阅读说明：本技术 中轴式无线能量信号传输力矩传感器系统 (Central-axis wireless energy signal transmission torque sensor system ) 是由 黄娅琼 唐勇 牛建伟 胡曾攀 汪海涛 于 2019-12-09 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种中轴式无线能量信号传输力矩传感器系统,包括：中轴；弹性套筒；磁钢和与磁钢对应的霍尔传感器,二者均固定于弹性套筒上；筒形支架,套设于中轴外,当该传感器系统装配至电动自行车后,筒形支架与五通管相对固定；小线圈和与小线圈连接的第一电路板,二者均固定于中轴上,且第一电路板与霍尔传感器电路连接；大线圈和与大线圈连接的第二电路板,二者均固定于筒形支架上,且大线圈与小线圈构成耦合线圈组。该系统采用非接触式信号传输技术,可以非常方便地实现旋转部件与静止部件的电气连接,也可以实现信号的传输和电能的传输,达到准确、实时地测量转矩信号,电路简单,测量精度高,产品一致性好。(The application discloses axis formula wireless energy signal transmission torque sensor system includes: a middle shaft; an elastic sleeve; the magnetic steel and the Hall sensor corresponding to the magnetic steel are both fixed on the elastic sleeve; the cylindrical bracket is sleeved outside the middle shaft, and is relatively fixed with the five-way pipe after the sensor system is assembled to the electric bicycle; the small coil and the first circuit board are connected with the small coil, the small coil and the first circuit board are fixed on the middle shaft, and the first circuit board is connected with the Hall sensor circuit; the large coil and the second circuit board connected with the large coil are both fixed on the cylindrical support, and the large coil and the small coil form a coupling coil group. The system adopts a non-contact signal transmission technology, can conveniently realize the electrical connection between a rotating part and a static part, can also realize the transmission of signals and the transmission of electric energy, achieves the accurate and real-time measurement of torque signals, and has the advantages of simple circuit, high measurement precision and good product consistency.)

中轴式无线能量信号传输力矩传感器系统

技术领域

本申请涉及一种中轴式无线能量信号传输力矩传感器系统。

背景技术

电动车，特别是轻型骑式电动车，由于具有轻快省力以及无污染等优点，正日益为社会所接收，得到了大力推广。轻型骑式电动车在骑行过程中将骑行者施加于脚蹬上的力通过力矩传感器转换成电动车控制器能够识别的电信号，从而根据骑行者施加的力矩大小控制电机的输出功率，以达到骑行控制电动车的目的。欧洲、日本流行一种助力的电动自行车，需要人踩踏踏板助力来骑行，人不骑行助力电动车就不输出功率。当人骑行助力，中轴力矩传感器采集中轴扭转时的扭矩数值，把物理的扭转角转换成对应的力矩电压信号，传递给控制系统(主要为电机控制器)，控制系统输出控制信号控制电机的输出功率和速度，这样可以实现人骑行控制电动车输出功率的目的，达到节能环保的要求。

然而，传统的中轴力矩传感系统均采用接触式信号传输结构，存在机械结构复杂、稳定性差等缺点。

发明内容

本申请目的是：针对上述问题，提出一种中轴式无线能量信号传输力矩传感器系统，该系统采用非接触式信号传输技术，可以非常方便地实现旋转部件与静止部件的电气连接，也可以实现信号的传输和电能的传输，达到准确、实时地测量转矩信号，并且电路简单，测量精度高，产品一致性好。

