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WO2018193115A1 - Sensorkopf, kombinationssensor, drehmomentmessanordnung und verfahren zum messen von drehmoment und drehzahl - Google Patents

Sensorkopf, kombinationssensor, drehmomentmessanordnung und verfahren zum messen von drehmoment und drehzahl Download PDF

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Publication number
WO2018193115A1
WO2018193115A1 PCT/EP2018/060232 EP2018060232W WO2018193115A1 WO 2018193115 A1 WO2018193115 A1 WO 2018193115A1 EP 2018060232 W EP2018060232 W EP 2018060232W WO 2018193115 A1 WO2018193115 A1 WO 2018193115A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
torque
magnetic field
measuring
rotary shaft
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/060232
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Schanz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TRAFAG AG
Original Assignee
TRAFAG AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TRAFAG AG filed Critical TRAFAG AG
Publication of WO2018193115A1 publication Critical patent/WO2018193115A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/105—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving inductive means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G01P3/481—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • G01P3/488—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals delivered by variable reluctance detectors

Definitions

  • the invention relates to a sensor head for a torque sensor for
  • the sensor head comprises: at least one magnetic field generating means for generating a
  • the invention relates to a sensor comprising such a sensor head.
  • the invention relates to a torque measuring arrangement comprising such a sensor head and the
  • the invention relates to a method for measuring torque.
  • Torques on a rotary shaft by detecting a change in permeability of a ferromagnetic rotary shaft known.
  • the combination of the rotary shaft and a torque sensor also discloses a torque measuring arrangement.
  • the object of the invention is to significantly improve the application possibilities of such torque measurements with cost-effective and simple means.
  • the invention provides, in one aspect thereof, a sensor head for a torque sensor for detecting a torque of a rotary shaft, the sensor head comprising:
  • the surface mark detecting means comprises a distance detecting means for detecting a distance to the surface of the rotating shaft, the distance detecting means therefor
  • the surface mark detecting means comprises a rotational speed magnetic field detecting means, in particular for forming the
  • the magnetic field generating device has at least one exciter coil.
  • the torque magnetic field detection means comprises at least one torque detection coil. It is preferable that the rotational speed magnetic field detecting device has at least one rotational speed sensing coil which is in an orientation direction of the
  • Sensor head which is to be arranged in operation parallel to the axis of rotation of the rotary shaft, spaced from the at least one torque-measuring coil is arranged.
  • the exciting coil and the at least one rotational speed measuring coil are connected by a rotational speed measuring magnetic yoke for flux amplification for forming a rotational speed measuring magnetic circuit.
  • the torque magnetic field detecting means comprises a first magnetic field measuring unit configured to detect a magnetic field at a torque measuring area of the surface of the rotating shaft in a first direction, and a second magnetic field measuring unit thereto
  • the rotary shaft is configured to detect a magnetic field at a torque measuring range of the surface of the rotary shaft in a different direction from the first direction of the second direction.
  • the first and second directions are at an angle to each other that is between 10 ° and 170 °, preferably between 45 ° and 135 °, and more preferably between 85 ° and 95 °.
  • At least one or both of the first and second directions are relative to the orientation direction in which the first and second directions
  • Torque magnetic field sensing device is spaced at an angle of between 10 ° and 170 °, more preferably between 25 ° and 65 ° and more preferably between 30 ° and 50 °. It is preferable that the first magnetic field measuring unit is a pair of first
  • the second magnetic field measuring unit has a pair of second torque measuring coils.
  • the torque measuring coils are arranged in a star shape around a centrally arranged exciter coil of the magnetic field generating device.
  • the torque sensing coils and the exciting coil are connected by a common flux concentrator core of ferromagnetic material for forming flux concentrators for the first magnetic field measuring unit and the second magnetic field measuring unit.
  • the flux concentrator core has a cantilever extending in the orientation direction and through the rotational speed sensing coil.
  • the coils are designed as planar coils.
  • Printed circuit board element are formed, on which a ferromagnetic material for forming a flux concentrator is arranged.
  • the invention provides a combination sensor for measuring torque and rotational speed on a rotary shaft, comprising a sensor head according to one of the preceding embodiments and an evaluation device, which is connected to the torque magnetic field detecting means to generate a torque indicative torque signal, and is connected to the surface mark detecting means to generate a rotational speed indicative speed signal.
  • the evaluation device is designed to detect the rotational speed detected by means of the sensor head and that of the sensor head detected torque to generate the current power indicative power signal.
  • the invention provides a
  • a torque measuring device comprising a rotating shaft and a sensor head according to any one of the preceding aspects and / or a combination sensor according to any one of the preceding embodiments, wherein the rotating shaft has a torque measuring section with a circular cylindrical surface on which the torque magnetic field detecting device is disposed and axially adjacent thereto a surface-marking marking section in the form of a deviating from a circular cylindrical surface surface shape.
  • the marking area comprises a sprocket.
  • the invention provides a method of measuring torque and rotational speed on a rotary shaft, comprising:
  • step a) comprises: providing the
  • step c) comprises: detecting the distance of the surface of the rotating shaft from the surface mark detecting means. It is preferred that step b) comprises: generating a magnetic field both in the torque detection region and in the adjacent marking region by means of a common magnetic field generation device and
  • step c) comprises: measuring a magnetic field change resulting from passing the surface mark.
  • a sensor head and / or a sensor and / or a torque measuring arrangement according to one of the preceding embodiments is used.
  • a preferred embodiment of the torque measuring arrangement is provided with a rotary shaft and a torque sensor for measuring a torque on the rotary shaft by inductively measuring the torque of the rotary shaft by means of alternating magnetic fields and with an evaluation device for evaluating the signal of the torque sensor, wherein the rotary shaft
  • Torque sensor surface marking detection device causes a corresponding to the rotational frequency changing speed signal, wherein the evaluation device is adapted to from the speed signal at least one, several or all of the parameters speed,
  • the surface marking comprises an axially extending flattening, indentation or elevation on the surface of the peripheral region.
  • an arrangement of teeth in particular in the form of a ring gear provided.
  • the torque sensor comprises a sensor head provided with at least one magnetic field generating device for generating an alternating magnetic field in the rotary shaft and with at least one Magnetic field detection device is provided for measuring at least one parameter of the alternating magnetic field in the rotary shaft.
  • the magnetic field generating device has at least one flux concentrator with at least one magnetic field generating coil and one soft magnetic core, and that the magnetic field detecting device has a plurality of measuring coils for measuring different magnetic field orientations.
  • a torque sensor is used, as described in its basic structure in DE 30 31 997 A1, EP 0 046 517 A1 or US Pat. No. 4,503,714.
  • the evaluation device has a counting device for counting the number of signal changes and / or detecting a rotation angle.
  • a counting device for counting the number of signal changes and / or detecting a rotation angle.
  • the evaluation device a
  • Signal change distance detecting means for detecting the distance between the generated by passing the surface mark
  • Signal changes and / or for detecting a speed per time.
  • the evaluation device has a frequency detection device for detecting the frequency of the changes in the rotational speed in order to determine therefrom the rotational speed of the rotational shaft and / or the rotational speed at the surface of the rotational shaft.
  • the evaluation device is designed to detect a pulse shape of the signal change and to detect therefrom the rotational speed on the surface of the rotary shaft and / or the direction of rotation. It is preferred that the evaluation device a
  • Pulse width detection device for detecting a pulse width of
  • the surface marking has a surface shape which is asymmetrical with respect to a center axis running in the axial direction and / or that a plurality of the surface markings are provided with irregular distances and / or with an axisymmetric arrangement extending in the axial direction, wherein the evaluation device is designed to determine the direction of rotation from a slope of a pulse edge of the signal change and / or from a distance sequence between signal changes.
  • a corresponding tooth shape of the teeth of a ring gear can be provided.
  • the teeth have different
  • the rotary shaft is preferably formed at least on its surface or even entirely of a soft magnetic or ferromagnetic material. In this case, preferably a change in permeability is changing
  • Torque load recorded. This is preferably done by means of magnetic fields generated by a magnetic field generating device in the ferromagnetic material and detecting the forming magnetic fields - in particular density and orientation of the field lines - by means of a
  • the magnetic field detection device has e.g. a plurality of intersecting magnetic circuits partially passing through the rotary shaft and partially passing through first and second yoke sections of a
  • a rotating shaft permanently magnetized at least on its surface is used.
  • the invention relates to a method for
  • simultaneous detection of a torque and at least one of the parameters rotational speed, rotational angle, rotational speed or direction of rotation on a rotary shaft formed from or with a soft-magnetic material comprising: Providing a surface marking on a sector of a first
  • magnetoelastic effect influenced parameter of the generated alternating magnetic field by means of at least one magnetic field detecting means on the second peripheral region and generating a signal from the detection of the parameter
  • the invention relates to a
  • a torque control device for controlling the output and / or the torque of an electric drive comprising an electric motor with stator and rotor and a common rotation with the rotor
  • Output shaft has as a rotary shaft, comprising:
  • the controller is adapted to control the electric motor in dependence on the torque measured by the torque measuring arrangement and the rotational speed determined by the torque measuring arrangement, the controller being adapted to supply the output power of the electric drive from the torque and the rotational speed determine and control the electric motor in dependence on the determined output power.
  • the invention relates to an electric drive, comprising a torque control device according to one of the preceding embodiments and / or a torque measuring arrangement according to one of the preceding embodiments.
  • a basic idea of the invention is, taking advantage of a permeability change of rotating shaft formed from ferromagnetic materials and of
  • a torque signal and a rotational speed signal are generated in the same measurement setup by different measuring coils spaced apart from one another and output via separate channels.
  • Torque measuring coil or a torque-measuring magnetic field detection device with a plurality of torque measuring coils can arrange on a torque measuring range of the rotary shaft, which has optimized for the torque measurement surface shape and material distribution - in particular as uniformly as possible over the entire circumference - has.
  • the application is in conjunction with an electric motor
  • Parameters can be used for controlling and / or regulating the electric motor. It can e.g. an exact torque control or
  • the rotation angle can be detected and so easily a servo motor or servo motor can be created, which can be moved with exact torque in a predetermined position. So very powerful actuators can be created.
  • a preferred application relates to an apparatus and method for controlling the output and / or torque of an electric drive having an electric motor with stator and rotor and an output shaft connected to the rotor for common rotation.
  • Electric motors Power consumption of an electric motor are measured relatively accurately. By appropriate models for efficiency and various dependencies (temperature dependence, aging behavior ...), the output power can be calculated. With these sizes, electric motors can be controlled to a specific torque at a known angular velocity of the axis. Such electric drives and their torque control devices can be found, for example, in available on the market main electric drives for electric vehicles.
