DE102012104014A1

DE102012104014A1 - Sensor device e.g. torque sensor for non-contact detection of exerted torque of ferromagnetic shaft, has secondary annular winding aligned with primary annular winding so that alternating current is induced in secondary winding

Info

Publication number: DE102012104014A1
Application number: DE201210104014
Authority: DE
Inventors: Marvin Zammit
Original assignee: Methode Electronics Malta Ltd
Current assignee: Methode Electronics Malta Ltd
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2013-11-14

Abstract

The sensor device (10) has a primary annular winding (4) that is aligned to the axis (6) of the ferromagnetic shaft (5). The secondary annular winding (2) is aligned with the primary annular winding and the axis. The alternating current (A) is applied to primary annular winding and magnetic field is provided for aligning the magnetic domains of the ferromagnetic shaft. The alternating current is induced in secondary winding so that torque applied on the ferromagnetic shaft is detected.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur berührungsfreien Messung eines auf eine ferromagnetische Welle einwirkenden Drehmomentes.The present invention relates to a sensor device for non-contact measurement of a torque acting on a ferromagnetic shaft.

Aus der DE 698 38 904 T2 ist ein Drehmomentsensor zum Messen des auf eine Welle einwirkenden Drehmomentes bekannt, der einen Aufnehmer und einen Magnetfeldvektorsensor aufweist. Der Aufnehmer besitzt ein oder mehrere axial abgesetzte, sich magnetisch berührende, entgegengesetzt polarisierte Umfangsbereiche, die den aktiven Bereich der Welle definieren. Die Welle besteht aus einem ferromagnetischen, magnetostriktiven Material mit einer kristallinen Struktur. Der Aufnehmer ist in einer im Wesentlichen reinen Umfangsrichtung magnetisch polarisiert, zumindest in dem Umfang, dass er bei fehlendem Drehmoment im Ruhezustand der Welle keine Nettomagnetisierungskomponente in Richtung der Achse der Welle und keine radiale Nettomagnetisierungskomponente aufweist. Die geschlossene zylindrische Form des Aufnehmers verbessert die Stabilität der Polarisation. Das Aufbringen von Torsionsspannungen auf die Welle bewirkt eine Neuorientierung der polarisierten Magnetisierung im Aufnehmer. Mit zunehmender Torsionsspannung wird die polarisierte Magnetisierung zunehmend spiralförmig. Die Helizität der Magnetisierung im Aufnehmer hängt vom Betrag des übertragenen Drehmomentes ab und die Chiralität hängt von der Richtungsabhängigkeit des übertragenen Drehmomentes und von den magnetoelastischen Eigenschaften des Aufnehmers ab. Die sich aus der Torsion des Drehmomentes ergebende spiralförmige Magnetisierung hat sowohl eine Umfangskomponente als auch eine axiale Komponente entlang der Achse der Welle.From the DE 698 38 904 T2 For example, there is known a torque sensor for measuring torque applied to a shaft, comprising a transducer and a magnetic field vector sensor. The susceptor has one or more axially offset, magnetically contacting, oppositely polarized peripheral regions which define the active region of the shaft. The shaft consists of a ferromagnetic, magnetostrictive material with a crystalline structure. The susceptor is magnetically polarized in a substantially pure circumferential direction, at least to the extent that it has no net magnetization component in the direction of the axis of the shaft and no radial net magnetization component in the absence of torque at rest of the shaft. The closed cylindrical shape of the receiver improves the stability of the polarization. The application of torsional stresses to the shaft causes a reorientation of the polarized magnetization in the transducer. As the torsional stress increases, the polarized magnetization becomes increasingly spiral. The helicity of the magnetization in the susceptor depends on the amount of transmitted torque and the chirality depends on the directional dependence of the transmitted torque and on the magnetoelastic properties of the susceptor. The spiral magnetization resulting from the torsion of the torque has both a circumferential component and an axial component along the axis of the shaft.

