DE102016200144B3 - Method and arrangement for measuring a force or a moment on a machine element having an opening - Google Patents

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DE102016200144B3 DE102016200144.2A DE102016200144A DE102016200144B3 DE 102016200144 B3 DE102016200144 B3 DE 102016200144B3 DE 102016200144 A DE102016200144 A DE 102016200144A DE 102016200144 B3 DE102016200144 B3 DE 102016200144B3
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Stephan Neuschaefer-Rube
Jan Matysik
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse (03) erstreckenden Maschinenelement (01). Das Maschinenelement (01) weist eine Öffnung (04) auf, die gegenüber der Achse (03) zumindest geneigt ist. Das Maschinenelement (01) weist weiterhin mindestens einen Magnetisierungsbereich für eine Magnetisierung auf, die sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades (07) um die Öffnung (04) herum erstreckt. Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens einen ersten Magnetfeldsensor (11) und einen zweiten Magnetfeldsensor (12), welche jeweils zur einzelnen Messung einer ersten und einer zweiten Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind, sodass einer Messung unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes ermöglicht ist. Die mit den Magnetfeldsensoren (11, 12) messbaren Richtungskomponenten sind jeweils unterschiedlich ausgerichtet. Die Magnetfeldsensoren (11, 12) sind an unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse (03) herum angeordnet. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes.The present invention initially relates to an arrangement for measuring a force and / or a moment on a machine element (01) extending in an axis (03). The machine element (01) has an opening (04) which is at least inclined with respect to the axis (03). The machine element (01) furthermore has at least one magnetization region for a magnetization which extends around the opening (04) along a closed magnetization path (07). The arrangement further comprises at least a first magnetic field sensor (11) and a second magnetic field sensor (12), each of which is designed for the individual measurement of a first and a second directional component of a magnetic field caused by the magnetization and by the force and / or by the moment a measurement using the inverse magnetostrictive effect is made possible. The directional components measurable with the magnetic field sensors (11, 12) are each oriented differently. The magnetic field sensors (11, 12) are arranged at different circumferential positions around the axis (03). Furthermore, the invention relates to a method for measuring a force and / or a moment.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement, welches einen Magnetisierungsbereich für eine sich um eine Öffnung im Maschinenelement herum erstreckende Magnetisierung aufweist, sodass eine Messung unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes ermöglicht ist. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes, wobei die Kraft bzw. das Moment auf ein sich in einer Achse erstreckendes Maschinenelement wirkt, welches einen Magnetisierungsbereich für eine sich um eine Öffnung im Maschinenelement herum erstreckende Magnetisierung aufweist.The present invention initially relates to an arrangement for measuring a force and / or torque on an axis-extending machine element having a magnetization region for magnetization extending around an opening in the machine element, such that measurement using the inverse-magnetostrictive one Effect is possible. The invention further relates to a method for measuring a force and / or moment, the force acting on an axis-extending machine element having a magnetization region for magnetization extending around an opening in the machine element.

Die EP 2 365 927 B1 zeigt ein Tretlager mit zwei Tretkurbeln und mit einem Kettenblattträger, der mit einer Welle des Tretlagers verbunden ist. Der Kettenblattträger ist drehfest mit einer Kettenblattwelle verbunden, die wiederum drehfest mit der Welle verbunden ist. Die Kettenblattwelle weist abschnittsweise eine Magnetisierung auf. Es ist ein Sensor vorgesehen, der eine Änderung der Magnetisierung bei einem im Bereich der Magnetisierung vorliegenden Drehmoment erfasst.The EP 2 365 927 B1 shows a bottom bracket with two cranks and a chainring carrier, which is connected to a shaft of the bottom bracket. The chainring carrier is rotatably connected to a chainring shaft, which in turn is rotatably connected to the shaft. The sprocket shaft has a section on a magnetization. A sensor is provided which detects a change in the magnetization at a torque present in the region of the magnetization.

Die US 6,490,934 B2 lehrt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmomentes, welches auf ein Element mit einem ferromagnetischen, magnetostriktiven und magnetoelastisch aktiven Bereich wirkt. Dieser Bereich ist in einem Messwandler ausgebildet, der als zylindrische Hülse beispielsweise auf einer Welle sitzt. Der Drehmomentsensor steht dem Messwandler gegenüber.The US Pat. No. 6,490,934 B2 teaches a magnetoelastic torque sensor for measuring torque acting on an element having a ferromagnetic, magnetostrictive and magnetoelastically active region. This area is formed in a transducer, which sits as a cylindrical sleeve, for example on a shaft. The torque sensor faces the transducer.

Aus der EP 0 803 053 B1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der einen magnetoelastischen Messwandler umfasst, welcher eine umlaufende Magnetisierung besitzt. Zur Erzeugung der umlaufenden Magnetisierung kann eine Welle in Rotation versetzt werden, sodass durch einen Permanentmagnet oder durch eine Spule ein tangentiales Magnetfeld in der Welle erzeugt wird. Der Messwandler in Form eines Ringes kann auch dadurch polarisiert werden, dass ein elektrischer Leiter durch die Welle bzw. durch den Ring gefädelt und bestromt wird, wobei der Ring partiell in eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit getaucht sein kann.From the EP 0 803 053 B1 For example, a torque sensor is known which comprises a magnetoelastic transducer having a circumferential magnetization. To generate the circulating magnetization, a shaft can be set in rotation so that a tangential magnetic field is generated in the shaft by a permanent magnet or by a coil. The transducer in the form of a ring can also be polarized in that an electrical conductor is threaded through the shaft or through the ring and energized, the ring may be partially immersed in an electrically conductive liquid.

Die WO 2015/039651 A1 zeigt eine Anordnung zum Messen einer Normalkraft oder eines Biegemomentes an einem Maschinenelement, bei welchem ein Sensorbereich durch eine Ausformung zur Wandlung der Normalkraft bzw. des Biegemomentes in eine Scherkraft begrenzt ist. Diese Ausformung kann die Form einer Vertiefung, einer Nut oder eines Loches haben.The WO 2015/039651 A1 shows an arrangement for measuring a normal force or a bending moment on a machine element, in which a sensor area is limited by a shaping for converting the normal force or the bending moment into a shearing force. This shape may have the form of a depression, a groove or a hole.

In der DE 198 21 381 A1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung von Drehmomenten an einer torsionsbelasteten Welle beschrieben, bei welcher die Welle strukturiert ist; beispielsweise durch auf ihrer Oberfläche verlaufende Vertiefungen. Die Welle befindet sich zumindest teilweise in einem Magnetfeld, dessen Feldlinien parallel zur Welle verlaufen.In the DE 198 21 381 A1 a device is described for detecting torques on a torsionally loaded shaft, in which the shaft is structured; for example, by running on their surface depressions. The shaft is at least partially in a magnetic field whose field lines are parallel to the shaft.

Die WO 2015/103267 A1 lehrt eine mit Zug- und Druckkräften belastete Platte, die eine kreisförmige Magnetisierung aufweist. Diese Magnetisierung wird dadurch erzeugt, dass die Platte in Rotation versetzt wird und ein Dauermagnet nahe der Platte angeordnet wird. Die Belastung der Platte wird durch unter 45° zur Kraftrichtung ausgerichtete Magnetfeldsensoren ermittelt.The WO 2015/103267 A1 teaches a loaded with tensile and compressive forces plate having a circular magnetization. This magnetization is generated by rotating the disk and placing a permanent magnet near the disk. The load on the plate is determined by magnetic field sensors oriented at 45 ° to the direction of the force.

Die DE 10 2014 200 461 A1 lehrt eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem Maschinenelement, welches eine Permanentmagnetisierung aufweist, die sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades erstreckt. Der Magnetisierungspfad kann sich umfänglich um eine Ausnehmung im Maschinenelement erstrecken. Bei der Ausnehmung kann es sich um eine Bohrung handeln, die radial im Maschinenelement angeordnet ist.The DE 10 2014 200 461 A1 teaches an arrangement for measuring a force and / or moment on a machine element having permanent magnetization extending along a closed magnetizing path. The magnetization path may extend circumferentially around a recess in the machine element. The recess may be a bore which is arranged radially in the machine element.

