KR20230061242A - 토크 및 회전각 검출 시스템 - Google Patents

토크 및 회전각 검출 시스템 Download PDF

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스탄코 텝식
알렉산더 로샤우
토비아스 바이벨
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키스틀러 홀딩 아게
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Abstract

본 발명은, 회전 축선(X)을 중심으로 회전할 수 있는 로터 유닛(10)을 포함하고; 고정 방식으로 배열되고, 회전 축선(X)에 대해 반경방향으로 배열되는 공극(30)만큼 로터 유닛(10)으로부터 이격되는 스테이터 유닛(20)을 포함하며; 로터 유닛(10)은 로터 유닛(10)에 작용하는 토크를 검출하는 스트레인 게이지(15)를 포함하고; 로터 유닛(10)은 서로 이격되어 배열되는 복수의 쌍극자 자석(14)을 포함하고; 스테이터 유닛(20)은 로터 유닛(10)의 회전 동안 쌍극자 자석(14)의 자기장을 측정하는 자기장 센서(24)를 포함하고; 스테이터 유닛(20)은 1차 코일(21)을 포함하고, 로터 유닛(10)은 2차 코일(11)을 포함하고; 1차 코일(21)의 1차 전압이 2차 코일(11)의 2차 전압을 발생시키며, 쌍극자 자석(14) 각각은 1,000mT 이상, 바람직하게는 1,400mT 이상인 잔류 자기를 가지며; 2차 코일(11)은 복수의 페라이트 요소(110)를 포함하는 토크 및 회전각 검출 시스템(1)에 관한 것이다.

Description

토크 및 회전각 검출 시스템 {TORQUE AND ANGLE OF ROTATION DETECTION SYSTEM}
본 발명은 독립항의 전제부에 따른 토크 및 회전각 검출 시스템에 관한 것이다.
산업용 측정 기술은 산업적으로 제조된 제품의 토크, 회전각 등과 같은 물리적 매개변수를 검출하는 역할을 한다. 예를 들어, 테스트 스탠드 기술은 내연 기관, 전기 모터, 기어박스, 펌프 등과 같은 회전 부품의 토크 및 회전각을 측정하는 데 사용된다. 또한, 회전 부품의 토크 및 회전각은 공작물의 칩 제거 가공에서도 측정된다.
키토크(KiTorq)로 알려져 있고 데이터 시트 4550A_000-880d-08.20에 문서화되어 있는 토크 및 회전각을 검출하기 위한 시스템이 본 출원인으로부터 입수 가능하다. 키토크는 본 발명을 위한 종래 기술로서 간주된다. 키토크는 로터 유닛 및 스테이터 유닛을 특징으로 한다. 로터 유닛은 나사 연결을 통해 임의의 회전 부품에 부착될 수 있는 플랜지로서 설계된다. 로터 유닛은 최대 20000min-1의 회전 속도로 구성된다. 반면에, 스테이터 유닛은 고정적이다. 스테이터 유닛은 회전 축선에 대해 반경방향 공극만큼 로터 유닛으로부터 이격된다.
로터 유닛은 스트레인 게이지를 포함한다. 스트레인 게이지는 측정 그리드 및 브리지 회로를 포함한다. 측정 그리드에 전압이 인가될 때, 측정 그리드는 전기 저항을 나타낸다. 전기 저항은 측정 그리드의 확장 또는 수축에 따라 변화되며, 전기 저항에 있어서의 변화는 브리지 회로에서 측정 신호를 생성한다. 이러한 방식으로, 스트레인 게이지는 로터 유닛에 작용하는 토크를 검출한다. 스트레인 게이지는 최대 35kSample의 샘플링 속도로 초당 최대 10,000개의 측정 신호를 생성하는 동적 방식으로 토크를 검출한다. 측정 신호는 24비트의 해상도를 갖는다.
로터 유닛은 서로 이격되는 복수의 쌍극자 자석을 포함한다. 스테이터 유닛은 로터 유닛의 회전 동안 쌍극자 자석의 자기장을 측정하는 자기장 센서를 포함한다. 시스템은 측정된 자기장을 계수하고, 쌍극자 자석 사이의 거리가 알려져 있기 때문에, 이로부터 로터 유닛이 이동한 회전각을 결정한다.
로터 유닛으로부터 스테이터 유닛으로 측정 신호를 전송하기 위해, 로터 유닛은 로터 안테나를 포함하고, 스테이터 유닛은 스테이터 안테나를 포함한다. 측정 신호의 전송은 로터 안테나가 측정 신호를 스테이터 안테나로 보냄으로써 비접촉 방식으로 이루어진다. 이를 위해, 산업 과학 및 의료용(ISM) 대역에 있어서 13.56MHz의 전송 주파수가 사용되며, 최대 1.4 Mbitsec-1의 데이터 전송 속도가 달성된다.
스트레인 게이지 및 로터 안테나의 작동을 위해, 로터 유닛에는 전력이 공급되어야 한다. 이를 위해, 스테이터 유닛은 1차 코일을 포함하고, 로터 유닛은 2차 코일을 포함한다. 1차 코일 및 2차 코일은 서로 유도 결합된다. 1차 코일의 1차 전압이 2차 코일의 2차 전압을 발생시킨다. 1차 코일 및 2차 코일의 유도 결합은 ISM 대역에서 비접촉 방식으로 이루어지며, 이때 반송 주파수는 115kHz 내지 130kHz 범위에 있다.
