DE102017109534B4 - Arrangement and method for measuring a force or a moment on a machine element with at least two magnetic field sensors - Google Patents

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Abstract

Anordnung zum Messen einer Kraft (F) und/oder eines Momentes (M) an einem sich in einer Achse (03) erstreckenden Maschinenelement (01); wobei das Maschinenelement (01) in einem axialen Abschnitt einen sich umfänglich um die Achse (03) herum erstreckenden Magnetisierungsbereich (04) für eine Magnetisierung aufweist; wobei die Anordnung weiterhin mindestens zwei Magnetfeldsensoren (08) umfasst, welche jeweils zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft (F) und/oder durch das Moment (M) bewirkten Magnetfeldes (09) ausgebildet sind, wobei zwei der Magnetfeldsensoren (08) an axialen Positionen beiderseitig neben dem Magnetisierungsbereich (04) axial angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (08) jeweils derart angeordnet sind, dass sie innerhalb der Anordnung zur Messung des durch die Magnetisierung eines einzigen Magnetisierungsbereiches (04) sowie durch die Kraft (F) und/oder durch das Moment (Mt) bewirkten Magnetfeldes (09) ausgebildet sind.Arrangement for measuring a force (F) and / or a moment (M) on a machine element (01) extending in an axis (03); the machine element (01) having in an axial portion a magnetization region (04) extending circumferentially around the axis (03) for magnetization; wherein the arrangement further comprises at least two magnetic field sensors (08) which are each designed for the individual measurement of a radial direction component of a magnetic field (09) caused by the magnetization and by the force (F) and / or by the moment (M), two the magnetic field sensors (08) are axially arranged at axial positions on both sides next to the magnetization region (04), characterized in that the magnetic field sensors (08) are each arranged such that they are arranged within the arrangement for measuring the magnetization of a single magnetization region (04). and by the force (F) and / or by the moment (Mt) caused magnetic field (09) are formed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Das Maschinenelement weist in einem axialen Abschnitt einen sich umfänglich um die Achse herum erstreckenden Magnetisierungsbereich für eine Magnetisierung auf. Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens zwei Magnetfeldsensoren zur Messung eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung eines Drehmomentes oder einer Querkraft mit der erfindungsgemäßen Anordnung.The present invention initially relates to an arrangement for measuring a force and / or moment on a machine element extending in an axis using the inverse magnetostrictive effect. The machine element has an area of magnetization extending circumferentially about the axis in an axial section for magnetization. The arrangement further comprises at least two magnetic field sensors for measuring a magnetic field caused by the magnetization as well as by the force and / or by the moment. Furthermore, the invention relates to a method for measuring a torque or a transverse force with the inventive arrangement.

Die US 9,347,845 B2 zeigt einen magnetoelastischen Sensor, welcher einen magnetoelastisch aktiven Bereich einer Welle und eine Magnetfeldsensor umfasst. Der magnetoelastisch aktive Bereich ist umfänglich magnetisch polarisiert. In dem axialen Bereich der magnetischen Polarisierung ist ein Sensor angeordnet, mit welchem ein Magnetfeld in einer Richtung parallel zur Achse der Welle messbar ist.The US 9,347,845 B2 shows a magnetoelastic sensor comprising a magnetoelastically active region of a shaft and a magnetic field sensor. The magnetoelastically active region is circumferentially magnetically polarized. In the axial region of the magnetic polarization, a sensor is arranged, with which a magnetic field in a direction parallel to the axis of the shaft can be measured.

Aus der US 2012/0296577 A1 ist ein magnetoelastischer Kraftsensor bekannt, der zur Messung von Kräften an einem Element ausgebildet ist, welches umfänglich magnetisiert ist.From the US 2012/0296577 A1 For example, a magnetoelastic force sensor is known which is designed to measure forces on a member which is circumferentially magnetized.

Die US 6,301,976 B1 zeigt eine Vorrichtung zur Drehmomentmessung mit einer magnetoelastischen Hülse, welche auf einer Welle sitzt.The US 6,301,976 B1 shows a device for measuring torque with a magnetoelastic sleeve, which sits on a shaft.

Aus der DE 692 22 588 T2 ist ein ringförmig magnetisierter Drehmomentsensor bekannt.From the DE 692 22 588 T2 For example, an annular magnetized torque sensor is known.

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.

In der DE 10 2015 102 337 B4 ist ein redundanter Drehmomentsensor beschrieben, welcher ein Bauteil mit mindestens drei Magnetspuren umfasst, welche abwechselnd polarisiert sind. An den axialen Positionen der Magnetspuren sind Spulen von mindestens zwei Magnetfeldsensoren zur Emittierung je eines Signals axial zum Bauteil zugeordnet.In the DE 10 2015 102 337 B4 a redundant torque sensor is described, which comprises a component having at least three magnetic tracks, which are alternately polarized. At the axial positions of the magnetic tracks are coils of at least two magnetic field sensors for emitting each of a signal axially associated with the component.

Die US 8,087,304 B2 zeigt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor zum Messen eines auf eine Welle wirkenden Drehmomentes. Die Welle weist eine oder mehrere umfängliche Magnetisierungen auf. 8 der US 8,087,304 B2 zeigt eine Ausführungsform mit drei umfänglichen Magnetisierungen, die abwechselnd polarisiert sind, wobei jeweils ein Magnetfeldsensor in den axialen Bereichen der drei Magnetisierungen angeordnet ist. Durch die besondere Anordnung der Magnetfeldsensoren soll der Einfluss von magnetischen Störfeldern aufgehoben werden. 18 der US 8,087,304 B2 zeigt eine Ausführungsform mit zwei umfänglichen Magnetisierungen, die abwechselnd polarisiert sind, wobei auch mehrere Magnetfeldsensoren an einem axialen Übergang zwischen den beiden Magnetisierungen angeordnet sind.The US 8,087,304 B2 shows a magnetoelastic torque sensor for measuring a torque acting on a shaft. The shaft has one or more extensive magnetizations. 8th of the US 8,087,304 B2 shows an embodiment with three circumferential magnetizations, which are alternately polarized, wherein in each case a magnetic field sensor is arranged in the axial regions of the three magnetizations. Due to the special arrangement of the magnetic field sensors, the influence of magnetic interference fields should be removed. 18 of the US 8,087,304 B2 shows an embodiment with two circumferential magnetizations, which are alternately polarized, wherein a plurality of magnetic field sensors are arranged at an axial transition between the two magnetizations.

Die DE 10 2015 202 240 B3 zeigt in den 5 bis 8 verschiedene Ausführungsformen einer Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Diese Ausführungsformen umfassen radial messende Magnetfeldsensoren an mindestens drei unterschiedlichen axialen Positionen.The DE 10 2015 202 240 B3 shows in the 5 to 8th Various embodiments of an arrangement for measuring a force and / or torque on a machine element extending in an axis using the inverse magnetostrictive effect. These embodiments include radially measuring magnetic field sensors at at least three different axial positions.

