WO2018185018A1 - Drehmomentmessgeber und drehmomentsensor sowie herstellverfahren und messverfahren - Google Patents

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Christoph Schanz
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Trafag Ag
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    • G01D5/14—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
    • G01D5/20—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
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux

Definitions

  • Torque transmitter and torque sensor as well as manufacturing methods and measuring methods
  • the invention relates to a torque transducer for a Drehmonnentsensor for measuring a torque to a shaft under detection of
  • the invention relates to a torque sensor provided with such a torque sensor, a torque measuring device provided with such a torque transducer, a method for producing such a torque transducer and a
  • Magnetic field changes due to the Villari effect, and more in particular for magnetoelastic ( inverse magnetorestrictive) detection of torques formed.
  • Measuring body moves or rotates, due to various physical effects in the measuring point. Efforts have already been made in the aforementioned literature to reduce RSN; typically, however, there are always a few percent left over.
  • the invention has for its object to provide a torque transducer, a torque sensor provided therewith and a measuring method, with the simple producibility and cost-effective implementation, a significant reduction of a distance dependence and reducing a dependence of the RSN is possible.
  • the invention provides a torque transducer according to claim 1.
  • a torque sensor provided therewith and a torque measuring arrangement provided therewith, a production method for this and a measuring method are therefore the subject matter of the further subsidiary claims.
  • the invention provides, in one aspect thereof, a torque transducer for a torque sensor for measuring a torque on a shaft, comprising a carrier plate having a plurality of sensor element carrier plate regions, on each of which at least one sensor element for detecting
  • Magnetic field changes in particular due to the magnetoelastic effect, is arranged, and at least one Umgreif Scheme which is designed for at least partially encompassing the shaft around the circumference of the shaft, wherein at least one flexible connection region is provided by means of the at least one of the sensor element support plate regions relative to another sensor element carrier plate region or relative to the at least one Umgreif Scheme is pivotable. It is preferred that the encompassing region is formed at least partially by a plurality of the sensor element carrier plate regions, wherein at least one flexible connection region is arranged between adjacent sensor element carrier plate regions.
  • the Umgreif Scheme is annular, wherein a plurality of radially spaced within the Umgreif Schemes in the circumferential direction
  • Sensor element carrier plate areas are arranged, projecting inwardly and are bendable out by means of the flexible connection region in the axial direction.
  • each of the sensor elements has at least one
  • Magnetic field generating means for generating a magnetic field in the shaft and a magnetic field detecting means for detecting a change in the magnetic field due to a torque applied to the shaft.
  • the magnetic field generating device has at least one generator coil and the magnetic field detection device has at least one measuring coil, wherein at least one, several or all of these coils are formed as planar coils on the carrier plate.
  • the carrier plate is formed by at least one substrate on which the sensor elements are formed, or by at least one printed circuit board or printed circuit board.
  • the invention provides a torque sensor comprising a sleeve with a through hole for inserting a shaft and a torque transducer, which in or on the sleeve around the
  • Passage opening is arranged around.
  • the torque transducer is designed according to one of the previously explained embodiments.
  • the invention provides a
  • a torque measuring arrangement for measuring the torque on a shaft comprising the shaft and a torque transducer according to one of the embodiments described above, the shaft
  • the invention provides a method of manufacturing a torque transducer, comprising:
  • step b) comprises: producing planar coils on the plurality of regions.
  • a method for manufacturing a torque sensor according to another aspect of the invention comprises performing the manufacturing method for the
  • the invention relates to a measuring method for measuring a torque on a shaft, comprising:
  • Torque by means of the plurality of sensor elements on circumferentially spaced or distributed areas of the shaft is a
  • the magnetic field is not locally coupled into a measuring point, but the sensor or its
  • Torque transducer is placed around the shaft. For this purpose, several arrangements come into question, which are the subject of particularly preferred embodiments.
  • a plurality of sensor elements are provided for this purpose, the respective torques on a shaft by magnetoelastic detection of
  • sensor elements are on different dimensions
  • Torque encoders are provided with planar coils, which are designed to generate and / or measuring magnetic fields on the shaft.
  • the sensor element carrier plate regions are preferably designed as sensor cells.
  • the respective sensor element preferably has at least one ferrite core for a magnetic inference.
  • a flux concentrator e.g. Ferrite
  • Ferrite to be measured magnetic field circles
  • at least two magnetic field circuits are measured with mutually different directions.
  • between 3 and 10 sensor element carrier plate regions are provided, which are further preferably provided by flexible
  • each sensor element has at least one generator coil, which is further preferably arranged centrally.
  • each sensor element has at least two measuring coils, which are preferably connected by a ferrite core with the generator coil.
  • a ferrite connection between a first sensing coil and a generator coil is at an angle between 10 ° and 170 ° to a ferrite connection between a second sensing coil and the generator coil
  • the measuring coils are arranged like a cross around a generator coil.
  • planar coil design with four sensor cells including ferrite for the magnetic return.
  • a first and a second measuring coil per sensor cell are sufficient for a reduced size. But with five coils is the
  • the generator coils of the individual sensor cluster or sensor elements can be interconnected in a preferred embodiment. In another particularly preferred embodiment, the generator coils of individual sensor elements are operated separately.
  • Performance class is chosen and produced. By alternately interconnecting the coils, magnetic fields of the individual elements flow into one another. When switched, they repel each other. The choice of the interconnection has a relatively large influence on the suppression of the RSN. Particularly preferred are corresponding coils adjacent
  • the individual amplitudes A1 + A2 and / or B1 + B2 are measured directly. The possibilities of generating a measurement signal from individual sum signals (amplitudes) and / or a difference from them help to produce a much better and higher signal.
  • planar coils are applied to a
  • This plastic part is then in a particularly preferred embodiment either in a
  • Injection molding tool inserted or embedded in another preferred embodiment for casting in a second injection mold and potted.
  • Shaft diameter may e.g. a round support plate may be provided so that the encompassing region is e.g. is designed as a round printed circuit board (PCB).
  • PCB printed circuit board
  • a measuring principle with generator coil and measuring coils can only be applied with relative difficulty, since a ferrite core or similar flux concentrator has limits in its dimensions due to the production.
  • a ferrite core or similar flux concentrator has limits in its dimensions due to the production.
  • magnet amplifying material may be provided in conjunction with a magnet.
  • planar coils may for example be formed on locking lugs within an annular Umgreif Schemes.
  • a support plate is preferably a circuit board or PCB, for example as a rigid flex.
  • the connection areas can be, for example, by
  • Another alternative is to use a semi-flex PCB.
  • step c) comprises connecting the separated areas by means of the flexible connection areas (40), or
  • planar coils instead of wound coils brings clear advantages in terms of cost-effective and compact production.
  • the planar coils can be made two-dimensional and then through
  • the torque is measured by measuring a change in the field direction by Fluxgateflop.
  • the torque is measured by that Changes in the magnetic preferred direction of the fields and eddy currents due to surface tensions are measured.
  • a structure as is generally known from the document D4, but preferably using printed circuit board technology and planar coils used.
  • Both technologies can basically be used to make a homogeneous measurement around the shaft.
  • Preferential direction of the fields and eddy currents due to surface tensions is preferably a 5-coil arrangement - preferably in a cross arrangement with a central generator coil - or a 3-coil technology with a
  • sensor elements also called sensor clusters or sensor cells-which preferably each have at least one
  • Generator coil at least one or preferably two sensor coils and ferrite for Fluxverstärkung have to be arranged around a shaft.
