CN113086079A - 一种力矩传感器及电动助力自行车 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种力矩传感器及电动助力自行车，输出轴的一端同心紧固在BB轴上，另一端连接负载自由圆周滑配在BB轴上；应变片贴敷在输出轴上；原边线圈架上设置有线路连接的原边线圈和原边PCB，副边线圈架上设置有副边线圈和副边PCB，在原边线圈上供给固定频率的交变电流后、副边线圈产生感应电流，输出轴、副边线圈架随BB轴转动而转动。本发明采用非接触式的无线供电模式来解决动态测量力矩的供电问题。采用副边的负载变化会引起原边线圈电流变化的原理来检测力矩信号变化的原理来采集力矩信号。也可以采用原副边线圈只起到供电作用，副边PCB安装无线发射单元无线发射信号，原边接收信号的方式检测力矩。

Description

一种力矩传感器及电动助力自行车

技术领域

本发明涉及电机驱动领域，具体地，涉及一种力矩传感器及电动助力自行车。

背景技术

现有技术中，采用了力矩传感器的电助力自行车骑行感觉舒适、轻松、流畅、跟随性好，顶风爬坡性能优良，力矩助力骑行的重大优势在于环保节能：由于人力的参与，减少了锂电池这一车载有限能源的电能消耗。与纯电动驱动相比，在相同的续航里程的情况下，电池容量可减少一半，电机所需功率、重量、造价均可大大减少。基于以上目前多使用的力矩传感有以下几种典型方式：

(1)在中轴上安装，利用转矩产生轴向位移，利用霍尔检测轴向位移得到力矩信号。

(2)在中轴上安装，利用应变片，采用集电环供电给应变片，采用集电环输出信号。

(3)在中轴上安装，输出轴上有花键，当输出轴扭转时两组花键相对位置发生变化，在其上的两组线圈的磁感强度发生变化，磁感强度的变化通过线圈转换为电压信号，从而获得力矩信号。

本发明的目的是针对利用应变片，采用集电环供电给应变片，采用集电环输出信号的力矩传感器，该传感器有以下问题需要解决：在转动过程中集电环与电刷磨擦供电及采集信号，易造成采集的信号波动，有误动作的波动信号产生。由于采用集电环供电及采集信号使用耐久性不好，使用久了以后会有磨损或磨损的粉末，易导致信号失真。对环境要求较高，集电环与电刷转动过程的动静之间的防水防尘不易做到。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种力矩传感器及电动助力自行车。

根据本发明提供的一种力矩传感器，包括BB轴2、应变片11、输出轴9、原边线圈架7、副边线圈架15，其中：

输出轴9的一端同心紧固在BB轴2上，另一端连接负载自由圆周滑配在BB轴2上；

应变片11贴敷在输出轴9上；

原边线圈架7上设置有原边线圈4和原边PCB14，副边线圈架15上设置有副边线圈6和副边PCB12，原边PCB14上设置有霍尔传感器1401，原边线圈4与原边PCB14线路连接，副边PCB12与副边线圈6、应变片11线路连接；

原边线圈4、副边线圈6同心布置，原边线圈4上加载固定频率的交变电流，在副边线圈6时产生感应电流。

输出轴9、副边线圈架15随BB轴2转动而转动，原边线圈架7不随BB轴2转动而转动。

优选地，BB轴2上旋转紧固有BB轴轴承8，输出轴9上旋转紧固有输出轴承10，BB轴轴承8、输出轴承10分别紧固在中轴螺母3、输出轴螺母1内。

优选地，中轴螺母3、输出轴螺母1紧固在五通13上。

优选地，原边线圈架7紧固在输出轴螺母1和中轴螺母3上。

优选地，还包括磁环5，所述磁环5套设在BB轴2上。

优选地，所述霍尔传感器1401设置在原边PCB14上，用于检测速度信号。

优选地，副边PCB12上还设置有无线发射及接收模块。

优选地，外部电源连接原边PCB14，外部电源为交流电源。

优选地，原边线圈4产生交变磁场时，在副边线圈架15上缠绕的副边线圈6感应得电；

副边线圈6的负载变化时，会引起原边线圈4的电流变化。

本发明还提供一种电动助力自行车，包括上述的力矩传感器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明用无线供电解决了应变片检测力矩信号时的接触与非接触问题，使得在动态测量力矩时旋转部分和固定部分无结构上的联系，防水可以各自防水，不必做动静部件之间的防水，易于制作。

