WO2019185094A1 - Magnetfeldsensoranordnung und anordnung zum messen eines drehmomentes sowie verfahren zum herstellen der magnetfeldsensoranordnung - Google Patents

Magnetfeldsensoranordnung und anordnung zum messen eines drehmomentes sowie verfahren zum herstellen der magnetfeldsensoranordnung Download PDF

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WO2019185094A1
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magnetic field
field sensor
machine element
sensor arrangement
sensors
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PCT/DE2019/100291
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Tobias Seufert
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00—Magnetostrictive devices
    • H10N35/101—Magnetostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. generators, sensors

Definitions

  • a magnetic field sensor array and a torque measuring device and a method of manufacturing the magnetic field sensor array
  • the invention relates to an arrangement for measuring a torque on a machine element extending in an axis, wherein the arrangement comprises the magnetic field sensor arrangement according to the invention.
  • Another object of the invention is a method for producing the inventive
  • US Pat. No. 6,222,363 B1 describes a fluxgate magnetometer with which an external magnetic field of a rotating magnetoelastic wave can be measured.
  • US 2002/0162403 A1 shows a magnetoelastic torque sensor with a shaft in which a coil sits on a magnetoelastic region.
  • a magnetoelastic torque sensor which comprises a longitudinally extending element with several
  • the torque sensor includes primary and secondary magnetic field sensors connected as a Wheatstone bridge.
  • US 2013/0125669 A1 teaches a method for detecting a magnetic interference field in a torque measurement on a magnetoelastic wave. Two signals are measured, the second signal corresponding to the magnetic interference field and being subtracted from the first signal.
  • magnetoelastic transducer comprises.
  • the transducer sits as a cylindrical sleeve on a shaft.
  • US 8,893,562 B2 shows a method for detecting a magnetic
  • Torque sensor includes a torque converter with opposite
  • the arrangement comprises a magnetized region of a shaft and at least one passive and one active magnetic field sensor.
  • the passive magnetic field sensors can be arranged on both sides of the magnetized region.
  • the arrangement comprises a magnetized region of a shaft and at least three magnetic field sensors.
  • the second and third magnetic field sensors may be disposed adjacent to the magnetized region.
  • Fig. 12 of US 8,087,304 B2 shows an embodiment with only one circumferential magnetization, with two primary magnetic field sensors in the region of magnetization and two secondary ones
  • FIG. 18 of US 8,087,304 B2 shows an embodiment with two circumferential ones
  • FIG. 8 of US 8,087,304 B2 shows a
  • Embodiment with three circumferential magnetizations which are alternately polarized, wherein in each case a magnetic field sensor in one of the areas of the three
  • Magnetizations is arranged. Due to the special arrangement of Magnetic field sensors to cancel the influence of magnetic interference fields.
  • the torque sensor comprises a hollow shaft having three circumferentially magnetized magnetization regions which have alternating polarities. Compared to the
  • Magnetization areas are arranged up to eight magnetic field sensors.
  • the object of the present invention is to minimize rotational errors in a measurement of torques based on the inverse magnetostrictive effect.
  • Rotation-related errors are in particular a so-called RSU error (rotation signal uniformity error), which is an angle-dependent error
  • the magnetic field sensor arrangement according to the invention is used for measuring a
  • the axis preferably forms an axis of rotation of the machine element.
  • the following directions, namely the axial direction, the radial direction and the tangential direction are related to the said axis.
  • the arrangement is preferred for measuring a torque
  • Torque is in the axis.
  • the machine element has at least two magnetization areas extending circumferentially about the axis for a differential magnetization formed in the machine element. It is thus at least two magnetization areas revolving around the axis or circular
  • Magnetic domains form a primary sensor for determining the torque.
  • the magnetization regions preferably have a same spatial extent and are axially spaced apart. Particularly preferred are the
  • Magnetizing areas formed in the form of magnetization tracks are formed in the form of magnetization tracks. Axial neighbors of the circumferentially extending around the axis
  • Magnetization regions preferably have opposite polarities, i. H. they have an opposite sense of circulation.
  • Magnetic field sensors which each form a secondary sensor for determining the torque.
  • the primary sensor is used to convert the torque to be measured in a corresponding magnetic field, while the secondary sensors allow the conversion of this magnetic field into electrical signals.
  • the measurement possible with the magnetic field sensor arrangement is based on the inverse-magnetostrictive effect.
  • the magnetic field sensors are preferably arranged in each case for measuring the differential magnetic field emerging from the machine element as a result of the torque-related surface tension change.
  • the magnetic field sensors are preferably each for the individual measurement of a tangential and / or axial
  • the magnetic field sensors are arranged opposite the machine element, wherein preferably only a small radial air gap is present between the magnetic field sensors and an inner or outer surface of the machine element.
  • the machine element and the magnetic field sensor arrangement are rotatable relative to each other.
  • the machine element is rotatable while the
  • Magnetic field sensor arrangement rests.
  • the magnetic field sensors each extend circumferentially about the axis in order to enclose the machine element circumferentially.
  • Magnetic field sensors extend along a path suitable to circumferentially enclose the machine element.
  • This web is preferably circular or elliptical. This web is preferably closed, but may have a short break.
  • the magnetic field sensors each extend circumferentially around the machine element.
  • the magnetic field sensors each extend circumferentially around the machine element at a midpoint angle, which is preferably at least 300 degrees and more preferably is nearly equal to or equal to 360 degrees.
  • the magnetic field sensors are circumferentially sensitive around the machine element so that rotation between the magnetic field sensor assembly and the machine element does not affect the measurement result.
  • the magnetic field sensors preferably extend along a circular path around the machine element, wherein the circular paths of the magnetic field sensors preferably have a same radius.
  • the magnetic field sensors are preferably arranged axially spaced from one another.
  • a particular advantage of the magnetic field sensor arrangement according to the invention is that the so-called RSU error (rotation signal uniformity error) can be almost completely compensated by a modified design of the magnetic field sensors. Shear force induced magnetic fields have punctiform
  • Torque measurement related transverse force induced error is compensated by the invention.
