DE102016117529A1

DE102016117529A1 - Drehmomentsensoranordnung und Verfahren zur Drehmomentmessung sowie Drehmomentregelvorrichtung und Elektroantrieb

Info

Publication number: DE102016117529A1
Application number: DE102016117529.3A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schanz; Dieter Zeisel
Original assignee: TRAFAG AG
Current assignee: TRAFAG AG
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2016-09-16
Publication date: 2017-12-07
Also published as: US20170353141A1; DE102016122547A1

Abstract

Um gleichzeitig mehrere Messgrößen zu messen, schafft die Erfindung eine Drehmomentsensoranordnung (22) mit einer Drehwelle (32) und einem Drehmomentsensor (26) zur Messung eines Drehmoments an der Drehwelle (32) durch induktives Messen des Drehmoments der Drehwelle (32) mittels magnetischer Wechselfelder und eine Auswerteeinheit (30) zur Auswertung des Signals des Drehmomentsensors (26), dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwelle (32) eine Oberflächenmarke (36) an einem durch den Drehmomentsensor (26) erfassten Umfangsbereich (34) hat, die sich bei Drehung der Drehwelle (32) um die Drehachse dreht und bei Passieren des Drehmomentsensors (26) eine Signalveränderung im Signal des Drehmomentsensors (26) hervorruft, wobei die Auswerteeinheit (30) dazu ausgebildet ist, aus der Signalveränderung des Signals des Drehmomentsensors (26) eine Drehzahl und/oder eine Drehgeschwindigkeit und/oder eine Drehrichtung und/oder einen Drehwinkel der Drehwelle (32) zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehmomentsensoranordnung zur Erfassung eines Drehmoments an einer Drehwelle, wie sie aus der DE 30 31 997 A1 bekannt ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Drehmomentmessung sowie eine ein solches Verfahren anwendende Drehmomentregelvorrichtung. Schließlich betrifft die Erfindung einen mit einer derartigen Drehmomentsensoranordnung versehenen Elektroantrieb.
Aus der DE 30 31 997 A1 und der EP 0 046 517 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zur berührungslosen Messung statischer und dynamischer Drehmomente an einer Drehwelle durch Erfassen einer Permeabilitätsänderung einer ferromagnetischen Drehwelle bekannt. Durch die Kombination der Drehwelle und eines Drehmomentsensors ist eine Drehmomentsensoranordnung gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Drehmomentsensoranordnung hinsichtlich ihrer Anwendungsmöglichkeiten weiter zu verbessern.
Zum Lösen dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Drehmomentsensoranordnung nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Verwendungen und Anwendungsmöglichkeiten sind in den Nebenansprüchen vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt eine Drehmomentsensoranordnung mit einer Drehwelle und einem Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmoments an der Drehwelle durch induktives Messen des Drehmoments der Drehwelle mittels magnetischer Wechselfelder und mit einer Auswerteeinheit zur Auswertung des Signals des Drehmomentsensors, wobei die Drehwelle eine Oberflächenmarke an einem durch den Drehmomentsensor erfassten Umfangsbereich hat, die sich bei Drehung der Drehwelle um die Drehachse dreht und bei Passieren des Drehmomentsensors eine Signalveränderung im Signal des Drehmomentsensors hervorruft, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, aus der Signalveränderung des Signals des Drehmomentsensors wenigstens einen, mehrere oder alle der Parameter Drehzahl, Drehgeschwindigkeit, Drehrichtung und/oder Drehwinkel der Drehwelle zu ermitteln.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenmarke eine sich in axialer Richtung erstreckende Abflachung, Einkerbung oder Erhöhung an der Oberfläche des Umfangsbereichs umfasst.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenmarke eine vorgegebene Erstreckung in Umfangsrichtung hat, wobei die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, aus der Länge einer durch die Oberflächenmarke in dem Signal des Drehmomentsensors verursachten Signaländerung eine Drehgeschwindigkeit zu ermitteln.
Es ist bevorzugt, dass der Drehmomentsensor einen Sensorkopf aufweist, der mit wenigstens einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes in der Drehwelle und mit wenigstens einer Magnetfeldmesseinrichtung zum Messen wenigstens eines Parameters des magnetischen Wechselfeldes in der Drehwelle versehen ist.
Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens einen Flusskonzentrator mit wenigstens einer Magnetfelderzeugungsspule und einem weichmagnetischen Kern aufweist und dass die Magnetfeldmesseinrichtung mehrere Messspulen zum Messen unterschiedlicher Magnetfeldausrichtungen aufweist. Vorzugsweise wird ein Drehmomentsensor eingesetzt, wie er in der DE 30 31 997 A1 , der EP 0 046 517 A1 oder der US 4 503 714 beschrieben ist. Diese Druckschriften werden hinsichtlich näherer Einzelheiten des Drehmomentsensors durch Bezugnahme inkorporiert.
Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung und die Magnetfeldmesseinrichtung zum Erzeugen und Messen von magnetischen Wechselfeldern mit einer Frequenz im Bereich von 1 Hz bis 10 kHz, vorzugsweise zwischen 10 Hz und 5 kHz, zum Messen des Drehmoments, und/oder mit einer Frequenz von mehr als 10 kHz bis 100 MHz, insbesondere von 15 kHz bis 1 MHz zum Messen von Drehzahl und/oder Drehwinkel und/oder Drehgeschwindigkeit und/oder Drehrichtung, ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung eine Zähleinrichtung zum Zählen der Anzahl der Signalveränderungen und/oder zum Erfassen eines Drehwinkels aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung eine Signalveränderungsabstandserfassungseinrichtung zum Erfassen des Abstands zwischen den durch Passieren der Oberflächenmarke erzeugten Signalveränderungen und/oder zum Erfassen einer Drehzahl pro Zeit aufweist
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Pulsform der Signalveränderung zu erfassen und hieraus die Drehgeschwindigkeit an der Oberfläche der Drehwelle und/oder die Drehrichtung zu erfassen.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung eine Pulsweitenerfassungseinrichtung zum Erfassen einer Pulsweite der Signalveränderung und/oder zum Ermitteln der Drehgeschwindigkeit aus einer Breite der Signalveränderung aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenmarke eine Flächenform hat, die zu einer in axialer Richtung verlaufenden Mittelachse unsymmetrisch ist und/oder dass mehrere der Oberflächenmarken mit unregelmäßigen Abständen und/oder mit zu einer in axialer Richtung verlaufenden Achse unsymmetrischer Anordnung vorgesehen sind, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus einer Steigung einer Pulsflanke der Signalveränderung und/oder aus einer Abstandsfolge zwischen Signalveränderungen die Drehrichtung zu ermitteln.