  • the arrangement around the shaft is such that the so generated
  • Measuring field comprises the entire measuring shaft. If there are areas that are not detected at a measurement clock, this increases the signal noise through the RSN. In that regard, at least four sensor elements are preferred, it may also be multiple sensor elements.
  • the complete circuit board can be manufactured as Semiflex or rigid-flex design. Theoretically, a Flex version - fully flexible PCB - is possible. Such an embodiment is relatively expensive and consuming in the production and thus possibly only for special applications interesting.
  • the complete assembly including sensor elements as well as electronics for the evaluation can be equipped and tested in one benefit.
  • coils and electronics can be fabricated in 2D technologies and used as a 3D array.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a torque transducer for
  • FIG. 2 shows an intermediate step for producing a torque sensor from the torque transducer of FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a torque measuring arrangement with a torque sensor, which is formed with the torque transducer of FIG. 1, and a shaft to be measured.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a torque transducer
  • FIG. 6 shows a torque measuring arrangement for measuring a torque on a shaft, comprising the shaft and a torque transducer arranged around the shaft according to the embodiment of FIG. 4;
  • FIG. 7 is a plan view of a comparable torque measuring assembly employing another embodiment of a torque transducer.
  • Torque transducers 10 which are used in a torque sensor 12, shown.
  • the torque transducers 10 are used to measure torque on a shaft 14. For this is the
  • Torque transducer 10 is formed such that it can be arranged around the shaft 14 around.
  • the arrangement is such that the
  • Torque transducer 10 the shaft 14 at least partially, preferably for the most part, and more preferably completely surrounds.
  • the torque transducer 10 has a gripping region 16.
  • the torque transducer 10 has a plurality of sensor elements, each having a magnetic field generating device 20 and a
  • Magnetic field detection device 22 have.
  • the magnetic field generating device 20 is used to generate a magnetic field in and in particular on the surface of the shaft 14. Die
  • Magnetic field detecting device 22 is for detecting changes in the Magnetic field due to a torque acting on the shaft 14 formed due to the magnetoelastic effect.
  • At least one of the devices 20, 22 has at least one coil, which is designed as a planar coil 24.
  • Magnetic field generating device 20 at least one generator coil 26.
  • Magnetic field detection device 22 at least one measuring coil 28.
  • an arrangement of measuring coils 28 which has a first measuring coil A1 and a second measuring coil B1.
  • a pair of first measuring coils A1, A2 and a pair of second measuring coils B1, B2 are provided.
  • both the generator coil 26 and each of the measuring coils 28 are formed as a planar coil.
  • each of the coils 26, 28 surrounds a magnetic flux concentrator 32 preferably having a ferrite core 30.
  • All sensor elements 18 are preferably made on a - preferably multi-part - support plate 34.
  • the carrier plate may have a substrate on which the planar coils 24 and the ferrite core 30 by methods of
  • the carrier plate 34 has at least one printed circuit board 36 (PCB), wherein the planar coils 24 are formed on one or more conductor layers of the printed circuit board 36 and wherein the ferrite core 30 of the individual
  • Magnet flux concentrators 32 is additionally provided, as has been shown and explained in detail in DE 10 2016 122 172.4.
  • the support plate 34 may be constructed of a plurality of individual elements. It can also be made on a support plate, in which case the support plate 34 is divided into several individual areas by material processing.
  • a plurality of sensor element carrier plate regions 38 are formed, wherein on each of these sensor element carrier plate regions 38 a
  • a flexible connection portion 40 is provided with the individual regions of the support plate 34 are pivotally connected or bendable relative to each other in the position, wherein at the same time an electrical
  • Line connection for connecting the coils 24, 26, 28 is provided with a driver and transmitter 42.
  • the components of the driver and evaluation electronics 42 can also be formed on a corresponding region of the carrier plate 34 (electronic carrier plate region 44).
  • a first embodiment of the torque transducer 10 is shown in which a plurality of sensor element carrier plate areas 38th
  • sensor element carrier plate areas interconnected with a flexible connection portion 40 therebetween.
  • four sensor element carrier plate areas and thus four sensor elements 18 are provided.
  • three or five or even more sensor element carrier plate regions 38 are provided with a corresponding number of sensor elements 18.
  • the sensor element carrier plate regions 38 can be replaced by the flexible
  • Connection region 40 are pivoted to each other and are placed around the shaft 14.
  • the sensor elements 18 are made on the support plate 34 and then the flexible connection regions 40 produced by removal of material so that traces remain for connection between coils 26, 28 and the driver and transmitter electronics 42, however, the flexible connection portion 40 relative to the sensor element support plate portions 38 is bendable.
  • Torque sensor 12 using the torque transducer 10 of the first embodiment with reference to the illustration in FIGS. 2 and 3 explained in more detail.
  • a support sleeve 46 is shown, which may be formed, for example, of plastic, and fasteners for - for example, temporary - holding the sensor element carrier plate portions 38 has.
  • the Umgreif Scheme 16 is in this embodiment of the
  • Torque encoder formed by the individual sensor element carrier plate portions 38 with the flexible connection portions 40 therebetween. This is guided around the carrier sleeve 46, wherein the
  • Sensor element support plate portions 38 with the fasteners - for example, holding clips 48 - are fixed to the support sleeve 46.
  • Figure 2 This construction of Figure 2 may then be inserted into an injection molding machine and externally overmolded with plastic so as to produce a sleeve 50 in which the torque transducer 10 is disposed about a passageway 52 of the sleeve. So are the individual elements of the
  • Torque transducer 10 embedded in plastic and packed. Through the interior of the passage opening 52, the shaft 14 to be measured can be pushed through, so that the torque measuring arrangement 54 shown in FIG. 3 is created.
  • the carrier sleeve 46 remains available as a further protection; In another embodiment, the carrier sleeve 46 is removed after encapsulation with the sleeve 50.
  • 3 shows the torque measuring arrangement 54 with the shaft 14 and the torque sensor 12 formed by the sleeve 50 and the torque transducer 10.
  • the sensor elements 18 are in pairs diametrically opposite.
  • the interconnection of the individual coils of the sensor elements 18 can be chosen differently.
  • the production takes place in such a way that the generator coils 26 are either the same or alternate
  • the generator coils 26 can be controlled individually or in groups of different types.
  • the interconnection of the measuring coils 28 of the sensor elements 18 may be different.
  • a connection is preferably made in such a way that both the sum of the signals of the first pairs A1 + A2 of the measuring coils sensitive in a first direction and the sum of the signals of the second pairs (B1 + B2) sensitive in a second direction can be measured directly, as well the difference of these sums can be measured.
  • the Umgreif Scheme 16 is not formed by interconnected sensor element carrier plate portions 38, but by a
  • a flexible connection region 40 is provided in each case between the sensor element carrier plate regions 38 and the annular region 56, so that the sensor element carrier plate regions 38 can be folded out axially from the plane of the drawing in FIG. 4. For this purpose, for example, between the individual
  • Sensor element carrier plate areas 38 predetermined breaking points may be provided.
  • the shaft 14 can be inserted through the interior of the annular portion 56 so that the sensor element support plate portions 38 pivot away at the flexible connection portions 40 in an axial direction and distributed around the circumference of the shaft 14 to the shaft 14 create.
  • FIG. 4 In the illustration of Fig. 4 is a generator coil 26 and a first
  • Measuring coil A1 and a second measuring coil B1 provided so that per
  • Sensor element 18 three planar coils 24 are provided, wherein the ferrite cores 30 which are provided between the generator coil 26 and each of the measuring coils A1, B1, an angle between them, which is between 90 ° and 0 ° and in particular between 55 ° and 35 ° ,
  • FIG. 5 shows yet another embodiment for very small shaft diameters. This embodiment corresponds to the basic structure forth
  • Permanent magnet has and detected by the magnetic field detection device 22 direction changes of magnetic field lines.
