具有扩展的干扰场补偿的磁致弹性扭矩传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种磁致弹性扭矩传感器(10)，其具有分析处理单元(6)和至少三个磁场传感器。所述分析处理单元(6)设置为用于：检测所述磁致弹性扭矩传感器(10)的第一磁场传感器(1)的至少一个测量信号、第二磁场传感器(2)的至少一个测量信号和第三磁场传感器(3)的至少一个第三测量信号，并且，借助所述第一磁场传感器的所述至少一个测量信号、所述第二磁场传感器的所述至少一个测量信号、所述第四磁场传感器的所述至少一个测量信号、以及在所述第二磁场传感器(2)和所述第三磁场传感器(3)之间在所述轴向方向(111)上的距离(23)与在所述第一磁场传感器(1)和所述第二磁场传感器(2)之间在所述轴向方向(111)上的距离(12)的比值来确定施加到所述轴(5)上的扭矩。本发明专利技术还涉及一种用于在使用此类磁致弹性扭矩传感器(10)的情况下确定扭矩的方法。情况下确定扭矩的方法。情况下确定扭矩的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有扩展的干扰场补偿的磁致弹性扭矩传感器

技术介绍

[0001]本专利技术涉及一种磁致弹性扭矩传感器和一种车辆，尤其是一种能以电和/或借助人力(Muskelkraft)驱动的车辆，所述车辆具有磁致弹性扭矩传感器。本专利技术还涉及一种用于在使用磁致弹性扭矩传感器的情况下确定扭矩的方法。
[0002]数年来，具有部分磁化的轴的磁致弹性扭矩传感器是已知的。在轴受扭矩负载时，在轴之外的区域中产生磁场，该磁场在每个部位处都与施加到轴上的扭矩成比例并且能够借助扭矩传感器的磁场传感器来测量。因此，测量磁场实现了对扭矩的确定。然而，因此，理想的扭矩测量只有在不存在不是由扭矩产生的另外的磁场的情况下才是可能的。与此有关地，现有技术认识到磁致弹性扭矩传感器，所述磁致弹性扭矩传感器分别具有带有用于补偿均匀的磁干扰场的两个磁化区域的轴或者带有用于补偿线性磁干扰场的三个磁化区域的轴。

技术实现思路

[0003]根据本专利技术的磁致弹性扭矩传感器具有这种优点：它实现了节省空间的、补偿干扰场的通量测量或者说扭矩测量。这通过以下方式实现：在具有至少三个磁场传感器的磁致弹性扭矩传感器中，在通量测量或者说扭矩测量中考虑距离以及尤其是磁场传感器的距离比值。通过考虑磁场传感器相对于彼此的距离和磁场传感器的测量信号的相应的加权或者说缩放，能够使测量信号彼此组合成，使得在计算扭矩时均匀干扰场和线性干扰场梯度被消除。为此，磁致弹性扭矩传感器包括具有至少一个磁化区域的轴、至少三个磁场传感器和分析处理单元，其中，所述轴具有轴向方向和径向方向，所述磁场传感器分别具有至少一个测量轴线并且设置为用于，检测在所述至少一个测量轴线的方向上的磁场的磁通量密度的分量。所述至少三个磁场传感器包括第一磁场传感器、第二磁场传感器和第三磁场传感器。在此，第二磁场传感器在所述轴向方向上布置在第一磁场传感器和第三磁场传感器之间。所述至少三个磁场传感器中的至少一个磁场传感器相对于所述至少一个磁化区域布置成，使得所述磁场传感器设置为用于，检测在相应的至少一个测量轴线的方向上的磁场的磁通量密度的分量，所述磁场在所述轴受扭矩应力时能够由所述至少一个磁化区域产生。所述分析处理单元设置为用于：检测第一磁场传感器的至少一个测量信号、第二磁场传感器的至少一个测量信号和第三磁场传感器的至少一个测量信号，并且，基于第一磁场传感器的所述至少一个测量信号、第二磁场传感器的所述至少一个测量信号、至少一个第三测量信号、以及在第二磁场传感器和第三磁场传感器之间在所述轴向方向上的距离与在第一磁场传感器和第二磁场传感器之间在所述轴向方向上的距离的比值来确定施加到所述轴上的扭矩。通过所提出的磁致弹性扭矩传感器，尤其是通过在确定扭矩时考虑所描述的距离比值，所述至少三个磁场传感器的测量信号能够被如此结算(verrechnet)，使得尤其能够补偿在轴向方向上的均匀干扰场和线性干扰场梯度。因而，实现了计算在很大程度上经干扰场清除的扭矩，该在很大程度上经干扰场清除的扭矩在轴向方向上既没有均匀干扰场份额也没有线性干扰场梯度。此外，在本专利技术中有利的是，为了消除/补偿均匀干扰场和线