쌍극자 자석은 페라이트 분말/고무의 자화 혼합물로 구성된다. 200mT 미만인 경우, 쌍극자 자석의 잔류 자기는 상대적으로 약하다. 이렇게 약한 잔류 자기는 외부 자기장에 의해 쉽게 교란되고, 그 결과 회전각의 결정을 왜곡할 수 있다.
유도 결합을 얻기 위해, 2차 코일은 철 분말(iron powder)/수지 혼합물을 포함한다. 철 분말/수지 혼합물은 빠르게 혼합될 수 있고, 이 혼합물이 신속하게 경화하는 스패튤라(spatula)를 사용하여 굴곡된 형상으로 로터 유닛에 쉽게 적용될 수 있다. 특히, 상이한 곡률 반경을 갖는 로터 유닛에 대해 동일한 철 분말/수지 혼합물이 사용될 수 있다. 따라서, 철 분말/수지 혼합물의 사용은 높은 가변성과 함께 비용-효율적인 생산으로 이어진다. 그러나, 새로 혼합된 철 분말/수지 혼합물은 철 분말/수지 혼합물이 경화된 후에도 지속되고 낮은 자기 투과율을 초래하는 공기 포함물(air inclusion)을 함유한다. 결과적으로, 1차 코일과 2차 코일 사이의 유도 결합은 효율이 낮다.
전술한 이유로, 1차 코일 및 2차 코일 뿐만 아니라 쌍극자 자석 및 자기장 센서는 서로 매우 근접하여 배열되어야 한다. 스테이터 유닛과 로터 유닛 사이의 반경방향 공극은 폭이 1.0mm에 불과하고, ±0.5mm의 반경방향 공극에 대한 엄격한 공차 범위를 준수해야 한다. 이처럼 반경방향 공극에 대한 좁은 공차 범위를 준수하기 위해, 로터 유닛은 DIN ISO 1940-1에 따라 G2.5의 균형 품질 등급으로 제조되지만, 이는 키토크의 생산을 복잡하고 비싸게 만든다.
많은 경우에, 로터 유닛이 회전 부품에 부착된 후에는, 자기장 센서를 쌍극자 자석에 매우 근접시켜 배열하기 위해 스테이터 유닛을 로터 유닛에 인접하여 장착하기 위한 회전 부품 근처의 공간이 충분하지 않다. 그러나, 자기장 센서와 쌍극자 자석 사이의 거리가 멀수록, 자기장 센서에 의한 쌍극자 자석의 자기장 측정의 오류가 발생하기 쉬우므로 회전각의 결정이 왜곡될 수 있다.
본 발명의 첫 번째 목적은, 로터 유닛 및 스테이터 유닛을 포함하고, 로터 유닛 및 스테이터 유닛이 회전 축선에 대해 반경방향 공극만큼 서로 이격되고, 공극이 키토크에 따른 종래 기술로부터 알려진 것보다 넓으며, 공극이 키토크에 따른 종래 기술보다 폭에 대한 더 넓은 공차 범위를 갖는 토크 및 회전각 검출 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 두 번째 목적은, 회전각의 검출이 외부 자기장에 의해 쉽게 교란되지 않는 토크 및 회전각 검출 시스템을 제안하는 것이다.
또한, 본 발명의 세 번째 목적은, 키토크에 따른 종래 기술에서보다 제조에 비용이 덜 소요되는 토크 및 회전각 검출 시스템을 모색하는 것이다.
마지막으로, 본 발명의 네 번째 목적은, 자기장 센서를 쌍극자 자석에 매우 근접시켜 배열하기 위해, 스테이터 유닛이 로터 유닛 근처에 쉽고 신속하게 장착될 수 있는 토크 및 회전각 검출 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적들 중 적어도 하나는 독립항에 개시된 특징들에 의해 달성되었다.
본 발명은, 회전 축선을 중심으로 회전할 수 있는 로터 유닛을 포함하고; 고정 방식으로 배열되고, 회전 축선에 대해 반경방향인 공극만큼 로터 유닛으로부터 이격되는 스테이터 유닛을 포함하며; 로터 유닛은 로터 유닛에 작용하는 토크를 검출하는 스트레인 게이지를 포함하고; 로터 유닛은 서로 이격되어 배열되는 복수의 쌍극자 자석을 포함하고; 스테이터 유닛은 로터 유닛의 회전 동안 쌍극자 자석의 자기장을 측정하는 자기장 센서를 포함하고; 스테이터 유닛은 1차 코일을 포함하고, 로터 유닛은 2차 코일을 포함하고; 1차 코일의 1차 전압이 2차 코일의 2차 전압을 발생시키며, 쌍극자 자석 각각은 1,000mT 이상, 바람직하게는 1,400mT 이상인 잔류 자기를 가지며; 2차 코일은 복수의 페라이트 요소를 포함하는 토크 및 회전각 검출 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따라, 로터 어셈블리의 쌍극자 자석은 강한 잔류 자기를 갖는다. 본 발명에 따른 쌍극자 자석의 잔류 자기는 키토크에 따른 쌍극자 자석의 자화 페라이트 분말/고무 혼합물의 잔류 자기에 비해 적어도 5배 높다. 스테이터 유닛의 자기장 센서에 의한 쌍극자 자석의 자기장 측정을 더 먼 거리에서 수행할 수 있는 것은 강한 잔류 자기에 기인한다. 또한, 잔류 자기가 이처럼 강하기 때문에, 외부 자기장에 의해 쉽게 교란되지 않는다.
