DE102018116798A1

DE102018116798A1 - Magnetic field sensor and arrangement with this

Info

Publication number: DE102018116798A1
Application number: DE102018116798.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Moellmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-07-11
Filing date: 2018-07-11
Publication date: 2020-01-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor (06) zur Messung eines Magnetfeldes, welches durch eine Magnetisierung in einem Maschinenelement (01) und durch eine auf das Maschinenelement (01) wirkende Kraft und/oder durch ein auf das Maschinenelement (01) wirkendes Moment (M) aufgrund des invers magnetostriktiven Effektes bewirkt ist. Der Magnetfeldsensor (06) umfasst mindestens ein Magnetfeldleitelement (11), welches mindestens einen ersten Schenkel (12) und einen zweiten Schenkel (13) sowie mindestens einen ersten magnetfeldleitenden Steg (14) und einen zweiten magnetfeldleitenden Steg (15) umfasst. Die Schenkel (12, 13) und die Stege (14, 15) bilden gemeinsam einen magnetischen Kreis aus. Der Magnetfeldsensor (06) umfasst weiterhin mindestens zwei Magnetfeldsensorelemente (08, 09), wobei je ein Magnetfeldsensorelement (08, 09) auf den mindestens zwei Schenkeln (12, 13) und/oder auf den mindestens zwei Stegen (14, 15) angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Messung einer Kraft und/oder eines Momentes (M) an einem sich in einer Achse (04) erstreckenden Maschinenelements (01). Das Maschinenelement (01) weist einen sich um die Achse herum erstreckenden Magnetisierungsbereich auf. Weiterhin umfasst die Anordnung mindestens einen Magnetfeldsensor (06), wobei der erste Schenkel (12) des Magnetfeldleitelementes (11) und der zweite Schenkel (13) des Magnetfeldleitelementes (11) auf den Magnetisierungsbereich (03) gerichtet sind und die beiden Schenkel (12, 13) durch die beiden Stege (14, 15) verbunden sind.The invention relates to a magnetic field sensor (06) for measuring a magnetic field which is generated by magnetization in a machine element (01) and by a force acting on the machine element (01) and / or by a moment (M ) due to the inverse magnetostrictive effect. The magnetic field sensor (06) comprises at least one magnetic field guiding element (11) which comprises at least a first leg (12) and a second leg (13) as well as at least a first magnetic field conducting web (14) and a second magnetic field conducting web (15). The legs (12, 13) and the webs (14, 15) together form a magnetic circuit. The magnetic field sensor (06) further comprises at least two magnetic field sensor elements (08, 09), one magnetic field sensor element (08, 09) each being arranged on the at least two legs (12, 13) and / or on the at least two webs (14, 15) , The invention further relates to an arrangement for measuring a force and / or a moment (M) on a machine element (01) extending in an axis (04). The machine element (01) has a magnetization area extending around the axis. The arrangement further comprises at least one magnetic field sensor (06), the first leg (12) of the magnetic field guiding element (11) and the second leg (13) of the magnetic field guiding element (11) being directed towards the magnetization region (03) and the two legs (12, 13) are connected by the two webs (14, 15).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor zur Messung eines Magnetfeldes. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Messung einer Kraft und/oder eines Momentes, welche einen Magnetfeldsensor umfasst.The present invention relates to a magnetic field sensor for measuring a magnetic field. Furthermore, the invention relates to an arrangement for measuring a force and / or a moment, which comprises a magnetic field sensor.

Es sind Drehmomentsensoren auf Basis der inversen Magnetostriktion bekannt, welche zur Wankstabilisation, in Sensortretlagern oder in Düngestreuern im Bereich von Landmaschinen zur Anwendung kommen. Die Anwendungen haben gemeinsam, dass ein gehärteter Flansch oder eine Welle mehrere umlaufende Magnetspuren aufweist, wobei der Flansch oder die Welle mit einem zu messenden Drehmoment oder einer zu messenden Kraft belastet wird. Bei Kraft- oder Momenteinwirkung entstehen axiale Magnetfelder, welche mittels Magnetfeldsensoren erfassbar sind.Torque sensors based on inverse magnetostriction are known which are used for roll stabilization, in sensor pedal bearings or in fertilizer spreaders in the area of agricultural machinery. The applications have in common that a hardened flange or a shaft has several circumferential magnetic tracks, the flange or the shaft being loaded with a torque or a force to be measured. Axial magnetic fields arise when force or moment is applied, which can be detected by means of magnetic field sensors.

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 with a chainring carrier, which is connected to a shaft of the bottom bracket. The chainring carrier is non-rotatably connected to a chainring shaft, which in turn is non-rotatably connected to the shaft. The chainring shaft has magnetization in sections. A sensor is provided which detects a change in the magnetization with a torque present in the area 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 6,490,934 B2 teaches a magnetoelastic torque sensor for measuring a torque which acts on an element with a ferromagnetic, magnetostrictive and magnetoelastically active area. 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 und aus der US 5,465,627 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. Ein Sensor kann mit einem Joch gegenüber dem magnetoelastischen Messwandler angeordnet werden.From the EP 0 803 053 B1 and from the US 5,465,627 a torque sensor is known which comprises a magnetoelastic transducer which has a rotating magnetization. To generate the rotating 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 and energized through the shaft or through the ring, the ring being able to be partially immersed in an electrically conductive liquid. A sensor can be arranged with a yoke opposite the magnetoelastic transducer.

Die US 8,087,304 B2 lehrt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor, bei welchem der Einfluss eines äußeren Magnetfeldes unterdrückt werden soll. Hierfür umfasst der Drehmomentsensor drei einzelne Magnetfeldsensoren, die unterschiedlich ausgerichteten umlaufenden Magnetisierungen gegenüberstehen.The US 8,087,304 B2 teaches a magnetoelastic torque sensor in which the influence of an external magnetic field is to be suppressed. For this purpose, the torque sensor comprises three individual magnetic field sensors, which are opposed to differently oriented rotating magnetizations.

Aus der DE 10 2015 200 268 B3 ist eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes bekannt, welche mindestens zwei axial zueinander beabstandete Magnetfeldsensoren aufweist, zwischen denen ein Magnetfeldleitelement ausgebildet ist.From the DE 10 2015 200 268 B3 an arrangement for measuring a force and / or a torque using the inverse magnetostrictive effect is known, which has at least two axially spaced magnetic field sensors, between which a magnetic field guiding element is formed.

Aus der US 6,301,976 B1 ist eine Drehmomentsensorvorrichtung zum Erfassen eines an einer Welle angelegten Drehmomentes bekannt. Die Vorrichtung umfasst ein rohrförmiges magnetoelastisches Element sowie einen dazu benachbarten Detektor. Der Detektor umfasst einen länglichen Kern und eine Spule, die um einen wesentlichen Teil des Kernes gewickelt ist.From the US 6,301,976 B1 a torque sensor device for detecting a torque applied to a shaft is known. The device comprises a tubular magnetoelastic element and a detector adjacent to it. The detector comprises an elongated core and a coil which is wound around a substantial part of the core.

In der EP 3 051 265 B1 wird eine Kraftmessvorrichtung beschrieben, welche eine Magnetfelderzeugungseinheit, eine Magnetfelderfassungseinheit, eine Steuereinheit und einen Flusskonzentrator mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Pol umfasst.In the EP 3 051 265 B1 describes a force measuring device which comprises a magnetic field generation unit, a magnetic field detection unit, a control unit and a flux concentrator with a first, a second and a third pole.

