CN101907501A

CN101907501A - 非接触相位差式扭矩传感器

Info

Publication number: CN101907501A
Application number: CN 201010217773
Authority: CN
Inventors: 周爱国; 刘畅; 陈光明
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2030-07-02
Also published as: CN101907501B

Abstract

本发明一种非接触相位差式扭矩传感器，其包括：输入套筒、输出套筒、霍尔传感器、第一渐开线齿轮、第二渐开线齿轮，其中：输入套筒通过扭杆与输出套筒连接，第一渐开线齿轮的毂孔与输出套筒过盈配合，第二渐开线齿轮的毂孔与输入套筒过盈配合，输入套筒和输出套筒的第三节轴段分别与对应的轴承内圈配合，轴承的外圈分别和布置于扭杆两侧的两组传感器壳体配合，传感器壳体内表面各自固定有磁路支撑，磁路支撑上固定有磁路组件和线路板，霍尔传感器焊接在线路板上，霍尔传感器检测面放置在导磁软铁a的端面和渐开线齿轮齿顶圆正对的气隙中。本发明具有结构简单、测试精确、稳定性好、成本相对低廉等优点。

Description

非接触相位差式扭矩传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体是一种使用霍尔传感器的非接触相位差式扭矩传感器。

背景技术

扭矩传感器是汽车电动助力转向系统(EPS)最重要的部件之一，是电动转向器的核心部件，集机电技术于一体，其性能优劣直接影响到电动助力转向器的性能。现有的EPS扭矩传感器可分为接触式和非接触式两大类，接触式的如金属电阻应变片的扭矩传感器，使用一组应变片作为敏感元件，将应变片以桥式回路的形式粘贴在扭矩传递轴上，但应变片用于回转系统中时，需要用于连接应变片的集流环装置，由于存在机械接触，容易产生机械磨损，随着使用会使传感器精度降低，使用寿命也会缩短，需要经常维护和更换，增加成本。非接触式扭矩传感器则可克服以上的缺点，非接触式的扭矩传感器又可以分为两大类，一种是光电式的，光电式的扭矩传感器对工作环境的要求比较苛刻，安装要求高，抗震性差且价格昂贵。另一种是磁电式的扭矩传感器，测量精度高，安装方便，对环境的要求也不如光电式的苛刻，成本比较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触相位差式扭矩传感器，其采用霍尔传感器实现，具有结构简单、测试精确、稳定性好、成本相对低廉的特点。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种非接触相位差式扭矩传感器，其包括：输入套筒、输出套筒、霍尔传感器、第一渐开线齿轮、第二渐开线齿轮，其中：输入套筒通过扭杆与输出套筒连接，第一渐开线齿轮的毂孔与输出套筒过盈配合，第二渐开线齿轮的毂孔与输入套筒过盈配合，输入套筒和输出套筒的第三节轴段分别与对应的轴承内圈配合，轴承的外圈分别和布置于扭杆两侧的两组传感器壳体配合，传感器壳体内表面各自固定有磁路支撑，磁路支撑上固定有磁路组件和线路板，霍尔传感器焊接在线路板上。

所述传感器外壳为两组，上下对称布设且包覆于扭杆外围，将整个磁路封闭在传感器内部。

所述第一渐开线齿轮和第二渐开线齿轮为低碳钢铁磁材料，当扭杆没有发生扭转变形时，固定在输出套筒上的第一渐开线齿轮沿扭杆轴线的投影，和固定在输入套筒上的第二渐开线齿轮完全重合。

所述磁路组件为以扭杆中心为对称点对称布置的两组，分布于扭杆轴线两侧，各自包括永磁体、导磁软铁a和导磁软铁b，其各自与对应的第一渐开线齿轮或第二渐开线齿轮构成一个完整的磁路。

所述磁路，其磁力线由永磁体北极发出，依次经过导磁软铁b、导磁软铁b端面与渐开线齿轮之间的气隙、渐开线齿轮、渐开线齿轮与导磁软铁a端面之间的气隙、导磁软铁b，然后回到永磁体南极。

