WO2013127721A1 - Berührungslose magnetisierung von hohlwellen - Google Patents

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WO2013127721A1
WO2013127721A1 PCT/EP2013/053669 EP2013053669W WO2013127721A1 WO 2013127721 A1 WO2013127721 A1 WO 2013127721A1 EP 2013053669 W EP2013053669 W EP 2013053669W WO 2013127721 A1 WO2013127721 A1 WO 2013127721A1
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WO
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electrical conductor
hollow shaft
component
conductor
electrical
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Application number
PCT/EP2013/053669
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bastian Steinacher
Original Assignee
Nctengineering Gmbh
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.)
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Publication date
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F13/00—Apparatus or processes for magnetising or demagnetising
    • H01F13/003—Methods and devices for magnetising permanent magnets

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for magnetizing waves.
  • the disadvantages mentioned can be avoided if the direct electrical contacting of the shaft can be dispensed with. If the component to be magnetized or the shaft is a solid shaft, a hollow bore of the component to be magnetized or the shaft can take place.
  • the invention provides an apparatus and a method for non-contact magnetic coding of hollow shafts for producing magnetostrictive sensor waves.
  • a device for magnetizing a component in particular a hollow shaft, which has an inner first electrical conductor; an externa ßeren second electrical conductor, which is designed as a waveguide; and a magnetic shield comprises; wherein the first electrical conductor is at least partially disposed in the second electrical conductor, and wherein the magnetic shield has a first portion disposed between the first and second electrical conductors.
  • the device according to the invention can be carried out a non-contact magnetization of the component.
  • the conductors can simultaneously or successively current pulses be sent, wherein the current direction of the current through the first electrical conductor is opposite to the current direction of the current through the second electrical conductor.
  • the respective magnitude of the current intensity can be the same, so that, for example, a return of the current after passing through the first conductor can take place via the second conductor in the opposite direction. It is known from the physical laws of electrodynamics that the magnetic field generated by a current-carrying conductor depends only on the summed current flowing through the entire cross-sectional area of the conductor, and not on the specific conductor cross-sectional shape or current density distribution.
  • the magnetic shield weakens the magnetic field of the central conductor, which is possible only in the case of a temporally variable current.
  • Time-variable magnetic fields are generated by a temporally variable current, which in turn generate time-varying electric vortex fields, which causes eddy currents in the magnetic shield.
  • energy in the magnetic shield can be converted into heat, and inequality of the magnetic fields generated by the inner and outer conductors acting on the component to be magnetized can occur.
  • a magnetization of the component is only possible.
  • the shielding are preferably highly permeable or highly conductive materials in question, which may comprise, for example, copper, aluminum, iron, or steel as a component, or else various iron alloys.
  • the device according to the invention can be further developed such that the first electrical conductor and the second electrical conductor can have a common electrical contact point at a respective end region.
  • the second conductor for the first conductor represents the return to the power source and the end of the central conductor is connected to the end of the waveguide so that there is an electrical contact between the two conductors.
  • the device has a distal end, which comprises the contact point, whereby the device can be designed, for example, rod-shaped, and the device therefore can be easily inserted into a cavity, can be introduced approximately in a only partially axially drilled shaft to perform a magnetization of the component (eg shaft). In particular, no complete passage of conductors through the component is required, but the current can be passed out into an opening and out through the same opening again.
  • the device may further comprise an inner third electrical conductor and an outer fourth electrical conductor which is designed as a waveguide; wherein the third electrical conductor is at least partially disposed in the fourth electrical conductor, and wherein the magnetic shield has a second portion disposed between the third and fourth electrical conductors.
  • the second and the third electrical conductor may have a common electrical contact point
  • the first and the fourth electrical conductor may have a common contact point.
  • the second conductor for the first conductor may be the return to the power source
  • the fourth conductor may be the return to the power source for the third conductor.
  • more than two regions can be magnetized by adding one or more further conductor / waveguide pairs and contacting them accordingly.
  • the first and the second electrical conductor may have the common electrical contact point at a respective distal end region
  • the second and the third electrical conductor may have the common electrical contact point at a proximal end region of the second and at a distal end region of the third conductor
  • the first and fourth electrical conductors may be at a proximal end portion of the first and at a distal end portion of the fourth have the common contact point.
  • the current is first passed through the inner third conductor and then through the outer second conductor, then returned through the inner, first conductor and the outer, fourth conductor.
  • the device is compact, and it may for example be designed rod-shaped. It can be introduced into the cavity of the component with the contact point of the first and second conductor first. In particular, no complete passage of conductors through the component is required, but the current can be passed out into an opening and out through the same opening again.
  • the first and the third conductor may be arranged on a straight line.
  • narrow and / or long-extending cavities are accessible to perform non-contact magnetization.
  • first portion and the second portion of the magnetic shield can form a unit, and may optionally be provided with feedthroughs for the electrical contact points; or that, on the other hand, the first portion and the second portion of the magnetic shield may each form separate units. This represents a simple embodiment of the magnetic shield.
  • the waveguide and / or the magnetic shield or the magnetic shields may each have substantially the shape of a hollow cylinder. In this way, a practicable for the manufacture and in the use of the device form is provided.
