EP3918293A1 - Anordnung und verfahren zur messung einer mechanischen belastung eines testobjekts unter erfassung von magnetfeldänderungen - Google Patents

Anordnung und verfahren zur messung einer mechanischen belastung eines testobjekts unter erfassung von magnetfeldänderungen

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Publication number
EP3918293A1
EP3918293A1 EP20703419.0A EP20703419A EP3918293A1 EP 3918293 A1 EP3918293 A1 EP 3918293A1 EP 20703419 A EP20703419 A EP 20703419A EP 3918293 A1 EP3918293 A1 EP 3918293A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
test object
magnetic field
measuring
sensor element
arrangement according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20703419.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Schanz
Philipp COERLIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TRAFAG AG
Original Assignee
TRAFAG AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TRAFAG AG filed Critical TRAFAG AG
Publication of EP3918293A1 publication Critical patent/EP3918293A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • 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
    • G01L3/105—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 inductive means

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for measuring a mechanical load on a test object while detecting changes in the magnetic field. Furthermore, the invention relates to a method for measuring a mechanical load on a test object while detecting changes in the magnetic field.
  • Mechanical loads are, in particular, torques or forces that act on a component, such as a shaft. In many applications it is important to record the torques or forces acting on the component or the shaft.
  • torque sensors are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that are used that
  • a type of torque transducer as described in 04 (DE 30 31 997 A1), has proven to be particularly effective for the measurement of torques in shafts and other measuring points.
  • the publication WO 2018/185018 describes a torque sensor for measuring a torque on a shaft. Sensor elements for detecting changes in the magnetic field on the surface of the shaft are arranged on a carrier plate. To reduce dependency or
  • the carrier plate has several carrier plate areas, on each of which a sensor element is arranged, and a gripping area for gripping the shaft.
  • the carrier plate areas can be pivoted relative to one another by means of a flexible connecting area.
  • the object of the invention is to measure loads such as, in particular, torques and / or forces which act on a test object or component, and in particular on a shaft, reliably and with high accuracy while detecting changes in the magnetic field.
  • the invention provides, in one aspect, an arrangement for measuring a mechanical load on a test object while detecting changes in the magnetic field, comprising a test object that extends in its longitudinal direction, at least one sensor element that has a
  • Magnetic field change in the test object comprises, wherein the sensor element is arranged on a measuring surface of the test object, which extends with at least one directional component radially and / or transversely to the longitudinal direction of the test object.
  • the measuring surface is preferably an end surface of the test object.
  • the test object is advantageously designed as a shaft for transmitting a torque.
  • the arrangement is designed to measure a torque acting on the test object.
  • the surface vector of the measuring surface has a directional component in the direction of the vector of the torque to be transmitted.
  • the area vector of the measurement area can also correspond to the direction of the vector to be transmitted
  • test object can be used to transmit a force in its
  • test object is formed in one piece or monolithically.
  • the test object has a force introduction point for introducing a force or a torque and a force output point for delivering the force or the torque, which are spaced apart in the axial direction or longitudinal direction of the test object, the measuring surface on a step flank of a step on the test object between the force application point and the
  • the test object has a first region with a smaller radius and a second region with a larger radius, the regions without material boundaries being formed in one piece or monolithically, the measuring surface being arranged at the transition between the first region and the second region.
  • the surface vector of the measuring surface can have a directional component in the direction of the vector of the force to be transmitted.
  • the area vector of the measuring area can also match the direction of the vector of the force to be transmitted.
  • the one or more sensor elements can be configured as a PCB (Printed Circuit Board) or as a part thereof.
  • the sensor element or PCB can be connected directly to the test object.
  • the sensor element or PCB is advantageously connected to the test object without contact.
  • the arrangement preferably comprises a device, in particular additional inductors, for measuring distance and / or compensation.
  • the device for compensating a signal variation that occurs when the test object is rotated.
  • the device is designed to compensate for RSN effects. For example, this can be done in that the
  • Absolute angle measurement is integrated in the measuring arrangement.
  • the magnetic field generating device preferably comprises one excitation coil and the magnetic field detecting device comprises, for example, several
  • a plurality of sensor elements and / or a plurality of measuring coils are advantageously arranged distributed over the entire measuring surface of the test object in order to detect the magnetic field.
  • the one or more sensor elements are preferably manufactured in printed circuit board technology or as PCB.
  • a carrier element or carrier PCB advantageously comprises components for signal processing and / or inductors.
  • the sensor element comprises multi-layer, for example in
  • test object can have at least two regions that extend in the longitudinal direction and adjoin one another with different regions
  • Diameters include, for example, one or more sensor elements are arranged on the exposed end face of the region with a larger diameter.
  • the invention provides a method for measuring a mechanical load on a test object while detecting
  • Magnetic field changes comprising the steps of: generating a magnetic field in a test object by means of a magnetic field generating device of a sensor element; Measuring a magnetic field change in the test object using a
  • Magnetic field detection device of the sensor element the sensor element being arranged on a measuring surface of the test object, which extends with at least one directional component radially and / or transversely to the longitudinal direction of the test object.
  • the sensor element is preferably arranged on an end face of the test object.
  • An arrangement according to the invention is particularly preferably used in the method.
  • Fig. 1 is a schematic side view of part of a shaft that a
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the shaft shown in FIG. 1 with a plurality of sensor elements as a view from the front;
  • Fig. 3 shows a sensor element of an arrangement according to another
  • Embodiment of the invention in a schematic plan view. 1 and 2, an arrangement 100 for measuring a torque acting on a test object is explained, which is a preferred one
  • Embodiment of the invention is.
