WO1993017312A1 - Messeinrichtung zur berührungsfreien erfassung eines drehwinkels und/oder eines drehmoments - Google Patents

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WO1993017312A1
WO1993017312A1 PCT/DE1993/000093 DE9300093W WO9317312A1 WO 1993017312 A1 WO1993017312 A1 WO 1993017312A1 DE 9300093 W DE9300093 W DE 9300093W WO 9317312 A1 WO9317312 A1 WO 9317312A1
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measuring device
inner sleeve
highly permeable
slots
disc
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PCT/DE1993/000093
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Hansjoerg Hachtel
Joachim Graf
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G01D5/2216—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature differentially influencing two coils by influencing the self-induction of the coils by a movable ferromagnetic element, e.g. a core
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    • 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

  • Measuring device for the contact-free detection of an angle of rotation and / or a torque
  • the invention is based on a measuring device for contactless detection of an angle of rotation and / or torque on a stationary or rotating shaft according to the preamble of claim 1 or 2.
  • a measuring device known for example from DE-OS 33 07 105.5 there are two sleeves arranged in one another and are rotated relative to one another in accordance with the rotary movement to be determined.
  • the sleeves In their circumferential surfaces, the sleeves have an equal number of a plurality of segment-like lateral surfaces which are parallel to the axis and which, viewed in the circumferential direction of the sleeves, alternately have high and low electrical conductivity.
  • the two sleeves are surrounded by a coaxial winding through which an alternating current flows, the impedance of which is changed when the sleeves move relative to one another and a measurement signal proportional to the rotary movement is thus generated.
  • the circumferentially measured width of the lateral surfaces of high conductivity to the width of the lateral surface with low conductivity is between 10: 1 and 5: 1.
  • the measurement signal thus obtained is not sufficiently precise and sensitive enough for special measurements.
  • the measuring principle used in the measuring device, the so-called eddy current measuring method is known for example from DE-OS 29 51 148.6.
  • a rotary movement is generated both with the aid of two disk-shaped bodies which are moved relative to one another and with a sleeve in which an induction body is inserted.
  • the bodies moved relative to one another are surrounded by a coil through which alternating current flows, the alternating magnetic field of which generates eddy currents from the areas made of electrically conductive material.
  • the ratio of the electrically conductive and electrically non-conductive surfaces to one another is changed.
  • the impedance of the coil is changed depending on the size of the eddy currents generated and thus on the size of the angle of rotation or torque to be determined. This change in impedance is detected as a measurement signal.
  • the measurement signal generated is too imprecise and insensitive, particularly for smaller angles of rotation.
  • the measuring device according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that the sensitivity and the accuracy of the measuring signal is improved compared to previously used measuring devices.
  • the transition from the electrically conductive to the electrically non-conductive material is better formed.
  • Highly permeable materials can be applied in a simple and inexpensive manner as strips or as a film to the inner wall of the inner slotted sleeve.
  • Amorphous metals also called metallic glasses
  • the slots of the rotating measuring sleeves cause measuring errors which are due to an inhomogeneous field line profile of the magnetic field of the coil through which alternating current flows (for example caused by coil Conclusions).
  • the metallic glass significantly reduces these errors, since the ratio of the useful signal to the interference signal improves significantly.
  • FIG. 1 shows a measuring device according to the invention for torque detection in its axial longitudinal section
  • FIG. 2 the inner of the two sleeves
  • FIG. 3 the outer of the two sleeves
  • FIG. 4 the carrier of two windings lying coaxially with these sleeves, likewise in longitudinal section
  • FIG 5 shows a modification of the exemplary embodiment in the form of a disc, likewise in longitudinal section
  • FIG. 6 shows one of the two discs
  • FIGS. 7 and 8 show modifications of the exemplary embodiments.
  • the measuring device shown is used to detect the angle of rotation or the torque when a torsion bar 1 between the two shaft ends 2 and 3 is exposed to a torque.
  • the right stub shaft 3 is rotated with respect to the left stub shaft 2 by a small angle of rotation.
  • a clockwise torque Md is introduced into the right stub shaft 3 via a square 4 and that a counter-torque, not shown, takes effect on the square 5, which is connected to the left stub shaft 2.
  • a counter-torque not shown
  • the measuring device has in a tubular housing 6 two sleeves concentric to the common longitudinal axis 7, namely an outer sleeve 8 and an inner sleeve 9 each made of approximately 1 mm thick, non-magnetic but electrically conductive material.
  • the outer sleeve 8 is rotatably arranged on the right stub shaft 3 with a spacer sleeve, not shown in detail, while the inner sleeve 9 is fastened on the left stub shaft 2 in the same way.
