螺线管磁强计

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螺线管磁强计
申请号	CN200610163085.0	申请日	2006-11-30	公开(公告)号	CN101191826B	公开(公告)日	2012-01-11
申请人	西门子VDO汽车公司;			发明人	D·W·克里普;
摘要	一种用于扭矩换能器(10)的磁强计组件(22)，其包括内外线圈(34、38、36、40)，该内外线圈缠绕并支撑在一绕线筒组件(22)上。该绕线筒组件(22)包括由中间法兰(28)分开的上下轴向部分(21、23)。该中间法兰(28)包括绕轴线(18)等角度布置的多个凹口(32)。多个对应的磁条(42)沿轴线延伸通过各凹口(32)，并且延伸过该磁强计组件(22)的整个长度。该磁条(42)布置在内外线圈组件(34、38、36、40)之间，并且在有磁场存在的情况下变得饱和。施加至该磁强计组件(22)内的扭矩换能器元件(12)上的扭矩形成发散磁场，检测并测量该发散磁场，以提供对所施加扭矩的一种表示。
权利要求	1.一种磁强计组件，包括：绕一轴线布置的第一内线圈和第二内线圈；第一外线圈和第二外线圈，所述第一外线圈和第二外线圈分别电连接到第一内线圈和第二内线圈且绕所述第一内线圈和第二内线圈同轴布置；平行于所述轴线布置的至少一个磁条，所述至少一个磁条位于所述内线圈和所述外线圈之间，其中，所述磁条沿轴向延伸过第一内线圈和第二内线圈的长度。 2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，包括：同轴布置且相互电连接的第一内线圈和第一外线圈；同轴布置且相互电连接的第二内线圈和第二外线圈。 3.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，包括绕线筒，所述第一内线圈、所述第一外线圈、所述第二内线圈和所述第二外线圈缠绕在所述绕线筒上。 4.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，包括一明显的轴向分隔部，所述分隔部将所述第一内和外线圈与所述第二内和外线圈分隔开。 5.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述磁条包括线，该线的长度比横截面积大很多。 6.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述内线圈和外线圈适合于同轴地环绕一磁致弹性装置的磁性区域。 7.一种磁致弹性的扭矩传感器组件，包括：支撑磁致弹性材料的扭矩元件；磁强计，所述磁强计包括第一内线圈和第二内线圈、第一外线圈和第二外线圈、以及磁条，所述第一内线圈和第二内线圈分别电连接至所述第一外线圈和第二外线圈，所述磁条布置在所述内线圈和所述外线圈之间，其中，所述磁条沿轴向延伸过第一内线圈和第二内线圈的长度。 8.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述磁强计包括相对于所述扭矩元件沿轴向布置的第一内线圈、第一外线圈、第二内线圈和第二外线圈，还包括多个磁条，所述多个磁条布置在所述第一内和外线圈以及所述第二内和外线圈之间。 9.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，包括绕线筒，所述绕线筒支撑所述第一内和外线圈以及所述第二内和外线圈，所述绕线筒包括一中间法兰，所述中间法兰沿轴向将所述第一内和外线圈与所述第二内和外线圈分隔开。 10.根据权利要求9所述的组件，其特征在于，所述中间法兰包括多个以一定角度间隔开的凹口，相应的多个磁条沿轴向延伸通过所述多个凹口。 11.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述磁条包括线。 12.一种用扭矩传感器检测扭矩的方法，包括步骤： a)向沿轴向间隔开的第一内和外线圈以及第二内和外线圈施加一定水平的交变电流，所施加的交变电流的水平确定成在磁条中产生磁饱和场，所述磁条布置在所述内线圈和外线圈之间并且平行于一扭矩元件的轴线，其中，所述磁条沿轴向延伸过第一内线圈和第二内线圈的长度； b)检测在磁条内产生的磁场的扭曲，所述扭曲表示了施加至扭矩元件的扭矩。 13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，包括在第一内和外线圈与第二内和外线圈之间的公共节点处观测一用于表示所施加的扭矩的波形的电压。 14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，该电压波形包括一频率和振幅，该频率和振幅表示了由施加至该扭矩元件的扭矩所产生的磁场的振幅。
