CN114834586A - 具有磁编码器结构的力矩速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有磁编码器结构的力矩速度传感器，包括变形套组件和信号处理组件，变形套组件包括变形套、第一磁环和第二磁环，第一磁环和第二磁环设在变形套上，变形套与主轴相对固定，第一磁环和环形卡接部位于同一轴向位置，第二磁环设置在变形套的中段，信号处理组件中信号处理支架与主轴相对定位，第一磁编码器、第二磁编码器和PCB处理器固定设在信号处理支架上，第一磁编码器与第一磁环对应设置，第二磁编码器与第二磁环对应设置；变形套受力扭转时，第一磁环和第二磁环产生周向的位置变化，第一磁编码器和第二磁编码器测算磁环转过角度，将信号传给PCB处理器；本装置能够同时感知扭矩和车速，向车辆提供动力，集成度高，信号输出迅速。

Description

具有磁编码器结构的力矩速度传感器

技术领域

本发明属于电动助力自行车配件领域，具体涉及一种具有磁编码器结构的力矩速度传感器。

背景技术

电动助力自行车是以传统自行车为基础，搭载以力矩传感器为核心的动力系统的混合动力型骑行工具，其最大的特点是以力矩传感器去感知骑行者踩脚踏的力度，根据感应的人力大小进行判断，进而理解骑行者的骑行意图，提供相应的动力支持。其中，力矩传感器是自行车电动助力系统理解骑行车意图的核心部件，它主要被安装在曲柄和牙盘之间，有些则直接安装在主轴上，力矩传感器能测量出力臂在传递力的过程中产生的细微形变信号，得出当前踩踏的力矩大小，并转换为电信号输出，以便于动力系统的即时响应。为了更全面的捕捉助力自行车的骑行参数，现有的车身中通常将速度传感器也集成于力矩传感器中，使力矩传感器同时具有感应车速的功能，这种集成式的传感器也称为力矩-速度传感器，现有的力矩-速度传感器中，两种传感器结构是分离设置的，力矩传感器一般采用磁致弹性结构或者应变片结构作为力矩变形套，结构工艺比较复杂，制造成本高；而速度传感器则采用另外设置的霍尔元件和磁钢进行配合，产生信号脉冲；由于力矩传感器的安装位置非常紧凑，在如此紧凑的部位同时安装两套传感器结构，不仅在装配上难度较高，而且结构之间可能发生干涉，也不便于对单一传感器进行检修。

发明内容

针对上述问题和技术需求，本发明提供一种具有磁编码器结构的力矩速度传感器，采用磁编码器和磁环配合的方式，能够同时感知扭矩和车速信息，并及时向车辆提供动力，集成度高，信号输出迅速。

本发明的技术方案如下：具有磁编码器结构的力矩速度传感器，设置在车辆主轴的外侧，包括变形套组件和信号处理组件，变形套组件包括变形套、第一磁环和第二磁环，第一磁环和第二磁环间隔一段距离固定设置在变形套上，变形套两端分别为传动的输入端和输出端，变形套左端通过环形卡接部与主轴之间保持相对固定，第一磁环和环形卡接部位于同一轴向位置，第二磁环设置在变形套的中段，第一磁环和第二磁环之间为扭转发生段，变形套右端的外周面上设有牙盘或飞轮；所述信号处理组件包括信号处理支架、PCB处理器、第一磁编码器和第二磁编码器，信号处理支架与主轴相对定位，第一磁编码器、第二磁编码器和PCB处理器均固定设在信号处理支架上，其中第一磁编码器与第一磁环对应设置，第二磁编码器与第二磁环对应设置；变形套受力扭转时，第一磁环和第二磁环产生周向的位置变化，第一磁编码器和第二磁编码器测算出两个磁环转过的角度，将信号传递给PCB处理器。

上述方案中，将两个磁环错开距离套设在变形套上，变形套两端分别为传动的输入和输出端，变形套本身作为扭转发生的力臂，变形套随着输入力的大小和方向变化发生相应的扭转形变，固定在变形套上的两个磁环也同步发生旋转，两个磁编码器采集到磁环之间的角度变化，并把变化量发送到PCB处理器，PCB处理器将磁环的相对角度变化量转换为数字信号输出，此数字信号及时反馈了人踏力矩信号的大小，当外部的控制系统接收到这些信息时，就能根据信息领会骑行者的用力意图，从而提供相应的动力供给。

