TWI468656B - Magnetic Rotary Torque Detector - Google Patents
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Description
本發明有關於一種偵測器，特別有關於一種偵測轉矩軸之轉矩的磁歪式轉矩偵測器。
以往對於轉矩(扭力)偵測，是使用壓電材料(如應變規等)之接觸性的轉矩(扭力)量測，而利用壓電材料之變形所產生的電壓變化來計算轉矩(扭力)大小，此方法可準確的量測出施加的轉矩(扭力)大小，但若應用在旋轉物體上，必須透過滑環等其他方式傳送出電壓變化信號來進行轉矩(扭力)大小的計算，故應用在旋轉物體上無法進行較高的轉速運轉，且造成成本的增加及信號擷取的困難度。
另一方法為磁歪式轉矩偵測，此方法利用施加轉矩(扭力)在旋轉軸上時，偵測旋轉軸上導磁率的變化，進而計算出施加於旋轉軸上的轉矩(扭力)大小，磁歪式轉矩偵測即為一種非接觸式轉矩偵測。
圖1為習知磁歪式轉矩偵測器偵測轉矩之原理之示意圖。在圖1中，在轉矩軸30上加上轉矩T之後，此轉矩軸30將沿著此軸的正負45度角分別發生壓縮應力及拉伸應力，轉矩軸30於拉伸應力方向及壓縮應力方向會因轉矩軸30的材質不同，產生導磁率增加或減少的現象，如此便稱為磁歪效果。在轉矩軸30的正負45度角方
向各配置磁歪式轉矩偵測器之一組線圈，因此各組線圈因激磁所產生的電感值就會因為磁歪效果而產生變化。
習知磁歪式轉矩偵測器之結構係一圓筒式導磁環作為外圈，偵測線圈利用軟性印刷電路板製成，然後將此軟性印刷電路板黏著於圓筒式導磁環。偵測線圈的配置位置係於轉矩軸的正負45度角方向放置一組線圈，因此每組線圈的電感值會隨著轉矩軸的轉動所導致之磁歪效果而產生變化。
為了能將微小的磁歪效果偵測出來，可以在偵測線圈上加入高頻交流電壓信號，使得偵測線圈的電感值會因高頻交流電壓信號產生壓降，透過橋式電路則可輕易偵測出各偵測線圈之等效電感的電位差，有利於以電氣方式推算出在轉矩軸上所施加之轉矩。
然而，習知磁歪式轉矩偵測器之偵測線圈與轉矩軸之間的氣隙大，使得偵測線圈與轉矩軸之間的磁路之磁阻變大，而造成磁歪效果變差，相對地橋式電路則偵測各偵測線圈之等效電感的電位差將會變小，而使得磁歪式轉矩偵測的效果變差。
鑒於上述，本發明提供一種磁歪式轉矩偵測器，其相較於以往使用軟性電路板印刷的線圈結構，增加了磁歪式轉矩偵測器之繞線座本身強度，可應用於較惡劣的工作環境，且繞線座與轉矩軸之間的氣隙減小，降低磁歪式轉矩偵測器與轉矩軸之間的磁路之磁阻，以提高磁歪效果，使得磁歪式轉矩偵測的效果得以大幅度改善。
本發明係提供一種磁歪式轉矩偵測器，包含：
一導磁環，形成有其內部突出的複數個齒部，該等齒部的排列係形成有將一扭力軸置於其中之空間，其中，每一齒部從該導磁環之一側面斜向延伸至其另一側面。
20‧‧‧磁歪式轉矩偵測器
22‧‧‧導磁環
24a‧‧‧線圈
24b‧‧‧線圈
24c‧‧‧線圈
24d‧‧‧線圈
26a‧‧‧齒部
26b‧‧‧齒部
26c‧‧‧齒部
26d‧‧‧齒部
28‧‧‧空間
30‧‧‧轉矩軸
32‧‧‧空氣隙
40‧‧‧信號放大電路
50‧‧‧磁歪式轉矩偵測器
52‧‧‧導磁環
54a‧‧‧齒部
54b‧‧‧齒部
54c‧‧‧齒部
54d‧‧‧齒部
56‧‧‧空間
522‧‧‧導磁環片
522a‧‧‧齒部
522b‧‧‧齒部
522c‧‧‧齒部
522d‧‧‧齒部
524‧‧‧導磁環片
524a‧‧‧齒部
524b‧‧‧齒部
524c‧‧‧齒部
524d‧‧‧齒部
L1‧‧‧電感
L2‧‧‧電感
L3‧‧‧電感