  • An advantage of a particular embodiment of the invention is that such devices and methods for torque control and / or regulation of the power of electric drives with respect to the accuracy of the output torque or output power and / or in terms
  • a preferred application of the invention relates to a
  • a torque control device for controlling the output and / or the torque of an electric drive comprising an electric motor with stator and rotor and a common rotation with the rotor
  • Output shaft has, comprising: a torque sensor for measuring a torque on the output shaft and a controller connected to the torque sensor, which is adapted to the electric motor depending on the
  • Torque sensor to control measured torque.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized by a speed sensor for measuring the rotational speed of the output shaft, wherein the
  • Control is connected to the speed sensor and is adapted to the electric motor in response to the by the torque sensor
  • controller is adapted to determine the output power of the electric drive from the torque and the speed and to control the electric motor in dependence on the determined output power.
  • control for monitoring the power output of the electric drive is set up.
  • controller is adapted to the electric drive depending on an input power determined from an input current and an input voltage and one determined from the torque
  • the torque sensor is an inductive non-contact sensor for inductive torque detection directly on the output shaft by means of alternating magnetic fields.
  • Such sensors are very easy to use on the output shaft, wherein the output shaft can remain unchanged and no active elements in the co-rotating system are needed. The non-contact measurement takes place without friction losses and is essentially maintenance-free.
  • a torque measuring arrangement with a signal the torque of the rotary shaft (for example the output shaft) and with another signal e.g. determine their speed.
  • a signal the torque of the rotary shaft
  • another signal e.g. determine their speed.
  • This is of course highly interesting for the control of electric drives, but can also be used for other uses.
  • different applications (cars, trucks, ships, machinery, aircraft, vehicles) on an output shaft could directly measure mechanical performance.
  • the torque measuring arrangement is designed for use in a torque control according to one of the previously explained embodiments, wherein the output shaft of the rotating shaft to be measured
  • Torque measuring arrangement is.
  • the torque measuring arrangement is also suitable and advantageous for other purposes, where in addition to the measurement of a torque of a rotary shaft and their speed should be determined.
  • the invention provides a control method for regulating the output power and / or the torque of an electric drive, comprising an electric motor with stator and rotor and an output shaft connected to the rotor for common rotation, comprising:
  • Torque sensor measured torque and the speed determined by the speed sensor.
  • Output power the input power determined from an input current and an input voltage, and a target power.
  • Non-contact inductive measuring of the torque at the output shaft by means of magnetic alternating fields is provided.
  • a preferred embodiment of the control method comprises: Providing an axially extending flattening, indentation or elevation on the surface of the first peripheral region to form the surface marking.
  • predetermined length of circumferentially extending teeth are provided, and the rotation angle and the rotation speed can be detected by counting pulses correspondingly caused by the teeth in the speed signal.
  • Electric motor by measuring the output power by means of a preferably combined torque sensor and speed sensor. As a result, a very accurate control is possible.
  • the apparatus and method additionally or alternatively comprises monitoring the engine output as
  • a particularly preferred embodiment of the invention describes an arrangement for a torque sensor and a speed sensor which operates on a similar technological basis as the speed sensor and the combination of both in a package.
  • a magnetic field is coupled by a generator with an excitation coil in the measuring shaft and used for the torque measurement.
  • an arrangement of a central excitation coil and two pairs of measuring coils arranged on 5 pins of a ferromagnetic core used. Via a 6th pin in the
  • an additional speed measuring coil is coupled into the magnetic circuit.
  • the speed measuring coil is located above a
  • the height-depth profile of the sprocket changes the inductance of the speed measuring coil, resulting in a variation in the signal of the speed measuring coil
  • the sensor head is preferably designed as a sensor package, as described and shown in German Patent Application 10 2016 122 172.4. Accordingly, coils are preferably designed as planar coils on a substrate, in particular in printed circuit board technology, as described in more detail in this
  • Patent Application 10 2016 122 172.4 is described. It will be for more
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a torque measuring arrangement with a rotary shaft and a sensor which has a sensor head arranged on the rotary shaft;
  • Fig. 2 is a schematic representation of an electric drive with a
  • Torque measuring device and the electric drive of Fig. 2 with a torque control device for controlling the torque and / or the output power of the electric motor.
  • a torque measuring assembly 22 having a rotary shaft 32 and a torque sensor 26 for measuring torque on the rotary shaft 32.
  • the torque sensor 26 is designed as a non-contact magnetoelastic sensor S1, which operates with alternating magnetic fields.
  • the sensor S1 is preferably non-contact based on the inductive
  • the sensor S1 is operated with an alternating magnetic field.
  • the advantage here is the operation in an active mode;
  • the fast magnetic alternating field requires no physical change to the rotary shaft 32, a permanent and possibly not long-term stable magnetization is not required, see [1].
  • the methodology is insensitive to contamination (water, oil, dust), vibration, air gap change and can not be damaged if excessive forces act on the rotary shaft 32, since the sensor S1 is outside the power flow.
  • the torque sensor 26 has a sensor head 48.
  • the torque sensor 26 has a
  • Magnetic field generating means 50 for generating a magnetic field in and on the rotary shaft 32 and a torque magnetic field detecting means 52 for measuring changes of the magnetic field on the rotary shaft 32 for the purpose
  • the sensor head 48 has a designated here as the core body 54 of soft magnetic material to the
  • Rotary shaft 32 directed toward projections 56, 57 a, 57 b, 57 c, 57 d, which are each surrounded by coils 58-62.
  • a central fifth projection 56 which is surrounded by an excitation coil 48 connected to an electric oscillation generator (not shown, may be part of an electronics 80) and designed to generate magnetic fields, forms part of a flux concentrator 66, with which the
  • Projection 57b are part of a first torque-measuring magnetic circuit 70, and a third projection 57c surrounded by a third measuring coil 61 and a fourth projection 57d surrounded by a fourth measuring coil 62 are part of a second torque-measuring magnetic circuit 72.
  • the projections 57a-57d are arranged in pairs opposite one another so that the pairs intersect. Due to the different angles of the two magnetic circuits 70, 72 magnetic field direction changes can be detected. The corresponding between the first projection 57 a and the second
  • Projections 57b extending and extending between the third projection 57c and 57b areas of the flux concentrator 66 act as torque-measuring magnetic yokes 74, 76 for forming the corresponding torque-measuring magnetic circuits 70, 72, which at an angle between 10 ° and 170 °, in particular between 45 ° and 135 ° to each other. Particularly preferred are angles in the range of 90 °.
  • a first magnetic field measuring unit 102 and a second magnetic field measuring unit 104 are formed by the two differently oriented torque-measuring magnetic circuits 70, 72, which can detect magnetic fields of different directions generated at a torque measuring area 106 of the rotary shaft 32.
  • the torque measuring coils 59-62 are connected to a torque evaluation unit 30.
  • the torque evaluation unit 30 may be part of a
  • Evaluation device 100 and e.g. be designed as software in an electronics 80 on a module 78 on a circuit board element 130 of the sensor S1.
  • the torque evaluation unit 30 delivers a torque signal M by evaluating the signals A1, A2, B1, B2 of the torque measuring coils 59-62.
  • angular changes in the induced magnetic field resulting from the magnetoelastic effect upon the occurrence of a torque can be detected, e.g. by taking a difference between the signals A and B of the pairs of torque measuring coils 59-62, in particular by
  • Magnetic field measuring unit 102 which is the sum of the signal A1 from the first torque measuring coil 59 and the signal A2 from the second
  • Torque measuring coil 62 represents.
  • the torque magnetic field detector 52 otherwise operates to detect the torque as known from the aforementioned literature.
  • Surface mark detecting means 1 10 is provided, by means of which it is detected whether a surface marking 36, which is provided in a marking region 1 12 on the surface of the rotary shaft 32 passes the sensor head 48 upon rotation of the rotary shaft 32.
  • the sensor S1 can be used not only as a torque sensor 26 but also as a rotational speed sensor 28, and is thus configured as a combination sensor capable of outputting both a torque signal and a rotational speed signal.
  • Orientation direction 1 14 of the sensor head 48 which is to be aligned in operation parallel to the rotational axis of the rotary shaft 32, spaced from the torque magnetic field detection means 52 arranged.
  • the torque magnetic field detecting device 52 is disposed axially on the torque measuring portion 106 of the rotary shaft 32, which is formed circular cylindrical shape with a rotationally symmetrical surface shape and material distribution as possible.
  • the marking area 1 12 of the rotary shaft 32 is adjacent to the
  • Torque measuring range arranged and with the at least one
  • Surface marker detection device 1 10 can be detected.
  • the type and accordingly the detection of the surface marking 1 10 may be different. Particularly preferably, the
  • the distance detecting device 1 16 is in the preferred
  • Exemplary embodiment is formed in particular by a speed-magnetic field detection device 122 explained in more detail below.
  • a toothed rim 118 having a row of teeth 120 is provided for forming the surface marking 36.
  • 32 teeth and corresponding valleys are provided in between.
  • the number of teeth 120 can of course be chosen differently depending on the desired resolution.
  • the surface mark detection device 1 10 has a further magnetic field detection device, which in the following to
  • a rotational speed magnetic field detecting device 122 Distinction from the above-described torque-detecting magnetic field detecting device 52 is referred to as a rotational speed magnetic field detecting device 122.
  • Surface marking 36 is correspondingly designed such that it is magnetically detectable. This can be done in different ways
  • the rotational speed magnetic field detecting device 122 has a rotational speed measuring magnetic yoke 124, which is substantially by a in the
  • Orientation direction 1 14 extending arm 125 of the core or body 54 is formed of soft magnetic material.
  • the arm 125 has a sixth protrusion 126 directed toward the rotary shaft 32 - the protrusions may also be referred to as a PIN - around which a sixth coil is arranged, which is used as a fifth measuring coil in the form of a speed measuring coil 128 and with the evaluation device is connected to form a speed signal.
  • a third magnetic circuit 132 is formed, which extends from the central fifth projection 56 of the body 54 or flux concentrator 66 in the axial direction in the rotary shaft 32 to the marking area 1 12 and from there through the sixth projection 126 and the arm 125 back ,
  • the sprocket 1 18 provided. Due to the change in the distance of the surface of the rotary shaft 32 to the speed measuring coil 128 and its sixth projection 126, the inductance of the speed measuring coil 128 changes as a result of the height-depth profiles of the toothed rim pattern varied by the sprocket pattern distance the signal of the speed measuring coil 128th
  • Speed measuring coil 128 in a corresponding e.g. Software implemented speed evaluation unit 134 determines the speed n and / or the rotational speed. By counting corresponding pulses of this signal, the relative rotation angle can also be determined. Will the respective teeth 120
  • the production of the sensor head 48 is preferably carried out in the same manner as described and shown for a sensor head without cantilever in German Patent Application 10 2016 122 172.4. Accordingly, the first to sixth coils 32, 59-62, 128 are formed as planar coils on a substrate.
  • a printed circuit board element 130 is provided, on which the
  • Planar coils are formed and corresponding contacts are formed to the signal line.
  • the evaluation device 100 can also be realized on the printed circuit board element 130, as indicated by the electronics 80.