In der EP 2 447 198 A1 ist eine Rolle beschrieben, die als Umlenkrolle für eine Bahn aus Papier, Stoff o. ä. dient. Die Rolle ist mit Sensoren bestückt, mit welchen die von der Bahn auf die Rolle ausgeübten Kräfte messbar sind. Hierzu ist die Welle mit Öffnungen versehen, in denen die Sensoren angeordnet sind. Bei den Sensoren kann es sich insbesondere um magnetoelastische Sensoren handeln. Die Sensoren besitzen eine Oberfläche, die parallel zur Außenfläche der Rolle liegt.In the EP 2 447 198 A1 is described a role that serves as a pulley for a web of paper, fabric o. Ä., Is used. The roller is equipped with sensors with which the forces exerted by the web on the roller can be measured. For this purpose, the shaft is provided with openings in which the sensors are arranged. The sensors may in particular be magnetoelastic sensors. The sensors have a surface that is parallel to the outer surface of the roller.

In der DE 10 2013 211 000 A1 ist eine Anordnung zum Messen einer Kraft oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement beschrieben. Das Maschinenelement weist eine Permanentmagnetisierung auf, die in axialer oder radialer Richtung ausgerichtet ist und in umfänglichen bzw. axialen Abschnitten ausgebildet ist. Zwischen den Abschnitten wechselt die Polarität der Permanentmagnetisierung. Das Maschinenelement ist bevorzugt hohlzylinderförmig. Die Magnetfeldsensoren sind zur Messung zumindest einer vektoriellen Komponente des aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes aus dem Maschinenelement austretenden Magnetfeldes ausgebildet. Mit dieser Anordnung können Biege- und Torsionsmomente sowie Querkräfte gemessen werden.In the DE 10 2013 211 000 Al An arrangement for measuring a force or moment on a machine element extending in an axis is described. The machine element has a permanent magnetization, which is aligned in the axial or radial direction and is formed in circumferential or axial sections. Between the sections, the polarity of the permanent magnetization changes. The machine element is preferably hollow cylindrical. The magnetic field sensors are designed to measure at least one vectorial component of the magnetic field emerging from the machine element due to the inverse-magnetostrictive effect. With this arrangement, bending and torsional moments as well as lateral forces can be measured.

Die DE 10 2014 219 336 B3 zeigt eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement, welches einen sich umfänglich um die Achse herum erstreckenden Magnetisierungsbereich besitzt. Die Anordnung umfasst weiterhin zwei Magnetfeldsensoren, die jeweils zur Messung unterschiedlicher Richtungskomponenten eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind und die an unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse herum angeordnet sind. Es können Momente um drei Achsen und Normalkräfte längs zweier Achsen bestimmt werden. Zug- und Druckkräfte sind nicht ermittelbar.The DE 10 2014 219 336 B3 shows an arrangement for measuring a force and / or a moment on an axis-extending machine element, a has circumferentially around the axis extending magnetization area. The arrangement further comprises two magnetic field sensors each designed to measure different directional components of a magnetic field caused by the magnetization as well as by the force and / or by the moment and which are arranged at different circumferential positions around the axis. It is possible to determine moments about three axes and normal forces along two axes. Tensile and compressive forces can not be determined.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhende Messung von Kräften und Momenten aufzuzeigen, bei welcher Kräfte und Momente in allen drei Raumrichtungen messbar sind.The object of the present invention, starting from the prior art, is to demonstrate a measurement of forces and moments based on the inverse-magnetostrictive effect, in which forces and moments in all three spatial directions can be measured.

Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.The above object is achieved by an arrangement according to the appended claim 1 and by a method according to the attached independent claim 10.

Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Die Achse bildet bevorzugt auch eine Rotationsachse und/oder eine Symmetrieachse des Maschinenelementes.The arrangement according to the invention serves to measure a force and / or a moment on a machine element extending in an axis. The force or the moment acts on the machine element, which leads to mechanical stresses and the machine element usually deforms slightly. The axis preferably also forms a rotation axis and / or an axis of symmetry of the machine element.

Das Maschinenelement weist mindestens eine Öffnung auf, welche eine Ausnehmung bzw. ein Loch im Maschinenelement darstellt. Die mindestens eine Öffnung ist bevorzugt durchgehend, sodass sie an einer Stelle des Maschinenelementes eintritt und an einer anderen Stelle des Maschinenelementes wieder austritt. Die mindestens eine Öffnung ist alternativ bevorzugt durch eine Vertiefung gebildet, die im Inneren des Maschinenelementes endet. Die mindestens eine Öffnung ist gegenüber der Achse zumindest geneigt, d. h., dass die Öffnung gegenüber der Achse geneigt ist oder senkrecht zur Achse angeordnet ist. Somit erstreckt sich die Öffnung in eine Richtung, die gegenüber der Achse zumindest geneigt ist. Die mindestens eine Öffnung, d. h. deren Richtung weist gegenüber der Achse einen Winkel auf, der größer als 0° ist und bevorzugt größer als 45° ist, wobei dieser Winkel bevorzugt 90° ist, sodass die Richtung der Öffnung senkrecht zur Achse steht. Jedenfalls verläuft die mindestens eine Öffnung nicht in axialer Richtung, sodass die Öffnung insbesondere nicht durch einen in der Achse verlaufenden Hohlraum gebildet ist.The machine element has at least one opening, which represents a recess or a hole in the machine element. The at least one opening is preferably continuous, so that it enters at one point of the machine element and exits at another point of the machine element again. The at least one opening is alternatively preferably formed by a depression which ends in the interior of the machine element. The at least one opening is at least inclined relative to the axis, d. h., That the opening with respect to the axis is inclined or is arranged perpendicular to the axis. Thus, the opening extends in a direction which is at least inclined with respect to the axis. The at least one opening, d. H. the direction of which has an angle with respect to the axis which is greater than 0 ° and is preferably greater than 45 °, this angle preferably being 90 °, so that the direction of the opening is perpendicular to the axis. In any case, the at least one opening does not extend in the axial direction, so that the opening is in particular not formed by a cavity running in the axis.

Das Maschinenelement weist mindestens einen Magnetisierungsbereich für eine im Maschinenelement ausgebildete Magnetisierung auf, die sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades um die Öffnung herum erstreckt. Sind mehrere der Öffnungen vorhanden, so ist bevorzugt für jede der Öffnungen ein Magnetisierungsbereich für eine im Maschinenelement ausgebildete Magnetisierung vorhanden, die sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades um die jeweilige der mehreren Öffnungen herum erstreckt. Der Magnetisierungsbereich bildet einen Primärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes.The machine element has at least one magnetization region for a magnetization formed in the machine element, which extends around the opening along a closed magnetization path. If there are several of the openings, it is preferable for each of the openings to have a magnetization area for a magnetization formed in the machine element, which extends around the respective one of the plurality of openings along a closed magnetization path. The magnetization region forms a primary sensor for determining the force or moment.

