CN201754113U - 一种非接触式扭矩传感器 - Google Patents
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Abstract
一种非接触式扭矩传感器，包括：外壳；扭杆；套设于扭杆一端的输入轴；套设于输入轴外围并与之固定的第一磁铁架，第一磁铁架周向上设有均匀分布的至少两个磁铁；分别与外壳固定并设置于第一磁铁架外围的第一绕线磁环和第二绕线磁环，第一绕线磁环上绕制有用于和外部电压连接的第一初级线圈以及用于产生第一相位角度电压的第一次级线圈，第二绕线磁环上绕制有用于和外部电压连接的第二初级线圈以及用于产生第二相位角度电压的第二次级线圈；套设于扭杆另一端的输出轴，输出轴一端设置有与输入轴一端对称的零部件，输入轴和输出轴之间设置有防止磁干扰的磁屏蔽。本实用新型实现了完全非接触，增加扭矩传感器的可靠性及寿命，结构简单，生产成本低。
Description
技术领域
本实用新型涉及在车辆的动力转向系统中所用的扭矩传感器，尤其涉及一种非接触式的扭矩传感器。
背景技术
用于汽车工业的电动助力转向系统EPS(electric power steering)一般包括方向盘、扭矩传感器、电控单元及助力电动机。电动助力系统需要将方向盘的扭矩大小转换为电信号，传送给电控单元，电控单元产生合适的电流，驱动助力电机产生合适的助力，完成助力转向。电动助力转向系统是一种具有设置在汽车转向系上的电动机，以便通过使用电控单元控制给电动机提供的动力从而减轻驾驶员操纵工作的系统。
在传统的一般电动助力转向系统中，都要用到扭矩传感器。扭矩传感器是一种将方向盘上的扭矩转换成电信号的单元。通常的扭矩传感器使用电位器，采用机械接触的方式来触动电位器电位发生变化。具体来讲，当方向盘上有扭矩时，连接方向盘的扭杆产生相对扭转，扭杆相对转动后带动扭杆下方连接的圆环上下移动，上下移动的圆环再带动电位器旋转。在电位器上加上恒定的电压，就产生了一个随扭矩变化而变化的电压。但是，传统的扭矩传感器由于电位器、圆环与固定壁面不断摩擦，经常转动电位器、圆环都会产生磨损，大大降低了传感器的使用寿命。而且，由于摩擦阻力的作用，方向盘使用时的手感比较差，同时传感器对方向盘的扭转感应精度也比较低。进一步的传统中使用的电位式扭矩传感器其从扭矩到电信号的转变过程里中间环节很多，零件数量很多，成本很高。
扭矩传感器的种类有很多，主要有电位计式扭矩传感器、金属电阻应变片的扭矩传感器、非接触式扭矩传感器等。非接触扭矩传感器由于采用的是非接触的工作方式，因而寿命长、可靠性高，不易受到磨损、有更小的延时、受轴的偏转和轴向偏移的影响更小，现在已经广泛用于轿车和轻型车中，是EPS电动助力转向系统传感器的主流产品。
图1是非接触式扭矩传感器的典型结构；图中1是轴套，2是线圈，3是线轴套(磁性材料)，4是扭杆，5是输入轴。其中输入轴和输出轴由扭杆连接起来，输入轴上有花键，输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时，输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量，使得花键上的磁感强度改变，磁感强度的变化，通过线圈转化为电压信号变化量。信号的高频部分由检测电路滤波，仅有扭矩信号部分被放大。如专利号CN200410085891“用于车辆的扭矩传感器”也是基于非接触式扭矩传感器同样原理和结构，但这种扭矩传感器的结构复杂，制造成本高。
实用新型内容
本实用新型解决的技术问题是现有技术中扭矩传感器的结构复杂、制造成本高。
为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：