2、本发明是非接触式的，避免接触式的接触不良，引起的信号不稳。

3、本发明是非接触式的，提高了使用的耐久，不会因接触磨擦引起产品失效。

4、本发明采用非接触式的无线供电模式来解决动态测量力矩的供电问题。采用无线供电的原边线圈，在副边线圈连接的应变片电阻变化引起副边负载变化，副边负载变化时会引起原边线圈电流变化的原理来检测力矩信号变化的原理来采集力矩信号。

5、本发明可以使用原副边线圈的感应原理，只起到供电作用，副边PCB上有无线发射单元，原边PCB上有无线接收单元，来解决非接触信号采样的功能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图。

图中示出：

输出轴螺母1

BB轴2

中轴螺母3

原边线圈4

磁环5

副边线圈6

原边线圈架7

BB轴轴承8

输出轴9

输出轴承10

应变片11

副边PCB12

五通13

原边PCB14

霍尔传感器1401

副边线圈架15

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，根据本发明提供的一种力矩传感器及电动助力自行车，包括BB轴2、应变片11、输出轴9、原边线圈架7、副边线圈架15，其中：输出轴9的一端同心紧固在BB轴2上，另一端连接负载自由圆周滑配在BB轴2上；应变片11贴敷在输出轴9上；原边线圈架7上设置有原边线圈4和原边PCB14，副边线圈架15上设置有副边线圈6和副边PCB12，原边线圈4与原边PCB14线路连接，副边PCB12与副边线圈6、应变片11线路连接；原边线圈4、副边线圈6同心布置，原边线圈4、副边线圈6相对转动时产生电流变化；输出轴9、副边线圈架15随BB轴2转动而转动，原边线圈架7不随BB轴2转动而转动。BB轴2上旋转紧固有BB轴轴承8，输出轴9上旋转紧固有输出轴承10，BB轴轴承8、输出轴承10分别紧固在中轴螺母3、输出轴螺母1内。中轴螺母3、输出轴螺母1紧固在五通13上。原边线圈架7紧固在输出轴螺母1和中轴螺母3上。还包括磁环5，所述磁环5套设在BB轴2上。还包括霍尔传感器1401，所述霍尔传感器1401设置在原边PCB14上。副边PCB12上还设置有无线发射单元。外部电源连接原边PCB14，外部电源为直流电源经电源芯片转为固定频率的交流电给原边线圈4供给交变电流时，在副边线圈架15上缠绕的副边线圈6感应得电；副边线圈6的负载变化时，会引起原边线圈4的电流变化。

根据本发明提供的一种电动助力自行车，包括上述的力矩传感器。

更为详细的阐述：本发明包括BB轴2、应变片11、输出轴9、输出轴承10、BB轴轴承8、原边线圈架7、副边线圈架15、原边线圈4、副边线圈6、原边PCB14、副边PCB12、中轴螺母3、输出轴螺母1、磁环5、五通13，霍尔传感器1401。原边线圈4、副边线圈6同心布置，利用交变电流通过线圈产生交变磁场引起副边线圈产生电流，供给应变片等电路。加入磁环5及在原边PCB14紧固的霍尔传感器1401检测速度踏频信号。

