Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Drehmomentsensoranordnung zur Erfassung des Drehmoments an wenigstens zwei Wellen in einer Wellenanordnung.

Stand der Technik

Stand der Technik bei der Messung von Magnetfeldänderung durch Drehmoment auf Basis der Magnetostriktion ist der Einsatz von Messspulen. Diese werden berührungslos in Relation zur einer magnetisch codierten Messwelle angebracht (parallel zur Drehachse) und erfassen Magnetfeldänderungen, die auf Grund des magnetoelastischen Effekts unter Last (inverse Magnetostriktion) auftreten. Die Magnetfeldänderung ist direkt proportional zur äußeren Krafteinwirkung und stellt den Zusammenhang mit dem Drehmoment her.

In Anwendungen, bei denen zwei oder mehr Wellen mit einem magnetostriktiven Drehmomentsensor versehen sind und die benachbart angeordnet sind, ist festzustellen, dass bei zwei nahe nebeneinander liegenden Wellen ein Übersprechen von einer zur anderen Welle sichtbar ist. Dadurch ergibt sich eine Verfälschung des Messergebnisses aufgrund des störenden Einflusses des benachbarten Magnetfeldes eines benachbarten Sensors.

Angesichts dieser Nachteile ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Messgenauigkeit für benachbarte Drehmomentsensoren zu verbessern. Beschreibung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zumindest teilweise auszuräumen, insbesondere den störenden Einfluss des gegenüberliegenden (fremden) Feldes zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird durch eine Drehmomentsensoranordnung nach Anspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung zur Erfassung des Drehmoments an wenigstens zwei Wellen in einer Wellenanordnung umfasst eine erste und eine zweite Welle der Wellenanordnung, wobei die erste und die zweite Welle vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind; einen ersten magnetoelastischen Drehmomentsensor zur Messung des Drehmoments an der ersten Welle, wobei der erste Drehmomentsensor einen ersten magnetisierten Bereich der ersten Welle und einen ersten Magnetfeldsensor zur Messung eines durch den ersten magnetisierten Bereich erzeugten Magnetfeldes umfasst; einen zweiten magnetoelastischen Drehmomentsensor zur Messung des Drehmoments an der zweiten Welle, wobei der zweite Drehmomentsensor einen zweiten magnetisierten Bereich der zweiten Welle und einen zweiten Magnetfeldsensor zur Messung eines durch den zweiten magnetisierten Bereich erzeugten Magnetfeldes umfasst; und ein erstes Kompensationselement zur wenigstens teilweisen Kompensation eines Störeinflusses des zweiten magnetisierten Bereichs der zweiten Welle auf die Drehmomentmessung des ersten Drehmomentsensors.

Auf diese Weise können vom zweiten magnetisierten Bereich erzeugte Magnetfelder am Ort des ersten Magnetfeldsensors, welche die Messung des ersten Drehmomentsensors stören, kompensiert werden. Das Kompensationselement sollte dabei an einer Position angeordnet sein, an der die Größe des Magnetfeldes vom zweiten magnetisierten Bereich gleich der Größe des Störmagnetfeldes an der Position des ersten Magnetfeldsensors ist. Das Kompensationselement ist vorzugsweise ein Kompensations-Magnetfeldsensor.

Die erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung kann weitergebildet werden, indem der Abstand des ersten Kompensationselements von dem zweiten magnetisierten Bereich der zweiten Welle im Wesentlichen gleich dem Abstand des ersten Magnetfeldsensors von dem zweiten magnetisierten Bereich der zweiten Welle ist. Dies hat den Vorteil, dass die Messung des Störmagnetfeldes im gleichen Abstand erfolgt.

Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass der Abstand des ersten Kompensationselements von dem ersten magnetisierten Bereich größer ist als der Abstand des ersten Magnetfeldsensors von dem ersten magnetisierten Bereich und/oder dass in Kombination mit der zuvor genannten Weiterbildung der Abstand des ersten Kompensationselements von dem ersten magnetisierten Bereich maximiert wird.