本实用新型涉及的一种非接触式扭矩传感器，包括：外壳；扭杆；套设于扭杆一端的输入轴；套设于输入轴外围并与之固定的第一磁铁架，第一磁铁架周向上设有均匀分布的至少两个磁铁；分别与外壳固定并设置于第一磁铁架外围的第一绕线磁环和第二绕线磁环，所述第一绕线磁环上绕制有用于和外部电压连接的第一初级线圈以及用于产生第一相位角度电压的第一次级线圈，第二绕线磁环上绕制有用于和外部电压连接的第二初级线圈以及用于产生第二相位角度电压的第二次级线圈；套设于扭杆另一端的输出轴；套设于输出轴外围并与之固定的第二磁铁架，第二磁铁架周向上设有均匀分布的至少两个磁铁；分别与外壳固定并设置于第二磁铁架外围的第三绕线磁环和第四绕线磁环，所述第三绕线磁环上绕制有用于和外部电压连接的第三初级线圈以及用于产生第三相位角度电压的第三次级线圈，第四绕线磁环上绕制有用于和外部电压连接的第四初级线圈以及用于产生第四相位角度电压的第四次级线圈；第一磁铁架与第二磁铁架之间，第二绕线磁环与第三绕线磁环之间设置有防止磁干扰的磁屏蔽。
优选地，第一绕线磁环、第二绕线磁环、第三绕线磁环和第四绕线磁环分别等间隔分成至少两个区段，每个区段上绕有匝数相等的次级线圈，相邻区段上次级线圈的绕线方向相反；次级线圈的外圈绕有一个方向的初级线圈。
优选地，第一次级线圈产生的第一相位角度电压和第二次级线圈产生的第二相位角度电压相差90度，第三次级线圈产生的第三相位角度电压和第四次级线圈产生的第四相位角度电压相差90度。
优选地，所述输入轴上有凹槽，第一磁铁架内环有与所述凹槽对应的凸块；所述输出轴上有凹槽，第二磁铁架内环有与所述凹槽对应的凸块。
优选地，所述磁屏蔽是一金属板。
优选地，所述外壳的两端设置有端盖。
与现有技术相比本实用新型具有如下有益效果：本实用新型实施例提供的一种非接触式扭矩传感器，分布有磁铁的两个磁铁架分别与输入轴和输出轴固定连接，绕线磁环与外壳固定连接，通过磁铁对绕线磁环的磁场感应完成信号的检测，实现了完全非接触，增加了扭矩传感器的可靠性；磁铁和绕线磁环使用周期长，增加了扭矩传感器的寿命；绕线磁环上绕有电感线圈，增加了信号检测的灵敏度，结构简单，生产成本低。
附图说明
图1是现有非接触式扭矩传感器的典型结构；
图2是本实用新型实施例非接触式扭矩传感器的横截面图；
图3是图2实施例中A-A’向剖视图；
图4是本实用新型实施例非接触式扭矩传感器的立体图；
图5是本实用新型实施例非接触式扭矩传感器的立体剖视图。
具体实施方式
为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
图2是本实用新型实施例非接触式扭矩传感器的横截面图；图3是图2实施例中A-A’向剖视图；图4是本实用新型实施例非接触式扭矩传感器的立体图；图5是本实用新型实施例非接触式扭矩传感器的立体剖视图。为了比较清楚地说明本实用新型实施例的结构，下面结合图2至图5详细说明：
一种非接触式扭矩传感器，包括：外壳23；扭杆30；套设于扭杆一端的输入轴21；套设于输入轴21外围并与之固定的第一磁铁架25a，第一磁铁架25a周向上设有均匀分布的至少两个磁铁；分别与外壳23固定并设置于第一磁铁架25a外围的第一绕线磁环24a和第二绕线磁环24b，第一绕线磁环24a上绕制有用于和外部电压连接的第一初级线圈以及用于产生第一相位角度电压的第一次级线圈，第二绕线磁环24b上绕制有用于和外部电压连接的第二初级线圈以及用于产生第二相位角度电压的第二次级线圈；套设于扭杆另一端的输出轴22；套设于输出轴22外围并与之固定的第二磁铁架25b，第二磁铁架25b周向上设有均匀分布的至少两个磁铁；分别与外壳23固定并设置于第二磁铁