WO2016162028A1 - Anordnung und verfahren zur berührungslosen messung eines momentes an einem maschinenelement - Google Patents

Anordnung und verfahren zur berührungslosen messung eines momentes an einem maschinenelement Download PDF

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Florian KÖNIGER
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/443—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed mounted in bearings

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement and a method for non-contact measurement of a moment on an axis-extending machine element using the inverse magnetostrictive effect.
  • the invention also permits, in particular, the measurement of a rotation angle and / or a rotational speed of the machine element.
  • DE 602 00 499 T2 shows a position sensor for determining the rotation of a steering column.
  • the position sensor consists of a first magnetic structure with a plurality of magnets and a second magnetic structure with two ferromagnetic rings. The two ferromagnetic rings engage each other and define an air gap in which at least one magnetically sensitive element is arranged.
  • EP 0 706 057 A2 relates to a magnetic image sensor which uses the Matteucci effect.
  • the image sensor comprises a magnetic wire and means for circumferentially magnetizing the wire.
  • a magnetoelastic torque sensor with circular magnetization is known.
  • the magnetization is formed in a ferromagnetic, magnetostrictive material of a shaft and extends in a circle around the shaft.
  • WO 2007/048143 A2 teaches a sensor with a magnetized shaft.
  • the magnetization is formed circumferentially around the shaft, whereby the magnetization may be inclined with respect to the axis.
  • WO 01/27638 A1 shows an acceleration sensor with a shaft which is magnetized circumferentially or longitudinally.
  • a torque sensor which comprises a magnetization on a rotating shaft.
  • the magnetization is circumferentially formed.
  • US 8, 191, 431 B2 teaches a sensor comprising a magnetized shaft and a magnetic sensor.
  • the sensor allows the measurement of a torque and also the measurement of a rotational speed or a rotational angle of the shaft.
  • the magnetization is formed circumferentially around the shaft, whereby the magnetization can be inclined with respect to the axis.
  • DE 601 09 715 T2 shows a magnetostrictive torque sensor with a shaft made of a magnetostrictive material which is magnetized by opposing permanent magnets.
  • a force flux detector is used to measure the due to the magnetostrictive effect of the rotating shaft emerging magnetic field.
  • the oppositely arranged permanent magnets lead to a magnetic field propagating diametrically in the shaft.
  • the object of the present invention is to expand the possibilities of measuring moments based on the inverse-magnetostrictive effect.
  • the stated object is achieved by an arrangement according to the attached claim 1 as well as by a method according to the appended independent claim 8.
  • the arrangement according to the invention serves for contactless measuring of a moment on a machine element extending in an axis.
  • the moment acts on the machine element, whereby it comes to mechanical stresses and deforms the machine element usually slightly.
  • the axis is preferred a rotation axis of the machine element.
  • the moment is preferably a torsional moment.
  • the machine element has a permanent magnetization, which is formed at least within an axial section of the machine element.
  • the permanent magnetization is preferably formed completely in this axial section of the machine element.
  • the machine element is preferably made of a ferromagnetic material at least in the axial section.
  • the permanent magnetization has two magnetic poles, d. H. a north pole and a south pole which are diametrically opposed with respect to the axis. Therefore, the permanent magnetization is aligned parallel to a straight line, which is aligned radially with respect to the axis. This line cuts the axis at a right angle.
  • This straight line comprises a diameter of the machine element, namely the diameter which connects the two magnetic poles of the permanent magnetization.
  • the orientation of the permanent magnetization can also be described as diametrically related to the machine element and its axis.
  • the orientation of the permanent magnetization can alternatively be described by the fact that the permanent magnetization runs on both sides parallel to a connecting straight line which connects two points which are opposite by 180 ° at the distance of the diameter.
  • the permanent magnetization preferably has exactly two of the magnetic poles.
  • the permanent magnetization is preferably aligned completely parallel to the said straight line, which is oriented radially relative to the axis.
  • the described orientation of the permanent magnetization is given by the course of the magnetic field lines of the permanent magnetization.
  • the magnetic field lines thus run on both sides parallel to a connecting straight line, which two extend by 180 ° in the Distance of the diameter connects opposite points.
  • the magnetic field lines of the permanent magnetization close outside the machine element along curved paths. Within the machine element, the magnetic field lines of the permanent magnetization are parallel to each other.
  • the permanent magnetization can also be embossed only within the machine element, so that there are no magnetic field lines outside the machine element.
  • the machine element with the permanent magnetization forms a primary sensor for measuring the moment.
  • the resulting shear stress causes a rotation of the permanent magnetization due to the inverse magnetostrictive effect and the resulting magnetoelastic coupling.
  • an axial magnetic field component is created. If the magnetic field lines of the permanent magnetization are perpendicular to the surface, no axial magnetic field component is produced.
  • the arrangement further comprises at least one magnetic field sensor, which forms a secondary sensor.
  • the primary sensor d. H. the machine element z.
  • the magnetic field sensor is designed for individual measurement of an axial directional component of a magnetic field caused by the permanent magnetization and by the moment or of an axial directional component of a magnetic field change caused by the permanent magnetization and by the moment.