페라이트 요소는 고압에서 균일한 펠릿으로 압착된 매우 순수한 철-산소 화합물로 구성된다. 따라서, 페라이트 요소는 자성체를 많이 함유한 것이 특징이며, 치밀화되어 있다. 이것이 페라이트 요소의 투자율이 높은 이유이다. 또한, 페라이트 요소는 키토크에 따른 철 분말/수지 혼합물에 비해 1차 코일과 2차 코일 간의 유도 결합 효율이 향상된다. 효율 향상으로 인해, 더 먼 거리에 걸쳐 유도 결합이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 시스템의 2차 코일에 있어서 페라이트 요소와 강한 잔류 자기를 갖는 쌍극자 자석의 조합은 로터 유닛과 스테이터 유닛 사이의 반경방향 공극을 증가시킬 수 있고, 또한 반경방향 공극의 허용 가능한 폭에 대한 공차 범위를 증가시킬 수 있는 시너지 효과를 갖는다.
또한, 페라이트 요소는 구입 비용이 저렴하여 시스템의 제조가 비용 효율적이게 된다.
토크 및 회전각 검출 시스템의 바람직한 실시예의 드래프트가 종속항에 제공된다.
시스템의 바람직한 실시예에서, 반경방향 공극의 폭은 2.0mm 이상이고, 이때 반경방향 공극에 대한 공차 범위는 ±1.5mm이다.
여기서, 반경방향 공극은 키토크에 따른 종래 기술의 토크 및 회전각 감지 시스템에 비해, 크기가 적어도 2배이고 허용 가능한 반경방향 공극 공차 범위는 심지어 3배나 크다.
시스템의 바람직한 실시예에서, 로터 유닛은 로터 본체 및 복수의 막힌 구멍을 포함하고, 막힌 구멍은 로터 본체의 외측에 제공되며; 페라이트 요소가 막힌 구멍에 고정된다.
페라이트 요소의 막힌 구멍에의 이러한 고정은 수행하기 용이하여 비용 효율적인 시스템의 제조를 가능하게 한다.
시스템의 바람직한 실시예에서, 페라이트 요소의 막힌 구멍에의 고정은 형상-고정 연결(form-locking connection)에 의해 달성된다.
시스템의 바람직한 실시예에서, 각각의 막힌 구멍은 내부 공간을 포함하고, 내부 공간은 적어도 하나의 내측 표면을 포함하고; 각각의 페라이트 요소는 적어도 하나의 외측 표면을 포함하고; 내측 표면 및 외측 표면은 크기가 서로 정합하도록 기계가공되고, 내측 표면 및 외측 표면의 기계적 접촉에 의해 형상-고정 연결이 형성된다.
형상-고정 연결은 페라이트 요소가 20000min-1 이상의 높은 원심력하에서도 로터 본체로부터 분리되지 않도록 보장한다. 이러한 형상-고정 연결은 수행하기 용이하여 비용 효율적인 시스템의 제조를 가능하게 한다.
시스템의 바람직한 실시예에서, 로터 유닛은 코일 권선부를 포함하고, 코일 권선부는 페라이트 요소의 외측에 반경방향으로 부착된다.
이렇게 코일 권선부가 페라이트 요소의 외측에 반경방향으로 부착되는 것 역시 수행하기 용이하여 비용 효율적인 시스템의 제조를 가능하게 한다.
시스템의 바람직한 실시예에서, 쌍극자 자석은 네오디뮴-철-붕소(neodymium-iron-boron)로 제조된다.
네오디뮴-철-붕소로 제조된 쌍극자 자석은 구입 비용이 저렴하여 시스템의 제조 비용도 효율적이게 된다.
시스템의 바람직한 실시예에서, 로터 유닛은 로터 본체 및 그루브를 포함하고, 그루브는 로터 본체의 외측에 반경방향으로 제공되고; 쌍극자 자석은 그루브 내에 고정된다.
이러한 그루브는 로터 본체에서 쉽게 제조된다. 이러한 방식에 있어서, 그루브에 고정된 쌍극자 자석은, 간단한 설계의 로터 커버에 의해 쌍극자 자석 및 코일 권선부를 덮을 수 있도록, 회전 축선으로부터 코일 권선부와 실질적으로 동일한 반경방향 거리에 배열된다. 따라서, 그루브는 시스템의 제조 비용의 효율화에 기여한다.
시스템의 바람직한 실시예에서, 로터 유닛은 로터 커버를 포함하고, 로터 커버는 로터 유닛의 외측에 반경방향으로 부착된다.
시스템의 바람직한 실시예에서, 로터 커버는 강제-고정 연결(force-locking connection)에 의해 로터 유닛에 부착된다.