Die EP 0 953 169 B1 , DE 698 38 904 T2 und US 6,047,605 lehren einen manschettenlosen magnetoelastischen Drehmomentsensor mit einer kreisförmigen Magnetisierung. 1(e) der EP 0 953 169 B1 zeigt eine Welle mit zwei entgegengesetzt polarisierten kreisförmigen Magnetisierungen und einer axial dazwischen angeordneten Magnetfeldsensoreinrichtung. 1(g) der EP 0 953 169 B1 zeigt eine Welle mit drei abwechselnd polarisierten kreisförmigen Magnetisierungen und zwei jeweils axial zwischen den Magnetisierungen angeordneten Magnetfeldsensoreinrichtungen. Es wird das von den axialen Komponenten der Magnetisierung herrührende Magnetfeld erfasst.The EP 0 953 169 B1 . DE 698 38 904 T2 and US 6,047,605 teach a cuffless magnetoelastic torque sensor with circular magnetization. 1 (e) of the EP 0 953 169 B1 shows a shaft with two oppositely polarized circular magnetizations and a magnetic field sensor device disposed axially therebetween. 1 (g) of the EP 0 953 169 B1 shows a shaft with three alternating polarized circular magnetizations and two each arranged axially between the magnetizations magnetic field sensor devices. The magnetic field resulting from the axial components of the magnetization is detected.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Möglichkeiten zur Messung von Kräften und/oder Momenten an einem Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes zu erweitern, wofür insbesondere eine Fehlerkompensation bei der Messung aufwandsarm möglich sein soll.The object of the present invention, starting from the prior art is to expand the possibilities for measuring forces and / or moments on a machine element using the inverse magnetostrictive effect, for which in particular an error compensation in the measurement should be possible with little effort.

Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch Verfahren gemäß den beigefügten nebengeordneten Ansprüchen 9 und 10.The above object is achieved by an arrangement according to the appended claim 1 and by methods according to the attached independent claims 9 and 10.

Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in Richtung 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 eine Rotationsachse des Maschinenelementes. Durch die Achse sind eine radiale Richtung, eine tangentiale bzw. umfängliche Richtung und eine axiale Richtung definiert.The arrangement according to the invention serves to measure a force and / or a moment on a machine element extending in the direction of 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 forms an axis of rotation of the machine element. The axis defines a radial direction, a tangential or circumferential direction and an axial direction.

Das Maschinenelement weist in einem axialen Abschnitt des Maschinenelementes einen sich umfänglich um die Achse herum erstreckenden Magnetisierungsbereich für eine im Maschinenelement ausgebildete Magnetisierung auf. Es handelt sich somit um einen die Achse umlaufenden Magnetisierungsbereich, d. h. einen zirkulären Magnetisierungsbereich, wobei die Achse selbst bevorzugt nicht einen Teil des Magnetisierungsbereiches bildet. Der Magnetisierungsbereich weist eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Der Magnetisierungsbereich weist bevorzugt ausschließlich eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Der Magnetisierungsbereich erstreckt sich bevorzugt entlang eines geschlossenen Pfades um die Achse herum, wobei der Magnetisierungsbereich kurze Lücken aufweisen darf. Der Magnetisierungsbereich bildet einen Primärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes. Der Magnetisierungsbereich weist bevorzugt eine hohe Magnetostriktivität auf.The machine element has, in an axial section of the machine element, a magnetization area extending circumferentially around the axis for a magnetization formed in the machine element. It is thus an axis of rotation magnetization area, d. H. a circular magnetization region, wherein the axis itself preferably does not form part of the magnetization region. The magnetization region has a tangential orientation with respect to a surface of the machine element extending around the axis. The magnetization region preferably has only a tangential orientation with respect to a surface of the machine element extending around the axis. The magnetization region preferably extends along a closed path around the axis, wherein the magnetization region may have short gaps. The magnetization region forms a primary sensor for determining the force or moment. The magnetization region preferably has a high magnetostriction.

Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens zwei Magnetfeldsensoren, welche jeweils einen Sekundärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes bilden. Der Primärsensor, d. h. der 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 ein elektrisches Signal ermöglichen. Die Magnetfeldsensoren sind jeweils gegenüber dem Maschinenelement angeordnet, wobei bevorzugt nur ein geringer radialer Abstand zwischen dem jeweiligen Magnetfeldsensor und einer äußeren oder inneren Oberfläche des Maschinenelementes vorhanden ist. Die Magnetfeldsensoren sind jeweils zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Die Eignung des jeweiligen Magnetfeldsensors zur einzelnen Messung der radialen Richtungskomponenten des Magnetfeldes kann unmittelbar oder mittelbar ausgebildet sein. 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 Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils ausschließlich zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente des durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet.The arrangement further comprises at least two magnetic field sensors which each form a secondary sensor for determining the force or the moment. The primary sensor, d. H. the 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 enable the conversion of this magnetic field into an electrical signal. The magnetic field sensors are each arranged opposite the machine element, wherein preferably only a small radial distance between the respective magnetic field sensor and an outer or inner surface of the machine element is present. The magnetic field sensors are each designed for the individual measurement of a radial 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 respective magnetic field sensor for the individual measurement of the radial direction components of the magnetic field can be formed directly or indirectly. 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 magnetic field sensors are preferably designed in each case exclusively for the individual measurement of a radial direction component of the magnetic field caused by the magnetization and by the force and / or by the moment.

Zwei der Magnetfeldsensoren sind an axialen Positionen beiderseitig neben dem Magnetisierungsbereich axial angeordnet, sodass sich der Magnetisierungsbereich axial zwischen diesen beiden Magnetfeldsensoren befindet. Diese beiden Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt eine gleiche tangentiale bzw. umfängliche Position auf, wobei eine Winkelabweichung in Bezug auf die Achse von ±10° oder auch ±30° tolerierbar ist. Die die gleiche tangentiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren sind somit in axialer Richtung nebeneinander angeordnet. Two of the magnetic field sensors are axially arranged at axial positions on both sides next to the magnetization region, so that the magnetization region is located axially between these two magnetic field sensors. These two magnetic field sensors preferably have the same tangential or circumferential position, wherein an angular deviation with respect to the axis of ± 10 ° or even ± 30 ° is tolerable. The magnetic field sensors having the same tangential position are thus arranged next to one another in the axial direction.

Aufgrund der axialen Anordnung der zwei Magnetfeldsensoren beiderseitig neben dem Magnetisierungsbereich weisen die Magnetfeldsensoren jeweils einen axialen Abstand zu dem Magnetisierungsbereich auf. Bauartbedingt weisen die Magnetfeldsensoren zumeist jeweils auch einen radialen Abstand zu dem Magnetisierungsbereich auf. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils an einer axialen Position angeordnet, an welcher der Magnetisierungsbereich in axialer Richtung endet. Bevorzugt befinden sich die Magnetfeldsensoren jeweils an einer axialen Position, an welcher das Maschinenelement keine oder eine nur geringfügige Magnetisierung aufweist, wobei die geringfügige Magnetisierung höchstens halb so groß wie die maximale Magnetisierung des Magnetisierungsbereiches ist. Die Magnetfeldsensoren befinden sich an axialen Positionen, an denen das durch die Magnetisierung des einzigen Magnetisierungsbereiches und durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkte Magnetfeld vorhanden und messbar ist.Due to the axial arrangement of the two magnetic field sensors on both sides next to the magnetization region, the magnetic field sensors each have an axial distance to the magnetization region. Due to the design, the magnetic field sensors generally each also have a radial distance to the magnetization region. The magnetic field sensors are preferably each arranged at an axial position at which the magnetization region ends in the axial direction. Preferably, the magnetic field sensors are each at an axial position at which the machine element has no or only a slight magnetization, wherein the slight magnetization is at most half as large as the maximum magnetization of the magnetization region. The magnetic field sensors are located at axial positions at which the magnetic field caused by the magnetization of the single magnetization region and by the force and / or by the moment is present and measurable.