  • soft magnetic material for forming the body 54 including cantilever 125 and the first to sixth projections 56, 57a-57d, 126 may be prepared in a similar manner as described in 10 2016 122 172.4.
  • the sensor S1 thus supplies a torque signal M on a first channel and a speed signal n on a second channel
  • the sensor S1 is designed as a power sensor L for measuring a mechanical power on the rotary shaft 32, wherein the power, such as in the following with reference to FIGS. 2 and 3 with reference to a
  • an electric drive 10 is shown schematically, which is here by an electric motor 12 with stator and rotor (not shown in detail, well known) is formed.
  • a shaft of the rotor forms an output shaft 14 of the electric drive 10.
  • the output shaft 14 is a shaft coupled to the shaft of the rotor for common rotation, e.g. an end shaft of an electric motor provided on the motor gear.
  • Pab 2 * Pi * M * n, where M is the
  • Torque on the output shaft 12 and n denotes the rotational speed of the output shaft 14. So far, if one wanted to control the electric drive 10 in such a way that a constant output torque M is output, then the input power has been regulated according to the measured voltage U and the measured current I.
  • the torque control device 20 includes the
  • Torque measuring arrangement 22 and a controller 24, which with the
  • Torque measuring arrangement 22 is connected to control the electric motor 12 depending on a measured by the torque sensor 26 of the torque measuring device 22 torque M on the output shaft 14.
  • the illustrated torque control device 20 includes the
  • the sensor S1 is used as a combination sensor both as a torque sensor 26 and as a speed sensor 28.
  • the rotary shaft 32 is equal to the output shaft 14 of the electric drive 10.
  • a magnetoelastic non-contact sensor S1 using higher frequency alternating magnetic fields with transmitting coil and receiving coil is used, which serves both as a torque sensor 26 for
  • Electric drive 10 is used.
  • the evaluation device 100 thus supplies the output torque M at the output shaft 14 as well as the rotational speed n of the output shaft 14, so that the output power Pab can be determined therefrom.
  • the controller 24 for example designed as a motor controller, controls the electric motor 12 as a function of the torque M thus determined or in dependence on the thus determined output power Pab. In particular, thereby the torque M and / or the output power Pab to a desired value, in particular a desired power P S0 n (or a target torque) can be controlled.
  • the controller 24 can realize both a control and a safety monitoring independently of the control due to the plurality of measured variables.
  • the electric motor 12 is regulated on the basis of the measured values M and n or Pab and the motor input power Pi is monitored via the motor current I and the motor voltage U for the safety shutdown.
  • S1 sensor (combination sensor: contactless speed sensor and

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

Um kostengünstig und mit einfachen Mitteln den Anwendungsbereich eines Drehmomentsensors (26) deutlich zu erweitern, schafft die Erfindung einen Sensorkopf (48) für einen Drehmomentsensor (26) zur Erfassung eines Drehmoments einer Drehwelle (32), wobei der Sensorkopf (48) umfasst: wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (50) zum Erzeugen eines Magnetfelds in der Drehwelle (32) und wenigstens eine Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) zum Messen wenigstens eines Parameters des erzeugten Magnetfelds in der Drehwelle (32), um hieraus ein auf der Drehwelle (32) anliegendes Drehmoment abzuleiten, und wenigstens eine von der Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) beabstandete gesonderte Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (110) zum Erfassen einer Oberflächenmarkierung (36) an der Oberfläche der Drehwelle (32), um eine Drehzahl der Drehwelle (32) zu bestimmen. Außerdem werden ein Kombinationssensor (S1), eine Drehmomentmessanordnung (22) sowie Verfahren zur Messung unter Verwendung des Sensorkopfes (48) beschrieben.

Description

SENSORKOPF, KOMBINATIONSSENSOR, DREHMOMENTMESSANORDNUNG UND VERFAHREN ZUM MESSEN VON
DREHMOMENT UND DREHZAHL.
Die Erfindung betrifft einen Sensorkopf für einen Drehmomentsensor zur
Erfassung eines Drehmoments einer Drehwelle, wobei der Sensorkopf umfasst: wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines
Magnetfelds in der Drehwelle und wenigstens eine Drehmoment- Magnetfelderfassungseinrichtung zum Messen wenigstens eines Parameters des erzeugten Magnetfelds in der Drehwelle, um hieraus ein auf der Drehwelle anliegendes Drehmoment abzuleiten. Weiter betrifft die Erfindung einen einen solchen Sensorkopf beinhaltenden Sensor. Weiter betrifft die Erfindung eine Drehmomentmessanordnung, die einen solchen Sensorkopf und die zu
vermessende Drehwelle aufweist. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen von Drehmoment.
Aus der DE 30 31 997 A1 und der EP 0 046 517 A1 sind Verfahren und
Vorrichtungen zur berührungslosen Messung statischer und dynamischer
Drehmomente an einer Drehwelle durch Erfassen einer Permeabilitätsänderung einer ferromagnetischen Drehwelle bekannt. Durch die Kombination der Drehwelle und eines Drehmomentsensors ist auch eine Drehmomentmessanordnung offenbart.
Aufgabe der Erfindung ist es, mit kostengünstigen und einfachen Mitteln die Anwendungsmöglichkeiten solcher Drehmomentmessungen deutlich zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensorkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Verwendungen desselben sind Gegenstand der Nebenansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Die Erfindung schafft gemäß einem Aspekt davon einen Sensorkopf für einen Drehmomentsensor zur Erfassung eines Drehmoments einer Drehwelle, wobei der Sensorkopf umfasst:
wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines
Magnetfelds in der Drehwelle und wenigstens eine Drehmoment- Magnetfelderfassungseinrichtung zum Messen wenigstens eines Parameters des erzeugten Magnetfelds in der Drehwelle, um hieraus ein auf der Drehwelle anliegendes Drehmoment abzuleiten, und wenigstens eine von der Drehmoment- Magnetfelderfassungseinrichtung beabstandete gesonderte
Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung zum Erfassen einer
Oberflächenmarkierung an der Oberfläche der Drehwelle, um hieraus eine
Drehzahl der Drehwelle zu erfassen.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung eine Abstandserfassungseinrichtung zum Erfassen eines Abstandes zu der Oberfläche der Drehwelle aufweist, wobei die Abstandserfassungseinrichtung dazu
ausgebildet ist, Änderungen eines Abstandes zu der Oberfläche der Drehwelle zu erfassen, um bei Drehung der Drehwelle eine durch eine Veränderung der Form der Oberfläche eines Markierungsbereichs der Drehwelle gebildete
Oberflächenmarkierung zu erfassen, um so die Drehzahl zu erfassen.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung eine Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung, insbesondere zum Bilden der
Abstandserfassungseinrichtung, aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens eine Erregerspule aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtungen wenigstens eine Drehmoment-Messspule aufweist. Es ist bevorzugt, dass die Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung wenigstens eine Drehzahl-Messspule aufweist, die in einer Orientierungsrichtung des
Sensorkopfes, die im Betrieb parallel zu der Drehachse der Drehwelle anzuordnen ist, beabstandet zu der wenigstens einen Drehmoment-Messspule angeordnet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Erregerspule und die wenigstens eine Drehmoment- Messspule durch wenigstens ein Drehmoment-Mess-Magnetjoch zur
Flussverstärkung zum Bilden wenigstens eines Drehmoment-Mess-Magnetkreises verbunden sind.
Es ist bevorzugt, dass die Erregerspule und die wenigstens eine Drehzahl- Messspule durch ein Drehzahl-Mess-Magnetjoch zur Flussverstärkung zum Bilden eines Drehzahl-Mess-Magnetkreises verbunden sind.
Es ist bevorzugt, dass die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung eine erste Magnetfeldmesseinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld an einem Drehmomentmessbereich der Oberfläche der Drehwelle in einer ersten Richtung zu erfassen, und eine zweite Magnetfeldmesseinheit aufweist, die dazu
ausgebildet ist, ein Magnetfeld an einem Drehmomentmessbereich der Oberfläche der Drehwelle in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung zu erfassen.
Vorzugsweise liegen die erste und die zweite Richtung in einem Winkel zueinander, der zwischen 10° und 170°, vorzugsweise zwischen 45° und 135° und mehr bevorzugt zwischen 85° und 95° liegt.
Vorzugsweise liegen wenigstens eine oder beide der ersten und der zweiten Richtung relativ zu der Orientierungsrichtung, in welcher die
Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung von der
Drehmomentmagnetfelderfassungseinrichtung beabstandet ist, in einem Winkel der zwischen 10° und 170°, mehr vorzugsweise zwischen 25° und 65° und mehr bevorzugt zwischen 30° und 50° liegt. Es ist bevorzugt, dass die erste Magnetfeldmesseinheit ein Paar erste
Drehmoment-Messspulen aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die zweite Magnetfeldmesseinheit ein Paar zweiter Drehmoment-Messspulen aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Drehmoment-Messspulen sternförmig um eine zentral angeordnete Erregerspule der Magnetfelderzeugungseinrichtung herum angeordnet sind.
Es ist bevorzugt, dass die Drehmoment-Messspulen und die Erregerspule durch einen gemeinsamen Flusskonzentrator-Kern aus ferromagnetischen Material zum Bilden von Flusskonzentratoren für die erste Magnetfeldmesseinheit und die zweite Magnetfeldmesseinheit verbunden sind.
Es ist bevorzugt, dass der Flusskonzentrator-Kern einen Ausleger hat, der sich in der Orientierungsrichtung und durch die Drehzahl-Messspule erstreckt.
Es ist bevorzugt, dass die Spulen als Planarspulen ausgebildet sind.
Es ist bevorzugt, dass die Planarspulen auf einem gemeinsamen
Leiterplattenelement ausgebildet sind, an dem auch ein ferromagnetisches Material zum Bilden eines Flusskonzentrators angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen Kombinationssensor zur Messung von Drehmoment und Drehzahl an einer Drehwelle, umfassend einen Sensorkopf nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und eine Auswerteeinrichtung, die mit der Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung verbunden ist, um ein das Drehmoment angebendes Drehmomentsignal zu erzeugen, und mit der Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung verbunden ist, um ein die Drehzahl angebendes Drehzahlsignal zu erzeugen.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus der mittels des Sensorkopfs erfassten Drehzahl und dem mittels des Sensorkopfs erfassten Drehmoment ein die momentane Leistung angebendes Leistungssignal zu erzeugen.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine
Drehmomentmessanordnung mit einer Drehwelle und einem Sensorkopf nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und/oder einem Kombinationssensor nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen, wobei die Drehwelle einen Drehmomentmessbereich mit einer kreiszylindrischen Oberfläche, an welchem die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung angeordnet ist, und axial benachbart hierzu einen Markierungsbereich mit Oberflächenmarkierung in Form einer von einer kreiszylindrischen Oberfläche abweichenden Oberflächenform aufweist.
