DE102017109535B4 - Method for measuring a bending moment on a machine element - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Messen eines Biegemomentes (Mb) mit einer Anordnung mit einem sich in einer Achse (03) erstreckenden Maschinenelement (01); wobei das Maschinenelement (01) mindestens zwei sich umfänglich um die Achse (03) herum erstreckende Magnetisierungsbereiche (04) für jeweils eine Magnetisierung aufweist; wobei die Anordnung weiterhin mindestens zwei Magnetfeldsensoren (08) umfasst, welche jeweils zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente eines durch die jeweilige Magnetisierung und durch das Biegemoment (Mb) bewirkten Magnetfeldes (09) ausgebildet sind; wobei die Magnetfeldsensoren (08) jeweils genau einem der Magnetisierungsbereiche (04) zugeordnet sind, wofür die Magnetfeldsensoren (08) jeweils derart angeordnet sind, dass sie innerhalb der Anordnung zur Messung des zumindest überwiegend durch die Magnetisierung des zugeordneten Magnetisierungsbereiches (04) und durch das Biegemoment (Mb) bewirkten Magnetfeldes (09) ausgebildet sind; und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Empfangens eines ersten Messsignals eines einem ersten der Magnetisierungsbereiche (04) zugeordneten Magnetfeldsensors (08);
- Empfangens eines zweiten Messsignals eines einem zweiten der Magnetisierungsbereiche (04) zugeordneten Magnetfeldsensors (08), wobei der erste Magnetfeldsensor (08) und der zweite Magnetfeldsensor (08) eine gleiche umfängliche Position aufweisen; und wobei das erste Messsignal und das zweite Messsignal zwei radiale Richtungskomponenten des durch die jeweilige Magnetisierung und durch das Biegemoment (Mb) bewirkten Magnetfeldes (09) repräsentieren, wobei eine dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes (11) zur Achse (03) hin gerichtet ist und die andere dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes (11) von der Achse (03) weg gerichtet ist; und
- Addieren des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals.
- Receiving a first measurement signal from a magnetic field sensor (08) assigned to a first of the magnetization areas (04);
- Receiving a second measurement signal from a magnetic field sensor (08) assigned to a second of the magnetization areas (04), the first magnetic field sensor (08) and the second magnetic field sensor (08) having the same circumferential position; and wherein the first measurement signal and the second measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field (09) caused by the respective magnetization and by the bending moment (M b ), one of these two radial direction components with respect to their sense of direction (11) towards the axis (03) is directed and the other of these two radial directional components is directed away from the axis (03) with respect to their direction of direction (11); and
Adding the first measurement signal and the second measurement signal.
Description
Die vorliegende Erfindung nutzt eine Anordnung zum Messen eines Biegemomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Das Maschinenelement weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für jeweils eine Magnetisierung auf. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines Biegemomentes mit der genannten Anordnung.The present invention uses an arrangement for measuring a bending moment on a machine element extending in an axis using the inverse magnetostrictive effect. The machine element has at least two magnetization regions extending circumferentially around the axis, each for one magnetization. The invention relates to a method for measuring a bending moment with said arrangement.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Möglichkeiten zur Messung von Biegemomenten an einem Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes zu erweitern, wofür insbesondere eine Fehlerkompensation bei der Messung aufwandsarm möglich sein soll.The object of the present invention, starting from the prior art is to expand the possibilities for measuring bending moments on a machine element using the inverse-magnetostrictive effect, for which in particular an error compensation in the measurement should be possible with little effort.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1.The above object is achieved by a method according to the appended claim 1.
Die Erfindung nutzt eine Anordnung zum Messen eines Biegemomentes an einem sich in Richtung einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Das Biegemoment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Die Achse des Maschinenelementes bildet bevorzugt auch eine Rotationsachse des Maschinenelementes. Durch die Achse sind eine radiale Richtung, eine tangentiale bzw. umfängliche Richtung und eine axiale Richtung definiert. Der Vektor des Biegemomentes liegt in der radialen Richtung, d. h. parallel zur radialen Richtung.The invention uses an arrangement for measuring a bending moment on a machine element extending in the direction of an axis. The bending moment acts on the machine element, which leads to mechanical stresses and the machine element mostly deforms slightly. The axis of the machine element preferably also forms an axis of rotation of the machine element. A radial direction, a tangential or circumferential direction and an axial direction are defined by the axis. The vector of the bending moment lies in the radial direction, i.e. H. parallel to the radial direction.
Das Maschinenelement weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für jeweils eine im Maschinenelement ausgebildete Magnetisierung auf. Es handelt sich somit jeweils um einen die Achse umlaufenden Magnetisierungsbereich, d. h. einen zirkulären Magnetisierungsbereich, wobei die Achse selbst bevorzugt nicht einen Teil des jeweiligen Magnetisierungsbereiches bildet. Die Magnetisierungsbereiche weisen jeweils eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt jeweils ausschließlich eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Die Magnetisierungsbereiche erstrecken sich bevorzugt jeweils entlang eines geschlossenen Pfades um die Achse herum, wobei die Magnetisierungsbereiche kurze Lücken aufweisen dürfen. Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt axial benachbart, wobei die Magnetisierungsbereiche axial beabstandet sein können. Die Magnetisierungsbereiche sind jeweils in einem axialen Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet. Die Magnetisierungsbereiche bilden einen Primärsensor zur Bestimmung des Biegemomentes.The machine element has at least two magnetization areas extending circumferentially around the axis for each magnetization formed in the machine element. It is thus in each case a magnetization area revolving around the axis, i. H. a circular magnetization region, wherein the axis itself preferably does not form part of the respective magnetization region. The magnetization regions each have a tangential orientation with respect to a surface of the machine element extending around the axis. The magnetization regions preferably each have exclusively a tangential orientation with respect to a surface of the machine element extending around the axis. The magnetization regions preferably each extend along a closed path around the axis, wherein the magnetization regions may have short gaps. The magnetization regions are preferably axially adjacent, wherein the magnetization regions can be axially spaced apart. The magnetization regions are each formed in an axial section of the machine element. The magnetization regions form a primary sensor for determining the bending moment.
Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens zwei Magnetfeldsensoren, welche jeweils einen Sekundärsensor zur Bestimmung des Biegemomentes bilden. Der Primärsensor, d. h. die mindestens zwei Magnetisierungsbereiche dienen zur Wandlung des zu messenden Biegemomentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während die Sekundärsensoren die Wandlung dieses Magnetfeldes in ein elektrisches Signal ermöglichen. Die Magnetfeldsensoren sind jeweils gegenüber dem Maschinenelement angeordnet, wobei bevorzugt nur ein geringer radialer Abstand zwischen dem jeweiligen Magnetfeldsensor und einer äußeren oder inneren Oberfläche des Maschinenelementes vorhanden ist. Die Magnetfeldsensoren sind jeweils zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente eines durch die jeweilige Magnetisierung und durch das Biegemoment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Die Eignung des jeweiligen Magnetfeldsensors zur einzelnen Messung der radialen Richtungskomponenten des Magnetfeldes kann unmittelbar oder mittelbar ausgebildet sein. Das genannte Magnetfeld tritt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auf. Somit beruht die mit der Anordnung mögliche Messung auf dem invers-magnetostriktiven Effekt. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils ausschließlich zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente des durch die Magnetisierung und durch das Biegemoment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet.The arrangement further comprises at least two magnetic field sensors, which each form a secondary sensor for determining the bending moment. The primary sensor, ie the at least two magnetization regions serve to convert the bending moment to be measured into a corresponding magnetic field, while the secondary sensors enable the conversion of this magnetic field into an electrical signal. The magnetic field sensors are each arranged opposite the machine element, wherein preferably only a small radial distance between the respective magnetic field sensor and an outer or inner surface of the machine element is present. The magnetic field sensors are each for individual measurement a radial direction component of a caused by the respective magnetization and by the bending moment magnetic field. The suitability of the respective magnetic field sensor for the individual measurement of the radial direction components of the magnetic field can be formed directly or indirectly. The said magnetic field occurs due to the inverse magnetostrictive effect. Thus, the possible with the arrangement measurement based on the inverse magnetostrictive effect. The magnetic field sensors are preferably designed in each case exclusively for the individual measurement of a radial direction component of the magnetic field caused by the magnetization and by the bending moment.
Erfindungsgemäß sind die Magnetfeldsensoren jeweils genau einem der Magnetisierungsbereiche zugeordnet, wofür die Magnetfeldsensoren jeweils derart angeordnet sind, dass sie innerhalb der Anordnung zur Messung des zumindest überwiegend durch die Magnetisierung des zugeordneten Magnetisierungsbereiches und durch das Biegemoment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind. Die Magnetfeldsensoren insbesondere jeweils derart angeordnet, dass sie innerhalb der Anordnung zur Messung einer radialen Richtungskomponente des zumindest überwiegend durch die Magnetisierung des zugeordneten Magnetisierungsbereiches und durch das Biegemoment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet sind. Somit ist durch die Magnetfeldsensoren ausschließlich oder zumindest im Wesentlichen das Magnetfeld messbar, welches durch die Magnetisierung des zugeordneten Magnetisierungsbereiches und durch das Biegemoment bewirkt wird.According to the invention, the magnetic field sensors are respectively assigned to exactly one of the magnetization regions, for which the magnetic field sensors are each arranged such that they are formed within the arrangement for measuring the magnetic field caused at least predominantly by the magnetization of the associated magnetization region and by the bending moment. The magnetic field sensors are each arranged in particular such that they are formed within the arrangement for measuring a radial direction component of the magnetic field caused at least predominantly by the magnetization of the associated magnetization region and by the bending moment. Thus, by the magnetic field sensors exclusively or at least substantially the magnetic field can be measured, which is caused by the magnetization of the associated magnetization region and by the bending moment.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine genaue Messung des zu messenden Biegemomentes aufwandsarm möglich ist, wobei Störfelder und/oder nicht zu messende Querkräfte bzw. Drehmomente kompensiert werden.A particular advantage of the invention is that an accurate measurement of the bending moment to be measured is possible with little effort, interference fields and / or transverse forces or torques not to be measured being compensated for.