Die Drehwelle ist vorzugsweise zumindest an ihrer Oberfläche oder auch ganz aus einem weichmagnetischen oder ferromagnetischen Material ausgebildet. Dabei wird vorzugsweise eine Permeabilitätsänderung bei sich verändernder Drehmomentbelastung erfasst. Dies erfolgt vorzugsweise mittels durch eine Magnetfelderzeugungseinrichtung in dem ferromagnetischen Material erzeugten Magnetfeldern und Erfassen der sich bildenden Magnetfelder – insbesondere Dichte und Ausrichtung der Feldlinien – mittels einer Magnetfelderfassungseinrichtung. Die Magnetfelderfassungseinrichtung weist z. B. mehrere sich kreuzende Magnetkreise auf, die teilweise durch die Drehwelle verlaufen und teilweise durch einen ersten und zweiten Jochbereich eines Sensorkopfes laufen. Bei weniger bevorzugten Ausgestaltungen wird eine zumindest an ihrer Oberfläche permanentmagnetisierte Drehwelle verwendet.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur gleichzeitigen Erfassung eines Drehmoments und wenigstens einer der Parameter Drehzahl, Drehwinkel, Drehgeschwindigkeit oder Drehrichtung an einer aus oder mit einem weichmagnetischen Material gebildeten Drehwelle, umfassend:
Vorsehen einer Oberflächenmarke auf einem Sektor eines Umfangsbereichs der Drehwelle;
Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds in der Drehwelle an dem Umfangsbereich;
Messen des Drehmoments durch Erfassen wenigstens eines durch den magnetorestriktiven Effekt beeinflussten Parameters des erzeugten magnetischen Wechselfeldes mittels wenigstens einer Magnetfelderfassungseinrichtung und Erzeugen eines Signals aus der Erfassung des Parameters,
Erfassen einer Signalveränderung, die dadurch erzeugt wird, dass die Oberflächenmarke die Magnetfelderfassungseinrichtung passiert und
Auswerten der Signalveränderung zur Erfassung wenigstens einer der Parameter Drehzahl, Drehwinkel, Drehgeschwindigkeit oder Drehrichtung.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Drehmomentregelvorrichtung zum Regeln der Ausgangsleistung und/oder des Drehmoments eines Elektroantriebes, der einen Elektromotor mit Ständer und Läufer und eine mit dem Läufer zur gemeinsamen Drehung verbundene Abtriebswelle als Drehwelle hat, umfassend:
einen Drehmomentsensoranordnung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen zum Messen eines Drehmoments an der Abtriebswelle und eine mit der Drehmomentsensoranordnung verbundene Steuerung, die dazu eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit von dem durch den Drehmomentsensor gemessenen Drehmoment zu steuern.
Es ist bevorzugt, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit von dem durch die Drehmomentsensoranordnung gemessenen Drehmoment und der durch die Drehmomentsensoranordnung ermittelten Drehzahl zu steuern, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, aus dem Drehmoment und der Drehzahl die Ausgangsleistung des Elektroantriebes zu ermitteln und den Elektromotor in Abhängigkeit von der ermittelten Ausgangsleistung zu steuern.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Elektroantrieb, umfassend eine Drehmomentregelvorrichtung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und/oder eine Drehmomentsensoranordnung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen.
Eine Grundidee der Erfindung ist, unter Ausnutzung einer Permeabilitätsänderung von aus ferromagnetischen Materialien gebildeten Drehwelle und von Oberflächeneffekten einen Kombinationssensor zu bilden, der neben Drehmoment auch wenigstens einen weiteren Parameter der Drehbewegung der Drehwelle mit vorzugsweise mit dem gleichen Messaufbau erfasst. Mit einer Auswertung eines Signals können Drehmoment und der wenigstens eine weitere Parameter durch einfache Signalverarbeitung erfasst werden. Insbesondere kann durch Erfassung von Abständen, durch Erfassung von Unsymmetrien oder durch Erfassung von Steigungen oder Formen von durch Passieren von Oberflächenmarkierungen an der Magnetfelderfassung eines magnetorestriktiven Drehmomentsensors Drehzahlen, Drehgeschwindigkeiten, Drehrichtungen und/oder Drehwinkel erfasst werden.
Insbesondere ist die Anwendung in Verbindung mit einem Elektromotor interessant. Das erfasste Drehmoment und der wenigstens eine weitere Parameter können zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors eingesetzt werden. Es kann z. B. eine exakte Drehmomentregelung oder Leistungsregelung erfolgen. Auch kann der Drehwinkel erfasst werden und so in einfacher Weise ein Stellmotor oder Servomotor geschaffen werden, der mit exaktem Drehmoment in eine vorbestimmte Position verfahren werden kann. So können sehr leistungsfähige Stellantriebe geschaffen werden.
Es sind aber auch viele andere Anwendungen möglich, beispielsweise können auch andere Antriebe, z. B. mit einer Verbrennungskraftmaschine, einem pneumatischen oder hydraulischen Antrieb mit der Drehmomentsensoranordnung versehen werden, um die Drehmomentabgaben und/oder Drehgeschwindigkeit und/oder den Stellweg zu überwachen und/oder zu steuern.
Eine bevorzugte Anwendung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Regeln der Ausgangsleistung und/oder des Drehmoments eines Elektroantriebes, der einen Elektromotor mit Ständer und Läufer und eine mit dem Läufer zur gemeinsamen Drehung verbundene Abtriebswelle hat.
Bei bisher auf dem Markt erhältlichen Leistungselektroniken für Elektroantriebe kann durch das Messen der Phasenströme und Phasenspannungen die Leistungsaufnahme eines Elektromotors relativ genau gemessen werden. Durch entsprechende Modelle zum Wirkungsgrad und verschiedener Abhängigkeiten (Temperaturabhängigkeit, Alterungsverhalten ...) kann die Ausgangsleistung berechnet werden. Mit diesen Größen können Elektromotoren auf ein spezifisches Drehmoment bei bekannter Winkelgeschwindigkeit der Achse geregelt werden. Derartige Elektroantriebe und deren Vorrichtungen zur Drehmomentregelung finden sich beispielsweise in auf dem Markt erhältlichen Haupt-Elektroantrieben für Elektrofahrzeuge.