性干扰场梯度在计算扭矩时无需进行近似。由于不需要进行近似，因此能够实现精确地确定扭矩。本专利技术的一个重要优点是：干扰场消除/补偿已经能够通过具有轴的磁致弹性扭矩传感器来实现，该轴仅具有一个磁化区域或仅具有两个磁化区域。由于一个磁化区域必须具有最小宽度以便能够以稳定且能复现的方式被磁化并且从一个磁化区域到另一个磁化区域的过渡永远不能突然发生，因此省去一个附加的磁化区域或省去两个附加的磁化区域会导致显著减小磁致弹性扭矩传感器在轴向方向上的结构尺寸。所提出的磁致弹性扭矩传感器的另一个优点在于：能够计算和监控在轴向方向上的均匀干扰场和线性干扰场梯度。使用至少四个传感器还提供了另一个优点：消除在轴向方向上的某些非线性干扰场梯度或者减小通过其所产生的误差。
[0004]从属权利要求示出本专利技术的优选扩展方案。
[0005]优选，所述至少三个磁场传感器中的至少两个磁场传感器、尤其是所述至少三个磁场传感器相对于所述至少一个磁化区域布置成，使得所述至少两个磁场传感器、尤其是所述至少三个磁场传感器设置为用于，分别检测在相应的至少一个测量轴线的方向上的磁场的磁通量密度的分量，所述磁场在轴受扭矩应力时能够由所述至少一个磁化区域产生。
[0006]所述轴尤其能够构造为空心轴。
[0007]在轴受扭矩负载时能够由轴的所述至少一个磁化区域产生的磁场的磁通量密度在每个部位处与施加到所述轴上的扭矩成比例。这个磁场在本专利技术的范畴内也能够被称为有用场。
[0008]在轴或者说磁致弹性磁传感器的周围环境中存在磁干扰场的情况下，其磁通量密度能由所述至少三个磁场传感器检测的磁场包括在轴受扭矩负载时由所述至少一个磁化区域产生的磁场(有用场)和磁干扰场。在此，相应的磁场传感器的测量信号包括在相应的磁场传感器的位置处的与施加到轴上的扭矩成比例的、有用场的磁通量密度以及叠加的磁干扰场的磁通量密度。如果在轴或者说磁致弹性磁传感器的周围环境中不存在磁干扰场，则在轴受扭矩应力时的相应的磁场传感器的测量信号仅包括在相应的磁场传感器的位置处的所产生的有用场的与扭矩成比例的磁通量密度。
[0009]尤其地，第一磁场传感器的所述至少一个测量信号、第二磁场传感器的所述至少一个测量信号和第三磁场传感器的所述至少一个测量信号是经偏移清除的测量信号。偏移清除以有利的方式在无扭矩和无干扰场的状态下进行。
[0010]所提到的(扭矩计算的)干扰场补偿特性保持独立于所述至少三个磁场传感器的整体/组件相对于轴的初始定位公差并且因此也保持独立于轴的所述至少一个磁化区域的初始磁化公差地被完全获得。其原因在本专利技术中被说明。它允许，所有传感器可以看到任意(并且因而也不同的)(但是与扭矩成比例的)有用场并且并非两个传感器必须看到相同的有用场以实现目的。
[0011]应注意的是，在本专利技术范畴内，磁致弹性扭矩传感器也能够被称为磁致弹性扭矩传感器布置。相应地，在本专利技术范畴内，磁场传感器也能够被称为磁场传感器元件。
[0012]在本专利技术范畴内，轴尤其也能够被称为磁致弹性轴。“磁致弹性”意味着，由于轴的机械应力而引起的在轴中产生机械张力会导致其磁化的变化。换言之，磁致弹性扭矩传感器基于逆磁致伸缩效应。
[0013]表述“轴具有轴向方向”尤其意味着，该轴在轴向方向上延伸。
[0014]磁致弹性扭矩传感器能够优选构造或者说制造为一个单元，其中，扭矩传感器的所有部件或者说磁场传感器、轴和分析处理单元布置在唯一的壳体中。替代地，至少三个磁场传感器、具有至少一个磁化区域的轴(磁致弹性轴)以及先前描述的分析处理单元能够为了作为根据本专利技术的磁致弹性扭矩传感器起作用而彼此组合，而无需将这些部件引入到唯一的壳体中。
