CN106794868A - 用于测量扭矩角的低高度传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于测量扭矩角的传感器。所述传感器包括磁体、第一定子、第二定子、第一收集器、第二收集器和磁性传感元件。所述第一定子包括位于第一平面上的第一水平环形段和从所述第一水平环形段延伸的多个第一齿，所述多个齿位于第二平面上。所述第二定子包括位于第二平面上的第二水平环形段和从所述第二水平环形段延伸的多个第二齿，所述多个第二齿位于第二平面上。所述第一收集器位于所述第一水平环形段附近，所述第二收集器位于所述第二水平环形段附近。所述磁性传感元件磁性地耦合到所述第一收集器和所述第二收集器。

Description

用于测量扭矩角的低高度传感器

技术领域

本发明涉及扭矩传感器。更具体地，扭矩传感器被配置为测量一组轴之间的扭杆上的扭矩角，最典型地在汽车的转向系统中。

背景技术

可在具有输入轴和输出轴以及连接两个轴的柔性轴或扭力杆的系统中测量扭矩。磁性传感器安装或放置在两个轴的接口处。传感器可以包括磁体、一对定子、一对收集器和一个或多个磁性传感元件。扭杆具有已知的弹簧常数或扭转刚度。输入轴相对于输出轴的旋转运动在两者之间产生相对角位移。角位移与施加在输入轴上的扭矩(例如，通过人转动方向盘)成比例。然后，使用已知的磁原理测量角位移。

发明内容

虽然扭矩角传感器通常是已知的，但它们并不完全令人满意。在许多设计中，扭矩角传感器是笨重的并且在轴向方向上尺寸过大。这是因为磁体通常是具有径向磁通量的磁体。在典型的设计中，径向磁体(附接到扭杆的第一端)在定子组件(附接到扭杆的第二端)内旋转。定子组件通常包括两个定子，该定子具有定子环和多个齿。齿从定子环沿轴向以九十度角延伸并且围绕径向磁体。当扭矩施加在扭杆上时，磁体相对于定子组件旋转，从而在两个定子之间产生变化的磁场。磁场由两个收集器检测并且集中在磁性传感器元件上，磁性传感器元件将磁场信息转换成电信号。

在本发明的一个实施例中，提供了一种用于测量扭矩角的传感器。在一个特定实施例中，传感器包括磁体、第一定子、第二定子、第一收集器、第二收集器和磁性传感元件。第一定子包括位于第一平面上的第一水平环形段和从第一水平环形段延伸的多个第一齿。第一多个齿位于第二平面上。第二定子包括位于第二平面上的第二水平环形段和从第二水平环形段延伸的多个第二齿。多个第二齿位于第二平面上。第一收集器位于第一水平环形段附近，第二收集器位于第二水平环形段附近。磁性传感元件磁性地耦合到第一收集器和第二收集器。

在另一个实施例中，本发明提供了一种用于测量转向轴扭矩的传感器。在一个特定实施例中，传感器包括环形磁体、第一定子、第二定子、第一收集器、第二收集器和磁性传感元件。环形磁体包括顶部、底部和外部。第一定子包括包围环形磁体的外部的第一水平环和从第一水平环形段延伸的多个第一齿。多个齿在环形磁体的底部附近。第二定子包括包围环形磁体的外部的第二水平环形段和从第二水平环形段延伸的多个第二齿。多个第二齿在环形磁体的底部附近。第一收集器位于第一水平环形段附近，第二收集器位于第二水平环形段附近。磁性传感元件磁性地耦合到第一收集器和第二收集器。

在另一个实施例中，本发明提供一种测量转向轴扭矩的方法。该方法包括提供环形磁体，其具有轴向磁通量、外部和底部。该方法还包括提供第一定子，该第一定子具有围绕环形磁体的外部的第一定子环和从第一定子环延伸的多个第一齿，多个第一齿在环形磁体的底部附近。该方法还包括提供第二定子，该第二定子具有围绕环形磁体的外部的第二定子环和从第二定子环延伸的多个第二齿，多个第二齿在环形磁体的底部附近。该方法还包括提供位于第一定子环附近的第一收集器；提供位于第二定子环附近的第二收集器；以及感测流经第一定子、第二定子、第一收集器和第二收集器的磁通量。

通过考虑详细描述和附图，本发明的其他方面将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的耦接到输入轴和输出轴的传感器的立体图。