Der Magnetfeldvektorsensor ist bezüglich des Aufnehmers so angeordnet und ausgerichtet, dass er die Größe der Polarität des Feldes erfasst, das aufgrund der Neuorientierung der polarisierten Magnetisierung aus der im Ruhestand vorliegenden Umfangsrichtung in eine mehr oder weniger steile Spiralrichtung im Raum um den Aufnehmer herum entsteht. Der Magnetfeldvektorsensor liefert ein Ausgangssignal, das die Größe des Drehmomentes angibt. Der Magnetfeldvektorsensor kann die Form eines Halleffektsensors besitzen.The magnetic field vector sensor is positioned and aligned with respect to the susceptor to detect the magnitude of the polarity of the field resulting from the reorientation of the polarized magnetization from the retired circumferential direction into a more or less steep spiral direction in the space around the susceptor. The magnetic field vector sensor provides an output signal indicative of the magnitude of the torque. The magnetic field vector sensor may be in the form of a Hall effect sensor.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Sensoreinrichtung zur berührungslosen Erfassung des auf eine ferromagnetische Welle einwirkenden Drehmoments zu schaffen, die relativ einfach aufgebaut ist.The object of the present invention is to provide a sensor device for non-contact detection of the force acting on a ferromagnetic shaft torque, which is relatively simple.

Diese Aufgabe wird durch eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.This object is achieved by a sensor device having the features of patent claim 1.

Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die vorliegende Sensoreinrichtung zur Erfassung des auf eine ferromagnetische Welle einwirkenden Drehmoments einen vergleichsweise einfachen Aufbau besitzt und daher relativ kostengünstig herstellbar ist.The essential advantage of the present invention is that the present sensor device for detecting the torque acting on a ferromagnetic shaft has a comparatively simple structure and therefore can be produced relatively inexpensively.

Vorteilhafterweise kann mit der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung das auf eine ferromagnetische Welle ausgeübte Drehmoment gemessen bzw. detektiert werden, ohne dass Änderungen jeglicher Art an der ferromagnetischen Welle selbst erforderlich sind.Advantageously, the torque exerted on a ferromagnetic shaft torque can be measured or detected with the sensor device according to the invention without any changes of any kind to the ferromagnetic shaft itself are required.

Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung zur berührungslosen Erfassung eines auf eine ferromagnetische Welle ausgeübten Drehmomentes umfasst eine erste ringförmige Wicklung, die vorzugsweise konzentrisch zur Achse der ferromagnetischen Welle angeordnet ist, und eine zweite ringförmige Wicklung, die vorzugsweise konzentrisch zur ersten Wicklung angeordnet ist. An die erste Wicklung ist ein Wechselstrom anlegbar, der ein magnetisches Feld zum Ausrichten der magnetischen Domänen der ferromagnetischen Welle erzeugt, wobei in der zweiten Wicklung ein Wechselstrom induziert wird, der eine Information für ein auf die ferromagnetische Welle ausgeübtes Drehmoment ist.The sensor device according to the invention for non-contact detection of a torque exerted on a ferromagnetic shaft comprises a first annular winding, which is preferably arranged concentrically to the axis of the ferromagnetic shaft, and a second annular winding, which is preferably arranged concentrically to the first winding. To the first winding, an alternating current can be applied, which generates a magnetic field for aligning the magnetic domains of the ferromagnetic wave, wherein in the second winding, an alternating current is induced, which is an information for a force exerted on the ferromagnetic shaft torque.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Wicklung auf einem ersten, aus einem elektrisch nicht leitenden und nicht magnetischen bzw. nicht magnetisierbaren Material bestehenden Spulenträger aufgewickelt. Entsprechend ist die zweite Wicklung zweckmäßigerweise auf einem zweiten, aus einem elektrisch nicht leitenden und nicht magnetisierbaren Material bestehenden Spulenträger aufgewickelt.In an advantageous embodiment of the invention, the first winding is wound on a first, consisting of an electrically non-conductive and non-magnetic or non-magnetizable material coil carrier. Accordingly, the second winding is expediently wound on a second, consisting of an electrically non-conductive and non-magnetizable material coil carrier.

Die erste Wicklung und die zweite Wicklung sind stationär zueinander angeordnet, sodass sie zusammen mit der ferromagnetischen Welle einen Transformator bilden.The first winding and the second winding are arranged stationary to each other, so that they form a transformer together with the ferromagnetic wave.

Die erste Wicklung ist bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung radial innerhalb der zweiten Wicklung angeordnet.The first winding is arranged in a particularly advantageous embodiment of the invention radially within the second winding.

