CN106568542B - 扭矩传感器组件的磁性支承结构 - Google Patents

Abstract

扭矩传感器组件的磁性支承结构包括环绕上部轴的中心毂。其还包括从该中心毂径向地向外延伸的多个辐段，该多个辐段的每一个包括一对磁体支承件。其进一步包括多个磁体，该多个磁体的每一个置于辐段的相邻的磁体支承件之间。

Description

扭矩传感器组件的磁性支承结构

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2015年10月8日提交的序列号为62/238,796的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及扭矩传感器组件，并且更具体地，涉及这样的组件的磁性支承结构。

背景技术

非接触式扭矩传感器产生对应于由扭杆连接的上部轴和下部轴之间的相对角位移的输出电压。通过该输出电压，控制系统测量被提供至车辆的转向辅助值。期望的是，矩传感器产生关于上部轴和下部轴之间的差分角度的高增益的线性响应(高斯/度)。而且，理想的传感器输出应当是无噪声的。

典型的扭矩传感器由永磁体结构组成，该永磁体结构附接至由扭杆连接的两个轴之一，两个铁磁性环连接到另一个轴以及在铁磁性环之间的至少一个霍尔元件。仅仅磁体(或者附接至磁体的轴)关于铁磁性环(或者附接至环的轴)的相对角位移将改变环之间的磁通密度，该改变的磁通密度通过霍尔元件测得。永磁体结构能够在轴向或径向方向上被磁化。在轴向磁化的情形中，典型地，铁磁环是同心的、同轴的并且与彼此径向分离的。因此，霍尔元件感受到沿着环之间的空间高度变化的径向磁通密度，并且因此对霍尔探针的位置敏感。

在磁体的径向磁化的情形中，铁磁性环与彼此轴向分离。因此，霍尔元件测量轴向磁通密度并且对环之间的轴向间隙不那么敏感。扭矩传感器典型地已经使用稀土磁体来提供高增益。这可以导致取决于稀土材料的成本的成本波动。另一方面，基于铁素体磁体的传感器能够具有稳定的且较低的成本。然而，铁素体结构的主要挑战是实现高增益以及对退磁的鲁棒性。

发明内容

在本发明的一个方面中，扭矩传感器组件的磁性支承结构包括中心毂。其还包括从中心毂径向地向外延伸的多个辐段，该辐段的每一个包括一对磁体支承件，该磁体支承件在辐段的径向外部处限定在该磁体支承件之间的空间，其中，相邻的磁性支承件将磁体保持在其之间。

在本发明的另一个方面中，扭矩传感器组件包括上转子。上转子包括磁性支承结构，该磁性支承结构包括环绕上部轴的中心毂。该上转子还包括从中心毂径向地向外延伸的多个辐段，该辐段的每一个包括一对磁性支承件。该上转子进一步包括多个磁体，该磁体的每一个置于辐段的相邻的磁体支承件之间。扭矩传感器组件还包括外部下转子，该外部下转子操作性地联接至下部轴并且与上转子轴向隔开。扭矩传感器组件进一步包括内部下转子，该内部下转子操作性地联接至下部轴，并且在轴向上位于上转子和外部下转子之间。扭矩传感器组件还进一步包括至少一个探针，该探针定位在外部下转子与内部下转子之间，该至少一个探针测量由上转子产生、并且由外部下转子与内部下转子引导的轴向磁通。

在本发明的又一个方面中，扭矩传感器组件的磁性支承结构包括中心毂。其还包括从该中心毂径向地向外延伸的多个辐段，该辐段的每一个包括一对磁体支承边缘，该磁体支承边缘沿着该磁体支承边缘的整个径向长度具有置于其间的实心部分，其中，相邻的磁性支承件将磁体保持在其之间。