Axial benachbarte der mindestens zwei sich um die Achse erstreckenden Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt unterschiedliche Polaritäten auf, d. h. sie besitzen zueinander einen umgekehrten Umlaufsinn. Insbesondere weisen die Magnetisierungen der axial benachbarten der mindestens zwei sich um die Achse erstreckenden Magnetisierungsbereiche jeweils unterschiedliche Polaritäten auf, d. h. sie besitzen zueinander einen umgekehrten Umlaufsinn. Die sich um die Achse erstreckenden Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt zueinander abwechselnde Polaritäten auf. Insbesondere weisen die Magnetsierungen der sich um die Achse erstreckenden Magnetisierungsbereiche bevorzugt zueinander abwechselnde Polaritäten auf. Die Magnetisierungsbereiche sind abgesehen von deren Polarität bevorzugt gleich ausgebildet. Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt jeweils eine hohe Magnetostriktivität auf.Axially adjacent ones of the at least two magnetization regions extending around the axis preferably have different polarities, ie. H. they have a reverse circulation sense to each other. In particular, the magnetizations of the axially adjacent ones of the at least two magnetization regions extending around the axis each have different polarities, that is to say different magnetizations. H. they have a reverse circulation sense to each other. The magnetization regions extending around the axis preferably have mutually alternating polarities. In particular, the magnetizations of the magnetization regions extending around the axis preferably have mutually alternating polarities. The magnetization regions are preferably the same except for their polarity. The magnetization regions preferably each have a high magnetostriction.
Das Maschinenelement weist bevorzugt weiterhin mindestens einen magnetisch neutralen, axialen Abschnitt auf. Der eine magnetisch neutrale Abschnitt bzw. die mehreren magnetisch neutralen Abschnitte sind bevorzugt jeweils axial zwischen zwei benachbarten der Magnetisierungsbereiche angeordnet. Die magnetisch neutralen Abschnitte weisen bevorzugt eine gleiche axiale Länge auf.The machine element preferably also has at least one magnetically neutral, axial section. The one magnetically neutral section or the plurality of magnetically neutral sections are preferably each arranged axially between two adjacent ones of the magnetization regions. The magnetically neutral sections preferably have the same axial length.
Das Maschinenelement weist bevorzugt weitere magnetisch neutrale, axiale Abschnitte auf, die axial neben der Gesamtheit der Magnetisierungsbereiche angeordnet sind, sodass diese die Gesamtheit der Magnetisierungsbereiche axial an beiden Seiten begrenzen. Besonders bevorzugt ist jeweils einer der magnetisch neutralen Abschnitte axial zwischen den mindestens zwei Magnetisierungsbereichen und jeweils einer der magnetisch neutralen Abschnitte axial auf beiden Seiten der Gesamtheit der Magnetisierungsbereiche angeordnet.The machine element preferably has further magnetically neutral, axial sections which are arranged axially next to the entirety of the magnetization regions, so that these axially limit the entirety of the magnetization regions on both sides. Particularly preferably, one of the magnetically neutral sections is arranged axially between the at least two magnetization areas and one of the magnetically neutral sections is arranged axially on both sides of the entirety of the magnetization areas.
Die mindestens zwei Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt axial beabstandet zueinander angeordnet, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten der Magnetisierungsbereiche einer der magnetisch neutralen Abschnitte angeordnet ist. Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt jeweils einen gleichen axialen Abstand zueinander auf, insofern die Anzahl der Magnetisierungsbereiche mindestens drei beträgt.The at least two magnetization areas are preferably arranged axially spaced from one another, one of the magnetically neutral sections being arranged between two adjacent magnetization areas. The magnetization areas preferably each have the same axial distance from one another, insofar as the number of magnetization areas is at least three.
Alternativ bevorzugt sind die mindestens zwei Magnetisierungsbereiche axial unmittelbar benachbart angeordnet, sodass sich zwischen den Magnetisierungsbereichen keine magnetisch neutralen Abschnitte befinden.Alternatively, preferably, the at least two magnetization regions are arranged axially directly adjacent one another so that there are no magnetically neutral sections between the magnetization regions.
Die mindestens zwei Magnetisierungsbereiche können permanent oder temporär magnetisiert sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Anordnung sind die Magnetisierungsbereiche permanent magnetisiert, sodass die Magnetisierungen jeweils durch eine Permanentmagnetisierung gebildet sind. Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen der Anordnung weist diese weiterhin mindestens einen Magneten zum Magnetisieren der Magnetisierungsbereiche auf, sodass die Magnetisierungen der Magnetisierungsbereiche grundsätzlich temporär sind. Der mindestens eine Magnet kann durch mindestens einen Permanentmagneten oder bevorzugt durch einen Elektromagneten gebildet sein.The at least two magnetization regions can be permanently or temporarily magnetized. In preferred embodiments of the arrangement, the magnetization regions are permanently magnetized, so that the magnetizations are each formed by a permanent magnetization. In alternatively preferred embodiments of the arrangement, the latter furthermore has at least one magnet for magnetizing the magnetization regions, so that the magnetizations of the magnetization regions are basically temporary. The at least one magnet may be formed by at least one permanent magnet or preferably by an electromagnet.
Die permanent bzw. temporär magnetisierten Magnetisierungsbereiche sind in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb der Magnetisierungsbereiche bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb der Magnetisierungsbereiche messbar ist. The permanently or temporarily magnetized magnetization regions are preferably magnetically neutral in a state of the machine element that is unloaded by a force or momentarily outside the magnetization regions, so that no technically relevant magnetic field outside the magnetization regions can be measured.