L4‧‧‧電感
l c
‧‧‧導磁環磁路之平均路徑長度
l g
‧‧‧空氣隙磁路之平均路徑長度
l s
‧‧‧轉矩軸磁路之平均路徑長度
圖1為習知磁歪式轉矩偵測器偵測轉矩之原理之示意圖，圖2為本發明之第一實施例之磁歪式轉矩偵測器之結構示意圖，圖2A為本發明之第一實施例之導磁環的立體圖，圖3為本發明之第一實施例之磁歪式轉矩偵測器之磁路配置的示意圖，圖4為本發明之第一實施例之磁歪式轉矩偵測器之磁路的示意圖，圖5為本發明之第一實施例之磁歪式轉矩偵測器之等效電路的電路圖，圖6為本發明之第一實施例之轉矩之電壓變化之關係圖，圖7為本發明之第二實施例之磁歪式轉矩偵測器之結構示意圖，圖7A為本發明之第二實施例之導磁環之立體圖，圖7B為本發明之第二實施例之導磁環之分解圖，以及圖8A、8B為本發明之第二實施例之導磁環片的前視圖。
參考以下實施例，以說明本發明之磁歪式轉矩偵測器的實施態樣。
圖2為本發明之第一實施例之磁歪式轉矩偵測器之結構示意圖。在圖2中，一磁歪式轉矩偵測器20包含一導磁環22及數個
線圈24a、24b、24c、24d。導磁環22係由導磁材料所構成，線圈24a、24b、24c、24d係為漆包線。
導磁環22之內環面形成有作為繞線座之突出的數個齒部26a、26b、26c、26d，齒部26a、26b、26c、26d的排列係形成有將一扭力軸(未圖示)置於其中之空間28。每一齒部26a、26b、26c、26d從導磁環22之一側面(圖2A之導磁環的立體圖中前視方向的正面)以45度角斜向延伸至其另一側面(圖2A之導磁環的立體圖中前視方向的背面)。導磁環22與齒部26a、26b、26c、26d係一體成型。
圖3為本發明之第一實施例之磁歪式轉矩偵測器之磁路配置的示意圖。每一線圈24a、24b、24c、24d分別纏繞作為繞線座之每一齒部26a、26b、26c、26d(見圖2)。在圖3中，符號「L1
」表示線圈24a的等效電感，符號「L2
」表示線圈24b的等效電感，符號「L3
」表示線圈24c的等效電感，符號「L4
」表示線圈24d的等效電感。提供交流電源給每個線圈24a、24b、24c、24d，使線圈24a、24b、24c、24d激磁而產生N極或S極的極性於齒部26a、26b、26c、26d，其中，線圈24a經激磁而產生N極的極性於齒部26a，線圈24b經激磁而產生N極的極性於齒部26b，線圈24c經激磁而產生S極的極性於齒部26c，線圈24d經激磁而產生S極的極性於齒部26d。相同極性之相鄰的齒部(如為N極之齒部26a、26b，為S極之齒部26c、26d)係以彼此相對方向斜向延伸。
圖4為本發明之第一實施例之磁歪式轉矩偵測器之磁路的示意圖。在圖4中(未繪示線圈)，磁歪式轉矩偵測器20之線圈24a、24b、24c、24d(見圖2)的電感值會隨著轉矩軸30的轉動所導致之磁歪
效果而產生變化，藉此磁歪式轉矩偵測器20偵測轉矩軸30之轉矩。其詳細說明如下。
依據安培定律可得：
其中：：磁動勢
N
：線圈匝數
i
：線圈電流
H
：磁場強度
l
：磁路長度
Φ：磁通
：磁阻
由圖4之磁歪式轉矩偵測器的磁路分佈可得磁阻為導磁環22、空氣隙32及轉矩軸30之磁阻的和：
利用可將第(2)式改寫為：
其中：：導磁環磁阻
：空氣隙磁阻
：轉矩軸磁阻
l c
：導磁環磁路之平均路徑長度
l g
：空氣隙磁路之平均路徑長度
l s
：轉矩軸磁路之平均路徑長度
μ c
：導磁環導磁係數
μ 0
：空氣隙導磁係數
μ s
：轉矩軸導磁係數
將第(3)式代入第(1)式可得：
電感L
定義為：
分子分母同乘匝數N
可得：
將第(4)式代入第(6)式後電感可表示為：
