CN103649705A - 磁致弹性的扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁致弹性的扭矩传感器（1、30、40），包括一个发射线圈（7），用于在应确定其扭矩的对象（3）内产生磁场，其中，发射线圈（7、31、41）具有一个轴向（A）和延伸到对象（3）近旁的轴向发射线圈端面（15），以及，至少两个与发射线圈间隔距离的接收线圈（9、33、43），这些接收线圈分别具有一个延伸到对象（3）近旁的接收线圈端面（17），并接收对象（3）内由发射线圈（7、31、41）的磁场感应的应答信号。至少接收线圈之一的接收线圈端面（17）超过发射线圈端面（15）地伸出。

Description

磁致弹性的扭矩传感器

技术领域

本发明涉及一种磁致弹性的扭矩传感器，包括一个发射线圈，用于在应确定其扭矩的对象内产生磁场，以及包括至少两个接收线圈，它们接收对象内由发射线圈的磁场感应的应答信号。

背景技术

磁致弹性的扭矩传感器基于反向磁致伸缩效应，亦即当出现机械应力时，使铁磁性材料的磁化率发生改变的效应。因为机械应力除通过拉力和压力外也通过扭转引起，所以反向磁致伸缩效应可利用于扭矩测量，例如为了非接触式测量轴的扭矩。当在例如轴的铁磁层内感应磁场时，在该层内产生取决于所出现应力的应答信号，应答信号可以由接收线圈检测。因为应答信号受在铁磁材料内因扭转引起的应力的影响，而所述应力又源于扭矩，所以根据应答信号可以推断出轴的扭矩。探测到的测量信号与扭矩传感器离铁磁层的距离和铁磁层的温度有关。因此根据应答信号确定扭矩能具有的精度，主要取决于扭矩传感器相对于应确定其扭矩的对象能如何良好地定位。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种能有利地定位的磁致弹性的扭矩传感器。

上述技术问题通过按照权利要求1所述的磁致弹性的扭矩传感器得以解决。从属权利要求包含本发明有利的扩展设计。

按本发明的磁致弹性的扭矩传感器包括一个发射线圈，用于在应确定其扭矩的对象内感应磁场，以及，包括至少两个与发射线圈间隔距离的接收线圈，它们接收对象内由发射线圈的磁场产生的应答信号。发射线圈具有轴向和延伸到对象近旁的轴向发射线圈端面。相应地，接收线圈分别具有一个延伸到对象近旁的接收线圈端面，其中至少接收线圈之一的接收线圈端面超过发射线圈端面地伸出。

应确定其扭矩的对象往往具有一种圆柱形对称的形状，如驱动轴和其他传力的轴便是如此。通过至少一个接收线圈的接收线圈端面超过发射线圈端面的伸出，可将延伸到对象近旁的传感器端面的几何形状，有目的地与对象弯曲的表面相匹配。

尤其是，可例如存在两个在发射线圈周围的接收线圈对，它们中每一对具有两个设置在发射线圈圆周彼此对置两侧的接收线圈。接收线圈对的接收线圈各有一个延伸到对象近旁的接收线圈端面，以及接收对象内由发射线圈的磁场产生的应答信号。其中至少一个接收线圈对的接收线圈，其接收线圈端面超过发射线圈端面地伸出。在这里例如另一个接收线圈对的接收线圈端面可以与发射线圈端面平齐。但作为替代方式也可以将所有的接收线圈端面均超过发射线圈端面伸出。在这里应采用这两种不同方案中的哪一种，可尤其根据接收线圈端面相对于对象的定位决定。当例如在一个接收线圈对的接收线圈之间的连线应平行于轴的旋转轴线延伸时，则接收线圈端面可以与发射线圈端面平齐。若第二个接收线圈对配置为，它的连线与第一个接收线圈对的连线垂直相交，则该连线平行于轴圆周的切线延伸。当现在接收线圈端面超过发射线圈端面地伸出时，第二个接收线圈对的接收线圈端面离轴表面，具有如发射线圈端面和第一个接收线圈对与之平齐的接收线圈端面离轴表面相同的距离。而当所述由发射线圈和接收线圈对组成的配置应围绕发射线圈轴线相对于轴旋转45°布置时，则有利的是，所有的接收线圈端面均平齐并超过发射线圈端面地伸出。