  • Fig. 7 shows the arrangement of the annular portion 56 of a further embodiment of the torque transducer 10, which corresponds to the basic structure of the structure of FIGS. 4 and 5, wherein a larger number of sensor elements 18 is provided around the shaft 14 around.

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Abstract

Um kostengünstig Drehmoment an einer Welle derart zu messen, dass die Messung möglichst unabhängig von Abstandsänderungen oder Materialuneinheitlichkeiten der Welle rund um deren Umfang ist, schafft die Erfindung einen Drehmomentmessgeber (10) für einen Drehmomentsensor (12) zum Messen eines Drehmoments an einer Welle (14), mit einer Trägerplatte (34), die mehrere Sensorelement-Trägerplattenbereiche (38), auf denen jeweils wenigstens ein Sensorelement (18) zum Erfassen von Magnetfeldänderungen aufgrund des magnetoelastischen Effekts, angeordnet ist, und wenigstens einen Umgreifbereich (16) hat, der zum zumindest teilweisen Umgreifen der Welle (14) um den Umfang der Welle (14) ausgebildet ist, wobei wenigstens ein flexibler Verbindungsbereich (40) vorgesehen ist, mittels dem wenigstens einer der Sensorelement-Trägerplattenbereiche (38) relativ zu einem anderen Sensorelement-Trägerplattenbereich (38) oder relativ zu dem wenigstens einen Umgreifbereich (16) verschwenkbar ist.

Description

Drehmomentmessgeber und Drehmomentsensor sowie Herstellverfahren und Messverfahren
Die Erfindung betrifft einen Drehmomentmessgeber für einen Drehmonnentsensor zum Messen eines Drehmoments an einer Welle unter Erfassung von
Magnetfeldänderungen. Außerdem betrifft die Erfindung einen mit einem solchen Drehmomentmessgeber versehenen Drehmomentsensor, eine mit einem solchen Drehmomentmessgeber versehene Drehmomentmessanordnung, ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Drehmomentmessgebers sowie ein
Messverfahren zum Messen eines Drehmoments durch Erfassung von
Magnetfeldänderungen. Insbesondere sind der Drehmomentmessgeber, der Drehmomentsensor und das Messverfahren zur Erfassung von
Magnetfeldänderungen aufgrund des Villari-Effektes, und mehr insbesondere zur magnetoelastischen (=invers magnetorestriktiven) Erfassung von Drehmomenten ausgebildet.
Derartige Drehmomentsensoren, die Drehmomente in Wellen aufgrund von Magnetfeldänderungen erfassen, sowie die wissenschaftlichen Grundlagen hierfür sind in den folgenden Literaturstellen beschrieben:
D1 Gerhard Hinz und Heinz Voigt„Magnoelastic Sensors" in„Sensors",
VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1989, Seiten 97-152
D2 US 3 31 1 818
D3 EP 0 384 042 A2
D4 DE 30 31 997 A
D5 US 3 01 1 340 A
D6 US 4 135 391 A
Insbesondere eine Bauart von Drehmomentmessgebern, wie sie in der D4 (DE 30 31 997 A1 ) beschrieben ist, hat sich als besonders wirkungsvoll für die Messung von Drehmomenten in Wellen und anderen Messstellen herausgestellt. Eine Herausforderung bei dieser Technologie der Drehmomentmessung aufgrund des magnetoelastischen Effekts und bei der Anordnung von Sensorköpfen bzw. Messgebern ist es, eine Abstandskompensation und/oder eine Kompensation der sogenannten„RSN" zu bewerkstelligen. RSN steht für„Rotational Signal Non- Uniformity" und bezeichnet eine Signalvariation, die auftritt, wenn sich ein
Messkörper bewegt oder dreht, bedingt durch verschiedene physikalische Effekte in der Messstelle. Es wurden bereits in der vorerwähnten Literatur Anstrengungen zur Verkleinerung der RSN unternonnnnen; typischerweise bleiben jedoch stets ein paar Prozent übrig.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, einen Drehmomentmessgeber, einen damit versehenen Drehmomentsensor sowie ein Messverfahren bereitzustellen, mit dem bei einfacher Herstellbarkeit und kostengünstiger Realisierung eine deutliche Verringerung einer Abstandsabhängigkeit und Verringerung einer Abhängigkeit der RSN ermöglicht ist.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung einen Drehmomentmessgeber nach Anspruch 1 . Ein damit versehener Drehmomentsensor sowie eine damit versehene Drehmomentmessanordnung, ein Herstellverfahren hierfür und ein Messverfahren damit sind Gegenstand der weiteren Nebenansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft gemäß einem Aspekt davon einen Drehmomentmessgeber für einen Drehmomentsensor zum Messen eines Drehmoments an einer Welle, mit einer Trägerplatte, die mehrere Sensorelement-Trägerplattenbereiche, auf denen jeweils wenigstens ein Sensorelement zum Erfassen von
Magnetfeldänderungen, insbesondere aufgrund des magnetoelastischen Effekts, angeordnet ist, und wenigstens einen Umgreifbereich hat, der zum zumindest teilweisen Umgreifen der Welle um den Umfang der Welle ausgebildet ist, wobei wenigstens ein flexibler Verbindungsbereich vorgesehen ist, mittels dem wenigstens einer der Sensorelement-Trägerplattenbereiche relativ zu einem anderen Sensorelement-Trägerplattenbereich oder relativ zu dem wenigstens einen Umgreifbereich verschwenkbar ist. Es ist bevorzugt, dass der Umgreifbereich zumindest teilweise durch mehrere der Sensorelement-Trägerplattenbereiche gebildet ist, wobei wenigstens ein flexibler Verbindungsbereich zwischen benachbarten Sensorelement- Trägerplattenbereichen angeordnet ist.
Es ist bevorzugt, dass der Umgreifbereich ringförmig ausgebildet ist, wobei radial innerhalb des Umgreifbereichs in Umfangsrichtung beabstandet mehrere
Sensorelement-Trägerplattenbereiche angeordnet sind, nach innen hin abstehen und mittels des flexiblen Verbindungsbereichs in Axialrichtung heraus biegbar sind.
Es ist bevorzugt, dass jedes der Sensorelemente wenigstens eine
Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes in der Welle und eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen einer Änderung des Magnetfeldes aufgrund eines auf der Welle anliegenden Drehmoments hat.
Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens eine Generatorspule hat und die Magnetfelderfassungseinrichtung wenigstens eine Messspule hat, wobei wenigstens eine, mehrere oder alle dieser Spulen als Planarspulen an der Trägerplatte ausgebildet sind.
Es ist bevorzugt, dass die Trägerplatte durch wenigstens ein Substrat, an dem die Sensorelemente ausgebildet sind, oder durch wenigstens eine Leiterplatte oder Platine gebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen Drehmomentsensor, der eine Hülse mit einer Durchgangsöffnung zum Durchstecken einer Welle und einen Drehmomentmessgeber umfasst, der in oder an der Hülse um die
Durchgangsöffnung herum angeordnet ist.