Gemäß einer anderen Weiterbildung können der erste magnetisierte Bereich der ersten Welle und der zweite magnetisierte Bereich der zweiten Welle auf einer von der ersten Welle ausgehenden radialen Linie liegen; und der erste magnetisierte Bereich der ersten Welle und der erste Magnetfeldsensor können auf einer von der ersten Welle ausgehenden radialen Linie liegen. Dies stellt eine einfache Anordnung der magnetisierten Bereiche und der Magnetfeldsensoren dar, bei der die magnetisierten Bereiche der Wellen gegenüber voneinander angeordnet sind.

Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass der erste Magnetfeldsensor eine Messspule umfasst und/oder wobei der zweite Magnetfeldsensor eine Messspule umfasst und/oder wobei das Kompensationselement eine Kompensationsspule umfasst. Spulen sind einfache Elemente zur Messung einer Magnetfeldänderung.

Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass der erste magnetisierte Bereich der ersten Welle zwei magnetisierte Teilbereiche umfasst, die zueinander gegenläufig in Umfangsrichtung magnetisiert sind, und der erste Magnetfeldsensor zwei Messspulen umfasst, die zur Messung eines Magnetfeldes des jeweiligen magnetisierten Teilbereichs vorgesehen sind. Die verbessert die Messgenauigkeit indem eine Differenzmessung der beiden Teilbereiche durchgeführt wird.

Dies kann dahingehend weitergebildet werden, dass das Kompensationselement zwei Kompensationsspulen zur Kompensation des Störeinflusses des zweiten magnetisierten Bereichs auf die jeweilige Messspule umfasst. Gemäß einer anderen Weiterbildung kann in der Wellenanordnung die zweite Welle unmittelbar benachbart zur ersten Welle sein. Dadurch ergibt sich eine kompakte Anordnung der Wellen, wobei die Kompensation der Störeinflüsse des magnetisierten Bereichs der direkt benachbarten Welle erfolgt.

Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass jedes Kompensationselement in Reihe mit der jeweiligen Messspule verschaltet ist, und wobei jede Kompensationsspule in Bezug auf eine induzierte Spannung gegenläufig zur jeweiligen Messspule angeordnet ist. Dadurch kann die Kompensation auf einfache Weise durchgeführt werden und führt unmittelbar zu einem korrigierten Messsignal der Messspulen.

Gemäß einer anderen Weiterbildung umfasst die Drehmomentsensoranordnung weiterhin einen weiteren ersten Magnetfeldsensor zur Messung des vom ersten magnetisierten Bereich erzeugten Magnetfeldes, wobei das Kompensationselement zur Kompensation des Störeinflusses des zweiten magnetisierten Bereichs auf beide ersten Magnetfeldsensoren vorgesehen ist. Diese Maßnahme erhöht die Messgenauigkeit der Drehmomentmessung an der ersten Welle.

Dies kann dahingehend weitergebildet werden, dass das Kompensationselement so angeordnet ist, dass das von dem zweiten magnetisierten Bereich erzeugte Magnetfeld an der Position des Kompensationselements im Bereich von 90% bis 1 10% des Mittelwerts aus den von dem zweiten magnetisierten Bereich erzeugten Magnetfeldern an den Positionen der beiden ersten Magnetfeldsensoren ist.

Die oben genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Erfassung des Drehmoments an wenigstens zwei Wellen in einer Wellenanordnung gemäß Anspruch 12.

Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Erfassung des Drehmoments an wenigstens zwei Wellen in einer Wellenanordnung bereit, die eine erste und eine zweite Welle umfasst, wobei die erste und die zweite Welle vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind, und wobei das Verfahren umfasst: Messen des Drehmoments an der ersten Welle mit einem ersten magnetoelastischen Drehmomentsensor, wobei der erste Drehmomentsensor einen ersten magnetisierten Bereich der ersten Welle und einen ersten Magnetfeldsensor zur Messung eines durch den ersten magnetisierten Bereich erzeugten Magnetfeldes umfasst; Messen des Drehmoments an der zweiten Welle mit einem zweiten magnetoelastischen Drehmomentsensor, wobei der zweite Drehmomentsensor einen zweiten magnetisierten Bereich der zweiten Welle und einen zweiten Magnetfeldsensor zur Messung eines durch den zweiten magnetisierten Bereich erzeugten Magnetfeldes umfasst; und wenigstens teilweises Kompensieren eines Störeinflusses des zweiten magnetisierten Bereichs der zweiten Welle auf die Drehmomentmessung des ersten Drehmomentsensors mit einem ersten Kompensationselement.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen den oben genannten Vorteilen des erfindungsgemäßen Drehmomentsensors.

Die genannten Weiterbildungen können einzeln eingesetzt oder wie beansprucht geeignet miteinander kombiniert werden.

Weitere Merkmale und beispielhafte Ausführungsformen sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung erschöpfen. Es versteht sich weiterhin, dass einige oder sämtliche der im Weiteren beschriebenen Merkmale auch auf andere Weise miteinander kombiniert werden können.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A, 1 B zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Drehmomentsensors.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehmomentsensors. Ausführungsformen

Nachdem festgestellt wurde, dass bei zwei nahe nebeneinander liegenden Wellen ein Übersprechen der Magnetfelder von einer zur anderen Welle sichtbar ist, wurden Versuche zur Kompensation des gegenüberliegenden (fremden) Feldes gemacht. Dies soll durch eine bestimmte Positionierung und Anordnung zusätzlicher Messspulen erreicht werden.

Es werden zu jeder vorhandenen Messspule je eine weitere Spule hinzugefügt. Diese werden jeweils genauso in Reihe, jedoch in Bezug auf die jeweilige bereits vorhandene Messspule invertiert verdrahtet. Dadurch soll erreicht werden, dass Fremdfelder, welche die vorhandene Messspule beeinflussen, durch die neue Spule kompensiert werden. Um das eigentlich zu messende Feld dennoch auswerten zu können ist eine spezielle geometrische Anordnung aller Spulen notwendig.

Die Spulen zur Kompensation werden so angeordnet, dass sie, bezogen auf den Mittelpunkt der gegenüberliegenden Welle, auf dem gleichen Radius wie die eigentliche Messspule liegt. Außerdem wird darauf geachtet, dass der Abstand der Kompensationsspule zur Messwelle möglichst groß ist. Damit wird der negative Einfluss des Messsignals auf die Kompensationsspule so weit wie möglich reduziert. Da der Abstand von Messspule und Kompensationsspule zur gegenüberliegenden Welle dabei gleich bleibt (gleicher Radius) wird das fremde Feld ausgelöscht. Es hat sich herausgestellt, dass der Einfluss auf zwei benachbarte Messspulen auch durch eine einzige, invertiert verschaltete Kompensationsspule kompensiert werden kann.

In Fig. 1A, 1 B ist eine Ausführungsform 100 der erfindungsgemäßen Drehmomentsensoranordnung dargestellt, wobei Fig. 1 B eine Sicht entlang der Wellen zeigt.

Die erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung 100 zur Erfassung des Drehmoments an wenigstens zwei Wellen in einer Wellenanordnung umfasst in dieser Ausführungsform eine erste und eine zweite Welle 10, 1 1 der Wellenanordnung, wobei die erste und die zweite Welle 10, 1 1 vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind; einen ersten magnetoelastischen Drehmomentsensor 20, 30 zur Messung des Drehmoments an der ersten Welle 10, wobei der erste Drehmomentsensor einen ersten magnetisierten Bereich 20 der ersten Welle 10 und einen ersten Magnetfeldsensor 30 zur Messung eines durch den ersten magnetisierten Bereich 20 erzeugten Magnetfeldes umfasst; einen zweiten magnetoelastischen Drehmomentsensor 21 , 31 zur Messung des Drehmoments an der zweiten Welle 1 1 , wobei der zweite Drehmomentsensor einen zweiten magnetisierten Bereich 21 der zweiten Welle 1 1 und einen zweiten Magnetfeldsensor 31 zur Messung eines durch den zweiten magnetisierten Bereich 21 erzeugten Magnetfeldes umfasst; und ein erstes Kompensationselement 40 zur wenigstens teilweisen Kompensation eines Störeinflusses des zweiten magnetisierten Bereichs 21 der zweiten Welle 1 1 auf die Drehmomentmessung des ersten Drehmomentsensors 20, 30.