Aufgrund der Neigung der Öffnung gegenüber der Achse weist die Magnetisierung eine Ausrichtung auf, die sich gegenüber der Achse entlang des Magnetisierungspfades ändert. Somit ändert sich auch die Ausrichtung des Magnetisierungspfades entlang seiner Erstreckung in Bezug auf die Achse. Es sind also Abschnitte des Magnetisierungspfades vorhanden, die in Bezug auf die Achse unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen. Die Magnetisierung ist somit nicht grundsätzlich axial, nicht grundsätzlich in einem bestimmten Winkel geneigt zur Achse oder nicht grundsätzlich umfänglich ausgerichtet. Die Magnetisierung besitzt entlang ihrer Erstreckung unterschiedliche Ausrichtungen gegenüber der Achse. Der geschlossene Magnetisierungspfad kann beispielsweise vollständig auf der Oberfläche in einem umfänglichen Abschnitt des Maschinenelementes verlaufen. Durch die Änderung der Ausrichtung kann der Magnetisierungspfad innerhalb des umfänglichen Abschnittes geschlossen sein. Jedenfalls verläuft der Magnetisierungspfad nicht vollständig entlang eines Umfanges des Maschinenelementes, wofür er seine Ausrichtung gegenüber der Achse nicht ändern müsste. Die Magnetisierung ist bevorzugt durch einen magnetisierten dreidimensionalen Teilbereich des Volumens des Maschinenelementes gebildet, der die Form eines geschlossenen Seiles aufweist, wobei der Magnetisierungspfad eine mittlere Achse des Seiles darstellt. Der Magnetisierungspfad ist bevorzugt durch eine im Raum geschlossene dreidimensionale Kurve gebildet. Diese Kurve verläuft im Maschinenelement, insbesondere durch das Material des Maschinenelementes um die Öffnung herum. Der Magnetisierungspfad bzw. die dreidimensionale Kurve weist bevorzugt mindestens eine Symmetrieachse auf. Der Magnetisierungspfad bzw. die dreidimensionale Kurve ist bevorzugt achsensymmetrisch. Die Achse des Maschinenelementes ist bevorzugt außerhalb des geschlossenen Magnetisierungspfades bzw. außerhalb der geschlossenen Kurve angeordnet. Somit kann der Magnetisierungspfad nicht entlang eines Umfanges des Maschinenelementes geschlossen sein.Due to the inclination of the opening with respect to the axis, the magnetization has an orientation that changes with respect to the axis along the magnetization path. Thus, the orientation of the magnetization path changes along its extent with respect to the axis. Thus, there are portions of the magnetization path having different orientations with respect to the axis. The magnetization is thus not fundamentally axial, not generally oriented at a certain angle to the axis or not generally circumferentially aligned. The magnetization has along its extension different orientations with respect to the axis. For example, the closed magnetizing path may extend completely on the surface in a peripheral portion of the machine element. By changing the orientation, the magnetization path within the peripheral portion may be closed. In any case, the magnetization path is not completely along a circumference of the machine element, for which he would not have to change its orientation relative to the axis. The magnetization is preferably formed by a magnetized three-dimensional portion of the volume of the machine element, which has the shape of a closed cable, wherein the magnetization path represents a central axis of the cable. The magnetization path is preferably formed by a closed in space three-dimensional curve. This curve runs in the machine element, in particular by the material of the machine element around the opening. The magnetization path or the three-dimensional curve preferably has at least one axis of symmetry. The magnetization path or the three-dimensional curve is preferably axisymmetric. The axis of the machine element is preferably arranged outside the closed magnetization path or outside the closed curve. Thus, the magnetization path can not be closed along a circumference of the machine element.

Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens einen ersten Magnetfeldsensor und einen zweiten Magnetfeldsensor, welche jeweils einen Sekundärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes bilden. Der Primärsensor, d. h. der mindestens eine magnetisierte Magnetisierungsbereich dient zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während die Sekundärsensoren die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglichen. Der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor sind jeweils zur einzelnen Messung zumindest einer ersten Richtungskomponente und einer zweiten Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Die Eignung der mindestens zwei Magnetfeldsensoren zur einzelnen Messung der mindestens zwei Richtungskomponenten des Magnetfeldes kann unmittelbar oder mittelbar ausgebildet sein. Die mindestens zwei Richtungskomponenten sind jeweils unabhängig voneinander messbar. Das genannte Magnetfeld tritt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auf. Somit beruht die mit der erfindungsgemäßen Anordnung mögliche Messung auf dem invers-magnetostriktiven Effekt. Die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente und die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente sind bezogen auf die Achse unterschiedlich ausgerichtet. Ebenso sind die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente und die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente bezogen auf die Achse unterschiedlich ausgerichtet. Somit können mit jedem der Magnetfeldsensoren unterschiedliche vektorielle Komponenten des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes einzeln gemessen werden. Der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor sind an unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse herum angeordnet. Somit weisen der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor unterschiedliche Drehwinkel gegenüber der Achse auf.The arrangement further comprises at least a first magnetic field sensor and a second magnetic field sensor, which each have a secondary sensor for determining the force or the Make momentes. The primary sensor, ie, the at least one magnetized magnetization region serves to convert the force to be measured or the moment to be measured into a corresponding magnetic field, while the secondary sensors allow the conversion of this magnetic field into electrical signals. The first magnetic field sensor and the second magnetic field sensor are each designed for the individual measurement of at least one first direction component and a second direction component of a magnetic field caused by the magnetization as well as by the force and / or by the moment. The suitability of the at least two magnetic field sensors for the individual measurement of the at least two directional components of the magnetic field can be formed directly or indirectly. The at least two directional components are each independently measurable. The said magnetic field occurs due to the inverse magnetostrictive effect. Thus, the possible with the inventive arrangement measurement based on the inverse magnetostrictive effect. The first directional component measurable with the first magnetic field sensor and the second directional component measurable with the first magnetic field sensor are differently oriented relative to the axis. Likewise, the first directional component measurable with the second magnetic field sensor and the second directional component measurable with the second magnetic field sensor are differently oriented relative to the axis. Thus, with each of the magnetic field sensors, different vectorial components of the magnetic field caused by the magnetization as well as by the force and / or by the moment can be individually measured. The first magnetic field sensor and the second magnetic field sensor are arranged at different circumferential positions around the axis. Thus, the first magnetic field sensor and the second magnetic field sensor have different rotational angles with respect to the axis.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass sie die Messung mehrerer vektorieller Komponenten, umfassend insbesondere eine Zugkraftkomponente der auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und die Messung der vektoriellen Komponenten des auf das Maschinenelement wirkenden Momentes erlaubt, da für alle diese vektoriellen Komponenten aus der um die Öffnung herum angeordneten Magnetisierung aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes ein Magnetfeld mit verschiedenen Richtungskomponenten austritt, die mit den beiden Magnetfeldsensoren messbar sind. Die Anordnung erlaubt somit eine multifunktionelle Messung.A particular advantage of the arrangement according to the invention is that it allows the measurement of several vectorial components, comprising in particular a tensile component of the force acting on the machine element and the measurement of the vectorial components of the moment acting on the machine element, since for all these vectorial components from the order Because of the inverse-magnetostrictive effect, the magnetization arranged around the opening exits a magnetic field with different directional components that can be measured with the two magnetic field sensors. The arrangement thus allows a multifunctional measurement.

Der Magnetisierungsbereich kann permanent oder temporär magnetisiert sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Magnetisierungsbereich permanent magnetisiert, sodass die mindestens eine Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist. Die eine Permanentmagnetisierung erstreckt sich bevorzugt ringförmig um die eine Öffnung herum bzw. die mehreren Permanentmagnetisierungen erstrecken sich bevorzugt jeweils ringförmig um die jeweilige der mehreren Öffnungen herum. Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung weist diese weiterhin einen Magnet zum Magnetisieren des Magnetisierungsbereiches auf, sodass die Magnetisierung des Magnetisierungsbereiches grundsätzlich temporär ist. Der Magnet kann durch einen Permanentmagnet oder bevorzugt durch einen Elektromagnet gebildet sein.The magnetization region can be permanently or temporarily magnetized. In preferred embodiments of the arrangement according to the invention, the magnetization region is permanently magnetized, so that the at least one magnetization is formed by a permanent magnetization. The one permanent magnetization preferably extends annularly around the one opening or the plurality of permanent magnetizations preferably extend annularly around the respective one of the plurality of openings. In alternatively preferred embodiments of the arrangement according to the invention, this further comprises a magnet for magnetizing the magnetization region, so that the magnetization of the magnetization region is basically temporary. The magnet may be formed by a permanent magnet or preferably by an electromagnet.

Der permanent oder temporär magnetisierte Magnetisierungsbereich ist in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb des Magnetisierungsbereich bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des Magnetisierungsbereiches messbar ist.The permanently or temporarily magnetized magnetization region is preferably magnetically neutral in a state of the machine element that is unloaded by a force or momentarily outside the magnetization region, so that no technically relevant magnetic field outside the magnetization region can be measured.

