DE69838904T2

DE69838904T2 - Manschettenloser drehmomentsensor mit kreisförmiger magnetisierung und dazugehöriges messverfahren

Info

Publication number: DE69838904T2
Application number: DE69838904T
Authority: DE
Inventors: Ivan J. Pittsfield GARSHELIS
Original assignee: Magna Lastic Devices Inc
Current assignee: Magna Lastic Devices Inc
Priority date: 1997-10-21
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2018-10-22
Also published as: EP2216702A1; DE953169T1; AU9660498A; NO993015D0; KR100367044B1; JP3164590B2; EP0953169A4; WO1999021151A3; IL130354A; WO1999021151A8; NO993016D0; EP0953169B1; WO1999021151A2; KR20000069650A; CA2275437A1; DE69841743D1; TW405032B; US6145387A; KR100365836B1; DE69838904D1

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/064,831, die am 21. Oktober 1997 eingereicht wurde.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Drehmomentsensoren und insbesondere kontaktlose magnetoelastische Drehmomentsensoren zum Bereitstellen eines Maßes für das Drehmoment, das auf eine Welle aufgebracht wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei der Steuerung von Systemen mit drehenden Antriebswellen sind Drehmoment und Geschwindigkeit die grundlegenden Parameter, die von Bedeutung sind. Die Erfassung und Messung eines Drehmoments auf genaue, zuverlässige und kostengünstige Weise ist somit seit vielen Jahrzehnten das primäre Ziel der Fachleute.
Früher wurde die Drehmomentmessung unter Verwendung von direkt an der Welle befestigten kontaktierenden Sensoren durchgeführt. Zu diesen Sensoren gehört eine Drehmomenterfassungseinrichtung vom Typ "Dehnungsmessstreifen", bei der ein oder mehrere Dehnungsmessstreifen direkt an der äußeren Umfangsfläche der Welle befestigt ist/sind und eine durch Beanspruchung verursachte Änderung des Widerstands von einer Brückenschaltung oder anderen wohl bekannten Mitteln gemessen wird. Kontaktsensoren sind jedoch aufgrund des direkten Kontakts mit der Drehwelle relativ unstabil und begrenzt zuverlässig. Sie sind außerdem sehr teuer und somit bei vielen Anwendungen, wie etwa bei Fahrzeuglenksystemen, für die Drehmomentsensoren nun gesucht werden, hinsichtlich einer wettbewerbsfähigen Verwendung gewerblich nicht durchführbar.
Danach wurden kontaktlose Drehmomentsensoren der magnetostriktiven Art zur Verwendung mit Drehwellen entwickelt. Das US-Patent 4,896,544 an Garshelis offenbart beispielsweise einen Sensor, der ein ein Drehmoment übertragendes Element mit einer in einer geeigneten Weise ferromagnetischen und magnetostriktiven Fläche aufweist, zwei axial gesonderte Umfangsbänder im Element, die eine zueinander symmetrische, durch spiralförmig gerichtete Eigenspannung induzierte magnetische Anisotropie haben, und eine magnetische Diskriminatorvorrichtung zur Erfassung, ohne Berührung des einem Drehmoment ausgesetzten Elements, von Unterschieden bei der Reaktion der beiden Bänder auf gleiche, axial magnetisierende Kräfte. Es ist meistens üblich, die Magnetisierung und Erfassung durch das Vorsehen von zwei Erreger- oder Magnetspulen zu realisieren, die auf den Bändern liegen und diese umgeben, wobei die Spulen in Reihe geschaltet sind und mit Wechselstrom angetrieben werden. Das Drehmoment wird unter Verwendung von zwei entgegengesetzt angeschlossenen Messspulen zur Messung eines Differenzsignals erfasst, das aus den Flüssen der beiden Bänder resultiert. Leider hat das Vorsehen von genügend Raum für die erforderlichen Erreger- and Messspulen an der Vorrichtung, an der der Sensor verwendet wird, und um diese Vorrichtung herum zu praktischen Problemen bei Anwendungen geführt, in denen Raum sehr gesucht ist. Derartige Sensor stellen sich für die Verwendung bei hinsichtlich der Kosten stark konkurrierenden Vorrichtungen, wie etwa Anwendungen im Automobilbereich, auch als so teuer heraus, dass sie nicht durchführbar sind.
In jüngster Zeit sind Drehmomentaufnehmer entwickelt worden, die auf der Messung des Feldes beruhen, das von dem durch das Drehmoment herbeigeführte Kippen von ursprünglich In Umfangsrichtung verlaufenden, remanenten Magnetisierungen verursacht wird, und die vorzugsweise einen dünnwandigen Ring ("Kragen") verwenden, der als felderzeugendes Element dient. Es wird beispielsweise auf die US-Patente 5,351,555 , 5,465,627 und 5,520,059 an Garshelis verwiesen. Die Zugspannung am "Umfang" des Rings, verbunden mit den Mitteln zu seiner Befestigung an der Welle, die das gemessene Drehmoment überträgt, erzeugt eine vorherrschende, in Umfangsrichtung gerichtete, einachsige Anisotropie. Beim Aufbringen einer Torsionsspannung auf die Welle wird die Magnetisierung neu ausgerichtet und mit zunehmender Torsionsspannung immer spiralförmiger. Die sich aus der Torsion ergebende spiralförmige Magnetisierung hat sowohl eine Umfangskomponente als auch eine axiale Komponente, wobei die Größe der axialen Komponente vollständig von der Torsion abhängig ist. Ein oder mehrere Magnetfeldvektorsensoren erfassen die Größe und Polarität des Feldes, das aufgrund des aufgebrachten Drehmoments im Raum um den Aufnehmer herum entsteht.
Ein weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines magnetoelastischen Drehmomentaufnehmers bereitzustellen, der eine einteilige Welle aufweist, die vollständig aus einer insgesamt homogenen chemischen Zusammensetzung besteht und getrennte aktive und passive Bereiche mit magnetischen Eigenschaften aufweist, die für ihre jeweilige Funktion geeignet sind, indem die geeigneten Bereiche der Welle thermischen Phasenumwandlungsverfahren, mechanischen Phasenumwandlungsverfahren oder Kombinationen aus thermischen und mechanischen Phasenumwandlungsverfahren unterworfen werden, um die jeweils erwünsche metallurgische Phase in jedem dieser Bereiche zu erhalten und jedem dieser Bereiche die magnetischen Eigenschaften zu geben, die für seine jeweilige Funktion geeignet sind.
Diese und weitere Aufgaben werden durch Bereitstellen eines Drehmomentsensors, wie in Anspruch 1 dargelegt, eines Verfahrens zur Erfassung eines Drehmoments, wie in Anspruch 12 dargelegt, und eines Verfahrens zur Herstellung eines magnetoelastischen Drehmomentaufnehmers, wie in Anspruch 17 dargelegt, gelöst. Der Drehmomentsensor weist einen magnetoelastisch aktiven Bereich an einer einem Drehmoment ausgesetzten Welle und einen Magnetfeldsensor auf, wie etwa einen Hall-Effekt-Sensor, der auf das Feld des Umwandlungsbereichs anspricht, das sich infolge des Aufbringens eines Drehmoments auf den magnetoelastisch aktiven Bereich ergibt. In der bevorzugten Ausführungsform ist der magnetoelastisch aktive Bereich in einer einzigen Umfangsrichtung polarisiert und hat eine ausreichende magnetische Anisotropie, um die Magnetisierung in dem Bereich nach dem Ausüben eines Drehmoments auf das Element zur einzigen Umfangsrichtung zurückzuführen, wenn das ausgeübte Drehmoment auf Null verringert wird, wobei die einem Drehmoment ausgesetzte Welle aus einem polykristallinen Material besteht, bei dem mindestens 50% der Verteilung lokaler Magnetisierungen innerhalb eines 90°-Quadranten liegen, der symmetrisch um die Richtung der magnetischen Polarisation angeordnet ist und eine Koerzitivfeldstärke hat, die ausreichend hoch ist, damit das Feld des Umwandlungsbereichs keine parasitären Magnetfelder in naheliegenden Bereichen der Welle erzeugt, die eine ausreichende Stärke haben, um die Nützlichkeit, für Drehmomenterfassungszwecke, des Nettomagnetfelds zu zerstören, das der Magnetfeldsensor fühlt. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen besteht die Welle aus beliebig ausgerichtetem polykristallinem Material mit kubischer Symmetrie und einer Koerzitivfeldstärke von mehr als 15, bevorzugt von mehr als 20 und vorzugsweise von mehr als 35.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden diese und weitere Aufgaben durch Bereitstellen eines Drehmomentsensors gelöst, der eine einteilige Welle aufweist, die vollständig aus einer insgesamt homogenen chemischen Zusammensetzung besteht und getrennte aktive und passive Bereiche mit magnetischen Eigenschaften aufweist, die für ihre jeweilige Funktion geeignet sind. Ein derartiger Drehmomentsensor wird dadurch hergestellt, dass die geeigneten Bereiche der Welle thermischen Phasenumwandlungsverfahren, mechanischen Phasenumwandlungsverfahren oder Kombinationen aus thermischen und mechanischen Phasenumwandlungsverfahren unterworfen werden, um die jeweils erwünsche metallurgische Phase in jedem dieser Bereiche zu erhalten und jedem dieser Bereiche die magnetischen Eigenschaften zu geben, die für seine jeweilige Funktion geeignet sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1(a) ist eine Montagezeichnung, die den erfindungsgemäßen Drehmomentsensor zeigt, der einen aktiven Bereich ABC mit angrenzenden, entgegengesetzt polarisierten, sich magnetisch berührenden Umfangsbereiche hat, die an einer festen Welle ausgebildet sind.
1(b) zeigt den Sensor aus 1(a), wobei eine hohle statt einer festen Welle verwendet wird.
1(c) zeigt den Sensor aus 1(a) mit einem Wellenabschnitt mit vergrößertem Durchmesser, an dem der aktive Bereich ausgebildet ist.
1(d) zeigt den Sensor aus 1(a), der einen aktiven Bereich AB mit lediglich einer einzigen Polarisationsrichtung aufweist.
1(e) zeigt den Sensor aus 1(a) mit einem Wellenabschnitt mit verringertem Durchmesser, an dem der aktive Bereich ausgebildet ist.
1(f) zeigt den Sensor aus 1(e) mit der Ausnahme, dass der aktive Bereich mit verringertem Durchmesser auf einer separaten Welle liegt.
1(g) zeigt den Sensor aus 1(a), der einen aktiven Bereich ABCD mit drei angrenzenden, entgegengesetzt polarisierten und sich magnetisch berührenden Umfangsbereichen aufweist.
2(a) ist eine graphische Darstellung einer typischen "großen" Hystereseschleife.
2(b) ist eine graphische Darstellung einer typischen "kleinen" Hystereseschleife.
3 veranschaulicht vordere und seitliche Draufsichten einer typischen Anordnung einer Welle und polarisierender Magnete, um gleichzeitig zwei polarisierte Bereiche zu erzeugen.
4 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Stärke der polarisierenden Magnete und der Empfindlichkeit des gebildeten Sensors.
5 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der relativen radialen Magnetfeldstärke, die infolge des Aufbringens eines Drehmoments entsteht, und der axialen Stellung entlang dem aktiven Bereich der Welle.
6 ist eine graphische Darstellung der Übertragungsfunktion eines kragenlosen Sensors aus Schnellarbeitsstahlmaterial, die die Beziehung zwischen dem aufgebrachten Drehmoment und der Radialfeldstärke zeigt.
7 ist eine Montagezeichnung eines erfindungsgemäßen Drehmomentsensors, die an der Welle einen mittleren aktiven Bereich aus ferromagnetischem, magnetostriktivem Material und passive Bereiche aus einem Material mit geringer Permeabilität zeigt.
8 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung des Sensors aus 7.
9 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Abstand der Walzen zur Kaltumformung und der Empfindlichkeit des gebildeten Sensors.
10 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Dauer des Kaltwalzens und der Empfindlichkeit des gebildeten Sensors.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜRHUNGSFORMEN
In den letzten wenigen Jahren hat sich ein zunehmendes Interesse an einem kontaktlosen, magnetoelastischen Drehmomentsensor entwickelt, der eine Welle, ein magnetoelastisch aktives Element, das eine einachsige magnetische Anisotropie mit der Umfangsrichtung als leichte Achse hat und an der Oberfläche der Welle in Umfangsrichtung magnetisch polarisiert ist, und einen Magnetfeldsensor aufweist, um den Betrag den Magnetfelds zu erfassen, das infolge des Aufbringens eines Drehmoments auf die Welle entsteht. Es war bisher meist bevorzugt, ein physisch getrenntes Teil zu verwenden, beispielsweise einen Ring oder "Kragen", um die Funktion des aktiven Elements zu realisieren. Bei einem derartigen Sensor entsteht die einachsige magnetische Anisotropie üblicherweise aufgrund der "Umfangsspannung", die sich aus der Presspassung zwischen der Welle und dem Ring ergibt. Gemäß der vorliegenden Erfindung hat man festgestellt, das an Stelle der Bildung einer Ring-Welle-Schnittstelle mit ihren damit verbundenen Problemen eine polykristalline Welle, bei der der größte Teil der Verteilung lokaler Magnetisierungen darauf beschränkt ist, in einem 90°-Quadranten zu liegen, der symmetrisch um die Richtung der kreisförmigen Remanenz angeordnet ist, eine magnetische Anisotropie in Umfangsrichtung aufweist, die ausreicht, um beim Aufbringen eines Drehmoments auf die Welle ein fühlbares Magnetfeld hervorzurufen. Es scheint daher, dass durch die sorgfältige Auswahl eines ferromagnetischen Wellenmaterials und lediglich durch eine geeignete Umfangspolarisierung ein aktiver Bereich direkt an der Welle erzeugt werden kann. Es ist jedoch klar, dass nicht einfach an jeder ferromagnetischen Welle ausreichend aktive Bereiche erzeugt werden können. In diesem Zusammenhang betreffen die wesentlichen Bedenken die Stabilität, die Linearität und die Hysterese.
Stabilität, Linearität und Hysterese sind keine vollständig unabhängigen Eigenschaften eines Drehmomentaufnehmers. Das Vorliegen von Hysterese ist beispielsweise ein eindeutig die Linearität einschränkender Faktor. Da das Vorliegen von Hysterese zudem bedeutet, dass irreversible, die Magnetisierung ändernde Vorgänge wirksam sind, ist die Frage, ob die einem neuen Drehmomentausschlag zugeordnete Übertragungsfunktion bei der hundertsten Wiederholung des Ausschlags genau wiederholt wird, nicht beantwortet, bevor dies erprobt wurde. Im Allgemeinen erfolgt der Wechsel von einer stabilen Hystereseschleife zu einer anderen progressiv (ein Vorgang, der "Reptation" genannt wird). Es ist klar wünschenswert, irreversible Magnetisierungsvorgänge zu vermeiden oder zumindest zu minimieren. Eine irreversible Magnetisierungsänderung erfolgt für gewöhnlich durch einen der beiden (oder durch beide) folgenden Vorgänge: Domänenwandbewegung oder Vektordrehung von einer leichten Achse zur anderen. Da die Anisotropien, die in jedem praktischen Material vorhanden sind, ausreichend hoch sind und die leichten Achsen Winkelabstände haben, die im Wesentlichen größer sind als die Kippwinkel, die bei gewöhnlich auftretenden Torsionsspannungen vorkommen (z. B. 90° im Vergleich zu < 10°), scheint die Vektordrehung keine signifikante Bedrohung als potentielle Quelle der Irreversibilität bei der Übertragungsfunktion zu sein, obwohl die Vektordrehung zwischen leichten Achsen, die nahezu im gleichen Abstand von der Umfangsrichtung liegen, beim anfänglichen Drehmomentzyklus wirksam sein kann. Wenn somit ein hoher Betrag an Hysterese oder Reptation in der Übertragungsfunktion des Aufnehmers vorliegt, wird der Grund dafür am wahrscheinlichsten bei der Domänenwandbewegung zu finden sein.
Der Einfluss der Domänenwandbewegung auf den Betrieb des Sensors, die Art und Weise, wie ihre nachteiligen Auswirkungen vermieden werden können, und schließlich die Leistung eines kragenlosen Drehmomentsensors ergeben sich nach Feststellung und Untersuchung derjenigen Merkmale einer Welle, die im Betrieb wirksam sind. Zu diesen Merkmalen gehören neben eine Vielzahl von Materialeigenschaften die Merkmale hinsichtlich der Größe und der Form der aktiven und angrenzenden Bereiche. Wie zu sehen sein wird, ist die Leistung des Drehmomentsensors von der Wechselbeziehung zwischen vielen dieser Merkmale und von dem Betrag bestimmter spezifischer Eigenschaften abhängig. Die schematische Veranschaulichung des grundlegenden Aufbaus eines kragenlosen Drehmomentsensors, der in 1(a) gezeigt ist, zusammen mit der nachfolgenden Beschreibungen sollen helfen, dies zu verdeutlichen.
