DE4121507C2 - Belastungsdetektor - Google Patents
BelastungsdetektorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Belastungsdetektor, umfassend
eine Abtriebswelle, auf die eine äußere Kraft aufgebracht
wird; ein Paar von Magnetschichtstrukturen, die auf einer Au
ßenumfangsfläche der Abtriebswelle angebracht sind und aus
einem magnetisch hochpermeablen weichmagnetischen Material
mit einer vorbestimmten magnetostriktiven Konstanten beste
hen; ein Paar von Erfassungsspulen, die relativ zueinander in
Axialrichtung beabstandet angeordnet sind und die die Magnet
schichtstrukturen relativ zu der Abtriebswelle konzentrisch
umgeben und eine Änderung der magnetischen Permeabilität der
Magnetschichtstrukturen erfassen, die dann auftritt, wenn auf
die Abtriebswelle eine äußere Kraft aufgebracht wird; und ein
im wesentlichen rohrförmiges magnetisches Joch, das konzen
trisch um die Erfassungsspulen herum angeordnet ist und den
Durchtritt von Magnetfluß durch sie fördert, um Magnetfluß
streuungen zu verringern, wobei das magnetische Joch ein
axial verlaufendes rohrförmiges Element mit einem axial äuße
ren Ende aufweist, das mit einem radial nach innen verlaufen
den Außenflansch ausgebildet ist.
Fig. 13 zeigt ein Beispiel eines herkömmlichen Belastungsde
tektors, der beispielsweise aus der JP-A 2-154 129 bekannt
ist, wobei der Belastungsdetektor eine Abtriebswelle 1 mit
einer Mittelachse 2 aufweist. Mit 3 und 4 sind Lager für die
Abtriebswelle 1, mit den Bezugszeichen 5 und 6 Magnetschich
ten bezeichnet, die auf einer Außenumfangsfläche der Ab
triebswelle 1 unter Winkeln von +45° und -45° befestigt sind
und aus einem hochpermeablen weichmagnetischen Material mit
einer vorbestimmten geeigneten magnetostriktiven Konstanten
bestehen; das Bezugszeichen 7 bezeichnet einen von den Lagern
3 und 4 um die Antriebswelle 1 herum gehalterten Spulenkör
per; 8 und 9 sind
auf den Spulenkörper 7 gewickelte, den Magnetschichten 5 und
6 entsprechende Erfassungsspulen, 10 und 11 sind Joche aus
einem magnetisch hochpermeablen weichmagnetischen Material,
etwa einer amorphen Legierung oder einem Siliziumstahlblech,
die auf einem Außenumfang der Erfassungsspulen 8 und 9 ange
ordnet sind, und 12 ist eine nichtmagnetische Abschirmung aus
einem nichtmagnetischen, elektrisch hochleitfähigen Material
wie Cu und Al, die um beide Joche 10 und 11 herum angeordnet
ist. 13 ist eine die nichtmagnetische Abschirmung 12 umgeben
de magnetische Abschirmung. Die magnetische Abschirmung 13
besteht aus einem magnetisch hochpermeablen weichmagnetischen
Material, wie etwa einer amorphen Legierung oder einem Sili
ziumstahlblech. An die Erfassungsspulen 8 und 9 ist ein
Detektierkreis 14 angeschlossen.
Wenn auf die Abtriebswelle 1 ein äußeres Drehmoment aufge
bracht wird, wird an einer der Magnetschichten 5 und 6 eine
Zugbeanspruchung und an der anderen Magnetschicht eine Druck
beanspruchung erzeugt, wodurch eine Belastung erzeugt wird.
Diese Belastung führt aufgrund einer umgekehrten Magneto
striktion zu einer Neuordnung magnetischer Bereiche in den
Magnetschichten, was wiederum zu einer Änderung der magne
tischen Permeabilität der Magnetschichten führt. Zu diesem
Zeitpunkt ändert sich die Permeabilität in entgegengesetzten
Richtungen in Abhängigkeit von der Zug- oder der Druckbean
spruchung. Die Erfassungsspulen 8 und 9 erfassen diese Ände
rung der magnetischen Permeabilität als Änderung der magneti
schen Impedanz und liefern ihre Ausgangssignale an den Detek
tierkreis 14, in dem eine Detektierspannung V, die die Größe
des auf die Abtriebswelle 1 aufgebrachten Drehmoments be
zeichnet, erzeugt wird.
