阅读说明：本技术 一种采用轴向充磁磁环的扭矩传感器 (torque sensor adopting axial magnetizing magnetic ring ) 是由 孙增智 于 2019-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种采用轴向磁路的扭矩传感器结构,所述扭矩传感器结构包括输入转子组件、输出转子组件以及测量组件,所述输入转子组件和输出转子组件,分别安装在通过扭力杆连接的输入轴和输出轴上；所述输入转子组件包括轴向充磁的多极磁环、支架、辐条以及输入轴环套,所述辐条设置在支架上,所述支架设置在输入轴环套和轴向充磁的多极磁环之间；所述输出转子组件包括磁通汇聚环,支架以及输出轴环套；所述磁通汇聚环设置在支架的两端,所述测量组件包括磁通集束器和磁敏元件,所述磁通集束器和磁敏元件轴向设置在磁通汇聚环之间。该方案可以使得轴向磁路类型的传感器实现工业应用,显著提高扭矩角信号的采集效率,优化信噪比。(The invention relates to a torque sensor structure adopting an axial magnetic circuit, which comprises an input rotor assembly, an output rotor assembly and a measuring assembly, wherein the input rotor assembly and the output rotor assembly are respectively arranged on an input shaft and an output shaft which are connected through a torsion bar; the input rotor assembly comprises an axially magnetized multi-pole magnetic ring, a bracket, spokes and an input shaft ring sleeve, wherein the spokes are arranged on the bracket, and the bracket is arranged between the input shaft ring sleeve and the axially magnetized multi-pole magnetic ring; the output rotor assembly comprises a magnetic flux convergence ring, a bracket and an output shaft ring sleeve; the magnetic flux gathering rings are arranged at two ends of the support, the measuring assembly comprises a magnetic flux buncher and a magneto-sensitive element, and the magnetic flux buncher and the magneto-sensitive element are axially arranged between the magnetic flux gathering rings. The scheme can enable the sensor of the axial magnetic circuit type to realize industrial application, remarkably improve the acquisition efficiency of torque angle signals and optimize the signal-to-noise ratio.)

一种采用轴向充磁磁环的扭矩传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体涉及一种采用轴向磁路的扭矩传感器结构，属于传感器技术领域。

背景技术

助力转向系统按照助力电机的安装位置分为4类：转向柱助力式(C-EPS)，小齿轮助力式(P-EPS)，双小齿轮助力式(D-EPS)和齿条助力式(R-EPS)。由于转向柱助力式具有结构简单、紧凑，便于制造和维护保养，成本较低的优势，得到了广泛应用。

扭矩传感器是柱式电动助力转向系统的关键部件，人们已用不同技术原理研究出许多类型的扭矩传感器，只有非接触磁敏式扭矩传感器以结构简单、性价比好的诸多优势脱颖而出，成为现在的主流应用。

上海交大的谢程先生在其论文的“国外研究现状”中指出：目前大部分霍尔式扭矩传感器都是基于MMT的技术，其中比较有代表性的企业有法国的法雷奥(Valeo)公司，德国的博世(BOSH)公司，美国的BI公司，韩国的LG公司等。

移动磁体技术公司的专利CN100468024C说明了这种传感器的结构，其转子磁体是径向充磁的类型，定子环延伸有轴向指向并重叠的齿，针对径向磁路结构的低灵敏度问题，对定子环齿的几何形状设计进行了改进。

非接触磁敏式扭矩传感器按照多极磁环的磁极取向分为轴向充磁和径向充磁2种类型。美国专利US6810336B2给出了转子磁环2种充磁类型的基本结构：其图1和图10是轴向充磁类型的分解图，图2是轴向充磁类型的剖视图。图14是径向充磁类型的分解图，图15是径向充磁类型的剖视图。

2种充磁类型磁路的主要差异是定子环齿的构造：在轴向充磁的磁路中，定子环齿与定子环平面平行，多极磁环的轴向位置被限制在与输出轴联动的2个定子环之间，定子环齿覆盖多极磁环的上下2个端面；在径向充磁的磁路中，定子环齿被折弯，与定子环平面成直角，定子环齿面的内径＞多极磁环的外径。

