CN208979049U - 逆磁致伸缩中轴力矩传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种逆磁致伸缩中轴力矩传感器，包括：中轴，包括轴套、封闭于所述轴套两端的端部组件及可旋转地贯穿三者的芯轴，所述轴套与所述端部组件均嵌入安装于五通内部，所述芯轴用于固定连接左右曲柄；应变套管，周向固定地套设于所述芯轴的外周侧，具有磁致伸缩部；感应线圈，周向活动地套设于所述磁致伸缩部的外周侧并与所述轴套固定，用于感测所述应变套管的磁导率变化。所述逆磁致伸缩中轴力矩传感器可实现于现有通用结构上的直接安装应用，具有理想的通用性、灵敏度与感测精度。

Description

逆磁致伸缩中轴力矩传感器

技术领域

本实用新型属于传感器技术领域，具体地来说，是一种逆磁致伸缩中轴力矩传感器。

背景技术

电动助力车是一种以自行车结构为基础，加配电力驱动单元的骑行车类型。电动助力车可根据骑行者的踩踏力度，提供相应的动力支持，减轻骑行者的骑行负担，使骑行舒适度与骑行里程大为增加，因而逐渐受到市场的欢迎。

其中，力矩传感器是电动助力车的核心部件。力矩传感器用于感应测量骑行者的骑行力矩，为电力驱动单元的动力输出提供判断基础。力矩传感器作为感知骑行者意图的部件，其性能至关重要。

现有的力矩传感器需要对中轴安装结构及中轴所附设的牙盘、曲柄进行定制变更，并需要使用专用安装工具进行安装，无法于现有的中轴结构上直接安装使用，存在通用性差、无法实现快速更换、制造与维护成本高昂等缺点，严重制约了力矩传感器的推广应用，亦不利于电动助力车的快速发展。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种逆磁致伸缩中轴力矩传感器，可实现于现有通用结构上的直接安装应用，具有理想的通用性、灵敏度与感测精度。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种逆磁致伸缩中轴力矩传感器，包括：

中轴，包括轴套、封闭于所述轴套两端的端部组件及可旋转地贯穿三者的芯轴，所述轴套与所述端部组件均嵌入安装于五通内部，所述芯轴用于固定连接左右曲柄；

应变套管，周向固定地套设于所述芯轴的外周侧，具有磁致伸缩部；

感应线圈，周向活动地套设于所述磁致伸缩部的外周侧并与所述轴套固定，用于感测所述应变套管的磁导率变化。

作为上述技术方案的改进，所述端部组件包括轴碗与支撑轴承，所述轴碗固定于所述轴套的一端并嵌入安装于所述五通的内部，所述支撑轴承套设于所述轴碗与所述芯轴之间。

作为上述技术方案的进一步改进，所述逆磁致伸缩中轴力矩传感器还包括磁屏蔽套筒，所述磁屏蔽套筒周向固定地套设于所述感应线圈的外周侧。

作为上述技术方案的进一步改进，所述应变套管两端与所述芯轴之间形成轴向间隙，所述轴向间隙分别过盈嵌设轴向阻尼定位件；和/或，所述应变套管的内周面与所述芯轴的外周面保持相对而形成周向间隙，所述周向间隙过盈嵌设周向阻尼定位件。

作为上述技术方案的进一步改进，所述磁致伸缩部包括复数个磁致齿，所述磁致齿环形分布于所述应变套管的外周面，所述磁致齿的延伸方向与所述芯轴的轴向互不平行。

作为上述技术方案的进一步改进，所述磁致伸缩部为多孔磁管，所述多孔磁管周向固定地套设于所述应变套管的外周侧，所述多孔磁管具有环形分布的复数个磁致孔，所述磁致孔的延伸方向与所述芯轴的轴向互不平行。

