WO2018193115A1 - Sensor head, combination sensor, torque measuring arrangement, and method for measuring torque and rotational speed - Google Patents

Sensor head, combination sensor, torque measuring arrangement, and method for measuring torque and rotational speed Download PDF

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Abstract

The aim of the invention is to significantly broaden the scope of application of a torque sensor (26) in a cost-effective manner and with simple means. In order to achieve said aim, the invention provides a sensor head (48) for a torque sensor (26) for detecting a torque of a rotary shaft (32), wherein the sensor head (48) comprises: at least one magnetic field generating device (50) for generating a magnetic field in the rotary shaft (32) and at least one torque magnetic field detection device (52) for measuring at least one parameter of the generated magnetic field in the rotary shaft (32) in order to derive therefrom a torque applied on the rotary shaft (32), as well as at least one separate surface-marking detection device (110), which is spaced apart from the torque magnetic field detection device (52), for detecting a surface marking (36) on the surface of the rotary shaft (32) in order to determine a rotational speed of the rotary shaft (32). The invention also relates to a combination sensor (S1), to a torque measuring arrangement (22) and to a measurement method using the sensor head (48).

Description

SENSORKOPF, KOMBINATIONSSENSOR, DREHMOMENTMESSANORDNUNG UND VERFAHREN ZUM MESSEN VON SENSOR HEAD, COMBINATION SENSOR, TORQUE MEASURING ARRANGEMENT AND METHOD OF MEASURING
DREHMOMENT UND DREHZAHL. TORQUE AND SPEED.
Die Erfindung betrifft einen Sensorkopf für einen Drehmomentsensor zur The invention relates to a sensor head for a torque sensor for
Erfassung eines Drehmoments einer Drehwelle, wobei der Sensorkopf umfasst: wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Detecting a torque of a rotary shaft, wherein the sensor head comprises: at least one magnetic field generating means for generating a
Magnetfelds in der Drehwelle und wenigstens eine Drehmoment- Magnetfelderfassungseinrichtung zum Messen wenigstens eines Parameters des erzeugten Magnetfelds in der Drehwelle, um hieraus ein auf der Drehwelle anliegendes Drehmoment abzuleiten. Weiter betrifft die Erfindung einen einen solchen Sensorkopf beinhaltenden Sensor. Weiter betrifft die Erfindung eine Drehmomentmessanordnung, die einen solchen Sensorkopf und die zu Magnetic field in the rotary shaft and at least one torque magnetic field detecting means for measuring at least one parameter of the generated magnetic field in the rotary shaft to derive therefrom a voltage applied to the rotary shaft torque. Furthermore, the invention relates to a sensor comprising such a sensor head. Furthermore, the invention relates to a torque measuring arrangement comprising such a sensor head and the
vermessende Drehwelle aufweist. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen von Drehmoment. having measuring rotary shaft. Finally, the invention relates to a method for measuring torque.
Aus der DE 30 31 997 A1 und der EP 0 046 517 A1 sind Verfahren und From DE 30 31 997 A1 and EP 0 046 517 A1 are methods and
Vorrichtungen zur berührungslosen Messung statischer und dynamischer Devices for non-contact measurement of static and dynamic
Drehmomente an einer Drehwelle durch Erfassen einer Permeabilitätsänderung einer ferromagnetischen Drehwelle bekannt. Durch die Kombination der Drehwelle und eines Drehmomentsensors ist auch eine Drehmomentmessanordnung offenbart. Torques on a rotary shaft by detecting a change in permeability of a ferromagnetic rotary shaft known. The combination of the rotary shaft and a torque sensor also discloses a torque measuring arrangement.
Aufgabe der Erfindung ist es, mit kostengünstigen und einfachen Mitteln die Anwendungsmöglichkeiten solcher Drehmomentmessungen deutlich zu verbessern. The object of the invention is to significantly improve the application possibilities of such torque measurements with cost-effective and simple means.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensorkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Verwendungen desselben sind Gegenstand der Nebenansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der This object is achieved by a sensor head having the features of claim 1. Advantageous uses thereof are the subject of Besides claims. Advantageous embodiments are the subject of
Unteransprüche. Dependent claims.
Die Erfindung schafft gemäß einem Aspekt davon einen Sensorkopf für einen Drehmomentsensor zur Erfassung eines Drehmoments einer Drehwelle, wobei der Sensorkopf umfasst: The invention provides, in one aspect thereof, a sensor head for a torque sensor for detecting a torque of a rotary shaft, the sensor head comprising:
wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines at least one magnetic field generating device for generating a
Magnetfelds in der Drehwelle und wenigstens eine Drehmoment- Magnetfelderfassungseinrichtung zum Messen wenigstens eines Parameters des erzeugten Magnetfelds in der Drehwelle, um hieraus ein auf der Drehwelle anliegendes Drehmoment abzuleiten, und wenigstens eine von der Drehmoment- Magnetfelderfassungseinrichtung beabstandete gesonderte Magnetic field in the rotary shaft and at least one torque magnetic field detecting means for measuring at least one parameter of the generated magnetic field in the rotary shaft to derive therefrom a torque applied to the rotary shaft, and at least one of the torque-magnetic field detecting means spaced apart
Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung zum Erfassen einer Surface mark detecting means for detecting a
Oberflächenmarkierung an der Oberfläche der Drehwelle, um hieraus eine Surface marking on the surface of the rotary shaft to make a
Drehzahl der Drehwelle zu erfassen. To detect the rotational speed of the rotary shaft.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung eine Abstandserfassungseinrichtung zum Erfassen eines Abstandes zu der Oberfläche der Drehwelle aufweist, wobei die Abstandserfassungseinrichtung dazu It is preferable that the surface mark detecting means comprises a distance detecting means for detecting a distance to the surface of the rotating shaft, the distance detecting means therefor
ausgebildet ist, Änderungen eines Abstandes zu der Oberfläche der Drehwelle zu erfassen, um bei Drehung der Drehwelle eine durch eine Veränderung der Form der Oberfläche eines Markierungsbereichs der Drehwelle gebildete is formed to detect changes in a distance to the surface of the rotary shaft to a rotation of the rotary shaft formed by a change in the shape of the surface of a marking region of the rotary shaft
Oberflächenmarkierung zu erfassen, um so die Drehzahl zu erfassen. To detect surface marking, so as to detect the speed.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung eine Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung, insbesondere zum Bilden der It is preferable that the surface mark detecting means comprises a rotational speed magnetic field detecting means, in particular for forming the
Abstandserfassungseinrichtung, aufweist. Distance detection device comprises.
Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens eine Erregerspule aufweist. It is preferred that the magnetic field generating device has at least one exciter coil.
Es ist bevorzugt, dass die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtungen wenigstens eine Drehmoment-Messspule aufweist. Es ist bevorzugt, dass die Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung wenigstens eine Drehzahl-Messspule aufweist, die in einer Orientierungsrichtung des It is preferable that the torque magnetic field detection means comprises at least one torque detection coil. It is preferable that the rotational speed magnetic field detecting device has at least one rotational speed sensing coil which is in an orientation direction of the
Sensorkopfes, die im Betrieb parallel zu der Drehachse der Drehwelle anzuordnen ist, beabstandet zu der wenigstens einen Drehmoment-Messspule angeordnet ist. Sensor head, which is to be arranged in operation parallel to the axis of rotation of the rotary shaft, spaced from the at least one torque-measuring coil is arranged.
Es ist bevorzugt, dass die Erregerspule und die wenigstens eine Drehmoment- Messspule durch wenigstens ein Drehmoment-Mess-Magnetjoch zur It is preferred that the excitation coil and the at least one torque measuring coil by at least one torque-measuring magnetic yoke for
Flussverstärkung zum Bilden wenigstens eines Drehmoment-Mess-Magnetkreises verbunden sind. Flow amplification for forming at least one torque-measuring magnetic circuit are connected.
Es ist bevorzugt, dass die Erregerspule und die wenigstens eine Drehzahl- Messspule durch ein Drehzahl-Mess-Magnetjoch zur Flussverstärkung zum Bilden eines Drehzahl-Mess-Magnetkreises verbunden sind. It is preferable that the exciting coil and the at least one rotational speed measuring coil are connected by a rotational speed measuring magnetic yoke for flux amplification for forming a rotational speed measuring magnetic circuit.
Es ist bevorzugt, dass die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung eine erste Magnetfeldmesseinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld an einem Drehmomentmessbereich der Oberfläche der Drehwelle in einer ersten Richtung zu erfassen, und eine zweite Magnetfeldmesseinheit aufweist, die dazu It is preferable that the torque magnetic field detecting means comprises a first magnetic field measuring unit configured to detect a magnetic field at a torque measuring area of the surface of the rotating shaft in a first direction, and a second magnetic field measuring unit thereto
ausgebildet ist, ein Magnetfeld an einem Drehmomentmessbereich der Oberfläche der Drehwelle in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung zu erfassen. is configured to detect a magnetic field at a torque measuring range of the surface of the rotary shaft in a different direction from the first direction of the second direction.
Vorzugsweise liegen die erste und die zweite Richtung in einem Winkel zueinander, der zwischen 10° und 170°, vorzugsweise zwischen 45° und 135° und mehr bevorzugt zwischen 85° und 95° liegt. Preferably, the first and second directions are at an angle to each other that is between 10 ° and 170 °, preferably between 45 ° and 135 °, and more preferably between 85 ° and 95 °.
Vorzugsweise liegen wenigstens eine oder beide der ersten und der zweiten Richtung relativ zu der Orientierungsrichtung, in welcher die Preferably, at least one or both of the first and second directions are relative to the orientation direction in which the
Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung von der Surface marker detecting device of the
Drehmomentmagnetfelderfassungseinrichtung beabstandet ist, in einem Winkel der zwischen 10° und 170°, mehr vorzugsweise zwischen 25° und 65° und mehr bevorzugt zwischen 30° und 50° liegt. Es ist bevorzugt, dass die erste Magnetfeldmesseinheit ein Paar erste Torque magnetic field sensing device is spaced at an angle of between 10 ° and 170 °, more preferably between 25 ° and 65 ° and more preferably between 30 ° and 50 °. It is preferable that the first magnetic field measuring unit is a pair of first
Drehmoment-Messspulen aufweist. Has torque measuring coils.
Es ist bevorzugt, dass die zweite Magnetfeldmesseinheit ein Paar zweiter Drehmoment-Messspulen aufweist. It is preferred that the second magnetic field measuring unit has a pair of second torque measuring coils.
Es ist bevorzugt, dass die Drehmoment-Messspulen sternförmig um eine zentral angeordnete Erregerspule der Magnetfelderzeugungseinrichtung herum angeordnet sind. It is preferred that the torque measuring coils are arranged in a star shape around a centrally arranged exciter coil of the magnetic field generating device.
Es ist bevorzugt, dass die Drehmoment-Messspulen und die Erregerspule durch einen gemeinsamen Flusskonzentrator-Kern aus ferromagnetischen Material zum Bilden von Flusskonzentratoren für die erste Magnetfeldmesseinheit und die zweite Magnetfeldmesseinheit verbunden sind. It is preferable that the torque sensing coils and the exciting coil are connected by a common flux concentrator core of ferromagnetic material for forming flux concentrators for the first magnetic field measuring unit and the second magnetic field measuring unit.
Es ist bevorzugt, dass der Flusskonzentrator-Kern einen Ausleger hat, der sich in der Orientierungsrichtung und durch die Drehzahl-Messspule erstreckt. It is preferable that the flux concentrator core has a cantilever extending in the orientation direction and through the rotational speed sensing coil.
Es ist bevorzugt, dass die Spulen als Planarspulen ausgebildet sind. It is preferred that the coils are designed as planar coils.
Es ist bevorzugt, dass die Planarspulen auf einem gemeinsamen It is preferred that the planar coils on a common
Leiterplattenelement ausgebildet sind, an dem auch ein ferromagnetisches Material zum Bilden eines Flusskonzentrators angeordnet ist. Printed circuit board element are formed, on which a ferromagnetic material for forming a flux concentrator is arranged.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen Kombinationssensor zur Messung von Drehmoment und Drehzahl an einer Drehwelle, umfassend einen Sensorkopf nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und eine Auswerteeinrichtung, die mit der Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung verbunden ist, um ein das Drehmoment angebendes Drehmomentsignal zu erzeugen, und mit der Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung verbunden ist, um ein die Drehzahl angebendes Drehzahlsignal zu erzeugen. According to a further aspect, the invention provides a combination sensor for measuring torque and rotational speed on a rotary shaft, comprising a sensor head according to one of the preceding embodiments and an evaluation device, which is connected to the torque magnetic field detecting means to generate a torque indicative torque signal, and is connected to the surface mark detecting means to generate a rotational speed indicative speed signal.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus der mittels des Sensorkopfs erfassten Drehzahl und dem mittels des Sensorkopfs erfassten Drehmoment ein die momentane Leistung angebendes Leistungssignal zu erzeugen. It is preferred that the evaluation device is designed to detect the rotational speed detected by means of the sensor head and that of the sensor head detected torque to generate the current power indicative power signal.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine In another aspect, the invention provides a
Drehmomentmessanordnung mit einer Drehwelle und einem Sensorkopf nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und/oder einem Kombinationssensor nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen, wobei die Drehwelle einen Drehmomentmessbereich mit einer kreiszylindrischen Oberfläche, an welchem die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung angeordnet ist, und axial benachbart hierzu einen Markierungsbereich mit Oberflächenmarkierung in Form einer von einer kreiszylindrischen Oberfläche abweichenden Oberflächenform aufweist. A torque measuring device comprising a rotating shaft and a sensor head according to any one of the preceding aspects and / or a combination sensor according to any one of the preceding embodiments, wherein the rotating shaft has a torque measuring section with a circular cylindrical surface on which the torque magnetic field detecting device is disposed and axially adjacent thereto a surface-marking marking section in the form of a deviating from a circular cylindrical surface surface shape.