由第(7)式可看出，電感值L
的大小與導磁係數μ c
、μ 0
、μ s
、截面積A c
、A g
、A s
以及匝數N
平方成正比，與磁路長度l c
、l g
、l s
成反比。其中l c
、l g
、l s
、A c
、A g
、A s
為設計參數可視為常數，μ 0
為空氣中導磁係數μ 0
=4π×10-7
，在激勵電流及頻率固定時導磁環22導磁係數μ c
可視為定值。μ s
為轉矩軸30的導磁係數，其會因在轉矩軸30上施加轉矩而造成轉矩軸30之導磁係數μ s
的改變。因此可將第(7)式改寫為：
其中：
定義未施加轉矩時轉矩軸30的導磁係數為μ s
(0)及施加轉矩時的轉矩軸30的導磁係數μ s
(T L
)，因此可得電感L 0
及L 1
：
將L 1
-L 0
可得施加轉矩(扭力)時的電感值變化△L
：
若轉矩軸30的導磁係數變動量很小，可將第(10)式中的分母視為定值，當轉矩軸30的導磁係數在施加轉矩時為線性變化，則電感變化量可視為是施加轉矩大小的線性函數，且電感變化量與匝數及設計參數K 1
成正比。
圖5為本發明之第一實施例之磁歪式轉矩偵測器之等效電路的電路圖。使用磁歪式轉矩偵測器20時，如圖4所示，將轉矩軸30插入磁歪式轉矩偵測器20之數個齒部26a、26b、26c、26d所圍成的空間28中，並將圖2中四個線圈24a、24b、24c、24d以圖5之電路配置的方式連接，且於該等線圈24a、24b、24c、24d施加一正弦電壓激勵信號Vm
sinωt以分別產生等效的電感L1
、L2
、L3
、L4
。
在施加轉矩(扭力)於轉矩軸30時，因上述磁歪的效果而改變四個線圈24a、24b、24c、24d之等效電感L1
、L2
、L3
、L4
之電感值大小，以將等效電路中之電位v a
、v b
之間的電壓差信號於一信號放大電路40予以放大，藉由此電壓差信號的大小以得知施加於轉矩軸30上的轉矩大小。
在實際運用上可分為三種狀態，(1)無施加任何轉矩於轉矩軸30上；(2)施加正轉矩於轉矩軸30上；(3)施加負轉矩於轉矩軸30上。定義轉矩軸30順時針方向轉動之轉矩為正轉矩；轉矩軸30逆時針方向轉動之轉矩為負轉矩。
(1)無施加任何轉矩在無施加任何轉矩於轉矩軸30上時，四個線圈24a、24b、24c、24d之等效電感L1
、L2
、L3
、L4
之電感值無產生任何大小的變化，亦即等效電感L1
、L2
、L3
、L4
之電感值相同，使得電位v a
=v b
而電壓差信號為零，此電壓差信號經信號放大電路40放大後的輸出電壓為零。
(2)施加正轉矩當施加正轉矩於轉矩軸30上時，因如圖1所述之磁歪效果而使例如線圈24a、24d之等效電感L 1
、L 4
的電感值增加，線圈24b、24c之等效電感L 2
、L 3
電感值減少，使得電位v a
的電壓下降、電位v b
的電壓上升。由於電位v a
<v b
，所以電位v a
、v b
之間的電壓差信號為與正弦電壓激勵信號Vm
sinωt的相位相反的一負值弦波電壓信號，此負值弦波電壓信號的振幅大小與施加於轉矩軸30上的轉矩大小成正比。藉由將此負值弦波電壓信號經信號放大電路40放大後的輸出電壓的大小以得知施加於
轉矩軸30上的正轉矩大小。
(3)施加負轉矩當施加負轉矩於轉矩軸30上時，因如圖1所述之磁歪效果而使例如線圈24a、24d之等效電感L 1
、L 4
的電感值減少，線圈24b、24c之等效電感L 2
、L 3
電感值增加，使得電位v a
的電壓上升、電位v b
的電壓下降。由於電位v a
>v b
，所以電位v a
、v b
之間的電壓差信號為與正弦電壓激勵信號Vm
