CN103207039B - 一种利用磁路的转矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用磁路的转矩传感器，属于传感器技术领域。本发明的转矩传感器，在主动级的端面上布置有T个磁片，T为≥4的偶数，磁片均布于以主动级中心为圆心的圆周上；相邻磁片的S、N极性相互交错；从动级的两端面均由T/2个相互间隔的扇面形高磁导齿片组成，两端面上的齿片位置相对，同一端面上的齿片均布于同一圆周，主动级位于从动级内且二者之间可相对转动，磁片与齿片相对；从动级的边部外套有电路采集板，从动级可相对于电路采集板转动，电路采集板上安装有磁感应芯片，磁感应芯片连接到微处理芯片上，微处理芯片通过控制电路与电机连接，并通过电机驱动从动级转动。本发明的磁路转矩传感器，工艺简单，精度高，可靠性高。

Description

一种利用磁路的转矩传感器

技术领域

本发明涉及一种根据磁感应元件获得的磁场强度信息来检测出转矩信息的转矩传感器。

背景技术

转矩传感器广泛应用在机械工业领域，在汽车的电动助力转向系统中所使用的转矩传感器，目前常使用的有如下几种：

电阻电位器，常用的转矩传感器采用电位器方式，采用机械接触的方式来触动，电位器点位发生变化；由于电位器、圆环与固定壁面不断摩擦，经常转动电位器、圆环都会产生磨损，大大降低了传感器的使用寿命；同时，由于摩擦阻力，方向盘使用过程中手感就比较差，同时传感器对方向盘的扭矩感应精度也会降低；进一步地，传统中使用的电位式转矩传感器从转矩到电信号的转变过程里中间环节很多，零件数量也很多，成本比较高。

光栅式转矩传感器，其是通过光栅的相对位移来测量扭转角度，再将光线的变化转换成电信号，经过放大和相应处理电路，输出相应的转矩信号，但是，虽然光栅式转矩传感器是非接触式的，没有磨损的问题寿命长，而且精度高；但其制作的成本很高，而且光栅的精度要求高制作工艺也是比较复杂，其在一般的电动助力转向系统中，很少采用。

磁路转矩传感器，美国专利US2004/0011138,公开了一种磁路转矩传感器，该传感器主要用于汽车的电动助力转向系统中，但是其存在如下缺点：1.主动级由若干个磁体安装在转子上形成一个环状结构，将磁体生产制成弧形带状结构，宜采用软型磁材，磁场强度难以做高，不利用磁场信号的提取；2.主动级与从动级采用大小两层，安装前分离可分开，虽然安装容易，但是其轴心难以定准，必须增加辅助安装工具；3.磁路采集路径均在外圆环上交错设置，外层磁路采集，不论加工还是安装，对机械加工要求高，生产成本较高；4.该磁路转矩传感器使用到汽车的电动助力转向系统中，主动轴与从动轴内通过一根可变形的弹性轴进行连接，使转向后的主动轴与从动轴在可变形的弹性轴的弹力的作用下进行复位，其结构复杂，且对该可变形的弹性轴要求较高，使成本较大。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种结构简单，安装简便，工艺简单，精度高，寿命长，可靠性高，磁场路径简洁，适用范围广的利用磁路的转矩传感器。

本发明的利用磁路的转矩传感器，包括主动级、从动级、磁信息采集电路和永磁体，所述主动级为中心可与主动轴连接的盘形结构（所述主动级可设置为圆盘形结构，以便于生成，但主动级的结构不局限于圆盘形），在主动级的同一侧面上布置有T个永磁体，T为≥4的整数，永磁体分布于以主动级中心为圆心的圆周上，使得永磁体在盘形结构边缘所产生的综合磁场呈现周期性的分布，例如可设置相邻的永磁体，在主动级的同一侧面上其S、N极性呈周期性交错；可与从动轴连接的从动级，为可将主动级容纳入其内部的空心盘结构，所述从动级的两端面均由T/2整数个相互间隔的扇面形高磁导齿片组成，两端面上的齿片位置相对，同一侧面上的齿片之间相互间隔，并均布于以从动级中心为圆心的圆周上，所述主动级位于从动级内且二者之间可相对转动，所述主动级上的永磁体与从动级上的齿片相对；所述从动级的边部外套有磁信息采集电路，从动级可相对于磁信息采集电路转动，所述磁信息采集电路上安装有磁感应芯片，所述磁感应芯片连接到转换电路，通过控制电路与电机连接，并通过电机驱动从动级转动。