Es ist bevorzugt, dass der Markierungsbereich einen Zahnkranz aufweist. It is preferred that the marking area comprises a sprocket.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Messen eines Drehmoments und einer Drehzahl an einer Drehwelle umfassend: In another aspect, the invention provides a method of measuring torque and rotational speed on a rotary shaft, comprising:
a) Vorsehen der Drehwelle mit einem Markierungsbereich, an dem eine nicht rotationssymmetrische Oberflächenmarkierung angebracht ist und einem axial beabstandeten Drehmomentmessbereich ohne Oberflächenmarkierung a) Providing the rotary shaft with a marking area on which a non-rotationally symmetric surface marking is attached and an axially spaced torque measuring area without surface marking
b) Erzeugen eines Magnetfelds an der Oberfläche der Drehwelle, b) generating a magnetic field at the surface of the rotary shaft,
Messen von Magnetfeldänderungen anhand von auf der Drehwelle anliegenden Kräften an dem Drehmomentmessbereich mittels einer Drehmoment- Magnetfelderfassungseinrichtung und Measuring magnetic field changes based on applied to the rotary shaft forces on the torque measuring range by means of a torque magnetic field detecting device and
c) Erfassen des Passierens der Oberflächenmarkierung bei Drehung der Drehwelle mittels einer an dem Markierungsbereich angeordneten c) detecting the passage of the surface marking upon rotation of the rotary shaft by means of a arranged on the marking area
Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung. Surface marking detection means.
Es ist bevorzugt, dass der Schritt a) umfasst: Vorsehen der It is preferred that step a) comprises: providing the
Oberflächenmarkierung derart, dass diese eine von einer Kreiszylinderform abweichende Oberflächenform bedingt und Surface marking such that it requires a deviating from a circular cylindrical shape surface shape and
dass Schritt c) umfasst: Erfassen des Abstandes der Oberfläche der Drehwelle von der Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung. Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst: Erzeugen eines Magnetfelds sowohl im Drehmomenterfassungsbereich als auch im benachbarten Markierungsbereich mittels einer gemeinsamen Magnetfelderzeugungseinrichtung und in that step c) comprises: detecting the distance of the surface of the rotating shaft from the surface mark detecting means. It is preferred that step b) comprises: generating a magnetic field both in the torque detection region and in the adjacent marking region by means of a common magnetic field generation device and
dass Schritt c) umfasst: Messen einer Magnetfeldänderung, die sich durch Passieren der Oberflächenmarkierung ergibt. in that step c) comprises: measuring a magnetic field change resulting from passing the surface mark.
Es ist bevorzugt, dass bei dem Verfahren ein Sensorkopf und/oder ein Sensor und/oder eine Drehmomentmessanordnung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen verwendet wird. It is preferred that in the method a sensor head and / or a sensor and / or a torque measuring arrangement according to one of the preceding embodiments is used.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Drehmomentmessanordnung ist mit einer Drehwelle und einem Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmoments an der Drehwelle durch induktives Messen des Drehmoments der Drehwelle mittels magnetischer Wechselfelder und mit einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung des Signals des Drehmomentsensors versehen, wobei die Drehwelle eine A preferred embodiment of the torque measuring arrangement is provided with a rotary shaft and a torque sensor for measuring a torque on the rotary shaft by inductively measuring the torque of the rotary shaft by means of alternating magnetic fields and with an evaluation device for evaluating the signal of the torque sensor, wherein the rotary shaft
Oberflächenmarkierung an einem Markierungsbereich hat, der benachbart zu dem durch den Drehmomentsensor zur Drehmomentmessung erfassten Surface marking at a marking area adjacent to that detected by the torque sensor for torque measurement
Umfangsbereich hat, wobei sich die Oberflächenmarkierung bei Drehung der Drehwelle um die Drehachse dreht und bei Passieren einer an dem Has circumferential area, wherein the surface marking rotates about the axis of rotation upon rotation of the rotary shaft and when passing a on the
Drehmomentsensor vorgesehenen Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung ein sich entsprechend der Drehfrequenz änderndes Drehzahlsignal hervorruft, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus dem Drehzahlsignal wenigstens einen, mehrere oder alle der Parameter Drehzahl, Torque sensor surface marking detection device causes a corresponding to the rotational frequency changing speed signal, wherein the evaluation device is adapted to from the speed signal at least one, several or all of the parameters speed,
Drehgeschwindigkeit, Drehrichtung und/oder Drehwinkel der Drehwelle zu ermitteln. To determine the rotational speed, direction of rotation and / or rotation angle of the rotary shaft.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenmarkierung eine sich in axialer Richtung erstreckende Abflachung, Einkerbung oder Erhöhung an der Oberfläche des Umfangsbereichs umfasst. Besonders bevorzugt ist eine Anordnung von Zähnen, inbesondere in Form eines Zahnkranzes, vorgesehen. It is preferred that the surface marking comprises an axially extending flattening, indentation or elevation on the surface of the peripheral region. Particularly preferred is an arrangement of teeth, in particular in the form of a ring gear provided.
Es ist bevorzugt, dass der Drehmomentsensor einen Sensorkopf aufweist, der mit wenigstens einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes in der Drehwelle und mit wenigstens einer Magnetfelderfassungseinrichtung zum Messen wenigstens eines Parameters des magnetischen Wechselfeldes in der Drehwelle versehen ist. It is preferred that the torque sensor comprises a sensor head provided with at least one magnetic field generating device for generating an alternating magnetic field in the rotary shaft and with at least one Magnetic field detection device is provided for measuring at least one parameter of the alternating magnetic field in the rotary shaft.
Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens einen Flusskonzentrator mit wenigstens einer Magnetfelderzeugungsspule und einem weichmagnetischen Kern aufweist und dass die Magnetfelderfassungseinrichtung mehrere Messspulen zum Messen unterschiedlicher Magnetfeldausrichtungen aufweist. Vorzugsweise wird ein Drehmomentsensor eingesetzt, wie er vom Grundaufbau her in der DE 30 31 997 A1 , der EP 0 046 517 A1 oder der US 4 503 714 beschrieben ist. Diese Druckschriften werden hinsichtlich näherer It is preferable that the magnetic field generating device has at least one flux concentrator with at least one magnetic field generating coil and one soft magnetic core, and that the magnetic field detecting device has a plurality of measuring coils for measuring different magnetic field orientations. Preferably, a torque sensor is used, as described in its basic structure in DE 30 31 997 A1, EP 0 046 517 A1 or US Pat. No. 4,503,714. These documents are in more detail
Einzelheiten des Drehmomentsensors durch Bezugnahme inkorporiert. Zusätzlich zu dem bekannten Aufbau zum Messen des Drehmoments weist der hier vorgeschlagenen Sensor noch eine gesonderte Details of the torque sensor incorporated by reference. In addition to the known structure for measuring the torque, the sensor proposed here has a separate one
Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung auf. Surface mark detection device on.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung eine Zähleinrichtung zum Zählen der Anzahl der Signalveränderungen und/oder zum Erfassen eines Drehwinkels aufweist. So können z.B. von durch Zähne eines Zahnkranzes verursachte Signalimpulse gezählt werden, um einen Drehwinkel oder bei zusätzlicher It is preferred that the evaluation device has a counting device for counting the number of signal changes and / or detecting a rotation angle. Thus, e.g. be counted by teeth of a ring gear signal pulses to a rotation angle or additional
Berücksichtigung der Zeit eine Drehgeschwindigkeit zu bestimmen. Considering the time to determine a rotational speed.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung eine It is preferred that the evaluation device a
Signalveränderungsabstandserfassungseinrichtung zum Erfassen des Abstands zwischen den durch Passieren der Oberflächenmarkierung erzeugten  Signal change distance detecting means for detecting the distance between the generated by passing the surface mark
Signalveränderungen und/oder zum Erfassen einer Drehzahl pro Zeit aufweist. Signal changes and / or for detecting a speed per time.
Es ist bevorzugt, dass Auswerteeinrichtung eine Frequenzerfassungseinrichtung zum Erfassen der Frequenz der Änderungen in dem Drehzahl aufweist, um hieraus die Drehzahl der Drehwelle und/oder die Drehgeschwindigkeit an der Oberfläche der Drehwelle zu ermitteln. It is preferred that the evaluation device has a frequency detection device for detecting the frequency of the changes in the rotational speed in order to determine therefrom the rotational speed of the rotational shaft and / or the rotational speed at the surface of the rotational shaft.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Pulsform der Signalveränderung zu erfassen und hieraus die Drehgeschwindigkeit an der Oberfläche der Drehwelle und/oder die Drehrichtung zu erfassen. Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung eine It is preferred that the evaluation device is designed to detect a pulse shape of the signal change and to detect therefrom the rotational speed on the surface of the rotary shaft and / or the direction of rotation. It is preferred that the evaluation device a
Pulsweitenerfassungseinrichtung zum Erfassen einer Pulsweite der Pulse width detection device for detecting a pulse width of
Signalveränderung und/oder zum Ermitteln der Drehgeschwindigkeit aus einer Breite der Signalveränderung aufweist. Signal change and / or for determining the rotational speed of a width of the signal change.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenmarkierung eine Flächenform hat, die zu einer in axialer Richtung verlaufenden Mittelachse unsymmetrisch ist und/oder dass mehrere der Oberflächenmarkierungn mit unregelmäßigen Abständen und/oder mit zu einer in axialer Richtung verlaufenden Achse unsymmetrischer Anordnung vorgesehen sind, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus einer Steigung einer Pulsflanke der Signalveränderung und/oder aus einer Abstandsfolge zwischen Signalveränderungen die Drehrichtung zu ermitteln. It is preferred that the surface marking has a surface shape which is asymmetrical with respect to a center axis running in the axial direction and / or that a plurality of the surface markings are provided with irregular distances and / or with an axisymmetric arrangement extending in the axial direction, wherein the evaluation device is designed to determine the direction of rotation from a slope of a pulse edge of the signal change and / or from a distance sequence between signal changes.
Insbesondere kann eine entsprechende Zahnform der Zähne eines Zahnkranzes vorgesehen sein. Besonders bevorzugt weisen die Zähne unterschiedliche In particular, a corresponding tooth shape of the teeth of a ring gear can be provided. Particularly preferably, the teeth have different
Flankenformen an ihren beiden Seiten auf. Flank forms on both sides.