  • the outer sleeve 8 is shown in FIG. 3 in its cross-section, has a bore diameter B and has around its circumference, for example, eight evenly distributed longitudinal slots 11 parallel to the axis 7, which are milled or sawn into the sleeve wall and close to it reach to the two frontal edge zones 12 and 13. This creates a jacket surface 14 between each two slots 11, the electrical conductivity of which corresponds to that of the sleeve material, while the slots 11 alternating with these jacket surfaces in the circumferential direction form zones which have no electrical conductivity.
  • the circumferential surface of the inner sleeve 9 shown in FIG. 2, which has an outer diameter E, is divided in an analogous manner into eight interrelated zones 15, which coincide with the lateral surfaces 14 of the outer sleeve 8.
  • it is divided by eight rows of slots, each row of slots being formed from two slots 16 and 17 extending parallel to the axis 7.
  • the two slots 16 and 17 belonging to a pair of slots are offset from one another in the circumferential direction of the sleeve 9 by a distance v which corresponds approximately to the slot width, that is to say approximately one millimeter is.
  • Each of the two slots 16 and 17 has only about half the axial length as the associated slot 11 in the outer sleeve 8, the length of which is denoted by L in FIG.
  • a film 18 is applied to the inside of the inner sleeve 9. It is essential here that the slots 16, 17 on the inside of the inner sleeve 9, in particular towards the torsion bar 1, are covered. Therefore, it would also be conceivable to cover the slots 16, 17 individually with the aid of strips instead of a film 18.
  • the film 18 or the strips consist of a highly permeable material, for example Fe, Ni, Co-containing material. These materials preferably have a high electrical resistivity. As a result, the effect brought about by the slots 16, 17 can be enhanced.
  • Measuring signals with high accuracy and high sensitivity are achieved, which is necessary in particular at small angles of rotation, such as occur in particular when a torque Md is detected.
  • the use of metallic glasses, which are also called amorphous metals, has proven to be particularly advantageous for the foils 18 or for the strips.
  • amorphous metals from Vacuumschmelze GmbH, Hanau, DE, has proven to be favorable.
  • the amorphous metal available under the trademark Vitrovac 6025 generates measurement signals with particularly good sensitivity. It is an amorphous metal with the main component cobalt.
  • the use of the respective material must be matched to the frequency of the measuring device used for the detection of the measuring signal.
  • a cylindrical bobbin 19 made of insulating material which bears two single-layer windings 20 and 21 arranged at an axial distance from one another.
  • the width w of the windings 20 and 21 measured in the axial direction is only about 1/3 of the length of the slots 16 and 17, respectively, each of the two windings being arranged such that it covers the slots 16 and 17 in a narrow central region.
  • a differential measurement method can be used, because in a linear dependence on the magnitude of the applied torque Md, the two sleeves 8 and 9 rotate in such a way that one of the two offset slots 16 or 17 overlaps migrates out with the slot 11 of the outer sleeve, while the other of these shortened slots moves with increasing coverage under the associated outer slot.
  • the differential measurement method is not to be used, it would be sufficient to provide only one of the two coils 20 or 21 and to use an inner sleeve 9 with only one row of slots 16 or 17.
  • the two slots 16 and 11 or the slots 17 and 11, as mentioned above, are aligned with one another in such a way that they each overlap with areas of the same size.
  • a direction of rotation and a torque can be detected in both measuring directions.
  • the measuring device can work both on the inductive principle and / or on the eddy current principle, in both cases the coils 20, 21 from an alternating current flow through.
  • the two sleeves 8, 9 are rotated relative to one another or moved through a desired angular range.
  • the eddy current principle is explained below.
  • a magnetic alternating field is generated on the coils 20, 21, which causes eddy currents on the metallic surface of the two sleeves 8, 9. The larger the area of the two sleeves 8, 9 through which the magnetic field passes, the more eddy currents are generated.
  • the size of the eddy currents generated is also dependent on the material used for the two sleeves 8, 9 and the spacing of the coils 20, 21 from the facing surface of the two sleeves 8, 9.
  • Eddy currents change the coil alternating current resistance, which is used to obtain the measurement signal. Since the coil inductance is also reduced, this change in coil inductance can also be used to obtain the measurement signal (coil inductance evaluation method).
  • the offset arrangement of the two slots 16, 17 changes the surface of the two sleeves 8, 9 assigned to the respective coil 20 or 21 in opposite directions.
  • the surface of the two sleeves 8, 9 assigned to the coil 20 is increased, for example, by the same amount as it is reduced compared to the other coil 21.