图2A是图1的传感器的磁体的立体图。

图2B是图2A的磁体的正视图。

图3A是图1的传感器的磁体、第一定子和第二定子的俯视立体图。

图3B是图1的传感器的磁体、第一定子和第二定子的仰视立体图。

图3C是图1的传感器的磁体、第一定子和第二定子的正视图。

图4是图1的传感器的控制系统的框图。

图5是当存在角位移时图1的传感器的磁体、第一定子和第二定子的俯视立体图。

图6是图1的传感器的横截面图。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解，本发明在其应用中不限于在下面的描述中阐述的或在以下附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式实践或执行。

图1示出了示例性传感器100，其用于测量输入轴105和输出轴110之间的扭矩角。传感器100包括磁体115、第一定子120、第二定子125、第一收集器130和第二收集器135。磁体115耦接到输入轴105，而第一定子120和第二定子125耦接到输出轴110。输入轴105和输出轴110经由扭力杆(未示出)连接。扭力杆具有预定的或已知量的扭转刚度或扭转弹簧常数。输入轴105相对于输出轴110的旋转运动在输出轴110和输入轴105之间产生与施加的扭矩成比例的相对角位移。

图2A和2B示出了磁体115的一个实施例。磁体115是多极环形磁体，在磁体115的轴向面上具有多个交替的北极N和南极S。磁体115包括顶部140、底部145、内部150和外部155。在所示出的实施例中，磁体115沿轴向被磁化，具有轴向磁通量(即，在轴向方向上从北极N到南极S流向的磁通量)。在另一实施例中，磁体115不是纯粹沿轴向磁化，但是在底部145上仍包括N极和S极。

图3A、3B和3C示出了传感器100的磁体115、第一定子120和第二定子125。如图所示出的，磁体115的外部155可以被第一定子120围绕或包围。第一定子120包括第一环形段或第一水平环形段160和多个第一齿165。第一齿165以使得第一齿165的至少一部分在磁体115的底部145附近的形式从第一水平环形段160延伸。术语“附近”可以被定义为：部件不直接接触磁体，但是处于足够接近的距离使得该部件能够接收来自磁体的磁通量。例如，在一个实施例中，第一齿165位于离磁体115的底部145大约0.2mm至2.0mm处，使得第一齿165能够接收来自磁体115的磁通量。第一齿165以这种形式从第一水平环形段160延伸，使得第一齿的一部分在第一平面上，而第一水平环形段160在第二平面上，第一平面不同于第二平面。在所示出的实施例中，第一齿165包括成角度部分170和水平部分175。在这样的实施例中，水平部分175在第一平面上，而第一水平环形段160在第二平面上。在其他实施例中，第一齿165以流畅的方式从第一水平环形段160延伸，使得没有成角度的部分。

第二定子125位于磁体115和第一定子120附近(例如，在一个实施例中，距离为0.2mm至2.0mm)。如图所示出的，第二定子125可以围绕或包围磁体115的外部155。第二定子125包括第二环形段或第二水平环形段180和多个第二齿185。多个第二齿185从第二水平环形段180延伸，并且也位于磁体115的底部145附近(例如，在一个实施例中，距离为0.2mm至2.0mm)。在所示出的实施例中，多个第二齿185从第二水平环形段180延伸的方式使得第二齿185和第二水平环形段180基本上在同一平面(即，第三平面)上。在一些实施例中，第三平面基本上等于第一平面。在另一个实施例中，多个第二齿185从第二水平环形段180延伸的方式使得第二齿185的一部分和第二水平环形段180在不同平面上。在这样的实施例中，第二齿185的该部分可以与所述第一齿165的该部分在相同的平面上。

另外，如图3A至3C所示，当存在净零扭矩时，磁体115的多个分隔线187与第一齿165和第二齿185的中心线旋转对齐。分隔线187将磁体115的北极N和南极S分开。

如图1所示出的，第一收集器130和第二收集器135位于第一水平环形段160的一部分和第二水平环形段180的一部分附近(例如，在一个实施例中，距离为0.2mm至2.0mm)。在所示出的实施例中，第一收集器130位于第一水平环形段160的一部分的下方，并且第二收集器135位于第二水平环形段180的一部分的上方。因此，第一收集器130和第二收集器135定位在第一水平环形段160的一部分和第二水平环形段180的一部分之间。在其他实施例中，第一收集器130定位在第一水平环形段160的一部分的上方，并且第二收集器135定位在第二水平环形段180的一部分的下方。