Die Drehwelle ist vorzugsweise zumindest an ihrer Oberfläche oder auch ganz aus einem weichmagnetischen oder ferromagnetischen Material ausgebildet. Dabei wird vorzugsweise eine Permeabilitätsänderung bei sich verändernder The rotary shaft is preferably formed at least on its surface or even entirely of a soft magnetic or ferromagnetic material. In this case, preferably a change in permeability is changing
Drehmomentbelastung erfasst. Dies erfolgt vorzugsweise mittels durch eine Magnetfelderzeugungseinrichtung in dem ferromagnetischen Material erzeugten Magnetfeldern und Erfassen der sich bildenden Magnetfelder - insbesondere Dichte und Ausrichtung der Feldlinien - mittels einer Torque load recorded. This is preferably done by means of magnetic fields generated by a magnetic field generating device in the ferromagnetic material and detecting the forming magnetic fields - in particular density and orientation of the field lines - by means of a
Magnetfelderfassungseinrichtung. Die Magnetfelderfassungseinrichtung weist z.B. mehrere sich kreuzende Magnetkreise auf, die teilweise durch die Drehwelle verlaufen und teilweise durch einen ersten und zweiten Jochbereich eines  Magnetic field detector. The magnetic field detection device has e.g. a plurality of intersecting magnetic circuits partially passing through the rotary shaft and partially passing through first and second yoke sections of a
Sensorkopfes laufen. Bei weniger bevorzugten Ausgestaltungen wird eine zumindest an ihrer Oberfläche permanentmagnetisierte Drehwelle verwendet. Sensor head run. In less preferred embodiments, a rotating shaft permanently magnetized at least on its surface is used.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur According to a further aspect, the invention relates to a method for
gleichzeitigen Erfassung eines Drehmoments und wenigstens einer der Parameter Drehzahl, Drehwinkel, Drehgeschwindigkeit oder Drehrichtung an einer aus oder mit einem weichmagnetischen Material gebildeten Drehwelle, umfassend: Vorsehen einer Oberflächenmarkierung auf einem Sektor eines ersten simultaneous detection of a torque and at least one of the parameters rotational speed, rotational angle, rotational speed or direction of rotation on a rotary shaft formed from or with a soft-magnetic material, comprising: Providing a surface marking on a sector of a first
Umfangsbereichs der Drehwelle; Peripheral portion of the rotary shaft;
Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds in der Drehwelle an dem ersten Umfangsbereich und einem axial benachbarten zweiten Umfangsbereich;  Generating an alternating magnetic field in the rotary shaft at the first peripheral portion and an axially adjacent second peripheral portion;
Messen des Drehmoments durch Erfassen wenigstens eines durch den Measuring the torque by detecting at least one of the
magnetoelastischen Effekt beeinflussten Parameters des erzeugten magnetischen Wechselfeldes mittels wenigstens einer Magnetfelderfassungseinrichtung an dem zweiten Umfangsbereich und Erzeugen eines Signals aus der Erfassung des Parameters, magnetoelastic effect influenced parameter of the generated alternating magnetic field by means of at least one magnetic field detecting means on the second peripheral region and generating a signal from the detection of the parameter,
Erfassen einer Magnetfeldänderung an dem ersten Umfangsbereich, die dadurch erzeugt wird, dass die Oberflächenmarkierung eine weitere  Detecting a magnetic field change at the first peripheral region, which is generated by the surface marking another
Magnetfelderfassungseinrichtung passiert und Magnetic field detection device happens and
Auswerten der Magnetfeldänderung an dem ersten Umfangsbereich zur Erfassung wenigstens einer der Parameter Drehzahl, Drehwinkel, Drehgeschwindigkeit oder Drehrichtung.  Evaluating the magnetic field change at the first circumferential region to detect at least one of the parameters rotational speed, rotational angle, rotational speed or direction of rotation.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine According to a further aspect, the invention relates to a
Drehmomentregelvorrichtung zum Regeln der Ausgangsleistung und/oder des Drehmoments eines Elektroantriebes, der einen Elektromotor mit Ständer und Läufer und eine mit dem Läufer zur gemeinsamen Drehung verbundene A torque control device for controlling the output and / or the torque of an electric drive comprising an electric motor with stator and rotor and a common rotation with the rotor
Abtriebswelle als Drehwelle hat, umfassend: Output shaft has as a rotary shaft, comprising:
einen Drehmomentmessanordnung nach einer der voranstehenden a torque measuring arrangement according to one of the preceding
Ausgestaltungen zum Messen eines Drehmoments an der Abtriebswelle und eine mit der Drehmomentmessanordnung verbundene Steuerung, die dazu eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit von dem durch den Drehmomentsensor gemessenen Drehmoment zu steuern. Embodiments for measuring a torque on the output shaft and a controller connected to the torque measuring device, which is adapted to control the electric motor in dependence on the torque measured by the torque sensor.
Es ist bevorzugt, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit von dem durch die Drehmomentmessanordnung gemessenen Drehmoment und der durch die Drehmomentmessanordnung ermittelten Drehzahl zu steuern, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, aus dem Drehmoment und der Drehzahl die Ausgangsleistung des Elektroantriebes zu ermitteln und den Elektromotor in Abhängigkeit von der ermittelten Ausgangsleistung zu steuern. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Elektroantrieb, umfassend eine Drehmomentregelvorrichtung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und/oder eine Drehmomentmessanordnung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen. It is preferred that the controller is adapted to control the electric motor in dependence on the torque measured by the torque measuring arrangement and the rotational speed determined by the torque measuring arrangement, the controller being adapted to supply the output power of the electric drive from the torque and the rotational speed determine and control the electric motor in dependence on the determined output power. According to a further aspect, the invention relates to an electric drive, comprising a torque control device according to one of the preceding embodiments and / or a torque measuring arrangement according to one of the preceding embodiments.
Eine Grundidee der Erfindung ist, unter Ausnutzung einer Permeabilitätsänderung von aus ferromagnetischen Materialien gebildeten Drehwelle und von A basic idea of the invention is, taking advantage of a permeability change of rotating shaft formed from ferromagnetic materials and of
Oberflächeneffekten einen Kombinationssensor zu bilden, der neben Drehmoment auch wenigstens einen weiteren Parameter der Drehbewegung der Drehwelle mit vorzugsweise mit dem gleichen Messaufbau erfasst. Besonders bevorzugt werden ein Drehmomentsignal und ein Drehzahlsignal in dem gleichen Messaufbau durch unterschiedliche zueinander beabstandete Messspulen erzeugt und über getrennte Kanäle ausgegeben. So kann man die Drehzahl-Messspule an einem Markierungsbereich der Drehwelle anordnen, der eine für eine Drehzahlerfassung optimierte Oberflächenform oder Materialverteilung hat, während eine Surface effects to form a combination sensor, which detects not only torque but also at least one other parameter of the rotational movement of the rotary shaft, preferably with the same measurement structure. Particularly preferably, a torque signal and a rotational speed signal are generated in the same measurement setup by different measuring coils spaced apart from one another and output via separate channels. Thus, one can arrange the speed measuring coil on a marking region of the rotary shaft, which has an optimized for a speed detection surface shape or material distribution, while a
Drehmoment-Messspule oder eine Drehmoment-Mess- Magnetfelderfassungseinrichtung mit mehreren Drehmoment-Messspulen an einem Drehmomentmessbereich der Drehwelle anordnen kann, der eine für die Drehmomentmessung optimierte Oberflächenform und Materialverteilung - insbesondere möglichst gleichförmig über den gesamten Umfang - hat. Torque measuring coil or a torque-measuring magnetic field detection device with a plurality of torque measuring coils can arrange on a torque measuring range of the rotary shaft, which has optimized for the torque measurement surface shape and material distribution - in particular as uniformly as possible over the entire circumference - has.
Insbesondere können so unabhängige Signale für Drehzahl und Drehmoment mit hoher Auflösung mit dem gleichen einfachen Messaufbau erreicht werden. In particular, so independent signals for speed and torque with high resolution can be achieved with the same simple measurement setup.
Insbesondere ist die Anwendung in Verbindung mit einem Elektromotor In particular, the application is in conjunction with an electric motor
interessant. Das erfasste Drehmoment und der wenigstens eine weitere Interesting. The detected torque and the at least one more
Parameter können zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors eingesetzt werden. Es kann z.B. eine exakte Drehmomentregelung oder Parameters can be used for controlling and / or regulating the electric motor. It can e.g. an exact torque control or
Leistungsregelung erfolgen. Auch kann der Drehwinkel erfasst werden und so in einfacher Weise ein Stellmotor oder Servomotor geschaffen werden, der mit exaktem Drehmoment in eine vorbestimmte Position verfahren werden kann. So können sehr leistungsfähige Stellantriebe geschaffen werden. Power regulation. Also, the rotation angle can be detected and so easily a servo motor or servo motor can be created, which can be moved with exact torque in a predetermined position. So very powerful actuators can be created.
Es sind aber auch viele andere Anwendungen möglich, beispielsweise können auch andere Antriebe, z.B. mit einer Verbrennungskraftmaschine, einem pneumatischen oder hydraulischen Antrieb mit der Drehmomentmessanordnung versehen werden, um die Drehmomentabgaben und/oder Drehgeschwindigkeit und/oder den Stellweg zu überwachen und/oder zu steuern. But there are also many other applications possible, for example, other drives, eg with an internal combustion engine, a pneumatic or hydraulic drive are provided with the torque measuring arrangement to monitor and / or control the torque outputs and / or rotational speed and / or the travel.
Eine bevorzugte Anwendung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Regeln der Ausgangsleistung und/oder des Drehmoments eines Elektroantriebes, der einen Elektromotor mit Ständer und Läufer und eine mit dem Läufer zur gemeinsamen Drehung verbundene Abtriebswelle hat. A preferred application relates to an apparatus and method for controlling the output and / or torque of an electric drive having an electric motor with stator and rotor and an output shaft connected to the rotor for common rotation.
Bei bisher auf dem Markt erhältlichen Leistungselektroniken für Elektroantriebe kann durch das Messen der Phasenströme und Phasenspannungen die In previously available on the market power electronics for electric drives can by measuring the phase currents and phase voltages the
Leistungsaufnahme eines Elektromotors relativ genau gemessen werden. Durch entsprechende Modelle zum Wirkungsgrad und verschiedener Abhängigkeiten (Temperaturabhängigkeit, Alterungsverhalten...) kann die Ausgangsleistung berechnet werden. Mit diesen Größen können Elektromotoren auf ein spezifisches Drehmoment bei bekannter Winkelgeschwindigkeit der Achse geregelt werden. Derartige Elektroantriebe und deren Vorrichtungen zur Drehmomentregelung finden sich beispielsweise in auf dem Markt erhältlichen Haupt-Elektroantrieben für Elektrofahrzeuge. Power consumption of an electric motor are measured relatively accurately. By appropriate models for efficiency and various dependencies (temperature dependence, aging behavior ...), the output power can be calculated. With these sizes, electric motors can be controlled to a specific torque at a known angular velocity of the axis. Such electric drives and their torque control devices can be found, for example, in available on the market main electric drives for electric vehicles.
Ein Beispiel für eine bekannte Regelung eines Elektroantriebes auf dem Gebiet der elektrischen Lenksysteme findet sich in der US 2005/037884 A1 . An example of a known regulation of an electric drive in the field of electric steering systems can be found in US 2005/037884 A1.
Ein Vorteil einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass derartige Vorrichtungen und Verfahren zur Drehmomentregelung und/oder Regelung der Leistung von Elektroantrieben hinsichtlich der Genauigkeit des Ausgangsdrehmoments bzw. der Ausgangsleistung und/oder hinsichtlich An advantage of a particular embodiment of the invention is that such devices and methods for torque control and / or regulation of the power of electric drives with respect to the accuracy of the output torque or output power and / or in terms
Sicherheitsaspekten verbessert werden können. Safety aspects can be improved.
Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung betrifft eine A preferred application of the invention relates to a
Drehmomentregelvorrichtung zum Regeln der Ausgangsleistung und/oder des Drehmoments eines Elektroantriebes, der einen Elektromotor mit Ständer und Läufer und eine mit dem Läufer zur gemeinsamen Drehung verbundene A torque control device for controlling the output and / or the torque of an electric drive comprising an electric motor with stator and rotor and a common rotation with the rotor
Abtriebswelle hat, umfassend: einen Drehmomentsensor zum Messen eines Drehmoments an der Abtriebswelle und eine mit dem Drehmomentsensor verbundene Steuerung, die dazu eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit von dem durch den Output shaft has, comprising: a torque sensor for measuring a torque on the output shaft and a controller connected to the torque sensor, which is adapted to the electric motor depending on the
Drehmomentsensor gemessenen Drehmoment zu steuern. Torque sensor to control measured torque.
Insbesondere lässt sich damit ein drehmomentgeregelter Elektromotor In particular, this allows a torque-controlled electric motor
bereitstellen, dessen Regelung nicht durch Spannung/Strom, sondern durch ein aktives Sensorelement erfolgt. whose regulation is not by voltage / current, but by an active sensor element.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Drehzahlsensor zur Messung der Drehzahl der Abtriebswelle, wobei die A preferred embodiment of the invention is characterized by a speed sensor for measuring the rotational speed of the output shaft, wherein the
Steuerung mit dem Drehzahlsensor verbunden ist und dazu eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit von dem durch den Drehmomentsensor Control is connected to the speed sensor and is adapted to the electric motor in response to the by the torque sensor
gemessenen Drehmoment und der durch den Drehzahlsensor verbundenen Drehzahl zu steuern. measured torque and the speed connected by the speed sensor.
Es ist bevorzugt, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, aus dem Drehmoment und der Drehzahl die Ausgangsleistung des Elektroantriebes zu ermitteln und den Elektromotor in Abhängigkeit von der ermittelten Ausgangsleistung zu steuern. It is preferred that the controller is adapted to determine the output power of the electric drive from the torque and the speed and to control the electric motor in dependence on the determined output power.
Es ist bevorzugt, dass die Steuerung zur Überwachung der Leistungsabgabe des Elektroantriebes eingerichtet ist. It is preferred that the control for monitoring the power output of the electric drive is set up.
Es ist bevorzugt, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, den Elektroantrieb abhängig von einer aus einem Eingangsstrom und einer Eingangsspannung ermittelten Eingangsleistung und einer aus dem Drehmoment ermittelten It is preferred that the controller is adapted to the electric drive depending on an input power determined from an input current and an input voltage and one determined from the torque
Ausgangsleistung und einer Sollleistung zu steuern und/oder zu überwachen. Output power and a target power to control and / or monitor.