  • the two coils 20, 21 are - in the case of the coil AC resistance evaluation method - connected in a Wheatstone half-bridge circuit and thus operate according to the above-mentioned differential measurement method. This compensates for the measuring errors occurring simultaneously in the two coils 20, 21 and acting in opposite directions, such as temperature fluctuations.
  • the inductive measuring method can also be used analogously. For this purpose, only the two sleeves 8, 9 on the surface facing the coils 20, 21 have to be made of ferromagnetic material.
  • the sleeves 8, 9 can be made of ferromagnetic material or have a ferromagnetic layer. While the coil inductance is reduced in the eddy current principle, it can increase in the inductive method depending on the ferromagnetic and electrically conductive properties of the material (ferromagnetic effect).
  • the measuring device could also be operated with the aid of two disks 32, 33.
  • a measuring device is shown in FIGS. 5 and 6, which at the same time does not work according to the differential measuring method and thus has only one coil 31.
  • the two disks 32, 33 are congruent with one another and have, for example, eight sector-shaped cutouts 34, 35.
  • the slots 34, 35 are evenly distributed in the circumferential direction and arranged congruently to one another.
  • the free end face of the one disk 32 is opposed by a coil 31 wound in one layer, which is arranged in a fixed manner a high-frequency alternating current flows through it.
  • An input torque Me is introduced at section 37 via a shaft 38 and at the end section 39 of shaft 39 as an output torque Ma.
  • the shaft 39 is reduced in diameter to a predetermined length so that it forms a torsion section 40.
  • the first disk 32 is located in the immediate vicinity of the torsion section 40 on the one section 37 of the shaft 38, for example with the aid of an L t, adhesive or Welding point 41 connected to the shaft 38.
  • the second disk 33 is arranged at a slight axial distance behind the first disk 32 and is seated on the end face of a tube 42 which is connected in a rotationally fixed manner to the end section 39 of the shaft 38.
  • a film 18 is again arranged on the slots 34 on the end face of the second disk 33 facing away from the coil 31.
  • the materials used both for the disks 32, 33 and for the film 18 and the mode of operation of the measuring device correspond to those of the above described measuring device.
  • an inner sleeve without slots is used.
  • the inner sleeve 9a consists of electrically conductive material, for example Al, non-ferrous metals, on which strips 18a made of highly permeable materials are applied, as in the previous embodiments 1 to 6.
  • a sleeve is shown in FIGS. 7 and 8, which does not operate according to the differential principle as the previous exemplary embodiments.
  • the inner sleeve 9b is made of a highly permeable material, the surface of the inner sleeve 9b made of this material or the entire sleeve 9b made of this material can exist. Strips 30 made of electrically conductive material are applied here for generating the measurement signal. If, for example, a band of highly permeable material is applied to the inner sleeve 9b, the strips 30 can be punched out of this band if the inner sleeve 9b itself consists of electrically conductive material.
  • the outer sleeve 8 and the function of the coils 20, 21 in turn correspond to those in the exemplary embodiments described so far.
  • the explanations according to FIG. 7 and FIG. 8 can also be applied analogously to the disk-shaped solution according to FIGS. 5 and 6.

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Abstract

Bei einer Meßeinrichtung zur berührungsfreien Erfassung eines Drehwinkels und/oder Drehmoments an einer stehenden oder rotierenden Welle (1) sind zwei zueinander und zur Welle konzentrische, zylindrische Hülsen (8, 9) vorhanden. Die beiden Hülsen sind von einer wechselstromdurchflossenen Spule (20, 21) umschlungen. Die beiden Hülsen (8, 9) weisen an ihren Umfangsflächen Schlitze (16, 17, 11) auf. Dadurch ergeben sich im Umfangsrichtung auf der einen Hülse (8) abwechselnd Bereiche mit hoher und niedriger elektrischer Leitfähigkeit. Zur Erzeugung eines guten und insbesondere empfindlichen Meßsignals befinden sich auf der Innenseite der inneren Hülse (9) im Bereich der beiden Schlitzreihen (16, 17) eine Folie (18) oder Streifen aus hochpermeablen Material, insbesondere metallische Gläser.