为提高线圈感应率和/或导致感应磁场，发射线圈和/或接收线圈具有磁芯，例如铁芯。尤其是，发射线圈和接收线圈也可以安装在公共的磁芯上。在这种情况下磁芯有发射线圈磁芯区和接收线圈磁芯区，其中发射线圈磁芯区和接收线圈磁芯区具有磁芯端面，它们与发射线圈端面或接收线圈端面平齐。因此通过恰当设计此公共的磁芯，可以借助公共的磁芯获得扭矩传感器感应面规定的几何形状。

按本发明的磁致弹性的扭矩传感器尤其可以结构设计为具有固定的几何形状，亦即独立于其扭矩应借助所述传感器检测的对象。但也存在这样的可能性，即，将磁致弹性的扭矩传感器设计为可变的。为达到这一点，至少发射线圈端面的位置可相对于接收线圈端面沿发射线圈的轴向移置。以此方式，可以改变接收线圈端面超过发射线圈端面伸出的量。其结果是，可以使扭矩传感器与不同的对象，例如与不同轴径的轴相匹配。在公共磁芯的情况下，例如可以存在调整机构，用于沿发射线圈的轴向移置发射线圈磁芯区以及安装在它上面的发射线圈。例如可以实现一种调整机构，只要将发射线圈磁芯区设计为独立于其余磁芯的例如圆柱形的磁芯部分，该磁芯部分在其背对发射线圈的那一端制有螺纹。此时，尤其大体在磁芯的中央，在接收线圈磁芯区之间，其余磁芯具有与圆柱形磁芯部分的螺纹配合作用的相配螺纹。因此，通过旋转所述发射线圈磁芯部分，可以进行非常精细地调整接收线圈端面超过发射线圈端面伸出的量。

按本发明的扭矩传感器设计用于在侧向位置离对象有小间距的情况下检测该对象的扭矩。此时，发射线圈和接收线圈全部可以同样近地延伸到对象近旁。

附图说明

由下面参见附图对实施例的说明中提供本发明其他特征、性质和优点。其中：

图1示意表示按本发明的扭矩传感器一种实施例在其面朝应确定其扭矩的对象那一侧的侧向视图；

图2表示图1所示扭矩传感器沿线Ⅱ-Ⅱ的剖面图；

图3表示图1和图2所示实施例的一种变型设计；

图4表示图1和图2所示实施例的另一种变型设计；

图5表示图1和图2所示实施例的再另一种变型设计；

图6表示按现有技术的扭矩传感器。

具体实施方式

在针对图1和图2说明按本发明的扭矩传感器一种实施例前，首先参见图6进行按现有技术的磁致弹性扭矩传感器的说明。图6在这里示意表示按现有技术的扭矩传感器101连同应检测其扭矩的轴103。

按现有技术的扭矩传感器101包括一个铁芯105、一个发射线圈107和四个接收线圈109，图6中只能看到其中两个。发射线圈107和接收线圈109卷绕在铁芯105的发射线圈磁芯区111或接收线圈磁芯区109上。这些线圈分别具有一个轴向A，它只标注在发射线圈107内。发射线圈107和接收线圈109具有发射线圈端面115或接收线圈端面117，它们与各自磁芯段111、113的端面平齐。在按现有技术的扭矩传感器中，不仅发射线圈端面115而且所有的接收线圈端面117均处于一个公共平面内，在图6中它通过虚线E体现。因此至少有些接收线圈端面117离轴103的距离比发射线圈端面115离轴103的距离大得多。因为探测到的测量信号与距离有关，尤其随距离增大而减弱，所以按现有技术的扭矩传感器平的几何形状存在的缺点是，探测的信号比在优化几何形状的情况下能够探测到的信号弱。与发射线圈离接收线圈的距离相比，轴103的直径越小，上述问题出现得越严重。

下面参见图1和图2说明按本发明的、其中不发生上述疑难问题的扭矩传感器一种实施例，图1和图2分别表示扭矩传感器1连同应测量其扭矩的轴3。图1表示从轴3的位置出发观察扭矩传感器1，而图2表示扭矩传感器1沿图1中线Ⅱ-Ⅱ的剖面图。

与按现有技术的扭矩传感器一样，按本发明的扭矩传感器1包括铁芯5，它有一个中央发射线圈磁芯段11和围绕发射线圈磁芯段11的四个接收线圈磁芯段13，在本实施例中这些接收线圈磁芯段13具有圆环扇形段的形式，但也可以设计为其他形状，例如圆柱形。发射线圈磁芯段1具有圆柱形的几何形状。在发射线圈磁芯段11上卷绕一个发射线圈7，在接收线圈磁芯段13上分别卷绕一个接收线圈9。所有的磁芯段均超过一个平的圆形支承段6地伸出。