扭矩角磁场的采集效率是磁敏式扭矩传感器的关键参数，2种充磁类型的基本结构，决定了采集效率有显著的不同。

轴向充磁结构中，定子环分置在磁环的上下端面的外侧，上(或下)定子环的各采集齿，具有相同的磁场极性，不存在相邻齿之间的磁通短路问题，采集效率比较高。而径向充磁结构中，2个定子环的采集齿交错分布在磁环外径的外侧，相邻齿之间的磁场极性相反(磁环0GS轴除外)，存在相邻齿之间的磁通短路问题。所以，径向充磁结构的传感器，扭矩角磁场的采集效率比较低，信噪比不理想。

虽然，轴向充磁结构的扭矩传感器具有高采集效率的优势，但是，在工业应用中却未见其踪影，只有径向充磁结构的扭矩传感器一枝独秀。因为，轴向充磁结构的扭矩传感器，可安装性差，不适于工业应用。

众所周知，柱式电动助力转向系统的转向柱包括输入轴、扭力杆和输出轴，转向柱的输出轴是扭矩传感器的载体，传感器通过输出轴环套与转向柱的输出轴的过盈配合固定在输出轴上。

用户安装时，要先将输出轴组件的环套压装到转向柱的输出轴上，其后，再将输入轴组件的环套固定在转向柱的输入轴上。

径向充磁类型的传感器，输出轴组件的环套上方，是定子环齿面内径围成的圆形敞口，用户可以通过圆形敞口压接输出轴组件的环套，固定输出轴组件。然后，将输入轴组件放入圆形敞口内，将输入轴组件的环套固定在转向柱的输入轴上，固定输入轴组件。所以，工业应用的径向充磁类型的传感器，其输入轴组件是独立的组件。涉及输入轴组件的图例可以参阅CN101017115B的图3，MMT论文SAN2006-1-0939和Non-contacting torquesensors aim atpower steering applications。

轴向充磁类型的传感器，多极磁环的轴向位置需要设置在2个定子环的中间，输出轴组件的环套上方，没有可供用户压接输出轴组件环套的圆形敞口，不允许将输入轴组件做为独立组件进行安装。轴向充磁类型的传感器安装，需要将输出轴组件的磁通汇聚环拆分为上和下汇聚环的2个子组件：下汇聚环组件包括输出环套，下半壳体和下汇聚环，上汇聚环组件包括上半壳体和上汇聚环。2个子组件须按照：下汇聚环组件→磁环组件→上汇聚环组件的顺序进行安装。由于汇聚环拆分为2个子组件，会造成2个汇聚环片间距的安装偏差，2个汇聚齿的相位偏差，2个子组件间的扣合固定，还会产生可靠性与便利性、密封性的矛盾。因此，迫切的需要一种新的方案解决该技术问题。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种采用轴向磁路的扭矩传感器结构，该技术方案通过创新的输入轴转子结构设计，使轴向磁路类型的扭矩传感器能够以产品总成方式提交用户，使信号采集效率高、信噪比优异的轴向磁路类型的扭矩传感器实现工业应用；本发明还对轴向磁路类型的扭矩传感器结构的重要部件进行了设计改进，使得传感器性能进一步优化。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种采用轴向磁路的扭矩传感器结构，其特征在于，所述扭矩传感器结构包括输入转子组件、输出转子组件以及测量组件，所述输入转子组件和输出转子组件，分别安装在通过扭力杆连接的输入轴和输出轴上，

所述输入转子组件包括轴向充磁的多极磁环、支架以及输入轴环套；所述支架(20)设置在输入轴环套和轴向充磁的多极磁环之间；

所述输出转子组件包括磁通汇聚环，支架以及输出轴环套；所述磁通汇聚环设置在支架的两端；

所述测量组件包括磁通集束器和磁敏元件，所述磁通集束器和磁敏元件轴向设置在磁通汇聚环之间。

作为本发明的一种改进，所述输入转子组件还包括辐条，所述辐条设置在支架上，所述辐条是输入轴环套和多级磁环间的连接体，辐条的数量至少为一根。

当前，只有采用径向磁路的扭矩传感器进入了工业应用，其输入轴环套和径向充磁的多极磁环采用直接嵌套成为独立安装的输入转子组件，其磁通汇聚环的采集齿相对环平面成直角折弯，使上下2片磁通汇聚环的采集齿径向交错环绕于多极磁环的外侧，在输入转子组件安装前，磁通汇聚环的采集齿内径侧是待装多极磁环的的圆柱形敞口。用户安装时，先通过敞口，将输出轴环套压装到转向柱的输出轴上，再将输入转子组件安装到圆柱形敞口內，然后将输入轴环套并固定到输入轴上。而轴向磁路的扭矩传感器结构，其磁通汇聚环的采集齿与多极磁环的磁极面重叠，不能将输入转子组件结构做为后安装的独立组件，致使轴向磁路的扭矩传感器不能进入工业应用。

