DE3710846C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmeßvorrichtung, umfassend mindestens ein Paar von an einer drehmomentübertragenden, einer Drehmomentmessung zu unterwerfenden Welle befestigten dünnen magnetischen Metallstreifen mit magnetischer Anisotropie in einer vorbestimmten Richtung und mindestens ein Paar von dem mindestens einen Paar dünner magnetischer Metallstreifen paarig zugeordneten Meßkernen, um die jeweils eine Meßspule herumgewickelt ist.

Bei Kraftfahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen und verschiedenen Werkzeugmaschinen muß die im Betriebsverlauf auftretende Verformung von Bauteilen zerstörungsfrei mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Für diesen Zweck sind verschiedene Arten von Einrichtungen zum Messen der Größe des auf drehmomentübertragende Wellen oder dgl. einwirkenden Drehmoments entwickelt worden.

Es sind Drehmomentmeßvorrichtungen der einleitend genannten Art bekannt, welche den magnetoelastischen Effekt eines magnetischen Metallwerkstoffes mit großem Magnetostriktionseffekt nutzen. Der magnetische Metallwerkstoff kann in Form dünner ringförmiger Streifen vorhanden sein, der um die Welle herumgelegt und an ihr befestigt ist (vgl. "Papers Tec. Meet. Magnetics", IEEJ, MAG-81-72). Der magnetische Metallwerkstoff kann auch in Form einer Schicht auf der Welle vorhanden sein (DE-OS 34 17 893), oder in Form einer weichmagnetischen Hülse, die mit der Welle verlötet ist (US-PS 45 06 554). Das Arbeitsprinzip ist, unabhängig davon, daß unterschiedliche magnetische Metallwerkstoffe verwendet werden, bei allen diesen Drehmomentmeßvorrichtungen gleich, und es wird nachstehend anhand der Fig. 1 erläutert.

Fig. 1 veranschaulicht eine drehmomentübertragende Welle 1, an der eine Drehmomentmessung vorgenommen werden soll. Dabei ist ein dünner ringförmiger umlaufender Streifen 2 aus einer amorphen magnetischen Legierung um die Welle 1 herumgelegt und an ihr befestigt. Der Streifen 2 weist induzierte magnetische Anisotropie Ku′ 4 in einer Richtung unter einem Neigungswinkel R gegenüber der Umfangsrichtung 3 auf. Zur Vereinfachung der Erläuterung sind dabei die Bedingungen R<45° und Sättigungsmagnetostriktionskonstante (λ s)<0 vorausgesetzt. Das den Streifen 2 bildende Magnetmaterial ist ein weichmagnetisches Material, z. B. eine amorphe magnetische Legierung oder Magnetlegierung, Permalloy (eine Fe-Ni-Legierung) oder Sendust (eine Fe-Al-Si-Legierung).

Wenn ein Drehmoment 5 auf die Welle 1 einwirkt, wird die von bzw. in der Welle erzeugte Spannung auf den dünnen Ringstreifen 2 übertragen, wobei in diesem eine Zugspannung σ in einer +45°-Richtung erzeugt wird. Gleichzeitig wird dabei eine Druckspannung -σ in der -45°-Richtung erzeugt. Der Magnetostriktionseffekt der Spannung erzeugt induzierte magnetische Anisotropie Ku′′ 6, die gegenüber der Umfangsrichtung des Streifens 2 zur +45°-Richtung gerichtet ist. Die Größe von Ku′′ 6 wird durch Ku′′ 6=3 λ s σ repräsentiert.

Die im dünnen Ringstreifen 2 vorhandene gesamte magnetische Anisotropie ändert sich zur Gesamtkraft aus der vorausgeübten magnetischen Anisotropie Ku′ 4 und der durch den Magnetostriktionseffekt hervorgerufenen spannungsinduzierten magnetischen Anisotropie Ku′′ 6, d. h. Ku 7 gemäß Fig. 1. Durch Erfassen der Änderung der magnetischen Anisotropie kann die im dünnen Streifen 2 erzeugte Spannung, d. h. das auf die Welle 1 einwirkende Drehmoment, gemessen werden.

Bei einer bisherigen Vorrichtung umfaßt eine Einrichtung zum Messen einer Änderung der magnetischen Anisotropie des dünnen Ring-Streifens 2 gewöhnlich eine Meßspule, deren Wirkungsweise im folgenden erläutert ist.

Im allgemeinen ändert sich die magnetische Permeabilität µ entsprechend der Richtung der induzierten magnetischen Anisotropie in bezug auf die Richtung der magnetischen Erregung oder Anregung. Wenn sich die magnetische Anisotropie des dünnen magnetischen Streifens ändert, ändert sich seine Magnetflußdichte B in Übereinstimmung mit B=µH. Wenn eine nicht dargestellte Meßspule in der Nähe des Streifens 2 angeordnet ist, bewirkt die Änderung der Magnetflußdichte B des Streifens 2 die Erzeugung einer elektromotorischen Kraft (EMK) in der Meßspule. Wenn die Meßspule mit einem Meßkreis verbunden ist und eine Änderung der Spannung über die Spulenanschlüsse abgegriffen oder gemessen wird, kann die Änderung der magnetischen Anisotropie des Streifens 2, d. h. die Größe des auf die Welle 1 einwirkenden Drehmoments, gemessen werden. In der gesamten Drehmomentmeßvorrichtung wirken der Streifen und die Meßspule als Sensor oder Meßfühler.

Bei der bisherigen, den magnetoelastischen Effekt ausnutzenden Drehmomentmeßvorrichtung ist der Sekundärsensor, wie die Meßspule, im allgemeinen von dem als Primärsensor dienenden dünnen Ring-Streifen getrennt angeordnet. Eine solche berührungslose Anordnung läßt sich einfacher an der Welle anbringen und vermeidet die Notwendigkeit für gleitende Teile, die Reibung erzeugen könnten. Infolgedessen wird die Zuverlässigkeit der Drehmomentmeßvorrichtung verbessert.