  • the named magnetic field or magnetic field change occurs due to the inverse-magnetostrictive effect.
  • Magnetic field or said magnetic field change is also dependent on the rotation angle of the machine element, so that it changes, for example periodically, when the machine element rotates and the moment is constant.
  • the magnetic field sensor is preferred for measuring an amplitude and / or a phase angle of the axial direction component of the magnetic field caused by the permanent magnetization and the moment or the axial direction component of the magnetic field change caused by the permanent magnetization and by the moment educated.
  • the machine element can be acted upon exclusively by a torsional moment which, together with the permanent magnetization, exclusively effects the axial directional component of the named magnetic field or of the mentioned magnetic field change.
  • the magnetic field sensor is arranged opposite the machine element, with preferably only a small radial distance between the magnetic field sensor and an inner or outer surface of the machine element being present.
  • the magnetic field sensor is preferably located in said axial section of the machine element in which the permanent magnetization is located.
  • An advantage of the arrangement according to the invention is that the permanent magnetization of the machine element is detectable even without load by a moment from outside or inside and already offers the possibility of speed and / or rotation angle measurement. This simple detectability of the permanent magnetization is also advantageous from the point of view of quality assurance for the production.
  • the specified radial direction, the specified axial direction and the specified tangential direction basically refer to the axis of the machine element. These three directions are perpendicular to each other.
  • the permanent magnetization is formed at least in part of the volume of the machine element.
  • This part of the volume is preferably annular, with the axis of the machine element also forming a central axis of the ring shape.
  • This part of the volume particularly preferably has the shape of a hollow cylinder coaxial with the axis of the machine element.
  • the machine element preferably forms part of the arrangement according to the invention.
  • this further serves for measuring a rotational angle and / or a rotational speed of the machine element, for which the magnetic field sensor is further designed for measuring a rotational angle-dependent change in the magnetic field of the permanent magnetization.
  • the permanent magnetization according to the invention permits the simultaneous measurement of moments as well as rotational speed and / or rotational angle.
  • the magnetic field sensor is furthermore preferably designed for the individual measurement of a radial direction component or a tangential direction component of the magnetic field of the permanent magnetization.
  • the magnetic field sensor is preferably designed for the individual measurement of two directional components of the magnetic field of the permanent magnetization oriented perpendicular to one another.
  • the magnetic field sensor is preferably designed for the individual measurement of the radial direction component of the magnetic field of the permanent magnetization and for the individual measurement of the tangential direction component of the magnetic field of the permanent magnetization.
  • the radial direction component and the tangential direction component have a phase offset of 90 ° with respect to one another during a rotation of the machine element, so that the angle of rotation can be determined unambiguously over the entire full angle.
  • the at least one magnetic field sensor is preferably formed by a multi-axis magnetic field sensor, which enables the measurement of the various directional components of the magnetic fields mentioned, preferably of three directional components which are perpendicular to one another.
  • the multiaxial magnetic field sensor is preferred for the individual measurement of the axial direction component, for the individual measurement of the radial direction component and the individual measurement of the tangential direction component of the said magnetic fields formed.
  • the at least one magnetic field sensor can also comprise a plurality of magnetic field sensor elements which enable the measurement of the different directional components of the magnetic fields.
  • the plurality of magnetic field sensor elements may be disposed within a housing; However, they can also be arranged separately from each other.
  • the at least one magnetic field sensor can be arranged outside the machine element or else within a cavity of the machine element; for example, if the machine element is formed by a hollow shaft.
  • the diametral permanent magnetization can be pronounced in different ways.
  • the magnetic field lines of the permanent magnetization are measurable both outside the machine element and within the cavity of the machine element, which is the case both in a loaded state of the machine element and in an unloaded state of the machine element.
  • the magnetic field lines of the permanent magnetization can be measured exclusively within the cavity of the machine element, which is the case both in a loaded state of the machine element and in an unloaded state of the machine element.
  • the machine element preferably has a high magnetostriction, at least in the region of its permanent magnetization. In that regard, at least in the region of its permanent magnetization, the machine element consists of a magnetostrictive material.
  • the machine element preferably has the shape of a cylinder, the cylinder being arranged coaxially with the axis.
  • the cylinder is preferably straight.
  • the machine element has the shape of a straight circular cylinder, wherein the circular cylinder is arranged coaxially to the axis.
  • the cylinder is conical.
  • the cylinder can also be hollow.
  • the machine element is preferably formed by a shaft, by a hollow shaft, by a shift fork, by a flange or by a hollow flange.
  • the shaft, the hollow shaft, the shift fork, the flange or the hollow flange can be designed for loads due to different forces and moments and, for example, be a component of a sensor bottom bracket, a roll stabilizer or a fertilizer spreader.
  • the machine element can also be formed by completely different types of machine elements.
  • the at least one magnetic field sensor or its magnetic field sensor elements are preferably by a semiconductor sensor, for. B. by a Hall or xMR sensor, or by a coil, for. B. formed by a fluxgate magnetometer.
  • a semiconductor sensor for. B. by a Hall or xMR sensor, or by a coil, for. B. formed by a fluxgate magnetometer.