시스템의 바람직한 실시예에서, 로터 커버는 로터 유닛 상에 클램핑된다.
시스템의 바람직한 실시예에서, 로터 유닛은 코일 권선부를 포함하고; 로터 유닛 상에 클램핑된 로터 커버는 코일 권선부 및 쌍극자 자석을 완전히 덮는다.
이러한 로터 커버는 기계적 손상으로부터 쌍극자 자석 및 코일 권선부를 보호한다. 로터 커버는 로터 유닛에 쉽게 부착될 수 있으며, 시스템의 제조 비용을 효율화한다.
시스템의 바람직한 실시예에서, 스테이터 유닛은 로터 유닛에 대해 회전 축선을 따라 ±1.0mm의 범위의 축선방향 오프셋 공차를 두고 배열된다.
축선방향 오프셋 공차는 스테이터 유닛이 로터 유닛에 인접하여 장착될 때의 축선방향 자유도에 대응한다. 자기장 센서에 의한 쌍극자 자석의 자기장 측정은 이러한 축선방향 오프셋 공차를 준수할 때 왜곡되지 않는다. 이러한 축선방향 자유도로 인해, 스테이터 유닛은 용이하고 신속한 방식으로 로터 유닛에 인접하여 장착될 수 있다.
시스템의 바람직한 실시예에서, 자기장 센서는 측정된 각각의 자기장에 대한 자기장 신호를 생성하고; 스테이터 유닛은 평가 유닛을 포함하고, 평가 유닛은 평가 프로그램을 실행하고; 자기장 센서는 자기장 신호를 평가 유닛으로 전송하고; 평가 프로그램은 로터 유닛이 이동한 회전각을 결정하기 위해, 자기장 신호를 계수하고 이에 쌍극자 자석이 각각으로부터 떨어져 있는 거리를 곱한다.
시스템의 바람직한 실시예에서, 스트레인 게이지는 검출된 토크에 대한 측정 신호를 생성하고; 로터 유닛은 로터 안테나를 포함하고; 스트레인 게이지는 측정 신호를 로터 안테나로 전송하고; 스테이터 유닛은 스테이터 안테나 및 평가 유닛을 포함하고, 평가 유닛은 평가 프로그램을 실행하고; 로터 안테나는 측정 신호를 스테이터 안테나로 보내고; 스테이터 안테나는 로터 안테나로부터 수신된 측정 신호를 평가 유닛으로 전송하고; 평가 프로그램은 전송된 측정 신호로부터 로터 유닛에 작용하는 토크를 결정한다.
이하에서, 본 발명은 도면을 참조하여 예시적인 방식으로 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 로터 유닛(10) 및 스테이터 유닛(20)을 포함하는 토크 및 회전각 검출 시스템(1)의 일부의 모습을 도시하고;
도 2는 도 1에 따른 시스템(1)의 일부의 선 C-C를 따라 자른 모습을 도시하고;
도 3은 도 2에 따른 시스템(1)의 일부의 확대 단면도를 도시하고;
도 4는 도 1 및 도 2에 따른 로터 유닛(10)의 일부의 확대도를 도시하고;
도 5는 도 3에 따른 로터 유닛(10)의 일부의 선 D-D에 따른 확대 단면도를 도시한다.
도 1은 토크 및 회전각 검출 시스템(1)의 일부의 모습을 도시한다. 도 2는 선 C-C를 따라 자른 도 1에 따른 모습을 나타낸다. 도 3은 도 2에 도시된 바와 같은 시스템(1)의 일부의 확대 단면도이다. 도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 로터 유닛(10)의 일부의 확대도이다. 또한, 도 5는 도 3에 따른 로터 유닛(10)의 일부의 선 D-D에 따른 확대 단면도이다. 도면에서, 동일한 참조 부호는 동일한 객체를 가리킨다.
시스템(1)은 회전 축선(X), 수평 축선(Y) 및 수직 축선(Z)을 포함하는 3차원 좌표계로 표시된다. 3개의 축선은 서로 수직이다.
시스템(1)은 로터 유닛(10) 및 스테이터 유닛(20)을 포함한다.
로터 유닛(10)은 중공-원통 형상인 로터 본체(100)를 포함한다. 로터 본체(100)는 강, 스테인리스강 등과 같은 기계적으로 저항성을 갖는 물질로 제조된다. 로터 유닛(10)은 나사 연결에 의해 임의의 회전 부품에 부착될 수 있는 플랜지로서 설계된다. 로터 유닛(10)은 20000min-1 이상의 회전 속도로 구성된다.
스테이터 유닛(20)은 고정적인 방식으로 배치된다. 스테이터 유닛은 회전 축선(X)에 대해 반경방향 공극(30)만큼 로터 유닛(10)으로부터 이격된다. 반경방향 공극(30)의 폭은 2.0mm 이상이고, 반경방향 공극에 대한 공차(31)는 ±1.5mm 범위 내에 있다. 이와 무관하게, 로터 유닛(10)에 대한 회전 축선(X)을 따른 오프셋에 대해 축선방향 오프셋 공차(32)가 존재한다. 축선방향 오프셋 공차(32)는 ±1.0mm 범위에 있다.