Insbesondere ist der Drehmomentmessgeber nach einer der zuvor erläuterten Ausführungsformen ausgestaltet. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine
Drehmomentmessanordnung zum Messen des Drehmoments an einer Welle, umfassend die Welle und einen Drehmomentmessgeber nach einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen, der die Welle
a) zumindest teilweise,
b) zum Großteil oder
c) vollständig
umgibt.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Drehmomentmessgebers, umfassend:
a) Bereitstellen einer Trägerplatte
b) Bestücken mehrerer Bereiche der Trägerplatte mit Sensorelementen zur Erfassung von durch Kräfte an einer Welle verursachten Magnetfeldänderungen, c) Vorsehen wenigstens eines flexiblen Verbindungsbereichs zwischen den mit Sensorelementen bestückten oder zu bestückenden Bereichen derart, dass zumindest ein Umgreifbereich der Trägerplatte eine Welle unter Umbiegung des flexiblen Verbindungsbereichs zumindest teilweise umfassen kann.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst: Herstellen von Planarspulen auf den mehreren Bereichen.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Drehmomentsensors gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst Durchführen des Herstellverfahrens für den
Drehmomentmessgeber gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen und Einbetten des Drehmomentmessgebers in eine Hülse mit einer
Durchgangsöffnung zum Aufstecken auf eine zu vermessende Welle.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Messverfahren zum Messen eines Drehmoments an einer Welle, umfassend:
Anordnen eines Drehmomentmessgebers nach einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen zumindest teilweise um die Welle und Erfassen des
Drehmoments mittels der mehreren Sensorelemente an in Umfangsrichtung beabstandeten oder verteilten Bereichen der Welle. Durch die Erfindung sowie deren vorteilhaften Ausgestaltungen wird eine
Möglichkeit für eine Messung geschaffen, die eine deutlich verbesserte
Abstandsunabhängigkeit und eine deutlich verbesserte Unabhängigkeit der RSN darstellt. Vorzugsweise wird bei der Erfindung das Magnetfeld nicht lokal in eine Messstelle eingekoppelt, sondern der Sensor bzw. dessen
Drehmomentmessgeber wird um die Welle herum angeordnet. Dafür kommen mehrere Anordnungen in Frage, die Gegenstand von besonders bevorzugten Ausgestaltungen sind.
Vorzugsweise werden hierzu mehrere Sensorelemente vorgesehen, die jeweils Drehmomente an einer Welle durch magnetoelastisches Erfassen von
Magnetfeldänderungen erfassen können. Der Drehmomentmessgeber ist somit besonders für Welle geeignet, an denen ein magnetoelastischer Effekt (=invers magnetosthktiv=Villari-Effekt) auftreten kann. Auch Wirbelstromeffekte oder lokale Störfelder können die RSU/RSN beeinflussen, aber auch den Signalpegel verstärken.
Vorzugsweise sind Sensorelemente, die auf unterschiedlichen
Trägerplattenbereichen des Drehmomentsensors bzw. dessen
Drehmomentmessgebers vorgesehen sind, mit Planarspulen ausgestattet, die zum Erzeugen und/oder Messen von Magnetfeldern an der Welle ausgebildet sind.
Die Sensorelement-Trägerplattenbereiche sind vorzugsweise als Sensorzellen ausgebildet.
Vorzugsweise weist das jeweilige Sensorelement wenigstens einen Ferritkern für einen magnetischen Rückschluss auf. Insbesondere lassen sich durch einen Fluxkonzentrator, wie z.B. Ferrit, zu vermessende Magnetfeldkreise, die
zumindest teilweise durch die Welle, insbesondere an der Oberfläche derselben, verlaufen, ausbilden. Vorzugsweise werden wenigstens zwei Magnetfeldkreise mit zueinander unterschiedlichen Richtungen vermessen. Bei bevorzugten Ausgestaltungen sind zwischen 3 und 10 Sensorelement- Trägerplattenbereiche vorgesehen, die weiter vorzugsweise durch flexible
Verbindungsbereiche miteinander verbunden sind.
Besonders bevorzugt hat jedes Sensorelement wenigstens eine Generatorspule, die weiter bevorzugt zentral angeordnet ist.
Besonders bevorzugt hat jedes Sensorelement wenigstens zwei Messspulen, die vorzugsweise durch einen Ferritkern mit der Generatorspule verbunden sind.
Vorzugsweise ist eine Ferrit-Verbindung zwischen einer ersten Messspule und einer Generatorspule in einem Winkel zwischen 10° und 170° zu einer Ferrit- Verbindung zwischen einer zweiten Messspule und der Generatorspule
angeordnet.
Vorzugsweise sind zwei Paare von Messspulen vorgesehen. Vorzugsweise sind die Messspulen kreuzartig um eine Generatorspule herum angeordnet.
Besonders bevorzugt ist eine Planarspulenausführung mit vier Sensorzellen inklusive Ferrit für den magnetischen Rückschluss.
Bei einer einfacheren Ausgestaltung reichen eine erste und eine zweite Messspule pro Sensorzelle für eine reduzierte Baugröße. Mit fünf Spulen ist aber die
Signalausbeute höher.
Die Generatorspulen der einzelnen Sensorcluster bzw. Sensorelemente können bei einer bevorzugten Ausgestaltung zusammengeschaltet werden. Bei einer anderen besonders bevorzugten Ausgestaltung werden die Generatorspulen einzelner Sensorelemente separat betrieben.
Bei der Herstellung kann man unterschiedliche Leistungsklassen des
Drehmomentmessgebers einfach dadurch schaffen, dass die Anzahl der
Windungen aufgeteilt auf die einzelnen Spulen je nach gewünschter
Leistungsklasse gewählt und hergestellt wird. Durch ein alternierend Verschalten der Spulen fließen Magnetfelder der einzelnen Elemente ineinander. Bei Gleichschaltung stoßen sie sich ab. Die Wahl der Verschaltung hat einen relativ großen Einfluss auf die Unterdrückung der RSN. Besonders bevorzugt werden entsprechende Spulen benachbarter
Sensorelemente gleich geschaltet.
Für einen Drehmomentmessgeber gemäß einer der oben näher beschriebenen Ausgestaltungen ist somit bevorzugt,
6.1 dass Generatorspulen (26) der Magnetfelderzeugungseinrichtungen (20) wenigstens zweier benachbarter Sensorelemente (18)
6.1 .1 alternierend oder
6.1 .2 gleich
geschaltet sind und/oder
6.2 dass mehrere Messspulen (28) der Magnetfelderfassungseinrichtung (22) eines Sensorelements (18)
6.2.1 alternierend oder
6.2.2 gleich
geschaltet sind und/oder
6.3 dass einander entsprechende Messspulen (28) der
Magnetfelderfassungseinrichtungen (22) wenigstens zweier benachbarter Sensorelemente (18)
6.3.1 alternierend oder
6.3.2 gleich
geschaltet sind.
Die Idee der besonderen Spulenverschaltung ist unabhängig von der
Herstellweise des Drehmomentmessgebers zu sehen und wird als eigenständige Idee angesehen. Demnach wird hier auch ein Drehmomentmessgeber offenbart, der nicht die Merkmale der unabhängigen Ansprüche enthält, sondern wie in Klausel 1 definiert ist:
Klausel 1 :
Drehmomentmessgeber (10) für einen Drehmomentsensor (12) zum Messen eines Drehmoments an einer Welle (14), mit mehreren Sensorelementen (18) zum Erfassen von Magnetfeldänderungen, die derart ausgebildet sind, dass sie um die Welle herum anordenbar sind, wobei jedes der Sensorelemente (18) wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) zum Erzeugen eines Magnetfeldes in der Welle (14) und eine Magnetfelderfassungseinrichtung (22) zum Erfassen einer Änderung des Magnetfeldes aufgrund eines auf der Welle (14) anliegenden Drehmoments hat, wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) wenigstens eine Generatorspule (26) hat und die Magnetfelderfassungseinrichtung (22) mehrere Messspulen (28) hat,
1 wobei Generatorspulen (26) der Magnetfelderzeugungseinrichtungen (20) wenigstens zweier benachbarter Sensorelemente (18)
1 .1 alternierend oder
1 .2 gleich
geschaltet sind und/oder
2 wobei mehrere Messspulen (28) der Magnetfelderfassungseinrichtung (22) eines Sensorelements (18)
2.1 alternierend oder
2.2 gleich
geschaltet sind und/oder
3 wobei einander entsprechende Messspulen (28) der
Magnetfelderfassungseinrichtungen (22) wenigstens zweier benachbarter
Sensorelemente (18)
3.1 alternierend oder
3.2 gleich
geschaltet sind.