Die DE 10 2014 204 268 A1 zeigt eine Anordnung mit magnetoelastischen Sensoren zur Erfassung der Richtung mechanischer Spannungen in einem ferromagnetischen Werkstück.The DE 10 2014 204 268 A1 shows an arrangement with magnetoelastic sensors for detecting the direction of mechanical stresses in a ferromagnetic workpiece.

Aus der US 4,572,005 A ist ein Drehmomentsensor bekannt, der das Prinzip der Magnetostriktion nutzt um eine Torsionsspannung zu detektieren. Der Drehmomentsensor umfasst einen Erregerkern mit Erregerspule und einen Sensorkern mit Sensorspule.From the US 4,572,005 A a torque sensor is known which uses the principle of magnetostriction to detect a torsional stress. The torque sensor comprises an excitation core with an excitation coil and a sensor core with a sensor coil.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Genauigkeit einer auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhenden Messung einer auf ein Maschinenelement wirkenden Kraft und/oder eines auf ein Maschinenelement wirkenden Momentes zu erhöhen.Based on the prior art, the object of the present invention is to increase the accuracy of a measurement based on the inverse magnetostrictive effect of a force acting on a machine element and / or a moment acting on a machine element.

Die genannte Aufgabe wird durch einen Magnetfeldsensor gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Anordnung gemäß den beigefügten nebengeordneten Anspruch 9 gelöst.The stated object is achieved by a magnetic field sensor according to the attached claim 1 and by an arrangement according to the attached independent claim 9.

Der erfindungsgemäße Magnetfeldsensor dient zur Messung eines Magnetfeldes, welches durch eine Magnetisierung in einem Maschinenelement und durch eine auf das Maschinenelement wirkende Kraft und/oder durch ein auf das Maschinenelement wirkendes Moment aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes generiert wird. Somit dient der Magnetfeldsensor mittelbar zur Messung der auf das Maschinenelement wirkenden Kraft und/oder des auf das Maschinenelement wirkenden Momentes unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Das Maschinenelement erstreckt sich in einer Achse. Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Die Achse ist bevorzugt als eine Rotationsachse des Maschinenelementes ausgebildet. Durch die Achse sind eine radiale Richtung, eine tangentiale bzw. umfängliche Richtung und eine axiale Richtung definiert, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind.The magnetic field sensor according to the invention is used to measure a magnetic field which is generated by magnetization in a machine element and by a force acting on the machine element and / or by a moment acting on the machine element due to the inverse magnetostrictive effect. Thus serves the magnetic field sensor indirectly for measuring the force acting on the machine element and / or the moment acting on the machine element using the inverse magnetostrictive effect. The machine element extends in one axis. The force or the moment acts on the machine element, as a result of which mechanical stresses occur and the machine element mostly deforms slightly. The axis is preferably designed as an axis of rotation of the machine element. The axis defines a radial direction, a tangential or circumferential direction and an axial direction, which are aligned perpendicular to one another.

Das Maschinenelement weist mindestens 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, 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 bzw. Unterbrechungen aufweisen kann. Der Magnetisierungsbereich kann beispielsweise innerhalb einer Hülse ausgebildet sein, die einen Teil des Maschinenelementes bildet und fest auf einer einen weiteren Teil des Maschinenelementes bildenden Welle sitzt. Der Magnetisierungsbereich bildet einen Primärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes. Der Magnetisierungsbereich kann wegen seiner umfänglichen Ausbildung auch als Magnetisierungsspur angesehen werden.The machine element has at least one magnetization region extending circumferentially around the axis for magnetization formed in the machine element. It is therefore a magnetization area encircling the axis, the axis itself preferably not forming part of the magnetization area. The magnetization region has a tangential orientation with respect to a surface of the machine element that extends around the axis. The magnetization region preferably has only a tangential orientation with respect to a surface of the machine element that extends around the axis. The magnetization area preferably extends along a closed path around the axis, wherein the magnetization area can have short gaps or interruptions. The magnetization area can be formed, for example, within a sleeve which forms part of the machine element and is firmly seated on a shaft which forms a further part of the machine element. The magnetization area forms a primary sensor for determining the force or the moment. Because of its extensive design, the magnetization area can also be viewed as a magnetization track.

Der Magnetfeldsensor bildet einen Sekundärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes. Der Primärsensor, d. h. der Magnetisierungsbereich dient zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während der Sekundärsensor die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglicht. Der Magnetfeldsensor ist gegenüber dem Magnetisierungsbereich angeordnet, sodass er sich bevorzugt an einer gleichen axialen Position wie der Magnetisierungsbereich befindet. Somit ist der Magnetfeldsensor gegenüber dem Magnetisierungsbereich radial versetzt.The magnetic field sensor forms a secondary sensor for determining the force or the moment. The primary sensor, i.e. H. the magnetization area serves to convert the force or the moment to be measured into a corresponding magnetic field, while the secondary sensor enables this magnetic field to be converted into electrical signals. The magnetic field sensor is arranged opposite the magnetization area, so that it is preferably in the same axial position as the magnetization area. The magnetic field sensor is thus radially offset from the magnetization area.

Der Magnetfeldsensor umfasst mindestens ein Magnetfeldleitelement, welches mindestens einen ersten magnetfeldleitenden Schenkel und einen zweiten magnetfeldleitenden Schenkel aufweist.The magnetic field sensor comprises at least one magnetic field guiding element which has at least a first magnetic field guiding leg and a second magnetic field guiding leg.

Das Magnetfeldleitelement ist bevorzugt umlaufend ausgebildet, insbesondere ringförmig. Besonders bevorzugt ist das Magnetfeldleitelement umlaufend geschlossen ausgebildet. Alternativ bevorzugt weist das Magnetfeldleitelement umlaufend mindestens einen Spalt auf.The magnetic field guiding element is preferably circumferential, in particular annular. The magnetic field guiding element is particularly preferably designed to be closed all round. Alternatively, the magnetic field guiding element preferably has at least one gap all around.

Weiterhin umfasst das mindestens eine Magnetfeldleitelement des Magnetfeldsensors mindestens einen ersten magnetfeldleitenden Steg und einen zweiten magnetfeldleitenden Steg.Furthermore, the at least one magnetic field guiding element of the magnetic field sensor comprises at least a first magnetic field guiding web and a second magnetic field guiding web.

Die mindestens zwei Schenkel und die mindestens zwei Stege bilden einen Kreis, entlang welchem der magnetische Fluss verläuft. Das Magnetfeldleitelement weist einen Spulenkern auf, der gemeinsam durch die Schenkel und die Stege gebildet ist.The at least two legs and the at least two webs form a circle along which the magnetic flux runs. The magnetic field guide element has a coil core, which is formed jointly by the legs and the webs.