Es ist bevorzugt, dass der Markierungsbereich einen Zahnkranz aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Messen eines Drehmoments und einer Drehzahl an einer Drehwelle umfassend:
a) Vorsehen der Drehwelle mit einem Markierungsbereich, an dem eine nicht rotationssymmetrische Oberflächenmarkierung angebracht ist und einem axial beabstandeten Drehmomentmessbereich ohne Oberflächenmarkierung
b) Erzeugen eines Magnetfelds an der Oberfläche der Drehwelle,
Messen von Magnetfeldänderungen anhand von auf der Drehwelle anliegenden Kräften an dem Drehmomentmessbereich mittels einer Drehmoment- Magnetfelderfassungseinrichtung und
c) Erfassen des Passierens der Oberflächenmarkierung bei Drehung der Drehwelle mittels einer an dem Markierungsbereich angeordneten
Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung.
Es ist bevorzugt, dass der Schritt a) umfasst: Vorsehen der
Oberflächenmarkierung derart, dass diese eine von einer Kreiszylinderform abweichende Oberflächenform bedingt und
dass Schritt c) umfasst: Erfassen des Abstandes der Oberfläche der Drehwelle von der Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung. Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst: Erzeugen eines Magnetfelds sowohl im Drehmomenterfassungsbereich als auch im benachbarten Markierungsbereich mittels einer gemeinsamen Magnetfelderzeugungseinrichtung und
dass Schritt c) umfasst: Messen einer Magnetfeldänderung, die sich durch Passieren der Oberflächenmarkierung ergibt.
Es ist bevorzugt, dass bei dem Verfahren ein Sensorkopf und/oder ein Sensor und/oder eine Drehmomentmessanordnung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen verwendet wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Drehmomentmessanordnung ist mit einer Drehwelle und einem Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmoments an der Drehwelle durch induktives Messen des Drehmoments der Drehwelle mittels magnetischer Wechselfelder und mit einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung des Signals des Drehmomentsensors versehen, wobei die Drehwelle eine
Oberflächenmarkierung an einem Markierungsbereich hat, der benachbart zu dem durch den Drehmomentsensor zur Drehmomentmessung erfassten
Umfangsbereich hat, wobei sich die Oberflächenmarkierung bei Drehung der Drehwelle um die Drehachse dreht und bei Passieren einer an dem
Drehmomentsensor vorgesehenen Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung ein sich entsprechend der Drehfrequenz änderndes Drehzahlsignal hervorruft, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus dem Drehzahlsignal wenigstens einen, mehrere oder alle der Parameter Drehzahl,
Drehgeschwindigkeit, Drehrichtung und/oder Drehwinkel der Drehwelle zu ermitteln.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenmarkierung eine sich in axialer Richtung erstreckende Abflachung, Einkerbung oder Erhöhung an der Oberfläche des Umfangsbereichs umfasst. Besonders bevorzugt ist eine Anordnung von Zähnen, inbesondere in Form eines Zahnkranzes, vorgesehen.
Es ist bevorzugt, dass der Drehmomentsensor einen Sensorkopf aufweist, der mit wenigstens einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes in der Drehwelle und mit wenigstens einer Magnetfelderfassungseinrichtung zum Messen wenigstens eines Parameters des magnetischen Wechselfeldes in der Drehwelle versehen ist.
Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens einen Flusskonzentrator mit wenigstens einer Magnetfelderzeugungsspule und einem weichmagnetischen Kern aufweist und dass die Magnetfelderfassungseinrichtung mehrere Messspulen zum Messen unterschiedlicher Magnetfeldausrichtungen aufweist. Vorzugsweise wird ein Drehmomentsensor eingesetzt, wie er vom Grundaufbau her in der DE 30 31 997 A1 , der EP 0 046 517 A1 oder der US 4 503 714 beschrieben ist. Diese Druckschriften werden hinsichtlich näherer
Einzelheiten des Drehmomentsensors durch Bezugnahme inkorporiert. Zusätzlich zu dem bekannten Aufbau zum Messen des Drehmoments weist der hier vorgeschlagenen Sensor noch eine gesonderte
Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung auf.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung eine Zähleinrichtung zum Zählen der Anzahl der Signalveränderungen und/oder zum Erfassen eines Drehwinkels aufweist. So können z.B. von durch Zähne eines Zahnkranzes verursachte Signalimpulse gezählt werden, um einen Drehwinkel oder bei zusätzlicher
Berücksichtigung der Zeit eine Drehgeschwindigkeit zu bestimmen.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung eine
Signalveränderungsabstandserfassungseinrichtung zum Erfassen des Abstands zwischen den durch Passieren der Oberflächenmarkierung erzeugten
Signalveränderungen und/oder zum Erfassen einer Drehzahl pro Zeit aufweist.
Es ist bevorzugt, dass Auswerteeinrichtung eine Frequenzerfassungseinrichtung zum Erfassen der Frequenz der Änderungen in dem Drehzahl aufweist, um hieraus die Drehzahl der Drehwelle und/oder die Drehgeschwindigkeit an der Oberfläche der Drehwelle zu ermitteln.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Pulsform der Signalveränderung zu erfassen und hieraus die Drehgeschwindigkeit an der Oberfläche der Drehwelle und/oder die Drehrichtung zu erfassen. Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung eine
Pulsweitenerfassungseinrichtung zum Erfassen einer Pulsweite der
Signalveränderung und/oder zum Ermitteln der Drehgeschwindigkeit aus einer Breite der Signalveränderung aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Oberflächenmarkierung eine Flächenform hat, die zu einer in axialer Richtung verlaufenden Mittelachse unsymmetrisch ist und/oder dass mehrere der Oberflächenmarkierungn mit unregelmäßigen Abständen und/oder mit zu einer in axialer Richtung verlaufenden Achse unsymmetrischer Anordnung vorgesehen sind, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus einer Steigung einer Pulsflanke der Signalveränderung und/oder aus einer Abstandsfolge zwischen Signalveränderungen die Drehrichtung zu ermitteln.
Insbesondere kann eine entsprechende Zahnform der Zähne eines Zahnkranzes vorgesehen sein. Besonders bevorzugt weisen die Zähne unterschiedliche
Flankenformen an ihren beiden Seiten auf.
Die Drehwelle ist vorzugsweise zumindest an ihrer Oberfläche oder auch ganz aus einem weichmagnetischen oder ferromagnetischen Material ausgebildet. Dabei wird vorzugsweise eine Permeabilitätsänderung bei sich verändernder
Drehmomentbelastung erfasst. Dies erfolgt vorzugsweise mittels durch eine Magnetfelderzeugungseinrichtung in dem ferromagnetischen Material erzeugten Magnetfeldern und Erfassen der sich bildenden Magnetfelder - insbesondere Dichte und Ausrichtung der Feldlinien - mittels einer
Magnetfelderfassungseinrichtung. Die Magnetfelderfassungseinrichtung weist z.B. mehrere sich kreuzende Magnetkreise auf, die teilweise durch die Drehwelle verlaufen und teilweise durch einen ersten und zweiten Jochbereich eines
Sensorkopfes laufen. Bei weniger bevorzugten Ausgestaltungen wird eine zumindest an ihrer Oberfläche permanentmagnetisierte Drehwelle verwendet.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur
gleichzeitigen Erfassung eines Drehmoments und wenigstens einer der Parameter Drehzahl, Drehwinkel, Drehgeschwindigkeit oder Drehrichtung an einer aus oder mit einem weichmagnetischen Material gebildeten Drehwelle, umfassend: Vorsehen einer Oberflächenmarkierung auf einem Sektor eines ersten
Umfangsbereichs der Drehwelle;
Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds in der Drehwelle an dem ersten Umfangsbereich und einem axial benachbarten zweiten Umfangsbereich;
Messen des Drehmoments durch Erfassen wenigstens eines durch den
magnetoelastischen Effekt beeinflussten Parameters des erzeugten magnetischen Wechselfeldes mittels wenigstens einer Magnetfelderfassungseinrichtung an dem zweiten Umfangsbereich und Erzeugen eines Signals aus der Erfassung des Parameters,
Erfassen einer Magnetfeldänderung an dem ersten Umfangsbereich, die dadurch erzeugt wird, dass die Oberflächenmarkierung eine weitere
Magnetfelderfassungseinrichtung passiert und
Auswerten der Magnetfeldänderung an dem ersten Umfangsbereich zur Erfassung wenigstens einer der Parameter Drehzahl, Drehwinkel, Drehgeschwindigkeit oder Drehrichtung.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine
Drehmomentregelvorrichtung zum Regeln der Ausgangsleistung und/oder des Drehmoments eines Elektroantriebes, der einen Elektromotor mit Ständer und Läufer und eine mit dem Läufer zur gemeinsamen Drehung verbundene
Abtriebswelle als Drehwelle hat, umfassend:
einen Drehmomentmessanordnung nach einer der voranstehenden
Ausgestaltungen zum Messen eines Drehmoments an der Abtriebswelle und eine mit der Drehmomentmessanordnung verbundene Steuerung, die dazu eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit von dem durch den Drehmomentsensor gemessenen Drehmoment zu steuern.
Es ist bevorzugt, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit von dem durch die Drehmomentmessanordnung gemessenen Drehmoment und der durch die Drehmomentmessanordnung ermittelten Drehzahl zu steuern, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, aus dem Drehmoment und der Drehzahl die Ausgangsleistung des Elektroantriebes zu ermitteln und den Elektromotor in Abhängigkeit von der ermittelten Ausgangsleistung zu steuern. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Elektroantrieb, umfassend eine Drehmomentregelvorrichtung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und/oder eine Drehmomentmessanordnung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen.
Eine Grundidee der Erfindung ist, unter Ausnutzung einer Permeabilitätsänderung von aus ferromagnetischen Materialien gebildeten Drehwelle und von
Oberflächeneffekten einen Kombinationssensor zu bilden, der neben Drehmoment auch wenigstens einen weiteren Parameter der Drehbewegung der Drehwelle mit vorzugsweise mit dem gleichen Messaufbau erfasst. Besonders bevorzugt werden ein Drehmomentsignal und ein Drehzahlsignal in dem gleichen Messaufbau durch unterschiedliche zueinander beabstandete Messspulen erzeugt und über getrennte Kanäle ausgegeben. So kann man die Drehzahl-Messspule an einem Markierungsbereich der Drehwelle anordnen, der eine für eine Drehzahlerfassung optimierte Oberflächenform oder Materialverteilung hat, während eine
Drehmoment-Messspule oder eine Drehmoment-Mess- Magnetfelderfassungseinrichtung mit mehreren Drehmoment-Messspulen an einem Drehmomentmessbereich der Drehwelle anordnen kann, der eine für die Drehmomentmessung optimierte Oberflächenform und Materialverteilung - insbesondere möglichst gleichförmig über den gesamten Umfang - hat.
Insbesondere können so unabhängige Signale für Drehzahl und Drehmoment mit hoher Auflösung mit dem gleichen einfachen Messaufbau erreicht werden.