Erfindungsgemäß sind die beiderseitig axial neben dem Magnetisierungsbereich befindlichen Magnetfeldsensoren derart angeordnet, dass sie innerhalb der Anordnung zur Messung des durch die Magnetisierung eines einzigen Magnetisierungsbereiches sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind, wofür die Magnetfeldsensoren einen entsprechend kleinen Abstand zum Magnetisierungsbereich besitzen. Somit umfasst die Anordnung den Magnetisierungsbereich als einzigen Magnetisierungsbereich, welcher eine Magnetisierung bereitstellt, die gemeinsam mit der Kraft und/oder dem Moment das Magnetfeld bewirkt, welches durch die Magnetfeldsensoren der Anordnung messbar ist. Bevorzugt weist das Maschinenelement genau den einen Magnetisierungsbereich als den einzigen Magnetisierungsbereich auf. Die Magnetisierung dieses einzigen Magnetisierungsbereiches bewirkt gemeinsam mit der Kraft und/oder dem Moment das Magnetfeld, welches durch die Magnetfeldsensoren messbar ist. Grundsätzlich kann das Maschinenelement weitere Magnetisierungsbereiche aufweisen, welche nicht in einem funktionellen Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung stehen.According to the invention, the mutually axially next to the magnetization magnetic field sensors are arranged such that they are formed within the arrangement for measuring the magnetization caused by the magnetization of a single magnetization region and by the force and / or by the moment magnetic field, for which the magnetic field sensors a correspondingly small distance to Have magnetization area. Thus, the arrangement comprises the magnetization region as a single magnetization region which provides a magnetization which, together with the force and / or moment, effects the magnetic field measurable by the magnetic field sensors of the device. Preferably, the machine element has exactly one magnetization region as the single magnetization region. The magnetization of this single magnetization region, together with the force and / or the moment, causes the magnetic field, which can be measured by the magnetic field sensors. In principle, the machine element can have further magnetization regions which are not in a functional relationship with the arrangement according to the invention.

Die beiderseitig axial neben dem Magnetisierungsbereich befindlichen Magnetfeldsensoren sind derart angeordnet, dass sie innerhalb der Anordnung jeweils zur Messung einer radialen Richtungskomponente des durch die Magnetisierung eines einzigen Magnetisierungsbereiches sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind. The mutually axially adjacent to the magnetization region magnetic field sensors are arranged such that they are each formed within the arrangement for measuring a radial direction component of the magnetization caused by a single magnetization region and by the force and / or by the moment magnetic field.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass eine genaue Messung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes aufwandsarm möglich ist, wobei Störfelder oder nicht zu messende Kräfte bzw. Momente kompensiert werden. Es wird nur ein einziger im Maschinenelement ausgebildeter Magnetisierungsbereich benötigt.A particular advantage of the arrangement according to the invention is that an accurate measurement of the force to be measured or the torque to be measured is possible with little effort, whereby interference fields or forces or moments not to be measured are compensated. Only a single magnetization area formed in the machine element is required.

Bevorzugt sind sämtliche der Magnetfeldsensoren derart angeordnet, dass sie innerhalb der Anordnung zur Messung des durch die Magnetisierung des einzigen Magnetisierungsbereiches sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind,Preferably, all of the magnetic field sensors are arranged such that they are formed within the arrangement for measuring the magnetic field caused by the magnetization of the single magnetization region and by the force and / or by the moment,

Das Maschinenelement weist bevorzugt zwei magnetisch neutrale, axiale Abschnitte auf, die axial beiderseitig neben dem Magnetisierungsbereich angeordnet sind, sodass diese den Magnetisierungsbereich axial an beiden Seiten begrenzen. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt an den axialen Positionen der magnetisch neutralen Abschnitte axial angeordnet.The machine element preferably has two magnetically neutral, axial sections, which are arranged axially on both sides next to the magnetization region, so that they delimit the magnetization region axially on both sides. The magnetic field sensors are preferably arranged axially at the axial positions of the magnetically neutral sections.

Der Magnetisierungsbereich kann permanent oder temporär magnetisiert sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Magnetisierungsbereich permanent magnetisiert, sodass die Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist. Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung weist diese weiterhin mindestens einen Magneten zum Magnetisieren des Magnetisierungsbereiches auf, sodass die Magnetisierung des Magnetisierungsbereiches grundsätzlich temporär ist. Der mindestens eine Magnet kann durch mindestens einen Permanentmagneten oder bevorzugt durch einen Elektromagneten 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 magnetization is formed by a permanent magnetization. In alternatively preferred embodiments of the arrangement according to the invention, this further comprises at least one magnet for magnetizing the magnetization region, so that the magnetization of the magnetization region is basically temporary. The at least one magnet may be formed by at least one permanent magnet or preferably by an electromagnet.

Der permanent bzw. temporär magnetisierte Magnetisierungsbereich ist in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb des Magnetisierungsbereiches 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 from a force or moment, and outside of the magnetization region, so that no technically relevant magnetic field outside the magnetization region can be measured.

Der permanent bzw. temporär magnetisierte Magnetisierungsbereich ist bevorzugt in einem magnetoelastisch ausgebildeten axialen Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet. In dem magnetoelastisch ausgebildeten Abschnitt des Maschinenelementes besteht das Maschinenelement bevorzugt aus einem magnetostriktiven Material. Bevorzugt ist nicht lediglich ein Abschnitt, sondern das Maschinenelement als solches magnetoelastisch ausgebildet. In diesem Fall besteht das Maschinenelement aus einem magnetostriktiven Material, insbesondere aus einem magnetostriktiven Stahl.The permanently or temporarily magnetized magnetization region is preferably formed in a magnetoelastic axial section of the machine element. In the magnetoelastic section of the machine element, the machine element preferably consists of a magnetostrictive material. Preferably, not only a portion, but the machine element is designed as such magnetoelastic. In this case, the machine element consists of a magnetostrictive material, in particular of a magnetostrictive steel.

Der Magnetisierungsbereich stellt einen Teil des Volumens des Maschinenelementes dar. Der Magnetisierungsbereich ist bevorzugt ringförmig ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine mittlere Achse der Ringform bildet. Besonders bevorzugt weist der Magnetisierungsbereich die Form eines zur Achse des Maschinenelementes koaxialen Hohlzylinders auf.The magnetization region represents a part of the volume of the machine element. The magnetization region is preferably annular, wherein the axis of the machine element also forms a central axis of the ring shape. Particularly preferably, the magnetization region has the shape of a hollow cylinder coaxial with the axis of the machine element.