进一步的，所述主轴为转动主轴，变形套左端的内壁与转动主轴之间通过花键连接，第一磁环和第二磁环固定套设在变形套的外周面上，转动主轴两端固定连接有曲柄。人力踩踏曲柄驱动转动主轴旋转运行，转动主轴通过花键带动变形套左端转动，此时变形套左端为动力输入端，右端为动力输出端，随着踩踏力变化，变形套发生扭转形变。

进一步的，所述转动主轴的外侧通过轴承连接有支承护腕，支承护腕与车架五通之间相对固定，信号处理支架与支承护腕固定连接，信号处理支架两端内侧分别支撑在变形套和转动主轴的外圈上，PCB处理器安装于信号处理支架中，信号处理支架外周面上设有封装PCB处理器的屏蔽罩。信号处理支架和车架五通之间是相对固定的，在变形套发生扭转变形时，信号处理支架保持稳定，不发生形变，因此第一磁编码器和第二磁编码器均为稳定状态，能更好的采集磁环的变化信息，信号处理支架两端分别支撑在变形套和转动主轴上，能保证信号处理支架不晃动，因此磁编码器在径向上也保持稳定。

在一个优选的实施例中，所述转动主轴贯穿设置在车辆的中置驱动电机内，中置驱动电机内还设有减速齿轮组件，变形套右端的外周面上设有多组棘爪，棘爪外侧设有牙盘套管，牙盘套管内侧壁设有与棘爪配合的棘轮，该位置形成棘轮-棘爪式离合器，牙盘套管外周面同时与减速齿轮组件和牙盘传动连接。

在一个优选的实施例中，所述主轴为固定主轴，固定主轴贯穿设置在车辆的轮毂驱动电机内，轮毂驱动电机包括容纳电机本体的壳体和端盖，端盖通过螺钉与壳体固定连接，端盖芯部设有棘轮环，固定主轴从棘轮环内穿过，棘轮环和固定主轴之间从外向内依次设置塔基套管、变形套和信号处理支架。

进一步的，所述塔基套管内壁通过花键与变形套卡紧连接，塔基套管外圈安装飞轮，变形套左端从塔基套管内伸出，变形套左端设有一圈与棘轮环对应的离合连接部，离合连接部外周设有多个等角度错开的凹槽，每个凹槽内安装一个塔基棘爪千斤片，塔基棘爪千斤片能够与棘轮环对应啮合，驱动棘轮环旋转，棘轮环带动端盖和壳体同时转动。

进一步的，所述第一磁环和第二磁环均采用胶粘安装在变形套的内壁上，其中第一磁环与离合连接部在轴向上安装位置一致，第二磁环位于花键的左侧，变形套和塔基套管分别通过一个支撑轴承与固定主轴连接。

进一步的，所述信号处理支架安装在固定主轴周面上，第一磁编码器和第二磁编码器凸出设置于信号处理支架的外周面，第一磁编码器外侧对着第一磁环，第二磁编码器外侧对着第二磁环。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在主轴外侧设置变形套，在变形套上固定设置两个磁环，变形套两端分别为力的输入端和输出端，当车辆受到人力踩踏前进时，踩踏力从变形套一端输入，变形套作为力臂，将受到的力传递给另一端再向外输出，在力的传递过程中，变形套发生扭转，带动两个磁环也发生相应的周向旋转，由于每一个磁环对应设有一个磁编码器，磁编码器能同时采集两个磁环之间转动的相对角度，以及磁环本身的旋转速率，磁编码器将信息传递给PCB处理器，就能即时反映出人踏力矩的信号以及车速信息，外部的控制系统根据此信息能迅速给出相应的动力供给，相对于现有技术，本力矩速度传感器仅采用一组磁环和磁编码器配合的方式，就能同时得到力矩与速度的信息，不用再分别设置两种传感器，因此本装置具有集成度高、灵敏度高和分辨率高的优点，而且由于结构的简化，在紧凑的安装位置，各个结构之间不会产生干涉，能简化装配工艺，节约生产成本，便于后期进行检修。