由于采用了上述结构，主动级呈盘形结构，在主动级的中心连接有主动轴，当控制主动轴转动时，可以使主动级随之转动，在主动级的同一侧面上布置有4个以上的整数个永磁体，其中永磁体均布于以主动级中心为圆心的圆周上，使得永磁体距离主动级中心相等，当主动级转动时，永磁体可以主动轴为中心转动，其中可设置主动级的同一侧面上的永磁体之间S、N极性呈周期性交错布置，使得永磁体在盘形结构边缘所产生的综合磁场呈现周期性的分布，主动级上设置的呈周期性交错N、S级性的永磁体，呈一个起伏的磁场分布，当主动级转动其上分布的磁场部分跟着转动；所述从动级为空心盘结构，其尺寸略大于主动级，使从动级包于主动级外，且主动级与从动级之间无机械接触，且主动级与从动级之间可相对转动，该从动级可与从动轴连接并且该从动级由电机控制其转动，该空心盘结构的从动级，其两侧面均由多个相互间隔的扇面形齿片组成，其中齿片的个数为T/2整数个，且该齿片采用高磁导制成，形成齿形导磁体，该导磁齿片均布于以从动级中心为圆心的圆周上，所述主动级上的永磁体与从动级上的齿片相对，齿片数量与永磁体数量是1：2的关系，高磁导齿片可以有效接收永磁体产生形成的磁场，无论从动级转到什么角度，等效磁路是相同的，对于主动级与从动级间物理位置无关，这样主动级转动一周（如果从动级不动）可以得到1/2整数个永磁体数量的完整正弦波形，永磁体数量越多，主动级转动一周内磁场变化的正弦波形数越多，所得到的精度越高。主动级圆周交错构成一个360度空间若干次交变的磁场，随主动轴转动，对应空间磁场发生变化，从动级由高导磁材料构成的磁路中接收到磁场强度也随之变化。因此为了接收到该磁场强度的变化，在从动级的边部外侧套有磁信息采集电路，该磁信息采集电路与从动级之间无热任何的机械接触，该磁信息采集电路是固定不动的，因此从动级可相对于磁信息采集电路转动，而该磁信息采集电路可以将磁场信息变化汇集到某一规定点，并在该点处设置磁感应芯片（如霍尔芯片），该磁感应芯片容易检测出磁场变化量，可以检测到主动级转动的角度和角度变化率等磁路信息，可将磁路信息折算出转矩信息的电信号，送到转换电路进行处理控制电路启动电机转动，该电机可驱动从动级随主动级转动，这样主动级与从动级间的机械角度回到初始值，磁场变化回到初始点，从而实现了机械转轴的跟踪。本发明的转矩传感器，利用磁路来获取转矩信息，在主动级设计一组永磁体，当发生机械转动时，其附近空间的磁场随之变化；从动级设计为一个特殊的磁路收集装置，将主动级转动引起的磁场变化信息按一定规律收集；磁信息采集电路，先将从动级收集的磁场信息，汇集到一个固定区间，利用磁感应芯片感知汇集到该区间的磁场变化，其磁场的变化反映转角的变换，可计算出转矩的变化值。磁感应芯片将磁场信息转换为电信号，送其到转换电路处理，并发送指令，控制电机转动，带动从动级跟随转动，这样主动级与从动级间的机械角度回到初始值，磁场变化回到初始点，从而实现了机械转轴的跟踪。该磁路转矩传感器广泛应用在机械工业领域，除了汽车的电动助力转向系统之外，也应用到其它需要感知转矩的机械系统中。本发明的转矩传感器，永磁体可采用硬材质制成，磁场强度较高，有利用磁场信号得提取；主动级与从动级不能分离，容易定位，安装时不用考虑定位轴心问题，各个部件保管时，内设辅助轴，主动级与从动级保持同轴，安装后，可以抽调辅助轴，也可以保留，不影响传感器工作，磁路采集路径在前后两层，是对称结构，只需要一种加工模型就可以，制造和安装极为简便，并且无需可变形的弹性轴将主动轴与从动轴进行回位操作，结构简单，精度高，成本低廉。