Die Joche 10 und 11 haben die Funktion, den von den Erfas
sungsspulen 8 und 9 erzeugten Magnetfluß auf die Magnet
schichten 5 und 6 zu konzentrieren, so daß er diese durch
fließt, und eine Streuung des Magnetflusses zu verhindern, um
dadurch die Empfindlichkeit zu steigern. Die nichtmagnetische
Abschirmung 12 besteht aus einem nichtmagnetischen, elek
trisch gut leitfähigen Material, so daß der alternierende Ma
gnetfluß nur in einer sehr dünnen Oberflächenschicht bzw.
einem Hautbereich des Materials auftritt, wodurch ein innerer
und ein äußerer Magnetfluß durch die nichtmagnetische Ab
schirmung 12 magnetisch getrennt sind. Daher wird eine
Streuung des inneren Magnetflusses verhindert, so daß die
Empfindlichkeit gesteigert wird, und das unerwünschte Ein
dringen des äußeren Magnetflusses wird verhindert, wodurch
die Störfestigkeit verbessert wird. Außerdem besteht die
magnetische Abschirmung 13 aus einem magnetisch hochper
meablen weichmagnetischen Material, so daß das Eindringen des
äußeren magnetischen Gleichfeldes verhindert wird.
In der vorstehenden Anordnung sind die Joche 10 und 11, die
aus einem hochpermeablen weichmagnetischen Material wie etwa
einer amorphen Legierung oder einem Siliziumstahlblech be
stehen, um die Erfassungsspulen 8 und 9 herum angeordnet,
damit der von den Erfassungsspulen 8 und 9 erzeugte Magnet
fluß auf die Magnetschichten 5 und 6 konzentriert wird und
durch diese fließt, wodurch ein Streufluß verhindert und die
Empfindlichkeit gesteigert wird.
Die Joche sind jedoch einfache rohrförmige Elemente ohne
Jochteile an den axialen Enden der Erfassungsspulen 8 und 9,
so daß die Funktion der Konzentration des Magnetflusses auf
die Magnetschichten 5 und 6 nicht ausreicht, um ein Streuen
des Magnetflusses zu den Lagern 3 und 4 vollständig zu eli
minieren, wodurch die Empfindlichkeit des Belastungsdetektors
verschlechtert wird. Außerdem erreicht ein gewisser Anteil
des von den Erfassungsspulen 8 und 9 erzeugten Magnetflusses
die jeweils andere Erfassungsspule, was zu Fehlern im erfaß
ten Drehmoment führt.
Ein Belastungsdetektor der eingangs genannten Art ist aus der
US-PS 4 833 926 bekannt, wobei auf einer Welle Magnetschicht
strukturen vorgesehen sind, welche mit einem Satz von Erfas
sungsspulen zusammenwirken, die relativ zueinander in Axial
richtung beabstandet sind. Die Erfassungsspulen werden von
einem im wesentlichen rohrförmigen magnetischen Joch umgeben.
Bei dem herkömmlichen Belastungsdetektor ist das magnetische
Joch für sämtliche Erfassungsspulen einteilig ausgebildet und
weist Aussparungen auf, welche der Aufnahme der jeweiligen
Erfassungsspulen dienen. Durch die erwähnten Aussparungen be
sitzt das Joch an den äußeren Seiten jeweils einen Außen
flansch und im mittleren Bereich einen oder mehrere weitere
Flansche, die die jeweiligen Erfassungsspulen aber nicht
magnetisch voneinander trennen. Die mittleren Flansche besit
zen offensichtlich keine anderen Materialeigenschaften als
das Joch selbst, so daß die Magnetfelder der verschiedenen
Erfassungsspulen nicht getrennt sind und sich gegenseitig be
einflussen.