  • the shaft or the test object 14 extends in its longitudinal direction L.
  • the longitudinal direction L is the axial direction of the shaft or the test object 14
  • Test object 14 acts on a torque D, which is shown on the left in the figure by an arrow running in the circumferential direction of test object 14.
  • the test object 14 designed as a shaft is used to transmit the torque D along the longitudinal direction L.
  • the test object 14 is formed at least in regions, in particular on the surface, from a material with magnetorestrictive properties, the permeability of which changes under mechanical stress. Overall, it can be formed in one piece from such a magnetorestrictive material or be coated on its surface, in particular at least on the measuring surface 15, which will be explained later, with such a magnetorestrictive material.
  • the torque can e.g. on a first e.g. End region of the shaft shown on the left in FIG. 1, which is then an example for a force introduction point, and tapped at a second end region, shown here for example on the right in FIG. 1, which is then an example for a force output point.
  • the partial areas 14a, 14b are formed in one piece with one another.
  • the test object 14 is formed from one piece.
  • a step is shown, with a step flank extending in the radial direction (shown at reference number 15).
  • the test object 14 designed as a shaft is shown in a view from the front, that is, the longitudinal direction L or the axial direction of the
  • Test object 14 is here perpendicular to the drawing plane.
  • a plurality of sensor elements 18 are arranged on a measuring surface 15 of the test object 14. They form a torque sensor 12.
  • the sensor elements 18 each have a magnetic field generating device 20, which is designed to generate a magnetic field, and a magnetic field detecting device 22, which is configured to detect a change in the magnetic field.
  • the measuring surface 15 on which the sensor elements 18 are arranged is an end surface of the test object 14.
  • the measuring surface 15 is the exposed front surface of the partial region 14b of the test object 14 which has the larger diameter. It extends radially outward from the outer edge of the partial region 14a, that is to say in a radial direction R.
  • the measuring surface is formed by the step flank or is formed on the step flank.
  • Torques that are transmitted via the shaft 14 run in a screw shape at a 45 degree angle along the shaft.
  • the torque sensor is therefore preferably designed such that the measuring point is as close as possible to the minimum diameter of the shaft 14.
  • the measuring surface 15 of the test object 14 extends in the radial direction R of the test object 14, ie radially outwards (see FIG. 1). That is, the The area vector A of the measurement area 15 essentially coincides with the direction of the longitudinal axis L of the test object 14.
  • the measuring surface 15 it is also possible for the measuring surface 15 to be oriented slightly obliquely or obliquely to the radial direction R of the test object 14. This means that there is a directional component of the measuring surface 15 in the radial direction R of the test object
  • the angle between the surface vector A of the measuring surface 15 and the longitudinal direction L of the test object is preferably less than 60 degrees, more preferably less than 45 degrees, particularly preferably less than 30 degrees, and particularly preferably less than 15 degrees, less than 5 degrees or else less than 1 degree. This angle therefore denotes the deviation of the alignment of the measuring surface
  • the magnetic field generating device 20 of the respective sensor element 18 serves to generate a magnetic field in and in particular on the surface of the shaft 14. It is preferably formed by an excitation or generator coil 26.
  • the magnetic field detection device 22 is preferably formed by a plurality of measuring coils 28. It is designed to detect changes in the magnetic field due to the torque D acting on the shaft 14 due to the magnetoelastic effect.
  • the magnetic field detection device 22 is preferably formed by a plurality of measuring coils 28. It is designed to detect changes in the magnetic field due to the torque D acting on the shaft 14 due to the magnetoelastic effect.
  • the coils 26, 28 are preferably designed as planar coils. Each of the coils advantageously encompasses a magnetic flux concentrator, which preferably has one Has ferrite core. In the embodiment shown in FIG. 2, the coils 26, 28 are arranged in a V-shape in order to form a sensor element 18 in each case.
  • the arrangement of sensor elements 18 forms a torque sensor or torque sensor 12, which is used to measure the torque on the shaft 14 and is designed such that it can be arranged on an end face of the shaft 14, which forms the measuring surface 15.
  • the torque sensor 12 is preferably designed as a PCB (Printed Circuit Board) or manufactured using printed circuit board technology.
  • PCB Print Circuit Board
  • Sensor elements 18 can be produced, for example, on a carrier plate or carrier PCB or on a plurality of carrier plates.
  • the carrier plate can, for example, have a substrate on which the planar coils and the ferrite core or magnetic flux concentrator have been applied or formed using methods of semiconductor technology.
  • the PCB for the end-side measurement of the torque can be applied directly to the test object 14, for example by gluing, by means of screws or generally by means of fasteners.
  • the transfer of the from the test object 14 can be applied directly to the test object 14, for example by gluing, by means of screws or generally by means of fasteners.
  • Sensor elements 18 for data transmitted to an evaluation unit and the power supply can be wireless or by wireless charging.
  • the arrangement is such that the coils 20, 22 are distributed over the entire measuring surface 15 in order to detect the magnetic field or its change.
  • the carrier PCB which also houses components for signal processing, for example, is provided with inductors. Multi-layer PCB coils can also be applied or soldered onto the carrier PCB.
  • the coils 20, 22 for the torque measurement are to be arranged or implemented in such a way that they see or record the maximum possible voltage profiles within the test object 14. This is particularly advantageous if the force absorption on the thicker part 14 b of the shaft 14, i.e. the part with the larger or relatively large diameter is not homogeneous.
