodiment is designed to measure a transverse force.
Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst wiederum den in Fig. 1 gezeigten Flansch 01 , welcher in gleicher Weise ausgebildet ist. This embodiment of the arrangement according to the invention again comprises the flange 01 shown in FIG. 1, which is designed in the same way.
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 In contrast to the embodiment shown in FIG. 1, the embodiment shown in FIG. 2 comprises only two of the shown magnetic field sensors 16, 18 which, however, are designed and arranged in the same way as the magnetic field sensors 16, 18 shown in FIG
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 The two magnetic field sensors 16, 18 allow the measurement of a transverse force, which acts on the flange 01 and perpendicular to the axis 03 and according to the arrangement of the two magnetic field sensors 18 18 is aligned. Should further lateral forces be measurable, this embodiment can also be used with four of the Be equipped magnetic field sensors, which are arranged gleichvereitt about the axis 03
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. 3 shows a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention with an axially aligned permanent magnetization 04. The embodiment shown in FIG. 3 is provided for measuring a torque and, in turn, comprises the flange 01, which is similar to the flange 01 shown in FIG. The embodiment shown in FIG. 3 again comprises the four magnetic field sensors 16, 17, 18, 19, which, however, in contrast to the embodiment shown in FIG. 1, are designed to measure a magnetic field which extends radially to the axis 03. The four MagnetfekJsensoren 16, 17, 18, 19 with an offset of 45 * about the axis 03 with respect to the four circumferential portions 06, 07, 08, 09 of the permanent magnetization 04 are arranged. By means of the four magnetic field sensors 16, 17, 18, 19, as in the embodiment shown in FIG. 1, a torque about the axis 03 can be measured, which acts on the flange 01 and stresses it on torsion.
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 AchseFig. 4 shows a wertere embodiment of the inventive arrangement. This embodiment in turn has the flange 01. which initially equals the flange 01 shown in FIG. 1, but differs in the design of the permanent magnetization 04 from the flange 01 shown in FIG. 1. The permanent magnetization 04 is radially aligned so that it faces the axis
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 Permanentmagnetisierung03 shows or points away from the axis 03. The permanent magnetization 04 comprises three axial sections 21, 22, 23, between which the polarity of the permanent magnetization 04 changes. The polarity of the permanent magnetization
04 in den axialen Abschnitten 21. 22, 23 Ist wiederum durch Pfeile 24. 26. 27 symbolisiert. 04 in the axial sections 21. 22, 23 Is in turn symbolized by arrows 24. 26. 27.
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. In the cavity of the hollow cylindrical flange 01 are two of the MagnetfekJsensoren 17, 19, which the magnetic field sensors 17, 19 shown in Fig. 1 same by means of the two MagnetfekJsensoren 17. 19 is a bending moment measurable, which acts on the flange 01 and the axis of rotation of the axis 03 cuts vertically. FIG. 5 shows a further preferred embodiment of the arrangement according to the invention, which, like the embodiment shown in FIG. 4, has a radially oriented permanent magnetization 04. This Aueführungeform turn comprises the flange 01, which is similar to the flange 01 shown in FIG. 4, including the permanent magnetization 04.
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 In the cavity of the hollow cylindrical flange 01 are two of the MagnetfekJsensoren 16, 18. The arrangement of the first arrangement of the magnetic field sensors 16, 18 shown in FIG. 1 is similar. In contrast to the magnetic field sensors shown in FIG. 1, the magnetic field sensors 16, 18 shown in FIG. 5 are designed to measure a magnetic field which extends in the direction of the axis 03. Such a magnetic field arises due to the inverse-magnetostrictive effect when acting on the flange 01 a transverse force perpendicular to the axis 03
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
Flansch flange
Grundkörper  body
Achse  axis
Permanentmagnetisierung umfänglicher Abschnitt der Permanentmagnetisierung umfänglicher Abschnitt der Permanentmagnetisierung umfänglicher Abschnitt der Permanentmagnetisierung umfänglicher Abschnitt der Permanentmagnetieierung  Permanent magnetization circumferential portion of the permanent magnetization circumferential portion of the permanent magnetization circumferential portion of the permanent magnetization circumferential portion of the permanent magnetization
Pfeil arrow
Pfeil arrow
Pfeil arrow
Pfeil arrow
Magnetfeldsensor magnetic field sensor
Mag etfeldsensor Mag etfeldsensor
Magnetfeldsensor magnetic field sensor
Magnetfeldsensor axialer Abschnitt der Permanentmagnetieierung axialer Abschnitt der Permanentmagnetieierung axialer Abschnitt der Permanentmagnetisierung Pfeil Magnetic field sensor axial portion of the permanent magnetization axial portion of the permanent magnetization axial portion of the permanent magnetization arrow
Pfeil arrow
Pfeil arrow

Claims

Patentansprüche Patent claims
1 Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse (03) erstreckenden Maschinenelement (01), wobei das Maschinenelemerrt (01) eine Permanentmagnetisierung (04) aufweist, die in der Achse (03) ausgerichtet ist, wobei die Anordnung weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor (16, 17, 18. 19) umfasst, welcher zur Messung zumindest einer Komponente eines durch die Permanentmagnebsierung (04) sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet ist 1 Arrangement for measuring a force and / or a moment on a machine element (01) extending in an axis (03), the machine element (01) having a permanent magnetization (04) which is aligned in the axis (03), wherein the arrangement further comprises at least one magnetic field sensor (16, 17, 18, 19), which is designed to measure at least one component of a magnetic field caused by the permanent magnetization (04) and by the force and / or by the torque