Mit der Konstruktion des Belastungsdetektors gemäß der
US-PS 4 833 926 ist es zwar möglich, das Joch zur Konzentra
tion des Magnetflusses zu verbessern, wobei aber unerwünschte
Wechselwirkungen zwischen den Erfassungsspulen nur durch eine
Vergrößerung des Abstandes der Spulen bzw. eine Vergrößerung
des mittleren Flansches in axialer Richtung bezogen auf die
Welle reduziert werden können. Dadurch werden aber in uner
wünschter Weise die Gesamtabmessungen der Meßvorrichtung in
nachteiliger Weise vergrößert. Auch dann bleibt die magneti
sche Kopplung der verschiedenen Spulen erhalten.
In der JP-A 60-260 821 ist eine Anordnung beschrieben, bei
der auf einer Welle Magnetschichtstrukturen ausgebildet sind,
welche mit einer Spule zusammenwirken. Die Spule ist dabei
von einem Spulenkörper umgeben und weist zur Magnetflußver
stärkung ein Joch auf. Offen bleibt bei der herkömmlichen An
ordnung des Detektors, wie bei der Verwendung von mehreren
Erfassungsspulen und einer gewünschten kompakten Bauweise des
Belastungsdetektors eine ausreichende Abschirmung zwischen
den jeweiligen Spulen erreichbar ist.
Die DE 36 24 846 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum berüh
rungsfreien Messen einer mechanischen Spannung, wobei auf ei
ner Welle zwei Bereiche mit einer Schicht aus magnetoelasti
schem Material angeordnet sind. Die Schichten besitzen dort
eine Streifenstruktur. Die Permeabilität der Schichten hängt
von der mechanischen Beanspruchung der Welle ab und verändert
sich insbesondere bei Torsionsbeanspruchung der Welle. Eine
Sensoranordnung, die jeweils eine Spule aufweist, wirkt mit
den Schichten mit Streifenstruktur zusammen und prüft bzw.
mißt die mechanische Beanspruchung der Welle. Die Spulen sind
jeweils auf einem Spulenträger aufgewickelt.
Bei der Anordnung gemäß der DE 36 24 846 A1 sind flußverstär
kende Mittel in Form von Jochen nicht vorgesehen. Zwischen
den Spulenkörpern besteht zwar ein gewisser Abstand, der un
erwünschte magnetische Wechselwirkungen zwischen den Sensor
anordnungen verringern kann. Es ist jedoch offensichtlich,
daß für eine weitere Reduzierung unerwünschter Wechselwirkun
gen der axiale Abstand zwischen den Spulen bzw. den Spulen
trägern vergrößert werden müßte. Dies steht jedoch im Wider
spruch zu einer gewünschten Reduzierung der Gesamtabmessungen
des Belastungsdetektors. Ferner bestehen die Spulenkörper bei
der herkömmlichen Anordnung aus einem elektrisch isolierenden
Material, das nicht die Eigenschaften einer elektrisch hoch
leitfähigen, nicht-magnetischen Abschirmung besitzt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Bela
stungsdetektor der eingangs genannten Art anzugeben, der eine
kompakte Konstruktion mit geringen Abmessungen besitzt und
der zugleich trotz eines wechselseitigen Streuflusses zwi
schen den Erfassungsspulen Meßfehler vermeidet.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, einen Belastungs
detektor der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ein
magnetisches Joch gesondert für jede Erfassungsspule vorgese
hen ist, daß eine elektrisch hochleitfähige, nicht-magneti
sche Abschirmung zwischen den axial inneren Enden der magne
tischen Joche und den Erfassungsspulen angeordnet ist und daß
die elektrisch hochleitfähige, nicht-magnetische Abschirmung
ein im wesentlichen ringförmiger Körper ist, der radial nach
innen zur Abtriebswelle verläuft und der direkt an die axial
inneren Enden der magnetischen Joche der Erfassungsspulen an
grenzt, um diese magnetisch zu trennen.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Belastungsdetektors
ist vorgesehen, daß eine radiale Dimension eines zwischen ei
nem inneren Rand der elektrisch hochleitfähigen nicht-magne
tischen Abschirmung und der Abtriebswelle definierten ring
förmigen Zwischenraumes gleich oder kleiner als eine radiale
Dimension eines zwischen einem inneren Rand des Außenflan
sches der magnetischen Joche und der Abtriebswelle definier
ten ringförmigen Zwischenraumes ist.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Belastungsdetektors
ist vorgesehen, daß eine axiale Dimension eines inneren Ran
des der elektrisch hochleitfähigen nicht-magnetischen Ab
schirmung gleich oder kleiner als eine axiale Dimension ist,
um die das Paar von Magnetschichtstrukturen auf der zu mes
senden Abtriebswelle voneinander beabstandet ist.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Belastungsdetektors
ist vorgesehen, daß eine axiale Dimension jeder Erfassungs
spule gleich oder kleiner als eine axiale Dimension von jeder
der Magnetschichtstrukturen ist.
Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Belastungsdetektors ist vorgesehen, daß die magnetischen Jo
che aus einem Ferritmagnetmaterial bestehen, das als Hauptbe
standteil eine Ni-Zn-Legierung oder eine Ni-Zn-Cu-Legierung
enthält.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Belastungsdetektors
ist vorgesehen, daß die magnetischen Joche aus einem Preß
kernmaterial bestehen, das Magnetpulver und Bindemittel ent
hält.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Belastungsdetektors
ist schließlich vorgesehen, daß jedes magnetische Joch aus
mehreren zusammengesetzten Teilen besteht.
Mit dem erfindungsgemäßen Belastungsdetektor wird die Aufgabe
in zufriedenstellender Weise gelöst. Durch die Verwendung ei
ner elektrisch hochleitfähigen, nicht-magnetischen Abschir
mung zwischen den axial inneren Enden der magnetischen Joche
und der Erfassungsspulen wird erreicht, daß die Magnetpfade
für die von den Erfassungsspulen erzeugten Magnetfelder durch
den Skineffekt der zentralen Abschirmung getrennt sind. Eine
unerwünschte axiale Ausbreitung des Magnetflusses von den Er
fassungsspulen wird dadurch vermieden.
Durch die besondere Ausgestaltung der nicht-magnetischen Ab
schirmung kann auf einen separaten mittleren Flansch bzw.
zwei Innenflansche verzichtet werden, so daß sich beim erfin
dungsgemäßen Belastungsdetektor eine besonders kompakte Bau
weise erzielen läßt.
Die Erfindung wird nachstehend
anhand der Beschreibung von Ausfüh
rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 einen seitlichen Schnitt durch den Belastungs
detektor nach der Erfindung;
Fig. 2 eine Seitenansicht, die ein Beispiel des magne
tischen Jochs des Belastungsdetektors von Fig. 1
zeigt;
Fig. 3 eine Seitenansicht eines weiteren magnetischen
Jochs nach der Erfindung;
Fig. 4 eine Seitenansicht einer weiteren Modifikation des
magnetischen Jochs des Belastungsdetektors nach
der Erfindung;
Fig. 5 eine schematische seitliche Schnittdarstellung
eines weiteren Beispiels des Belastungsdetektors;
Fig. 6 eine seitliche Schnittdarstellung einer weiteren
Modifikation des Belastungsdetektors nach der
Erfindung;
Fig. 7 eine Teilschnittdarstellung, die veranschaulicht,
wie der Magnetfluß unter dem Einfluß des magneti
schen Jochs und der zentralen Abschirmung nach der
Erfindung durch die Magnetschichten geht;
Fig. 8 eine seitliche Schnittdarstellung einer weiteren
Modifikation des Belastungsdetektors nach der
Erfindung;
Fig. 9 eine Perspektivansicht des magnetischen Jochs;
Fig. 10 eine seitliche Schnittdarstellung einer weiteren
Modifikation der Erfindung;
Fig. 11 eine seitliche Schnittdarstellung einer anderen
Modifikation des Belastungsdetektors nach der
Erfindung;
Fig. 12 eine seitliche Schnittdarstellung eines anderen
Ausführungsbeispiels des Belastungsdetektors nach
der Erfindung; und
Fig. 13 eine seitliche Schnittdarstellung eines konventio
nellen Belastungsdetektors.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Belastungsdetektors;
der Belastungsdetektor weist eine Abtriebswelle 1 auf, auf
die um ihre Mittelachse 2 eine äußere Kraft bzw. ein Dreh
moment T aufgebracht wird. Ein Paar von Magnetschichtstruk
turen 5 und 6 bekannter Art, z. B. in Zickzackform, ist auf
einer Außenumfangsfläche der Abtriebswelle 1 angebracht. Die
Magnetschichtstrukturen 5 und 6 bestehen aus einem magnetisch
hochpermeablen weichmagnetischen Material mit einer vorbe
stimmten magnetostriktiven Konstanten.