  • other sensor types can also be used insofar as they are suitable for measuring a single or a plurality of individual directional components of the magnetic field or of the magnetic fields.
  • the method according to the invention serves for contactless measurement of a moment on a machine element extending in an axis.
  • the machine element has a permanent magnetization, which is formed at least within an axial portion of the machine element and is aligned parallel to a radially aligned straight line.
  • an axial directional component of a magnetic field caused by the permanent magnetization and by the moment or an axial directional component of a magnetic field change caused by the permanent magnetization and by the moment is preferred.
  • the method according to the invention particularly preferably continues to be used for measuring a rotational angle and / or a rotational speed of the machine element, for which purpose a rotation angle-dependent change in the magnetic field of the permanent magnetization is measured.
  • the arrangement according to the invention and its preferred embodiments are preferably used.
  • the method according to the invention preferably also has such features that are specified for the arrangement according to the invention and its preferred embodiments.
  • Fig. 1 is a hollow shaft of a preferred embodiment of a
  • FIG. 2 magnetic field lines in the hollow shaft shown in Figure 1;
  • Fig. 3 is a diagram of a course of a tangential and a radial
  • FIG. 4 shows a diagram of a course of an axial, a tangential and a radial direction component of magnetic fields of the hollow shaft shown in FIG. 1.
  • Fig. 1 shows a machine element in the form of a hollow shaft 01, which forms part of a preferred embodiment of an inventive arrangement.
  • the hollow shaft 01 is shown in a perspective view from the front and in a cross-sectional view.
  • the hollow shaft 01 has an axis 02, in which the hollow shaft 01 extends.
  • the axis 02 also forms an axis of symmetry of the hollow shaft 01.
  • the hollow shaft 01 has a diametrical permanent magnetization 03, which is illustrated by directional arrows.
  • the directional arrows of the permanent magnetization 03 extend in the hollow shaft 01 parallel to each other and perpendicular to the axis 02.
  • the directional arrows of the permanent magnetization 03 are parallel to a diameter of the hollow shaft 01, which intersects the axis 02 at a right angle and extends vertically in the exemplary representation ,
  • the diametrical permanent magnetization 03 leads to a magnetic field which has a tangential direction component ⁇ ⁇ of the magnetic flux density and a radial direction component B R of the magnetic flux density at a location which is to be assigned to a rotational angle ⁇ .
  • the arrangement further comprises a multiaxial magnetic field sensor (not shown) for measuring a radial direction component, a tangential direction component and an axial direction component of magnetic fields which emerge from the hollow shaft 01.
  • FIG. 2 shows the magnetic field lines inside and outside the hollow shaft 01 caused by the permanent magnetization 03 in the case of the hollow shaft 01 shown in FIG. 1.
  • the field lines of the diametral permanent magnetization 03 close outside the hollow shaft 01.
  • B ⁇ aximai the tangential direction component of the magnetic flux density
  • a minimum of the tangential directional component occurs.
  • FIG. 3 shows a diagram of a course of the tangential direction component ⁇ ⁇ of the magnetic flux density and the radial direction component BR of the magnetic flux density of the permanent magnetization 03 shown in FIG. 1 as a function of the angle of rotation cp.
  • the amplitude profiles of these two directional components are phase-shifted by 90 °.
  • these two directional components are measured with the multiaxial magnetic field sensor in order to measure the rotational angle ⁇ of the hollow shaft 01 (shown in FIG. 1).
  • the Hollow shaft 01 is not stressed by a torsion, so that no further directional component of a magnetic field occurs.
  • FIG. 4 shows a diagram of a course of the tangential direction component ⁇ ⁇ of the magnetic flux density and of the radial direction component BR of the magnetic flux density of the permanent magnetization 03 shown in FIG. 1.
  • the diagram also shows a profile of a magnetic flux density which is determined by FIG on the hollow shaft 01 acting torsional moment and caused by the permanent magnetization 03 and has an axial direction component B AX .
  • the torsional moment acting on the hollow shaft 01 can be determined.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum berührungslosen Messen eines Momentes an einem sich in einer Achse (02) erstreckenden Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Die Erfindung erlaubt insbesondere auch die Messung eines Drehwinkels (φ) und/oder einer Drehzahl des Maschinenelementes. Das Maschinenelement weist eine Permanentmagnetisierung (03) auf, die zumindest innerhalb eines axialen Abschnittes des Maschinenelementes ausgebildet Ist und parallel zu einer radial ausgerichteten Geraden ausgerichtet ist. Die Permanentmagnetisierung (03) besitzt bevorzugt genau zwei Pole, die bezogen auf die Achse (02) diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor, welcher zumindest zur Messung einer axialen Richtungskomponente (Bax) eines durch die Permanentmagnetisierung (03) sowie durch das Moment bewirkten Magnetfeldes oder einer axialen Richtungskomponente (Bax) einer durch die Permanentmagnetisierung (03) sowie durch das Moment bewirkten Magnetfeldänderung ausgebildet ist.