로터 유닛(10)은 스트레인 게이지(15)를 포함한다. 스트레인 게이지(15)는 측정 그리드 및 브리지 회로를 포함한다. 측정 그리드에 전압이 인가될 때, 측정 그리드는 전기 저항을 나타낸다. 전기 저항은 측정 그리드의 확장 또는 수축에 따라 변화되고, 전기 저항에 있어서의 변화는 브리지 회로에서 측정 신호를 생성한다. 스트레인 게이지(15)는 최대 35kSample의 샘플링 속도로 초당 최대 10,000개의 측정 신호를 생성하는 동적 방식으로 토크를 검출한다. 측정 신호는 24비트의 해상도를 갖는다. 스트레인 게이지(15)는 0.05% 이하의 정밀도로 100Nm 이상의 최대 공칭 토크를 검출한다.
로터 유닛(10)은 로터 안테나(13)를 더 포함하고, 스테이터 유닛(20)은 스테이터 안테나(23)를 포함한다. 스트레인 게이지(15) 및 로터 안테나(13)는 전기 연결선에 의해 서로 전기적으로 접속된다. 스트레인 게이지(15)는 전기 연결선을 통해 측정 신호를 로터 안테나(13)로 전송한다. 측정 신호는 비접촉 방식으로 로터 유닛(10)으로부터 스테이터 유닛(20)으로 전송된다. 이를 위해, 로터 안테나(13)는 측정 신호를 스테이터 안테나(23)로 보낸다. 바람직하게는, 산업 과학 및 의료용(ISM) 대역에 있어서 13.56MHz의 전송 주파수가 사용되며, 최대 1.4Mbitsec-1의 데이터 전송 속도가 달성된다.
로터 유닛(10)은 2차 코일(11)을 포함하고, 스테이터 유닛(20)은 1차 코일(21)을 포함한다. 1차 코일(21) 및 2차 코일(11)은 서로 유도 결합된다. 1차 코일(21)의 1차 전압이 2차 코일(11)의 2차 전압을 발생시킨다. 유도 결합에 의해, 스테이터 유닛(20)은 로터 유닛(10)에 전력을 공급한다. 1차 코일(21)과 2차 코일(11) 사이의 유도 결합은 비접촉으로 이루어지고, ISM 대역에서 115kHz 내지 130kHz 범위의 반송 주파수로 발생한다.
2차 코일(11) 및 스트레인 게이지(15)는 전기 연결선에 의해 서로 전기적으로 접속된다. 2차 코일(11)은 전기 연결선을 통해 스트레인 게이지(15)에 전력을 공급한다. 2차 코일(11) 및 로터 안테나(13)는 전기 연결선에 의해 서로 전기적으로 접속된다. 2차 코일(11)은 전기 연결선을 통해 로터 안테나(13)에 전력을 공급한다.
로터 유닛(10)은 복수의 막힌 구멍(12)을 포함한다. 막힌 구멍(12)은 로터 본체(100)의 외측에 반경방향으로 배치된다. 막힌 구멍(12)은 회전 축선(X)으로부터 일정한 반경방향 거리에서 둘레에 배열된다. 바람직하게는, 각각의 막힌 구멍(12)은 막힌 구멍 개구(120)를 포함한다. 막힌 구멍 개구(120)는 회전 축선(X)에 평행하게 로터 본체(100)에 배열된다. 각각의 막힌 구멍(12)은 막힌 구멍 개구(120) 및 내부 공간(121)을 포함한다. 막힌 구멍 개구(120)는 회전 축선(X)에 평행하게 로터 본체(100)에 배열된다. 내부 공간(121)은 막힌 구멍 개구(120)를 통해 로터 유닛(10)의 외측으로부터 접근할 수 있다.
2차 코일(11)은 복수의 페라이트 요소(110)를 포함한다. 페라이트 요소(110)는 망간-아연 페라이트, 니켈-아연 페라이트 등이다. 바람직하게는, 페라이트 요소(110)는 3C90 물질로 제조된다. 3C90 물질 등급은 2,000 이상, 바람직하게는 2,300 이상의 초기 자기 투과율을 나타낸다. 초기 자기 투과율은 10kHz 이하의 저전류 주파수 및 0.25mT 미만의 저피크 자속으로, 25℃의 실온에서 표준 DIN IEC 60401에 따라 결정된다. 초기 자기 투과율은 ±20%의 산란(scatter)을 나타낸다. 115kHz 내지 130kHz 범위의 반송 주파수의 경우, 3C90 물질은 165kWm-3 내지 205kWm-3 범위의 낮은 와전류 손실을 나타낸다. 와전류 손실은 25℃의 실온 및 100mT의 피크 자속에서 결정된다. 바람직하게는, 페라이트 요소(110)는 원통 형상이다. 각각의 페라이트 요소(110)가 2.0mm의 직경 및 7.5mm의 길이를 갖는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 2차 코일(11)은 100개의 페라이트 요소(110)를 포함한다. 바람직하게는, 페라이트 요소(110)의 서로 간의 거리는 3.7mm이다.