Description

Meßeinrichtung zur berührunαsfreien Erfassung eines Drehwinkels und/oder eines Drehmoments
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Meßeinrichtung zur berührungsfreien Erfassung eines Drehwinkels und/oder Drehmoments an einer stehenden oder rotierenden Welle nach der Gattung des Anspruch 1 oder 2. Bei einer zum Beispiel aus der DE-OS 33 07 105.5 bekannten Meßeinrich¬ tung sind zwei Hülsen ineinander angeordnet und werden relativ zu¬ einander entsprechend der zu bestimmenden Drehbewegung gedreht. In ihren Umfangsflächen haben die Hülsen eine gleiche Anzahl mehrerer zur Achse paralleler segmentartiger Mantelflächen, die in Umfangs¬ richtung der Hülsen gesehen abwechselnd hohe und niedrige elek¬ trische Leitfähigkeit aufweisen. Die beiden Hülsen sind von einer gleichachsigen von einem Wechselstrom durchflossenen Wicklung umge¬ ben, deren Impedanz bei der relativen Bewegung der Hülsen zueinander geändert wird und somit ein zur Drehbewegung proportionales Me߬ signal erzeugt wird. Um bereits bei kleinen Drehwinkeln ein mög¬ lichst großes Meßsignal zu erhalten, liegt die in Umfangsrichtung gemessene Breite der Mantelflächen hoher Leitf higkeit zur Breite der Mantelfläche mit niedriger Leitfähigkeit zwischen 10:1 und 5:1. Für spezielle Messungen ist aber das damit erreichte Meßsignal nicht ausreichend genau und empfindlich genug. Das bei der Meßeinrichtung verwendete Meßprinzip, das sog. Wirbel¬ strommeßverfahren ist zum Beispiel aus der DE-OS 29 51 148.6 be¬ kannt. Dort wird eine Drehbewegung sowohl mit Hilfe zweier relativ zueinander bewegter scheibenförmiger Körper als auch mit einer Hül¬ se, in der ein Induktionskörper eingesetzt ist, erzeugt. Die relativ zueinander bewegten Körper sind von einer mit Wechselstrom durch- flossenen Spule umgeben, deren magnetisches Wechselfeld auf den Be¬ reichen aus elektrisch leitendem Material Wirbelströme erzeugen. Ab¬ hängig von der zu bestimmenden Drehbewegung wird das Verhältnis der elektrisch leitenden und elektrisch nicht leitenden Flächen zuein¬ ander verändert. Abhängig von der Größe der erzeugten Wirbelströme und somit abhängig von der Größe des zu bestimmenden Drehwinkels bzw. Drehmoments wird die Impedanz der Spule verändert. Diese Impe¬ danzänderung wird als Meßsignal erfaßt. Auch hier ist das erzeugte Meßsignal insbesondere für kleinere Drehwinkel zu ungenau "und zu un¬ empfindlich.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung mit den kennzeichnenden Merk¬ malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Empfindlichkeit und die Genauigkeit des Meßsignals gegenüber bisher verwendeten Meßeinrichtungen verbessert wird. Es wird der Übergang vom elektrisch leitenden zum elektrisch nicht leitenden Material besser ausgebildet. In einfacher und preisgünstiger Weise können hochpermeable Materialien als Streifen oder als Folie auf die Innen¬ wand der inneren Schlitzhülse aufgebracht werden. Amorphe Metalle (auch metallische Gläser genannt) sind insbesondere durch ihre guten magnetischen Eigenschaften und ihre einfache Handhabung als Folie oder als Streifen einfach montierbar. Die Schlitze der rotierenden Meßhülsen verursachen Meßfehler, die durch einen inhomogenen Feld¬ linienverlauf des magnetischen Felds der von Wechselstrom durch- flossenen Spule begründet sind (z.B. verursacht durch Spulenan- Schlüsse). Das metallische Glas bewirkt eine deutliche Verminderung dieser Fehler, da sich das Verhältnis Nutzsignal zu Störsignal wesentlich verbessert.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Meßein¬ richtung möglich.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Figur 1 eine erfindungsgemäße Meßeinrichtung zur Drehmomenterfassung in ihrem axialen Längsschnitt, Figur 2 die innere der beiden Hülsen, Figur 3 die äußere der beiden Hülsen, Figur 4 den Träger von zwei gleichachsig zu diesen Hülsen liegenden'Wicklungen, ebenfalls in Längsschnitt, Figur 5 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels in Scheibenform, ebenfalls in Längsschnitt, Figur 6 eine der beiden Scheiben und die Figuren 7 und 8 Abwandlungen der Ausführungsbei- spiele.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die dargestellte Meßeinrichtung dient zur-Erfassung des Drehwinkels bzw. des Drehmoments, wenn ein Torsionsstab 1 zwischen den beiden Wellenstümpfen 2 und 3 einem Drehmoment ausgesetzt wird. Dabei wird der rechte Wellenstumpf 3 gegenüber dem linken Wellenstumpf 2 um einen kleinen Drehwinkel verdreht. In der Figur 1 ist als Beispiel angenommen, daß ein rechtsdrehendes Drehmoment Md über einen Vier¬ kant 4 in den rechten Wellenstumpf 3 eingeleitet wird und daß an dem Vierkant 5, der mit dem linken Wellenstumpf 2 verbunden ist, ein nicht dargestelltes Gegendrehmoment wirksam wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, ein in entgegengesetzter Richtung wirkendes Drehmoment zu bestimmen. Ist hingegen kein Torsionsstab 1 vorhanden, so wird mit Hilfe der Meßeinrichtung statt eines Drehmoments ein Drehwinkel erfaßt.
