盘扭矩测量的制作方法

1.本发明涉及扭矩传感器以及用于制造这种扭矩传感器的方法。


背景技术：

2.根据现有技术，通常期望确定与旋转运动相关的驱动中的有效扭矩。例如，电动自行车的底部支架(曲柄轴承)中的扭矩可以基于底部支架的作为主要传感器的磁化轴和轴的表面附近的作为次要传感器的一个或更多个相关联的磁场传感器来确定，例如，如在ep 3 050 790 b1中所描述的。主要传感器和次要传感器都设置在底部支架内。测量是以无接触的方式进行的。由于(逆)磁致伸缩效应，当施加扭矩时，在磁化轴的外部产生磁场，该磁场取决于当前施加的扭矩，因为作用在轴上的剪切力和扭力取决于该扭矩。包括次要传感器的测量电路基于所产生的磁场的大小来确定有效扭矩。
3.然而，考虑到在这种底部支架中通常可用的空间很小，特别是在辅助操作中的电动马达驱动及其与底部支架的联接的情况下，这种解决方案在结构上非常复杂或者在扭矩测量的精度方面不能以令人满意的方式实现。
4.用有限的空间测量扭矩的另一个领域是机器人领域，例如，如在ep 3 232 172 b1中所描述的。在此同样地，用磁化轴和相关联的磁场传感器测量扭矩部分需要很大的结构努力。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服至少部分提及的缺点。
6.该目的通过根据权利要求1的扭矩传感器来满足。
7.根据本发明的扭矩传感器包括：盘，该盘包括磁致伸缩、磁性偏置或可磁化的材料；以及磁场传感器组件；其中，绕盘的旋转轴线作用的扭矩可以被施加至盘，并且磁致伸缩材料被配置成在盘的外部产生根据作用扭矩而变化的磁场；其中，磁场传感器组件被配置成基于由磁致伸缩材料产生的磁场输出信号；并且其中，扭矩传感器被配置成基于输出的信号确定作用扭矩的值。
8.根据本发明，用作传递力的元件的盘被用于测量所施加的扭矩，因为盘被磁性偏置(即，特别是在该盘被安装在驱动器中之前)。以这种方式，盘而不是其上可以布置盘的轴被用作主要传感器。
9.这具有结构优点，即磁场传感器组件(以及可能需要的任何相关联电子器件)不必布置在轴上而是可以设置在驱动器(例如，底部支架)的外部。由于磁化部件的表面然后可以有效地旋转90
°
的原因，出现了用于设置磁场传感器组件的其他空间选择。
10.在盘包括磁性偏置材料的替代方案中，给出了盘的磁致伸缩材料的永久磁化。
11.在盘包括可磁化材料的替代方案中，可以进一步提供用于磁化组件，该磁化组件用于使磁致伸缩可磁化材料在有限的时间段内磁化，使得可以在具有磁致伸缩材料并且因此具有被磁化的材料的盘的外部产生根据作用扭矩而变化的磁场。因此，这在扭矩感测时
提供了主动磁化，材料不需要被磁性偏置。
12.盘能够绕旋转轴线旋转。磁场传感器组件可以被布置成能够与盘同步地共同旋转，特别是可以以旋转固定的方式连接至盘。该进一步改进方案的优点在于，磁场传感器与磁化共同旋转，并且可以直接检测由于扭矩变化而引起的变化。这在盘的内部区域与外部区域之间的径向磁化连接区域的情况下特别有利，因为剪切力和产生的磁场在连接区域中出现。替代性地或另外地，磁化组件可以被布置成能够与盘同步地共同旋转，特别是可以以旋转固定的方式连接至盘。
13.作为替代方案，磁场传感器组件可以被布置成独立于可旋转盘的旋转。这尤其适用于实心盘，实心盘的剪切力(以及由此产生的磁场)确实取决于距旋转轴线的径向距离，但是在旋转方向上是大致恒定的，具有恒定的半径。替代性地或另外地，磁化组件可以被布置成独立于可旋转盘的旋转。
14.在另一进一步改进方案中，磁场传感器组件可以包括至少一个电线圈和/或至少一个amr传感器。特别地，电子测量设备中的一个或更多个电(测量)线圈或者一个或更多个amr传感器分别适于检测磁场或其变化。amr传感器基于各向异性磁阻效应。
15.内部区域、外部区域和至少一个连接区域可以一体地形成。因此，盘可以作为坯件生产，例如由用金属制成的实心盘生产。这种坯件可以通过诸如钻孔等机加工步骤形成最终形状。
16.所述至少一个连接区域可以包括连接元件和/或辐条和/或支柱。在内部区域、外部区域和所述至少一个连接区域一体地形成的情况下，在连接元件和/或辐条和/或支柱之间提供自由空间(实心盘中的凹部)。
17.可以在内部区域处施加驱动力，由此内部区域用作驱动区域并且外部区域用作从动区域。替代性地，可以在外部区域处施加驱动力，由此外部区域用作驱动区域并且内部区域用作从动区域。
18.在这种情况下，内部区域可以包括用于联接至驱动元件的第一联接装置，并且外部区域可以包括用于联接至从动元件的第二联接装置；或者内部区域可以包括用于联接至从动元件的第一联接装置，并且外部区域可以包括用于联接至驱动元件的第二联接装置。