本发明的转矩传感器，所述主动级包括盘状结构和圆柱体，位于盘状结构中心的圆柱体可与主动轴相连，所述盘状结构上布置有T个放置有永磁体的孔或空隙，T为≥4的整数，所述设置有永磁体的孔或空隙均布于以盘状结构中心为圆心的同一圆周上，相邻孔或空隙内的永磁体在盘状结构的同一侧面上，其磁场之S、N极性呈周期性交错布置。

由于采用了上述结构，在盘状结构上布置有孔或空隙，该空隙可以为通孔也可以为盲孔，且所述通孔或盲孔不局限于圆形，用于安装永磁体，由于盘状结构的厚度较薄，因此设置盲孔时，与通孔时安装的永磁体相比，只是磁场强度大小的区别，当然设置通孔时磁场强度更大，所能检测到的磁场分布变化的情况更准确，设置有永磁体的孔或空隙均布于以盘状结构中心为圆心的同一圆周上，使主动级上的永磁排列在周边形成磁场分布，其中主动级上设置了永磁体的N、S级性呈周期性交错布置，从而呈一个起伏的磁场分布，高磁导齿片可以有效接收永磁体产生形成的磁场，在盘状结构上的孔或空隙主要用于布置永磁体，使永磁体能够方便地安装于盘状结构上，盘状结构中心设置有圆柱体，从而使该主动级可与主动轴相连，从而便于手动控制主动级以及其上的永磁体转动。本发明的转矩传感器，设置有永磁体的孔为通孔，但不局限于圆形，所述永磁体呈柱形结构，且所述永磁体位于通孔内。

该设置有永磁体的孔可为圆形通孔，从而便于加工生产，同时将该永磁体制成圆形结构，并可以方便快捷地安装于该圆形通孔中，永磁体与齿片对应，能够避免盘状结构转动时，永磁体与齿片发生干涉，从而保证主动级与从动级之间的相对转动。

本发明的转矩传感器，所述从动级包括环片、外圆环和齿片，所述圆盘位于两环片之间可相对于环片转动，两环片的边部通过外圆环连接，两环片上分别设置有T/2整数个相互间隔的扇面形齿片，两环片上的齿片的位置相对，且同一环片上的齿片以环片中心为圆心均布于同一圆周上。

由于采用了上述结构，该从动级主要由环片构成，主动级的圆盘通过机械安装夹于两环片中间，并且两环片的边部通过外圆环连接，圆盘位于两环片之间可相对于环片转动，两个环片上均设置有T/2整数个扇面形齿片，两环片上的齿片的位置相对，齿片以环片中心为圆心均布于同一圆周上，使主动级两侧面上的永磁体分别与两个环片的齿片相对应，两个环片的齿片对称分布，齿片数量与永磁体数量是1：2关系，这样主动级转动一周（如果从动级不动）可以得到1/2整数个永磁体数量的完整正弦波形，永磁体数量越多，主动级转动一周内磁场变化的正弦波形数越多，所得到的精度越高，使得该转矩传感器的适用范围更广，从动级上的磁路采集路径在前后两层，是对称结构，只需要一种加工模型就可以，制造和安装极为简便，成本低廉。本发明的转矩传感器，所述环片上的齿片以及齿片之间的间隔均为尺寸相同的扇面形结构。