  • the at least two magnetization regions are preferably permanent
  • the at least two permanently magnetized magnetization regions are preferably magnetically neutral in a state of the machine element which is unloaded from a torque outside the magnetization region, so that no technically relevant magnetic field outside the magnetization region can be measured.
  • the magnetization areas each represent a part of the volume of the
  • the magnetization regions are preferably each annular, wherein the axis of the machine element also forms a central axis of the respective ring shape. Particularly preferred are the
  • Magnetizing regions each have the shape of a coaxial to the axis of the machine element Flohlzylinders.
  • the machine element preferably has a high magnetostriction in the magnetization regions.
  • the magnetization regions are preferably arranged axially spaced from one another, wherein in each case a magnetically neutral region is preferably arranged between two adjacent ones of the magnetization regions. Insofar as more than two of the magnetization regions are present, they preferably each have an equal distance from one another.
  • the machine element consists of a magnetostrictive or magnetoelastic material. This preferably exists
  • Machine element made entirely of magnetostrictive or magnetoelastic material.
  • the machine element consists of a steel.
  • a sleeve of magnetostrictive or magnetoelastic material, which is pressed onto the machine element from a non-magnetoelastic material, is also suitable as long as a suitable air gap is present in the transitional area between the magnetic tracks between the sleeve and the supporting machine element.
  • the machine element preferably has the shape of a prism or a cylinder, wherein the prism or the cylinder is arranged coaxially to the axis.
  • the prism or the cylinder is preferably straight. This preferably has
  • Machine element in the form of a right circular cylinder, wherein the
  • Circular cylinder is arranged coaxially to the axis.
  • the prism or the cylinder is conical.
  • the prism or the cylinder can also be hollow.
  • the machine element is preferably formed by a shaft or by a hollow shaft.
  • the shaft or the hollow shaft can be designed for loads due to different torques.
  • the magnetic field sensors are each formed by a magnetoresistive sensor or by a Hall sensor.
  • Magnetoresistive sensors are preferably each formed by an AMR sensor or by a GMR sensor.
  • the measurement possible with the AMR sensors is based on the anisotropic magnetoresistive effect (AMR).
  • the magnetoresistive sensors can also be based on other magnetoresistive effects, so they are generally referred to as xMR sensors.
  • the magnetoresistive sensors each have a Barberpol structure, which is circumferentially about the axis and around the
  • the magnetoresistive sensors each comprise a strip of a magnetoresistive material on which highly conductive shorting strips are applied, which are preferably rotated by 45 ° or -45 ° to the strip longitudinal direction.
  • the shorting strips are preferably made of aluminum.
  • Preferred embodiments of the magnetic field sensor arrangement according to the invention comprise four of the magnetoresistive sensors which are electrically connected as a full bridge.
  • the four magnetoresistive sensors are arranged axially spaced.
  • two of the four magnetoresistive sensors preferably have an axial position, such as one of the two magnetization regions, which are oppositely poled.
  • These two magnetoresistive sensors assigned to one of the magnetization regions preferably have Barberpol structures oriented oppositely to one another.
  • the magnetoresistive sensors each comprise a strip of magnetoresistive material, the strips of the four magnetoresistive sensors being aligned parallel to each other.
  • the four full-bridge magnetoresistive sensors are preferably electrically connected to an electronic instrumentation amplifier, which is designed for bridge voltage evaluation of the full bridge.
  • the magnetic field sensors preferably each have an axial position such as one of the magnetization regions.
  • the magnetic field sensors preferably each have one axial position, which is a middle axial position of the
  • Magnetization ranges are equal.
  • the magnetic field sensors are formed on a flexible film, by which the machine element is circumferentially umschegabar.
  • the flexible film surrounds the machine element circumferentially.
  • the magnetic field sensors are formed by magnetoresistive sensors, these preferably include one
  • Magnetoresistive layer which is deposited or printed on the film.
  • the magnetoresistive layer preferably has a strip shape.
  • Magnetoresistive layer are preferably highly conductive shorting strips
  • a photolithographic method is preferably used.
  • the film is preferably highly flexible and preferably consists of a polymer, preferably PET.
  • the film has a thickness which is preferably less than 10 ⁇ m.
  • the magnetoresistive layer preferably comprises cobalt and copper.
  • the shorting strips preferably comprise aluminum.
  • Instrument amplifier is preferably arranged as an integrated Flalbleiterscrien also on the film.
  • Magnetic field sensor designed to determine a speed.
  • the additional magnetic field sensor is opposite to a pole ring formed on the machine element.
  • Eddy current sensor which is evaluated with a LDC1 101 chip from the company Texas Instruments, is also preferred for a speed monitoring. If there is a rotation between the machine element and the
  • the Magnetic field sensor arrangement preferably further comprises at least one
  • Magnetic field sensor The comparator or the instrument amplifier is preferably also arranged on the foil.
  • the magnetic field sensor arrangement allows the measurement of the torque and also the measurement of the rotational speed.
  • the film is molded with the magnetic field sensors formed thereon and possibly other components in a synthetic resin, wherein the cured resin, the film with the trained thereon
  • the cured resin with the film therein, the magnetic field sensors and possibly other components form the
  • the arrangement according to the invention is used to measure a torque on a machine element extending in an axis.
  • the machine element has at least two circumferentially extending around the axis
  • the arrangement further comprises the magnetic field sensor arrangement according to the invention.
  • Magnetic field sensors of the magnetic field sensor arrangement each extend circumferentially around the machine element.
  • Magnetic field sensor arrangement are rotatable to each other.
  • the arrangement according to the invention preferably comprises one of the described preferred
  • Embodiments of the magnetic field sensor arrangement according to the invention Moreover, the arrangement preferably also has features that are specified in connection with the magnetic field sensor arrangement according to the invention.
  • the arrangement according to the invention preferably comprises two of the magnetic field sensor arrangements according to the invention.
  • the two magnetic field sensor arrangements in particular the foils of the two magnetic field sensor arrangements are preferably galvanically separated.