本发明检测输出轴9上贴的应变片11因扭矩变化，电阻发生变化带来副边的负载变化，引起的原边电流变化，检测的原边电流变化值即是力矩信号。

本发明还可以使用在副边PCB12加入无线发射单元直接将应变片引起的电阻变化转换为电压信号发出作为力矩信号。而原边线圈4和副边线圈6只起到供电作用。

本发明原理如下：BB轴2上同心紧固有缠绕副边线圈6的副边线圈架15，副边PCB紧固在其上，磁环5紧固在副边线圈架15上，输出轴9的一端同心紧固在BB轴2上，另一端连接负载自由圆周滑配在BB轴2上。BB轴2上旋转紧固有BB轴轴承8，输出轴9上旋转紧固有输出轴承10两个轴承又分别紧固在中轴螺母3、输出轴螺母1内，而两个螺母又紧固在五通13上。输出轴9和副边线圈6、副边PCB12、副边线圈架15、磁环5随BB轴2转动而转动。紧固有原边PCB14的原边线圈架7上缠绕原边线圈4，紧固在输出轴螺母1和中轴螺母3上。原边线圈4，与原边PCB14线路相连，外部电源连接原边PCB14，原边PCB14得电，外部电源为交变电源，原边线圈4产生交变磁场，在副边线圈架15上缠绕的副边线圈6感应得电，与之连接的副边PCB12得电，供给与之连接的应变片11，应变片11贴敷在输出轴9上，在骑行过程中负载加载在输出轴9的一侧上，驱动BB轴2引起输出轴9扭曲变形，从而引起在其贴敷的应变片11的电阻变化，即副边线圈6的负载变化，将会引起原边线圈4的电流变化，检测原边线圈4电流变化即能反映力矩大小。还可以使用在副边PCB12加入无线发射单元直接将应变片引起的电阻变化转换为电压信号发出作为力矩信号。而原边线圈4和副边线圈6只起到供电作用。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种力矩传感器，其特征在于，包括BB轴(2)、应变片(11)、输出轴(9)、原边线圈架(7)、副边线圈架(15)，其中：

输出轴(9)的一端同心紧固在BB轴(2)上，另一端连接负载自由圆周滑配在BB轴(2)上；

应变片(11)贴敷在输出轴(9)上；

原边线圈架(7)上设置有原边线圈(4)和原边PCB(14)，副边线圈架(15)上设置有副边线圈(6)和副边PCB(12)，原边PCB(14)上设置有霍尔传感器(1401)，原边线圈(4)与原边PCB(14)线路连接，副边PCB(12)与副边线圈(6)、应变片(11)线路连接；

原边线圈(4)、副边线圈(6)同心布置，原边线圈(4)上加载固定频率的交变电流，在副边线圈(6)时产生感应电流；

输出轴(9)、副边线圈架(15)随BB轴(2)转动而转动，原边线圈架(7)不随BB轴(2)转动而转动。

2.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于，BB轴(2)上旋转紧固有BB轴轴承(8)，输出轴(9)上旋转紧固有输出轴承(10)，BB轴轴承(8)、输出轴承(10)分别紧固在中轴螺母(3)、输出轴螺母(1)内。

3.根据权利要求2所述的力矩传感器，其特征在于，中轴螺母(3)、输出轴螺母(1)紧固在五通(13)上。

4.根据权利要求2所述的力矩传感器，其特征在于，原边线圈架(7)紧固在输出轴螺母(1)和中轴螺母(3)上。

5.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于，还包括磁环(5)，所述磁环(5)套设固定在BB轴(2)上。

6.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于，副边PCB(12)上还设置有无线发射及接收模块。

7.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于，外部电源连接原边PCB(14)，外部电源为直流电源，经电源模块变为供原边线圈(4)使用的固定频率的交变电流。

8.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于，

原边线圈(4)产生交变磁场时，在副边线圈架(15)上缠绕的副边线圈(6)感应得电；

副边线圈(6)的负载变化时，会引起原边线圈(4)的电流变化。

9.根据权利要求5所述的力矩传感器，原边PCB(14)上的霍尔传感器(1401)设置在磁环(5)上方的对应位置。

10.一种电动助力自行车，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的力矩传感器。

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