Bezugnehmend zunächst auf 1(a) ist ein erfindungsgemäßer Drehmomentsensor insgesamt bei 2 gezeigt. Der Drehmomentsensor 2 weist einen Aufnehmer 4 und einen Magnetfeldvektorsensor 6 auf. Der Aufnehmer 4 weist ein oder mehrere axial abgesetzte, sich magnetisch berührende, entgegengesetzt polarisierte Umfangsbänder oder Umfangsbereiche 8, 10 auf, die allein den aktiven Bereich oder Aufnehmerbereich der Welle 12 definieren. Der Bereich 14 der Welle links von A und der Bereich 16 rechts von B sind lediglich durch das Fehlen einer signifikanten remanenten Magnetisierung vom aktiven Bereich unterscheidbar. Die Welle 12 besteht üblicherweise aus einem ferromagnetischen, magnetostriktiven Material mit einer besonders wünschenswerten kristallinen Struktur, wie nachfolgend ausführlicher erläutert wird, so dass der aktive Bereich ebenso aus ferromagnetischem, magnetostriktivem Material mit der gewünschten kristallinen Struktur besteht. Das Drehmoment 20 wird auf einen Abschnitt der Welle 12 aufgebracht und damit auf einen anderen Abschnitt der Welle übertragen, an dem die Bewegung der Welle 12 aufgrund des Drehmoments 20 eine nützliche Arbeit ausführt. Mit Blick auf das sichtbare Ende der Welle 12 ist das Drehmoment 20 so gezeigt, dass es im Uhrzeigersinn wirkt, wobei es jedoch offensichtlich so aufgebracht werden kann, dass es in Abhängigkeit von der Art der Maschine, die die Welle 12 umfasst, die Welle in einer der beiden oder in beide Richtungen dreht oder dazu neigt, diese so zu drehen.
Wie in den US-Patenten 5,351,555 und 5,520,059 gelehrt, ist der Aufnehmer 4 in einer im Wesentlichen reinen Umfangsrichtung magnetisch polarisiert, zumindest in dem Umfang, dass er bei fehlendem Drehmoment 20 (in einem Ruhezustand) keine Nettomagnetisierungskomponente in Richtung der Achse 11 und keine radialen Nettomagnetisierungskomponenten aufweist. Die geschlossene zylindrische Form des Aufnehmers 4 verbessert die Stabilität der Polarisation, indem ein vollständiger Kreislauf bereitgestellt wird.
Wie zu sehen sein wird, bewirkt aufgrund des Aufbaus, der Materialauswahl und der Bearbeitung des Aufnehmers 4 das Aufbringen von Torsionsspannung auf die Welle 12 eine Neuorientierung der polarisierten Magnetisierung im Aufnehmer 4. Die polarisierte Magnetisierung wird mit zunehmender Torsionsspannung zunehmend spiralförmig. Die Helizität der Magnetisierung im Aufnehmer 4 hängt vom Betrag des übertragenen Drehmoments 20 ab, und die Chiralität hängt von der Richtungsabhängigkeit des übertragenen Drehmoments und von den magnetoelastischen Eigenschaften des Aufnehmers 4 ab. Die sich aus der Torsion des Drehmoments 4 ergebende spiralförmige Magnetisierung hat sowohl eine Umfangskomponente als auch eine axiale Komponente entlang der Achse 11. Es ist von besonderer Bedeutung, dass die Größe der axialen Komponente vollständig von der Torsion im Aufnehmer 4 abhängig ist.
Der Magnetfeldvektorsensor 6 ist eine Magnetfeldvektorerfassungsvorrichtung, die bezüglich des Aufnehmers 4 so angeordnet und ausgerichtet ist, dass sie die Größe und Polarität des Feldes erfasst, das aufgrund der Neuorientierung der polarisierten Magnetisierung aus der im Ruhezustand vorliegenden Umfangsrichtung in eine mehr oder weniger steile Spiralrichtung im Raum um den Aufnehmer 4 herum entsteht. Der Magnetfeldvektorsensor 6 liefert eine Signalausgabe, die die Größe des Drehmoments 20 angibt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Magnetfeldvektorsensor 6 ein Halleffektsensor mit integrierter Schaltung. Drähte 24 verbinden den Magnetfeldvektorsensor 6 mit einer Gleichstromquelle und übertragen die Signalausgabe des Magnetfeldvektorsensors 6 zu einer Empfangsvorrichtung (nicht gezeigt), wie etwa zu einer Steuer- oder Überwachungsschaltung für die Maschine oder das System, die/das die Welle 12 umfasst. Eine ausführlichere Erörterung der Arten, der Eigenschaften, der Positionierung und Funktionsweise der Magneffeldvektorsensoren ist in den US-Patenten 5,351,555 , Spalte 6 bis 9, und 5,520,059 , Spalte 7 bis 11 und 25 zu finden.
Die beiden in Umfangsrichtung polarisierten Bereiche 8, 10 bilden zusammen den aktiven Bereich des Aufnehmers 4. Der gezeigte Feldsensor ist zwischen den beiden entgegengesetzt polarisierten Bereichen auf die "Wand" zentriert und so ausgerichtet, dass er das radiale Feld an dieser Stelle erfasst. Es ist möglich, einen Magnetfeldsensor oder mehrere Magnetfeldsensoren zu verwenden. Im Allgemeinen ist jeder Sensor dieser Art nahe dem aktiven Bereich angeordnet und so ausgerichtet, dass er bei der Erfassung des Feldes, das entsteht, wenn die Welle ein Drehmoment überträgt, maximal wirksam ist. Die Ähnlichkeit zwischen diesem Aufnehmer und der herkömmlicheren Ausgestaltung in den US-Patenten 5,351,555 und 5,520,059 , bei denen ein aktiver Bereich angewendet wird, der eine unaxiale Umfangsanisotropie ("Ringsensor") aufweist, ist offensichtlich. Einige der Unterschiede sind ebenso offensichtlich, andere sind feiner:

1. Der aktive Bereich in dieser kragenlosen Grundausgestaltung ist lediglich durch das Vorliegen der angezeigten remanenten Magnetisierungen definiert. Wellenabschnitte links von A und rechts von B sind lediglich durch das Fehlen (in solchen Abschnitten) von fühlbaren remanenten Magnetisierungen vom Abschnitt zwischen A und B unterscheidbar. Mit Ausnahme von sekundären, anderen Wellenfunktionen zugeordneten Gründen, oder Gründen zur visuellen Bestimmung des aktiven Bereichs oder zur Optimierung einiger Merkmale der Aufneh merleistung unterscheidet sich die Welle zwischen A und C weder hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung noch hinsichtlich des metallurgischen Zustands, des Durchmessers, der Oberflächenbehandlung oder der Oberflächenqualität von den Abschnitten links von A oder rechts von C. Obwohl der duale aktive Bereich, d. h. zwei magnetisch angrenzende, entgegengesetzt polarisierte Umfangsringe, im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die bevorzugte Anordnung bildet (im Gegensatz zu einem einzigen polarisierten Bereich wie im US-Patent 5,351,555 ), haben die Gründe für diese Bevorzugung vielmehr damit zu tun, den klar definierten Magnetisierungsgradienten bei B zu erhalten (also eine starke Divergenz, wenn diese Magnetisierungen unter Torsion gekippt werden), als die unklaren Effekte von axialen Umgebungsfeldern an weniger deutlich definierten Rändern zwischen kreisförmig magnetisierten und nicht remanent magnetisierten Bereichen bei A und C zu vermeiden. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass wenn A und C die Enden eines aktiven Bereichs mit einer einzigen Richtung zirkulärer Remanenz darstellen sich die axiale Komponente, die in den unpolarisierten Bereichen links von A und rechts von C entsteht, mehr oder weniger an die axiale Komponente anpasst, wenn diese von einem axialen Feld gekippt wird. Die axialen Felder verursachen somit eine geringe Divergenz bei der axialen Magnetisierung, also ein kleines "Signal-" Feld, sofern der aktive Bereich nicht in der Nähe eines Endes der Welle liegt. Andererseits wird durch die Torsionsspannung, obwohl diese auch dazu führt, dass die zirkuläre Remanenz eine axiale Komponente entwickelt, die axiale Komponente der Magnetisierung in den nicht-magnetisierten Bereichen der Welle nicht verändert. Somit gibt es eine Divergenz dieser Komponente, und es entsteht dadurch ein äußeres Feld. Diese Divergenz ist gegenüber derjenigen, die bei B in der Konfiguration mit zwei Bereichen auftritt, verringert, und dies nicht nur, weil die Polarität der Remanenz bei B umkehrt, sondern weil der Polarisationsvorgang zu einem diffuseren Gradienten der Remanenz bei A und C führt. In diesem Zusammenhang kann es in der Tat wünschenswert sein, die "Ränder" der zirkulären Remanenz bei A und C willentlich verschwimmen zu lassen, um die Feldstärke in diesen Bereichen zu verringern und somit die Auswirkungen dieser Felder auf das nahegelegene Wellenmaterial zu reduzieren.
2. Da der aktive (felderzeugende) Bereich ein integraler Bestandteil einer homogenen Welle ist, muss das Wellenmaterial ferromagnetisch sein. Je höher die Sättigungsmagnetisierung, desto größer das Potential, ein drehmomentabhängiges Magnetfeld zu erzeugen. Unlegierte und schwach legierte Kohlenstoffstähle haben Sättigungsmagnetisierungen, die im gleichen Bereich liegen wie Elementareisen (4πM_s = 21 600 Gauß = 2,16 Tesla). Das Legieren verringert gewöhnlich M_s etwa im Verhältnis zum Prozentanteil nicht-ferromagnetischer Legierungselemente. Nickel in geringen Mengen hat eine geringe Wirkung, Kobalt erhöht M_s. Einige hochfeste Stähle sind hoch legiert und haben kombinierte eisenfreie Bestandteile in einer Menge von 30%. Nichtsdestotrotz haben alle ferromagnetischen Stähle, die für Wellen verwenden werden können, zweifellos einen M_s-Wert, der innerhalb von 20% desjenigen von Eisen liegt. Damit hat der tatsächliche Wert von M_s des spezifischen Wellenmaterials eine beschränkte unabhängige Auswirkung auf die Leistung des Drehmomentaufnehmers.
3. Der aktive Bereich, und somit die Welle selbst, muss magnetostriktiv sein. Das Produkt aus Magnetostriktion λ und der Haupttorsionsspannung σ stellt den magnetoelastischen anisotropischen Einfluss bereit, der für den Betrieb des Aufnehmers grundlegend ist. Wie bei dem Drehmomentsensor aus dem US-Patent 5,351,555 ist es diese Anisotropie, die die leichte Achse in die eine oder andere axiale Richtung vormagnetisiert, wodurch die Magnetisierungsdivergenz erzeugt wird, die die Quelle für das Signalfeld ist. Die einzelnen Kristallite, die die polykristallinen Materialien bilden, aus denen die Wellen hergestellt sind, haben selten isotropische Magnetostriktionen. In Eisen ist λ besonders anisotropisch, sogar in dem Ausmaß, dass sein Vorzeichen entsprechend der Richtung, in die das Kristall magnetisiert wird, wechselt. Wenn beispielsweise ein ideal demagnetisiertes, einzelnes Eisenkristall parallel zu einem Rand eines Kubus magnetisiert wird, nimmt seine Länge in diese Richtung um 20 ppm zu. Wenn es parallel zu einer Kubusdiagonalen magnetisiert wird, verringert sich seine Länge in diese Richtung um 21 ppm. In der Sprache der Fachleute auf dem Gebiet des Magnetismus gilt λ₁₀₀ = 20 ppm und λ₁₁₁ = –21 ppm. Geringe Prozentsätze (etwa 3%) einiger Legierungselemente, beispielsweise Ni und Si, verringern den absoluten Wert von λ₁₁₁, was zu einer isotropischeren Magnetostriktion führt. Dabei gibt es zwei Punkte, an die erinnert werden muss. Zunächst sollte es so sein, dass es keine Domänenwände im remanenten Zustand gibt, oder, falls sich 90°-Wände infolge von internen Felder gebildet haben, dass diese wirksam festgelegt sind. Zweitens, da die Ruhemagnetisierung entlang leichter Achsen liegt (beispielsweise in <100> Richtungen bei üblichen Stahlwellen), muss sie durch die magnetoelastische Anisotropie λσ von diesen leichten Achsen weggedreht werden. Im Interesse einer linearen Übertragungsfunktion ist es bezüglich der magnetoelastischen Energie wünschenswert, dass diese im direkten Verhältnis zum Drehmoment bleibt (d. h. zu σ). Bezüglich λ ist es somit wünschenswert, dass es konstant bleibt, wenn die Magnetisierungsvektoren durch λσ von den sich im Ruhezustand befindlichen leichten Achsen weggedreht werden. Bei einigen Kristallen, in Abhängigkeit von ihrer Ausrichtung, bringt die Drehung zur Richtung +σ den Vektor näher an die Richtung <111>, und wenn λ₁₁₁ negativ ist, wird es somit zwischen den Richtungen <100> und <111> einen Ausgleichspunkt geben, bei dem λσ = 0 für jeden Wert von σ gilt. Bei reinem Eisen und Stählen mit sehr geringem Legierungsgehalt ist sogar <110> negativ, und somit ist es bei diesen Materialien nicht möglich, diesen unerwünschten Zustand für eine Kristallausrichtung zu vermeiden. Aus diesem Grund sind Ni und Si wünschenswerte Legierungselemente.
4. Der aktive Bereich, und deshalb die Welle selbst, muss über eine Anisotropiequelle verfügen, um die Magnetisierung zu der (während der Polarisation) hergestellten Umfangsrichtung zurückzuführen, wenn das Drehmoment auf Null verringert wird. Um eine symmetrische Reaktion auf Drehmomente im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn zu gewährleisten, sollte die Verteilung dieser Anisotropie im Ruhezustand um die Umfangsrichtung herum symmetrisch sein. Um zu gewährleisten, dass die dem Drehmoment zugeordnete magnetoelastische Anisotropie dazu führt, dass alle remanent magnetisierten Abschnitte der Welle zusammen zur Entwicklung einer axialen Komponente beitragen, sollte die Anisotropie im Ruhezustand nirgendwo um mehr als 45° von der Umfangsrichtung abweichen. Mit anderen Worten ist die Notwendigkeit der Anisotropie ein Ausdruck der Notwendigkeit, die zirkuläre Remanenz innerhalb des in Umfangsrichtung orientierten 90°-Quadranten zu begrenzen. Eine zufriedenstellende Leistung kann erhalten werden, wenn mindestens 50% der lokalen Magnetisierungen im 90°-Quadranten liegen, der symmetrisch um die Richtung der zirkulären Remanenz angeordnet ist. Wenn die Hauptquelle für die Anisotropie im Ruhezustand die magnetokristalline Anisotropie ist, die mit den atomaren Anordnungen einer Gitterstruktur mit multiaxialer Symmetrie verbunden ist, z. B. ein zufällig ausgerichtetes polykristallines Material, bei dem jedes Kristallit eine kubische Symmetrie (einschließlich der eines verdrehten Kubus, z. B. eine tetragonale Symmetrie) mit <100> oder <111> leichten Achsen aufweist, erfüllt die Umfangsremanenz im Ruhezustand in mehr als 50% der Kristallite automatisch diese "45°"-Anforderung. Die magnetokristalline Anisotropie in Eisen und in allen herkömmlichen Stählen hat eine derartige kubische Symmetrie, und sie gehören somit alle (lediglich auf der Basis dieser Anforderung) zu möglich anwendbaren Materialien für kragenlose Drehmomentaufnehmer. Der Wert der Anisotropie von reinem Eisen wird im Allgemeinen durch herkömmliche Legierungselemente verringert, obwohl Wolfram und in geringerem Maße Mangan zu deren Erhöhung beitragen. Molybdän, Vanadium und Zinn führen zu relativ geringen Änderungen nach unten, während Chrom beim Herbeiführen einer Verringerung der Anisotropie im Vergleich zu derjenigen von reinem Fe etwas weniger träge ist. Ausreichende Mengen von Ni, Co, Si oder Al können die Anisotropie auf Null (und weniger) reduzieren. Bei kragenlosen Drehmomentaufnehmern bestehen Bedenken hinsichtlich eines zu geringen absoluten Werts der Kristallanisotropie (Kurzform für die magnetokristalline Anisotropie), da dies die "Feder" ist, die die Magnetisierung zu ihrer Umfangsrichtung im Ruhezustand zurückführt, wenn das Drehmoment eliminiert wird. Wenn somit zum Beispiel die Kristallanisotropie (K₁) kleiner ist als λσ_r, wobei σ_r der Wert der Restspannung ist, die dem vorhergehenden Bearbeiten der Welle zugeordnet ist, so ist K₁ nicht mehr die Hauptanisotropie, und bei mehr als 50% der Remanenz im Ruhezustand ist die Anforderung der 45°-Verteilung nicht mehr erfüllt. Hier erhält man einen ersten flüchtigen Eindruck über die Bedeutung der Wechselbeziehungen zwischen den verschiedenen Materialeigenschaften, die einzeln für den Betrieb des Aufnehmers wichtig sind. Während K₁ und λ bezüglich der Zusammensetzung abhängige (immanente) Eigenschaften sind, wirken σ_r und weitere strukturabhängige Eigenschaften (z. B. die Gefüge, die chemische oder strukturelle Anordnung) gemeinsam mit den immanenten Eigenschaften, um den Wert, die Ausrichtung und Symmetrie der Anisotropien im Ruhezustand zu bestimmen. Während außerdem geringe Mengen von Ni oder Si λ wirksam erhöhen, neigen sie auch dazu, K₁ zu reduzieren. Somit muss bei der Auswahl der geeigneten Legierung für die Welle der Legierungsgehalt vorsichtig eingeschränkt werden.