Zur Erfassung des Drehmoments Md weist die Meßeinrichtung in einem rohrförmigen Gehäuse 6 zwei zur gemeinsamen Längsachse 7 konzen¬ trische Hülsen, nämlich eine äußere Hülse 8 und eine innere Hülse 9 jeweils aus etwa 1 mm starkem, nicht magnetischem aber elektrisch leitfähigem Material auf. Die äußere Hülse 8 ist mit einer im ein¬ zelnen nicht näher dargestellten Distanzhülse auf dem rechten Wellenstumpf 3 drehfest angeordnet, während die innere Hülse 9 auf dem linken Wellenstumpf 2 in gleicher Weise befestigt ist.
Die äußere Hülse 8 ist in Figur 3 in ihrem Querschnitt dargestellt, hat einen Bohrungsdurchmesser B und weist über ihren Umfang bei¬ spielsweise acht gleichmäßig verteilte, zur Achse 7 parallele Längs¬ schlitze 11 auf, welche in die Hülsenwand eingefräst oder eingesägt sind und bis nahe an die beiden stirnseitigen Randzonen 12 und 13 heranreichen. Dadurch entsteht zwischen jeweils zwei Schlitzen 11 eine Mantelfläche 14, deren elektrische Leitfähigkeit derjenigen des Hülsenwerkstoffs entspricht, während die sich mit diesen Mantel¬ flächen in Umfangsrichtung abwechselnden Schlitze 11 Zonen bilden, die keine elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Die Umfangsflache der in Figur 2 dargestellten inneren Hülse 9, die einen Außendurchmesser E hat, ist in analoger Weise in acht unter¬ einander zusammenhängende Zonen 15 unterteilt, die sich mit den Mantelflächen 14 der äußeren Hülse 8 decken. Im Gegensatz zur äußeren Hülse 8 ist sie durch acht Schlitzreihen unterteilt, von denen jede Schlitzreihe aus zwei parallel zur Achse 7 sich er¬ streckenden Schlitzen 16 und 17 gebildet sind. Die zu einem Schlitz-Paar gehörenden beiden Schlitze 16 und 17 sind gegeneinander in Umfangsrichtung der Hülse 9 um einen Abstand v versetzt, welcher etwa der Schlitzbreite entspricht, also ungefähr einen Milimeter beträgt. Jeder der beiden Schlitze 16 und 17 hat nur eine etwa halb so große axiale Länge wie der zugeordnete Schlitz 11 in der äußeren Hülse 8, dessen Länge in der Figur 3 mit L bezeichnet ist. Auf der Innenseite der inneren Hülse 9 ist eine Folie 18 aufgebracht. Wesentlich ist hierbei, daß die Schlitze 16, 17 auf der Innenseite der inneren Hülse 9, insbesondere zum Torsionsstab 1 hin, abgedeckt sind. Deshalb wäre es auch denkbar, statt einer Folie 18 die Schlitze 16, 17 jeweils einzeln mit Hilfe von Streifen abzudecken. Die Folie 18 oder die Streifen bestehen dabei aus hochpermeablem Material, z.B. Fe, Ni, Co-haltiges Material. Diese Materialien haben vorzugsweise einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand. Da¬ durch kann der von den Schlitzen 16, 17 bewirkte Effekt verstärkt werden. Es werden Meßsignale mit hoher Genauigkeit und hoher Empfindlichkeit erreicht, was insbesondere bei kleinen Drehwinkeln, wie sie insbesondere bei der Erfassung eines Drehmoments Md auf¬ treten, notwendig ist. Als besonders vorteilhaft hat sich für die Folien 18 oder für die Streifen die Verwendung von metallischen Gläsern, die auch amorphe Metalle genannt werden, erwiesen.
In der Praxis zeigt sich die Verwendung von amorphen Metallen der Firma Vakuumschmelze GmbH, Hanau, DE, als günstig. Das unter dem Warenzeichen Vitrovac 6025 erhältliche amorphe Metall erzeugt Meß- signale mit besonders guter Meßempfindlichkeit. Hierbei handelt es sich um ein amorphes Metall mit dem Hauptbestandteil Cobalt. Selbst¬ verständlich ist die Verwendung des jeweiligen Materials auf die für die Erfassung des Meßsignals verwendete Frequenz der Meßeinrichtung abzustimmen.