附图说明

图1为本发明力矩速度传感器实施例一的整体剖面图结构；

图2为本发明力矩速度传感器实施例一的整体爆炸图结构；

图3为本发明力矩速度传感器实施例一中转动主轴的剖面图；

图4为图3中各部件的爆炸图结构；

图5为本发明力矩速度传感器实施例一中信号处理组件的爆炸图；

图6为本发明力矩速度传感器实施例一中信号处理组件的剖面图；

图7为本发明力矩速度传感器实施例一中变形套的立体结构图；

图8为本发明力矩速度传感器实施例一中变形套的剖视图；

图9为本发明力矩速度传感器实施例二的安装结构剖视图；

图10为本发明力矩速度传感器实施例二中转动主轴处的剖视图结构；

图11为本发明力矩速度传感器实施例三的安装结构剖视图；

图12为本发明力矩速度传感器实施例三的整体爆炸图结构；

图13为本发明力矩速度传感器实施例三中信号处理组件、离合连接部和塔基套管的装配示意图；

图14为本发明力矩速度传感器实施例三中变形套和塔基套管的装配示意图；

图15为本发明力矩速度传感器实施例三中变形套和塔基套管的剖面图；

图中标记为：转动主轴1、花键11、曲柄12、牙盘13、支承护腕14、变形套组件2、第一磁环21、第二磁环22、变形套3、棘爪31、离合连接部32、凹槽321、塔基棘爪千斤片322、信号处理组件4、信号处理支架41、PCB处理器42、第一磁编码器43、第二磁编码器44、屏蔽罩45、中置驱动电机5、减速齿轮组件51、牙盘套管52、牙盘521、轮毂驱动电机6、固定主轴60、壳体61、端盖62、棘轮环63、塔基套管64、花键65、支撑轴承66。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。

实施例一：本实施例中将力矩速度传感器安装在助力电踏车或自行车的车架五通内，下面结合附图对本实施例作进一步的描述。

如图1-8所示为实施例一的结构图，转动主轴1从车架五通内穿过，具有磁编码器结构的力矩速度传感器，设置在车辆转动主轴1的外侧，包括变形套组件2和信号处理组件4，变形套组件2包括变形套3、第一磁环21和第二磁环22，第一磁环21和第二磁环22间隔一段距离箍套在变形套3外侧，为了达到更好的固定效果，第一磁环21和第二磁环22采用胶水和变形套3粘接在一起；变形套3的左端通过环形卡接部与主轴1之间保持相对固定，本实施例中，环形卡接部具体为位于变形套3内壁和主轴1外周面的一组花键11，变形套3左端的内侧和转动主轴1卡紧连接，花键11的连接处即为动力的输入端。

第一磁环21和花键11位于同一轴向位置，即二者分别位于变形套3同一位置的外侧和内侧，第二磁环22设置在变形套3的中段，第一磁环21和第二磁环22之间为扭转发生段，变形套3右端的外周面上设有牙盘13，牙盘13和变形套3的连接处即为动力输出端；由于第一磁环21和花键11的轴向位置一致，因此当动力从花键11处传递给变形套3时，第一磁环21处受到的扭转力相当有限，第一磁环21保持不动或者仅产生微量的转动，第一磁环21近似于是一个固定量，第二磁环22的旋转角度为变化量，这样能尽量避免同时具有两个变化量带来的高误差率，使测算结果更加准确。

所述信号处理组件4包括信号处理支架41、PCB处理器42、第一磁编码器43和第二磁编码器44，所述转动主轴1外侧通过轴承连接有支承护腕14，支承护腕14与车架五通之间相对固定，信号处理支架41与支承护腕14固定连接，信号处理支架41两端内侧分别支撑在变形套3和转动主轴1的外圈上， PCB处理器42安装于信号处理支架41中，信号处理支架41外周面上设有封装PCB处理器42的屏蔽罩45。第一磁编码器43和第二磁编码器44固定设在信号处理支架41上，其中第一磁编码器43与第一磁环21对应设置，第二磁编码器44与第二磁环22对应设置；变形套3受力扭转时，第一磁环21和第二磁环22产生周向的位置变化，第一磁编码器43和第二磁编码器44测算出两个磁环转过的角度，将信号传递给PCB处理器42。

实施例一的动作原理：所述主轴1的左右两端分别安装有曲柄12，人力交替踩踏曲柄12上的踏板，通过主轴1和变形套3之间的花键11连接带动变形套3做周向旋转，再通过变形套3右端的花键（图中未示出）带动牙盘13运行，牙盘13会通过链条驱动车轮后轮转动，以此驱动车辆前进，在运行中变形套3是传递力的力臂。变形套3左端与主轴1配合，此端为输入端，变形套3右端与牙盘13配合，此端为输出端，变形套3位于第一磁环21和第二磁环22之间的一段为主要的扭转发生段，第一磁环21和第二磁环22随着变形套3的扭转而同步产生周向旋转，第一磁编码器43和第二磁编码器44分别采集到第一磁环21、第二磁环22发生的角度变化，其变化量会发送到PCB处理器42中，PCB处理器42就会把收集到的相对角度变化量转换为数字信号输出，此数字信号即时反馈了人踏力矩信号的大小，同时磁编码器也会采集磁环运行的速度，通过PCB处理器42可以同时输出力矩数字信号和脉冲速度信号，这些信息传递给外部的控制系统，控制系统就能根据信息领会骑行者的用力意图，从而提供相应的动力供给。