  • the torque sensor 12 is not mounted on the shaft 14 and does not rotate with the shaft 14, it is advantageous that, for example in the case of an inhomogeneous force diversion, as many small inductances as possible are integrated in order to obtain a signal that is as homogeneous as possible.
  • a generator coil 26 as well as a first measuring coil A1 and a second measuring coil B1 are provided, so that three planar coils are provided per sensor element 18.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the invention
  • the sensor element 18 arranged on the measuring surface 15 of the test object or the sensor elements 18 each have a cross-shaped or X-shaped arrangement of coils.
  • the sensor element 18 is shown as a top view. Otherwise, the arrangement for torque measurement is configured as described above with reference to FIGS. 1 and 2.
  • each opposite on a support plate 34 are arranged. In a central position between the measuring coils A1,
  • A2, B1, B2, a generator coil 26 is arranged on the carrier plate 34. Both the generator coil 26 and each of the measuring coils 28 are designed as a planar coil.
  • a magnetic field is generated in the test object 14 by means of the magnetic field generating device 20 of the sensor element 18; by means of the magnetic field detection device 22 of the sensor element 18
  • the sensor element 18 is or is arranged on a measuring surface 15 of the test object 14, which extends with at least one directional component radially to the longitudinal direction L of the test object 14.
  • the sensor element 18 is arranged, as described above, on the front surface of the test object 14, which forms the measurement surface 15.
  • the arrangement described above is used in the method.
  • the method has one or more of the following further features:
  • the sensor element 18 is connected directly or without contact to the test object 14;
  • the magnetic field generating device 20 comprises an exciter or
  • the magnetic field detection device 22 comprises a plurality of measuring coils 28;
  • Measuring surface 15 of the test object 14 is arranged in a distributed manner in order to detect the magnetic field generated therein, the distribution preferably taking place over the entire measuring surface 15;
  • the sensor element 18 is in printed circuit board technology or as a PCB
  • the sensor element 18 comprises components for signal processing
  • the sensor element 18 includes additional inductors
  • the sensor element 18 comprises multi-layer coils 26, 28 manufactured in printed circuit board technology;
  • the sensor element 18 comprises a plurality of coils 26, 28 which are arranged on a carrier element 34 or carrier PCB manufactured using printed circuit board technology;
  • the test object 14 comprises two or more in the longitudinal direction L.
  • one or more sensor elements 18 are attached to the exposed
  • the sensor elements 18 are arranged on the end face 15 of the area with a larger diameter 14b as close as possible to the area with a smaller diameter 14a.
  • Magnetic field changes due to the Villari effect, and more particularly designed for magnetoelastic ( inverse magnetorestrictive) detection of torques.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

Eine Anordnung (100) zur Messung einer mechanischen Belastung eines Testobjekts unter Erfassung von Magnetfeldänderungen umfasst ein Testobjekt (14), das sich in seiner Längsrichtung L erstreckt, und mindestens ein Sensorelement(18), das eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Testobjekt (14) und eine Magnetfelderfassungseinrichtung (22) zum Messen einer Magnetfeldänderung in dem Testobjekt (14) umfasst. Das Sensorelement (18) ist an einer Messfläche (15) des Testobjekts (14) angeordnet, die sich mit mindestens einer Richtungskomponente radial und/oder quer zur Längsrichtung L des Testobjekts (14) erstreckt.In dem Testobjekt (14)wird ein Magnetfeld erzeugt und eine Magnetfeldänderung in dem Testobjekt (14) wird an der Messfläche (15) erfasst. Als Belastung wird insbesondere ein Drehmoment gemessen.

Description

Anordnung und Verfahren zur Messung einer mechanischen Belastung eines Testobjekts unter Erfassung von Magnetfeldänderungen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung einer mechanischen Belastung eines Testobjekts unter Erfassung von Magnetfeldänderungen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung einer mechanischen Belastung eines Testobjekts unter Erfassung von Magnetfeldänderungen.
Mechanische Belastungen sind insbesondere Drehmomente oder Kräfte, die auf ein Bauteil, wie zum Beispiel eine Welle, wirken. In vielen Anwendungen ist es von Bedeutung, die auf das Bauteil oder die Welle wirkenden Drehmomente oder Kräfte zu erfassen.
Dabei kommen beispielsweise Drehmomentsensoren zum Einsatz, die
Drehmomente in Wellen aufgrund von Magnetfeldänderungen erfassen. Derartige Drehmomentsensoren sowie die wissenschaftlichen Grundlagen hierfür sind in den folgenden Literaturstellen beschrieben:
01 Gerhard Hinz und Heinz Voigt„Magnoelastic Sensors" in
„Sensors", VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1989, Seiten 97-152 02 US 3 311 818
03 EP O 384 042 A2
04 DE 30 31 997 A
05 US 3 011 340 A
06 US 4 135 391 A
Insbesondere eine Bauart von Drehmomentmessgebern, wie sie in der 04 (DE 30 31 997 A1 ) beschrieben ist, hat sich als besonders wirkungsvoll für die Messung von Drehmomenten in Wellen und anderen Messstellen herausgestellt. Die Druckschrift WO 2018/185018 beschreibt einen Drehmomentmessgeber zur Messung eines Drehmoments an einer Welle. Dabei sind Sensorelemente zur Erfassung von Magnetfeldänderungen an der Oberfläche der Welle auf einer Trägerplatte angeordnet. Zur Verringerung einer Abhängigkeit bzw. zur
Kompensation der RSN („Rotational Signal Non-Uniform ity“) hat die Trägerplatte mehrere Trägerplattenbereiche, auf denen jeweils ein Sensorelement angeordnet ist, sowie einen Umgreifbereich zum Umgreifen der Welle. Mittels eines flexiblen Verbindungsbereichs sind die Trägerplattenbereiche relativ zueinander verschwenkbar.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, Belastungen wie insbesondere Drehmomente und/oder Kräfte, die an einem Testobjekt bzw. Bauteil und insbesondere an einer Welle wirken, zuverlässig und mit hoher Genauigkeit unter Erfassung von Magnetfeldänderungen zu messen.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung gemäß einem Aspekt eine Anordnung zur Messung einer mechanischen Belastung eines Testobjekts unter Erfassung von Magnetfeldänderungen, umfassend ein Testobjekt, das sich in seiner Längsrichtung erstreckt, mindestens ein Sensorelement, das eine
Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Testobjekt und eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Messen einer
Magnetfeldänderung in dem Testobjekt umfasst, wobei das Sensorelement an einer Messfläche des Testobjekts angeordnet ist, die sich mit mindestens einer Richtungskomponente radial und/oder quer zur Längsrichtung des Testobjekts erstreckt.