Die mindestens eine Öffnung im Maschinenelement weist bevorzugt einen kreisförmigen, einen langlochförmigen, einen ovalen oder einen ellipsenförmigen Querschnitt auf. Besonders bevorzugt ist der Querschnitt langlochförmig, wobei die Langlochform parallel zur Achse ausgerichtet ist.The at least one opening in the machine element preferably has a circular, a slot-shaped, an oval or an elliptical cross-section. Particularly preferably, the cross section is slot-shaped, wherein the slot shape is aligned parallel to the axis.

Die mindestens eine Öffnung im Maschinenelement weist in ihrem Querschnitt einen Durchmesser auf, der bevorzugt zwischen 10% und 70% der maximalen radialen Ausdehnung des Maschinenelementes beträgt. Insofern das Maschinenelement beispielsweise die äußere Form eines Primas aufweist, so ist die maximale radiale Ausdehnung bevorzugt durch die Länge einer Diagonalen im Querschnitt des Prismas gebildet. Insofern das Maschinenelement beispielsweise die äußere Form eines Zylinders aufweist, so ist die maximale radiale Ausdehnung bevorzugt durch einen Durchmesser des Zylinders gebildet.The at least one opening in the machine element has in its cross section a diameter which is preferably between 10% and 70% of the maximum radial extent of the machine element. If, for example, the machine element has the outer shape of a primate, then the maximum radial extent is preferably formed by the length of a diagonal in the cross section of the prism. If, for example, the machine element has the outer shape of a cylinder, the maximum radial extent is preferably formed by a diameter of the cylinder.

Die eine Öffnung bzw. die mehreren Öffnungen erstrecken sich bevorzugt jeweils gerade in der Richtung ihrer Erstreckung. Somit ist die mindestens eine Öffnung bevorzugt nicht bogenförmig oder abgewinkelt ausgebildet.The one or more openings preferably each extend straight in the direction of their extension. Thus, the at least one opening is preferably not arcuate or angled.

Besonders bevorzugt erstreckt sich die mindestens eine Öffnung senkrecht zur Achse des Maschinenelementes. Somit erstreckt sich die eine Öffnung bzw. erstrecken sich die mehreren Öffnungen jeweils in radialer Richtung.Particularly preferably, the at least one opening extends perpendicular to the axis of the machine element. Thus, the one opening extends or extend the plurality of openings in each case in the radial direction.

Die eine Öffnung bzw. die mehreren Öffnungen weisen bevorzugt jeweils die Form eines geraden Zylinders auf. Es handelt sich dabei bevorzugt um Bohrungen.The one or more openings preferably each have the shape of a straight cylinder. These are preferably holes.

Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement mehrere der Öffnungen an einer gleichen axialen Position auf, wobei die Öffnungen gleichverteilt um die Achse herum angeordnet sind. Die Öffnungen sind bevorzugt gleich ausgebildet. Um jede der Öffnungen herum erstreckt sich eine der Magnetisierungen entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades. Die Magnetisierungen um jeweils zwei benachbarte der Öffnungen haben auf ihren Magnetisierungspfaden bevorzugt einen zueinander umgekehrten Umlaufsinn. More preferably, the machine element has a plurality of the openings at a same axial position, wherein the openings are arranged uniformly distributed around the axis. The openings are preferably formed the same. Around each of the openings, one of the magnetizations extends along a closed magnetization path. The magnetizations around each adjacent two of the openings preferably have a mutually reversed sense of rotation on their magnetization paths.

Die an einer gemeinsamen axialen Position angeordneten Öffnungen führen erfindungsgemäß zu einer Verringerung der Belastbarkeit des Maschinenelementes hinsichtlich Kräften und Momenten. An der axialen Position der Öffnungen nehmen die Öffnungen einen Anteil am Umfang des Maschinenelementes ein, der bevorzugt mindestens 10% und weiter bevorzugt mindestens die Hälfte des Umfanges des Maschinenelementes beträgt. Dieses Merkmal kann alternativ dadurch beschrieben werden, dass das Maschinenelement wegen der Öffnungen in mehreren auf die Achse bezogenen angularen Abschnitten des Maschinenelementes nicht ausgebildet ist, wobei die Summe dieser angularen Abschnitte bevorzugt mindestens 36° und weiter bevorzugt mindestens 180° beträgt.The arranged at a common axial position openings lead according to the invention to a reduction in the load capacity of the machine element with respect to forces and moments. At the axial position of the openings, the openings occupy a portion of the circumference of the machine element, which is preferably at least 10% and more preferably at least half the circumference of the machine element. This feature may alternatively be described by the fact that the machine element is not formed because of the openings in a plurality of axis-related angular sections of the machine element, the sum of these angular sections being preferably at least 36 ° and more preferably at least 180 °.

Zwischen zwei benachbarten der Öffnungen, die an einer gleichen axialen Position angeordnet sind, ist jeweils ein auf die Achse bezogener angularer Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet, der als eine Dünnstelle angesehen werden kann. Die Magnetfeldsensoren sind jeweils bevorzugt in tangentialer Richtung mittig und bevorzugt auch in axialer Richtung mittig gegenüber einer der Dünnstellen angeordnet; insbesondere wenn die Magnetfeldsensoren jeweils zur Messung der axialen Richtungskomponente und der tangentialen Richtungskomponente ausgebildet sind.Between two adjacent ones of the openings, which are arranged at a same axial position, in each case an axis-related angular section of the machine element is formed, which can be regarded as a thin point. The magnetic field sensors are each preferably arranged centrally in the tangential direction and preferably also centrally in the axial direction with respect to one of the thin locations; in particular if the magnetic field sensors are each designed to measure the axial direction component and the tangential direction component.

Die Magnetfeldsensoren weisen in radialer Richtung bevorzugt jeweils einen geringen Abstand zu der jeweiligen der mehreren Dünnstellen auf, wobei die Magnetfeldsensoren radial außenliegend gegenüber der jeweiligen Dünnstelle oder radial innenliegend gegenüber der jeweiligen Dünnstelle in einem Hohlraum des Maschinenelementes angeordnet sein können.The magnetic field sensors preferably each have a small distance to the respective one of the plurality of thin locations in the radial direction, wherein the magnetic field sensors can be arranged radially outwardly of the respective thin point or radially inwardly opposite the respective thin spot in a cavity of the machine element.

Die Eignung der Magnetfeldsensoren zur Messung unterschiedlicher Richtungskomponenten des Magnetfeldes kann dadurch gegeben sein, dass die Magnetfeldsensoren jeweils zwei oder drei Magnetfeldsensorelemente umfassen, die jeweils zur Messung einer einzelnen der Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind. Die Magnetfeldsensorelemente müssen nicht in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Die Magnetfeldsensorelemente sind bevorzugt gleich ausgebildet, jedoch unterschiedlich ausgerichtet.The suitability of the magnetic field sensors for measuring different directional components of the magnetic field can be given by the fact that the magnetic field sensors each comprise two or three magnetic field sensor elements, each for measuring a single of the directional components of the magnetic field caused by the magnetization and by the force and / or by the moment are. The magnetic field sensor elements need not be arranged in a common housing. The magnetic field sensor elements are preferably identical, but differently oriented.

Bei einer alternativ bevorzugten Ausführungsform sind die Magnetfeldsensoren jeweils zur Messung der radialen Richtungskomponente und der tangentialen Richtungskomponente ausgebildet. Dabei umfassen die Magnetfeldsensoren bevorzugt jeweils zwei Magneteldsensorelemente, wobei jeweils eines der Magneteldsensorelemente zur Messung der radialen Richtungskomponente und eines der Magnetfeldsensorelemente zur Messung der tangentialen Richtungskomponente ausgebildet ist. Die Magnetfeldsensorelemente zur Messung der radialen Richtungskomponenten sind jeweils bevorzugt in tangentialer Richtung mittig gegenüber der jeweiligen Dünnstelle und bevorzugt in axialer Richtung an einem axialen Ende der jeweiligen Dünnstelle angeordnet. Die Magnetfeldsensorelemente zur Messung der tangentialen Richtungskomponenten sind jeweils bevorzugt in tangentialer Richtung mittig und bevorzugt auch in axialer Richtung mittig gegenüber der jeweiligen Dünnstelle angeordnet.In an alternative preferred embodiment, the magnetic field sensors are each designed to measure the radial direction component and the tangential direction component. In this case, the magnetic field sensors preferably each comprise two magnetic field sensor elements, one of the magnetic field sensor elements for measuring the radial direction component and one of the magnetic field sensor elements for measuring the tangential direction component being formed in each case. The magnetic field sensor elements for measuring the radial direction components are each preferably arranged in the tangential direction centrally relative to the respective thin point and preferably in the axial direction at an axial end of the respective thin point. The magnetic field sensor elements for measuring the tangential directional components are each preferably arranged centrally in the tangential direction and preferably also centrally in the axial direction in relation to the respective thin point.