Die permanent bzw. temporär magnetisierten Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt in magnetoelastisch ausgebildeten Abschnitten des Maschinenelementes ausgebildet. In den magnetoelastisch ausgebildeten Abschnitten des Maschinenelementes besteht das Maschinenelement bevorzugt aus einem magnetostriktiven Material. Bevorzugt sind nicht lediglich Abschnitte, sondern das Maschinenelement als solches magnetoelastisch ausgebildet. In diesem Fall besteht das Maschinenelement aus einem magnetostriktiven Material, insbesondere aus einem magnetostriktiven Stahl.The permanently or temporarily magnetized magnetization areas are preferably formed in magnetoelastic sections of the machine element. In the magnetoelastic sections of the machine element, the machine element preferably consists of a magnetostrictive material. Not only sections are preferred, but the machine element as such is magnetoelastic. In this case, the machine element consists of a magnetostrictive material, in particular a magnetostrictive steel.
Die Magnetisierungsbereiche stellen jeweils einen Teil des Volumens des Maschinenelementes dar. Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt jeweils ringförmig ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine mittlere Achse der jeweiligen Ringform bildet. Besonders bevorzugt weisen die Magnetisierungsbereiche jeweils die Form eines zur Achse des Maschinenelementes koaxialen Hohlzylinders auf.The magnetization regions each represent a part of the volume of the machine element. The magnetization regions are preferably each of annular design, wherein the axis of the machine element also forms a central axis of the respective ring shape. Particularly preferably, the magnetization regions each have the shape of a hollow cylinder coaxial with the axis of the machine element.
Das Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Prismas oder eines Zylinders auf, wobei das Prisma bzw. der Zylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Das Prisma bzw. der Zylinder ist bevorzugt gerade. Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement die Form eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet. Das Prisma bzw. der Zylinder kann auch hohl sein. Die Magnetfeldsensoren können auch in einem Hohlraum des Prismas bzw. des Zylinders angeordnet sein.The machine element preferably has the shape of a prism or a cylinder, 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, the circular cylinder being arranged coaxially with the axis. In special embodiments, the prism or the cylinder is conical. The prism or the cylinder can also be hollow. The magnetic field sensors can also be arranged in a cavity of the prism or the cylinder.
Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle, durch eine Hohlwelle, durch eine Schaltgabel, durch einen Flansch, durch eine Hülse oder durch einen Hohlflansch gebildet. Die Welle, die Schaltgabel, der Flansch, die Hülse bzw. der Hohlflansch können für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momente ausgelegt sein und beispielsweise eine Komponente eines Sensortretlagers, eines Wankstabilisators oder eines Düngemittelstreuers sein. Die Hülse kann beispielsweise auf einer Welle sitzen. Grundsätzlich kann das Maschinenelement auch durch völlig andersartige Maschinenelementtypen gebildet sein.The machine element is preferably formed by a shaft, by a hollow shaft, by a shift fork, by a flange, by a sleeve or by a hollow flange. The shaft, the shift fork, the flange, the sleeve or the hollow flange can be designed for loads caused by different forces and moments and can be a component of a sensor pedal bracket, a roll stabilizer or a fertilizer spreader, for example. The sleeve can sit on a shaft, for example. In principle, the machine element can also be formed by completely different types of machine elements.
Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils durch einen Halbleitersensor gebildet. Die Magnetfeldsensoren sind alternativ bevorzugt jeweils durch einen Hall-Sensor, durch eine Spule, durch eine Förstersonde oder durch ein Fluxgate-Magnetometer gebildet. Grundsätzlich können auch andere Sensortypen verwendet werden, insofern sie zur einzelnen Messung einer radialen Richtungskomponente des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet sind.The magnetic field sensors are preferably each formed by a semiconductor sensor. The magnetic field sensors are alternatively preferably each formed by a Hall sensor, by a coil, by a forester probe or by a fluxgate magnetometer. Basically, other types of sensors can also be used insofar as they are suitable for the individual measurement of a radial direction component of the magnetic field caused by the inverse magnetostrictive effect.
Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse auf.The magnetic field sensors are preferably at the same distance from the axis.
Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils derart angeordnet, dass sie innerhalb der Anordnung zur Messung der radialen Richtungskomponente eines aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes ausgebildet sind, welches zumindest zu 80% durch die Magnetisierung des zugeordneten Magnetisierungsbereiches und durch das Biegemoment bewirkt wird. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils derart angeordnet, dass sie innerhalb der Anordnung zur Messung der radialen Richtungskomponente eines aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes ausgebildet sind, welches ausschließlich durch die Magnetisierung des zugeordneten Magnetisierungsbereiches und durch das Biegemoment bewirkt wird.The magnetic field sensors are preferably each arranged such that they are formed within the arrangement for measuring the radial direction component of a magnetic field occurring due to the inverse magnetostrictive effect, which is at least 80% caused by the magnetization of the associated magnetization region and by the bending moment. The magnetic field sensors are preferably each arranged such that they are formed within the arrangement for measuring the radial direction component of a magnetic field occurring due to the inverse magnetostrictive effect, which is effected exclusively by the magnetization of the associated magnetization region and by the bending moment.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Anordnung sind die Magnetfeldsensoren jeweils an einer axialen Position angeordnet, in welcher der zugeordnete Magnetisierungsbereich ausgebildet ist. Somit befinden sich die Magnetfeldsensoren nicht an einer axialen Position zwischen den Magnetisierungsbereichen. Besonders bevorzugt sind die Magnetfeldsensoren jeweils an einer axial mittleren Position des zugeordneten Magnetisierungsbereiches axial angeordnet.In preferred embodiments of the arrangement, the magnetic field sensors are each arranged at an axial position in which the associated magnetization region is formed. Thus, the magnetic field sensors are not located at an axial position between the magnetization regions. Particularly preferably, the magnetic field sensors are each arranged axially at an axially middle position of the associated magnetization region.