Bevorzugte Ausgestaltungen dieser weiteren Idee ergeben sich durch beliebige Kombination der Klausel 1 mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 15.
Bei einer Anordnung mit einer ersten Messspule A1 , einer zweiten Messspule B1 und einer Generatorspule setzt sich das Messsignal vorzugsweise zusammen aus einer Differenz zwischen dem Signal der ersten Messspule A1 und der zweiten Messspule B1 (A1 -B1 ) = Drehmoment. Bei einer Anordnung mit einem ersten Paar von Messspulen A1 , A2 und einem zweiten Paar von Messspulen B1 , B2, wobei die Paare sich vorzugsweise gegenüberliegen, wird ein Messsignal vorzugsweise durch (A1 +A2) - (B1 +B2) = Drehmoment erzeugt. Alternativ oder zusätzlich werden die einzelnen Amplituden A1 +A2 und/oder B1 +B2 direkt gemessen. Die Möglichkeiten, ein Messsignal aus einzelnen Summensignalen (Amplituden) und/oder aus einer Differenz daraus zu bilden, helfen, ein wesentlich besseres und höheres Signal zu erzeugen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung werden Planarspulen auf eine
Kunststoffhülse geclipst als Halterung und um die Planarspulen für einen Vergussoder Umspritzvorgang in einer richtigen Form zu halten. Dieses Kunststoffteil wird dann bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung entweder in ein
Spritzgusswerkzeug eingelegt oder bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung für ein Vergießen in einer zweiten Spritzgussform eingebettet und vergossen.
Vorzugsweise entsteht eine Anordnung einer kompletten Baugruppe mit untereinander über eine flexible Verbindung sowohl mechanisch als auch elektrisch verbundener Sensorelemente, die um die Messwelle herum angeordnet sind.
Bei einer Ausführung einer umschlossenen Welle für sehr kleine
Wellendurchmesser kann z.B. eine runde Trägerplatte vorgesehen sein, so dass der Umgreifbereich z.B. als runde Leiterplatte (PCB) ausgebildet ist. Zur Mitte hin können vorzugsweise dreieckförmige Sensorelement-Trägerplattenbereiche mit den Sensorelementen angeordnet sein, welche sich beim Einstecken einer Welle zur Axialrichtung hin ausbiegen und sich so an die Welle anlegen.
Bei besonders kleinen Wellen lässt sich ein Messprinzip mit Generatorspule und Messspulen nur relativ schwer anwenden, da ein Ferritkern oder dergleichen Flusskonzentrator bedingt durch die Herstellung Grenzen in den Dimensionen hat. Hier kann z.B. ein einzelnes Joch aus Ferrit oder sonstigem
magnetverstärkendem Material in Verbindung mit einem Magneten vorgesehen sein.
Demnach können die Planarspulen beispielsweise auf Rastnasen innerhalb eines ringförmigen Umgreifbereichs ausgebildet sein. Als Trägerplatte dient vorzugsweise eine Leiterplatte oder PCB, beispielsweise als Starrflex. Die Verbindungsbereiche lassen sich beispielsweise durch
Materialabtrag von der Leiterplatte erreichen, so dass ein dünnerer Bereich zum Umbiegen entsteht.
Eine andere Alternative ist, eine Leiterplatte in Semiflexausführung zu verwenden.
Besonders bevorzugt ist demnach eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Drehmomentmessgebers, mit einem der folgenden Schritte:
12.1 Vereinzeln der mit Sensorelementen (18) bestückten oder zu bestückenden Bereiche der Trägerplatte (34), wobei Schritt c) Verbinden der vereinzelten Bereiche mittels der flexiblen Verbindungsbereiche (40) umfasst, oder
12.2 Vorsehen der Trägerplatte (34) derart, dass die mit Sensorelementen (18) bestückten oder zu bestückenden Bereiche flexibel zueinander verbunden sind oder
12.3 Vorsehen einer flexiblen Trägerplatte (34) oder
12.3 Vorsehen der flexiblen Verbindungsbereiche durch Materialbearbeitung an der Trägerplatte.
Die Verwendung von Planarspulen anstatt gewickelter Spulen bringt deutliche Vorteile bezüglich einer kostengünstigen und kompakten Fertigung. Z.B. können die Planarspulen zweidimensional hergestellt werden und dann durch
entsprechende Fertigungstechniken dreidimensional verarbeitet werden. Für nähere Einzelheiten hierzu wird ausdrücklich auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 10 2016 122 172.4 verwiesen, wo Einzelheiten hinsichtlich der Herstellung der Planarspulen, der Ferritkerne sowie der
Vergießungen erläutert sind.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Drehmoment durch Messung einer Veränderung der Feldrichtung durch Fluxgatemessung gemessen. Diese
Technologie eignet sich besonders für sehr kleine Wellen. Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung wird das Drehmoment dadurch gemessen, dass Veränderungen der magnetischen Vorzugsrichtung der Felder und Wirbelströme aufgrund von Oberflächenspannungen gemessen werden. Hierzu wird ein Aufbau, wie er grundsätzlich aus dem Dokument D4 bekannt ist, jedoch vorzugsweise unter Verwendung von Leiterplattentechnik und Planarspulen, eingesetzt.
Beide Technologien können grundsätzlich dafür verwendet werden, um eine homogene Messung um die Welle herum durchzuführen.
Bei der Technologie der Messung der Veränderung der magnetischen
Vorzugsrichtung der Felder und Wirbelströme aufgrund Oberflächenspannungen kommt vorzugsweise eine 5-Spulenanordnung - vorzugsweise in Kreuzanordnung mit zentraler Generatorspule - oder eine 3-Spulentechnologie mit einer
Generatorspule und zwei Sensorspulen, jeweils im 45°-Winkel (+/- 10°) von der Mittelachse. Vorteilhaft ist, dass aufgrund der Anordnung der unterschiedlichen Sensorelemente um die Welle herum keine Verkippung oder Verdrehung berücksichtigt werden muss.
Durch eine komplette Umwicklung der Welle gibt es Möglichkeiten, durch eine Degaussing-Sequenz z.B. Restmagnetfelder zu eliminieren oder eventuelle magnetische Hysteresefehler zu reversieren.
Es können mehrere Sensorelemente - auch Sensorcluster oder Sensorzellen genannt - verwendet werden, die vorzugsweise jeweils wenigstens eine
Generatorspule, wenigstens eine oder vorzugsweise zwei Sensorspulen und Ferrit zur Fluxverstärkung aufweisen, um eine Welle herum angeordnet werden.
Vorzugsweise ist die Anordnung um die Welle so, dass das so generierte
Messfeld die gesamte Messwelle umfasst. Wenn es Bereiche gibt, die an einem Messtakt nicht erfasst werden, erhöht das das Signalrauschen durch die RSN. Insoweit sind wenigstens vier Sensorelemente bevorzugt, es können auch mehrere Sensorelemente sein.