Ein im wesentlichen rohrförmiger Spulenkörper 7 ist auf der
Abtriebswelle 1 über ein Paar von Lagern 3 und 4 koaxial
angeordnet und haltert ein Paar von Erfassungsspulen 8 und 9,
die in Umfangsnuten in dem Spulenkörper 7 gewickelt sind. Die
Erfassungsspulen 8 und 9 sind voneinander in Axialrichtung
beabstandet und umgeben die Magnetschichten 5 und 6 konzen
trisch in bezug auf die Abtriebswelle 1 zur Erfassung einer
Änderung der magnetischen Permeabilität der Magnetschichten 5
und 6 infolge des Aufbringens einer äußeren Kraft auf die
Abtriebswelle 1.
Der Belastungsdetektor umfaßt ferner im wesentlichen rohr
förmige magnetische Joche 15 und 16, die um die Erfassungs
spulen 8 bzw. 9 herum konzentrisch angeordnet sind und den
Durchtritt von Magnetfluß durch diese fördern, um dadurch die
Magnetflußstreuung zu verringern. Das Joch 15 weist ein in
Axialrichtung verlaufendes rohrförmiges Element 15a mit einem
axial äußeren Ende 15b und einem axial inneren Ende 15c auf,
wobei ein Außenflansch 15d radial nach innen vom äußeren Ende
15b des rohrförmigen Elements 15a und ein Innenflansch 15e
radial nach innen vom inneren Ende 15c des rohrförmigen Ele
ments 15a verläuft, so daß ein im wesentlichen U-förmiger
radialer Querschnitt gebildet ist. Wie aus der Figur ersicht
lich ist, hat das Joch 16 einen gleichartigen Aufbau. Die
Joche 15 und 16 bestehen aus einem weichmagnetischen Mate
rial, das mit einem pulvermetallurgischen Verfahren herge
stellt ist und ein Ferritmagnetkern aus Ni-Zn-Cu sein kann.
Die Joche 15 und 16 können ebenso gut ein Ferritkern aus Ni-Zn
oder ein Preßkern, der Magnetpulver und ein Bindemittel
enthält, oder ein Stahlblechkern sein.
Wie die Fig. 2-4 am besten zeigen - in denen von den Jochen
15 und 16 nur das Joch 15 dargestellt ist, da sie gleichartig
aufgebaut sind -, kann das magnetische Joch 15 aus mehreren
Teilen bestehen, die von dem integralen magnetischen Joch 15
von Fig. 1 verschieden sind. Diese Konstruktionen ermöglichen
eine einfache Herstellung des Jochs 15 und die einfache Mon
tage auf den Erfassungsspulen 8 und 9. Das Joch 15 von Fig. 2
hat zwei Hälften 17 und 18, die entlang einer Ebene geteilt
sind, die die Mittelachse des Jochs 15 enthält, und das Joch
15 von Fig. 3 hat zwei leichte Hälften 19 und 20, die mittig
entlang einer zur Mittelachse 2 der Welle 1 senkrechten Ebene
geteilt sind. Das in Fig. 4 gezeigte Joch 15 hat ein rohrför
miges Element 21 und zwei davon getrennte Flansche 22 und 23.