Da jedoch der Sekundärsensor vom Primärsensor unter Festlegung eines Luftspalts dazwischen entfernt angeordnet ist, verringert sich die Intensität (d. h. Stärke) des Drehmomentmeßsignals, wodurch die Meßempfindlichkeit entsprechend verringert wird.

Ein anderes Problem ergibt sich, wenn die bisherige Drehmomentmeßvorrichtung auf eine drehmomentübertragende Welle eines großen Durchmessers und einer hohen Abtriebsleistung, etwa in einem Walzwerk oder einer Schneidmaschine, angewandt wird. Bei der Welle eines großen Gleichstrommotors für den Antrieb eines Schwerindustrie-Walzwerks beträgt das Nenndrehmoment, genauer gesagt, etwa 0,8 kg/mm². In einem spezifischen Anwendungsfall, etwa beim Auswalzen eines Stahlblocks, erhöht sich das Drehmoment auf 300-600%, d. h. etwa 5 kg/mm². Mit einer bisherigen, berührungslos arbeitenden Drehmomentmeßvorrichtung kann das Drehmoment in den angegebenen spezifischen Fällen nicht mit hoher Meßempfindlichkeit gemessen werden. Insbesondere erscheint dieses sehr große Drehmoment als Torsionsschwingung von etwa 200 Hz; die bisherige Drehmomentmeßvorrichtung kann jedoch auf eine solche Frequenz nicht ansprechen. Zudem ist auch die Linearität zwischen Lastdrehmoment und der durch den dünnen Ring-Streifen 2 erzeugten magnetischen Anisotropie unzureichend. Eine zufriedenstellende Linearität ergibt sich nur in dem die niedrigsten Drehmomentwerte beinhaltenden Bereich. Das erwähnte, sehr große Drehmoment liegt außerhalb des möglichen Meßbereichs.

Durch die magnetoelastischen Eigenschaften des dünnen Ring-Streifens 2 aufgeworfene Probleme sind nachstehend erläutert.

Bei der bisherigen Drehmomentmeßvorrichtung besteht das magnetische Material für den als Primärsensor oder -meßfühler wirkenden Streifen 2 aus einem solchen mit einer möglichst großen Sättigungsmagnetostriktionskonstante (λ s) von z. B. 30 × 10^-6 oder mehr, weil dabei ein durch den magnetoelastischen Effekt erzeugtes Ausgangssignal unter Erhöhung der Meßempfindlichkeit vergrößert wird. Mit einer größeren Konstante λ s kann somit die Meßempfindlichkeit verbessert werden. Der Linearitätsbereich des Ausgangssignals in bezug auf das Drehmoment wird aber unerwünscht schmäler. Aus diesem Grund kann die bisherige Drehmomentmeßvorrichtung nur für einen begrenzten, engen Drehmomentbereich eingesetzt, nicht aber für Spezialfälle, wie in einem Walzwerk o. dgl., verwendet werden.

Der dünne Ring-Streifen 2 wird so geformt, daß ein dünnes Band einer vorbestimmten magnetischen Anisotropie entsprechend dem Krümmungsradius der drehmomentübertragenden Welle 1 gebogen wird. Infolgedessen wird im Streifen 2 bei seiner Verformung Anisotropie durch (mechanische) Spannung induziert. Die dem Streifen 2 im voraus erteilte magnetische Anisotropie wird durch den Einfluß der Magnetostriktion beeinträchtigt. Tatsächlich vergrößert sich die Anisotropie bei der Verformung des Streifens, wenn die Sättigungsmagnetostriktionskonstante λ s des den Streifen 2 bildenden magnetischen Materials groß ist; hierdurch werden die Drehmomentmeßeigenschaften ungünstig beeinflußt.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Verbesserung einer bisherigen, einen magnetoelastischen Effekt nutzenden Drehmomentmeßvorrichtung und die Schaffung einer Drehmomentmeßvorrichtung, mit der ein durch z. B. eine drehmomentübertragende Welle eines Walzwerks oder einer Schneidmaschine (wie Fräser) erzeugtes Drehmoment mit guter Linearität auch bei Drehmomentänderungen in einem weiten Drehmomentbereich genau gemessen werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe, ausgehend von einer Drehmomentmeßvorrichtung der einleitend genannten Art gemäß der Erfindung dadurch, daß das Meßkernpaar in Berührung mit dem Paar der dünnen magnetischen Metallstreifen befestigt ist und mit der Welle umläuft.

Bei der Drehmomentmeßvorrichtung gemäß der Erfindung steht der dünne magnetische Metallstreifen, d. h. der Primärsensor, mit dem Meßkern, d. h. dem Sekundärsensor, in Kontakt, so daß ein geschlossener Magnetkreis ohne Luftspalt gebildet ist. Eine Änderung der magnetischen Permeabilität des magnetischen Metalls bei Einwirkung einer Spannung auf den Primärsensor kann mittels der Meßspule verlustfrei gemessen oder erfaßt werden. Ein großes Drehmomentmeßsignal ohne Verlust oder Dämpfung kann damit gewonnen werden, so daß die Meßempfindlichkeit verbessert ist. Dem Meßkern ist die entsprechende Meßspule zugeordnet, um damit eine Messung mit Linearität für Drehmoment sowohl in positiver als auch negativer Richtung zu gewährleisten.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen an der drehmomentübertragenden Welle befestigten, mit dem Meßkernpaar verbundenen und eine Sende- oder Übertragungsantenne aufweisenden Übertrager, einen von der drehmomentübertragenden Welle auf Abstand angeordneten Empfänger und eine mit dem Empfänger verbundene Signalprozessorschaltung, wobei ein von dem Meßkernpaar ausgegebenes Drehmomentmeßsignal über den Übertrager von dem von der Welle entfernt angeordneten Empfänger empfangen und ein Drehmomentsignal durch die Signalprozessorschaltung erfaßt wird. Bei einer Drehmomentmeßvorrichtung, bei welcher ein Dehnungsmeßstreifen verwendet wird (DE-AS 21 48 493) ist es bekannt, im Zusammenhang mit der Drehmomentmessung Sende- und Empfangsantennen vorzusehen, so daß Versorgungsspannung und Meßsignal übertragen werden können.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Sättigungsmagnetostriktionskonstante λ s des dünnen magnetischen Metallstreifenpaares in einem Bereich |λ s | <1 × 10^-6 liegt. Ausgedehnte Untersuchungen haben gezeigt, daß ein dünner magnetischer Metallstreifen mit einer im obigen Bereich liegenden Sättigungsmagnetostriktionskonstante eine ausgezeichnete Linearität über einen weiten Bereich von Spannungswerten zeigt. Bei Verwendung dieses dünnen Streifens als Primärsensor kann somit eine Drehmomentmeßvorrichtung, die (mechanische) Spannungen oder Belastungen innerhalb eines weiten Bereiches zu messen vermag, realisiert werden.