作为上述技术方案的进一步改进，所述磁致伸缩部为复数个并沿所述芯轴的轴向间距设置，相邻的磁致伸缩部具有互不相同的延伸方向。

作为上述技术方案的进一步改进，所述磁致伸缩部与所述芯轴的轴向具有45°夹角。

作为上述技术方案的进一步改进，所述逆磁致伸缩中轴力矩传感器还包括温度传感器，用于检测所述应变套管的温度变化；

和/或，所述逆磁致伸缩中轴力矩传感器还包括转速传感单元，用于测量所述中轴的转速和/或方向。

作为上述技术方案的进一步改进，所述逆磁致伸缩中轴力矩传感器还包括控磁线圈，所述控磁线圈周向活动地套设于所述磁致伸缩部的外周侧；

和/或，所述感应线圈为复数个并沿所述芯轴的轴向间距设置，所述控磁线圈设置于所述感应线圈之间。

本实用新型的有益效果是：

中轴包括轴套、封闭于轴套两端的端部组件及可旋转地贯穿三者的芯轴，轴套与端部组件均嵌入安装于五通内部，芯轴用于固定连接左右曲柄，实现于现有通用结构上的直接安装应用；以应变套管与感应线圈之间的逆磁致伸缩效应，实现直接精确的力矩测量，简化机械结构、压缩结构尺寸，进一步提高与现有中轴结构的通用程度，具有理想的通用性、灵敏度与感测精度。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本实用新型实施例1提供的逆磁致伸缩中轴力矩传感器的分解结构示意图；

图2是本实用新型实施例1提供的逆磁致伸缩中轴力矩传感器的局部结构示意图；

图3是本实用新型实施例1提供的逆磁致伸缩中轴力矩传感器的装配结构示意图；

图4是本实用新型实施例1提供的逆磁致伸缩中轴力矩传感器的剖视结构示意图；

图5是图4中逆磁致伸缩中轴力矩传感器的局部结构示意图；

图6是本实用新型实施例1提供的逆磁致伸缩中轴力矩传感器的应用结构示意图；

图7是本实用新型实施例1提供的逆磁致伸缩中轴力矩传感器的磁致伸缩部的第一结构示意图；

图8是本实用新型实施例1提供的逆磁致伸缩中轴力矩传感器的磁致伸缩部的第二结构示意图。

主要元件符号说明：

1000-逆磁致伸缩中轴力矩传感器，0100-中轴，0110-轴套，0120-芯轴，0130-第一端部组件，0131-第一轴碗，0132-第一密封圈，0133-第一支撑轴承，0140-第二端部组件，0141-第二轴碗，0142-第二密封圈，0143-第二支撑轴承，0150-轴向阻尼定位件，0160-周向阻尼定位件，0200-应变套管，0210-磁致齿，0220-多孔磁管，0221-磁致孔，0300-感应线圈，0310-磁屏蔽套筒，0400-绕线管，0500-信号处理器，0600-信号传输线，0700-控磁线圈，0800-转速传感单元，0810-测速动环，0820-磁体，0900-输出套筒，2000-五通，3000-左曲柄，4000-牙盘，5000-右曲柄。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对逆磁致伸缩中轴力矩传感器进行更全面的描述。附图中给出了逆磁致伸缩中轴力矩传感器的优选实施例。但是，逆磁致伸缩中轴力矩传感器可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对逆磁致伸缩中轴力矩传感器的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在逆磁致伸缩中轴力矩传感器的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请参阅图1，本实施例公开一种逆磁致伸缩中轴力矩传感器1000，包括中轴0100、应变套管0200与感应线圈0300，用于实现于现有通用结构上的直接安装应用，提供理想的灵敏度与感测精度。

请结合参阅图2～4，中轴0100包括轴套0110、第一端部组件0130、第二端部组件0140与芯轴0120，四者包围形成环形容纳空间，用以收容安装其他结构零部件。其中，第一端部组件0130与第二端部组件0140分别封闭于轴套0110的两端，芯轴0120可旋转地依次贯穿轴套0110、第一端部组件0130与第二端部组件0140。

请结合参阅图4及图6，轴套0110、第一端部组件0130与第二端部组件0140均嵌入安装于五通2000的内部，芯轴0120用于固定连接左右曲柄。换言之，当逆磁致伸缩中轴力矩传感器1000于电动助力车上安装完成时，轴套0110、第一端部组件0130与第二端部组件0140整体位于五通2000的内部，芯轴0120两端突出于五通2000的外部而直接连接牙盘4000、左曲柄3000、右曲柄5000。

