DE69519227T2

DE69519227T2 - Berührungsloser magnetoelastischer drehmomentwandler

Info

Publication number: DE69519227T2
Application number: DE69519227T
Authority: DE
Inventors: Hans Ling; Jarl Sobel; J. Uggla
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1994-03-30
Filing date: 1995-03-22
Publication date: 2001-06-07
Anticipated expiration: 2015-03-23
Also published as: US5646356A; SE9401064D0; DE69519227D1; EP0753132A1; EP0753132B1; SE508734C2; ES2154334T3; WO1995027191A1; JPH09511064A; SE9401064L; JP3549539B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wandler zur exakten Erfassung des in einer stationären oder sich drehenden Welle wirkenden Drehmoments in kontaktloser Art und Weise und in einem weiten Temperaturbereich.
Eine einem Drehmoment ausgesetzte kreiszylindrische Welle wird von einer reinen Scherbeanspruchung beeinflusst. Dieser Beanspruchungszustand kann hinsichtlich seiner Hauptbeanspruchungsarten ausgedrückt werden, beispielsweise als Druckbeanspruchung und als Zugbeanspruchung derselben Größe, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Die Hauptbeanspruchungsrichtungen sind zur Längsachse der Welle um ±45º geneigt.
Der Stand der Technik bezüglich des Konstruktionsaufbaus der Drehmomentwandler ist in einer Anzahl von Patentbeschreibungen und technischen Artikeln niedergelegt. Den meisten dieser Lösungen ist gemein, dass in dem magnetischen Material zwei Bereiche mit einer Art Anisotropie erzeugt werden, die eine Ablenkung der magnetischen Flussdichte aus der natürlichen, zur Achse der Wandlerwelle parallelen Richtung um einen Winkel bewirkt. In einem Bereich stimmt die Hauptrichtung der Anisotropie mit der Hauptrichtung überein, welche die Zugbeanspruchung liefert. In dem anderen Bereich stimmt die Hauptrichtung mit der Richtung überein, welche die Druckbeanspruchung liefert.
Aufgrund des magnetoelastischen Effekts (im Fall einer positiven Magnetostriktion) wird der magnetische Widerstand des Bereichs bei Ablenkung der magnetischen Flussdichte in die Zugrichtung oder in die Druckrichtung abfallen oder ansteigen.
Durch abschließendes Erfassen des Unterschiedes im magnetischen Widerstand zwischen diesen Bereichen wird das Drehmoment erfaßt, das gegenüber Axialkräften oder Biegebeanspruchung eine geringe Empfindlichkeit aufweist.
Der Unterschied des magnetischen Widerstandes wird gewöhnlich durch Erzeugen eines zeitabhängigen, entlang der Welle ausgerichteten und in beiden Bereichen eine gleiche Amplitude aufweisenden H-Feldes erfaßt, wobei eine mit der Welle konzentrische Primärspule verwendet wird. Mit Hilfe von zwei identischen, um jeden Bereich zentrierten Sekundärspulen kann der Unterschied der B-Felder zwischen den Bereichen erfaßt werden. Dies wird in der einfachsten Ausführungsform durch Verbinden der gegenüberliegenden Sekundärspulen erreicht, so dass sich die in der jeweiligen Spule induzierten Spannungen voneinander abziehen. Durch Phasen-empfindliche Gleichrichtung des auf diese Weise erhaltenen Sekundärsignals ist es darüber hinaus möglich, zwischen Torsionsmomenten unterschiedlicher Richtungen zu unterscheiden.
Dieser den magnetischen Widerstand erfassende Teil stellt in vielen Fällen eine Art eines magnetischen Jochs zur Welle dar und wird deshalb nachfolgend als "Joch" bezeichnet.
Zur Erzeugung einer hohen Empfindlichkeit gegenüber Torsionsmomenten ist es erforderlich, dass die Anisotropie ausreichend ist, so dass der Unterschied zwischen den Bereichen so groß wie möglich wird. Ein Maß für die Anisotropie ist der Winkel, um den das magnetische Feld aufgrund des Einflusses der Anisotropie aus der natürlichen Richtung parallel zur Achse der Wandlerwelle abgelenkt wird. Beträgt der Winkel in den Bereichen 45º, dann ist die Anisotropie optimal, da das B-Feld in diesem Fall entlang der Hauptbeanspruchungsrichtungen der mit Torsion beanspruchten Wandlerwelle ausgerichtet ist.
Äußerst wichtig ist zudem, wirklich eine vollständige Rotationssymmetrie aufrecht zu erhalten, sowohl in Bezug auf die Verteilung der mechanischen Beanspruchung als auch in Bezug zum Magnetfeld, um eine Signaländerung zu verhindern, die nur aufgrund der Drehung des Wandlers bezüglich des den magnetischen Widerstand messenden Teiles auftritt.
Was die unterschiedlichen Drehmomentwandler gemäß der vorstehenden allgemeinen Beschreibung unterscheidet ist in erster Linie das Verfahren zur Verwirklichung der Anisotropie.