Die komplette Leiterplatte kann als Semiflex oder Starrflexausführung gefertigt werden. Theoretisch ist auch eine Flex-Ausführung - voll flexible Leiterplatte - möglich. Eine derartige Ausführung ist jedoch relativ kostenaufwändig und aufwändig in der Herstellung und damit eventuell nur für spezielle Anwendungen interessant.
Die komplette Baugruppe einschließlich Sensorelementen sowie Elektronik zur Auswertung kann in einem Nutzen bestückt und getestet werden.
Vorzugsweise können Spulen und Elektronik in 2D-Technologien hergestellt werden und als 3D-Anordnung verwendet werden.
Bei dem Messverfahren ist bevorzugt, dass Sensorelemente (18) verwendet werden, die wenigstens zwei Paare von Messspulen (A1 , A2; B1 , B2) aufweisen, wobei jedes Paar Messspulen jeweils einen Magnetfeldkreis vermisst und der Magnetfeldkreis des ersten Paars (A1 , A2) in einem Winkel von 5° bis 175°, vorzugsweise 20° bis 160°, zu dem Magnetfeldkreis des zweiten Paars (B1 , B2) angeordnet ist, wobei ein Messsignal gebildet wird aus einem oder mehreren der Signale der Gruppe von Signalen, die die Summe (A) der Signale aus dem ersten Paar Messspulen (A1 +A2), die Summe (B) der Signale aus dem zweiten Paar Messspulen (B1 +B2) und die Differenz (A-B=(A1 +B1 )-(B1 +B2)) aus der Summe der Messsignale des ersten Paars Messspulen (A1 +A2) und der Summe der Messsignale des zweiten Paars Messspulen (B1 +B2).
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Drehmomentmessgeber zum
Bilden eines Drehmomentsensors, mit dem Drehmoment an einer Welle durch Erfassung von Magnetfeldänderungen aufgrund des magnetoelastischen Effekts erfassbar sind;
Fig. 2 einen Zwischenschritt zur Herstellung eines Drehmomentsensors aus dem Drehmomentmessgeber von Fig. 1 ; Fig. 3 eine Drehmomentmessanordnung mit einem Drehmomentsensor, der mit dem Drehmomentmessgeber von Fig. 1 gebildet ist, und einer zu vermessenden Welle;
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Drehmomentmessgeber;
Fig. 5 noch eine weitere Ausführungsform für einen Drehmomentmessgeber;
Fig. 6 eine Drehmomentmessanordnung zum Messen eines Drehmoments an einer Welle, umfassend die Welle und einen um die Welle herum angeordneten Drehmomentmessgeber gemäß der Ausführungsform von Fig. 4; und
Fig. 7 eine Draufsicht auf eine vergleichbare Drehmomentmessanordnung, die eine weitere Ausführungsform eines Drehmomentmessgebers anwendet.
In den Figuren sind unterschiedliche Ausführungsformen von
Drehmomentmessgebern 10, welche in einem Drehmomentsensor 12 verwendbar sind, dargestellt. Die Drehmomentmessgeber 10 werden zum Messen eines Drehmoments an einer Welle 14 eingesetzt. Hierzu ist der
Drehmomentmessgeber 10 derart ausgebildet, dass er um die Welle 14 herum angeordnet werden kann. Die Anordnung ist derart, dass der
Drehmomentmessgeber 10 die Welle 14 zumindest teilweise, vorzugsweise zum Großteil, und mehr bevorzugt vollständig umgreift.
Hierzu weist der Drehmomentmessgeber 10 einen Umgreifbereich 16 auf. Weiter weist der Drehmomentmessgeber 10 mehrere Sensorelemente auf, die jeweils eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 20 und eine
Magnetfelderfassungseinrichtung 22 aufweisen.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 20 dient zum Erzeugen eines Magnetfeldes in und insbesondere an der Oberfläche der Welle 14. Die
Magnetfelderfassungseinrichtung 22 ist zum Erfassen von Änderungen des Magnetfeldes aufgrund eines auf die Welle 14 wirkenden Drehmoments aufgrund des magnetoelastischen Effekts ausgebildet. Für nähere Einzelheiten zu möglichen Ausführungen und Geometrien sowie zu den physikalischen
Grundlagen wird auf die eingangs erwähnten Dokumente D1 bis D4 verwiesen.
Wenigstens eine der Einrichtungen 20, 22 weist wenigstens eine Spule auf, die als Planarspule 24 ausgebildet ist.
Bei besonders bevorzugten Ausgestaltungen weist die
Magnetfelderzeugungseinrichtung 20 wenigstens eine Generatorspule 26 auf.
Bei besonders bevorzugten Ausgestaltungen weist die
Magnetfelderfassungseinrichtung 22 wenigstens eine Messspule 28 auf.
Vorzugsweise ist eine Anordnung von Messspulen 28 vorgesehen, die eine erste Messspule A1 und eine zweite Messspule B1 aufweist.
Bei besonders bevorzugten Ausgestaltungen ist ein Paar erster Messspulen A1 , A2 und ein Paar zweiter Messspulen B1 , B2 vorgesehen. Vorzugsweise sind sowohl die Generatorspule 26 als auch jede der Messspulen 28 als Planarspule ausgebildet.
Weiter umgreift jede der Spulen 26, 28 einen vorzugsweise einen Ferritkern 30 aufweisenden Magnetflusskonzentrator 32.
Alle Sensorelemente 18 sind vorzugsweise auf einer - vorzugsweise mehrteiligen - Trägerplatte 34 hergestellt. Die Trägerplatte kann ein Substrat aufweisen, auf dem die Planarspulen 24 sowie der Ferritkern 30 nach Methoden der
Halbleitertechnik aufgebracht worden sind.
Besonders bevorzugt weist die Trägerplatte 34 wenigstens eine Leiterplatte 36 (PCB) auf, wobei die Planarspulen 24 an einer oder mehreren Leiterschichten der Leiterplatte 36 ausgebildet sind und wobei der Ferritkern 30 der einzelnen
Magnetflusskonzentratoren 32 zusätzlich vorgesehen ist, wie dies im Einzelnen in der DE 10 2016 122 172.4 gezeigt und erläutert worden ist. Die Trägerplatte 34 kann aus mehreren Einzelelementen aufgebaut sein. Es kann auch eine Herstellung auf einer Trägerplatte erfolgen, wobei dann die Trägerplatte 34 in mehrere Einzelbereiche durch Materialbearbeitung aufgeteilt wird.
Insbesondere werden mehrere Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 gebildet, wobei auf jedem dieser Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 ein
Sensorelement 18 mit den entsprechenden Spulen 24, 26, 28 und dem
entsprechenden Magnetflusskonzentrator 32 angeordnet ist.
Weiter ist ein flexibler Verbindungsbereich 40 vorgesehen, mit dem einzelne Bereiche der Trägerplatte 34 relativ zueinander in der Lage verschwenkbar oder verbiegbar miteinander verbunden sind, wobei gleichzeitig eine elektrische
Leitungsverbindung zum Verbinden der Spulen 24, 26, 28 mit einer Treiber- und Auswerteelektronik 42 vorgesehen ist. Auch die Bausteine der Treiber- und Auswerteelektronik 42 kann auf einem entsprechenden Bereich der Trägerplatte 34 ausgebildet werden (Elektronik-Trägerplattenbereich 44).
In den Fig. 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsform des Drehmomentmessgebers 10 dargestellt, bei dem mehrere Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38
untereinander mit einem flexiblen Verbindungsbereich 40 dazwischen verbunden sind. Bei der dargestellten Ausführungsform sind vier Sensorelement- Trägerplattenbereiche und somit vier Sensorelemente 18 vorgesehen. In anderen Ausgestaltungen sind drei oder fünf oder auch mehr Sensorelement- Trägerplattenbereiche 38 mit einer entsprechenden Anzahl von Sensorelementen 18 vorgesehen.