Das Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Prismas oder eines Zylinders auf, wobei das Prisma bzw. der Zylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Das Prisma 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. Das Prisma bzw. der Zylinder kann auch hohl sein. Die Magnetfeldsensoren können auch in einem Hohlraum des Prismas bzw. des Zylinders angeordnet sein.The machine element preferably has the shape of a prism or a cylinder, wherein the prism or the cylinder is arranged coaxially to the axis. The prism 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. The prism or the cylinder can also be hollow. The magnetic field sensors can also be arranged in a cavity of the prism or of the cylinder.

Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle, durch eine Hohlwelle, durch eine Schaltgabel, durch einen Flansch, durch eine Hülse oder durch einen Hohlflansch gebildet. Die Welle, die Schaltgabel, der Flansch, die Hülse bzw. der Hohlflansch können für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momente ausgelegt sein und beispielsweise eine Komponente eines Sensortretlagers, eines Wankstabilisators oder eines Düngemittelstreuers sein. Die Hülse kann beispielsweise auf einer Welle sitzen. Grundsätzlich kann das Maschinenelement auch durch völlig andersartige Maschinenelementtypen gebildet sein.The machine element is preferably formed by a shaft, by a hollow shaft, by a shift fork, by a flange, by a sleeve or by a hollow flange. The shaft, the shift fork, the flange, the sleeve or the hollow flange can be designed for loads due to different forces and moments and be, for example, a component of a sensor bottom bracket, a roll stabilizer or a fertilizer spreader. The sleeve may for example sit on a shaft. In principle, the machine element can also be formed by completely different types of machine elements.

Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils durch einen Halbleitersensor gebildet. Die Magnetfeldsensoren sind alternativ bevorzugt jeweils durch einen Hall-Sensor, durch eine Spule, durch eine Förstersonde oder durch ein Fluxgate-Magnetometer gebildet. Grundsätzlich können auch andere Sensortypen verwendet werden, insofern sie zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet sind.The magnetic field sensors are preferably each formed by a semiconductor sensor. The magnetic field sensors are alternatively preferably each formed by a Hall sensor, by a coil, by a Förster probe or by a fluxgate magnetometer. In principle, other sensor types can also be used insofar as they are suitable for the individual measurement of a radial direction component of the magnetic field produced by the inverse-magnetostrictive effect.

Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse auf, sodass sie eine gleiche radiale Position besitzen. The magnetic field sensors preferably have a same distance from the axis, so that they have a same radial position.

Bevorzugt weisen die an axialen Positionen beiderseitig neben dem Magnetisierungsbereich axial angeordneten Magnetfeldsensoren einen gleichen axialen Abstand zum Magnetisierungsbereich auf. Entsprechend befindet sich der Magnetisierungsbereich mit seiner axialen Position mittig zwischen den axialen Positionen diesen beiden Magnetfeldsensoren. Die Anordnung umfasst bevorzugt zwei Paare von Magnetfeldsensoren, die mit ihren axialen Positionen beiderseitig neben dem Magnetisierungsbereich axial angeordnet sind und eine gleiche umfängliche Position aufweisen.Preferably, the axial positions on both sides next to the magnetization axially arranged magnetic field sensors have a same axial distance to the magnetization region. Accordingly, the magnetization region with its axial position is located centrally between the axial positions of these two magnetic field sensors. The arrangement preferably comprises two pairs of magnetic field sensors, which are arranged axially with their axial positions on both sides next to the magnetization region and have a same peripheral position.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung umfassen mindestens drei der Magnetfeldsensoren. Zwei der Magnetfeldsensoren weisen eine gleiche axiale Position auf und sind in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet. Diese beiden in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordneten Magnetfeldsensoren weisen somit einen Winkel von 180° in Bezug auf die Achse auf, wobei eine Abweichung von ±10° oder auch ±30° tolerierbar ist, was in gleicher Weise auch für nachfolgend angegebene in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnete Magnetfeldsensoren gilt. Eine diese beiden Magnetfeldsensoren verbindende Gerade schneidet die Achse in einem rechten Winkel. Diese in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordneten Magnetfeldsensoren können zur Bestimmung desselben Momentes bzw. derselben Kraft genutzt werden.Preferred embodiments of the inventive arrangement comprise at least three of the magnetic field sensors. Two of the magnetic field sensors have a same axial position and are located opposite each other with respect to the axis. These two oppositely arranged with respect to the axis of the magnetic field sensors thus have an angle of 180 ° with respect to the axis, with a deviation of ± 10 ° or even ± 30 ° is tolerable, which also in the same way with respect to indicated below the axis oppositely arranged magnetic field sensors applies. A straight line connecting these two magnetic field sensors intersects the axis at a right angle. These magnetic field sensors arranged opposite one another with respect to the axis can be used to determine the same moment or the same force.

Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst bevorzugt mindestens vier der Magnetfeldsensoren, wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind, und wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren bevorzugt eine gleiche umfängliche Position aufweisen. Somit sind die Magnetfeldsensoren paarweise an mindestens zwei axialen Positionen angeordnet. Axial zwischen den beiden axialen Positionen befindet sich der Magnetisierungsbereich. Bevorzugt befindet sich der Magnetisierungsbereich axial mittig zwischen den beiden axialen Positionen.The arrangement according to the invention preferably comprises at least four of the magnetic field sensors, wherein in each case two of the magnetic field sensors have a same axial position and are arranged opposite each other with respect to the axis, and in each case two of the magnetic field sensors preferably have a same circumferential position. Thus, the magnetic field sensors are arranged in pairs at at least two axial positions. Axial between the two axial positions is the magnetization region. The magnetization region is preferably located axially in the middle between the two axial positions.

Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst besonders bevorzugt genau vier der Magnetfeldsensoren, wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind, und wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren bevorzugt eine gleiche umfängliche Position aufweisen. Axial zwischen den beiden axialen Positionen befindet sich der Magnetisierungsbereich. Die vier Magnetfeldsensoren sind somit an den Eckpunkten eines Rechteckes angeordnet, welches in einer gleichen Ebene wie die Achse liegt, wobei die Achse das Rechteck mittig halbiert.The arrangement according to the invention particularly preferably comprises exactly four of the magnetic field sensors, wherein in each case two of the magnetic field sensors have a same axial position and are arranged opposite one another with respect to the axis, and in each case two of the magnetic field sensors preferably have a same peripheral position. Axial between the two axial positions is the magnetization region. The four magnetic field sensors are thus arranged at the vertices of a rectangle, which lies in a same plane as the axis, wherein the axis halves the rectangle in the middle.

Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dient zum Messen eines Drehmomentes, welches auf das Maschinenelement der erfindungsgemäßen Anordnung wirkt. Das Drehmoment wirkt in der Achse des Maschinenelementes. Zum Messen des Drehmomentes dient insbesondere die oben beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, bei welcher zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind.A first embodiment of the method according to the invention is used to measure a torque which acts on the machine element of the arrangement according to the invention. The torque acts in the axis of the machine element. For measuring the torque is used in particular the embodiment of the inventive arrangement described above, in which two of the magnetic field sensors have a same axial position and are arranged opposite to the axis.

