DE10027095A1 - Drehmomentdetektoranordnung - Google Patents
DrehmomentdetektoranordnungInfo
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Abstract
Die Dicke eines Jochs und von magnetischen Elementen in einer Drehmomentdetektoranordnung beträgt nicht mehr als das Doppelte einer Eindringtiefe delta, die mit folgender Formel berechnet wird: DOLLAR F1 wobei rho der spezifische Widerstand der magnetischen Elemente ist, F die Frequenz des Magnetfeldes, mus die spezifische Permeabilität der magnetischen Elemente, und mu¶0¶ die Vakuumpermeabilität.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Drehmomentdetektoranordnung zur berührungslosen Detektierung
eines Drehmoments, wenn eine externe Kraft auf eine Drehwelle
einwirkt, beispielsweise einen Lenkservomechanismus eines
Kraftfahrzeugs.
Bei einem Kraftfahrzeuglenkservomechanismus ist es
erforderlich, die Größe des Drehmoments zu detektieren, das an
ein Lenkrad angelegt wird, um die Größe der erforderlichen
Servounterstützung festzulegen. Drehmomentdetektoranordnungen
für diesen Zweck wurden beispielsweise im offengelegten
japanischen Patent Nr. 6-174569 beschrieben. Die Konstruktion
dieses Gerätes wird unter Bezugnahme auf Fig. 8 erläutert.
Diese Drehmomentdetektoranordnung weist ein Gehäuse 4 auf,
eine Torsionsstange 3, die auf einer zentralen Achse einer
ersten Welle 1 angebracht ist, die an einem (nicht gezeigten)
Lenkrad angebracht ist, und einer zweiten Welle 2, die an
einem Ritzel eines (nicht gezeigten) Lenkmechanismus
angebracht ist, wobei die Torsionsstange 3 eine elastisches
Teil ist, welches so die erste und die zweite Welle verbindet,
dass sie in Umfangsrichtung elastisch ist (in der
Torsionsrichtung), ein Lager 5, das zwischen dem Gehäuse 4 und
der ersten Welle 1 angeordnet ist, wobei das Lager 5 die erste
Welle 1 drehbar haltert, eine erste Muffe 14a, die aus einem
unmagnetischen Körper besteht, der an der ersten Welle 1
befestigt ist, eine zweite Muffe 14b, die aus einem
unmagnetischen Körper besteht, der an der zweiten Welle 2
befestigt ist, ein erstes magnetisches Element 11 und ein
zweites magnetisches Element 12, die aus einem
weichmagnetischen Material bestehen, das an der ersten Muffe
14a befestigt ist, und ein drittes magnetisches Element 13,
das aus weichmagnetischem Material besteht, das an der zweiten
Muffe 14b befestigt ist. Gegenüberliegend dem zweiten
magnetischen Element 12 sind Zähne 11a in dem ersten
magnetischen Element 11 vorgesehen. Zähne 12a und 13a sind
einander gegenüberliegend in dem zweiten magnetischen Element
12 und dem dritten magnetischen Element 13 vorgesehen.
Die Drehmomentdetektoranordnung weist weiterhin eine erste
Spule 21a auf, die sich um das erste magnetische Element 11
und das zweite magnetische Element 12 herum erstreckt, ein
erstes Joch 22a, das so an dem Gehäuse 4 befestigt ist, dass
es die Außenseite der ersten Spule 21a umgibt, wobei das erste
Joch 22a mit einem inneren Flansch versehen ist, eine zweite
Spule 21b, die so angeordnet ist, dass sie sich um das zweite
magnetische Element 12 und das dritte magnetische Element 13
herum erstreckt, und ein zweites Joch 22b, das an dem Gehäuse
4 so befestigt ist, dass es die Außenseite der zweiten Spule
21b umgibt, wobei das zweite Joch 22b einen inneren Flansch
aufweist.
Um die Baufestigkeit aufrecht zu erhalten werden das erste bis
dritte magnetische Element 11 bis 13, das erste Joch 22a und
das zweite Joch 22b aus einem magnetischen Metallkörper
hergestellt, der eine Dicke von 1 mm bis 2 mm aufweist, oder
aus Ferrit mit einer Dicke von 3 mm bis 5 mm. Wenn Ferrit
verwendet wird, das eine geringe elektrische Leitfähigkeit
aufweist, ergeben sich derartige magnetische Eigenschaften,
dass eine äußerst empfindliche Frequenzantwort für hohe
Frequenzen erzielt werden kann, jedoch ist Ferrit beim Einsatz
in durch Massenproduktion hergestellten Gegenständen schwierig
zu verwenden, da Ferrit extrem spröde und teuer ist.
Als nächstes wird der Betriebsablauf bei der voranstehend
geschilderten Drehmomentdetektoranordnung erläutert. Wenn ein
Drehmoment von dem Lenkrad auf die erste Welle 1 einwirkt,
tritt eine Torsionsverformung in der Torsionsstange 3 auf, und
tritt eine relative Winkelscherung in Umfangsrichtung zwischen
der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 auf. Daher ergibt
sich eine Relativverschiebung in Umfangsrichtung zwischen dem
zweiten magnetischen Element 12, das an der ersten Welle mit
Hilfe der ersten Muffe 14a befestigt ist, und dem dritten
magnetischen Element 13, das mit Hilfe der zweiten Muffe 14b
befestigt ist, wodurch die gegenüberliegende Oberfläche
zwischen den Zähnen 12a des zweiten magnetischen Elements 12
und den Zähnen 13a des dritten magnetischen Elements 13
geändert wird. Ein Magnetfluss wird in der zweiten Spule 21b
infolge des Durchgangs eines Treiberwechselstroms erzeugt, und
der Magnetfluss geht durch eine magnetische Schaltung
hindurch, die durch das zweite Joch 22b, das zweite
magnetische Element 12 und das dritte magnetische Element 13
gebildet wird. Wenn die gegenüberliegende Fläche zwischen den
Zähnen 12a und den Zähnen 13a, die einen magnetischen
Durchgangsweg bildet, geändert wird, ändert sich der
magnetische Widerstand der magnetischen Schaltung, wodurch die
Induktivität der zweiten Spule 21b geändert wird. Das
Drehmoment wird dadurch gehalten, dass diese Änderung der
Induktivität unter Verwendung einer (nicht gezeigten)
Detektorschaltung detektiert wird.
Da die zweite Spule 21b die Erzeugung von Wirbelströmen in den
magnetischen Elementen und den Jochen gestattet, wird die
Induktivität der zweiten Spule 21b im Vergleich zu einem
hypothetischen Fall verringert, in welchem ideale magnetische
Elemente und Joche verwendet werden, die keine Wirbelströme
hervorrufen. Wenn die magnetische Permeabilität der
magnetischen Elemente und des Jochs konstant ist, dann ist das
Ausmaß der Verringerung der Induktivität desto größer, je
niedriger der Widerstand ist. Da der spezifische Widerstand
metallischer Materialien bei hohen Temperaturen höher ist, mit
Ausnahme spezieller Fälle, sinkt der spezifische Widerstand
bei niedrigeren Temperaturen ab, und nimmt der Einfluss von
Wirbelströmen zu. Da das Ausmaß des Einflusses von
Wirbelströmen temperaturabhängig ist, ist daher eine
Temperaturkompensation erforderlich, wenn die Anordnung unter
Umgebungsbedingungen eingesetzt wird, bei denen
Temperaturschwankungen auftreten.