Ein Beispiel für eine bekannte Regelung eines Elektroantriebes auf dem Gebiet der elektrischen Lenksysteme findet sich in der US 2005/037884 A1 .
Ein Vorteil einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass derartige Vorrichtungen und Verfahren zur Drehmomentregelung und/oder Regelung der Leistung von Elektroantrieben hinsichtlich der Genauigkeit des Ausgangsdrehmoments bzw. der Ausgangsleistung und/oder hinsichtlich Sicherheitsaspekten verbessert werden können.
Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung betrifft eine Drehmomentregelvorrichtung zum Regeln der Ausgangsleistung und/oder des Drehmoments eines Elektroantriebes, der einen Elektromotor mit Ständer und Läufer und eine mit dem Läufer zur gemeinsamen Drehung verbundene Abtriebswelle hat, umfassend:
einen Drehmomentsensor zum Messen eines Drehmoments an der Abtriebswelle und eine mit dem Drehmomentsensor verbundene Steuerung, die dazu eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit von dem durch den Drehmomentsensor gemessenen Drehmoment zu steuern.
Insbesondere lässt sich damit ein drehmomentgeregelter Elektromotor bereitstellen, dessen Regelung nicht durch Spannung/Strom, sondern durch ein aktives Sensorelement erfolgt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Drehzahlsensor zur Messung der Drehzahl der Abtriebswelle, wobei die Steuerung mit dem Drehzahlsensor verbunden ist und dazu eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit von dem durch den Drehmomentsensor gemessenen Drehmoment und der durch den Drehzahlsensor verbundenen Drehzahl zu steuern.
Es ist bevorzugt, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, aus dem Drehmoment und der Drehzahl die Ausgangsleistung des Elektroantriebes zu ermitteln und den Elektromotor in Abhängigkeit von der ermittelten Ausgangsleistung zu steuern.
Es ist bevorzugt, dass die Steuerung zur Überwachung der Leistungsabgabe des Elektroantriebes eingerichtet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, den Elektroantrieb abhängig von einer aus einem Eingangsstrom und einer Eingangsspannung ermittelten Eingangsleistung und einer aus dem Drehmoment ermittelten Ausgangsleistung und einer Sollleistung zu steuern und/oder zu überwachen.
Vor allem bei der Elektromobilität gibt es ein Erfordernis (SIL2 gemäß EN61508 und/oder Performance Level d gemäß ISO 13849-1), dass die Ausgangsleistung des Elektromotors überwacht wird. Das kann man mit Spannung/Strom machen. Wesentlich genauer geht dies aber durch unmittelbare Überwachung über direkte Sensoren an der Abtriebswelle, wie bei der Erfindung vorgeschlagen. Besondere Vorteile hat die erfindungsgemäße Idee, wenn der Elektroantrieb man für ein Torque Vectoring auf das Drehmoment geregelt wird. In einem solchen Fall ist ein aktives Sensorelement wie bei der Erfindung vorgeschlagen sehr vorteilhaft, da man nicht auf sowohl Spannung/Strom regeln kann und diese Größe auch noch für die Sicherheits-Überwachung verwenden kann.
Es ist bevorzugt, dass der Drehmomentsensor ein induktiver berührungsloser Sensor zur induktiven Drehmomenterfassung unmittelbar an der Abtriebswelle mittels magnetischer Wechselfelder ist. Derartige Sensoren sind sehr einfach an der Abtriebswelle einsetzbar, wobei die Abtriebswelle auch unverändert bleiben kann und keine aktiven Elemente im mitdrehenden System benötigt werden. Die berührungslose Messung erfolgt ohne Reibungsverluste und ist im Wesentlichen wartungsfrei.
Mit einer Drehmomentsensoranordnung gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann man gleichzeitig mit einem Signal sowohl das Drehmoment der Drehwelle (z. B. der Abtriebswelle) als auch z. B. deren Drehzahl bestimmen. Damit kann man mit einem Signal unmittelbar die mechanische Leistung an der Drehwelle bestimmen. Dies ist selbstverständlich für die Regelung von Elektroantrieben hoch interessant, kann aber auch für andere Verwendungen Anwendung finden. Z. B. könnte sich bei unterschiedlichen Anwendungen (PKW; LKW; Schiffe; Maschinen; Flugzeuge; Fahrzeuge) an einer Abtriebswelle die mechanische Leistung unmittelbar messen.
Vorzugsweise ist die Drehmomentsensoranordnung zur Verwendung in einer Drehmomentregelung gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen ausgebildet, wobei die Abtriebswelle die zu vermessende Drehwelle der Drehmomentsensoranordnung ist. Die Drehmomentsensoranordnung ist aber auch für andere Einsatzzwecke geeignet und vorteilhaft, wo neben der Messung eines Drehmoments einer Drehwelle auch deren Drehzahl ermittelt werden soll.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenmarke eine sich in axialer Richtung erstreckende Abflachung, Einkerbung oder Erhöhung an der Oberfläche des Umfangsbereichs umfasst.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenmarke eine vorgegebene Erstreckung in Umfangsrichtung hat, wobei die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, aus der Länge einer durch die Oberflächenmarke in dem Signal des Drehmomentsensors verursachten Signaländerung eine Drehgeschwindigkeit zu ermitteln.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Regelungsverfahren zum Regeln der Ausgangsleistung und/oder des Drehmoments eines Elektroantriebes, der einen Elektromotor mit Ständer und Läufer und eine mit dem Läufer zur gemeinsamen Drehung verbundene Abtriebswelle hat, umfassend:
Messen eines Drehmoments an der Abtriebswelle mittels eines Drehmomentsensors und steuern des Elektromotors in Abhängigkeit von dem durch den Drehmomentsensor gemessenen Drehmoment.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst:
Messen der Drehzahl der Abtriebswelle und
Steuern des Elektromotors in Abhängigkeit von dem durch den Drehmomentsensor gemessenen Drehmoment und der durch den Drehzahlsensor ermittelten Drehzahl.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst:
Ermitteln der Ausgangsleistung des Elektroantriebes aus dem Drehmoment und der Drehzahl und
Steuern des Elektromotors in Abhängigkeit von der ermittelten Ausgangsleistung.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst:
Überwachen der Leistungsabgabe des Elektroantriebes mittels der Ausgangsleistung, der aus einem Eingangsstrom und einer Eingangsspannung ermittelten Eingangsleistung und einer Sollleistung.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst:
berührungsloses induktives Messen des Drehmoments an der Abtriebswelle mittels magnetischer Wechselfelder.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst:
Verwenden einer Abtriebswelle, die eine Oberflächenmarke an einem durch den Drehmomentsensor erfassten Umfangsbereich hat, welche sich bei Drehung der Abtriebswelle um die Drehachse dreht und bei Passieren des Drehmomentsensors eine Veränderung im Signal des Drehmomentsensors hervorruft, und
Ermitteln der Drehzahl der Abtriebswelle aus der Periode der Veränderung des Signals des Drehmomentsensors.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst:
Vorsehen einer sich in axialer Richtung erstreckenden Abflachung, Einkerbung oder Erhöhung an der Oberfläche des Umfangsbereichs zum Bilden der Oberflächenmarke.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst:
Vorsehen der Oberflächenmarke mit einer vorgegebenen Erstreckung in Umfangsrichtung und
Ermitteln der Drehgeschwindigkeit aus der Länge einer durch die Oberflächenmarke in dem Signal des Drehmomentsensors verursachten Signaländerung.
Eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung betrifft insbesondere eine Drehmomentregelung eines Elektromotors oder für einen Elektromotor.
Eine bevorzugte Ausgestaltung betrifft eine Drehmomentregelung eines Elektromotors durch Messung der Ausgangsleistung mittels eines vorzugsweise kombinierten Drehmomentsensors und Drehzahlsensors. Hierdurch ist eine sehr genaue Regelung möglich.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung und das Verfahren zusätzlich oder alternativ eine Überwachung der Motorleistungsabgabe als Sicherheitsüberwachung mittels der Eingangsleistung (Spannung, Strom).
Damit ist eine sehr gute Sicherheitsüberwachung für drehmomentgeregelte Elektromotoren möglich. Dadurch, dass man die über gemessenes Drehmoment und gemessene Drehzahl ermittelte tatsächliche Ausgangsleistung als Regeleingangsgrößen heranzieht, kann man die Spannung und den Strom als zusätzliche Größen für andere Aufgaben, insbesondere die Sicherheitsüberwachung heranziehen. Außerdem kann man durch einen Vergleich auch ohne Umwege über Berücksichtigung weiterer Parameter (wie Umweltbedingungen) den Wirkungsgrad und die Verlustleistung bestimmen.
Eine vorteilhafte Anwendung wird im Folgenden erläutert: Durch den Einsatz von Elektromotoren in der Elektromobilität wird deren Funktion als sicherheitskritisch eingestuft, d. h. die Leistungsabgabe sollte in einer Safety-Funktion überwacht werden. Diese Überwachung kann mittels Strom und Spannung umgesetzt werden. Bei einer aktiven Regelung der Ausgangsleistung des Elektromotor (Torque Vectoring, Anti-Schlupf Regelung ....) an der Welle eines Antrieb benötigt es eine zweite Messeinrichtung für die aktive Regelung, um die Funktionsüberwachung mittels Spannung und Strom als unabhängige Größe außerhalb des Regelkreis weiterhin verwenden zu können. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird hierzu eine unmittelbare Messung des Drehmoments und gegebenenfalls der Drehzahl an der Abtrieswelle vorgeschlagen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Elektroantriebes mit einem Elektromotor;
2 der Elektroantrieb von 1 mit einer Drehmomentregelvorrichtung zum Regeln des Drehmoments und/oder der Abtriebsleistung des Elektromotors;
3 eine schematische Darstellung einer Kombination eines Sensorkopfes einer Drehmomentsensoranordnung zur Verwendung in der Drehmomentregelvorrichtung von 2 zusammen mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung, einer Magnetfeldmesseinrichtung und einer Auswerteeinheit;
4 eine Darstellung der Drehmomentsensoranordnung, wobei der Sensorkopf entlang der Linie IV-IV von 3 geschnitten dargestellt ist;
5 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Drehmomentsensoranordnung zur Verwendung in der Drehmomentregelvorrichtung nach 2;
6 einen Graph des Signals eines Drehmomentsensors der Drehmomentsensoranordnung von 5 über der Zeit;
7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Drehmomentsensoranordnung;
8 einen Graph des Signals eines Drehmomentsensors der Drehmomentsensoranordnung von 7 über der Zeit;
9 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Drehmomentsensoranordnung; und
10 einen Graph des Signals eines Drehmomentsensors der Drehmomentsensoranordnung von 7 über der Zeit.
In 1 ist ein Elektroantrieb 10 schematisch dargestellt, der hier durch einen Elektromotor 12 mit Ständer und Läufer (nicht im Einzelnen dargestellt, gut bekannt) ausgebildet ist. Eine Welle des Läufers bildet eine Abtriebswelle 14 des Elektroantriebs 10. Bei anderen (nicht dargestellten) Ausgestaltungen ist die Abtriebswelle 14 eine mit der Welle des Läufers zur gemeinsamen Drehung gekuppelte Welle, z. B. eine Endwelle eines am Elektromotor vorgesehenen Motorgetriebes.
Bei Elektromotoren wird bisher die Antriebsleistung P nur über die Spannung U und den Strom I mit P = U·I bestimmt. Dadurch wird aber die Eingangsleistung P_in = U·I bestimmt. Um die Abtriebsleistung zu bestimmen, musste daher über Modellrechnungen die Verlustleistung Pv berücksichtigt werden.
Für die mechanische Abtriebleistung P_ab gilt: P_ab = 2·Pi·M·n, wobei M das Drehmoment an der Abtriebswelle 12 und n die Drehzahl der Abtriebswelle 14 bezeichnet. Wollte man bisher den Elektroantrieb 10 so regeln, dass ein konstantes Abtriebsdrehmoment M abgegeben wird, dann hat man entsprechend die Eingangsleistung anhand der gemessenen Spannung U und dem gemessenen Strom I geregelt.
In 2 ist der Elektroantrieb 10 mit einer Drehmomentregelvorrichtung 20 dargestellt. Die Drehmomentregelvorrichtung 20 umfasst eine Drehmomentsensoranordnung 22 und eine Steuerung 24, die mit der Drehmomentsensoranordnung 22 verbunden ist, um den Elektromotor 12 abhängig von einem durch einen Drehmomentsensor 26 der Drehmomentsensoranordnung 22 gemessenen Drehmoment M an der Abtriebswelle 14 zu steuern.
Weiter umfasst die dargestellte Drehmomentregelvorrichtung 20 einen Drehzahlsensor 28 zur Erfassung der Drehzahl n der Abtriebswelle 14.
