CN205958165U - 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，包括磁力产生部件和磁力传导部件。所述磁力产生部件包括均匀分布在同一圆周上的多个径向指向的磁体对。所述磁力传导部件包括安装于同一个非导磁材料的骨架上的同轴相对设置的两个环形磁轭，分别为具有多个磁传导内齿的内环磁轭和具有多个磁传导外齿的外环磁轭。所述扭矩传感器由多组磁力采集组件中的磁体对产生的磁场，通过磁传导齿对传导至内环磁轭、外环磁轭、引出磁轭以及其间的气隙，构成了一个闭合的磁路。所述磁传导齿对的内齿与外齿径向分别设置于磁传导齿对的内侧和外侧，减小了磁通泄漏量，减小了闭合磁路的磁阻，从而提高了传感器的灵敏度，增加了传感器信号的线性度。由于提高了所述扭矩传感器的灵敏度，可以减小传感器磁力产生部件和磁力传导部件的几何尺寸，从而降低了传感器的材料成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器技术领域，具体地说，是一种用于测量扭矩的非接触式位置传感器。
背景技术
汽车转向系统的性能对于确保车辆的安全驾驶、操纵稳定性和改善驾驶的舒适性等方面起到了重要的作用。在汽车的助力转向系统中，需要检测转向系统中彼此联接的两个轴杆的相对转力执行机构按控制器输出信号确定助力的大小。对于电动助力转向系统而言，助力转向控制器根据扭矩的大小输出控制信号，助力电动机按控制器输出信号确定助力的大小，而扭矩的大小则由扭矩传感器进行检测。
通常将扭矩传感器分类成接触式和非接触式。然而，由于接触式扭矩传感器具有产生噪音以及耐久性较差的问题，所以目前优选的是非接触式扭矩传感器。
在现有技术中，由中国专利CN101002078A所知说明了一种现有技术的传感器，其具有第一磁性转子结构，其包含多个径向指向的沿相同圆周均匀分布的磁体；第二定子结构，其包含两个环，它们延伸进入轴向指向的以及重叠的齿，两个定子的齿沿相同圆周交错分布。这种结构导致了两个定子重叠的齿侧之间具有较小的间隙，这导致两个定子重叠的齿侧之间的磁通泄漏量的增加，因此降低了传感器的灵敏度，且增加了传感器信号的非线性特性。
该结构的方案中，虽然可以用缩短定子齿的长度来减小定子齿的重叠长度，以此降低定子重叠的齿侧之间的磁通泄漏，然而，这种技术方案导致了受到限制的传感器的灵敏度。
该结构的方案中，可以采用增加磁性转子磁性材料的磁能积和增加磁力传导部件的尺寸及厚度增加传感器的灵敏度，然而，这种技术方案导致了传感器成本的增加。
应该清楚的是，这种扭矩传感器主要应用于汽车的助力转向系统，由于汽车转向系统的转向柱输入轴和输出轴的相对转角很小，一般在±4°、±5°或±8°以内，所以这种结构的扭矩传感器对灵敏度和线性度的要求与传感器低成本的目标是不相容的。
实用新型内容
本实用新型针对上述现有扭矩传感器结构中存在的测量磁路的磁通泄漏量大、灵敏度低、非线性及高成本的问题，提出了一种新的非接触式扭矩传感器。
本实用新型的非接触式扭矩传感器，包括磁力产生部件和磁力传导部件。
所述磁力产生部件包括均匀分布在同一圆周上的多个径向指向的磁体对，所述每个磁体对包括两个径向指向的磁体，所述磁体对中两个磁体的磁极径向交替设置；
所述磁力传导部件包括安装于同一个非导磁材料的骨架上的同轴相对设置的两个环形磁轭，分别为具有多个磁传导内齿的内环磁轭和具有多个磁传导外齿的外环磁轭，内环磁轭和外环磁轭与所述磁力产生部件同轴设置，内环磁轭的内齿数和外环磁轭的外齿数与所述磁力产生部件的磁体对数相同。所述内环磁轭的内齿与外环磁轭的外齿构成多个磁传导齿对，所述每个磁传导齿对的内齿与外齿位于同一径向位置。
根据本实用新型的一个方面，所述磁体对位于磁传导齿对的内齿和外齿之间。
根据本实用新型的一个方面，所述内齿的外圆周的直径小于磁体对所在内圆周的直径，所述外齿的内圆周的直径大于磁体对所在外圆周的直径。
根据本实用新型的一个方面，所述内齿的外圆周与磁体对的内圆周的径向设置有气隙，所述外齿的内圆周与磁体对的外圆周的径向设置有气隙。
根据本实用新型的一个方面，一个磁传导齿对与一个磁体对组成一个磁力采集组件。
根据本实用新型的一个方面，所述磁力采集组件在同一圆周均匀设置多个。