  • the two hollow cylindrical magnetic field sensor arrangements are preferably arranged coaxially to each other, wherein one of the two
  • hollow cylindrical magnetic field sensor arrays is arranged in the radial direction over the other of the two hollow cylindrical magnetic field sensor arrays.
  • the film is the radially outer of the two hollow cylindrical
  • Magnetic field sensor arrangements allow the measurement of the torque with a double measurement reliability and / or a two-channel, functionally safe
  • the inventive method is used for Fierstellen the magnetic field sensor arrangement according to the invention.
  • a flexible sheet of polymer is provided.
  • magnetoresistive layers or area sensor elements are applied to the film to
  • Form magnetic field sensors on the film In addition, electrical contacts are applied to the electrical connection of the magnetic field sensors on the film.
  • the magnetoresistive layers are preferred by printing or by
  • the film Deposited on the film to form the magnetic field sensors in the form of magnetoresistive sensors.
  • the flow sensor elements are applied to the foil to form the magnetic field sensors in the form of flow sensors.
  • the instrument amplifier is further applied to the film.
  • the film is preferably shaped or wound in the form of a cylinder jacket.
  • the film with the magnetic field sensors thereon and possibly other components is preferably cast in synthetic resin, whereupon after
  • the method preferably also has features which are specified in connection with the magnetic field sensor arrangement according to the invention and the arrangement according to the invention. Further details, advantages and developments of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment of the invention, with reference to the drawing. Show it:
  • Fig. 1 shows a preferred embodiment of an arrangement according to the invention in a perspective view
  • Fig. 2 shows a magnetic field sensor arrangement in a developed state and a shaft of the arrangement shown in Fig. 1 in detail.
  • Fig. 1 shows a preferred embodiment of an arrangement according to the invention in a perspective view.
  • the arrangement is for measuring a
  • Torque M (shown in Fig. 2), which acts on a machine element in the form of a shaft 01.
  • the shaft 01 has two magnetization regions 02 (shown in FIG. 2) in the form of circumferential tracks.
  • the two magnetization regions 02 (shown in FIG. 2) are permanently magnetized and oppositely poled.
  • the two magnetization regions 02 shown in FIG. 2
  • Magnetization regions 02 form a primary sensor for measuring the torque M (shown in FIG. 2) using the inverse magnetostrictive effect.
  • the arrangement comprises, in addition to the shaft 01, a magnetic field sensor arrangement 03 which forms a secondary sensor for measuring the torque M (shown in FIG. 2).
  • the magnetic field sensor arrangement 03 comprises a flexible film 04, which is shaped in the form of a cylinder jacket and completely surrounds the shaft 01 in the region of the magnetization regions 02 (shown in FIG. 2).
  • Cylinder jacket shape of the film 04 is arranged coaxially with the shaft 01.
  • the film 04 has a radial distance to the shaft 01, so that a circumferential air gap 06 between the shaft 01 and the film 04 is formed.
  • the shaft 01 is rotatable while the magnetic field sensor array 03 is at rest.
  • On the film 04 four magnetic field sensors 07 are formed, which extend completely circumferentially on the film 04 and thus completely circumferentially around the shaft 01.
  • the four magnetic field sensors 07 are each formed by an AMR sensor and each comprise a strip 08 of a magnetoresistive
  • the magnetic field sensor arrangement 03, d. H. the film 04 with the magnetic field sensors 07 formed thereon is flexible, so that it can be shaped in various ways and, for example, from the
  • Cylinder shell shape can be brought back into a flat shape.
  • FIG. 2 shows the magnetic field sensor arrangement 03 shown in FIG. 1 and the shaft 01 in detail.
  • the magnetic field sensor array 03 is in a developed plane
  • the shaft 01 has the two permanent magnetized and oppositely poled magnetization regions 02.
  • the shaft 01 is loaded with the torque M, which is measurable by the arrangement.
  • the unwound magnetic field sensor arrangement 03 is shown within a diagram.
  • An x-axis of the diagram represents a length in the axis of the shaft 01.
  • the film 04 is rectangular in the unwound state.
  • the strips 08 of the four magnetic field sensors 07 are rectangular and aligned parallel to one another.
  • FIG. 2 also shows an electrical connection of the four magnetic field sensors 07.
  • the four magnetic field sensors 07 are electrically connected as a full bridge.
  • the two axially outside magnetic field sensors 07 are connected to an electrical ground 11. At the two axially arranged inside
  • Magnetic field sensors 07 is applied to a voltage V cc .
  • the electrical connections of the paired magnetic field sensors 07 form a balanced output signal at an output 12 which is connected to an instrumentation amplifier (not shown).
  • instrument amplifier is a standard instrumentation amplifier, such as the type INA826.
  • Machine element in the form of a shaft

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Magnetfeldsensoranordnung (03) zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement (01) unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Das Maschinenelement (01) weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für eine Magnetisierung auf. Die Magnetfeldsensoranordnung (03) umfasst mindestens zwei Magnetfeldsensoren (07) zum Messen eines durch die Magnetisierung sowie durch das Drehmoment bewirkten Differenzmagnetfeldes. Erfindungsgemäß erstrecken sich die Magnetfeldsensoren (07) jeweils umfänglich um die Achse, um das Maschinenelement (01) umfänglich zu umschließen. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement (01), wobei die Anordnung die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung (03) umfasst. Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung (03).

Description

Maqnetfeldsensoranordnunq und Anordnung zum Messen eines Drehmomentes sowie Verfahren zum Herstellen der Maqnetfeldsensoranordnunq
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Magnetfeldsensoranordnung zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden
Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement, wobei die Anordnung die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung umfasst. Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen
Magnetfeldsensoranordnung.
In der US 6,222,363 B1 ist ein Flux-Gate-Magnetometer beschrieben, mit welchem ein äußeres Magnetfeld einer sich drehenden magnetoelastischen Welle messbar ist.
Die US 2002/0162403 A1 zeigt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor mit einer Welle, bei welcher eine Spule auf einem magnetoelastischen Bereich sitzt.