实施例二：本实施例中将力矩速度传感器安装在助力电踏车或自行车的中置驱动电机5内，下面结合附图对本实施例作进一步的描述。

如图9-10所示为本实施例中力矩速度传感器在中置驱动电机5内的安装结构，本实施例与实施例一的区别在于：中置驱动电机5内设有减速齿轮组件51，变形套3右端的外周面上设有多组棘爪31，棘爪31外侧设有牙盘套管52，牙盘套管52内侧壁设有与棘爪31配合的棘轮，该位置形成棘轮-棘爪式离合器，牙盘套管52外周面同时与减速齿轮组件51和牙盘521传动连接。

实施例二的动作原理：所述转动主轴1的左右两端分别安装有曲柄12，人力交替踩踏曲柄12上的踏板，通过转动主轴1和变形套3之间的花键11连接带动变形套3做周向旋转，变形套3右端的棘爪31离合带动牙盘套管52转动，牙盘套管52带动外侧的牙盘521转动运行，牙盘521通过链条驱动车辆前进；在运行中，变形套3左端通过花键11与转动主轴1配合，左端为动力输入端，变形套右端通过棘爪31与牙盘套管52配合，右端为动力输出端，变形套3作为传递力的力臂，在运转过程中发生扭转形变，第一磁环21和第二磁环22随着变形套3的扭转而同步产生周向旋转，第一磁编码器43和第二磁编码器44分别采集到第一磁环21、第二磁环22发生的角度变化，其变化量会发送到PCB处理器42中，由PCB处理器42测算处理后向外输出力矩和速度信息。

实施例三：本实施例中将力矩速度传感器安装在助力电踏车或自行车的轮毂驱动电机6内，下面结合附图对本实施例作进一步的描述。

如图11-15为实施例三的结构图，本实施例中，固定主轴60贯穿设置在车辆的轮毂驱动电机6内，轮毂驱动电机6包括容纳电机本体的壳体61和端盖62，电机本体为驱动电机和行星减速机的组合，行星减速机的齿圈安装在壳体61的环形内壁上，当电机运行时，会通过传动齿轮带动齿圈旋转，进而壳体61随齿圈旋转，壳体61通过辐条带动车辆前进。

所述端盖62通过螺钉与壳体61固定连接，端盖62芯部设有棘轮环63，固定主轴60从棘轮环63内穿过，棘轮环63和固定主轴60之间从外向内依次设置塔基套管64、变形套3和信号处理支架41。塔基套管64内壁通过花键65与变形套3卡紧连接，塔基套管64外圈安装飞轮，飞轮通过链条与牙盘连接，牙盘转动时，飞轮随之同步转动。

所述变形套3左端部从塔基套管64内伸出，变形套3左端部设有一圈与棘轮环63对应的离合连接部32，离合连接部32外圈设有多个等角度错开的凹槽321，每个凹槽321内安装一个塔基棘爪千斤片322，塔基棘爪千斤片322能够与棘轮环63对应啮合，驱动棘轮环63旋转，棘轮环63带动端盖62和壳体61同时转动。

所述第一磁环21和第二磁环22均采用胶粘安装在变形套3的内壁上，其中第一磁环21与离合连接部32在轴向上安装位置一致，第二磁环22位于花键65的左侧，变形套3和塔基套管64分别通过一个支撑轴承66与固定主轴60连接。信号处理支架41固定安装在固定主轴60周面上，第一磁编码器43和第二磁编码器44凸出设置于信号处理支架41的外周面，第一磁编码器43外侧对着第一磁环21，第二磁编码器44外侧对着第二磁环22。

实施例三和实施例一、二的区别在于：实施例三中变形套3右端为动力输入端，左端为动力输出端，且信号处理组件4位于变形套3的内侧。

实施例三的动作原理：人力踩踏驱动车架中部的牙盘转动，牙盘通过链条带动车架后侧的飞轮转动，由于飞轮安装在塔基套管64外侧，因此飞轮带动塔基套管64转动，塔基套管64内侧壁通过花键65与变形套3卡紧连接，此处为动力的输入端，变形套3左端的离合连接部32通过塔基棘爪千斤片322离合方式带动棘轮环63单向转动，离合连接部32和棘轮环63的结合处为动力的输出端。棘轮环63固定安装在端盖62的芯部，端盖62又和壳体61固定连接，因此塔基套管64转动会带动轮毂电机壳体整体转动，壳体61通过辐条带动车轮驱动车辆前进。变形套3在传递力的过程中，发生微量扭转形变，位于变形套3内侧的第一磁编码器43和第二磁编码器44分别采集到第一磁环21和第二磁环22的相对角度变化量，通过PCB处理器42测算得到力矩数字信号和脉冲速度信号，这些信息传递给外部的控制系统，控制系统根据信息领会骑行者的用力意图，从而提供相应的动力供给。

