Magnetoelastische Sensorik Drehmoment von Antriebswellen berührungslos messen

Von Franz Merold *

Durch Erfassen der Magnetfeldänderung einer magnetisierten Welle ist eine berührungslose Drehmomentmessung möglich. Bei Melectric ursprünglich für den Rennsport umgesetzt, ist das Verfahren auch in der Industrie und der Mobilität einsetzbar.

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Die Erzeugung der remanenten Magnetisierung erfolgt einmalig induktiv (Abb. oben). Beim Aufbringen eines Drehmomentes verändert sich die Richtung der Feldlinien vom Ruhezustand aus (Mitte links) zum Zustand unter Last (Mitte rechts) diese Feldänderung kann dann erfasst werden. Die Messung des Drehmomentes kann dann unter aufgebrachtem Drehmoment frei rotierend erfolgen (unten).
Die Erzeugung der remanenten Magnetisierung erfolgt einmalig induktiv (Abb. oben). Beim Aufbringen eines Drehmomentes verändert sich die Richtung der Feldlinien vom Ruhezustand aus (Mitte links) zum Zustand unter Last (Mitte rechts) diese Feldänderung kann dann erfasst werden. Die Messung des Drehmomentes kann dann unter aufgebrachtem Drehmoment frei rotierend erfolgen (unten).
(Bild: Melectric)

Die Melectric Systems GmbH ist ein junges und innovatives Unternehmen südlich von München, das sich mit dynamischer Drehmomentmesstechnik beschäftigt. Mit den von Melectric entwickelten Verfahren und Produkten wird es Rennteams aus verschiedenen Motorsportklassen ermöglicht, anspruchsvollste Messaufgaben zu realisieren. Aufgrund der Robustheit und Zuverlässigkeit kann das Verfahren auch in der Industrie und der Mobilitätsbranche eingesetzt werden. Mit der Technologie lässt sich durch die Erfassung der Magnetfeldänderung einer magnetisierten Welle eine berührungslose Drehmomentmessung realisieren.

Der Vorteil der kontaktlosen Drehmomentmessung: Das Messsystem ist wartungsfrei und liefert über die gesamte Lebensdauer der Welle präzise Daten für die Maschinenüberwachung und -steuerung. Da die Welle selbst zum Teil des Sensorsystems wird, ist die Lösung für Serienanwendungen besonders preiswert und erfordert in der Regel nur minimale Anpassungen des bestehenden Systems. So lässt sich eine wartungsfreie Drehmomentmessung in nahezu jede Maschine oder Anlage integrieren.

Durch den baukastenähnlichen Aufbau des Systems ist eine vergleichsweise einfache Anpassung für unterschiedlichste Anwendungen möglich. Die Applikationen reichen von der Lastermittlung und Detektion von bestimmten Betriebszuständen über die Prozessregelung bis hin zur Kollisionserkennung durch Ermittlung des anliegenden Drehmoments bei Cobots. Die Analyse der Daten ermöglicht auch Rückschlüsse auf den Verschleiß von Bauteilen durch den Anstieg des Drehmoments – und bietet damit einen preiswerten Ansatz für das Predictive Maintenance.

Das Prinzip der Magnetoelastizität

Als magnetoelastischen Effekt bezeichnet man die Wechselwirkung zwischen der mechanischen Spannung und Dehnung einerseits und den magnetischen Größen Induktion bzw. magnetische Feldstärke in ferromagnetischen Stoffen andererseits. Zu den ferromagnetischen Stoffen gehören unter anderem Eisen, Nickel und Kobalt, für die Messung geeignet sind zahlreiche Standardstähle wie sie im Maschinenbau angewandt werden.

Das von Melectric entwickelte Messsystem arbeitet nach diesem Prinzip der Magnetoelastizität. Die Veränderungen des Magnetfeldes in einem ferromagnetischen Material bei Krafteinwirkung werden von der Sensorelektronik erfasst und ausgewertet. Die Elektronik bildet das Herzstück der Sensorik. Diese wird berührungslos mit einem Luftspalt von wenigen Millimetern an der zu messenden Welle platziert. Am kraftübertragenden Bauteil selbst werden keine zusätzlichen Teile angebracht. Diese völlig kontaktlose Drehmomentmessung macht die magnetoelastische Technologie besonders robust.

Bei dem von Melectric Systems entwickelten Verfahren zur Drehmomentmessung werden durch den Herstellungsprozess weder die Geometrie noch die Materialeigenschaft oder die Oberflächenbeschaffenheit der Welle verändert. Die Magnetisierung erfolgt einmalig – anschließend ist eine dauerhafte Drehmomentmessung möglich.

Durch die kontaktlose Drehmomentmessung arbeitet das System absolut verschleißfrei. Selbst bei starken Vibrationen, Stößen, Witterungseinflüssen oder Temperaturschwankungen liefert es zuverlässige und präzise Messwerte. Die magnetoelastische Drehmomentmessung ist damit eine robuste und zugleich kostengünstige Alternative zur konventionellen Drehmomentapplikation wie Dehnmessstreifen oder Winkelversatz.