Weitere Ausführungsarten der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips einer einen magnetischen Effekt ausnutzenden Drehmomentmeßvorrichtung,

Fig. 2 bis 4 schematsiche Darstellungen zur Verdeutlichung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Ausgangscharakteristika oder -kennlinien der Drehmomentmeßvorrichtung gemäß Fig. 2 bis 4,

Fig. 6A und 6B Darstellungen eines Drehmomentsensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 7 eine graphische Darstellung einer Magnetisierungskurve eines beim Drehmomentsensors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendeten dünnen magnetischen Metallstreifens.

Fig. 1 ist eingangs bereits erläutert worden.

Die Fig. 2 bis 4 veranschaulichen schematisch eine Drehmomentmeßvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Gemäß Fig. 2 und 3 sind an einem Teil der Mantelfläche einer drehmomentübertragenden Welle 1 längs deren Umfangsrichtung zwei dünne magnetische Metallstreifen (als Primärsensor oder -meßfühler) 12₁ und 12₂ befestigt, die magnetische Anisotropien Ku₀ in +45°- bzw. -45°-Richtung gegenüber der Umfangsrichtung der Welle 11 aufweisen. Da die induzierten magnetischen Anisotropien Ku₀, die durch Magnetfeldglühen der Streifen 12₁ und 12₂ im voraus erzeugt worden sind, zueinander senkrechte Richtungen aufweisen, können Drehmomente in positiver und in negativer Richtung mit gleich guter Linearität gemessen werden. An den Streifen 12₁ und 12₂ sind in Umfangsrichtung der Welle 11 U-förmige Meßkerne 13₁ bzw. 13₂ aus einem magnetischen Oxid befestigt. Dabei stehen insbesondere die Streifen 12₁ und 12₂ mit den Kernen 13₁ und 13₂ in Kontakt, ohne dazwischen einen Luftspalt festzulegen. Um die Kerne 13₁ und 13₂ sind Erregerspulen 14₁ bzw. 14₂ sowie Meßspulen 15₁ bzw. 15₂ herumgewickelt. Die Meßspulen 15₁ und 15₂ sind differentiell geschaltet, so daß ein Meßausgangssignal mit guter Linearität vom Drehmoment in positiver Richtung zum Drehmoment in negativer Richtung gewonnen werden kann. Die Meßkerne, die Erregerspulen und die Meßspulen bilden einen Sekundärsensor oder -meßfühler. Die Sekundär- und Primärsensoren bilden gemäß den Fig. 2 und 3 einen Drehmomentmeßteil, der einen geschlossenen Magnetkreis bildet.

Fig. 4 veranschaulicht die Gesamtforderung der Drehmomentmeßvorrichtung mit dem vorstehend beschriebenen Drehmomentmeßteil. Ein von der strichpunktierten Linie umrahmter Abschnitt ist dabei an der drehmomentübertragenden Welle 11 befestigt. Die Anordnung gemäß Fig. 4 umfaßt eine von der Welle 11 entfernt angeordnete Hochfrequenz-Stromquelle 21, die mit einem Dynamotor oder Drehtransformator 22 zur Lieferung von Strom zu einem an der Welle 11 befestigten Stabilisator 23 verbunden ist. Der Drehtransformator 22 umfaßt eine an der Welle 11 befestigte Sekundärwicklung und eine über einen Luftspalt außerhalb der Sekundärwicklung angeordnete Primärwicklung.