通用中轴的结构形式众多，常见地包括方孔中轴、花键中轴等类型。得益于前述的轴套0110、第一端部组件0130、第二端部组件0140与芯轴0120的设计结构，中轴0100得以设计成与通用中轴一致的结构，可于具有通用中轴结构的自行车上进行完全互换式安装，以降低应用难度。相应地，五通2000、牙盘4000、左曲柄3000、右曲柄5000均直接采用现有通用结构，无需进行变更。

同时，相比于现有的一些力矩传感器的中轴0100构造，本实施例的轴套0110、第一端部组件0130与第二端部组件0140均嵌入安装于五通2000的内部，有效地压缩芯轴0120的长度，进而缩短左右曲柄之间的垂直距离。该垂直距离的减小，一方面可有效增加骑行者参与运动的肌群数量，利于骑行者的发力；另一方面可有效减小迎风面积而降低风阻，提高骑行极限。

示范性地，第一端部组件0130包括第一轴碗0131与第一支撑轴承0133。第一轴碗0131固定于轴套0110的一端，并嵌入安装于五通2000的内部一端。示范性地，第一轴碗0131的外周面与五通2000的一端内周面匹配连接，包括螺纹连接、键连接等形式。第一支撑轴承0133套设于第一轴碗0131与芯轴0120之间，用于实现对芯轴0120的运动承载。示范性地，第一端部组件0130还包括第一密封圈0132，用于实现芯轴0120与第一轴碗0131之间的密封。

示范性地，第二端部组件0140包括第二轴碗0141与第二支撑轴承0143。第二轴碗0141固定于轴套0110的另一端，并嵌入安装于五通2000的内部另一端。示范性地，第二轴碗0141的外周面与五通2000的一端内周面匹配连接，包括螺纹连接、键连接等形式。第二支撑轴承0143套设于第二轴碗0141与芯轴0120之间，用于实现对芯轴0120的运动承载。示范性地，第二端部组件0140还包括第二密封圈0142，用于实现芯轴0120与第二轴碗0141之间的良好密封。

请结合参阅图1～5，应变套管0200周向固定地套设于芯轴0120的外周侧，具有磁致伸缩部。磁致伸缩部由磁致伸缩材料制成，具有磁性伸缩效应。可以理解，所谓周向固定，是指应变套管0200与芯轴0120之间不具有相对旋转。可以理解，磁致伸缩部可为应变套管0200的一部分或全部，根据实际应用需要而决定。

感应线圈0300周向活动地套设于磁致伸缩部的外周侧并与轴套0110固定，用于感测应变套管0200的磁导率变化。可以理解，所谓周向活动，是指感应线圈0300与应变套管0200之间具有相对旋转。

在输入力矩的作用下，应变套管0200随芯轴0120一并扭转变形，磁致伸缩部同步扭转变形。由于逆磁致伸缩效应，磁致伸缩部的磁性发生变化，使与磁致伸缩部具有相对旋转的感应线圈0300产生感应电信号，从而实现对磁致伸缩部的磁导率变化的测量。根据该感应电信号，即可计算得到磁致伸缩部的变形及输入力矩的数值。

示范性地，应变套管0200的两端与芯轴0120之间形成轴向间隙，轴向间隙分别过盈嵌设轴向阻尼定位件0150。换言之，应变套管0200与芯轴0120沿轴向不发生直接接触，而通过轴向阻尼定位件0150实现轴向定位。其中，轴向阻尼定位件0150可由弹性金属、橡胶、软性塑料、硅胶等制成。示范性地，应变套管0200的两端与芯轴0120的轴肩之间由轴向阻尼定位件0150过盈定位。由于轴向阻尼定位件0150的阻尼减震作用，应变套管0200与芯轴0120之间不发生轴向振动传递，杜绝振动干扰而保证感测精度。

示范性地，应变套管0200的内周面与芯轴0120的外周面保持相对而形成周向间隙，周向间隙过盈嵌设周向阻尼定位件0160。换言之，应变套管0200与芯轴0120沿周向(径向)不发生直接接触，而通过周向阻尼定位件0160实现周向(径向)定位。其中，周向阻尼定位件0160可由弹性金属、橡胶、软性塑料、硅胶等制成。示范性地，应变套管0200的内周面具有与芯轴0120的外周面相对的嵌装槽，周向阻尼定位件0160一端过盈地嵌入嵌装槽内，另一端抵紧于芯轴0120的外周面，实现周向定位。由于周向阻尼定位件0160的阻尼减震作用，应变套管0200与芯轴0120之间不发生周向振动传递，杜绝振动干扰而保证感测精度。