Die Drehmomentsensoranordnung 22 weist den Drehmomentsensor 26, eine Auswerteeinheit 30 und eine Drehwelle 32 auf, wobei das Drehmoment an der Drehwelle 32 erfasst wird.
Bei der in 2 dargestellten Anwendung der Drehmomentsensoranordnung 22 ist die Drehwelle 32 gleich der Abtriebswelle 14 des Elektroantriebs 10.
Wie im Folgenden anhand der Darstellungen der 3 bis 6 erläutert wird, ist der Drehmomentsensor 26 zusammen mit der Auswerteeinheit 30 auch dazu ausgebildet, die Drehzahl der Drehwelle 32 zu erfassen. Hierzu weist die Drehwelle 32 eine Oberflächenmarke 36 an dem Umfangsbereich 34 auf, der sich an dem Drehmomentsensor 26 vorbei dreht.
Der Drehmomentsensor 26 ist als berührungslos arbeitender magnetorestriktiver Sensor S1 ausgebildet, der mit magnetischen Wechselfeldern arbeitet. Für nähere Einzelheiten zu solchen Sensoren wird auf folgende Literaturstellen verwiesen:

[1] Lutz May, „Drehmoment so einfach wie Temperatur messen" in Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2015;
[2] Gerhard Fiedler, Franz Merold „Intelligente Sensorik – Magnetorestriktive Drehmomentsensoren" in Elektronik Journal 04/2016;
[3] H. Ruser, U. Tröltzsch, M. Horn, H.-R. Tränkler; „Magnetische Drehmomentmessung mit Low-cost Sensor" downgeloaded am 02.06.2016 unter http://www.mikrocontroller.net/attachment/22413/Drehmomentsensor-Kreuzspule.pdf; Vortrag VDE/VDI-Fachtagung 11. und 12. März 2002, Ludwigsburg, siehe auch die Referenzen in diesem Dokument;
[4] WO2015/001097 A1 .
[5] DE 30 31 997 A1
[6] EP 00 46 517 A1
[7] US 4 503 714 A

Derartige Sensoren S1 sind beispielsweise von der Fa. Torque and More GmbH, Starnberg erhältlich.
Der Sensor S1 ist vorzugsweise berührungslos auf Basis des induktiven Messprinzips ausgeführt, siehe [3], [2], [5]–[7]. Wie in [4] ausgeführt, wird der Sensor S1 mit einem magnetischen Wechselfeld betrieben. Vorteilhaft ist dabei der Betrieb in einem aktiven Modus; so erfordert das schnelle magnetische Wechselfeld keine physikalische Veränderung an der Drehwelle 32, eine permanente und eventuell nicht langzeitstabile Magnetisierung ist nicht erforderlich, siehe [1]. Die Methodik ist unempfindlich gegenüber Verschmutzung (Wasser, Öl, Staub), Vibration, Luftspaltänderung und kann auch keinen Schaden nehmen, wenn zu große Kräfte an der Drehwelle 32 wirken, da der Sensor S1 sich außerhalb des Kraftflusses befindet.
In 3 ist eine Kombination des Drehmomentsensors 26 mit der Auswerteeinheit 30 schematisch dargestellt. Der Drehmomentsensor 26 weist einen Sensorkopf 48 auf. Eine teilweise geschnittene Darstellung durch den Sensorkopf in der Anwendung in der Drehmomentsensoranordnung 22 ist in 4 dargestellt.
Wie aus 3 und 4 ersichtlich, weist der Drehmomentsensor 26 eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 50 zur Erzeugung eines Magnetfeldes in und an der Drehwelle 32 und eine Magnetfeldmesseinrichtung 52 zum Messen von Änderungen des Magnetfeldes an der Drehwelle 32 auf.
Als Teil dieser Einrichtungen 50, 52 weist der Sensorkopf 48 einen Körper 54 aus weichmagnetischem Material mit zu der Drehwelle 32 hin gerichteten Vorsprüngen 56, 57a, 57b, 57c, 57d auf, die jeweils von Spulen 58–62 umgeben sind.
So bildet ein Vorsprung 56, der mit einer an einen elektrischen Schwingungsgenerator 64 angeschlossenen Magnetfelderzeugungsspule 48 umgebene Vorsprung 56 einen Teil eines Flusskonzentrators 66, mit dem sich der Magnetfluss des in die Drehwelle 32 indizierten Magnetfeldes konzentrieren lässt.
Ein erster von einer ersten Messspule 59 umgebener Vorsprung 57a und ein zweiter von einer zweiten Messspule 60 umgebener Vorsprung 57b sind Teil eines ersten Magnetkreises, und ein dritter von einer dritten Messspule 61 umgebener Vorsprung 57c und ein vierter von einer vierten Messspule 62 umgebener Vorsprung 57d sind Teil eines zweiten Magnetkreises. Hierzu sind die Vorsprünge 57a–57d jeweils paarweise gegenüberliegend, so dass die Paare sich kreuzen, angeordnet. Aufgrund der unterschiedlichen Winkel der beiden Magnetkreise lassen sich Magnetfeldrichtungsänderungen erfassen. Die Messspulen 59–62 sind an die Auswerteeinheit 30 angeschlossen, die einen Drehmomenterfassungsbereich 68 und einen Drehzahlerfassungsbereich 70 aufweist.
Die Magnetfeldmesseinrichtung 52 mit dem Drehmomenterfassungsbereich 68 arbeitet zur Erfassung des Drehmomentes so, wie dies aus der vorerwähnten Literatur bekannt ist.
Zugleich kann der Sensor S1 gleichzeitig mehrere Messgrößen erfassen:

a) Prinzipiell arbeitet der S1 zum Messen eines Drehmoments oder einer Kraft, vorzugsweise mit magnetischen Wechselfeldern zwischen wenigen Hz und 10 kHz. Die Eindringtiefe liegt gemäß dem Skin-Effekt in diesem Frequenzbereich bei ferromagnetischen Stoffen typischerweise bei wenigen Millimetern im Inneren des Materials. Die Orientierung einer Sender- und Empfängerspule relativ zum Messkörper, d. h. der Drehwelle 32 legt dabei die Kraftkomponente fest, die gemessen werden kann. Entscheidend für den Skin-Effekt ist, dass das eindringende Feld aufgrund der mit der Ausbreitung im Leiter verbundenen Wirbelströme je nach Frequenz mehr oder weniger stark gedämpft wird. Die Stromdichte J nimmt im Abstand z vom Rand nach folgender Gleichung exponentiell ab: J = J_Se^–z/δ wobei J_S die Stromdichte am Rand und δ die äquivalente Leitschichtdicke bezeichnen. Diese Gleichungen werden in der Praxis zur näherungsweisen Berechnung auch für radialsymmetrische Leiter verwendet. Die Leitschichtedicke kann dabei in vielen Fällen bei guten elektrischen Leitern mit folgender Gleichung in Näherung beschrieben werden:
mit: ρ dem spezifischen Widerstand des Leiters; dieser ist der Kehrwert der elektrischen Leitfähigkeit σ des Materials: ρ = 1/σ; ω Kreisfrequenz; und μ absolute Permeabilität des Leiters, welche das Produkt μ = μ₀·μ_r aus der Permeabilitätskonstanten μ₀ und der relativen Permeabilitätszahl μ_r des Leiters ist.