Die Außenumfangsfläche des Spulenkörpers 7 und die Joche 15
und 16 sind von einer rohrförmigen nichtmagnetischen Abschir
mung 12 aus einem nichtmagnetischen, elektrisch hochleitfähi
gen Material sowie einer magnetischen Abschirmung 13 aus
einem hochpermeablen weichmagnetischen Material umgeben.
Da im vorliegenden Fall die magnetischen Joche 15 und 16
allgemein U-Querschnitt haben und die Erfassungsspulen 8 und
9 umgeben, werden die von den Erfassungsspulen 8 und 9 er
zeugten Magnetflüsse auf die Magnetschichten 5 und 6 kon
zentriert und gehen durch diese, wodurch der magnetische
Streufluß minimiert wird. Daher können die von den Erfas
sungsspulen 8 und 9 erzeugten und auf die Magnetschichten 5
und 6 aufzubringenden Magnetflüsse in wirksamer Weise auf die
Magnetschichten 5 und 6 wirken, wodurch die Empfindlichkeit
des Belastungsdetektors gesteigert wird. Da ferner die ma
gnetischen Joche 15 und 16 die Flansche 15d und 15e bzw. 16d
und 16e aufweisen, die zwischen den Erfassungsspulen 8 und 9
verlaufen, kann der zwischen den Erfassungsspulen 8 und 9
wirksame Magnetfluß minimiert werden, so daß die Genauigkeit
des Belastungsdetektors erhöht wird.
Fig. 5 zeigt im Schnitt ein weiteres Beispiel des Belastungs
detektors, bei dem ein nichtmagnetisches Material 17, bei
spielsweise Kunststoff, zwischen den inneren Flanschen 18 von
im wesentlichen U-förmigen magnetischen Jochen 19 angeordnet
ist. Diese Anordnung mit den U-förmigen magnetischen Jochen
19 ist insofern vorteilhaft, als die Flansche 18 der Joche 19
für eine Flußkonzentration sorgen und den Streufluß minimie
ren. Wenn allerdings die gleiche Querschnittsfläche der Er
fassungsspulen 8 und 9 erhalten bleiben soll, werden die
Gesamtabmessungen der Anordnung aus den Spulen 8 und 9 und
den magnetischen Jochen 19 groß, und wenn die Außenabmes
sungen der Spulenanordnung nicht vergrößert werden dürfen,
muß die Querschnittsfläche der Erfassungsspulen 8 und 9 klein
gemacht werden, wodurch die MMK des Magnetkreises verringert
und die Ausgangscharakteristik des Belastungsdetektors ver
schlechtert wird.
Fig. 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Belastungs
detektors, wobei ersichtlich ist, daß jedes magnetische Joch
20 ein in Axialrichtung verlaufendes rohrförmiges Element 21
mit einem in Axialrichtung äußeren Ende 21a und einem in
Axialrichtung inneren Ende 21b sowie einen vom axial äußeren
Ende 21a des Jochs 20 radial nach innen verlaufenden äußeren
Flansch 22 aufweist. Die magnetischen Joche 20 dieses Aus
führungsbeispiels haben daher im wesentlichen L-förmigen
Querschnitt in Radialrichtung. Außerdem ist ersichtlich, daß
zwischen den inneren Enden 21b des rohrförmigen Elements 21
der Joche 20 eine elektrisch hochleitfähige nichtmagnetische
zentrale Abschirmung 23 angeordnet ist. Die nichtmagnetische
zentrale Abschirmung 23 ist ein im wesentlichen ringförmiger
Körper, der radial nach innen verläuft und direkt an die
inneren Enden 21b sowie die Erfassungspulen 8 und 9 angrenzt,
um sie magnetisch zu trennen.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel die zentrale Abschirmung 23
aus einem nichtmagnetischen leitfähigen Material zwischen den
magnetischen Jochen 20 und den Erfassungsspulen 8 und 9 ange
ordnet ist, sind die Magnetpfade für die von den Erfassungs
spulen 8 und 9 erzeugten Magnetfelder durch den Skineffekt
der zentralen Abschirmung 23 vollkommen in zwei Systeme
getrennt, so daß die Magnetflüsse von den Erfassungsspulen 8
und 9 so begrenzt sind, daß sie sich in Axialrichtung nicht
ausbreiten können. Daher werden die von den Erfassungsspulen
8 und 9 erzeugten Magnetflüsse so kontrolliert, daß sie auf
die Magnetschichtstruktur 5 auf der Abtriebswelle 1 konzen
triert werden und dorthin fließen, und zwar einerseits durch
die Außenflansche 21a und andererseits durch die zentrale Ab
schirmung 23, wie Fig. 7 verdeutlicht, die ein Computer-Simu
lationsdiagramm ist, das zeigt, wie die Magnetflüsse von der
Erfassungsspule 8 durch das Joch 20 und die nichtmagnetische
zentrale Abschirmung 23 auf die Magnetschichtstruktur 5
konzentriert werden.