通过结合附图的下列描述，这些以及其它优点和特征将变得更加明显。

附图说明

在说明书的结尾处的权利要求书中特别地指出并且清楚地要求保护被视为本发明的主题。从结合附图的下列详细描述中，本发明的前述和其它特征以及优点是明显的，其中：

图1是扭矩传感器的透视图；

图2是扭矩传感器的横截面视图；

图3是扭矩传感器的磁性支承结构的正视图；

图4是具有图3的磁性支承结构的磁性结构的透视图；

图5是部分磁性支承结构的放大视图；

图6是图5的放大部分的透视图；

图7是根据本发明另一个方面的扭矩传感器的磁性支承结构的正视图；

图8是图7的扭矩传感器的上转子的透视图；

图9是图7的部分磁性结构的放大视图；

图10是根据本发明的又一个方面的扭矩传感器的磁性支承结构的正视图；

图11是具有图10的磁性支承结构的磁性结构的正视图；

图12是图10的部分磁性支承结构；

图13是图11的部分磁性结构；

图14是根据本发明另一个方面的扭矩传感器的磁性支承结构的透视图；

图15是根据本发明另一个方面的扭矩传感器的磁性支承结构的透视图。

具体实施方式

现在参考图1，其图示根据本发明的一个实施例的小直径扭矩传感器100。如在图1中所示，小直径扭矩传感器100包括上转子102和下转子103。下转子103由内部下转子104和外部下转子106组成。上转子102、内部下转子104和外部下转子106围绕旋转轴线轴向布置。如下面更详细地描述的，轴向磁通由上转子102产生并且至少部分地由内部下转子104与外部下转子106引导。上转子102和下转子103的相对角位移引起轴向磁通密度的可测量的变化。

内部下转子104沿旋转轴线布置在外部下转子106与上转子102之间。在内部下转子104和外部下转子106之间形成轴向间隙109(图2和6)。内部下转子104包括内部环形框架120以及外部下转子106包括外部环形框架122。多个齿124围绕内部下转子104周向布置，在多个齿124之间限定多个间隙。多个齿124从内部环形框架120径向地向内延伸。

在这个实施例中，多个齿124中的至少一个齿附接至内部环形框架120，径向地向内延伸。在另一个实施例中，齿包括朝向上转子102轴向延伸的弧形表面，以及从该弧形表面径向地向内延伸的平直表面。齿的弧形表面在轴向方向上提供从内部环形框架120朝向上转子102的偏移。

围绕外部下转子106周向布置的多个U形齿130从外部环形框架122延伸。多个U形齿130中的至少一个U形齿周向布置在由内部下转子104的多个齿124限定的多个间隙的至少一个间隙134内。

多个U形齿130中的至少一个U形齿包括外部齿表面136，其从外部下转子106的外部环形框架122径向地向内延伸。U形齿进一步包括沟形表面140，其从外部齿表面136朝向内部下转子104轴向延伸。U形齿的内部齿表面142径向地向外延伸。沟形表面140延伸至使U形齿的内部齿表面142与内部下转子104的齿的平直表面轴向对齐。

现在参考图2，其图示扭矩传感器100的横截面视图。上转子102附接至轴杆的上部轴204，该轴杆是扭杆206。内部下转子104和外部下转子106附接至轴杆206的下部轴212。上转子102、内部下转子104与外部下转子106围绕旋转轴线111布置。上部轴204和下部轴212与扭杆206可旋转地附接，并且围绕旋转轴线111转动。

内部下转子104和外部下转子106通过固持结构214附接至下部轴212。在这个实施例中，固持结构214是两件式设计。然而，固持结构214能够是具有单个固持结构的单件式设计。固持结构214固持内部下转子104和外部下转子106，以使内部下转子104和外部下转子106在轴向方向上分离。能够将传感探针(未示出)放置在内部下转子104和外部下转子106之间。

在操作中，上部轴204相对于下部轴212的运动产生上转子102相对于内部下转子104和外部下转子106的运动。磁通从上转子102轴向行进至内部下转子104和外部下转子106，在这里，磁通至少部分地由内部下转子104与外部下转子106引导。

上转子102的磁性装置与内部下转子104和外部下转子106的结构一同引起磁通在轴向方向上向回行进至上转子102。小直径扭矩传感器100的探针(未示出)定位在内部下转子104和外部下转子106之间，以测量由上转子102相对于内部下转子104和外部下转子106的相对角位移产生的磁通密度的变化。能够基于所测得的磁通密度确定扭矩。

现在参考图3和图4，其更详细地图示上转子102。上转子102是包括多个磁体160的永磁体结构。多个磁体160由多个磁极对形成，磁极对的数量取决于具体的应用而变化。在图3的图示实施例中，包括七个磁极对。

上转子102包括磁性支承结构162。在一个实施例中，磁性支承结构162是单个的、整体形成结构。还可以想到的是，磁性支承结构162是分段的。磁性支承结构162由铁磁性材料形成。适合的铁磁性材料的示例包括碳钢和硅钢。这些材料仅仅是说明性的并且不是限定性的。磁性支承结构162包括中心毂164，该中心毂164围绕其操作性地联接至的轴周向延伸。从中心毂164径向延伸的是多个辐段168。辐段168围绕中心毂164与彼此周向分离。每一个辐段168包从中心毂164径向延伸的桥状构件170，以及从辐段168延伸的磁体支承件172。如在图4中所示，相邻磁体支承件172被设计成其中容纳多个磁体160的一个的尺寸。