Primär- und Sekundärwicklung sind über eine elektrisch induktive Kopplung gekoppelt, aber nicht mechanisch miteinander verbunden. Infolgedessen tritt keine Reibung zwischen Primär- und Sekundärwicklung auf. Ein an den Stabilisatorkreis 23 auf der Welle 11 angelegtes Hochfrequenzsignal wird in eine Gleichspannung umgewandelt, die als Stromquellenspannung einem Erregerkreis 24, einem Übertrager 26 und einem Verstärker-Wandler 25 eingespeist wird. Vom Erregerkreis 24 wird ein Hochfrequenzstrom den Erregerspulen 14₁ und 14₂ im Drehmomentmeßteil zugeführt, wodurch die Erregerspulen 14₁ und 14₂ erregt werden, um damit einen Magnetfluß in dem durch die Meßkerne 13₁ und 13₂ sowie die dünnen magnetischen Metallstreifen 12₁ und 12₂ gebildeten geschlossenen Magnetkreis zu erzeugen. Die Meßspulen 15₁ und 15₂ erzeugten Spannungen entsprechend einer Änderung der Magnetflußdichte im geschlossenen Magnetkreis. Wenn unter diesen Bedingungen die drehmomentübertragende Welle 11 mit einem Drehmoment beaufschlagt wird, tritt eine (mechanische) Spannungsänderung in den dünnen magnetischen Metallstreifen 12₁ und 12₂ auf. Dadurch wird die Magnetflußdichte im geschlossenen Magnetkreis des Drehmomentmeßteils verändert, so daß sich eine Spannung über die Spulen 15₁ und 15₂ ändert. Mit anderen Worten: die Änderung der Magnetflußdichte ruft eine Änderung des magnetischen Widerstands in der Meßspule hervor. Eine durch eine Impedanzänderung herbeigeführte Spannungsänderung tritt dabei an jeder der Meßspulen 15₁ und 15₂ auf. Ein von den Meßspulen 15₁ und 15₂ erzeugtes Spannungssignal wird dem Verstärker 25 zugeführt und in ein Drehmomentmeßsignal umgesetzt, das über eine Sende/Empfangsantenne 27 vom Übertrager (oder auch Sender) 26 zu einem Empfänger 28 übertragen wird. Das vom Empfänger 28 empfangene Drehmomentmeßsignal wird von einer nicht dargestellten Signalprozessorschaltung als digitale oder analoge Drehmomentgröße abgegriffen. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Verstärker 25 über eine Radio- oder Funkwelle an die Signalprozessorschaltung angekoppelt. Die Verwendung einer Funkankopplung ermöglicht den (direkten) Kontakt zwischen den Metallstreifen 12₁, 12₂ und den Meßkernen 13₁, 13₂. Wenn der Verstärker 25 mit einer Signalprozessorschaltung (nicht dargestellt) über Leitungen verbunden ist, ist oder wird das Kabel um die Welle 11 herumgewickelt. Die durch Befestigung des Hauptteils der Drehmomentmeßvorrichtung an der drehmomentübertragenden Welle 11 erhaltene Struktur läßt sich ohne weiteres anhand der Tatsache verstehen, daß diese Vorrichtung auf einer Welle 11 eines maximalen Durchmessers von mehreren Metern angewandt werden kann.

Bei der Drehmomentmeßvorrichtung gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel bildet der Drehmomentmeßteil im Gegensatz zur bisherigen Vorrichtung einen geschlossenen Magnetkreis, in welchem kein Luftspalt zwischen den Primär- und Sekundärsensoren festgelegt ist. Infolgedessen kann ein großes Meßausgangssignal ohne Verlust oder Dämpfung geliefert werden, während der Rauschabstand (Signal/- Rauschenverhältnis) des Ausgangssignals vergrößert sein kann. Zudem kann mit der Kontaktanordnung zwischen Primär- und Sekundärsensoren ein spezielles Drehmoment, das - wie erwähnt - als 200-Hz-Torsionsschwingung auftritt, genau gemessen werden. Wenn beim Ausführungsbeispiel, bei dem dünne magnetische Metallstreifen 12₁ und 12₂ nicht auf der Gesamtfläche der drehmomentübertragenden Welle 11 längs deren Umfangsrichtung ausgebildet sind, der Primärsensor 12 vom Sekundärsensor 13 getrennt ist, stellt das gemessene oder abgegriffene Drehmomentsignal einen Mittelwert pro Umdrehung der Welle 11 dar. In diesem Fall kann eine Torsionsschwingung mit einer Frequenz von etwa 200 Hz nicht erfaßt und daher auch nicht gemessen werden.

Falls nur ein dünner magnetischer Metallstreifen verwendet wird, ist die Größe des Meßausgangssignals, das bei Einwirkung eines Drehmoments in positiver Richtung gewonnen wird, von der Größe des Meßausgleichssignals in negativer Richtung verschieden. Da jedoch beim beschriebenen Ausführungsbeispiel der Drehmomentmeßteil zwei (bzw. paarige) Bauelemente umfaßt, können bei Einwirkung von Drehmomenten sowohl in positiver als auch negativer Richtung Ausgangssignale mit guter Linearität erzeugt werden.

Der Werkstoff des dünnen magnetischen Metallstreifens beim beschriebenen Ausführungsbeispiel unterliegt keinen besonderen Einschränkungen. Ein bevorzugter Werkstoff ist ein solcher, wie er für das noch zu erläuternde zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung angegeben wird. Durch Verwendung dünner magnetischer Metallstreifen 12₁ und 12₂ mit Sättigungsmagnetostriktionskonstanten λ s, deren Absolutgrößen innerhalb des Bereichs von 1 × 10^-6, d. h. |λ s | <1 × 10^-6 liegen, kann insbesondere eine ausgezeichnete Linearität innerhalb eines sehr weiten Bereichs von Drehmomentwerten oder -größen aufrechterhalten werden.

Die Drehmomentmeßvorrichtung gemäß obigem Ausführungsbeispiel ist nachstehend anhand praktischer Beispiele für die Drehmomentmessung erläutert.

Beispiele 1-3

Ein dünner Streifen aus amorpher Legierung mit einer Breite von etwa 5 mm und einer mittleren Dicke von 30 µm wird nach dem Einfachwalzverfahren hergestellt. Der Streifen wird sodann auf 300°C erwärmt, während ihm ein Magnetfeld von 2000 Oe in einer 45°-Richtung gegenüber der Streifen-Längsrichtung aufgeprägt wird. Der erwärmte Streifen wird eine Stunde lang allmählich abgekühlt, um ihm induzierte magnetische Anisotropie zu verleihen. Der induzierte magnetische Anisotropie aufweisende dünne magnetische Metallstreifen wird in Stücke geschnitten, welche die Primärsensoren 12₁ und 12₂ bilden. Letztere werden an einer drehmomentübertragenden Welle 11 eines Durchmessers von 1 m befestigt. Weiterhin werden die Sekundärsensoren (einschließlich der Meßkerne) und andere erforderliche Bauelemente (an der Welle) montiert, worauf eine Drehmomentmessung auf die im folgenden beschriebene Weise durchgeführt wird. Der Drehmomentmeßteil wird mit einer Leistung einer Frequenz von 1 kHz und einer Stromstärke von 5 mA vorgespannt, wobei Änderungen in Signalen als Frequenzmodulations- bzw. FM-Wellen vom Drehmomentmeßteil über die Sende/Empfangsantenne 27 zum Empfänger 28 übertragen werden. Die FM-Signale werden durch einen Signalprozessor (nicht dargestellt) in ein Drehmoment- (signal) umgewandelt.

