磁致彈性的扭矩傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種磁致彈性的扭矩傳感器（1、30、40），包括一個發射線圈（7），用于在應確定其扭矩的對象（3）內產生磁場，其中，發射線圈（7、31、41）具有一個軸向（A）和延伸到對象（3）近旁的軸向發射線圈端面（15），以及，至少兩個與發射線圈間隔距離的接收線圈（9、33、43），這些接收線圈分別具有一個延伸到對象（3）近旁的接收線圈端面（17），并接收對象（3）內由發射線圈（7、31、41）的磁場感應的應答信號。至少接收線圈之一的接收線圈端面（17）超過發射線圈端面（15）地伸出。
【專利說明】磁致彈性的扭矩傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種磁致彈性的扭矩傳感器，包括一個發射線圈，用于在應確定其扭矩的對象內產生磁場，以及包括至少兩個接收線圈，它們接收對象內由發射線圈的磁場感應的應答信號。
【背景技術】
[0002]磁致彈性的扭矩傳感器基于反向磁致伸縮效應，亦即當出現機械應力時，使鐵磁性材料的磁化率發生改變的效應。因為機械應力除通過拉力和壓力外也通過扭轉引起，所以反向磁致伸縮效應可利用于扭矩測量，例如為了非接觸式測量軸的扭矩。當在例如軸的鐵磁層內感應磁場時，在該層內產生取決于所出現應力的應答信號，應答信號可以由接收線圈檢測。因為應答信號受在鐵磁材料內因扭轉引起的應力的影響，而所述應力又源于扭矩，所以根據應答信號可以推斷出軸的扭矩。探測到的測量信號與扭矩傳感器離鐵磁層的距離和鐵磁層的溫度有關。因此根據應答信號確定扭矩能具有的精度，主要取決于扭矩傳感器相對于應確定其扭矩的對象能如何良好地定位。
【發明內容】
[0003]本發明要解決的技術問題是，提供一種能有利地定位的磁致彈性的扭矩傳感器。
[0004]上述技術問題通過按照權利要求1所述的磁致彈性的扭矩傳感器得以解決。從屬權利要求包含本發明有利的擴展設計。
[0005]按本發明的磁致彈性的扭矩傳感器包括一個發射線圈，用于在應確定其扭矩的對象內感應磁場，以及，包括至少兩個與發射線圈間隔距離的接收線圈，它們接收對象內由發射線圈的磁場產生的應答信號。發射線圈具有軸向和延伸到對象近旁的軸向發射線圈端面。相應地，接收線圈分別具有一個延伸到對象近旁的接收線圈端面，其中至少接收線圈之一的接收線圈端面超過發射線圈端面地伸出。
[0006]應確定其扭矩的對象往往具有一種圓柱形對稱的形狀，如驅動軸和其他傳力的軸便是如此。通過至少一個接收線圈的接收線圈端面超過發射線圈端面的伸出，可將延伸到對象近旁的傳感器端面的幾何形狀，有目的地與對象彎曲的表面相匹配。
[0007]尤其是,可例如存在兩個在發射線圈周圍的接收線圈對,它們中每一對具有兩個設置在發射線圈圓周彼此對置兩側的接收線圈。接收線圈對的接收線圈各有一個延伸到對象近旁的接收線圈端面，以及接收對象內由發射線圈的磁場產生的應答信號。其中至少一個接收線圈對的接收線圈，其接收線圈端面超過發射線圈端面地伸出。在這里例如另一個接收線圈對的接收線圈端面可以與發射線圈端面平齊。但作為替代方式也可以將所有的接收線圈端面均超過發射線圈端面伸出。在這里應采用這兩種不同方案中的哪一種，可尤其根據接收線圈端面相對于對象的定位決定。當例如在一個接收線圈對的接收線圈之間的連線應平行于軸的旋轉軸線延伸時，則接收線圈端面可以與發射線圈端面平齊。若第二個接收線圈對配置為，它的連線與第一個接收線圈對的連線垂直相交，則該連線平行于軸圓周的切線延伸。當現在接收線圈端面超過發射線圈端面地伸出時，第二個接收線圈對的接收線圈端面離軸表面，具有如發射線圈端面和第一個接收線圈對與之平齊的接收線圈端面離軸表面相同的距離。而當所述由發射線圈和接收線圈對組成的配置應圍繞發射線圈軸線相對于軸旋轉45°布置時，則有利的是，所有的接收線圈端面均平齊并超過發射線圈端面地伸出。