Vor allem bei der Elektromobilität gibt es ein Erfordernis (SIL2 gemäß EN61508 und/oder Performance Level d gemäß ISO 13849-1 ), dass die Ausgangsleistung des Elektromotors überwacht wird. Das kann man mit Spannung/Strom machen. Wesentlich genauer geht dies aber durch unmittelbare Überwachung über direkte Sensoren an der Abtriebswelle, wie bei der Erfindung vorgeschlagen. Besondere Vorteile hat die erfindungsgemäße Idee, wenn der Elektroantrieb man für ein Torque Vectoring auf das Drehmoment geregelt wird. In einem solchen Fall ist ein aktives Sensorelement wie bei der Erfindung vorgeschlagen sehr vorteilhaft, da man nicht auf sowohl Spannung/Strom regeln kann und diese Größe auch noch für die Sicherheits-Überwachung verwenden kann. Especially for electromobility there is a requirement (SIL2 according to EN61508 and / or Performance Level d according to ISO 13849-1) that the output power of the electric motor is monitored. This can be done with voltage / current. Much more accurate, however, this is by direct monitoring via direct sensors on the output shaft, as proposed in the invention. Particular advantages has the inventive idea, if the electric drive you for a Torque vectoring is regulated to the torque. In such a case, an active sensor element as proposed in the invention is very advantageous because you can not regulate both voltage / current and this size can also use for security monitoring.
Es ist bevorzugt, dass der Drehmomentsensor ein induktiver berührungsloser Sensor zur induktiven Drehmomenterfassung unmittelbar an der Abtriebswelle mittels magnetischer Wechselfelder ist. Derartige Sensoren sind sehr einfach an der Abtriebswelle einsetzbar, wobei die Abtriebswelle auch unverändert bleiben kann und keine aktiven Elemente im mitdrehenden System benötigt werden. Die berührungslose Messung erfolgt ohne Reibungsverluste und ist im Wesentlichen wartungsfrei. It is preferred that the torque sensor is an inductive non-contact sensor for inductive torque detection directly on the output shaft by means of alternating magnetic fields. Such sensors are very easy to use on the output shaft, wherein the output shaft can remain unchanged and no active elements in the co-rotating system are needed. The non-contact measurement takes place without friction losses and is essentially maintenance-free.
Mit einer Drehmomentmessanordnung gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann man gleichzeitig mit einem Signal das Drehmoment der Drehwelle (z.B. der Abtriebswelle) und mit einem weiteren Signal z.B. deren Drehzahl bestimmen. Damit kann man mit von einem einzelnen Sensorkopf erzeugten und dennoch unabhängigen Signalen unmittelbar die mechanische Leistung an der Drehwelle bestimmen. Dies ist selbstverständlich für die Regelung von Elektroantrieben hoch interessant, kann aber auch für andere Verwendungen Anwendung finden. Z.B. könnte sich bei unterschiedlichen Anwendungen (PKW; LKW; Schiffe; Maschinen; Flugzeuge; Fahrzeuge) an einer Abtriebswelle die mechanische Leistung unmittelbar messen. With a torque measuring arrangement according to an advantageous embodiment of the invention, one can simultaneously with a signal the torque of the rotary shaft (for example the output shaft) and with another signal e.g. determine their speed. Thus, one can directly determine the mechanical power at the rotary shaft with signals generated by a single sensor head and yet independent. This is of course highly interesting for the control of electric drives, but can also be used for other uses. For example, For example, different applications (cars, trucks, ships, machinery, aircraft, vehicles) on an output shaft could directly measure mechanical performance.
Vorzugsweise ist die Drehmomentmessanordnung zur Verwendung in einer Drehmomentregelung gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen ausgebildet, wobei die Abtriebswelle die zu vermessende Drehwelle der Preferably, the torque measuring arrangement is designed for use in a torque control according to one of the previously explained embodiments, wherein the output shaft of the rotating shaft to be measured
Drehmomentmessanordnung ist. Die Drehmomentmessanordnung ist aber auch für andere Einsatzzwecke geeignet und vorteilhaft, wo neben der Messung eines Drehmoments einer Drehwelle auch deren Drehzahl ermittelt werden soll. Torque measuring arrangement is. However, the torque measuring arrangement is also suitable and advantageous for other purposes, where in addition to the measurement of a torque of a rotary shaft and their speed should be determined.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Regelungsverfahren zum Regeln der Ausgangsleistung und/oder des Drehmoments eines Elektroantriebes, der einen Elektromotor mit Ständer und Läufer und eine mit dem Läufer zur gemeinsamen Drehung verbundene Abtriebswelle hat, umfassend: According to a further aspect, the invention provides a control method for regulating the output power and / or the torque of an electric drive, comprising an electric motor with stator and rotor and an output shaft connected to the rotor for common rotation, comprising:
Messen eines Drehmoments an der Abtriebswelle mittels eines Measuring a torque on the output shaft by means of a
Drehmomentsensors, Torque sensor,
Messen der Drehzahl der Abtriebswelle und  Measuring the speed of the output shaft and
Steuern des Elektromotors in Abhängigkeit von dem durch den Controlling the electric motor in dependence on the by the
Drehmomentsensor gemessenen Drehmoment und der durch den Drehzahlsensor ermittelten Drehzahl. Torque sensor measured torque and the speed determined by the speed sensor.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst: A preferred embodiment of the control method comprises:
Ermitteln der Ausgangsleistung des Elektroantriebes aus dem Drehmoment und der Drehzahl und  Determining the output power of the electric drive from the torque and the speed and
Steuern des Elektromotors in Abhängigkeit von der ermittelten Ausgangsleistung.  Controlling the electric motor as a function of the determined output power.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst: A preferred embodiment of the control method comprises:
Überwachen der Leistungsabgabe des Elektroantriebes mittels der Monitoring the power output of the electric drive by means of
Ausgangsleistung, der aus einem Eingangsstrom und einer Eingangsspannung ermittelten Eingangsleistung und einer Sollleistung. Output power, the input power determined from an input current and an input voltage, and a target power.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst: A preferred embodiment of the control method comprises:
berührungsloses induktives Messen des Drehmoments an der Abtriebswelle mittels magnetischer Wechselfelder. Non-contact inductive measuring of the torque at the output shaft by means of magnetic alternating fields.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst: A preferred embodiment of the control method comprises:
Verwenden einer Abtriebswelle, die eine Oberflächenmarkierung an einem ersten durch den Kombinationssensor erfassten Umfangsbereich hat, welche sich bei Drehung der Abtriebswelle um die Drehachse dreht und bei Passieren eines zur Oberflächenmarkierungserfassung vorgesehenen Teil des Kombinationssensors eine Veränderung in einem ersten Signal des Drehmomentsensors hervorruft, und Ermitteln der Drehzahl der Abtriebswelle aus der Periode der Veränderung des ersten Signals des Kombinationssensors. Using an output shaft having a surface mark on a first detected by the combination sensor peripheral portion which rotates upon rotation of the output shaft about the axis of rotation and upon passing a provided for surface mark detection portion of the combination sensor causes a change in a first signal of the torque sensor, and determining the Speed of the output shaft from the period of change of the first signal of the combination sensor.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst: Vorsehen einer sich in axialer Richtung erstreckenden Abflachung, Einkerbung oder Erhöhung an der Oberfläche des ersten Umfangsbereichs zum Bilden der Oberflächenmarkierung. A preferred embodiment of the control method comprises: Providing an axially extending flattening, indentation or elevation on the surface of the first peripheral region to form the surface marking.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst: A preferred embodiment of the control method comprises:
Vorsehen der Oberflächenmarkierung mit einer vorgegebenen Erstreckung in Umfangsrichtung und Providing the surface marking with a predetermined extent in the circumferential direction and
Ermitteln der Drehgeschwindigkeit aus der Länge einer durch die  Determining the rotational speed of the length of a through the
Oberflächenmarkierung in dem Signal des Drehmomentsensors verursachten Signaländerung. Beispielsweise kann ein Zahnkranz mit sich über eine Surface marking in the signal of the torque sensor caused signal change. For example, a sprocket with over a
vorbestimmte Länge in Umfangsrichtung erstreckenden Zähnen vorgesehen werden, und der Drehwinkel und die Drehgeschwindigkeit können mittels Zählen von entsprechend durch die Zähne verursachten Impulsen in dem Drehzahlsignal erfasst werden. predetermined length of circumferentially extending teeth are provided, and the rotation angle and the rotation speed can be detected by counting pulses correspondingly caused by the teeth in the speed signal.
Eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung betrifft insbesondere eine An advantageous application of the invention relates in particular to a
Drehmomentregelung eines Elektromotors oder für einen Elektromotor. Torque control of an electric motor or for an electric motor.
Eine bevorzugte Ausgestaltung betrifft eine Drehmomentregelung eines A preferred embodiment relates to a torque control of a
Elektromotors durch Messung der Ausgangsleistung mittels eines vorzugsweise kombinierten Drehmomentsensors und Drehzahlsensors. Hierdurch ist eine sehr genaue Regelung möglich. Electric motor by measuring the output power by means of a preferably combined torque sensor and speed sensor. As a result, a very accurate control is possible.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung und das Verfahren zusätzlich oder alternativ eine Überwachung der Motorleistungsabgabe als Preferably, the apparatus and method additionally or alternatively comprises monitoring the engine output as
Sicherheitsüberwachung mittels der Eingangsleistung (Spannung, Strom). Safety monitoring by means of the input power (voltage, current).
Damit ist eine sehr gute Sicherheitsüberwachung für drehmomentgeregelte Elektromotoren möglich. Dadurch, dass man die über gemessenes Drehmoment und gemessene Drehzahl ermittelte tatsächliche Ausgangsleistung als This makes a very good safety monitoring possible for torque-controlled electric motors. By determining the actual output power determined via measured torque and measured speed
Regeleingangsgrößen heranzieht, kann man die Spannung und den Strom als zusätzliche Größen für andere Aufgaben, insbesondere die Regeleingangsgrößen, you can see the voltage and current as additional variables for other tasks, in particular the
Sicherheitsüberwachung heranziehen. Außerdem kann man durch einen Vergleich auch ohne Umwege über Berücksichtigung weiterer Parameter (wie Umweltbedingungen) den Wirkungsgrad und die Verlustleistung bestimmen. Use safety monitoring. You can also by comparison determine the degree of efficiency and the power loss without detours by considering further parameters (such as environmental conditions).
Eine vorteilhafte Anwendung wird im Folgenden erläutert: Durch den Einsatz von Elektromotoren in der Elektromobilität wird deren Funktion als sicherheitskritisch eingestuft, d.h. die Leistungsabgabe sollte in einer Safety-Funktion überwacht werden. Diese Überwachung kann mittels Strom und Spannung umgesetzt werden. Bei einer aktiven Regelung der Ausgangsleistung des Elektromotor (Torque Vectoring, Anti-Schlupf Regelung....) an der Welle eines Antrieb benötigt es eine zweite Messeinrichtung für die aktive Regelung, um die An advantageous application is explained below: The use of electric motors in electromobility classifies their function as safety-critical, i. the power output should be monitored in a safety function. This monitoring can be implemented by means of current and voltage. With an active control of the output power of the electric motor (torque vectoring, anti-slip regulation ....) on the shaft of a drive, it requires a second measuring device for the active control to the
Funktionsüberwachung mittels Spannung und Strom als unabhängige Größe außerhalb des Regelkreis weiterhin verwenden zu können. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird hierzu eine unmittelbare Messung des Drehmoments und gegebenenfalls der Drehzahl an der Abtrieswelle vorgeschlagen. To be able to continue to use function monitoring by means of voltage and current as an independent variable outside the control loop. According to an advantageous embodiment of the invention for this purpose a direct measurement of the torque and possibly the speed is proposed at the output shaft.
Eine weitere besonders bevorzugte Verwendungsmöglichkeit des hier Another particularly preferred use of the here
beschriebenen Sensorkopfes, der hier beschriebenen described sensor head described here
Drehmomentmessanordnung und des hier beschriebenen Sensors ist die Torque measuring arrangement and the sensor described here is the
Durchführung einer Leistungsmessung. Performing a power measurement.
Für eine Leistungsmessung wird das Drehmoment und die Drehzahl / For a power measurement, the torque and the speed /
Drehgeschwindigkeit benötigt. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung beschreibt eine Anordnung für einen Drehmomentsensor und einen Drehzahlsensor, der auf ähnlicher technologischer Basis wie der Drehzahlsensor funktioniert und die Kombination von beidem in einem Package. Rotational speed needed. A particularly preferred embodiment of the invention describes an arrangement for a torque sensor and a speed sensor which operates on a similar technological basis as the speed sensor and the combination of both in a package.
Vorzugsweise wird ein Magnetfeld von einem Generator mit einer Erregerspule in die Messwelle eingekoppelt und für die Drehmomentmessung verwendet. Preferably, a magnetic field is coupled by a generator with an excitation coil in the measuring shaft and used for the torque measurement.
Besonders bevorzugt wird zur Drehmomentmessung eine Anordnung einer zentralen Erregerspule und zweier Paare von Messspulen angeordnet auf 5 Pins eines ferromagnetischen Kerns verwendet. Über einen 6. Pin im Particularly preferred for torque measurement, an arrangement of a central excitation coil and two pairs of measuring coils arranged on 5 pins of a ferromagnetic core used. Via a 6th pin in the
ferromagnetischen Kern (z.B. Ferrit) wird eine zusätzliche Drehzahl-Messspule in den magnetischen Kreis eingekoppelt. Besonders bevorzugt befindet sich die Drehzahl-Messspule über einem ferromagnetic core (eg ferrite), an additional speed measuring coil is coupled into the magnetic circuit. Particularly preferably, the speed measuring coil is located above a
Zahnkranzmuster, welches in die Messwelle eingeprägt ist. Durch die Höhen- Tiefenprofile des Zahnkranzes verändert sich die Induktivität der Drehzahl- Messpule, was sich in einer Variation im Signal der Drehzahl-Messspule Sprocket pattern, which is embossed in the measuring shaft. The height-depth profile of the sprocket changes the inductance of the speed measuring coil, resulting in a variation in the signal of the speed measuring coil
(=Drehzahlsignal) äußert. (= Speed signal) expresses.