5. Während inzwischen zu erkennen sein sollte, dass bei der vorliegenden Erfindung die Welle selbst ferromagnetisch und magnetostriktiv sein und den erforderlichen Betrag, die Ausrichtung und Verteilung der magnetischen Anisotropie bereitstellen muss, wurde bisher die Reaktion der Wellenmagnetisierung auf Magnetfelder noch nicht berücksichtigt. Ferromagnetische Materialien sind einfach durch den Betrag der durch Magnetfelder hervorgerufenen Magnetisierungsänderungen und durch den Betrag der Felder gekennzeichnet, welche erforderlich sind, um signifikante Magnetisierungsänderungen herbeizuführen. Da diese Merkmale keine eindeutigen Funktionen mit einer Variable sind, werden sie in geeigneter Weise durch eine graphische Darstellung der Magnetisierung M gegen das Feld H beschrieben, wobei H über einen symmetrischen bipolaren Bereich zyklisch verändert wird. Die wichtigsten Merkmale einer derartigen großen Hystereseschleife sind in 2(a) angegeben, die nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, wobei die verschiedenen Steigungen und Schnittpunkte von einem Material zum anderen variieren können und die Steigungen lokale Suszeptibilitäten, die Schnittpunkte mit der y-Achse die remanente Magnetisierung und die Schnittpunkte mit der x-Achse die Koerzitivkraft darstellen.

Die sich verändernden Steigungen über die verschiedenen Abschnitte der Hystereseschleife reflektieren die verschiedenen Vorgänge, die bei den Magnetisierungsänderungen beteiligt sind, die bei Feldern unterschiedlicher Stärke auftreten. Unser Interesse für diese Einzelheiten ist nicht nur wissenschaftlicher Natur, da beim Betrieb des kragenlosen Drehmomentaufnehmers aus dem aktiven Bereich Magnetfelder hervorgehen und diese Felder sich nicht nur im Raum erstrecken, in dem der/die Feldsensor(en) liegt/liegen, sondern auch in dem Raum, der von der Welle selbst eingenommen wird. Die Magnetisierungsänderungen, die in nicht aktiven Abschnitten der Welle hervorgerufen werden, führen dazu, dass andere Felder entstehen und sich diese (parasitären) Felder auch in die Raumbereiche erstrecken, in denen sich unser(e) Feldsensor(en) befindet/befinden. Um die Übertragungsfunktion des aktiven Bereichs nicht zu beeinträchtigen, ist es somit wichtig, dass im Vergleich zum Feld des aktiven Bereichs die parasitären Felder sehr klein sind und im Idealfall Null betragen, oder, falls sie von beachtlicher Stärke sind, sie sich mit aufgebrachtem Drehmoment linear und anhysteretisch (oder gar nicht) ändern, und dass sie zeitlich und unter jeglicher Betriebs- und Umgebungsbedingung, denen die Welle unterliegen kann, stabil sind. Mit anderen Worten müssen alle entstehenden parasitären Felder im Vergleich zum Feld des aktiven Bereichs ausreichend klein sein, damit das von den Magnetfeldsensoren erfasste Nettofeld für Drehmomenterfassungszwecke nützlich ist. Da die Quelle der parasitären Felder die Magnetisierung in den nicht aktiven Bereichen der Welle ist, ist es eindeutig wünschenswert, dass eine solche Magnetisierung klein gehalten wird, oder, falls sie von beachtlicher Größe ist, sie sich unter der Einwirkung der von dem aktiven Bereich erzeugten Felder (und anderer umgebender oder versehentlich erzeugter Felder) wenig ändert. Geringe Magnetisierungen können gewährleistet werden, wenn M_s klein ist oder die Suszeptibilität (χ = ΔM/ΔH) oder seine nahe Verwandte, die Permeabilität (μ = χ + 1), klein ist. Es ist (bei dieser kragenlosen Grundausgestaltung) eindeutig unmöglich, dass M_s klein ist, da ein großer Wert von M_s für den aktiven Bereich bevorzugt ist. Um den beeinträchtigenden Einfluss parasitärer Felder zu minimieren, ist es somit wichtig, ein Wellenmaterial zu verwenden, das bei jedem Wert des Felds, dem es ausgesetzt sein kann, kleine χ–Werte hat. Der Wert von χ hängt davon ab, ob die Magnetisierungsänderung hauptsächlich auf eine Vektordrehung oder auf eine Bewegung der Domänenwände zurückzuführen ist. Der Vektordrehung wird durch die Anisotropie ein Widerstand entgegengesetzt, während der Domänenwandbewegung durch die Heterogenität ein Widerstand entgegengesetzt wird. Die Koerzitivfeldstärke stellt einen Messwert für die Schwierigkeit bereit, die das Feld hat, die Magnetisierung zu verändern. Das Koerzitivfeld H_c ist als die Feldintensität definiert, die erforderlich ist, um die remanente Magnetisierung (die Magnetisierung, die nach der Einwirkung eines Sättigungsfeldes verbleibt) auf Null zu verringern. Somit sind bei H_c 50% der Magnetisierung umgekehrt worden. Wenn die Magnetisierungsumkehrung lediglich aufgrund einer Vektordrehung auftritt, entspricht in Materialien, die aus zufällig ausgerichteten Kristalliten mit kubischer Symmetrie mit K₁ > 0 bestehen, H_c (für derartige Vorgänge wird H_c auch kritisches Feld genannt) 2K₁/M_s. Bei Eisen betrat für K₁ = 450.000 erg/cm³ und 4πM_s = 21.600 Gauß H_c für die Vektordrehung 524 Oe. Gemessene Werte von H_c für unlegierte und niedrig legierte Stähle liegen in Abhängigkeit vom Legierungsgehalt und den thermischen und mechanischen Behandlungen typischerweise im Bereich zwischen 5 und 50 Oe (sogar darunter für geglühtes Eisen). Es ist somit klar, dass der Hauptvorgang, durch den in diesen Materialien die Magnetisierung verändert wird, nicht die Vektordrehung ist, sondern vielmehr die Domänenwandbewegung. Es ist auch klar, dass ein Material mit H_c = 50 Oe für die Verwendung bei einem kragenlosen Drehmomentsensor geeigneter ist als ein Material mit H_c = 5 Oe. Dementsprechend wären noch höhere Werte von H_c, von beispielsweise 524 Oe, noch besser. In jeglichem Stahl kann H_c durch Kaltformen oder Wärmebehandlung um einen Faktor von 5 oder mehr erhöht werden. H_c ist im Allgemeinen größer, wenn es im mechanisch härtesten (festesten) Zustand vorliegt. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass die Stärke das Vorliegen von Hindernissen in der Bewegung (dem Gleiten) einer Atomschicht über einer anderen im Kristall wiederspiegelt (Verschiebungen, Fehlstellen, Einschlüsse, Ausscheidungen, Gitterverzerrungen aufgrund von Zwischengitteratomen, Spannung, usw.) und H_c den Halteeffekt dieser Inhomogenitäten in der Kristallstruktur auf die Domänenwände reflektiert.
Die widersprüchlichen, häufig gegensätzlichen Wirkungen der verschiedenen Materialien und magnetischen Parameter, wie durch das Vorangehende dargestellt, stellen ein Dilemma bei der Ausgestaltung kragenloser Drehmomentaufnehmer dar. Damit das Drehmoment Magnetfelder mit einer ausreichenden Amplitude erzeugt, damit sie von wirtschaftlichen Felderfassungseinrichtungen erfasst werden, und sie im Wesentlichen größer sind als gewöhnlich auftretende Umgebungsfelder, ist es wünschenswert, dass der aktive Bereich Felder erzeugt, die so groß wie möglich sind (begünstigt durch einen hohen Wert für λ/K₁ und einen hohen Wert für M_s). Auch wenn diese Felder eine ausreichende Stärke haben, um signifikante Magnetisierungsänderungen im aktiven Bereich hervorzurufen, wird die Übertragungsfunktion bei hohen Drehmomentniveaus (begünstigt durch einen hohen Wert für K₁/λ und einen niedrigen Wert für M_s) nicht stabil sein. Wenn diese Felder in Abschnitten der Welle, die nahe dem aktiven Bereich liegen, ausreichend stark sind, können die gebildeten parasitären Felder die Übertragungsfunktion des Aufnehmers in einer Art und Weise beeinträchtigen (Hysterese, Instabilität und Nicht-Linearität), die die Nützlichkeit der Vorrichtung verringern oder zerstören (begünstigt durch niedrige Werte für M_s, λ und χ, und hohe Werte für H_c und K₁). Die Probleme können sofort beseitigt werden, wenn die Domänenwände ausreichend fest gehalten werden können, damit der tatsächliche Wert von H_c näher an den durch die Anisotropie bestimmten Grenzwert erhöht wird. Obwohl es hauptsächlich ein Materialproblem ist, erfolgen die Auswahl eines Wellenmaterials, die zur Herstellung der Welle angewendeten Verfahren und deren darauffolgende thermische und mechanische Behandlungen gewöhnlich so, dass sie die Hauptfunktion der Welle, d. h. die Übertragung von Drehmoment, bestmöglich erfüllen, ohne große Sorge, ob diese Faktoren die Präferenzen für die Drehmomenterfassung erfüllen.
Es sollte hervorgehoben werden, dass die gesamte obige Erläuterung die grundlegende oder einfachste kragenlose Ausgestaltung betrifft, die in 1(a) veranschaulicht ist. Wie sich aus der Betrachtung weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die nachfolgend beschrieben werden, ergeben wird, gibt es beim Entwerfen einer kragenlosen Ausgestaltung nichts, das eine Änderung des aktiven Bereichs (oder der nicht-aktiven Abschnitte der Welle), so dass bessere Kombinationen der bedeutenden Eigenschaften als in anderen Abschnitten der Welle erhalten werden, verbietet. Somit ist es für das Entwerfern eines kragenlosen Aufnehmers nicht wesentlich, dass das Vorliegen einer remanenten Magnetisierung das einzige Merkmal ist, das den aktiven Bereich von angrenzenden Bereichen der Welle unterscheidet. Verschiedene lokale Behandlungen oder andere Veränderungen sind in den US-Patenten 5,391,555 , Spalten 4 bis 15 beschrieben und durch Bezugnahme hier aufgenommen.
Auf der Grundlage unseres vorliegenden Verständnisses scheint es, als würden weitere Abweichungen von der kragenlosen Grundausgestaltung zu einer Leistungsverbesserung führen. Bezug nehmend auf 1(c) beispielsweise würde bei einer Vergrößerung des Durchmessers der Welle über eine begrenzte axiale Erstreckung, die dann in Umfangsrichtung magnetisiert wird (d. h. dass der aktive Bereich sich auf einem Absatz befindet), die Stärke des Signalfelds in den (nun nicht so) nahen Abschnitten der Welle verringert werden, auch wenn der aktive Bereich das gleiche drehmomentbezogene Feld erzeugt wie die Grundausgestaltung mit einem einzigen Durchmesser aus 1(a). Der Feldsensor bzw. die Feldsensoren wären dann außerdem weiter von der Quelle für parasitäre Feld entfernt.
Wie oben erwähnt, kann es als sich nützlich erweisen, die Umfangsmagnetisierung zu "verringern", wodurch die Ränder A und C des in 1(a) gezeigten aktiven Bereichs verschwimmen. Dabei besteht der Zweck darin, die parasitären Felder aus den inaktiven Abschnitten der Welle zu verringern, indem sowohl die Stärke des Signalfelds in diesen Abschnitten reduziert wird (was die Magnetisierung dieser Abschnitte verringert) als auch die Stärke drehmomentabhängiger Felder verringert wird, die sich aus diesen Abschnitten ergeben würden, wenn sie von dem Signalfeld magnetisiert werden. Dieser Ansatz kann auf einfache Weise umgesetzt werden, indem die Nähe zum aktiven Bereich oder die Stärke der Magnete verringert wird, welche zur Erzeugung der Polarisationen verwendet werden, die den aktiven Bereich bilden.
Hohle, durchgehend gehärtete Wellen, wie in 1(b) gezeigt, würden sich aus vielen Gründen als geeigneter erweisen als massive oder oberflächengehärtete Wellen. Eine hohle Welle wird durch Torsion gleichmäßiger belastet als eine massive Welle, und somit kann der gesamte Querschnitt zum Signalfeld beitragen. Die Erzeugung einer zirkulären Remanenz durch die gesamte massive Welle ist nicht möglich. Auch eine Annäherung daran bei einer Welle mit großem Durchmesser wird theoretisch schwierig. Auch wenn eine zirkuläre Magnetisierung erreichbar wäre, würden die mittleren Bereiche der Welle wenig zum Signalfeld beitragen, da sie so wenig beansprucht werden. Diese mittleren Bereiche werden außerdem zu "naheliegendem, permeablem Material" und könnten gut eine Quelle für parasitäre Felder sein, was vielmehr zu einer Verringerung als zu einem Beitrag zur Leistung des Drehmomentaufnehmers führt. Diese möglicherweise negative Eigenschaft massiver Wellen würde im Allgemeinen verschlimmert werden, da die mittleren Bereiche, sogar auch in durchgehend gehärteten Wellen (wobei sich die Härte durch Quenchen ergibt), im Allgemeinen nicht so hart sind wie die Oberflächenbereiche und somit einen niedrigeren Wert für H_c haben. Aus diesen Gründen erscheint ein durchgehendes Härten wünschenswerter als eine Oberflächenhärtung. Andererseits könnte die Oberflächenhärtung durch Nitrierhärtung nützlich sein, da sie die Härte einiger Stähle weiter erhöhen kann, wodurch wahrscheinlich auch H_c erhöht wird. Tieftemperaturbehandlungen sind auch bekannt, um die Härte von herkömmlicherweise verwendeten (oberflächengehärteten) Wellenmaterialien im Wesentlichen zu erhöhen (z. B. von Rockwell 60 bis 64 für 8620 und von R55 bis R62 für 4320). Derartige Behandlungen können auch H_c erhöhen.
1(d) veranschaulicht den gleichen Sensor wie 1(a), abgesehen davon, dass der aktive Bereich nur in einer einzigen Richtung polarisiert ist. Dieser Aufbau eignet sich für massive oder hohle Wellen, jedoch nicht für gestufte Wellen, da die Endbereiche (A und B) Pole in einem axialen Magnetfeld entwickeln würden. Es ist festgestellt worden, dass das Anordnen eines zweiten Sensors am rechten Ende des aktiven Bereichs (in Durchsicht gezeigt) dazu beiträgt, die Empfindlichkeit auf Umgebungsfelder in diametraler Richtung zu verringern.
1(e) veranschaulicht den gleichen Sensor wie 1(a), abgesehen davon, dass der Durchmesser der Welle im aktiven Bereich im Vergleich zu dem der Hauptwelle verringert ist. Bei dieser Konfiguration sind die magnetischen "Pole", die bei A und C gebildet sind, wenn die Welle ein Drehmoment überträgt, hinsichtlich der Magnetisierung des größeren Materialvolumens in den angrenzenden Bereichen weniger wirksam. Dies führt zu einer Verringerung der Stärke der parasitären Felder, die von diesen Bereichen ausgehen. Mit dieser Bauweise ist es auch möglich, den Feldsensor bzw. die Feldsensoren bezüglich der Flächen der Abschnitte mit größerem Durchmesser radial nach innen anzuordnen, an Stellen, an denen die Stärke der parasitären Felder verringert ist. Wie bei der gestuften Ausgestaltung von 1(d) ist diese Bauweise für die Verwendung mit einem einzigen polarisierten Bereich nicht geeignet.