[0008]為提高線圈感應率和/或導致感應磁場，發射線圈和/或接收線圈具有磁芯，例如鐵芯。尤其是，發射線圈和接收線圈也可以安裝在公共的磁芯上。在這種情況下磁芯有發射線圈磁芯區和接收線圈磁芯區，其中發射線圈磁芯區和接收線圈磁芯區具有磁芯端面，它們與發射線圈端面或接收線圈端面平齊。因此通過恰當設計此公共的磁芯，可以借助公共的磁芯獲得扭矩傳感器感應面規定的幾何形狀。
[0009]按本發明的磁致彈性的扭矩傳感器尤其可以結構設計為具有固定的幾何形狀，亦即獨立于其扭矩應借助所述傳感器檢測的對象。但也存在這樣的可能性，即，將磁致彈性的扭矩傳感器設計為可變的。為達到這一點，至少發射線圈端面的位置可相對于接收線圈端面沿發射線圈的軸向移置。以此方式，可以改變接收線圈端面超過發射線圈端面伸出的量。其結果是，可以使扭矩傳感器與不同的對象，例如與不同軸徑的軸相匹配。在公共磁芯的情況下，例如可以存在調整機構，用于沿發射線圈的軸向移置發射線圈磁芯區以及安裝在它上面的發射線圈。例如可以實現一種調整機構，只要將發射線圈磁芯區設計為獨立于其余磁芯的例如圓柱形的磁芯部分，該磁芯部分在其背對發射線圈的那一端制有螺紋。此時，尤其大體在磁芯的中央，在接收線圈磁芯區之間，其余磁芯具有與圓柱形磁芯部分的螺紋配合作用的相配螺紋。因此，通過旋轉所述發射線圈磁芯部分，可以進行非常精細地調整接收線圈端面超過發射線圈端面伸出的量。
[0010]按本發明的扭矩傳感器設計用于在側向位置離對象有小間距的情況下檢測該對象的扭矩。此時，發射線圈和接收線圈全部可以同樣近地延伸到對象近旁。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]由下面參見附圖對實施例的說明中提供本發明其他特征、性質和優點。其中:
[0012]圖1示意表示按本發明的扭矩傳感器一種實施例在其面朝應確定其扭矩的對象那一側的側向視圖；
[0013]圖2表示圖1所示扭矩傳感器沿線I1-1I的剖面圖；
[0014]圖3表不圖1和圖2所不實施例的一種變型設計；
[0015]圖4表不圖1和圖2所不實施例的另一種變型設計；
[0016]圖5表不圖1和圖2所不實施例的再另一種變型設計；
[0017]圖6表示按現有技術的扭矩傳感器。
【具體實施方式】
[0018]在針對圖1和圖2說明按本發明的扭矩傳感器一種實施例前，首先參見圖6進行按現有技術的磁致彈性扭矩傳感器的說明。圖6在這里示意表示按現有技術的扭矩傳感器101連同應檢測其扭矩的軸103。
[0019]按現有技術的扭矩傳感器101包括一個鐵芯105、一個發射線圈107和四個接收線圈109，圖6中只能看到其中兩個。發射線圈107和接收線圈109卷繞在鐵芯105的發射線圈磁芯區111或接收線圈磁芯區109上。這些線圈分別具有一個軸向A，它只標注在發射線圈107內。發射線圈107和接收線圈109具有發射線圈端面115或接收線圈端面117，它們與各自磁芯段111、113的端面平齊。在按現有技術的扭矩傳感器中，不僅發射線圈端面115而且所有的接收線圈端面117均處于一個公共平面內，在圖6中它通過虛線E體現。因此至少有些接收線圈端面117離軸103的距離比發射線圈端面115離軸103的距離大得多。因為探測到的測量信號與距離有關，尤其隨距離增大而減弱，所以按現有技術的扭矩傳感器平的幾何形狀存在的缺點是，探測的信號比在優化幾何形狀的情況下能夠探測到的信號弱。與發射線圈離接收線圈的距離相比，軸103的直徑越小，上述問題出現得越嚴重。
[0020]下面參見圖1和圖2說明按本發明的、其中不發生上述疑難問題的扭矩傳感器一種實施例，圖1和圖2分別表示扭矩傳感器I連同應測量其扭矩的軸3。圖1表示從軸3的位置出發觀察扭矩傳感器1，而圖2表示扭矩傳感器I沿圖1中線I1-1I的剖面圖。
[0021]與按現有技術的扭矩傳感器一樣，按本發明的扭矩傳感器I包括鐵芯5，它有一個中央發射線圈磁芯段11和圍繞發射線圈磁芯段11的四個接收線圈磁芯段13，在本實施例中這些接收線圈磁芯段13具有圓環扇形段的形式，但也可以設計為其他形狀，例如圓柱形。發射線圈磁芯段I具有圓柱形的幾何形狀。在發射線圈磁芯段11上卷繞一個發射線圈7，在接收線圈磁芯段13上分別卷繞一個接收線圈9。所有的磁芯段均超過一個平的圓形支承段6地伸出。