19.根据本发明的驱动轴承、特别是底部支架包括根据本发明的扭矩传感器，其中，驱动轴承的链环承载件或曲柄星形件形成为扭矩传感器的盘。磁场传感器组件可以相对于底部支架外壳设置在盘的内侧或外侧。
20.具有这种驱动轴承的装置可以是测力计、电动自行车、自行车或摩托车。
21.根据本发明的机器人装置包括根据本发明的扭矩传感器。
22.本发明还提供了一种方法，利用该方法可以使在根据本发明的扭矩传感器中使用的盘磁化。特别地，该盘可以是无论如何都需要的驱动装置的一部分。磁化可以使盘在扭矩传感器中具有附加功能。
23.用于使包括磁致伸缩材料的盘磁化的方法至少包括以下步骤：将电流从设置在盘的内部区域与外部区域之间的连接区域传导至内部区域和/或外部区域，内部区域相对于旋转轴线接近该轴线，外部区域远离该轴线；以及/或者将电流从盘的第一侧传导至盘的在轴向上相对的第二侧。然而，电流也可以从内部区域经由连接区域传导至外部区域，或者替代性地沿相反方向传导。
24.在这种情况下，电流可以在盘的一个或更多个点处被引入，并且电流可以在盘的一个或更多个点处离开。
25.进一步改进方案是发电装置的接触点从盘的两侧中的一侧接触盘，或者其中，发电装置的接触点在相对设置的两侧成对地接触盘。
26.本发明还提供了一种用于测量扭矩的方法。该方法包括以下步骤：提供盘，该盘能够绕旋转轴线旋转并且包括被磁化的磁致伸缩材料；向盘施加绕旋转轴线作用的扭矩；在具有磁致伸缩材料的盘的外部产生磁场，其中，所产生的磁场根据作用扭矩而变化；基于所产生的磁场用磁场传感器组件输出信号；以及基于输出的信号确定作用扭矩的值。在可磁化的磁致伸缩材料的情况下，在将绕旋转轴线作用的扭矩施加至盘之前执行以下另外的步骤：将可磁化的磁致伸缩材料磁化一段有限的时间。
27.根据本发明的方法的优点对应于关于根据本发明的扭矩传感器所提及的那些优点。
28.下面将使用附图对本发明的其他特征和示例性实施方式以及优点进行说明。应当理解的是，这些实施方式没有详尽阐述本发明的范围。还应当理解的是，下文描述的一些或所有特征也可以以不同的方式彼此组合。
附图说明
29.图1示出了根据本发明的扭矩传感器的第一实施方式。
30.图2示出了根据本发明的扭矩传感器的第二实施方式。
31.图3示出了根据本发明的扭矩传感器的第三实施方式。
32.图4示出了根据本发明的扭矩传感器的第四实施方式。
33.图5图示了接触盘以用于磁化。
具体实施方式
34.图1示出了根据本发明的扭矩传感器的第一实施方式。图1a示出了根据本发明的扭矩传感器的第一实施方式的第一变型。图1b示出了根据本发明的扭矩传感器的第一实施方式的第二变型。
35.根据本发明的扭矩传感器100包括盘110和磁场传感器组件150，盘110包括磁致伸缩材料120。绕盘110的旋转轴线a作用的扭矩可以被施加至盘110，并且磁致伸缩材料120被配置成在盘110的外部产生可以根据作用扭矩而变化的磁场b；其中，磁场传感器组件150被配置成基于所产生的磁场b输出信号s。扭矩传感器100使用输出信号s、例如通过控制或评估单元来确定作用扭矩的值。
36.在根据图1a的变型中，磁致伸缩材料120被磁性偏置。磁致伸缩材料的示例是铁或铁合金、钢等。
37.磁场传感器组件150可以包括用于检测磁场b的一个或更多个测量线圈或者一个或更多个amr传感器。磁场传感器组件150在此被示出为是静止的，即，该磁场传感器组件150不意在与盘110一起绕轴线a旋转。如果对于给定的扭矩而言，磁场传感器组件150的位置处的磁场b最多在绕轴线a的旋转内以这样的方式变化使得这在确定扭矩时不是必需的，则这是有意义的。在某些应用中，也可以使盘的整个旋转中的磁场平均。
38.amr传感器的优势在于，可以在至少一个或更多个方向上测量磁场；还可以特别是在三个空间轴上进行测量，并且可以以3d记录磁场。磁场的一个、两个或三个分量可以被用于确定扭矩。
39.与根据图1a的变型相比，可以在根据图1b的变型中另外提供磁化组件160，该磁化组件160用于使磁致伸缩可磁化材料在有限的时间段内磁化，使得可以在具有磁致伸缩并且由此具有磁化组件160的盘110的外部产生可以根据有效扭矩而变化的磁场b。控制或评估单元可以向磁化组件160发送相应的信号m，以便启用磁化组件160并且由此产生又分别使盘或磁致伸缩材料磁化的磁场。在这种情况下，这是在扭矩的检测/测量期间在盘中主动产生磁场。在这种情况下，磁化不是永久的，而是仅在相应的扭矩测量期间通过磁化组件160在特定时间段内产生。例如在ep 1 920 221 a1/b1中也描述了这种主动测量。