  • a method for magnetizing a component comprising the steps of: introducing at least one electrical conductor into a cavity of the component, in particular into the hollow shaft; Generating at least a first current pulse through the at least one electrical conductor; and removing the at least one electrical conductor from the component, in particular the hollow shaft.
  • the advantage of this method compared to the magnetization method according to the prior art is that no current injection into the component must be made, but that the magnetization takes place without contact. If, for example, a hollow shaft is to be used for sensors with a magnetized region, the introduction of a current conductor within the hollow shaft is sufficient, through which the current pulse is conducted to the magnetization.
  • the conductor cross section is not important for the field distribution.
  • the method according to the invention can be further developed such that the following further steps are provided between the generation of the at least one first current pulse and the removal of the at least one electrical conductor: introduction of a magnetic shield into the cavity of the component (in particular into the hollow shaft) the conductor and the component (in particular hollow shaft), in a partial region of the component (in particular hollow shaft); Generating at least one second current pulse through the at least one electrical conductor, wherein the current direction of the at least one second current pulse is opposite to the current direction of the at least one first current pulse; and removing the magnetic shield from the component (in particular hollow shaft).
  • the method according to the invention can be further developed such that the introduction of at least one electrical conductor into the cavity of the component (in particular into the hollow shaft), the introduction of a magnetization device according to the invention or one of its developments into the cavity of the component (in particular hollow shaft); generating at least one current pulse by the at least one electrical conductor comprising generating at least one current pulse through the conductors of the magnetization device; and removing the at least one electrical conductor from the cavity of the component (in particular hollow shaft), the removal of the magnetization device from the cavity of the component (in particular hollow shaft).
  • the method may be further developed by the following further and before all other steps to be performed step is provided: drilling the component for producing the cavity, in particular drilling a solid shaft along an axial direction for producing the hollow shaft, wherein the component, in particular the solid shaft, completely or only partially pierced.
  • An exemplary solid shaft to be designed as a magnetostrictive torque sensor may be e.g. be drilled along the central axis to introduce the magnetization device therein, depending on the structural condition and use of the sensor, a complete or even a partial perforation may be useful.
  • FIG. 1 illustrates a first embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 2 illustrates a current and magnetic field strength profile in the first embodiment
  • FIG. 3 illustrates a second embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 4 illustrates a current and magnetic field strength profile in a partial region of the second embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 5 illustrates a qualitative radial current and magnetic field strength profile in a partial region of the first or second embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 6A illustrates a first step of the method according to the invention.
  • FIG. 6B illustrates a second step of the method according to the invention.
  • FIG. 6C illustrates a magnetization of the hollow shaft after carrying out the method according to the invention.
  • FIG. 1 illustrates a first embodiment of the device according to the invention.
  • the magnetization device 100 in this embodiment comprises a first, inner conductor 1 10, which may be formed, for example as a solid wire 1 10 of an electrically conductive material, in particular metal.
  • the device 100 comprises a second, externa ßeren conductor 120, which may for example have a circular cylindrical shape and is disposed around the first conductor 1 10 around. For example, the current flows through the first conductor to the right and through the second conductor back to the left.
  • the ends of the two conductors 1 10 and 120 may be electrically conductively connected to each other in this embodiment, so that in an end region 150 of the device 100 is a current reversal.
  • a magnetic shield between the inner and the outer conductor is provided.
  • pulsed current ie time-dependent current profile
  • temporally variable magnetic fields are generated, which in turn induce time-variable electric fields.
  • the magnetic shield 130 between the two conductors causes these induced electric fields to generate eddy currents therein, ultimately resulting in absorption of field energy.
  • the magnetic field of the inner conductor acting on a hollow shaft 190 is attenuated by the shield 130.
  • the magnetic shield 130 must be chosen so that the magnetic field of the central conductor is attenuated (which is not possible in the case of direct current).
  • the device 100 can be introduced with the end region 150 in a hollow shaft, in particular in a hollow shaft only partially, since the circuit is closed by contacting the two conductors themselves and thus no conductor must be completely guided by the shaft.
  • FIG. 2 illustrates a current and magnetic field intensity profile in the first embodiment of the device according to the invention in a sectional view perpendicular to the axis of the shaft 190.
  • the clockwise inner arrow indicates the magnetic field direction of the magnetic field generated by the inner conductor 110 with a current direction. which goes in paper level.
  • the outer arrow counterclockwise indicates the magnetic field direction of the magnetic field generated by the outer conductor 120 with a current direction coming out of the plane of the paper.
  • the magnetic shield 130 may in particular be made of a combination of different electrically / magnetically conductive materials. By shielding the inner field is damped and the hollow shaft magnetized remanently according to the field direction of the external field.
  • FIG. 3 illustrates a second embodiment of the device according to the invention.
  • This second embodiment 300 is suitable for generating two opposing magnetization regions in one process step. Since the magnetostrictive effect in steel occurs at a relatively low field strength change in the range of 1 ⁇ to 1 mT, a differential measurement is usually required. The generation of a single magnetization region is therefore not sufficient in practice, therefore at least two regions must be generated. For the generation of two opposing areas, two counter current pulses must be generated so that their generated field does not cancel each other out.