In einem Schritt des Verfahrens wird ein erstes Messsignal eines ersten der die gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren empfangen, sodass eine radiale Richtungskomponente des durch die Magnetisierung und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes gemessen wird, welche abhängig von dem Drehmoment ist.In a step of the method, a first measurement signal of a first of the magnetic field sensors having the same axial position is received, so that a radial direction component of the magnetic field and the torque caused by the magnetic field is measured, which is dependent on the torque.

In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird ein zweites Messsignal eines zweiten der die gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren empfangen, sodass wiederum eine radiale Richtungskomponente des durch die Magnetisierung und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes gemessen wird, welche abhängig von dem Drehmoment ist. Der erste die gleiche axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor und der zweite die gleiche axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor sind in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet. Erfindungsgemäß repräsentieren das erste Messsignal und das zweite Messsignal zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes, wobei diese beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes entweder gemeinsam zur Achse hin gerichtet oder von der Achse weg gerichtet sind. Der jeweilige Richtungssinn kann durch ein Ausrichten des jeweiligen Magnetfeldsensors oder durch eine Vorzeichenwahl des Messsignals des jeweiligen Magnetfeldsensors erzielt werden.In a further step of the method, a second measurement signal of a second of the magnetic field sensors having the same axial position is received, so that in turn a radial direction component of the magnetic field caused by the magnetization and by the torque is measured, which is dependent on the torque. The first magnetic field sensor having the same axial position and the second magnetic field sensor having the same axial position are arranged opposite to each other with respect to the axis. According to the invention, the first measurement signal and the second measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field and the torque caused by the magnetic field, these two radial direction components are either directed towards the axis or directed away from the axis with respect to their sense of direction. The respective sense of direction can be achieved by aligning the respective magnetic field sensor or by a sign selection of the measurement signal of the respective magnetic field sensor.

In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden das erste Messsignal und das zweite Messsignal addiert. Hierdurch wird ein Summenmesssignal gewonnen, welches in etwa doppelt so groß wie das erste Messsignal bzw. das zweite Messsignal ist und von dem zu messenden Drehmoment abhängig ist.In a further step of the method, the first measurement signal and the second measurement signal are added. In this way, a sum measuring signal is obtained which is approximately twice as large as the first measuring signal or the second measuring signal and is dependent on the torque to be measured.

Zur Durchführung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dient bevorzugt die oben beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit genau vier der Magnetfeldsensoren, wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind. Der erste die erste axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor und der erste die zweite axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor weisen bevorzugt die gleiche umfängliche Position auf. Der zweite die erste axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor und der zweite die zweite axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor weisen bevorzugt die gleiche umfängliche Position auf. Entsprechend wird ein drittes Messsignal des ersten die zweite axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensors empfangen. Entsprechend wird ein viertes Messsignal des zweiten die zweite axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensors empfangen. Wiederum repräsentieren das dritte Messsignal und das vierte Messsignal zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes, wobei diese beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes entweder gemeinsam zur Achse hin gerichtet oder von der Achse weg gerichtet sind. Das erste Messsignal und das dritte Messsignal repräsentieren zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes, wobei eine dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes zur Achse hin gerichtet ist, während die andere dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes von der Achse weg gerichtet ist. Das zweite Messsignal und das vierte Messsignal repräsentieren zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch das Drehmoment bewirkten Magnetfeldes, wobei eine dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes zur Achse hin gerichtet ist, während die andere dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes von der Achse weg gerichtet ist. Es werden das dritte Messsignal und das vierte Messsignal addiert.To carry out the first embodiment of the method according to the invention preferably serves the above-described embodiment of the inventive arrangement with exactly four of the magnetic field sensors, in each case two of the Magnetic field sensors have a same axial position and are arranged opposite with respect to the axis. The first magnetic field sensor having the first axial position and the first magnetic field sensor having the second axial position preferably have the same circumferential position. The second magnetic field sensor having the first axial position and the second magnetic field sensor having the second axial position preferably have the same circumferential position. Accordingly, a third measurement signal of the first magnetic field sensor having the second axial position is received. Accordingly, a fourth measurement signal of the second magnetic field sensor having the second axial position is received. Again, the third measurement signal and the fourth measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field and the torque caused by the magnetic field, these two radial direction components are either directed towards the axis or directed away from the axis with respect to their sense of direction. The first measurement signal and the third measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field caused by the magnetization and by the torque, wherein one of these two radial direction components is directed with respect to their direction to the axis, while the other of these two radial direction components with respect to their sense of direction from the axis is directed away. The second measurement signal and the fourth measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field caused by the magnetization and the torque, wherein one of these two radial direction components is directed with respect to their direction to the axis, while the other of these two radial direction components with respect to their sense of direction from the axis is directed away. The third measurement signal and the fourth measurement signal are added.

Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dient zum Messen einer Querkraft, welche auf das Maschinenelement der erfindungsgemäßen Anordnung wirkt. Die Querkraft wirkt senkrecht zur Achse des Maschinenelementes. Zum Messen der Querkraft dient insbesondere die oben beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, bei welcher zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind. Die Querkraft ist bevorzugt senkrecht zu einem von der Achse ausgehenden und durch einen der Magnetfeldsensoren verlaufenden Radius ausgerichtet, wobei eine Winkelabweichung von ±10° oder auch ±30° tolerierbar ist.A second embodiment of the method according to the invention is used for measuring a transverse force which acts on the machine element of the arrangement according to the invention. The lateral force acts perpendicular to the axis of the machine element. For measuring the transverse force, in particular, the above-described embodiment of the arrangement according to the invention is used, in which two of the magnetic field sensors have a same axial position and are arranged opposite one another with respect to the axis. The transverse force is preferably aligned perpendicular to a radius extending from the axis and passing through one of the magnetic field sensors, wherein an angular deviation of ± 10 ° or even ± 30 ° is tolerable.

In einem Schritt des Verfahrens wird ein erstes Messsignal eines ersten an einer axialen Position auf einer ersten Seite des Magnetisierungsbereiches axial angeordneten Magnetfeldsensors der mindestens drei Magnetfeldsensoren empfangen, sodass eine radiale Richtungskomponente des durch die Magnetisierung und durch die Querkraft bewirkten Magnetfeldes gemessen wird, welche abhängig von der Querkraft ist.In a step of the method, a first measurement signal of a first axial position on a first side of the magnetization region axially arranged magnetic field sensor of the at least three magnetic field sensors is received, so that a radial direction component of the caused by the magnetization and by the lateral force magnetic field is measured, which depends on the shear force is.