要解决轴向磁路的扭矩传感器结构的工业应用问题，其结构必须具有可供压装输出轴环套的空间构造。在轴向磁路的扭矩传感器结构中，其磁通汇聚环的采集齿与多极磁环的磁极面必须重叠，不可能按照径向磁路的结构，在磁通汇聚环与多极磁环之间设置压装输出轴环套的空间。本发明对输入转子组件的结构进行改进，将输入轴环套和的多极磁环的直接嵌套改为间隙连接，用连接间隙解决压装输出轴环套的空间问题。

本发明在输入轴组件的输入轴环套和多极磁环间设置了具有辐条结构的支架，通过辐条在输入轴环套和多极磁环间构造出通孔槽，用通孔槽做为间隙，解决压装输出轴环套的空间问题。

辐条是输入轴环套和多极磁环间的连接体，辐条的数量至少为一根，否则，输入轴环套和多极磁环不能连接为一体。辐条需要支撑磁环载荷，对称分布的辐条，有利于磁环均衡受力。所以，辐条首选对称分布，也可以非对称分布。

作为本发明的一种改进，所述输入转子组件包括通孔槽，支架的通孔槽位于连接的输入轴环套和多极磁环之间，通孔槽的数量至少为一个。本发明设置支架辐条的目的，是在输入轴环套和多极磁环间构造出通孔槽，通孔槽数量随辐条数量同步变化。

作为本发明的一种改进，所述支架的通孔槽的内径(d1)≤输出轴环套的内径(D1)，所述通孔槽的外径(d2)≥输出轴环套的外径(D2)。通孔槽是压装输出轴环套的压装环的通道，压装对象是输出轴环套，通孔槽要保证压装环顺利通过，所以，通孔槽径向尺寸与输出轴环套关联。

作为本发明的对轴向关联参数表述，所述轴向充磁的多极磁环的轴向位置被限制在与输出轴联动的磁通汇聚环和之间，磁通汇聚环和间的距离(H)＝磁环高(h)+2×间隙(δ)。由公式可见，关系传感器轴向高度的关键尺寸受制于磁环高和间隙。

作为本发明的一种改进，所述输出转子组件包括磁通汇聚环，支架以及输出轴环套，所述磁通汇聚环设置在支架的两端，所述磁通汇聚环上设置有磁通汇聚环采集齿，磁通汇聚环的采集齿的齿形角θ1轴向重合。

作为本发明的一种改进，所述磁通汇聚环采集齿的齿形角(θ₁)显著小于多极磁环的磁极角(θ₂)，θ₁/θ₂＝0.3～0.7，所述磁通汇聚环采集齿与磁通汇聚环平行。

公知的轴向磁路的扭矩传感器结构，磁通汇聚环采集齿的齿形角等于多极磁环的磁极角，由于磁极表面的磁感应强度不是均匀分布，从磁极中轴到2侧磁极边界是衰减分布，所以，当θ₁/θ₂＝1时，，磁通汇聚环采集齿只能获得磁极表面的平均磁感应强度。但是，磁通汇聚环采集齿的齿形角也不能过小，齿形角过小，采集磁通的面积也小，不能实现转角磁信号的高效采集，本发明通过实验，提出了最佳设计范围θ₁/θ₂＝0.3～0.7。

作为本发明的一种改进，所述轴向充磁的多极磁环的内径(31)≈磁通汇聚环采集齿的齿顶径，轴向充磁的多极磁环的外径＜磁通汇聚环采集齿的齿底径。

磁通汇聚环采集齿的齿顶径显著小于多极磁环的内径，磁通汇聚环采集齿会进入多极磁环的内径侧空间，与压装输出轴环套的空间发生干涉。磁通汇聚环采集齿的齿顶径显著大于多极磁环的内径，采集齿不能全覆盖多极磁环的磁极端面，造成可采集磁信号的损失。