Die ferromagnetische Welle ist zumindest in axialer Richtung gesehen im Bereich der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung ferromagnetisch ausgebildet.The ferromagnetic wave is ferromagnetic in the region of the first winding and the second winding, at least in the axial direction.

Die erste Wicklung ist mit einem ersten Schaltungsteil verbunden, das einen das elektrische Feld erzeugenden Oszillator umfasst. Auf dies Weise wird in der ersten Wicklung ein Wechselstrom erzeugt, der in der zweiten Wicklung den Wechselstrom induziert, der eine Information für ein auf die ferromagnetische Welle ausgeübtes Drehmoment ist. Dieser induzierte Wechselstrom wird in einem zweiten Schaltungsteil zweckmäßigerweise verstärkt, gefiltert und gleichgerichtet, wobei das dabei erzeugte Gleichspannungssignal ein Maß für das auf die ferromagnetische Welle ausgeübte Drehmoment ist.The first winding is connected to a first circuit part comprising an electric field generating oscillator. In this way, an alternating current is generated in the first winding, which induces in the second winding the alternating current, which is information for a torque exerted on the ferromagnetic shaft. This induced Alternating current is expediently amplified, filtered and rectified in a second circuit part, wherein the DC signal generated thereby is a measure of the torque exerted on the ferromagnetic shaft.

Im Folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:In the following, the invention and its embodiments will be explained in more detail in connection with the figures. Show it:

1 in schematischer Darstellung den Aufbau der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, 1 a schematic representation of the structure of the sensor device according to the invention,

2 den Aufbau der der vorliegenden Sensoreinrichtung zugeordneten, integrierten Schaltung, und 2 the structure of the present sensor device associated, integrated circuit, and

3 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion der vorliegenden Sensoreinrichtung. 3 a diagram for explaining the function of the present sensor device.

In der erkennbaren Weise umfasst die vorliegende Sensoreinrichtung 10 im Wesentlichen eine ferromagnetische Welle 5 sowie eine erste ringförmige Wicklung 4, die auf einem ersten ringförmigen Spulenträger 3 aufgewickelt ist, und eine zweite ringförmige Wicklung 2, die auf einem zweiten ringförmigen Spulenträger 1 aufgewickelt ist. Die Mittelachse der ersten Wicklung 4 und die Mittelachse 6 der ferromagnetischen Welle 5 sind zueinander konzentrisch ausgerichtet. Ebenso sind die Mittelachse der zweiten Wicklung 2 und die Mittelachse 6 der ferromagnetischen Welle 5 konzentrisch zueinander ausgerichtet. Die ferromagnetische Welle 5 verläuft durch die Innenöffnung 7 des ersten Spulenträgers 3.In the recognizable manner, the present sensor device comprises 10 essentially a ferromagnetic wave 5 and a first annular winding 4 placed on a first annular bobbin 3 is wound, and a second annular winding 2 placed on a second annular bobbin 1 is wound up. The central axis of the first winding 4 and the central axis 6 the ferromagnetic wave 5 are aligned concentrically with each other. Likewise, the central axis of the second winding 2 and the central axis 6 the ferromagnetic wave 5 concentrically aligned with each other. The ferromagnetic wave 5 passes through the inner opening 7 of the first bobbin 3 ,

Der zweite Spulenträger 1 und die zweite Wicklung 2 umgeben den ersten Spulenträger 3 und die erste Wicklung 4 und sind in Richtung der Achse 6 der ferromagnetischen Welle 5 zum ersten Spulenträger 3 und zur ersten Wicklung 4 ausgerichtet und radial übereinander angeordnet.The second coil carrier 1 and the second winding 2 surround the first coil carrier 3 and the first winding 4 and are in the direction of the axis 6 the ferromagnetic wave 5 to the first coil carrier 3 and the first winding 4 aligned and arranged radially one above the other.

Unter einer ferromagnetischen Welle 5 wird eine Welle verstanden, die zumindest in axialer Richtung gesehen im Bereich der ersten Wicklung 4 und der zweiten Wicklung 2 ferromagnetisch ausgestaltet ist.Under a ferromagnetic wave 5 is understood a wave, seen at least in the axial direction in the region of the first winding 4 and the second winding 2 is designed ferromagnetic.