Bevorzugt ist die Messfläche eine stirnseitige Fläche des Testobjekts.
Vorteilhaft ist das Testobjekt als eine Welle zum Übertragen eines Drehmoments ausgestaltet. Insbesondere ist die Anordnung zur Messung eines auf das Testobjekt wirkenden Drehmoments ausgestaltet.
Insbesondere hat der Flächenvektor der Messfläche eine Richtungskomponente in Richtung des Vektors des zu übertragenden Drehmoments. Der Flächenvektor der Messfläche kann auch mit der Richtung des Vektors des zu übertragenden
Drehmoments übereinstimmen.
Beispielsweise kann das Testobjekt zum Übertragen einer Kraft in seiner
Längsrichtung ausgestaltet sein.
Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt einstückig oder monolithisch ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt eine Krafteinleitungsstelle zum Einleiten einer Kraft oder eines Drehmoments und eine Kraftausgangsstelle zur Abgabe der Kraft oder des Drehmoments aufweist, die in axialer Richtung oder Längsrichtung des Testobjekts beabstandet sind, wobei die Messfläche an einer Stufenflanke einer Stufe an dem Testobjekt zwischen der Krafteinleitungsstelle und der
Kraftausgangsstelle angeordnet ist.
Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt einen ersten Bereich mit kleinerem Radius und einen zweiten Bereich mit größerem Radius aufweist, wobei die Bereiche ohne Materialgrenzen dazwischen einstückig oder monolithisch ausgebildet sind, wobei die Messfläche am Übergang zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich angeordnet ist.
Insbesondere kann der Flächenvektor der Messfläche eine Richtungskomponente in Richtung des Vektors der zu übertragenden Kraft haben. Der Flächenvektor der Messfläche kann auch mit der Richtung des Vektors der zu übertragenden Kraft übereinstimmen.
Die ein oder mehreren Sensorelemente können als ein PCB (Printed Circuit Board) oder als ein Teil davon ausgestaltet sein. Insbesondere kann das Sensorelement oder PCB direkt mit dem Testobjekt verbunden sein.
Vorteilhaft ist das Sensorelement oder PCB berührungslos mit dem Testobjekt verbunden.
Bevorzugt umfasst die Anordnung eine Einrichtung, insbesondere zusätzliche Induktivitäten, zur Abstandsmessung und /oder Kompensation.
Vorteilhafterweise umfasst die Anordnung zur Belastungsmessung eine
Einrichtung zur Kompensation einer Signalvariation, die bei einer Drehung des Testobjekts auftritt. Insbesondere ist die Einrichtung zur Kompensation von RSN Effekten ausgebildet. Beispielsweise kann dies dadurch erfolgen, dass die
Einrichtung zur Absolutwinkelmessung ausgestaltet ist bzw. eine
Absolutwinkelmessung in die Messanordnung integriert ist.
Bevorzugt umfasst die Magnetfelderzeugungseinrichtung eine Erregerspule und die Magnetfelderfassungseinrichtung umfasst beispielsweise mehrere
Messspulen.
Vorteilhaft sind mehrere Sensorelemente und/oder mehrere Messspulen bevorzugt über die gesamte Messfläche des Testobjekts verteilt angeordnet, um das Magnetfeld zu erfassen.
Bevorzugt sind die ein oder mehreren Sensorelemente in Leiterplattentechnologie bzw. als PCB gefertigt. Vorteilhafterweise umfasst ein Trägerelement bzw. Träger- PCB Bauteile zur Signalverarbeitung und/oder Induktivitäten.
Beispielsweise umfasst das Sensorelement mehrlagige, zum Beispiel in
Leiterplattentechnologie bzw als PCB gefertigte Spulen, die vorteilhafterweise auf einem in Leiterplattentechnologie gefertigten Trägerelement bzw. Träger-PCB angeordnet sind, beispielsweise durch Auflöten. Insbesondere kann das Testobjekt zumindest zwei sich in Längsrichtung erstreckende, aneinandergrenzende Bereiche mit unterschiedlichen
Durchmessern umfassen, wobei zum Beispiel ein oder mehrere Sensorelemente an der freiliegenden, stirnseitigen Fläche des Bereichs mit größerem Durchmesser angeordnet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zur Messung einer mechanischen Belastung eines Testobjekts unter Erfassung von
Magnetfeldänderungen, mit den Schritten: Erzeugen eines Magnetfelds in einem Testobjekt mittels einer Magnetfelderzeugungseinrichtung eines Sensorelements; Messen einer Magnetfeldänderung in dem Testobjekt mittels einer
Magnetfelderfassungseinrichtung des Sensorelements, wobei das Sensorelement an einer Messfläche des Testobjekts angeordnet ist, die sich mit mindestens einer Richtungskomponente radial und/oder quer zur Längsrichtung des Testobjekts erstreckt.