要求多极磁环的外径小于磁通汇聚环采集齿的齿底径，多极磁环的外径过大，采集齿的磁信号会被磁通汇聚环采集齿的齿底径短路衰减。

作为本发明的一种改进，所述磁通集束器包括采集面、聚焦体以及一个折弯部，

所述折弯部连接采集面和聚焦体，所述聚焦体的工作面的面积显著小于采集面的面积，所述聚焦体的工作面的中心与磁敏元件的敏感中心重合。

当前，扭矩传感器的磁通集束器，多采用了2个折弯部的结构，存在几个不足：1、占用径向空间比较大。2、经过2个折弯，集束器的采集面和聚焦工作面的平行度公差偏大，影响磁信号的采集效率。3、当磁敏元件采用双敏感中心时，需要延长聚焦工作面的宽度，致使聚焦工作面的磁感应强度减弱。本发明设计了一种只有1个折弯部的集束器，减少了集束器的径向空间占用。聚焦工作面的面积显著小于采集面的面积，不但可以对采集面的磁通进行聚焦增强，还可以按照冗余配置的磁敏元件的双敏感中心的位置灵活设置2个聚焦工作面位置。共用1个采集面的2个聚焦工作面，磁转角信号完全同步，不存在相位和强度的差异。

该方案通过创新的输入轴转子结构设计，在输入轴环套和多极磁环间引入构造通孔槽的辐条结构，用以提供压装输出轴环套的空间，使信号采集效率高、信噪比优异的轴向磁路类型的扭矩传感器能够以产品总成方式提交用户，实现工业应用。该方案还对轴向磁路类型的扭矩传感器结构的重要部件进行了设计改进，具体如下，1、给出了轴向磁路中的关键元件磁通汇聚环采集齿的齿形角最佳设计范围，磁极角(θ₂)关联的汇聚环采集齿的齿形角(θ₁)的最佳设计范围：θ₁/θ₂＝0.3～0.7。2、给出了磁通汇聚环采集齿的径向尺寸设计原则，轴向充磁的多极磁环的内径≈磁通汇聚环采集齿的齿顶径，轴向充磁的多极磁环的外径＜磁通汇聚环采集齿的齿底径。3、对轴向磁路中的关键元件磁通集束器的设计进行了改进，采用一个折弯部连接采集面和聚焦体，聚焦体的工作面的面积显著小于采集面的面积。

该方案使得高采集效率的轴向充磁磁环的扭矩传感器得以工业化应用，改进的传感器结构不仅提高了传感器的灵敏度和信噪比，还可以改善产品性能的一致性，简化产品制造和用户安装的复杂性，降低产品制造、包装、运输及用户安装的成本。

附图说明

图1是采用轴向磁路的扭矩传感器结构的分解图；

图2是输入轴转子组件的示意图；

图3是输出轴转子组件的示意图；

图4是磁通集束器的示意图；

图5是轴向充磁磁环的示意图；

图6是磁通汇聚环和轴向充磁磁环的示意图；

图7是测量组件的安装示意图；

图8是输入轴转子组件另一种实施例的示意图；

图9是磁通采集器的另一种实施例的示意图。

具体实施方式

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为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1-图7，图1展示了轴向磁路的扭矩传感器结构，所述扭矩传感器结构包括输入转子组件10、输出转子组件50以及测量组件40,所述输入转子组件10和输出转子组件50，分别安装在通过扭力杆02连接的输入轴01和输出轴03上，所述输入转子组件10包括轴向充磁的多极磁环30、支架20以及输入轴环套11；所述支架20设置在输入轴环套11和轴向充磁的多极磁环30之间；所述输出转子组件50包括磁通汇聚环61,62，支架52以及输出轴环套51；所述磁通汇聚环61,62设置在支架52的两端；所述测量组件40包括磁通集束器41,42和磁敏元件46，所述磁通集束器41,42和磁敏元件46轴向设置在磁通汇聚环之间。