由于采用了上述结构，环片上的齿片以及齿片之间的间隔均为扇面形结构，且结构相同，尺寸相同，使得扇面形齿片与扇面形间隔依次排列，从而使得齿片与间隔依次均布于以环片中心为圆心的圆周上，齿片与间隔依次排列最终形成整环，齿片与永磁体、间隔相对应，当主动级与从动级之间的角度发生变化时产生的正弦波形数量均匀，保证其精度高。

本发明的转矩传感器，所述圆盘上设置有12个通孔，每个通孔内均设置有永磁体，使圆盘上布置有12个永磁体，所述环片上设置有6个扇面形齿片和6个扇面形间隔，所述永磁体与扇面形齿片、扇面形间隔相对，所述扇面形齿片与扇面形间隙的扇面夹角α为30°。

由于采用了上述结构，主动级圆周片上设置了呈周期性交错布置的N、S级性的永磁体，呈一个起伏的磁场分布，从动级设计了由高导磁材构成齿状环，按永磁体数量1/2的对称扇形，保证扇形在圆周上基本等分，如12个圆形永磁体，等分分布在圆周上（圆心为圆盘的轴线），相邻小圆心相距30度，误差需要根据具体设计要求确定，对应扇面形齿片就是6个，相邻齿槽中心线相距60度，削去部分的形状与保留部分的形状一样，也即齿片之间的间隔为与齿片结构相同的扇面形结构，在圆周上构成12个对称扇形，间隔为6个，余下部分为6个齿片，因此使扇面形齿片与扇面形间隙的扇面夹角α为30°。所述永磁体与扇面形齿片、扇面形间隔相对，可以有效接收永磁体产生形成的磁场。当然也可以根据实际需要，设置4个以上的整数个永磁体，以及永磁体数量一半的整数个齿片，使主动级圆周交错构成一个360度空间若干次交变的磁场，随转动体转动，对应空间磁场发生变化。从动级由高导磁材料构成的磁路中接收到磁场强度也随之变化。从而保证空间磁场变化均匀，从而使磁信息采集电路收集到的磁场变化情况均匀明显，从而后续的磁感应芯片的接收和识别，提高其精度，保证其可靠性。本发明的转矩传感器，所述磁信息采集电路包括圆环片和安装块，两圆环片分别位于两环片与外圆环的结合处，且从动级可相对于圆环片转动，两圆环片上均设置有安装块，两安装块的位置相对，所述磁感应芯片安装于两安装块之间的间隙内。

由于采用了上述结构，在两环片与外圆环的结合处分别设置有圆环片，圆环片固定不动，因此从动级可相对于该圆环片转动，且互不干涉，两个圆环片可以汇集磁路在圆环片上形成两个个环形磁路，在两个圆环片上均设置有安装块，两安装块的位置相对，且两安装块之间存在一定间隙，从而可以将磁场信息变化汇集到该间隙处，在该间隙处设置磁感应芯片，可以便于检测出磁场变化量，检测到主动级转动的角度和角度变化率等，并将该磁场信号转变为电信号传递至微处理芯片上，并由微处理芯片控制电机转动，电机再驱动从动级转动，最终实现主动轴带动主动级转动，主动级相对于从动级产生转动的角度变化，使得原有的磁场发生变化，磁感应芯片将检测到的该磁场变化，并将磁场信号转变为电信号，微处理芯片根据该电信号继而控制电机的转动，电机的转动驱动从动级转动，这样主动级与从动级间的机械角度回到初始值，磁场变化回到初始点，从而实现了机械转轴的跟踪。

本发明的转矩传感器，所述圆环片为导磁圆环片，所述齿片采用高磁导材料制成。

由于采用了上述结构，圆环片为导磁圆环片，使磁信息采集电路可以汇集磁路在圆环片上形成一个环形磁路，并且可以将磁场信息变化汇集到两安装块之间的间隙处，并可以在该空隙处安装磁感应芯片用于收集，便于检测出磁场变化量，检测到主动级转动的角度和角度变化率等；齿片采用高磁导材料制成，使从动级由于齿片与非导磁材料连接为一体，可沿主轴线转动，可以有效接收永磁体产生形成的磁场。