[0022]在按本發明的扭矩傳感器I中，發射線圈磁芯段11沿發射線圈7的軸向A比接收線圈磁芯段13短。因此，接收線圈端面17全都超過發射線圈端面15地伸出。發射線圈磁芯段11比接收線圈磁芯段13短的量，在這里根據應測量其扭矩的軸3的半徑決定。以此方式可以達到，與按現有技術的扭矩傳感器101中的情況相比，能使接收線圈端面17延伸到更靠近軸3。換句話說，在線圈的軸向總是相同的情況下，通過發射線圈7相對于接收線圈9軸向移置，可以將扭矩傳感器I與測量對象(在本實施例內作為軸3的幾何形狀)匹配為，使發射線圈7和接收線圈9，在線圈總是相同的軸向時，在對象上為了測量最佳地定位。在這里所有的線圈離對象具有基本相同的距離。
[0023]通過鐵芯預制的形狀，扭矩傳感器I在圖2中表示的幾何形狀與應測量其扭矩的對象3的幾何形狀固定匹配。若期望扭矩傳感器I針對使用于應確定其扭矩的不同對象具有更高的靈活性，則還可以將扭矩傳感器設計為，至少發射線圈能沿軸向A移動其位置。
[0024]圖3表示圖1和圖2所示實施例的一種變型設計，它允許發射線圈沿軸向A移置。圖3表示變型設計后的扭矩傳感器I沿圖1中的線I1-1I的剖面圖。下面僅說明與圖1和圖2所示扭矩傳感器的差別。與圖1和圖2所示扭矩傳感器I的元件沒有差別或差別不大的元件，在圖3中用與在圖1和圖2中同樣的標記表示并且不再次說明。
[0025]圖3所示的扭矩傳感器I與圖1和圖2所示扭矩傳感器的區別主要在于鐵芯5的設計。按所述的變型設計，它有單獨的圓柱形發射線圈磁芯部分19，取代發射線圈磁芯區
11。在其背對發射線圈7的端部，發射線圈磁芯部分19設計有外螺紋21。在圖1和圖2所示實施例中鐵芯5的支承段6在其中設置有發射線圈磁芯區11的地方，有一個帶內螺紋的孔，發射線圈磁芯部分19旋入其中。通過旋轉發射線圈磁芯部分19，可以沿軸向A移置發射線圈7。采用螺紋可以沿軸向A特別精確地定位發射線圈7。不過除螺紋外也可以考慮其他借助它能沿軸向A移置發射線圈磁芯部分19的裝置，例如可在多個軸向位置鎖止的滑板。發射線圈磁芯部分也可以形式上只是一個銷子，也就是說沒有螺紋，在這種情況下磁芯部分可移動地安裝在磁芯5的沒有螺紋的孔內。可例如借助一個或多個止動螺釘實現鎖定在期望的位置上。
[0026]雖然圖3中只能沿軸向A移置發射線圈7，但還存在可能性，設計一個或多個能沿軸向移置的接收線圈9。例如，當扭矩傳感器應不僅僅使用在圖1中表示的相對于測量對象3的定位時，這樣做應是有利的。
[0027]由圖1可以看出，接收線圈13成對布置，其中每個接收線圈對由兩個相對于發射線圈11彼此相對置的接收線圈13組成。在圖1中，兩個接收線圈對的連線成直角相交，以及相對于軸3的旋轉軸線R旋轉一個角度a為45°。其結果是，當接收線圈端面17全部處于同一個平面中時，每個接收線圈13離軸3具有相同的距離。
[0028]然而，若如圖4所示，將扭矩傳感器I安裝在與圖1中的定位相比相對于軸3的旋轉軸線R旋轉45°后的位置上，則其連線平行于軸3旋轉軸線R延伸的那個接收線圈對的接收線圈端面17，處于與發射線圈端面15相同的平面內。而其連線垂直于旋轉軸線R延伸的那個接收線圈對的接收線圈端面17，則應超過發射線圈端面15并因而也超過另一個接收線圈對的接收線圈端面17地伸出，目的是能達到使所有的線圈端面離軸3有相同的距離。
[0029]雖然迄今所說明的磁致彈性的扭矩傳感器分別有兩個接收線圈對，其中一對接收線圈之間的連線與另一對接收線圈之間的連線成直角相交，但是也存在可能性，這些連線不同于直角相交。此外還可以設想包括少于或多于四個接收線圈的磁致彈性扭矩傳感器。在圖5中示例性地表示了這種變型設計。圖5表示兩種分別只有兩個接收線圈的可能的變型設計。
[0030]按圖5中左邊表示的變型設計，接收線圈33與發射線圈31共同安裝在從軸3出發觀察為V形結構的鐵芯35上。與圖1和4類似，在這里或兩個接收線圈端面處于一個公共的、超過發射線圈端面伸出的平面內(當存在圖5所示的定位時)，或發射線圈端面與接收線圈端面之一可以處于一個公共的平面內，此時另一個接收線圈的接收線圈端面超過該平面伸出。達種構型尤其當扭矩傳感器30相對于圖5所示的定位繞發射線圈軸線旋轉45°時是合理的。