Da das erste magnetische Element 11 und das zweite magnetische
Element 12 beide an der ersten Welle 1 mit Hilfe der ersten
Muffe 14a befestigt sind, ändert sich die relative
Winkelscherung zwischen dem ersten magnetischen Element 11 und
dem zweiten magnetischen Element 12 nicht, selbst wenn ein
Drehmoment einwirkt, und ändert sich die Induktivität der
ersten Spule 21a nicht, die um eine mittlere Position zwischen
dem ersten magnetischen Element 11 und dem zweiten
magnetischen Element 12 herum angeordnet ist. Da die
Induktivität der ersten Spule 21a durch Temperaturänderungen
ebenso wie bei der zweiten Spule 21b geändert wird, ist es
allerdings möglich, ein Ausgangssignal zu erhalten, das nicht
durch die Temperatur beeinflusst wird, und nur in Beziehung
zum Drehmoment steht, nämlich durch Detektieren der Differenz
der Induktivität zwischen der ersten Spule 21a und der zweiten
Spule 21b.
Die Spannung, die in der zweiten Spule 21b infolge des
Durchgangs des Treiberwechselstroms durch die zweite Spule 21b
erzeugt wird, ist eine Wechselspannung, die mit der Frequenz
des Treiberstroms synchronisiert ist, und da das
Ausgangssignal von der Drehmomentdetektoranordnung zu einem
AC/DC-Wandler in Form in einer Gleichspannung oder eines
Gleichstroms proportional zum Drehmoment vorliegen muss, ist
eine Tiefpassfilter dazu erforderlich, Brumm zu entfernen, der
mit der Frequenz des Treiberwechselstroms synchronisiert ist,
und das Ausgangssignal als glatten Gleichstrom auszubilden. Da
die Treiberfrequenz der zweiten Spule 21b im Bereich einiger
weniger kHz liegt, muss die Zeitkonstante dieses
Tiefpassfilters geringer als einige wenige hundert kHz sein.
Daher ist es nicht möglich, das Reaktionsvermögen auf das
abgegebene Drehmoment über einige wenige Hundert Hz hinaus zu
erhöhen, also die Zeitkonstante des Tiefpassfilters.
Seit einigen Jahren wird bei Drehmomentdetektoranordnungen, um
das Reaktionsvermögen in Kraftfahrzeug-Lenkservomechanismen zu
erhöhen, ein Reaktionsvermögen von einigen kHz gefordert, also
eine Größenordnung schneller als beim Stand der Technik. Um
diese Anforderung zu erfüllen war es erforderlich, die
Frequenz des Treiberstroms um eine Größenordnung zu erhöhen,
auf zwischen einigen zehn kHz und 100 kHz.
Wenn die Frequenz des Treiberstroms in einer herkömmlichen
Drehmomentdetektoranordnung erhöht wird, werden allerdings die
Induktivität der zweiten Spule 21b und die Empfindlichkeit der
Induktivität auf das Drehmoment verringert, infolge des
Einflusses von Wirbelströmen, und aus diesem Grund ergab sich
das Problem, dass das Reaktionsvermögen nicht erhöht werden
konnte. Infolge schlechter Temperatureigenschaften und
Änderungen, die infolge von Wirbelströmen auftraten, bestand
ein weiteres Problem darin, dass es schwierig war, beim
Betrieb bei niedrigen Temperaturen eine vollständige
Temperaturkompensation zu erzielen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, die
voranstehend geschilderten Probleme zu lösen, und ein Ziel der
vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer
Drehmomentdetektoranordnung, welche ein hohes
Reaktionsvermögen und bessere Temperatureigenschaften
aufweist.
Zu diesem Zweck wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine
Drehmomentdetektoranordnung zur Verfügung gestellt, bei
welcher die Dicke eines Jochs und von magnetischen Elementen
nicht größer sind als das Doppelte einer Eindringtiefe δ, die
aus folgender Formel berechnet wird:
δ = √(2ρ/(2π . F . µs . µ0))
wobei ρ der spezifische Widerstand der magnetischen Elemente
ist, F die Frequenz des Magnetfeldes, µs die spezifische
Permeabilität der magnetischen Elemente, und µ0, die
Vakuumpermeabilität.
Gemäß einer weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung
wird eine Drehmomentdetektoranordnung zur Verfügung gestellt,
bei welcher ein Joch in eine Anzahl von Bauelementen in
Umfangsrichtung unterteilt ist, und die Bauelemente elektrisch
gegeneinander in Abschnitten isoliert sind, durch welche der
Magnetfluss hindurchgeht, der von einer Spule erzeugt wird.
Gemäß einer weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung
wird eine Drehmomentdetektoranordnung zur Verfügung gestellt,
bei welcher magnetische Elemente in einer Anzahl von Bauteilen
in Umfangsrichtung unterteilt sind, wobei die Bauteile
elektrisch gegeneinander in Abschnitten isoliert sind, durch
welche der Magnetfluss hindurchgeht, der von einer Spule
erzeugt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus denen
weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. In den Zeichnungen
werden gleiche oder entsprechende Teile wie bei dem
herkömmlichen Beispiel gemäß Fig. 8 mit denselben
Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigt:
Fig. 1 eine Teilvorderquerschnittsansicht einer
Drehmomentdetektoranordnung gemäß Ausführungsform 1
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Teilvorderquerschnittsansicht einer
Drehmomentdetektoranordnung gemäß Ausführungsform 2
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 einen Querschnitt, betrachtet aus der Richtung des
Pfeils A in Fig. 2 aus;
Fig. 4 einen Querschnitt, betrachtet von der Richtung des
Pfeils B in Fig. 2 aus;
Fig. 5 ein Diagramm mit einer Darstellung tatsächlicher
Messungen, in welchem die Frequenzeigenschaften der
Drehmomentempfindlichkeit der Induktivität von
Spulen dargestellt sind;
Fig. 6 eine perspektivische Teilansicht einer
Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine perspektivische Teilansicht einer
Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 8 eine Teilvorderquerschnittsansicht einer
herkömmlichen Drehmomentdetektoranordnung.
Fig. 1 ist eine Teilvorderquerschnittsansicht einer
Drehmomentdetektoranordnung gemäß Ausführungsform 1 der
vorliegenden Erfindung.