Die mit den Magnetfeldsensoren messbaren mindestens zwei Richtungskomponenten sind bevorzugt in Richtungen ausgerichtet, die aus der folgenden Gruppe von Richtungen ausgewählt sind: eine Richtung parallel zur Achse, d. h. eine axiale Richtung; eine Richtung radial zur Achse, d. h. eine radiale Richtung und eine Richtung tangential zur Achse, d. h. eine tangentiale Richtung.The at least two directional components measurable with the magnetic field sensors are preferably oriented in directions selected from the following group of directions: a direction parallel to the axis, i. H. an axial direction; a direction radial to the axis, d. H. a radial direction and a direction tangential to the axis, d. H. a tangential direction.

Bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist mindestens einer der Magnetfeldsensoren zur mittelbaren Messung einer der Richtungskomponenten des Magnetfeldes ausgebildet. Beispielsweise kann die axiale Richtungskomponente des Magnetfeldes mittelbar dadurch gemessen werden, dass unmittelbar eine radiale Richtungskomponente des Magnetfeldes axial beabstandet zur ringförmigen Magnetisierung gemessen wird. Hierfür umfassen die Magnetfeldsensoren bevorzugt jeweils mindestens zwei Magnetfeldsensorelemente, wobei eines der Magnetfeldsensorelemente zur Messung der radialen Richtungskomponente ausgebildet ist und bevorzugt in axialer Richtung an einem axialen Ende der ringförmigen Magnetisierung angeordnet ist.In a particular embodiment of the arrangement according to the invention, at least one of the magnetic field sensors is designed for the indirect measurement of one of the directional components of the magnetic field. For example, the axial direction component of the magnetic field can be indirectly measured by directly measuring a radial direction component of the magnetic field axially spaced from the annular magnetization. For this purpose, the magnetic field sensors preferably each comprise at least two magnetic field sensor elements, wherein one of the magnetic field sensor elements is designed for measuring the radial direction component and is preferably arranged in the axial direction at one axial end of the annular magnetization.

Die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente und die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente sind bezogen auf die Achse bevorzugt senkrecht zueinander angeordnet, z. B. tangential und axial. Die axiale Richtung, die radiale Richtung und die tangentiale Richtung stehen senkrecht aufeinander.The first directional component measurable with the first magnetic field sensor and the second directional component measurable with the first magnetic field sensor are preferably arranged perpendicular to one another with respect to the axis, e.g. B. tangential and axial. The axial direction, the radial direction and the tangential direction are perpendicular to each other.

Die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente und die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente sind bevorzugt senkrecht zueinander angeordnet. Die axiale Richtung, die radiale Richtung und die tangentiale Richtung stehen senkrecht aufeinander. The first directional component measurable with the second magnetic field sensor and the second directional component measurable with the second magnetic field sensor are preferably arranged perpendicular to one another. The axial direction, the radial direction and the tangential direction are perpendicular to each other.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung sind die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente und die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare erste Richtungskomponente gleich ausgerichtet. Entsprechend sind auch die mit dem ersten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente und die mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbare zweite Richtungskomponente gleich ausgerichtet. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der ersten Richtungskomponente beider Magnetfeldsensoren um die axiale Richtungskomponente, während es sich bei der zweiten Richtungskomponente beider Magnetfeldsensoren um die tangentiale Richtungskomponente handelt.In preferred embodiments of the arrangement according to the invention, the first directional component measurable with the first magnetic field sensor and the first directional component measurable with the second magnetic field sensor are aligned identically. Correspondingly, the second directional component measurable with the first magnetic field sensor and the second directional component measurable with the second magnetic field sensor are likewise aligned identically. The first directional component of both magnetic field sensors is particularly preferably the axial directional component, while the second directional component of both magnetic field sensors is the tangential directional component.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst diese weiterhin einen dritten Magnetfeldsensor zur separaten Messung mindestens einer ersten und einer zweiten Richtungskomponente des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes. Die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungen der mit dem ersten Magnetfeldsensor und mit dem zweiten Magnetfeldsensor messbaren Richtungskomponenten gelten in gleicher Weise für den dritten Magnetfeldsensor.In preferred embodiments of the arrangement according to the invention, this further comprises a third magnetic field sensor for separately measuring at least a first and a second directional component of the magnetic field caused by the magnetization and by the force and / or by the moment. The above-described preferred embodiments of the direction components measurable with the first magnetic field sensor and with the second magnetic field sensor apply in the same way to the third magnetic field sensor.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst diese weiterhin einen vierten Magnetfeldsensor zur einzelnen Messung mindestens einer ersten und einer zweiten Richtungskomponente des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes. Die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungen der mit dem ersten Magnetfeldsensor, mit dem zweiten Magnetfeldsensor und mit dem dritten Magnetfeldsensor messbaren Richtungskomponenten gelten in gleicher Weise für den vierten Magnetfeldsensor.In preferred embodiments of the arrangement according to the invention, this further comprises a fourth magnetic field sensor for individually measuring at least a first and a second directional component of the magnetic field caused by the magnetization and by the force and / or by the moment. The above-described preferred embodiments of the direction components measurable with the first magnetic field sensor, with the second magnetic field sensor and with the third magnetic field sensor apply in the same way to the fourth magnetic field sensor.

Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Anordnung auch mehr als vier der Magnetfeldsensoren umfassen.In principle, the arrangement according to the invention can also comprise more than four of the magnetic field sensors.

Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse des Maschinenelementes auf. Grundsätzlich können die mindestens zwei Magnetfeldsensoren außerhalb des Maschinenelementes oder auch innerhalb eines Hohlraumes des Maschinenelementes angeordnet sein, beispielsweise wenn das Maschinenelement durch eine Hohlwelle gebildet ist.The at least two magnetic field sensors preferably have the same distance from the axis of the machine element. In principle, the at least two magnetic field sensors can be arranged outside the machine element or even within a cavity of the machine element, for example when the machine element is formed by a hollow shaft.

Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren sind bevorzugt an der gleichen axialen Position wie die mindestens eine Öffnung und der mindestens eine Magnetisierungsbereich angeordnet und um die Achse herum verteilt angeordnet. Somit weisen die Magnetfeldsensoren die gleiche axiale Position wie die mindestens eine Öffnung und der mindestens eine Magnetisierungsbereich auf. Dabei sind die mindestens zwei Magnetfeldsensoren bevorzugt um einen einzigen Punkt der Achse herum verteilt angeordnet.The at least two magnetic field sensors are preferably arranged at the same axial position as the at least one opening and the at least one magnetization area and distributed around the axis. Thus, the magnetic field sensors have the same axial position as the at least one opening and the at least one magnetization region. In this case, the at least two magnetic field sensors are preferably distributed around a single point of the axis.

Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren sind bevorzugt um die Achse herum gleichverteilt angeordnet. Insofern die erfindungsgemäße Anordnung genau zwei der Magnetfeldsensoren umfasst, weisen diese folglich einen Winkel von 180° zueinander in Bezug auf die Achse auf. Insofern die erfindungsgemäße Anordnung genau drei der Magnetfeldsensoren umfasst, weisen zwei benachbarte der Magnetfeldsensoren folglich einen Winkel von 120° zueinander in Bezug auf die Achse auf. Insofern die erfindungsgemäße Anordnung genau vier der Magnetfeldsensoren umfasst, weisen zwei benachbarte der Magnetfeldsensoren folglich einen Winkel von 90° zueinander in Bezug auf die Achse auf. Besonders bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Anordnung genau vier der Magnetfeldsensoren, die um die Achse herum gleichverteilt angeordnet sind.The at least two magnetic field sensors are preferably arranged uniformly distributed around the axis. Insofar as the arrangement according to the invention comprises exactly two of the magnetic field sensors, these consequently have an angle of 180 ° to one another with respect to the axis. Insofar as the arrangement according to the invention comprises exactly three of the magnetic field sensors, two adjacent ones of the magnetic field sensors consequently have an angle of 120 ° to one another with respect to the axis. Insofar as the arrangement according to the invention comprises exactly four of the magnetic field sensors, two adjacent ones of the magnetic field sensors consequently have an angle of 90 ° to one another with respect to the axis. Particularly preferably, the arrangement according to the invention comprises exactly four of the magnetic field sensors which are arranged uniformly distributed around the axis.