Beispielsweise können mit 32 Zähnen in dem Zahnkranz auf der Messwelle 64 Winkeleinheiten aufgelöst werden. Bei guter mechanischer Verarbeitung der Zahnkränze bzw. Ausführung in einem sinusförmigen Verlauf können deutlich höhere Auflösungen erzielt werden. Z.B. mit unterschiedlichen Flankenformen der Zähne auf der Vorder- und Rückseite kann auch die Drehrichtung erfasst werden. For example, with 32 teeth in the ring gear on the measuring shaft 64 angular units can be resolved. With good mechanical processing of the sprockets or execution in a sinusoidal course significantly higher resolutions can be achieved. For example, With different edge shapes of the teeth on the front and back, the direction of rotation can be detected.
Vorstellbar ist auch jede andere Variante für einen Drehwinkel und Also conceivable is any other variant for a rotation angle and
Drehzahlsensor mit dem Drehmomentsensor als Leistungssensor. Speed sensor with the torque sensor as a power sensor.
Der Sensorkopf ist vorzugsweise als Sensorpackage ausgeführt, wie dies in der deutschen Patentanmeldung 10 2016 122 172.4 beschrieben und gezeigt ist. Dementsprechend sind Spulen vorzugweises als Planarspulen an einem Substrat, insbesondere in Leiterplattentechnik ausgeführt, wie dies näher in dieser The sensor head is preferably designed as a sensor package, as described and shown in German Patent Application 10 2016 122 172.4. Accordingly, coils are preferably designed as planar coils on a substrate, in particular in printed circuit board technology, as described in more detail in this
Patentanmeldung 10 2016 122 172.4 beschrieben ist. Es wird für weitere Patent Application 10 2016 122 172.4 is described. It will be for more
Einzelheiten zum Herstellen des Sensorkopfes ausdrücklich auf die DE 10 2016 122 172.4 verwiesen. For details on the manufacture of the sensor head expressly refer to DE 10 2016 122 172.4.
Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt: An embodiment will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Drehmomentmessanordnung mit einer Drehwelle und einem Sensor, der einen an der Drehwelle angeordneten Sensorkopf aufweist; 1 shows a schematic representation of a torque measuring arrangement with a rotary shaft and a sensor which has a sensor head arranged on the rotary shaft;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Elektroantriebes mit einem Fig. 2 is a schematic representation of an electric drive with a
Elektromotor als Beispiel für einen Anwendungsfall der  Electric motor as an example of an application of the
Drehmomentmessanordnung; und der Elektroantrieb von Fig. 2 mit einer Drehmomentregelvorrichtung zum Regeln des Drehmoments und/oder der Abtriebsleistung des Elektromotors. Torque measuring device; and the electric drive of Fig. 2 with a torque control device for controlling the torque and / or the output power of the electric motor.
In Fig. 1 ist eine Drehmomentmessanordnung 22 gezeigt, die eine Drehwelle 32 und einen Drehmomentsensor 26 zum Messen eines Drehmoments an der Drehwelle 32 aufweist. 1, a torque measuring assembly 22 is shown having a rotary shaft 32 and a torque sensor 26 for measuring torque on the rotary shaft 32.
Der Drehmomentsensor 26 ist als berührungslos arbeitender magnetoelastischer Sensor S1 ausgebildet, der mit magnetischen Wechselfeldern arbeitet. Für nähere Einzelheiten zu solchen Sensoren wird auf folgende Literaturstellen verwiesen: The torque sensor 26 is designed as a non-contact magnetoelastic sensor S1, which operates with alternating magnetic fields. For further details on such sensors reference is made to the following references:
[1 ] Lutz May,„Drehmoment so einfach wie Temperatur messen" in  [1] Lutz May, "Torque as easy as measuring temperature" in
Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2015;  Buying Metrology & Sensor Technology 2015;
[2] Gerhard Fiedler, Franz Merold„Intelligente Sensorik - [2] Gerhard Fiedler, Franz Merold "Intelligent Sensors -
Magnetorestriktive Drehmomentsensoren" in Elektronik Journal 04/2016; Magnetorestrictive Torque Sensors "in Elektronik Journal 04/2016;
[3] H. Ruser, U. Tröltzsch, M. Horn, H.-R. Tränkler;„Magnetische  [3] H. Ruser, U. Troltzsch, M. Horn, H.-R. Tränkler; "Magnetic
Drehmomentmessung mit Low-cost Sensor" downgeloaded am  Torque measurement with low-cost sensor "downloaded on
02.06.2016 unter  02.06.2016 under
http://www.mikrocontroller.net/attachment/22413/Drehmomentsensor- Kreuzspule.pdf; Vortrag VDE/VDI-Fachtagung 1 1 . und 12. März 2002, Ludwigsburg, siehe auch die Referenzen in diesem Dokument;  http://www.mikrocontroller.net/attachment/22413/Trehmomentsensor- Kreuzspule.pdf; Lecture VDE / VDI Symposium 1 1. and March 12, 2002, Ludwigsburg, see also references in this document;
[4] WO2015/001097 A1 .  [4] WO2015 / 001097 A1.
[5] DE 30 31 997 A1  [5] DE 30 31 997 A1
[6] EP 00 46 517 A1  [6] EP 00 46 517 A1
[7] US 4 503 714 A  [4] US 4 503 714 A
Der Sensor S1 ist vorzugsweise berührungslos auf Basis des induktiven The sensor S1 is preferably non-contact based on the inductive
Messprinzips ausgeführt, siehe [3], [2], [5]-[7]. Wie in [4] ausgeführt, wird der Sensor S1 mit einem magnetischen Wechselfeld betrieben. Vorteilhaft ist dabei der Betrieb in einem aktiven Modus; so erfordert das schnelle magnetische Wechselfeld keine physikalische Veränderung an der Drehwelle 32, eine permanente und eventuell nicht langzeitstabile Magnetisierung ist nicht erforderlich, siehe [1 ]. Die Methodik ist unempfindlich gegenüber Verschmutzung (Wasser, Öl, Staub), Vibration, Luftspaltänderung und kann auch keinen Schaden nehmen, wenn zu große Kräfte an der Drehwelle 32 wirken, da der Sensor S1 sich außerhalb des Kraftflusses befindet. Measuring principle executed, see [3], [2], [5] - [7]. As stated in [4], the sensor S1 is operated with an alternating magnetic field. The advantage here is the operation in an active mode; Thus, the fast magnetic alternating field requires no physical change to the rotary shaft 32, a permanent and possibly not long-term stable magnetization is not required, see [1]. The methodology is insensitive to contamination (water, oil, dust), vibration, air gap change and can not be damaged if excessive forces act on the rotary shaft 32, since the sensor S1 is outside the power flow.
Der Drehmomentsensor 26 weist einen Sensorkopf 48 auf. The torque sensor 26 has a sensor head 48.
An dem Sensorkopf 48 weist der Drehmomentsensor 26 eine At the sensor head 48, the torque sensor 26 has a
Magnetfelderzeugungseinrichtung 50 zur Erzeugung eines Magnetfeldes in und an der Drehwelle 32 und eine Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung 52 zum Messen von Änderungen des Magnetfeldes an der Drehwelle 32 zwecks Magnetic field generating means 50 for generating a magnetic field in and on the rotary shaft 32 and a torque magnetic field detecting means 52 for measuring changes of the magnetic field on the rotary shaft 32 for the purpose
Erzeugung eines das anliegende Drehmoment anzeigenden Drehmomentsignals auf. Generation of an applied torque indicative torque signal.
Als Teil dieser Einrichtungen 50, 52 weist der Sensorkopf 48 einen hier auch als Kern bezeichneten Körper 54 aus weichmagnetischem Material mit zu der As part of these devices 50, 52, the sensor head 48 has a designated here as the core body 54 of soft magnetic material to the
Drehwelle 32 hin gerichteten Vorsprüngen 56, 57a, 57b, 57c, 57d auf, die jeweils von Spulen 58-62 umgeben sind. Rotary shaft 32 directed toward projections 56, 57 a, 57 b, 57 c, 57 d, which are each surrounded by coils 58-62.
So bildet ein zentraler fünfter Vorsprung 56, der mit einer an einen elektrischen Schwingungsgenerator (nicht dargestellt, kann Teil einer Elektronik 80 sein) angeschlossenen zur Magnetfelderzeugung ausgebildeten Erregerspule 48 umgeben ist, einen Teil eines Flusskonzentrators 66, mit dem sich der Thus, a central fifth projection 56, which is surrounded by an excitation coil 48 connected to an electric oscillation generator (not shown, may be part of an electronics 80) and designed to generate magnetic fields, forms part of a flux concentrator 66, with which the
Magnetfluss des in die Drehwelle 32 indizierten Magnetfeldes konzentrieren lässt. Focusing magnetic flux of the indexed in the rotary shaft 32 magnetic field.
Ein erster von einer ersten Drehmoment-Messspule 59 umgebener Vorsprung 57a und ein zweiter von einer zweiten Drehmoment-Messspule 60 umgebener A first projection 57a surrounded by a first torque measuring coil 59 and a second projection 57a surrounded by a second torque measuring coil 60
Vorsprung 57b sind Teil eines ersten Drehmoment-Mess-Magnetkreises 70, und ein dritter von einer dritten Messspule 61 umgebener Vorsprung 57c und ein vierter von einer vierten Messspule 62 umgebener Vorsprung 57d sind Teil eines zweiten Drehmoment-Mess-Magnetkreises 72. Hierzu sind die Vorsprünge 57a- 57d jeweils paarweise gegenüberliegend, so dass die Paare sich kreuzen, angeordnet. Aufgrund der unterschiedlichen Winkel der beiden Magnetkreise 70, 72 lassen sich Magnetfeldrichtungsänderungen erfassen. Die entsprechend zwischen dem ersten Vorsprung 57a und dem zweiten Projection 57b are part of a first torque-measuring magnetic circuit 70, and a third projection 57c surrounded by a third measuring coil 61 and a fourth projection 57d surrounded by a fourth measuring coil 62 are part of a second torque-measuring magnetic circuit 72. For this purpose, the projections 57a-57d are arranged in pairs opposite one another so that the pairs intersect. Due to the different angles of the two magnetic circuits 70, 72 magnetic field direction changes can be detected. The corresponding between the first projection 57 a and the second
Vorsprung 57b verlaufenden und zwischen dem dritten Vorsprung 57c und 57b verlaufenden Bereiche des Flusskonzentrators 66 wirken als Drehmoment-Mess- Magnetjoche 74, 76 zum Bilden der entsprechenden Drehmoment-Mess- Magnetkreise 70, 72, die in einem Winkel zwischen 10° und 170°, insbesondere zwischen 45° und 135° zueinander angeordnet sind. Besonders bevorzugt sind Winkel im Bereich um 90°. Projections 57b extending and extending between the third projection 57c and 57b areas of the flux concentrator 66 act as torque-measuring magnetic yokes 74, 76 for forming the corresponding torque-measuring magnetic circuits 70, 72, which at an angle between 10 ° and 170 °, in particular between 45 ° and 135 ° to each other. Particularly preferred are angles in the range of 90 °.
Somit sind durch die beiden unterschiedlich ausgerichteten Drehmoment-Mess- Magnetkreise 70, 72 eine erste Magnetfeldmesseinheit 102 und eine zweite Magnetfeldmesseinheit 104 gebildet, die an einem Drehmomentmessbereich 106 der Drehwelle 32 erzeugte Magnetfelder unterschiedlicher Richtungen erfassen können. Thus, a first magnetic field measuring unit 102 and a second magnetic field measuring unit 104 are formed by the two differently oriented torque-measuring magnetic circuits 70, 72, which can detect magnetic fields of different directions generated at a torque measuring area 106 of the rotary shaft 32.