[0015]根据本专利技术的一个优选的实施方案，第一磁场传感器的所述至少一个测量轴线和/或第二磁场传感器的所述至少一个测量轴线和/或第三磁场传感器的所述至少一个测量轴线能够分别包括在轴的轴向方向或径向方向上平行的测量轴线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种磁致弹性扭矩传感器(10)，其包括：
‑
具有至少一个磁化区域的轴(5)，其中，所述轴(5)具有轴向方向(111)和径向方向(112)，
‑
至少三个磁场传感器，所述磁场传感器分别具有至少一个测量轴线并且设置为用于检测在所述至少一个测量轴线的方向上的磁场的磁通量密度的分量，以及
‑
分析处理单元(6)，
‑
其中，所述至少三个磁场传感器包括第一磁场传感器(1)、第二磁场传感器(2)和第三磁场传感器(3)，其中，所述第二磁场传感器(2)在所述轴向方向(111)上布置在所述第一磁场传感器(1)和所述第三磁场传感器(3)之间，
‑
其中，所述至少三个磁场传感器中的至少一个磁场传感器相对于所述至少一个磁化区域(51；52)布置成，使得所述磁场传感器设置为用于检测在相应的至少一个测量轴线的方向上的磁场的磁通量密度的分量，其中，所述磁场在所述轴(5)受扭矩应力时能够由所述至少一个磁化区域(51；52)产生，并且
‑
其中，所述分析处理单元(6)设置为用于：检测所述第一磁场传感器(1)的至少一个测量信号、所述第二磁场传感器(2)的至少一个测量信号和所述第三磁场传感器(3)的至少一个测量信号，并且，基于所述第一磁场传感器(1)的所述至少一个测量信号、所述第二磁场传感器(2)的所述至少一个测量信号、所述第三磁场传感器(3)的所述至少一个测量信号、以及在所述第二磁场传感器(2)和所述第三磁场传感器(3)之间在所述轴向方向(111)上的距离(23)与在所述第一磁场传感器(1)和所述第二磁场传感器(2)之间在所述轴向方向(111)上的距离(12)的比值来确定施加到所述轴(5)上的扭矩。2.根据权利要求1所述的磁致弹性扭矩传感器(10)，其中，所述第一磁场传感器(1)的所述至少一个测量轴线和/或所述第二磁场传感器(2)的所述至少一个测量轴线和/或所述第三磁场传感器(3)的所述至少一个测量轴线分别包括在所述轴(5)的所述轴向方向(111)或所述径向方向(112)上平行的测量轴线，其中，所述第一磁场传感器(1)的所述至少一个测量信号包括第一测量信号，所述第一测量信号相应于所述磁场在所述轴(5)的轴向方向(111)或径向方向(112)上在所述第一磁场传感器(1)的位置处的磁通量密度的分量，和/或，所述第二磁场传感器(2)的所述至少一个测量信号包括第二测量信号，所述第二测量信号相应于所述磁场在所述轴(5)的轴向方向(111)或径向方向(112)上在所述第二磁场传感器(2)的位置处的磁通量密度的分量，和/或，所述第三磁场传感器(3)的所述至少一个测量信号包括第三测量信号，所述第三测量信号相应于所述磁场在所述轴(5)的轴向方向(111)或径向方向(112)上在所述第三磁场传感器(3)的位置处的磁通量密度的分量，或者其中，所述第一磁场传感器(1)的所述至少一个测量轴线和/或所述第二磁场传感器(2)的所述至少一个测量轴线和/或所述第三磁场传感器(3)的所述至少一个测量轴线分别包括两个或三个相对于彼此正交取向的测量轴线，其中，所述第一磁场传感器(1)的所述至少一个测量信号包括两个或三个测量信号，和/或，所述第二磁场传感器(2)的所述至少一个测量信号包括两个或三个测量信号，和/或，所述第三磁场传感器(3)的所述至少一个测量信号包括两个或三个测量信号，其中，由相应的磁场传感器的两个或三个测量信号能够确定所述磁场在所述轴(5)的轴向方向(111)或径向方向(112)上在所述磁场传感器的相应的位置处的磁通量密度的分量。