第一收集器130和第二收集器135收集穿过传感器100的磁通量。第一收集器130和第二收集器135磁性地耦合到第一磁传感器190和第二磁传感器195(图4)。术语“磁性地耦合”可以被定义为第一部件与第二部件磁性相通，使得第一部件能够从第二部件接收磁通量，或反之亦然。在一些实施例中，第一部件与第二部件的距离为0.2mm至2.0mm。第一磁传感器190和第二磁传感器195是检测第一收集器130和第二收集器135之间或附近的磁通量的磁性传感元件。在一些实施例中，第一磁传感器190和第二磁传感器195是霍尔效应传感器。

图4示出了控制系统200。系统200包括具有存储器210和处理器215的控制器205。控制器205电连接到第一磁传感器190和第二磁传感器195。控制器205从磁性传感元件接收关于磁通量的数据(其可以包括磁通量的幅度和/或极性)，并且输出模拟或数字信号。在一些实施例中，模拟或数字数据信号涉及磁通量的变化。如图所示出的，在一些实施例中，控制器205进一步电连接到输入/输出(I/O)接口220和电源225。在一些实施例中，控制器205部分地或完全地在半导体芯片上实现。

存储器210包括诸如程序存储区域和数据存储区域。程序存储区域和数据存储区域可以包括不同类型的存储器的组合，例如只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)(例如动态RAM[“DRAM”]、同步DRAM“SDRAM”等)、电可擦除可编程只读存储器(“EEPROM”)、闪存、硬盘、SD卡，或其他合适的磁、光、物理或电子存储器件。处理器215连接到存储器210并执行软件指令。包括在传感器100和/或控制器205的实现形式中的软件可以存储在控制器205的存储器210中。软件包括诸如固件、一个或多个应用、程序数据、过滤器、规则、一个或多个程序模块和其他可执行指令。控制器205被配置为，从存储器210检索并且执行与此处描述的控制过程和方法相关的指令等。在其他结构中，控制器205包括额外的、更少的或不同的部件。

I/O接口220被配置为将控制器205连接到外围设备，例如但不限于另一个控制器或计算机。I/O接口220可以是有线连接、无线连接或有线和无线连接的组合。在一些实施例中，I/O接口220被配置成传送与传感器100相关的测量数据。在一些实施例中，I/O接口220用于将控制器205电连接到用户接口。电源225向控制器205以及传感器100的其他部件提供标称电压。在一些实施例中，电源225由第一电压(例如，来自电池)供电，并且将所述标称电压提供给控制器205和传感器100的其他部件。

在操作中，当扭矩施加在系统上时，扭杆(未示出)调节输入轴105和输出轴110之间的相对角位移。输入轴105和输出轴110的相对角位移等效于磁体115(其耦接到输入轴105)与第一定子120和第二定子125(其耦接到输出轴110)之间的角位移。系统的零位是指：零扭矩或无扭矩施加在系统上并且磁体115与第一定子120和第二定子125(图3A-3C)之间的角位移为零的位置。在零位，磁体115与第一定子120和第二定子125产生净零磁通或净零轴向磁通。

如图5所示出的，当扭矩施加在系统上时，在磁体115与第一定子120和第二定子125之间存在角位移。磁体115与第一定子120和第二定子125之间的角位移导致第一齿165和第二齿185的中心线不与所述多个分隔线187旋转对齐。因此，磁通量发生变化(例如，磁通量的大小和/或极性的变化)。角位移越大，磁通量越大。在第一旋转方向上的第一角位移将导致在第一方向上的第一磁通量，而在第二旋转方向上的第二角位移将导致在与第一方向相反的第二方向上的第二磁通量。

图6示出了传感器100的视图，其中可以看到所述多个第一齿165中的一个和所述多个第二齿185中的一个。在第一方向上的第一角位移期间，第一磁通量300从磁体115的N极流出，通过所述多个第一齿165流到第一定子120的第一水平环形段160。然后，第一磁通量流过第一收集器130和第二收集器135，流到第二定子125的第二水平环形段180。第一磁通量接着流到第二定子125的所述多个第二齿185，流到磁体115的S极。

在第二方向上的第二角位移期间，第二磁通量沿与第一磁通量相反的方向流动。第二磁通量从磁体115的N极流出，通过所述多个第二齿185流到第二定子125的第二水平环形段180。然后，第二磁通量流过第二收集器135和第一收集器130，流到第一定子120的第一水平环形段160。第二磁通量接着流到第一定子120的所述多个第一齿165，流到磁体115的S极。

因此，本发明尤其提供了一种用于测量扭矩角的传感器。本发明的各种特征和优点在所附权利要求中阐述。

Claims (20)

