CN105333982A - 一种用于汽车eps系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器 - Google Patents

一种用于汽车eps系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器 Download PDF

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Abstract

一种用于汽车EPS系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器，属于汽车转向控制检测技术领域。本发明为了解决现有扭矩传感器体积大，结构复杂，存在电磁干涉的问题。传感器包括齿轭转子部分，其包括分别于输入轴和输出轴固连且有多个相间分布且均匀分布于圆周位置的齿轭；FPC部分，其采用柔性电路板制作特殊形状的导线印刷在基材上并贴附于绝缘非导磁材料所制成的中空筒体外表面，FPC上布设激励线圈，激励线圈上下对称布置接收线圈；处理电路部分，其为包含信号发生电路和检测处理电路的PCB，其平面沿FPC中空筒体外侧面轴向布置。本传感器通过电磁感应原理，实现扭矩测量，无需外加磁场，体积小，稳定性好，测量精度高。

Description

一种用于汽车EPS系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器
技术领域
本发明涉及一种汽车EPS用扭矩传感器，具体涉及一种用于汽车EPS系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器，当方向盘转动时，用于测量对方向盘进行转动操作时在输入轴与输出轴之间产生的扭矩，属于汽车转向控制检测技术领域。
背景技术
汽车电动助力转向系统(EPS)是通过电动机为汽车转向提供助力从而提高驾驶员的驾驶舒适度，而安装在转向轴上的扭矩传感器则是为电动助力转向控制系统提供扭矩信号从而控制转向辅助电机，达到助力的目的。
扭矩传感器作为EPS的重要组件，其性能直接影响到助力效果和驾驶安全性。扭矩传感器主要分为接触式和非接触式两类。其中，接触式扭矩传感器因其使用磨损和噪音，已经逐渐被非接触式扭矩传感器所代替。常用非接触式扭矩传感器主要包括光电式，磁阻式，电感式和电磁感应式。
常规电磁感应式扭矩传感器是通过在印刷电路板上布设多组线圈，在电路板两侧设置平面转子，利用电磁感应和涡流效应等原理实现通过线圈电压测量转子角度。
此种扭矩传感器，平面延展，传感器体积较大，不能完全适应各车型安装空间狭小的问题。同时由于平面线圈的磁力线分布原因，平面转子的涡流效应不明显，导致检测信号微弱，测量精度受影响。由于两组线圈布置在印刷电路板两侧，产生的磁场出现叠加，虽然可以通过改变单面转子结构和对应的线圈组实现信号的单独测量，干涉不可避免。
此外如果将两组线圈布置在两块电路板上并附加电磁屏蔽结构，则会增加传感器体积和制造成本。
因此，亟待设计一种新型的电磁感应传感器，改变整体结构，避免电磁干涉和磁场叠加，同时缩小传感器整体体积，以适应安装需求。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，根据本发明的一个方面，提供了一种用于汽车EPS系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器，以至少解决现有扭矩传感器体积大，结构复杂，存在电磁干涉的问题。本发明恰恰是一款具有体积小，结构简单，无电磁干涉，无需电磁屏蔽的扭矩传感器，用于测量对转向系统所施加的扭矩。
本发明提出的一种用于汽车EPS系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器，该传感器安装在与汽车方向盘连接的输入轴和与助力组件相连接的输出轴之间，用于测量对方向盘进行转动操作时在输入轴与输出轴之间产生的扭矩。
一种用于汽车EPS系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器，包括齿轭转子部分，FPC部分，处理电路部分，传感器安装壳体部分；
所述齿轭转子部分包括第一齿轭转子和第二齿轭转子，第一齿轭转子和第二齿轭转子均包括连接部和多个齿轭，第一齿轭转子的多个齿轭等间距环形阵列在其连接部的下侧；第二齿轭转子的多个齿轭等间距环形阵列在其连接部的上侧；