Erfindungsgemäß umfasst der Magnetfeldsensor mindestens zwei Magnetfeldsensorelemente. Die mindestens zwei Magnetfeldsensorelemente sind auf den Schenkeln und/oder auf den Stegen angeordnet. Die beiden Magnetfeldsensorelemente dienen zum Detektieren des Magnetfeldes, welches durch die Magnetisierung und durch die Kraft und/oder durch das Moment aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes generiert ist. Zwischen den Schenkeln, den Stegen und dem Magnetisierungsbereich verbleibt lediglich jeweils ein Luftspalt.According to the invention, the magnetic field sensor comprises at least two magnetic field sensor elements. The at least two magnetic field sensor elements are arranged on the legs and / or on the webs. The two magnetic field sensor elements serve to detect the magnetic field which is generated by the magnetization and by the force and / or by the moment due to the inverse magnetostrictive effect. Only one air gap remains between the legs, the webs and the magnetization area.

Durch das erfindungsgemäß ausgebildete Magnetfeldleitelement sind die mindestens zwei Magnetfeldsensorelemente mit nur einem geringen magnetischen Widerstand an den Magnetisierungsbereich des Maschinenelementes gekoppelt, sodass das aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes generierte Magnetfeld verlustarm zu den mindestens zwei Magnetfeldsensorelementen geleitet wird. Der Magnetkreis verläuft bis auf die verbleibenden schmalen Luftspalte nicht durch die Luft. Das dadurch mit den Magnetfeldsensorelementen messbare Magnetfeld ist in vielen Anwendungsfällen deutlich größer als das Erdmagnetfeld, wodurch vorteilhafterweise der störende Einfluss des Erdmagnetfeldes oder anderer Störfelder minimiert ist und das Signal-Rausch-Verhältnis der Messung erhöht ist. Da insbesondere das radial ausgerichtete Magnetfeld gemessen wird, genügt für die meisten Anwendungen der genau eine Magnetisierungsbereich bzw. die genau eine Magnetisierungsspur des Maschinenelementes, sodass ein weiterer Magnetisierungsbereich bzw. eine weitere Magnetisierungsspur zur Kompensation von Störfeldern nicht notwendig ist. Entsprechend weist das Maschinenelement bevorzugt nur den genau einen Magnetisierungsbereich bzw. nur die genau eine Magnetisierungsspur auf. The magnetic field guiding element designed according to the invention couples the at least two magnetic field sensor elements to the magnetization region of the machine element with only a slight magnetic resistance, so that the magnetic field generated due to the inverse magnetostrictive effect is conducted to the at least two magnetic field sensor elements with little loss. The magnetic circuit does not run through the air except for the remaining narrow air gaps. In many applications, the magnetic field that can be measured with the magnetic field sensor elements is significantly larger than the earth's magnetic field, which advantageously minimizes the disruptive influence of the earth's magnetic field or other interference fields and increases the signal-to-noise ratio of the measurement. Since in particular the radially oriented magnetic field is measured, the exactly one magnetization area or the exactly one magnetization track of the machine element is sufficient for most applications, so that a further magnetization area or a further magnetization track is not necessary to compensate for interference fields. Accordingly, the machine element preferably has only one magnetization area or only one magnetization track.

Vorzugsweise sind ein erstes Magnetfeldsensorelement auf einem ersten Schenkel und ein zweites Magnetfeldsensorelement auf einem zweiten Schenkel oder ein erstes Magnetfeldsensorelement auf einem ersten Steg und ein zweites Magnetfeldsensorelement auf einem zweiten Steg angeordnet. A first magnetic field sensor element is preferably arranged on a first leg and a second magnetic field sensor element on a second leg or a first magnetic field sensor element on a first web and a second magnetic field sensor element on a second web.

Bevorzugt sind die beiden Schenkel radial zu dem Magnetisierungsbereich des Maschinenelementes ausgerichtet. Alternativ bevorzugt ist eine Abweichung von der radialen Richtung von bis zu 30° gegeben. Die Schenkel des Magnetfeldleitelementes sind bevorzugt senkrecht zu einer Oberfläche des Maschinenelementes ausgerichtet. Alternativ bevorzugt ist eine Abweichung von der zu der Oberfläche des Maschinenelementes Senkrechten von bis zu 30° gegeben.The two legs are preferably aligned radially to the magnetization region of the machine element. Alternatively, there is preferably a deviation from the radial direction of up to 30 °. The legs of the magnetic field guiding element are preferably aligned perpendicular to a surface of the machine element. Alternatively, there is preferably a deviation from the perpendicular to the surface of the machine element of up to 30 °.

Die beiden Stege sind bevorzugt axial zu dem Magnetisierungsbereich des Maschinenelementes ausgerichtet, sodass sie parallel zu der Achse verlaufen. Die beiden Stege verbinden vorzugsweise die beiden Schenkel. Die Stege gewährleisten einen kleinen magnetischen Widerstand zwischen den beiden Schenkeln.The two webs are preferably aligned axially to the magnetization region of the machine element, so that they run parallel to the axis. The two webs preferably connect the two legs. The webs ensure a small magnetic resistance between the two legs.

Die Schenkel und die Stege sind vorzugsweise rechtwinklig zueinander angeordnet, sodass ein Magnetkreis ausgebildet ist. Die Stege und die beiden Schenkel sind bevorzugt gemeinsam einstückig ausgebildet, beispielsweise durch einen Draht. Die beiden Stege sind bevorzugt radial parallel zum Magnetisierungsbereich des Maschinenelementes angeordnet, wobei einer der mindestens zwei Stege radial unmittelbar gegenüber dem Magnetisierungsbereich liegt und zwischen diesem Steg und dem Magnetisierungsbereich ein Luftspalt besteht.The legs and the webs are preferably arranged at right angles to one another, so that a magnetic circuit is formed. The webs and the two legs are preferably formed together in one piece, for example by a wire. The two webs are preferably arranged radially parallel to the magnetization area of the machine element, one of the at least two webs lying radially directly opposite the magnetization area and there being an air gap between this web and the magnetization area.

Bei bevorzugten Ausführungsformen ist zwischen den auf den Magnetisierungsbereich gerichteten Schenkeln des Magnetfeldleitelementes und dem Magnetisierungsbereich jeweils ein Luftspalt ausgebildet. Der Luftspalt ist jeweils zwischen einer Stirnfläche des jeweiligen Schenkels und dem Magnetisierungsbereich ausgebildet.In preferred embodiments, an air gap is formed in each case between the legs of the magnetic field guiding element directed towards the magnetization area and the magnetization area. The air gap is in each case formed between an end face of the respective leg and the magnetization area.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Magnetfeldsensorelemente in der axialen Richtung beabstandet. Die Magnetfeldsensorelemente weisen bevorzugt eine gleiche Position in der radialen Richtung auf, sodass sie einen gleichen Abstand zur Achse besitzen. Die Magnetfeldsensorelemente weisen bevorzugt eine gleiche Position in der tangentialen Richtung auf, sodass sie eine gleiche umfängliche Position besitzen.In a preferred embodiment, the magnetic field sensor elements are spaced apart in the axial direction. The magnetic field sensor elements preferably have the same position in the radial direction, so that they are at the same distance from the axis. The magnetic field sensor elements preferably have the same position in the tangential direction, so that they have the same circumferential position.

Die Magnetfeldsensorelemente sind bevorzugt jeweils durch eine Empfängerspule oder durch ein Halbleitersensorelement gebildet. Die Empfängerspulen bzw. die Halbleitersensorelemente wandeln das empfangene magnetische Feld in ein elektrisches Signal.The magnetic field sensor elements are preferably each formed by a receiver coil or by a semiconductor sensor element. The receiver coils or the semiconductor sensor elements convert the received magnetic field into an electrical signal.