Im Überdeckungsbereich der inneren und der äußeren Hülse 8 ist ein aus Isolierstoff hergestellter, zylindrischer Spulenkörper 19 vorge¬ sehen, welcher zwei in axialem Abstand voneinander angeordnete, ein¬ lagige Wicklungen 20 und 21 trägt. Die in axialer Richtung gemessene Breite w der Wicklungen 20 und 21 beträgt nur etwa 1/3 der Länge der Schlitze 16 bzw. 17, wobei jede der beiden Wicklungen so angeordnet ist, daß sie die Schlitze 16 bzw. 17 in einem schmalen Mittelbereich überdeckt.
Durch die Verwendung der beiden Wicklungen 20 und 21 kann eine Differentialmeßmethode angewendet werden, weil sich in linearer Ab¬ hängigkeit zu der Größe des angelegten Drehmoments Md die beiden Hülsen 8 und 9 so verdrehen, daß einer der beiden versetzten Schlitze 16 oder 17 aus der Überdeckung mit dem Schlitz 11 der äußeren Hülse herauswandert, während der andere dieser verkürzten Schlitze mit zunehmender Überdeckung unter den zugehörigen äußeren Schlitz wandert. Dadurch entsteht in der einen der beiden Spulen eine Verkleinerung und in der anderen Spule eine Vergrößerung ihrer Induktivität, so daß die in der inneren Hülse 9 erzeugten Wirbel¬ ströme sich vergrößern bzw. verkleinern, wenn die Wicklungen von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflössen werden. Soll hingegen nicht nach der Differentialmeßmethode gearbeitet werden, so wäre es ausreichend, nur eine der beiden Spulen 20 oder 21 vorzusehen und eine innere Hülse 9 mit nur einer Schlitzreihe 16 oder 17 zu ver¬ wenden.
In der Ausgangsstellung der Meßeinrichtung sind die beiden Schlitze 16 und 11 bzw. die Schlitze 17 und 11 , wie oben erwähnt, so aufein¬ ander ausgerichtet, daß sie sich jeweils mit gleich großen Flächen überdecken. Dadurch kann eine Drehrichtung und ein Drehmoment in beiden Meßrichtungen erfaßt werden. Es wäre aber, wenn nur eine Me߬ richtung erfaßt werden soll, auch möglich, daß die einen Schlitze sich gerade überdecken, also geöffnet sind, während die anderen Schlitze verschlossen sind. Die Meßeinrichtung kann sowohl nach dem induktiven Prinzip und/oder nach dem Wirbelstromprinzip arbeiten, wobei in beiden Fällen die Spulen 20, 21 von einem Wechselstrom durchflössen werden. Zur Messung selbst werden die beiden Hülsen 8, 9 relativ zueinander gedreht bzw. um einen gewünschten Winkelbereich bewegt. Im folgenden sei das Wirbelstromprinzip erläutert. An den Spulen 20, 21 entsteht ein magnetisches Wechselfeld, das auf der metallischen Oberfläche der beiden Hülsen 8, 9 Wirbelströme bewirkt. Je größer dabei die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche der beiden Hülsen 8, 9 ist, desto mehr Wirbelströme werden erzeugt.
Selbstverständlich ist ferner die Größe der erzeugten Wirbelströme auch abhängig vom verwendeten Material der beiden Hülsen 8, 9 sowie vom Abstand der Spulen 20, 21 zu der zugewandten Oberfläche der bei¬ den Hülsen 8, 9. Durch die auf den beiden Hülsen 8, 9 erzeugten Wirbelströme wird der Spulen-Wechselstromwiderstand verändert, was zur Meßsignalgewinnung ausgenützt wird. Da sich ebenfalls die Spu- leninduktivität mit verringert, kann auch diese Spuleninduktivitäts- änderung zur Meßsignalgewinnung ausgenutzt werden (Spuleninduktivi- täts-Auswerteverfahren) . Bei der Drehbewegung der beiden Hülsen 8, 9 relativ zueinander wird durch die versetzte Anordnung der beiden Schlitze 16, 17 die der jeweiligen Spule 20 bzw. 21 zugeordnete Oberfläche der beiden Hülsen 8, 9 gegensinnig verändert. Dadurch wird die der Spule 20 zugeordnete Oberfläche der beiden Hülsen 8, 9 zum Beispiel um denselben Betrag erhöht, wie er gegenüber der an¬ deren Spule 21 verringert wird. Die beiden Spulen 20, 21 sind - bei dem Spulenwechselstromwiderstands-Auswerteverf hren - in einer Wheatstone'sehen Halbbrückenschaltung verschaltet und arbeiten somit nach der oben erwähnten Differentialmeßmethode. Dadurch kompensieren sich die in den beiden Spulen 20, 21 gleichzeitig auftretenden und gegensinnig wirkenden Meßfehler, wie zum Beispiel Temperatur¬ schwankungen. Anstelle des oben beschriebenen Wirbelstromprinzips kann auch das induktive Meßverfahren sinngemäß angewandt werden. Hierzu müssen lediglich die beiden Hülsen 8, 9 auf der den Spulen 20, 21 zuge¬ wandten Oberfläche aus ferromagnetischem Material bestehen. Die Hülsen 8, 9 können aus ferromagnetischem Material hergestellt sein, oder eine ferromagnetische Schicht aufweisen. Während beim Wirbel¬ stromprinzip die Spuleninduktivität verringert wird, kann sie sich beim induktiven Verfahren abhängig von den ferromagnetischen und elektrisch leitenden Eigenschaften des Materials (ferromagnetischer Effekt) erhöhen.