所述FPC部分包括柔性电路板和中空筒体；柔性电路板贴附于中空筒体的外圆柱表面，所述FPC部分设置为与所述齿轭转子部分外面表面有径向间隔，柔性电路板上印刷有激励线圈和接收线圈；
所述处理电路部分，其为包含信号发生电路和检测处理电路的印刷电路板，印刷电路板的平面沿中空筒体外侧面轴向布置；
所述传感器安装壳体部分由左安装壳和右安装壳组合形成，齿轭转子部分、FPC部分、处理电路部分置于传感器安装壳体部分内部。
根据本发明的一个方面，所述中空筒体采用绝缘非导磁材料制作，中空筒体设置为与所述齿轭转子部分同轴，所述柔性电路板贴附于中空筒体外表面形成具有一定刚度的圆柱形立体线路板。
根据本发明的一个方面，所述第一齿轭转子和第二齿轭转子均为高导磁材料制作，齿轭从连接部一端外表面向外突出后沿轴向方向延伸，齿轭与齿轭间空隙所占圆周角度相同。
根据本发明的一个方面，所述激励线圈为螺旋结构，布置在所述柔性电路板的中间位置，螺旋中心与柔性电路板同轴。
根据本发明的一个方面，所述接收线圈包括第一接收线圈组及第二接收线圈组；所述第一接收线圈组及第二接收线圈组布置在所述激励线圈两侧，且位置对称，第一接收线圈组及第二接收线圈组的接收线圈数目为多个，单个接收线圈呈折线形式，多个接收线圈逆时针布置，并在布置一个圆周后按顺时针反向布置，顺时针与逆时针布置的折线形成菱形回路，实际应用不限于菱形结构，菱形回路数目和所述齿轭数目相同。多个接收线圈结构相同，在一个菱形回路的区域内均匀阵列布置。
根据本发明的一个方面，所述第一齿轭转子和第一接收线圈组在同一高度位置，且齿轭与菱形回路一一对应；所述第二齿轭转子和第二接收线圈组在同一高度位置，且齿轭与菱形回路一一对应。
根据本发明的一个方面，所述左安装壳和右安装壳配合形成圆筒，圆筒中部设有FPC安装位，圆筒两端设有齿轭转子安装位，圆筒外圆表面沿突出平面为处理电路部分安装位，所述突出平面与圆筒轴线平行，左安装壳和右安装壳上还设置有固定连接安装孔。
根据本发明的一个方面，所述印刷电路板和所述柔性电路板通过绝缘压条连接，以保证所述印刷电路板导线和柔性电路板导线导通。
根据本发明的一个方面，所述连接部的圆环外表面中部设有齿轭转子安装环，所述齿轭转子安装环为注塑材料(如PE)，所述齿轭转子部分通过齿轭转子安装环与所述传感器安装壳体部分的齿轭转子安装位配合，并在预留一定径向间距，使齿轭转子部分和所述安装壳体部分相对转动。
本发明所达到的效果为：
本发明提供了一种用于汽车EPS系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器，安装在与汽车方向盘连接的输入轴和与助力组件相连接的输出轴之间，用于测量对方向盘进行转动操作时在输入轴与输出轴之间产生的扭矩。通过电磁感应原理，实现扭矩测量，无需外加磁场，体积小，稳定性好，测量精度高。
附图说明
图1是立式非接触电磁结构示意图；
图2是立式非接触扭矩传感器FPC部分示意图；
图3是立式非接触扭矩传感齿轭转子示意图；
图4是立式非接触扭矩传感接收线圈示意图；
图5是立式非接触扭矩传感安装壳体示意图；
图6是立式非接触扭矩传感安装总成爆炸图。
图中：1-第一齿轭转子，2-FPC部分，3-第二齿轭转子，4-右安装壳，5-印刷电路板，6-柔性电路板，7-第一接收线圈组，8-激励线圈，9-第二接受线圈组，10-中空筒体，11-连接部，12-齿轭，13-齿轭转子安装环，14-固定连接安装孔，15-处理电路部分安装位，16-FPC安装位，17-齿轭转子安装位，18-输入轴，19-输出轴，20-扭杆，21-左安装壳。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明的实施例提供了一种用于汽车EPS系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器，包括齿轭转子部分，FPC部分，处理电路部分，传感器安装壳体部分；
所述齿轭转子部分包括第一齿轭转子1和第二齿轭转子3，第一齿轭转子1和第二齿轭转子3均包括连接部11和多个齿轭12，第一齿轭转子1的多个齿轭12等间距环形阵列在其连接部11的下侧；第二齿轭转子3的多个齿轭12等间距环形阵列在其连接部11的上侧；第一齿轭转子1的连接部11与输入轴18连接，第二齿轭转子3的连接部11与输出轴19连接，输入轴18通过扭杆20与输出轴19连接；