Das Maschinenelement besteht zumindest in dem mindestens einen Magnetisierungsbereich, d. h. in einem Bereich um die eine Öffnung herum bzw. um die mehreren Öffnungen herum aus einem ferromagnetischen und magnetostriktiven Material. Das Material des Maschinenelementes umfasst bevorzugt Eisen. Das Material des Maschinenelementes ist bevorzugt durch einen Stahl gebildet.The machine element consists at least in the at least one magnetization region, i. H. in a region around the one or more openings around a ferromagnetic and magnetostrictive material. The material of the machine element preferably comprises iron. The material of the machine element is preferably formed by a steel.

Das Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Prismas, eines Konus oder eines Zylinders auf, wobei das Prisma bzw. der Konus bzw. der Zylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Das Prisma bzw. der Konus bzw. der Zylinder ist bevorzugt gerade. Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement die Form eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet.The machine element preferably has the form of a prism, a cone or a cylinder, wherein the prism or the cone or the cylinder is arranged coaxially to the axis. The prism or the cone or the cylinder is preferably straight. Particularly preferably, the machine element has the shape of a straight circular cylinder, wherein the circular cylinder is arranged coaxially to the axis. In particular embodiments, the prism or the cylinder is conical.

Die mittlere Achse des Zylinders bzw. des Konus stellt auch die Achse des Maschinenelementes dar.The central axis of the cylinder or the cone also represents the axis of the machine element.

Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement die äußere Grundform eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist.Particularly preferably, the machine element has the outer basic shape of a straight Circular cylinder, wherein the circular cylinder is arranged coaxially to the axis.

Das Maschinenelement ist bevorzugt hohl, wofür es einen sich zumindest teilweise in der Achse erstreckenden Hohlraum aufweist. Der Hohlraum ist insbesondere im Bereich der Achse ausgebildet. Bevorzugt erstreckt sich der Hohlraum über mehr als die Hälfte der axialen Länge des Maschinenelementes. Der Hohlraum ist bevorzugt an einem axialen Ende des Maschinenelementes offen. Er weist bevorzugt die Form eines Zylinders auf. Das Maschinenelement kann aber auch ohne Hohlraum ausgebildet sein.The machine element is preferably hollow, for which it has an at least partially extending in the axis cavity. The cavity is formed in particular in the region of the axis. Preferably, the cavity extends over more than half the axial length of the machine element. The cavity is preferably open at one axial end of the machine element. It preferably has the shape of a cylinder. The machine element can also be formed without a cavity.

Das hohle Maschinenelement stellt eine Wandung dar, die den Hohlraum und die Achse umschließt. Die mindestens eine Öffnung ist in der Wandung ausgebildet und verbindet den Hohlraum mit einem Bereich außerhalb des hohlen Maschinenelementes.The hollow machine element represents a wall which encloses the cavity and the axis. The at least one opening is formed in the wall and connects the cavity to an area outside the hollow machine element.

Das hohle Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Hohlzylinders, eines Hohlprismas oder eines Hohlkonus auf.The hollow machine element preferably has the shape of a hollow cylinder, a hollow prism or a hollow cone.

Das hohle Maschinenelement in der bevorzugten Form des Hohlzylinders ist bevorzugt durch eine Hülse gebildet. Die mindestens eine Öffnung ist im Hülsenmantel bzw. im Hohlzylindermantel ausgebildet.The hollow machine element in the preferred form of the hollow cylinder is preferably formed by a sleeve. The at least one opening is formed in the sleeve casing or in the hollow cylinder jacket.

Das erfindungsgemäße Maschinenelement ist bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei dessen Achse auch gleichzeitig eine Symmetrieachse bildet.The machine element according to the invention is preferably rotationally symmetrical, with its axis also forming an axis of symmetry at the same time.

Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine partiell hohle Welle, durch eine Hohlwelle, durch eine zumindest partiell hohle Schaltgabel oder durch einen Hohlflansch gebildet. Die partiell hohle Welle, die Hohlwelle, die partiell hohle Schaltgabel bzw. der Hohlflansch kann für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momente ausgelegt sein und beispielsweise eine Komponente eines Sensortretlagers, eines Wankstabilisators oder eines Düngemittelstreuers sein. Grundsätzlich kann das Maschinenelement auch durch völlig andersartige Maschinenelementtypen gebildet sein.The machine element is preferably formed by a partially hollow shaft, by a hollow shaft, by an at least partially hollow shift fork or by a hollow flange. The partially hollow shaft, the hollow shaft, the partially hollow shift fork or the hollow flange can be designed for loads due to different forces and moments and, for example, be a component of a Sensortretlagers, a roll stabilizer or a fertilizer spreader. In principle, the machine element can also be formed by completely different types of machine elements.

Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren bzw. die von den Magnetfeldsensoren umfassten Magnetfeldsensorelemente sind bevorzugt jeweils durch ein Fluxgate-Magnetometer, durch einen Hall-Sensor, durch eine Spule, durch eine Förstersonde oder durch einen Halbleitersensor gebildet. Grundsätzlich können auch andere Sensortypen verwendet werden, insofern sie zur Messung einer einzelnen oder mehrerer einzelner Richtungskomponenten des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet sind.The at least two magnetic field sensors or the magnetic field sensor elements encompassed by the magnetic field sensors are preferably each formed by a fluxgate magnetometer, by a Hall sensor, by a coil, by a forster probe or by a semiconductor sensor. In principle, other sensor types may be used insofar as they are suitable for measuring a single or a plurality of individual directional components of the magnetic field produced by the inverse-magnetostrictive effect.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes. Die Kraft und/oder das Moment wirkt auf ein sich in einer Achse erstreckendes Maschinenelement. Das Maschinenelement weist mindestens eine Öffnung auf, die gegenüber der Achse zumindest geneigt ist. Weiterhin weist das Maschinenelement einen Magnetisierungsbereich für eine Magnetisierung auf, die sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades um die Öffnung herum erstreckt. Erfindungsgemäß erfolgt ein mittelbares Messen der Kraft bzw. des Momentes an mindestens zwei unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse. An diesen zwei Positionen werden jeweils mindestens zwei unterschiedlich ausgerichtete Richtungskomponenten eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes bestimmt.The method according to the invention is used to measure a force and / or a moment. The force and / or torque acts on a machine element extending in an axis. The machine element has at least one opening which is at least inclined relative to the axis. Furthermore, the machine element has a magnetization region for a magnetization which extends around the opening along a closed magnetization path. According to the invention, an indirect measurement of the force or the moment takes place at at least two different circumferential positions about the axis. At least two differently oriented directional components of a magnetic field caused by the magnetization as well as by the force and / or by the moment are determined at these two positions.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es die flexible Messung sämtlicher Richtungskomponenten der auftretenden Kraft und des auftretenden Momentes ermöglicht.A particular advantage of the method according to the invention is that it allows the flexible measurement of all direction components of the occurring force and the occurring moment.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt an der erfindungsgemäßen Anordnung und deren bevorzugten Ausführungsformen durchgeführt. Im Übrigen weist das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt auch diejenigen Merkmale auf, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung und deren bevorzugten Ausführungsformen angegeben sind.The method according to the invention is preferably carried out on the arrangement according to the invention and its preferred embodiments. Moreover, the method according to the invention preferably also has those features which are specified in connection with the arrangement according to the invention and its preferred embodiments.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further details, advantages and developments of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment of the invention, with reference to the drawing. Show it:

1 ein Maschinenelement einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung; und 1 a machine element of a preferred embodiment of an arrangement according to the invention; and

2 das in 1 gezeigte Maschinenelement innerhalb der erfindungsgemäßen Anordnung. 2 this in 1 shown machine element within the inventive arrangement.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines hülsenförmigen Maschinenelementes 01 einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes am Maschinenelement 01. Im Inneren des hülsenförmigen Maschinenelementes 01 befindet sich ein Hohlraum 02. Das hülsenförmige Maschinenelement 01 weist eine Achse 03 auf, welche auch eine Symmetrieachse des Maschinenelementes 01 und dessen Hohlraum 02 darstellt. 1 shows a perspective view of a sleeve-shaped machine element 01 a preferred embodiment of an inventive arrangement for measuring a force and / or torque on the machine element 01 , Inside the sleeve-shaped machine element 01 there is a cavity 02 , The sleeve-shaped machine element 01 has an axis 03 on, which also has an axis of symmetry of the machine element 01 and its cavity 02 represents.