根据本实用新型的一个方面，所述磁体对扭矩传感器进一步包括磁力引出部件，所述的磁力引出部件包括相对设置的两个引出磁轭，所述磁力传导部件位于引出磁轭之间，所述引出磁轭之间设置有气隙，所述气隙中安装有至少一个磁感应元件。
根据本实用新型的一个方面，所述扭矩传感器由多组磁力采集组件中的磁体对产生的磁场，通过磁传导齿对传导至内环磁轭、外环磁轭、引出磁轭以及其间的气隙，构成了一个闭合的磁路。
根据本实用新型的一个方面，所述磁力产生部件和磁力传导部件分别按相同的轴向与转向系统的两个轴杆(输入轴和输出轴)连接，所述输入轴和输出轴分别固定连接于扭杆两端。
根据本实用新型的一个方面，在扭矩传感器的机械零点时，即所述输入轴与所述输出轴相对旋转角度为零时，所述同一组磁力采集组件的磁传导齿对的径向中位线与磁体对的径向中位线对齐，这时所述内、外环磁轭的磁传导齿对与同组磁体对的左、右两个磁体的磁通面积相同。
根据本实用新型的一个方面，在所述输入轴相对于所述输出轴向左旋转时，所述同一组磁力采集组件的磁传导齿对与同组磁体对的左(右)磁体的磁通面积变大，而与同对的右(左)磁体的磁通面积变小；如果所述输入轴相对于所述输出轴向右旋转，则所述同一组磁力采集组件的磁传导齿对与同组磁体对的右(左)磁体的磁通面积变大，而与同对的左(右)磁体的磁通面积变小。
本实用新型的有益效果是：所述扭矩传感器由多组磁力采集组件中的磁体对产生的磁场，通过磁传导齿对传导至内环磁轭、外环磁轭、引出磁轭以及其间的气隙，构成了一个闭合的磁路。所述磁传导齿对的内齿与外齿径向分别设置于磁传导齿对的内侧和外侧，减小了磁通泄漏量，减小了闭合磁路的磁阻，从而提高了传感器的灵敏度，增加了传感器信号的线性度。由于提高了所述扭矩传感器的灵敏度，可以减小传感器磁力产生部件和磁力传导部件的几何尺寸，从而降低了传感器的材料成本。
附图说明
附图1为本非接触式扭矩传感器的结构示意图；
附图2为本非接触式扭矩传感器磁力采集组件的结构示意图一；
附图3为本非接触式扭矩传感器磁力采集组件的结构示意图二；
附图4为本非接触式扭矩传感器磁力采集组件的结构示意图三。
图中，1—磁力产生部件，2—左磁体，3—右磁体，4—内环磁轭，5—外环磁轭，6—内齿，7—外齿，8—上引出磁轭，9—下引出磁轭，10—气隙，11—磁感应元件。
具体实施方式
为了能进一步了解本实用新型的结构、特征及其它目的，现结合所附较佳实施例详细说明如下，所说明的较佳实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，并非限定本实用新型。
本实用新型的具体实施方式如下：
图1示出了本实用新型的传感器结构的视图。如图1所示，该非接触式扭矩传感器包括磁力产生部件1、磁力传导部件和磁力引出部件。
磁力产生部件包括磁体对，磁体对包括两个径向指向的磁体。磁体对中左磁体2和右磁体3的磁极径向交替布置。
磁力传导部件包括同轴相对设置的两个环形磁轭，分别为具有多个磁传导内齿6的内环磁轭4和具有多个磁传导外齿7的外环磁轭5，内环磁轭4和外环磁轭5与所述磁力产生部件同轴设置，内环磁轭4的内齿6数和外环磁轭5的外齿7数与所述磁力产生部件的磁体对数相同。所述内环磁轭4的内齿6与外环磁轭5的外齿7构成多个磁传导齿对，所述每个磁传导齿对的内齿6与外齿7位于同一径向位置。
磁体对位于磁传导齿对的内齿6和外齿7之间。内齿6所在的外圆周的直径小于磁体对所在内圆周的直径；外齿7所在的外圆周的直径大于磁体对所在外圆周的直径。
多对径向指向的磁极交替布置的磁体对按相同的径向位置固定于非导磁材料的骨架上。内环磁轭4的内齿6和外环磁轭5的外齿7成对地按相同的径向固定于非铁磁材料的骨架上，其中内环磁轭4的多个内齿6均匀地分布在内圆筒状磁轭安装架的外表面，其外环磁轭5的多个外齿7均匀地分布在外圆筒状磁轭安装架的内表面。
磁体对和磁传导齿对按照相同的轴向分别与转向系统的两个轴杆(输出轴和输入轴)连接。传感器中一个磁传导齿对与一个磁体对组成一个磁力采集组件。
磁力引出部件包括相对设置的两个引出磁轭，分别为上引出磁轭8和下引出磁轭9，内环磁轭4和外环磁轭5位于上引出磁轭8和下引出磁轭9之间。上引出磁轭8和下引出磁轭9之间设置有气隙10。