Bevorzugt weisen zumindest mehrere der Magnetfeldsensoren eine gleiche umfängliche Position auf, sodass der auf die Achse bezogene Winkel zwischen den umfänglichen Positionen dieser Magnetfeldsensoren 0° beträgt, wobei eine Abweichung von ± 10° oder auch ± 30° tolerierbar ist. Die die gleiche umfängliche Position aufweisenden Magnetfeldsensoren sind in der axialen Richtung benachbart, d. h. nebeneinander angeordnet. Die die gleiche umfängliche Position aufweisenden Magnetfeldsensoren besitzen eine gleiche Position in Bezug auf die tangentiale Richtung. Die Magnetfeldsensoren liegen mit der Achse bevorzugt gemeinsam in einer Ebene.Preferably, at least several of the magnetic field sensors have a same peripheral position, so that the angle relative to the axis between the circumferential positions of these magnetic field sensors is 0 °, wherein a deviation of ± 10 ° or even ± 30 ° is tolerable. The magnetic field sensors having the same circumferential position are adjacent in the axial direction, i. H. arranged side by side. The magnetic field sensors having the same circumferential position have a same position with respect to the tangential direction. The magnetic field sensors preferably lie together in one plane with the axis.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Anordnung ist jedem der Magnetisierungsbereiche ein Magnetfeldsensor einer Gruppe der Magnetfeldsensoren zugeordnet, wobei die Magnetfeldsensoren der Gruppe eine gleiche umfängliche Position besitzen. Die Magnetfeldsensoren dieser Gruppe, d. h. diese die gleiche umfängliche Position besitzenden Magnetfeldsensoren sind in axialer Richtung nebeneinander angeordnet. Die Magnetfeldsensoren dieser Gruppe, d. h. diese die gleiche umfängliche Position besitzenden Magnetfeldsensoren sind jeweils genau einem der Magnetisierungsbereiche zugeordnet. Diese die gleiche umfängliche Position besitzenden Magnetfeldsensoren weisen zueinander bevorzugt gleiche axiale Abstände wie die zugeordneten Magnetisierungsbereiche auf. Die Gruppe kann sämtliche der Magnetfeldsensoren umfassen. Bevorzugt umfasst die Anordnung jedoch zwei Gruppen der jeweils eine gleiche umfängliche Position besitzenden Magnetfeldsensoren, wobei die Magnetfeldsensoren dieser beiden Gruppen in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind. Somit sind jedem der Magnetisierungsbereiche genau einer der Magnetfeldsensoren der ersten Gruppe und genau einer der Magnetfeldsensoren der zweiten Gruppe zugeordnet. Die beiden in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordneten Magnetfeldsensoren weisen entsprechend einen Winkel von 180° in Bezug auf die Achse auf, wobei eine Abweichung von ±10° oder auch ±30° tolerierbar ist, was in gleicher Weise auch für nachfolgend angegebene in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnete Magnetfeldsensoren gilt.In preferred embodiments of the arrangement, a magnetic field sensor of a group of the magnetic field sensors is assigned to each of the magnetization areas, the magnetic field sensors of the group having the same circumferential position. The magnetic field sensors of this group, ie these magnetic field sensors having the same circumferential position are arranged next to one another in the axial direction. The magnetic field sensors of this group, ie these magnetic field sensors having the same circumferential position, are each assigned to exactly one of the magnetization areas. These magnetic field sensors having the same circumferential position preferably have the same axial distances from one another as the assigned magnetization regions. The group can include all of the magnetic field sensors. However, the arrangement preferably comprises two groups of magnetic field sensors each having the same circumferential position, the magnetic field sensors of these two groups being arranged opposite one another with respect to the axis. Each of the magnetization areas is thus assigned exactly one of the magnetic field sensors of the first group and exactly one of the magnetic field sensors of the second group. The two magnetic field sensors arranged opposite one another with respect to the axis correspondingly have an angle of 180 ° with respect to the axis, a deviation of ± 10 ° or also ± 30 ° being tolerable, which also applies to the following with reference to the magnetic field sensors arranged opposite one another apply.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Anordnung umfasst diese mindestens drei der Magnetfeldsensoren, die bevorzugt gemeinsam mit der Achse in einer Ebene liegen. Zumindest einem der Magnetisierungsbereiche sind genau zwei der Magnetfeldsensoren zugeordnet, die eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind. Der Vektor des Biegemomentes ist parallel zu einer die gegenüberliegenden Magnetfeldsensoren verbindenden Gerade angeordnet. Somit weist das Biegemoment eine Biegemomentachse auf, die parallel zu der die gegenüberliegenden Magnetfeldsensoren verbindenden Gerade ausgerichtet ist.In preferred embodiments of the arrangement, this comprises at least three of the magnetic field sensors, which preferably lie together in one plane together with the axis. At least one of the magnetization regions is associated with exactly two of the magnetic field sensors which have a same axial position and are arranged opposite one another with respect to the axis. The vector of the bending moment is arranged parallel to a straight line connecting the opposing magnetic field sensors. Thus, the bending moment has a bending moment axis which is aligned parallel to the straight line connecting the opposing magnetic field sensors.