1(f) veranschaulicht den gleichen Sensor wie 1(e), abgesehen davon, dass der aktive Bereich nun an einer separaten Welle ausgebildet ist. Obwohl er mit einem verringerten Durchmesser auf seiner gesamten Länge gezeigt ist, kann der Abschnitt dieser magnetoelastisch aktiven Welle zwischen A und C tatsächlich den gleichen oder einen größeren Durchmesser haben als die Abschnitte der Hauptwelle, an denen er befestigt ist (die nicht den gleichen Durchmesser an jedem Ende haben müssen). Die aktive Welle kann durch Presspassungen, Befestigung mit Stiften, Schweißen, Schraubengewinde oder dergleichen starr an den Hauptwellen befestigt sein. Die Hauptwellen bestehen vorzugsweise aus nicht-ferromagnetischem Material, z. B. aus nicht rostendem Stahl, Aluminiummessing, Glasfaser, Kunststoff usw., können jedoch auch aus ferromagnetischem Material mit geringer Permeabilität bestehen, das vorzugsweise eine geringe Magnetostriktion hat, z. B. gehärteter, unlegierter Stahl, und sie können keine signifikanten parasitären Felder erzeugen. Die aktive Welle kann hohl oder massiv sein und ist lediglich zwischen AB und BC in Umfangsrichtung polarisiert. Da die Bereiche AA' und CC' auch geringe prozentuale Anteile des Drehmoments übertragen, ist ihr Beitrag zu parasitären Feldern minimal. Außerdem sind die Abschnitte der aktiven Welle, die nicht im aktiven Bereich liegen, für lokale Quellen möglicher Störfelder, wie etwa magnetisierte Werkzeuge (Schraubendreher, Schraubenschlüssel, usw.) nicht leicht zugänglich.
1(g) veranschaulicht den gleichen Sensor wie 1(a), abgesehen davon, dass drei (3) in Umfangsrichtung polarisierte Bereiche und 2 "Domänenwände" mit hoher Divergenz (bei B und C) vorhanden sind. Die erhöhte Feldstärke dazwischen ermöglicht auch die Verwendung eines einzigen, axial ausgerichteten Feldsensors (in Durchsicht gezeigt) statt zwei Feldsensoren, die jeweils an jeder Domänenwand angeordnet sind.
2(a) veranschaulicht die Form und die wichtigsten Merkmale einer typischen "großen" Hystereseschleife, d. h. eine Hystereseschleife, bei der die Grenzfelder ausreichend sind, damit die Magnetisierung Anzeichen einer herannahenden Sättigung macht. Dies ist durch die Abflachung der Schleifenextremwerte und durch die Verringerung der Magnetisierungsunterschiede zwischen aufsteigenden und fallenden "Schenkeln" der Schleife aufgezeigt. Hystereseschleifen stellen dynamische Phänomene effektiv dar. Sie werden in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn durchlaufen, nach oben rechts, nach unten links usw. Bei der hier gezeigten großen Schleife sollte ersichtlich sein, dass weitere Erhöhungen des Felds über ±100 Oe hinaus nicht zu einer deutlichen Erhöhung der Spitzenmagnetisierungen über ±18 kG führen. Wenn das Feld auf Null verringert wird, nachdem diese Werte der "technischen Sättigung" erreicht wurden, "fällt" die Magnetisierung "zurück" auf einen mit R bezeichneten Wert (oder R' für Felder mit entgegengesetzter Polarität). R und R' stellen die "remanente" Magnetisierung dar. Der Wert von R in der gezeigten Schleife beträgt 15,8 kG. Das "Remanenzverhältnis", d. h. das Verhältnis der remanenten Magnetisierung zur Spitzenmagnetisierung, beträgt bei dieser Schleife (15,8/18) = 0,878. Bei einem Material mit uniaxialer Anisotropie in Feldrichtung würde das Remanenzverhältnis 1,00 betragen, den höchstmöglichen Wert. Wenn bei einem derartigen Material die Feldrichtung senkrecht zur Anisotropie verlaufen würde, würde das Remanenzverhältnis Null betragen, sein kleinstmöglicher Wert. In einem Material mit einer zufälligen Ausrichtung kubischer Kristallite mit leichten Achsen entlang den Rändern des Kubus, würde dieses Verhältnis 0,8312 betragen. Bei einer Anordnung der leichten Achsen entlang der Diagonalen des Kubus würde das Verhältnis 0,866 betragen. Das relativ hohe Remanenzver hältnis der in 2(a) gezeigten Schleife lässt erkennen, dass die Kristallite entweder nicht zufällig ausgerichtet sind oder ein sonstiger anisotropischer Einfluss vorhanden ist. In jedem Fall würden Hystereseschleifen für andere Feldrichtungen im Allgemeinen größere oder kleinere (andere) Remanenzverhältnisse aufzeigen.
Der Wert des Felds, in dem die Magnetisierung auf Null reduziert ist (Punkte C und C'), ist das "koerzitivfeld". Das koerzitivfeld steigt im Allgemeinen mit zunehmenden Spitzenfeldausschlägen und erreicht einen Maximalwert (der "Koerzitivkraft" genannt wird) bei der Sättigung. Das Koerzitivfeld in der gezeigten Schleife beträgt 30 Oe, ein Wert, der nur geringfügig kleiner ist als die Koerzitivkraft des hypothetischen Materials, das die angegebene Schleife hat. Wenn die Magnetisierungsumkehrung zwischen R und C' durch eine zusammenhängende Drehung (in jeder Domäne) der lokalen Momente gegen eine Kristallanisotropie von 400 000 erg/cm³ (ein typischer Wert für schwach legierte Stähle) erfolgen würde, wäre die Koerzitivkraft 2 × 400 000/(18 000/4π) = 559 Oe, nahezu das Neuzehnfache des beobachteten Werts. Wenn die gezeigte Schleife somit für ein Material dieser Art (z. B. ein schwach legierter Stahl) gilt, erfolgt die Magnetisierungsumkehrung hauptsächlich durch Domänenwandverschiebung, und nicht durch zusammenhängende Drehung.
A und A' in 2(a) geben die Extremwerte einer "kleinen" Hystereseschleife an, d. h. eine Schleife, bei der die Spitzenfeldausschläge deutlich geringer sind als die Koerzitivkraft. Eine vergrößerte Ansicht dieser kleinen Schleife ist in 2(b) gezeigt. Während zu sehen ist, dass sowohl die Remanenz als auch das Koerzitivfeld dieser Schleife ziemlich klein sind, sind sie nicht Null. Auch deshalb ist für kleine Ausschläge eines aufgebrachten Felds zu sehen, dass die sich ergebenen Magnetisierungsänderungen eine gewisse Unumkehrbarkeit haben. Je kleiner der Feldausschlag einer kleinen Schleife in Bezug auf die Koerzitivkraft, desto kleiner sind diese irreversiblen Merkmale. Für sehr kleine (relative) Feldausschläge verengt sich die "Schleife" zu einer geraden Linie durch AA'. In jedem Fall ist die Neigung der geraden Linie durch AA' von kleinen Schleifen als reversible Suszeptibilität (χ_rev) bekannt. In einer magnetisierten Probe verändert sich der Wert von χ_rev in jedem Punkt an der großen Schleife innerhalb des Koerzitivfelds wenig (möglicherweise in einem Bereich von ±15%). Obwohl kleine Schleifen für uniaxiale Materialien weder eine Remanenz noch eine Koerzitivfeld stärke aufweisen, haben sie insgesamt einen endlichen Wert von χ_rev in Feldern, die senkrecht zur Anisotropie verlaufen, und einen Wert von Null für χ_rev (für eine vollkommen gleichmäßige und kohärente Anisotropie) in Feldern, die parallel zur Anisotropieachse verlaufen.
Die Tatsache, das die meisten Materialien auch in kleinen Feldern einen endlichen Wert für χ_rev, Remanenz und Koerzitivfeldstärke haben, ist klar für den Betrieb von kragenlosen Drehmomentaufnehmern relevant. Aufgrund ihrer finiten χ_rev-Werte erzeugen Bereiche der Welle, die den Feldern ausgesetzt sind, welche vom aktiven Bereich erzeugt werden, wenn ein Drehmoment auf die Welle aufgebracht wird, eine Magnetisierung. Innerhalb des aktiven Bereichs selbst werden diese Felder "demagnetisierende" Felder genannt, da sie in eine Richtung wirken, die dazu neigt, dem Kippen der zirkulären Magnetisierung im Ruhezustand entgegenzuwirken. Da derartige Felder niemals stärker sein können als ihre Verursacher ist ihre Wirkung lediglich die Verringerung der Wirkung eines Drehmoments, d. h. dass sie die potentielle Sensibilität des Aufnehmers reduzieren. Aufgrund der finiten Remanenz und Koerzitivität des Wellenmaterials variiert die reaktive Magnetisierung in den inaktiven Bereichen mit dem aufgebrachten Drehmoment in der Art einer Hysterese. Da die ursächlichen Felder auch mit dem Abstand vom aktiven Bereich abfallen, sind diese reaktiven Magnetisierungen nicht gleichmäßig, und sie sind auch nicht in Umfangsrichtung gerichtet. Da das Wellenmaterial magnetostriktiv ist, variiert zudem die Magnetisierung innerhalb der reaktiv magnetisierten Bereiche mit dem aufgebrachten Drehmoment. Somit schaffen diese zuvor passiven, neu magnetisierten Bereiche selbst Feldkomponenten im Raum innerhalb der und um die Welle herum. Das von den Feldsensoren (d. h. vom Signalfeld) erfasste Nettofeld ist somit die Resultierende des zweckdienlichen Felds aus dem aktiven Bereich und der parasitären Felder aus den reaktiven Bereichen. Es überrascht nicht, dass die wünschenswerterweise lineare und nicht-hysteretische Übertragungsfunktion des Aufnehmers durch das unvermeidliche Vorhandensein von angrenzendem magnetisierbarem Material in kragenlosen Ausgestaltungen zerstört werden kann. Die erstrebenswerte Eigenschaft, die Koerzitivität hoch zu halten, sollte nun klar sein.
Der Betrieb des Aufnehmers erfordert, dass die "Oberfläche" der Welle in Umfangsrichtung remanent magnetisiert ist. Ein Material, das nicht in Umfangsrichtung magnetisiert ist, kann zu reaktiv magnetisiertem Material werden und somit zu einer Quelle für parasitäre Felder. Obwohl tiefer, was die Tiefe der Magnetisierung angeht, somit besser erscheint, mindern zwei Faktoren das Erfordernis der Magnetisierung des gesamten Wellenquerschnitts in Umfangsrichtung. Zunächst verringert die Reduzierung der Torsionsscherspannung mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche den relativen potentiellen Beitrag zum Signalfeld aus den mittigeren Bereichen des Wellenquerschnitts. Zweitens, auch wenn diese tieferen Bereiche nützliche Feldstärken an ihrem Standort erzeugen, wäre ihr Beitrag zur Feldstärke an der Feldsensorposition (in einem Abstand radial außerhalb von der Wellenoberfläche) im Wesentlichen verringert. Diese gleichen Faktoren verringern die Fähigkeit von tief innenliegenden, nicht in Umfangsrichtung magnetisierten Bereichen signifikant störende parasitäre Felder an "beabstandeten" Feldsensoren zu erzeugen. Der erste Faktor begrenzt die bei kleinen Wellen erforderliche Tiefe der Umfangsmagnetisierung vielleicht auf 50% des Radius. Der zweite Faktor gibt an, dass auch bei sehr großen Wellen eine Umfangsmagnetisierung, die tiefer ist als 10–20 mm, zu einem geringen Nutzen führen würde. In vielen hohlen Wellen würde das Durchdringen bis zu solchen Tiefen bis zur Innenfläche gelangen. Dies wäre eine wünschenswerte Bedingung für hohle Wellen, insbesondere für dünnwandige hohle Wellen, da sie hohl hergestellt sind, um die verfügbare Materialstärke effektiver zu nutzen und das Gewicht zu reduzieren. Wenn der gesamte Wellenquerschnitt ein Nutzdrehmoment überträgt, wäre es sinnvoll, dass der gesamte Querschnitt zum Signalfeld beiträgt, statt dass ein Teil davon von dem Signalfeld beeinträchtig wird und dann zu parasitären Feldern beiträgt. In der Praxis ist es jedoch sogar bei Wellen mit großem Durchmesser sehr schwierig, auf eine Tiefe von mehr als 1–2 mm zu magnetisieren, da es schwierig ist, so weit von der Magnetfeldquelle ein ausreichend starkes Magnetfeld zu erzeugen.
Betrachtet man die verfügbaren Mitteln zur Erzeugung der Umfangsmagnetisierung, ist die Tatsache, dass eine Polarisierung des gesamten Querschnitts nicht erforderlich ist, zufällig. Verfahren und Vorgehensweisen zur Polarisierung sind in den US-Patenten 5,351,555 , Spalte 13 bis 14, und 5,520,059 , Spalte 15 bis 16 und 26 bis 28 und auch in J. Appl. Phys. 79(8), 4756, 1996 beschrieben. Die Erzeugung des aktiven Bereichs bei kragenlosen Drehmomentaufnehmern erfordert zwei zusätzliche Überlegungen. Erstens, da der aktive Bereich im Allgemeinen eine begrenzte axiale Erstreckung hat und in irgendeiner wünschenswerten axialen Stellung entlang der Welle anzuordnen ist, sind Verfahren, die das Leiten elektrischer Ströme durch die gesamte Welle oder durch koaxiale Leiter, die durch hohle Wellen verlaufen, ungeeignet. Während verschiedene Konfigurationen zur Durchführung elektrischer Ströme durch begrenzte und gut definierte axiale Längen möglich sind, wären diese begrenzt anwendbar und würden keinen erkennbaren Vorteil bieten. Die Polarisation durch Drehung durch das Feld mit starkem Gradienten von nahegelegenen Magneten, permanenten Magneten oder Elektromagneten ist das stark bevorzugte Verfahren, da für ein breites Spektrum von Wellendurchmessern und -materialien die gleiche Polarisationsausstattung und das gleiche Polarisationsverfahren verwendet werden können. Die axiale Länge des aktiven Bereichs und seine axiale Position können durch dieses Verfahren genau gesteuert werden. Zweitens erfordert die Polarisation von kragenlosen Drehmomentaufnehmern viel stärkere Magnetisierungsfelder als die Polarisation von herkömmlichen Ausgestaltungen mit einem "Ring an der Welle". Dies ergibt sich direkt aus Vergleichen von großen Hystereseschleifen von Materialien, die jeweils für jede Ausgestaltung geeignet sind, und durch die Überlegung, dass für die gleiche Wellengröße das Durchdringen des Magnetisierungsfelds in kragenlosen Ausgestaltungen im Allgemeinen stärker ist als bei Ausgestaltungen mit einem dünnen Ring, und dass innere Bereiche der in kragenlosen Ausgestaltungen verwendeten Wellen von Natur aus höhere Permeabilitäten haben als die Wellen, die bei Ausgestaltungen mit einem Ring verwendet werden. Benachbartes permeables Material neigt dazu, den Fluss von den polarisierenden Magneten "kurzzuschließen", wodurch die effektiv verfügbare Feldstärke verringert wird. Egal, wie man es ausdrückt, das Ergebnis ist das gleiche, permeables Material zwischen dem Ausgangsmagnet und dem Ziel schirmt das Ziel gegen das Feld des Magneten ab. In diesem Fall schirmen die Oberflächenbereiche die Innenbereiche ab, wodurch die Tiefe der Polarisation begrenzt wird. Wie in IEEE Trans. Mag 28(5), 2202, 1992 (5) und in 5 des oben genannten Dokuments J. Appl. Phys. gezeigt, sind große Schleifen von Ringen unter Umfangsspannung quadratisch (uniaxiale Anisotropie) und haben typischerweise Koerzitivfelder, die lediglich wenige Oersted betragen. Dagegen haben große Schleifen von Wellenmaterialien kragenloser Drehmomentaufnehmer mehr runde Merkmale (zufällige kubische Anisotropie) und zeigen Koerzitivfeldstärken, die über etwa 15 Oersteds liegen. Koerzitivfeldstärken von 35 oder mehr werden bevorzugt. Da es der Umkehrfeld-"Lappen" des Felds des Magnetisierungsmagneten ist, der die Polarisation ausführt, und da die Stärke dieser Lappen lediglich etwa 20% des direkten Feldlappens beträgt, und auch weil die "technische Sättigung" (die erforderlich ist, um die Remanenz zu maximieren) Felder erfordert, die mindestens 2 mal so stark sind wie die Koerzitivkraft des Wellenmaterials, und schließlich weil eine starke Koerzitivkraft besser ist, um die parasitären Felder zu minimieren und die Stabilität zu maximieren, ist der Bedarf an starken Polarisationsmagneten für kragenlose Ausgestaltungen klar. Bei hohlen Wellen mit ausreichend großem Durchmesser kann es vorteilhaft sein, um eine gleichmäßige Polarisation über die gesamte Tiefe des aktiven Bereichs zu erhalten, zusammenwirkende innere und äußere Polarisationsmagneten zu verwenden. Eine typische Anordnung für die Welle und Polarisationsmagneten ist in 3 gezeigt, die eine Anordnung von Polarisationsmagneten und einer Welle zeigt, um gleichzeitig zwei (2) magnetisch angrenzende polarisierte Bereiche, wie bei der in 1(a) veranschaulichten kragenlosen Ausgestaltung, zu erzeugen. Die Anzahl der Quellen für polarisierende Felder entspricht im Allgemeinen der Anzahl der erzeugten polarisierten Bereiche.