Da die magnetischen Joche 20 im wesentlichen L-Querschnitt
haben und nur den Außenflansch 22 aufweisen, kann die axiale
Länge der Spulenanordnung aus den Erfassungsspulen 8 und 9
und den magnetischen Jochen 20 sowie der zentralen Abschir
mung 23 um die Dicke der sonst erforderlichen Innenflansche
kleiner gemacht werden. Außerdem können die Erfassungsspulen
8 und 9 in einfacher Weise mit den Jochen 20 zusammengebaut
werden, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden können.
In Fig. 8, die ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt, um
fassen die magnetischen Joche 24 ein rohrförmiges Element 25
und einen daran befestigten gesonderten Außenflansch 26. Da
bei ist die Montage der magnetischen Joche 24 auf den Erfas
sungsspulen 8 und 9 sehr einfach.
Fig. 9 ist eine Perspektivansicht eines weiteren Ausführungs
beispiels des magnetischen Jochs 27, wobei das Joch 27 zwei
Hälften 28 und 29 hat, die entlang einer die Mittelachse des
allgemein rohrförmigen Jochs 27 enthaltenden Ebene geteilt
sind. Diese Anordnung erlaubt eine sehr einfache Montage des
Belastungsdetektors.
Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Bela
stungsdetektors, wobei eine radiale Dimension D1 eines zwi
schen einem inneren Rand der nichtmagnetischen zentralen
Abschirmung 23 und der Abtriebswelle 1 definierten ringför
migen Spalts kleiner als eine radiale Dimension D2 eines
zwischen einem inneren Rand des Außenflansches 22 der magne
tischen Joche 20 und der Abtriebswelle 1 definierten ring
förmigen Spalts ist. Die radiale Dimension D1 kann gleich der
radialen Dimension D2 sein, so daß D1D2 gilt.
Fig. 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Bela
stungsdetektors, bei dem eine axiale Dimension bzw. Dicke T1
eines inneren Randes der nichtmagnetischen zentralen Abschir
mung 23 gleich oder kleiner als eine axiale Dimension T2 ist,
um die das Paar von Magnetschichtstrukturen 5 und 6 voneinan
der getrennt ist, so daß T1T2 gilt.
Fig. 12 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Belastungs
detektors, wobei eine axiale Dimension L1 jeder der Erfas
sungsspulen 8 oder 9 gleich oder kleiner als eine axiale
Dimension L2 jeder der Magnetschichtstrukturen 5 und 6 ist,
so daß L1L2 gilt.
Wie vorstehend beschrieben, verwendet der in den Fig. 6-12
dargestellte Belastungsdetektor nach der Erfindung eine
nichtmagnetische elektrisch leitfähige zentrale Abschirmung
23, die die Ausbreitung der Magnetflüsse in axialer Richtung
unterdrückt und zu einer Konzentration der Magnetflüsse auf
die Magnetschichtstrukturen 5 und 6 führt. Daher können die
kompakten magnetischen Joche mit im wesentlichen L-förmigem
Querschnitt und nur einem Flansch gemeinsam mit der zentralen
Abschirmung verwendet werden, so daß der Belastungsdetektor
klein gebaut werden kann, ohne daß dadurch der Wirkungsgrad
der Erfassungspulen und die Detektoreigenschaften verschlech
tert werden. Ferner kann der Belastungsdetektor in einfacher
Weise kostengünstig hergestellt werden.