Insbesondere ist die Anwendung in Verbindung mit einem Elektromotor
interessant. Das erfasste Drehmoment und der wenigstens eine weitere
Parameter können zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors eingesetzt werden. Es kann z.B. eine exakte Drehmomentregelung oder
Leistungsregelung erfolgen. Auch kann der Drehwinkel erfasst werden und so in einfacher Weise ein Stellmotor oder Servomotor geschaffen werden, der mit exaktem Drehmoment in eine vorbestimmte Position verfahren werden kann. So können sehr leistungsfähige Stellantriebe geschaffen werden.
Es sind aber auch viele andere Anwendungen möglich, beispielsweise können auch andere Antriebe, z.B. mit einer Verbrennungskraftmaschine, einem pneumatischen oder hydraulischen Antrieb mit der Drehmomentmessanordnung versehen werden, um die Drehmomentabgaben und/oder Drehgeschwindigkeit und/oder den Stellweg zu überwachen und/oder zu steuern.
Eine bevorzugte Anwendung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Regeln der Ausgangsleistung und/oder des Drehmoments eines Elektroantriebes, der einen Elektromotor mit Ständer und Läufer und eine mit dem Läufer zur gemeinsamen Drehung verbundene Abtriebswelle hat.
Bei bisher auf dem Markt erhältlichen Leistungselektroniken für Elektroantriebe kann durch das Messen der Phasenströme und Phasenspannungen die
Leistungsaufnahme eines Elektromotors relativ genau gemessen werden. Durch entsprechende Modelle zum Wirkungsgrad und verschiedener Abhängigkeiten (Temperaturabhängigkeit, Alterungsverhalten...) kann die Ausgangsleistung berechnet werden. Mit diesen Größen können Elektromotoren auf ein spezifisches Drehmoment bei bekannter Winkelgeschwindigkeit der Achse geregelt werden. Derartige Elektroantriebe und deren Vorrichtungen zur Drehmomentregelung finden sich beispielsweise in auf dem Markt erhältlichen Haupt-Elektroantrieben für Elektrofahrzeuge.
Ein Beispiel für eine bekannte Regelung eines Elektroantriebes auf dem Gebiet der elektrischen Lenksysteme findet sich in der US 2005/037884 A1 .
Ein Vorteil einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass derartige Vorrichtungen und Verfahren zur Drehmomentregelung und/oder Regelung der Leistung von Elektroantrieben hinsichtlich der Genauigkeit des Ausgangsdrehmoments bzw. der Ausgangsleistung und/oder hinsichtlich
Sicherheitsaspekten verbessert werden können.
Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung betrifft eine
Drehmomentregelvorrichtung zum Regeln der Ausgangsleistung und/oder des Drehmoments eines Elektroantriebes, der einen Elektromotor mit Ständer und Läufer und eine mit dem Läufer zur gemeinsamen Drehung verbundene
Abtriebswelle hat, umfassend: einen Drehmomentsensor zum Messen eines Drehmoments an der Abtriebswelle und eine mit dem Drehmomentsensor verbundene Steuerung, die dazu eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit von dem durch den
Drehmomentsensor gemessenen Drehmoment zu steuern.
Insbesondere lässt sich damit ein drehmomentgeregelter Elektromotor
bereitstellen, dessen Regelung nicht durch Spannung/Strom, sondern durch ein aktives Sensorelement erfolgt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Drehzahlsensor zur Messung der Drehzahl der Abtriebswelle, wobei die
Steuerung mit dem Drehzahlsensor verbunden ist und dazu eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit von dem durch den Drehmomentsensor
gemessenen Drehmoment und der durch den Drehzahlsensor verbundenen Drehzahl zu steuern.
Es ist bevorzugt, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, aus dem Drehmoment und der Drehzahl die Ausgangsleistung des Elektroantriebes zu ermitteln und den Elektromotor in Abhängigkeit von der ermittelten Ausgangsleistung zu steuern.
Es ist bevorzugt, dass die Steuerung zur Überwachung der Leistungsabgabe des Elektroantriebes eingerichtet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, den Elektroantrieb abhängig von einer aus einem Eingangsstrom und einer Eingangsspannung ermittelten Eingangsleistung und einer aus dem Drehmoment ermittelten
Ausgangsleistung und einer Sollleistung zu steuern und/oder zu überwachen.
Vor allem bei der Elektromobilität gibt es ein Erfordernis (SIL2 gemäß EN61508 und/oder Performance Level d gemäß ISO 13849-1 ), dass die Ausgangsleistung des Elektromotors überwacht wird. Das kann man mit Spannung/Strom machen. Wesentlich genauer geht dies aber durch unmittelbare Überwachung über direkte Sensoren an der Abtriebswelle, wie bei der Erfindung vorgeschlagen. Besondere Vorteile hat die erfindungsgemäße Idee, wenn der Elektroantrieb man für ein Torque Vectoring auf das Drehmoment geregelt wird. In einem solchen Fall ist ein aktives Sensorelement wie bei der Erfindung vorgeschlagen sehr vorteilhaft, da man nicht auf sowohl Spannung/Strom regeln kann und diese Größe auch noch für die Sicherheits-Überwachung verwenden kann.
Es ist bevorzugt, dass der Drehmomentsensor ein induktiver berührungsloser Sensor zur induktiven Drehmomenterfassung unmittelbar an der Abtriebswelle mittels magnetischer Wechselfelder ist. Derartige Sensoren sind sehr einfach an der Abtriebswelle einsetzbar, wobei die Abtriebswelle auch unverändert bleiben kann und keine aktiven Elemente im mitdrehenden System benötigt werden. Die berührungslose Messung erfolgt ohne Reibungsverluste und ist im Wesentlichen wartungsfrei.
Mit einer Drehmomentmessanordnung gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann man gleichzeitig mit einem Signal das Drehmoment der Drehwelle (z.B. der Abtriebswelle) und mit einem weiteren Signal z.B. deren Drehzahl bestimmen. Damit kann man mit von einem einzelnen Sensorkopf erzeugten und dennoch unabhängigen Signalen unmittelbar die mechanische Leistung an der Drehwelle bestimmen. Dies ist selbstverständlich für die Regelung von Elektroantrieben hoch interessant, kann aber auch für andere Verwendungen Anwendung finden. Z.B. könnte sich bei unterschiedlichen Anwendungen (PKW; LKW; Schiffe; Maschinen; Flugzeuge; Fahrzeuge) an einer Abtriebswelle die mechanische Leistung unmittelbar messen.
Vorzugsweise ist die Drehmomentmessanordnung zur Verwendung in einer Drehmomentregelung gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen ausgebildet, wobei die Abtriebswelle die zu vermessende Drehwelle der
Drehmomentmessanordnung ist. Die Drehmomentmessanordnung ist aber auch für andere Einsatzzwecke geeignet und vorteilhaft, wo neben der Messung eines Drehmoments einer Drehwelle auch deren Drehzahl ermittelt werden soll.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Regelungsverfahren zum Regeln der Ausgangsleistung und/oder des Drehmoments eines Elektroantriebes, der einen Elektromotor mit Ständer und Läufer und eine mit dem Läufer zur gemeinsamen Drehung verbundene Abtriebswelle hat, umfassend:
Messen eines Drehmoments an der Abtriebswelle mittels eines
Drehmomentsensors,
Messen der Drehzahl der Abtriebswelle und
Steuern des Elektromotors in Abhängigkeit von dem durch den
Drehmomentsensor gemessenen Drehmoment und der durch den Drehzahlsensor ermittelten Drehzahl.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst:
Ermitteln der Ausgangsleistung des Elektroantriebes aus dem Drehmoment und der Drehzahl und
Steuern des Elektromotors in Abhängigkeit von der ermittelten Ausgangsleistung.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst:
Überwachen der Leistungsabgabe des Elektroantriebes mittels der
Ausgangsleistung, der aus einem Eingangsstrom und einer Eingangsspannung ermittelten Eingangsleistung und einer Sollleistung.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst:
berührungsloses induktives Messen des Drehmoments an der Abtriebswelle mittels magnetischer Wechselfelder.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst:
Verwenden einer Abtriebswelle, die eine Oberflächenmarkierung an einem ersten durch den Kombinationssensor erfassten Umfangsbereich hat, welche sich bei Drehung der Abtriebswelle um die Drehachse dreht und bei Passieren eines zur Oberflächenmarkierungserfassung vorgesehenen Teil des Kombinationssensors eine Veränderung in einem ersten Signal des Drehmomentsensors hervorruft, und Ermitteln der Drehzahl der Abtriebswelle aus der Periode der Veränderung des ersten Signals des Kombinationssensors.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst: Vorsehen einer sich in axialer Richtung erstreckenden Abflachung, Einkerbung oder Erhöhung an der Oberfläche des ersten Umfangsbereichs zum Bilden der Oberflächenmarkierung.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Regelungsverfahrens umfasst:
Vorsehen der Oberflächenmarkierung mit einer vorgegebenen Erstreckung in Umfangsrichtung und
Ermitteln der Drehgeschwindigkeit aus der Länge einer durch die
Oberflächenmarkierung in dem Signal des Drehmomentsensors verursachten Signaländerung. Beispielsweise kann ein Zahnkranz mit sich über eine
vorbestimmte Länge in Umfangsrichtung erstreckenden Zähnen vorgesehen werden, und der Drehwinkel und die Drehgeschwindigkeit können mittels Zählen von entsprechend durch die Zähne verursachten Impulsen in dem Drehzahlsignal erfasst werden.
Eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung betrifft insbesondere eine
Drehmomentregelung eines Elektromotors oder für einen Elektromotor.
Eine bevorzugte Ausgestaltung betrifft eine Drehmomentregelung eines
Elektromotors durch Messung der Ausgangsleistung mittels eines vorzugsweise kombinierten Drehmomentsensors und Drehzahlsensors. Hierdurch ist eine sehr genaue Regelung möglich.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung und das Verfahren zusätzlich oder alternativ eine Überwachung der Motorleistungsabgabe als
Sicherheitsüberwachung mittels der Eingangsleistung (Spannung, Strom).
Damit ist eine sehr gute Sicherheitsüberwachung für drehmomentgeregelte Elektromotoren möglich. Dadurch, dass man die über gemessenes Drehmoment und gemessene Drehzahl ermittelte tatsächliche Ausgangsleistung als
Regeleingangsgrößen heranzieht, kann man die Spannung und den Strom als zusätzliche Größen für andere Aufgaben, insbesondere die
Sicherheitsüberwachung heranziehen. Außerdem kann man durch einen Vergleich auch ohne Umwege über Berücksichtigung weiterer Parameter (wie Umweltbedingungen) den Wirkungsgrad und die Verlustleistung bestimmen.