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Anordnung umfasst diese mindestens vier der Magnetfeldsensoren, die bevorzugt gemeinsam mit der Achse in einer Ebene liegen. Jedem der Magnetisierungsbereiche sind genau zwei der Magnetfeldsensoren zugeordnet, die eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind.In further preferred embodiments of the arrangement, it comprises at least four of the magnetic field sensors, which preferably lie in one plane together with the axis. Exactly two of the magnetic field sensors are assigned to each of the magnetization areas, which have the same axial position and are arranged opposite one another with respect to the axis.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Anordnung weist das Maschinenelement mindestens drei der Magnetisierungsbereiche auf. Die Anordnung umfasst mindestens sechs der Magnetfeldsensoren, die gemeinsam mit der Achse in einer Ebene liegen. Jedem der Magnetisierungsbereiche sind genau zwei der Magnetfeldsensoren zugeordnet, die eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind.In further preferred embodiments of the arrangement, the machine element has at least three of the magnetization regions. The arrangement comprises at least six of the magnetic field sensors which lie in one plane together with the axis. Each of the magnetization regions are associated with exactly two of the magnetic field sensors, which have a same axial position and are arranged opposite one another with respect to the axis.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Maschinenelement genau zwei der Magnetisierungsbereiche auf, zwischen denen ein magnetisch neutraler Abschnitt angeordnet ist. Die Magnetisierungen der Magnetisierungsbereiche besitzen entgegengesetzte Polaritäten, d. h. abwechselnde Polaritäten. Die Anordnung umfasst genau zwei der Magnetfeldsensoren, die gemeinsam mit der Achse in einer Ebene liegen. Somit weisen die beiden Magnetfeldsensoren eine gleiche umfängliche Position auf. Die beiden Magnetfeldsensoren weisen einen gleichen Abstand zur Achse auf und befinden sich jeweils an einer mittleren axialen Position des zugeordneten Magnetisierungsbereiches.In a first particularly preferred embodiment, the machine element has exactly two of the magnetization regions, between which a magnetically neutral section is arranged. The magnetizations of the magnetization areas have opposite polarities, i. H. alternating polarities. The arrangement comprises exactly two of the magnetic field sensors, which lie in one plane together with the axis. The two magnetic field sensors thus have the same circumferential position. The two magnetic field sensors are at the same distance from the axis and are each located at a central axial position of the assigned magnetization area.
Bei einer zweiten besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Maschinenelement genau zwei der Magnetisierungsbereiche auf, zwischen denen ein magnetisch neutraler Abschnitt angeordnet ist. Die Magnetisierungen der Magnetisierungsbereiche besitzen entgegengesetzte Polaritäten, d. h. abwechselnde Polaritäten. Die Anordnung umfasst genau vier der Magnetfeldsensoren, die gemeinsam mit der Achse in einer Ebene liegen. Somit weisen jeweils zwei der vier Magnetfeldsensoren eine gleiche umfängliche Position auf. Jedem der beiden Magnetisierungsbereiche sind genau zwei der Magnetfeldsensoren zugeordnet, die eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind. Die vier Magnetfeldsensoren weisen einen gleichen Abstand zur Achse auf und befinden sich jeweils an einer mittleren axialen Position des zugeordneten Magnetisierungsbereiches.In a second particularly preferred embodiment, the machine element has exactly two of the magnetization regions, between which a magnetically neutral section is arranged. The magnetizations of the magnetization areas have opposite polarities, i. H. alternating polarities. The arrangement comprises exactly four of the magnetic field sensors, which lie in one plane together with the axis. Thus, two of the four magnetic field sensors each have the same circumferential position. Exactly two of the magnetic field sensors are assigned to each of the two magnetization regions, which have the same axial position and are arranged opposite one another with respect to the axis. The four magnetic field sensors are at the same distance from the axis and are each located at a central axial position of the assigned magnetization area.
Bei einer dritten besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Maschinenelement genau drei der Magnetisierungsbereiche auf, wobei zwischen benachbarten der Magnetisierungsbereiche jeweils ein magnetisch neutraler Abschnitt angeordnet ist. Die drei Magnetisierungsbereiche weisen gleiche axiale Abstände auf. Die Magnetisierungen der Magnetisierungsbereiche besitzen abwechselnde Polaritäten. Die Anordnung umfasst genau drei der Magnetfeldsensoren, die gemeinsam mit der Achse in einer Ebene liegen. Somit weisen die drei Magnetfeldsensoren eine gleiche umfängliche Position auf. Die drei Magnetfeldsensoren weisen einen gleichen Abstand zur Achse auf und befinden sich jeweils an einer mittleren axialen Position des zugeordneten Magnetisierungsbereiches.In a third particularly preferred embodiment, the machine element has exactly three of the magnetization areas, a magnetically neutral section being arranged between each of the adjacent magnetization areas. The three magnetization areas have the same axial distances. The magnetizations of the magnetization areas have alternating polarities. The arrangement comprises exactly three of the magnetic field sensors, which lie in one plane together with the axis. The three magnetic field sensors thus have the same circumferential position. The three magnetic field sensors are at the same distance from the axis and are each located at a central axial position of the assigned magnetization area.