Description

Anordnung und Verfahren zur berührunqslosen Messung eines Momentes an einem Maschinenelement
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum berührungs- losen Messen eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschi- nenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Die Erfindung er- laubt insbesondere auch die Messung eines Drehwinkels und/oder einer Drehzahl des Maschinenelementes. Die DE 602 00 499 T2 zeigt einen Stellungsfühler zur Feststellung der Verdrehung ei- ner Lenksäule. Der Stellungfühler besteht aus einer ersten magnetischen Struktur mit einer Mehrzahl an Magneten und aus einer zweiten magnetischen Struktur mit zwei ferromagnetischen Kränzen. Die beiden ferromagnetischen Kränze greifen ineinander ein und definieren einen Luftspalt, in welchem mindestens ein magnetempfindliches Element angeordnet ist.
Die EP 0 706 057 A2 betrifft einen magnetischen Bildsensor, welcher den Matteucci- Effekt nutzt. Der Bildsensor umfasst einen magnetischen Draht und ein Mittel zur um- fänglichen Magnetisierung des Drahtes.
Aus der DE 692 22 588 T2 ist ein ringförmig magnetisierter Drehmomentsensor be- kannt.
Aus der DE 698 38 904 T2 ist ein magnetoelastischer Drehmomentsensor mit kreis- förmiger Magnetisierung bekannt. Die Magnetisierung ist in einem ferromagnetischen, magnetostriktiven Material einer Welle ausgebildet und erstreckt sich kreisförmig um die Welle.
Die WO 2007/048143 A2 lehrt einen Sensor mit einer magnetisierten Welle. Die Mag- netisierung ist umlaufend um die Welle herum ausgebildet, wobei die Magnetisierung gegenüber der Achse geneigt sein kann. Die WO 01/27638 A1 zeigt einen Beschleunigungssensor mit einer Welle, die umfäng- lich oder longitudinal magnetisiert ist.
Aus der WO 2006/053244 A2 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der eine Magneti- sierung an einer rotierenden Welle umfasst. Die Magnetisierung ist umfänglich ausge- bildet.
Die US 8, 191 ,431 B2 lehrt einen Sensor, der eine magnetisierte Welle und einen Magnetsensor umfasst. Der Sensor erlaubt die Messung eines Drehmomentes und auch die Messung einer Drehgeschwindigkeit bzw. eines Drehwinkels der Welle. Die Magnetisierung ist umlaufend um die Welle herum ausgebildet, wobei die Magnetisie- rung gegenüber der Achse geneigt sein kann.
Die DE 601 09 715 T2 zeigt einen magnetostriktiven Drehmomentmessfühler mit einer Welle aus einem magnetostriktiven Material, welches durch gegenüberliegende Per- manentmagneten magnetisiert wird. Ein Kraftflussdetektor dient dazu, das aufgrund des magnetostriktiven Effektes aus der sich drehenden Welle austretende Magnetfeld zu messen. Die gegenüberliegend angeordneten Permanentmagneten führen zu ei- nem sich diametral in der Welle ausbreitenden Magnetfeld.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Möglichkeiten einer auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhenden Messung von Momenten zu erweitern. Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten An- spruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten An- spruch 8.
Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum berührungslosen Messen eines Momen- tes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Das Moment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Die Achse bildet bevorzugt eine Rotationsachse des Maschinenelementes. Bei dem Moment handelt es sich be- vorzugt um ein Torsionsmoment.
Das Maschinenelement weist eine Permanentmagnetisierung auf, die zumindest in- nerhalb eines axialen Abschnittes des Maschinenelementes ausgebildet ist. Die Per- manentmagnetisierung ist bevorzugt vollständig in diesem axialen Abschnitt des Ma- schinenelementes ausgebildet. Entsprechend besteht das Maschinenelement zumin- dest in dem axialen Abschnitt bevorzugt aus einem ferromag netischen Material. Die Permanentmagnetisierung besitzt zwei magnetische Pole, d. h. einen Nordpol und einen Südpol, die sich bezogen auf die Achse diametral gegenüberliegen. Daher ist die Permanentmagnetisierung parallel zu einer Gerade ausgerichtet, welche radial bezogen auf die Achse ausgerichtet ist. Diese Gerade schneidet die Achse in einem rechten Winkel. Diese Gerade umfasst einen Durchmesser des Maschinenelementes, nämlich denjenigen Durchmesser, welcher die beiden magnetischen Pole der Perma- nentmagnetisierung verbindet. Die Ausrichtung der Permanentmagnetisierung kann auch als diametral bezogen auf das Maschinenelement und dessen Achse beschrie- ben werden. Auch kann die Ausrichtung der Permanentmagentisierung alternativ da- durch beschrieben werden, dass die Permanentmagnetisierung beidseitig parallel zu einer Verbindungsgeraden verläuft, welche zwei um 180° im Abstand des Durchmes- sers gegenüberliegende Punkte verbindet. Die Permanentmagnetisierung besitzt be- vorzugt genau zwei der magnetischen Pole. Die Permanentmagnetisierung ist bevor- zugt vollständig parallel zu der genannten Gerade ausgerichtet, welche radial bezo- gen auf die Achse ausgerichtet ist.
Durch das auf das Maschinenelement wirkende Moment kommt es aufgrund des magnetoelastischen Verhaltens zu einer reversiblen Veränderung der zuvor einge- prägten Permanentmagnetisierung, welche sich durch Messung der Magnetfelder au- ßerhalb des Maschinenelementes nachweisen lässt.
