測量力或力矩的裝置和機器元件及制造該機器元件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明首先涉及一種機器元件，其構(gòu)造用于傳遞力和/或力矩以及用于測量要傳遞的力或要傳遞的力矩。此外，本發(fā)明還涉及一種用于測量力和/或力矩的裝置，其包括根據(jù)本發(fā)明的機器元件。本發(fā)明此外還涉及一種用于制造根據(jù)本發(fā)明的機器元件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]US 5321985教導了一種磁致伸縮的扭矩傳感器，其中，磁致伸縮層施加到軸的外表面上，并且相對于勵磁線圈和探測線圈定位。磁致伸縮層可以通過勵磁線圈加載以磁場，其中，從磁致伸縮層離開的磁場可以利用探測線圈來測量。作用到軸上的扭矩導致磁致伸縮層中的材料應力，由此，磁致伸縮層的相對磁導率依賴于方向發(fā)生改變。
[0003]US 2007/0022809 A1示出了一種用于測量扭矩的設(shè)備，其中，由磁致伸縮的材料構(gòu)成的層構(gòu)造在軸中。該層包括鋁擴散層。
[0004]DE 39 40 220 A1教導了一種用于測量由作用到軸上的扭矩產(chǎn)生的負載的負載傳感器。磁致伸縮的元件分兩組以鋸齒圖案施加到軸上。借助掃描線圈引起穿過磁致伸縮的元件的磁通量。
[0005]由US 5052232公知了一種磁致彈性的傳送器，其中，機器元件設(shè)有兩個環(huán)繞的磁致伸縮的覆層。覆層具有反向的螺旋形的磁化部(Magnetisierung)。
[0006]由DE 698 38 904 T2公知了一種帶有圓形的磁化部的扭矩傳感器。磁化部構(gòu)造在軸的鐵磁的、磁致伸縮的材料中，并且圓形地繞軸延伸。
[0007]US 7752923 B2示出了一種磁致伸縮的扭矩傳感器，其中，磁絕緣層和位于其上的磁致伸縮層施加到軸上。磁絕緣且導電的層構(gòu)造為空心柱體，并且擠壓到承受扭矩的元件上。
[0008]EP 0 162 957 A1教導了一種在利用布置在軸上的磁材料的磁致伸縮特性的情況下測量軸上的機械應力的方法。在軸與磁材料之間存在沒有磁性的承載套筒，其力鎖合地(kraftschlilssig)施加到軸上。
[0009]DE 602 00 499 T2示出了一種位置感應器，其帶有由兩個鐵磁圈環(huán)構(gòu)成的磁結(jié)構(gòu)。
[0010]DE 691 32 101 T2示出了一種帶有在周邊方向上具有磁化部的線的磁圖像傳感器。
[0011]由DE 692 22 588 T2公知了一種環(huán)形磁化的扭矩傳感器。
[0012]W0 2007/048143 A2教導了一種帶有磁化桿的傳感器。
[0013]W0 01/27638 A1示出了一種帶有在周邊上或沿縱向被磁化的桿的振動傳感器。
[0014]由W0 2006/053244 A2公知了一種扭矩傳感器，其包括在旋轉(zhuǎn)的桿上的磁化部。磁化部構(gòu)造在周邊上。
[0015]US 8191431 B2示出了一種帶有磁化桿的傳感器裝置。
[0016]由DE 600 08 543 T2公知了一種轉(zhuǎn)換元件，其設(shè)置用于使用在扭矩傳感器或力傳感器中。轉(zhuǎn)換元件單件式地存在于由可磁化的材料構(gòu)成的軸中，并且具有沿軸向方向取向的磁化部。
[0017]由JP 59-192930 A公知了借助磁場傳感器來確定作用在旋轉(zhuǎn)軸上的扭矩，其中，各向異性的磁層施加到軸的表面上。該層本身不是永磁化的，而是通過永磁體沿一個方向磁化的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]從現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明的任務(wù)是:在穩(wěn)定性和使用壽命方面改進根據(jù)逆磁致伸縮效應測量力和/或力矩所需的磁化部。尤其是應該改進對抗溫度影響、交變磁化和機械影響(例如擊打或晃動)的穩(wěn)定性。剩余磁通密度的值尤其是視為穩(wěn)定性的量度，在任何情況下，該值在使用壽命內(nèi)應該僅略微地改變。