  • the current flows into this This arrangement initially centrally via a central conductor 310 in the hollow shaft 390 and is then redirected at the central crossing point in a waveguide 321.
  • the first embodiment of Figure 1 is substantially the left half of the arrangement shown in Figure 3 according to the second embodiment, wherein only the end portions of the conductors are coupled directly to each other, without the current while still guided over another externa ßeren and inner conductor becomes.
  • FIG. 4 illustrates, analogously to FIG. 2, the current and magnetic field strength profile in the section added in the second embodiment of the device according to the invention in a sectional view perpendicular to the axis of the shaft 390.
  • the counterclockwise inner arrow indicates the magnetic field direction of the magnetic field passing through the inner magnetic field Conductor 31 1 is generated with a current direction, which comes out of the paper plane.
  • the outer clockwise arrow indicates the magnetic field direction of the magnetic field generated by the outer conductor 321 with a current direction going into the paper plane.
  • the magnetic shield 330 may be provided integrally or separately for each magnetization region.
  • FIG. 5 illustrates a qualitative radial current density and magnetic field strength profile in a partial region of the first or second embodiment of the device according to the invention. It is assumed here that the current density is distributed uniformly over the entire conductor surface, that is, in each case constant in the interior of the inner and the outer conductor. The corresponding associated magnetic field distribution in the interior of the hollow shaft shows that au outside the outer (hollow) conductor a non-zero magnetic field is present, which is not possible in DC case.
  • FIG. 6 schematically shows the method according to the invention for magnetizing a hollow shaft 690.
  • a current conductor 610 extends within the hollow shaft, through which the current pulse is conducted to magnetization. Due to the independence of the field strength of the current density distribution only the current must be adjusted for different diameters, the conductor cross section is for the Field distribution does not matter. In the generation of two opposing magnetization regions, this can be done according to the invention in two process steps.
  • the hollow shaft 690 is magnetized by a current flow through the conductor as just described; This results in a first magnetization region (FIG. 6A). Thereafter, the introduction of the magnetic shield 630 and a reversal of the current direction (6B). The result is a hollow shaft 690 with two oppositely magnetized areas 681, 682 (FIG. 6C).

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Magnetisieren eines Bauteils, insbesondere einer Hohlwelle, welche einen inneren ersten elektrischen Leiter; einen äußeren zweiten elektrischen Leiter, der als Hohlleiter ausgebildet ist; und eine magnetische Abschirmung umfasst; wobei der erste elektrische Leiter zumindest teilweise in dem zweiten elektrischen Leiter angeordnet ist, und wobei die magnetische Abschirmung einen ersten Abschnitt aufweist, der zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Magnetisieren eines Bauteils, insbesondere einer Hohlwelle, mit den Schritten: Einbringen wenigstens einen elektrischen Leiters in einen Hohlraum des Bauteils, insbesondere in die Hohlwelle; Erzeugen wenigstens eines ersten Strompulses durch den wenigstens einen elektrischen Leiter; und Entfernen des wenigstens einen elektrischen Leiters aus dem Bauteil, insbesondere der Hohlwelle.

Description

Berührungslose Magnetisierung von Hohlwellen
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Magnetisieren von Wellen.
Stand der Technik
Stand der Technik bei der Magnetisierung von kraftübertragenden Bauteilen (z. B. Wellen) zur Nutzung magnetostriktiver Messtechnik (z.B. Drehmomentmessung) ist die direkte elektrische Kontaktierung. Über diese Kontaktierung werden entsprechende Stromimpulse durch das Bauteil geleitet um die für die magnetostriktive Messtechnik notwendige remanente Magnetisierung zu erzeugen (NCTE Patente: EP1774271 B1 , EP1902287B1 ). Dieses Verfahren ist als Puls Current Magnetic Encoding (PCME) bekannt.
Das derzeit eingesetzte Verfahren weist jedoch die im Folgenden genannten Nachteile auf.
1 . Aus der Vielzahl unterschiedlicher Bauteil- bzw. Wellengeometrien ergibt sich eine ebenso große Vielzahl unterschiedlicher Kontakte. D.h., die Kontaktierungsvorrichtung muss an jede Wellengeometrie spezifisch angepasst und gefertigt werden.
2. Aufgrund der hohen erforderlichen Magnetisierungsströme im kA-Bereich entstehen an den Übergangsstellen von den Kontakten zur Welle Brandmarken (Schwei ßpunkte). Diese begrenzen zum einen die Lebensdauer der Kontakte auf wenige hundert Magnetisierungsvorgänge. Zum anderen können sich diese Brandmarken auf den Wellen negativ auf das Korrosionsverhalten und tribologische Eigenschaften auswirken. 3. In vielen Fällen führen konstruktive Merkmale der zu magnetisierenden Bauteile wie Verzahnungen, Lagersitze, Verjüngungen / Verdickungen zu einem erheblichen Konstruktionsaufwand für die Kontaktierung.
4. In einigen Fällen verhindern funktionale Schichten auf der Welle (Korrosionsschutz, Optik, elektrische Isolation, Erhöhung der Oberflächenhärte etc.) eine elektrische Kontaktierung.
Angesichts dieser Nachteile des Stands der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit der eine Magnetisierung einer Welle durchgeführt werden kann, die einen oder mehrere der genannten Nachteile überwindet.