Die beschriebene Ausrichtung der Permanentmagnetisierung ist durch den Verlauf der Magnetfeldlinien der Permanentmagnetisierung gegeben. Die Magnetfeldlinien verlau- fen somit beidseitig parallel zu einer Verbindungsgeraden, welche zwei um 180° im Abstand des Durchmessers gegenüberliegende Punkte verbindet. Die Magnetfeldli- nien der Permanentmagnetisierung schließen sich außerhalb des Maschinenelemen- tes entlang gekrümmter Pfade. Innerhalb des Maschinenelementes verlaufen die Magnetfeldlinien der Permanentmagnetisierung parallel zueinander. Alternativ kann die Permanentmagnetisierung auch nur innerhalb des Maschinenelementes einge- prägt sein, sodass außerhalb des Maschinenelementes keine Magnetfeldlinien vor- handen sind.
Das Maschinenelement mit der Permanentmagnetisierung bildet einen Primärsensor zum Messen des Momentes. Bei Torsionsbelastung bewirkt die entstehende Scher- spannung aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes und der daraus resultieren- den magnetoelastischen Kopplung eine Verdrehung der Permanentmagnetisierung. An den Stellen, an denen die Magnetfeldlinien der Permanentmagnetisierung tangen- tial zur Oberfläche verlaufen, entsteht eine axiale Magnetfeldkomponente. Verlaufen die Magnetfeldlinien der Permanentmagnetisierung senkrecht zur Oberfläche, entsteht hingegen keine axiale Magnetfeldkomponente.
Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor, der einen Se- kundärsensor bildet. Der Primärsensor, d. h. das Maschinenelement z. B. in Form ei- ner Welle mit der Permanentmagnetisierung dient zur Wandlung des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld oder in eine Magnetfeldänderung, wäh- rend der Sekundärsensor die Wandlung dieses Magnetfeldes bzw. dieser Magnetfeld- änderung in ein elektrisches Signal ermöglicht. Der Magnetfeldsensor ist zur einzel- nen Messung einer axialen Richtungskomponente eines durch die Permanentmagne- tisierung sowie durch das Moment bewirkten Magnetfeldes oder einer axialen Rich- tungskomponente einer durch die Permanentmagnetisierung sowie durch das Moment bewirkten Magnetfeldänderung ausgebildet. Das genannte Magnetfeld bzw. die ge- nannte Magnetfeldänderung tritt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auf. Somit beruht die mit der erfindungsgemäßen Anordnung mögliche Messung auf dem invers-magnetostriktiven Effekt. Die axiale Richtungskomponente des genannten
Magnetfeldes bzw. der genannten Magnetfeldänderung ist auch abhängig vom Dreh- winkel des Maschinenelementes, sodass diese sich beispielsweise periodisch ändert, wenn sich das Maschinenelement dreht und das Moment konstant ist. Dementspre- chend ist der Magnetfeldsensor bevorzugt zur Messung einer Amplitude und/oder ei- ner Phasenlage der axialen Richtungskomponente des durch die Permanentmagneti- sierung sowie durch das Moment bewirkten Magnetfeldes bzw. der axialen Richtungs- komponente der durch die Permanentmagnetisierung sowie durch das Moment be- wirkten Magnetfeldänderung ausgebildet. Bevorzugt ist das Maschinenelement aus- schließlich durch ein Torsionsmoment beaufschlagbar, welches gemeinsam mit der Permanentmagnetisierung ausschließlich die axiale Richtungskomponente des ge- nannten Magnetfeldes bzw. der genannten Magnetfeldänderung bewirkt. Der Magnetfeldsensor ist gegenüber dem Maschinenelement angeordnet, wobei be- vorzugt nur ein geringer radialer Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor und einer inneren oder äußeren Oberfläche des Maschinenelementes vorhanden ist.
Der Magnetfeldsensor befindet sich bevorzugt in dem genannten axialen Abschnitt des Maschinenelementes, in welchem sich die Permanentmagnetisierung befindet.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass die Permanent- magnetisierung des Maschinenelementes auch ohne Belastung durch ein Moment von außen bzw. innen nachweisbar ist und bereits die Möglichkeit der Drehzahl- und/oder Drehwinkelmessung bietet. Diese einfache Nachweisbarkeit der Perma- nentmagnetisierung ist auch aus Sicht der Qualitätssicherung für die Fertigung vorteil- haft.
Die angegebene radiale Richtung, die angegebene axiale Richtung und die angege- bene tangentiale Richtung beziehen sich grundsätzlich auf die Achse des Maschinen- elementes. Diese drei Richtungen sind senkrecht zueinander ausgerichtet.