Die SU 667936 beschreibt ein Verfahren, bei dem die Anisotropie rein geometrisch in jedem Bereich durch Einschneiden von Rillen in die Oberfläche der Welle nach einem bestimmten Muster erzeugt wird. Dieses Muster besteht aus mehreren, zueinander parallel verlaufenden Linien, die zur Achse der Wandlerwelle in einem Winkel von 45º ausgerichtet sind.
Diese Lösung ergibt jedoch nur eine unzureichende Anisotropie und daher auch eine geringe Empfindlichkeit, da das Magnetfeld die Rillen relativ einfach "unterkriechen" kann, wenn diese nicht tief geschnitten sind. Sind Wenn die Rillen tief geschnitten, dann wird das Spannungsniveau in der Oberfläche des Welle, und somit auch die Empfindlichkeit, verringert.
Darüber hinaus führen die Rillen in der Oberfläche zu einem starken Anstieg der effektiven Beanspruchungen im Boden der Rillen und die Welle kann daher lediglich bis zu einem moderaten Ausmaß belastet werden, bevor eine plastische Verformung des Wellenmaterials einsetzt, was wiederum zu einer Hysterese im Ausgabesignal des Wandlers führt.
Die US 4,823,620 beschreibt dieselbe Ausführungsform wie vorstehend in Bezug auf die geometrische Anisotropie, jedoch mit dem Zusatz, dass die Oberfläche der Welle gehärtet oder karbonisiert ist, um die Hysterese in dem Wandler zu reduzieren.
In dieser US-Patentschrift wird ebenfalls darauf hingewiesen, dass es nicht erforderlich ist, in der Oberfläche der Welle Rillen bereitzustellen. Es ist zudem möglich, auf der Wellenoberfläche Erhöhungen oder Stege gemäß dem vorstehend erwähnten Muster zu bilden.
Ferner soll das Material in den vorstehend aufgeführten Stegen oder Bändern amagnetisch und vorzugsweise ein Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit sein, wie durch Kupfer dargestellt.
Eine Anforderung an die Bänder gemäß der US 4,823,620 ist jedoch, dass die Weite und Dicke davon die magnetische Eindringtiefe übersteigen sollen, d. h. die Eindringtiefe des darunterliegenden Materials ist.
Diese Anforderung hat jedoch hinsichtlich der praktischen Ausführung eine beträchtliche Einschränkung zur Folge. Ein herkömmliches Wandlermaterial mit einer relativen Permeabilität von 120, einem spezifischen Widerstand von 60 · 10&supmin;&sup8; Ωmeter und einer Anschlussfrequenz von 2000 H&sub2; wird, gemäß der nachstehend beschriebenen anerkannten Definition, eine Eindringtiefe von 0,8 mm aufweisen. Beim elektrolytischen Plattieren von beispielsweise gedruckten Schaltungen beträgt die maximale Abscheidungsrate etwa 0,04 mm pro Stunde. Plattieren mit einer dickeren Schicht als der Eindringtiefe würde daher bei weitem zu lange dauern. Stattdessen ist es beispielsweise erforderlich, Bänder aus Kupfer anzukleben, was kaum durchführbar ist.
Darüber hinaus weisen Bänder, die dicker sind als die Eindringtiefe, beträchtliche Nachteile auf, was die Temperatureigenschaften des Wandlers anbetrifft.
Eine derartige Eigenschaft betrifft das Signal des Wandlers im unbelasteten Zustand, das sein Nullsignal ist. Es ist jedoch häufig möglich, dieses Signal bei der jeweiligen Temperatur zurückzustellen, wodurch die Temperaturdrift des Nullsignals weniger wichtig wird.
Eine andere, schwieriger behebbare Wandlereigenschaft ist die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit des Wandlers gegenüber Torsionsmomenten, die sogenannte Empfindlichkeitsabweichung.
Ein bekanntes Verfahren für den Ausgleich der vorstehend erwähnten Empfindlichkeitsabweichung besteht darin, die Spannung des Signals mit Hilfe eines Netzwerkes von temperaturabhängigen Widerständen oder Thermistoren zu teilen. Ein äquivalentes Verfahren ist, einfach die zweite Wicklung mit einem Widerstand zu belasten, wobei im Wesentlichen eine Spannungsteilung zwischen dem Widerstand des Kupfers in der zweiten Wicklung und dem externen Widerstand erhalten wird.
Den beiden vorstehend bekannten Verfahren zum Ausgleichen der Empfindlichkeitsabweichung ist gemein, dass sie kostenintensiv sind und dass die Spannungsteilung des Signals sowohl die Ausgangsimpedanz als auch die Signalhöhe verschlechtert wodurch die Empfindlichkeit des Signals gegenüber Störungen gesteigert wird.