Diese Drehmomentdetektoranordnung weist ein Gehäuse 4 auf,
eine Torsionsstange 3, die auf einer zentralen Achse einer
ersten Welle 1 angeordnet ist, die an einem (nicht gezeigten)
Lenkrad angebracht ist, und einer zweiten Welle 2, die an
einem Ritzel eines (nicht gezeigten) Lenkmechanismus
angebracht ist, wobei die Torsionsstange 3 als elastisches
Teil ausgebildet ist, welches die erste Welle und die zweite
Welle so verbindet, dass es in Umfangsrichtung elastisch ist
(der Torsionsrichtung), ein Lager 5, das zwischen dem Gehäuse
4 und der ersten Welle 1 angeordnet ist, wobei das Lager 5 die
erste Welle 1 drehbeweglich haltert, eine erste zylindrische
magnetische Abschirmung 15a aus Kupfer, die an der ersten
Welle 1 angebracht ist, eine zylindrische zweite magnetische
Abschirmung 15b aus Kupfer, die an der zweiten Welle 2
angebracht ist, eine zylindrische erste Harzmuffe 14a, die
einen unmagnetischen Körper darstellt, der an einem
Außenumfang der ersten magnetischen Abschirmung 15a befestigt
ist, eine zweite zylindrische Harzmuffe 14b, die einen
unmagnetischen Körper darstellt, der an einem Außenumfang der
zweiten magnetischen Abschirmung 15b befestigt ist, ein erstes
magnetisches Element 11 und ein zweites magnetisches Element
12, die aus einem amorphen Metall auf Kobaltbasis bestehen,
das eine Dicke von 20 µm aufweist, und an der ersten Muffe 14a
befestigt ist, und ein drittes magnetisches Element 13, das
ebenfalls aus einem amorphen Metall besteht, und an der
zweiten Muffe 14b befestigt ist. Zähne 11a sind in dem ersten
magnetischen Element 11 gegenüberliegend dem zweiten
magnetischen Element 12 angeordnet. Zähne 12a und 13a sind in
dem zweiten magnetischen Element 12 bzw. dem dritten
magnetischen Element 13 einander gegenüberliegend vorgesehen.
Weiterhin sind in der Figur Spalte dargestellt, um zwischen
dem ersten magnetischen Element 11 und der ersten Muffe 14a zu
unterscheiden, und dem zweiten magnetischen Element 12 und der
ersten Muffe 14a, und um zwischen dem dritten magnetischen
Element 13 und der zweiten Muffe 14b zu unterscheiden, wobei
diese Teile in der Realität allerdings in enger Berührung
stehen.
Diese Drehmomentdetektoranordnung weist weiterhin erste und
zweite Harzspulenkörper 23a und 23b auf, die um eine Position
zwischen dem ersten und dem zweiten magnetischen Element 11
und 12 herum bzw. um eine Position zwischen den zweiten und
dritten magnetischen Element 12 und 13 herum angeordnet sind,
eine erste und eine zweite Spule 21a und 21b, die jeweils auf
einen der Spulenkörper gewickelt sind, torusförmige Joche 22a
bis 22c, die aus amorphen Metall bestehen, und um den Umfang
einer Seitenoberfläche des ersten Spulenkörpers 23a und des
zweiten Spulenkörpers 23b herum angeordnet sind, ein
zylindrisches Joch 22d, das aus amorphen Metall besteht, und
an Randoberflächen der Joche 22a bis 22c befestigt ist, wobei
das zylindrische Joch 22d die Joche 22a bis 22c abdeckt, und
eine zylindrische dritte Harzmuffe 24, bei welcher das Joch
22d an ihrer Innenwand befestigt ist, und ihre Außenwand an
dem Gehäuse 4 befestigt ist. Die Joche 22a bis 22d und die
magnetischen Elemente 11 bis 13 bestehen aus amorphen Metall
mit derselben Dicke von 20 µm.
Nunmehr ist der Betriebsablauf bei der
Drehmomentdetektoranordnung mit dem voranstehend geschilderten
Aufbau erläutert. Der grundlegende Betriebsablauf ist exakt
ebenso wie bei den herkömmlichen Beispiel. Wenn ein Drehmoment
von dem Lenkrad an die erste Welle 1 angelegt wird, tritt eine
Torsionsverformung in der Torsionsstange 3 auf, was zu einer
relativen Winkelscherung in Umfangsrichtung zwischen der
ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 führt. Dann tritt eine
Relativverschiebung in Umfangsrichtung zwischen dem zweiten
magnetischen Element 12, das an der ersten Welle mit Hilfe der
magnetischen Abschirmung 15a und der ersten Muffe 14a
befestigt ist, und dem dritten magnetischen Element 13 auf,
das mit Hilfe der magnetischen Abschirmung 15b und der zweiten
Muffe 14b befestigt ist, wodurch die Fläche der
gegenüberliegenden Oberflächen zwischen den Zähnen 12a des
zweiten magnetischen Elements 12 und den Zähnen 13a des
dritten magnetischen Elements 13 geändert wird.
Ein Magnetfluss wird in der zweiten Spule 21b durch den
Durchgang eines Treiberwechselstroms erzeugt, und der
Magnetfluss geht durch eine magnetische Schaltung hindurch,
die durch das Joch 22b, das Joch 22d, das Joch 22c, das zweite
magnetische Element 12 und das dritte magnetische Element 13
gebildet wird. Wenn die Fläche der gegenüberliegenden
Oberflächen zwischen den Zähnen 12a und den Zähnen 13a, die
einen magnetischen Durchgangsweg bildet, geändert wird, ändert
sich der magnetische Widerstand der magnetischen Schaltung,
wodurch die Induktivität der zweiten Spule 21b geändert wird.
Das Drehmoment wird dadurch erhalten, dass diese
Induktivitätsänderung unter Verwendung einer Detektorschaltung
(nicht gezeigt) detektiert wird.
Obwohl der Einfluss auf die Induktivität der zweiten Spule 21b
wesentlich kleiner ist als bei der herkömmlichen
Drehmomentdetektoranordnung, ist es infolge der Tatsache, dass
sich die Induktivität in Abhängigkeit von der Temperatur
ändert, erforderlich, eine Temperaturkompensation vorzusehen,
wenn eine hohe Genauigkeit gefordert wird. Da das erste
magnetische Element 11 und das zweite magnetische Element 12
beide an der ersten Welle 1 mit Hilfe der ersten Muffe 14a und
der magnetischen Abschirmung 15a befestigt sind, ändert sich
die relative Winkelscherung zwischen dem ersten magnetischen
Element 11 und dem zweiten magnetischen Element 12 nicht,
selbst wenn ein Drehmoment einwirkt, und ändert sich die
Induktivität der ersten Spule 21a nicht, die um einen
mittleren Ort zwischen dem ersten magnetischen Element 11 und
dem zweiten magnetischen Element 12 herum angeordnet ist. Da
die Induktivität der ersten Spule 21a durch Temperaturänderung
geändert wird, auf gleiche Weise wie bei der zweiten Spule
21b, ist es möglich, ein Ausgangssignal zu erhalten, das durch
die Temperatur nicht beeinflusst wird, und nur in Beziehung
zum Drehmoment steht, und zwar durch Detektieren der Differenz
der Induktivität zwischen der ersten Spule 21a und der zweiten
Spule 21b. Da die grundlegenden Temperatureigenschaften jeder
der Spulen besser sind als bei der herkömmlichen
Drehmomentdetektoranordnung ist es möglich, eine exaktere
Temperaturkompensation zu erzielen.
Wenn ein hoch frequentes magnetisches Wechselfeld an einem
magnetischen Körper angelegt wird, geht im allgemeinen der
Magnetfluss nur durch die Oberfläche des magnetischen Körpers
hindurch. Die Dicke des Abschnitts, durch welchen der
Magnetfluss hindurchgeht, ist als Eindringtiefe δ bekannt, und
ergibt sich bekanntlich aus folgender Formel:
δ = √(2ρ/(2π . F . µs . µ0))
wobei ρ der spezifische Widerstand des magnetischen Körpers
ist, F die Frequenz des Magnetfeldes, µs die spezifische
Permeabilität des magnetischen Körpers, und µ0 die
Vakuumpermeabilität.