磁力传导部件的内环磁轭4和外环磁轭5将磁力产生部件1产生的磁通量传导至固定在传感器壳体上的磁力引出部件，并通过磁力引出部件的上引出磁轭8和下引出磁轭9将磁通量传导至测量气隙10中，以此构成了一个闭合的磁路。在气隙10中至少安置1个磁感应元件11，磁感应元件11实时地接收闭合的磁路中磁通强度的变化量，以此测量两个轴杆(输出轴和输入轴)的扭矩。
图2、3和4示出了所要求保护的传感器的磁力产生及传导部分的几何结构以及主要部件之间磁力变化关系的示意性视图。
图2示出了磁力产生部件1相对于内环磁轭4和外环磁轭5相对旋转角度为零的情形。在此情形下，所述磁力采集组件中的磁传导齿对的内齿6和外齿7位于磁体对中的左磁体2和右磁体3中间的同一径向位置。这时所述的内齿6和外齿7与磁体对的左、右两个磁体的磁通面积相同。传感器处于中立状态，内环磁轭4和外环磁轭5的相对磁场强度为零，磁感应元件11检测到的磁通强度也为零，此时扭矩为零。
图3示出了磁力产生部件1相对于内环磁轭4和外环磁轭5向左旋转的情形，在此情形下，所述磁力采集组件中磁传导齿对的内齿6和外齿7位于磁体对偏向右磁体3的位置。这时所述的内齿6和外齿7相对于磁体对的右磁体3的磁通面积变大，而相对于左磁体2的磁通面积变小。按图3所述的磁体对的磁性方向，左磁体2的内侧和外侧分别为S极和N级，右磁体3的内侧和外侧分别为N极和S级，则内齿6的磁极性呈N极，而外齿7的磁极性呈S极，磁感应元件11以此检测到磁场方向和磁通强度，其中磁场强度与磁力产生部件1相对于内环磁轭4和外环磁轭5向左旋转的角度成正比。
图4示出了磁力产生部件1相对于内环磁轭4和外环磁轭5向右旋转的情形，在此情形下，所述磁力采集组件中磁传导齿对的内齿6和外齿7位于磁体对偏向左磁体2的位置。这时所述的内齿6和外齿7相对于磁体对的左磁体2的磁通面积变大，而相对于右磁体3的磁通面积变小。按图4所述的磁体对的磁性方向，左磁体2的内侧和外侧分别为S极和N级，右磁体3的内侧和外侧分别为N极和S级，则内齿6的磁极性呈S极，而外齿7的磁极性呈N极，磁感应元件11以此检测到磁场方向和磁通强度，其中磁场强度与磁力产生部件1相对于内环磁轭4和外环磁轭5向右旋转的角度成正比。
Claims (8)
1.一种非接触式扭矩传感器，其特征在于，包括磁力产生部件和磁力传导部件，
所述磁力产生部件包括均匀分布在同一圆周上的多个磁体对，每个磁体对包括两个径向指向的磁体，所述磁体对中两个磁体的磁极径向交替设置；
所述磁力传导部件包括两个环形磁轭，分别为具有多个磁传导内齿的内环磁轭和具有多个磁传导外齿的外环磁轭；
所述磁传导内齿和磁传导外齿的数量与所述磁体对的数量相同；
所述磁力传导部件与磁力产生部件同轴，内环磁轭和外环磁轭轴向相对设置，内环磁轭的每一个磁传导内齿都与外环磁轭的一个磁传导外齿位于同一径向位置，每一个磁传导内齿都与其位于同一径向位置的磁传导外齿构成一个磁传导齿对。
2.根据权利要求1所述的非接触式扭矩传感器，其特征在于，所述磁体对位于磁传导齿对的磁传导内齿和磁传导外齿之间。
3.根据权利要求1或2所述的非接触式扭矩传感器，其特征在于，所述内环磁轭的内齿的外圆的直径小于所述磁体对的内圆的直径，所述外环磁轭的外齿的内圆的直径大于所述磁体对的外圆的直径。
4.根据权利要求1或2所述的非接触式扭矩传感器，其特征在于，在所测扭矩为零时所述每一个磁体对都与一个磁传导齿对位于同一径向位置。
5.根据权利要求1或2所述的非接触式扭矩传感器，其特征在于，所述磁传导内齿的外圆周与磁体对的内圆周的径向设置有气隙，所述磁传导外齿的内圆周与磁体对的外圆周的径向设置有气隙。
6.根据权利要求1或2所述的非接触式扭矩传感器，其特征在于，所述每一个磁传导齿对都与一个磁体对组成一个磁力采集组件。
7.根据权利要求6所述的非接触式扭矩传感器，其特征在于，所述磁力采集组件在同一圆周均匀设置多个。
8.根据权利要求1或2所述的非接触式扭矩传感器，其特征在于，所述扭矩传感器进一步包括磁力引出部件，
所述的磁力引出部件包括相对设置的两个引出磁轭，所述磁力传导部件位于引出磁轭之间，所述引出磁轭之间设置有气隙，所述气隙中安装有至少一个磁感应元件。
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