Bei einer vierten besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Maschinenelement genau drei der Magnetisierungsbereiche auf, wobei zwischen benachbarten der Magnetisierungsbereiche jeweils ein magnetisch neutraler Abschnitt angeordnet ist. Die drei Magnetisierungsbereiche weisen gleiche axiale Abstände auf. Die Magnetisierungen der Magnetisierungsbereiche besitzen abwechselnde Polaritäten. Die Anordnung umfasst genau sechs der Magnetfeldsensoren, die gemeinsam mit der Achse in einer Ebene liegen. Somit weisen jeweils drei der sechs Magnetfeldsensoren eine gleiche umfängliche Position auf. Jedem der drei Magnetisierungsbereiche sind genau zwei der Magnetfeldsensoren zugeordnet, die eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind. Die sechs Magnetfeldsensoren weisen einen gleichen Abstand zur Achse auf und befinden sich jeweils an einer mittleren axialen Position des zugeordneten Magnetisierungsbereiches.In a fourth particularly preferred embodiment, the machine element has exactly three of the magnetization regions, wherein a magnetically neutral section is arranged in each case between adjacent ones of the magnetization regions. The three magnetization regions have the same axial distances. The magnetizations of the magnetization regions have alternating polarities. The arrangement comprises exactly six of the magnetic field sensors which lie together with the axis in one plane. Thus, three of the six magnetic field sensors each have one same circumferential position. Each of the three magnetization areas are associated with exactly two of the magnetic field sensors, which have a same axial position and are arranged opposite each other with respect to the axis. The six magnetic field sensors are equidistant from the axis and are each located at a central axial position of the associated magnetization region.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Messen eines Biegemomentes, welches auf das Maschinenelement der beschriebenen Anordnung wirkt. Der Vektor des Biegemomentes liegt in der radialen Richtung, d. h. parallel zur radialen Richtung. Somit weist das Biegemoment eine Biegemomentachse auf, die parallel zur radialen Richtung ausgerichtet ist. Die Biegemomentachse ist bevorzugt parallel zu einem von der Achse ausgehenden und durch einen der Magnetfeldsensoren verlaufenden Radius angeordnet, wobei eine Winkelabweichung von ±10° oder auch ±30° tolerierbar ist. Die Biegemomentachse ist bevorzugt parallel zu einer die in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordneten und eine gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren verbindenden Gerade angeordnet, wobei eine Winkelabweichung von ±10° oder auch ±30° tolerierbar ist.The method according to the invention serves to measure a bending moment which acts on the machine element of the arrangement described. The vector of the bending moment lies in the radial direction, i.e. H. parallel to the radial direction. The bending moment thus has a bending moment axis which is aligned parallel to the radial direction. The bending moment axis is preferably arranged parallel to a radius starting from the axis and running through one of the magnetic field sensors, an angular deviation of ± 10 ° or also ± 30 ° being tolerable. The bending moment axis is preferably arranged parallel to a straight line connecting the magnetic field sensors arranged opposite one another with respect to the axis and having the same axial position, an angular deviation of ± 10 ° or also ± 30 ° being tolerable.
In einem Schritt des Verfahrens wird ein erstes Messsignal eines einem ersten der Magnetisierungsbereiche zugeordneten Magnetfeldsensors empfangen, sodass eine radiale Richtungskomponente des durch die Magnetisierung des ersten Magnetisierungsbereiches und durch das Biegemoment bewirkten Magnetfeldes gemessen wird, welche abhängig von dem Biegemoment ist.In a step of the method, a first measurement signal of a magnetic field sensor associated with a first of the magnetization regions is received, so that a radial directional component of the magnetic field caused by the magnetization of the first magnetization region and by the bending moment is measured, which is dependent on the bending moment.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird ein zweites Messsignal eines einem zweiten der Magnetisierungsbereiche zugeordneten Magnetfeldsensors empfangen, sodass eine radiale Richtungskomponente des durch die Magnetisierung des zweiten Magnetisierungsbereiches und durch das Biegemoment bewirkten Magnetfeldes gemessen wird, welche abhängig von dem Biegemoment ist. Der dem ersten Magnetisierungsbereich zugeordnete Magnetfeldsensor und der dem zweiten Magnetisierungsbereich zugeordnete Magnetfeldsensor weisen bevorzugt die gleiche umfängliche Position auf, sodass sie in der axialen Richtung benachbart, d. h. nebeneinander angeordnet sind.In a further step of the method, a second measurement signal of a second magnetic field sensor associated with the magnetization regions is received, so that a radial directional component of the magnetic field caused by the magnetization of the second magnetization region and by the bending moment is measured, which is dependent on the bending moment. The magnetic field sensor associated with the first magnetization region and the magnetic field sensor associated with the second magnetization region preferably have the same circumferential position, so that they are adjacent in the axial direction, i. H. are arranged side by side.