Beschreibung der Erfindung
Die genannten Nachteile lassen sich vermeiden, wenn auf die direkte elektrische Kontaktierung der Welle verzichtet werden kann. Falls das zu magnetisierende Bauteil bzw. die Welle eine Vollwelle ist, kann eine Hohlbohrung des zu magnetisierenden Bauteils bzw. der Welle erfolgen. Die Erfindung stellt eine Vorrichtung und eine Verfahren zur berührungslosen magnetischen Kodierung von Hohlwellen zur Herstellung von magne- tostriktiven Sensorwellen zu Verfügung.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Magnetisieren eines Bauteils, insbesondere einer Hohlwelle, welche einen inneren ersten elektrischen Leiter; einen äu ßeren zweiten elektrischen Leiter, der als Hohlleiter ausgebildet ist; und eine magnetische Abschirmung umfasst; wobei der erste elektrische Leiter zumindest teilweise in dem zweiten elektrischen Leiter angeordnet ist, und wobei die magnetische Abschirmung einen ersten Abschnitt aufweist, der zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter angeordnet ist.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine berührungslose Magnetisierung des Bauteils erfolgen. Durch die Leiter können gleichzeitig oder nacheinander Strompulse geschickt werden, wobei die Stromrichtung des Stroms durch den ersten elektrischen Leiter entgegengesetzt zur Stromrichtung des Stroms durch den zweiten elektrischen Leiter ist. Insbesondere kann aufgrund der magnetischen Abschirmung der jeweilige Betrag der Stromstärke gleich sein, sodass beispielsweise eine Rückführung des Stroms nach Durchlaufen des ersten Leiters über den zweiten Leiter in entgegengesetzter Richtung erfolgen kann. Aus den physikalischen Gesetzen der Elektrodynamik ist bekannt, dass das durch einen stromführenden Leiter erzeugte, ihn umgebende Magnetfeld nur von der aufsummierten durch die gesamte Leiterquerschnittsfläche fließenden Stromstärke abhängt, und nicht von der speziellen Leiterquerschnittsform oder der Stromdichteverteilung. Das bedeutet, dass bei gleichem Hin- und Rückstrom durch die zwei Leiter (unabhängig von deren jeweiliger Querschnittsform) die erzeugten Magnetfelder zwar von der Richtung entgegensetzt, jedoch von der betragsmäßigen Stärke gleich sind. Die magnetische Abschirmung schwächt das magnetische Feld des zentralen Leiters, was nur im Falle eines zeitlich veränderlichen Stroms möglich ist. Durch einen zeitlich veränderlichen Strom werden zeitlich veränderliche Magnetfelder erzeugt, die wiederum zeitlich veränderliche elektrische Wirbelfelder generieren, was in der magnetischen Abschirmung Wirbelströme bewirkt. Dadurch kann Energie in der magnetischen Abschirmung in Wärme umgewandelt werden, und es kann zu einer Ungleichheit der durch den inneren und den äußeren Leiter erzeugten auf das zu magnetisierenden Bauteil wirkenden Magnetfelder kommen. Dadurch wird eine Magnetisierung des Bauteils erst möglich. Für die Abschirmung kommen vorzugsweise hochpermeable oder hochleitfähige Materialien in Frage, die z.B. Kupfer, Aluminium, Eisen, oder Stahl als Bestandteil umfassen können, oder auch verschiedene Eisenlegierungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dahingehend weitergebildet werden, dass der erste elektrische Leiter und der zweite elektrische Leiter an einem jeweiligen Endbereich eine gemeinsame elektrische Kontaktstelle aufweisen können. Dies bedeutet, dass der zweite Leiter für den ersten Leiter die Rückleitung zur Stromquelle darstellt und das Ende des zentralen Leiters mit dem Ende des Hohlleiters verbunden ist, so dass dort ein elektrischer Kontakt zwischen beiden Leitern besteht. Das hat den Vorteil, dass die Vorrichtung ein distales Ende aufweist, welches die Kontaktstelle umfasst, wodurch die Vorrichtung beispielsweise stabförmig ausgebildet sein kann, und die Vorrichtung deshalb einfach in einen Hohlraum eingebracht werden kann, etwa in eine nur teilweise axial aufgebohrte Welle eingeführt werden kann, um eine Magnetisierung des Bauteils (z.B. Welle) durchzuführen. Insbesondere ist keine vollständige Durchführung von Leitern durch das Bauteil erforderlich, sondern der Strom kann in eine Öffnung hinein und durch die gleiche Öffnung wieder heraus geführt werden.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die Vorrichtung weiterhin einen inneren dritten elektrischen Leiter und einen äußeren vierten elektrischen Leiter, der als Hohlleiter ausgebildet ist, umfassen kann; wobei der dritte elektrische Leiter zumindest teilweise in dem vierten elektrischen Leiter angeordnet ist, und wobei die magnetische Abschirmung einen zweiten Abschnitt aufweist, der zwischen dem dritten und dem vierten elektrischen Leiter angeordnet ist. Diese Weiterbildung ermöglicht es, in benachbarten Bereichen des zu magnetisierenden Bauteils voneinander verschiedene Magnetisierungen durchzuführen, insbesondere Magnetisierungen mit unterschiedlichen Magnetfeldrichtungen durchzuführen, beispielsweise gegenläufige Magnetfelder.