所述永磁体，为钕铁硼永磁材料，其横截面为正方形。

所述导磁软铁，为低碳铁磁材料，其横截面也为正方形，与永磁体横截面完全相同。

所述磁路支撑为两组，为非导磁材料，分别连接传感器外壳和磁路组件，其内有一通孔贯穿磁路支撑的上下表面，该通孔的横截面与永磁体和导磁软铁a、b的横截面完全相同，永磁体和导磁软铁a、b通过该孔与传感器外壳固定在一起。永磁铁靠磁力将导磁软铁a和导磁软铁b吸附在它的两侧，由于磁力的存在，可以假定永磁体与导磁软铁a和导磁软铁b组成了一个刚性的整体，从图3中的磁路支撑的结构可以看到永磁体与导磁软铁a和导磁软铁b可以完好的固定在磁路支撑上。其中，导磁软铁a和导磁软铁b只是尺寸形状上不同，它们的材料及完成的功能都是相同的，功能都是用来引导磁路流向的。

所述霍尔传感器，为非接触霍尔传感器，其焊接在线路板上，霍尔传感器检测面设置在导磁软铁a的端面和渐开线齿轮齿顶圆正对的气隙中。

所述输出套筒和输入套筒之间并非刚性咬合，存在一定的间隙。

所述线路板可以通过螺钉固定在磁路支撑上。

本发明所使用的非接触霍尔传感器具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，本发明充分利用非接触霍尔传感器这一特点来检测磁场变化检测信号。

本发明具体使用时，原理过程具体如下：

传感器中磁路，其磁力线由永磁体北极发出，依次经过导磁软铁b、导磁软铁b端面与渐开线齿轮之间的气隙、渐开线齿轮、渐开线齿轮与导磁软铁a端面之间的气隙、导磁软铁b，然后回到永磁体南极。磁路组件通过磁路支撑固定在传感器壳体上静止不动，当齿轮发生转动时，设置在导磁软铁a的端面和渐开线齿轮齿顶圆之间气隙中的磁场强度大小会随齿轮的转动成正弦规律变化，霍尔传感器输出成正弦规律变化的电压信号。

当输入套筒没有外部扭矩输入时，扭杆不会发生扭转变形，此时固定在输入套筒上的渐开线齿轮沿扭杆轴线的投影，刚好和固定在输出套筒上的渐开线齿轮完全重合。设置在导磁软铁a的端面和渐开线齿轮齿顶圆之间气隙中的两个霍尔传感器检测到的磁场信号完全相同，输出的电压信号也完全相同，扭杆传递的扭矩为零。

输出套筒和输入套筒相互咬合的一端并非刚性咬合，而是存在一定的间隙，这样起初力矩的传递就是通过扭杆来完成的。当有外部扭矩输入到输入套筒时，输入套筒通过花键将扭矩传递给扭杆，扭杆再将扭矩通过花键传给输出套筒。由于传递扭矩的过程中，扭杆会发生扭转变形，输出套筒的转动会滞后于输入套筒，分别固定在输出套筒和输入套筒上的两个渐开线齿轮旋转的角度就会存在差值，在这种状态下，设置在导磁软铁a的端面和渐开线齿轮齿顶圆之间气隙中的两个霍尔传感器检测到的磁场信号就会存在相位差，输出的电压信号也会存在相位差，这个差值与扭杆传递的转矩大小相对应，测出相位差就可测量到相应的转矩值。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：

1、本发明设计的磁路中包含永磁体，两块导磁软铁和渐开线齿轮四个部分，永磁体材料极易采购，磁路结构简单，成本相对低廉。

2、本发明所使用的非接触霍尔传感器具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，本发明充分利用非接触霍尔传感器这一特点来检测磁场变化检测信号，可靠性高、稳定性好。

3、基于本发明的磁路，齿轮转动时，得到的磁场信号成正弦变化且曲线平滑，易于处理。

综上所述，本发明具有结构简单、测试精确、稳定性好、成本相对低廉等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的外部结构示意图。