Der erste Spulenträger 3 und der zweite Spulenträger 1 bestehen jeweils aus einem elektrisch nicht leitenden und nicht magnetischen Material. Der zweite Spulenträger 1 und die zweite Wicklung 1 befinden sich vorzugsweise radial außerhalb des ersten Spulenträgers 3 und der ersten Wicklung 4.The first coil carrier 3 and the second coil carrier 1 each consist of an electrically non-conductive and non-magnetic material. The second coil carrier 1 and the second winding 1 are preferably located radially outside of the first bobbin 3 and the first winding 4 ,

Die erste Wicklung 4 und die zweite Wicklung 2 sind stationär zueinander angeordnet und von der Drehung der ferromagnetischen Welle 5 unabhängig. Es ist sichergestellt, dass die Achse 6 der ferromagnetischen Welle 5 stets in der richtigen Lage verbleibt, in der sie zu den Wicklungen 2 und 4 ausgerichtet ist.The first winding 4 and the second winding 2 are arranged stationary to each other and by the rotation of the ferromagnetic shaft 5 independently. It is ensured that the axis 6 the ferromagnetic wave 5 always remains in the correct position, in which they turn to the windings 2 and 4 is aligned.

Im Folgenden wird im Zusammenhang mit der 2 ein Schaltdiagramm der vorliegenden Sensoreinrichtung 10 näher erläutert. Einzelheiten der 2 die bereits im Zusammenhang mit 1 erläutert wurden, sind in der entsprechenden Weise bezeichnet.The following will be related to the 2 a circuit diagram of the present sensor device 10 explained in more detail. Details of 2 already related to 1 are explained in the appropriate way.

Die erste Wicklung 4 und die zweite Wicklung 2 sind als Transformator 8 dargestellt. Durch einen Oszillator 12 eines ersten Schaltungsteiles 9 wird an die erste Wicklung 2, die der Primärwicklung des Transformators 8 entspricht, ein Wechselstrom A angelegt. Die zweite Wicklung 2, entspricht der Sekundärwicklung des Transformators 8.The first winding 4 and the second winding 2 are as a transformer 8th shown. By an oscillator 12 a first circuit part 9 gets to the first winding 2 , which is the primary winding of the transformer 8th corresponds, an alternating current A applied. The second winding 2 , corresponds to the secondary winding of the transformer 8th ,

Der vom Oszillator 12 in der ersten Wicklung 4 erzeugte Strom A ist groß genug, dass das erzeugte magnetische Feld die zu vermessende ferromagnetische Welle 5 auf die Spitzenamplitude bringt (sättigt).The one from the oscillator 12 in the first winding 4 generated current A is large enough that the generated magnetic field to be measured ferromagnetic wave 5 on the peak amplitude brings (saturates).

In diesem Zustand werden alle magnetischen Domänen in der ferromagnetischen Welle zu dem angelegten magnetischen Feld ausgerichtet. Demgemäß werden Änderungen der magnetischen Permeabilität der ferromagnetischen Welle 5 entsprechend dem angelegten Drehmoment maximiert.In this state, all the magnetic domains in the ferromagnetic wave are aligned with the applied magnetic field. Accordingly, changes in the magnetic permeability of the ferromagnetic wave 5 maximized according to the applied torque.

Wegen der magnetischen Kopplung zwischen der ferromagnetischen Welle 5, der ersten Wicklung 4 und der zweiten Wicklung 2 wird in der zweiten Wicklung 2 ein oszillierender Strom erzeugt bzw. induziert. Dieser Strom wird in einem zweiten Schaltungsteil 11 verstärkt, gefiltert und gleichgerichtet. Auf diese Weise entsteht ein Gleichstromsignal S.Because of the magnetic coupling between the ferromagnetic wave 5 , the first winding 4 and the second winding 2 will be in the second winding 2 generates or induces an oscillating current. This current is in a second circuit part 11 amplified, filtered and rectified. This produces a DC signal S.