本发明的转矩传感器，所述磁感应芯片包括转换电路和磁感应传感器，所述磁感应传感器安装于两安装块之间的间隙内检测磁场信息，所述磁感应传感器连接到转换电路上，所述转换电路将磁场信息转换为电信号传递至控制电路进行处理并控制执行机构驱动从动级。由于采用了上述结构，磁感应传感器安装于两安装块之间的间隙内检测磁场的变化信息，并将磁场变化信息传递至转换电路上，由转换电路将该磁场信号转换为电信号，并传递至电路控制电机转动，所述电机的转动驱动从动级转动，可以实现助力转向系统的工作，因此该磁路转矩传感器，结构简单，可靠性高，寿命长，产品成本低，磁场路径简洁。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的利用磁路的转矩传感器，磁片可采用硬材质制成，磁场强度较高，有利用磁场信号得提取，主动级与从动级不能分离，容易定位，安装时不用考虑定位轴心问题；

2、本发明的利用磁路的转矩传感器，各个部件保管时，内设辅助轴，主动级与从动级保持同轴，安装后，可以抽调辅助轴，也可以保留，不影响传感器工作；

3、本发明的利用磁路的转矩传感器，磁路采集路径在前后两层，是对称结构，只需要一种加工模型就可以，制造和安装极为简便，并且无需可变形的弹性轴将主动轴与从动轴进行回位操作，结构简单，精度高，成本低廉；

4、本发明的利用磁路的转矩传感器，结构简单，安装简便，工艺简单，精度高，寿命长，可靠性高，磁场路径简洁，适用范围广。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明中主动级的结构示意图；

图2是本发明中从动级的结构示意图；

图3是本发明中电路采集板的结构示意图；

图4是本发明中主动级、从动级和电路采集板三部分的结构示意图；

图5是本发明中转矩传感器的结构示意图；

图6是本发明中主动级正面视图；

图7是本发明中从动级正面视图；

图8是本发明中电路采集板正面视图。

图中标记：1-主动级、1-1-圆盘、1-2-圆柱体、2-从动级、2-1-环片、2-2-外圆环、2-3-齿片、3-电路采集板、3-1-圆环片、3-2-安装块、4-磁片。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

如图1至图8所示，本发明的利用磁路的转矩传感器，包括主动级1、从动级2、电路采集板3和磁片4，其中：

所述主动级1包括圆盘1-1和圆柱体1-2，位于圆盘1-1中心连接有圆柱体1-2，该圆柱体1-2可外部的主动轴相连，所述圆盘1-1上布置有T个磁片4，其中T为≥4的偶数，本例中采用磁片4为12个，也即T=12，当然根据实际需要可以选择T=4、6、10、12、14……的偶数中的任意数，为了安装方便，可以在圆盘1-1的端面上设置孔用于安装磁片4，该孔可以为盲孔，也可以为通孔，由于圆盘1-1的厚度较薄，因此即便是盲孔对磁片4产生的磁场而言，也仅仅是效果不如通孔，可以根据实际需要进行设置，本例中采用盲孔，在盲孔中布置有磁片4，因此为了保证磁片4与孔的数量一致，便于安装，盲孔为T个，本例中选用12个盲孔，其中每个盲孔中均设置有磁片4，盲孔的个数可以根据磁片4的个数多少进行设置，其中盲孔均布于圆盘1-1中心为圆心的同一圆周上，相邻盲孔内的磁片4在圆盘1-1的同一端面上，其S、N极性相互交错布置，也即任意两个响铃的磁片4的同一端面上的极性相反，从而形成一个起伏的磁场分布，其中上述盲孔设置为圆形盲孔，便于加工，因此为了便于安装，将磁片4设计为圆柱形结构，将该磁片4安装于该盲孔内，磁片4的端面与圆盘1-1的两端面齐平，避免对环片2-1造成干涉。