架25b外围的第三绕线磁环24c和第四绕线磁环24d，第三绕线磁环24c上绕制有用于和外部电压连接的第三初级线圈以及用于产生第三相位角度电压的第三次级线圈，第四绕线磁环24d上绕制有用于和外部电压连接的第四初级线圈以及用于产生第四相位角度电压的第四次级线圈；第一磁铁架25a与第二磁铁架25b之间，第二绕线磁环24b与第三绕线磁环24c之间设置有防止磁干扰的磁屏蔽27，根据得到的第一相位角度电压、第二相位角度电压、第三相位角度电压和第四相位角度电压得到输入轴(21)和输出轴(22)扭转的角度，进而得到扭转的扭矩。第一磁铁架25a和第二磁铁架25b的周向均设有卡槽，以便磁铁26能够放置于卡槽内，卡槽的数目与磁铁的数目相等。
第一绕线磁环24a、第二绕线磁环24b、第三绕线磁环24c和第四绕线磁环24d分别等间隔分成至少两个区段，每个区段上绕有匝数相等的次级线圈，相邻区段上次级线圈的绕线方向相反；次级线圈的外圈绕有一个方向的初级线圈。第一次级线圈产生的第一相位角度电压和第二次级线圈产生的第二相位角度电压一定角度，第三次级线圈产生的第三相位角度电压和第四次级线圈产生的第四相位角度电压相差一定角度；为计算方便，第一次级线圈产生的第一相位角度电压和第二次级线圈产生的第二相位角度电压相差90度，第三次级线圈产生的第三相位角度电压和第四次级线圈产生的第四相位角度电压相差90度。
在本实施例中，输入轴21上有凹槽，第一磁铁架25a内环有与所述凹槽对应的凸块；输出轴22上有凹槽，第二磁铁架25b内环有与所述凹槽对应的凸块；以保证输入轴21与第一磁铁架25a固定并牢固连接，输出轴22与第二磁铁架25b固定并牢固连接。
将第一绕线磁环24a、第二绕线磁环24b固定在连接板28a上，连接板28a与壳体23固定连接；将第一绕线磁环24c、第二绕线磁环24d固定在连接板28b上，连接板28b与壳体23固定连接。
在绕线磁环上绕制次级线圈，将磁环等间隔的分为多段，若磁环分为奇数段，则初始输出信号不为零，信号处理较为复杂，为偶数段，信号处理简单；为保证生产过程中绕线的工艺简单与信号的精度，磁环分段数不能过少或过多，且要求每段均匀绕线，匝数相等，此实施例中，将磁环等间隔的分为6个区段，在磁环截面上均匀绕制次级线圈，相邻区段的绕线方向相反，匝数相等。次级线圈的外圈绕有一个方向的初级线圈。例如在第一绕线磁环24a的六个区段上绕制次级线圈，相邻区段的绕线方向相反，匝数相等；然后在第一绕线磁环24a的次级线圈上以某一方向绕制一整圈的初级线圈。第二绕线磁环24b、第三绕线磁环24c和第四绕线磁环24d的绕线方式与第一绕线磁环24a的绕线方式相同。相邻两个绕线磁环的电气角度为正交即为：每个绕线磁环区段的端点位于相邻绕线磁环区段的中间部位，这样即可得到电气角度正交的绕线。
所述磁屏蔽27是一金属板；防止各磁铁架上的磁铁对与之不对应的绕线磁环产生干扰。
电动助力系统分为方向盘、扭矩传感器、电控单元、助力电动机；当方向盘带动输入轴21转动时，通过扭杆30带动输出轴22转动；输入轴21和输出轴22相对转动时，电控单元根据输入轴21与输出轴22转过的角度差，得出扭矩值；助力电动机根据电控单元输出的扭矩值控制转向和助力电流的大小，完成助力转向控制