Wenn eine Scherbeanspruchung oder ein Drehmoment auf die ferromagnetische Welle 5 ausgeübt wird, ändert sich deren magnetische Permeabilität und daher auch der in der zweiten Wicklung 2 induzierte Strom. Das Gleichstromsignal S detektiert daher das auf die ferromagnetische Welle 5 ausgeübte Drehmoment.When a shear stress or torque on the ferromagnetic shaft 5 is applied, changes their magnetic permeability and therefore also in the second winding 2 induced current. The DC signal S therefore detects that on the ferromagnetic wave 5 applied torque.

Die 3 zeigt die Änderung des Gleichstromsignales S am Ausgang des Schaltungsteiles 11 in Abhängigkeit von dem zu Scherspannungen führenden, auf die ferromagnetische Welle 5 ausgeübten Drehmoment.The 3 shows the change of the DC signal S at the output of the circuit part 11 depending on the shear stress leading to the ferromagnetic shaft 5 applied torque.

Es wird darauf hingewiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Lösungen denkbar sind, die mehrere Wicklungen bzw. Spulen, auf gedruckten Schaltungsplatten geätzte planare Wicklungen anstelle von herkömmlichen, aus Drähten gewickelte Wicklungen und auch Wicklungen aufweisen können, die an einer Seite der Achse der ferromagnetischen Welle und nicht um diese herum angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann insbesondere als Drehmomentsensor für Kraftfahrzeuggetriebe Verwendung finden.It should be noted that within the scope of the present invention, solutions are also conceivable which may comprise a plurality of windings, planar windings etched on printed circuit boards, instead of conventional windings wound from wires, and also windings which on one side of the axis of FIG ferromagnetic wave and not around it are arranged. The sensor device according to the invention can be used, in particular, as a torque sensor for motor vehicle transmissions.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: erster Spulenträgerfirst coil carrier
22: erste Wicklungfirst winding
33: zweiter Spulenträgersecond coil carrier
44: zweite Wicklungsecond winding
55: ferromagnetische Welleferromagnetic wave
66: Achseaxis
77: Öffnungopening
88th: Transformatortransformer
99: erstes Schaltungsteilfirst circuit part
1010: Sensoreinrichtungsensor device
1111: zweites Schaltungsteilsecond circuit part
1212: Oszillatoroscillator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 69838904 T2 [0002]

Claims

Sensor device for non-contact detection of a ferromagnetic wave ( 5 ) exerted torque, characterized in that a first annular winding ( 4 ) leading to the axis ( 6 ) of the ferromagnetic wave ( 5 ), and a second annular winding ( 2 ) leading to the first winding ( 4 ) and to the axis ( 6 ) are provided, that to the first winding ( 4 ) an alternating current (A) can be applied which has a magnetic field for aligning the magnetic domains of the ferromagnetic wave ( 5 ), wherein in the second winding ( 2 ) an alternating current is generated, which is an information for a on the ferromagnetic sensor device shaft ( 5 ) is exerted torque.

Sensor device according to claim 1, characterized in that the first winding ( 4 ) on a first, consisting of an electrically non-conductive and non-magnetic material coil carrier ( 3 ) is wound up.

Sensor device according to claim 1 or 2, characterized in that the second winding ( 2 ) on a second, consisting of an electrically non-conductive and non-magnetizable material coil carrier ( 1 ) is wound up.

Sensor device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first winding ( 4 ) and the second winding ( 2 ) are arranged stationary to each other.

Sensor device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first winding ( 4 ) radially within the second winding ( 2 ) is arranged.

Sensor device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the ferromagnetic wave ( 5 ) at least in the axial direction in the region of the first winding ( 4 ) and the second winding ( 2 ) is formed ferromagnetic.

Sensor device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the first winding ( 4 ) with a first circuit part ( 9 ) which is an electric field generating oscillator ( 12 ).

Sensor device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the second winding ( 2 ) with a second switching device ( 9 ) in which the in the second winding ( 2 ) is amplified, filtered and rectified, wherein the generated DC signal (S) is a measure of the on the ferromagnetic wave ( 5 ) is exerted torque.

Sensor device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the first annular winding ( 4 ) concentric with the axis ( 6 ) of the ferromagnetic wave ( 5 ) and that the second annular winding ( 2 ) concentric with the first winding ( 4 ) and to the axis ( 6 ) of the ferromagnetic wave ( 5 ) is aligned.