图2为本发明实施例的内部结构示意图。

图3为本发明实施例的全剖视图。

其中，1、输出套筒，2、第一销，3、扭杆，4、第一轴承，5、第一传感器壳体，6、第一渐开线齿轮，7、第一霍尔传感器，8、第一导磁软铁a，9、第一永磁体，10、第一磁路支撑，11、第一导磁软铁b，12、第一线路板，13、第二轴承，14、第二销，15、输入套筒，16、第二传感器外壳，17、第二渐开线齿轮，18、第二霍尔传感器，19、第二导磁软铁a，20、第二线路板，21、第二磁路支撑，22、第二永磁体，23、第二导磁软铁b。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明一种非接触相位差式扭矩传感器，其包括：输入套筒15、输出套筒1、扭杆3、第一销2、第二销14、第一轴承4、第二轴承13、第一传感器壳体5、第二传感器壳体16、第一线路板12、第二线路板20、第一磁路支撑10、第二磁路支撑21、第一霍尔传感器7、第二霍尔传感器18、第一渐开线齿轮6、第二渐开线齿轮17、第一磁路组件、第二磁路组件，其中：输入套筒15的一端通过键与方向盘连接，输入套筒15通过花键与扭杆3的一端相连，扭杆3的另一端通过花键与输出套筒1相连，输出套筒1连接转向器，输入套筒15和扭杆3通过第二销14轴向定位，输出套筒1和扭杆3通过第一销2轴向定位，第一渐开线齿轮6的毂孔与输出套筒1过盈配合，第二渐开线齿轮17的毂孔与输入套筒15过盈配合，第一轴承4的内圈与输出套筒1的第三节轴段配合，第二轴承13的内圈与输入套筒15的第三节轴段配合，第一轴承4的外圈和第一传感器壳体5配合，第二轴承13的外圈和第二传感器壳体16配合，第一磁路支撑10固定在第一传感器壳体5内表面上，第二磁路支撑21固定在第二传感器壳体16内表面上，第一磁路组件(包括第一导磁软铁a8、第一永磁体9和第一导磁软铁b11)和第一线路板12固定在第一磁路支撑10上，第二磁路组件(包括第二导磁软铁a19、第二永磁体22、第二导磁软铁b23)和第二线路板20固定在第二磁路支撑21上，第一霍尔传感器7焊接在第一线路板12上，第二霍尔传感器18焊接在第二线路板20上。

第一永磁体9、第二永磁体22为钕铁硼永磁材料，其横截面为正方形。第一导磁软铁a8、第一导磁软铁b11、第二导磁软铁a19、第二导磁软铁b23为低碳铁磁材料，其横截面也为正方形，与第一永磁体9、第二永磁体22的横截面完全相同。第一磁路支撑10、第二磁路支撑21为非导磁材料，内有一通孔贯穿磁路支撑的上下表面，该通孔的横截面与第一永磁体9、第二永磁体22和第一导磁软铁a8、第一导磁软铁b11、第二导磁软铁a19、第二导磁软铁b23的横截面完全相同，第一永磁体9和第一导磁软铁a8、第一导磁软铁b11通过该孔与第一传感器外壳5固定在一起。第二永磁体22和第二导磁软铁a19、第二导磁软铁b23通过该孔与第二传感器外壳16固定在一起。第一传感器外壳5和第二传感器外壳16将整个磁路封闭在传感器内部。第一霍尔传感器7、第二霍尔传感器18为非接触霍尔传感器，其分别焊接在第一线路板12、第二线路板20上，第一霍尔传感器7的检测面设置在第一导磁软铁a8的端面和第二渐开线齿轮齿17顶圆正对的气隙中。第二霍尔传感器18的检测面设置在第二导磁软铁a19的端面和第一渐开线齿轮齿6顶圆正对的气隙中。本发明所使用的非接触霍尔传感器具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，本发明充分利用非接触霍尔传感器这一特点来检测磁场变化检测信号。

传感器中磁路的磁力线由第一永磁体9的北极发出，依次经过第一导磁软铁b11、第一导磁软铁b11端面与第二渐开线齿轮17之间的气隙、第二渐开线齿轮17、第二渐开线齿轮17与第一导磁软铁a8端面之间的气隙、第一导磁软铁b11，然后回到第一永磁体9的南极。第一磁路组件通过第一磁路支撑10固定在第一传感器壳体5上静止不动，当第二渐开线齿轮17发生转动时，设置在第一导磁软铁a8的端面和第二渐开线齿轮17齿顶圆之间气隙中的磁场强度大小会随齿轮17的转动成正弦规律变化，第一霍尔传感器7会输出成正弦规律变化的电压信号。另一条磁路亦是如此。

当输入套筒15没有外部扭矩输入时，扭杆3不会发生扭转变形，此时固定在输入套筒15上的第二渐开线齿轮17沿扭杆3的轴线的投影，刚好和固定在输出套筒1上的第一渐开线齿轮6完全重合。设置在导磁软铁a的端面和渐开线齿轮齿顶圆之间气隙中的两个霍尔传感器检测到的磁场信号完全相同，输出的电压信号也完全相同，扭杆3传递的扭矩为零。