Der dünne Streifen aus der amorphen Legierung gemäß Beispiel 1-3 besitzt jeweils folgende Zusammensetzung:

Beispiel 1: (Co_0,95Fe_0,05)₇₈Si₈B₁₄
Beispiel 2: (Co_0,93Fe_0,03Nb_0,02)₇₂Si₁₅B₁₃
Beispiel 3: (Co_0,94Fe_0,06)₇₉B₂₁

Als Kontroll- oder Vergleichsbeispiel wurde eine Drehmomentmessung mittels eines Metall-Dehnungsmeßstreifens an derselben drehmomentübertragenden Welle wie bei obigen Beispielen durchgeführt. In diesem Fall betrug eine Vorspannung 10 V.

Die Ausgangscharakteristika oder -kennlinien für die Drehmomentmessung nach Beispiel 1-3 und nach dem Vergleichsbeispiel sind in Fig. 5 dargestellt. In diesem Fall wird die Bezugsdrehmomentgröße als Verformungsgröße bestimmt, die mittels eines handelsüblichen Drehmomentwandlers gemessen wird. Die bei den obigen Beispielen und beim Vergleichsbeispiel erzielten Ergebnisse zeigen, daß mit der Anordnung gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel Ausgangssignale mit guter Linearität erzielt werden können, was im Gegensatz zu den Ergebnissen mit dem herkömmlichen Dehnungsmeßstreifen steht.

Im folgenden ist eine Drehmomentmeßvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel im einzelnen beschrieben.

Bezüglich dieser Drehmomentmeßvorrichtung wird deren Verhalten für den Fall erläutert, daß die Absolutgröße der Sättigungsmagnetostriktionskonstante λ s des dünnen magnetischen Metallstreifens innerhalb des Bereichs von |g s |<1 × 10^-6 liegt.

Das Drehmoment T kann auf die im folgenden angegebenen Weise in eine Oberflächenspannung σ _A des dünnen magnetischen Metallstreifens umgewandelt werden:

σ _A = (16G _A /π d³G _T ) · T (1)

In obiger Gleichung bedeuten: G _A = Steifigkeit des dünnen magnetischen Metallstreifens, G _T = Steifigkeit der drehmomentübertragenden Welle und d= Durchmesser dieser Welle.

Mit dieser Drehmomentmeßvorrichtung kann der magnetostriktive Effekt aufgrund der Oberflächenspannung σ _A gemessen werden.

Wie durchgeführte Untersuchungen gezeigt haben, wie die Linearität des Ausgangssignals der den magnetoelastischen Effekt nutzenden Drehmomentmeßvorrichtung durch die Sättigungsmagnetostriktionskonstante λ s und die im voraus im dünnen magnetischen Metallstreifen induzierte magnetische Anisotropie Ku 0 stark beeinflußt.

Insbesondere im Fall von

Ku 0/3 λ s σ _A 2 (2)

kann eine gute Linearität innerhalb des nachstehend angegebenen Bereichs erzielt werden:

T(π d³/16) · (G _T /G _A ) · σ _A (3)

Eine Substitution von Ungleichung (2) in Ungleichung (3) ergibt eine Ungleichung (4) mit besserer Linearität:

T(π d³/16) · (G _T /G _A ) · (Ku₀/λ s) (4)

Die physikalische Bedeutung der erwähnten Untersuchungen läßt sich wie folgt wiedergeben: Im Fall von Ku₀=3 λ s σ _A ist die Achse der einfachen Magnetisierung des dünnen magnetischen Metallstreifens instabil, wobei das Ausgangssignal der Drehmomentmeßvorrichtung nicht mehr linear ist, sondern die Sättigungserscheinung zeigt. Falls jedoch Ku₀ ausreichend größer ist als 3 g s σ _A , tritt eine solche Sättigungserscheinung nicht auf. In diesem Fall ändert sich die Richtung der einfachen Magnetisierung geringfügig nahe Ku₀. Mit anderen Worten: die kritische Größe, bei welcher die Sättigungserscheinung auftritt, entspricht Ku₀/3 λ s σ _A =2.

Wie aus Ungleichung (4) hervorgeht, kann dann, wenn Ku₀/λ s groß ist, eine bessere Linearität in einem weiten Bereich von Drehmomenten erzielt werden. Wenn ein dünner magnetischer Metallstreifen einer großen Sättigungsmagnetostriktionskonstante λ s zur Gewährleistung eines guten Magnetostriktionseffekts auf dieselbe Weise wie beim bisherigen Drehmomentsensor verwendet wird, kann eine gute Linearität des Drehmomentmeßausgangssignals nicht erwartet werden, sofern nicht die Größe der dem dünnen magnetischen Metallstreifen im voraus erteilten induzierten magnetischen Anisotropie Ku₀ ebenfalls hoch ist. Die Größe der Anisotropie Ku₀ ist jedoch praktisch auf etwa 15 × 10³ Erg/cm³ beschränkt. Aus diesem Grund hängt die Linearität des Drehmomentmeßausgangssignals nur von der Größe von λ s ab. Je kleiner die Sättigungsmagnetostriktionskonstante λ s ist, um so mehr wird der Linearitätsbereich des Drehmomentmeßausgangssignals erweitert. Mit anderen Worten: wenn λ s größer wird, wird die Linearität des Ausgangssignals unvermeidbar beeinträchtigt. Dies ist der Grund dafür, weshalb ein sehr großes Drehmoment von 5 kg/mm² mittels der bisherigen Drehmomentmeßvorrichtung nicht gemessen werden kann. Auch wenn ein derart großes Drehmoment mit guter Linearität gemessen werden soll, ist die mögliche Größe der induzierten magnetischen Anisotropie Ku₀ größer als der mögliche kritische Wert.

