CN104048789B - 具有注射模制磁体的非接触式转矩传感器 - Google Patents

Abstract

一种非接触式转矩传感器包括磁通量生成转子和磁通量检测探针。磁通量生成转子在轴向安置于第一定子与第二定子之间并且具有径向外侧表面和靠近径向外侧表面交替地安置的多个N极磁体和S极磁体。每个定子具有多个定子齿，所述多个定子齿中的每一个对应于所述多个N极磁体和S极磁体中独特的一个。磁通量检测探针安置在离径向外侧表面一定距离处并且被配置成检测由磁通量生成转子产生的磁通量变化以检测在磁通量生成转子与第一定子和第二定子之间的相对扭转变化。多个N极磁体和S极磁体为注射模制的。

Description

具有注射模制磁体的非接触式转矩传感器

技术领域

本发明涉及转矩传感器并且更特定而言涉及安置于基板转子上具有注射模制的磁体的小直径转矩传感器。

背景技术

在常规转矩传感器中，在转矩造成其所作用于的轴杆的变形时感测到转矩。在轴杆变形时，在沿着轴杆的位置处在轴杆的角位置之间形成差异。非接触式小直径转矩传感器提供取决于在第一轴杆位置与第二轴杆位置之间的角位置变化的通量密度输出。当希望测量施加到轴杆（诸如车辆的电力转向系统的控制轴杆）上的转矩时，可由扭杆转矩传感器来联接转向控制轴杆的上区段和转向控制轴杆的下区段，使得可确定出施加到方向盘上的转矩并且将转矩提供给控制器以辅助控制待供应给转向系统的转矩协助。

在这样的系统中，通常希望具有非接触式传感器，其提供相对较高的磁场 (高斯/度)和旋转准确度（低谐波/转）。不利地的是，先前满足这些要求的尝试已成功地改进了磁场响应但也需要显著的成本、制造复杂性并且也造成信号噪音（即，纹波）。常规小直径转矩传感器的这些缺陷的一个原因在于它们依赖于传统径向定向的、烧结的钕磁体来形成用作传感器输入的磁场。烧结钕磁体的成本很高并且这继而增加了转矩传感器的制造成本。

因此，希望有一种非接触式转矩传感器，其提供相对较高的磁场和旋转准确度，而不造成与烧结钕磁体相关联的成本。

发明内容

在本发明的一示例性实施例中，一种非接触式转矩传感器包括磁通量生成转子和磁通量检测探针。磁通量生成转子在轴向安置于第一定子与第二定子之间并且具有径向外侧表面和靠近径向外侧表面交替地安置的多个N极磁体和S极磁体。每个定子具有多个定子齿，所述多个定子齿中的每一个对应于所述多个N极磁体和S极磁体中独特的一个。磁通量检测探针安置在离径向外侧表面一定距离处并且被配置成用于检测由磁通量生成转子产生的磁通量变化以检测在磁通量生成转子与第一定子和第二定子之间的相对扭转的变化。多个N极磁体和S极磁体为注射模制的。

通过下文的描述，结合附图理解，这些和其它优点和特点将变得更显然。

附图说明

被认为是本发明的主题在说明书末尾处所附的权利要求中特别地指出且明确地要求保护。通过结合附图来理解下文的详细的描述，本发明的前述和其它特点和优点将显然，附图中：

图1示出了示例性小直径转矩传感器的轴向视图，其具有包括注射模制的磁体的转子；

图2示出了包括注射模制的磁体的示例性转子的轴向视图；

图3示出了示例性小直径转矩传感器的径向（侧）视图，其具有被定位成用以测量来自传感器的通量密度输出的探针；

图4示出了包括传统烧结钕磁体的转子的轴向视图；

图5示出了包括注射模制的磁体的示例性转子的轴向视图；以及

图6示出了示例性小直径转矩传感器的输出响应曲线，其具有包括注射模制磁体的转子。

具体实施方式

现参考附图，其中将参考具体实施例来描述本发明但并不限制本发明，如在图1和图3中所示，在一示例性实施例中，非接触式转矩传感器100包括了在轴向安置于第一定子104与第二定子106之间的磁通量生成转子102。非接触式转矩传感器100还包括磁通量检测探针108。如图2所示，在一示例性实施例中，所述磁通量生成转子102具有径向外侧表面100和靠近径向外侧表面110交替地安置的多个N极磁体112和S极磁体114。如图1所示的那样，每个定子104、106具有多个定子齿116，多个定子齿116中的每一个对应于多个N极磁体112和S极磁体114中独特的一个。