当有外部扭矩输入到输入套筒15时，输入套筒15通过花键将扭矩传递给扭杆3，扭杆3再将扭矩通过花键传给输出套筒1。由于传递扭矩的过程中，扭杆3会发生扭转变形，输出套筒1的转动会滞后于输入套筒15，分别固定在输出套筒1和输入套筒15上的第一渐开线齿轮6、第二渐开线齿轮17旋转的角度就会存在差值，在这种状态下，设置在导磁软铁a的端面和渐开线齿轮齿顶圆之间气隙中的两个霍尔传感器检测到的磁场信号就会存在相位差，输出的电压信号也会存在相位差，这个差值与扭杆3传递的转矩大小相对应，测出相位差就可测量到相应的转矩值。

与现有技术相比，本发明具有结构简单、测试精确、稳定性好、成本相对低廉等优点。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种非接触相位差式扭矩传感器，其特征在于：其包括：输入套筒、输出套筒、霍尔传感器、第一渐开线齿轮、第二渐开线齿轮，其中：输入套筒通过扭杆与输出套筒连接，第一渐开线齿轮的毂孔与输出套筒过盈配合，第二渐开线齿轮的毂孔与输入套筒过盈配合，输入套筒和输出套筒的第三节轴段分别与对应的轴承内圈配合，轴承的外圈分别和布置于扭杆两侧的两组传感器壳体配合，传感器壳体内表面各自固定有磁路支撑，磁路支撑上固定有磁路组件和线路板，霍尔传感器焊接在线路板上。

2.如权利要求1所述的非接触相位差式扭矩传感器，其特征在于：所述传感器外壳为两组，上下对称布设且包覆于扭杆外围，将整个磁路封闭在传感器内部。

3.如权利要求1所述的非接触相位差式扭矩传感器，其特征在于：所述第一渐开线齿轮和第二渐开线齿轮为低碳钢铁磁材料，当扭杆没有发生扭转变形时，固定在输出套筒上的第一渐开线齿轮沿扭杆轴线的投影，和固定在输入套筒上的第二渐开线齿轮完全重合。

4.如权利要求1所述的非接触相位差式扭矩传感器，其特征在于：所述磁路组件为以扭杆中心为对称点对称布置的两组，分布于扭杆轴线两侧，各自包括永磁体、导磁软铁a和导磁软铁b，其各自与对应的第一渐开线齿轮或第二渐开线齿轮构成一个完整的磁路。

5.如权利要求4所述的非接触相位差式扭矩传感器，其特征在于：所述永磁铁靠磁力将导磁软铁a和导磁软铁b吸附在其两侧，由于磁力的存在，永磁体与导磁软铁a和导磁软铁b组成了一个刚性的整体。

6.如权利要求4所述的非接触相位差式扭矩传感器，其特征在于：所述磁路，其磁力线由永磁体北极发出，依次经过导磁软铁b、导磁软铁b端面与渐开线齿轮之间的气隙、渐开线齿轮、渐开线齿轮与导磁软铁a端面之间的气隙、导磁软铁b，然后回到永磁体南极。

7.如权利要求4所述的非接触相位差式扭矩传感器，其特征在于：所述永磁体，为钕铁硼永磁材料，其横截面为正方形；所述导磁软铁a、b，为低碳铁磁材料，其横截面与永磁体横截面完全相同。

8.如权利要求1所述的非接触相位差式扭矩传感器，其特征在于：所述磁路支撑为两组，为非导磁材料，分别连接传感器外壳和磁路组件，其内有一通孔贯穿磁路支撑的上下表面，该通孔的横截面与永磁体和导磁软铁a、b的横截面完全相同，永磁体和导磁软铁a、b通过该孔与传感器外壳固定在一起。

9.如权利要求1所述的非接触相位差式扭矩传感器，其特征在于：所述霍尔传感器，为非接触霍尔传感器，其焊接在线路板上，霍尔传感器检测面设置在导磁软铁a的端面和渐开线齿轮齿顶圆正对的气隙中。

10.如权利要求1所述的非接触相位差式扭矩传感器，其特征在于：所述输出套筒和输入套筒之间并非刚性咬合，存在一定的间隙。