Eine vorteilhafte Anwendung wird im Folgenden erläutert: Durch den Einsatz von Elektromotoren in der Elektromobilität wird deren Funktion als sicherheitskritisch eingestuft, d.h. die Leistungsabgabe sollte in einer Safety-Funktion überwacht werden. Diese Überwachung kann mittels Strom und Spannung umgesetzt werden. Bei einer aktiven Regelung der Ausgangsleistung des Elektromotor (Torque Vectoring, Anti-Schlupf Regelung....) an der Welle eines Antrieb benötigt es eine zweite Messeinrichtung für die aktive Regelung, um die
Funktionsüberwachung mittels Spannung und Strom als unabhängige Größe außerhalb des Regelkreis weiterhin verwenden zu können. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird hierzu eine unmittelbare Messung des Drehmoments und gegebenenfalls der Drehzahl an der Abtrieswelle vorgeschlagen.
Eine weitere besonders bevorzugte Verwendungsmöglichkeit des hier
beschriebenen Sensorkopfes, der hier beschriebenen
Drehmomentmessanordnung und des hier beschriebenen Sensors ist die
Durchführung einer Leistungsmessung.
Für eine Leistungsmessung wird das Drehmoment und die Drehzahl /
Drehgeschwindigkeit benötigt. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung beschreibt eine Anordnung für einen Drehmomentsensor und einen Drehzahlsensor, der auf ähnlicher technologischer Basis wie der Drehzahlsensor funktioniert und die Kombination von beidem in einem Package.
Vorzugsweise wird ein Magnetfeld von einem Generator mit einer Erregerspule in die Messwelle eingekoppelt und für die Drehmomentmessung verwendet.
Besonders bevorzugt wird zur Drehmomentmessung eine Anordnung einer zentralen Erregerspule und zweier Paare von Messspulen angeordnet auf 5 Pins eines ferromagnetischen Kerns verwendet. Über einen 6. Pin im
ferromagnetischen Kern (z.B. Ferrit) wird eine zusätzliche Drehzahl-Messspule in den magnetischen Kreis eingekoppelt. Besonders bevorzugt befindet sich die Drehzahl-Messspule über einem
Zahnkranzmuster, welches in die Messwelle eingeprägt ist. Durch die Höhen- Tiefenprofile des Zahnkranzes verändert sich die Induktivität der Drehzahl- Messpule, was sich in einer Variation im Signal der Drehzahl-Messspule
(=Drehzahlsignal) äußert.
Beispielsweise können mit 32 Zähnen in dem Zahnkranz auf der Messwelle 64 Winkeleinheiten aufgelöst werden. Bei guter mechanischer Verarbeitung der Zahnkränze bzw. Ausführung in einem sinusförmigen Verlauf können deutlich höhere Auflösungen erzielt werden. Z.B. mit unterschiedlichen Flankenformen der Zähne auf der Vorder- und Rückseite kann auch die Drehrichtung erfasst werden.
Vorstellbar ist auch jede andere Variante für einen Drehwinkel und
Drehzahlsensor mit dem Drehmomentsensor als Leistungssensor.
Der Sensorkopf ist vorzugsweise als Sensorpackage ausgeführt, wie dies in der deutschen Patentanmeldung 10 2016 122 172.4 beschrieben und gezeigt ist. Dementsprechend sind Spulen vorzugweises als Planarspulen an einem Substrat, insbesondere in Leiterplattentechnik ausgeführt, wie dies näher in dieser
Patentanmeldung 10 2016 122 172.4 beschrieben ist. Es wird für weitere
Einzelheiten zum Herstellen des Sensorkopfes ausdrücklich auf die DE 10 2016 122 172.4 verwiesen.
Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Drehmomentmessanordnung mit einer Drehwelle und einem Sensor, der einen an der Drehwelle angeordneten Sensorkopf aufweist;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Elektroantriebes mit einem
Elektromotor als Beispiel für einen Anwendungsfall der
Drehmomentmessanordnung; und der Elektroantrieb von Fig. 2 mit einer Drehmomentregelvorrichtung zum Regeln des Drehmoments und/oder der Abtriebsleistung des Elektromotors.
In Fig. 1 ist eine Drehmomentmessanordnung 22 gezeigt, die eine Drehwelle 32 und einen Drehmomentsensor 26 zum Messen eines Drehmoments an der Drehwelle 32 aufweist.
Der Drehmomentsensor 26 ist als berührungslos arbeitender magnetoelastischer Sensor S1 ausgebildet, der mit magnetischen Wechselfeldern arbeitet. Für nähere Einzelheiten zu solchen Sensoren wird auf folgende Literaturstellen verwiesen:
[1 ] Lutz May,„Drehmoment so einfach wie Temperatur messen" in
Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2015;
[2] Gerhard Fiedler, Franz Merold„Intelligente Sensorik -
Magnetorestriktive Drehmomentsensoren" in Elektronik Journal 04/2016;
[3] H. Ruser, U. Tröltzsch, M. Horn, H.-R. Tränkler;„Magnetische
Drehmomentmessung mit Low-cost Sensor" downgeloaded am
02.06.2016 unter
http://www.mikrocontroller.net/attachment/22413/Drehmomentsensor- Kreuzspule.pdf; Vortrag VDE/VDI-Fachtagung 1 1 . und 12. März 2002, Ludwigsburg, siehe auch die Referenzen in diesem Dokument;
[4] WO2015/001097 A1 .
[5] DE 30 31 997 A1
[6] EP 00 46 517 A1
[7] US 4 503 714 A
Der Sensor S1 ist vorzugsweise berührungslos auf Basis des induktiven
Messprinzips ausgeführt, siehe [3], [2], [5]-[7]. Wie in [4] ausgeführt, wird der Sensor S1 mit einem magnetischen Wechselfeld betrieben. Vorteilhaft ist dabei der Betrieb in einem aktiven Modus; so erfordert das schnelle magnetische Wechselfeld keine physikalische Veränderung an der Drehwelle 32, eine permanente und eventuell nicht langzeitstabile Magnetisierung ist nicht erforderlich, siehe [1 ]. Die Methodik ist unempfindlich gegenüber Verschmutzung (Wasser, Öl, Staub), Vibration, Luftspaltänderung und kann auch keinen Schaden nehmen, wenn zu große Kräfte an der Drehwelle 32 wirken, da der Sensor S1 sich außerhalb des Kraftflusses befindet.
Der Drehmomentsensor 26 weist einen Sensorkopf 48 auf.
An dem Sensorkopf 48 weist der Drehmomentsensor 26 eine
Magnetfelderzeugungseinrichtung 50 zur Erzeugung eines Magnetfeldes in und an der Drehwelle 32 und eine Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung 52 zum Messen von Änderungen des Magnetfeldes an der Drehwelle 32 zwecks
Erzeugung eines das anliegende Drehmoment anzeigenden Drehmomentsignals auf.
Als Teil dieser Einrichtungen 50, 52 weist der Sensorkopf 48 einen hier auch als Kern bezeichneten Körper 54 aus weichmagnetischem Material mit zu der
Drehwelle 32 hin gerichteten Vorsprüngen 56, 57a, 57b, 57c, 57d auf, die jeweils von Spulen 58-62 umgeben sind.
So bildet ein zentraler fünfter Vorsprung 56, der mit einer an einen elektrischen Schwingungsgenerator (nicht dargestellt, kann Teil einer Elektronik 80 sein) angeschlossenen zur Magnetfelderzeugung ausgebildeten Erregerspule 48 umgeben ist, einen Teil eines Flusskonzentrators 66, mit dem sich der
Magnetfluss des in die Drehwelle 32 indizierten Magnetfeldes konzentrieren lässt.
Ein erster von einer ersten Drehmoment-Messspule 59 umgebener Vorsprung 57a und ein zweiter von einer zweiten Drehmoment-Messspule 60 umgebener
Vorsprung 57b sind Teil eines ersten Drehmoment-Mess-Magnetkreises 70, und ein dritter von einer dritten Messspule 61 umgebener Vorsprung 57c und ein vierter von einer vierten Messspule 62 umgebener Vorsprung 57d sind Teil eines zweiten Drehmoment-Mess-Magnetkreises 72. Hierzu sind die Vorsprünge 57a- 57d jeweils paarweise gegenüberliegend, so dass die Paare sich kreuzen, angeordnet. Aufgrund der unterschiedlichen Winkel der beiden Magnetkreise 70, 72 lassen sich Magnetfeldrichtungsänderungen erfassen. Die entsprechend zwischen dem ersten Vorsprung 57a und dem zweiten
Vorsprung 57b verlaufenden und zwischen dem dritten Vorsprung 57c und 57b verlaufenden Bereiche des Flusskonzentrators 66 wirken als Drehmoment-Mess- Magnetjoche 74, 76 zum Bilden der entsprechenden Drehmoment-Mess- Magnetkreise 70, 72, die in einem Winkel zwischen 10° und 170°, insbesondere zwischen 45° und 135° zueinander angeordnet sind. Besonders bevorzugt sind Winkel im Bereich um 90°.
Somit sind durch die beiden unterschiedlich ausgerichteten Drehmoment-Mess- Magnetkreise 70, 72 eine erste Magnetfeldmesseinheit 102 und eine zweite Magnetfeldmesseinheit 104 gebildet, die an einem Drehmomentmessbereich 106 der Drehwelle 32 erzeugte Magnetfelder unterschiedlicher Richtungen erfassen können.
Die Drehmoment-Messspulen 59-62 sind an eine Drehmoment-Auswerteeinheit 30 angeschlossen. Die Drehmoment-Auswerteeinheit 30 kann Teil einer
Auswerteeinrichtung 100 und z.B. als Software in einer Elektronik 80 an einem Baustein 78 an einem Leiterplattenelement 130 des Sensors S1 ausgebildet sein. Die Drehmoment-Auswerteeinheit 30 liefert ein Drehmomentsignal M durch Auswertung der Signale A1 , A2, B1 , B2 der Drehmoment-Messspulen 59-62. Insbesondere lassen sich Winkeländerungen des induzierten Magnetfeldes, die aufgrund des magnetoelastischen Effekts bei Auftreten eines Drehmoments entstehen, erfassen, z.B. durch Bilden einer Differenz aus den Signalen A und B der Paare von Drehmoment-Messspulen 59-62, insbesondere durch
M=A-B=(A1 +A2)-B1 +B2),
wobei M das Drehmomentsignal, A=A1 +A2 das Signal der ersten
Magnetfeldmesseinheit 102 ist, welches die Summe des Signals A1 aus der ersten Drehmoment-Messspule 59 und des Signals A2 aus der zweiten
Drehmoment-Messspule 60 darstellt, und B=B1 +B2 das Signal der zweiten Magnetfeldmesseinheit 104 ist, welches die Summe des Signals B1 aus der dritten Drehmoment-Messspule 61 und des Signals B2 aus der vierten
Drehmoment-Messspule 62 darstellt. Die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung 52 arbeitet ansonsten zur Erfassung des Drehmomentes so, wie dies aus der vorerwähnten Literatur bekannt ist.