还如图3所示，磁通量检测探针108安置在离径向外侧表面110一定距离118处。磁通量检测探针108被配置成用于检测由磁通量生成转子102产生的磁通量变化以检测在磁通量生成转子102与第一定子104与第二定子106之间的相对扭转的变化。多个N极磁体112和S极磁体114可为注射模制的。

在一示例性实施例中，磁通量生成转子102可联接到转向系统（未图示）的输入轴杆，而定子联接到转向系统（未图示）的输出轴杆。因此，非接触式转矩传感器100安装于输入轴杆与输出轴杆之间，输入轴杆可连接到方向盘，输出轴杆连接到车辆的可转向的轮，由此可以检测在转矩传感器中的扭转，并且可以从其推导出在轴杆中的转矩。

在一示例性实施例中，多个N极磁体112和S极磁体114中的每一个包括内部段120和外部段122，内部段120安置于外部段122的径向内部并且外部段122安置于内部段120的径向外部。内部段120在周向方向126上具有内部段长度124（即，磁体长度），并且外部段122类似地限定了在周向方向126上的外部段长度128（即，磁体开口）。应意识到在内部段长度124与外部段长度128之间的关系的变化可能会对磁通量生成转子102的通量生成特征造成影响。在一实施例中，内部段长度124大于外部段长度128。在另一实施例中，内部段长度124至少以20％大于外部段长度128。在又一示例性实施例中，内部段长度124至少以50％大于外部段长度128，并且在再一示例性实施例中，内部段长度124至少为外部段长度128二倍大。

除了在周向方向126上所述磁体部段的长度的变化之外，磁体部段中每一个的高度也可被调整以实现磁通量生成转子102的所希望的通量生成特征。举例而言，在一实施例中，内部段120具有在径向方向的内部段高度130，并且外部段122具有在径向方向的外部段高度132，并且内部段高度130大于外部段长度128。在另一实施例中，内部段高度130至少以20％大于外部段高度132。在又一实施例中，内部段高度130至少以50％大于外部段高度132。内部段高度130也至少为外部段高度132二倍大。

在一示例性实施例中，多个n极磁体112和s极磁体114中的每一个安置成限定在其外边缘与径向外侧表面110之间的转子空隙134；并且转子空隙134小于外部段高度132的一半。应意识到多个n极磁体112和s极磁体114中的每一个可安置成在磁体之间在沿着周向方向126的内部段120的外边缘处限定空间136。在一示例性实施例中，在磁体之间沿着周向方向126的内部段120的外边缘处的空间136近似等于内部段高度130。

在一示例性实施例中，多个n极磁体112和s极磁体114具有带正方形拐角138的内部段120。在另一实施例中，多个n极磁体112和s极磁体114具有带正方形拐角140的外部段122。

在一示例性实施例中，磁通量生成转子102的径向外侧表面110基本上为圆柱形并且限定多个缺口142，多个缺口142中的每一个缺口142安置于多个n极磁体112与s极磁体114的两个相邻磁体之间。举例而言，径向外侧表面110可限定用于多个n极磁体112和s极磁体中每一个的缺口114。在一实施例中，多个n极磁体112和s极磁体114包括十二个磁体；并且多个缺口142包括十二个缺口142。

在一示例性实施例中，多个缺口142中的每一个缺口142具有V形的形状，具有大约30度的圆心角（central angle）144。在另一实施例中，多个缺口142中的每一个缺口142具有V形的形状，具有大约45度的圆心角144。

如上文所提到的那样，径向外侧表面110为基本上圆柱形并且限定多个缺口142，多个缺口142中的每一个缺口142安置于多个n极磁体112与s极磁体114的两个相邻磁体之间。在一示例性实施例中，多个缺口142中的每个缺口142具有近似等于外部段高度132的深度146。此外，多个缺口142中的每个缺口142具有近似等于内部段高度130的宽度148。

因此，可发展一种注射模制磁体的关键设计特点以产生一种转矩传感器，其提供合适的性能而同时以比常规传感器更低的成本利用注射模制的磁体。如附图所示，可以在磁体的形状和尺寸、磁体开口、在转子外圆弧中围绕磁体的缺口142的数量、缺口142的形状、缺口开口尺寸、缺口深度146、在磁体112与外转子半径之间的最小距离134、磁体拐角138的成形、磁体长度、磁体的拐角宽度分布和磁体开口的拐角宽度分布方面对设计特点进行调整。