所述FPC部分2包括柔性电路板6和中空筒体10；柔性电路板6贴附于中空筒体10的外圆柱表面，所述FPC部分设置为与所述齿轭转子部分外面表面有径向间隔，柔性电路板6上印刷有激励线圈8和接收线圈；
所述处理电路部分，其为包含信号发生电路和检测处理电路的印刷电路板5，印刷电路板5的平面沿中空筒体10外侧面轴向布置；
所述传感器安装壳体部分由左安装壳21和右安装壳4组合形成，齿轭转子部分、FPC部分、处理电路部分置于传感器安装壳体部分内部。
所述中空筒体10采用绝缘非导磁材料制作，中空筒体10设置为与所述齿轭转子部分同轴，所述柔性电路板6贴附于中空筒体10外表面形成具有一定刚度的圆柱形立体线路板。
所述第一齿轭转子1和第二齿轭转子3均为高导磁材料制作，齿轭12从连接部11一端外表面向外突出后沿轴向方向延伸，齿轭与齿轭间空隙所占圆周角度相同。
所述激励线圈8为螺旋结构，布置在所述柔性电路板6的中间位置，螺旋中心与柔性电路板6同轴。
所述接收线圈包括第一接收线圈组7及第二接收线圈组9；所述第一接收线圈组7及第二接收线圈组9布置在所述激励线圈8两侧，且位置对称，第一接收线圈组7及第二接收线圈组9的接收线圈数目为多个，单个接收线圈呈折线形式，多个接收线圈逆时针布置，并在布置一个圆周后按顺时针反向布置，顺时针与逆时针布置的折线形成菱形回路，实际应用不限于菱形结构，菱形回路数目和所述齿轭数目相同。多个接收线圈结构相同，在一个菱形回路的区域内均匀阵列布置。
所述第一齿轭转子1和第一接收线圈组7在同一高度位置，且齿轭与菱形回路一一对应；所述第二齿轭转子3和第二接收线圈组9在同一高度位置，且齿轭与菱形回路一一对应。
所述左安装壳21和右安装壳4配合形成圆筒，圆筒中部设有FPC安装位16，圆筒两端设有齿轭转子安装位17，圆筒外圆表面沿突出平面为处理电路部分安装位15，所述突出平面与圆筒轴线平行，左安装壳21和右安装壳4上还设置有固定连接安装孔14。
所述印刷电路板5和所述柔性电路板6通过绝缘压条连接，以保证所述印刷电路板5导线和柔性电路板6导线导通。
所述连接部11的圆环外表面中部设有齿轭转子安装环12，所述齿轭转子安装环13为PE材料，所述齿轭转子部分通过齿轭转子安装环12与所述传感器安装壳体部分的齿轭转子安装位17配合，并在预留一定径向间距，使齿轭转子部分和所述安装壳体部分相对转动。
当本传感器应用于汽车EPS转向系统时第一齿轭转子1和输入轴18下端固定，第二齿轭转子3和输出轴19上端固定连接，输入轴18和输出轴19与扭杆20两端通过销钉连接，其中输入轴18上端连接汽车方向盘，输出轴19下端连接助力组件。
当旋转力矩作用在方向盘上时，输入轴18同时出现转动，旋转力矩通过扭杆传递给输出轴19，而由于车轮摩擦及其他原因，导致在力矩传递过程中，扭杆发生形变，表现为输入轴18和输出轴19的旋转角度不同，即为固定安装在输入轴18上的第一齿轭转子1和安装在输出轴19上的第二齿轭转子3出现相对转动。
当对激励线圈8通以高频交流电时，在传感器空间产生具有周向性的交变磁场，根据电磁感应原理，位于激励线圈8同一圆柱面的接收线圈感应到垂直作用在回路上交变磁场，而产生感生电压，由于接收线圈采用正反回路布置，感生电压为零。
当对激励线圈8通以高频交流电时，在传感器空间产生具有周向性的交变磁场，根据涡流效应，位于柔性电路板6同轴内侧并与其保留一定径向间隙的齿轭转子的齿轭部分在高频交变磁场作用下产生电涡流，从而新的交变磁场，削弱齿轭对应位置与原磁场，导致接收线圈正反回路感应电压不同，从而输出电压不为零。
在汽车方向盘转动时，由于扭矩作用第一齿轭转子和第二齿轭转子的转动角度不同，则对应接收线圈的输出电压不同，多组接收线圈提高测量精度及判定转动方向。处理电路对接收线圈的电压信号，进行整流、放大并成对地将其按比例输出，对信号进行相应处理测出扭杆的绝对转角，再根据材料力学和相应计算方法计算得到扭矩大小和方向。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种用于汽车EPS系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器，包括齿轭转子部分，FPC部分，处理电路部分，传感器安装壳体部分；