说明书全文	螺线管磁强计技术领域 [0001] 本发明总体上涉及一种用于扭矩传感器的磁强计。更具体地说，本发明涉及一种包括若干线圈的磁强计，这些线圈布置成测量与扭矩相关的发散磁场。背景技术 [0002] 常规的扭矩传感器包括扭矩换能器元件，该扭矩换能器元件响应于扭矩的施加而产生磁场。这种所产生的或变化的磁场通过磁强计来检测。该扭矩换能器元件通常包括磁致弹性材料，该磁致弹性材料响应于扭矩的施加而产生磁场。将扭矩施加到该磁致弹性材料上就会在磁化区域中形成剪切应力，从而使得由该扭矩换能器元件产生的磁场的方向从基本周向方向变换成一种螺旋形方向。该磁场的螺旋形变换可以以磁场的轴向分量来检测。该磁场的轴向分量与所施加的扭矩成比例，并且为施加至扭矩元件的扭矩提供了一种精确且可靠的表示。 [0003] 使用磁场传感器来检测该磁场，尤其是检测该磁场中所发生的扭曲的轴向分量。一种通常使用的磁场传感器类型是磁通门传感器，该磁通门传感器制成为围绕磁饱和材料芯体的细丝线圈，并且向其施加交变电流。该交变电流用于磁性元件的周期性磁饱和。由该扭矩换能器轴产生的磁场被叠加在由该线圈产生的周期性磁场上。叠加该由扭矩换能器轴产生的磁场就会在该线圈的磁饱和状态中形成一种不对称。由于该磁饱和而对线圈的电感造成的变化导致在线圈中感应出一电压。就是要测量该电压来确定施加至扭矩换能器元件上的扭矩的振幅和方向。 [0004] 一种现有技术中公知的磁场传感器包括绕线筒，该绕线筒具有由一中间法兰提供的上轴向部分和下轴向部分。该上线圈和下线圈彼此绝缘，并且用交变电流来感应，以产生磁场。磁饱和条设在线圈和扭矩换能器元件之间。这些磁条通过在线圈内产生的交变电流而磁饱和。这些磁条设置成平行于该轴以及该转动轴线。制备这些磁条的材料具有非常陡峭的磁饱和特性曲线，这意味着，这些磁条在有磁场的情况下快速饱和，并且在没有磁场的情况下快速去磁。 [0005] 现有磁场传感器的缺点在于需要精确对准，以消除由磁场相撞造成的扭曲。所需的特定且精确的对准增加了成本和复杂性，并且降低了扭矩传感器的耐用性和可靠性。发明内容 [0006] 按照本发明的示例性磁强计包括第一和第二内线圈，该第一和第二内线圈支撑在公共绕线筒上并且连接至第一和第二外线圈。多个磁条位于内线圈和外线圈之间。这些磁条被交变地磁化和去磁，以形成一磁场，该磁场被用来测量由施加在扭矩换能器元件上的扭矩造成的扭曲。 [0007] 按照本发明的磁强计组件包括绕线筒，该绕线筒被分成上轴向部分和下轴向部分。该上和下轴向部分通过一中间法兰来分开。各轴向部分包括内线圈和外线圈。该内线圈和外线圈电连接。该内线圈和外线圈缠绕成可对应地产生相反且相等的磁场。 [0008] 在该内线圈和外线圈之间是多个磁条。各磁条是可磁饱和的，并且具有非常高的长径比，该磁条沿轴向延伸过该上线圈和下线圈的长度。该中间法兰可包括对应的多个凹口，以允许这些磁条延伸过该绕线筒的整个长度。 [0009] 通过用交变电流激励这些线圈来产生一磁场，以便周期性地在该交变波形的正峰和负峰处使这些磁条饱和。当在该扭矩换能器元件上施加扭矩时，就形成一种发散磁场。该发散磁场在该磁强计组件的上部分和下部分中以不同的方式叠加到这些磁条上。该上线圈和下线圈分别与一中央节点电连接。观测该中央节点处的电压，并且该电压可以表示上线圈与下线圈之间的磁场的大小和振幅，从而又可以表示施加至该轴上的扭矩。 [0010] 相应地，本发明的磁强计用于简单有效且经济地检测由扭矩换能器元件产生的磁场，该扭矩换能器元件处于一种简单且节省成本的绕线筒组件中。 [0011] 通过下文的说明和附图可以最佳地理解本发明的这些以及其它特征。附图说明 [0012] 图1是本发明的一种示例性扭矩传感器的一部分的局部切除视图。 [0013] 图2是本发明的一种示例性磁强计的透视图。 [0014] 图3是本发明的一种示例性磁强计的横截面示意图。具体实施方式 [0015] 参见图1，示出了按照本发明的扭矩传感器组件10，其包括扭矩换能器元件12，该扭矩换能器元件12支撑着磁致弹性环16。该扭矩换能器元件12包括轴14，该轴14支撑着该磁致弹性环16。该扭矩换能器元件12可绕轴线18转动。扭矩换能器元件12中的扭矩被传递至该磁致弹性环16。在默认的无扭矩状态下，该磁致弹性环16具有沿着周向的易磁化方向(用箭头20表示)的磁场。 [0016] 该扭矩传感器组件10包括磁强计22。该磁强计22包括绕线筒24，该绕线筒24具有由中间法兰28分开的上轴向部分21和下轴向部分23。该上和下部分21和23均包括内线圈和外线圈。该上部分21包括内线圈34和外线圈36。该下部分23包括内线圈38和外线圈40。内线圈34和38在中央节点50处被电连接(图3)。进一步，内线圈34和38分别电连接至该外线圈36和40。多个沿轴向定向的磁条42布置在内线圈34、38和外线圈46、40之间。 [0017] 这些磁条42沿着该绕线筒24的长度而沿轴向布置。这些磁条42优选为具有极大长径比(长度与直径的比)的线或条。 [0018] 内线圈34和38在有交变电流时产生磁场，该磁场与外线圈36、40产生的磁场相反。内线圈34、38和外线圈36、40的反向产生的磁场提供了所需的低电感，而用单独的线圈是不能形成这种低电感的。 [0019] 各个内线圈34、38和外线圈36、40用大约200圈磁线绕成。制备该该线圈所使用的磁线的具体尺寸和圈数是与应用相关的，本领域的技术人员会了解如何去制作这样的线圈，以便为具体应用场合提供所需的磁特性。在图1所示的示例中，各个内外线圈34、38、36、40为大约200圈。进一步，内线圈34、38沿径向布置成邻近于该扭矩换能器元件12的轴14。理想的是使得该内线圈34、38紧靠该扭矩换能器元件12，以便提供所需的精度，并且检测由施加在该扭矩换能器元件12上的扭矩所产生的任何磁场扭曲。 [0020] 进一步，不论用多少圈来制造并构造各个内线圈34、38和外线圈36、40，各个线圈都将具有相等的圈数。这种构造方法的优点在于：相等的圈数以及使用单个绕线筒来支撑这些圈，这将降低复杂性并提高耐用性。 [0021] 参见图2，示出了不带扭矩换能器12时该磁强计组件22的透视图，并且该磁强计组件22包括多个磁条42，这些磁条42围绕该绕线筒24等角度布置。这些磁条的这种等角度分布为每个磁条都提供了一种均匀的磁饱和。这种等角度分布通过中间法兰28中对应的多个等角度分布的凹口32而容易实现。可以理解，磁条42的具体数量和间隔是与应用相关的。磁条42的数量提供了一种调节所需灵敏度的方式，可以通过改变磁条42的数量以及各磁条42之间的间隔来调节该灵敏度。 [0022] 图2示出了各磁条42之间的等角度分布和间隔。磁条42之间的该间隔通过该径向长度44来表示，这些磁条42布置成使得各个磁条42平行于该轴线18。 [0023] 参见图3，示出了该磁强计组件22的横截面示意图，以说明这些线圈之间的各种电连接以及它们与设置在它们之间的磁条42之间的关系。对于该绕线筒26的上部分21，该内线圈组件24电连接至该外线圈组件36。然而，该内线圈组件24和该外线圈组件36各自的缠绕方式使得它们产生相反方向的磁场。进一步，该内线圈组件24和该外线圈组件36用精确相同的圈数制成，以产生相同大小的磁场。 [0024] 现在参考该磁强计组件22的下部分23，该下部内线圈组件38电连接至该外线圈组件40。该电连接部被示出为节点48。同样地，该内线圈38和外线圈40是用相同尺寸和等级的线制成的，并且具有相同的圈数。该内线圈38和外线圈40形成大小相等但方向相反的磁场。 [0025] 磁条42设置在该磁强计组件22的上部分21和下部分23两者的内外线圈组件34、38、36、40之间。 [0026] 这些线圈34、38、36、40连接至以52表示的交流电源。该交流电源52提供了交变电流，用于形成该磁条42的周期性饱和。通过施加方形电压波形来产生该交变电流，以便形成正峰和负峰，磁条42在该正峰和负峰处变得磁饱和。 [0027] 现在参见图1和图3，在工作时，线圈34、38、36、40产生磁场，由该扭矩换能器元件12产生的磁场被叠加到线圈所产生的磁场上。由该扭矩换能器元件12产生的磁场本质上是发散的，并且会在磁条28的不同轴向部位处被有差别地检测到。由于该磁强计22的上部分21和下部分23内的磁场是相等的，在公共节点50将以电压的形式检测到磁强计组件 22的上下部分21、23内的磁条42中的不同饱和。 [0028] 相应地，在磁强计组件22的上部分21和下部分23之间的公共节点或连接点50处，将会检测到脉冲电压波形，该脉冲电压波形的频率不同于驱动这些线圈所使用的频率。在节点50处产生且检测到的该电压信号的相位和振幅表明了且是关于该发散磁场的振幅和方向，从而表明了且关于施加至该扭矩换能器元件12的扭矩。 [0029] 相应地，在工作时，用交变电流以能够在磁条42中产生饱和的振幅来激励各个线圈34、38、36、40。各磁条42在该交变电流波形的正峰和负峰处是磁饱和的。当将扭矩施加至该扭矩换能器元件12时，由磁致弹性环16产生的发散磁场被叠加到在磁条42内产生的磁场上。将该磁场叠加到磁饱和条42，就会在磁强计22的上部分21和下部分23之间的磁饱和状态中产生不对称。由该不对称性产生的电压波形可以在公共节点50处观测到，并且将会包括偶数次谐波。该电压波形的偶数次谐波包括的频率和相位与同样利用的特性一起来确定该磁场的振幅，并从而确定施加至该扭矩换能器元件12的扭矩。 [0030] 相应地，本发明研制并描述的该磁强计22用来利用绕线筒和普通线圈缠绕技术来精确地且耐用地测量由该扭矩换能器元件12产生的磁场。 [0031] 尽管已经公开了本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员会认识到，某些改进可以落入本发明的范围。因此，应该用下面的权利要求来确定本发明的真正范围和内容。