Ein anderer und schwerwiegenderer Nachteil besteht darin, dass die von der Temperatur der Wandlerwelle abhängige Empfindlichkeitsabweichung durch eine Temperaturabweichung in den elektrischen Komponenten im magnetischen Widerstand messenden Teil oder an einer anderen Stelle ausgeglichen wird, an der die Temperatur von der Temperatur der Welle vollständig verschieden ist.
Es wäre daher wünschenswert, einen Erfassungsbereich zu entwickeln, der hinsichtlich der Temperaturabweichung der Empfindlichkeit selbst ausgleichend ist.
Da bei magnetoelastischen Wandler eine Materialeigenschaft eingesetzt wird, welche bei der Herstellung des Materials nur schwer exakt gesteuert werden kann, wird die Empfindlichkeit derartiger Wandler gegenüber mechanischen Beanspruchungen davon abhängig sein, aus welcher Materialcharge der Wandler hergestellt wurde. Das bedeutet, dass die Empfindlichkeit für jeden Wandler abgestimmt werden muss, was gewöhnlich mit Hilfe einer Spannungsteilung des sekundären Signals erfolgt, was im Falle eines Ausgleichs der Empfindlichkeitsabweichung gemäß dem vorstehenden, zu gesteigerten Kosten und zu einer höheren Empfindlichkeit gegenüber Störungen führt.
Da dadurch eine Eigenschaft der Welle durch eine Eigenschaft des den magnetischen Widerstand messenden Jochs ausgeglichen wird, führt dieses Verfahren ebenfalls nicht dazu, dass die Wandlerwelle und das Joch zwischen unterschiedlichen Wandlern austauschbar sind. Dies bedeutet, dass die Wandler und Jochs als eine Einheit gelagert, gehandhabt, installiert und möglicherweise ausgetauscht werden müssen, was zu höheren Kosten und zu dem Risiko führt, dass letzten Endes eine falsche Welle zusammen mit einem falschen Joch gepaart wird, was eine falsche Empfindlichkeit des Wandlers gegenüber Torsionsmomenten zur Folge hat.
Es wäre daher wünschenswert, eine Erfassungszone zu entwickeln, deren Empfindlichkeit gegenüber Torsionsmomenten in einfacher Weise abhängig von der Materialcharge abgestimmt werden kann, aus der die magnetoelastische Oberflächenschicht der messenden Zone hergestellt wurde.
Die vorstehend erwähnten ökonomischen und praktischen Aspekte können eine entscheidende Bedeutung erlangen, wenn ein Drehmomentwandler in Massenproduktion und weitreichende Rationalisierung erfordernden Anwendungen eingesetzt wird, beispielsweise beim Messen des Drehmomentes in Fahrzeugen.
Die Fig. 1 zeigt die Feldverteilung und den bei den galvanisierten Kupferschichten induzierten Strom.
Die Fig. 2 zeigt, wie die in den Kupferbändern induzierten Ströme verteilt werden, wenn diese um die ganze Welle verteilt sind.
Die Fig. 3 zeigt, wie für einen bestimmten Wandleraufbau die Empfindlichkeit mit der Dicke der galvanisierten Schichten variiert.
Die Fig. 4 zeigt, wie die Empfindlichkeitsabweichung desselben Wandleraufbaus mit der Dicke der galvanisierten Schichten variiert.
Die Fig. 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Wandleraufbau.
Die Fig. 6 zeigt einen alternativen erfindungsgemäßen Wandleraufbau.
In einem erfindungsgemäßen Drehmomentwandler wird im Vergleich zu denen, die in der US 4,923,620 beschrieben wurden, mit wesentlich dünneren Bändern aus leitfähigem Material auf der Wellenoberfläche eine gute magnetische Anisotropie erreicht.
Eine wichtige Voraussetzung für die Erfindung besteht darin, dass die Kupferbänder einen sehr guten elektrischen Kontakt mit dem Wellenmaterial aufweisen.
Dieses Verfahren hat von dem Standpunkt der Produktionstechnik und Ökonomie aus beträchtliche Vorteile, und ermöglicht zudem einen Ausgleich der Empfindlichkeitsabweichung der Wandlerwelle sowie eine Abstimmung der Empfindlichkeit der messenden Zone gegenüber Torsionsmomenten.
Im Folgenden wird eine qualitative Beschreibung des Mechanismus hinter der erfindungsgemäßen Ausrichtung des Feldes gegeben.
Ausgehend von Fig. 1 gilt die folgende Überlegung:
Man betrachte ein externes H-Feld in der Luft über dem Wellenmaterial, das in der Figur in eine Richtung von 45º zu den galvanisierten Kupferschichten/-bändern wirkt. Das H-Feld variiert sinusförmig mit der Winkelgeschwindigkeit ω.