Erfindungsgemäß repräsentieren das erste Messsignal und das zweite Messsignal zwei radiale Richtungskomponenten des durch die jeweils zugeordnete Magnetisierung und durch das Biegemoment bewirkten Magnetfeldes, wobei eine dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes zur Achse hin gerichtet ist, während die andere dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes von der Achse weg gerichtet ist. Der jeweilige Richtungssinn kann durch ein Ausrichten des jeweiligen Magnetfeldsensors oder durch eine Vorzeichenwahl des Messsignals des jeweiligen Magnetfeldsensors erzielt werden.According to the invention, the first measuring signal and the second measuring signal represent two radial directional components of the magnetic field caused by the respectively associated magnetization and the bending moment, one of these two radial directional components being directed towards the axis with respect to their sense of direction, while the other of these two radial directional components being their sense of direction directed away from the axis. The respective sense of direction can be achieved by aligning the respective magnetic field sensor or by a sign selection of the measurement signal of the respective magnetic field sensor.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden das erste Messsignal und das zweite Messsignal addiert. Hierdurch wird ein Summenmesssignal gewonnen, welches in etwa doppelt so groß wie das erste Messsignal bzw. das zweite Messsignal ist und von dem zu messenden Biegemoment abhängig ist.In a further step of the method, the first measurement signal and the second measurement signal are added. In this way, a sum measurement signal is obtained, which is approximately twice as large as the first measurement signal or the second measurement signal and is dependent on the bending moment to be measured.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient bevorzugt eine der oben beschriebenen Ausführungsformen der Anordnung, bei welcher mindestens einem der Magnetisierungsbereiche zwei der Magnetfeldsensoren zugeordnet sind, die eine gleiche axiale Position aufweisen und in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind. Somit ist zumindest ein dritter Magnetfeldsensor vorhanden, welcher die gleiche axiale Position wie der erste Magnetfeldsensor aufweist und dem ersten Magnetfeldsensor in Bezug auf die Achse gegenüberliegt. Entsprechend wird ein drittes Messsignal des dem ersten Magnetisierungsbereich zugeordneten dritten Magnetfeldsensors empfangen, sodass eine radiale Richtungskomponente des durch die Magnetisierung des ersten Magnetisierungsbereiches und durch das Biegemoment bewirkten Magnetfeldes gemessen wird, welche abhängig von dem Biegemoment ist. Das erste Messsignal und das dritte Messsignal repräsentieren zwei radiale Richtungskomponenten des durch die Magnetisierung des ersten Magnetisierungsbereiches und durch das Biegemoment bewirkten Magnetfeldes, wobei eine dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes zur Achse hin gerichtet ist, während die andere dieser beiden radialen Richtungskomponenten hinsichtlich ihres Richtungssinnes von der Achse weg gerichtet ist. Das erste Messsignal und das dritte Messsignal werden addiert. Bevorzugt wird ein vierter Magnetfeldsensor in Bezug auf den zweiten Magnetfeldsensor in gleicher Weise wie der dritte Magnetfeldsensor in Bezug auf den ersten Magnetfeldsensor verwendet.For carrying out the method according to the invention, one of the embodiments of the arrangement described above is preferably used, in which at least one of the magnetization regions is associated with two of the magnetic field sensors which have a same axial position and are arranged opposite one another with respect to the axis. Thus, at least one third magnetic field sensor is present, which has the same axial position as the first magnetic field sensor and faces the first magnetic field sensor with respect to the axis. Accordingly, a third measurement signal of the first magnetization region associated third magnetic field sensor is received, so that a radial direction component of the caused by the magnetization of the first magnetization region and by the bending moment magnetic field is measured, which is dependent on the bending moment. The first measurement signal and the third measurement signal represent two radial direction components of the magnetic field caused by the magnetization of the first magnetization region and by the bending moment, one of these two radial direction components being directed with respect to their direction to the axis, while the other of these two radial direction components with respect to their sense of direction directed away from the axis. The first measurement signal and the third measurement signal are added. Preferably, a fourth magnetic field sensor with respect to the second magnetic field sensor is used in the same way as the third magnetic field sensor with respect to the first magnetic field sensor.
Im Übrigen wird das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt unter Verwendung einer der weiteren oben beschriebenen Ausführungsformen der Anordnung durchgeführt.Otherwise, the method according to the invention is preferably carried out using one of the further embodiments of the arrangement described above.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
-
1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäß zu verwendenden Anordnung mit zwei Magnetfeldsensoren; -
2 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäß zu verwendenden Anordnung mit vier Magnetfeldsensoren; -
3 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäß zu verwendenden Anordnung mit drei Magnetfeldsensoren; und -
4 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäß zu verwendenden Anordnung mit sechs Magnetfeldsensoren.
-
1 a preferred embodiment of an arrangement to be used according to the invention with two magnetic field sensors; -
2 a preferred embodiment of the arrangement to be used according to the invention with four magnetic field sensors; -
3 a preferred embodiment of the arrangement to be used according to the invention with three magnetic field sensors; and -
4 a preferred embodiment of the arrangement to be used according to the invention with six magnetic field sensors.
In zwei axialen Abschnitten des Hohlflansches
In einem kleinen Abstand zur äußeren Oberfläche des Hohlflansches
Der weitere Magnetfeldsensor
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 0101
- Hohlflanschhollow flange
- 0202
- Grundkörperbody
- 0303
- Achseaxis
- 0404
- PermanentmagnetisierungsbereichPermanent magnetic domain
- 0505
- --
- 0606
- magnetisch neutraler Abschnittmagnetically neutral section
- 0707
- äußerer magnetisch neutraler Abschnittouter magnetically neutral section
- 0808
- Magnetfeldsensormagnetic field sensor
- 0909
- magnetischer Kreismagnetic circle
- 1010
- --
- 1111
- Pfeilarrow
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