Die Drehmoment-Messspulen 59-62 sind an eine Drehmoment-Auswerteeinheit 30 angeschlossen. Die Drehmoment-Auswerteeinheit 30 kann Teil einer The torque measuring coils 59-62 are connected to a torque evaluation unit 30. The torque evaluation unit 30 may be part of a
Auswerteeinrichtung 100 und z.B. als Software in einer Elektronik 80 an einem Baustein 78 an einem Leiterplattenelement 130 des Sensors S1 ausgebildet sein. Die Drehmoment-Auswerteeinheit 30 liefert ein Drehmomentsignal M durch Auswertung der Signale A1 , A2, B1 , B2 der Drehmoment-Messspulen 59-62. Insbesondere lassen sich Winkeländerungen des induzierten Magnetfeldes, die aufgrund des magnetoelastischen Effekts bei Auftreten eines Drehmoments entstehen, erfassen, z.B. durch Bilden einer Differenz aus den Signalen A und B der Paare von Drehmoment-Messspulen 59-62, insbesondere durch Evaluation device 100 and e.g. be designed as software in an electronics 80 on a module 78 on a circuit board element 130 of the sensor S1. The torque evaluation unit 30 delivers a torque signal M by evaluating the signals A1, A2, B1, B2 of the torque measuring coils 59-62. In particular, angular changes in the induced magnetic field resulting from the magnetoelastic effect upon the occurrence of a torque can be detected, e.g. by taking a difference between the signals A and B of the pairs of torque measuring coils 59-62, in particular by
M=A-B=(A1 +A2)-B1 +B2),  M = A-B = (A1 + A2) -B1 + B2),
wobei M das Drehmomentsignal, A=A1 +A2 das Signal der ersten where M is the torque signal, A = A1 + A2 is the signal of the first
Magnetfeldmesseinheit 102 ist, welches die Summe des Signals A1 aus der ersten Drehmoment-Messspule 59 und des Signals A2 aus der zweiten Magnetic field measuring unit 102 which is the sum of the signal A1 from the first torque measuring coil 59 and the signal A2 from the second
Drehmoment-Messspule 60 darstellt, und B=B1 +B2 das Signal der zweiten Magnetfeldmesseinheit 104 ist, welches die Summe des Signals B1 aus der dritten Drehmoment-Messspule 61 und des Signals B2 aus der vierten Torque measuring coil 60, and B = B1 + B2 is the signal of the second magnetic field measuring unit 104, which is the sum of the signal B1 from the third torque measuring coil 61 and the signal B2 from the fourth
Drehmoment-Messspule 62 darstellt. Die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung 52 arbeitet ansonsten zur Erfassung des Drehmomentes so, wie dies aus der vorerwähnten Literatur bekannt ist. Torque measuring coil 62 represents. The torque magnetic field detector 52 otherwise operates to detect the torque as known from the aforementioned literature.
Weiter ist an dem Sensorkopf 48 eine Further, on the sensor head 48 a
Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung 1 10 vorgesehen, mittels der erfasst wird, ob eine Oberflächenmarkierung 36, die in einem Markierungsbereich 1 12 an der Oberfläche der Drehwelle 32 vorgesehen ist, den Sensorkopf 48 bei Drehung der Drehwelle 32 passiert. Dadurch lässt sich der Sensor S1 nicht nur als Drehmomentsensor 26, sondern auch als Drehzahlsensor 28 verwendet und ist somit als Kombinationssensor ausgebildet, der sowohl ein Drehmomentsignal als auch ein Drehzahlsignal ausgeben kann.  Surface mark detecting means 1 10 is provided, by means of which it is detected whether a surface marking 36, which is provided in a marking region 1 12 on the surface of the rotary shaft 32 passes the sensor head 48 upon rotation of the rotary shaft 32. As a result, the sensor S1 can be used not only as a torque sensor 26 but also as a rotational speed sensor 28, and is thus configured as a combination sensor capable of outputting both a torque signal and a rotational speed signal.
Dabei ist die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung 1 10 in einer In this case, the surface mark detection device 1 10 in one
Orientierungsrichtung 1 14 des Sensorkopfes 48, welche im Betrieb parallel zu der Drehachse der Drehwelle 32 auszurichten ist, beabstandet zu der Drehmoment- Magnetfelderfassungseinrichtung 52 angeordnet. Die Drehmoment- Magnetfelderfassungseinrichtung 52 ist axial an dem Drehmomentmessbereich 106 der Drehwelle 32 angeordnet, welcher kreiszylinderförmig mit einer möglichst rotationssymmetrischen Oberflächenform und Materialverteilung ausgebildet ist. Der Markierungsbereich 1 12 der Drehwelle 32 ist benachbart zu dem Orientation direction 1 14 of the sensor head 48, which is to be aligned in operation parallel to the rotational axis of the rotary shaft 32, spaced from the torque magnetic field detection means 52 arranged. The torque magnetic field detecting device 52 is disposed axially on the torque measuring portion 106 of the rotary shaft 32, which is formed circular cylindrical shape with a rotationally symmetrical surface shape and material distribution as possible. The marking area 1 12 of the rotary shaft 32 is adjacent to the
Drehmomentmessbereich angeordnet und mit der wenigstens einen Torque measuring range arranged and with the at least one
Oberflächenmarkierung 36 versehen, die durch die Surface marking 36 provided by the
Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung 1 10 erfassbar ist. Surface marker detection device 1 10 can be detected.
Die Art und entsprechend die Erfassung der Oberflächenmarkierung 1 10 kann unterschiedlich sein. Besonders bevorzugt weist die The type and accordingly the detection of the surface marking 1 10 may be different. Particularly preferably, the
Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung eine Surface marker detecting device a
Abstandserfassungseinrichtung 1 16 auf, mittels der der Abstand zu der Distance detection device 1 16, by means of the distance to the
Oberfläche des Markierungsbereichs 1 12 der Drehwelle 32 erfassbar ist, wobei die Oberflächenmarkierung 36 durch eine Variation des Abstandes gebildet ist. Die Abstandserfassungseinrichtung 1 16 ist in dem bevorzugten Surface of the marking region 1 12 of the rotary shaft 32 is detectable, wherein the surface marking 36 is formed by a variation of the distance. The distance detecting device 1 16 is in the preferred
Ausführungsbeispiel insbesondere durch eine im Folgenden näher erläuterte Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung 122 gebildet. In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist zum Bilden der Oberflächenmarkierung 36 ein Zahnkranz 1 18 mit einer Reihe von Zähnen 120 vorgesehen. Z.B. sind 32 Zähne und entsprechende Täler dazwischen vorgesehen. Die Anzahl der Zähne 120 kann selbstverständlich je nach gewünschter Auflösung anders gewählt werden. Exemplary embodiment is formed in particular by a speed-magnetic field detection device 122 explained in more detail below. In the example shown in FIG. 1, a toothed rim 118 having a row of teeth 120 is provided for forming the surface marking 36. For example, 32 teeth and corresponding valleys are provided in between. The number of teeth 120 can of course be chosen differently depending on the desired resolution.
Besonders bevorzugt weist die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung 1 10 eine weitere Magnetfelderfassungseinrichtung auf, die im Folgenden zur Particularly preferably, the surface mark detection device 1 10 has a further magnetic field detection device, which in the following to
Unterscheidung zu der zuvor beschriebenen, zur Drehmomenterfassung vorgesehenen Drehmoment-Mess-Magnetfelderfassungseinrichtung 52 als Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung 122 bezeichnet wird. Die Distinction from the above-described torque-detecting magnetic field detecting device 52 is referred to as a rotational speed magnetic field detecting device 122. The
Oberflächenmarkierung 36 ist entsprechend derart ausgebildet, dass sie magnetisch erfassbar ist. Dies kann auf unterschiedliche Art und Weise Surface marking 36 is correspondingly designed such that it is magnetically detectable. This can be done in different ways
geschehen, vorzugsweise aber durch die bereits beschriebene Variation des Abstandes zu der Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung 122. happen, but preferably by the already described variation of the distance to the rotational speed magnetic field detection device 122nd
Die Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung 122 weist ein Drehzahl-Mess- Magnetjoch 124 auf, das im Wesentlichen durch einen sich in der The rotational speed magnetic field detecting device 122 has a rotational speed measuring magnetic yoke 124, which is substantially by a in the
Orientierungsrichtung 1 14 erstreckenden Ausleger 125 des Kerns oder Körpers 54 aus weichmagnetischen Material gebildet ist. Der Ausleger 125 weist einen sechsten zu der Drehwelle 32 hin gerichteten Vorsprung 126 - die Vorsprünge können auch als PIN bezeichnet werden - auf, um den herum eine sechste Spule angeordnet ist, die als fünfte Messspule in Form einer Drehzahl-Messspule 128 eingesetzt wird und mit der Auswerteeinrichtung zum Bilden eines Drehzahlsignals verbunden ist. Orientation direction 1 14 extending arm 125 of the core or body 54 is formed of soft magnetic material. The arm 125 has a sixth protrusion 126 directed toward the rotary shaft 32 - the protrusions may also be referred to as a PIN - around which a sixth coil is arranged, which is used as a fifth measuring coil in the form of a speed measuring coil 128 and with the evaluation device is connected to form a speed signal.
Dadurch ist ein dritter Magnetkreis 132 gebildet, der sich von dem zentralen fünften Vorsprung 56 des Körpers 54 oder Flusskonzentrators 66 aus in axialer Richtung in der Drehwelle 32 bis in den Markierungsbereich 1 12 und von dort durch den sechsten Vorsprung 126 und den Ausleger 125 zurück erstreckt. As a result, a third magnetic circuit 132 is formed, which extends from the central fifth projection 56 of the body 54 or flux concentrator 66 in the axial direction in the rotary shaft 32 to the marking area 1 12 and from there through the sixth projection 126 and the arm 125 back ,
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zum Bilden der In the embodiment shown in Fig. 1 is for forming the
Oberflächenmarkierung 36 wie oben erwähnt der Zahnkranz 1 18 vorgesehen. Durch die Höhen-Tiefen-Profile des Zahnkranzmusters ändert sich bei Drehung der Drehwelle 32 aufgrund der Änderung des Abstandes der Oberfläche der Drehwelle 32 zu der Drehzahl-Messspule 128 bzw. deren sechsten Vorsprung 126 die Induktivität der Drehzahl-Messspule 128. Somit variiert entsprechend dem durch das Zahnkranzmuster variierten Abstand das Signal der Drehzahl- Messspule 128. Surface marking 36 as mentioned above, the sprocket 1 18 provided. Due to the change in the distance of the surface of the rotary shaft 32 to the speed measuring coil 128 and its sixth projection 126, the inductance of the speed measuring coil 128 changes as a result of the height-depth profiles of the toothed rim pattern varied by the sprocket pattern distance the signal of the speed measuring coil 128th
In der Auswerteeinrichtung 100 wird aus der Variation dieses Signals der In the evaluation device 100 is from the variation of this signal the
Drehzahl-Messspule 128 in einer entsprechend z.B. durch Software realisierten Drehzahl-Auswerteeinheit 134 die Drehzahl n und/oder die Drehgeschwindigkeit bestimmt. Durch Zählen entsprechender Pulse dieses Signals kann auch der Relativdrehwinkel bestimmt werden. Werden die jeweiligen Zähne 120 Speed measuring coil 128 in a corresponding e.g. Software implemented speed evaluation unit 134 determines the speed n and / or the rotational speed. By counting corresponding pulses of this signal, the relative rotation angle can also be determined. Will the respective teeth 120
unsymmetrisch ausgebildet, z.B. durch unterschiedliche Flankenformen oder durch unterschiedliche Abstände zueinander, kann man aufgrund der Signalform auch die Drehrichtung erfassen. asymmetrical, e.g. by different edge shapes or by different distances to each other, you can detect the direction of rotation due to the waveform.
Die Herstellung des Sensorkopfes 48 erfolgt vorzugsweise in der gleichen Art, wie dies für einen Sensorkopf ohne Ausleger in der deutschen Patentanmeldung 10 2016 122 172.4 beschrieben und gezeigt ist. Demnach sind die erste bis sechste Spule 32, 59-62, 128 als Planarspulen auf einem Substrat ausgebildet. The production of the sensor head 48 is preferably carried out in the same manner as described and shown for a sensor head without cantilever in German Patent Application 10 2016 122 172.4. Accordingly, the first to sixth coils 32, 59-62, 128 are formed as planar coils on a substrate.
Insbesondere ist ein Leiterplattenelement 130 vorgesehen, auf dem die In particular, a printed circuit board element 130 is provided, on which the
Planarspulen ausgebildet sind und auch entsprechende Kontaktierungen zur Signalleitung ausgebildet sind. Auch die Auswerteeinrichtung 100 kann auf dem Leiterplattenelement 130 realisiert werden, wie dies durch die Elektronik 80 angebdeutet ist. Ebenfalls kann weichmagnetisches Material zum Bilden des Körpers 54 einschließlich Ausleger 125 und dem ersten bis sechsten Vorsprung 56, 57a-57d, 126 in entsprechender Weise wie in der 10 2016 122 172.4 beschrieben hergestellt werden. Planar coils are formed and corresponding contacts are formed to the signal line. The evaluation device 100 can also be realized on the printed circuit board element 130, as indicated by the electronics 80. Also, soft magnetic material for forming the body 54 including cantilever 125 and the first to sixth projections 56, 57a-57d, 126 may be prepared in a similar manner as described in 10 2016 122 172.4.