Bei der einfachsten Ausführungsform würden die Polarisationsmagnete typischerweise aus Hochenergie-Permanentmagneten (z. B. Samarium-Kobalt- oder Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagneten) bestehen, die nahe der Wellenoberfläche gehalten sind, während die Welle in die eine oder andere Richtung um ihre Achse gedreht wird. Bei Wellen mit höherer Koerzitivfeldstärke können jedoch in einer wünschenswerten Weise weichmagnetische "Polstücke" an jedem Permanentmagneten angebracht und in einer geeigneten Weise geformt und beabstandet sein, so dass die verfügbare MMK des Magneten am effizientesten genutzt wird (um den Magnetfluss durch die Welle anzutreiben). 3 zeigt zwei derartige Polarisationsmagente, "1" und "2", die jeweils entgegengesetzte Polaritäten haben und mit einem gewissen kleinen Abstand axial beabstandet sind. Die fettgedruckten Pfeile an der Welle geben die Richtungen der sich ergebenden remanenten Umfangsmagnetisierungen an, d. h. die polarisierten Bereiche, die gemeinsam den aktiven Bereich des Aufnehmers bilden. Die zur Wellenachse senkrecht verlaufenden Linien sind die Darstellung der Ränder dieser polarisierten Bereiche. Es ist anzumerken, dass die Breite (die axiale Erstreckung) dieser Bereiche die Breite der Polarisationsmagnete geringfügig überschreitet. Der schraffierte Abschnitt zwischen den beiden entgegengesetzt polarisierten Bereichen bildet einen Unterbereich, in dem die remanente Magnetisierung von einer zirkulären Richtung in die andere übergeht. Die Breite dieses Übergangsbereichs kann so breit wie erwünscht gestaltet werden, indem lediglich der Abstand zwischen den beiden Polarisationsmagneten vergrößert wird. Während die Breite des Übergangsbereichs durch Verringerung dieses Trennungsabstands verringert werden kann, gibt es einen Mindesttrennabstand, über den hinaus der Übergangsbereich nicht mehr kleiner wird. Es sollte klar sein, dass bei der Annährung der Magnete 1 und 2 ihre jeweiligen Felder jeweils das andere schwächen. Wenn sie nah genug sind, dass sie sich berühren, gibt es an ihrer Grenzfläche keinen Nord- und Südpol mehr, und somit gibt es einen gewissen Abstand entlang der Magnete selbst, bevor eine zur Polarisation der Welle geeignete Feldstärke in Umfangsrichtung vorliegt. Die Mindestbreite dieses Übergangsbereichs hängt von der effektiven Stärke der Polarisationsmagnete und von der Koerzitivkraft des Wellenmaterials ab, wobei sie mit Erhöhungen der ersteren abnimmt und mit Erhöhungen der letzteren abnimmt. Die optimale Breite des Übergangsbereichs hängt von der Art, der Größe und der Ausrichtung des Feldsensors bzw. der Feldsensoren ab, der/die zur Erfassung des drehmomentabhängigen Feldes verwendet wird/werden. Wenn es erwünscht ist, einen Übergangsbereich zu erhalten, der enger ist als derjenige, der mit den Polarisationsmagneten 1 und 2, wenn sie nebeneinander liegen, erhalten weden kann, schafft eine winkelmäßige Verlagerung eines Magneten in Bezug auf den anderen um die Wellenachse den Abstand, der zur Reduzierung ihrer gegenseitig schwächenden Wechselwirkung erforderlich ist. In 3 ist aus praktischen Gründen der extreme Abstand von 180°C veranschaulicht. Statt der Anordnung von Magnet 2 längs des Magneten 1 ist er nun in die in Durchsicht dargestellte Position gedreht und als Magnet 2' bezeichnet. Es wäre auch möglich, jeweils nur einen Bereich zu magnetisieren, d. h. die Welle, an der lediglich Magnet 1 angeordnet ist, zu drehen, anschließend Magnet 1 zu entfernen und die Welle mit angeordnetem Magnet 2 zu drehen. Bei allen Maßnahmen, bei denen Permanentmagnete verwendet werden, müssen die Magnete von ihren Positionen nahe der Welle wegbewegt werden (alternativ kann ein "Magnetanker" zwischen die Pole jedes Magneten eingeschoben werden), bevor die Drehung der Welle endet. Vorteilhafterweise können zur Polarisation Elektromagnete verwendet werden, da ihre "Stärke" einstellbar ist und sie ohne physische Bewegung der Magnete oder Magnetanker effektiv "abgeschaltet" werden können.
Ein Beispiel für die Abhängigkeit der Drehmomentaufnehmerleistung (wie durch die Empfindlichkeit gemessen, d. h. durch das drehmomentbezogene Feld) von der "Stärke" der Polarisationsmagnete (wie durch die magnetomotorische Kraft (MMK) und die Magnetkreisreluktanz gemessen) ist in 4 angegeben. In dieser Figur ist sofort das vollständige Fehlen eines drehmomentabhängigen Felds bei Magnetisierungsströmen unterhalb von 1,5 A zu erkennen. Dies beweist die Notwendigkeit, dass das effektive Feld eine gewisse kritische Stärke erreicht, bevor das Wellenmaterial eine signifikante Umfangsremanenz entwickelt. Diese kritische Stärke hängt mit der Koerzitivkraft des Wellenmaterials zusammen, da die Stärke der Umkehrfeldlappen sich der Koerzitivfeldstärke des Wellenmaterials nähern muss, in diesem Fall 44 Oe, um eine signifikante Remanenz zu entwickeln. Mit anderen Worten muss das Feld intensiv genug werden, damit sich die Domänenwände in hohem Maße "lösen". Wenn der Magnetisierungsstrom über den Schwellenwert hinaus erhöht wird (in diesem Beispiel über 1,5 A), ist zu sehen, dass die Stärke kontinuierlich zunimmt. Während der Anstieg der Empfindlichkeit mit zunehmendem Strom zunächst rasch erfolgt, schwächt er sich bald ab, wobei er Anzeichen erkennen lässt, dass ein Maximalwert schließlich erreicht wird. Die Betrachtung von zwei Datenpunkten bei 12 und 15 A mit einem Abstand von Null zwischen den Magneten und der Welle zeigt, dass die erwartete Sättigung der mit einem Spalt von 0,25 mm erreichbaren Empfindlichkeit mehr ein Artefakt des Geräts ist als die tatsächliche Sättigung der Wellenremanenz. Diese beiden Datenpunkt veranschaulichen sowohl die Schwierigkeit, einen gesättigten Wert der Empfindlichkeit zu erreichen, als auch die Wichtigkeit, die Reluktanz im Magnetkreis zu minimieren. Die hier abgebildete Übertragungsfunktion ist das kombinierte Ergebnis der folgenden in Wechselwirkung stehenden Eigenschaften und Phänomene:

1. der Anstieg des Koerzitivfeldes mit der Spitzenmagnetisierung;
2. die Koerzitivkraft des Wellenmaterials;
3. das Eindringen radial nach innen der kritischen Feldamplitude mit MMK;
4. die abnehmende Scherspannung mit dem Abstand von der Oberfläche;
5. die abnehmende axiale Magnetisierung mit dem Abstand von der Oberfläche;
6. das abnehmende drehmomentbezoge Feld aus diesen Innenbereichen;
7. der zunehmende Abstand des Feldsensors von noch weiter innen liegenden Feldquellen;
8. die Verringerung der Breite des Übergangsbereichs mit zunehmender Stärke des Polarisationsfelds;
9. die Nicht-Linearität (Sättigung) des Polarisationsfelds mit zunehmendem Strom.

Sobald ein aktiver Bereich durch lokale Umfangspolarisation(en) erzeugt wurde, kann die Welle korrekterweise als Drehmomentaufnehmer beschrieben werden. Der aktive Bereich besteht vorzugsweise aus zwei Polarisationen. Obwohl in üblichen Ausführungsformen das Kippen der remanenten Magnetisierung, die sich beim Aufbringen von Drehmoment ergibt, von einer nahegelegenen Vorrichtung erfasst wird, die auf die Stärke einer Komponente des Magnetfelds anspricht, das sich aus einem derartigen Kippen der Magnetisierung ergibt, können Veränderungen der axialen Komponente der remanenten Magnetisierung, die einem derartigen Kippen zugeordnet ist, auch durch die Spannung (EMK) erfasst werden, die in einer Spule induziert wird, welche die Welle umgibt und über einem in Umfangsrichtung polarisierten Bereich zentriert ist. Die axiale Komponente der Magnetisierung (proportional zum Drehmoment) kann wieder hergestellt werden, indem die induzierte MMK über die Zeit integriert wird. Im derzeitigen Stand der Elektroniktechnologie gibt es keine vollständig driftlosen Integrationsmittel, obwohl ein geringes Driften über eine kurze Dauer – im Bereich von einigen Sekunden bis zu einigen Minuten – erreichbar ist. Nichtsdestotrotz ist dies bei Anwendungen, bei denen das betrachtete Drehmoment lediglich für kurze Dauern besteht, beispielsweise bei Puls- und Impulswerkzeugen, eine durchführbare Erfassungsanordnung, insbesondere bei Bauformen mit nur einer einzigen Polarisation im aktiven Bereich.
5 veranschaulicht die Weise, wie die relative Stärke des radialen Felds (die sich beim Aufbringen von Drehmoment ergibt) mit der axialen Position entlang dem aktiven Bereich einer polarisierten Welle mit einer Polarisation an der in 4 gezeigten höchsterreichbaren Empfindlichkeit variiert. Die allgemeine Form dieser Feldverteilung entspricht dem annähernd vierpolaren Feld, das bei zwei angrenzenden Bereichen mit entgegengesetzt gerichteten axialen Magnetisierungen erwartet wird. Dies ist beispielsweise die Gestalt der Feldverteilung, die im Raum um zwei koaxiale Stabmagnete zu sehen ist, welche so angeordnet sind, dass die gleichen Pole aneinander angrenzen. Die genaue Betrachtung dieser Figur zeigt Merkmale, die sowohl die physische Anordnung des Polarisationsgeräts als auch die magnetischen Eigenschaften des Wellenmaterials wiedergibt. Es ist beispielsweise zu beobachten, dass die mittlere Spitze in Wirklichkeit aus zwei Spitzen mit einem kleinen Tal dazwischen besteht. Dies ist die Art Feldverteilung, die bei zwei Stabmagneten zu erwarten ist, wenn ihre gleichwertigen Pole geringfügig beabstandet sind. Es ist somit ein klarer Hinweis darauf, dass ein Übergangsbereich mit einer signifikanten Breite vorliegt. Die Ungleichheit der Höhe der beiden Spitzen stellt vermutlich geringe Unterschiede zwischen den beiden Polarisationsmagneten dar. Wie in 4 zu sehen war, können geringfügige Änderungen des Abstands zwischen den Magnetpolstücken und der Welle die Empfindlichkeit signifikant beeinflussen. Eine geringe Nicht-Parallelität zwischen den Magnetoberflächen und der Welle würde die beiden zur Erreichung dieser Daten verwendeten Magnete daran hindern, im genau gleichen Abstand von der Welle zu liegen oder dass jeweils ihre vollständige Breite tatsächlich gegen die Welle reibt. Da die Breite des Raums zwischen den zur Erreichung dieser Daten verwendeten Magnete 2,5 mm betrug, etwa genau so viel wie der axiale Abstand zwischen den Spitzen, ist die relative Breite des Übergangsbereichs und der Magnetabstand, die in 3 angegeben sind (bei welcher der Übergangsbereich kleiner ist als der Magnetabstand) eindeutig kein allgemeines Ergebnis. Aus dem, was bereits angeführt wurde, sollte klar sein, dass der Übergangsbereich breiter sein kann als dieser Zwischenraum. Wenn auf der anderen Seite bemerkt wird, dass der Abstand zwischen den kleineren Spitzen (mit umgekehrten Polaritäten) bei etwas weniger als ±15 mm über die gesamte Magnetabmessung von 27,5 mm hervorsteht, sollte zu erkennen sein, dass bei weit voneinander beabstandeten Magneten (bei denen der polarisierte Bereich an beiden Enden über die Magnetbreite hervorsteht) der Übergangsbereich tatsächlich kleiner sein kann als der Magnetabstand. Mit diesem Verständnis des Polarisationsverfahrens ist der Beitrag unter der obigen Ziffer 8 zur beobachteten langsamen Annäherung an einen gesättigten Wert der Empfindlichkeit nun zu erkennen. Ein Feldsensor, der in der geometrischen Mitte des Raums zwischen den Magneten angeordnet ist, gibt eine Zunahme der Empfindlichkeit an, wenn die Tiefe des Tals zwischen den Spitzen abnimmt.
Die beiden Spitzen und die nicht perfekte Symmetrie der in 5 gezeigten Kurve stellen lediglich ein Experimentergebnis dar. Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, eine einzige deutliche mittlere Spitze zu haben, während bei anderen Anwendungen eine breite, relativ flache mittlere Spitze wünschenswerter wäre (beispielsweise zur Reduzierung der Änderung der Empfindlichkeit auf ein axiales "Spiel" in der Welle). Im Allgemeinen, und auch zur Vereinfachung der Erläuterungen der Vorrichtung, ist eine symmetrische Kurve mit einer einzigen mittleren Spitze bevorzugt. Andererseits kann es spezifische Anwendungen geben, bei denen zwei, mehrere oder viele einzelne polarisierte Bereiche vorteilhaft entlang einer Welle verteilt sein können. In Wirklichkeit würde eine derartige Welle mehr als einen aktiven Bereich aufweisen, die zu unterschiedlichen spezifischen Zwecken entweder gleich oder entgegengesetzt gerichtete Umfangspolarisationen haben. Das Unterscheidungsmerkmal derartiger Anordnungen mit multiplen Bereichen ist, dass die von jedem solchen Bereich herrührenden Felder im nahen Raum voneinander unabhängig sind. Ein wie in 5 gezeigtes Schaubild würde dann symmetrische positive und negative Spitzen (von gleicher Amplitude) an oder nahe den Enden jedes polarisierten Bereichs haben. Es sollte klar sein, dass es bei Aufnehmern mit mehr als einem polarisierten Bereich die Breite des Übergangsbereichs ist, die den Unterschied bei der Bezeichnung der aktiven Bereiche als einzelne multiple oder als multiple einzelne polarisierte Bereiche bildet.