Aus durchgeführten Untersuchungen geht hervor, daß bei einer Verkleinerung der Sättigungsmagnetostriktionskonstante λ s des dünnen magnetischen Metallstreifens die Anisotropie Ku₀ ohne weiteres in einer gewünschten Richtung vorgesehen oder erzeugt werden kann. Ein kleiner Wert von λ s bedeutet, daß dann, wenn die dünnen magnetischen Metallstreifen an der Mantelfläche der drehmomentübertragenden Welle befestigt sind und eine durch Biegung der Streifen entsprechend der Krümmung dieser Welle bedingte (mechanische) Spannung erzeugt wird, die den Streifen im voraus erteilte magnetische Anisotropie nicht verschlechtert oder beeinträchtigt wird. Aus diesem Grund können ungünstige Einflüsse auf die Drehmomentmeßeigenschaften herabgesetzt werden.

Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, muß die Sättigungsmagnetostriktionskonstante λ s des dünnen magnetischen Metallstreifens klein sein, um eine gute Linearität des Ausgangssignals der den magnetoelastischen Effekt ausnutzenden Drehmomentmeßvorrichtung zu gewährleisten oder um diesem Metallstreifen eine induzierte magnetische Anisotropie in einer gewünschten Richtung zu erteilen. Erfindungsgemäß hat es sich gezeigt, daß eine gute Linearität (als hauptsächliches Ziel) der Meßausgangssignale innerhalb eines weiten Bereichs erzielt werden kann, wenn die Sättigungsmagnetostriktionskonstante λ s innerhalb des Bereichs von |λ s |<1 × 10^-6 liegt.

Wenn die Absolutgröße |g s | klein ist, verschlechtert sich die (Meß-)Empfindlichkeit. Die untere Grenze für |λ s | bestimmt sich durch die praktische Meßgrenze der Drehmomentmeßvorrichtung. Die untere Grenze von |λ s | hängt auch von der Leistung eines Detektors o. dgl. sowie der Ausrüstung, mit Ausnahme der dünnen magnetischen Metallstreifen, ab und kann nicht allgemein definiert werden. Unter Heranziehung des derzeitigen Stands der Technik als Referenz kann eine ausreichende praktische Meßgröße erzielt werden, wenn |λ s | in der Größenordnung von 10^-9 liegt.

Wenn dem dünnen magnetischen Metallstreifen mittels einer Magnetfeldbehandlung desselben die induzierte magnetische Anisotropie Ku₀ erteilt wird, muß zur Erzielung einer idealen einachsigen (monoaxial) magnetischen Anisotropie Ku₀ eine einen bestimmten Wert übersteigende Größe besitzen. Insbesondere wird Ku₀<1 × 10³ Erg/cm³ bevorzugt. Wie sich jedoch aus Ungleichung (4) ergibt, wird zur Gewährleistung guter Linearität bevorzug Ku₀/λ s vergrößert. Im allgemeinen wird die magnetische Anisotropie Ku₀ maximiert.

Der den dünnen magnetischen Metallstreifen bildende magnetische Werkstoff kann Permalloy (eine Fe-Ni-Legierung), Sendust (eine Fe-Al-Si-Legierung) oder eine Fe-Si-Legierung sein. Eine amorphe Legierung ist jedoch vorteilhafter, weil sie eine größere Anisotropie Ku₀ und einen weiteren variablen Bereich von Ku₀/λ s zu gewährleisten vermag.

Eine bevorzugte amorphe Legierung ist eine solche auf Co-Basis mit Si, B, P, C und dgl. als Nicht-Metallelemente. Insbesondere enthält die amorphe Legierung vorzugsweise Si und B, oder sie kann eine amorphe Metall-Metall-Legierung mit Zr, Hf, Ta und Nb als Amorphisierungselemente sein. Wenn diese amorphen Legierungen eine kleine Menge an Fe enthalten, wird ein dünner magnetischer Metallstreifen mit Null-Magnetostriktion, d. h. λ s=0, erhalten.

Die bevorzugte Zusammensetzung der amorphen Legierung läßt sich durch folgende allgemeine Formel ausdrücken:

(Co_1-a Fe _a )_100-z (Si_1-y B _y ) _z

mit 0,02a0,1, 0,3y1,0 und 5z32.

Bei der obigen Zusammensetzung ist Fe zugesetzt, um eine amorphe Legierung mit praktisch Null betragender Magnetostriktion zu erhalten. Die den Gehalt von Fe angebende Größe a liegt innerhalb des Bereichs von 0,02 bis 0,1 und vorzugsweise von 0,03 bis 0,07.

Ein Mischungsverhältnis von Si zu B als Nicht-Metallelemente stellt bei der obigen amorphen Legierung den wichtigsten Faktor dar. Die Zugabe von B und Si ermöglicht die einfache Herstellung einer amorphen Legierung. Dabei dient Si zur Verbesserung der thermischen Stabilität (oder Wärmebeständigkeit). Zur Gewährleistung einer für praktische Anwendungszwecke geeigneten Zusammensetzung muß der das Mischungsverhältnis von Si zu B angebende Wert y im Bereich von 0,3 bis 1,0 liegen. Wenn y kleiner ist als 0,3, ist die Herstellung der amorphen Legierung schwierig, während gleichzeitig die magnetische Permeabilität µ in unerwünschter Weise herabgesetzt wird. Außerdem verschlechtert sich dabei auch die thermische Stabilität der magnetischen Eigenschaften geringfügig.