Dabei können der zweite und der dritte elektrische Leiter eine gemeinsame elektrische Kontaktstelle aufweisen, und der erste und der vierte elektrische Leiter können eine gemeinsame Kontaktstelle aufweisen. Auf die Weise kann der zweite Leiter für den ersten Leiter die Rückleitung zur Stromquelle darstellen, und der vierte Leiter kann für den dritten Leiter die Rückleitung zur Stromquelle darstellen.
Auf die genannte Weise können auch mehr als zwei Bereiche magnetisiert werden, indem ein oder mehrere weitere Leiter/Hohlleiterpaare hinzugefügt und entsprechend kontaktiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung können der erste und der zweite elektrische Leiter an einem jeweiligen distalen Endbereich die gemeinsame elektrische Kontaktstelle aufweisen, der zweite und der dritte elektrische Leiter können an einem proximalen Endbereich des zweiten und an einem distalen Endbereich des dritten Leiters die gemeinsame elektrische Kontaktstelle aufweisen, und der erste und der vierte elektrische Leiter können an einem proximalen Endbereich des ersten und an einem distalen Endbereich des vierten die gemeinsame Kontaktstelle aufweisen. In dieser Ausgestaltung wird der Strom beispielsweise zunächst durch den inneren, dritten Leiter und anschließend durch den äußeren, zweiten Leiter geführt, danach durch den inneren, ersten Leiter und den äußeren, vierten Leiter wieder zurückgeführt. Dies hat den Vorteil, dass mit einem Strompuls zwei Bereiche mit verschiedener Magnetisierungsrichtung erzeugt werden können. Weiterhin ist die Vorrichtung kompakt, und sie kann beispielsweise stabförmig ausgestaltet sein. Sie kann mit der Kontaktstelle des ersten und zweiten Leiters voran in den Hohlraum des Bauteils eingebracht werden. Insbesondere ist keine vollständige Durchführung von Leitern durch das Bauteil erforderlich, sondern der Strom kann in eine Öffnung hinein und durch die gleiche Öffnung wieder heraus geführt werden.
Nach einer anderen Weiterbildung können der erste und der dritte Leiter auf einer geraden Linie angeordnet sein. Somit sind enge und/oder sich lang erstreckende Hohlräume zugänglich, um eine berührungslose Magnetisierung durchzuführen.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt der magnetischen Abschirmung eine Einheit bilden können, und ggf. mit Durchführungen für die elektrischen Kontaktstellen versehen sein können; oder dass andererseits der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt der magnetischen Abschirmung jeweils separate Einheiten bilden können. Dies stellt eine einfache Ausgestaltung der magnetischen Abschirmung dar.
Der bzw. die Hohlleiter und/oder die magnetische Abschirmung bzw. die magnetischen Abschirmungen können jeweils im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders aufweisen. Auf diese Weise wird eine für die Herstellung und bei der Verwendung der Vorrichtung praktikable Form zur Verfügung gestellt.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Magnetisie- ren eines Bauteils, insbesondere einer Hohlwelle, mit den Schritten: Einbringen wenigstens einen elektrischen Leiters in einen Hohlraum des Bauteils, insbesondere in die Hohlwelle; Erzeugen wenigstens eines ersten Strompulses durch den wenigstens einen elektrischen Leiter; und Entfernen des wenigstens einen elektrischen Leiters aus dem Bauteil, insbesondere der Hohlwelle. Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber den Magnetisierungsverfahren nach dem Stand der Technik besteht darin, dass keine Strominjektion in das Bauteil erfolgen muss, sondern dass die Magnetisierung berührungslos erfolgt. Falls z.B. eine Hohlwelle für Sensoren mit einem magnetisierten Bereich eingesetzt werden soll, reicht das Einbringen eines Stromleiters innerhalb der Hohlwelle, durch den der Stromimpuls zur Magnetisierung geleitet wird. Aufgrund der Unabhängigkeit der Feldstärke von der Stromdichteverteilung muss für unterschiedliche Durchmesser lediglich die Stromstärke angepasst werden, der Leiterquerschnitt ist für die Feldverteilung nicht von Bedeutung. Durch den Wegfall der elektrischen Kontaktie- rung zwischen Sensorwelle und Stromquelle gegenüber dem Stand der Technik ist die Sensorwelle diesbezüglich wartungsfrei, da es keine Brandmarken / Schweißpunkte gibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dahingehend weitergebildet werden, dass die folgenden weiteren zwischen dem Erzeugen des wenigstens einen ersten Strompulses und dem Entfernen des wenigstens einen elektrischen Leiters durchzuführende Schritte vorgesehen sind: Einbringen einer magnetischen Abschirmung in den Hohlraum des Bauteils (insbesondere in die Hohlwelle), zwischen den Leiter und dem Bauteil (insbesondere Hohlwelle), in einem Teilbereich des Bauteils (insbesondere Hohlwelle); Erzeugen wenigstens eines zweiten Strompulses durch den wenigstens einen elektrischen Leiter, wobei die Stromrichtung des wenigstens einen zweiten Strompulses entgegengesetzt zur Stromrichtung des wenigstens einen ersten Strompulses ist; und Entfernen der magnetischen Abschirmung aus dem Bauteil (insbesondere Hohlwelle). Indem die Abschirmung nur in einen Teilbereich der Hohlwelle angeordnet wird, kann eine gegenläufige Magnetisierung in zwei Teilbereichen des Bauteils erzielt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann andererseits dahingehend weitergebildet werden, dass das Einbringen wenigstens eines elektrischen Leiters in den Hohlraum des Bauteils (insbesondere in die Hohlwelle), das Einbringen einer erfindungsgemäßen Magnetisierungsvorrichtung oder einer ihrer Weiterbildungen in den Hohlraum des Bauteils (insbesondere Hohlwelle), umfasst; das Erzeugen wenigstens eines Strompulses durch den wenigstens einen elektrischen Leiter das Erzeugen wenigstens eines Strompulses durch die Leiter der Magnetisierungsvorrichtung umfasst; und das Entfernen des wenigstens einen elektrischen Leiters aus dem Hohlraum des Bauteils (insbesondere Hohlwelle), das Entfernen der Magnetisierungsvorrichtung aus dem Hohlraum des Bauteils (insbesondere Hohlwelle) umfasst.