Das hülsenförmige Maschinenelement 01 weist vier gleich große langlochförmige Öffnungen 04 im Mantel seiner Hülsenform auf, die um die Achse 03 herum gleichverteilt angeordnet sind, sodass der Mittelpunktswinkel zwischen jeweils zwei benachbarten der Öffnungen 04 immer 90° beträgt. Die Öffnungen 04 weisen eine gleiche axiale Position auf, sodass sie umfänglich benachbart sind.The sleeve-shaped machine element 01 has four equal-sized slot-shaped openings 04 in the mantle of its sleeve-shape, around the axis 03 are arranged around equally distributed, so that the center angle between each two adjacent openings 04 always 90 °. The openings 04 have a same axial position so that they are circumferentially adjacent.

Die Öffnungen 04 sind in tangentialer Richtung so groß, dass zwischen zwei benachbarten der Öffnungen 04 jeweils nur eine schmale Dünnstelle 06 verbleibt. Die vier Dünnstellen 06 sind gleich groß.The openings 04 are so large in the tangential direction that between two adjacent of the openings 04 only one thin thin spot each 06 remains. The four thin spots 06 are the same size.

Das Maschinenelement 01 weist vier Permanentmagnetisierungen auf, die sich jeweils auf einem geschlossenen Magnetisierungspfad 07 um jeweils eine der vier Öffnungen 04 herum erstrecken. Die vier Permanentmagnetisierungen besitzen jeweils eine Magnetisierungsachse (nicht dargestellt), die vollständig senkrecht zur Umlaufrichtung des geschlossenen Magnetisierungspfades 07 ausgerichtet ist. Die vier Magnetisierungsachsen sind jeweils in radialer Richtung bezogen auf die Achse 03 ausgerichtet.The machine element 01 has four permanent magnetizations, each on a closed magnetization path 07 one at each of the four openings 04 extend around. The four permanent magnetizations each have a magnetization axis (not shown) which is completely perpendicular to the direction of rotation of the closed magnetization path 07 is aligned. The four magnetization axes are each in the radial direction with respect to the axis 03 aligned.

Das Maschinenelement 01 besteht aus einem magnetoelastischen Material, welches den magnetostriktiven Effekt aufweist.The machine element 01 consists of a magnetoelastic material, which has the magnetostrictive effect.

2 zeigt das in 1 gezeigte Maschinenelement 01 innerhalb der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Ansicht von vorn und in einer Querschnittsansicht. Die Anordnung umfasst neben dem Maschinenelement 01 vier Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14, die umfänglich um das hülsenförmige Maschinenelement 01 herum angeordnet sind und einen gleichen Abstand zur Achse 03 aufweisen. Die vier Magnetfeldsensoren 1, 12, 13, 14 stehen jeweils einer der vier Dünnstellen 06 mittig gegenüber. Die vier Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14 sind um die Achse 03 herum gleichverteilt angeordnet. 2 shows that in 1 shown machine element 01 within the preferred embodiment of the inventive arrangement in a front view and in a cross-sectional view. The arrangement includes beside the machine element 01 four magnetic field sensors 11 . 12 . 13 . 14 circumferentially around the sleeve-shaped machine element 01 are arranged around and at an equal distance from the axis 03 exhibit. The four magnetic field sensors 1 . 12 . 13 . 14 each one of the four thin points 06 in the middle opposite. The four magnetic field sensors 11 . 12 . 13 . 14 are around the axis 03 arranged uniformly around.

Da die vier Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14 jeweils mittig in axialer Richtung und mittig in tangentialer Richtung der jeweiligen Dünnstelle 06 gegenüberstehen, stehen sie auch jeweils mittig in axialer Richtung und mittig in tangentialer Richtung zwischen zwei benachbarten der sich um die Öffnungen 04 herum erstreckenden Magnetisierungspfade 07 der Permanentmagnetisierungen.Because the four magnetic field sensors 11 . 12 . 13 . 14 in each case in the middle in the axial direction and in the middle in the tangential direction of the respective thin point 06 They also face each other in the middle in the axial direction and in the middle in the tangential direction between two adjacent ones around the openings 04 around extending magnetization paths 07 the permanent magnetizations.

Die vier Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14 sind beispielsweise jeweils durch einen Fluxgate-Sensor oder durch einen Hall-Sensor gebildet. Die vier Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14 sind dazu ausgebildet, jeweils zwei Richtungskomponenten eines Magnetfeldes B einzeln zu messen, nämlich eine axiale Richtungskomponente und eine tangentiale Richtungskomponente. Diese Eignung kann alternativ dadurch gegeben sein, dass die Magnetfeldsensoren jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente (nicht gezeigt) zur Messung jeweils einer der genannten Richtungskomponenten umfassen.The four magnetic field sensors 11 . 12 . 13 . 14 For example, each is formed by a fluxgate sensor or by a Hall sensor. The four magnetic field sensors 11 . 12 . 13 . 14 are designed to measure two directional components of a magnetic field B individually, namely an axial directional component and a tangential directional component. This suitability may alternatively be given by the fact that the magnetic field sensors each comprise two magnetic field sensor elements (not shown) for measuring in each case one of the aforementioned directional components.

Es sind die drei kartesischen Richtungen x, y und z dargestellt, wobei die Achse 03 in der x-Richtung liegt. Es sind weiterhin für jeden der vier Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14 die jeweils messbaren Richtungskomponenten des Magnetfeldes B angegeben. Die angegebenen Richtungskomponenten weisen einen ersten Index auf, wobei a für die axiale Richtung und t für die tangentiale Richtung bezogen auf die Achse 03 steht. Die angegebenen Richtungskomponenten weisen einen zweiten Index auf, welcher einen Drehwinkel α in Grad angibt. Der Drehwinkel α ist zwischen der Position des jeweiligen der Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14 und der z-Achse aufgespannt. Da die vier Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14 um die Achse 03 herum gleichverteilt angeordnet sind, beträgt der Drehwinkel α = 0°, 90°, 180° bzw. 270°.The three Cartesian directions x, y and z are shown, with the axis 03 lies in the x-direction. It continues to be for each of the four magnetic field sensors 11 . 12 . 13 . 14 the respective measurable directional components of the magnetic field B indicated. The indicated directional components have a first index, where a is the axial direction and t is the tangential direction with respect to the axis 03 stands. The indicated direction components have a second index, which indicates a rotation angle α in degrees. The rotation angle α is between the position of the respective one of the magnetic field sensors 11 . 12 . 13 . 14 and the z-axis spanned. Because the four magnetic field sensors 11 . 12 . 13 . 14 around the axis 03 are arranged around equally distributed, the angle of rotation α = 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °.