在第一绕线磁环24a和第二绕线磁环24b的初级线圈上加载同一正弦激励信号，初级线圈和次级线圈产生互感，次级线圈输出感应信号；磁铁26会产生强磁场，使第一绕线磁环24a和第二绕线磁环24b的磁工作点改变，当方向盘带动输入轴21转动时，扭杆随输入轴21转动，请随之带动输出轴22转动，第一磁铁架25a随输入轴21转动，磁铁26在绕线磁环4a和绕线磁环4b上的磁感应强度分布位置改变。次级线圈感应信号的幅值及相位会发生改变，即可确定输入轴21的转动角度与方向。当输入轴沿一个方向连续转动时，输出信号的幅值成周期性变化。第二磁铁架25b随输出轴22转动，磁铁26在绕线磁环4c和绕线磁环4d上的磁感应强度分布位置改变。次级线圈感应信号的幅值会发生改变，即可确定输出轴22的转动角度与方向。当输入轴沿一个方向连续转动时，输出信号的幅值成周期性变化。这样根据输出信号的幅值及相位得到输入轴21和输出轴22的转动角度差，由输入轴21和输出轴22的转动角度差得到正比于扭矩的数据；电控单元根据输入轴21与输出轴22转过的角度差，得出扭矩值；助力电动机根据电控单元输出的扭矩值控制转向和助力电流的大小，完成助力转向控制。
外壳23的两端设置有端盖29，用来保护外壳23内的部件。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种非接触式扭矩传感器，其特征在于，包括：
外壳(23)；扭杆(30)；套设于扭杆一端的输入轴(21)；
套设于输入轴(21)外围并与之固定的第一磁铁架(25a)，第一磁铁架(25a)周向上设有均匀分布的至少两个磁铁；
分别与外壳(23)固定并设置于第一磁铁架(25a)外围的第一绕线磁环(24a)和第二绕线磁环(24b)，所述第一绕线磁环(24a)上绕制有用于和外部电压连接的第一初级线圈以及用于产生第一相位角度电压的第一次级线圈，第二绕线磁环(24b)上绕制有用于和外部电压连接的第二初级线圈以及用于产生第二相位角度电压的第二次级线圈；
套设于扭杆另一端的输出轴(22)；
套设于输出轴(22)外围并与之固定的第二磁铁架(25b)，第二磁铁架(25b)周向上设有均匀分布的至少两个磁铁；
分别与外壳(23)固定并设置于第二磁铁架(25b)外围的第三绕线磁环(24c)和第四绕线磁环(24d)，所述第三绕线磁环(24c)上绕制有用于和外部电压连接的第三初级线圈以及用于产生第三相位角度电压的第三次级线圈，第四绕线磁环(24d)上绕制有用于和外部电压连接的第四初级线圈以及用于产生第四相位角度电压的第四次级线圈；
第一磁铁架(25a)与第二磁铁架(25b)之间，第二绕线磁环(24b)与第三绕线磁环(24c)之间设置有防止磁干扰的磁屏蔽(27)。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式扭矩传感器，其特征在于：第一绕线磁环(24a)、第二绕线磁环(24b)、第三绕线磁环(24c)和第四绕线磁环(24d)分别等间隔分成至少两个区段，每个区段上绕有匝数相等的次级线圈，相邻区段上次级线圈的绕线方向相反；次级线圈的外圈绕有一个方向的初级线圈。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式扭矩传感器，其特征在于：所述第一次级线圈产生的第一相位角度电压和第二次级线圈产生的第二相位角度电压相差90度，第三次级线圈产生的第三相位角度电压和第四次级线圈产生的第四相位角度电压相差90度。
4.根据权利要求1所述的一种非接触式扭矩传感器，其特征在于：所述输入轴(21)上有凹槽，第一磁铁架(25a)内环有与所述凹槽对应的凸块；所述输出轴(22)上有凹槽，第二磁铁架(25b)内环有与所述凹槽对应的凸块。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式扭矩传感器，其特征在于：所述磁屏蔽(27)是一金属板。
6.根据权利要求1所述的一种非接触式扭矩传感器，其特征在于：所述外壳的两端设置有端盖(29)。
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