sinωt的相位相同的一正值弦波電壓信號，此正值弦波電壓信號的振幅大小與施加於轉矩軸30上的轉矩大小成正比。藉由將此正值弦波電壓信號經信號放大電路40放大後的輸出電壓的大小以得知施加於轉矩軸30上的負轉矩大小。
實施本發明之磁歪式轉矩偵測器以偵測轉矩軸之轉矩T之大小，於圖5之電路中，提供正弦電壓激勵信號Vm
sinωt之激勵信號頻率為1.2kHz及激勵信號峰值電壓微1V，並且將信號放大器電路40之放大倍率設定為2000倍。於轉矩軸施加扭力(轉矩T)向上的力量，且每增加20Nm之變化於信號放大電路40之輸出端量測輸出電壓，如此可在信號放大電路40之輸出端量測到施加轉矩前之峰值電壓與施加轉矩後之峰值電壓，並計算得到施加轉矩前後之電壓差的電壓變化值△Vm，如表1所示。在表2中，於轉矩軸施加扭力(轉矩T)向下的力量，且每增加20Nm之變化於信號放大電路40之輸出端量測輸出電壓，如此可在信號放大電路40之輸出端量測到施加轉矩前之峰值電壓與施加轉矩後之峰值電壓，並計算得到施加轉矩前後之電壓差的電壓變化值△Vm，如表2所示。
根據表1及表2中，施加轉矩前後之電壓差的電壓變化值△Vm與施加於轉矩軸之轉矩的大小成比例關係，且如圖6為本發明之第一實施例之轉矩之電壓變化之關係圖所示，電壓變化值△Vm的變化與施加轉矩的大小呈現線性狀態。
圖7為本發明之第二實施例之磁歪式轉矩偵測器之結構示意圖。在圖7中，一磁歪式轉矩偵測器50包含一導磁環52及數個線圈(未圖示，與第一實施例之線圈相同)。導磁環52係由片狀之數個
導磁環片522、524組成，如圖7A為本發明之第二實施例之導磁環之立體圖、圖7B為本發明之第二實施例之導磁環之分解圖及圖8A、8B為本發明之第二實施例之導磁環片的前視圖所示。導磁環片522、524係矽鋼片。
導磁環片522之內環面形成有作為繞線座之突出的數個片狀的齒部522a、522b、522c、522d，導磁環片524之內環面形成有突出的數個片狀的齒部524a、524b、524c、524d，齒部522a、522b、522c、522d、524a、524b、524c、524d的排列係形成有將一扭力軸30置於其中之空間56。導磁環片522、524的排列方式係其片狀的齒部522a、522b、522c、522d、524a、524b、524c、524d以正負45度角斜向延伸的方式排列。
舉例說明，參考圖7A及圖7B，以21片直徑為35mm且厚度為0.35mm的導磁環片堆疊而成為導磁環52。於導磁環片之直徑31mm的圓周上的90°、-45°及-135°配置3個定位孔。如圖8A所示，第一片導磁環片522之齒部522a、522b、522c、522d的位置分別位於90°、135°、-45°及-90°，第二片導磁環片(未圖示)開始將其齒部形成位置進行位移，在相對於第一片導磁環片522之位在-90°及90°的齒部，以順時針旋轉2.25°的位置來形成第二片導磁環片之部分齒部；在相對於第一片導磁環片522之位於-45°及135°的齒部，以逆時針旋轉2.25°來形成第二片導磁環片之其餘齒部。第三片及後續之導磁環片之齒部依序位移順時針及逆時針旋轉2.25°的位置來形成，如圖8B所示之第二十一片導磁環片524的齒部之形成位置分別位移至45°、180°、0°及-135°。
本發明之第二實施例之磁歪式轉矩偵測器50除了導磁環52係由數個導磁環片所組成之外，磁歪式轉矩偵測器50之其餘結構與第一實施例之磁歪式轉矩偵測器20相似，且第二實施例之磁歪式轉矩偵測器50所達成之功效與第一實施例之磁歪式轉矩偵測器20相似，在此省略其說明。