An einem Punkt, an welchem die Tiefe von der Oberfläche des
magnetischen Körpers aus in der Nähe der Eindringtiefe δ
liegt, tritt ein starker Wirbelstrom in einer Richtung auf,
welche das magnetische Wechselfeld ausgleicht, und reicht das
Magnetfeld nicht erheblich tiefer als dieser Punkt. Wenn der
magnetische Körper eine Platte ist, wird daher die effektive
Fläche, durch welche der Magnetfluss hindurchgeht, durch den
Einfluss des Wirbelstroms verringert, wenn die Dicke der
Platte größer als 2δ ist, da der Magnetfluss von der vorderen
und hinteren Oberfläche aus eindringt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform bestehen die Joche 22a
bis 22d sowie die magnetischen Elemente 11 bis 13, welche die
magnetische Schaltung bilden, aus einem amorphen Metall mit
einer Dicke von 20 µm. Da die Eigenschaften dieses Materials
aus amorphen Metall eine spezifische Permeabilität µs von
10.000 und einen spezifischen Widerstand ρ von 136 µΩcm
aufweisen, beträgt die Eindringtiefe δ bei der Frequenz F von
100 kHz gemäß Formel (1) 19 µm. Bei dieser Ausführungsform
kann der Einfluss von Wirbelströmen wesentlich verringert
werden, da die Dicke des amorphen Metalls 20 µm beträgt, was
ausreichend dünner ist als 2δ.
Da die magnetischen Element 11 bis 13 und die Joche 22a bis
22d gegenüber den leitfähigen Bauteilen durch die nicht
leitenden Harzmuffen 14a und 14b und die Spulenkörper 23a und
23b isoliert sind, wird verhindert, dass Wirbelströme durch
die leitfähigen Bauteile fließen und die Induktivität
verringern.
Da die magnetischen Elemente 11 bis 13 und die Joche 22a bis
22d aus amorphen Metall bestehen, weisen sie eine hohe
mechanische Festigkeit auf, und ist daher ihre Federkraft
groß.
Da Kupfer-Magnetabschirmungen 15a und 15b zwischen den
magnetischen Elementen 11 bis 13 und der ersten und zweiten
Welle 1 bzw. 2 vorgesehen sind, ist der Anteil des
Magnetflusses gering, der aus der magnetischen Schaltung
ausgetreten ist, und durch die erste und zweite Welle 1 bzw. 2
fließt, und können irgendwelche negativen Auswirkungen der
Temperatureigenschaften auf das Ausgangssignal verringert
werden, selbst wenn kohlenstoffhaltiger Stahl, der billig ist,
jedoch schlechte magnetische Eigenschaften in bezug auf die
Temperatur aufweist, als das Material für die erste und zweite
Welle 1 bzw. 2 verwendet wird.
Weiterhin wurde bei der vorliegenden Ausführungsform ein
amorphes Metall bei den Abschnitten eingesetzt, welche die
magnetische Schaltung ausbilden, jedoch kann auch jedes andere
weichmagnetische Material verwendet werden. Wenn die
magnetischen Materialien aus üblichem elektromagnetischem
Edelstahl bestehen, und der elektromagnetische Edelstahl eine
spezifische Permeabilität µs von 850 und einen spezifischen
Widerstand 57 µΩcm aufweist, beträgt die Eindringtiefe δ bei
einer Magnetfeldfrequenz F von 100 kHz annähernd 40 µm und
beträgt der Wert für 2δ 80 µm. Wenn ein magnetisches Material
mit hoher Permeabilität und höherer Leistung als
elektromagnetischer Edelstahl verwendet wird, so muss, da 2δ
noch kleiner ist, die Plattendicke kleiner sein als 80 µm.
Bei dieser Ausführungsform wurde ein Paar von Spulen
verwendet, da eine hochgenaue Temperaturkompensation
durchgeführt wird, jedoch kann die Spule 21a zur
Temperaturkompensation und die umgebende magnetische Schaltung
auch weggelassen werden, und kann das Drehmoment nur unter
Verwendung einer Spule 21b erhalten werden. Da die
Temperatureigenschaften der Spule gut sind, kann dann, wenn
der Bereich der Betriebstemperaturen klein ist, oder wenn kein
hohes Ausmaß an Genauigkeit benötigt wird, auf die
Temperaturkompensationsspule einfach verzichtet werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde, während 2δ bei
einer Treiberfrequenz von 100 kHz den Wert von 38 µm aufwies,
eine Platte aus amorphen Metall mit einer Dicke von 20 µm,
also annähernd der Hälfte des genannten Wertes, in den
magnetischen Elementen und den Jochen eingesetzt, jedoch kann
eine sogar noch dünnere Platte verwendet werden.
Beispielsweise kann, unter der Verwendung des voranstehend
geschilderten elektromagnetischen Edelstahls, wenn die
Treiberfrequenz 3 kHz beträgt, der Wert für 2δ bei 480 µm
liegen, aber eine erheblich dünnere Platte mit einer Dicke von
80 µm, als Beispiel eingesetzt wird, die Temperatureigenschaft
noch weiter verbessert werden. Wenn jedoch die Plattendicke
extrem verringert wird, so wird die Querschnittsfläche der
magnetischen Schaltung verringert, und muss, da die
Magnetisierung in Sättigung geht, wenn der Treiberstrom erhöht
wird, der Treiberstrom auf einen Bereich begrenzt werden, in
welchem keine Sättigung der Magnetisierung auftritt.
Fig. 2 ist eine Teilvorderquerschnittsansicht einer
Drehmomentdetektoranordnung gemäß Ausführungsform 2 der
vorliegenden Erfindung. Fig. 3 ist ein Querschnitt bei
Betrachtung aus der Richtung des Pfeils A in Fig. 2, und
Fig. 4 ist ein Querschnitt, betrachtet von der Richtung des
Pfeils B in Fig. 2 aus, und repräsentiert einen Fall, bei
welchem Drehmoment zwischen der ersten Welle 1 und der zweiten
Welle 2 in der Richtung der Pfeile C angelegt wird.
Bei dieser Drehmomentdetektoranordnung sind torusförmige Joche
22a bis 22d, die aus amorphen Metall bestehen, auf
Seitenoberflächen des Spulenkörpers 23a und 23b angeordnet,
und sind zylindrische Joche 22e und 22f, die aus amorphen
Metall bestehen, um einen Außenumfang der Joche 22a bis 22d
herum angeordnet. Die Spulen 21a und 21b, die Spulenkörper 23a
und 23b, und die Joche 22a bis 22f werden an dem Gehäuse 4 mit
Hilfe der Harzmuffe 24 befestigt.