Aus der US 2009/0230953 A1 ist ein magnetoelastischer Drehmomentsensor bekannt, welcher ein sich longitudinal erstreckendes Element mit mehreren
magnetoelastisch aktiven Regionen umfasst. Der Drehmomentsensor umfasst primäre und sekundäre Magnetfeldsensoren, die als Wheatstonesche Brücke geschaltet sind.
Die US 2013/0125669 A1 lehrt ein Verfahren zum Erkennen eines magnetischen Störfeldes bei einer Drehmomentmessung an einer magnetoelastischen Welle. Es werden zwei Signale gemessen, wobei das zweite Signal dem magnetischen Störfeld entspricht und vom ersten Signal subtrahiert wird.
Aus der EP 0 803 053 B1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der einen
magnetoelastischen Messwandler umfasst. Der Messwandler sitzt als zylindrische Hülse auf einer Welle. Die US 8,893,562 B2 zeigt ein Verfahren zum Erkennen eines magnetischen
Rauschens bei einem magnetoelastischen Drehmomentsensor. Der
Drehmomentsensor umfasst einen Drehmomentwandler mit gegensätzlich
polarisierten Magnetisierungen und mehrere Magnetfeldsensoren, zwischen denen umgeschaltet werden kann.
Die US 8,001 ,849 B2 zeigt eine Anordnung zur magnetoelastischen
Drehmomentmessung, bei welcher die Wirkung von äußeren Magnetfeldern
kompensiert sein soll. Die Anordnung umfasst einen magnetisierten Bereich einer Welle sowie mindestens einen passiven und einen aktiven Magnetfeldsensor. Die passiven Magnetfeldsensoren können beiderseits des magnetisierten Bereiches angeordnet sein.
Die US 2011/0162464 A1 zeigt eine Anordnung zur magnetoelastischen
Drehmomentmessung, bei welcher die Wirkung von gleichförmigen und
ungleichförmigen Magnetfeldern kompensiert sein soll. Die Anordnung umfasst einen magnetisierten Bereich einer Welle sowie mindestens drei Magnetfeldsensoren. Der zweite und der dritte Magnetfeldsensor können neben dem magnetisierten Bereich angeordnet sein.
Die US 8,087,304 B2 zeigt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor zum
Messen eines auf eine Welle wirkenden Drehmomentes. Die Welle weist eine oder mehrere umfängliche Magnetisierungen auf. Fig. 12 der US 8,087,304 B2 zeigt eine Ausführungsform mit nur einer umfänglichen Magnetisierung, wobei zwei primäre Magnetfeldsensoren im Bereich der Magnetisierung und zwei sekundäre
Magnetfeldsensoren neben dem Bereich der Magnetisierung angeordnet sind. Fig. 18 der US 8,087,304 B2 zeigt eine Ausführungsform mit zwei umfänglichen
Magnetisierungen, die abwechselnd polarisiert sind, wobei auch mehrere
Magnetfeldsensoren an einem axialen Übergang zwischen den beiden
Magnetisierungen angeordnet sind. Fig. 8 der US 8,087,304 B2 zeigt eine
Ausführungsform mit drei umfänglichen Magnetisierungen, die abwechselnd polarisiert sind, wobei jeweils ein Magnetfeldsensor in einem der Bereiche der drei
Magnetisierungen angeordnet ist. Durch die besondere Anordnung der Magnetfeldsensoren soll der Einfluss von magnetischen Störfeldern aufgehoben werden.
Aus der US 9,151 ,686 B2 ist ein magnetoelastischer Drehmomentsensor bekannt, welcher ein reduziertes Signalrauschen aufweisen soll. Der Drehmomentsensor umfasst eine Hohlwelle mit drei umfänglich magnetisierten Magnetisierungsbereichen, welche abwechselnde Polaritäten aufweisen. Gegenüber den
Magnetisierungsbereichen sind bis zu acht Magnetfeldsensoren angeordnet.
In dem Artikel von Michael Melzer et al. (Leibniz-Institut für Festkörper- und
Werkstoffforschung Dresden):„Ultra-Flexible, Stretchable and Printed GMR Sensors“, 14th Symposium„Magnetoresistive Sensors and Magnetic Systems“ 21.-22. März 2017, Wetzlar sind Technologien zur Anordnung von GMR-Sensoren auf
hochflexiblen PET-Folien beschrieben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, rotationsbedingte Fehler bei einer auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhenden Messung von Drehmomenten zu minimieren. Bei diesen
rotationsbedingten Fehlern handelt es sich insbesondere um einen so genannten RSU-Fehler (Rotation-Signal-Uniformity-Fehler), der eine winkelabhängige
Signalschwankung eines Sensoroffsets darstellt und durch grundsätzlich vorhandene Toleranzen der Magnetisierung, Schwankungen in der Oberflächengüte und mechanische Toleranzen, wie beispielsweise einer Parallelität und Rundheit einer Welle, sowie Toleranzen von Abständen von Sekundärsensoren zum Primärsensor bedingt ist. Bei einer auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhenden Messung gemäß dem Stand der Technik mit einem Magnetfeldsensorpaar beträgt dieser Fehler bis zu 2,5 %.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Magnetfeldsensoranordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 9 und durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10. Die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung dient zum Messen eines
Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Das Drehmoment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen
Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt.
Die Achse bildet bevorzugt eine Rotationsachse des Maschinenelementes. Die nachfolgend angegebenen Richtungen, nämlich die axiale Richtung, die radiale Richtung und die tangentiale bzw. umfängliche Richtung sind auf die genannte Achse bezogen. Die Anordnung ist bevorzugt zum Messen eines Drehmomentes
ausgebildet, welches in der Achse liegt, sodass es sich um ein Torsionsmoment handelt, durch welches das Maschinenelement belastet ist. Der Vektor des
Drehmomentes liegt in der Achse.