Der Sensor S1 liefert somit auf einem ersten Kanal ein Drehmomentsignal M und auf einem zweiten Kanal ein Drehzahlsignal n. Entsprechend ist er als The sensor S1 thus supplies a torque signal M on a first channel and a speed signal n on a second channel
Kombinationssensor zum Messen von Drehmoment und Drehzahl ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Sensor S1 als Leistungssensor L zum Messen einer mechanischen Leistung an der Drehwelle 32 ausgebildet, wobei die Leistung, wie im Folgenden unter Bezug auf die Fig. 2 und 3 anhand eines Combination sensor designed to measure torque and speed. Particularly preferably, the sensor S1 is designed as a power sensor L for measuring a mechanical power on the rotary shaft 32, wherein the power, such as in the following with reference to FIGS. 2 and 3 with reference to a
Verwendungsbeispiels erläutert wird, z.B. in der Auswerteeinrichtung 100, aus dem Drehmomentsignal M und dem Drehzahlsignal n ermittelt wird. Usage example, e.g. in the evaluation device 100, from the torque signal M and the rotational speed signal n is determined.
In Fig. 2 ist ein Elektroantrieb 10 schematisch dargestellt, der hier durch einen Elektromotor 12 mit Ständer und Läufer (nicht im Einzelnen dargestellt, gut bekannt) ausgebildet ist. Eine Welle des Läufers bildet eine Abtriebswelle 14 des Elektroantriebs 10. Bei anderen (nicht dargestellten) Ausgestaltungen ist die Abtriebswelle 14 eine mit der Welle des Läufers zur gemeinsamen Drehung gekuppelte Welle, z.B. eine Endwelle eines am Elektromotor vorgesehenen Motorgetriebes. In Fig. 2, an electric drive 10 is shown schematically, which is here by an electric motor 12 with stator and rotor (not shown in detail, well known) is formed. A shaft of the rotor forms an output shaft 14 of the electric drive 10. In other embodiments (not shown), the output shaft 14 is a shaft coupled to the shaft of the rotor for common rotation, e.g. an end shaft of an electric motor provided on the motor gear.
Bei Elektromotoren wird bisher die Antriebsleistung P nur über die Spannung U und den Strom I mit P= U*l bestimmt. Dadurch wird aber die Eingangsleistung Pin=U*l bestimmt. Um die Abtriebsleistung zu bestimmen, musste daher über Modellrechnungen die Verlustleistung Pv berücksichtigt werden. In electric motors so far the drive power P is only determined by the voltage U and the current I with P = U * l. However, this determines the input power Pin = U * l. In order to determine the output power, therefore, the power loss Pv had to be taken into account via model calculations.
Für die mechanische Abtriebleistung Pab gilt: Pab = 2*Pi*M*n, wobei M das For the mechanical output Pab we have: Pab = 2 * Pi * M * n, where M is the
Drehmoment an der Abtriebswelle 12 und n die Drehzahl der Abtriebswelle 14 bezeichnet. Wollte man bisher den Elektroantrieb 10 so regeln, dass ein konstantes Abtriebsdrehmoment M abgegeben wird, dann hat man entsprechend die Eingangsleistung anhand der gemessenen Spannung U und dem gemessenen Strom I geregelt. Torque on the output shaft 12 and n denotes the rotational speed of the output shaft 14. So far, if one wanted to control the electric drive 10 in such a way that a constant output torque M is output, then the input power has been regulated according to the measured voltage U and the measured current I.
In Fig. 3 ist der Elektroantrieb 10 mit einer Drehmomentregelvorrichtung 20 dargestellt. Die Drehmomentregelvorrichtung 20 umfasst die In Fig. 3, the electric drive 10 is shown with a torque control device 20. The torque control device 20 includes the
Drehmomentmessanordnung 22 und eine Steuerung 24, die mit der Torque measuring arrangement 22 and a controller 24, which with the
Drehmomentmessanordnung 22 verbunden ist, um den Elektromotor 12 abhängig von einem durch den Drehmomentsensor 26 der Drehmomentmessanordnung 22 gemessenen Drehmoment M an der Abtriebswelle 14 zu steuern. Torque measuring arrangement 22 is connected to control the electric motor 12 depending on a measured by the torque sensor 26 of the torque measuring device 22 torque M on the output shaft 14.
Weiter umfasst die dargestellte Drehmomentregelvorrichtung 20 den Further, the illustrated torque control device 20 includes the
Drehzahlsensor 28 zur Erfassung der Drehzahl n der Abtriebswelle 14. Hier wird der Sensor S1 als Kombinationssensor sowohl als Drehmomentsensor 26 und als Drehzahlsensor 28 eingesetzt. Die Signale für Drehmoment und Speed sensor 28 for detecting the speed n of the output shaft 14th Here, the sensor S1 is used as a combination sensor both as a torque sensor 26 and as a speed sensor 28. The signals for torque and
Drehzahl können auf unterschiedlichen Kanälen bereitgestellt werden. Dennoch lassen sie sich durch einen gemeinsamen, einfach und kostengünstig Speed can be provided on different channels. Nevertheless, they can be shared, simple and inexpensive
hergestellten Sensorkopf 48 erzeugen, und dies derart, dass sie sich gegenseitig nicht oder nur unwesentlich beeinflussen. produce sensor head 48, and in such a way that they do not affect each other or only slightly.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Anwendung der Drehmomentmessanordnung 22 ist die Drehwelle 32 gleich der Abtriebswelle 14 des Elektroantriebs 10. In the application of the torque measuring arrangement 22 shown in FIG. 3, the rotary shaft 32 is equal to the output shaft 14 of the electric drive 10.
Wie oben erläutert, wird ein magnetoelastischer berührungsloser Sensor S1 unter Ausnutzung von magnetischen Wechselfeldern höherer Frequenz mit Sendespule und Empfangsspule verwendet, der sowohl als Drehmomentsensor 26 zum As explained above, a magnetoelastic non-contact sensor S1 using higher frequency alternating magnetic fields with transmitting coil and receiving coil is used, which serves both as a torque sensor 26 for
Erfassen des Drehmoments M der Drehwelle 32 und bei Fig. 3 der Abtriebswelle 14 des Elektroantriebs 10, als auch als Drehzahlsensor 28 zur Erfassung der Drehzahl n der Drehwelle 32 und somit bei Fig. 3 der Abtriebswelle 14 des Detecting the torque M of the rotary shaft 32 and in Fig. 3 of the output shaft 14 of the electric drive 10, and as a speed sensor 28 for detecting the rotational speed n of the rotary shaft 32 and thus in Fig. 3 of the output shaft 14 of the
Elektroantriebs 10 dient. Electric drive 10 is used.
Wie in Fig. 3 ersichtlich liefert die Auswerteeinrichtung 100 somit das Ausgangs- Drehmoment M an der Abtriebswelle 14 als auch die Drehzahl n der Abtriebswelle 14, so dass daraus die Abtriebsleistung Pab ermittelt werden kann. As can be seen in FIG. 3, the evaluation device 100 thus supplies the output torque M at the output shaft 14 as well as the rotational speed n of the output shaft 14, so that the output power Pab can be determined therefrom.
Die z.B. als Motorcontroller ausgebildete Steuerung 24 steuert den Elektromotor 12 in Abhängigkeit des so ermittelten Drehmoments M bzw. in Abhängigkeit der so ermittelten Ausgangsleistung Pab. Insbesondere kann dadurch das Drehmoment M und/oder die Ausgangsleistung Pab auf einen gewünschten Wert, insbesondere eine Sollleistung PS0n (bzw. ein Solldrehmoment) geregelt werden. The controller 24, for example designed as a motor controller, controls the electric motor 12 as a function of the torque M thus determined or in dependence on the thus determined output power Pab. In particular, thereby the torque M and / or the output power Pab to a desired value, in particular a desired power P S0 n (or a target torque) can be controlled.
Weiter kann die Steuerung 24 aufgrund der mehreren Messgrößen sowohl eine Regelung als auch eine Sicherheitsüberwachung unabhängig von der Regelung realisieren. Beispielsweise wird der Elektromotor 12 aufgrund der gemessenen Werten M und n bzw. Pab geregelt und dabei die Motoreingangsleistung Pi über der Motorstrom I und die Motorspannung U zur Sicherheitsabschaltung überwacht. Bezugszeichenliste: Further, the controller 24 can realize both a control and a safety monitoring independently of the control due to the plurality of measured variables. For example, the electric motor 12 is regulated on the basis of the measured values M and n or Pab and the motor input power Pi is monitored via the motor current I and the motor voltage U for the safety shutdown. LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Elektroantrieb  10 electric drive
12 Elektromotor  12 electric motor
14 Abtriebswelle  14 output shaft
20 Drehmomentregelvorrichtung  20 torque control device
22 Drehmomentmessanordnung  22 torque measuring arrangement
24 Steuerung  24 control
26 Drehmomentsensor  26 torque sensor
28 Drehzahlsensor  28 speed sensor
30 Drehmoment-Auswerteeinheit  30 torque evaluation unit
32 Drehwelle  32 rotary shaft
36 Oberflächenmarkierung  36 surface marking
48 Sensorkopf  48 sensor head
50 Magnetfelderzeugungseinrichtung  50 magnetic field generating device
52 Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung 52 torque magnetic field detection device
54 Körper aus weichmagnetischen Material54 bodies of soft magnetic material
56 (fünfter) Vorsprung (Flusskonzentrator)56 (fifth) lead (flux concentrator)
57a erster Vorsprung (erster Magnetkreis) 57a first projection (first magnetic circuit)
57b zweiter Vorsprung (erster Magnetkreis) 57b second projection (first magnetic circuit)
57c dritter Vorsprung (zweiter Magnetkreis)57c third projection (second magnetic circuit)
57d vierter Vorsprung (zweiter Magnetkreis)57d fourth projection (second magnetic circuit)
58 Erregerspule (fünfte Spule) 58 exciting coil (fifth coil)
59 erste Drehmoment-Messspule  59 first torque measuring coil
60 zweite Drehmoment-Messspule  60 second torque measuring coil
61 dritte Drehmoment-Messspule  61 third torque measuring coil
62 vierte Drehmoment-Messspule  62 fourth torque measuring coil
66 Flusskonzentrator  66 flux concentrator
70 erster Drehmoment-Mess-Magnetkreis  70 first torque measuring magnetic circuit
72 zweiter Drehmoment-Mess-Magnetkreis 72 second torque-measuring magnetic circuit
74 erstes Drehmoment-Mess-Magnetjoch 74 first torque-measuring yoke
76 zweites Drehmoment-Mess-Magnetjoch 76 second torque-measuring magnetic yoke
78 Baustein 78 block
80 Elektronik  80 electronics
100 Auswerteinrichtung 102 erste Magnetfeldmesseinheit 100 evaluation device 102 first magnetic field measuring unit
104 zweite Magnetfeldmesseinheit  104 second magnetic field measuring unit
106 Drehmomentmessbereich (zweiter Umfangsbereich an der Drehwelle) 106 torque measuring range (second circumferential range on the rotary shaft)
1 10 Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung 1 10 Surface marker detector
1 12 Markierungsbereich (erster Umfangsbereich an der Drehwelle) 1 12 marking area (first circumferential area on the rotary shaft)
1 14 Orientierungsrichtung 1 14 Orientation direction
1 16 Abstandserfassungseinrichtung  1 16 distance detection device
1 18 Zahnkranz  1 18 sprocket
120 Zahn  120 tooth
122 Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung  122 speed magnetic field detection device
124 Drehzahl-Mess-Magnetjoch  124 Speed measuring yoke
125 Ausleger  125 outriggers
126 sechster Vorsprung  126 sixth lead
128 Drehzahl-Messspule (sechste Spule, fünfte Messspule)  128 speed measuring coil (sixth coil, fifth measuring coil)
130 Leiterplattenelement  130 printed circuit board element
132 dritter Magnetkreis  132 third magnetic circuit
134 Drehzahl-Auswerteeinheit  134 Speed evaluation unit
L Leistungssensor  L power sensor
S1 Sensor (Kombinationssensor: kontaktloser Drehzahlsensor und  S1 sensor (combination sensor: contactless speed sensor and
kontaktloser Drehmomentsensor; Leistungssensor)  contactless torque sensor; Power sensor)

Claims

Trafag AG 1021 0058 P-WOIndustriestrasse 1 1 CH-8608 Bubikon Schweiz Ansprüche: Trafag AG 1021 0058 P-WOIndustriestrasse 1 1 CH-8608 Bubikon Switzerland
1 . Sensorkopf (48) für einen Drehmomentsensor (26) zur Erfassung eines Drehmoments einer Drehwelle (32), wobei der Sensorkopf (48) umfasst: 1 . A sensor head (48) for a torque sensor (26) for detecting a torque of a rotary shaft (32), the sensor head (48) comprising:
wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (50) zum Erzeugen eines Magnetfelds in der Drehwelle (32) und wenigstens eine Drehmoment- Magnetfelderfassungseinrichtung (52) zum Messen wenigstens eines Parameters des erzeugten Magnetfelds in der Drehwelle (32), um hieraus ein auf der at least one magnetic field generating means (50) for generating a magnetic field in the rotating shaft (32) and at least one torque magnetic field detecting means (52) for measuring at least one parameter of the generated magnetic field in the rotating shaft (32) to obtain therefrom
Drehwelle (32) anliegendes Drehmoment abzuleiten, Rotate shaft (32) derived torque,
gekennzeichnet durch marked by
wenigstens eine von der Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) beabstandete gesonderte Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (1 10) zum Erfassen einer Oberflächenmarkierung (36) an der Oberfläche der Drehwelle (32), um eine Drehzahl der Drehwelle (32) zu bestimmen. at least one separate surface mark detecting means (110) spaced from the torque magnetic field detecting means (52) for detecting a surface mark (36) on the surface of the rotating shaft (32) to determine a rotational speed of the rotating shaft (32).