Das Verfahren kann weitergebildet werden, indem der folgende weitere und vor allen anderen Schritten durchzuführende Schritt vorgesehen ist: Bohren des Bauteils zum Herstellen des Hohlraums, insbesondere Bohren einer Vollwelle entlang einer axialen Richtung zum Herstellen der Hohlwelle, wobei das Bauteil, insbesondere die Vollwelle, vollständig oder nur teilweise durchbohrt wird. Eine beispielhafte Vollwelle, die als etwa als magnetostriktiver Drehmomentsensor ausgebildet werden soll, kann z.B. entlang der zentralen Achse aufgebohrt werden, um darin die Magnetisierungsvorrichtung einzubringen, wobei je nach baulichen Gegebenheit und Verwendung des Sensors eine vollständige oder auch nur eine teilweise Durchbohrung sinnvoll sein kann.
Weitere Merkmale und beispielhafte Ausführungsformen sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung erschöpfen. Es versteht sich weiterhin, dass einige oder sämtliche der im Weiteren beschriebenen Merkmale auch auf andere Weise miteinander kombiniert werden können.
Zeichnungen
Figur 1 veranschaulicht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 2 veranschaulicht einen Strom- und Magnetfeldstärkeverlauf in der ersten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Figur 3 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 4 veranschaulicht einen Strom- und Magnetfeldstärkeverlauf in einem Teilbereich der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 5 veranschaulicht einen qualitativen radialen Strom- und Magnetfeldstärkeverlauf in einem Teilbereich der ersten oder zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 6A veranschaulicht einen ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 6B veranschaulicht einen zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 6C veranschaulicht eine Magnetisierung der Hohlwelle nach Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen
Figur 1 veranschaulicht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Magnetisierungsvorrichtung 100 umfasst in dieser Ausführungsform einen ersten, inneren Leiter 1 10, der beispielsweise als Volldraht 1 10 aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Metall, ausgebildet sein kann. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 100 einen zweiten, äu ßeren Leiter 120, der beispielsweise eine kreisförmige zylindrische Form haben kann und um den ersten Leiter 1 10 herum angeordnet ist. Der Strom fließt beispielsweise durch den ersten Leiter nach rechts und durch den zweiten Leiter zurück nach links. Die Enden der beiden Leiter 1 10 und 120 können in dieser Ausführungsform miteinander elektrisch leitend verbunden sein, so dass in einem Endbereich 150 der Vorrichtung 100 eine Stromumkehr erfolgt. Weiterhin ist eine magnetische Abschirmung zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter vorgesehen. Im Fall von gepulstem Strom, also zeitabhängigem Stromverlauf, werden zeitlich variable Magnetfelder erzeugt, welche wiederum zeitlich variable elektrische Felder induzieren. Die magnetische Abschirmung 130 zwischen den beiden Leitern bewirkt, dass diese induzierten elektrischen Felder darin Wirbelströme erzeugt, die letztlich zu einer Absorption von Feldenergie führt. Dies erfolgt jedoch nur für den inneren Leiter, da der äu ßere Hohlleiter in seinem Inneren feldfrei ist. Deshalb wird das auf eine Hohlwelle 190 einwirkende Magnetfeld des Inneren Leiters durch die Abschirmung 130 abgeschwächt. Die magnetische Abschirmung 130 muss so gewählt werden, dass das magnetische Feld des zentralen Leiters abgeschwächt wird (was im Falle von Gleichstrom nicht möglich ist). Eine optimale Schichtdicke d lässt sich nach « = ^^ σμΓμΒ)'1 abschätzen, und als Materialen für die Abschirmung kommen hochpermeable oder hochleitfähige Werkstoffe in Frage, wie etwa Cu, Fe, AI etc., oder FeCo, FeNi, FeSi Legierungen. Die Vorrichtung 100 kann mit dem Endbereich 150 voran in eine Hohlwelle, insbesondere in eine nur teilweise hohle Welle eingebracht werden, da der Stromkreis über die Kontaktierung der beiden Leiter selbst geschlossen wird und somit keine Leiter vollständig durch die Welle geführt werden müssen.