[0019]所提到的任務(wù)通過根據(jù)所附的權(quán)利要求1的機器元件來解決，并且通過根據(jù)所附的并列的權(quán)利要求6的裝置來解決，以及通過根據(jù)所附的并列的權(quán)利要求7的方法來解決。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的機器元件一方面用于傳遞機器內(nèi)部的力和/或力矩。力或力矩作用到機器元件上，由此導致機械應力，并且機器元件大多會稍微變形。
[0021]機器元件優(yōu)選沿優(yōu)選是機器元件的旋轉(zhuǎn)軸線的軸線延伸。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的機器元件另一方面可以測量要傳遞的力或要傳遞的力矩。為此，機器元件具有用于測量要傳遞的力或要傳遞的力矩的初級傳感器，其具有永磁化部(Permanentmagneti sierung)。由于逆磁致伸縮效應，通過永磁化部以及通過力和/或通過力矩引起在機器元件外部出現(xiàn)的能測量的磁場，其尤其是可以利用由磁場傳感器形成的次級傳感器來測量。初級傳感器，即永磁化部用于將要測量的力或要測量的力矩轉(zhuǎn)換為相應的磁場，而次級傳感器可以將磁場轉(zhuǎn)換為電信號。
[0023]永磁化部沿閉合的磁化路徑延伸，從而磁化路徑是環(huán)狀的。磁化路徑在機器元件的材料中延伸。在磁化路徑周圍的區(qū)域中，機器元件的材料是永磁化的。在該區(qū)域之外，機器元件優(yōu)選是沒有磁化的。磁化路徑優(yōu)選至少局部具有關(guān)于機器元件的軸線的切向分量。沿磁化路徑的永磁化部優(yōu)選以剩磁方式引入或壓入或編碼到機器元件中。
[0024]根據(jù)本發(fā)明，永磁化部構(gòu)造在機器元件的如下表面層中，尤其是在沒有負載力或力矩的狀態(tài)下，該表面層比機器元件的位于表面層之下的區(qū)段具有更大的磁導率。表面層優(yōu)選比機器元件的所有位于表面層之下的區(qū)段具有更大的磁導率。表面層優(yōu)選僅構(gòu)造在機器元件的表面的部分區(qū)域中。特別優(yōu)選地，表面層僅構(gòu)造在永磁化部的區(qū)域中。永磁化部優(yōu)選僅構(gòu)造在表面層內(nèi)部。表面層可以布置在機器元件基體上。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的機器元件的主要優(yōu)點是:表面層以位于那里的閉合的磁化路徑確保了穩(wěn)定的永磁化部。
[0026]表面層優(yōu)選由磁致伸縮材料構(gòu)成，從而可以根據(jù)逆磁致伸縮效應測量出現(xiàn)的力或出現(xiàn)的力矩。
[0027]沿閉合的磁化路徑的永磁化部的特殊的特性是:其在沒有負載的狀態(tài)下不會導致可從外部測定的磁場。因此，在機器元件沒有負載力和/或力矩的狀態(tài)下，永磁化部在機器元件外部優(yōu)選是磁中性的。但原則上，能測量到微小的或可忽略地小的磁場。
[0028]永磁化部優(yōu)選通過機器元件體積的磁化的三維的部分區(qū)域形成，該部分區(qū)域具有閉合繩的形式，其中，磁化路徑是繩的中間軸線。位于表面層中的繩優(yōu)選具有圓形的或者四邊形的橫截面。橫截面也可以是被壓平的，例如是被壓平的超橢圓或扁平的矩形的形狀。繩的橫截面沿繩的延伸部優(yōu)選是不變的。但繩的橫截面沿繩的延伸部也可以是變化的。
[0029]磁化路徑優(yōu)選通過在空間中閉合的三維曲線形成。該曲線在機器元件的表面層中延伸，尤其是延伸穿過機器元件的表面層的材料。曲線原則上可以任意地延伸，曲線尤其是也可以不規(guī)則地延伸。
[0030]磁化路徑或三維曲線優(yōu)選是軸線對稱的。磁化路徑或三維曲線因此優(yōu)選具有至少一個對稱軸線。
[0031]表面層也可以構(gòu)造在機器元件的空腔中。表面層也可以具有不同的層厚。磁化路徑可以在表面層的不同的深度中延伸，例如也延伸