Die linken Endoberflächen eines ersten und zweiten
Halterungsteils 32 aus Aluminium, die einen bogenförmigen
Querschnitt aufweisen, sind an einer Endoberfläche der zweiten
Welle befestigt. Die ersten und zweiten Halterungsteile 32a,
32b decken eine Verlängerung der ersten Welle 1 nach links des
Lagers 5a ab, und ihre Spitzen erstrecken sich bis zur rechten
Seite des Joches 22a. Halterungsteile 33a bis 33d sind an
einer Außenumfangsoberfläche der Verlängerung der ersten Welle
1 befestigt. Eine Ende eines magnetischen Elements 11a ist an
einer Seite des Halterungsteils 32a befestigt, und das andere
Ende dieses magnetischen Elements 11a ist an dem
Halterungsteil 33a. Ein Ende eines magnetischen Elements 11b
ist an einer Seite des Halterungsteils 32b befestigt, und das
andere Ende dieses magnetischen Elements 11a ist an dem
Halterungsteil 33b befestigt. Ein Ende eines magnetischen
Elements 11c ist an einer Seite des Halterungsteils 32a
befestigt, und das andere Ende dieses magnetischen Elements
11c ist an dem Halterungsteil 33c befestigt. Ein Ende eines
magnetischen Elements 11d ist an einer Seite des
Halterungsteils 32b befestigt, und das andere Ende dieses
magnetischen Elements 11d ist an dem Halterungsteil 33d
befestigt. Die magnetischen Elemente 11a bis 11d und die Joche
22a bis 22f bestehen aus einem amorphen Metall auf
Kobaltgrundlage, das ausreichend dünner ist, als dem Doppelten
der Eindringtiefe δ bei 100 kHz entspricht.
Weiterhin sind mittlere Abschnitte der magnetischen Elemente
11a bis 11d so ausgebildet, dass sie radial außerhalb der
Innenrandoberflächen der torusförmigen Joche 22a bis 22d
angeordnet werden, wenn die mittleren Abschnitte der
magnetischen Elemente 11a bis 11d radial nach außen in einem
maximalen Ausmaß verschoben werden, infolge eines angelegten
Drehmoments.
Nunmehr wird der Betriebsablauf bei einer
Drehmomentdetektoranordnung mit dem voranstehend geschilderten
Aufbau erläutert. Wenn ein Drehmoment von dem Lenkrad auf die
erste Welle 1 einwirkt, tritt eine Torsionsverformung in der
Torsionsstange 3 auf, die zu einer relativen Winkelscherung in
Umfangsrichtung zwischen den ersten Welle 1 und der zweiten
Welle 2 führt. Wenn eine Relativverschiebung in
Umfangsrichtung zwischen den Halterungsteilen 33a bis 33d, die
an der ersten Welle befestigt sind, und der Halterungsteilen
32a und 32b auftritt, die an der zweiten Welle 2 befestigt
sind, biegen sich die mittleren Abschnitte der magnetischen
Elemente 11a und 11b radial nach außen, wie dies in Fig. 3
gezeigt ist, und werden gleichzeitig die mittleren Abschnitte
der magnetischen Elemente 11c und 11d radial nach innen
verschoben, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.
Der Magnetfluss, der von der ersten Spule 21a erzeugt wird,
geht durch die magnetische Schaltung hindurch, die durch die
Joche 22b, 22e und 22a und die magnetischen Elemente 11c und
11d gebildet wird, und der Magnetfluss, der von der zweiten
Spule 21b erzeugt wird, geht durch die magnetische Schaltung
hindurch die durch die Joche 22d, 22f und 22c und die
magnetischen Elemente 11a und 11b gebildet wird. Da die Joche
22a bis 22f und die magnetischen Elemente 11a bis 11d aus
einem amorphen Metall auf Kobaltgrundlage bestehen, welches
ein weichmagnetisches Material ist, wodurch ihr magnetischer
Widerstand extrem niedrig wird, wird der magnetische
Widerstand dieser magnetischen Schaltungen hauptsächlich durch
die Größe der Luftspalte zwischen den Jochen 22a bis 22d und
den magnetischen Elementen 11a bis 11d bestimmt. Wenn ein
Drehmoment von dem Lenkrad auf die erste Welle 1 einwirkt, so
wird in der magnetischen Schaltung, in welcher der Magnetfluss
von der zweiten Spule 21b fließt, die Induktivität erhöht, da
der Luftspalt klein ist, und der magnetische Widerstand
niedrig, und wird in der magnetischen Schaltung, in welcher
der Magnetfluss von der ersten Spule 21a fließt, die
Induktivität verringert, da der Luftspalt groß ist, und der
magnetische Widerstand hoch ist. Das Ausmaß der Torsion der
Torsionsstange 3, und daher die Größe des Drehmoments, kann
durch elektrisches Detektieren dieser Induktivitätsänderung
festgestellt werden.
Bei dieser Ausführungsform werden, da die magnetischen
Elemente 11a bis 11d und die Joche 22a bis 22f aus einem
amorphen Metall auf Kobaltgrundlage bestehen, das ausreichend
dünner als das Doppelte der Eindringtiefe δ bei 100 kHz ist,
werden sie selbst im Hochfrequenzbereich nicht leicht durch
Wirbelströme beeinflusst.
Fig. 5 ist ein Diagramm, in welchem tatsächliche Messungen
der Änderungsrate der Induktivität in der
Drehmomentdetektoranordnung gemäß Ausführungsform 2 und bei
einer herkömmlichen Drehmomentdetektoranordnung dargestellt
sind. Aus dem Diagramm sieht man, dass zwar bei der
herkömmlichen Drehmomentdetektoranordnung die Empfindlichkeit
signifikant im Hochfrequenzbereich absinkt, und bei 100 kHz
praktisch keine Empfindlichkeit vorhanden ist, jedoch bei der
Drehmomentdetektoranordnung gemäß Ausführungsform 2 der
Absolutwert der Empfindlichkeit hoch ist, und bis 100 kHz im
wesentlichen konstant bleibt.
Der magnetische Widerstand der magnetischen Schaltungen wird
hauptsächlich durch die Größe der Luftspalte zwischen den
Jochen 22a bis 22d und den magnetischen Elementen 11a bis 11d
bestimmt. Wenn die axiale Breite der magnetischen Elemente
größer ist als der Abstand zwischen den Jochen, werden die
mittleren Abschnitte der magnetischen Elemente radial
innerhalb der Joche angeordnet, selbst wenn die magnetischen
Elemente in maximalem Ausmaß infolge des einwirkenden
Drehmoments nach außen gebogen werden, und springen die
magnetischen Elemente in Axialrichtung nach außerhalb der
Joche vor. Die Änderungsrate der Induktivität der ersten
Spule, wenn sich die mittleren Abschnitte der magnetischen
Elemente an den Innendurchmesser der Joche annähern, wird
daher erheblich größer als die Änderungsrate der Induktivität
der ersten Spule, wenn die magnetischen Elemente radial nach
innen verschoben werden, und die Linearität verloren geht.
Da bei der vorliegenden Ausführungsform die mittleren
Abschnitte der magnetischen Elemente 11a bis 11d so ausgelegt
sind, dass sie radial weiter außen angeordnet sind als die
Innenrandoberflächen der torusförmigen Joche 22a bis 22d, wenn
die mittleren Abschnitte der magnetischen Elemente 11a bis 11d
radial nach außen in maximalen Ausmaß infolge eines angelegten
Drehmoments verschoben werden, nähern sich die magnetischen
Elemente an die Joche nicht zu eng an, selbst wenn die
magnetischen Elemente in maximalem Ausmaß nach außen gebogen
werden, wodurch die Linearität verbessert wird.