Das Maschinenelement weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für eine im Maschinenelement ausgebildete differenzielle Magnetisierung auf. Es handelt sich somit um mindestens zwei die Achse umlaufende Magnetisierungsbereiche bzw. um zirkulare
Magnetisierungsbereiche. Die Magnetisierungsbereiche bilden einen Primärsensor zur Bestimmung des Drehmomentes.
Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt eine gleiche räumliche Ausdehnung auf und sind axial beabstandet. Besonders bevorzugt sind die
Magnetisierungsbereiche in Form von Magnetisierungsspuren ausgebildet. Axiale benachbarte der sich umfänglich um die Achse herum erstreckenden
Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt entgegengesetzte Polaritäten auf, d. h. sie besitzen einen entgegengesetzten Umlaufsinn.
Die Magnetfeldsensoranordnung umfasst weiterhin mindestens zwei
Magnetfeldsensoren, welche jeweils einen Sekundärsensor zur Bestimmung des Drehmomentes bilden. Der Primärsensor dient zur Wandlung des zu messenden Drehmomentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während die Sekundärsensoren die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglichen. Die
Magnetfeldsensoren sind jeweils zur einzelnen Messung eines durch die
Magnetisierung sowie durch das Drehmoment bewirkten Differenzmagnetfeldes ausgebildet. Das genannte Magnetfeld tritt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auf. Somit beruht die mit der Magnetfeldsensoranordnung mögliche Messung auf dem invers-magnetostriktiven Effekt.
Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils zur Messung des bedingt durch die drehmomentbedingte Oberflächenspannungsänderung aus dem Maschinenelement austretenden Differenzmagnetfeldes angeordnet. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils zur einzelnen Messung einer tangential oder/und axial
ausgerichteten Richtungskomponente des durch die Magnetisierung sowie durch das Drehmoment bewirkten Differenzmagnetfeldes angeordnet.
Die Magnetfeldsensoren sind gegenüber dem Maschinenelement angeordnet, wobei bevorzugt nur ein geringer radialer Luftspalt zwischen den Magnetfeldsensoren und einer inneren oder äußeren Oberfläche des Maschinenelementes vorhanden ist.
Das Maschinenelement und die Magnetfeldsensoranordnung sind zueinander rotierbar. Bevorzugt ist das Maschinenelement rotierbar, während die
Magnetfeldsensoranordnung ruht.
Erfindungsgemäß erstrecken sich die Magnetfeldsensoren jeweils umfänglich um die Achse, um das Maschinenelement umfänglich zu umschließen. Die
Magnetfeldsensoren erstrecken sich entlang einer Bahn, welche geeignet ist, das Maschinenelement umfänglich zu umschließen. Diese Bahn ist bevorzugt kreis- oder ellipsenförmig. Diese Bahn ist bevorzugt geschlossen, jedoch kann sie eine kurze Unterbrechung aufweisen. Die Magnetfeldsensoren erstrecken sich jeweils umfänglich um das Maschinenelement herum. Die Magnetfeldsensoren erstrecken sich jeweils mit einem Mittelpunktswinkel umfänglich um das Maschinenelement herum, welcher bevorzugt mindestens 300° beträgt und weiter bevorzugt nahezu bzw. gleich 360° beträgt. Somit sind die Magnetfeldsensoren umfänglich um das Maschinenelement herum sensitiv, sodass eine Rotation zwischen der Magnetfeldsensoranordnung und dem Maschinenelement das Messergebnis nicht beeinflusst. Die Magnetfeldsensoren erstrecken sich bevorzugt entlang einer Kreisbahn um das Maschinenelement, wobei die Kreisbahnen der Magnetfeldsensoren bevorzugt einen gleichen Radius besitzen. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt axial beabstandet zueinander angeordnet.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung besteht darin, dass durch eine veränderte Ausführung der Magnetfeldsensoren der so genannte RSU-Fehler (Rotation-Signal-Uniform ity-Fehler) fast vollständig kompensiert werden kann. Querkraftbedingte Magnetfelder haben bei punktueller
Magnetfeldmessung ebenfalls Einfluss auf den RSU. Auch dieser auf die
Drehmomentmessung bezogene querkraftbedingte Fehler wird durch die Erfindung kompensiert.
Der mindestens zwei Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt permanent
magnetisiert auf dem Maschinenelement vorhanden, sodass die Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist.
Die mindestens zwei permanent magnetisierten Magnetisierungsbereiche sind in einem von einem Drehmoment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb des Magnetisierungsbereiches bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des Magnetisierungsbereiches messbar ist.
Die Magnetisierungsbereiche stellen jeweils einen Teil des Volumens des
Maschinenelementes dar. Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt jeweils ringförmig ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine mittlere Achse der jeweiligen Ringform bildet. Besonders bevorzugt weisen die
Magnetisierungsbereiche jeweils die Form eines zur Achse des Maschinenelementes koaxialen Flohlzylinders auf.
Das Maschinenelement weist in den Magnetisierungsbereichen bevorzugt jeweils eine hohe Magnetostriktion auf. Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt axial beabstandet zueinander angeordnet, wobei zwischen zwei benachbarten der Magnetisierungsbereiche bevorzugt jeweils ein magnetisch neutraler Bereich angeordnet ist. Insofern mehr als zwei der Magnetisierungsbereiche vorhanden sind, weisen diese bevorzugt jeweils einen gleichen Abstand zueinander auf.
Das Maschinenelement besteht zumindest im Magnetisierungsbereich aus einem magnetostriktiven bzw. magnetoelastischen Material. Bevorzugt besteht das
Maschinenelement vollständig aus dem magnetostriktiven bzw. magnetoelastischen Material. Bevorzugt besteht das Maschinenelement aus einem Stahl. Eine auf das Maschinenelement aus einem nicht magnetoelastischen Material aufgepresste Hülse aus magnetostriktiven bzw. magnetoelastischen Material ist auch geeignet, solange im Übergangsbereich zwischen den magnetischen Spuren zwischen der Hülse und dem tragenden Maschinenelement ein geeigneter Luftspalt vorhanden ist.