In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird ein zweites Messsignal eines zweiten an einer axialen Position auf einer zweiten Seite des Magnetisierungsbereiches axial angeordneten Magnetfeldsensors der mindestens drei Magnetfeldsensoren empfangen, sodass wiederum eine radiale Richtungskomponente des durch die Magnetisierung und durch die Querkraft bewirkten Magnetfeldes gemessen wird, welche abhängig von der Querkraft ist. Der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor, die axial beiderseitig vom Magnetisierungsbereich angeordnet sind, sind in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet. Erfindungsgemäß repräsentieren das erste Messsignal und das zweite Messsignal zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch die Querkraft bewirkten Magnetfeldes, wobei diese beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes entweder gemeinsam zur Achse hin gerichtet oder von der Achse weg gerichtet sind. Der jeweilige Richtungssinn kann durch ein Ausrichten des jeweiligen Magnetfeldsensors oder durch eine Vorzeichenwahl des Messsignals erzielt werden.In a further step of the method, a second measurement signal of a second axial position on a second side of the magnetization region axially arranged magnetic field sensor of the at least three magnetic field sensors is received, so that in turn a radial direction component of the caused by the magnetization and by the lateral force magnetic field is measured depends on the shear force. The first magnetic field sensor and the second magnetic field sensor, which are arranged axially on both sides of the magnetization region, are arranged opposite one another with respect to the axis. According to the invention, the first measurement signal and the second measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field caused by the magnetization and by the lateral force, these two radial direction components being either directed towards the axis or away from the axis with respect to their sense of direction. The respective sense of direction can be achieved by aligning the respective magnetic field sensor or by a sign selection of the measurement signal.

In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden das erste Messsignal und das zweite Messsignal addiert. Hierdurch wird ein Summenmesssignal gewonnen, welches in etwa doppelt so groß wie das erste Messsignal bzw. das zweite Messsignal ist und von der zu messenden Querkraft abhängig ist.In a further step of the method, the first measurement signal and the second measurement signal are added. As a result, a sum measuring signal is obtained, which is approximately twice as large as the first measuring signal or the second measuring signal and is dependent on the transverse force to be measured.

Zur Durchführung der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dient bevorzugt die oben beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit genau vier der Magnetfeldsensoren, wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind. Der erste die erste axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor und der erste die zweite axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor weisen bevorzugt die gleiche umfängliche Position auf. Der zweite die erste axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor und der zweite die zweite axiale Position aufweisende Magnetfeldsensor weisen bevorzugt die gleiche umfängliche Position auf. Entsprechend wird ein drittes Messsignal des ersten die zweite axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensors empfangen. Entsprechend wird ein viertes Messsignal des zweiten die erste axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensors empfangen. Wiederum repräsentieren das dritte Messsignal und das vierte Messsignal zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch die Querkraft bewirkten Magnetfeldes, wobei diese beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes entweder gemeinsam zur Achse hin gerichtet oder von der Achse weg gerichtet sind. Das erste Messsignal und das dritte Messsignal repräsentieren zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch die Querkraft bewirkten Magnetfeldes, wobei eine dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes zur Achse hin gerichtet ist, während die andere dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes von der Achse weg gerichtet ist. Das zweite Messsignal und das vierte Messsignal repräsentieren zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch die Querkraft bewirkten Magnetfeldes, wobei eine dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes zur Achse hin gerichtet ist, während die andere dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes von der Achse weg gerichtet ist. Es werden das dritte Messsignal und das vierte Messsignal addiert.For carrying out the second embodiment of the method according to the invention, the above-described embodiment of the inventive arrangement is preferably used with exactly four of the magnetic field sensors, wherein each two of the magnetic field sensors have a same axial position and are arranged opposite each other with respect to the axis. The first magnetic field sensor having the first axial position and the first magnetic field sensor having the second axial position preferably have the same circumferential position. The second magnetic field sensor having the first axial position and the second magnetic field sensor having the second axial position preferably have the same circumferential position. Accordingly, a third measurement signal of the first magnetic field sensor having the second axial position is received. Accordingly, a fourth measurement signal of the second magnetic field sensor having the first axial position is received. Again, the third measurement signal and the fourth represent Measuring signal two radial direction components of the caused by the magnetization and by the lateral force magnetic field, these two radial direction components are directed either in direction of sense together towards the axis or directed away from the axis. The first measurement signal and the third measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field caused by the magnetization and by the lateral force, one of these two radial direction components being directed with respect to their direction to the axis, while the other of these two radial direction components with respect to their sense of direction from the axis is directed away. The second measurement signal and the fourth measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field caused by the magnetization and by the lateral force, one of these two radial direction components being directed with respect to their direction to the axis, while the other of these two radial direction components with respect to their sense of direction from the axis is directed away. The third measurement signal and the fourth measurement signal are added.

Im Übrigen werden die beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt unter Verwendung einer der weiteren oben beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung durchgeführt.Incidentally, the described embodiments of the method according to the invention are preferably carried out using one of the other embodiments of the inventive arrangement described above.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen 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 preferred embodiments of the invention, with reference to the drawing. Show it:

  • 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung, die zur Durchführung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist; und 1 a preferred embodiment of an inventive arrangement, which is configured to carry out a first preferred embodiment of a method according to the invention; and
  • 2 die in 1 gezeigte Anordnung, die zur Durchführung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist. 2 in the 1 shown arrangement which is configured to carry out a second preferred embodiment of the method according to the invention.

1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Anordnung jeweils in zwei Ansichten. Die linken Teile der Figuren umfassen jeweils eine Querschnittsansicht, während die rechten Teile der Figuren jeweils eine Aufsicht der erfindungsgemäßen Anordnung umfassen. 1 and 2 show an inventive arrangement in each case in two views. The left parts of the figures each comprise a cross-sectional view, while the right parts of the figures each comprise a plan view of the arrangement according to the invention.

1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, welche zum Messen eines Drehmomentes Mt gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist. Die Anordnung umfasst zunächst ein Maschinenelement in Form eines Hohlflansches 01, welcher an einem Grundkörper 02 befestigt ist. Der Hohlflansch 01 weist die Form eines hohlen Kreiszylinders auf. Der Hohlflansch 01 erstreckt sich in einer Achse 03, welche auch die mittlere Achse der Hohlzylinderform des Hohlflansches 01 bildet. Der Hohlflansch 01 wird insbesondere auf Torsion durch das Drehmoment Mt belastet. Der Hohlflansch 01 besteht aus einem magnetoelastischen Material, welches den invers-magnetostriktiven Effekt aufweist. 1 shows a preferred embodiment of the inventive arrangement, which is configured to measure a torque Mt according to a first preferred embodiment of a method according to the invention. The arrangement initially comprises a machine element in the form of a hollow flange 01 which is attached to a basic body 02 is attached. The hollow flange 01 has the shape of a hollow circular cylinder. The hollow flange 01 extends in one axis 03 , which also the middle axis of the hollow cylindrical shape of the hollow flange 01 forms. The hollow flange 01 In particular, torsion is burdened by the torque Mt. The hollow flange 01 consists of a magnetoelastic material which has the inverse magnetostrictive effect.