Claims (7)
1. Belastungsdetektor, umfassend
- - eine Abtriebswelle (1), auf die eine äußere Kraft aufge bracht wird;
- - ein Paar von Magnetschichtstrukturen (5, 6), die auf einer Außenumfangsfläche der Abtriebswelle (1) angebracht sind und aus einem magnetisch hochpermeablen weichmagnetischen Material mit einer vorbestimmten magnetostriktiven Kon stanten bestehen;
- - ein Paar von Erfassungsspulen (8, 9), die relativ zueinan der in Axialrichtung beabstandet angeordnet sind und die die Magnetschichtstrukturen (5, 6) relativ zu der Ab triebswelle (1) konzentrisch umgeben und eine Änderung der magnetischen Permeabilität der Magnetschichtstrukturen (5, 6) erfassen, die dann auftritt, wenn auf die Abtriebswelle (1) eine äußere Kraft aufgebracht wird; und
- - ein im wesentlichen rohrförmiges magnetisches Joch (20), das konzentrisch um die Erfassungsspulen (8, 9) herum an geordnet ist und den Durchtritt von Magnetfluß durch sie fördert, um Magnetflußstreuungen zu verringern, wobei das magnetische Joch (20) ein axial verlaufendes rohrförmiges Element (21) mit einem axial äußeren Ende (21a) aufweist, das mit einem radial nach innen verlaufenden Außenflansch (22) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
- - daß ein magnetisches Joch (20) gesondert für jede Erfas sungsspule (8, 9) vorgesehen ist,
- - daß eine elektrisch hochleitfähige nichtmagnetische Ab schirmung (23) zwischen den axial inneren Enden (21b) der magnetischen Joche (20) und den Erfassungsspulen (8, 9) angeordnet ist
- - und daß die elektrisch hochleitfähige nichtmagnetische Ab schirmung (23) ein im wesentlichen ringförmiger Körper ist, der radial nach innen zur Abtriebswelle (1) verläuft und der direkt an die axial inneren Enden (21b) der magne tischen Joche (20) der Erfassungsspulen (8, 9) angrenzt, um diese magnetisch zu trennen.
2. Detektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine radiale Dimension (D1) eines zwischen einem inneren
Rand der elektrisch hochleitfähigen nichtmagnetischen Ab
schirmung (23) und der Abtriebswelle (1) definierten ring
förmigen Zwischenraumes gleich oder kleiner als eine radiale
Dimension (D2) eines zwischen einem inneren Rand des Außen
flansches (22) der magnetischen Joche (20) und der Abtriebs
welle (1) definierten ringförmigen Zwischenraumes ist.
3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine axiale Dimension (T1) eines inneren Randes der elek
trisch hochleitfähigen nichtmagnetischen Abschirmung (23)
gleich oder kleiner als eine axiale Dimension (T2) ist, um
die das Paar von Magnetschichtstrukturen (5, 6) auf der zu
messenden Abtriebswelle (1) voneinander beabstandet ist.
4. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine axiale Dimension (L1) jeder Erfassungsspule (8, 9)
gleich oder kleiner als eine axiale Dimension (L2) jeder der
Magnetschichtstrukturen (5, 6) ist.
5. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetischen Joche (20) aus einem Ferritmagnetmate
rial bestehen, das als Hauptbestandteil eine Ni-Zn-Legierung
oder eine Ni-Zn-Cu-Legierung enthält.
6. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetischen Joche (20) aus einem Preßkernmaterial
bestehen, das Magnetpulver und Bindemittel enthält.
7. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß jedes magnetische Joch (20) aus mehreren zusammengesetz
ten Teilen besteht.
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