Der Magnetfeldsensor ist bevorzugt durch eine Förster-Sonde bzw. durch ein Fluxgate-Magnetometer gebildet. Die Förster-Sonde bzw. das Fluxgate-Magnetometer umfasst die durch die Empfängerspulen gebildeten Magnetfeldsensorelemente.The magnetic field sensor is preferably formed by a Förster probe or by a fluxgate magnetometer. The Förster probe or the fluxgate magnetometer comprises the magnetic field sensor elements formed by the receiver coils.

Bei bevorzugten Ausführungsformen bildet der erste Schenkel des Magnetfeldleitelementes einen Spulenkern für das durch die erste Empfängerspule gebildete erste Magnetfeldsensorelement, während der zweite Schenkel des Magnetfeldleitelementes einen Spulenkern für das durch die zweite Empfängerspule gebildete zweite Magnetfeldsensorelement bildet. Besonders bevorzugt ist der Spulenkern gemeinsam durch die beiden Schenkel sowie die beiden Stege gebildet, sodass ein geschlossener Spulenkern besteht. Der geschlossene Spulenkern verbindet die beiden Pole, die der Magnetisierungsbereich aufweist, miteinander, sodass der magnetische Fluss mit geringem magnetischen Widerstand von einem Pol zum anderen Pol durch die Magnetfeldsensorelemente, insbesondere durch die Empfängerspulen, verläuft. Die Flussdichte ist bei geschlossenem Spulenkern, als dem durch die beiden Schenkel und Stege gebildeten Magnetkreis, größer als bei dem lediglich durch die Schenkel gebildeten Spulenkern, weshalb die Ausführungsform mit geschlossenem Spulenkern bevorzugt wird.In preferred embodiments, the first leg of the magnetic field guiding element forms a coil core for the first magnetic field sensor element formed by the first receiver coil, while the second leg of the magnetic field guiding element forms a coil core for the second magnetic field sensor element formed by the second receiver coil. The coil core is particularly preferably formed together by the two legs and the two webs, so that there is a closed coil core. The closed coil core connects the two poles which the magnetization region has to one another, so that the magnetic flux runs from one pole to the other pole with low magnetic resistance through the magnetic field sensor elements, in particular through the receiver coils. The flux density is greater when the coil core is closed than the magnetic circuit formed by the two legs and webs than when the coil core is formed only by the legs, which is why the embodiment with the closed coil core is preferred.

Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen sind die Empfängerspulen auf einer flexiblen Platine ausgebildet. Hierdurch kann der Magnetfeldsensor in einer flachen Form ausgeführt werden, sodass er vorteilhafterweise in einem kleinen Zwischenraum angeordnet werden kann. Zudem kann der Magnetfeldsensor an unterschiedlich große Maschinenelemente angepasst werden. Die flexible Platine ist bevorzugt gebogen und/oder gefaltet. Die flexible Platine ist bevorzugt wie ein Ring oder wie ein Ringbogen gebogen, sodass der Magnetfeldsensor leicht in beispielsweise eine Bohrung eingebracht werden kann. Die Empfängerspulen sind bevorzugt durch Leiterzüge auf der flexiblen Platine gebildet. Die Empfängerspulen können in die flexible Platine eingedruckt oder auf die flexible Platine aufgedruckt sein. Die Empfängerspulen können auch als Leiterbahnen in mehreren Schichten aufgedruckt sein. Die Empfängerspulen können auch in einem Chip ausgebildet sein.In particularly preferred embodiments, the receiver coils are formed on a flexible circuit board. As a result, the magnetic field sensor can be designed in a flat shape, so that it can advantageously be arranged in a small space. In addition, the magnetic field sensor can be adapted to different sized machine elements. The flexible board is preferably bent and / or folded. The flexible circuit board is preferably bent like a ring or like a ring arc, so that the magnetic field sensor can easily be introduced into a bore, for example. The receiver coils are preferably formed by conductor tracks on the flexible circuit board. The receiver coils can be printed on the flexible board or printed on the flexible board. The receiver coils can also be printed as conductor tracks in several layers. The receiver coils can also be formed in a chip.

Die Schenkel weisen bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt auf. Entsprechend weisen die Empfängerspulen bevorzugt kreisförmige Windungen auf.The legs preferably have a circular cross section. Accordingly, the receiver coils preferably have circular turns.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Magnetfeldleitelement kreisförmig ausgebildet. In einer alternativen Ausführungsform ist das Magnetfeldleitelement oval ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform ist das Magnetfeldleitelement rechteckig ausgebildet. Vorzugsweise ist das Magnetfeldleitelement aus einem Draht.In a preferred embodiment, the magnetic field guiding element is circular. In an alternative embodiment, the magnetic field guide element is oval. In another embodiment, the magnetic field guiding element is rectangular. The magnetic field guiding element is preferably made of a wire.

Der Steg und die Schenkel sind bevorzugt jeweils gerade ausgebildet. Die Empfängerspulen weisen bevorzugt kreisförmige Windungen auf, die sich um die Schenkel aus Draht winden. Die Windungen erstrecken sich bevorzugt senkrecht um die Schenkel.The web and the legs are preferably each straight. The receiver coils preferably have circular windings that wind around the wire legs. The turns preferably extend perpendicularly around the legs.

Bei alternativen Ausführungsformen weisen die Stege die Form eines Zylindermantelabschnittes auf, während die Schenkel jeweils die Form eines Kreisringsegmentes aufweisen. Somit weisen die Stege einen kreisbogenförmigen Querschnitt auf. Die Zylindermantelabschnittsform ist bevorzugt koaxial zum Maschinenelement angeordnet. Das Magnetfeldleitelement besteht bei diesen Ausführungsformen bevorzugt aus einem Blech aus einem weichmagnetischen Material. Die Empfängerspulen weisen bei diesen Ausführungsformen bevorzugt rechteckförmige Windungen auf, die sich um die Schenkel aus Blech winden.In alternative embodiments, the webs have the shape of a cylinder jacket section, while the legs each have the shape of a circular ring segment. The webs thus have an arcuate cross section. The cylinder jacket section shape is preferably arranged coaxially to the machine element. In these embodiments, the magnetic field guiding element preferably consists of a sheet metal made of a soft magnetic material. In these embodiments, the receiver coils preferably have rectangular windings that wind around the sheet metal legs.

Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen sind die Stege in einem Magnetfeldsensorträger ausgebildet. Der Magnetfeldsensorträger trägt den Magnetfeldsensor, wobei der Magnetfeldsensor bevorzugt zwischen dem Magnetfeldsensorträger und dem Maschinenelement angeordnet ist. Der Magnetfeldsensorträger besteht aus einem magnetisch leitenden Material. Die Schenkel sind bei diesen Ausführungsformen bevorzugt gerade ausgebildet und münden auf den Magnetfeldsensorträger. Die Schenkel sind bevorzugt stiftartig ausgebildet, senkrecht zum Magnetfeldsensorträger angeordnet und am Magnetfeldsensorträger befestigt.In particularly preferred embodiments, the webs are formed in a magnetic field sensor carrier. The magnetic field sensor carrier carries the magnetic field sensor, the magnetic field sensor preferably being arranged between the magnetic field sensor carrier and the machine element. The magnetic field sensor carrier consists of a magnetically conductive material. In these embodiments, the legs are preferably straight and open onto the magnetic field sensor carrier. The legs are preferably pin-shaped, arranged perpendicular to the magnetic field sensor carrier and attached to the magnetic field sensor carrier.