现在参考图5和6，部分永磁体结构图示一对相邻磁体以及由总扭矩传感器提供的相关联的磁通。在图5中示出的点表示从页面出来的磁通，并且叉表示进入页面的磁通。如所示，通过在铁磁性支承结构162内部(更特别地，在磁体支承件172之间)定向面向彼此的类似磁极，磁体在圆周方向上被磁化并且朝向彼此。以这种方式磁化将磁通聚集在磁体磁极之间的磁性支承结构162的铁磁性材料中，并且能够使得空气隙磁通密度高于磁体磁通密度，由此允许使用弱磁体。然而，产生通过磁性支承结构162的桥状构件170的磁通泄露174。为了减少泄露174，操作性地将非磁性部分176联接至磁性支承结构162。

如所示，在辐段168的径向外部处的磁体支承件172之间提供空间161，以减小内部下转子104的外径，因为U形齿130的内部齿表面142必须径向地向外延伸至磁体之间的空间开始的位置。

现在参考图7-9，其图示磁性支承结构262的另一个实施例。磁性支承结构262与上面描述的实施例类似，使得为了易于参考，对于相似的部件将采用相似的附图标记。磁性支承结构262包括多个磁体支承桥180，其每一个对应于相应的磁体160。每一个磁体支承桥180从中心毂164径向地向外延伸，并且周向地定位在桥状构件170之间。磁体支承桥180有助于磁体160在铁的结构腔体中的准确且容易的放置，因为磁体被推入就位直到其接触磁体支承桥180并且由磁体支承桥180支承。

参考图10-13，其图示磁性支承结构362的另一个实施例。磁性支承结构362与上面描述的实施例类似，使得为了易于参考，对于相似的部件将采用相似的附图标记。磁性支承结构362包括提供磁体支承的多个突缘280。突缘280从相邻的磁体支承件172朝向彼此基本上周向地延伸。突缘280有助于磁体160在铁的结构腔体中的准确且容易的放置，因为磁体被推入就位直到其接触突缘280并且由突缘280支承。此外，磁性支承结构362包括在磁体之间的实心壁390以消除空间。这增加了从置于磁体之间的整个金属区域中捕获的磁通。

参考图14，其图示磁性支承结构462的另一个实施例。磁性支承结构462与上面描述的实施例类似，使得为了易于参考，对于相似的部件将采用相似的附图标记。磁性支承结构462包括在磁体之间的实心壁490以消除空间。这增加了从置于磁体之间的整个金属区域中捕获的磁通。磁性支承结构462包括多个磁体支承桥480，其每一个对应于相应的磁体160。每一个磁体支承桥480从中心毂164径向地向外延伸，并且周向地位于桥状构件170之间。磁体支承桥480有助于磁体160在铁的结构腔体中的准确且容易的放置，因为磁体被推入就位直到其接触磁体支承桥480并且由磁体支承桥480支撑。

参考图15，其图示磁性支承结构562的另一个实施例。磁性支承结构562与上面描述的实施例类似，使得为了易于参考，对于相似的部件将采用相似的附图标记。磁性支承结构562包括在磁体之间的部分壁590，以消除在磁体支承件172的外部处的完整的圆周空间。具体地，仅在远离内部下转子104和外部下转子106(即，环形件)的磁体支承件172的轴向部分设置空间592。局部空间592提高了在扭矩检测期间的增益。磁性支承结构562包括多个磁体支承桥580，其每一个对应于相应的磁体160。每一个磁体支承桥580从中心毂164径向地向外延伸，并且圆周地位于桥状构件170之间。磁体支承桥580有助于磁体160在铁的结构腔体中的准确且容易的放置，因为磁体被推入就位直到其接触磁体支承桥580并且由磁体支承桥580支承。

尽管在本文中描述的实施例提供了使用较弱的(例如稀土材料)磁体的机会，但要理解的是，对于多个磁体160可以采用不同的材料。例如，可以采用铁素体，钕磁体或钐磁体。这些材料仅仅是说明性的并且不限定许多可想到的磁性材料。材料的类型可以影响磁体支承结构162覆盖磁体的程度。例如，对于易于退磁的磁体(例如铁素体)，磁性支承件162的铁磁性材料基本上覆盖磁体的整个宽度。相反地，对于不易于退磁的磁体(例如钐)，铁磁性材料没有沿着磁体宽度整个放置，以增加下转子的钢环附近的磁通密度。