所述输入转子组件还包括辐条21，所述辐条设置在支架20上，所述辐条是输入轴环套和多极磁环间的连接体，辐条21的数量至少为一根，辐条21首选对称分布，也可以非对称分布。所述输入转子组件还包括通孔槽22，支架20的通孔槽22位于连接的输入轴环套和多极磁环之间，通孔槽22的数量至少为一个。通孔槽22首选对称分布，也可以非对称分布，所述支架20的通孔槽22的内径(d1)≤输出轴环套51的内径D1，通孔槽22的外径d2≥输出轴环套51的外径D2。所述磁通采集器包括采集面43、聚焦面45以及一个折弯部，所述折弯部连接采集面43和聚焦面45。同一个磁通采集器的聚焦面数量和中心位置可以按照IC敏感中心的数量和位置灵活设置。所述轴向充磁的多极磁环30的轴向位置被限制在输出轴联动的磁通汇聚环61和62之间，磁通汇聚环61和62间的距离(H)＝磁环高(h)+2×间隙(δ)。所述磁通汇聚环上设置有磁通汇聚环采集齿63，所述磁通汇聚环采集齿63的齿形角(θ₁)关联多极磁环的磁极角(θ₂)，θ₁/θ₂＝0.3～0.7，所述轴向充磁的多极磁环30的内径31≈磁通汇聚环采集齿63的齿顶径64，轴向充磁的多极磁环30的外径32≤磁通汇聚环采集齿63的齿底径65。

上述方案中，图2是输入轴转子组件的示意图，为了解决采用轴向磁环的扭矩传感器的总成安装问题，在输入轴环套11和多级磁环30之间设置了具有辐条21结构的支架20，通过辐条构造输入轴环套和多级磁环之间的通孔槽22。规定辐条数量≥1，通孔槽数量≥1，因为总成安装最少需要1个通孔槽。实施例1采用了对称分布的2个辐条、2个通孔槽的构造。通孔槽22是用户压接环的通行空间，压接的对象是传感器的输出轴环套51，所以，通孔槽的径向参数由输出轴环套的直径D1，D2确定，要求通孔槽内径(d1)≤输出轴环套内径D1，通孔槽外径d2≥输出轴环套外径D2。

图3是输出轴转子组件的示意图，采用轴向充磁磁环的扭矩传感器，输入转子组件的多极磁环30需要设置在2个磁通汇聚环61,62之间，磁通汇聚环固定在与输出轴联动的输出组件支架52上，多极磁环与磁通汇聚环间设置工作间隙δ，2个磁通汇聚环间的距离＝磁环高+2×δ，图7说明了磁通汇聚环，多极磁环和磁通采集器安装后的位置。

图5是轴向充磁磁环的示意图，图6是磁通汇聚环和轴向充磁磁环的示意图，磁通汇聚环采集齿的齿形角关联多极磁环的磁极角，齿形角的最佳设计范围：θ₁/θ₂＝0.3～0.7。轴向充磁的多极磁环30的内径31≈磁通汇聚环采集齿63的齿顶径64，轴向充磁的多极磁环30的外径32≤磁通汇聚环采集齿63的齿底径65。

图4是磁通采集器的示意图，图7是磁通采集器的安装示意图，磁通采集器41,42的采集面43和聚焦体45间只有1个折弯部44，所述折弯部44连接采集面43和聚焦体45，所述聚焦体的工作面47的面积显著小于采集面43的面积，所述聚焦体的工作面47的中心与磁敏元件46的敏感中心重合。

实施例2：

图8是输入轴转子组件的另一实施例，采用了对称分布的3个辐条、3个通孔槽的构造。本发明推荐辐条和通孔槽的对称分布为首选，因为对称分布，可以使被压接的输出轴环套均匀受力，其余结构和优点与实施例1完全相同。

实施例3：

图9是磁通采集器的另一实施例，与第一实施例相同，磁通采集器只有1个采集面43和1个折弯部44，但是，有2个聚焦体45，共用1个采集面的2个聚焦工作面，可以按照冗余配置的磁敏元件的双敏感中心的位置灵活设置2个聚焦工作面位置。共用1个采集面的2个聚焦工作面，磁转角信号完全同步，不存在相位和强度的差异。

本发明还可以将实施例2、3所述技术特征中的至少一个与实施例1组合，形成新的实施方式。其余结构和优点与实施例1完全相同。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。