Da das Maschinenelement bevorzugt die äußere Form eines Zylinders aufweist, besitzt der Magnetfeldsensor bevorzugt die Form eines Zylindermantelabschnittes, wenn seine geringe Dicke in der radialen Richtung vernachlässigt wird. Entsprechend besitzt der Magnetfeldsensor einen kreisbogenförmigen Querschnitt. Die Zylindermantelabschnittsform ist bevorzugt koaxial zum Maschinenelement und zum Magnetisierungsbereich angeordnet. Insofern die geringe Dicke des Magnetfeldsensors in der radialen Richtung nicht vernachlässigt wird, besitzt er die Form eines Hülsenabschnittes, welcher auch als ein Hohlzylinderabschnitt aufgefasst werden kann. Der Hülsenabschnitt ist bevorzugt koaxial zum Maschinenelement und zum Magnetisierungsbereich angeordnet. Der Zylindermantelabschnitt bzw. der Hülsenabschnitt weist einen Mittelpunktwinkel in Bezug auf die Achse auf, der bevorzugt zwischen 20° und 90° beträgt.Since the machine element preferably has the outer shape of a cylinder, the magnetic field sensor preferably has the shape of a cylinder jacket section if its small thickness in the radial direction is neglected. Accordingly, the magnetic field sensor has an arcuate cross section. The cylinder jacket section shape is preferably arranged coaxially to the machine element and to the magnetization region. Insofar as the small thickness of the magnetic field sensor in the radial direction is not neglected, it has the shape of a sleeve section, which can also be understood as a hollow cylinder section. The sleeve section is preferably arranged coaxially with the machine element and the magnetization area. The cylinder jacket section or the sleeve section has a center angle with respect to the axis, which is preferably between 20 ° and 90 °.

Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Magnetfeldsensor mehrere Paare der jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente sowie mehrere der Magnetfeldleitelemente. Jedes der Paare der Magnetfeldsensorelemente sitzt auf den Schenkeln eines der Magnetfeldleitelemente. Die mehreren Paare der jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente sind bevorzugt über einen umfänglichen Abschnitt um den Magnetisierungsbereich verteilt angeordnet. Somit sind die mehreren Paare der jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente in der tangentialen Richtung verteilt angeordnet. Die mehreren Paare der jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente weisen bevorzugt eine gleiche axiale Position und eine gleiche radiale Position auf.In particularly preferred embodiments, the magnetic field sensor comprises several pairs of the two magnetic field sensor elements and several of the magnetic field guiding elements. Each of the pairs of magnetic field sensor elements sits on the legs of one of the magnetic field guiding elements. The multiple pairs of the two magnetic field sensor elements are preferably arranged distributed over a circumferential section around the magnetization region. Thus, the plurality of pairs of the two magnetic field sensor elements are arranged distributed in the tangential direction. The multiple pairs of the two magnetic field sensor elements each have the same axial position and the same radial position.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Magnetfeldsensorelemente der Paare der jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente gemeinsam auf der flexiblen Platine ausgebildet. Dabei ist die flexible Platine bevorzugt wie ein Zylindermantelabschnitt oder wie ein Zylindermantel geformt. Dabei sind die Magnetfeldsensorelemente bevorzugt durch die Empfängerspulen gebildet, die als Leiterzüge auf der flexiblen Platine ausgebildet sind.In a preferred embodiment, the magnetic field sensor elements of the pairs of the two magnetic field sensor elements are jointly formed on the flexible circuit board. The flexible circuit board is preferably shaped like a cylinder jacket section or like a cylinder jacket. The magnetic field sensor elements are preferably formed by the receiver coils, which are designed as conductor tracks on the flexible circuit board.

Alternativ bevorzugt sind die Magnetfeldsensorelemente jeweils auf einer starren Platine einzeln angeordnet, wobei die starren Platinen in einem flexiblen Trägerwerkstoff eingebettet sind. Die starren Platinen weisen jeweils die Abmessungen des jeweiligen der Magnetfeldsensorelemente auf, wobei das jeweilige Magnetfeldsensorelement bevorzugt als Empfängerspule auf der jeweiligen starren Platine ausgebildet ist. Die starren Platinen sind bevorzugt jeweils quadratförmig. Die starren Platinen mit den einzelnen Magnetfeldsensorelementen sind beispielsweise vollständig im Trägerwerkstoff eingeschlossen, sodass die Magnetfeldsensorelemente vor Feuchtigkeit, Öl u. ä. geschützt sind. Der flexible Trägerwerkstoff ist vorteilhaft wie ein Zylindermantelabschnitt oder wie ein Zylindermantel geformt, sodass der Magnetfeldsensor leicht in eine Bohrung eingebracht werden kann. Die Anordnung der vergleichsweise kleinen starren Platinen in dem flexiblen Trägerwerkstoff erlaubt eine flache und kleine Ausführung des Magnetfeldsensors.Alternatively, the magnetic field sensor elements are each arranged individually on a rigid circuit board, the rigid circuit boards being embedded in a flexible carrier material. The rigid boards each have the dimensions of the respective one of the magnetic field sensor elements, the respective magnetic field sensor element preferably being designed as a receiver coil on the respective rigid board. The rigid boards are preferably each square. The rigid circuit boards with the individual magnetic field sensor elements are, for example, completely enclosed in the carrier material, so that the magnetic field sensor elements are protected from moisture, oil and the like. are protected. The flexible carrier material is advantageously shaped like a cylinder jacket section or like a cylinder jacket, so that the magnetic field sensor can be easily inserted into a bore. The arrangement of the comparatively small rigid boards in the flexible carrier material allows a flat and small version of the magnetic field sensor.

Alternativ bevorzugt sind die Paare der jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente jeweils auf einer starren Platine einzeln angeordnet, wobei die starren Platinen in einem flexiblen Trägerwerkstoff eingebettet sind. Die starren Platinen weisen jeweils die Abmessungen des jeweiligen Paares der Magnetfeldsensorelemente auf, wobei die beiden Magnetfeldsensorelemente des jeweilige Paares bevorzugt als zwei Empfängerspulen auf der jeweiligen starren Platine ausgebildet sind. Die starren Platinen sind bevorzugt jeweils rechteckförmig. Die starren Platinen mit den einzelnen Paaren der Magnetfeldsensorelemente sind bevorzugt vollständig im Trägerwerkstoff eingeschlossen, sodass die Magnetfeldsensorelemente vor Feuchtigkeit und Öl u. ä. geschützt sind. Der flexible Trägerwerkstoff ist bevorzugt wie ein Zylindermantelabschnitt oder wie ein Zylindermantel geformt, sodass der Magnetfeldsensor leicht in eine Bohrung eingebracht werden kann. Die Anordnung der vergleichsweise kleinen starren Platinen in dem flexiblen Trägerwerkstoff erlaubt eine flache und kleine Ausführung des Magnetfeldsensors.Alternatively, the pairs of the two magnetic field sensor elements are each arranged individually on a rigid circuit board, the rigid circuit boards being embedded in a flexible carrier material. The rigid boards each have the dimensions of the respective pair of magnetic field sensor elements, the two magnetic field sensor elements of the respective pair preferably being designed as two receiver coils on the respective rigid board. The rigid boards are preferably rectangular. The rigid boards with the individual pairs of Magnetic field sensor elements are preferably completely enclosed in the carrier material, so that the magnetic field sensor elements from moisture and oil and the like. are protected. The flexible carrier material is preferably shaped like a cylinder jacket section or like a cylinder jacket, so that the magnetic field sensor can be easily inserted into a bore. The arrangement of the comparatively small rigid boards in the flexible carrier material allows a flat and small version of the magnetic field sensor.