示范性地，磁致伸缩部为复数个并沿芯轴0120的轴向间距设置，相邻的磁致伸缩部具有互不相同的延伸方向，保证差分测量需要。示范性地，磁致伸缩部与芯轴0120的轴向具有45°夹角。其情形包括，相邻两者中，一者的夹角为45°，另一者的夹角为-45°。磁致伸缩部的实现方式众多，以下仅举数例说明。

请参阅图7，示范性地，磁致伸缩部包括复数个磁致齿0210，磁致齿0210环形分布于应变套管0200的外周面。其中，磁致齿0210的延伸方向与芯轴0120的轴向互不平行，保证具有较为理想的扭转变形。示范性地，磁致齿0210的延伸方向与芯轴0120的轴向具有45°夹角。磁致齿0210的截面形状众多，包括三角形、梯形、渐开线齿形等类型。示范性地，应变套管0200与磁致齿0210一体成型。

请参阅图8，另一种示范，磁致伸缩部为多孔磁管0220，多孔磁管0220周向固定地套设于应变套管0200的外周侧。多孔磁管0220具有环形分布的复数个磁致孔0221，磁致孔0221的延伸方向与芯轴0120的轴向互不平行。示范性地，磁致孔0221的延伸方向与芯轴0120的轴向具有45°夹角。在管状结构下，磁致伸缩部的磁场连续，避免发生力矩分布不均或漏磁。

请参阅图6，示范性地，感应线圈0300为复数个并沿芯轴0120的轴向间距设置。复数个感应线圈0300分别感测磁致伸缩部的磁导率变化，形成差分转化器构造，消除或减少各磁致伸缩部的一致性误差，提高感测精度与线性度。

示范性地，逆磁致伸缩中轴力矩传感器1000还包括磁屏蔽套筒0310。磁屏蔽套筒0310周向固定地套设于感应线圈0300的外周侧，用于屏蔽外界环境对感应线圈0300的磁干扰，保证感应线圈0300的工作环境理想。

示范性地，逆磁致伸缩中轴力矩传感器1000还包括控磁线圈0700。控磁线圈0700周向活动地套设于磁致伸缩部的外周侧，用于实现对磁致伸缩部的励磁与消磁。示范性地，逆磁致伸缩中轴力矩传感器1000还包括交变电路。交变电路电性连接于控磁线圈0700，用于实现控磁线圈0700于励磁与消磁状态之间的切换。

示范性地，在骑行状态下，交变电路向控磁线圈0700输入励磁电流时，控磁线圈0700提供磁致伸缩部所需的附加激励磁场；在停止状态下，交变电路向控磁线圈0700输入交变衰减电流时，控磁线圈0700使磁致伸缩部的剩磁消除，避免对力矩传感器的输出精度造成干扰。

示范性地，在感应线圈0300为复数个的情形下，控磁线圈0700设置于感应线圈0300之间，形成间错分布结构。在此构造下，控磁线圈0700可对复数个感应线圈0300所对应的磁致伸缩部同步作用，保证较佳的控磁作用。

示范性地，逆磁致伸缩中轴力矩传感器1000还包括绕线管0400。绕线管0400周向活动地套设于应变套管0200的外周侧，并与轴套0110固定。感应线圈0300固定绕设于绕线管0400的外周面上，实现可靠支承。示范性地，控磁线圈0700一并设置于绕线管0400的外周面上。

示范性地，感应线圈0300电性连接有信号处理器0500，用于实现感应线圈0300的感应电信号的信号处理，以便进行电性传输。示范性地，信号处理器0500可通过运算放大电路实现，可执行微积分、加减乘除等基本运算或信号放大等基本功能。示范性地，信号处理器0500电性连接有信号传输线0600，用于实现感测信号的电路传输。

示范性地，逆磁致伸缩中轴力矩传感器1000还包括转速传感单元0800，用于测量中轴0100的转速和/或方向。其中，转速传感单元0800可采用机械、电气、磁、光和混合式等方法实现。