Bevorzugt ist das Sensorelement an einer stirnseitigen Fläche des Testobjekts angeordnet.
Besonders bevorzugt wird bei dem Verfahren eine erfindungsgemäße Anordnung verwendet.
Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine schematische seitliche Ansicht eines Teils einer Welle, die einen
Teil einer Anordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der in Fig. 1 dargestellte Welle mit mehreren Sensorelementen als Ansicht von vorne; und
Fig. 3 ein Sensorelement einer Anordnung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Draufsicht. Anhand der Figuren 1 und 2 wird eine Anordnung 100 zur Messung eines auf ein Testobjekt wirkenden Drehmoments erläutert, die ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.
In Fig. 1 ist als Testobjekt 14 eine Welle dargestellt, die in diesem Beispiel zwei Teilbereiche 14a, 14b mit unterschiedlichem Durchmesser umfasst. Die Welle bzw. das Testobjekt 14 erstreckt sich in seiner Längsrichtung L. Die Längsrichtung L ist dabei die axiale Richtung der Welle bzw. des Testobjekts 14. Auf das
Testobjekt 14 wirkt ein Drehmoment D, das links in der Figur durch einen in Umfangsrichtung des Testobjekts 14 verlaufenden Pfeil dargestellt ist. Das als Welle ausgebildete Testobjekt 14 dient zum Übertragen des Drehmoments D entlang der Längsrichtung L. Das Testobjekt 14 ist zumindest bereichsweise, insbesondere an der Oberfläche aus einem Material mit magnetorestriktiven Eigenschaften gebildet, dessen Permeabilität sich unter mechanischer Belastung ändert. Es kann insgesamt einstückig aus einem solchen magnetorestriktiven Material gebildet sein oder an seiner Oberfläche, insbesondere zumindest an der später noch erläuterten Messfläche 15, mit einem solchem magnetorestriktiven Material beschichtet sein.
Dabei kann das Drehmoment z.B. an einem ersten, z.B. in Fig. 1 links gezeigten Endbereich der Welle eingeleitet werden, welches dann ein Beispiel für eine Krafteinleitungsstelle ist, und an einem zweiten, hier zum Beispiel den in Fig. 1 rechts gezeigten Endbereich abgegriffen werden, welcher dann ein Beispiel für eine Kraftausgangsstelle ist.
Die Teilbereiche 14a, 14b sind einstückig zueinander ausgebildet. Insbesondere ist das Testobjekt 14 aus einem Stück gebildet.
An dem Übergang zwischen den Teilbereichen 14a, 14b ist eine Stufe dargestellt, mit einer sich in Radialrichtung erstreckenden Stufenflanke (bei Bezugszeichen 15 gezeigt). In Fig. 2 ist das als Welle ausgebildete Testobjekt 14 in einer Ansicht von vorne dargestellt, das heißt, die Längsrichtung L bzw. die axiale Richtung des
Testobjekts 14 steht hier senkrecht zur Zeichenebene.
An einer Messfläche 15 des Testobjekts 14 sind mehrere Sensorelemente 18 angeordnet. Sie bilden einen Drehmomentsensor 12. Die Sensorelemente 18 haben jeweils eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 20, die zum Erzeugen eines Magnetfelds ausgestaltet ist, sowie eine Magnetfelderfassungseinrichtung 22, die zum Erfassen einer Magnetfeldänderung ausgestaltet ist. Die Messfläche 15, an der die Sensorelemente 18 angeordnet sind, ist in diesem Beispiel eine stirnseitige Fläche des Testobjekts 14.
Genauer gesagt ist die Messfläche 15 die freiliegende stirnseitige Fläche des Teilbereichs 14b des Testobjekts 14, der den größeren Durchmesser aufweist. Sie erstreckt sich vom äußeren Rand des Teilbereichs 14a radial nach außen, das heißt in einer radialen Richtung R. In dem gezeigten Beispiel ist die Messfläche durch die Stufenflanke gebildet oder an der Stufenflanke ausgebildet.
Drehmomente, die über die Welle 14 übertragen werden, verlaufen in einer Schneckenform in einem 45 Grad Winkel entlang der Welle. Bei einer
Veränderung des Wellendurchmessers von einer relativ dünnen zu einer dickeren Stelle des Wellendurchmessers, im vorliegenden Fall von dem Teilbereich 14a zum Teilbereich 14b der Welle 14, übertragen sich die mechanischen
Spannungen entlang der stirnseitigen Fläche.
Dies ermöglicht die Messung des Drehmoments an der stirnseitigen Fläche, die daher als Messfläche 15 dient. Dabei ist zu beachten, dass der Verlauf der Spannungslinien von der dünneren zur dickeren Wellengeometrie nicht homogen ist und die Spannungen daher mit wachsendem Durchmesser kleiner werden. Daher ist der Drehmomentsensor bevorzugt so gestaltet, dass die Messstelle möglichst nahe an dem minimalen Durchmesser der Welle 14 ist.