Die Permanentmagnetisierung ist zumindest in einem Teil des Volumens des Maschi- nenelementes ausgebildet. Dieser Teil des Volumens ist bevorzugt ringförmig ausge- bildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine mittlere Achse der Ring- form bildet. Besonders bevorzugt weist dieser Teil des Volumens die Form eines zur Achse des Maschinenelementes koaxialen Hohlzylinders auf. Das Maschinenelement bildet bevorzugt einen Bestandteil der erfindungsgemäßen Anordnung.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung dient diese weiterhin zum Messen eines Drehwinkels und/oder einer Drehzahl des Maschinenelementes, wofür der Magnetfeldsensor weiterhin zur Messung einer dreh- winkelabhängigen Veränderung des Magnetfeldes der Permanentmagnetisierung ausgebildet ist. Es ist nämlich ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausrich- tung der Permanentmagnetisierung, dass sie die gleichzeitige Messung von Momen- ten sowie von Drehzahl und/oder Drehwinkel erlaubt.
Bei diesen besonders bevorzugten Ausführungsformen ist der Magnetfeldsensor be- vorzugt weiterhin zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente oder einer tangentialen Richtungskomponente des Magnetfeldes der Permanentmag neti- sierung ausgebildet. Durch die Messung einer einzelnen dieser beiden Richtungs- komponenten ist zumindest die Drehzahl oder der Drehwinkel in einem Bruchteil des Vollwinkels bestimmbar. Soll der Drehwinkel über den gesamten Vollwinkel bestimm- bar sein, so ist der Magnetfeldsensor bevorzugt zur einzelnen Messung zweier senk- recht zueinander ausgerichteter Richtungskomponenten des Magnetfeldes der Per- manentmagnetisierung ausgebildet. Dabei ist der Magnetfeldsensor bevorzugt zur einzelnen Messung der radialen Richtungskomponente des Magnetfeldes der Perma- nentmagnetisierung und zur einzelnen Messung der tangentialen Richtungskompo- nente des Magnetfeldes der Permanentmagnetisierung ausgebildet. Die radiale Rich- tungskomponente und die tangentiale Richtungskomponente weisen bei einer Dre- hung des Maschinenelementes einen Phasenversatz von 90° zueinander auf, sodass der Drehwinkel eindeutig über den gesamten Vollwinkel bestimmbar ist.
Der mindestens eine Magnetfeldsensor ist bevorzugt durch einen mehrachsigen Mag- netfeldsensor gebildet, welcher die Messung der verschiedenen Richtungskomponen- ten der genannten Magnetfelder ermöglicht, bevorzugt von drei senkrecht aufeinander stehenden Richtungskomponenten. Der mehrachsige Magnetfeldsensor ist bevorzugt zur einzelnen Messung der axialen Richtungskomponente, zur einzelnen Messung der radialen Richtungskomponente und zur einzelnen Messung der tangentialen Rich- tungskomponente der genannten Magnetfelder ausgebildet.
Der mindestens eine Magnetfeldsensor kann aber auch mehrere Magnetfeldsensor- elemente umfassen, welche die Messung der verschiedenen Richtungskomponenten der Magnetfelder ermöglichen. Die mehreren Magnetfeldsensorelemente können in- nerhalb eines Gehäuses angeordnet sein; jedoch können sie auch getrennt voneinan- der angeordnet sein. Grundsätzlich kann der mindestens eine Magnetfeldsensor außerhalb des Maschi- nenelementes oder auch innerhalb eines Hohlraumes des Maschinenelementes an- geordnet sein; beispielsweise wenn das Maschinenelement durch eine Hohlwelle ge- bildet ist. Die diametrale Permanentmagnetisierung kann auf unterschiedliche Weise ausge- prägt sein. Bevorzugt sind die Magnetfeldlinien der Permanentmagnetisierung sowohl außerhalb des Maschinenelementes als auch innerhalb des Hohlraumes des Maschi- nenelementes messbar, was sowohl in einem belasteten Zustand des Maschinenele- mentes als auch in einem unbelasteten Zustand des Maschinenelementes der Fall ist. Alternativ bevorzugt sind die Magnetfeldlinien der Permanentmagnetisierung aus- schließlich innerhalb des Hohlraumes des Maschinenelementes messbar, was sowohl in einem belasteten Zustand des Maschinenelementes als auch in einem unbelasteten Zustand des Maschinenelementes der Fall ist. Das Maschinenelement weist zumindest im Bereich seiner Permanentmagnetisierung bevorzugt eine hohe Magnetostriktivität auf. Insoweit besteht das Maschinenelement zumindest im Bereich seiner Permanentmagnetisierung aus einem magnetostriktiven Material. Das Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Zylinders auf, wobei der Zy- linder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Der Zylinder ist bevorzugt gerade. Beson- ders bevorzugt weist das Maschinenelement die Form eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen Ausführungsformen ist der Zylinder konisch ausgebildet. Der Zylinder kann auch hohl sein.
Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle, durch eine Hohlwelle, durch eine Schaltgabel, durch einen Flansch oder durch einen Hohlflansch gebildet. Die Welle, die Hohlwelle, die Schaltgabel, der Flansch bzw. der Hohlflansch kann für Be- lastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momente ausgelegt sein und beispiels- weise eine Komponente eines Sensortretlagers, eines Wankstabilisators oder eines Düngerstreuers sein. Grundsätzlich kann das Maschinenelement auch durch völlig andersartige Maschinenelementtypen gebildet sein.