以上所述，仅为本发明较佳的几个实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.具有磁编码器结构的力矩速度传感器，设置在车辆主轴的外侧，其特征在于：包括变形套组件和信号处理组件，变形套组件包括变形套、第一磁环和第二磁环，第一磁环和第二磁环间隔一段距离固定设置在变形套上，变形套两端分别为传动的输入端和输出端，变形套左端通过环形卡接部与主轴之间保持相对固定，第一磁环和环形卡接部位于同一轴向位置，第二磁环设置在变形套的中段，第一磁环和第二磁环之间为扭转发生段，变形套右端的外周面上设有牙盘或飞轮；所述信号处理组件包括信号处理支架、PCB处理器、第一磁编码器和第二磁编码器，信号处理支架与主轴相对定位，第一磁编码器、第二磁编码器和PCB处理器均固定设在信号处理支架上，其中第一磁编码器与第一磁环对应设置，第二磁编码器与第二磁环对应设置；变形套受力扭转时，第一磁环和第二磁环产生周向的位置变化，第一磁编码器和第二磁编码器测算出两个磁环转过的角度，将信号传递给PCB处理器。

2.根据权利要求1所述的具有磁编码器结构的力矩速度传感器，其特征在于：所述主轴为转动主轴，变形套左端的内壁与转动主轴之间通过花键连接，第一磁环和第二磁环固定套设在变形套的外周面上，转动主轴两端固定连接有曲柄。

3.根据权利要求2所述的具有磁编码器结构的力矩速度传感器，其特征在于：所述转动主轴的外侧通过轴承连接有支承护腕，支承护腕与车架五通之间相对固定，信号处理支架与支承护腕固定连接，信号处理支架两端内侧分别支撑在变形套和转动主轴的外圈上，PCB处理器安装于信号处理支架中，信号处理支架外周面上设有封装PCB处理器的屏蔽罩。

4.根据权利要求2所述的具有磁编码器结构的力矩速度传感器，其特征在于：所述转动主轴贯穿设置在车辆的中置驱动电机内，中置驱动电机内还设有减速齿轮组件，变形套右端的外周面上设有多组棘爪，棘爪外侧设有牙盘套管，牙盘套管内侧壁设有与棘爪配合的棘轮，该位置形成棘轮-棘爪式离合器，牙盘套管外周面同时与减速齿轮组件和牙盘传动连接。

5.根据权利要求1所述的具有磁编码器结构的力矩速度传感器，其特征在于：所述主轴为固定主轴，固定主轴贯穿设置在车辆的轮毂驱动电机内，轮毂驱动电机包括容纳电机本体的壳体和端盖，端盖通过螺钉与壳体固定连接，端盖芯部设有棘轮环，固定主轴从棘轮环内穿过，棘轮环和固定主轴之间从外向内依次设置塔基套管、变形套和信号处理支架。

6.根据权利要求5所述的具有磁编码器结构的力矩速度传感器，其特征在于：所述塔基套管内壁通过花键与变形套卡紧连接，塔基套管外圈安装飞轮，变形套左端从塔基套管内伸出，变形套左端设有一圈与棘轮环对应的离合连接部，离合连接部外周设有多个等角度错开的凹槽，每个凹槽内安装一个塔基棘爪千斤片，塔基棘爪千斤片能够与棘轮环对应啮合，驱动棘轮环旋转，棘轮环带动端盖和壳体同时转动。

7.根据权利要求6所述的具有磁编码器结构的力矩速度传感器，其特征在于：所述第一磁环和第二磁环均采用胶粘安装在变形套的内壁上，其中第一磁环与离合连接部在轴向上安装位置一致，第二磁环位于花键的左侧，变形套和塔基套管分别通过一个支撑轴承与固定主轴连接。

8.根据权利要求7所述的具有磁编码器结构的力矩速度传感器，其特征在于：所述信号处理支架安装在固定主轴周面上，第一磁编码器和第二磁编码器凸出设置于信号处理支架的外周面，第一磁编码器外侧对着第一磁环，第二磁编码器外侧对着第二磁环。

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