本申请的技术方案是：

一种中轴式无线能量信号传输力矩传感器系统，包括：

中轴，所述中轴的轴向两端均设有曲柄连接部；以及

弹性套筒，所述弹性套筒套于所述中轴外，并且该弹性套筒的轴向一端与所述中轴固定，所述弹性套筒的轴向另一端设有牙盘连接部；

还包括：

磁钢和与所述磁钢对应的霍尔传感器，所述磁钢和所述霍尔传感器均固定于所述弹性套筒上，且所述磁钢和所述霍尔传感器在所述弹性套筒的轴线方向间隔布置；

筒形支架，所述筒形支架套设于所述中轴外，并且当该中轴式无线能量信号传输力矩传感器系统装配至电动自行车后，所述筒形支架与所述电动自行车的五通管相对固定；

小线圈和与所述小线圈电路连接的第一电路板，所述第一电路板和所述小线圈均固定于所述中轴上，并且所述第一电路板与所述霍尔传感器电路连接；以及

大线圈和与所述大线圈电路连接的第二电路板，所述第二电路板和所述大线圈均固定于所述筒形支架上，并且所述大线圈与所述小线圈构成耦合线圈组。

本申请在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：

该中轴式无线能量信号传输力矩传感器系统还包括：

左连接腕，所述左连接腕旋转套设于所述中轴外，且该左连接腕与所述中轴之间设有第一支撑轴承；以及

右连接腕，所述右连接腕旋转套设于所述弹性套筒外，且该右连接腕与所述弹性套筒之间设有第二支撑轴承；

所述筒形支架的一端插于所述左连接腕内，且所述筒形支架外周面与所述左连接腕的内周面接触布置。

所述筒形支架与所述中轴之间设有第三支撑轴承。

所述第三支撑轴承收容于所述左连接腕内部，并且所述筒形支架被径向夹设于所述左连接腕和所述第三支撑轴承之间。

所述大线圈与所述小线圈同心布置。

所述第二电路板上连接有用于连接电机控制器的信号引出线。

所述筒形支架上制有供所述信号引出线穿出的穿线孔。

本申请的优点是：

1、本申请的传输信号方式为调制的频率信号，它抗干扰能力强，抗高频电磁干扰信号能力强，不受灰尘油污的影响，不受机械轴向偏摆的影响，信号的稳定性高。

2.、电能与信号的传输为非接触式，旋转电子部分的功耗很低且在任何工况状态下功耗稳定，显著降低了无线电能信号传输的功耗，及其适合低功耗无线信号传输的应用。

3、采用高精度的霍尔传感器测量磁钢位移的变化，磁钢周围在不同的空间位置磁场强度分布不同，在某些区域成很好的线性梯度分布。线性霍尔传感器就能感测到磁场强弱的变化，并转化为对应的电压信号输出，霍尔电压的变化对应磁场强度的变化，磁场强度的变化对应于磁钢与霍尔相对位置的变化。弹性套筒扭转角度的变化决定着霍尔与磁钢相对位置的改变，这样就能测量出弹性套筒的扭转角大小。由于弹性套筒的扭转在弹性形变范围内扭转角与扭矩成很好的线性关系，导致霍尔的电压与扭矩也成很好的线性关系。由于信号精度高、线性度好、信号稳定，因此产品的批量生产一致性好，装配调试工序简单。

4、无线信号传输与能量的传输采样同一对线圈，在高频能量发射传输的信号上叠加调制的低频力矩频率信号。实现方式简单、可靠、稳定，不需要额外的力矩信号传输系统。无线能量传输系统采用LC串联谐振电路，实现电能的无线传输。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例中力矩传感器系统的立体结构示意图；

图2为本申请实施例中力矩传感器系统的主视图；

图3为本申请实施例中力矩传感器系统的剖视图；

图4为本申请实施例中力矩传感器系统的分解图；

其中：1-中轴，101-曲柄连接部，2-弹性套筒，201-牙盘连接部，3-左连接腕，4-右连接腕，5-第一支撑轴承，6-第二支撑轴承，7-磁钢，8-霍尔传感器，9-筒形支架，10-小线圈，11-第一电路板，12-第二电路板，13-大线圈，14-第三支撑轴承。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。应理解，这些实施例是用于说明本申请而不限于限制本申请的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

在本说明书的描述中，术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解。例如，“连接”可以使固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以使直接相连，也可以是通过中介媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本申请的限制。