Der Abstand des ersten Kompensationselements 40 von dem zweiten magnetisierten Bereich 21 der zweiten Welle 1 1 ist gleich dem Abstand des ersten Magnetfeldsensors 30 von dem zweiten magnetisierten Bereich 21 der zweiten Welle 1 1 . Dadurch wird die Messung des Störmagnetfeldes im gleichen Abstand durchgeführt bei dem auch der störende Einfluss auf den ersten Magnetfeldsensor erfolgt. Nachdem die Magnetfeldstärke radial abfällt erhält man somit eine Messung des Störmagnetfeldes mit im Wesentlichen gleicher Stärke.

Auf diese Weise können vom zweiten magnetisierten Bereich 21 erzeugte Magnetfelder am Ort des ersten Magnetfeldsensors 30, welche die Messung des ersten Drehmomentsensors stören, kompensiert werden. Das Kompensationselement 40 ist also an einer Position angeordnet, an der die Größe des Magnetfeldes vom zweiten magnetisierten Bereich 21 gleich der Größe des Störmagnetfeldes an der Position des ersten Magnetfeldsensors 30 ist. Das Kompensationselement 30 ist vorzugsweise ein Kompensations-Magnetfeldsensor.

Der erste Magnetfeldsensor umfasst in dieser Ausführungsform eine Messspule 30, der zweite Magnetfeldsensor eine Messspule 31 und das Kompensationselement eine Kompensationsspule 40. Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform 200 der erfindungsgemäßen Drehmomentsensoranordnung.

Dabei umfasst die Drehmomentsensoranordnung weiterhin einen weiteren ersten Magnetfeldsensor 30b zur Messung des vom ersten magnetisierten Bereich 20 erzeugten Magnetfeldes, wobei das Kompensationselement 40 zur Kompensation des Störeinflusses des zweiten magnetisierten Bereichs 21 auf beide ersten Magnetfeldsensoren 30a, 30b vorgesehen ist. Zur Bestimmung der Position des Kompensationselements 40 muss zusätzlich die Abnahme des Magnetfelds über den Abstand x zur Welle beachtet werden. Zur Abnahme des Feldes kann im Wesentlichen der Faktor c ^L (-3) angenommen werden. Entscheidend ist der Grad der Abnahme des Magnetfeldes durch den Raum. Der absolute Betrag ist dabei nicht von Bedeutung. Prinzipiell kann das Magnetfeld um die Welle als radialsymmetrisch angenommen werden. Durch die benachbarte Welle wird dieses Feld jedoch verformt. Dies macht die Berechnung des exakten Feldes im Raum komplizierter.

Aus verschiedenen Versuchen hat sich gezeigt, dass sich über den Mittelwert der beiden Feldstärken an den Position der Messspulen 30a und 30b die beim Kompensationselement 40 benötigte Feldstärke näherungsweise bestimmen lässt. Aus dieser Feldstärke lässt sich über die c ^L (-3) Abschwächung des Magnetfeldes ein Abstand von der zweiten Welle 11 bestimmen bei dem das Kompensationselement 40 angeordnet wird. Dieser so bestimmte Abstand kann durch geringfügige Verschiebung optimiert werden, um eine möglichst exakte Kompensation zu bewirken.

Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und der vollständige Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.