Der mindestens eine Magnetfeldsensor bzw. dessen Magnetfeldsensorelemente sind bevorzugt durch einen Halbleitersensor, z. B. durch einen Hall- oder xMR-Sensor, oder durch eine Spule, z. B. durch ein Fluxgate-Magnetometer gebildet. Grundsätzlich können auch andere Sensortypen verwendet werden, insofern sie zur Messung einer einzelnen bzw. mehrere einzelner Richtungskomponenten des magnetischen Feldes bzw. der magnetischen Felder geeignet sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum berührungslosen Messen eines Momen- tes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Das Maschinen- element weist eine Permanentmagnetisierung auf, die zumindest innerhalb eines axia- len Abschnittes des Maschinenelementes ausgebildet ist und parallel zu einer radial ausgerichteten Geraden ausgerichtet ist. Erfindungsgemäß erfolgt eine Messung einer axialen Richtungskomponente eines durch die Permanentmagnetisierung sowie durch das Moment bewirkten Magnetfeldes oder einer axialen Richtungskomponente einer durch die Permanentmagnetisierung sowie durch das Moment bewirkten Magnetfeld- änderung Bevorzugt werden eine Amplitude und/oder eine Phase der axialen Rich- tungskomponente des durch die Permanentmagnetisierung sowie durch das Moment bewirkten Magnetfeldes bzw. der axialen Richtungskomponente der durch die Perma- nentmagnetisierung sowie durch das Moment bewirkten Magnetfeldänderung gemes- sen, um das Moment zu bestimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren dient besonders bevorzugt weiterhin zum Messen eines Drehwinkels und/oder einer Drehzahl des Maschinenelementes, wofür eine drehwinkelabhängige Veränderung des Magnetfeldes der Permanentmagnetisierung gemessen wird.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bevorzugt die erfin- dungsgemäße Anordnung und deren bevorzugte Ausführungsformen verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren weist bevorzugt auch solche Merkmale auf, die für die erfindungsgemäße Anordnung und deren bevorzugte Ausführungsformen angegeben sind.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine Hohlwelle einer bevorzugten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Anordnung in zwei Ansichten;
Fig. 2 magnetische Feldlinien in der in Fig. 1 gezeigten Hohlwelle;
Fig. 3 ein Diagramm eines Verlaufes einer tangentialen und einer radialen
Richtungskomponente eines Magnetfeldes der in Fig. 1 gezeigten Hohlwelle in einem unbelasteten Zustand; und
Fig. 4 ein Diagramm eines Verlaufes einer axialen, einer tangentialen und einer radialen Richtungskomponente von Magnetfeldern der in Fig. 1 gezeigten Hohlwelle.
Fig. 1 zeigt ein Maschinenelement in Form einer Hohlwelle 01 , welche einen Teil einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung bildet. Die Hohl- welle 01 ist in einer Perspektiven Ansicht von vorn und in einer Querschnittsansicht gezeigt. Die Hohlwelle 01 weist eine Achse 02 auf, in welcher sich die Hohlwelle 01 erstreckt. Die Achse 02 bildet auch eine Symmetrieachse der Hohlwelle 01 . Die Hohlwelle 01 besitzt eine diametrale Permanentmagnetisierung 03, welche durch Richtungspfeile veranschaulicht ist. Die Richtungspfeile der Permanentmagnetisierung 03 verlaufen in der Hohlwelle 01 zueinander parallel und senkrecht zur Achse 02. Die Richtungspfeile der Permanentmagnetisierung 03 verlaufen parallel zu einem Durch- messer der Hohlwelle 01 , welcher die Achse 02 in einem rechten Winkel schneidet und in der beispielhaften Darstellung vertikal verläuft.
Die diametrale Permanentmagnetisierung 03 führt an einem Ort, welcher einem Drehwinkel φ zuzuordnen ist, zu einem Magnetfeld, welches eine tangentiale Rich- tungskomponente Βφ der magnetischen Flussdichte und eine radiale Richtungskom- ponente BR der magnetischen Flussdichte besitzt.
Die Anordnung umfasst weiterhin einen mehrachsigen Magnetfeldsensor (nicht ge- zeigt) zur Messung einer radialen Richtungskomponente, einer tangentialen Rich- tungskomponente und einer axialen Richtungskomponente von Magnetfeldern, wel- che aus der Hohlwelle 01 austreten.