Die Messfläche 15 des Testobjekts 14 erstreckt sich in der radialen Richtung R des Testobjekts 14, d.h. radial nach außen (siehe Fig. 1 ). Das heißt, der Flächenvektor A der Messfläche 15 stimmt im Wesentlichen mit der Richtung der Längsachse L des Testobjekts 14 überein.
Es ist aber ebenso möglich, dass die Messfläche 15 leicht schräg oder schräg zur radialen Richtung R des Testobjekts 14 ausgerichtet ist. Das heißt, dass sich eine Richtungskomponente der Messfläche 15 in radialer Richtung R des Testobjekts
14 bzw. senkrecht zu dessen Längsachse L erstreckt, während sich eine andere Richtungskomponente der Messfläche 15 in axialer Richtung des Testobjekts 14 bzw. in Richtung dessen Längsachse L erstreckt. Das heißt, mindestens eine Richtungskomponente des Flächenvektors A der Messfläche 15 weist in Richtung des durch das Testobjekt 14 zu übertragenden Drehmoments D bzw. in der Längsrichtung L.
Bevorzugt beträgt der Winkel zwischen dem Flächenvektor A der Messfläche 15 und der Längsrichtung L des Testobjekts weniger als 60 Grad, mehr bevorzugt weniger als 45 Grad, besonders bevorzugt weniger als 30 Grad, und insbesondere bevorzugt weniger als 15 Grad, weniger als 5 Grad oder auch weniger als 1 Grad. Dieser Winkel bezeichnet somit die Abweichung der Ausrichtung der Messfläche
15 von der radialen Richtung R des Testobjekts 14.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 20 des jeweiligen Sensorelements 18 dient zum Erzeugen eines Magnetfeldes in und insbesondere an der Oberfläche der Welle 14. Sie wird bevorzugt durch eine Erreger- oder Generatorspule 26 gebildet.
Die Magnetfelderfassungseinrichung 22 wird bevorzugt durch mehrere Messpulen 28 gebildet. Sie ist zum Erfassen von Änderungen des Magnetfeldes aufgrund des auf die Welle 14 wirkenden Drehmoments D aufgrund des magnetoelastischen Effekts ausgebildet. Für nähere Einzelheiten zu möglichen Ausführungen und Geometrien sowie zu den physikalischen Grundlagen wird auf die eingangs erwähnten Dokumente 01 bis 04 verwiesen.
Bevorzugt sind die Spulen 26, 28 als Planarspulen ausgebildet. Vorteilhafterweise umgreift jede der Spulen einen Magnetflusskonzentrator, der vorzugsweise einen Ferritkern aufweist. In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform sind die Spulen 26, 28 V-förmig angeordnet, um jeweils ein Sensorelement 18 zu bilden.
Die Anordnung von Sensorelementen 18 bildet einen Drehmomentmessgeber bzw. Drehmomentsensor 12, der zum Messen des Drehmoments an der Welle 14 eingesetzt wird und derart ausgebildet ist, dass er an einer stirnseitigen Fläche der Welle 14 angeordnet werden kann, welche die Messfläche 15 bildet.
Der Drehmomentsensor 12 ist bevorzugt als PCB (Printed Circuit Board) ausgestaltet bzw. in Leiterplattentechnologie gefertigt. Dabei können die
Sensorelemente 18 zum Beispiel auf einer Trägerplatte bzw. Träger-PCB bzw. oder auf mehreren Trägerplatten hergestellt sein. Die Trägerplatte kann zum Beispiel ein Substrat aufweisen, auf dem die Planarspulen sowie der Ferritkern oder Magnetflusskonzentrator nach Methoden der Halbleitertechnik aufgebracht bzw. ausgebildet worden sind.
Für Details des PCB 's und der Spulen 26, 28 wird auf die Druckschrift WO
2018/019859 A1 und auf die deutschen Patentanmeldungen Nr. 10 2018 108 869.8 und 10 2018 114 785.6 verwiesen
Das PCB für die stirnseitige Messung des Drehmoments kann direkt auf dem Testobjekt 14 aufgebracht sein, beispielsweise durch Kleben, mittels Schrauben oder allgemein durch Befestigungsmittel. Die Übertragung der von den
Sensorelementen 18 zu einer Auswerteeinheit übertragenen Daten sowie die Spannungsversorgung kann drahtlos bzw. durch drahtloses Laden erfolgen.
Ebenso ist es möglich, die Sensorelemente 18 bzw. den Drehmomentsensor 12 nicht berührend anzubringen, das heißt mit einem Abstand zur Messfläche 15. In diesem Fall werden vorteilhafterweise zusätzliche Induktivitäten zur
Abstandsmessung und ggf. Kompensation in die Anordnung integriert, ebenso wie zum Beispiel eine Absolutwinkelmessung, um RSN Effekte (RSN =„Rotational Signal Non-Uniform ity“) zu kompensieren. Hierzu wird im Detail auf die Anordnung bzw. Einrichtung verwiesen, die in der Druckschrift WO 2018/185018 beschrieben ist, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird und in der auch weitere Details der Spulen gezeigt sind.
Die Anordnung ist derart, dass die Spulen 20, 22 über die gesamte Messfläche 15 verteilt sind, um das Magnetfeld bzw. dessen Änderung zu erfassen. Dabei wird das Träger PCB, welches zum Beispiel auch Bauteile zur Signalverarbeitung aufnimmt, mit Induktivitäten versehen. Es können auch mehrlagige PCB Spulen auf das Träger PCB aufgebracht bzw. aufgelötet werden.