In einem axialen Abschnitt des Hohlflansches 01 ist ein Permanentmagnetisierungsbereich 04 ausgebildet, welcher sich umlaufend um die Achse 03 herum erstreckt; d. h. es handelt sich eine zirkuläre Permanentmagnetisierung. In axialen Abschnitten beiderseits des axialen Abschnittes des Permanentmagnetisierungsbereiches 04 sind äußere magnetisch neutrale Abschnitte 07 angeordnet, wo der Hohlflansch 01 nicht magnetisiert ist.In an axial section of the hollow flange 01 is a permanent magnetization region 04 formed, which revolves around the axis 03 extends around; ie it is a circular permanent magnetization. In axial sections on both sides of the axial section of the permanent magnetization region 04 are outer magnetic neutral sections 07 arranged where the hollow flange 01 not magnetized.

Umfänglich um den Hohlflansch 01 herum sind vier Magnetfeldsensoren 08 angeordnet, welche einen gleichen Abstand zur Achse 03 aufweisen. Jeweils zwei der vier Magnetfeldsensoren 08 sind an einer axialen Position axial neben dem Permanentmagnetisierungsbereich 04 angeordnet, sodass sich diese axialen Positionen in den beiden äußeren magnetisch neutralen Abschnitten 07 befinden. Der Permanentmagnetisierungsbereich 04 befindet sich axial zwischen diesen beiden axialen Positionen. Die beiden jeweils eine gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren 08 sind gleichverteilt um die Achse 03 angeordnet, sodass sie sich in Bezug auf die Achse 03 gegenüberstehen. Die vier Magnetfeldsensoren 08 stehen jeweils axial nahe neben der axialen Position des Permanentmagnetisierungsbereiches 04, sodass jeweils nur ein geringer Abstand zwischen dem Permanentmagnetisierungsbereich 04 und den Magnetfeldsensoren 08 vorhanden ist. Die Magnetfeldsensoren 08 sind beispielsweise jeweils durch einen Halbleitersensor gebildet. Die Magnetfeldsensoren 08 sind jeweils dazu ausgebildet, eine radiale Richtungskomponente eines Magnetfeldes, welches durch magnetische Kreise 09 veranschaulicht ist und wegen des invers-magnetostriktiven Effektes aufgrund der Magnetisierung im Permanentmagnetisierungsbereich 04 und des Drehmomentes Mt auftritt, einzeln zu messen. Die beiden jeweils eine gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren 08, welche sich in Bezug auf die Achse 03 gegenüberstehen, messen jeweils eine radiale Richtungskomponente des durch die magnetischen Kreise 09 verbildlichten Magnetfeldes, wobei die beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes gemeinsam zur Achse 03 hin gerichtet bzw. von der Achse 03 weg gerichtet sind. Der Richtungssinn ist jeweils durch einen Pfeil 11 veranschaulicht.Around the hollow flange 01 around are four magnetic field sensors 08 arranged, which is an equal distance to the axis 03 exhibit. Two of the four magnetic field sensors 08 are at an axial position axially adjacent to the permanent magnetization region 04 arranged so that these axial positions in the two outer magnetically neutral sections 07 are located. The permanent magnetization region 04 is located axially between these two axial positions. The two each having a same axial position magnetic field sensors 08 are equally distributed around the axis 03 arranged so that they are in relation to the axis 03 face. The four magnetic field sensors 08 are each axially close to the axial position of the permanent magnetization region 04 , so that only a small distance between the permanent magnetization 04 and the magnetic field sensors 08 is available. The magnetic field sensors 08 are each formed by a semiconductor sensor, for example. The magnetic field sensors 08 are each adapted to a radial directional component of a magnetic field passing through magnetic circuits 09 is illustrated and because of the inverse magnetostrictive effect due to the magnetization in the permanent magnetization region 04 and the torque Mt occurs to measure individually. The two each having a same axial position magnetic field sensors 08 which are in relation to the axis 03 each face a radial direction component of the through the magnetic circuits 09 illustrated magnetic field, wherein the two radial direction components with respect to their sense of direction together to the axis 03 directed towards or from the axis 03 are directed away. The sense of direction is indicated by an arrow 11 illustrated.

Die beiden jeweils eine gleiche umfängliche Position aufweisenden Magnetfeldsensoren 08, welche unterschiedliche axiale Positionen aufweisen und somit axial nebeneinander angeordnet sind, messen jeweils eine radiale Richtungskomponente des durch die magnetischen Kreise 09 verbildlichten Magnetfeldes, wobei eine der beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes zur Achse 03 hin gerichtet ist, während die andere der beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes von der Achse 03 weg gerichtet ist.The two magnetic field sensors each having the same circumferential position 08 , which have different axial positions and are thus arranged axially next to one another, each measure a radial directional component of the magnetic circuits 09 illustrated magnetic field, wherein one of the two radial direction components with respect to their sense of direction to the axis 03 directed, while the other of the two radial direction components with respect to their sense of direction from the axis 03 is directed away.

2 zeigt die in 1 gezeigte Anordnung, welche so modifiziert ist, dass sie zur Durchführung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist. Diese zweite bevorzugte Ausführungsform dient zum Messen einer Querkraft Fq . Im Unterschied zu der in 1 veranschaulichten ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens messen die beiden jeweils eine gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren 08 radiale Richtungskomponenten des durch die magnetischen Kreise 09 verbildlichten Magnetfeldes, wobei eine der beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes zur Achse 03 hin gerichtet ist, während die andere der beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes von der Achse 03 weg gerichtet ist. Das durch die magnetischen Kreise 09 verbildlichte Magnetfeld tritt wegen des invers-magnetostriktiven Effektes aufgrund der Magnetisierung im Permanentmagnetisierungsbereich 04 und der Querkraft Fq auf. 2 shows the in 1 shown arrangement which is modified so that it is configured to carry out a second preferred embodiment of the method according to the invention. This second preferred embodiment is for measuring a lateral force F q , Unlike the in 1 illustrated first preferred embodiment of the method according to the invention, the two measure each having a same axial position magnetic field sensors 08 radial directional components of the through the magnetic circuits 09 illustrated magnetic field, wherein one of the two radial direction components with respect to their sense of direction to the axis 03 directed, while the other of the two radial direction components with respect to their sense of direction from the axis 03 is directed away. That by the magnetic circles 09 imaged magnetic field occurs because of the inverse magnetostrictive effect due to the magnetization in the permanent magnetization region 04 and the lateral force F q on.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

0101
Hohlflanschhollow flange
0202
Grundkörperbody
0303
Achseaxis
0404
PermanentmagnetisierungsbereichPermanent magnetic domain
0505
--
0606
--
0707
äußerer magnetisch neutraler Abschnittouter magnetically neutral section
0808
Magnetfeldsensormagnetic field sensor
0909
magnetischer Kreismagnetic circle
1010
--
1111
Pfeilarrow

Claims (10)