可调整磁体成形参数，诸如磁体拐角的成形、在磁体与外转子半径之间的最小距离、内部段的拐角宽度分布和外部段的拐角宽度分布以改进传感器输出响应而同时减少纹波。缺口142的数量和位置影响传感器响应和纹波。在附图中示出的特点和元件的组合提供稳固并且具有成本效益的小直径转矩传感器。图6示出了图示传感器的输出响应曲线150。如图6所示，由注射模制传感器所产生的通量密度152在4度为大约66G。响应曲线在操作限度（+/-4度）内为线性的。在4度，纹波为大约5~6高斯。应意识到这些特征类似于使用昂贵的传统磁体所产生的结果。

虽然仅关于有限的几个实施例描述了本发明，但应易于了解本发明并不限于这些公开的实施例。而是，可修改本发明以合并之前未描述的任意多个变型、更改、替代或等效布置，但这些仍与本发明的精神和范围相符。此外，虽然描述了本发明的各种实施例，应了解本发明的方面可仅包括所描述实施例中的某些。因此，本发明不应被认为受到前文的描述限制。

Claims (10)

1.一种非接触式转矩传感器，包括：

磁通量生成转子，其在轴向安置于第一定子与第二定子之间；以及

磁通量检测探针；

所述磁通量生成转子具有径向外侧表面和靠近所述径向外侧表面而交替地安置的多个N极磁体和S极磁体；

每个定子具有多个定子齿，其中所述多个定子齿中的每一个对应于所述多个N极磁体和S极磁体中独特的一个；

所述磁通量检测探针安置在离所述径向外侧表面一定距离处并且配置成用于检测由所述磁通量生成转子产生的磁通量的变化以检测在所述磁通量生成转子与所述第一定子和第二定子之间的相对扭转的变化；

其中所述多个N极磁体和S极磁体为注射模制的。

2.根据权利要求1所述的非接触式转矩传感器：

其中所述多个N极磁体和S极磁体中的每一个包括内部段和外部段，所述内部段安置于所述外部段的径向内部并且所述外部段安置于所述内部段的径向外部；以及

其中所述内部段具有在周向方向的内部段长度，其中所述外部段具有在周向方向的外部段长度，并且其中所述内部段长度大于所述外部段长度。

3.根据权利要求2所述的非接触式转矩传感器：

其中所述多个N极磁体和S极磁体中的每一个包括内部段和外部段，所述内部段安置于所述外部段的径向内部并且所述外部段安置于所述内部段的径向外部；以及

其中所述内部段具有在径向方向的内部段高度，其中所述外部段具有在径向方向的外部段高度，并且其中所述内部段高度大于所述外部段长度。

4.根据权利要求3所述的非接触式转矩传感器：

其中所述多个N极磁体和S极磁体中的每一个安置成限定在其外边缘与所述径向外侧表面之间的转子空隙；以及

其中所述转子空隙小于所述外部段高度的一半。

5.根据权利要求1所述的非接触式转矩传感器，其特征在于，其中所述多个N极磁体和S极磁体中的每一个具有带正方形拐角的内部段。

6.根据权利要求1所述的非接触式转矩传感器，其特征在于，其中所述多个N极磁体和S极磁体中的每一个具有带正方形拐角的外部段。

7.根据权利要求1所述的非接触式转矩传感器，其特征在于，所述径向外侧表面为圆柱形并且限定多个缺口，所述多个缺口中的每一个缺口安置于所述多个N极磁体与S极磁体的两个相邻磁体之间。

8.根据权利要求7所述的非接触式转矩传感器：

其中所述径向外侧表面限定用于所述多个N极磁体和S极磁体中每一个磁体的一个缺口。

9.根据权利要求7所述的非接触式转矩传感器，其特征在于，所述多个缺口中的每一个缺口具有V形的形状，具有30度的圆心角。

10.根据权利要求3所述的非接触式转矩传感器：

所述径向外侧表面为圆柱形并且限定多个缺口，所述多个缺口中的每一个缺口安置于所述多个N极磁体与S极磁体的两个相邻磁体之间；以及

其中所述多个缺口中的每一个缺口具有等于所述外部段高度的深度。