Der das Mischungsverhältnis von Si zu B angebende Wert von z liegt im Bereich von 5-32. Wenn z unter 5 liegt, werden die weichgemachten Eigenschaften beeinträchtigt, während sich auch kein einwandfreier dünner Streifen herstellen läßt. Falls jedoch ein z über 32 liegt, verkleinert sich der Curie-Punkt, so daß keine praktisch brauchbare amorphe Legierung gewährleistet werden kann.

Eine andere bevorzugte amorphe Legierung läßt sich durch folgende allgemeine Formel wiedergeben:

(Co_1-a-b Fe _a M _b )_100-z (Si_1-y B _y ) _z

Darin bedeutet: M= mindestens ein Element aus der Gruppe aus Ti, V, Cr, Mn, Cu, Re, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Zn, Al, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Y und/oder anderen Seltenen Erdemetallen; 0,02a0,1; 0b0,15; 0,3y1,0; und 5z32.

In der obigen Zusammensetzung wird die Komponente M zugesetzt und mit einer Einheit von Co substituiert; sie besitzt Eigenschaften zur Verbesserung der Wärmebeständigkeit und der thermischen Stabilität der amorphen Legierung. Diese Elemente werden in einem ausreichend großen Mengenbereich zugegeben, bei dem der Curie-Punkt der amorphen Legierung nicht unter eine praktische Temperatur herabgesetzt wird. Genauer gesagt: der maximale Anteil von b=0,15, obgleich er von der Komponente M abhängt. Wenn die Komponente M aus Mn besteht, braucht unter der Bedingung b0,06 Fe nicht zugesetzt zu werden.

Noch eine andere vorteilhafte amorphe Legierung läßt sich durch die nachfolgende allgemeine Formel ausdrücken. Diese amorphe Leistung ist eine Metall-Metall-Legierung, die keine Nicht-Metallelemente enthält:

(Co_1-c M′ _c )_100-x M′′ _x

darin steht M′′ für mindestens ein Element aus der Fe, Ni und Mn umfassenden Gruppe; M′′ ist mindestens ein Element aus der Gruppe aus Zr, Hf, Ti, Nb, Ta, W und/oder B; 0c0,3; und 2z35.

Ein Legierungsmaterial eines vorbestimmten Zusammensetzungsverhältnisses wird aus dem Schmelzezustand schnell (mit einer Kühlgeschwindigkeit von 10⁵°C/s oder mehr) abgekühlt, und zwar in Übereinstimmung mit einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung einer beliebigen amorphen Legierung einer der oben angegebenen Zusammensetzungen. Diese amorphen Legierungen werden als Dünnblech oder Feinblech verwendet, das z. B. nach dem Einfachwalzverfahren hergestellt wird.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, genügt bei der den magnetoelastischen Effekt nutzenden Drehmomentmeßvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Absolutgröße der Sättigungsmagnetostriktionskonstante g s des als Primärsensor verwendeten dünnen magnetischen Metallstreifens der Bedingung |λ s |<1 × 10^-6. Aus diesem Grund brauchen andere Anordnungseinzelheiten der Drehmomentmeßvorrichtung nicht näher angegeben bzw. definiert zu werden. Beispielsweise können die dünnen magnetischen Metallstreifen, wie bei der bisherigen Vorrichtung, vom Sekundärsensor getrennt oder aber, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und 3, mit diesem in Kontakt angeordnet sein. Eine Anordnung der Drehmomentmeßvorrichtung ist in den Fig. 6A und 6B dargestellt.

Gemäß Fig. 6A ist eine drehmomentübertragende Welle 31 eines Durchmessers von 55 mm vorgesehen. An der Mantelfläche der Welle 31 sind in deren Umfangsrichtung zwei dünne, ringförmige magnetische Metallstreifen 32₁ und 32₂ befestigt. Den Streifen 32₁ und 32₂ ist im voraus induzierte magnetische Anisotropie in +45°- und -45°-Richtung zur Umfangsrichtung der Welle 31 erteilt worden. U-förmige Meßkerne 33₁ und 33₂ sind in einem Abstand von 1 mm von den Streifen 32₁ bzw. 32₂ angeordnet. Die Meßkerne 33₁ und 33₂ bestehen aus einem magnetischen Oxid. Ein Paar der U-förmigen Meßkerne bildet einen Meßkopf. Gemäß Fig. 6B sind um die Kerne 33₁ und 33₂ Erreger- und Meßspulen 34 bzw. 35 herumgewickelt. Die Meßspulen 35 sind aus demselben Grund, wie für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und 3 beschrieben, differentiell geschaltet.

Wenn die dünnen, ringförmigen magnetischen Metallstreifen 32₁ und 32₂ des Meßkopfes erregt werden, kann ihre Erregungsrichtung die Querrichtung sein. Es ist jedoch günstiger, diese Streifen in Umfangsrichtung zu erregen oder anzuregen, weil die Streifenform einen kleineren diamagnetischen Koeffizienten in Umfangsrichtung gewährleistet und (dabei) ein Erregerstrom klein sein kann.

Die Drehmomentmeßvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiele 4-11

Ein dünner amorpher Legierungsstreifen einer Breite von etwa 5 mm und einer mittleren Dicke von 30 µm wird nach dem Einfachwalzverfahren hergestellt. Der Streifen wird auf 300°C erwärmt, während ihm gleichzeitig ein Magnetfeld von 2000 Oe in 45°-Richtung zu seiner Längsrichtung aufgeprägt wird. Der erwärmte magnetisierte Streifen wird während einer Stunde allmählich abgekühlt, um ihm induzierte magnetische Anisotropie zu verleihen.