Die Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 können durch den flexiblen
Verbindungsbereich 40 zueinander verschwenkt werden und so um die Welle 14 herumgelegt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung zur Herstellung eines solchen
Drehmomentmessgebers 10 gemäß der ersten Ausführungsform werden die Sensorelemente 18 auf der Trägerplatte 34 hergestellt und anschließend die flexiblen Verbindungsbereiche 40 durch Materialabtrag so hergestellt, dass Leiterbahnen zur Verbindung zwischen Spulen 26, 28 und der Treiber- und Auswerteelektronik 42 bestehen bleiben, jedoch der flexible Verbindungsbereich 40 relativ zu den Sensorelement-Trägerplattenbereichen 38 verbiegbar ist.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform zum Herstellen eines
Drehmomentsensors 12 unter Verwendung des Drehmomentmessgebers 10 der ersten Ausführungsform anhand der Darstellung in den Fig. 2 und 3 näher erläutert. In Fig. 2 ist eine Trägerhülse 46 dargestellt, die beispielsweise aus Kunststoff ausgebildet sein kann, und Befestigungselemente zum - beispielsweise temporären - Festhalten der Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 aufweist.
Der Umgreifbereich 16 wird bei dieser Ausgestaltung des
Drehmomentmessgebers durch die einzelnen Sensorelement- Trägerplattenbereiche 38 mit den flexiblen Verbindungsbereichen 40 dazwischen gebildet. Dieser wird um die Trägerhülse 46 herumgeführt, wobei die
Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 mit den Befestigungselementen - beispielsweise Halteclipse 48 - an der Trägerhülse 46 fixiert werden.
Diese Konstruktion der Fig. 2 kann dann in eine Spritzmaschine eingesetzt werden und außenherum mit Kunststoff umspritzt werden, um so eine Hülse 50 zu erzeugen, in der der Drehmomentmessgeber 10 um eine Durchgangsöffnung 52 der Hülse herum angeordnet ist. So sind die einzelnen Elemente des
Drehmomentmessgebers 10 in Kunststoff eingebettet und verpackt. Durch das Innere der Durchgangsöffnung 52 lässt sich die zu vermessende Welle 14 durchstecken, so dass die in Fig. 3 gezeigte Drehmomentmessanordnung 54 entsteht.
Bei einer Ausgestaltung bleibt die Trägerhülse 46 als weiterer Schutz vorhanden; bei einer anderen Ausgestaltung wird die Trägerhülse 46 nach dem Umspritzen mit der Hülse 50 entfernt. Fig. 3 zeigt die Drehmomentmessanordnung 54 mit der Welle 14 und dem durch die Hülse 50 und den Drehmomentmessgeber 10 gebildeten Drehmomentsensor 12.
Vorzugsweise liegen dabei die Sensorelemente 18 jeweils paarweise diametral gegenüber.
Durch die Anordnung von einzelnen Sensorelementen um die zu vermessende Welle 14 herum lassen sich Abhängigkeiten des Drehmomentmesssignals von Abstandsänderungen sowie Variationen im Sensorsignal aufgrund anderer Effekte bei Drehung der Welle (RSN) kompensieren, so dass ein Messsignal entsteht, das möglichst unabhängig von Toleranzen bei der Lagerung der Welle und deren Umfang sowie möglichst unabhängig von Matenaluneinheitlichkeiten rund um den Umfang der Welle ist.
Die Verschaltung der einzelnen Spulen der Sensorelemente 18 kann dabei unterschiedlich gewählt werden. Bei einer Ausgestaltung erfolgt die Herstellung derart, dass die Generatorspulen 26 wahlweise gleich oder alternierend
zueinander in Reihe oder parallel zu einer Wechselstromquelle (nicht dargestellt z.B. ausgeführt in der Elektronik an dem Elektronik-Trägerplattenbereich 44) geschaltet werden. Bei einer alternativen Verschaltung sind die Generatorspulen 26 einzeln oder in Gruppen verschaltet unterschiedlich ansteuerbar.
Auch die Verschaltung der Messspulen 28 der Sensorelemente 18 kann unterschiedlich sein. Vorzugsweise erfolgt eine Verschaltung derart, dass sowohl die Summe der Signale der in einer ersten Richtung sensitiven ersten Paare A1 +A2 der Messspulen als auch die Summe der Signale der in einer zweiten Richtung sensitiven zweiten Paare (B1 +B2) direkt gemessen werden können als auch die Differenz dieser Summen gemessen werden kann.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Drehmomentmessgebers 10 dargestellt, welches für kleinere Wellendurchmesser geeignet ist. Hier ist der Umgreifbereich 16 nicht durch miteinander verbundene Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 gebildet, sondern durch einen
gesonderten Ringbereich 56 der Trägerplatte 34, wobei an einem inneren Bereich Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 nach innen hin abstreben. Zwischen den Sensorelement-Trägerplattenbereichen 38 und dem Ringbereich 56 ist jeweils ein flexibler Verbindungsbereich 40 vorgesehen, so dass die Sensorelement- Trägerplattenbereiche 38 aus der Zeichnungsebene in Fig. 4 axial herausgeklappt werden können. Hierzu können beispielsweise zwischen den einzelnen
Sensorelement-Trägerplattenbereichen 38 Sollbruchstellen vorgesehen sein.
Wie in Fig. 6 dargestellt, kann die Welle 14 durch das Innere des Ringbereichs 56 hindurch gesteckt werden, so dass die Sensorelement-Trägerplattenbereiche 38 an den flexiblen Verbindungsbereichen 40 in eine axiale Richtung wegschwenken und sich um den Umfang der Welle 14 verteilt an die Welle 14 anlegen.
Bei der Darstellung von Fig. 4 ist eine Generatorspule 26 sowie eine erste
Messspule A1 und eine zweite Messspule B1 vorgesehen, so dass pro
Sensorelement 18 drei Planarspulen 24 vorgesehen sind, wobei die Ferritkerne 30, die zwischen der Generatorspule 26 und jeder der Messspulen A1 , B1 vorgesehen sind, einen Winkel zwischen sich einschließen, der zwischen 90° und 0° und insbesondere zwischen 55° und 35° beträgt.
In Fig. 5 ist noch eine weitere Ausführungsform für sehr kleine Wellendurchmesser dargestellt. Diese Ausgestaltung entspricht vom Grundaufbau her der
Ausgestaltung von Fig. 4 mit Ringbereich 56 und nach innen hin abragenden Sensorelement-Trägerplattenbereichen 38. Hierbei sind nur zwei Sensorelemente 18 vorgesehen, wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung 20 einen
Dauermagneten aufweist und mittels der Magnetfelderfassungseinrichtung 22 Richtungsänderungen von Magnetfeldlinien erfasst werden.