Die Spulen 20, 22 für die Drehmomentmessung sind so anzuordnen oder zu implementieren, dass sie möglichst maximale Spannungsverläufe innerhalb des Testobjekts 14 sehen bzw. erfassen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Kraftaufnahme auf dem dickeren Teil 14 b der Welle 14, d.h. dem Teil mit dem größeren bzw. relativ großen Durchmesser, nicht homogen ist.
Für den Fall, dass der Drehmomentsensor 12 nicht auf der Welle 14 montiert ist und sich nicht mit der Welle 14 dreht, ist es vorteilhaft, dass zum Beispiel bei einer inhomogenen Kraftausleitung möglichst viele kleine Induktivitäten integriert sind, um ein möglichst homogenes Signal zu erhalten.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration der Sensorelemente 18 sind jeweils eine Generatorspule 26 sowie eine erste Messspule A1 und eine zweite Messspule B1 vorgesehen, so dass pro Sensorelement 18 drei Planarspulen vorgesehen sind.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anordnung, bei dem das an der Messfläche 15 des Testobjekts angeordnete Sensorelement 18 bzw. die Sensorelemente 18 jeweils eine kreuzförmige bzw. X- förmige Anordnung von Spulen aufweisen. Dabei ist das Sensorelement 18 als Draufsicht gezeigt. Im Übrigen ist die Anordnung zur Drehmomentmessung wie oben unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 beschrieben ausgestaltet.
Bei dieser Konfiguration ist in dem jeweiligen Sensorelement 18 ein Paar erster Messspulen A1 , A2 und ein Paar zweiter Messspulen B1 , B2
vorgesehen, die jeweils gegenüberliegend auf einer Trägerplatte 34 angeordnet sind. In einer zentralen Position zwischen den Messpulen A1 ,
A2, B1 , B2 ist eine Generatorspule 26 auf der Trägerplatte 34 angeordnet. Sowohl die Generatorspule 26 als auch jede der Messspulen 28 ist als Planarspule ausgebildet.
Nachfolgend wird ein Beispiel für das Verfahren zur Messung einer mechanischen Belastung des Testobjekts 14 unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 beschrieben.
Bei dem Verfahren wird mittels der Magnetfelderzeugungseinrichtung 20 des Sensorelements 18 ein Magnetfeld in dem Testobjekt 14 erzeugt; mittels der Magnetfelderfassungseinrichtung 22 des Sensorelements 18 wird eine
Magnetfeldänderung in dem Testobjekt 14 gemessen. Dabei wird bzw. ist das Sensorelement 18 an einer Messfläche 15 des Testobjekts 14 angeordnet ist, die sich mit mindestens einer Richtungskomponente radial zur Längsrichtung L des Testobjekts 14 erstreckt.
Zur Messung wird das Sensorelement 18 wie oben beschrieben an der stirnseitigen Fläche des Testobjekts 14 angeordnet, die die Messfläche 15 bildet.
Die Merkmale und Details der in dem Verfahren verwendeten Sensorelemente 18 wurden ebenfalls oben bereits beschrieben
Insbesondere wird bei dem Verfahren die oben beschriebene Anordnung verwendet. Das Verfahren weist in dem hier beschriebenen Beispiel eines oder mehrere der folgenden weiteren Merkmale auf:
- das Sensorelement 18 wird direkt oder berührungslos mit dem Testobjekt 14 verbunden;
- zur Abstandsmessung und gegebenenfalls Kompensation werden
zusätzliche Induktivitäten verwendet; - Signalvariationen bzw. RSN-Effekte die bei einer Drehung des Testobjekts auftreten, werden kompensiert, wobei bevorzugt eine
Absolutwinkelmessung durchgeführt wird;
- die Magnetfelderzeugungseinrichtung 20 umfasst eine Erreger- oder
Generatorspule 26;
- die Magnetfelderfassungseinrichtung 22 umfasst mehrere Messspulen 28;
- mehrere Sensorelemente 18 bzw. Messspulen 28 werden über die
Messfläche 15 des Testobjekts 14 verteilt angeordnet, um das darin generierte Magnetfeld zu erfassen, wobei die Verteilung bevorzugt über die gesamte Messfläche 15 erfolgt;
- das Sensorelement 18 ist in Leiterplattentechnologie bzw. als PCB
gefertigt;
- das Sensorelement 18 umfasst Bauteile zur Signalverarbeitung;
- das Sensorelement 18 umfasst zusätzliche Induktivitäten;
- das Sensorelement 18 umfasst mehrlagige, in Leiterplattentechnologie gefertigte Spulen 26, 28;
- das Sensorelement 18 umfasst mehrere Spulen 26, 28, die auf einem in Leiterplattentechnologie gefertigten Trägerelement 34 bzw. Träger-PCB angeordnet sind;
- das Testobjekt 14 umfasst zwei oder mehr sich in Längsrichtung L
erstreckende, aneinandergrenzende Bereiche 14a, 14 b mit
unterschiedlichen Durchmessern;
- eines oder mehrere Sensorelemente 18 werden an der freiliegenden,
stirnseitigen Fläche 15 des Bereichs 14b mit größerem Durchmesser angeordnet;
- die Sensorelemente 18 werden an der stirnseitigen Fläche 15 des Bereichs mit größerem Durchmesser 14b möglichst nah an dem Bereich mit geringerem Durchmesserl 4a angeordnet.