所述齿轭转子部分包括第一齿轭转子(1)和第二齿轭转子(3)，第一齿轭转子(1)和第二齿轭转子(3)均包括连接部(11)和多个齿轭(12)，第一齿轭转子(1)的多个齿轭(12)等间距环形阵列在其连接部(11)的下侧；第二齿轭转子(3)的多个齿轭(12)等间距环形阵列在其连接部(11)的上侧；
所述FPC部分(2)包括柔性电路板(6)和中空筒体(10)；柔性电路板(6)贴附于中空筒体(10)的外圆柱表面，所述FPC部分设置为与所述齿轭转子部分外面表面有径向间隔，柔性电路板(6)上印刷有激励线圈(8)和接收线圈；中空筒体(10)采用绝缘非导磁材料制作；
所述处理电路部分，其为包含信号发生电路和检测处理电路的印刷电路板(5)，印刷电路板(5)的平面沿中空筒体(10)外侧面轴向布置；
所述传感器安装壳体部分由左安装壳(21)和右安装壳(4)组合形成，齿轭转子部分、FPC部分、处理电路部分置于传感器安装壳体部分内部。
2.根据权利要求1所述的一种用于汽车EPS系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器，其特征在于：中空筒体(10)设置为与所述齿轭转子部分同轴，所述柔性电路板(6)贴附于中空筒体(10)外表面形成具有一定刚度的圆柱形立体线路板。
3.根据权利要求1所述的一种用于汽车EPS系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器，其特征在于：所述第一齿轭转子(1)和第二齿轭转子(3)均为高导磁材料制作，齿轭(12)从连接部(11)一端外表面向外突出后沿轴向方向延伸，齿轭与齿轭间空隙所占圆周角度相同。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种用于汽车EPS系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器，其特征在于：所述激励线圈(8)为螺旋结构，布置在所述柔性电路板(6)的中间位置，螺旋中心与柔性电路板(6)同轴。
5.根据权利要求4所述的一种用于汽车EPS系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器，其特征在于：所述接收线圈包括第一接收线圈组(7)及第二接收线圈组(9)；所述第一接收线圈组及第二接收线圈组布置在所述激励线圈(8)两侧，且位置对称，第一接收线圈组(7)及第二接收线圈组(9)的接收线圈数目为多个，单个接收线圈呈折线形式，多个接收线圈逆时针布置，并在布置一个圆周后按顺时针反向布置，顺时针与逆时针布置的折线形成菱形回路，菱形回路数目和所述齿轭数目相同。
6.根据权利要求5所述的一种用于汽车EPS系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器，其特征在于：所述第一齿轭转子(1)和第一接收线圈组(7)在同一高度位置，且齿轭与菱形回路一一对应；所述第二齿轭转子(3)和第二接收线圈组(9)在同一高度位置，且齿轭与菱形回路一一对应。
7.根据权利要求1所述的一种用于汽车EPS系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器，其特征在于：所述左安装壳(21)和右安装壳(4)配合形成圆筒，圆筒中部设有FPC安装位(16)，圆筒两端设有齿轭转子安装位(17)，圆筒外圆表面沿突出平面为处理电路部分安装位(15)，所述突出平面与圆筒轴线平行，左安装壳(21)和右安装壳(4)上还设置有固定连接安装孔(14)。
8.根据权利要求1或7所述的一种用于汽车EPS系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器，其特征在于：所述印刷电路板(5)和所述柔性电路板(6)通过绝缘压条连接，以保证所述印刷电路板(5)导线和柔性电路板(6)导线导通。
9.根据权利要求7所述的一种用于汽车EPS系统的立式非接触电磁感应扭矩传感器，其特征在于：所述连接部(11)的圆环外表面中部设有齿轭转子安装环(13)，所述齿轭转子安装环(13)为注塑材料，所述齿轭转子部分通过齿轭转子安装环(13)与所述传感器安装壳体部分的齿轭转子安装位(17)配合，并在预留一定径向间距，使齿轭转子部分和所述安装壳体部分相对转动。
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