Zu Beginn wird angenommen, dass das induzierte H-Feld vernachlässigbar ist. Das H-Feld in dem Wellenmaterial wird dann gleich dem externen H-Feld. Gemäß dem Faraday'sches Induktionsgesetzes, und da Φ sinusförmig ist, wird die Potentialdifferenz zwischen den Punkten "A" und "B" auf den Kupferbändern:
worin
Φ = der absolute Wert des gesamten magnetischen Flusses zwischen A und B, entlang des externen H-Feldes
ω = die Winkelgeschwindigkeit des H-Feldes
Die Berechnung des magnetischen Flusses wird mittels bekannter Verfahren abgeleitet, die in Büchern über die Grundlagen des Elektromagnetismus aufgefunden werden können. Der Radius der Welle wird als viel größer als die Eindringtiefe angenommen, so dass ein rechtwinkliges Koordinatensystem verwendet werden kann.
Der gesamte Fluss Φ wird durch Integrieren der magnetischen Flussdichte von der Oberfläche und in das Material erhalten, welche ergibt
worin
l = der Abstand zwischen "A" und "B" entlang 110
δ = Die Schichtdicke =
ρFe = der spezifische Widerstand des Stahles
uFe = die Permeabilität des Stahles
B&sub0; = die magnetische Flussdichte in der Materialoberfläche
Diese Gleichung kann auch als Definition der effektiven Permeabilität und der effektiven Eindringtiefe in den Fällen dienen, in denen das Material einen nicht-linearen Ferromagnetismus aufweist. In diesem Fall ist Φ als der absolute Wert des Grundtones des zeitlich variierenden magnetischen Flusses.
Der Strom im Kupferband wird nun:
I = VAB/R
worin
R = der Widerstand des Bandes = ρCul 2/ha
h = die Banddicke
a = die Bandbreite
Das resultierende H-Feld aus diesem Strom wird näherungsweise das gleiche, als wenn der Strom über die gesamte Oberfläche gemäß Fig. 2 "ausgedehnt" wird. Eine derartige homogene Stromverteilung gemäß der gestrichelten Oberfläche der Fig. 2 steigt bis zu einem induzierten H-Feld an, welches gemäß dem Ampere'schen Gesetz berechnet werden kann:
Hl = I/2(a + b)
Einsetzen des Ausdruckes für den Strom, den Bandwiderstand, die Potentialdifferenz und den absoluten Wert des magnetischen Flusses gemäß dem vorstehenden erzeugt schließlich den Quotienten:
welcher auch geschrieben werden kann als
Dieser Quotient, der sogenannte Leitfähigkeitsquotient, ist das Verhältnis zwischen der Leitfähigkeit der Kupferschicht und einer effektiven Leitfähigkeit für die Wellenoberfläche.
Wenn dieses Verhältnis groß ist, dann wird das induzierte Feld groß in Bezug auf das angelegte Feld, und darum wird das Feld auch entlang der Bänder gut ausgerichtet, was natürlich eine Voraussetzung zum Erhalt einer guten Empfindlichkeit gegenüber Torsionsmomenten ist.
Das Ziel dieser mathematischen Überlegungen, wie vorstehend angegeben, bestand nicht darin, eine genaue Ableitung der Empfindlichkeit der messenden Zone als eine Funktion der Wandlerparameter zu liefern. Es wurde vielmehr versucht, die grundlegenden physikalischen Prinzipien und Mechanismen zu erklären, die zu der Ausrichtung des erfindungsgemäßen Feldes führen. Zusätzlich werden Gründe angegeben, warum der Leitfähigkeitsquotient der dimensionslose Parameter ist, der die Anisotropie der messenden Zone bestimmt, was natürlich von grundlegender Bedeutung für die Empfindlichkeit der messenden Zone ist und, was aus dem folgenden klar wird, ebenfalls für die Temperaturabweichung der Empfindlichkeit.
In Wirklichkeit ist es natürlich nicht das H&sub0;-Feld, das den Strom, der in den Kupferbändern induziert wird, ergibt, sondern das daraus resultierende Feld, das die Summe aus H&sub0; und H&sub1; ist. Folglich wird der Winkel zwischen den Kupferbändern und dem resultierenden H-Feld geringer sein, wenn H&sub1; ansteigt. In diesem Fall wird das induzierte H-Feld derart gesteuert, dass sich das resultierende H-Feld entlang der Kupferbänder ausrichtet, wenn der Leitfähigkeitsquotient ansteigt. Als Funktion des Leitfähigkeitsquotienten wird die Empfindlichkeit daher gleichzeitig mit einer immer besser werdenden Ausrichtung des Feldes gesättigt sein.
Dieses Ergebnis kann natürlich mit Hilfe einer streng theoretischen Ableitung erhalten werden, welche den Winkel zwischen dem resultierenden Feld und den Kupferbändern berücksichtigt. Das Ergebnis kann auch durch Experimente bestätigt werden.