Aufgrund von langjähriger Erfahrung der Melectric-Gründer in der Drehmomentmesstechnik und Elektronikentwicklung setzt die Technologie Maßstäbe bei Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Qualität. Die Technologie zur magnetischen Drehmomentmessung wurde entscheidend weiterentwickelt und historische Schwachstellen verwandter Technologien wie elektromagnetische Robustheit, Fremdfeldempfindlichkeit und Prozesssicherheit bei der Serienproduktion deutlich verbessert.

Ein Quantensprung gelang bei der Entwicklung durch die Eindämmung einer, bei ähnlichen Anwendungen typischen Störgröße, den magnetischen Inhomogenitäten. Verfahrensbedingt wird bei der Einprägung magnetischer Felder mit konventionellen Verfahren magnetische Inhomogenitäten auf, welche bei der Relativbewegung von Welle und Sensor zu Signalschwankung und damit resultierenden Messfehlern führt.

Durch die von Melectric speziell entwickelte und patentierte induktive Magnetfeldeinprägung lassen sich diese Inhomogenitäten vermeiden, was im Ergebnis zu deutlicher Steigerung von Robustheit, Signalqualität und Genauigkeit beiträgt. Die Melectric Systems liefert nicht nur einen berührungslosen Drehmomentsensor, sondern entwickelt bei Bedarf für Kunden auf jede Anforderung und Messaufgabe angepasste individuelle Lösungen. Hierfür steht fachliche Expertise durch Bauteilauslegung mittels FEM-Analysen oder auch kundenspezifischer Elektronikentwicklung zur Verfügung.

Anwendungsfelder und Applikationen

Drehmomentmesssystem auf Antriebswelle für Fahrzeugerprobungen appliziert
Drehmomentmesssystem auf Antriebswelle für Fahrzeugerprobungen appliziert
(Bild: Melectric)

Diese technische Lösung ermöglicht die präzise Messung in einem weiten Messbereich von unter 1 Nm bis über mehrere 1.000 Nm. Da auf der Welle selbst keine zusätzlichen Bauteile angebracht werden, sind Messungen auch bei sehr hohen Drehzahlen von bis 300.000 U/min möglich. Eine experimentelle Anwendung bei solch hohen Drehzahlen wurden zur Messung des Drehmomentes beim Betrieb eines Turboladers realisiert.

Die typische Messgenauigkeit liegt bei unter 1 Prozent des Messbereichsendwertes, die Signalbandbreite beträgt typischerweise 1 bis 2 kHz, kann für kundespezifische Anwendungen aber auf über 25 kHz erhöht werden. Bei dynamischen Messungen tritt besonders der Vorteil zutage, dass keine zusätzlichen Bauteile an der Welle angebracht werden müssen, so entfällt die zusätzliche dämpfende Wirkung auf das Messsignal durch beispielsweise Verklebungen und ermöglicht eine maximale Signalbandbreite bei minimaler Latenz.

Eine der typischen Applikation ist die Integration der Sensorik im Kupplungsausrücker oder auf Gelenkwellen. Es gibt es ein weites Spektrum an Anwendungen:

  • differenzielle Kennfeldoptimierung an der Rennstrecke,
  • Start Steuerung,

Aber auch geschlossene Drehmomentregelung des Differentials in Echtzeit oder die Bewertung der tatsächlichen aerodynamischen Effizienz des Fahrzeugs und die Wirksamkeit von aerodynamischen Setup-Änderungen (z. B. Ausrolltest, Geradeaustest) lassen sich mit der Sensorik einfach umsetzten.

Integration in Industriegetriebe

OEM-Drehmomentsensorlösung für Industriegetriebe im Serieneinsatz
OEM-Drehmomentsensorlösung für Industriegetriebe im Serieneinsatz
(Bild: Melectric)

Ein weiteres Feld der Anwendung ist die Integration in Industriegetrieben. Hierbei kommen vor allem die Vorteile der Robustheit und der Langzeitstabilität zum Tragen. Das Drehmoment in der Getriebeeinheit gibt hierbei Auskunft über den Abnutzungsgrad eines Getriebes. Auftretende Lastspitzen können zu Pittings führen und die Haltbarkeit deutlich herabsetzten. Diese Drehmomentspitzen können mit der Messtechnik von Melectric-Systems erkannt werden, und entsprechende Informationen an den Kunden ausgegeben werden.

Zudem wurde bei der Entwicklung der Sensorik Augenmerk daraufgelegt, dem Kunden auch weitere Messgrößen zur Verfügung stellen zu können wie beispielsweise Temperatur, Beschleunigung oder Drehzahl. Zur Datenausgabe gibt es viele Möglichkeiten. Von analogen und digitalen Ausgangssignalen wie 0-5 V, 0-10 V, 4-20 mA, CAN BUS, I²C, UART oder zukünftig auch Bluetooth (BLE) ist alles möglich.

* Franz Merold ist CEO bei der Melectric Systems GmbH südlich von München.

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