페라이트 요소(110)는 서로로부터 일정한 거리에서 막힌 구멍(12)의 둘레 상에 배열된다. 페라이트 요소(110)는 막힌 구멍(12)에 고정된다. 하나의 페라이트 요소(110)가 각각의 막힌 구멍(12)에 고정된다. 페라이트 요소(110)는 막힌 구멍 개구(120)를 통해 내부 공간(121)에 삽입된다. 페라이트 요소(110)는 결합 등과 같은 형상-고정 연결에 의해, 또는 접착 접합 등과 같은 물질 접합에 의해, 또는 클램핑 등과 같은 강제-고정 연결에 의해, 또는 형상-고정 연결, 물질 접합 및 강제-고정 연결의 임의의 조합에 의해 막힌 구멍(12)에 고정된다. 바람직하게는, 내부 공간(121)은 적어도 하나의 내측 표면(1001)을 포함하고, 페라이트 요소(110)는 적어도 하나의 외측 표면(1101)을 포함한다. 내측 표면(1001) 및 외측 표면(1101)은 서로 정합하도록 기계가공되고, 내측 표면(1001) 및 외측 표면(1101)의 기계적 접촉에 의해 형상-고정 연결이 형성된다. 따라서, 로터 유닛(10)이 20000min-1 이상의 회전 속도로 회전하고, 원심력이 페라이트 요소(110)에 작용할 때, 형상-고정 연결에 의해 페라이트 요소(110)가 로터 본체(100)로부터 분리되는 것이 방지되기 때문에, 페라이트 요소(110)는 로터 본체(100)로부터 분리되지 않을 것이다.
로터 유닛(10)은 코일 권선부(111)를 포함한다. 코일 권선부(111)는 페라이트 요소(110)의 외측에 반경방향으로 부착된다. 코일 권선부(111)는 회전 축선(X)으로부터 일정한 반경방향 거리에서 둘레 상에 배열된다. 코일 권선부(111)는 구리 등과 같은 전기 전도성 물질로 제조되는 와이어로 구성된다. 유리하게는, 와이어는 직경이 0.4mm이다.
로터 유닛(10)은 그루브(16)를 포함한다. 그루브(16)는 로터 본체(100)의 외측에 반경방향으로 제공된다. 그루브(16)는 회전 축선(X)으로부터 일정한 반경방향 거리에서 둘레 상에 배열된다.
로터 유닛(10)은 1,000mT 이상, 바람직하게는 1,400mT 이상의 잔류 자기를 갖는 복수의 쌍극자 자석(14)을 포함한다. 바람직하게는, 쌍극자 자석(14)은 네오디뮴-철-붕소로 제조된다. 바람직하게는, 쌍극자 자석(14)은 그루브(16)에 고정된다. 쌍극자 자석(14)은 접착 접합 등과 같은 물질 접합에 의해, 또는 클램핑 등과 같은 강제-고정 연결, 또는 물질 접합 및 강제-고정 연결의 조합에 의해 고정된다. 쌍극자 자석(14)은 그루브(16)의 둘레 상에서 서로로부터 일정한 거리에 배열된다. 바람직하게는, 로터 유닛(10)은 72개의 쌍극자 자석(14)을 포함한다. 바람직하게는, 쌍극자 자석(14) 사이의 거리는 5.0mm이다. 쌍극자 자석(14)이 입방 형상인 것이 바람직하다. 바람직하게는, 각각의 쌍극자 자석(14)의 크기는 3.0x3.0x4.0mm3이다. 따라서, 각각의 쌍극자 자석(14)은 회전 축선(X)을 따라 3mm의 축선방향 길이를 갖는다. 이러한 3mm의 축선방향 길이는 로터 유닛(10)에 인접하여 스테이터 유닛(20)을 장착할 때 축선방향 자유도를 허용한다. 그 이유는 스테이터 유닛(20)의 자기장 센서(24)를 쌍극자 자석(14)에 매우 근접하게 장착할 필요가 없고, 오히려 자기장 센서(24)에 의한 쌍극자 자석(14)의 자기장 측정에 영향을 미치지 않으면서, ±1.0mm 범위의 축선방향 오프셋 공차(32)를 갖고 장착할 수 있기 때문이다.
로터 유닛(10)은 로터 커버(17)를 포함한다. 로터 커버(17)는 로터 유닛(10)의 외측에 반경방향으로 부착된다. 로터 커버(17)는 클램핑 등과 같은 강제-고정 연결에 의해 로터 유닛(10)에 부착된다. 로터 커버(17)는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP), 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP) 등과 같은 인장 강도 및 강성이 높은 물질로 제조된다. 로터 커버(17)는 회전 축선(X)으로부터 일정한 반경방향 거리에서 둘레 상에 배열된다. 로터 커버(17)는 리본 형상이다. 유리하게는, 로터 커버(17)는 탄성 변형에 의해 로터 유닛(10) 상에 클램핑될 수 있다. 유리하게는, 로터 유닛(10) 상에 클램핑된 로터 커버(17)는 코일 권선부(111) 및 쌍극자 자석(14)을 완전히 덮는다. 유리하게는, 쌍극자 자석(14)의 반경방향 외측 단부는 코일 권선부(111)의 반경방향 외측 단부와 회전 축선(X)으로부터 실질적으로 동일한 반경방향 거리에 위치된다. 따라서, 로터 유닛(10) 상에 클램핑된 로터 커버(17)는 코일 권선부(111)와 반경방향으로 외측에서 직접적인 기계적 표면 접촉을 이루고, 쌍극자 자석(14)과 직접적인 기계적 표면 접촉을 이룬다. 로터 커버(17)는 기계적 손상으로부터 코일 권선부(111) 및 쌍극자 자석(14)을 보호한다.