示范性地，转速传感单元0800包括测速动环0810、磁体0820与测速静环。其中，测速动环0810随芯轴0120一并旋转，复数个磁体0820沿测速动环0810的旋转圆周嵌设于测速动环0810上。测速静环与轴套0110一并保持静止，其上设置复数个霍尔传感器。示范性地，测速静环可由绕线管0400充当。

当芯轴0120旋转时，磁体0820随之旋转，霍尔传感器保持静止而产生霍尔效应，从而测量芯轴0120的转速。同时，根据复数个霍尔传感器之间的测量值之综合，即可判断芯轴0120的旋转方向。补充说明，转速传感单元0800的测量值为转速矢量。

示范性地，逆磁致伸缩中轴力矩传感器1000还包括温度传感器，用于检测应变套管0200的温度变化。温度传感器将测量结果以电信号输出至控制器，以便控制器对感测结果进行温度补偿，消除应变套管0200的温升变形干扰，保证结果精确。

示范性地，逆磁致伸缩中轴力矩传感器1000还包括输出套筒0900，用于实现与链轮机构的连接，实现与前后轮的动力传递。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种逆磁致伸缩中轴力矩传感器，其特征在于，包括：

中轴，包括轴套、封闭于所述轴套两端的端部组件及可旋转地贯穿三者的芯轴，所述轴套与所述端部组件均嵌入安装于五通内部，所述芯轴用于固定连接左右曲柄；

应变套管，周向固定地套设于所述芯轴的外周侧，具有磁致伸缩部；

感应线圈，周向活动地套设于所述磁致伸缩部的外周侧并与所述轴套固定，用于感测所述应变套管的磁导率变化。

2.根据权利要求1所述的逆磁致伸缩中轴力矩传感器，其特征在于，所述端部组件包括轴碗与支撑轴承，所述轴碗固定于所述轴套的一端并嵌入安装于所述五通的内部，所述支撑轴承套设于所述轴碗与所述芯轴之间。

3.根据权利要求1所述的逆磁致伸缩中轴力矩传感器，其特征在于，还包括磁屏蔽套筒，所述磁屏蔽套筒周向固定地套设于所述感应线圈的外周侧。

4.根据权利要求1所述的逆磁致伸缩中轴力矩传感器，其特征在于，所述应变套管两端与所述芯轴之间形成轴向间隙，所述轴向间隙分别过盈嵌设轴向阻尼定位件；和/或，所述应变套管的内周面与所述芯轴的外周面保持相对而形成周向间隙，所述周向间隙过盈嵌设周向阻尼定位件。

5.根据权利要求1所述的逆磁致伸缩中轴力矩传感器，其特征在于，所述磁致伸缩部包括复数个磁致齿，所述磁致齿环形分布于所述应变套管的外周面，所述磁致齿的延伸方向与所述芯轴的轴向互不平行。

6.根据权利要求1所述的逆磁致伸缩中轴力矩传感器，其特征在于，所述磁致伸缩部为多孔磁管，所述多孔磁管周向固定地套设于所述应变套管的外周侧，所述多孔磁管具有环形分布的复数个磁致孔，所述磁致孔的延伸方向与所述芯轴的轴向互不平行。

7.根据权利要求1所述的逆磁致伸缩中轴力矩传感器，其特征在于，所述磁致伸缩部为复数个并沿所述芯轴的轴向间距设置，相邻的磁致伸缩部具有互不相同的延伸方向。

8.根据权利要求1所述的逆磁致伸缩中轴力矩传感器，其特征在于，所述磁致伸缩部与所述芯轴的轴向具有45°夹角。

9.根据权利要求1所述的逆磁致伸缩中轴力矩传感器，其特征在于，还包括温度传感器，用于检测所述应变套管的温度变化；和/或，还包括转速传感单元，用于测量所述中轴的转速和/或方向。

10.根据权利要求1所述的逆磁致伸缩中轴力矩传感器，其特征在于，还包括控磁线圈，所述控磁线圈周向活动地套设于所述磁致伸缩部的外周侧；和/或，所述感应线圈为复数个并沿所述芯轴的轴向间距设置，所述控磁线圈设置于所述感应线圈之间。