本發明係提供一種磁歪式轉矩偵測器，其導磁環的內周面形成做為繞線座之數個齒部，相較於以往使用軟性電路板印刷的線圈結構，增加了繞線座本身強度，可應用於較惡劣的工作環境，且繞線座與轉矩軸之間的氣隙減小，可降低磁歪式轉矩偵測器與轉矩軸之間的磁路之磁阻，以提高磁歪效果，使得磁歪式轉矩偵測的效果變好。
雖然本發明已參照較佳具體例及舉例性附圖敘述如上，惟其應不被視為係限制性者。熟悉本技藝者對其形態及具體例之內容做各種修改、省略及變化，均不離開本發明之申請專利範圍之所主張範圍。
20‧‧‧磁歪式轉矩偵測器
22‧‧‧導磁環
24a‧‧‧線圈
24b‧‧‧線圈
24c‧‧‧線圈
24d‧‧‧線圈
26a‧‧‧齒部
26b‧‧‧齒部
26c‧‧‧齒部
26d‧‧‧齒部
28‧‧‧空間
Claims (7)
- 一種磁歪式轉矩偵測器，包含：一導磁環，其內環面形成有突出的複數個齒部，該等齒部的排列係形成有將一扭力軸置於其中之空間，其中，每一齒部從該導磁環之一側面斜向延伸至其另一側面。
- 如申請專利範圍第1項之磁歪式轉矩偵測器，進一步包含：複數個線圈，每一線圈分別纏繞每一齒部，其中，提供電源給每個線圈，使線圈激磁而產生極性於齒部，相同極性之相鄰的齒部係以彼此相對方向斜向延伸。
- 如申請專利範圍第2項之磁歪式轉矩偵測器，其中，該等線圈係漆包線。
- 如申請專利範圍第1項之磁歪式轉矩偵測器，其中，該導磁環係由片狀之複數個導磁環片組成，該等導磁環片的排列方式係其片狀的該等齒部以斜向延伸的方式排列。
- 如申請專利範圍第4項之磁歪式轉矩偵測器，其中，該等導磁環片係矽鋼片。
- 如申請專利範圍第1項之磁歪式轉矩偵測器，其中，該導磁環係導磁材料所構成。
- 如申請專利範圍第1項之磁歪式轉矩偵測器，其中，每一齒部從該導磁環之一側面以45度角斜向延伸至其另一側面。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW102116177A TWI468656B (zh) | 2013-05-07 | 2013-05-07 | Magnetic Rotary Torque Detector |
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| TWI468656B true TWI468656B (zh) | 2015-01-11 |
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ID=52423303
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW102116177A TWI468656B (zh) | 2013-05-07 | 2013-05-07 | Magnetic Rotary Torque Detector |
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| TW (1) | TWI468656B (zh) |
Families Citing this family (3)
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2013
- 2013-05-07 TW TW102116177A patent/TWI468656B/zh not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Publication date |
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