在按本发明的扭矩传感器1中，发射线圈磁芯段11沿发射线圈7的轴向A比接收线圈磁芯段13短。因此，接收线圈端面17全都超过发射线圈端面15地伸出。发射线圈磁芯段11比接收线圈磁芯段13短的量，在这里根据应测量其扭矩的轴3的半径决定。以此方式可以达到，与按现有技术的扭矩传感器101中的情况相比，能使接收线圈端面17延伸到更靠近轴3。换句话说，在线圈的轴向总是相同的情况下，通过发射线圈7相对于接收线圈9轴向移置，可以将扭矩传感器1与测量对象（在本实施例内作为轴3的几何形状）匹配为，使发射线圈7和接收线圈9，在线圈总是相同的轴向时，在对象上为了测量最佳地定位。在这里所有的线圈离对象具有基本相同的距离。

通过铁芯预制的形状，扭矩传感器1在图2中表示的几何形状与应测量其扭矩的对象3的几何形状固定匹配。若期望扭矩传感器1针对使用于应确定其扭矩的不同对象具有更高的灵活性，则还可以将扭矩传感器设计为，至少发射线圈能沿轴向A移动其位置。

图3表示图1和图2所示实施例的一种变型设计，它允许发射线圈沿轴向A移置。图3表示变型设计后的扭矩传感器1沿图1中的线Ⅱ-Ⅱ的剖面图。下面仅说明与图1和图2所示扭矩传感器的差别。与图1和图2所示扭矩传感器1的元件没有差别或差别不大的元件，在图3中用与在图1和图2中同样的标记表示并且不再次说明。

图3所示的扭矩传感器1与图1和图2所示扭矩传感器的区别主要在于铁芯5的设计。按所述的变型设计，它有单独的圆柱形发射线圈磁芯部分19，取代发射线圈磁芯区11。在其背对发射线圈7的端部，发射线圈磁芯部分19设计有外螺纹21。在图1和图2所示实施例中铁芯5的支承段6在其中设置有发射线圈磁芯区11的地方，有一个带内螺纹的孔，发射线圈磁芯部分19旋入其中。通过旋转发射线圈磁芯部分19，可以沿轴向A移置发射线圈7。采用螺纹可以沿轴向A特别精确地定位发射线圈7。不过除螺纹外也可以考虑其他借助它能沿轴向A移置发射线圈磁芯部分19的装置，例如可在多个轴向位置锁止的滑板。发射线圈磁芯部分也可以形式上只是一个销子，也就是说没有螺纹，在这种情况下磁芯部分可移动地安装在磁芯5的没有螺纹的孔内。可例如借助一个或多个止动螺钉实现锁定在期望的位置上。

虽然图3中只能沿轴向A移置发射线圈7，但还存在可能性，设计一个或多个能沿轴向移置的接收线圈9。例如，当扭矩传感器应不仅仅使用在图1中表示的相对于测量对象3的定位时，这样做应是有利的。

由图1可以看出，接收线圈13成对布置，其中每个接收线圈对由两个相对于发射线圈11彼此相对置的接收线圈13组成。在图1中，两个接收线圈对的连线成直角相交，以及相对于轴3的旋转轴线R旋转一个角度α为45°。其结果是，当接收线圈端面17全部处于同一个平面中时，每个接收线圈13离轴3具有相同的距离。

然而，若如图4所示，将扭矩传感器1安装在与图1中的定位相比相对于轴3的旋转轴线R旋转45°后的位置上，则其连线平行于轴3旋转轴线R延伸的那个接收线圈对的接收线圈端面17，处于与发射线圈端面15相同的平面内。而其连线垂直于旋转轴线R延伸的那个接收线圈对的接收线圈端面17，则应超过发射线圈端面15并因而也超过另一个接收线圈对的接收线圈端面17地伸出，目的是能达到使所有的线圈端面离轴3有相同的距离。

虽然迄今所说明的磁致弹性的扭矩传感器分别有两个接收线圈对，其中一对接收线圈之间的连线与另一对接收线圈之间的连线成直角相交，但是也存在可能性，这些连线不同于直角相交。此外还可以设想包括少于或多于四个接收线圈的磁致弹性扭矩传感器。在图5中示例性地表示了这种变型设计。图5表示两种分别只有两个接收线圈的可能的变型设计。