In allen Fällen ist es aber vorteilhaft, daß mit Hilfe der Folie 18 oder der entsprechenden Streifen sehr gute Meßsignale erreicht wer¬ den. Diese Folie 18 oder die Streifen können in besonders einfacher Weise während der Montage in die innere Hülse 9 eingelegt werden, so daß als besonderer Vorteil gegenüber den bisher in der Praxis ver¬ wendeten Meßeinrichtungen nur geringe Veränderungen vorgenommen zu werde.. brauchen. Mit Hilfe der metallischen Gläser erhält man sowohl ein gutes Meßsignal als auch sind diese Folien zum Beispiel mit Hilfe einer Schere von einem laufenden Band abschneidbar. Dies würde die Montage besonders vereinfachen.
Statt zweier Hülsen 8, 9 könnte die Meßeinrichtung auch mit Hilfe zweier Scheiben 32, 33 betrieben werden. Hierzu ist in den Figuren 5 und 6 eine Meßeinrichtung dargestellt, die zugleich auch nicht nach der Differentialmeßmethode arbeitet und somit nur eine Spule 31 auf¬ weist. Die beiden Scheiben 32, 33 sind zueinander deckungsgleich ausgebildet und weisen zum Beispiel acht sektorförmige Ausschnitte 34, 35 auf. Die Schlitze 34, 35 sind dabei in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt und deckungsgleich zueinander angeordnet. Der freien Stirnseite der einen Scheibe 32 steht eine einlagig ge¬ wickelte Spule 31 gegenüber, die feststehend angeordnet ist und von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflössen wird. Über eine Welle 38 wird am Abschnitt 37 ein Eingangsdrehmoment Me eingeleitet und am Endabschnitt 39 der Welle 39 als Ausgangsdrehmoment Ma ausge¬ leitet. Zwischen den beiden Abschnitten 37 und 38 ist die Welle 39 auf einer vorgegebenen Länge im Durchmesser verringert, so daß sie einen Torsionsabschnitt 40 bildet. Um den bei der Torsion entstehen¬ den Verdrehwinkel des Torsionsabschnittes 40 erfassen zu können, ist in unmittelbarer Nähe des Torsionsabschnittes 40 auf dem einen Ab- " schnitt 37 der Welle 38 die erste Scheibe 32 zum Beispiel mit Hilfe einer L t- , Klebe- oder Schweißstelle 41 mit der Welle 38 verbun¬ den. Die zweite Scheibe 33 ist mit geringem axialen-Abstand hinter der ersten Scheibe 32 angeordnet und sitzt auf der Stirnseite eines Rohrs 42 auf, das mit dem Endabschnitt 39 der Welle 38 drehfest ver¬ bunden ist. Ferner ist auf der der Spule 31 abgewandten Stirnseite der zweiten Scheibe 33 wiederum eine Folie 18 auf den Schlitzen 34 angeordnet. Die verwendeten Materialien sowohl für die Scheiben 32, 33 als auch für die Folie 18 und die Wirkungsweise der Meßein¬ richtung entsprechen denen der oben beschriebenen Meßeinrichtung.
In den in den Figuren 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispielen wird mit einer inneren Hülse ohne Schlitze gearbeitet. Hierbei be¬ steht in der Figur 7 die innere Hülse 9a aus elektrisch leitendem Material, zum Beispiel AI, Buntmetalle, auf der Streifen 18a aus hochpermeablen Materialien wie in den bisherigen Ausführungsbei¬ spielen 1 bis 6 aufgebracht sind. In den Figuren 7 und 8 ist hierbei eine Hülse dargestellt, die nicht nach dem Differentialprinzip, wie die bisherigen Ausführungsbeispiele, arbeitet.