Das Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Prismas oder eines Zylinders auf, wobei das Prisma bzw. der Zylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Das Prisma bzw. der Zylinder ist bevorzugt gerade. Bevorzugt weist das
Maschinenelement die Form eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der
Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen
Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet. Das Prisma bzw. der Zylinder kann auch hohl sein.
Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle oder durch eine Hohlwelle gebildet. Die Welle bzw. die Hohlwelle kann für Belastungen durch unterschiedliche Drehmomente ausgelegt sein.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Magnetfeldsensoranordnung sind die Magnetfeldsensoren jeweils durch einen magnetoresistiven Sensor oder durch einen Hall-Sensor gebildet. Die
magnetoresistiven Sensoren sind bevorzugt jeweils durch einen AMR-Sensor oder durch einen GMR-Sensor gebildet. Die mit den AMR-Sensoren mögliche Messung beruht auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR). Die mit den GMR- Sensoren mögliche Messung beruht auf dem riesenmagnetoresistiven Effekt (GMR). Die magnetoresistiven Sensoren können aber auch auf anderen magnetoresistiven Effekten beruhen, sodass sie allgemein als xMR-Sensoren zu bezeichnen sind.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Magnetfeldsensoranordnung weisen die magnetoresistiven Sensoren jeweils eine Barberpol-Struktur auf, die sich umfänglich um die Achse und um das
Maschinenelement erstreckt. In dieser Ausführung umfassen die magnetoresistiven Sensoren jeweils einen Streifen aus einem magnetoresistiven Material, auf welchem hochleitende Kurzschlussstreifen aufgebracht sind, die bevorzugt um 45° bzw. -45° zur Streifenlängsrichtung verdreht sind. Die Kurzschlussstreifen bestehen bevorzugt aus Aluminium.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung umfassen vier der magnetoresistiven Sensoren, die als Vollbrücke elektrisch geschaltet sind. Die vier magnetoresistiven Sensoren sind axial beabstandet angeordnet. Jeweils zwei der vier magnetoresistiven Sensoren weisen bevorzugt eine axiale Position wie einer der zwei Magnetisierungsbereiche auf, die entgegengesetzt gepolt sind. Diese beiden einem der Magnetisierungsbereiche zugeordneten magnetoresistiven Sensoren weisen bevorzugt zueinander entgegengesetzt ausgerichtete Barberpol-Strukturen auf. Die magnetoresistiven Sensoren weisen jeweils einen Streifen aus einem magnetoresistiven Material auf, wobei die Streifen der vier magnetoresistiven Sensoren parallel zueinander ausgerichtet sind.
Die vier als Vollbrücke geschalteten magnetoresistiven Sensoren sind bevorzugt an einen elektronischen Instrumentenverstärker elektrisch angeschlossen, welcher zur Brückenspannungsauswertung der Vollbrücke ausgebildet ist. Durch die
erfindungsgemäße Ausbildung der Magnetfeldsensoranordnung weist die
Brückenspannungsauswertung keinen RSU-Fehler auf.
Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt jeweils eine axiale Position wie einer der Magnetisierungsbereiche auf. Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt jeweils eine axiale Position auf, die einer mittleren axialen Position einer der
Magnetisierungsbereiche gleicht.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Magnetfeldsensoranordnung sind die Magnetfeldsensoren auf einer flexiblen Folie ausgebildet, durch welche das Maschinenelement umfänglich umschließbar ist. Somit umschließt die flexible Folie das Maschinenelement umfänglich. Die
Magnetfeldsensoren sind insbesondere durch eine Drucktechnik und durch
Abscheidung auf die Folie aufgebracht. Insofern die Magnetfeldsensoren durch magnetoresistive Sensoren gebildet sind, umfassen diese bevorzugt eine
magnetoresistive Schicht, welche auf die Folie abgeschieden oder aufgedruckt ist. Die magnetoresistive Schicht weist bevorzugt eine Streifenform auf. Auf die
magnetoresistive Schicht sind bevorzugt hochleitende Kurzschlussstreifen
aufgebracht, welche bevorzugt eine Barberpol-Struktur aufweisen. Zum Aufbringen der Kurzschlussstreifen wird bevorzugt ein photolitographisches Verfahren genutzt.
Die Folie ist bevorzugt hochflexibel und besteht bevorzugt aus einem Polymer, bevorzugt PET. Die Folie weist eine Dicke auf, die bevorzugt weniger als 10 pm beträgt. Die magnetoresistive Schicht umfasst bevorzugt Kobalt und Kupfer. Die Kurzschlussstreifen umfassen bevorzugt Aluminium. Der elektronische
Instrumentenverstärker ist bevorzugt als eine integrierte Flalbleiterschaltung ebenfalls auf der Folie angeordnet.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Magnetfeldsensoranordnung ist auf der Folie weiterhin ein zusätzlicher
Magnetfeldsensor zur Bestimmung einer Drehzahl ausgebildet. Der zusätzliche Magnetfeldsensor steht einem am Maschinenelement ausgebildeten Polring gegenüber. Eine Kombination aus einer auf das Maschinenelement aufgebrachten, mechanischen Triggerfläche und einem auf die Folie aufgedruckten
Wirbelstromsensor, der mit einem LDC1 101 -Chip der Fa. Texas Instruments ausgewertet wird, ist ebenfalls für eine Drehzahlüberwachung bevorzugt. Kommt es zu einer Rotation zwischen dem Maschinenelement und der
Magnetfeldsensoranordnung, so dreht sich der Polring in Bezug auf den zusätzlichen Magnetfeldsensor, sodass die Drehzahl und/oder ein Drehwinkel messbar sind. Die Magnetfeldsensoranordnung umfasst bevorzugt weiterhin mindestens einen
Komparator für eine inkrementeile Signalauswertung oder mindestens einen
Instrumentenverstärker für eine analoge Signalauswertung des zusätzlichen
Magnetfeldsensors. Der Komparator bzw. der Instrumentenverstärker ist bevorzugt auch auf der Folie angeordnet. Somit erlaubt die Magnetfeldsensoranordnung die Messung des Drehmomentes und auch die Messung der Drehzahl.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Magnetfeldsensoranordnung ist die Folie mit den darauf ausgebildeten
Magnetfeldsensoren und ggf. weiteren Komponenten in einen hohlzylinderförmigen Verbundkörper eingegossen. Bevorzugt ist die Folie mit den darauf ausgebildeten Magnetfeldsensoren und ggf. weiteren Komponenten in ein Kunstharz eingegossen, wobei das ausgehärtete Kunstharz die Folie mit den darauf ausgebildeten
Magnetfeldsensoren und ggf. weiteren Komponenten weitestgehend einschließt und mechanisch stabilisiert. Das ausgehärtete Kunstharz mit der darin befindlichen Folie, den Magnetfeldsensoren und ggf. weiteren Komponenten bilden den
hohlzylinderförmigen Verbundkörper.
Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Das Maschinenelement weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende
Magnetisierungsbereiche für eine Magnetisierung auf. Die Anordnung umfasst weiterhin die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung. Die
Magnetfeldsensoren der Magnetfeldsensoranordnung erstrecken sich jeweils umfänglich um das Maschinenelement. Das Maschinenelement und die
Magnetfeldsensoranordnung sind zueinander rotierbar. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst bevorzugt eine der beschriebenen bevorzugten
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung. Im Übrigen weist die Anordnung bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung angegeben sind.
Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst bevorzugt zwei der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnungen. Die beiden Magnetfeldsensoranordnungen, insbesondere die Folien der beiden Magnetfeldsensoranordnungen, sind bevorzugt galvanisch getrennt. Die beiden hohlzylinderförmigen Magnetfeldsensoranordnungen sind bevorzugt koaxial zueinander angeordnet, wobei eine der beiden
hohlzylinderförmigen Magnetfeldsensoranordnungen in radialer Richtung über der anderen der beiden hohlzylinderförmigen Magnetfeldsensoranordnungen angeordnet ist. Bevorzugt ist die Folie der radial äußeren der beiden hohlzylinderförmigen
Magnetfeldsensoranordnungen über die Folie der radial inneren der beiden
hohlzylinderförmigen Magnetfeldsensoranordnungen gewickelt. Die beiden
Magnetfeldsensoranordnungen erlauben die Messung des Drehmomentes mit einer doppelten Messsicherheit und/oder einer zweikanaligen, funktional sicheren
Sensortopologie.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Fierstellen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung. In einem Schritt des Verfahrens wird eine flexible Folie aus einem Polymer bereitgestellt. In einem weiteren Schritt werden magnetoresistive Schichten oder Flall-Sensorelemente auf die Folie aufgebracht, um
Magnetfeldsensoren auf der Folie auszubilden. Zudem werden elektrische Kontakte zum elektrischen Anschluss der Magnetfeldsensoren auf die Folie aufgebracht. Die magnetoresistive Schichten werden bevorzugt durch Aufdrucken oder durch
Abscheiden auf die Folie aufgetragen, um die Magnetfeldsensoren in Form von magnetoresistiven Sensoren auszubilden. Alternativ werden die Flall-Sensorelemente auf die Folie aufgebracht, um die Magnetfeldsensoren in Form von Flall-Sensoren auszubilden. Bevorzugt wird weiterhin der Instrumentenverstärker auf die Folie aufgebracht. Die Folie wird bevorzugt in Form eines Zylindermantels geformt bzw. gewickelt. Die Folie mit den darauf befindlichen Magnetfeldsensoren und ggf. weiteren Komponenten wird bevorzugt in Kunstharz eingegossen, woraufhin nach dem
Aushärten des Kunstharzes ein Verbundkörper entsteht, der bevorzugt
hohlzylinderförmig ist. Im Übrigen weist das Verfahren bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung und der erfindungsgemäßen Anordnung angegeben sind. Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer perspektivischen Ansicht; und
Fig. 2 eine Magnetfeldsensoranordnung in einem abgewickelten Zustand und eine Welle der in Fig. 1 gezeigten Anordnung im Detail.
Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer perspektivischen Ansicht. Die Anordnung dient zum Messen eines
Drehmomentes M (gezeigt in Fig. 2), welches auf ein Maschinenelement in Form einer Welle 01 wirkt.
Die Welle 01 weist zwei Magnetisierungsbereiche 02 (gezeigt in Fig. 2) in Form von umlaufenden Spuren auf. Die beiden Magnetisierungsbereiche 02 (gezeigt in Fig. 2) sind permanentmagnetisiert und entgegengesetzt gepolt. Die beiden
Magnetisierungsbereiche 02 (gezeigt in Fig. 2) bilden einen Primärsensor für die Messung des Drehmomentes M (gezeigt in Fig. 2) unter Nutzung des invers- magnetostriktiven Effektes.
Die Anordnung umfasst neben der Welle 01 eine Magnetfeldsensoranordnung 03, welche einen Sekundärsensor für die Messung des Drehmomentes M (gezeigt in Fig. 2) bildet. Die Magnetfeldsensoranordnung 03 umfasst eine flexible Folie 04, welche in Form eines Zylindermantels geformt ist und die Welle 01 im Bereich der Magnetisierungsbereiche 02 (gezeigt in Fig. 2) vollständig umgibt. Die
Zylindermantelform der Folie 04 ist koaxial zu der Welle 01 angeordnet. Die Folie 04 weist einen radialen Abstand zu der Welle 01 auf, sodass ein umlaufender Luftspalt 06 zwischen der Welle 01 und der Folie 04 ausgebildet ist. Die Welle 01 ist rotierbar, während sich die Magnetfeldsensoranordnung 03 in Ruhe befindet. Auf der Folie 04 sind vier Magnetfeldsensoren 07 ausgebildet, welche sich vollständig umlaufend auf der Folie 04 und somit vollständig umlaufend um die Welle 01 erstrecken. Die vier Magnetfeldsensoren 07 sind jeweils durch einen AMR-Sensor gebildet und umfassen jeweils einen Streifen 08 aus einem magnetoresistiven
Material, auf welchen hochleitende Kurzschlussstreifen 09 aus Aluminium in einer Barberpol-Struktur aufgebracht sind. Die Streifen 08 aus dem magnetoresistiven Material sind auf die Folie 04 aufgedruckt. Die Magnetfeldsensoranordnung 03, d. h. die Folie 04 mit den darauf ausgebildeten Magnetfeldsensoren 07 ist flexibel, sodass sie auf verschiedene Weise geformt werden kann und beispielsweise von der
Zylindermantelform zurück in eine ebene Form gebracht werden kann.
Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 gezeigte Magnetfeldsensoranordnung 03 und die Welle 01 im Detail. Die Magnetfeldsensoranordnung 03 ist in einem abgewickelten ebenen
Zustand entfernt von der Welle 01 dargestellt. Die Welle 01 weist die beiden permanentmagnetisierten und entgegengesetzt gepolten Magnetisierungsbereiche 02 auf. Die Welle 01 wird mit dem Drehmoment M belastet, welches durch die Anordnung messbar ist.
Zur Veranschaulichung ist die abgewickelte Magnetfeldsensoranordnung 03 innerhalb eines Diagrammes dargestellt. Eine y-Achse des Diagramms stellt einen Winkel ß dar, welcher einen Mittelpunktswinkel bezogen auf eine Achse der Welle repräsentiert. Da die Magnetfeldsensoranordnung 03 im aufgewickelten Zustand die Welle 01 vollständig umgibt, reicht die Magnetfeldsensoranordnung 03 von ß = 0° bis ß = 360°. Eine x-Achse des Diagramms repräsentiert eine Länge in der Achse der Welle 01. Die Folie 04 ist im abgewickelten Zustand rechteckförmig.
Die vier Magnetfeldsensoren 07 erstrecken sich von ß = 0° bis ß = 360°. Jeweils zwei der vier Magnetfeldsensoren 07 stehen einem der beiden Magnetisierungsbereiche 02 gegenüber, wobei bei diesen beiden Magnetfeldsensoren 07 die Barberpol-Strukturen der Kurzschlussstreifen 09 entgegen zueinander ausgerichtet sind. Die Streifen 08 der vier Magnetfeldsensoren 07 sind rechteckförmig und parallel zueinander ausgerichtet. ln Fig. 2 ist auch eine elektrische Verschaltung der vier Magnetfeldsensoren 07 dargestellt. Die vier Magnetfeldsensoren 07 sind als Vollbrücke elektrisch verschaltet. Die beiden axial außen angeordneten Magnetfeldsensoren 07 sind auf eine elektrische Masse 11 geschaltet. An den beiden axial innen angeordneten
Magnetfeldsensoren 07 liegt eine Spannung Vcc an. Die elektrischen Verbindungen der paarigen Magnetfeldsensoren 07 bilden ein symmetrisches Ausgangssignal an einem Ausgang 12, welcher an einen Instrumentenverstärker (nicht gezeigt) angeschlossen ist. Als Instrumentenverstärker eignet sich ein Standard- Instrumentenverstärker, wie beispielsweise vom Typ INA826.
Bezuqszeichenliste
Maschinenelement in Form einer Welle
Magnetisierungsbereich
Magnetfeldsensoranordnung
Folie
Luftspalt
Magnetfeldsensor
Streifen aus magnetoresistivem Material Kurzschlussstreifen elektrische Masse
Ausgang

Claims

Patentansprüche
1. Magnetfeldsensoranordnung (03) zum Messen eines Drehmomentes (M) an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement (01 ), wobei das Maschinenelement (01 ) mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche (02) für eine Magnetisierung aufweist, wobei die Magnetfeldsensoranordnung (03) mindestens zwei
Magnetfeldsensoren (07) zum Messen eines durch die Magnetisierung sowie durch das Drehmoment (M) bewirkten Differenzmagnetfeldes umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Magnetfeldsensoren (07) jeweils umfänglich um die Achse erstrecken, um das Maschinenelement (01 ) umfänglich zu umschließen.
2. Magnetfeldsensoranordnung (03) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren durch jeweils einen magnetoresistiven Sensor (07) oder durch einen Hall-Sensor gebildet sind.
3. Magnetfeldsensoranordnung (03) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetoresistiven Sensoren (07) jeweils eine Barberpol-Struktur aufweisen, die sich umfänglich um die Achse erstreckt.
4. Magnetfeldsensoranordnung (03) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie vier der Magnetfeldsensoren (07) umfasst, die als Vollbrücke geschaltet sind.
5. Magnetfeldsensoranordnung (03) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen elektronischen Instrumentenverstärker zur
Brückenspannungsauswertung der Vollbrücke umfasst.
6. Magnetfeldsensoranordnung (03) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (07) auf einer flexiblen Folie (04) ausgebildet sind, durch welche das Maschinenelement (01 ) umfänglich umschließbar ist.
7. Magnetfeldsensoranordnung (03) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Folie weiterhin ein zusätzlicher Magnetfeldsensor zur Bestimmung einer Drehzahl ausgebildet ist.
8. Magnetfeldsensoranordnung (03) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Folie (04) mit den Magnetfeldsensoren (07) in einen hohlzylinderförmigen Verbundkörper eingegossen ist.
9. Anordnung zum Messen eines Drehmomentes (M) an einem sich in einer
Achse erstreckenden Maschinenelement (01 ), wobei das Maschinenelement (01 ) mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche (02) für eine Magnetisierung aufweist, wobei die Anordnung weiterhin eine Magnetfeldsensoranordnung (03) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst, und wobei das Maschinenelement (01 ) und die Magnetfeldsensoranordnung (03) zueinander rotierbar sind.
10. Verfahren zum Fierstellen einer Magnetfeldsensoranordnung (03) nach einem der Ansprüche 1 bis 8:
- Bereitstellen einer flexiblen Folie (04) aus einem Polymer; und
- Aufbringen von magnetoresistiven Schichten (08) oder von Hall- Sensorelementen sowie von elektrischen Kontakten auf die Folie, um Magnetfeldsensoren (07) auf der Folie (04) auszubilden.
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