Die Zusammensetzungen der dünnen amorphen Legierungsstreifen gemäß Beispielen 4-11 sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt. Die Sättigungsmagnetostriktionskonstanten λ s dieser Streifen wurden nach einem Halbleiter-Meßelementverfahren ermittelt und sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Wie sich aus diesen Werten ergibt, liegen die dünnen magnetischen Metallstreifen gemäß Beispielen 4-11 innerhalb des Erfindungsrahmens. Zum Vergleich wurden auch dünne Metallstreifen (Vergleichsbeispiele 1-4), die außerhalb des Erfindungsrahmens liegen, angefertigt.

Tabelle

Die im folgenden beschriebene Magnetisierungsmessung wurde an drei Prüflingen der durch (Co_1-a Fe _a )₇₈Si₈B₁₄ für den Fall von a=0,05 (Beispiel 4), a=0,4 (Vergleichsbeispiel 1) und a=0,9 (Vergleichsbeispiel 4) durchgeführt. Dabei wurde ein Magnetfeld in Längsrichtung an die jeweiligen Prüflinge mit magnetischer Anisotropie längs der Querrichtung angelegt, und die Magnetisierungskurven der Prüflinge wurden aufgezeichnet. Die Prüfergebnisse sind in Fig. 7 veranschaulicht.

Aus Fig. 7 geht folgendes hervor: Wenn die Sättigungsmagnetostriktionskonstante λ s klein ist, ist die Restmagnetflußdichte bei einem Magnetfeld von 0 klein, so daß eine ideale Magnetisierungskurve längs der Achse der schwierigen Magnetisierung erzielt werden kann. Dieser Umstand deutet darauf hin, daß die induzierte magnetische Anisotropie in einer gewünschten Richtung um so einfacher erteilt werden kann, je kleiner die Magnetostriktionskonstante λ s ist.

Die obigen dünnen magnetischen Metallstreifen werden als Primärsensoren 32₁ und 32₂ für die Bildung der Drehmomentmeßvorrichtung gemäß Fig. 6A und 6B benutzt. Bei Messung eines auf die drehmomentübertragende Welle 31 einwirkenden Drehmoments mittels der Drehmomentmeßvorrichtung nach Beispielen 4-11 und Vergleichsbeispielen 1-4 werden die in der Tabelle angegebenen Meßcharakteristika bzw. -werte (Sättigungs-Drehmomente) erzielt. Die Sättigungs- Drehmomente in der Tabelle geben Werte für den Fall an, daß sich die Drehmomentmeßausgangssignale vom linearen Bereich in den nicht-linearen Bereich verschieben, d. h. mögliche kritische Werte oder Größen, die in Oberflächenspannungswerte umgewandelt werden.

Wie aus den in obiger Tabelle aufgeführten Drehmomentmeß- Prüfergebnissen hervorgeht, können nach Beispielen 4-11, bei denen die Größen der Sättigungsmagnetostriktionskonstanten der dünnen magnetischen Metallstreifen 32₁ und 32₂ der Beziehung |λ s |<1 × 10^-6 genügen, Meßausgangssignale mit guter Linearität in einem weiten Bereich großer Drehmomentwerte geliefert werden. Die Drehmomentmeßvorrichtung kann somit effektiv bei einem System (z. B. einer drehmomentübertragenden Welle in einem Walzwerk) eingesetzt werden, bei dem sich die Drehmomentbelastung in einem weiten Bereich dynamisch ändert.

Claims (7)

1. Drehmomentmeßvorrichtung, umfassend
mindestens ein Paar von an einer drehmomentübertragenden, einer Drehmomentmessung zu unterwerfenden Welle (1) befestigten dünnen magnetischen Metallstreifen (12₁, 12₂) mit magnetischer Anisotropie in einer vorbestimmten Richtung und
mindestens ein Paar von dem mindestens einen Paar dünner magnetischer Metallstreifen paarig zugeordneten Meßkernen (13₁, 13₂), um die jeweils eine Meßspule (15₁, 15₂) herumgewickelt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das Meßkernpaar (13₁, 13₂) in Berührung mit dem Paar der dünnen magnetischen Metallstreifen (12₁, 12₂) befestigt ist und mit der Welle (1) umläuft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
einen an der drehmomentübertragenden Welle (1) befestigten, mit dem Meßkernpaar (13₁, 13₂) verbundenen und eine Sende- oder Übertragungsantenne (27) aufweisenden Übertrager (26),
einen von der drehmomentübertragenden Welle auf Abstand angeordneten Empfänger (28) und
eine mit dem Empfänger verbundene Signalprozessorschaltung,
wobei ein von dem Meßkernpaar ausgegebenes Drehmomentmeßsignal über den Übertrager von dem von der Welle entfernt angeordneten Empfänger empfangen und ein Drehmomentsignal durch die Signalprozessorschaltung erfaßt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Sättigungsmagnetostriktionskonstante | λ s| des dünnen magnetischen Metallstreifenpaares in einem Bereich | λ s| < 1 × 10^-6 liegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar dünner magnetischer Metallstreifen aus einer amorphen Legierung geformt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Legierung eine Zusammensetzung entsprechend folgender Formel aufweist: (Co_1-a Fe _a )_100-z (Si_1-y B _y ) _z mit 0,01a0,5; 0,3y1,0; und 5z32.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Legierung eine Zusammensetzung entsprechend folgender Formel aufweist: (Co_1-a-b Fe _a M _b )_100-z (Si_1-y B _y ) _z worin M für mindestens ein Element aus der Gruppe aus Ti, V, Cr, Mn, Cu, Re, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Zn, Al, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Y und anderen Seltenen Erdemetallen steht und mit: 0,01a0,5; 0b0,15; 0,3y1,0; und 5z32.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Legierung eine Zusammensetzung entsprechend folgender Formel aufweist: (Co_1-c M′ _c )_100-x M′′ _x worin bedeuten: M′= mindestens ein Element aus der Gruppe aus Fe, Ni und Mn; M′′= mindestens ein Element aus der Gruppe aus Zr, Hf, Ti, Nb, Ta, W und B; und mit 0c0,3 und 2z35.