Fig. 2 zeigt die bei der in Fig. 1 gezeigten Hohlwelle 01 durch die Permanentmagneti- sierung 03 hervorgerufenen magnetischen Feldlinien innerhalb und außerhalb der Hohlwelle 01 . Die Feldlinien der diametralen Permanentmagnetisierung 03 schließen sich außerhalb der Hohlwelle 01. Bei einem Drehwinkel von 0° in Bezug auf das in Fig 1 gezeigte Koordinatensystem tritt ein Maximum B^aximai der tangentialen Rich- tungskomponente der magnetischen Flussdichte auf, bei einem Drehwinkel von 90° tritt ein Minimum der tangentialen Richtungskomponente auf.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm eines Verlaufes der tangentialen Richtungskomponente Βφ der magnetischen Flussdichte und der radialen Richtungskomponente BR der magne- tischen Flussdichte der in Fig. 1 gezeigten Permanentmagnetisierung 03 in Abhängig- keit vom Drehwinkel cp. Die Amplitudenverläufe dieser beiden Richtungskomponenten sind um 90° phasenverschoben. Erfindungsgemäß werden diese beiden Richtungs- komponenten mit dem mehrachsigen Magnetfeldsensor gemessen, um den Drehwin- kel φ der Hohlwelle 01 (gezeigt in Fig. 1 ) zu messen. Bei dem gezeigten Verlauf ist die Hohlwelle 01 nicht durch eine Torsion beansprucht, sodass keine weitere Richtungs- komponente eines Magnetfeldes auftritt.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm eines Verlaufes der tangentialen Richtungskomponente Βφ der magnetischen Flussdichte und der radialen Richtungskomponente BR der magne- tischen Flussdichte der in Fig. 1 gezeigten Permanentmagnetisierung 03. Das Dia- gramm zeigt weiterhin einen Verlauf einer magnetischen Flussdichte, welche durch ein auf die Hohlwelle 01 wirkendes Torsionsmoment und durch die Permanentmagne- tisierung 03 hervorgerufen wird und eine axiale Richtungskomponente BAX besitzt. Durch die Messung von Amplitude und/oder Phasenlage der axialen Richtungskom- ponente BAX lässt sich das auf die Hohlwelle 01 wirkende Torsionsmoment bestim- men.
Bezuqsze ic he n I iste
01 Hohlwelle
02 Achse
03 Permanentmagnetisierung
φ Drehwinkel
ΒΦ tangentiale Richtungskomponente
BR radiale Richtungskomponente
Bax axiale Richtungskomponente

Claims

Patentansprüche 1. Anordnung zum berührungslosen Messen eines Momentes an einem sich in ei- ner Achse (02) erstreckenden Maschinenelement; wobei das Maschinenelement eine Permanentmagnetisierung (03) aufweist, die zumindest innerhalb eines axi- alen Abschnittes des Maschinenelementes ausgebildet ist und parallel zu einer radial ausgerichteten Geraden ausgerichtet ist; und wobei die Anordnung weiter- hin mindestens einen Magnetfeldsensor umfasst, welcher zumindest zur Mes- sung einer axialen Richtungskomponente (Bax.) eines durch die Permanentmag- netisierung (03) sowie durch das Moment bewirkten Magnetfeldes oder einer axialen Richtungskomponente (Bax ) einer durch die Permanentmagnetisierung (03) sowie durch das Moment bewirkten Magnetfeldänderung ausgebildet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Permanent- magnetisierung (03) genau zwei Pole besitzt, die bezogen auf die Achse (02) di- ametral gegenüberliegend angeordnet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mag- netfeldlinien der Permanentmagnetisierung (03) innerhalb des Maschinenele- mentes parallel zueinander und senkrecht zur Achse (02) verlaufen.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin zum Messen eines Drehwinkels (φ) und/oder einer Drehzahl des Maschinenelementes dient, wofür der Magnetfeldsensor weiterhin zur Messung einer drehwinkelabhängigen Veränderung des Magnetfeldes der Permanent- magnetisierung (03) ausgebildet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeld- sensor zur einzelnen Messung zweier senkrecht zueinander ausgerichteter Rich- tungskomponenten (BR, Βφ) des Magnetfeldes der Permanentmagnetisierung (03) ausgebildet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeld- sensor zur einzelnen Messung der radialen Richtungskomponente (BR) des Magnetfeldes der Permanentmagnetisierung (03) und zur einzelnen Messung der tangentialen Richtungskomponente (Βφ) des Magnetfeldes der Permanent- magnetisierung (03) ausgebildet ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement durch eine Welte, durch einen Flansch, durch eine Hohl- welle (01 ) oder durch einen Hohlflansch gebildet ist.
8. Verfahren zum berührungslosen Messen eines Momentes an einem sich in einer Achse (02) erstreckenden Maschinenelement; wobei das Maschinenelement ei- ne Permanentmagnetisierung (03) aufweist, die zumindest innerhalb eines axia- len Abschnittes des Maschinenelementes ausgebildet ist und parallel zu einer radial ausgerichteten Geraden ausgerichtet ist; und wobei bei dem Verfahren ei- ne axiale Richtungskomponente (Bax) eines durch die Permanentmagnetisierung (03) sowie durch das Moment bewirkten Magnetfeldes oder eine axiale Rich- tungskomponente (Bax) einer durch die Permanentmagnetisierung (03) sowie durch das Moment bewirkten Magnetfeldänderung gemessen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitude und/oder eine Phase der axialen Richtungskomponente (Bax) des durch die Per- manentmagnetisierung (03) sowie durch das Moment bewirkten Magnetfeldes oder der axialen Richtungskomponente (Bax) der durch die Permanentmagneti- sierung (03) sowie durch das Moment bewirkten Magnetfeldänderung gemessen werden, um das Moment zu bestimmen.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin zum Messen eines Drehwinkels (φ) und/oder einer Drehzahl des Maschinenele- mentes dient, wofür eine drehwinkelabhängige Veränderung des Magnetfeldes der Permanentmagnetisierung (03) gemessen wird.
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