在本文中描述的实施例通过允许使用具有较少的剩余磁通密度的较便宜的磁体(诸如，无稀土磁体)，降低了扭矩传感器100的成本。

虽然已经结合仅有限数量的实施例详细地描述了本发明，但是应该容易理解的是，本发明并没有限于这样的公开实施例。相反地，能够修改本发明以并入此前没有描述但与本发明的精神和范围相称的任意数量的变形，变更，替换或等同布置。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是要理解的是，本发明的各方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不被视为受前述描述所限制。

Claims (14)

1.一种扭矩传感器组件的磁性支承结构，包括：

中心毂；以及

从所述中心毂径向地向外延伸的多个辐段，所述辐段的每一个包括一对磁体支承件，所述一对磁体支承件在所述辐段的径向外部处限定在所述一对磁体支承件之间的空间，其中，相邻的磁体支承件将磁体保持在其之间；

其中，由一对磁体支承件限定的所述空间在轴向方向上部分地延伸，所述辐段的实心部分在所述径向外部处位于所述一对磁体支承件之间，所述实心部分在轴向方向上部分地延伸。

2.根据权利要求1所述的磁性支承结构，其中，所述多个辐段的每一个包括在所述中心毂和所述磁体支承件之间延伸的桥状构件。

3.根据权利要求1所述的磁性支承结构，其中，所述中心毂直接地联接至转向柱组件的上部轴。

4.根据权利要求1所述的磁性支承结构，进一步包括多个磁体支承桥，所述磁体支承桥的每一个从所述中心毂径向地向外延伸并且与彼此周向地隔开，以在径向上支承和定位所述磁体。

5.根据权利要求1所述的磁性支承结构，进一步包括至少一个突缘，所述至少一个突缘从所述辐段的每一个周向地延伸，以在径向上支承和定位所述磁体。

6.一种扭矩传感器组件，包括：

上转子，包括：

磁性支承结构，所述磁性支承结构包括环绕上部轴的中心毂；

多个辐段，所述辐段从所述中心毂径向地向外延伸，所述辐段的每一个包括一对磁体支承件；以及

多个磁体，所述磁体的每一个置于所述辐段的相邻的磁体支承件之间；

外部下转子，所述外部下转子操作性地联接至下部轴并且与所述上转子在轴向上隔开；

内部下转子，所述内部下转子操作性地联接至所述下部轴并且在轴向上位于所述上转子和所述外部下转子之间；以及

至少一个探针，所述至少一个探针定位在所述外部下转子和所述内部下转子之间，所述至少一个探针测量由所述上转子产生并且由所述外部下转子和所述内部下转子引导的轴向磁通。

7.根据权利要求6所述的扭矩传感器组件，其中，所述多个辐段的每一个包括在所述中心毂和所述磁体支承件之间延伸的桥状构件。

8.根据权利要求6所述的扭矩传感器组件，其中，所述中心毂直接地联接至转向柱组件的上部轴。

9.根据权利要求6所述的扭矩传感器组件，其中，所述多个磁体在所述磁性支承结构的圆周方向上被磁化。

10.根据权利要求6所述的扭矩传感器组件，进一步包括多个磁体支承桥，所述磁体支承桥的每一个从所述中心毂径向地向外延伸并且与彼此周向地隔开，以在径向上支承和定位所述磁体。

11.根据权利要求6所述的扭矩传感器组件，进一步包括从所述辐段周向地延伸的多个突缘，以在径向上支承和定位所述多个磁体。

12.一种扭矩传感器组件的磁性支承结构，包括：

中心毂；以及

从所述中心毂径向地向外延伸的多个辐段，所述辐段的每一个包括一对磁体支承边缘，所述磁体支承边缘具有实心部分，所述实心部分沿着所述一对磁体支承边缘的整个径向长度置于其之间，其中，相邻的磁体支承边缘将磁体保持在其之间。

13.根据权利要求12所述的磁性支承结构，进一步包括多个磁体支承桥，所述磁体支承桥的每一个从所述中心毂径向地向外延伸并且与彼此周向地隔开，以在径向上支承和定位所述磁体。

14.根据权利要求12所述的磁性支承结构，进一步包括从所述辐段周向地延伸的多个突缘，以在径向上支承和定位所述多个磁体。

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