Eine Anforderung an die Größenordnung des Leitfähigkeitsquotienten kann in eine Anforderung an die Dicke der Bänder übertragen werden, wobei in diesem Fall um der Einfachheit willen Faktoren der ersten Ordnung, d. h. Faktoren ¹/&sub2; und a/(a + b), vernachlässigt werden. Wenn der resultierende Leitfähigkeitsquotient mit "k" bezeichnet wird und diese Gleichung nach der Banddicke "h" aufgelöst wird, dann wird folgendes erhalten
h = k · δ · ρcu/ρFe
Bei einer rein empirischen Betrachtung wird gefunden, dass "k" gleich 1 sein sollte, damit gegenüber Torsionsmomenten eine gute Empfindlichkeit erhalten wird. Um gegenüber Torsionsmomenten eine gute Empfindlichkeit zu erhalten, ist es deshalb erforderlich, dass die Dicke der Bänder größer ist als die Eindringtiefe im Wellenmaterial bei der für das magnetisierende Feld verwendeten Frequenz und Amplitude multipliziert mit dem Verhältnis des spezifischen Widerstandes des Materials in den Bändern zu dem spezifischen Widerstand der Welle.
Die Fig. 3 zeigt die Empfindlichkeit eines Wandlers als Funktion der Schichtdicke, die proportional zu dem Leitfähigkeitsquotienten ist. Die effektive Eindringtiefe in einem Material bei der in Frage kommenden Frequenz ist in diesem Fall ungefähr gleich 500 um. Wie aus der Figur klar ersichtlich, hat die Empfindlichkeit 90% ihres abschließenden Wertes schon bei etwa 70 um erreicht, was mehr oder weniger einem Leitfähigkeitsquotienten von etwa 4 entspricht.
Die Fig. 4 zeigt die Empfindlichkeitsabweichung als Funktion der Schichtdicke für den selben Wandler. Die Empfindlichkeitsabweichung ist hier in ppm der Empfindlichkeit bei Raumtemperatur ausgedrückt und steigt mit steigender Schichtdicke stark an. Wenn die Schichtdicke identisch mit der Eindringtiefe ist, dann beträgt sie etwa 1000 ppm/ºC. In diesem Fall ist die Empfindlichkeitsabweichung gleich null bei einer Schichtdicke von etwa 70 um.
Es wird ebenso angemerkt, dass der Ausgleich umso stärker wird, je größer die Steigung der Kurve ist, die gemäß Fig. 3 die Empfindlichkeit als Funktion der Dicke der Kupferschicht beschreibt.
Bei sehr dünnen Schichten tritt eine Überkompensation derart auf, dass die Empfindlichkeitsabweichung gemäß Fig. 4 ein negatives Vorzeichen erhält.
Die Erklärung des vorstehend erwähnten Verhaltens liegt darin, dass der Widerstand der Kupferschicht mit der Temperatur ebenfalls linear ansteigt. In diesem Fall fällt der Leitfähigkeitsquotient proportional ab und die Ausrichtung des Feldes verschlechtert sich. Dies führt wiederum zu einer Verminderung der Empfindlichkeit, wobei dies die Steigerung der Empfindlichkeit mit der Temperatur bei einem Wandler mit einem vollständig ausgerichteten Feld ausgleicht.
Die Empfindlichkeitsabweichung in der Welle und die Abhängigkeit der Empfindlichkeit vom Leitfähigkeitsquotienten hängt von mehreren Faktoren ab, unter anderem von den Eigenschaften des Wandlermaterials, der Anschlussfrequenz, der Amplitude des Anschlussstromes, der Schichtdicke und der genauen geometrischen Form des den magnetischen Widerstand messenden Bereiches und vom Kupfermuster.
Die Verhinderung der Empfindlichkeitsabweichung muss deshalb speziell für jeden Wandleraufbau gemacht werden, gilt jedoch im Allgemeinen für unterschiedliche Ausführungen desselben Wandlertyps. Es ist jedoch gemäß der vorstehenden Überlegung und der Fig. 4 bei einer gegebenen geometrischen Form, einer gegebenen Anschlussfrequenz, einem gegebenen Anschlussstrom etc. möglich, durch geeignete Wahl der Schichtdicke eine Empfindlichkeitsabweichung von Null zu erhalten.
Durch Variation der Schichtdicke um einen bestimmten Wert ist es zudem möglich, eine Feinabstimmung der Empfindlichkeit der messenden Zone gegenüber Torsionsmomenten zu erhalten, was aus der Fig. 3 klar ersichtlich ist. Diese Abstimmung kann derart durchgeführt werden, dass abhängig von den magnetoelastischen Eigenschaften einer gegebenen Materialcharge die Dicke, die für diese Charge zu verwenden ist, genau bestimmt ist. Für Wandler mit sehr hohen Anforderungen an die Genauigkeit kann eine etwas zu dicke Schicht aufgetragen werden und die Schichtdicke kann durch mechanischen, elektrolytischen oder chemischen Einfluss in Verbindung mit einer individuellen Kalibrierung jeder Wandlerwelle reduziert werden. Auf diese Art und Weise kann eine ausgezeichnete Empfindlichkeit unabhängig von einer bestimmten Variation der Materialeigenschaften und anderer Herstellungsweisen erhalten werden.