Alternativ bevorzugt sind die Paare der jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente jeweils auf einer starren Platine einzeln angeordnet, wobei die starren Platinen an einem oder an zwei Ringen befestigt sind. Die starren Platinen weisen jeweils die Abmessungen des jeweiligen Paares der Magnetfeldsensorelemente auf, wobei die beiden Magnetfeldsensorelemente des jeweilige Paares bevorzugt als zwei Empfängerspulen auf der jeweiligen starren Platine ausgebildet sind. Die starren Platinen sind z. B. jeweils rechteckförmig. Der Ring bzw. die Ringe sind vorzugsweise jeweils durch eine starre Platine gebildet. Bevorzugt sind die die Paare der jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente tragenden starren Platinen axial mittig zwischen den zwei Ringen angeordnet. Die Ringe verleihen dem Magnetfeldsensor eine Ringform, die leicht in eine Bohrung eingebracht werden kann.Alternatively, the pairs of the two magnetic field sensor elements are each arranged individually on a rigid circuit board, the rigid circuit boards being fastened to one or two rings. The rigid boards each have the dimensions of the respective pair of magnetic field sensor elements, the two magnetic field sensor elements of the respective pair preferably being designed as two receiver coils on the respective rigid board. The rigid boards are e.g. B. each rectangular. The ring or rings are preferably each formed by a rigid circuit board. The rigid circuit boards, which carry the pairs of two magnetic field sensor elements, are preferably arranged axially in the middle between the two rings. The rings give the magnetic field sensor a ring shape that can be easily inserted into a hole.

Die Magnetfeldsensorelemente sind bevorzugt gleich ausgebildet. Die mindestens eine Anordnung aus den jeweils zwei Magnetfeldsensorelementen und dem Magnetfeldleitelement ist bevorzugt symmetrisch ausgebildet.
Das Magnetfeldleitelement bzw. die Magnetfeldleitelemente bestehen bevorzugt aus einem weichmagnetischen Werkstoff und sind bevorzugt ferromagnetisch. Das Magnetfeldleitelement bzw. die Magnetfeldleitelemente sind insbesondere unmagnetisiert.The magnetic field sensor elements are preferably of identical design. The at least one arrangement of the two magnetic field sensor elements and the magnetic field guiding element is preferably symmetrical.
The magnetic field guiding element or the magnetic field guiding elements preferably consist of a soft magnetic material and are preferably ferromagnetic. The magnetic field guiding element or the magnetic field guiding elements are in particular unmagnetized.

Die erfindungsgemäße Anordnung dient zur Messung einer Kraft und/oder eines Momentes an dem Maschinenelement. Die Anordnung umfasst das oben bereits beschriebene Maschinenelement, welches den oben beschriebenen Magnetisierungsbereich aufweist. Die Anordnung umfasst weiterhin den erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor, wobei die Schenkel des mindestens einen Magnetfeldleitelementes des Magnetfeldsensors auf den Magnetisierungsbereich gerichtet sind. Die Anordnung umfasst bevorzugt eine der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors. Im Übrigen weist die Anordnung bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor angegeben sind.The arrangement according to the invention serves to measure a force and / or a moment on the machine element. The arrangement comprises the machine element already described above, which has the magnetization range described above. The arrangement further comprises the magnetic field sensor according to the invention, the legs of the at least one magnetic field guiding element of the magnetic field sensor being directed towards the magnetization region. The arrangement preferably comprises one of the described preferred embodiments of the magnetic field sensor according to the invention. In addition, the arrangement preferably also has features that are specified in connection with the magnetic field sensor according to the invention.

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 area can be magnetized permanently or temporarily. In preferred embodiments of the arrangement according to the invention, the magnetization area is permanently magnetized, so that the magnetization is formed by permanent magnetization. In alternative preferred embodiments of the arrangement according to the invention, it furthermore has at least one magnet for magnetizing the magnetization area, so that the magnetization of the magnetization area is basically temporary. The at least one magnet can 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 dann kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des Magnetisierungsbereiches messbar ist.The magnetized area, which is magnetized permanently or temporarily, is preferably magnetically neutral in a state of the machine element that is unloaded by a force or moment, so that no technically relevant magnetic field can then be measured outside the magnetization area.

Der permanent bzw. temporär magnetisierte Magnetisierungsbereich ist bevorzugt in einem magnetoelastisch ausgebildeten Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet. In dem magnetoelastisch ausgebildeten Abschnitt des Maschinenelementes besteht das Maschinenelement bevorzugt aus einem magnetostriktiven Material, welches magnetisch hart oder magnetisch halbhart ist. Der mindestens eine Magnetisierungsbereich besitzt bevorzugt eine hohe Magnetostriktivität. 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. Der Magnetisierungsbereich ist bevorzugt innerhalb einer Hülse ausgebildet, die einen Teil des Maschinenelementes bildet und fest auf einem bevorzugt zylinderförmigen Teil des Maschinenelementes sitzt. Die Schenkel des mindestens einen Magnetfeldleitelementes stehen bevorzugt den axialen Seitenflächen der Hülse gegenüber, wobei sie die Hülse in der radialen Richtung überlappen. Die Schenkel des mindestens einen Magnetfeldleitelementes stehen alternativ bevorzugt den axialen Enden des Magnetisierungsbereiches gegenüber. Das Magnetfeldleitelement ist bevorzugt geschlossen ausgebildet, wobei zwischen den beiden Schenkeln des Magnetfeldleitelementes zwei Stege befindlich sind, die die Schenkel verbinden und mit diesen einen Magnetkreis bilden.The permanently or temporarily magnetized magnetization area is preferably formed in a magnetoelastic section of the machine element. In the magnetoelastic section of the machine element, the machine element preferably consists of a magnetostrictive material which is magnetically hard or magnetically semi-hard. The at least one magnetization region preferably has a high magnetostrictivity. It is preferred that not only one section, but the machine element as such is magnetoelastic. In this case, the machine element consists of a magnetostrictive material, in particular a magnetostrictive steel. The magnetization area is preferably formed within a sleeve, which forms part of the machine element and sits firmly on a preferably cylindrical part of the machine element. The legs of the at least one magnetic field guiding element preferably face the axial side surfaces of the sleeve, wherein they overlap the sleeve in the radial direction. Alternatively, the legs of the at least one magnetic field guiding element preferably face the axial ends of the magnetization region. The magnetic field guiding element is preferably designed to be closed, two webs being located between the two legs of the magnetic field guiding element, connecting the legs and forming a magnetic circuit with them.

Der mindestens eine 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 at least one magnetization area represents part of the volume of the machine element. The magnetization area is preferably of annular design, the axis of the machine element also forming a central axis of the ring shape. The Magnetization range the shape of a hollow cylinder coaxial to 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, der koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet. Das Maschinenelement kann auch hohl sein.The machine element preferably has the shape of a prism or a cylinder, the prism or the cylinder being arranged coaxially to the axis. The prism or the cylinder is preferably straight. The machine element particularly preferably has the shape of a straight circular cylinder which is arranged coaxially to the axis. In special embodiments, the prism or the cylinder is conical. The machine element can also be hollow.

Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle, durch ein Getriebeteil, durch eine Schaltgabel, durch eine Hülse oder durch einen Flansch gebildet. Die Welle, das Getriebeteil, die Schaltgabel, die Hülse bzw. der Flansch 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 hohle Maschinenelementtypen gebildet sein.The machine element is preferably formed by a shaft, by a gear part, by a shift fork, by a sleeve or by a flange. The shaft, the gear part, the shift fork, the sleeve or the flange can be designed for loads caused by different forces and moments and can be, for example, a component of a sensor pedal bracket, a roll stabilizer or a fertilizer spreader. In principle, the machine element can also be formed by completely different types of hollow machine elements.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in zwei Ansichten;
2 die erfindungsgemäße Anordnung gemäß 1 mit magnetischem F eldl inienverlauf.

Further details, advantages and developments of the invention result from the following description of preferred embodiments of the invention, with reference to the drawing. Show it:

1 a preferred embodiment of an arrangement according to the invention in two views;
2 the arrangement according to the invention 1 with magnetic field inside.

1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in zwei Ansichten. Im oberen Teil ist eine perspektivische Ansicht gezeigt, während im unteren Teil eine Querschnittsansicht derselben Ausführungsform gezeigt ist. Die erfindungsgemäße Anordnung dient zur Messung eines Momentes M, welches auf ein Maschinenelement 01 wirkt. Das Maschinenelement 01 umfasst eine Welle 02 und eine fest auf der Welle sitzende Hülse 03. Das Maschinenelement 01 erstreckt sich in einer Achse 04, welche auch eine mittlere Achse des Maschinenelementes 01 bildet. Die Hülse 03 besteht aus einem magnetoelastischen Material, welches den invers-magnetostriktiven Effekt aufweist. 1 shows a preferred embodiment of an arrangement according to the invention in two views. A perspective view is shown in the upper part, while a cross-sectional view of the same embodiment is shown in the lower part. The arrangement according to the invention serves to measure a moment M which is applied to a machine element 01 acts. The machine element 01 includes a wave 02 and a sleeve seated firmly on the shaft 03 , The machine element 01 extends in one axis 04 which is also a central axis of the machine element 01 forms. The sleeve 03 consists of a magnetoelastic material that has the inverse magnetostrictive effect.

Die Hülse 03 ist permanentmagnetisiert, sodass sie einen Permanentmagnetisierungsbereich bildet, welcher sich umlaufend um die Achse 04 herum erstreckt; d. h. es handelt sich um eine zirkuläre Permanentmagnetisierung.The sleeve 03 is permanently magnetized, so that it forms a permanent magnetization area that revolves around the axis 04 extends around; ie it is a circular permanent magnetization.

Die Anordnung umfasst weiterhin einen Magnetfeldsensor 06, der eine gleiche mittlere axiale Position wie die Hülse 03 besitzt. Der Magnetfeldsensor 06 ist durch ein Fluxgate-Magnetometer gebildet und umfasst eine flexible Platine 07, die ringförmig um die Hülse 03 geformt ist. Auf die flexible Platine 07 sind mehrere Paare umfassend jeweils eine erste Empfängerspule 08 und eine zweite Empfängerspule 09 aufgedruckt. Die mehreren Paare der jeweils zwei Empfängerspulen 08, 09 erstrecken sich umfänglich um die Hülse 03.The arrangement further comprises a magnetic field sensor 06 , which has the same central axial position as the sleeve 03 has. The magnetic field sensor 06 is formed by a fluxgate magnetometer and comprises a flexible circuit board 07 that are annular around the sleeve 03 is shaped. On the flexible board 07 are several pairs each comprising a first receiver coil 08 and a second receiver coil 09 printed. The multiple pairs of the two receiver coils 08 . 09 extend circumferentially around the sleeve 03 ,

Der Magnetfeldsensor 06 umfasst mehrere Magnetfeldleitelemente 11, die jeweils zwischen den beiden Empfängerspulen 08, 09 der mehreren Paare angeordnet sind. Die Magnetfeldleitelemente 11 sind beispielsweise jeweils durch einen eine geschlossene Form aufweisenden Draht bzw. Leiter gebildet, sodass sie jeweils einen ersten Schenkel 12, einen zweiten Schenkel 13, einen ersten Steg 14 und einen zweiten Steg 15 umfassen. Die erste Empfängerspule 08 sitzt jeweils auf dem ersten Schenkel 12. Die zweite Empfängerspule 09 sitzt jeweils auf dem zweiten Schenkel 13. Der erste Schenkel 12 und der zweite Schenkel 13 stehen den axialen Enden der Hülse 03 jeweils in einem sehr geringen Abstand gegenüber. Die beiden Schenkel 12, 13 sind radial, die beiden Stege 14, 15 sind axial ausgerichtet. Die beiden Stege 14, 15 verbinden die beiden Schenkel 12, 13 miteinander, sodass ein geschlossener Kreislauf entsteht. Der erste Steg 14 liegt oberhalb des zweiten Stegs 15, sodass beide zueinander beabstandet sind. Der zweite Steg 15 liegt radial nah gegenüber der permanent magnetisierten Hülse 03.The magnetic field sensor 06 comprises several magnetic field guiding elements 11 , each between the two receiver coils 08 . 09 of several pairs are arranged. The magnetic field guide elements 11 are each formed, for example, by a wire or conductor having a closed shape, so that they each have a first leg 12 , a second leg 13 , a first bridge 14 and a second bridge 15 include. The first receiver coil 08 sits on the first leg 12 , The second receiver coil 09 sits on the second leg 13 , The first leg 12 and the second leg 13 stand the axial ends of the sleeve 03 each at a very short distance from each other. The two legs 12 . 13 are radial, the two webs 14 . 15 are aligned axially. The two bridges 14 . 15 connect the two legs 12 . 13 with each other so that a closed cycle is created. The first footbridge 14 lies above the second footbridge 15 so that both are spaced apart. The second footbridge 15 is radially close to the permanently magnetized sleeve 03 ,

Der Magnetfeldsensor 06 ist an einem Magnetfeldsensorträger 16 befestigt, welcher sich ebenfalls ringförmig um das Maschinenelement 01 erstreckt und beispielsweise durch eine Bohrung in einem Gehäuse gebildet sein kann.The magnetic field sensor 06 is on a magnetic field sensor carrier 16 attached, which is also ring-shaped around the machine element 01 extends and can be formed for example by a bore in a housing.