b) Wird eine wesentlich höhere Messfrequenz verwendet (> 10 kHz bis MHz), so dringt das Magnetfeld nur sehr viel weniger in das Innere des Materials ein und es werden vermehrt oberflächen-sensitive Effekte detektiert. Dieser Effekt kann ausgenutzt werden, in dem auf der Welle geeignete Markierungen-Oberflächenmarke 36 – beispielsweise in Form von Eingravierungen, z. B. ein langer dünner Strich 40 oder Kratzer, z. B. etwa 1 mm dick, wenige mm lang, angebracht werden, die pro Umdrehung bequem gemessen werden können. Eine Ausgestaltung der Oberflächenmarke in Form der strichförmigen Markierung ist in 4 und 5 dargestellt. Wertet man die Abstände der Signalpulse aus, so kann man einen Drehzahlsensor realisieren, wie dies in 6 angedeutet ist. Die einzelnen Pulse 44 können wie Impulse eines Inkrementalgebers gezählt werden; die Abstände T zwischen den Pulsen 44 ist ein Maß für die Drehzahl n (Umdrehungen pro Zeit). Der die Oberflächenmarke 36 bildende Strich 40 kann z. B. mittels eines Lasers sehr exakt in die Oberfläche der Drehwelle 32, insbesondere in die Oberfläche der Abtriebswelle 14 eingraviert werden.
c) Bei der in b) zitierten hohen Messfrequenz besteht zudem auch die Möglichkeit, die Form der Gravierung oder Einprägung derart zu verändern, dass nicht nur die Drehzahl n, sondern auch die Drehgeschwindigkeit (insbesondere die Geschwindigkeit der Oberfläche der Drehwelle in Drehrichtung) gemessen werden kann. In 5 ist die Oberflächenmarke 36 als Dreieck 46 ausgeführt Eine Dreieckform der Oberflächenmarke 36 auf der Drehwelle 32 beispielsweise ermöglicht beispielsweise eine Messung der Drehgeschwindigkeit über die Messung der Pulsbreite W der einzelnen Pulse 44, siehe 6. Allgemein wird bei dieser Ausgestaltung eine Oberflächenmarkierung 36 mit definierter Erstreckung in Umfangsrichtung angebracht.
d) Weiter kann aber auch die Drehrichtung R erfasst werden.

Wie bei der 8 dargestellt, kann die als Dreieck 47 ausgebildete Oberflächenmarke 36 eine Pulsform erzeugen, deren Flanken eine unterschiedliche Steigung haben. Erfasst man nun die Steigung der ansteigenden Flanke im Vergleich zu der abfallenden Flanke, kann man so erfassen, ob das Dreieck 47 mit der Spitze voran oder mit einer Seite voran an dem Sensor S1 vorbei gedreht wird. So kann man über Erfassung der Pulsflanken die Drehrichtung erkennen.
Eine weitere Möglichkeit einer Erfassung der Drehrichtung R ist in 9 dargestellt. Hier sind mehrere der Striche 40 mit unregelmäßigem Abstand zueinander in einer Gruppe von Strichen 40 angeordnet, die zusammen eine Oberflächenmarkierung 36 bilden. 10 zeigt – mit sehr dünn dargestellten Pulsen – den zeitlichen Verlauf der Signalveränderung. In dem dargestellten Beispiel ist ein mittlerer Strich näher zu einem von zwei Endstrichen angeordnet. Erfolgt so eine Signalfolge zunächst mit kurzem Signalabstand, dann mit längerem Abstand bei Passieren der Gruppe von Strichen, dann wird eine Drehrichtung R im Uhrzeigersinn von 9 erfasst. Bei Drehung in umgekehrter Richtung würde zunächst ein längerer Abstand zwischen den beiden einzelnen Pulsen und dann ein kürzerer Abstand erfasst werden.
Bei dieser Anordnung kann die Drehgeschwindigkeit oder die Drehzahl, wie zuvor beschrieben, über den Abstand T zwischen dem jeweils ersten Impuls einer Impulsgruppe oder über den Abstand W' zwischen den einzelnen Impulsen der Impulsgruppe erfasst werden.
Demnach kann die Auswerteeinheit 30 auch einen Drehrichtungserfassungsbereich 72 aufweisen.
In 3 sind der Einfachheit halber in der Auswerteeinheit in dem Drehzahlerfassungsbereich und dem Drehrichtungserfassungsbereich 72 die anhand der 5 bis 8 erläuterten Möglichkeiten allesamt implementiert. Es gibt eine Zähleinrichtung Z zum Zählen der Anzahl der Impulse, um so den Drehwinkel zu erfassen.
Weiter ist eine Signalveränderungsabstandserfassungseinrichtung SA zum Erfassen des Abstandes zwischen den durch Passieren der Oberflächenmarke 36 erzeugten Signalveränderungen, wie insbesondere Impulsen, und zum Erfassen einer Drehzahl pro Zeit hierdurch angedeutet.
Weiter ist eine Pulsweitenerfassungseinrichtung PW zum Erfassen der Pulsweite der Signalveränderung und zum Ermitteln der Drehgeschwindigkeit aus einer Breite der Signalveränderung, wie insbesondere eines Pulses, vorgesehen.
