用于测量空心柱体形的机器元件上的力或力矩的装置的制作方法

本发明涉及一种用于利用逆磁致伸缩效应来测量空心柱体形的机器元件上的力和/或力矩的装置。

背景技术：

从DE 600 08 543 T2已知一种转换元件，所述转换元件设置用于应用在转矩传感器或力传感器中。转换元件一件式地存在于由可磁化材料构成的轴中，并且具有沿轴向方向定向的磁化部。

DE 600 07 641 T2示出一种转换元件，所述转换元件设置用于转矩转换器或力传感器转换器。在该转换元件中，磁化部构成在径向内部的区域中和在径向外部的区域中。

从DE 603 09 678 T2中已知用于检测在轴中的转矩的方法，其中产生具有交变极性的磁场，所述磁场借助传感器装置来测量。

DE 601 05 794 T2示出一种力敏转换元件，该力敏转换元件具有由磁性材料构成的本体，其中在本体中构成有至少两个磁化的区域，所述区域以相对于力传输方向成一定角度的方式延伸并且具有相反的磁化极性。

DE 699 36 138 T2示出一种磁性力传感器，其中磁化的材料经受弯曲力矩，其中借助于传感器装置能够确定磁化的材料的外磁场。

WO 2011/085400 A1示出一种磁弹性的力传感器，借助所述力传感器能够测量元件的机械负荷。该元件具有切向环绕的磁化部且加载有弯曲力矩。磁场传感器位于中央平面上。

从DE 692 22 588 T2中已知一种环形磁化的转矩传感器。

WO 2007/048143 A2教导一种具有磁化的柱的传感器。

WO 01/27638 A1示出一种具有柱的振动传感器，所述振动传感器在环周上或在纵向上是磁化的。

从WO 2006/053244 A2中已知一种转矩传感器，所述转矩传感器包括旋转的柱的磁化部。磁化部环周地构成。

US 8,191,431 B2示出一种具有磁化的柱的传感器，至少两个磁活性的区域轴向地在所述传感器中延伸。

从DE 698 38 904 T2和从EP 2 216 702 A1中已知一种具有圆形磁化部的转矩传感器。该转矩传感器的缺点在于：其不适合于测量弯曲力矩。

技术实现要素：

基于现有技术，本发明的目的在于：扩宽用于利用逆磁致伸缩效应来测量空心柱体形的机器元件上的力矩和力的可行性。

所提出的目的通过根据所附的权利要求1的装置来实现。

根据本发明的装置用于测量沿轴线延伸的机器元件上的力矩和/或力。力或力矩作用于该机器元件上，由此产生机械应力并且该机器元件通常略微形变。

该机器元件具有传感器区域，所述传感器区域形成机器元件的不可缺的组成部分，并且所述传感器区域至少部分地经受要测量的力或要测量的力矩。在任何情况下，作用到该机器元件上的力或力矩都引起机器元件的传感器区域中的力，所述力是要测量的力或要测量的力矩的度量。传感器区域具有空心柱体状的基本形状。机器元件的轴线也形成空心柱体状的基本形状的轴线。优选地，机器元件已经具有空心柱体状的基本形状，其中传感器区域通过机器元件的轴向部段形成。传感器区域也能够在整个机器元件上延伸，使得传感器区域和机器元件是相同的。

传感器区域是磁化的或能够被磁化。因此，传感器区域通过呈永久磁化部形式的磁化部来磁化，或者该装置还包括用于暂时磁化传感器区域的磁化机构。在任何情况下，在该装置的运行状态下传感器区域都是磁化的。

传感器区域也能够设作为初级传感器。在传感器区域中，由于逆磁致伸缩效应而将在传感器区域中出现的力转换成磁场。相应地，根据本发明的装置还包括至少一个磁场传感器，所述磁场传感器设置在机器元件中或与机器元件相对地设置。磁场传感器用于确定磁场并且构成用于测量从机器元件中出来的磁场的至少一个向量分量，所述磁场一方面通过传感器区域的磁化引起并且另一方面通过作用的力和/或通过作用的力矩引起。因此，借助于至少一个磁场传感器可行的是：测量如下磁场，所述磁场因逆磁致伸缩效应由于传感器区域的磁化和由于作用于机器元件上的力或作用于机器元件上的力矩而出现。