Anordnung zum Messen einer Kraft (Fq) und/oder eines Momentes (Mt) an einem sich in einer Achse (03) erstreckenden Maschinenelement (01); wobei das Maschinenelement (01) in einem axialen Abschnitt einen sich umfänglich um die Achse (03) herum erstreckenden Magnetisierungsbereich (04) für eine Magnetisierung aufweist; wobei die Anordnung weiterhin mindestens zwei Magnetfeldsensoren (08) umfasst, welche jeweils zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft (Fq) und/oder durch das Moment (Mt) bewirkten Magnetfeldes (09) ausgebildet sind, wobei zwei der Magnetfeldsensoren (08) an axialen Positionen beiderseitig neben dem Magnetisierungsbereich (04) axial angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (08) jeweils derart angeordnet sind, dass sie innerhalb der Anordnung zur Messung des durch die Magnetisierung eines einzigen Magnetisierungsbereiches (04) sowie durch die Kraft (Fq) und/oder durch das Moment (Mt) bewirkten Magnetfeldes (09) ausgebildet sind.Arrangement for measuring a force (F q ) and / or a moment (M t ) on a machine element (01) extending in an axis (03); the machine element (01) having in an axial portion a magnetization region (04) extending circumferentially around the axis (03) for magnetization; wherein the arrangement further comprises at least two magnetic field sensors (08) which are each designed for the individual measurement of a radial direction component of a magnetic field (09) caused by the magnetization and by the force (F q ) and / or by the moment (M t ), wherein two of the magnetic field sensors (08) are arranged axially adjacent to the magnetization region (04) at axial positions, characterized in that the magnetic field sensors (08) are each arranged within the device for measuring the magnetization of a single magnetization region ( 04) and by the force (F q ) and / or by the moment (Mt) caused magnetic field (09) are formed. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (01) genau den einen Magnetisierungsbereich (04) aufweist, dessen Magnetisierung gemeinsam mit der Kraft (Fq) und/oder dem Moment (Mt) das Magnetfeld (09) bewirkt, welches durch die Magnetfeldsensoren (08) messbar ist.Arrangement according to Claim 1 , characterized in that the machine element (01) exactly one magnetization region (04) whose magnetization together with the force (F q ) and / or the moment (Mt) causes the magnetic field (09), which by the magnetic field sensors (08 ) is measurable. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (01) weiterhin zwei magnetisch neutrale Abschnitte (07) aufweist, die axial beiderseitig neben dem Magnetisierungsbereich (04) angeordnet sind.Arrangement according to Claim 1 or 2 , characterized in that the machine element (01) further comprises two magnetically neutral portions (07) which are arranged axially on both sides next to the magnetization region (04). Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (08) an den axialen Positionen der magnetisch neutralen Abschnitte (07) axial angeordnet sind.Arrangement according to Claim 3 , characterized in that the magnetic field sensors (08) are arranged axially at the axial positions of the magnetically neutral portions (07). Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetisierungsbereich durch einen Permanentmagnetisierungsbereich (04) gebildet ist, sodass die Magnetisierung des Maschinenelementes (01) durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist.Arrangement according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the magnetization region is formed by a permanent magnetization region (04), so that the magnetization of the machine element (01) is formed by a permanent magnetization. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die an axialen Positionen beiderseitig neben dem Magnetisierungsbereich (04) axial angeordneten Magnetfeldsensoren (08) eine gleiche umfängliche Position aufweisen.Arrangement according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the axial positions on both sides next to the magnetization region (04) axially arranged magnetic field sensors (08) have a same circumferential position. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens drei der Magnetfeldsensoren (08) umfasst, wobei zwei der Magnetfeldsensoren (08) eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse (03) gegenüberliegend angeordnet sind.Arrangement according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that it comprises at least three of the magnetic field sensors (08), wherein two of the magnetic field sensors (08) have a same axial position and with respect to the axis (03) are arranged opposite one another. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens vier der Magnetfeldsensoren (08) umfasst, wobei jeweils zwei der Magnetfeldsensoren (08) eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse (03) gegenüberliegend angeordnet sind.Arrangement according to Claim 7 , characterized in that it comprises at least four of Magnetic field sensors (08), wherein each two of the magnetic field sensors (08) have a same axial position and with respect to the axis (03) are arranged opposite one another. Verfahren zum Messen eines Drehmomentes (Mt) mit einer Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, folgende Schritte umfassend: - Empfangens eines ersten Messsignals eines ersten der die gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren (08); - Empfangens eines zweiten Messsignals eines zweiten der die gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren (08), wobei der erste Magnetfeldsensor (08) und der zweite Magnetfeldsensor (08) in Bezug auf die Achse (03) gegenüberliegend angeordnet sind; und wobei das erste Messsignal und das zweite Messsignal zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch das Drehmoment (Mt) bewirkten Magnetfeldes (09) repräsentieren, die hinsichtlich ihres Richtungssinnes (11) entweder gemeinsam zur Achse (03) hin gerichtet oder von der Achse (03) weg gerichtet sind; und - Addieren des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals.Method for measuring a torque (Mt) with an arrangement according to Claim 7 or 8th comprising the steps of: receiving a first measurement signal of a first of the magnetic field sensors (08) having the same axial position; - Receiving a second measurement signal of a second of the same axial position having magnetic field sensors (08), wherein the first magnetic field sensor (08) and the second magnetic field sensor (08) with respect to the axis (03) are arranged opposite to each other; and wherein the first measurement signal and the second measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field (09) caused by the magnetization and by the torque (Mt) which, with respect to their sense of direction (11), either point towards the axis (03) or from the axis (03) are directed away; and adding the first measurement signal and the second measurement signal. Verfahren zum Messen einer Querkraft (Fq) mit einer Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, folgende Schritte umfassend: - Empfangens eines ersten Messsignals eines ersten an einer axialen Position auf einer ersten Seite des Magnetisierungsbereiches (04) axial angeordneten Magnetfeldsensors (08) der mindestens drei Magnetfeldsensoren (08); - Empfangens eines zweiten Messsignals eines zweiten an einer axialen Position auf einer zweiten Seite des Magnetisierungsbereiches (04) axial angeordneten Magnetfeldsensors (08) der mindestens drei Magnetfeldsensoren (08), wobei der erste Magnetfeldsensor (08) und der zweite Magnetfeldsensor (08) in Bezug auf die Achse (03) gegenüberliegend angeordnet sind; und wobei das erste Messsignal und das zweite Messsignal zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung und durch die Querkraft (Fq) bewirkten Magnetfeldes (09) repräsentieren, die hinsichtlich ihres Richtungssinnes (11) entweder gemeinsam zur Achse (03) hin gerichtet oder von der Achse (03) weg gerichtet sind; und - Addieren des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals.Method for measuring a transverse force (F q ) with an arrangement according to FIG Claim 7 or 8th comprising the following steps: - receiving a first measurement signal of a first magnetic field sensor (08) of the at least three magnetic field sensors (08) arranged axially at an axial position on a first side of the magnetization region (04); - Receiving a second measurement signal of a second at an axial position on a second side of the magnetization region (04) axially arranged magnetic field sensor (08) of the at least three magnetic field sensors (08), wherein the first magnetic field sensor (08) and the second magnetic field sensor (08) with respect are arranged opposite to the axis (03); and wherein the first measurement signal and the second measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field (09) caused by the magnetization and by the lateral force (F q ), which with respect to their sense of direction (11) are directed either together towards the axis (03) or from the Axis (03) are directed away; and adding the first measurement signal and the second measurement signal.
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