Figur 2 veranschaulicht einen Strom- und Magnetfeldstärkeverlauf in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittdarstellung senkrecht zur Achse der Welle 190. Der innere Pfeil im Uhrzeigersinn gibt die Magnetfeldrichtung des Magnetfeldes an, das durch den inneren Leiter 1 10 mit einer Stromrichtung erzeugt wird, die in Papierebene hineingeht. Entsprechend gibt der äußere Pfeil entgegen dem Uhrzeigersinn die Magnetfeldrichtung des Magnetfeldes an, das durch den äu ßeren Leiter 120 mit einer Stromrichtung erzeugt wird, die aus der Papierebene herauskommt. Die magnetische Abschirmung 130 kann insbesondere aus einer Kombination aus verschiedenen elektrisch / magnetisch leitfähigen Werkstoffen hergestellt sein. Durch die Abschirmung wird das innere Feld gedämpft und die Hohlwelle entsprechend der Feldrichtung des äußeren Feldes remanent magnetisiert.
Figur 3 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese zweite Ausführungsform 300 ist zur Erzeugung von zwei gegenläufigen Magnetisierungsbereichen in einem Prozessschritt geeignet. Da der magnetostriktive Effekt in Stahl zu relativ geringen Feldstärkeänderung im Bereich von 1 μΤ bis 1 mT erfolgt, ist in der Regel eine Differentialmessung erforderlich. Die Erzeugung eines einzigen Magnetisierungsbereiches reicht daher in der Praxis nicht aus, es müssen daher wenigstens zwei Bereiche erzeugt werden. Für die Erzeugung von zwei gegenläufigen Bereichen müssen zwei gegenläufige Stromimpulse so erzeugt werden, dass sich deren erzeugtes Feld nicht gegenseitig aufhebt. Eine mögliche Realisierung zeigt die Anordnung in Figur 3. Der Strom fließt in die- ser Anordnung zunächst zentral über einen zentralen Leiter 310 in die Hohlwelle 390 und wird dann an der mittigen Übergangsstelle in einen Hohlleiter 321 umgeleitet. Am Ende dieses Hohlleiters 321 wird der Strom wieder über einen weiteren mittigen zentralen Leiter 31 1 zurückgeführt und an der Übergangsstelle wieder auf einen äu ßeren weiteren Hohlleiter 320 umgeleitet. Zwischen dem Hohlleiter und dem zentralen Leiter ist die magnetische Abschirmung angeordnet. Die erste Ausführungsform nach Figur 1 stellt im Wesentlichen die linke Hälfte der in Figur 3 gezeigten Anordnung nach der zweiten Ausführungsform dar, wobei lediglich die Endbereiche der Leiter unmittelbar miteinander gekoppelt sind, ohne dass der Strom dabei noch über einen weiteren äu ßeren und inneren Leiter geführt wird.
Figur 4 veranschaulicht analog zu Figur 2 den Strom- und Magnetfeldstärkeverlauf in dem in der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung hinzugekommenen Abschnitt in einer Schnittdarstellung senkrecht zur Achse der Welle 390. Der innere Pfeil entgegen dem Uhrzeigersinn gibt die Magnetfeldrichtung des Magnetfeldes an, das durch den inneren Leiter 31 1 mit einer Stromrichtung erzeugt wird, die aus der Papierebene herauskommt. Entsprechend gibt der äu ßere Pfeil im Uhrzeigersinn die Magnetfeldrichtung des Magnetfeldes an, das durch den äußeren Leiter 321 mit einer Stromrichtung erzeugt wird, die in die Papierebene hineingeht. Die magnetische Abschirmung 330 kann einstückig oder für jeden Magnetisierungsbereich separat vorgesehen sein.
Figur 5 veranschaulicht einen qualitativen radialen Stromdichte- und Magnetfeldstärkeverlauf in einem Teilbereich der ersten oder zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es ist hier angenommen, dass die Stromdichte gleichmäßig über die gesamte Leiterfläche verteilt ist, also jeweils im Innern des inneren und des äußeren Leiters konstant ist. Die entsprechende zugehörige Magnetfeldverteilung im Innern der Hohlwelle zeigt, dass au ßerhalb des äußeren (Hohl-)Leiters ein von Null verschiedenes Magnetfeld vorhanden ist, was im DC Fall nicht möglich ist.
Figur 6 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Magnetisierung einer Hohlwelle 690. Für Sensoren mit einem magnetisierten Bereich reicht ein Stromleiter 610 innerhalb der Hohlwelle, durch den der Stromimpuls zur Magnetisierung geleitet wird. Aufgrund der Unabhängigkeit der Feldstärke von der Stromdichteverteilung muss für unterschiedliche Durchmesser lediglich die Stromstärke angepasst werden, der Leiterquerschnitt ist für die Feldverteilung nicht von Bedeutung. Bei der Erzeugung von zwei gegenläufigen Magnetisierungsbereichen kann dies erfindungsgemäß in zwei Prozessschritten erfolgen. Die Hohlwelle 690 wird durch einen Stromfluss durch den Leiter wie soeben beschrieben magnetisiert; es entsteht ein erster Magnetisierungsbereich (Figur 6A). Danach erfolgt das Einbringen der magnetischen Abschirmung 630 und eine Umkehr der Stromrichtung (6B). Als Ergebnis entsteht eine Hohlwelle 690 mit zwei gegenläufig magnetisierten Bereichen 681 , 682 (Figur 6C).