图1至图4示出了本申请这种中轴式无线能量信号传输力矩传感器系统的一个优选实施例，其用于电动自行车上，与传统电动自行车上所用力矩传感器系统相同的是，该力矩传感器系统也包括一中轴1，中轴1的轴向两端均设设置有用于连接曲柄的曲柄连接部101，中轴1外套设弹性套筒2，当该弹性套筒2受到轴向扭转力矩时会发生周向的扭转变形。在图3中，前述弹性套筒2的轴向左端与中轴1固定连接，而轴向右端设有用于连接牙盘的牙盘连接部201。中轴1外还旋转套设有一个左连接腕3和一个右连接腕4，前述左连接腕3和右连接腕4用于将该力矩传感器系统紧固安装于电动自行车的车架上，具体为车架的五通管处。安装时，左连接腕3借助其上的螺纹锁入自行车五通管的左端，而右连接腕4借助其上的螺纹锁入自行车五通管的右端，装配完成后，中轴1可在曲柄的带动下自由转动，弹性套筒2跟随中轴1转动。

为了防止中轴1和弹性套筒2在转动的过程中与左连接腕3或右连接腕4直接接触摩擦而导致相关部件磨损破坏，本实施例在左连接腕3与中轴1之间设置了第一支撑轴承5，在右连接腕4与弹性套筒2之间设置了第二支撑轴承6。

本实施例的关键改进在于该力矩传感器系统还配置有磁钢7、与前述磁钢对应的霍尔传感器8、筒形支架9、小线圈10、与小线圈电路连接的第一电路板11、大线圈13、与大线圈电路连接的第二电路板12。其中：

磁钢7和霍尔传感器8均固定于弹性套筒2上，并且磁钢7和霍尔传感器8在弹性套筒2的轴线方向隔开一定距离布置。这样，当弹性套筒2发生周向扭转变形时，磁钢7与霍尔传感器8的相对位置就会发生变化。

筒形支架9套设于中轴1外，在图3中，该筒形支架9的左端插于前述左连接腕3内部，而且筒形支架9外周面与左连接腕3的内周面接触布置。这样一来，当该传感器系统安装至电动自行车五通管后，借助筒形支架9与左连接腕3的接触摩擦力，筒形支架9与左连接腕3及五通管三者的位置相对固定。

小线圈10和第一电路板11均固定安装于中轴1上，并且第一电路板11与霍尔传感器8电路连接。当中轴1在曲柄的带动下转动时，固定于其上的小线圈10和第一电路板11随之转动。

大线圈13和第二电路板12均固定安装于筒形支架7上，并且大线圈13与小线圈10相互配合构成耦合线圈组。实际应用时，大线圈13和第二电路板12与车架相对固定，不会跟随中轴1转动。

当骑行者踩踏曲柄带动中轴1转动时，中轴1首先带动弹性套筒2的左端部同步转动，弹性套筒2左端部受到的扭转力矩传递至其右端部，并带动装配在弹性套筒右端部的牙盘转动，牙盘通过链条带动自行车后轮转动，进而使自行车前行。在此过程中，弹性套筒2受到周向的扭转力而发生扭转变形，扭转力越大(与骑行者的踩踏力及自行车的行驶阻力相关)，弹性套筒2的扭转变形量越大，弹性套筒2上磁钢7与霍尔传感器8的相对位移就越大，霍尔传感器8感应到磁钢的变化并产生相应的模拟电压信号，第一电路板11将前述模拟电压信号处理后进行伏－频转换，输出一定频率的矩形波，然后将该矩形波与小线圈10中的供电正弦波进行FSK调制，并通过偶合线圈将该频率信号传输至大线圈13，最后第二电路板12经过解调解析即可获取作用于弹性套筒2上的力矩信号。

为了保证上述筒形支架9安装位置的稳固性，防止在使用过程中筒形支架9发生位置偏移，本实施例在筒形支架9与中轴1之间设置了第三支撑轴承14。

并且，上述第三支撑轴承14收容于左连接腕3内部，筒形支架9被径向夹设于左连接腕3和第三支撑轴承14之间。

大线圈13与小线圈10同心布置，而且二者轴向两端面相互对齐，以获得更好的电磁耦合效果。

为了将第二电路板12解析获得的力矩信号传送给电动自行车的驱动电机，以根据力矩信号的大小来调节驱动电机的输出功率和速度，本实施例在第二电路板12上连接了用于连接电机控制器的信号引出线，并且在筒形支架9上制有供前述信号引出线穿出的穿线孔。

当然，上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。