按图5中左边表示的变型设计，接收线圈33与发射线圈31共同安装在从轴3出发观察为V形结构的铁芯35上。与图1和4类似，在这里或两个接收线圈端面处于一个公共的、超过发射线圈端面伸出的平面内（当存在图5所示的定位时），或发射线圈端面与接收线圈端面之一可以处于一个公共的平面内，此时另一个接收线圈的接收线圈端面超过该平面伸出。达种构型尤其当扭矩传感器30相对于图5所示的定位绕发射线圈轴线旋转45°时是合理的。

按图5中右边表示出磁致弹性的扭矩传感器的另一种可能的变型设计。这种扭矩传感器有直线构型，其中接收线圈41安装在磁芯45的直线支承段的端部，发射线圈43处于其中央。按图5所示的定位，接收线圈端面超过发射线圈端面地伸出。伸出的量在这里取决于，在接收线圈端面之间的连线与轴3的旋转轴线相交成怎样的角度α。

参见图1至图5示例性地说明的磁致弹性的扭矩传感器，尤其在线圈有相同的轴向时，可以通过优化所有的线圈相对于测量对象的距离匹配性，提高扭矩测量的精度，并因而尤其可以使用于小的轴直径或使用传感器头部几何尺寸大的结构。

在采用与测量对象的直径相比较大的传感器头部时，线圈定位在凹形表面上是有利的，为的是使所有的线圈能尽可能移近测量对象的表面。由此达到更好地接收测量信号。

Claims (10)

1.一种磁致弹性的扭矩传感器（1、30、40），包括

-一个发射线圈（7、31、41），用于在应确定其扭矩的对象（3）内产生磁场，其中，所述发射线圈（7、31、41）具有轴向（A）和轴向延伸到所述对象（3）近旁的发射线圈端面（15），以及，

-至少两个与所述发射线圈间隔距离的接收线圈（9、33、43），所述接收线圈分别具有一个延伸到所述对象（3）近旁的接收线圈端面（17），并接收在所述对象（3）内由发射线圈（7、31、41）的磁场感应的应答信号，

-其中至少所述接收线圈之一的接收线圈端面（17）超过所述发射线圈端面（15）地伸出。

2.按照权利要求1所述的扭矩传感器（1），其中，存在两个在发射线圈（7）周围的接收线圈对，它们中的每一对具有两个设置在发射线圈（17）的圆周的彼此相对置两侧的接收线圈（9），所述接收线圈各有一个延伸到所述对象（3）近旁的接收线圈端面（17），以及接在所述收对象（3）内由发射线圈（7）的磁场感应的应答信号，其中至少一个接收线圈对的接收线圈（9），其接收线圈端面（17）超过所述发射线圈端面（15）地伸出。

3.按照权利要求2所述的扭矩传感器（1），其中，一个接收线圈对的接收线圈（9）的接收线圈端面（17）与发射线圈端面（15）平齐。

4.按照权利要求2所述的扭矩传感器（1），其中，所有的接收线圈端面（17）均超过所述发射线圈端面（15）地伸出。

5.按照权利要求2至4之一所述的扭矩传感器（1），其中，所述接收线圈对互成直角的布置。

6.按照前列诸权利要求之一所述的扭矩传感器（1、30、40），其中，所述发射线圈（7、31、41）和/或接收线圈（9、33、43）具有磁芯（5、35、45）。

7.按照权利要求6所述的扭矩传感器（1、30、40），其中，所述发射线圈（7、31、41）和接收线圈（9、33、43）安装在公共的磁芯（5、35、45）上，该磁芯具有发射线圈磁芯区（11）和接收线圈磁芯区（13），其中发射线圈磁芯区和接收线圈磁芯区（13）具有磁芯端面，它们与发射线圈端面（15）或接收线圈端面（17）平齐。

8.按照权利要求1至6之一所述的扭矩传感器（1），其中，至少发射线圈端面（15）的位置可以相对于接收线圈端面（17）沿发射线圈（7）的轴向（A）移置。

9.按照权利要求7和权利要求8所述的扭矩传感器（1），其中，存在调整机构（21），用于沿发射线圈（7）的轴向（A）移置发射线圈磁芯区（11）及安装在它上面的发射线圈（7）。

10.按照权利要求9所述的扭矩传感器（1），其中，

-所述发射线圈磁芯区（11）设计为独立于其余磁芯（5）的磁芯部分（19），它在其背对发射线圈（7）的那一端制有螺纹（21），以及，

-其余磁芯（5）具有与所述磁芯部分（19）的螺纹（21）配合作用的相配螺纹。

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