Bei den Ausführungsformen 1 und 2 wurden magnetischen Wege
durch Teile ausgebildet, die in Umfangsrichtung verlaufen,
nämlich die torusförmigen Joche entlang Seitenoberflächen der
Spulenkörper, und die zylindrischen Joche, welche den gesamten
Körper abdecken, jedoch kann eine magnetische Schaltung auch
durch eine Anzahl an Bauteilen wie beispielsweise Joche 22
ausgebildet werden, die in Umfangsrichtung in Abständen
angeordnet sind.
Fig. 6 ist eine perspektivische Teilansicht einer
Drehmomentdetektoranordnung gemäß Ausführungsform 3 der
vorliegenden Erfindung. Die Joche 22 bestehen aus Bauteilen,
die aus einem amorphen Metall auf Kobaltgrundlage bestehen,
eine E-förmige Platte aufweisen, und eine Dicke von 20 µm, mit
gleichem Teilungsabstand in Umfangsrichtung angeordnet sind,
und durch eine Isolierung (nicht gezeigt) vereinigt sind. Die
Vorsprünge am rechten Ende, dem Zentrum, und dem linken Ende
des in Fig. 6 gezeigten Joches 22 entsprechen dem Joch 22a,
22b bzw. 22c gemäß Ausführungsform 1, und der
Verbindungsabschnitt des Jochs 22 entspricht dem Joch 22d
gemäß Ausführungsform 1.
Da der Draht, welcher die Spulen bildet, um die Achse
herumgewickelt ist, versuchen Wirbelströme, die in dem Joch 22
durch die Treiberströme in den Spulen induziert werden, in
einer Richtung zu fließen, welche die Treiberströme
ausgleicht, die in Umfangsrichtung fließen. Da das Joch 22 aus
einer Anzahl von Bauteilen besteht, die in Umfangsrichtung
beabstandet angeordnet sind, können Wirbelströme abgeschnitten
werden, was es ermöglicht, Wirbelstromverluste wesentlich zu
verringern.
Die Konstruktion gemäß Ausführungsform 3 ist kompliziert,
weist jedoch im Vergleich zu den Ausführungsformen 1 und 2
erheblich bessere Eigenschaften auf, und stellt eine
Drehmomentdetektoranordnung zur Verfügung, die gute
Temperatureigenschaften aufweist, eine erhöhte
Treiberstromfrequenz, und ein schnelles Reaktionsvermögen.
Bei der Ausführungsform 1 wurden die magnetischen Element
durch in Umfangsrichtung verlaufende Teile gebildet, jedoch
können auch Bauelemente eingesetzt werden, nämlich magnetische
Elemente, die in Umfangsrichtung in gleichem Teilungsabstand
angeordnet sind.
Fig. 4 ist eine perspektivische Teilansicht einer
Drehmomentdetektoranordnung gemäß Ausführungsform 4 der
vorliegenden Erfindung.
Die Ausführungsform 4 unterscheidet sich von der
Ausführungsform 1 in der Hinsicht, dass das zweite magnetische
Element 12 aus einer Anzahl von Bauelementen besteht, die in
Umfangsrichtung in gleichem Teilungsabstand angeordnet sind,
und das dritte magnetische Element 13 aus einer Anzahl an
Bauelementen besteht, die in Umfangsrichtung in gleichem
Teilungsabstand angeordnet sind. Das zweite magnetische
Element 12 und das dritte magnetische Element 13 bestehen aus
einem amorphen Metall auf Kobaltgrundlage mit einer Dicke von
20 µm.
Bei der Ausführungsform 4 wird, wie bei der Ausführungsform 3,
ein Wirbelstrom in Umfangsrichtung, der durch die magnetischen
Elemente 12 und 13 fließt, abgeschnitten, wodurch eine
Drehmomentdetektoranordnung zur Verfügung gestellt wird, die
gute Temperatureigenschaften aufweist, eine erhöhte
Treiberstromfrequenz, und ein schnelles Reaktionsvermögen.
Weiterhin kann zusätzlich zu den Bauelementen aus magnetischen
Elementen, die in Umfangsrichtung in gleichem Teilungsabstand
angeordnet sind, auch ein Joch verwendet werden, welches
Bauelemente wie jene gemäß Ausführungsform 3 enthält.
Wie voranstehend erläutert beträgt bei einer
Drehmomentdetektoranordnung gemäß einer Zielrichtung der
vorliegenden Erfindung die Dicke eines Jochs und von
magnetischen Elementen nicht mehr als das Doppelte einer
Eindringtiefe δ, die durch folgende Formel berechnet wird:
δ = √(2ρ/(2π . F . µs . µ0))
wobei ρ der spezifische Widerstand der magnetischen Elemente
ist, F die Frequenz des Magnetfeldes, µs die spezifische
Permeabilität der magnetischen Elemente, und µ0 die
Vakuumpermeabilität.
Daher werden die Auswirkungen von Wirbelströmen minimiert,
wodurch eine Drehmomentdetektoranordnung zur Verfügung
gestellt wird, die gute Temperatureigenschaften aufweist, eine
erhöhte Spulentreiberstromfrequenz, und ein schnelles
Reaktionsvermögen.
Eine Drehmomentdetektoranordnung gemäß einer anderen
Zielrichtung der vorliegenden Erfindung weist ein Joch auf,
das in einer Anzahl von Bauelementen in Umfangsrichtung
unterteilt ist, wobei die Bauelemente gegeneinander in
Abschnitten elektrisch isoliert sind, durch welche der
Magnetfluss fließt, der von eine Spule erzeugt wird. Daher
können Wirbelstromverluste in dem Joch wesentlich verringert
werden, wodurch eine Drehmomentdetektoranordnung zur Verfügung
gestellt wird, die gute Temperatureigenschaften aufweist, eine
erhöhte Spulentreiberstromfrequenz, und ein schnelles
Reaktionsvermögen.
Eine Drehmomentdetektoranordnung gemäß einer weiteren
Zielrichtung der vorliegenden Erfindung weist magnetische
Elemente auf, die auf eine Anzahl von Bauelementen in
Umfangsrichtung aufgeteilt sind, wobei die Bauelemente
gegeneinander in Abschnitten elektrisch isoliert sind, durch
welche der von einer Spule erzeugte Magnetfluss fließt. Daher
können Wirbelstromverluste in den magnetischen Elementen
wesentlich verringert werden, wodurch eine
Drehmomentdetektoranordnung mit guten Temperatureigenschaften
zur Verfügung gestellt wird, mit einer erhöhten
Spulentreiberstromfrequenz, und schnellem Reaktionsvermögen.
Bei einer anderen Form der Drehmomentdetektoranordnung können
die magnetischen Elemente und das Joch aus einer Platte
bestehen, die ein weichmagnetisches Material mit einer Dicke
von nicht mehr als 80 µm aufweist. Daher kann kostengünstig
eine Drehmomentdetektoranordnung zur Verfügung gestellt
werden, die gute Temperatureigenschaften aufweist, eine
erhöhte Spulentreiberstromfrequenz, und ein schnelles
Reaktionsvermögen.
Gemäß einer weiteren Form der Drehmomentdetektoranordnung
können die magnetischen Elemente und das Joch aus einer Platte
aus einem amorphen Metall bestehen. Hieraus ergeben sich
hervorragende magnetische Eigenschaften und eine hervorragende
mechanische Festigkeit.