2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung gemäß 1 mit magnetischem Feldlinienverlauf. Der durch die Stege 14, 15 und Schenkel 12, 13 gebildete geschlossene Kreis kann als geschlossener Spulenkern 17 bezeichnet werden. Der Magnetisierungsbereich in Form der Hülse 03 weist zwei magnetische Pole 18, 19 auf, welche durch den geschlossenen Spulenkern 17 verbunden sind, sodass der magnetische Fluss, in 2 als Feldlinien dargestellt, durch die Empfängerspulen 08, 09 mit geringem magnetischen Widerstand von einem Pol 18 zum anderen Pol 19 verläuft. 2 shows the arrangement according to the invention 1 with magnetic field line. The one through the jetties 14 . 15 and thighs 12 . 13 formed closed circle can be used as a closed coil core 17 be designated. The magnetization area in the form of the sleeve 03 has two magnetic poles 18 . 19 on through the closed coil core 17 are connected so that the magnetic flux, in 2 represented as field lines by the receiver coils 08 . 09 with low magnetic resistance from one pole 18 to the other pole 19 runs.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

0101: Maschinenelementmachine element
0202: Wellewave
0303: Hülseshell
04 04: Achseaxis
0505: --
0606: Magnetfeldsensormagnetic field sensor
0707: Platinecircuit board
0808: erste Empfängerspulefirst receiver coil
0909: zweite Empfängerspulesecond receiver coil
1010: --
1111: MagnetfeldleitelementMagnetfeldleitelement
1212: erster Schenkelfirst leg
1313: zweiter Schenkelsecond leg
1414: erster Stegfirst footbridge
1515: zweiter Stegsecond bridge
1616: MagnetfeldsensorträgerMagnetic field sensor support
1717: SpulenkernPlunger
1818: Polpole
1919: Polpole

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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DE 102014204268 A1 [0010]DE 102014204268 A1 [0010]
US 4572005 A [0011]US 4572005 A [0011]

Claims

Magnetfeldsensor (06) zur Messung eines Magnetfeldes, welches durch eine Magnetisierung in einem Maschinenelement (01) und durch eine auf das Maschinenelement (01) wirkende Kraft und/oder durch ein auf das Maschinenelement (01) wirkendes Moment (M) aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes generiert ist, wobei der Magnetfeldsensor (06) mindestens ein Magnetfeldleitelement (11) umfasst, welches mindestens einen ersten Schenkel (12) und einen zweiten Schenkel (13) sowie mindestens einen ersten magnetfeldleitenden Steg (14) und einen zweiten magnetfeldleitenden Steg (15) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (12, 13) und die Stege (14, 15) gemeinsam einen magnetischen Kreis bilden, und dass der Magnetfeldsensor (06) mindestens zwei Magnetfeldsensorelemente (08, 09) umfasst, wobei je ein Magnetfeldsensorelement (08, 09) auf den mindestens zwei Schenkeln (12, 13) und/oder auf den mindestens zwei Stegen (14, 15) angeordnet ist.Magnetic field sensor (06) for measuring a magnetic field which is generated by magnetization in a machine element (01) and by a force acting on the machine element (01) and / or by a moment (M) acting on the machine element (01) due to the inverse magnetostrictive effect is generated, the magnetic field sensor (06) comprising at least one magnetic field guiding element (11) which has at least a first leg (12) and a second leg (13) as well as at least a first magnetic field conducting web (14) and a second magnetic field conducting web (15 ), characterized in that the legs (12, 13) and the webs (14, 15) together form a magnetic circuit, and that the magnetic field sensor (06) comprises at least two magnetic field sensor elements (08, 09), one magnetic field sensor element ( 08, 09) is arranged on the at least two legs (12, 13) and / or on the at least two webs (14, 15).

Magnetfeldsensor (06) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Magnetfeldsensorelement (08) auf dem ersten Schenkel (12) und ein zweites Magnetfeldsensorelement (09) auf dem zweiten Schenkel (13) angeordnet ist.Magnetic field sensor (06) Claim 1 , characterized in that a first magnetic field sensor element (08) is arranged on the first leg (12) and a second magnetic field sensor element (09) on the second leg (13).

Magnetfeldsensor (06) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Magnetfeldsensorelement (08) auf dem ersten Steg (14) und ein zweites Magnetfeldsensorelement (09) auf dem zweiten Steg (15) angeordnet ist.Magnetic field sensor (06) Claim 1 , characterized in that a first magnetic field sensor element (08) is arranged on the first web (14) and a second magnetic field sensor element (09) on the second web (15).

Magnetfeldsensor (06) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Magnetfeldleitelement (11) umlaufend geschlossen ausgebildet ist.Magnetic field sensor (06) according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the at least one magnetic field guiding element (11) is closed all round.

Magnetfeldsensor (06) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensorelemente (08, 09) jeweils durch eine Empfängerspule (08; 09) oder durch ein Halbleitersensorelement gebildet sind.Magnetic field sensor (06) according to one of the Claims 1 to 4 , characterized in that the magnetic field sensor elements (08, 09) are each formed by a receiver coil (08; 09) or by a semiconductor sensor element.

Magnetfeldsensor (06) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerspulen (08, 09) auf einer flexiblen Platine (07) ausgebildet sind.Magnetic field sensor (06) Claim 5 , characterized in that the receiver coils (08, 09) are formed on a flexible circuit board (07).

Magnetfeldsensor (06) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere Paare der jeweils zwei Magnetfeldsensorelemente (08, 09) und mehrere der Magnetfeldleitelemente (11) umfasst.Magnetic field sensor (06) according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that it comprises several pairs of the two magnetic field sensor elements (08, 09) and several of the magnetic field guiding elements (11).

Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes (M) an einem entlang einer Achse (04) sich erstreckenden Maschinenelement (01), wobei das Maschinenelement (01) mindestens einen sich umfänglich um die Achse (04) herum erstreckenden Magnetisierungsbereich (03) für eine Magnetisierung aufweist, wobei die Anordnung weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor (06) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst, und wobei der erste Schenkel (12) des Magnetfeldleitelementes (11) und der zweite Schenkel (13) des Magnetfeldleitelementes (11) auf den Magnetisierungsbereich (03) gerichtet sind und die beiden Schenkel (12, 13) durch die beiden Stege (14, 15) verbunden sind.Arrangement for measuring a force and / or a moment (M) on a machine element (01) extending along an axis (04), the machine element (01) having at least one magnetization region (03) extending circumferentially around the axis (04) for magnetization, the arrangement further comprising at least one magnetic field sensor (06) according to one of the Claims 1 to 7 and the first leg (12) of the magnetic field guiding element (11) and the second leg (13) of the magnetic field guiding element (11) are directed towards the magnetization region (03) and the two legs (12, 13) through the two webs (14 , 15) are connected.

Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (01) eine Hülse (03) umfasst, in welcher der Magnetisierungsbereich ausgebildet ist, wobei die Schenkel (12, 13) des Magnetfeldleitelementes (11) an axialen Positionen angeordnet sind, in welchen die Hülse (03) jeweils ein axiales Ende aufweist, wobei die Schenkel (12, 13) des Magnetfeldleitelementes (11) der Hülse (03) in radialer Richtung gegenüber liegen.Arrangement after Claim 8 , characterized in that the machine element (01) comprises a sleeve (03) in which the magnetization area is formed, the legs (12, 13) of the magnetic field guiding element (11) being arranged at axial positions in which the sleeve (03) Each has an axial end, the legs (12, 13) of the magnetic field guide element (11) lying opposite the sleeve (03) in the radial direction.

Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Steg (14) radial außen und der zweite Steg (15) radial innen liegt, wobei zwischen dem zweiten Steg (15) und dem Magnetisierungsbereich (03) ein geringer Luftspalt besteht.Arrangement after Claim 9 , characterized in that the first web (14) is located radially on the outside and the second web (15) is located radially on the inside, wherein there is a small air gap between the second web (15) and the magnetization region (03).