Weiter ist an dem Sensorkopf 48 eine
Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung 1 10 vorgesehen, mittels der erfasst wird, ob eine Oberflächenmarkierung 36, die in einem Markierungsbereich 1 12 an der Oberfläche der Drehwelle 32 vorgesehen ist, den Sensorkopf 48 bei Drehung der Drehwelle 32 passiert. Dadurch lässt sich der Sensor S1 nicht nur als Drehmomentsensor 26, sondern auch als Drehzahlsensor 28 verwendet und ist somit als Kombinationssensor ausgebildet, der sowohl ein Drehmomentsignal als auch ein Drehzahlsignal ausgeben kann.
Dabei ist die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung 1 10 in einer
Orientierungsrichtung 1 14 des Sensorkopfes 48, welche im Betrieb parallel zu der Drehachse der Drehwelle 32 auszurichten ist, beabstandet zu der Drehmoment- Magnetfelderfassungseinrichtung 52 angeordnet. Die Drehmoment- Magnetfelderfassungseinrichtung 52 ist axial an dem Drehmomentmessbereich 106 der Drehwelle 32 angeordnet, welcher kreiszylinderförmig mit einer möglichst rotationssymmetrischen Oberflächenform und Materialverteilung ausgebildet ist. Der Markierungsbereich 1 12 der Drehwelle 32 ist benachbart zu dem
Drehmomentmessbereich angeordnet und mit der wenigstens einen
Oberflächenmarkierung 36 versehen, die durch die
Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung 1 10 erfassbar ist.
Die Art und entsprechend die Erfassung der Oberflächenmarkierung 1 10 kann unterschiedlich sein. Besonders bevorzugt weist die
Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung eine
Abstandserfassungseinrichtung 1 16 auf, mittels der der Abstand zu der
Oberfläche des Markierungsbereichs 1 12 der Drehwelle 32 erfassbar ist, wobei die Oberflächenmarkierung 36 durch eine Variation des Abstandes gebildet ist. Die Abstandserfassungseinrichtung 1 16 ist in dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel insbesondere durch eine im Folgenden näher erläuterte Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung 122 gebildet. In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist zum Bilden der Oberflächenmarkierung 36 ein Zahnkranz 1 18 mit einer Reihe von Zähnen 120 vorgesehen. Z.B. sind 32 Zähne und entsprechende Täler dazwischen vorgesehen. Die Anzahl der Zähne 120 kann selbstverständlich je nach gewünschter Auflösung anders gewählt werden.
Besonders bevorzugt weist die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung 1 10 eine weitere Magnetfelderfassungseinrichtung auf, die im Folgenden zur
Unterscheidung zu der zuvor beschriebenen, zur Drehmomenterfassung vorgesehenen Drehmoment-Mess-Magnetfelderfassungseinrichtung 52 als Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung 122 bezeichnet wird. Die
Oberflächenmarkierung 36 ist entsprechend derart ausgebildet, dass sie magnetisch erfassbar ist. Dies kann auf unterschiedliche Art und Weise
geschehen, vorzugsweise aber durch die bereits beschriebene Variation des Abstandes zu der Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung 122.
Die Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung 122 weist ein Drehzahl-Mess- Magnetjoch 124 auf, das im Wesentlichen durch einen sich in der
Orientierungsrichtung 1 14 erstreckenden Ausleger 125 des Kerns oder Körpers 54 aus weichmagnetischen Material gebildet ist. Der Ausleger 125 weist einen sechsten zu der Drehwelle 32 hin gerichteten Vorsprung 126 - die Vorsprünge können auch als PIN bezeichnet werden - auf, um den herum eine sechste Spule angeordnet ist, die als fünfte Messspule in Form einer Drehzahl-Messspule 128 eingesetzt wird und mit der Auswerteeinrichtung zum Bilden eines Drehzahlsignals verbunden ist.
Dadurch ist ein dritter Magnetkreis 132 gebildet, der sich von dem zentralen fünften Vorsprung 56 des Körpers 54 oder Flusskonzentrators 66 aus in axialer Richtung in der Drehwelle 32 bis in den Markierungsbereich 1 12 und von dort durch den sechsten Vorsprung 126 und den Ausleger 125 zurück erstreckt.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zum Bilden der
Oberflächenmarkierung 36 wie oben erwähnt der Zahnkranz 1 18 vorgesehen. Durch die Höhen-Tiefen-Profile des Zahnkranzmusters ändert sich bei Drehung der Drehwelle 32 aufgrund der Änderung des Abstandes der Oberfläche der Drehwelle 32 zu der Drehzahl-Messspule 128 bzw. deren sechsten Vorsprung 126 die Induktivität der Drehzahl-Messspule 128. Somit variiert entsprechend dem durch das Zahnkranzmuster variierten Abstand das Signal der Drehzahl- Messspule 128.
In der Auswerteeinrichtung 100 wird aus der Variation dieses Signals der
Drehzahl-Messspule 128 in einer entsprechend z.B. durch Software realisierten Drehzahl-Auswerteeinheit 134 die Drehzahl n und/oder die Drehgeschwindigkeit bestimmt. Durch Zählen entsprechender Pulse dieses Signals kann auch der Relativdrehwinkel bestimmt werden. Werden die jeweiligen Zähne 120
unsymmetrisch ausgebildet, z.B. durch unterschiedliche Flankenformen oder durch unterschiedliche Abstände zueinander, kann man aufgrund der Signalform auch die Drehrichtung erfassen.
Die Herstellung des Sensorkopfes 48 erfolgt vorzugsweise in der gleichen Art, wie dies für einen Sensorkopf ohne Ausleger in der deutschen Patentanmeldung 10 2016 122 172.4 beschrieben und gezeigt ist. Demnach sind die erste bis sechste Spule 32, 59-62, 128 als Planarspulen auf einem Substrat ausgebildet.
Insbesondere ist ein Leiterplattenelement 130 vorgesehen, auf dem die
Planarspulen ausgebildet sind und auch entsprechende Kontaktierungen zur Signalleitung ausgebildet sind. Auch die Auswerteeinrichtung 100 kann auf dem Leiterplattenelement 130 realisiert werden, wie dies durch die Elektronik 80 angebdeutet ist. Ebenfalls kann weichmagnetisches Material zum Bilden des Körpers 54 einschließlich Ausleger 125 und dem ersten bis sechsten Vorsprung 56, 57a-57d, 126 in entsprechender Weise wie in der 10 2016 122 172.4 beschrieben hergestellt werden.
Der Sensor S1 liefert somit auf einem ersten Kanal ein Drehmomentsignal M und auf einem zweiten Kanal ein Drehzahlsignal n. Entsprechend ist er als
Kombinationssensor zum Messen von Drehmoment und Drehzahl ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Sensor S1 als Leistungssensor L zum Messen einer mechanischen Leistung an der Drehwelle 32 ausgebildet, wobei die Leistung, wie im Folgenden unter Bezug auf die Fig. 2 und 3 anhand eines
Verwendungsbeispiels erläutert wird, z.B. in der Auswerteeinrichtung 100, aus dem Drehmomentsignal M und dem Drehzahlsignal n ermittelt wird.
In Fig. 2 ist ein Elektroantrieb 10 schematisch dargestellt, der hier durch einen Elektromotor 12 mit Ständer und Läufer (nicht im Einzelnen dargestellt, gut bekannt) ausgebildet ist. Eine Welle des Läufers bildet eine Abtriebswelle 14 des Elektroantriebs 10. Bei anderen (nicht dargestellten) Ausgestaltungen ist die Abtriebswelle 14 eine mit der Welle des Läufers zur gemeinsamen Drehung gekuppelte Welle, z.B. eine Endwelle eines am Elektromotor vorgesehenen Motorgetriebes.
Bei Elektromotoren wird bisher die Antriebsleistung P nur über die Spannung U und den Strom I mit P= U*l bestimmt. Dadurch wird aber die Eingangsleistung Pin=U*l bestimmt. Um die Abtriebsleistung zu bestimmen, musste daher über Modellrechnungen die Verlustleistung Pv berücksichtigt werden.
Für die mechanische Abtriebleistung Pab gilt: Pab = 2*Pi*M*n, wobei M das
Drehmoment an der Abtriebswelle 12 und n die Drehzahl der Abtriebswelle 14 bezeichnet. Wollte man bisher den Elektroantrieb 10 so regeln, dass ein konstantes Abtriebsdrehmoment M abgegeben wird, dann hat man entsprechend die Eingangsleistung anhand der gemessenen Spannung U und dem gemessenen Strom I geregelt.
In Fig. 3 ist der Elektroantrieb 10 mit einer Drehmomentregelvorrichtung 20 dargestellt. Die Drehmomentregelvorrichtung 20 umfasst die
Drehmomentmessanordnung 22 und eine Steuerung 24, die mit der
Drehmomentmessanordnung 22 verbunden ist, um den Elektromotor 12 abhängig von einem durch den Drehmomentsensor 26 der Drehmomentmessanordnung 22 gemessenen Drehmoment M an der Abtriebswelle 14 zu steuern.
Weiter umfasst die dargestellte Drehmomentregelvorrichtung 20 den
Drehzahlsensor 28 zur Erfassung der Drehzahl n der Abtriebswelle 14. Hier wird der Sensor S1 als Kombinationssensor sowohl als Drehmomentsensor 26 und als Drehzahlsensor 28 eingesetzt. Die Signale für Drehmoment und
Drehzahl können auf unterschiedlichen Kanälen bereitgestellt werden. Dennoch lassen sie sich durch einen gemeinsamen, einfach und kostengünstig
hergestellten Sensorkopf 48 erzeugen, und dies derart, dass sie sich gegenseitig nicht oder nur unwesentlich beeinflussen.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Anwendung der Drehmomentmessanordnung 22 ist die Drehwelle 32 gleich der Abtriebswelle 14 des Elektroantriebs 10.
Wie oben erläutert, wird ein magnetoelastischer berührungsloser Sensor S1 unter Ausnutzung von magnetischen Wechselfeldern höherer Frequenz mit Sendespule und Empfangsspule verwendet, der sowohl als Drehmomentsensor 26 zum
Erfassen des Drehmoments M der Drehwelle 32 und bei Fig. 3 der Abtriebswelle 14 des Elektroantriebs 10, als auch als Drehzahlsensor 28 zur Erfassung der Drehzahl n der Drehwelle 32 und somit bei Fig. 3 der Abtriebswelle 14 des
Elektroantriebs 10 dient.
Wie in Fig. 3 ersichtlich liefert die Auswerteeinrichtung 100 somit das Ausgangs- Drehmoment M an der Abtriebswelle 14 als auch die Drehzahl n der Abtriebswelle 14, so dass daraus die Abtriebsleistung Pab ermittelt werden kann.
Die z.B. als Motorcontroller ausgebildete Steuerung 24 steuert den Elektromotor 12 in Abhängigkeit des so ermittelten Drehmoments M bzw. in Abhängigkeit der so ermittelten Ausgangsleistung Pab. Insbesondere kann dadurch das Drehmoment M und/oder die Ausgangsleistung Pab auf einen gewünschten Wert, insbesondere eine Sollleistung PS0n (bzw. ein Solldrehmoment) geregelt werden.