从动级2包括环片2-1、外圆环2-2和齿片2-3，两环片2-1的边部通过外圆环2-2连接，使所述从动级2为空圆盘结构，其中所述圆盘1-1位于两环片2-1之间，圆柱体1-2从一端的环片2-1中穿出，使从动级2可将主动级1容纳入其内，在两个环片2-1上均设置有T/2个相互间隔的扇面形齿片2-3，其中本例中T=12,因此在两个环片2-1上均设置有6个齿片2-3，该齿片2-3为扇面形结构，所述齿片2-3采用高磁导材料制成，且齿片2-3之间相互间隔，其中齿片2-3之间的间隔与齿片2-3的结构相同，均为扇面形结构，并且扇面形间隔与扇面形齿片2-3的尺寸大小相同，因此环片2-1上设置有6个扇面形齿片2-3和6个扇面形间隔，并均布于以环片2-1中心为圆心的同一圆周上，所述磁片4与扇面形齿片2-3、扇面形间隔相对，所述扇面形齿片2-3与扇面形间隙的扇面夹角α为30°，当然该扇面形齿片2-3和扇面形间隔的个数为T/2，根据磁片4的个数而定，扇面夹角α也根据扇面形齿片2-3和扇面形间隔的个数而定，可以为其它值。

所述从动级2的边部外套有环形电路采集板3，其中所述电路采集板3包括圆环片3-1和安装块3-2，两圆环片3-1分别位于两环片2-1与外圆环2-2的结合处，其中圆环片3-1为导磁圆环片3-1，可以将集磁路在圆环片上形成一个环形磁路，圆环片3-1固定不动，且从动级2可相对于圆环片3-1转动，两圆环片3-1上均设置有安装块3-2，两安装块3-2的位置相对，圆环片将磁场信息变化汇集到两安装块之间的间隙处，因此所述霍尔芯片安装于两安装块3-2之间的间隙内，所述霍尔芯片包括电路芯片和霍尔传感器，所述霍尔传感器安装于两安装块3-2之间的间隙内检测磁场信息，所述霍尔传感器连接到电路芯片上，所述电路芯片连接到微处理芯片上，电路芯片将磁场信息转换为电信号传递至微处理芯片，微处理芯片通过控制电路控制电机转动，所述电机驱动从动级2转动。

实施例2

实施例2与实施例1相似，其不同之处在于：本例中，主动级中，所述圆盘1-1的端面上设置孔用于安装磁片4，该孔为通孔，该通孔均布于以圆盘1-1中心为圆心的圆周上，磁片4安装于该通孔内，且磁片4的两端与圆盘1-1的两端面齐平。其中通孔的个数设置为T=14，当然根据实际需要可以选择T=4、6、8、10、12、14、16、18……的偶数中的任意数，从动级中，两环片2-1的端面上分别设置相互对称的齿片2-3，其中齿片2-3为高磁导的扇面形结构，其中同一环片2-1上的齿片2-3间相互间隔，其中间隔为与齿片2-3结构相同的扇面形空间，因此齿片2-3以及扇面形间隔的个数分别为7个，同时根据需要可分别选择T/2个，扇面形齿片2-3与扇面形间隔依次相连，并均布于以环片2-1中心为圆心的同一圆周上，与圆盘1-1机械安装夹于两个环片2-1之间，且圆盘1-1与环片2-1、外圆环2-2之间并无接触，使主动级与从动级之间可相对转动，其圆盘1-1上的磁片4与扇面形齿片2-3、扇面形间隔相对，齿片2-3的数量与磁片4的数量是1：2关系，这样主动级1转动一周（如果从动级2不动）可以得到1/2磁片数量的完整正弦波形，磁片4的数量越多，主动级4转动一周内磁场变化的正弦波形数越多，所得到的精度越高。