Alternativ ist in der Figur 8 die innere Hülse 9b aus hochpermeablem Material hergestellt, wobei die Oberfläche der inneren Hülse 9b aus diesem Material oder die gesamte Hülse 9b aus diesem Material bestehen kann. Hier sind zur Meßsignalerzeugung Streifen 30 aus elektrisch leitendem Material aufgebracht. Wird zum Beispiel ein Band aus hochpermeablem Material auf die innere Hülse 9b aufge¬ bracht, so können die Streifen 30 aus diesem Band herausgestanzt sein, wenn die innere Hülse 9b selbst aus elektrisch leitendem Mate¬ rial besteht. Die äußere Hülse 8 und die Funktion der Spulen 20, 21 entspricht wiederum den in den bisher beschriebenen Ausführungsbei- spielen. Selbstverständlich können die Ausführungen nach der Figur 7 und der Figur 8 auch auf die scheibenförmige Lösung nach den Figuren 5 und 6 sinngemäß übertragen werden.

Claims

Ansprüche
1. Meßeinrichtung zur berührungsfreien Erfassung eines Drehwinkels und/oder Drehmoments an einer stehenden oder rotierenden Welle (1) mit einer inneren (9) und einer äußeren Hülse (8), wobei die beiden Hülsen (8, 9) konzentrisch zur Welle (1) angeordnet sind und gegen¬ einander drehbar und an ihren Hauptumf ngsflachen in eine gleiche Anzahl mehrerer zur Wellenachse paralleler, segmentartiger Mantel¬ flächen unterteilt sind, und von mindestens einer zu den beiden Hülsen (8, 9) gleichachsigen von Wechselstrom durchflossenen Wick¬ lung (20, 21) umschlungen sind, deren Impedanzänderung zur Meß-
-.signalgewinnung ausgewertet wird, wobei die äußere Hülse (8) in Um¬ fangsrichtung abwechselnd hohe und niedrige elektrische Leitfähig¬ keit aufweist und die innere Hülse (9) in Umfangsrichtung abwech¬ selnd Bereiche aus hochpermeablem Material und elektrisch leitendem Material aufweist.
2. Meßeinrichtung zur berührungsfreien Erfassung eines Drehwinkels und/oder Drehmoments an einer stehenden oder rotierenden Welle (38) mit einer ersten und einer zweiten Scheibe (32, 33) die gegenein¬ ander drehbar und in eine gleiche Anzahl segmentartiger Mantel¬ flächen unterteilt sind, wobei auf der einen Seite der einen Scheibe (32) eine von Wechselstrom durchflossenen Spule (31) angeordnet ist, deren Impedanzänderung zur Meßsignalgewinnung ausgewertet wird, wobei die erste Scheibe (32) in Umfangsrichtung abwechselnd hohe und niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweist und die der Spule abgewandte, zweite Scheibe (33) abwechselnd Bereiche aus hoch¬ permeablem Material und elektrisch leitendem Material aufweist.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülse (9) oder die zweite Scheibe (33) aus elektrisch leitendem Material besteht und auf der inneren Hülse (9) oder der - zweiten Scheibe (33) streifenförmige Bereiche aus hochpermeablem Material aufgebracht sind.
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Oberfläche der inneren Hülse (8) oder der zweiten Scheibe (33) aus hochpermeablem Material besteht und auf der inneren Hülse (8) oder der zweiten Scheibe (33) streifenförmige Bereiche aus elektrisch leitendem Material aufgebracht sind.
5. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülse (9) aus elektrisch leitendem Material besteht und daß die innere Hülse (8) Schlitze (16, 17) aufweist und mindestens im Bereich dieser Schlitze (16, 17) auf der Innenseite der inneren Hülse (9) das hochpermeable Material aufgebracht ist.
6. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Scheibe (33) aus elektrisch leitendem Material besteht und daß die der Spule (31) abgewandte Scheibe (32) Schlitze (34) auf¬ weist, und mindestens im Bereich dieser Schlitze (34) auf der der Spule (31) abgewandten Seite der zweiten Scheibe (33) das hochperme¬ able Material (18) aufgebracht ist.
7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das hochpermeable Material (18) in Form einer Folie aufgebracht ist.
8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das hochpermeable Material (18) in Form von Streifen aufgebracht ist.
9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das hochpermeable Material (18) metallische Gläser sind.
10. Meßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das
(R) hoch-oermeable Material Vitrovac 6025 ist.
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