Fig. 7 zeigt die Anordnung des Ringbereiches 56 einer weiteren Ausgestaltung des Drehmomentmessgebers 10, die vom Grundaufbau her dem Aufbau der Fig. 4 und 5 entspricht, wobei noch eine größere Anzahl von Sensorelementen 18 um die Welle 14 herum vorgesehen ist. Drehmomentmessgeber
Drehmomentsensor
Welle
Umgreifbereich
Sensorelement
Magnetfelderzeugungseinnchtung
Magnetfelderfassungseinrichtung
Planarspule
Generatorspule
Messspule
erste Messspule
zweite Messspule
erste Messspule
zweite Messspule
Ferritkern
Magnetflusskonzentrator
Trägerplatte
Leiterplatte
Sensorelement-Trägerplattenbereich flexibler Verbindungsbereich
Treiber- und Auswerteelektronik
Elektronik-Trägerplattenbereich
Trägerhülse
Halteclips
Hülse
Durchgangsöffnung
Drehmomentmessanordnung
Ringbereich

Claims

Ansprüche:
1 . Drehmomentmessgeber (10) für einen Drehmomentsensor (12) zum
Messen eines Drehmoments an einer Welle (14), mit einer Trägerplatte (34), die mehrere Sensorelement-Trägerplattenbereiche (38), auf denen jeweils wenigstens ein Sensorelement (18) zum Erfassen von Magnetfeldänderungen angeordnet ist, und wenigstens einen Umgreifbereich (16) hat, der zum zumindest teilweisen Umgreifen der Welle (14) um den Umfang der Welle (14) ausgebildet ist, wobei wenigstens ein flexibler Verbindungsbereich (40) vorgesehen ist, mittels dem wenigstens einer der Sensorelement-Trägerplattenbereiche (38) relativ zu einem anderen Sensorelement-Trägerplattenbereich (38) oder relativ zu dem wenigstens einen Umgreifbereich (16) verschwenkbar ist.
2. Drehmomentmessgeber (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Umgreifbereich (16) zumindest teilweise durch mehrere der
Sensorelement-Trägerplattenbereiche (38) gebildet ist, wobei wenigstens ein flexibler Verbindungsbereich (40) zwischen benachbarten Sensorelement- Trägerplattenbereichen (38) angeordnet ist.
3. Drehmomentmessgeber (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Umgreifbereich (16) ringförmig ausgebildet ist, wobei radial innerhalb des Umgreifbereichs (16) in Umfangsrichtung beabstandet mehrere Sensorelement- Trägerplattenbereiche (38) angeordnet sind, nach innen hin abstehen und mittels des flexiblen Verbindungsbereichs (40) in Axialrichtung heraus biegbar sind.
4. Drehmomentmessgeber (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass jedes der Sensorelemente (18) wenigstens eine
Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) zum Erzeugen eines Magnetfeldes in der Welle (14) und eine Magnetfelderfassungseinrichtung (22) zum Erfassen einer Änderung des Magnetfeldes aufgrund eines auf der Welle (14) anliegenden Drehmoments hat.
5. Drehmomentmessgeber (10) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (20) wenigstens eine Generatorspule (26) hat und die Magnetfelderfassungseinrichtung (22) wenigstens eine Messspule (28) hat, wobei wenigstens eine, mehrere oder alle dieser Spulen (28) als
Planarspulen (24) an der Trägerplatte (34) ausgebildet sind.
6. Drehmomentmessgeber nach Anspruch 4 oder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
6.1 dass Generatorspulen (26) der Magnetfelderzeugungseinrichtungen (20) wenigstens zweier benachbarter Sensorelemente (18)
6.1 .1 alternierend oder
6.1 .2 gleich
geschaltet sind und/oder
6.2 dass mehrere Messspulen (28) der Magnetfelderfassungseinrichtung (22) eines Sensorelements (18)
6.2.1 alternierend oder
6.2.2 gleich
geschaltet sind und/oder
6.3 dass einander entsprechende Messspulen (28) der
Magnetfelderfassungseinrichtungen (22) wenigstens zweier benachbarter
Sensorelemente (18)
6.3.1 alternierend oder
6.3.2 gleich
geschaltet sind.
7. Drehmomentmessgeber (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Trägerplatte (34) durch wenigstens ein Substrat, an dem die
Sensorelemente (18) ausgebildet sind, oder durch wenigstens eine Leiterplatte (36) oder Platine gebildet ist.
8. Drehmomentsensor (12), umfassend eine Hülse (50) mit einer
Durchgangsöffnung (52) zum Durchstecken einer Welle (14) und einen
Drehmomentmessgeber (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, der in oder an der Hülse (50) um die Durchgangsöffnung (52) herum angeordnet ist.
9. Drehmomentmessanordnung (54) zum Messen des Drehmoments an einer Welle (14), umfassend die Welle (14) und einen Drehmomentmessgeber (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, der die Welle (14)
a) zumindest teilweise,
b) zum Großteil oder
c) vollständig
umgibt.
10. Verfahren zum Herstellen eines Drehmomentmessgebers (10), umfassend: a) Bereitstellen einer Trägerplatte (34)
b) Bestücken mehrerer Bereiche der Trägerplatte (34) mit Sensorelementen (18) zur Erfassung von Magnetfeldänderungen aufgrund von an einer Welle (14) wirkenden Drehmomenten,
c) Vorsehen wenigstens eines flexiblen Verbindungsbereichs (40) zwischen den mit Sensorelementen (18) bestückten oder zu bestückenden Bereichen derart, dass zumindest ein Umgreifbereich (16) der Trägerplatte (34) eine Welle (14) unter Umbiegung des flexiblen Verbindungsbereichs (40) zumindest teilweise umgreifen kann.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass Schritt b) umfasst: Herstellen von Planarspulen (24) auf den mehreren Bereichen.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 ,
gekennzeichnet durch
12.1 Vereinzeln der mit Sensorelementen (18) bestückten oder zu bestückenden Bereiche der Trägerplatte (34), wobei Schritt c) Verbinden der vereinzelten Bereiche mittels der flexiblen Verbindungsbereiche (40) umfasst, oder
12.2 Vorsehen der Trägerplatte (34) derart, dass die mit Sensorelementen (18) bestückten oder zu bestückenden Bereiche flexibel zueinander verbunden sind oder
12.3 Vorsehen einer flexiblen Trägerplatte (34) oder
12.3 Vorsehen der flexiblen Verbindungsbereiche durch Materialbearbeitung an der Trägerplatte.
13. Verfahren zum Herstellen eines Drehmomentsensors (12), umfassend Durchführen des Herstellverfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 12 zum Herstellen eines Drehmomentmessgebers (10) und Einbetten des
Drehmomentmessgebers (10) in eine Hülse (50) mit einer Durchgangsöffnung (52) zum Aufstecken auf eine zu vermessende Welle (14).
14. Messverfahren zum Messen eines Drehmoments an einer Welle (14), umfassend:
Anordnen eines Drehmomentmessgebers (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zumindest teilweise um die Welle (14) und Erfassen des Drehmoments mittels der mehreren Sensorelemente (18) an in Umfangsrichtung beabstandeten oder verteilten Bereichen der Welle (14).
15. Messverfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass Sensorelemente (18) verwendet werden, die wenigstens zwei Paare von Messspulen (A1 , A2; B1 , B2) aufweisen, wobei jedes Paar Messspulen jeweils einen Magnetfeldkreis vermisst und der Magnetfeldkreis des ersten Paars (A1 , A2) in einem Winkel von 5° bis 175°, vorzugsweise 20° bis 160°, zu dem
Magnetfeldkreis des zweiten Paars (B1 , B2) angeordnet ist, wobei ein Messsignal gebildet wird aus einem oder mehreren der Signale der Gruppe von Signalen, die die Summe (A) der Signale aus dem ersten Paar Messspulen (A1 +A2), die
Summe (B) der Signale aus dem zweiten Paar Messspulen (B1 +B2) und die Differenz (A-B=(A1 +B1 )-(B1 +B2)) aus der Summe der Messsignale des ersten Paars Messspulen (A1 +A2) und der Summe der Messsignale des zweiten Paars Messspulen (B1 +B2).
PCT/EP2018/058253 2017-04-03 2018-03-29 Drehmomentmessgeber und drehmomentsensor sowie herstellverfahren und messverfahren WO2018185018A1 (de)

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