上述实施例中，所述T可以为大于等于4的任意偶数，根据实际需要进行设定，同时位于将磁片4安装于圆盘1-1上，避免主动级1和从动级2之间的相对转动时，磁片4与齿片2-3发生干涉，因此在圆盘1-1上设置有用于安装磁片的通孔或者盲孔，可以根据实际需要进行设定，扇面形齿片2-3与扇面形间隙的扇面夹角α为根据实际的齿片2-3与间隔数量确定，只需保证齿片2-3与间隔在环片2-1上均布即可，从动级2中主要由两个设置有齿片2-3的环片2-1与外圆环2-2结合而成，使用时，两个环片2-1根本安装于外圆环2-2上，可将圆盘1-1限制于两个环片2-1之间，当然可以实际需要，可以先将任一设置有齿片2-3的环片2-1与外圆环2-2制成一体，在使用时，只需将另一设置有齿片2-3的环片2-1安装于外圆环2-2上即可，制造和安装极为简便。

根据上述实施例，本发明的转矩传感器，其基本工作原理为：主动级1受转矩力作用，开始沿主动轴转动（顺时针或逆时针），使圆盘1-1发生转动；从动级2与主动级1间的几何置位随之变化，主动级1上的永磁片4排列在周边形成磁场分布也跟随变化，由于主动1圆周片上设置了交错N、S级性的永磁片4，呈一个起伏的磁场分布，从动级2设计了由高导磁材构成齿片2-3，齿片2-3按磁片4数量1/2的对称扇形，保证扇形在圆周上基本等分，比如，例1中，采用12个圆形磁片4，等分分布在圆周上（圆心为轴线），相邻小圆心相距30度，误差需要根据具体设计要求确定，因此，对应扇面形间隔就是6个，相邻的扇面形间隔的中心线相距60度，削去部分的形状与保留部分的形状一样，也就即，在圆周上构成12个对称扇形，间隔为6个，余下部分的齿片2-3为6个，齿片2-3、间隔与磁片4相对，可以有效接收永磁片产生形成的磁场。主动级1的圆周交错构成一个360度空间若干次交变的磁场，随主动轴转动，对应空间磁场发生变化。从动级2由高导磁材料构成的磁路中接收到磁场强度也随之变化。电路采集板3制成环状，将磁场信息变化汇集到某一规定点，该点即为两个安装块之间的间隙，并在这点穿过霍尔芯片。霍尔芯片很容易检测出磁场变化量，检测到主动级1转动的角度和角度变化率等数据，利用霍尔芯片感知磁场变化，其磁场的变化反映转角的变换，可计算出转矩的变化值。霍尔芯片将磁场信息转换为电信号，送其到微处理芯片处理，并发送指令，控制电机转动，电机带动从动级2跟随转动，这样主动级1与从动级间2的机械角度回到初始值，磁场变化回到初始点，从而实现了机械转轴的跟踪。

本发明的转矩传感器，广泛应用在机械工业领域，除了汽车的电动助力转向系统之外，也应用到其它需要感知转矩的机械系统中。

本发明的转矩传感器，结构简单，安装简便，工艺简单，精度高，寿命长，可靠性高，磁场路径简洁，适用范围广；磁片可采用硬材质制成，磁场强度较高，有利用磁场信号得提取，主动级与从动级不能分离，容易定位，安装时不用考虑定位轴心问题；各个部件保管时，内设辅助轴，主动级与从动级保持同轴，安装后，可以抽调辅助轴，也可以保留，不影响传感器工作；磁路采集路径在前后两层，是对称结构，只需要一种加工模型就可以，制造和安装极为简便，并且无需可变形的弹性轴将主动轴与从动轴进行回位操作，结构简单，精度高，成本低廉。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种利用磁路的转矩传感器，其特征在于：包括主动级(1)、从动级(2)、磁信息采集电路(3)和永磁体(4)，所述主动级(1)为中心与主动轴连接的盘形结构，在主动级(1)的端面上布置有T个永磁体(4)，T为≥4的整数，永磁体(4)分布于以主动级(1)中心为圆心的圆周上，使得永磁体在盘形结构边缘所产生的综合磁场呈现周期性的分布；与从动轴连接的从动级(2)，为能将主动级(1)容纳入其内部的空心盘结构，所述从动级(2)的两端面均由T/2整数个相互间隔的扇面形高磁导齿片(2-3)组成，两端面上的扇面形高磁导齿片(2-3)位置相对，同一端面上的扇面形高磁导齿片(2-3)之间相互间隔，并依据主动级永磁体之分布，排列于以从动级(2)中心为圆心的圆周上，所述主动级(1)位于从动级(2)内且二者之间能相对转动，所述主动级(1)上的永磁体(4)与从动级(2)上的扇面形高磁导齿片(2-3)相对；所述从动级(2)的边部外套有磁信息采集电路(3)，从动级(2)能相对于磁信息采集电路(3)转动，所述磁信息采集电路(3)上安装有磁感应芯片。