1.一种用于测量扭矩角的传感器，所述传感器包括：

磁体；

第一定子，其包括：

第一水平环形段，其位于第一平面上，以及

多个第一齿，其从所述第一水平环形段延伸，所述多个第一齿位于第二平面上；

第二定子，其包括：

第二水平环形段，其位于所述第二平面上，以及

多个第二齿，其从所述第二水平环形段延伸，所述多个第二齿位于所述第二平面上；

第一收集器，其位于所述第一水平环形段附近；

第二收集器，其位于所述第二水平环形段附近；和

磁性传感元件，其磁性地耦合到所述第一收集器和所述第二收集器。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述磁性传感元件感测流过所述第一收集器和所述第二收集器的磁通量。

3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述多个第一齿和所述多个第二齿中的齿的数量取决于所述磁体中的极的数量。

4.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述磁体与所述第一定子和所述第二定子之间的第一角位移引起第一磁通量，并且所述磁体与所述第一定子和所述第二定子之间的第二角位移引起第二磁通量。

5.根据权利要求4所述的传感器，其中，所述第一角位移与所述第二角位移相反。

6.根据权利要求4所述的传感器，其中，所述第一磁通量从所述磁体流出，流过所述多个第一齿、所述第一水平环形段、所述第一收集器、所述第二收集器、所述第二水平环形段、所述多个第二齿，并流回到所述磁体。

7.根据权利要求5所述的传感器，其中，所述第二磁通量从所述磁体流出，流过所述多个第二齿、所述第二水平环形段、所述第二收集器、所述第一收集器、所述第一水平环形段、所述多个第一齿，并流回到所述磁体。

8.根据权利要求1所述的传感器，其中，零角位移引起零磁通量。

9.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述磁体具有轴向磁通量。

10.一种用于测量转向轴扭矩的传感器，所述传感器包括：

环形磁体，其具有顶部、底部和外部；

第一定子，其包括：

第一水平环，其包围所述环形磁体的外部，以及

多个第一齿，其从所述第一水平环形段延伸，所述多个齿在所述环形磁体的底部附近；

第二定子，其包括：

第二水平环形段，其包围所述环形磁体的外部，以及

多个第二齿，其从所述第二水平环形段延伸，所述多个第二齿在所述环形磁体的底部附近；

第一收集器，其位于所述第一水平环形段附近；

第二收集器，其位于所述第二水平环形段附近；和

磁性传感元件，其磁性地耦合到所述第一收集器和所述第二收集器。

11.根据权利要求10所述的传感器，其中，所述多个第一齿和所述多个第二齿位于距所述环形磁体的底部大约0.2mm至2.0mm处。

12.根据权利要求10所述的传感器，其中，所述多个第一齿和所述多个第二齿中的齿的数量取决于所述磁体中的极的数量。

13.根据权利要求10所述的传感器，其中，所述磁体与所述第一定子和所述第二定子之间的第一角位移引起第一磁通量，并且所述磁体与所述第一定子和所述第二定子之间的第二角位移引起第二磁通量。

14.根据权利要求13所述的传感器，其中，所述第一角位移与所述第二角位移相反。

15.根据权利要求13所述的传感器，其中，所述第一磁通量从所述环形磁体流出，流过所述多个第一齿、所述第一水平环形段、所述第一收集器、所述第二收集器、所述第二水平环形段、所述多个第二齿，并流回到所述环形磁体。

16.根据权利要求14所述的传感器，其中，所述第二磁通量从所述环形磁体流出，流过所述多个第二齿、所述第二水平环形段、所述第二收集器、所述第一收集器、所述第一水平环形段、所述多个第一齿，并流回到所述环形磁体。

17.根据权利要求10所述的传感器，其中，零角位移引起零磁通量。

18.根据权利要求10所述的传感器，其中，所述环形磁体具有轴向磁通量。

19.一种测量转向轴扭矩的方法，所述方法包括：

提供环形磁体，其具有轴向磁通量、外部和底部；

提供第一定子，其具有：

第一定子环，其围绕所述环形磁体的外部，以及

多个第一齿，其从所述第一定子环延伸，所述多个第一齿在所述环形磁体的底部附近；

提供第二定子，其具有：

第二定子环，其围绕所述环形磁体的外部，以及

多个第二齿，其从所述第二定子环延伸，所述多个第二齿在所述环形磁体的底部附近；

提供第一收集器，其位于所述第一定子环附近；

提供第二收集器，其位于所述第二定子环附近；和

感测流过所述第一定子、所述第二定子、所述第一收集器和所述第二收集器的轴向磁通量。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述环形磁体与所述第一定子和所述第二定子之间的零角位移引起零轴向磁通量。