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetisierung (04) in umfänglichen Abschnitten (06, 07. 08. 09) ausgebildet ist, zwischen denen die Polarität der Permanentmagnetisierung (04) wechselt 2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the permanent magnetization (04) is formed in circumferential sections (06, 07, 08, 09), between which the polarity of the permanent magnetization (04) changes
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Magnetfeldsensor oder die mehreren Magnetfeldsensoren (16, 17, 18, 19) zur Messung der in tangentialer Richtung zur Achse (03) ausgenchteten Komponente des durch die Permanentmagnetisierung (04) sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind. 3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the one magnetic field sensor or the several magnetic field sensors (16, 17, 18, 19) for measuring the component calibrated in the tangential direction to the axis (03) by the permanent magnetization (04) and are formed by the force and/or the magnetic field caused by the moment.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der eine MagnetfekJsensor oder die mehreren Magnetfeldsensoren (16. 17, 18. 19) zur Messung der in radialer Richtung zur Achse (03) ausgerichteten Komponente des durch die Permanentmagnetisierung (04) sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind 4. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the one magnetic field sensor or the several magnetic field sensors (16, 17, 18, 19) for measuring the component aligned in the radial direction to the axis (03) by the permanent magnetization (04) and are formed by the force and/or the magnetic field caused by the moment
5. Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse (03) erstreckenden Maschinenelement (01), wobei das Maschinenelement (01) eine Permanerrtmagnetisierung (04) aufweist, die radial zur Achse (03) ausgerichtet ist, wobei die Anordnung weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor (16, 17, 18, 19) umfasst, welcher zur Messung zumindest einer Komponente eines durch die Permanentmagnetisiefung (04) sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet ist 5. Arrangement for measuring a force and / or a moment on a machine element (01) extending in an axis (03), the machine element (01) having a permanent magnetization (04) which is aligned radially to the axis (03), wherein the arrangement further comprises at least one magnetic field sensor (16, 17, 18, 19), which is designed to measure at least one component of a magnetic field caused by the permanent magnetization (04) and by the force and/or the torque
Θ Anordnung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnettsierung (04) in axialen Abschnitten (21. 22, 23) ausgebildet ist, zwischen denen die Polarität der Permanentmagnetisierung (04) wechselt. Θ Arrangement according to claim 5, characterized in that the permanent magnetization (04) is formed in axial sections (21, 22, 23), between which the polarity of the permanent magnetization (04) changes.
7 Anordnung nach Anspnjch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet dass der eine Magnetfeldsensor oder die mehreren Magnetfeldsensoren (17, 19) zur Messung zumindest einer in tangentialer Richtung zur Achse (03) ausgerichteten Komponente des durch die Permanentmagnetreierung (04) sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind. 7 Arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that the one magnetic field sensor or the several magnetic field sensors (17, 19) for measuring at least one component aligned in a tangential direction to the axis (03) by the permanent magnet drive (04) and by the force and / or are formed by the magnetic field caused by the moment.
8. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichne dass der eine Magnetfeldsensor oder die mehreren Magnetfeldsensoren (16. 18) zur Messung zumindest einer in der Achse (03) ausgerichteten Komponente des durch die Permanentmagnetisienjng (04) sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind 8. Arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that the one magnetic field sensor or the several magnetic field sensors (16, 18) for measuring at least one component aligned in the axis (03) by the permanent magnetization (04) and by the force and / or are formed by the magnetic field caused by the moment
9. Verfahren zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes, wobei die Kraft und/oder das Moment auf ein sich in einer Achse (03) erstreckendes Maschinenelement (01) wirkt, welches eine Permanentmagnetisierung (04) aufweist, die in der Achse (03) ausgerichtet ist. wobei die Kraft und/oder das Moment durch ein Messen zumindest einer Komponente eines durch die Permanentmagnetisierung (04) sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes bestimmt wird. Verfahren zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes, wobei die Kraft und/oder das Moment auf ein eich in einer Achse (03) erstreckendes Maschinenelement (01) wirkt, welche« eine Permanentmagnetisierung (04) aufweist, die radial zur Achse (03) ausgerichtet ist, wobei die Kraft und/oder das Moment durch ein Messen zumindest einer Komponente eines durch die Permanentmagnetisierung (04) sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes bestimmt wird. 9. Method for measuring a force and/or a moment, wherein the force and/or the moment acts on a machine element (01) extending in an axis (03), which has a permanent magnetization (04) which is in the axis (01). 03) is aligned. wherein the force and/or the moment is determined by measuring at least one component of a magnetic field caused by the permanent magnetization (04) and by the force and/or by the moment. Method for measuring a force and/or a moment, the force and/or the moment acting on a machine element (01) extending in an axis (03), which has a permanent magnetization (04) which is radial to the axis (03 ) is aligned, the force and / or the moment being determined by measuring at least one component of a magnetic field caused by the permanent magnetization (04) and by the force and / or by the moment.
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