Ein damit zusammenhängendes Problem, das kurz angesprochen werden muss, ist der Einfluss der axialen Erstreckung des aktiven Bereichs auf die Leistung des Drehmomentaufnehmers. Die Abmessungen des aktiven Bereichs erfordern die Berücksichtigung von zwei Faktoren. Erstens ist es natürlich die Frage, wie viel Platz an der Welle verfügbar ist, um die Drehmomenterfassungsfunktion zu implementieren. Wenn bei einer speziellen Anwendung dieser Raum stark begrenzt ist, entweder aufgrund der Nähe von nicht zugehörigem magnetisierbarem Material, z. B. Kugellager, Zahnrädern usw., ist dies der vorrangige Faktor. Wenn so viel Raum wie erwünscht verfügbar ist, werden die Abmessungen des aktiven Bereichs im Allgemeinen so gewählt, dass eine gewisse erwünschte Empfindlichkeit (d. h. ein drehmomentbezogenes Signalfeld) erhalten wird. Das Ziel besteht dabei nicht einfach darin, die Feldstärke am Spitzenwert des aufgebrachten Drehmoments zu maximieren, sondern vielmehr eine Feldstärke zu erreichen, die mit der bevorzugten Art und Ausrichtung des Magnetfeldsensors bzw. der Magnetfeldsensoren (oder Sensor(en) mit axialer Magnetisierungskomponente) übereinstimmt. Ein zu hohes Signalfeld kann nicht nur einige Arten von Feldsensoren zur Sättigung bringen, sondern kann auch nahegelegenes ferromagnetisches Material in Maschinenteile magnetisieren, welche für Funktionen dienen, die nicht mit der Drehmomenterfassung zusammenhängen. Da die Signalfeldstärke das Produkt aus einem Demagnetisierungsfaktor (das mit der Länge des aktiven Bereichs zunimmt) und der axialen Magnetisierungskomponente (die mit der Länge des aktiven Bereichs abnimmt) ist, ist die Länge des aktiven Bereichs keine empfindliche Determinante für die Feldstärke. Wenn somit eine ganze Gruppe von Drehmomentaufnehmern mit stark variierenden Drehmomentbereichen (d. h. mit unterschiedlichen Wellendurchmessern) aufzubauen ist, kann es wohl vorteilhaft sein, einen aktiven Bereich mit den gleichen Abmessungen für alle zu verwenden, damit bei allen die gleiche Feldsensorausgestaltung angewendet werden kann. Was den Wellendurchmesser anbelangt, kann ein nützlicher Abmessungsbereich zwischen einigen integralen Vielfachen, beispielsweise das Vierfache (4-fache) des Durchmessers für kleine Wellen im Durchmesserbereich von 3 mm, bis zum Einfachen (1-fachen) des Durchmessers für Wellen im Durchmesserbereich von 20 mm, und zum 0,3-fachen des Durchmessers für Wellen im Durchmesserbereich von 100 mm liegen. Es ist vermutlich eine nützliche Einschätzung zu betrachten, dass die Länge des aktiven Bereichs bei Wellen mit einem Durchmesser zwischen 1 und 1000 mm zwischen 5 und 100 mm beträgt. Die axiale Erstreckung des aktiven Bereichs wird gewöhnlich durch praktische Überlegungen bestimmt, beispielsweise, dass der Bereich lang genug sein muss, um ein praktisch nützliches Feld zu erzeugen, und in einer geeigneten Weise bemessen sein muss, um von im Handel erhältlichen, praktisch nützlichen Magnetvektorsensoren erfasst zu werden. Wenn die effektiven Enden derartiger Bereiche absichtlich dazu gebracht werden, zu verschwimmen, sind die "Abmessungen" des aktiven Bereichs noch weniger von Bedeutung. Die Zweckmäßigkeit der Ausgestaltung ist der Hauptfaktor bei der Bestimmung der Abmessungen und axialen Position(en) des/der aktiven Bereichs/Bereiche. Im Allgemeinen wird die Anordnung der aktiven Bereiche an Stellen der Welle bevorzugt, die einen ausreichenden Abstand von ihren Enden haben, damit sie von Magentisierungen, die sich aus umgebenden, begleitenden oder unbeabsichtigten Magnetfeldquellen ergeben, nicht beeinträchtigt werden.
Wie bereits angeführt, muss die Welle eine geeignete Kombination aus mechanischen, magnetischen und magnetoelastischen Eigenschaften haben, um als brauchbaren kragenlosen Drehmomentaufnehmer zu dienen. Geeignete Kombinationen von Eigenschaften sind bei vielen üblicherweise erhältlichen Stählen zu finden. Viele "Permanentmagnet"-Legierungen, die auch geeignete Kombinationen von Stärke und Verformungsvermögen haben, sind auch geeignet, obwohl ihre Nutzung bei speziellen Anwendungen dadurch eingeschränkt ist, dass sie im Handel nur beschränkt erhältlich und relativ teuer sind. Das Erhalten der erforderlichen Kombination aus mechanischen und magnetischen Eigenschaften ist sowohl eine Funktion des metallurgischen Zustands als auch der chemischen Zusammensetzung. Somit wird das ausgewählte Material nahezu sicher einer Form von thermischer (und/oder mechanischer) Behandlung unterzogen. Diese besteht oft in einer Erwärmung auf eine geeignete Temperatur und Kühlen bei einen gesteuerten Geschwindigkeit (z. B. Luft-, Öl- oder Wasserquenchen), gefolgt von einer erneuten Erwärmung auf eine niedrigere Temperatur und einem langsameren Abkühlen (Tempern – also "Auslagern" zur Abscheidung von intermetallischen Verbindungen). Kryogene Verfahren können auch als geeignet betrachtet werden, um die erhaltenen Eigenschaften zu optimieren und/oder stabilisieren. In jedem Fall besteht das Ziel aller derartigen Behandlungen darin, das Material mechanisch zu stärken (seine Streckgrenze zu erhöhen) und es gleichzeitig magnetisch zu "härten" (seine Koerzitivkraft zu erhöhen). Es wird im Allgemeinen festgestellt, dass das Material in seinem Endzustand eine Koerzitivkraft (Hc) vorzugsweise von mehr als 1,2 kA/m (15 Oe), weiter bevorzugt von mehr als 1,6 kA/m (20 Oe) und vorzugsweise von mehr als 2,8 kA/m (35 Oe) haben sollte, die im Idealfall größer ist (wenn in Richtung dieses Felds gerechnet) als die höchste Magnetfeldstärke, die sich beim Aufbringen des maximalen erwarteten Drehmoments ergibt.
Beispiele für die Materialkategorien, die für kragenlose Drehmomentaufnehmer als geeignet ermittelt wurden, sind nachfolgend gezeigt. Die üblichen Klassen in jeder Kategorie sind angegeben.

1. Martensitische Edelstähle (vorzugsweise luftgehärtet) AISI/SAE-Klassen: 403, 410, 414, 416, 420, 431, 440A, 440B, 440C
2. Durch Ausscheiden gehärtete Edelstähle (Chrom und Nickel) AISI/SAE-Klassen: 15-5PH, 17-4PH, 17-7PH, PH 13-8Mo
3. Legierungsstähle (vergütet – manchmal aufgekohlt oder nitriert) AISI/SAE-Klasen: 4140, 4320, 4330, 4340, 4820, 9310 Übliche Bezeichnungen: 300M, Aermet 100, 98BV40, 9-4-20, 9-4-30
4. Werkzeugstähle (vorzugsweise vergütete, metallurgisch "saubere" hochlegierte Stähle) AISI-Klassen: Typ A, D, H, L, M, O, T, W und kobaltreiche Schnellarbeitsstähle
5. Martensitaushärtungsstähle (viel Nickel, wenig Kohlenstoff) Übliche Bezeichnungen: 18Ni250, C-250, Vascomax T-300, NiMark, Marvac 736
6. Duktile Permanentmagnetmaterialien Übliche Bezeichnungen: Vicalloy, Remendur, Cunife, Cunico, Vacozet
7. Magnetstähle Übliche Bezeichnungen: KS-Stahl, MT-Stahl, 3,6% Cr, 15% Co, Wolframstahl
8. Spezielle Legierungen und weitere Materialien Übliche Bezeichnungen: Permendur, Alfer, Alfenol, Kovar, hartgezogener Nickel, hartgezogener Permalloy

Die gegenwärtig erreichbare Leistung von kragenlosen Drehmomentaufnehmern erreicht nicht diejenige, die bei Bauweisen mit einem Ring an der Welle erhalten werden. Die Hysterese bei der Übertragungsfunktion ist die primäre Quelle für eine mangelhafte Leistung. Nichtsdestotrotz ist die derzeit erreichbare Leistung bei vielen Anwendungen vollkommen zufriedenstellend. Da außerdem ein breites Spektrum an Hysterese beobachtet wurde (verschiedene Materialien, variierende Wärmebehandlungen), die sowohl positive als auch negative Werte umfassen, ist klar, dass die Leistung mit der weiteren Entwicklung verbessert wird. Die Übertragungsfunktion eines kragenlosen Versuchs-Drehmomentaufnehmers vom gleichen Typ und der gleichen Größe aus Schnellarbeitsstahlmaterial, das auch verwendet wurde, um die in den 4 und 5 gezeigten Daten zu erhalten, ist in 6 gezeigt. Außer der offensichtlichen Anwesenheit von Hysterese ist zu sehen, dass die Übertragungsfunktion dieses Aufnehmers eine exzellente Linearität hat. Es waren keine signifikanten Änderungen in der Regressionsgeraden zu bemerken, als die Ladung auf ±50 Nm erhöht wurde. Die Übertragungsfunktion anderer Versuchsaufnehmer (die im Allgemeinen aus Materialien mit geringeren Koerzitivfeldstärken bestanden), haben sowohl höhere Hysteresewerte als auch Sättigungsanzeichen (abnehmende Neigung an den höchsten Drehmomentniveaus) gezeigt.
Es ist in der gesamten Beschreibung der vorliegenden Erfindung deutlich gemacht worden, dass es wünschenswert ist, das Vorhandensein von permeablem, magnetisierbarem Material nahe dem aktiven Bereich des Aufnehmers vollständig zu vermeiden oder zumindest zu minimieren. Bei den Sensoren mit einem Ring an der Welle des US-Patents 5,351,555 wird dies üblicherweise dadurch erreicht, dass Wellen aus Material mit geringer Permeabilität verwendet werden oder durch eine räumlich Trennung, z. B. mittels einer dazwischenliegenden Hülse mit geringer Permeabilität, zwischen dem "Ring" und einer Welle, die eine höhere Permeabilität aufweist als erwünscht. Bei kragenlosen Ausgestaltungen wird die erwünschte niedrige Permeabilität von nahegelegenem Material durch die Verwendung von Wellenmaterialien erreicht, die relativ hohe Koerzitivfeldstärken haben, manchmal in Kombination mit einer geometrischen Trennung des aktiven Bereichs von den angrenzenden Wellenabschnitten. Das wesentliche Merkmal von erfolgreichen kragenlosen Bauweisen besteht darin, dass der Betrag des Felds, das von dem Drehmoment erzeugt wird, zu klein ist, um zu signifikanten irreversiblen Magnetisierungsänderungen in Wellenabschnitten nahe dem aktiven Bereich zu führen.
Ein weiteres praktisches Erfordernis von kreisförmig magnetisierten Drehmomentaufnehmern liegt darin, dass ein oder mehrere aktive Bereiche jeweils eine erkennbare Position an der Welle haben und effektive axiale Ausdehnungen, die kürzer sind als die Länge zwischen den Enden der Welle. Bei den Sensoren mit einem Ring an der Welle des US-Patents 5,351,555 begrenzen die physischen Abmessungen des Rings die axiale Ausdehnung des aktiven Bereichs, und da der/die aktive(n) Bereich(e) offensichtlich darauf beschränkt ist/sind, innerhalb der Ringabmessungen zu liegen, wird seine/ihre Position an der Welle automatisch durch die Position des Rings bestimmt. Bei kragenlosen Ausgestaltungen werden sowohl die axiale Ausdehnung als auch die axiale Position des/der aktiven Bereichs bzw. Bereiche als Einzelheiten der herbeigeführten remanenten Umfangsmagnetisierungen mit oder ohne mitwirkende geometrische Merkmale bestimmt.
Es gibt noch eine weitere Bauweise für kragenlose Drehmomentsensoren, bei der im Wesentlichen die Erzeugung parasitärer Felder im Wellenmaterial nahe dem aktiven Bereich vermieden wird. Gemäß dieser Bauweise wird das Vorhandensein von magnetisierbarem Material in der nähe des/der aktiven Bereichs bzw. Bereiche vermieden, und die Größe(n) und Position(en) des aktiven Bereichs, die fest sind, werden unter Verwendung der einzigartigen Eigenschaften bestimmter ausgewählter Wellenmaterialien bestimmt. Geeignete Materialien können in einer von zwei (oder mehr) verschiedenen, (über den erforderlichen Betriebstemperaturbereich des Aufnehmers) stabilen metallurgischen Phasen bestehen. Eine solche Phase ist ausreichend ferromagnetisch und magnetostriktiv, um die Anforderungen des aktiven Bereichs zu erfüllen, und andere haben eine ausreichend niedrige Permeabilität, um effektiv nicht magnetisierbar zu sein, wodurch sie die Anforderungen im Wesentlichen passiver Bereiche erfüllen. Der Begriff "im Wesentlichen passiv", wie er hier verwendet wird, gibt Bereiche an, die, wenn sie Magnetfelder ausgesetzt werden, nicht ausreichend magnetisiert werden, um parasitäre Magnetfelder hervorzurufen, die ausreichend stark sind, um die Nützlichkeit des von den Magnetfeldsensoren erfassten Nettomagnetfelds für Drehmomenterfassungszwecke zu zerstören. Wenn diese Phasen durch geeignete Bearbeitung beliebig bestimmt werden können, sollte es klar sein, dass sowohl aktive als auch im Wesentlichen passive Bereiche, die jeweils eine gewünschte Größe und Position haben, derart gestaltet sein können, dass sie an derselben Welle nebeneinander bestehen können. Ein Drehmomentaufnehmer wird dann geschaffen, indem in geeigneten Abschnitten des/der aktiven Bereichs bzw. Bereiche einfach eine remanente Umfangsmagnetisierung (d. h. eine Polarisation) in der/den gewünschten Kreisrichtung(en) herbeigeführt wird. Es ist selbstverständlich wünschenswert, dass die Anisotropie, die diese Polarisationen aufrechterhält, die remanente Magnetisierung darauf beschränkt, innerhalb von 45° der Umfangsrichtung zu liegen. Eine uniaxiale Anisotropie in diese Richtung, wie sie bei den Ringen der Sensoren mit einem Ring an der Welle herbeigeführt wird, ist offensichtlich die wünschenswerteste Anisotropie. Wünschenswert ist auch eine magnetokristalline Anisotropie, die mit den atomaren Anordnungn einer Gitterstruktur mit multiaxialer Symmetrie zusammenhängt, beispielsweise eine kubische Struktur mit einem kubisch-raumzentrierten Kristallgitter, die die für kragenlosen Sensorbauformen ausgewählten Materialien kennzeichnen. Obwohl der aktive Bereich bevorzugt von im Wesentlichen passiven Bereichen flankiert ist, ist es wichtig, dass die Koerzitivfeldstärke des aktiven Bereichs hoch bleibt. Dadurch soll verhindert werden, dass das aufgrund des aufgebrachten Drehmoments erzeugte Feld zu einem irreversiblen Verlust des Betrags der Umfangspolarisation im aktiven Bereich führt. Wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Koerzitivfeldstärke von mehr als 15 wünschenswert, von mehr als 20 noch wünschenswerter und von mehr als 35 bevorzugt. Der Grundaufbau einer metallurgisch bearbeiteten Welle zur Verwendung als Drehmomentaufnehmer ist in Verbindung mit dem Sensor von 7 gezeigt, welche eine einstückige Welle veranschaulicht, die so bearbeitet ist, dass sie einen getrennten ferromagnetischen, magnetostriktiven Bereich (der magnetisierbare aktive Bereich) mit einer gewünschten axialen Abmessung und Position hat. Auch wenn sie physisch einstückig ist und im Allgemeinen durchgehend aus einer homogenen chemischen Zusammensetzung besteht, besteht die Welle aus getrennten aktiven und im Wesentlichen passiven Bereichen, die jeweils für ihre jeweilige Funktion geeignete magnetische Eigenschaften haben.