Insbesondere sind die Anordnung zur Belastungsmessung, der
Drehmomentsensor und das Messverfahren zur Erfassung von
Magnetfeldänderungen aufgrund des Villari-Effektes, und mehr insbesondere zur magnetoelastischen (=invers magnetorestriktiven) Erfassung von Drehmomenten ausgebildet.
Bezugszeichenliste:
12 Drehmomentsensor
14 Welle
14a, 14b Teilbereiche
15 Messfläche
18 Sensorelement
20 Magnetfelderzeugungseinrichtung 22 Magnetfelderfassungseinrichtung 26 Generatorspule
28 Messspule
A1 erste Messspule
B1 zweite Messspule
A2 erste Messspule
B2 zweite Messspule
34 Trägerplatte
100 Anordnung zur Belastungsmessung
A Flächenvektor
D Drehmoment
L Längsrichtung
R radiale Richtung

Claims

Ansprüche:
1. Anordnung zur Messung einer mechanischen Belastung eines
Testobjekts unter Erfassung von Magnetfeldänderungen, umfassend ein Testobjekt (14), das sich in seiner Längsrichtung L erstreckt, mindestens ein Sensorelement (18), das eine
Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Testobjekt (14) und eine Magnetfelderfassungseinrichtung (22) zum Messen einer Magnetfeldänderung in dem Testobjekt (14) umfasst, wobei das Sensorelement (18) an einer Messfläche (15) des Testobjekts (14) angeordnet ist, die sich mit mindestens einer Richtungskomponente radial und/oder quer zur Längsrichtung L des Testobjekts (14) erstreckt.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Messfläche (15) eine stirnseitige Fläche des Testobjekts (14) ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
3.1. das Testobjekt (14) als eine Welle zum Übertragen eines
Drehmoments (D) ausgestaltet ist; und/oder
3.2. die Anordnung zur Messung eines auf das Testobjekt (14) wirkenden Drehmoments (D) ausgestaltet ist; und/oder
3.3. der Flächenvektor (A) der Messfläche (15) eine
Richtungskomponente in Richtung des Vektors des zu übertragenden Drehmoments (D) hat.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
4.1. das Testobjekt (14) zum Übertragen einer Kraft in seiner
Längsrichtung ausgestaltet ist, und/oder
4.2. der Flächenvektor der Messfläche (15) eine
Richtungskomponente in Richtung des Vektors der zu übertragenden Kraft hat, und/oder
4.3. das Testobjekt einstückig oder monolithisch ausgebildet ist;
und/oder
4.4. das Testobjekt eine Krafteinleitungsstelle zum Einleiten einer
Kraft oder eines Drehmoments und eine Kraftausgangsstelle zur Abgabe der Kraft oder des Drehmoments aufweist, die in axialer Richtung oder Längsrichtung des Testobjekts
beabstandet sind, wobei die Messfläche an einer Stufenflanke einer Stufe an dem Testobjekt zwischen der
Krafeinleitungsstelle und der Kraftausgangsstelle angeordnet ist; und/oder
4.5. das Testobjekt einen ersten Bereich mit kleinerem Radius und einen zweiten Bereich mit größerem Radius aufweist, wobei die Bereiche ohne Materialgrenzen dazwischen einstückig oder monolithisch ausgebildet sind, wobei die Messfläche am
Übergang zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich angeordnet ist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Sensorelement (18) direkt mit dem Testobjekt (14) verbunden ist.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Sensorelement (18) berührungslos mit dem Testobjekt (14) verbunden ist.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Abstandsmessung und/oder Kompensation.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Kompensation einer Signalvariation, die bei einer Drehung des Testobjekts (14) auftritt.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) eine Erregerspule (26) und die Magnetfelderfassungseinrichtung (22) mehrere Messspulen (28) aufweist.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass mehrere Sensorelemente (18) und/oder mehrere Messspulen (28) über die Messfläche (15) des Testobjekts (14) verteilt angeordnet sind, um das Magnetfeld zu erfassen.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Sensorelement (18) in
Leiterplattentechnologie gefertigt ist, wobei ein Trägerelement des Sensorelements (18) Bauteile zur Signalverarbeitung und/oder
Induktivitäten umfasst.
12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Sensorelement (18) mehrlagige, in
Leiterplattentechnologie gefertigte Spulen umfasst, die auf einem in Leiterplattentechnologie gefertigten Trägerelement (34) angeordnet sind.
13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Testobjekt (14) zumindest zwei sich in
Längsrichtung erstreckende, aneinandergrenzende Bereiche (14a, 14b) mit unterschiedlichen Durchmessern umfasst, wobei ein oder mehrere Sensorelemente (18) an der freiliegenden, stirnseitigen Messfläche (15) des Bereichs (14b) mit größerem Durchmesser angeordnet sind.
14. Verfahren zur Messung einer mechanischen Belastung eines Testobjekts (14) unter Erfassung von Magnetfeldänderungen, mit den Schritten: Erzeugen eines Magnetfelds in einem Testobjekt (14) mittels einer Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) eines Sensorelements (18); Messen einer Magnetfeldänderung in dem Testobjekt (14) mittels einer Magnetfelderfassungseinrichtung (22) des Sensorelements (18), wobei das Sensorelement (18) an einer Messfläche (15) des Testobjekts (14) angeordnet ist, die sich mit mindestens einer Richtungskomponente radial und/oder quer zur Längsrichtung (L) des Testobjekts (14) erstreckt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das
Sensorelement (18) an einer stirnseitigen Fläche des Testobjekts (14) angeordnet ist, die die Messfläche (15) bildet.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15, bei dem eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 verwendet wird.
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