Gemäß einer anderen Form der Drehmomentdetektoranordnung kann
vorgesehen sein, dass Hauptabschnitte der magnetischen
Elemente und des Jochs nicht in enger Berührung mit
leitfähigen Teilen stehen. Daher wird verhindert, dass
Wirbelströme durch die leitfähigen Teile fließen, und die
Induktivität der Spule verringern.
Gemäß einer weiteren Form der Drehmomentdetektoranordnung
können magnetische Abschirmungen zwischen den magnetischen
Elementen und der ersten Welle sowie der zweiten Welle
angeordnet sein. Der Anteil des Magnetflusses, der aus der
magnetischen Schaltung austritt, und durch die erste und
zweite Welle fließt, ist daher klein, und selbst wenn
kohlenstoffhaltiger Stahl, der billig ist, jedoch schlechte
magnetische Eigenschaften in bezug auf die Temperatur
aufweist, als das Material für die erste und zweite Welle
verwendet wird, können daher negative Auswirkungen der
Temperatureigenschaften auf das Ausgangssignal verringert
werden.
Gemäß einer weiteren Form der Drehmomentdetektoranordnung
können mittlere Abschnitte der magnetischen Elemente so
ausgelegt sein, dass sie radial weiter außen als
Innenrandoberflächen von torusförmigen Jochen angeordnet sind,
wenn die mittleren Abschnitte der magnetischen Elemente in
maximalen Ausmaß radial nach außen verschoben werden. Daher
wird verhindert, dass die Ausgangseigenschaften nicht linear
werden, infolge der Luftspalte zwischen den magnetischen
Elementen und dem Joch, die zu klein werden.
Claims (10)
1. Drehmomentdetektoranordnung, welche aufweist:
ein elastisches Teil (3), das zwischen einer ersten Welle (1) und einer zweiten Welle (2) angeordnet ist, wobei das elastische Teil (3) eine Torsionsverschiebung zulässt, zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2), in Reaktion auf ein Drehmoment, das zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) einwirkt;
magnetische Elemente (11-13), die jeweils an der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) befestigt sind, wobei die magnetischen Elemente (11-13) durch die Torsionsverschiebung zwischen den ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) verschoben werden;
eine Spule (21a, 21b), die so gewickelt ist, dass sie die magnetischen Elemente (11-13) umgibt, wobei ein Magnetfluss durch den Durchgang eines Treiberwechselstroms durch die Spule (21a, 21b) erzeugt wird; und
ein Joch (22a-22d), das so angeordnet ist, dass es die Spule (21a, 21b) umgibt, wobei das Joch (22a-22d) den Magnetfluss zu den magnetischen Elementen (11-13) führt,
wobei die Dicke des Jochs (22a-22d) und der magnetischen Elemente (11-13) nicht mehr als das Doppelte einer Eindringtiefe δ beträgt, die aus folgender Formel berechnet wird:
δ = √(2ρ/(2π . F . µs . µ0))
wobei ρ der spezifische Widerstand der magnetischen Elemente (11-13) ist, F die Frequenz des Magnetfeldes, µs die spezifische Permeabilität der magnetischen Elemente (11-13), und µ0 die Vakuumpermeabilität.
ein elastisches Teil (3), das zwischen einer ersten Welle (1) und einer zweiten Welle (2) angeordnet ist, wobei das elastische Teil (3) eine Torsionsverschiebung zulässt, zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2), in Reaktion auf ein Drehmoment, das zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) einwirkt;
magnetische Elemente (11-13), die jeweils an der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) befestigt sind, wobei die magnetischen Elemente (11-13) durch die Torsionsverschiebung zwischen den ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) verschoben werden;
eine Spule (21a, 21b), die so gewickelt ist, dass sie die magnetischen Elemente (11-13) umgibt, wobei ein Magnetfluss durch den Durchgang eines Treiberwechselstroms durch die Spule (21a, 21b) erzeugt wird; und
ein Joch (22a-22d), das so angeordnet ist, dass es die Spule (21a, 21b) umgibt, wobei das Joch (22a-22d) den Magnetfluss zu den magnetischen Elementen (11-13) führt,
wobei die Dicke des Jochs (22a-22d) und der magnetischen Elemente (11-13) nicht mehr als das Doppelte einer Eindringtiefe δ beträgt, die aus folgender Formel berechnet wird:
δ = √(2ρ/(2π . F . µs . µ0))
wobei ρ der spezifische Widerstand der magnetischen Elemente (11-13) ist, F die Frequenz des Magnetfeldes, µs die spezifische Permeabilität der magnetischen Elemente (11-13), und µ0 die Vakuumpermeabilität.
2. Drehmomentdetektoranordnung, welche aufweist:
ein elastisches Teil (3), das zwischen einer ersten Welle (1) und einer zweiten Welle (2) angeordnet ist, wobei das elastische Teil (3) eine Torsionsverschiebung zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) in Reaktion auf ein Drehmoment zulässt, das zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) einwirkt;
magnetische Elemente (11a-11d) aus einem weichmagnetischem Material, wobei beide Enden jedes der magnetischen Elemente (11a-11d) durch die erste Welle (1) und die zweite Welle (2) so gehaltert werden, dass Bogenformen ausgebildet werden, und sich die Krümmung der Bögen in Reaktion auf Änderungen der Entfernung zwischen beiden Enden in Reaktion auf eine relative Winkelscherung zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) so ändert, dass mittlere Abschnitte der magnetischen Elemente radial verschoben werden;
eine Spule (21a, 21b), die so gewickelt ist, dass sie die magnetischen Elemente (11a-11d) umgibt, wobei ein Magnetfluss durch den Durchgang eines Treiberwechselstroms durch die Spule)(21a, 21b) erzeugt wird; und
ein Joch (22a-22f), welches so angeordnet ist, dass es die Spule (21a, 21b) umgibt, wobei das Joch (22a-22f) den Magnetfluss zu den magnetischen Elementen (11a-11d) führt,
wobei die Dicke des Joches (22a-22f) und der magnetischen Elemente (11a-11d) nicht mehr als das Doppelte einer Eindringtiefe δ beträgt, die mit folgender Formel berechnet wird:
δ = √(2ρ/(2π . F . µs . µ0))
wobei ρ der spezifische Widerstand der magnetischen Elemente (11a-11d) ist, F die Frequenz des Magnetfeldes, µs die spezifische Permeabilität der magnetischen Elemente, und µ0 die Vakuumpermeabilität.
ein elastisches Teil (3), das zwischen einer ersten Welle (1) und einer zweiten Welle (2) angeordnet ist, wobei das elastische Teil (3) eine Torsionsverschiebung zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) in Reaktion auf ein Drehmoment zulässt, das zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) einwirkt;
magnetische Elemente (11a-11d) aus einem weichmagnetischem Material, wobei beide Enden jedes der magnetischen Elemente (11a-11d) durch die erste Welle (1) und die zweite Welle (2) so gehaltert werden, dass Bogenformen ausgebildet werden, und sich die Krümmung der Bögen in Reaktion auf Änderungen der Entfernung zwischen beiden Enden in Reaktion auf eine relative Winkelscherung zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) so ändert, dass mittlere Abschnitte der magnetischen Elemente radial verschoben werden;
eine Spule (21a, 21b), die so gewickelt ist, dass sie die magnetischen Elemente (11a-11d) umgibt, wobei ein Magnetfluss durch den Durchgang eines Treiberwechselstroms durch die Spule)(21a, 21b) erzeugt wird; und
ein Joch (22a-22f), welches so angeordnet ist, dass es die Spule (21a, 21b) umgibt, wobei das Joch (22a-22f) den Magnetfluss zu den magnetischen Elementen (11a-11d) führt,
wobei die Dicke des Joches (22a-22f) und der magnetischen Elemente (11a-11d) nicht mehr als das Doppelte einer Eindringtiefe δ beträgt, die mit folgender Formel berechnet wird:
δ = √(2ρ/(2π . F . µs . µ0))
wobei ρ der spezifische Widerstand der magnetischen Elemente (11a-11d) ist, F die Frequenz des Magnetfeldes, µs die spezifische Permeabilität der magnetischen Elemente, und µ0 die Vakuumpermeabilität.