스테이터 유닛(20)은 로터 유닛(10)의 회전 동안 쌍극자 자석(14)의 자기장을 측정하는 자기장 센서(24)를 포함한다. 자기장 센서(24)는 홀 효과 센서, 자기-저항 센서 등이다. 측정된 각각의 자기장에 대해, 자기장 센서(24)는 자기장 신호를 생성한다. 자기장 신호는 바람직하게는 디지털 신호이다.
스테이터 유닛(20)은 평가 유닛(25)을 포함한다. 평가 유닛(25)은 적어도 하나의 데이터 프로세서 및 적어도 하나의 데이터 메모리를 포함하는 전기 회로이다. 평가 유닛(25)은 적어도 하나의 평가 프로그램을 포함한다. 평가 프로그램은 데이터 메모리에 저장되고, 데이터 메모리로부터 데이터 프로세서로 로딩될 수 있다. 평가 유닛(25)은 데이터 프로세서에 로딩된 평가 프로그램을 실행시킨다.
스테이터 안테나(23) 및 평가 유닛(25)은 전기 연결선에 의해 서로에 전기적으로 접속된다. 스테이터 안테나(23)는 로터 안테나(13)로부터 수신된 측정 신호를 전기 연결선을 통해 평가 유닛(25)으로 전송한다. 데이터 프로세서에 로딩된 평가 프로그램은 전송된 측정 신호로부터 로터 유닛(10)에 작용하는 토크를 계산한다.
자기장 센서(24) 및 평가 유닛(25)은 전기 연결선에 의해 서로에 전기적으로 접속된다. 자기장 센서(24)는 자기장 신호를 전기 연결선을 통해 평가 유닛(25)으로 전송한다. 데이터 프로세서에 로딩된 평가 프로그램은 전송된 자기장 신호를 계수한다. 쌍극자 자석(14) 사이의 거리의 양이 데이터 메모리에 저장된다. 데이터 프로세서에 로딩된 평가 프로그램은 쌍극자 자석(14)의 서로로부터의 거리의 양을 데이터 메모리로부터 판독하고, 이를 계수된 자기장 신호의 수와 곱하여 로터 유닛(10)에 의해 이동된 회전각을 결정한다.
시스템(1)은 다양한 방식에 있어서 산업 측정 기술에 유용하다. 따라서, 시스템(1)은 예를 들어, 테스트 스탠드 기술에서 토크 및 회전각을 측정하는데 사용될 수 있다. 그러나, 시스템(1)은 공작물의 칩 제거 가공에서도 회전 부품의 토크 및 회전각을 측정하기 위해 사용될 수 있다.
1 시스템
10 로터 유닛
11 2차 코일
100 로터 본체
1001 내측 표면
110 페라이트 요소
111 코일 권선부
1101 외측 표면
12 막힌 구멍
120 막힌 구멍 개구
121 내부 공간
13 로터 안테나
14 쌍극자 자석
15 스트레인 게이지
16 그루브
17 로터 커버
20 스테이터 유닛
21 1차 코일
22 스테이터 커버
23 스테이터 안테나
24 자기장 센서
25 평가 유닛
30 반경방향 공극
31 반경방향 공극 공차
32 축선방향 오프셋 공차
c-c 섹션
d-d 섹션
x 회전 축선
y 수평 축선
z 수직 축선

Claims (15)

  1. 회전 축선(X)을 중심으로 회전할 수 있는 로터 유닛(10)을 포함하고; 고정 방식으로 배열되고, 상기 회전 축선(X)에 대해 반경방향으로 배열되는 공극(30)만큼 상기 로터 유닛(10)으로부터 이격되는 스테이터 유닛(20)을 포함하며; 상기 로터 유닛(10)은 상기 로터 유닛(10)에 작용하는 토크를 검출하는 스트레인 게이지(15)를 포함하고; 상기 로터 유닛(10)은 서로 이격되어 배열되는 복수의 쌍극자 자석(14)을 포함하고; 상기 스테이터 유닛(20)은 상기 로터 유닛(10)의 회전 동안 상기 쌍극자 자석(14)의 자기장을 측정하는 자기장 센서(24)를 포함하고; 상기 스테이터 유닛(20)은 1차 코일(21)을 포함하고, 상기 로터 유닛(10)은 2차 코일(11)을 포함하고; 상기 1차 코일(21)의 1차 전압이 상기 2차 코일(11)의 2차 전압을 발생시키는 토크 및 회전각 검출 시스템(1)에 있어서, 상기 쌍극자 자석(14) 각각은 1,000mT 이상, 바람직하게는 1,400mT 이상인 잔류 자기를 가지며; 상기 2차 코일(11)은 복수의 페라이트 요소(110)를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 및 회전각 검출 시스템(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 반경방향 공극(30)의 폭이 2.0mm 이상이고, 반경방향 공극 공차(31)가 ±1.5mm 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 토크 및 회전각 검출 시스템(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 로터 유닛(10)은 로터 본체(100) 및 복수의 막힌 구멍(12)을 포함하고, 상기 막힌 구멍(12)은 상기 로터 본체(100)의 외측에 제공되며; 상기 페라이트 요소(110)가 상기 막힌 구멍(12)에 고정되는 것을 특징으로 하는 토크 및 회전각 검출 시스템(1).