2.如权利要求1所述的利用磁路的转矩传感器，其特征在于：所述主动级(1)包括圆盘(1-1)和圆柱体(1-2)，位于圆盘(1-1)中心的圆柱体(1-2)与主动轴相连，所述圆盘(1-1)上布置有T个放置永磁体(4)的通孔或空隙，T为≥4的整数，所述放置永磁体(4)的通孔或空隙分布于以圆盘(1-1)中心为圆心的同一圆周上，相邻通孔或空隙内的永磁体(4)在圆盘(1-1)的同一端面上，其磁场之S、N极性呈周期性交错布置。

3.如权利要求2所述的利用磁路的转矩传感器，其特征在于：设置有永磁体(4)的孔为通孔，所述永磁体(4)呈柱形结构，且所述永磁体(4)位于通孔内。

4.如权利要求2或3所述的利用磁路的转矩传感器，其特征在于：所述从动级(2)包括环片(2-1)、外圆环(2-2)和扇面形高磁导齿片(2-3)，所述圆盘(1-1)位于两环片(2-1)之间能相对于环片(2-1)转动，两环片(2-1)的边部通过外圆环(2-2)连接，两环片(2-1)上分别设置有T/2整数个相互间隔的扇面形高磁导齿片(2-3)，两环片(2-1)上的扇面形高磁导齿片(2-3)的位置相对，且同一环片(2-1)上的扇面形高磁导齿片(2-3)以环片(2-1)中心为圆心均布于同一圆周上。

5.如权利要求4所述的利用磁路的转矩传感器，其特征在于：所述环片(2-1)上的扇面形高磁导齿片(2-3)以及扇面形高磁导齿片(2-3)之间的间隔均为尺寸相同的扇面形结构。

6.如权利要求5所述的利用磁路的转矩传感器，其特征在于：所述圆盘(1-1)上设置有12个圆形通孔，每个圆形通孔内均设置有永磁体(4)，使圆盘(1-1)上布置有12个永磁体(4)，所述环片(2-1)上设置有6个扇面形高磁导齿片(2-3)和6个扇面形间隔，所述永磁体(4)与扇面形高磁导齿片(2-3)、扇面形间隔相对，所述扇面形高磁导齿片(2-3)与扇面形间隙的扇面夹角α为30°。

7.如权利要求5或6所述的利用磁路的转矩传感器，其特征在于：所述磁信息采集电路(3)包括圆环片(3-1)和安装块(3-2)，两圆环片(3-1)分别位于两环片(2-1)与外圆环(2-2)的结合处，且从动级(2)能相对于圆环片(3-1)转动，两圆环片(3-1)上均设置有安装块(3-2)，两安装块(3-2)的位置相对，所述磁感应芯片安装于两安装块(3-2)之间的间隙内。

8.如权利要求7所述的利用磁路的转矩传感器，其特征在于：所述圆环片(3-1)为导磁圆环片(3-1)，所述扇面形高磁导齿片(2-3)采用高磁导材料制成。

9.如权利要求7所述的利用磁路的转矩传感器，其特征在于：所述磁感应芯片包括转换电路和磁性传感器，所述磁性传感器安装于两安装块(3-2)之间的间隙内检测磁场信息，所述磁性传感器连接到转换电路上，所述转换电路将磁场信息转换为电信号传递至控制电路进行处理并控制执行机构驱动从动级。