[0031]按圖5中右邊表示出磁致彈性的扭矩傳感器的另一種可能的變型設計。這種扭矩傳感器有直線構型，其中接收線圈41安裝在磁芯45的直線支承段的端部，發射線圈43處于其中央。按圖5所示的定位，接收線圈端面超過發射線圈端面地伸出。伸出的量在這里取決于，在接收線圈端面之間的連線與軸3的旋轉軸線相交成怎樣的角度a。
[0032]參見圖1至圖5示例性地說明的磁致彈性的扭矩傳感器，尤其在線圈有相同的軸向時，可以通過優化所有的線圈相對于測量對象的距離匹配性，提高扭矩測量的精度，并因而尤其可以使用于小的軸直徑或使用傳感器頭部幾何尺寸大的結構。
[0033]在采用與測量對象的直徑相比較大的傳感器頭部時，線圈定位在凹形表面上是有利的，為的是使所有的線圈能盡可能移近測量對象的表面。由此達到更好地接收測量信號。
【權利要求】
1.一種磁致彈性的扭矩傳感器(1、30、40)，包括 -一個發射線圈(7、31、41)，用于在應確定其扭矩的對象(3)內產生磁場，其中，所述發射線圈(7、31、41)具有軸向(A)和軸向延伸到所述對象(3)近旁的發射線圈端面(15)，以及， -至少兩個與所述發射線圈間隔距離的接收線圈(9、33、43)，所述接收線圈分別具有一個延伸到所述對象(3)近旁的接收線圈端面(17)，并接收在所述對象(3)內由發射線圈(7、31、41)的磁場感應的應答信號， -其中至少所述接收線圈之一的接收線圈端面(17)超過所述發射線圈端面(15)地伸出。
2.按照權利要求1所述的扭矩傳感器(1)，其中，存在兩個在發射線圈(7)周圍的接收線圈對，它們中的每一對具有兩個設置在發射線圈(17)的圓周的彼此相對置兩側的接收線圈(9)，所述接收線圈各有一個延伸到所述對象(3)近旁的接收線圈端面(17)，以及接在所述收對象(3)內由發射線圈(7)的磁場感應的應答信號，其中至少一個接收線圈對的接收線圈(9)，其接收線圈端面(17)超過所述發射線圈端面(15)地伸出。
3.按照權利要求2所述的扭矩傳感器(1)，其中，一個接收線圈對的接收線圈(9)的接收線圈端面(17)與發射線圈端面(15)平齊。
4.按照權利要求2所述的扭矩傳感器(1)，其中，所有的接收線圈端面(17)均超過所述發射線圈端面(15)地伸出。
5.按照權利要求2至4之一所述的扭矩傳感器(I)，其中，所述接收線圈對互成直角的布置。
6.按照前列諸權利要求之一所述的扭矩傳感器(1、30、40)，其中，所述發射線圈(7、31、41)和/或接收線圈(9、33、43)具有磁芯(5、35、45)。
7.按照權利要求6所述的扭矩傳感器(1、30、40)，其中，所述發射線圈(7、31、41)和接收線圈(9、33、43)安裝在公共的磁芯(5、35、45)上，該磁芯具有發射線圈磁芯區(11)和接收線圈磁芯區(13)，其中發射線圈磁芯區和接收線圈磁芯區(13)具有磁芯端面，它們與發射線圈端面(15)或接收線圈端面(17)平齊。
8.按照權利要求1至6之一所述的扭矩傳感器(1)，其中，至少發射線圈端面(15)的位置可以相對于接收線圈端面(17)沿發射線圈(7)的軸向(A)移置。
9.按照權利要求7和權利要求8所述的扭矩傳感器(I)，其中，存在調整機構(21 )，用于沿發射線圈(7)的軸向(A)移置發射線圈磁芯區(11)及安裝在它上面的發射線圈(7)。
10.按照權利要求9所述的扭矩傳感器(I)，其中， -所述發射線圈磁芯區(11)設計為獨立于其余磁芯(5)的磁芯部分(19)，它在其背對發射線圈(7)的那一端制有螺紋(21)，以及， -其余磁芯(5)具有與所述磁芯部分(19)的螺紋(21)配合作用的相配螺紋。
【文檔編號】G01L3/10GK103649705SQ201280033398
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年4月11日 優先權日:2011年5月6日
【發明者】H-G.布魯梅爾, U.林納特, C.U.梅爾, J.奧斯特梅爾, U.法伊弗 申請人:西門子公司