2. Sensorkopf (48) nach Anspruch 1 , 2. sensor head (48) according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (1 10) eine in that the surface mark detection device (1 10) has a
Abstandserfassungseinrichtung (1 16) zum Erfassen eines Abstandes zu der Oberfläche der Drehwelle (32) aufweist, wobei die Abstandserfassungseinrichtung (1 16) dazu ausgebildet ist, Änderungen eines Abstandes zu der Oberfläche der Drehwelle (32) zu erfassen, um bei Drehung der Drehwelle (32) eine durch eine Veränderung der Form der Oberfläche eines Markierungsbereichs (1 12) der Drehwelle gebildete Oberflächenmarkierung (36) zu erfassen, um so die Drehzahl zu bestimmen. Distance detection means (1 16) for detecting a distance to the surface of the rotary shaft (32), wherein the distance detecting means (1 16) is adapted to detect changes in a distance to the surface of the rotary shaft (32) to rotate upon rotation of the rotary shaft (32). 32) to detect a surface mark (36) formed by a change in the shape of the surface of a marking area (1 12) of the rotary shaft so as to determine the rotational speed.
3. Sensorkopf (48) nach Anspruch 1 oder 2, 3. sensor head (48) according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (1 10) eine Drehzahl- Magnetfelderfassungseinrichtung (122), insbesondere zum Bilden der in that the surface mark detection device (1 10) has a rotational speed Magnetic field detection device (122), in particular for forming the
Abstandserfassungseinrichtung (1 16), aufweist. Distance detection device (1 16), comprising.
4. Sensorkopf (48) nach Anspruch 3, 4. sensor head (48) according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (50) wenigstens eine Erregerspule (58) aufweist, in that the magnetic field generating device (50) has at least one exciter coil (58),
dass die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtungen (52) wenigstens eine Drehmoment-Messspule (59-62) aufweist, in that the torque magnetic field detection means (52) comprises at least one torque measuring coil (59-62),
dass die Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung (122) wenigstens eine in that the rotational speed magnetic field detection device (122) has at least one
Drehzahl-Messspule (128) aufweist, die in einer Orientierungsrichtung (1 14) des Sensorkopfes (48), die im Betrieb parallel zu der Drehachse der Drehwelle (32) anzuordnen ist, beabstandet zu der wenigstens einen Drehmoment-Messspule (59-62) angeordnet ist, und dass die Erregerspule (58) und die wenigstens eine Drehmoment-Messspule (128) durch wenigstens ein Drehmoment-Mess- Magnetjoch (74, 76) zur Flussverstärkung zum Bilden wenigstens eines A speed measuring coil (128) arranged in an orientation direction (1 14) of the sensor head (48), which in operation is parallel to the rotational axis of the rotary shaft (32), spaced from the at least one torque measuring coil (59-62). and that the exciter coil (58) and the at least one torque sensing coil (128) are arranged through at least one flux measuring torque yoke (74,76) for forming at least one of
Drehmoment-Mess-Magnetkreises (70, 72) verbunden sind und die Erregerspule (58) und die wenigstens eine Drehzahl-Messspule (128) durch ein Drehzahl-Mess- Magnetjoch (124) zur Flussverstärkung zum Bilden eines Drehzahl-Mess- Magnetkreises (124) verbunden sind. Torque measuring magnetic circuit (70, 72) are connected and the exciter coil (58) and the at least one rotational speed measuring coil (128) by a speed-measuring magnetic yoke (124) for flux amplification to form a speed-measuring magnetic circuit (124 ) are connected.
5. Sensorkopf (48) nach einem der voranstehenden Ansprüche, 5. sensor head (48) according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) eine erste in that the torque magnetic field detection device (52) has a first
Magnetfeldmesseinheit (102), die dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld an einem Drehmomentmessbereich (106) der Oberfläche der Drehwelle (32) in einer ersten Richtung zu erfassen, und eine zweite Magnetfeldmesseinheit (104) aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld an dem Drehmomentmessbereich (106) der Oberfläche der Drehwelle (32) in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung zu erfassen. Magnetic field measuring unit (102) adapted to detect a magnetic field at a torque measuring area (106) of the surface of the rotary shaft (32) in a first direction, and a second magnetic field measuring unit (104) adapted to apply a magnetic field to the magnetic field Torque measuring range (106) of the surface of the rotary shaft (32) to detect in a different direction from the first direction of the second direction.
6. Sensorkopf (48) nach Anspruch 5, 6. sensor head (48) according to claim 5,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die erste Magnetfeldmesseinheit (102) ein erstes Paar Drehmoment- Messspulen (59, 60) aufweist und die zweite Magnetfeldmesseinheit ein zweites Paar Drehmoment-Messspulen (61 , 62) aufweist und dass die Drehmoment- Messspulen (59-62) sternförmig um eine zentral angeordnete Erregerspule (58) der Magnetfelderzeugungseinrichtung (50) herum angeordnet sind. the first magnetic field measuring unit (102) has a first pair of torque Measuring coils (59, 60) and the second magnetic field measuring unit has a second pair of torque measuring coils (61, 62) and that the torque measuring coils (59-62) arranged in a star shape around a centrally arranged excitation coil (58) of the magnetic field generating device (50) are.
7. Sensorkopf (48) nach Anspruch 6, 7. sensor head (48) according to claim 6,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Drehmoment-Messspulen (59-62) und die Erregerspule (58) durch einen gemeinsamen Körper (54) aus weichmagnetischen Material zum Bilden von Flusskonzentratoren (66) für die erste Magnetfeldmesseinheit (102) und die zweite Magnetfeldmesseinheit (104) verbunden sind. in that the torque measuring coils (59-62) and the exciting coil (58) are connected by a common body (54) of soft magnetic material for forming flux concentrators (66) for the first magnetic field measuring unit (102) and the second magnetic field measuring unit (104).
8. Sensorkopf (48) nach Anspruch 7 und nach Anspruch 4, 8. sensor head (48) according to claim 7 and claim 4,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass der Körper (54) aus weichmagnetischen Material einen Ausleger (125) hat, der sich in der Orientierungsrichtung (1 14) erstreckt und weiter durch die the body (54) of soft magnetic material has a cantilever (125) extending in the orientation direction (1 14) and further through
Drehzahl-Messspule (128) erstreckt. Speed measuring coil (128) extends.
9. Sensorkopf (48) nach einem der Ansprüche 4 oder 6 bis 8, 9. sensor head (48) according to any one of claims 4 or 6 to 8,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Spulen (58-62, 128) als Planarspulen ausgebildet sind. in that the coils (58-62, 128) are designed as planar coils.
10. Sensorkopf (48) nach Anspruch 9, 10. sensor head (48) according to claim 9,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Planarspulen auf einem gemeinsamen Leiterplattenelement (130) ausgebildet sind, an dem auch ein weichmagnetisches Material zum Bilden eines Flusskonzentrators (66) angeordnet ist. in that the planar coils are formed on a common printed circuit board element (130), on which also a soft magnetic material for forming a flux concentrator (66) is arranged.
1 1 . Kombinationssensor (S1 ) zur Messung von Drehmoment und Drehzahl an einer Drehwelle (32), umfassend einen Sensorkopf (48) nach einem der voranstehenden Ansprüche und eine Auswerteeinrichtung (100), die mit der Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) verbunden ist, um ein das Drehmoment angebendes Drehmomentsignal (M) zu erzeugen, und mit der Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (1 10) verbunden ist, um ein die Drehzahl angebendes Drehzahlsignal (n) zu erzeugen. 1 1. A combination sensor (S1) for measuring torque and rotational speed on a rotary shaft (32), comprising a sensor head (48) according to any one of the preceding claims and an evaluation device (100) connected to the torque magnetic field detecting device (52) for detecting the To generate torque indicative torque signal (M), and with the Surface mark detection means (1 10) is connected to generate a speed signal indicative of the rotational speed (n).
12. Kombinationssensor (S1 ) nach Anspruch 1 1 , 12. Combination sensor (S1) according to claim 1 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Auswerteeinrichtung (100) dazu ausgebildet ist, aus der mittels des Sensorkopfs (48) erfassten Drehzahl und dem mittels des Sensorkopfs (48) erfassten Drehmoments ein die momentane Leistung angebendes Leistungssignal zu erzeugen. in that the evaluation device (100) is designed to generate a power signal indicative of the instantaneous power from the rotational speed detected by means of the sensor head (48) and the torque detected by means of the sensor head (48).
13. Drehmomentmessanordnung (22) mit einer Drehwelle (32) und einem Sensorkopf (48) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder einem 13. torque measuring arrangement (22) having a rotary shaft (32) and a sensor head (48) according to one of claims 1 to 10 and / or a
Kombinationssensor (S1 ) nach Anspruch 1 1 oder 12, wobei die Drehwelle (32) einen Drehmomentmessbereich (106) mit einer kreiszylindrischen Oberfläche, an welchem die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) angeordnet ist, und axial benachbart hierzu einen Markierungsbereich (1 12) mit wenigstens einer Oberflächenmarkierung (36), insbesondere in Form einer von einer Combination sensor (S1) according to claim 1 1 or 12, wherein the rotary shaft (32) has a torque measuring portion (106) with a circular cylindrical surface on which the torque magnetic field detecting means (52) is arranged, and axially adjacent thereto a marking region (1 12) at least one surface marking (36), in particular in the form of one of
kreiszylindrischen Oberfläche abweichenden Oberflächenform, aufweist. circular cylindrical surface deviating surface shape, has.
14. Drehmomentmessanordnung (22) nach Anspruch 13, 14. torque measuring arrangement (22) according to claim 13,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass der Markierungsbereich (1 12) einen Zahnkranz (1 18) aufweist. the marking area (1 12) has a toothed rim (1 18).
15. Verfahren zum Messen eines Drehmoments und einer Drehzahl an einer Drehwelle (32) umfassend: 15. A method of measuring a torque and a rotational speed on a rotary shaft (32) comprising:
a) Vorsehen der Drehwelle (32) mit einem Markierungsbereich (1 12), an dem eine nicht rotationssymmetrische Oberflächenmarkierung (36) angebracht ist und einem axial beabstandeten Drehmomentmessbereich (106) ohne a) providing the rotary shaft (32) with a marking area (1 12) on which a non-rotationally symmetrical surface marking (36) is mounted and an axially spaced torque measuring range (106) without
Oberflächenmarkierung (36), Surface marking (36),
b) Erzeugen eines Magnetfelds an der Oberfläche der Drehwelle (32) und Messen von Magnetfeldänderungen anhand von auf der Drehwelle (32) b) generating a magnetic field on the surface of the rotary shaft (32) and measuring magnetic field changes based on on the rotary shaft (32)
anliegenden Kräften an dem Drehmomentmessbereich (106) mittels einer applied forces on the torque measuring range (106) by means of a
Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) und c) Erfassen des Passierens der Oberflächenmarkierung (36) bei Drehung der Drehwelle (32) mittels einer Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (1 10). Torque magnetic field detecting device (52) and c) detecting the passage of the surface marking (36) upon rotation of the rotary shaft (32) by means of a surface mark detection device (1 10).
16. Verfahren nach Anspruch 15, 16. The method according to claim 15,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass der Schritt a) umfasst: Vorsehen der Oberflächenmarkierung (36) derart, dass diese eine von einer Kreiszylinderform abweichende Oberflächenform bedingt und in that step a) comprises: providing the surface marking (36) in such a way that it requires a surface shape deviating from a circular cylindrical shape and
dass Schritt c) umfasst: Erfassen des Abstandes der Oberfläche der Drehwelle (32) von der Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (1 10). in that step c) comprises: detecting the distance of the surface of the rotating shaft (32) from the surface mark detecting means (110).
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, 17. The method according to claim 15 or 16,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass Schritt b) umfasst: Erzeugen eines Magnetfelds sowohl im in that step b) comprises: generating a magnetic field both in the
Drehmomenterfassungsbereich (106) als auch im benachbarten Torque detection range (106) and in the adjacent
Markierungsbereich (1 12) mittels einer gemeinsamen Marking area (1 12) by means of a common
Magnetfelderzeugungseinrichtung (50) und Magnetic field generating device (50) and
dass Schritt c) umfasst: Messen einer Magnetfeldänderung, die sich durch Passieren der Oberflächenmarkierung ergibt. in that step c) comprises: measuring a magnetic field change resulting from passing the surface mark.
18. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch Verwendung eines Sensorkopfes (48) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder eines Sensors (S1 ) nach einem der Ansprüche 1 1 oder 12 und/oder einer Drehmomentmessanordnung (22) nach einem der Ansprüche 13 oder 14. 18. The method according to any one of the preceding claims characterized by using a sensor head (48) according to any one of claims 1 to 10 and / or a sensor (S1) according to any one of claims 1 1 or 12 and / or a torque measuring arrangement (22) according to one of Claims 13 or 14.
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