Eine Drehrichtungserkennungseinrichtung Re ist ausgebildet, dass sie aus der Form der Signalveränderung, insbesondere der Abfolge von unterschiedlichen Steigungen und der Art der Steigung und/oder aus der Abfolge von Pulsen oder sonstigen Signalveränderungen mit bestimmter Reihenfolge oder bestimmter Reihenfolge von Abständen, die Drehrichtung erfasst.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform ist der Schwingungsgenerator 64 dazu fähig, eine erste Frequenz F₁ zum Messen des Drehmoments und wahlweise eine zweite Frequenz F₂ an die Magnetfelderzeugungsspule 58 zu liefern. Die Magnetfelderzeugungsspule 58 kann eine einzelne Spule oder mehrere entsprechend der einzelnen Frequenzen F₁, F₂ angepasste Einzelspulen aufweisen. Entsprechend können die Messspulen 59–62 aufgebaut sein. Die Auswerteeinheit 30 ist zum Auswerten der Magnetfelder mit der ersten Frequenz F₁ zwecks Drehmomenterfassung und zum Arbeiten mit Magnetfeldern der zweiten Frequenz F₂ zur Erfassung der weiteren Messgrößen, wie insbesondere Drehzahl, Drehgeschwindigkeit, Drehrichtung, ausgebildet. Wie oben bereits erläutert, liegt F₁ vorzugsweise im Bereich von 1 Hz bis 10 kHz und F₂ liegt im Bereich von 10 kHz bis 100 MHz.
Wie oben unter a), b), c), d) erläutert, wird ein magnetorestriktiver berührungsloser Sensor S1 unter Ausnutzung von magnetischen Wechselfeldern höherer Frequenz mit Sendespule und Empfangsspule verwendet, der sowohl als Drehmomentsensor 26 zum Erfassen des Drehmoments M der Drehwelle 32 und bei 2 der Abtriebswelle 14 des Elektroantriebs 10, als auch als Drehzahlsensor 28 zur Erfassung der Drehzahl n der Drehwelle 32 und somit bei 2 der Abtriebswelle 14 des Elektroantriebs 10 dient.
Wie in 2 ersichtlich liefert die Auswerteeinheit 30 somit das Ausgangs-Drehmoment M an der Abtriebswelle 14 als auch die Drehzahl n der Abtriebswelle 14, so dass daraus die Abtriebsleistung P_ab ermittelt werden kann.
Die z. B. als Motorcontroller ausgebildete Steuerung 24 steuert den Elektromotor 12 in Abhängigkeit des so ermittelten Drehmoments M bzw. in Abhängigkeit der so ermittelten Ausgangsleistung P_ab. Insbesondere kann dadurch das Drehmoment M und/oder die Ausgangsleistung P_ab auf einen gewünschten Wert, insbesondere eine Sollleistung P_soll (bzw. ein Solldrehmoment) geregelt werden.
Weiter kann die Steuerung 24 aufgrund der mehreren Messgrößen sowohl eine Regelung als auch eine Sicherheitsüberwachung unabhängig von der Regelung realisieren. Beispielsweise wird der Elektromotor 12 aufgrund der gemessenen Werten M und n bzw. P_ab geregelt und dabei die Motoreingangsleistung P_i über der Motorstrom I und die Motorspannung U zur Sicherheitsabschaltung überwacht.
Bezugszeichenliste

10: Elektroantrieb
12: Elektromotor
14: Abtriebswelle
20: Drehmomentregelvorrichtung
22: Drehmomentsensoranordnung
24: Steuerung
26: Drehmomentsensor
28: Drehzahlsensor
30: Auswerteeinheit
32: Drehwelle
34: Umfangsbereich
36: Oberflächenmarke
40: Strich
44: Puls
46: Dreieck
48: Sensorkopf
50: Magnetfelderzeugungseinrichtung
52: Magnetfeldmesseinrichtung
54: Körper aus weichmagnetischen Material
56: Vorsprung (Flusskonzentrator)
57a: erster Vorsprung (erster Magnetkreis)
57b: zweiter Vorsprung (erster Magnetkreis)
57c: dritter Vorsprung (zweiter Magnetkreis)
57d: vierter Vorsprung (zweiter Magnetkreis)
58: Magnetfelderzeugungsspule
59: erste Messspule
60: zweite Messspule
61: dritte Messspule
62: vierte Messspule
64: Schwingungsgenerator
66: Flusskonzentrator
68: Drehmomenterfassungsbereich
70: Drehzahlerfassungsbereich
72: Drehrichtungserfassungsbereich
S1: Sensor-Drehzahlsensor und kontaktloser Drehmomentsensor
T: Zeitabstand/Periode
W: Pulsbreite (Beispiel für Breite einer Signalveränderung)
W': Breite einer Signalveränderung
P_in: zugeführte Leistung
P_V: Verlustleistung
P_ab: abgeführte mechanische Leistung
P_mech: mechanische Leistung
P_el: elektrische Leistung
P_soll: Sollleistung
MCU: Motorcontroller/Motorsteuerung
S: Signal
t: Zeit
R: Drehrichtung/Rotation
Re: Drehrichtungserfassungseinrichtung
Z: Zähleinrichtung
SA: Signalveränderungsabstandserfassungseinrichtung
PW: Pulsweitenerfassungseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3031997 A1 [0001, 0002, 0009, 0072]
EP 0046517 A1 [0002, 0009, 0072]
US 4503714 [0009]
US 2005/037884 A1 [0026]
WO 2015/001097 A1 [0072]
US 4503714 A [0072]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN61508 [0034]
ISO 13849-1 [0034]
Lutz May, „Drehmoment so einfach wie Temperatur messen” in Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2015 [0072]
Gerhard Fiedler, Franz Merold „Intelligente Sensorik – Magnetorestriktive Drehmomentsensoren” in Elektronik Journal 04/2016 [0072]
H. Ruser, U. Tröltzsch, M. Horn, H.-R. Tränkler; „Magnetische Drehmomentmessung mit Low-cost Sensor” downgeloaded am 02.06.2016 unter http://www.mikrocontroller.net/attachment/22413/Drehmomentsensor-Kreuzspule.pdf; Vortrag VDE/VDI-Fachtagung 11. und 12. März 2002, Ludwigsburg, siehe auch die Referenzen in diesem Dokument [0072]

Claims

Drehmomentsensoranordnung (22) mit einer Drehwelle (32) und einem Drehmomentsensor (26) zur Messung eines Drehmoments an der Drehwelle (32) durch induktives Messen des Drehmoments der Drehwelle (32) mittels magnetischer Wechselfelder und eine Auswerteeinheit (30) zur Auswertung des Signals des Drehmomentsensors (26), dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwelle (32) eine Oberflächenmarke (36) an einem durch den Drehmomentsensor (26) erfassten Umfangsbereich (34) hat, die sich bei Drehung der Drehwelle (32) um die Drehachse dreht und bei Passieren des Drehmomentsensors (26) eine Signalveränderung im Signal des Drehmomentsensors (26) hervorruft, wobei die Auswerteeinheit (30) dazu ausgebildet ist, aus der Signalveränderung des Signals des Drehmomentsensors (26) eine Drehzahl und/oder eine Drehgeschwindigkeit und/oder eine Drehrichtung und/oder einen Drehwinkel der Drehwelle (32) zu ermitteln.