根据本发明，机器元件在空心柱体状的基本形状的空腔中具有壁状的纵向结构。壁状的纵向结构至少部分地沿轴线的方向延伸穿过空心柱体状的基本形状的空腔；尤其也关于机器元件的横截面横向地延伸。壁状的纵向结构同样具有所描述的磁化部，作为传感器区域的一部分。作用于机器元件上的力和力矩也在壁状的纵向结构中引起相应的应力。尤地，作用于机器元件上的扭矩、弯曲力矩和横向力引起壁状的纵向结构中的应力，其中所述应力能够借助磁场传感器测量。例如，作用于机器元件上的弯曲力矩引起作用于壁状的纵向结构的剪切力，所述剪切力能够借助磁场传感器测量。

空心柱体状的基本形状的本身柱体形的空腔通过壁状的纵向结构来修改，例如通过如下方式来修改：将所述空腔借助壁状的纵向结构划分成两个柱体扇区形的子空腔。

根据本发明的装置的一个特别的优点在于：通过要以低耗费方式实现对机器元件的造型的扩展而显著地扩展了用于测量机器元件上的力和力矩的可行性。针对于壁状的纵向结构的测量的结果也能够用于：改进针对于空心柱体形状的测量的结果。另一优点在于：在外部出现的磁场经由壁状的纵向结构闭合，直至该壁状的纵向结构磁饱和。这种外部出现的磁场的作用因此限制于机器元件的子部段。

优选地，壁状的纵向结构形成机器元件的不可缺的组成部分。壁状的纵向结构也优选是传感器区域的不可缺的组成部分并且优选由相同的材料构成。壁状的纵向结构优选与其余的传感器区域或其余的机器元件一件式地构成。替选地，壁状的纵向结构也能够由与其余的机器元件不同的材料构成；例如构成为事后装入空心柱体状的基本形状中的构件。壁状的纵向结构也能够层状地构成。

机器元件优选形成该装置的组成部分。传感器区域优选通过机器元件的体积部的三维子区域形成。

壁状的纵向结构优选平面地构成，即其具有至少一个平面的表面；例如作为唯一的平面的壁面或作为扁平的立方体。

壁状的纵向结构优选在如下平面中延伸，所述平面的法向向量具有径向的方向分量。因此，壁状的纵向结构不仅在径向平面中延伸，即不在垂直于轴线设置的平面中延伸。壁状的纵向结构的延伸通过其位于空心柱体状的基本形状的空腔中的表面限定。只要壁状的纵向结构通过扁平的本体、例如通过扁平的立方体形成，那么延伸也能够通过壁状的纵向结构的中间平面限定。

壁状的纵向结构特别优选地在平行于轴线的平面中延伸，使得空心柱体状的基本形状的本身柱体形的空腔通过壁状的纵向结构在轴向方向上同样地进行修改。

特别优选的是，壁状的纵向结构在包括轴线的平面中延伸。因此，空心柱体状的基本形状的本身柱体形的空腔通过壁状的纵向结构在横截面中对称地划分。

在根据本发明的装置的优选的实施方式中，壁状的纵向结构将空心柱体状的基本形状的空腔划分成空心柱体扇区。空心柱体扇区在横截面中分别具有扇形的形状。空心柱体扇区的数量优选为一、二、三或四。

空心柱体扇区优选分别具有为180°的圆心角或者为180°的整数分数的圆心角。

在上面对空心柱体扇区的描述中，壁状的纵向结构的厚度是可忽略的，因为该厚度优选相对于机器元件的其余尺寸相对小。

优选地，壁状的纵向结构具有扁平立方体的形状。壁状的纵向结构因此构成腹板，所述腹板伸展穿过空心柱体状的基本形状的柱体形的空腔并且优选将该空腔划分成空心柱体扇区。

在一个简单的实施方式中，仅构成一个柱体扇区形的空腔。对此，壁状的纵向结构始于壁表面单侧地完全直至构成为空心柱体状的基本形状的内侧。在此，壁状的纵向结构优选具有柱体扇区的形状，所述柱体扇区具有180°的圆心角，即具有通过纵向划分形成的半个柱体的形状，其中划分平面为壁表面。相应地，柱体扇区形的空腔也具有180°的圆心角。于是，当壁表面包括轴线时，在该实施方式中提供壁状的纵向结构的柱体扇区形状和空腔的柱体扇区形状。壁表面也能够例如与轴线间隔开地设置，使得壁状的纵向结构和其余的空腔分别柱体扇区形地构成。