Mit der gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich sämtliche drei Richtungskomponenten Mx, My und Mz eines auf das Maschinenelement 01 wirkenden Momentes und sämtliche drei Richtungskomponenten Fx, Fy und Fz einer auf das Maschinenelement 01 wirkenden Kraft messen. Es gelten die folgenden Zusammenhänge: Mx = k1·(Bt0 + Bt90 + Bt180 + Bt270) oder Mx = k2·(Bt0 + Bt180) oder Mx = k3·(Bt90 + Bt270) My = k4·(Ba0 – Ba180) Mz = k5·(Ba90 – Ba270) Fx = k6·(Ba0 – Ba90 + Ba180 – Ba270) oder Fx = k7·(Ba0 + Ba180) oder Fx = k8·(Ba90 + Ba270) Fy = k9·(Bt0 – Bt180) Fz = k10·(Bt90 – Bt270) k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7, k8, k9, k10: KonstantenWith the embodiment of the arrangement according to the invention shown, all three directional components M x , M y and M z can be applied to the machine element 01 acting moment and all three directional components F x , F y and F z one on the machine element 01 measure acting force. The following relationships apply: M x = k 1 * (B t0 + B t90 + B t180 + B t270 ) or M x = k 2 * (B t0 + B t180 ) or M x = k 3 * (B t90 + B t270 ) M y = k 4 · (B a0 -B a180 ) M z = k 5 · (B a90 - B a270 ) F x = k 6 · (B a0 - B a90 + B a180 - B a270 ) or F x = k 7 · (B a0 + B a180 ) or F x = k 8 · (B a90 + B a270 ) F y = k 9 · (B t0 - B t180 ) F z = k 10 · (B t90 -B t270 ) k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , k 5 , k 6 , k 7 , k 8 , k 9 , k 10 : constants

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

0101
Maschinenelementmachine element
0202
Hohlraumcavity
0303
Achseaxis
0404
Öffnungopening
0505
0606
Dünnstellethin place
0707
Magnetisierungspfadmagnetization path
0808
0909
1010
1111
erster Magnetfeldsensorfirst magnetic field sensor
1212
zweiter Magnetfeldsensorsecond magnetic field sensor
1313
dritter Magnetfeldsensorthird magnetic field sensor
1414
vierter Magnetfeldsensorfourth magnetic field sensor

Claims (10)

Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse (03) erstreckenden Maschinenelement (01), welches mindestens eine Öffnung (04) aufweist, die gegenüber der Achse (03) zumindest geneigt ist, wobei das Maschinenelement (01) weiterhin mindestens einen Magnetisierungsbereich für eine Magnetisierung aufweist, die sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades (07) um die Öffnung (04) herum erstreckt, wobei die Anordnung weiterhin mindestens einen ersten Magnetfeldsensor (11) und einen zweiten Magnetfeldsensor (12) umfasst, welche jeweils zur einzelnen Messung einer ersten und einer zweiten Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind, wobei die mit dem ersten Magnetfeldsensor (11) messbare erste Richtungskomponente und die mit dem ersten Magnetfeldsensor (11) messbare zweite Richtungskomponente unterschiedlich ausgerichtet sind, wobei die mit dem zweiten Magnetfeldsensor (12) messbare erste Richtungskomponente und die mit dem zweiten Magnetfeldsensor (12) messbare zweite Richtungskomponente unterschiedlich ausgerichtet sind, und wobei der erste Magnetfeldsensor (11) und der zweite Magnetfeldsensor (12) an unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse (03) herum angeordnet sind.Arrangement for measuring a force and / or moment on an axis ( 03 ) extending machine element ( 01 ), which has at least one opening ( 04 ), which are opposite the axis ( 03 ) is inclined at least, wherein the machine element ( 01 ) further comprises at least one magnetization region for a magnetization which extends along a closed magnetization path ( 07 ) around the opening ( 04 ), the arrangement furthermore comprising at least one first magnetic field sensor ( 11 ) and a second magnetic field sensor ( 12 ), which are respectively designed for the individual measurement of a first and a second direction component of a magnetic field caused by the magnetization as well as by the force and / or by the moment, wherein the magnetic field with the first magnetic field sensor ( 11 ) measurable first direction component and with the first magnetic field sensor ( 11 ) are aligned differently measurable second direction component, wherein the with the second magnetic field sensor ( 12 ) measurable first direction component and with the second magnetic field sensor ( 12 ) are aligned differently measurable second direction component, and wherein the first magnetic field sensor ( 11 ) and the second magnetic field sensor ( 12 ) at different circumferential positions about the axis ( 03 ) are arranged around. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnetisierungsbereich permanent magnetisiert ist, sodass die mindestens eine Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the at least one magnetization region is permanently magnetized, so that the at least one magnetization is formed by a permanent magnetization. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Permanentmagnetisierung ringförmig um die Öffnung (04) herum erstreckt.Arrangement according to claim 2, characterized in that the permanent magnetization annularly around the opening ( 04 ) extends around. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (01) mehrere der Öffnungen (04) aufweist, die an einer gleichen axialen Position und um die Achse (03) herum verteilt angeordnet sind, wobei sich um jede der Öffnungen (04) herum eine der mehreren Magnetisierungen erstreckt.Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the machine element ( 01 ) several of the openings ( 04 ) at a same axial position and about the axis ( 03 ) are arranged around, with each of the openings ( 04 ) extends around one of the plurality of magnetizations. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei benachbarten der mehreren Öffnungen (04) eine Dünnstelle (06) des Maschinenelementes (01) ausgebildet ist.Arrangement according to claim 4, characterized in that between each two adjacent ones of the plurality of openings ( 04 ) a thin spot ( 06 ) of the machine element ( 01 ) is trained. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Magnetfeldsensoren (11, 12, 13, 14) jeweils in tangentialer Richtung mittig gegenüber einer der Dünnstellen (06) angeordnet sind.Arrangement according to claim 5, characterized in that the at least two magnetic field sensors ( 11 . 12 . 13 . 14 ) in the tangential direction in the center of one of the thin sites ( 06 ) are arranged. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Magnetfeldsensoren (11, 12, 13, 14) jeweils in axialer Richtung mittig gegenüber einer der Dünnstellen (06) angeordnet sind.Arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that the at least two magnetic field sensors ( 11 . 12 . 13 . 14 ) in each case in the axial direction in the middle of one of the thin bodies ( 06 ) are arranged. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Magnetfeldsensoren (11, 12, 13, 14) jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente umfassen, die jeweils zur Messung einer der Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind.Arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the at least two magnetic field sensors ( 11 . 12 . 13 . 14 ) each comprise two magnetic field sensor elements which are each designed to measure one of the directional components of the magnetization caused by the magnetization and by the force and / or by the momentary magnetic field. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den mindestens zwei Magnetfeldsensoren (11, 12, 13, 14) jeweils messbaren Richtungskomponenten durch eine Richtungskomponente in einer Richtung senkrecht zur Achse (03) und durch eine Richtungskomponente in einer Richtung tangential zum Maschinenelement (01) gebildet sind.Arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the with the at least two magnetic field sensors ( 11 . 12 . 13 . 14 ) each measurable directional components by a directional component in a direction perpendicular to the axis ( 03 ) and by a directional component in a direction tangential to the machine element ( 01 ) are formed. Verfahren zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes, wobei die Kraft und/oder das Moment auf ein sich in einer Achse (03) erstreckendes Maschinenelement (01) wirkt, welches mindestens eine Öffnung (04) aufweist, die gegenüber der Achse (03) zumindest geneigt ist, wobei das Maschinenelement (01) weiterhin einen Magnetisierungsbereich für eine Magnetisierung aufweist, die sich entlang eines geschlossenen Magnetisierungspfades (07) um die Öffnung (04) herum erstreckt, und wobei das Verfahren einen Schritt umfasst, in welchem ein Messen an mindestens zwei unterschiedlichen umfänglichen Positionen um die Achse (03) herum erfolgt, an denen jeweils mindestens zwei unterschiedlich ausgerichtete Richtungskomponenten eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes bestimmt werden.Method for measuring a force and / or a moment, wherein the force and / or the moment on an axis ( 03 ) extending machine element ( 01 ), which has at least one opening ( 04 ), which are opposite the axis ( 03 ) is inclined at least, wherein the machine element ( 01 ) further comprises a magnetization region for magnetization extending along a closed magnetization path ( 07 ) around the opening ( 04 ), and wherein the method comprises a step of measuring at at least two different circumferential positions about the axis 03 ) is carried out around, at each of which at least two differently oriented directional components of a magnetic field caused by the magnetization and by the force and / or by the moment are determined.
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