40.图2示出了根据本发明的扭矩传感器的第二实施方式。
41.与根据图1的实施方式的唯一差异在于，磁场传感器组件150与盘110同步地共同旋转。为此目的，磁场传感器组件150可以布置在例如承载件元件151上，该承载件元件151又以旋转固定的方式连接至盘110并且因此与盘110一起共同旋转。因此，磁场传感器组件150始终在盘110上的同一点处检测到磁场。利用根据图1b的变型，磁化组件160然后也可以同步地共同旋转。然而，替代性地，磁化组件160可以是静止的，即，该磁化组件160不与盘110一起绕轴线a共同旋转，而是仅磁场传感器组件150与盘110同步地共同旋转。
42.在这种情况下，信号s可以例如通过滑动接触或者通过无接触无线连接来输出。
43.图3示出了根据本发明的扭矩传感器的第三实施方式。
44.第三实施方式对应于根据图2的实施方式，但是其中，盘110不是均匀的实心盘而是具有自由区域(开口)112，其中，从内部向外径向穿透的一个或更多个连接元件114被磁化(图中为四个连接元件)。连接元件114可以是在凹部已经被引入到盘110中之后保留的区域、或者是例如支柱或辐条。在根据图3a的这个示例中，磁场传感器组件包括成对的磁场传感器155a、155b(图中为四对)，所述成对的磁场传感器155a、155b各自与磁化的连接元件相关联。
45.盘110包括内部区域111、外部区域115以及具有连接元件114和开口112的连接区域113。
46.内部区域111和外部区域115两者都设置有孔，通过这些孔可以建立到驱动元件或从动元件的连接。
47.图3b示出了当内部区域111连接至驱动装置并且力经由连接元件114传递至外部区域115并且力在此再次输送至从动部件时力从内部到外部的流动。盘110可以是例如底部支架的链环承载件，其中，内部区域111由踏板曲柄驱动，并且扭矩被传递至外部区域115并且在此向前传递至附接到外部区域115的链环，以便最终在驱动链上施加力。
48.根据模拟，产生的应力如图3c所示。这些应力由于逆磁致伸缩效应而导致盘的外部的磁场发生变化，并且随着距内部区域111的距离而在连接元件114中呈现出很大的变化。
49.图4示出了根据本发明的扭矩传感器的第四实施方式。
50.图4的实施方式与根据图3的实施方式的不同之处仅在于，盘110的连接区域113中不存在开口，因此该盘110基本上是实心盘(除了孔之外)。
51.图4a示出了盘110以及磁场传感器组件155a、155b(次要传感器)。图4b仅示出了磁化盘110(主要传感器)。图4c示出了根据图3c的应力过程。
52.图5图示了盘的接触以产生永久磁化(偏置)。
53.根据图5a的用于使包括磁致伸缩材料的盘110磁化的方法根据以下方式执行：将电流从设置在盘110的内部区域111与外部区域115之间的连接区域113或连接元件114(例如中心虚线上的接触点)传导至内部区域111(例如内部虚线上的接触点)和/或外部区域115(例如外部虚线上的接触点)，内部区域111相对于旋转轴线接近该轴线，外部区域115远离该轴线。那里由平行箭头标识的电流产生了由弯曲箭头标识的磁场，该磁场足够强以引起磁致伸缩材料120的永久磁化。
54.另外地或替代性地，电流可以从盘的第一侧被传导至盘的在轴向上相对的第二侧，如图5b中所示。双点各自代表下面的接触点和上面的接触点。那里的电流沿箭头的方向流动穿过磁致伸缩材料120。
55.根据图5a，盘在连接区域被例如连接至电压源的正极端子的一个或更多个电极接触。在该实施方式中，盘还可以在内部区域和外部区域两者中被例如连接至电压源的负极端子的一个或更多个电极接触。极性也可以颠倒。
56.替代性地，也可以仅在内部区域或外部区域建立接触。电压源(电流产生装置)的电极在例如盘的两侧中的一侧的接触点处接触盘。
57.在这种情况下，电流可以在盘的一个或更多个点处被引入，并且电流可以在盘的一个或更多个点处离开。
58.根据图5b的实施方式，电流产生装置/电压源的电极在相对设置的两侧的接触点处成对地接触盘。
59.电流(或施加的电压)可以优选以脉冲方式发生。以这种方式，可以产生具有对应的高磁场的非常高的电流(短的时间段内)。例如在ep 1 774 271 b1和ep 1 902 287 b1中描述了用于在用于测量扭矩的磁致伸缩测量技术中使用的轴的脉冲磁化。这种方法被称为“脉冲电流磁性编码(pcme)”。
60.所图示的实施方式仅作为示例，并且本发明的全部范围由权利要求限定。