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zum Magnetisieren einer Bauteils, insbesondere einer Hohlwelle, umfassend: einen inneren ersten elektrischen Leiter; einen äu ßeren zweiten elektrischen Leiter, der als Hohlleiter ausgebildet ist; und eine magnetische Abschirmung; wobei der erste elektrische Leiter zumindest teilweise in dem zweiten elektrischen Leiter angeordnet ist, und wobei die magnetische Abschirmung einen ersten Abschnitt aufweist, der zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der erste elektrische Leiter und der zweite elektrische Leiter an einem jeweiligen Endbereich eine gemeinsame elektrische Kontaktstelle aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend: einen inneren dritten elektrischen Leiter; einen äu ßeren vierten elektrischen Leiter, der als Hohlleiter ausgebildet ist; wobei der dritte elektrische Leiter zumindest teilweise in dem vierten elektrischen Leiter angeordnet ist, und wobei die magnetische Abschirmung einen zweiten Abschnitt aufweist, der zwischen dem dritten und dem vierten elektrischen Leiter angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der der zweite und der dritte elektrische Leiter eine gemeinsame elektrische Kontaktstelle aufweisen, und wobei der erste und der vierte elektrische Leiter eine gemeinsame Kontaktstelle aufweisen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der erste und der zweite elektrische Leiter an einem jeweiligen distalen Endbereich die gemeinsame elektrische Kontaktstelle aufweisen, wobei der zweite und der dritte elektrische Leiter an einem proximalen Endbereich des zweiten und an einem distalen Endbereich des dritten Leiters die gemeinsame elektrische Kontaktstelle aufweisen, und wobei der erste und der vierte elektrische Leiter an einem proximalen Endbereich des ersten und an einem distalen Endbereich des vierten die gemeinsame Kontaktstelle aufweisen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der erste und der dritte Leiter auf einer geraden Linie angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt der magnetischen Abschirmung eine Einheit bilden, und in Kombination mit Anspruch 4 mit Durchführungen für die elektrischen Kontaktstellen versehen ist; oder wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt der magnetischen Abschirmung jeweils separate Einheiten sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der bzw. die Hohlleiter und/oder die magnetische Abschirmung bzw. die magnetischen Abschirmungen jeweils im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders aufweisen.
9. Verfahren zum Magnetisieren eines Bauteils, insbesondere einer Hohlwelle, mit den Schritten:
Einbringen wenigstens einen elektrischen Leiters in einen Hohlraum des Bauteils, insbesondere in die Hohlwelle;
Erzeugen wenigstens eines ersten Strompulses durch den wenigstens einen elektrischen Leiter; und
Entfernen des wenigstens einen elektrischen Leiters aus dem Bauteil, insbesondere der Hohlwelle.
10. Verfahren nach Anspruch 9, mit den weiteren zwischen dem Erzeugen des wenigstens einen ersten Strompulses und dem Entfernen des wenigstens einen elektrischen Leiters durchzuführenden Schritten:
Einbringen einer magnetischen Abschirmung in den Hohlraum des Bauteils, insbesondere in die Hohlwelle, zwischen den Leiter und dem Bauteil, insbesondere der Hohlwelle, in einem Teilbereich des Bauteils, insbesondere der Hohlwelle;
Erzeugen wenigstens eines zweiten Strompulses durch den wenigstens einen elektrischen Leiter, wobei die Stromrichtung des wenigstens einen zweiten Strompulses entgegengesetzt zur Stromrichtung des wenigstens einen ersten Strompulses ist; und
Entfernen der magnetischen Abschirmung aus dem Bauteil, insbesondere der Hohlwelle.
1 1 . Verfahren zum Magnetisieren einer Hohlwelle nach Anspruch 9, wobei das Einbringen wenigstens eines elektrischen Leiters in den Hohlraum des Bauteils, insbesondere in die Hohlwelle, das Einbringen einer Magnetisierungsvor- richtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in den Hohlraum des Bauteils, insbesondere in die Hohlwelle, umfasst; das Erzeugen wenigstens eines Strompulses durch den wenigstens einen elektrischen Leiter das Erzeugen wenigstens eines Strompulses durch die Leiter der Magnetisierungsvorrichtung umfasst; und das Entfernen des wenigstens einen elektrischen Leiters aus dem Hohlraum des Bauteils, insbesondere aus der Hohlwelle, das Entfernen der Magnetisierungsvorrichtung aus dem Hohlraum des Bauteils, insbesondere aus der Hohlwelle umfasst.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , mit dem weiteren vor allen anderen Schritten durchzuführenden Schritt:
Bohren des Bauteils zum Herstellen des Hohlraums, insbesondere Bohren einer Vollwelle entlang einer axialen Richtung zum Herstellen der Hohlwelle, wobei das Bauteil, insbesondere die Vollwelle, vollständig oder nur teilweise durchbohrt wird.
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