Weiter kann die Steuerung 24 aufgrund der mehreren Messgrößen sowohl eine Regelung als auch eine Sicherheitsüberwachung unabhängig von der Regelung realisieren. Beispielsweise wird der Elektromotor 12 aufgrund der gemessenen Werten M und n bzw. Pab geregelt und dabei die Motoreingangsleistung Pi über der Motorstrom I und die Motorspannung U zur Sicherheitsabschaltung überwacht. Bezugszeichenliste:
10 Elektroantrieb
12 Elektromotor
14 Abtriebswelle
20 Drehmomentregelvorrichtung
22 Drehmomentmessanordnung
24 Steuerung
26 Drehmomentsensor
28 Drehzahlsensor
30 Drehmoment-Auswerteeinheit
32 Drehwelle
36 Oberflächenmarkierung
48 Sensorkopf
50 Magnetfelderzeugungseinrichtung
52 Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung
54 Körper aus weichmagnetischen Material
56 (fünfter) Vorsprung (Flusskonzentrator)
57a erster Vorsprung (erster Magnetkreis)
57b zweiter Vorsprung (erster Magnetkreis)
57c dritter Vorsprung (zweiter Magnetkreis)
57d vierter Vorsprung (zweiter Magnetkreis)
58 Erregerspule (fünfte Spule)
59 erste Drehmoment-Messspule
60 zweite Drehmoment-Messspule
61 dritte Drehmoment-Messspule
62 vierte Drehmoment-Messspule
66 Flusskonzentrator
70 erster Drehmoment-Mess-Magnetkreis
72 zweiter Drehmoment-Mess-Magnetkreis
74 erstes Drehmoment-Mess-Magnetjoch
76 zweites Drehmoment-Mess-Magnetjoch
78 Baustein
80 Elektronik
100 Auswerteinrichtung 102 erste Magnetfeldmesseinheit
104 zweite Magnetfeldmesseinheit
106 Drehmomentmessbereich (zweiter Umfangsbereich an der Drehwelle)
1 10 Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung
1 12 Markierungsbereich (erster Umfangsbereich an der Drehwelle)
1 14 Orientierungsrichtung
1 16 Abstandserfassungseinrichtung
1 18 Zahnkranz
120 Zahn
122 Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung
124 Drehzahl-Mess-Magnetjoch
125 Ausleger
126 sechster Vorsprung
128 Drehzahl-Messspule (sechste Spule, fünfte Messspule)
130 Leiterplattenelement
132 dritter Magnetkreis
134 Drehzahl-Auswerteeinheit
L Leistungssensor
S1 Sensor (Kombinationssensor: kontaktloser Drehzahlsensor und
kontaktloser Drehmomentsensor; Leistungssensor)

Claims

Trafag AG 1021 0058 P-WOIndustriestrasse 1 1 CH-8608 Bubikon Schweiz Ansprüche:
1 . Sensorkopf (48) für einen Drehmomentsensor (26) zur Erfassung eines Drehmoments einer Drehwelle (32), wobei der Sensorkopf (48) umfasst:
wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (50) zum Erzeugen eines Magnetfelds in der Drehwelle (32) und wenigstens eine Drehmoment- Magnetfelderfassungseinrichtung (52) zum Messen wenigstens eines Parameters des erzeugten Magnetfelds in der Drehwelle (32), um hieraus ein auf der
Drehwelle (32) anliegendes Drehmoment abzuleiten,
gekennzeichnet durch
wenigstens eine von der Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) beabstandete gesonderte Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (1 10) zum Erfassen einer Oberflächenmarkierung (36) an der Oberfläche der Drehwelle (32), um eine Drehzahl der Drehwelle (32) zu bestimmen.
2. Sensorkopf (48) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (1 10) eine
Abstandserfassungseinrichtung (1 16) zum Erfassen eines Abstandes zu der Oberfläche der Drehwelle (32) aufweist, wobei die Abstandserfassungseinrichtung (1 16) dazu ausgebildet ist, Änderungen eines Abstandes zu der Oberfläche der Drehwelle (32) zu erfassen, um bei Drehung der Drehwelle (32) eine durch eine Veränderung der Form der Oberfläche eines Markierungsbereichs (1 12) der Drehwelle gebildete Oberflächenmarkierung (36) zu erfassen, um so die Drehzahl zu bestimmen.
3. Sensorkopf (48) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (1 10) eine Drehzahl- Magnetfelderfassungseinrichtung (122), insbesondere zum Bilden der
Abstandserfassungseinrichtung (1 16), aufweist.
4. Sensorkopf (48) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (50) wenigstens eine Erregerspule (58) aufweist,
dass die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtungen (52) wenigstens eine Drehmoment-Messspule (59-62) aufweist,
dass die Drehzahl-Magnetfelderfassungseinrichtung (122) wenigstens eine
Drehzahl-Messspule (128) aufweist, die in einer Orientierungsrichtung (1 14) des Sensorkopfes (48), die im Betrieb parallel zu der Drehachse der Drehwelle (32) anzuordnen ist, beabstandet zu der wenigstens einen Drehmoment-Messspule (59-62) angeordnet ist, und dass die Erregerspule (58) und die wenigstens eine Drehmoment-Messspule (128) durch wenigstens ein Drehmoment-Mess- Magnetjoch (74, 76) zur Flussverstärkung zum Bilden wenigstens eines
Drehmoment-Mess-Magnetkreises (70, 72) verbunden sind und die Erregerspule (58) und die wenigstens eine Drehzahl-Messspule (128) durch ein Drehzahl-Mess- Magnetjoch (124) zur Flussverstärkung zum Bilden eines Drehzahl-Mess- Magnetkreises (124) verbunden sind.
5. Sensorkopf (48) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) eine erste
Magnetfeldmesseinheit (102), die dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld an einem Drehmomentmessbereich (106) der Oberfläche der Drehwelle (32) in einer ersten Richtung zu erfassen, und eine zweite Magnetfeldmesseinheit (104) aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld an dem Drehmomentmessbereich (106) der Oberfläche der Drehwelle (32) in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung zu erfassen.
6. Sensorkopf (48) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Magnetfeldmesseinheit (102) ein erstes Paar Drehmoment- Messspulen (59, 60) aufweist und die zweite Magnetfeldmesseinheit ein zweites Paar Drehmoment-Messspulen (61 , 62) aufweist und dass die Drehmoment- Messspulen (59-62) sternförmig um eine zentral angeordnete Erregerspule (58) der Magnetfelderzeugungseinrichtung (50) herum angeordnet sind.
7. Sensorkopf (48) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drehmoment-Messspulen (59-62) und die Erregerspule (58) durch einen gemeinsamen Körper (54) aus weichmagnetischen Material zum Bilden von Flusskonzentratoren (66) für die erste Magnetfeldmesseinheit (102) und die zweite Magnetfeldmesseinheit (104) verbunden sind.
8. Sensorkopf (48) nach Anspruch 7 und nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Körper (54) aus weichmagnetischen Material einen Ausleger (125) hat, der sich in der Orientierungsrichtung (1 14) erstreckt und weiter durch die
Drehzahl-Messspule (128) erstreckt.
9. Sensorkopf (48) nach einem der Ansprüche 4 oder 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Spulen (58-62, 128) als Planarspulen ausgebildet sind.
10. Sensorkopf (48) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Planarspulen auf einem gemeinsamen Leiterplattenelement (130) ausgebildet sind, an dem auch ein weichmagnetisches Material zum Bilden eines Flusskonzentrators (66) angeordnet ist.
1 1 . Kombinationssensor (S1 ) zur Messung von Drehmoment und Drehzahl an einer Drehwelle (32), umfassend einen Sensorkopf (48) nach einem der voranstehenden Ansprüche und eine Auswerteeinrichtung (100), die mit der Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) verbunden ist, um ein das Drehmoment angebendes Drehmomentsignal (M) zu erzeugen, und mit der Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (1 10) verbunden ist, um ein die Drehzahl angebendes Drehzahlsignal (n) zu erzeugen.
12. Kombinationssensor (S1 ) nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswerteeinrichtung (100) dazu ausgebildet ist, aus der mittels des Sensorkopfs (48) erfassten Drehzahl und dem mittels des Sensorkopfs (48) erfassten Drehmoments ein die momentane Leistung angebendes Leistungssignal zu erzeugen.
13. Drehmomentmessanordnung (22) mit einer Drehwelle (32) und einem Sensorkopf (48) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder einem
Kombinationssensor (S1 ) nach Anspruch 1 1 oder 12, wobei die Drehwelle (32) einen Drehmomentmessbereich (106) mit einer kreiszylindrischen Oberfläche, an welchem die Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) angeordnet ist, und axial benachbart hierzu einen Markierungsbereich (1 12) mit wenigstens einer Oberflächenmarkierung (36), insbesondere in Form einer von einer
kreiszylindrischen Oberfläche abweichenden Oberflächenform, aufweist.
14. Drehmomentmessanordnung (22) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Markierungsbereich (1 12) einen Zahnkranz (1 18) aufweist.
15. Verfahren zum Messen eines Drehmoments und einer Drehzahl an einer Drehwelle (32) umfassend:
a) Vorsehen der Drehwelle (32) mit einem Markierungsbereich (1 12), an dem eine nicht rotationssymmetrische Oberflächenmarkierung (36) angebracht ist und einem axial beabstandeten Drehmomentmessbereich (106) ohne
Oberflächenmarkierung (36),
b) Erzeugen eines Magnetfelds an der Oberfläche der Drehwelle (32) und Messen von Magnetfeldänderungen anhand von auf der Drehwelle (32)
anliegenden Kräften an dem Drehmomentmessbereich (106) mittels einer
Drehmoment-Magnetfelderfassungseinrichtung (52) und c) Erfassen des Passierens der Oberflächenmarkierung (36) bei Drehung der Drehwelle (32) mittels einer Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (1 10).
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schritt a) umfasst: Vorsehen der Oberflächenmarkierung (36) derart, dass diese eine von einer Kreiszylinderform abweichende Oberflächenform bedingt und
dass Schritt c) umfasst: Erfassen des Abstandes der Oberfläche der Drehwelle (32) von der Oberflächenmarkierungserfassungseinrichtung (1 10).
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass Schritt b) umfasst: Erzeugen eines Magnetfelds sowohl im
Drehmomenterfassungsbereich (106) als auch im benachbarten
Markierungsbereich (1 12) mittels einer gemeinsamen
Magnetfelderzeugungseinrichtung (50) und
dass Schritt c) umfasst: Messen einer Magnetfeldänderung, die sich durch Passieren der Oberflächenmarkierung ergibt.
18. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch Verwendung eines Sensorkopfes (48) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder eines Sensors (S1 ) nach einem der Ansprüche 1 1 oder 12 und/oder einer Drehmomentmessanordnung (22) nach einem der Ansprüche 13 oder 14.
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