  4. 제3항에 있어서, 상기 페라이트 요소(110)의 막힌 구멍(blind holes;12)에의 고정은 형상-고정 연결(form-locking connection)에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 토크 및 회전각 검출 시스템(1).
  5. 제4항에 있어서, 각각의 막힌 구멍(12)은 내부 공간(121)을 포함하고, 상기 내부 공간(121)은 적어도 하나의 내측 표면(1001)을 포함하고; 각각의 페라이트 요소(110)는 적어도 하나의 외측 표면(1101)을 포함하고; 상기 내측 표면(1001) 및 상기 외측 표면(1101)은 크기가 서로 정합하도록 기계가공되고, 상기 내측 표면(1001) 및 상기 외측 표면(1101)의 기계적 접촉에 의해 형상-고정 연결이 형성되는 것을 특징으로 하는 토크 및 회전각 검출 시스템(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터 유닛(10)은 코일 권선부(111)를 포함하고, 상기 코일 권선부(111)는 상기 페라이트 요소(110)의 외측에 반경방향으로 부착되는 것을 특징으로 하는 토크 및 회전각 검출 시스템(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 쌍극자 자석(14)은 네오디뮴-철-붕소(neodymium-iron-boron)로 제조되는 것을 특징으로 하는 토크 및 회전각 검출 시스템(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터 유닛(10)은 로터 본체(100) 및 그루브(16)를 포함하고, 상기 그루브(16)는 상기 로터 본체(100)의 외측에 반경방향으로 제공되고; 상기 쌍극자 자석(14)은 상기 그루브(16) 내에 고정되는 것을 특징으로 하는 토크 및 회전각 검출 시스템(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터 유닛(10)은 로터 커버(17)를 포함하고, 상기 로터 커버(17)는 상기 로터 유닛(10)의 외측에 반경방향으로 부착되는 것을 특징으로 하는 토크 및 회전각 검출 시스템(1).
  10. 제9항에 있어서, 상기 로터 커버(17)는 강제-고정 연결(force-locking connection)에 의해 상기 로터 유닛(10)에 고정되는 것을 특징으로 하는 토크 및 회전각 검출 시스템(1).
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 로터 커버(17)는 상기 로터 유닛(10) 상에 클램핑되는 것을 특징으로 하는 토크 및 회전각 검출 시스템(1).
  12. 제11항에 있어서, 상기 로터 유닛(10)은 코일 권선부(111)를 포함하고; 상기 로터 유닛(10) 상에 클램핑된 로터 커버(17)는 상기 코일 권선부(111) 및 상기 쌍극자 자석(14)을 완전히 덮는 것을 특징으로 하는 토크 및 회전각 검출 시스템(1).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스테이터 유닛(20)은 상기 로터 유닛(10)에 대해 상기 회전 축선(X)을 따라 ±1.0mm의 범위의 축선방향 오프셋 공차(32)를 두고 배열되는 것을 특징으로 하는 토크 및 회전각 검출 시스템(1).
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기장 센서(24)는 측정된 각각의 자기장에 대한 자기장 신호를 생성하고; 상기 스테이터 유닛(20)은 평가 유닛(25)을 포함하고, 상기 평가 유닛(25)은 평가 프로그램을 실행하고; 상기 자기장 센서(24)는 상기 자기장 신호를 상기 평가 유닛(25)으로 전송하고; 상기 평가 프로그램은 상기 로터 유닛(10)이 이동한 회전각을 결정하기 위해, 자기장 신호를 계수하고, 이를 상기 쌍극자 자석(14) 사이의 거리와 곱하는 것을 특징으로 하는 토크 및 회전각 검출 시스템(1).
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스트레인 게이지(15)는 검출된 토크에 대한 측정 신호를 생성하고; 상기 로터 유닛(10)은 로터 안테나(13)를 포함하고; 상기 스트레인 게이지(15)는 상기 측정 신호를 상기 로터 안테나(13)로 전송하고; 상기 스테이터 유닛(20)은 스테이터 안테나(23) 및 평가 유닛(25)을 포함하고, 상기 평가 유닛(25)은 평가 프로그램을 실행하고; 상기 로터 안테나(13)는 상기 측정 신호를 상기 스테이터 안테나(23)로 보내고; 상기 스테이터 안테나(23)는 상기 로터 안테나(13)로부터 수신된 측정 신호를 상기 평가 유닛(25)으로 전송하고; 상기 평가 프로그램은 전송된 상기 측정 신호로부터 상기 로터 유닛(10)에 작용하는 토크를 결정하는 것을 특징으로 하는 토크 및 회전각 검출 시스템(1).
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