Drehmomentsensoranordnung (22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenmarke (36) eine sich in axialer Richtung erstreckende Abflachung, Einkerbung oder Erhöhung an der Oberfläche des Umfangsbereichs (34) umfasst.
Drehmomentsensoranordnung (22) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenmarke (36) eine vorgegebene Erstreckung in Umfangsrichtung hat, wobei die Auswerteeinrichtung (30) dazu eingerichtet ist, aus der Länge einer durch die Oberflächenmarke (36) in dem Signal des Drehmomentsensors (26) verursachten Signaländerung eine Drehgeschwindigkeit zu ermitteln.
Drehmomentsensoranordnung (22) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (26) einen Sensorkopf (48) aufweist, der mit wenigstens einer Magnetfelderzeugungseinrichtung (50) zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes in der Drehwelle (32) und mit wenigstens einer Magnetfeldmesseinrichtung (52) zum Messen wenigstens eines Parameters des magnetischen Wechselfeldes in der Drehwelle (32) versehen ist.
Drehmomentsensoranordnung (22) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (50) wenigstens einen Flusskonzentrator (66) mit wenigstens einer Magnetfelderzeugungsspule (58) und einem weichmagnetischen Kern aufweist und dass die Magnetfeldmesseinrichtung (52) mehrere Messspulen (59–62) zum Messen unterschiedlicher Magnetfeldausrichtungen aufweist.
Drehmomentsensoranordnung (22) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (50) und die Magnetfeldmesseinrichtung (52) zum Erzeugen und Messen von magnetischen Wechselfeldern mit einer Frequenz im Bereich von 1 Hz bis 10 kHz, vorzugsweise zwischen 10 Hz und 5 kHz, zum Messen des Drehmoments, und/oder mit einer Frequenz von mehr als 10 kHz bis 100 MHz, insbesondere von 15 kHz bis 1 MHz zum Messen von Drehzahl und/oder Drehwinkel und/oder Drehgeschwindigkeit und/oder Drehrichtung, ausgebildet ist.
Drehmomentsensoranordnung (22) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (30) eine Zähleinrichtung (Z) zum Zählen der Anzahl der Signalveränderungen und/oder zum Erfassen eines Drehwinkels aufweist.
Drehmomentsensoranordnung (22) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (30) eine Signalveränderungsabstandserfassungseinrichtung (SA) zum Erfassen des Abstands zwischen den durch Passieren der Oberflächenmarke (36) erzeugten Signalveränderungen und/oder zum Erfassen einer Drehzahl pro Zeit aufweist.
Drehmomentsensoranordnung (22) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, eine Pulsform der Signalveränderung zu erfassen und hieraus die Drehgeschwindigkeit an der Oberfläche der Drehwelle und/oder die Drehrichtung zu erfassen.
Drehmomentsensoranordnung (22) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (30) eine Pulsweitenerfassungseinrichtung (PW) zum Erfassen einer Pulsweite der Signalveränderung und/oder zum Ermitteln der Drehgeschwindigkeit aus einer Breite der Signalveränderung aufweist.
Drehmomentsensoranordnung (22) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenmarke (36) eine Flächenform hat, die zu einer in axialer Richtung verlaufenden Mittelachse unsymmetrisch ist und/oder dass mehrere der Oberflächenmarken (36) mit unregelmäßigen Abständen und/oder mit zu einer in axialer Richtung verlaufenden Achse unsymmetrischer Anordnung vorgesehen sind, wobei die Auswerteeinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, aus einer Steigung einer Pulsflanke der Signalveränderung und/oder aus einer Abstandsfolge zwischen Signalveränderungen die Drehrichtung zu ermitteln.
Verfahren zur gleichzeitigen Erfassung eines Drehmoments und wenigstens einer der Parameter Drehzahl, Drehwinkel, Drehgeschwindigkeit oder Drehrichtung an einer aus oder mit einem weichmagnetischen Material gebildeten Drehwelle (32), umfassend: Vorsehen einer Oberflächenmarke (36) auf einem Sektor eines Umfangsbereichs (34) der Drehwelle (32); Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds in der Drehwelle (32) an dem Umfangsbereich (34); Messen des Drehmoments durch Erfassen wenigstens eines durch den magnetorestriktiven Effekt beeinflussten Parameters des erzeugten magnetischen Wechselfeldes mittels wenigstens einer Magnetfelderfassungseinrichtung und Erzeugen eines Signals (S) aus der Erfassung des Parameters, Erfassen einer Signalveränderung, die dadurch erzeugt wird, dass die Oberflächenmarke (36) die Magnetfelderfassungseinrichtung passiert und Auswerten der Signalveränderung zur Erfassung wenigstens einer der Parameter Drehzahl, Drehwinkel, Drehgeschwindigkeit oder Drehrichtung.
Drehmomentregelvorrichtung (20) zum Regeln der Ausgangsleistung und/oder des Drehmoments eines Elektroantriebes (10), der einen Elektromotor (12) mit Ständer und Läufer und eine mit dem Läufer zur gemeinsamen Drehung verbundene Abtriebswelle (14) als Drehwelle (32) hat, umfassend: einen Drehmomentsensoranordnung (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Messen eines Drehmoments an der Abtriebswelle (14) und eine mit der Drehmomentsensoranordnung (22) verbundene Steuerung (24), die dazu eingerichtet ist, den Elektromotor (12) in Abhängigkeit von dem durch den Drehmomentsensor (26) gemessenen Drehmoment zu steuern.
Drehmomentregelvorrichtung (20) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (24) dazu eingerichtet ist, den Elektromotor (12) in Abhängigkeit von dem durch die Drehmomentsensoranordnung (22) gemessenen Drehmoment und der durch die Drehmomentsensoranordnung (22) ermittelten Drehzahl zu steuern, wobei die Steuerung (24) dazu eingerichtet ist, aus dem Drehmoment und der Drehzahl die Ausgangsleistung des Elektroantriebes (10) zu ermitteln und den Elektromotor (12) in Abhängigkeit von der ermittelten Ausgangsleistung zu steuern.
Elektroantrieb (10), umfassend eine Drehmomentregelvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 13 oder 14 und/oder eine Drehmomentsensoranordnung (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.