Die Schichtdicke kann natürlich nicht für beides, für die Abstimmung der Empfindlichkeit und für den Ausgleich der Empfindlichkeitsabweichung auf Null angepasst sein. Eine bestimmte Variation der Empfindlichkeitsabweichung ist jedoch in den meisten Fällen erlaubt, was Raum für die Abstimmung der Empfindlichkeit gemäß dem vorstehend beschriebenen erzeugt.
Es ist nicht notwendig, dass die Anisotropie durch einzelne dünne Bänder eines Materials mit einer hohen Leitfähigkeit im guten elektrischen Kontakt mit dem Wellenmaterial verursacht wird.
Es funktioniert gleichermaßen gut, wenn die gesamte Oberfläche mit einem Material beschichtet wird, welche in der elektrischen Leitfähigkeit eine hohe Anisotropie aufweist. Derartige Materialien stehen mit elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterialien zur Verfügung, welche in der Entwicklung stehen.
In diesem Fall würde das Material derart orientiert sein, dass das Material, welches die höchste Leitfähigkeit aufweist, in den Fällen in unterschiedliche Hauptbeanspruchungsrichtungen entlang der Welle ausgerichtet ist, in denen der Wandler mit zwei messenden Bereichen ausgestattet ist.
Auch ist die Anzahl der messenden Zonen in dem Wandler nicht wesentlich für die Erfindung.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen magnetoelastischen Wandlers zur elektrischen Messung von Torsionsbeanspruchungen in einer Welle ist in der Fig. 5 gezeigt, die einen Längsschnitt durch die Welle des rotationssymmetrischen Wandlers zeigt.
Der Wandler umfasst eine Kreiszylinderwelle 1, in der das Drehmoment gemessen werden soll. Der Wandler ist teilweise oder entlang seiner gesamten Länge mindestens in einer symmetrisch um die Welle verteilten Oberflächenschicht ferromagnetisch und magnetoelastisch.
Weiterhin umfasst der Wandler eine Einrichtung zur Erzeugung eines axial ausgerichteten, zeitlich sich zyklisch ändernden Magnetfeldes im magnetoelastischen Bereich der Welle. Diese Einrichtung umfasst zwei auf zwei Haspeln 4, 5 gewickelte, zu der Welle 1, deren Drehmoment erfasst werden soll konzentrische Primärspulen 2, 3. Die Primärspulen sind in Serie geschaltet und mit einem Signalerzeuger verbunden.
In der Welle werden im ferromagnetischen Bereich und konzentrisch zu den Primärspulen zwei messende Zonen 6, 7 gebildet. In einer dieser Zone wird das axial ausgerichtete magnetisierende Feld entlang der Hauptbeanspruchungsrichtung abgelenkt, die eine Zugbeanspruchung aufweist, wenn die Wandlerwelle mit einer Torsion belastet wird. In der anderen messenden Zone wird das Feld entlang der Hauptbeanspruchungsrichtung abgelenkt, die eine Druckbeanspruchung aufweist.
Die Ablenkung des magnetisierenden Feldes wird durch plattierte Kupferbänder 8, 9 bewirkt, die erheblich dünner sind als die Eindringtiefe in die ferromagnetische Welle und welche mit einem durch elektrolytisches Plattieren dargestellten Verfahren aufgetragen wurden, das einen perfekten elektrischen Kontakt zwischen den Kupferbändern und den darunterliegenden Wellenmaterial ergibt. Die Dicke der Schicht ist angepasst, um eine minimale Empfindlichkeitsabweichung und eine korrekte Empfindlichkeit gegenüber Torsionsmomenten in der Wandlerwelle in Abhängigkeit zu den magnetoelastischen Eigenschaften des Materials zu erhalten, aus dem die messenden Zonen hergestellt wurden.
Die Breite der Kupferbänder in der bevorzugten Ausführungsform ist derart gewählt, dass sie Zweidrittel des Abstandes der Zentren zweier benachbarter Bänder beträgt. In einer bevorzugten Ausführungsform wurde der Winkel zwischen den Bändern und einer Generatrix zur Zylinderoberfläche von 45º gewählt. Er kann jedoch im Sinne der Erfindung zwischen mindestens 20º und maximal 75º gewählt werden.
Wie in der Zusammenfassung der Erfindung erwähnt, ist es nicht erforderlich, dass die Anisotropie durch einzelne dünne Bänder aus einem Material mit hoher Leitfähigkeit in gutem Kontakt mit dem Wellenmaterial verursacht wird. Es funktioniert gleichermaßen gut, die gesamte Oberfläche ringförmig mit einem Material zu überziehen, welches eine hohe Anisotropie in der elektrischen Leitfähigkeit aufweist. Eine derartige Ausführungsform im Bereich der Erfindung ist in der Fig. 6 gezeigt, welche abgesehen von den ringförmigen Beschichtungen 18, 19 mit der Ausführungsform gemäß der Fig. 5 identisch ist.
Der Wandler umfasst auch eine Einrichtung zur elektrischen Messung der durch die Torsionsbeanspruchungen induzierten Differenz im magnetischen Widerstand zwischen den Bereichen.