3. Drehmomentdetektoranordnung, welche aufweist:
ein elastisches Teil (3), das zwischen einer ersten Welle (1) und einer zweiten Welle (2) angeordnet ist, wobei das elastische Teil (3) das Auftreten einer Torsionsverschiebung zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) in Reaktion auf ein Drehmoment zulässt, das zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) einwirkt;
magnetische Elemente, die jeweils an der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) befestigt sind, und durch die Torsionsverschiebung zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) verschoben werden;
eine Spule, die so gewickelt ist, dass sie die magnetischen Elemente umgibt, wobei ein Magnetfluss durch den Durchgang eines Treiberwechselstroms durch die Spule erzeugt wird; und
ein Joch (22), das so angeordnet ist, dass es die Spule umgibt, wobei das Joch (22) den Magnetfluss zu den magnetischen Elementen führt,
wobei das Joch (22) in eine Anzahl an Bauelementen in Umfangsrichtung aufgeteilt ist, und die Bauelemente elektrisch gegeneinander in Abschnitten isoliert sind, durch welche der von der Spule erzeugte Magnetfluss hindurchgeht.
ein elastisches Teil (3), das zwischen einer ersten Welle (1) und einer zweiten Welle (2) angeordnet ist, wobei das elastische Teil (3) das Auftreten einer Torsionsverschiebung zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) in Reaktion auf ein Drehmoment zulässt, das zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) einwirkt;
magnetische Elemente, die jeweils an der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) befestigt sind, und durch die Torsionsverschiebung zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) verschoben werden;
eine Spule, die so gewickelt ist, dass sie die magnetischen Elemente umgibt, wobei ein Magnetfluss durch den Durchgang eines Treiberwechselstroms durch die Spule erzeugt wird; und
ein Joch (22), das so angeordnet ist, dass es die Spule umgibt, wobei das Joch (22) den Magnetfluss zu den magnetischen Elementen führt,
wobei das Joch (22) in eine Anzahl an Bauelementen in Umfangsrichtung aufgeteilt ist, und die Bauelemente elektrisch gegeneinander in Abschnitten isoliert sind, durch welche der von der Spule erzeugte Magnetfluss hindurchgeht.
4. Drehmomentdetektoranordnung, welche aufweist:
ein elastisches Teil (3), das zwischen einer ersten Welle (1) und einer zweiten Welle (2) angeordnet ist, wobei das elastische Teil (3) das Auftreten einer Torsionsverschiebung zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) in Reaktion auf ein Drehmoment zulässt, das zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) einwirkt;
magnetische Elemente (12, 13), die jeweils an der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) befestigt sind, wobei die magnetischen Elemente (12, 13) durch die Torsionsverschiebung zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) verschoben werden;
eine Spule, die so gewickelt ist, dass sie die magnetischen Elemente (1, 13) umgibt, wobei ein Magnetfluss durch den Durchgang eines Treiberwechselstroms durch die Spule erzeugt wird; und
ein Joch, das so angeordnet ist, dass es die Spule umgibt, wobei das Joch den Magnetfluss zwischen den magnetischen Elementen (12, 13) führt,
wobei die magnetischen Elemente in eine Anzahl von Bauelementen in Umfangsrichtung aufgeteilt sind, und die Bauelemente elektrisch gegeneinander in Abschnitten isoliert sind, durch welche der von der Spule erzeugte Magnetfluss hindurchgeht.
ein elastisches Teil (3), das zwischen einer ersten Welle (1) und einer zweiten Welle (2) angeordnet ist, wobei das elastische Teil (3) das Auftreten einer Torsionsverschiebung zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) in Reaktion auf ein Drehmoment zulässt, das zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) einwirkt;
magnetische Elemente (12, 13), die jeweils an der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) befestigt sind, wobei die magnetischen Elemente (12, 13) durch die Torsionsverschiebung zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) verschoben werden;
eine Spule, die so gewickelt ist, dass sie die magnetischen Elemente (1, 13) umgibt, wobei ein Magnetfluss durch den Durchgang eines Treiberwechselstroms durch die Spule erzeugt wird; und
ein Joch, das so angeordnet ist, dass es die Spule umgibt, wobei das Joch den Magnetfluss zwischen den magnetischen Elementen (12, 13) führt,
wobei die magnetischen Elemente in eine Anzahl von Bauelementen in Umfangsrichtung aufgeteilt sind, und die Bauelemente elektrisch gegeneinander in Abschnitten isoliert sind, durch welche der von der Spule erzeugte Magnetfluss hindurchgeht.
5. Drehmomentdetektoranordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die magnetischen Elemente (22) in eine Anzahl von
Bauelementen in Umfangsrichtung aufgeteilt sind, und die
Bauelemente elektrisch gegeneinander in Abschnitten
isoliert sind, durch welche der von der Spule erzeugte
Magnetfluss hindurchgeht.
6. Drehmomentdetektoranordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die magnetischen Elemente (11-13, 11a-11d) und das Joch
(22) aus einer Platte mit einem weichmagnetischem
Material mit einer Dicke von nicht mehr als 80 µm
bestehen.
7. Drehmomentdetektoranordnung nach dem der Ansprüche 1 bis
6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die magnetischen Elemente (11-13, 11a-11d) und das Joch
(22) aus einer Platte aus einem amorphen Metall bestehen.
8. Drehmomentdetektoranordnung nach einem der Ansprüche
1, 3, 4, 5, 6 und 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei Hauptabschnitten der magnetischen Elemente (11-
13, 11a-11d) und des Jochs (22) nicht zugelassen wird,
dass sie in enger Berührung mit leitfähigen Teilen
stehen.
9. Drehmomentdetektoranordnung nach einem der Ansprüche
1, 3, 4, 5, 6, 7 und 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
magnetische Abschirmungen (15), die ein leitfähiges
Material oder ein hochpermeables Material aufweisen,
zwischen den magnetischen Elementen (11-13, 11a-11d) und
der ersten Welle (1) sowie der zweiten Welle (2)
angeordnet sind.
10. Drehmomentdetektoranordnung nach einem der Ansprüche 2, 6
und 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittlere Abschnitte der magnetischen Elemente (11a-11d)
so ausgebildet sind, dass sie radial weiter außen
angeordnet sind, als Innenrandoberflächen torusförmiger
Joche (22), wenn die mittleren Abschnitte der
magnetischen Elemente (11a-11d) radial nach außen in
maximalem Ausmaß verschoben sind.
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