Viele feste Materialien können in mehr als einer Strukturform vorliegen, ein Merkmal, das Polymorphie genannt wird. Jede eindeutige polymorphe (oder allo trope) Form bildet eine Phase. Die Umwandlung von einer Phase in eine andere ist ein übliches Vorkommen bei metallischen Materialien. Man stellt fest, dass Phasenänderungen bei kennzeichnenden Temperaturen entweder beim Kühlen oder beim Erwärmen in vielen reinen Metallen und auch bei Legierungen stattfinden. Der kritische Temperaturbereich, bei dem eine Phasenumwandlung erfolgt, variiert mit der Metallzusammensetzung und reicht von Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt bis zu Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Einige Phasenumwandlungen finden isothermisch über einen Zeitraum statt, obwohl die genaue endgültige Phase häufiger von der Geschwindigkeit der Abkühlung (oder Erwärmung) über einen kritischen Temperaturbereich abhängt. Bei einigen Legierungen kann eine Phasenumwandlung, die normalerweise beim Kühlen stattfinden würde, mittels mechanischer Mittel auch dazu gebracht werden, bei Temperaturen stattzufinden, die weit über diejenige liegen, die allein zum Kühlen erforderlich ist. Wirksame Verfahren umfassen die plastische Verformung, Stoßwellen und manchmal auch ein einfacher hydrostatischer Druck. Umwandlungen, die während des Kühlens gar nicht stattfinden, auch nicht bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, können häufig durch solche mechanische Mittel dazu gebracht werden, bei höheren Temperaturen stattzufinden. Das Ausmaß der Umwandlung, die durch derartiges Kaltformen hervorgerufen werden kann, variiert mit der Zusammensetzung, dem Verformungsgrad und der Verformungsrate. Thermisch hervorgerufenen Phasenumwandlungen eines Materials, das kaltgeformt wurde, finden häufig bei Temperaturen statt, die sich von denjenigen der Umwandlungen bei nicht verformten Materialien derselben Zusammensetzung unterscheiden. Bei vielen eisenreichen (Eisen-)Legierungen umfassen die verschiedenen Phasen, die über den Betriebstemperaturbereich der meisten Maschinen stabil sind (von –50°C bis +150°C), ein vollständiges Spektrum magnetischer Merkmale. Somit kann eine einzelne Legierung in einer Phase stabil vorliegen, die in Abhängigkeit vom Verlauf ihrer thermischen und mechanischen Behandlung ferromagnetisch, paramagnetisch (oder sogar antiferromagnetisch) ist. Es ist sogar möglich, dass getrennte, nebeneinander bestehende ferromagnetische Phasen sich hinsichtlich ihrer jeweiligen magnetischen und magnetoelastischen Eigenschaften stark unterscheiden. Die unterschiedlichen Phasen eines beliebigen Materials haben meistens auch unterschiedliche Dichten, unterschiedliche elektrische Widerstände, unterschiedliche Elastizitätsmodule und andere physikalische Eigenschaften.
Ungeachtet der speziellen verwendeten Legierung und dessen, ob die Phasenumwandlungen lediglich durch thermische Verfahren, lediglich durch mechanische Verfahren oder durch eine Kombination von thermischen und mechanischen Verfahren hervorgerufen wurden, beinhaltet das allgemeine Verfahren zur Bearbeitung einer Welle, dass die aktiven und im Wesentlichen passiven Bereiche den verschiedenen Behandlungsbedingungen ausgesetzt werden, die erforderlich sind, um die jeweils gewünschte Phase in jedem solchen Bereich zu erhalten. Somit ist mindestens einer der Behandlungsschritte auf einen, jedoch nicht auf die anderen dieser Wellenbereiche begrenzt.
Das Einwirken bestimmter Arten der mechanischen Verformung auf einen lokalen Bereich wird ohne weiteres ausgeführt. Bei einigen Verfahren, wie etwa Schmieden, Gesenkformen, Rändeln, Oberflächenwalzen und dergleichen wird die Position des bearbeiteten Bereichs an der Welle und dessen axiale Ausdehnung ohne weiteres durch die Größe und Position des zugeordneten Werkzeugs gesteuert. Lokalisierte Stoßwellen werden auf einfache Weise ausgelöst, indem der/die gewünschte(n) Bereich(e) der Welle mit geeigneten Sprengmitteln umwickelt wird. Sogar ein axiales Spannen oder Zusammendrücken kann mittels geeigneter Klemmeinrichtungen lokalisiert werden.
Das Einschränken verschiedener Temperaturabweichungen auf lokale Bereiche erfordert die wohlüberlegte Verwendung von fokussierten Energiequellen, Wärmeisolierung und lokaler Berührung mit erwärmten oder gekühlten Oberflächen. Diese Verfahren können während eines oder mehrerer Behandlungsschritte getrennt oder in Kombination angewendet werden. Die Grundidee ist durch das spezifische Beispiel veranschaulicht, das in 8 gezeigt ist, welche eine Welle veranschaulicht, die durch das Durchführen eines elektrischen Stroms erwärmt wird. Die Temperatur der Welle im mittleren "Kühl"-Blockabschnitt ist niedriger gehalten als in den ungekühlten Endabschnitten.
Die Größe, Gestalt und Komplexität des in dieser Figur gezeigten "Kühl"-Blocks hängt von der Größe der Welle, dem erforderlichen Temperaturgradienten zwischen den gekühlten und den ungekühlten Abschnitten und von der Dauer ab, über die dieser Gradient gehalten werden muss. Bei Wellen mit kleinem Durchmesser oder schnellen Zeiten des thermischen Kreislaufs könnte ein eng anliegender (vielleicht sogar galvanisierter) Kupferring ausreichend sein. Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Kupfer würde die ohmsche Erwärmung des umschlossenen Wellenbereichs verringern. Lange Bearbeitungszeiten, große Wellen und/oder große Temperaturgradienten könnten einen aktiven Kühlkörper, beispielsweise eine Fremdkühlung durch einen Rippenblock, oder sogar einen mit Wasser oder Kühlmittel gekühlten Block erfordern. Um die erforderliche elektrische Energie zu reduzieren und auch um eine gleichmäßig und auf einfache Weise gesteuerte Temperatur beizubehalten, könnten es auch wünschenswert sein, die ungekühlten Wellenbereiche mit Glasfaser, Asbest oder anderen Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit zu isolieren. Die Verwendung und Positionierung von Isolierstoffen und Kühlkörpern hängt offensichtlich davon ab, ob die aktiven oder die passiven Bereiche der Wellen die Hochtemperaturbehandlung benötigen. Neben dem in 8 veranschaulichten Verfahren sind andere Mittel zur selektiven Erwärmung (oder Kühlung) möglich. Induktionserwärmung, Strahlungserwärmung, das teilweise Eintauchen in erwärmte oder gekühlte Flüssigkeiten und weitere Mittel zur Übertragung von Energie in lokalisierte Wellenbereiche sind alle möglicherweise anwendbar.
Da die Wirksamkeit der plastischen Verformung in induzierten Phasenumwandlungen temperaturabhängig ist, ergeben sich lokale Umwandlungsbereiche einfach durch das Halten unterschiedlicher Abschnitte der Welle bei unterschiedlichen Temperaturen, während die gesamte Welle einer mehr oder weniger gleichmäßigen plastischen Beanspruchung ausgesetzt wird. Bei Materialien, die durch Beanspruchung induzierte Phasenumwandlungen erfahren, gibt es eine Temperatur (die im Allgemeinen mit Md bezeichnet wird), über die hinaus keine durch Beanspruchung induzierte Umwandlung erfolgt. Wenn der Betriebstemperaturbereich des Drehmomentaufnehmers über der Temperatur liegt, bei der das beanspruchte Material eine thermisch induzierte Phasenumwandlung (M_s genannt) erfahren würde, sind die beiden durch derartige thermomechanische Behandlung erzeugten Phasen stabil. Die Auswahl de Bearbeitungsvorgangs oder der Bearbeitungvorgänge aus den unterschiedlichen thermischen, mechanischen und thermomechanischen Mitteln zur Einleitung von Phasenumwandlungen hängt eindeutig von den Besonderheiten jedes Legierungssystems ab.
Um als Drehmomentaufnehmer nutzbar zu sein, muss ein zur Auswahl stehendes Material eine stabile Phase mit geeigneter magnetischer Remanenz, Magnetostriktion und Koerzitivfeldstärke und eine weitere stabile Phase haben, die nicht mehr als schwach ferromagnetisch ist und eine niedrige Magnetostriktion hat (innerhalb des Bereichs der Magnetfelder, denen sie ausgesetzt sein kann). Glücklicherweise gibt es viele wohl bekannte Legierungssysteme, die magnetisch getrennte, stabile Phasen in dem interessierenden Temperaturbereich haben. Es ist beispielsweise festgestellt worden, dass Martensitaushärtungsstähle mit 18% Ni thermisch zu verschiedenen metallurgischen Zuständen bearbeitet werden können, die stark unterschiedliche magnetische und magnetoelastische Eigenschaften haben. Im Allgemeinen stellt man fest, dass viele hochlegierte, eisenreiche Materialien thermisch und/oder mechanisch in Zustände bearbeitet werden können, die in einer geeigneten Weise getrennte magnetische und magnetoelastische Eigenschaften haben, um möglicherweise zur Herstellung von einstückigen Drehmomentaufnehmern nutzbar zu sein. Einige Beispiele für bekannte nützliche Legierungssysteme sind die folgenden:

1. Austenitischer Stahl und Variationen davon, die auf große Zugaben von Mn (oder anderer Elemente oder Kombinationen von Elementen) zu Kohlenstoffstählen beruhen, um die austenitische Phase γ zu stabilisieren (die gewöhnlich bei hohen Temperaturen vorliegt), wodurch sie bei niedrigen Temperaturen bestehen kann. Austenit ist normalerweise paramagnetisch. Bei kryogenen Temperaturen sind einige Austenite antiferromagnetisch. Herkömmliche austenitische Stähle bestehen aus Eisen, das mit 12% Mn und 1,2% C legiert ist. Die Umwandlung von Austenit zu ferromagnetischem Martensit erfolgt durch Kaltformen bei Raumtemperatur. Das Oberflächenwalzen oder andere Verfahren, die eine lokale Verformung hervorrufen, können angewendet werden, um einen Bereich mit aktiver Oberfläche zu bilden, die (verfahrensabhängige Tiefe) axial (und intern) an nicht magnetisierbare passive Bereiche angrenzt. In diesem Zusammenhang ist es interessant anzumerken, dass austenitische Stähle seit über einem Jahrhundert für Eisenbahnschienen verwendet werden, bei denen sich der harte, verschleißbeständige Martensit durch die Walzwirkung der Zugräder ergab.
2. TRIP-Stähle. Diese Stähle werden im Allgemeinen warmgeformt (über der Temperatur Md plastisch verformt), um eine hohe Dichte an Versetzungen zu erzeugen. Die austenitische Struktur wird bei Raumtemperatur (und darunter) beibehalten. Jede weitere plastische Verformung unterhalb der Temperatur Md führt zur Umwandlung zu Martensit. TRIP-Stähle sind gewöhnlich komplexe Legierungen, die häufig mehr als 30% sich von Eisen unterscheidende Elemente enthalten. Da diese Elemente (typischerweise Cr, Co, Ni, Mo) normalerweise zur Magnetostriktion beitragen (und häufig die Kristallanisotropie verringern), sind diese Legierungen magnetoelastisch aktiv. Da sie für einen anspruchsvollen Einsatz entwickelt wurden, wie etwa für landminenbeständige Tankbodenplatten, sind sie zudem außergewöhnlich stark.
3. Übliche nicht rostende Stähle der Art 18-8 (18% Cr, 8% Ni) haben im mit einer Lösung getemperten Zustand eine austenitische Kristallstruktur. In Abhängigkeit vom genauen Legierungsgehalt wird die Kristallstruktur vieler Stähle in dieser Gruppe durch kryogene Behandlung, Kaltformen und durch Kombinationen dieser Verfahren zu ferromagnetischem Martensit umgewandelt. Normalerweise wandeln sich diejenigen Legierungen, die einen niedrigen Gesamtlegierungsgehalt haben (beispielsweise AISI 302) einfacher in Martensit als diejenigen mit höherem Gesamtlegierungsgehalt (beispielsweise AISI 316). Einige Legierungen dieser Art sind absichtlich so formuliert, dass sie durch eine Oberflächenbehandlung einen harten, verschleißbeständigen Martensit entwickeln. Diese finden bei Baugeräten und landwirtschaftlichen Werkzeugen Anwendung.
4. Durch Ausscheiden gehärtete Edelstähle, die ausreichend Chrom und Nickel haben, um austenitische Strukturen bei Raumtemperatur zu halten, können durch Auslagerungsbehandlungen zu Martensit umgewandelt werden. Während der Auslagerung werden Ausscheidungen gebildet, die die Konzentration der "austenitisierenden" Elemente verringert.
5. Eisen-, Nickel-, Kohlenstofflegierungen haben ähnliche Eigenschaften wie austenitische Stähle (obwohl Ni teuer ist als Mn).

Um die Herstellung eines kragenlosen Drehmomentsensors mit diesem Verfahren zu verauschaulichen, wurden Versuchswellen aus einem nahtlosen Rohr aus nicht rostendem Stahl (AISI-304 mit etwa 18% Chrom und 8% Nickel) und mit einem Außendurchmesser von 1/4'' (6,35 mm) hergestellt. Im so erhaltenen getemperten Zustand waren diese Wellen im Wesentlichen nicht ferromagnetisch (Permeabilität von nicht mehr als 1,1). Beim Drehen jeder Welle wurde diese für gemessene Zeitperioden zwischen zwei Walzen aus gehärtetem Stahl mit einem bekannten Walzenabstand gedrückt. Bei dieser Behandlung wurde das Oberflächenmaterial einer periodischen Rückbiegungsbeanspruchung über seiner Fließgrenze ausgesetzt. Eine solche plastische Verformung führte zur Umwandlung des Austenits in ein ferromagnetisches Martensit (Permeabilität im Bereich zwischen 10 und 100). Dies erzeugte den aktiven Bereich des Aufnehmers. Durch eine axiale Bewegung der Welle in Bezug auf das Walzenpaar kann ein aktiver Bereich mit einer axialen Ausdehnung erhalten werden, die größer ist als die Flächenbreite der Walzen. Anschließend wurden die Wellen jeweils durch eine Rotation in der Nähe von zwei entgegengesetzt polarisierten Magneten in Umfangsrichtung magnetisiert, um einen Aufnehmer mit zwei Bereichen zu schaffen. Der Aufnehmer wurde getestet, indem das aus dem kaltgeformten Bereich ausgehende radiale Feld mit Aufbringen eines Drehmoments auf die Welle gemessen wurde. Die Testergebnisse geben an, dass die Empfindlichkeit mit abnehmendem Walzenabstand (je kleiner der Walzenabstand, desto größer der Betrag des Kaltformens), s. 9, und mit steigender Walzdauer steigt (je höher die Walzdauer, desto größer der Betrag des Kaltformens), s. 10. Diese Ergebnisse überraschen nicht, da mehr Kaltformen eine vermehrte Bildung von Martensit bedeutet.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Zusätzlich zu allen üblichen Anwendungen für Drehmomentaufnehmer sind kragenlose Ausgestaltungen insbesondere für eine Anzahl von Anwendungsgebiete und spezifische Anwendungen geeignet, bei denen die Flexibilität und Wirtschatlichkeit, die mit seiner einstückigen Bauweise und/oder den üblichen chemischen Eigenschaften der aktiven und inaktiven Abschnitte der Welle zusammenhängen, entweder erwünscht oder erforderlich sind. Einige von ihnen sind nachfolgend beschrieben.
1. Wellen, die korrodierenden Umgebungen ausgesetzt sind.
Hochfeste Stähle, wie etwa Martensitaushärtungsstähle mit 18% Ni sind Spannungsrisskorrosion ausgesetzt, wenn sie auf Zug beansprucht und Salzwasser, insbesondere heißem, angesäuertem Salzwasser ausgesetzt werden. Bei herkömmlichen Aufnehmern mit einem "Ring an der Welle" ist der angebrachte Ring aufgrund seiner Befestigung an der Welle mittels einer Press passung häufig einer wesentlichen Zugspannung am Umfang ausgesetzt. Kragenlose Ausgestaltungen haben keinen Ring, und es gibt somit keine Bereiche der Welle, die absichtlich auf Zug beansprucht werden. In der Tat ist es nicht unüblich, im Hinblick auf eine zunehmenden Zugfestigkeit, die Oberflächen von Hochleistungswellen einem Kugelstrahlverfahren zu unterziehen, zu rollen oder auf andere Weise zu behandeln, um die verbleibenden Druckspannungen herbeizuführen. Die einzelnen chemischen Eigenschaften sowohl der aktiven als auch der inaktiven Bereiche vermeiden auch die Möglichkeit von Kontaktkorrosion, die vorliegt, wenn ungleiche Metalle bei elektrischem Kontakt Elektrolyten ausgesetzt sind.
2. Wellen, die extreme Drehmomente übertragen.
Das Grenzdrehmoment bei Bauweisen mit einem Ring an der Welle wird häufig durch den Beginn eines Grenzflächengleitens zwischen dem Ring und der darunter liegenden Welle bestimmt. Die Verwendung von einstückigen, hochfesten Stahlwellen vermeidet die Möglichkeit eines derartigen Gleitens.