在优选的实施方式中，机器元件具有刚好一个壁状的纵向结构，所述壁状的纵向结构具有扁平立方体的形状并且位于该轴线中，使得构成两个柱体扇区形的空腔，所述空腔分别具有180°的圆心角。

在优选的实施方式中，机器元件具有两个壁状的纵向结构，这两个纵向结构交叉，使得构成四个柱体扇区形的空腔。因此，这两个壁状的纵向结构共同具有十字形的横截面。在此，这两个壁状的纵向结构优选分别具有扁平立方体的形状。这两个壁状的纵向结构在轴向方向上分别具有对称线，其中这两个壁状的纵向结构优选在其对称线中交叉。在此，这两个壁状的纵向结构在其交叉线中具有彼此成90°的角度。这两个壁状的纵向结构优选在机器元件的轴线中交叉。

机器元件也可以具有三个或更多个壁状的纵向结构，使得构成多于四个的柱体扇区形的空腔。在此，壁状的纵向结构优选分别具有扁平立方体的形状，其中壁状的纵向结构优选在唯一的线中交叉。

壁状的纵向结构在过渡部处过渡至空心柱体状的基本形状的内壳，所述过渡部优选是倒圆的。

在特别的实施方式中，壁状的纵向结构具有变化的厚度，所述变化的厚度的程度与距轴向的间距有关。

在根据本发明的装置的优选的实施方式中，磁场传感器设置在空心柱体扇区形的基本形状的空腔中，尤其设置在柱体扇区形的空腔的一个中。在此，机器元件也能够设置用于旋转运行，对此，将磁场传感器的电信号例如通过无线电进行传输。

在根据本发明的装置的另外的优选的实施方式中，磁场传感器相对于机器元件位置固定地且与机器元件间隔开地设置。在此，磁场传感器设置在空心柱体状的基本形状的空腔之外。当作用的力或作用的力矩能够引起机械元件的形变或运动时，磁场传感器改变其位置固定的位置。

磁场传感器能够理解为次级传感器并且优选通过磁场密度传感器或通过磁场强度传感器形成。原则上能够应用任意的传感器类型，只要其适合于测量通过逆磁致伸缩效应引起的磁场。

在优选的实施方式中，该装置包括多个磁场传感器。

机器元件的传感器区域形成机器元件的不可缺的组成部分并且优选与其余机器元件一件式地构成。

传感器区域优选构成在机器元件的磁弹性构成的部段中。在机器元件的磁弹性构成的部段中，机器元件优选由磁致伸缩的材料构成。优选地，不仅一个部段、而且机器元件本身构成为是磁弹性的。在该情况下，机器元件由磁致伸缩材料构成。替选地，传感器区域能够作为磁致伸缩层构成在壁状的纵向结构之内并且构成在空心柱体状的基本形状的空腔之内。该层例如可以是蒸镀的。

机器元件的传感器区域优选具有所提出的永久磁化部，其中永久磁化部优选本身是闭合的。替选地或补充地，根据本发明的装置包括所提出的用于磁化传感器区域的磁化机构，所述磁化机构例如能够通过电磁体或通过永磁体形成。替选地，磁化机构实现将电流导入机器元件中，由此引起机器元件在传感器区域中磁化。

永久磁化部或可通过磁化机构产生的磁化部在空心柱体状的基本形状之内优选沿具有切向分量的方向定向。补充地，永久磁化部或可通过磁化机构产生的磁化部在壁状的结构中优选沿具有径向分量的方向定向。因此，磁化部的场线经由壁状的结构闭合。相反，根据现有技术的空心柱体形的机器元件的磁化部的场线仅经由空心柱体形的环周闭合。