Ein einfaches Verfahren zur Realisierung des vorstehenden besteht darin, die Ableitung des Flusses in den messenden Zonen 6, 7 mittels zweier Sekundärspulen 10, 11 zu messen, die auf denselben Haspeln wie die Primärspulen gewickelt sind. Durch Verbinden der Sekundärspulen gegenüber wird eine der Flussdifferenz entsprechende Spannungsdifferenz erzeugt. Diese Spannung ist mit einem Phasen-empfindlichen Gleichrichter verbunden, der dann durch die Phase des Anschlusssignalerzeugers gesteuert wird. Die höheren Frequenzen des Ausgabesignals werden in einem Tiefpass-Filter heraus gefiltert, wodurch eine Gleichspannung erhalten wird, die proportional zu dem Drehmoment ist, welches die Welle belastet.
Um zu verhindern, dass der Drehmomentwandler durch magnetisch oder elektrisch leitfähige Gegenstände in dessen Umgebung beeinflusst wird, um die Empfindlichkeit gegenüber Drehmomenten zu steigern und um den Stromverbrauch des Wandlers zu reduzieren, ist es wünschenswert, das Magnetfeld derart zu begrenzen und zu steuern, dass dessen Ausdehnung auf einen Bereich um die Drehmoment messenden Zonen 6, 7 und den diesen zugeordneten magnetischen Widerstand messenden Einrichtungen 10, 11 eingeschränkt ist.
Dies wird durch Einfassen der Haspeln mit einem Joch aus weichmagnetischen Material erreicht. Das Joch besteht aus einer Schale 12 und zwei Polen 13, 14, welche den Fluss zu dem Luftspalt an den Enden des Jochs zusammenfassen. Der Aufbau der Schale und der Pole können beide bezüglich der Wahl des Materials, der geometrischen Abmessungen und der Anzahl der darin beinhalteten Teile variieren. Von Bedeutung ist jedoch, dass die Pole gut zentriert um die Welle liegen, um die Rotationssymmetrie der Magnetfeldverteilung zu erhalten. Die Größe des Luftspalts beträgt geeigneter Weise 0,5 bis 1 mm. Um die Rückverteilung des Flusses zwischen den Bereichen zu erleichtern und dadurch die Empfindlichkeit zu steigern, wird das Joch auch mit einem Pol 15 zwischen den Haspeln ausgestattet. Dieses Joch kann wegfallen, wobei in diesem Fall die Haspeln 4, 5 durch eine einzige Haspel ersetzt werden können. Zusätzlich kann das Joch an den axialen Enden mit ringförmigen Beilagscheiben 16, 17 aus nicht ferromagnetischen aber gut elektrischleitfähigen Material, beispielsweise Aluminium, ausgestattet sein, welche weiterhin ein Lecken des Flusses in der axialen Richtung verhindern.

Claims

1. Magnetoelastischer Drehmomentwandler zur elektrischen Messung von Torsionsbeanspruchungen in einer mit einem zylindrischen Bereich ausgestatteten Welle (1), der mindestens in einer Oberflächenschicht um die gesamte Welle herum ferromagnetisch und magnetoelastisch ist, wobei der Wandler umfasst, eine erste Einrichtung (2, 3) zur Erzeugung eines axial ausgerichteten, magnetisierenden, zeitlich sich zyklisch ändernden Feldes in dem magnetoelastischen Bereich der Welle mit einer unter Berücksichtigung der Frequenz und der Amplitude des sich ändernden, magnetisierenden Feldes bestimmten Eindringtiefe, eine oder mehrere Zonen (6, 7) in dem magnetoelastischen, mit einer Anisotropie versehenen Bereich der Welle, deren Wirkung in der Ablenkung der magnetischen Flussdichte weg von der normalen Flussrichtung entlang der Welle besteht, und eine zweite Einrichtung (10, 11) zur elektrischen Messung der durch die Torsionsbeanspruchungen in jeder der mit Anisotropie ausgestatteten Zonen induzierten Veränderungen des magnetischen Widerstandes, dadurch gekennzeichnet, dass die Anisotropie durch Bereitstellen mehrerer, in gutem elektrischen Kontakt zu dem magnetoelastischen Material in der Oberfläche stehender, paralleler Bänder (8, 9) erreicht wird, wobei die Bänder aus einem Material mit geringem spezifischen Widerstand bestehen und in einem Winkel zur Längsachse der Wandlerwelle ausgerichtet sind, und die Bänder im Vergleich zur Eindringtiefe des magnetoelastischen Bereichs der Welle bei der Frequenz und der Amplitude des magnetisierenden Feldes eine geringere Dicke aufweisen, die jedoch größer ist als die Eindringtiefe multipliziert mit dem Verhältnis des spezifischen Widerstandes des Materials in den Bändern zu dem spezifischen Widerstand des magnetoelastischen Bereichs der Welle.

2. Magnetoelastischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Bänder kleiner ist als die Hälfte der Eindringtiefe.

3. Magnetoelastischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand des Materials in den Bändern einen positiven Temperaturkoeffizient aufweist und dass die Dicke der Bänder bei einer bestimmten geometrischen Form, Anschlussfrequenz und einem bestimmten Ansschlussstrom derart angepasst ist, dass der temperaturabhängige Anstieg der Empfindlichkeit des Wandlers gegenüber Torsionsmomenten durch die Reduktion der Empfindlichkeit ausgeglichen wird, die von der durch die Erhöhung des spezifischen Widerstandes der Bänder hervorgerufenen Abnahme der Ablenkung der magnetischen Flussdichte weg von der normalen Flussrichtung entlang der Welle herrührt.

4. Magnetoelastischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Bänder in Abhängigkeit von den magnetoelastischen Eigenschaften des magnetischen Bereichs derart angepasst ist, dass die Empfindlichkeit dieses Bereichs gegenüber Torsionsmomenten von geringfügigen Änderungen der magnetischen Eigenschaften zwischen unterschiedlichen Wandlerwellen unabhängig wird, indem ein Material, welches gegenüber Torsionsmomenten eine hohe Empfindlichkeit aufweist, in einer dünneren Schicht bereitgestellt wird als ein Material, das eine geringere Empfindlichkeit aufweist.

5. Magnetoelastischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bänder auf der Oberfläche durch elektrolytisches Plattieren aufgetragen werden.

6. Magnetoelastischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den Bändern und einer Generatrix zur Zylinderoberfläche größer als 20º und kleiner als 75º ist.

7. Magnetoelastischer Drehmomentwandler zur elektrischen Messung von Torsionsbeanspruchungen in einer mit einem zylindrischen Bereich ausgestatteten Welle (1), der mindestens in einer Oberflächenschicht um die gesamte Welle herum ferromagnetisch und magnetoelastisch ist, wobei der Wandler umfasst, eine erste Einrichtung (2, 3) zur Feldes in dem magnetoelastischen Bereich der Welle mit einer unter Berücksichtigung der Frequenz der Amplitude des sich ändernden, magnetisierenden Feldes bestimmten Eindringtiefe, eine oder mehrere Zonen (6, 7) in dem magnetoelastischen, mit einer Anisotropie versehenen Bereich der Welle, deren Wirkung in der Ablenkung der magnetischen Flussdichte weg von der normalen Flussrichtung entlang der Welle besteht, und eine zweite Einrichtung (10, 11) zur elektrischen Messung der durch die Torsionsbeanspruchungen in jeder der mit Anisotropie ausgestatteten Zonen induzierten Änderungen des magnetischen Widerstandes, dadurch gekennzeichnet, dass die Anisotropie durch Beschichten der gesamten Oberfläche der Zone mit einer ringförmigen, in gutem elektrischen Kontakt mit dem magnetoelastischen Material stehenden Schicht (18, 19) erreicht wird, wobei die Oberfläche aus einem Kunstoffmaterial besteht, dessen spezifischer elektrischer Widerstand eine hohe Anisotropie aufweist, und wobei die Richtung, bei der der spezifische Widerstand der Schicht am geringsten ist, zur Längsachse der Wandlerwelle in einem Winkel ausgerichtet ist.

8. Magnetoelastischer Drehmomentwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand des Materials in der Schicht einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und dass die Schichtdicke bei einer bestimmten geometrischen Form, Anschlussfrequenz und einem bestimmten Ansschlussstrom derart angepasst ist, dass der temperaturabhängige Anstieg der Empfindlichkeit des Wandlers gegenüber Torsionsmomenten durch die Reduktion der Empfindlichkeit des Wandlers ausgeglichen wird, die von der durch die Erhöhung des spezifischen Widerstandes der Bänder hervorgerufenen Abnahme der Ablenkung der magnetischen Flussdichte weg von der normalen Flussrichtung entlang der Welle herrührt.

9. Magnetoelastischer Drehmomentwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schicht in Abhängigkeit von den magnetoelastischen Eigenschaften des magnetischen Bereichs derart angepasst ist, dass die Empfindlichkeit dieses Bereichs gegenüber Torsionsmomenten von geringfügigen Änderungen der magnetischen Eigenschaften zwischen unterschiedlichen Wandlerwellen unabhängig wird, indem ein Material, welches gegenüber Torsionsmomenten eine hohe Empfindlichkeit aufweist, in magnetischen Eigenschaften zwischen unterschiedlichen Wandlerwellen unabhängig wird, indem ein Material, welches gegenüber Torsionsmomenten eine hohe Empfindlichkeit aufweist, in einer dünneren Schicht bereitgestellt wird als ein Material, das eine geringere Empfindlichkeit aufweist.

10. Magnetoelastischer Drehmomentwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der Richtung, bei der der spezifische Widerstand der Schicht am geringsten ist, und einer Generatrix zur Zylinderoberfläche größer als 20º und kleiner als 75º ist.