3. Wellen, die bei hoher oder niedriger Temperatur oder bei den Extremwerten der Temperaturschwankung arbeiten.
Die Verwendung von einstückigen Wellen vermeidet die Bedenken hinsichtlich der Entspannung des Kontaktdrucks (und der zugeordneten Umfangsspannung) bei sehr niedrigen Temperaturen aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen (und Zusammenziehungen) zwischen dem Ring und der darunter liegenden Welle. Dabei werden ebenso Bedenken hinsichtlich der Entspannung des Kontaktdrucks bei sehr hohen Temperaturen aufgrund eines Kriechens vermieden (unelastische Beanspruchung, die mit der Verringerung der Fließgrenzen sowohl der Welle als auch des Rings und mit der Erhöhung von Störung aufgrund ihrer unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen zusammenhängen).
4. Wellen, die wiederholtem Entfernen und erneutem Einsetzen ausgesetzt sind (verfügbare Wellen)
Torsion ist häufig die vorrangige Beanspruchungsart, die auf Schneidwerkzeuge, wie etwa Bohrmaschinen, Gewindebohrer, Reibahle, Schaftfräser, Bohrstangen usw. ausgeübt werden. Werkzeuge dieser Art werden auf eine von zwei Arten verwendet: rotierendes Werkzeug oder rotierendes Werkstück. In jedem Fall stellt das durch derartige Werkzeuge übertragene Drehmoment einen Hinweis auf ihren Zustand (Schärfe, Unversehrtheit usw.) und auf die relativen Eigenschaften des Werkstücks und die Betriebsbedingungen an (Härte, Vorhandensein, Vorhandensein und Wirksamkeit von Kühlmitteln, Schmiermitteln, Vorhandensein von die Rillen verstopfenden Spänen usw.). Viele Schneidwerkzeuge werden aus Schnellarbeitsstählen hergestellt, einem sehr zufriedenstellenden Material für kragenlose Drehmomentaufnehmerwellen. Es ist lediglich erforderlich, dass ein aktiver Bereich in irgendeinem verfügbaren (freiliegenden) Schaftabschnitt (zwischen dem Bohrfutter oder einem anderen Antriebs- oder Haltemittel und dem Schneidbereich) gebildet wird und dass ein geeignetes Magnetfelderfassungsmittel in einer geeigneten Weise angebracht ist. Es kann ein System in Betracht gezogen werden, bei dem individuelle Werkzeuge in einer beliebigen Ad-hoc-Befestigungsvorrichtung polarisiert werden, bevor sie in der Maschine eingebaut werden. Die Polarisation kann entweder unmittelbar vor einem derartigen Einbau oder zu einer anderen geeigneten Zeit während der Herstellung, dem Schleifen oder dem erneuten Schleifen stattfinden. Bei Anwendungen, in denen das Werkzeug rotiert, ist es auch möglich, polarisierende Magnete in der Felderfassungsbaugruppe vorzusehen, wodurch die Verwendung von Werkzeugen ohne vorherige magnetische Vorbehandlung ermöglicht wird. Da während der Verwendung dieser Werkzeuge Späne erzeugt werden, müssen einige Vorkehrungen getroffen werden, um zu verhindern, dass sie in die Erfassungsbaugruppe eindringen. Bauweisen mit einem Ring an der Welle sind mit den meisten Anwendungen dieser Art kaum kompatibel, sie eignen sich mehr für Aufnehmer, die an der Spindel (oder einem anderen Abschnitt) der Werkzeugmaschine angebracht sind. Der Vorteil, dass der Drehmomentaufnehmer direkt am Schneidwerkzeug funktioniert, besteht darin, dass er vielmehr automatisch für den Drehmomentbereich bemessen ist, der von dem eigentlichen Werkzeug angewendet wird, statt auf das größte Werkzeug bemessen zu sein, das an der Maschine verwendet werden kann.
5. "Reihen"-Wellen, bei denen das Drehmoment mit der axialen Position variabel ist.
Es ist manchmal wünschenswert, das Drehmoment messen zu können, das entlang mehrerer Abschnitte einer Welle übertragen wurde. Es gibt solche Anwendungen, bei denen eine Welle zum Antreiben einer Vielzahl von Belastungen verwendet wird oder die Torsionsbelastung kontinuierlich entlang der Wellenlänge verteilt ist. Beispiele für erstere sind bei Verpackungs- und Textilmaschinen zu finden, bei denen das Antriebsdrehmoment, das auf eine Welle an einer Stelle aufgebracht wird, eine Anzahl von Zahnrädern, Riemenscheiben, Kettenräder usw. an einer Anzahl von räumlich getrennten Stellen antreibt. Maschinen zur Herstellung und Beförderung von Gewebe und Papier verwenden Walzen (d. h. Wellen) mit kontinuierlichen Verteilungen der Drehmomentbeaufschlagung (über ihre Länge). Dadurch dass ermöglicht wird, aktive Bereiche ohne weiteres an vielen verschiedenen Stellen an einer einzigen Welle anzuordnen, stellt die kragenlose Ausgestaltung ein fertiges Mittel bereit, um die Verteilung des Drehmoments entlang solcher Wellen zu überwachen, auszugleichen oder auf sonstige Weise zu steuern. Das Anbringen einer Vielzahl von Ringen an einer einzigen Welle ist zumindest ein schwieriges Vorhaben, insbesondere wenn sie alle die gleiche Größe haben sollen.
6. Sehr kleine oder sehr große Wellen. Wellen mit großen Enden. Umgerüstete Maschinen.
Sehr kleine Ringe zur Verwendung bei sehr kleinen Wellen (beispielsweise mit einem Durchmesser von 1 mm) sind unter Verwendung von Presspassungen sehr schwierig zu handhaben und anzubringen. Der Betrieb von kleinen Wellen bei extremen Geschwindigkeiten erfordert auch ein präzises Ausgleichen. Sehr große Wellen (entweder hinsichtlich des Durchmessers oder der Länge) erfordern große Maschinen zur Handhabung und die Möglichkeit, große (und teure) Werkzeuge zu verwenden, wenn der Ring axial mit großem Abstand von den Wellenenden anzubringen ist. Flansche, Lagerzapfen oder andere vergrößerte Abschnitte, die zwischen der gewünschten Aufnehmerposition und den Wellenenden vorhanden sein können, machen es schwer oder unmöglich, Bauformen mit einem Ring an der Welle zu verwenden. Ortsfeste Maschinen, bei denen das Anbringen von Ringen (oder auch möglicherweise von trennenden, paramagnetischen Hülsen) zu kompliziert, teuer und/oder zeitaufwendig ist, kann eine Vorkehrung eine Umrüstung mit einer Drehmomenterfassungsfunktion sein, indem einfach Feldsensoren an geeigneten Stellen angebracht und die gewünschten Bereiche mit Magneten polarisiert werden, die vorübergehend oder permanent an der erforderlichen Stelle gehalten werden, wenn die Welle auf normale Weise rotiert. Schiffschraubenwellen, Walzwerkwellen, Wellen an großen Motoren, Generatoren, Pumpen und Getrieben sind Bespiele dafür.

Claims

Magnetoelastischer Drehmomentsensor zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, das das Drehmoment angibt, das auf ein Element um eine sich axial erstreckende Achse des Elements aufgebracht wird, mit: einem ersten magnetoelastisch aktiven Bereich (8) im Element, wobei der Bereich (8) in einer einzigen Umfangsrichtung magnetisch polarisiert ist und eine ausreichende magnetische Anisotropie aufweist, um die Magnetisierung in dem Bereich (8) nach dem Ausüben eines Drehmoments auf das Element zu der einzigen Umfangsrichtung zurückzuführen, wenn das ausgeübte Drehmoment auf Null verringert wird, wodurch der magnetoelastisch aktive Bereich (8) ein Magnetfeld erzeugt, das sich mit dem Drehmoment ändert, einer Magnetfeldsensoreinrichtung (6), die in der Nähe des magnetoelastisch aktiven Bereichs (8) angebracht und in Bezug auf diesen orientiert ist, um den Betrag des Magnetfelds an der Sensoreinrichtung zu erfassen und das Ausgangssignal als Reaktion darauf bereitzustellen, wobei zumindest der magnetoelastisch aktive Bereich (8) des Elements aus einem polykristallinen Material besteht, bei dem mindestens 50% der Verteilung lokaler Magnetisierungen innerhalb eines 90°-Quadranten liegen, der symmetrisch um die einzige Kreisrichtung angeordnet ist, und das eine Koerzitivfeldstärke von mindestens 1,2 kA/m (1508) hat, wobei die Koerzitivfeldstärke somit ausreichend hoch ist, damit das von dem magnetoelastisch aktiven Bereich (8) herrührende Feld Bereiche des Elements in der Nähe des magnetoelastisch aktiven Bereichs (8) nicht magnetisiert, wodurch sich parasitäre Magnetfelder ergeben würden, die eine ausreichende Stärke haben, um die Nützlichkeit des von der Magnetfeldsensoreinrichtung (6) erfassten Nettomagnetfelds für Drehmomenterfassungszwecke zu zerstören.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor nach Anspruch 1, der mindestens einen zusätzlichen, axial abgesetzten, in Umfangsrichtung verlaufenden magnetoelastisch aktiven Bereich (10) aufweist, der magnetisch an den ersten Bereich (8) angrenzt, wobei jeder zusätzliche Bereich (10) in einer Umfangsrichtung polarisiert ist, die der Polarisationsrichtung von magnetisch angrenzenden magnetoelastisch aktiven Bereichen (8) entgegengesetzt ist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor nach Anspruch 1, bei dem das Element aus einem polykristallinen Material mit kubischer Symmetrie besteht.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor nach Anspruch 3, bei dem das Element aus einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus martensitischen Edelstählen, durch Ausscheiden gehärteten Edelstählen, welche Chrom und Nickel enthalten, vergüteten Legierungsstählen, Werkzeugstählen, Martensitaushärtungsstählen mit einem hohen Nickelgehalt, duktilen Permanentmagnetmaterialien, Magnetstählen, Permendur, Alfer, Kovar, hartgezogenem Nickel und hartgezogenem Permalloy besteht.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor nach Anspruch 1, bei dem das Element eine massive langgestreckte Welle (12) oder eine hohle langgestreckte Welle (12) ist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor nach Anspruch 1, bei dem das Element eine langgestreckte Welle (12) ist, die zwischen ihren Enden einen sich axial erstreckenden Abschnitt mit vergrößertem oder verringertem Durchmesser hat, und bei dem der magnetoelastisch aktive Bereich in dem Abschnitt mit vergrößertem oder verringertem Durchmesser ausgebildet ist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor nach Anspruch 6, bei dem der Abschnitt mit verringertem Durchmesser eine separate Welle ist, die an den Endabschnitten mit größerem Durchmesser starr befestigt ist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor nach Anspruch 1, bei dem die Koerzitivfeldstärke des Elements vorzugsweise mehr als 1,6 kA/m (20 Oe) und meist bevorzugt mehr als 2,8 kA/m (35 Oe) beträgt.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor nach Anspruch 1, bei dem die Magnetfeldsensoreinrichtung (6) einen Festkörpersensor, einen Hall-Effekt-Sensor oder einen Fluxgate-Magnetometer aufweist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor nach Anspruch 1, bei dem der magnetoelastisch aktive Bereich (8), wenn kein Drehmoment auf das Element ausgeübt wird, eine in Umfangsrichtung verlaufende magnetische Orientierung ohne Nettomagnetisierungskomponente in axialer Richtung hat.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor nach Anspruch 10, bei dem der magnetoelastisch aktive Bereich (8), wenn ein Drehmoment auf das Element ausgeübt wird, eine spiralförmig verlaufende magnetische Orientierung sowohl mit Umfangskomponenten als auch mit axialen Komponenten hat, wobei die Magnetfeldsensoreinrichtung (6) so angeordnet und orientiert ist, dass sie das von den axialen Magnetisierungskomponenten herrührende Magnetfeld erfasst.
Verfahren zur Erfassung eines Drehmoments, das auf ein einem Drehmoment ausgesetzten und sich in axialer Richtung erstreckenden Element ausgeübt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Bereitstellen eines ersten magnetoelastisch aktiven Bereichs (8) im Element, wobei der Bereich (8) in einer einzigen Umfangsrichtung magnetisch polarisiert ist und eine ausreichende magnetische Anisotropie aufweist, um die Magnetisierung in dem Bereich nach dem Ausüben eines Drehmoments auf das Element zu der einzigen Umfangsrichtung zurückzuführen, wenn das ausgeübte Drehmoment auf Null verringert wird, wobei zumindest der magnetoelastisch aktive Bereich (8) des Elements aus einem polykristallinen Material besteht, bei dem mindestens 50% der Verteilung lokaler Magnetisierungen innerhalb eines 90°-Quadranten liegen, der symmetrisch um die einzige Kreisrichtung angeordnet ist, und das eine Koerzitivfeldstärke von mindestens 1,2 kA/m (15 Oe) hat, wobei die Koerzitivfeldstärke somit ausreichend hoch ist, damit das von dem magnetoelastisch aktiven Bereich herrührende Feld Bereiche des Elements in der Nähe des magnetoelastisch aktiven Bereichs (8) nicht magnetisiert, wodurch sich parasitäre Magnetfelder ergeben würden, die eine ausreichende Stärke haben, um die Nützlichkeit des von der Magnetfeldsensoreinrichtung (6) erfassten Nettomagnetfelds für Drehmomenterfassungszwecke zu zerstören, (b) Erzeugen eines Magnetfelds infolge des Ausübens eines Drehmoments auf das Element, und (c) Erfassen des Betrags des Magnetfelds an einer Position in der Nähe des magnetoelastisch aktiven Bereichs (8) als Angabe des Betrags des auf das Element ausgeübten Drehmoments.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Ausüben eines Drehmoments auf das Element dazu führt, dass der magnetoelastisch aktive Bereich (8) eine spiralförmig verlaufende magnetische Orientierung sowohl mit Umfangsmagnetisierungskomponenten als auch mit axialen Magnetisierungskomponenten hat, und bei dem der Erfassungsschritt das Erfassen des von den axialen Komponenten der Magnetisierung herrührende Magnetfeld umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, das den Schritt umfasst, bei dem mindestens ein zusätzlicher, axial abgesetzter, in Umfangsrichtung verlaufender magnetoelastisch aktiver Bereich (10) vorgesehen wird, der magnetisch an den ersten Bereich (8) angrenzt, wobei jeder zusätzliche Bereich (10) in einer Umfangsrichtung polarisiert ist, die der Polarisationsrichtung von magnetisch angrenzenden magnetoelastisch aktiven Bereichen (8) entgegengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Element aus einem polykristallinen Material mit kubischer Symmetrie besteht.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Erfassungsschritt zumindest teilweise durch Positionieren einer Magnetfelderfassungsvorrichtung (6) in der Nähe des magnetoelastisch aktiven Bereichs (8) und in einem Abstand von diesem erreicht wird.
Verfahren zur Herstellung eines magnetoelastischen Drehmomentaufnehmers aus einem Element, auf das ein axiales Drehmoment ausgeübt wird, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das sich mit dem Drehmoment ändert, wobei der Betrag des Magnetfelds von Magnetfeldsensoren erfasst wird, um ein Ausgangssignal bereitzustellen, das das ausgeübte Drehmoment angibt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Bereitstellen eines ferromagnetischen, magnetostriktiven Elements mit einem ersten magnetoelastisch aktiven Bereich (8) im Element, und (b) Polarisieren einer begrenzten axialen Erstreckung des Bereichs (8) in einem magnetisierenden Feld in einer einzigen Umfangsrichtung, wobei der Bereich (8) eine ausreichende magnetische Anisotropie aufweist, um die Magnetisierung in dem Bereich (8) nach dem Ausüben eines Drehmoments auf das Element zu der einzigen Umfangsrichtung zurückzuführen, wenn das ausgeübte Drehmoment auf Null verringert wird, (c) wobei das Element aus einem polykristallinen Material besteht, bei dem mindestens 50% der Verteilung lokaler Magnetisierungen innerhalb eines 90°-Quadranten liegen, der symmetrisch um die einzige Umfangsrichtung angeordnet ist, und das eine Koerzitivfeldstärke von mindestens 1,2 kA/m (15 Oe) hat, wobei die Koerzitivfeldstärke somit ausreichend hoch ist, damit das von dem magnetoelastisch aktiven Bereich (8) herrührende Feld Bereiche des Elements in der Nähe des magnetoelastisch aktiven Bereichs (8) nicht magnetisiert, wodurch sich parasitäre Magnetfelder ergeben würden, die eine ausreichende Stärke haben, um die Nützlichkeit des von den Magnetfeldsensoren (6) erfassten Nettomagnetfelds für Drehmomenterfassungszwecke zu zerstören.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Element eine Längsachse besitzt und die magnetische Polarisation dadurch erreicht wird, dass der Aufnehmer um diese gedreht und dabei dem magnetisierenden Feld in der Nähe von zwei entgegengesetzten Magnetpolen ausgesetzt wird.