3.根据权利要求1所述的磁致弹性扭矩传感器(10)，其中，所述分析处理单元(6)设置为用于，为了确定施加到所述轴(5)上的扭矩而附加地使用所述磁致弹性扭矩传感器(10)的灵敏度。4.根据权利要求3所述的磁致弹性扭矩传感器(10)，其中，所述分析处理单元设置为用于，借助以下公式来确定施加到所述轴(5)上的扭矩：其中：
·
M是以“Nm”为单位的、待确定的扭矩，
·
B
SE1
是以“μT”为单位的、所述磁场在所述轴向方向上或者说在所述径向方向上在所述第一磁场传感器的位置处的磁通量密度的分量，
·
B
SE2
是以“μT”为单位的、所述磁场在所述轴向方向上或者说在所述径向方向上在所述第二磁场传感器的位置处的磁通量密度的分量，
·
B
SE3
是以“μT”为单位的、所述磁场在所述轴向方向上或者说在所述径向方向上在所述第三磁场传感器的位置处的磁通量密度的分量，
·
d
12
是以“mm”为单位的、在所述第一磁场传感器(1)和所述第二磁场传感器(2)之间的距离(12)，
·
d
23
是以“mm”为单位的、在所述第二磁场传感器(2)和所述第三磁场传感器(3)之间的距离(23)，并且
·
s
13
是以“Nm/μT”为单位的、所述磁致弹性扭矩传感器(10)的灵敏度。5.根据权利要求3所述的磁致弹性扭矩传感器(10)，其中，所述分析处理单元(6)设置为用于，借助以下公式来确定施加到所述轴(5)上的扭矩：其中，0≤k≤l，尤其是其中，0.9≤k＜l或l＜k≤1.1，其中：
·
M是以“Nm”为单位的、待确定的扭矩，
·
B
SE1
是以“μT”为单位的、所述磁场在所述轴向方向上或者说在所述径向方向上在所述第一磁场传感器的位置处的磁通量密度的分量，
·
B
SE2
是以“μT”为单位的、所述磁场在所述轴向方向上或者说在所述径向方向上在所述第二磁场传感器的位置处的磁通量密度的分量，
·
B
SE3
是以“μT”为单位的、所述磁场在所述轴向方向上或者说在所述径向方向上在所述第三磁场传感器的位置处的磁通量密度的分量，
·
d
12
是以“mm”为单位的、在所述第一磁场传感器(1)和所述第二磁场传感器(2)之间的距离(12)，
·
d
23
是以“mm”为单位的、在所述第二磁场传感器(2)和所述第三磁场传感器(3)之间的距离(23)，
·
s
13
是以“Nm/μT”为单位的、所述磁致弹性扭矩传感器(10)的灵敏度，并且
·
k是权重因子。6.根据前述权利要求中任一项所述的磁致弹性扭矩传感器(10)，其中，所述第一磁场传感器(1)、所述第二磁场传感器(2)和所述第三磁场传感器(3)相对于彼此且相对于所述至少一个磁化区域(51；52)布置成，使得满足以下两个条件之一：其中，其中，其中，其中，所述第一磁场传感器(1)、所述第二磁场传感器(2)和所述第三磁场传感器(3)相对于彼此且相对于所述至少一个磁化区域(51；52)尤其是布置成，使得满足以下两个条件之一：其中，其中，其中，其中：
·
N
SE1
是以“μT”为单位的、在所述第一磁场传感器(1)的位置处的由于所述轴(5)受由所述磁致弹性扭矩传感器(10)能测量的最大扭矩的应力而引起的由所述至少一个磁化区域(51；52)产生的磁场的磁通量密度的预确定的分量，
·
N
SE2
是以“μT”为单位的、在所述第二磁场传感器(2)的位置处的由于所述轴(5)受由所述磁致弹性扭矩传感器(10)能测量的最大扭矩的应力而引起的由所述至少一个磁化区域(51；52)产生的磁场的磁通量密度的预确定的分量，并且
·
N
SE3
是以“μT”为单位的、在所述第三磁场传感器(3)的位置处的由于所述轴(5)受由所述磁致弹性扭矩传感器(10)能测量的最大扭矩的应力而引起的由所述至少一个磁化区域(51；52)产生的...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：罗伯特，
类型：发明
国别省市：