永久磁化部或可通过磁化机构产生的磁化部能够在空心柱体状的基本形状之内具有相对于切向方向不同的角度。优选地，永久磁化部或可通过磁化机构产生的磁化部在空心柱体状的基本形状之内沿切向方向定向。

永久磁化部或可通过磁化机构产生的磁化部能够在壁状的纵向结构之内具有相对于径向方向不同的角度。优选地，永久磁化部或可通过磁化机构产生的磁化部在壁状的纵向结构之内沿径向方向定向。

永久磁化部或可通过磁化机构产生的磁化部在空心柱体状的基本形状之内优选在轴向部段中构成，在所述部段之间磁化的极性优选交变。

所提出的径向方向和所提出的切向方向原则上参考机器元件的轴线。

机器元件尤其优选通过空心轴或通过空心法兰形成。

空心轴或空心法兰能够针对通过不同的力和力矩引起的负荷而设计。优选地，空心轴或空心法兰在一个轴向端部上或在这两个轴向端部上具有环形的齿部，使得能够传递大的转矩。替选地或补充地，空心轴或空心法兰在一个轴向端部上或在这两个轴向端部上优选具有容纳部，所述容纳部实现对空心柱体形的基本形状进行剪切。

附图说明

本发明的其他的优点、细节和改进形式参考附图从下文对优选实施方式的描述中得出。其示出：

图1示出根据本发明的装置的优选的实施方式的空心法兰；

图2示出图1中示出的空心法兰的横截面图；

图3示出修改的实施方式的空心法兰的横截面图；

图4示出图1中示出的空心法兰的磁化部；

图5示出修改的实施方式的磁化部；和

图6示出图4中示出的磁化部的横截面图。

具体实施方式

图1示出机器元件的侧视图，所述机器元件呈根据本发明的装置的优选的实施方式的空心法兰形式。空心法兰具有两个轴向相邻的空心柱体的形状，所述空心柱体具有不同的外径和相同的内径。空心法兰具有轴线01，所述轴线也为空心法兰的对称轴线。空心法兰经受不同的力和力矩，以及还有法向力和弯曲力矩，所述力和力矩以及法向力和弯曲力矩能够通过根据本发明的装置来测量。

空心法兰在其轴向端部处分别具有在其外环周上的圆形的齿部02，使得能够经由空心法兰传递大的转矩。

图2示出图1中示出的机器元件的横截面图。剖切平面垂直于轴线01。在该视图中，可看到壁状的纵向结构03，所述纵向结构构成在空心柱体形的法兰的空腔中并且将空腔划分成两个空心柱体扇区04。壁状的纵向结构03具有扁平立方体的形状，所述立方体的对称线与轴线01重合。壁状的纵向结构03在倒圆的过渡部06处过渡至空心法兰的空心柱体形状的内壳面。由于该倒圆的过渡部06和壁状的纵向结构03的厚度，这两个空心柱体扇区04的形状与柱体扇区的理想形状略微偏差。空心柱体扇区04的圆心角分别为180°。

此外，该装置还包括磁场传感器(未示出)，所述磁场传感器设置在空心柱体扇区04中的一个空心柱体扇区中或者在空心法兰之外设置在空心法兰的附近。

图3示出修改的实施方式的空心法兰的横截面图。空心法兰首先等同于图1和图2中示出的空心法兰。修改在于：空心法兰具有两个壁状的纵向结构03。这两个壁状的纵向结构03相同地构成并且在轴线01中交叉。因此，构成四个空心柱体扇区04，所述空心柱体扇区分别具有90°的圆心角。

图4示出图1中示出的空心法兰的磁化部08。磁化部08切向环绕地在轴向部段中伸展，在所述部段之间磁化的极性交变。

图5示出图1中示出的空心法兰的修改的磁化部08。磁化部08首先等同于图4中示出的磁化部。区别在于：磁化部08以相对于切向方向成角度α倾斜。角度α可以为0°和90°之间。

在图4和图5中示出的磁化部08也可以在图3中示出的空心法兰中实现。

图6示出图4中示出的磁化部的横截面图。在该视图中可看到的是：磁化部08经由壁状的纵向结构03闭合。

附图标记列表

01 轴线

02 齿部

03 壁状的纵向结构

04 空心柱体扇区

05

06 过渡部

07

08 磁化部