校正外部磁场的扭矩测量的制作方法

1.本发明涉及具有扭矩传感器的驱动轴承、特别是底部支架。


背景技术：

2.扭矩传感器在现有技术中是已知的并且安装在电动助力自行车(pedelec)或电动自行车(e-bike)的底部支架或驱动轴承中。在ep 3 050790b1中公开了这种基于逆磁致伸缩效应原理的扭矩传感器的示例。轴承的磁化轴根据所施加的扭矩在轴外部产生对应的磁场，可以使用磁场传感器对该磁场进行非接触式检测。
3.对根据扭矩的磁场变化进行的测量可以通过测量电路中的受变化磁场影响的测量线圈来执行。这些测量线圈与磁化轴无接触地附接(例如平行于旋转轴线)，并且检测在负载下由于逆磁致伸缩而发生的磁场变化。磁场变化通常与外部施加的力成正比，并且与扭矩建立关系。为此，在扭矩传感器的制造阶段执行一次性校准。
4.在校准期间，通过建立磁场-扭矩值曲线的零点，还考虑了在没有施加任何扭矩的情况下存在于磁化轴的测量位置处的恒定残余磁场，使得扭矩值零被分配给该残余磁场。


技术实现要素：

5.然而，从现有技术已知的这种测量方法具有下文提到的缺点。
6.磁干扰场可能会永久地或仅暂时地出现，并且会篡改测量结果。
7.例如，对电动助力自行车/电动自行车进行的维修、特别是对驱动轴承/底部支架或其附近进行的维修，可能会导致使用磁化备件——比如磁性螺钉——这会导致影响测量结果的永久性附加磁场并且将会需要新的校准。
8.另一示例是短期磁干扰场或外部磁场，比如在穿过地面中的感应回路或在高压线下经过时可能产生的那些磁场。这种短期磁干扰场或外部磁场还可以在干扰阶段内产生交变磁场。
9.地球磁场也可以是干扰磁场源，既可以是恒定的也可以是可变的，可变是指例如在行驶经过改变地球磁场的物体、比如静止或移动的车辆时。
10.基于本发明的目的在于至少部分地克服所提到的缺点。
11.该目的通过具有扭矩传感器的驱动轴承、特别是底部支架来满足。
12.根据权利要求1，根据本发明的驱动轴承包括以下特征：安装成能够绕旋转轴线旋转并且包括磁致伸缩磁化材料的元件，其中，可以向该元件施加扭矩，并且磁致伸缩磁化材料形成为根据所施加的扭矩在元件外部的第一位置处产生磁场；以及测量电路。测量电路包括：第一磁场传感器，该第一磁场传感器用于在第一位置处检测总磁场的至少一个分量，其中，总磁场包括由磁致伸缩磁化材料产生的磁场以及外部磁场，并且其中，第一磁场传感器配置成根据检测到的总磁场的分量输出第一信号；以及第二磁场传感器，该第二磁场传感器用于在与第一位置不同的第二位置处检测外部磁场的至少一个分量，其中，第二磁场传感器配置成根据检测到的外部磁场输出第二信号；其中，测量电路配置成使用第一信号
和第二信号确定所施加的扭矩的值。
13.干扰磁场对通过第一磁场传感器进行的磁场测量的影响以及最终对所确定的扭矩的影响可以以此方式进行校正。特别地，测量电路可以包括评估单元，该评估单元连接至第一磁场传感器和第二磁场传感器并且确定扭矩的值。
14.安装成可旋转的元件将所施加的扭矩例如从可以在一个点处与该元件连接的驱动装置传输至可以在另一点处与该元件连接的从动装置。
15.根据本发明的驱动轴承可以进一步改进如下。
16.进一步改进在于，测量电路可以配置成使用第二信号对第一信号执行校正，以用于确定所施加的扭矩的值；或者测量电路可以配置成使用第二信号对通过第一信号确定的扭矩的初步值执行校正，以用于确定所施加的扭矩的值。
17.因此可以直接地比较这些信号，并且可以使用经校正的输出信号来确定所施加的扭矩，或者可以确定初步扭矩值，该初步扭矩值使用与第二信号相对应的扭矩校正值进行校正并且然后输出作为实际的扭矩值。
18.另一进一步改进在于，第一信号表示与总磁场成比例的第一测量变量，并且第二信号表示与外部磁场成比例的第二测量变量。
19.这种比例性简化了信号处理以确定扭矩值。
20.这可以进一步改进成使得：测量电路可以配置成使用第二信号来补偿第一信号中的由外部磁场所引起的误差，或者测量电路可以配置成使用第二测量变量来补偿第一测量变量中的由外部磁场所引起的误差。
21.根据另一进一步改进，第二磁场传感器可以在元件处于在扭矩方面无载荷的状态时检测外部磁场。
22.这样做的优点是：在检测外部磁场时，第二磁场传感器不受元件的磁致伸缩材料的磁场的影响，这是因为没有施加可能导致第一位置处的磁场变化的扭矩。在轴作为电动助力自行车或电动自行车的底部支架中的元件的情况下，这种无载荷状态例如在踏板的上止点和下止点处存在。
23.这可以进一步改进在于，与检测到的外部磁场相对应的测量值被用于确定扭矩，直到下一无载荷状态为止。
24.另一进一步改进在于，第二磁场传感器可以配置成检测随时间可变的外部磁场。
25.以此方式，不仅可以考虑恒定的外部磁场，还可以考虑随时间变化的外部磁场，使得可以实时地进行相应的校正。
26.随时间可变的外部磁场可以在空间上是均匀的，使得外部磁场在特定时间点处的强度和方向在第一位置和第二位置处是相同的。
27.根据另一进一步改进，第二磁场传感器可以配置成检测外部磁场的梯度，并且测量电路可以配置成根据梯度确定第一位置处的外部磁场的大小。
28.另一进一步改进在于，第二磁场传感器包括基于各向异性磁阻效应(amr效应)的恰好一个amr传感器。利用amr传感器，可以在幅值、方向方面并且关于梯度来检测外部磁场。特别地，恰好一个amr传感器对此是足够的。
29.另一进一步改进在于，该元件是驱动轴。这对于底部支架是有利的，例如出于下述原因：无论如何存在的轴也可以用于测量扭矩，这是因为该轴被至少部分地磁化。
30.驱动轴承可以是底部支架。
31.本发明还涉及一种装置，该装置包括根据本发明或本发明的进一步改进之一的驱动轴承，其中，该装置是电动助力自行车或电动自行车。
32.根据另一进一步改进，测量电路可以配置成在测量电路的初始校准过程之后通过对已经与装置附接的具有外部磁场的部件执行校正来确定所施加的扭矩值。
33.另一进一步改进在于，测量电路配置成在确定所施加的扭矩的值时执行由于因电力线产生的外部磁场而引起的校正，并且/或者配置成执行由于因道路中的感应回路产生的外部磁场而引起的校正，并且/或者配置成执行由于因地球磁场产生的外部磁场而引起的校正。
34.下面将使用附图说明本发明的其他特征和示例性实施方式以及优点。应当理解的是，这些实施方式并未穷尽本发明的范围。还应理解的是，下文描述的一些或所有特征也可以以不同方式彼此组合。
附图说明
35.图1示出了根据本发明的驱动轴承的第一实施方式。
36.图2示出了根据本发明的驱动轴承的第二实施方式。
具体实施方式
37.图1示出了根据本发明的驱动轴承的第一实施方式100。
38.根据本发明的驱动轴承100包括：安装成能够绕旋转轴线a旋转的元件10，元件10在该实施方式中呈轴10的形式并且包括磁致伸缩磁化材料15，其中，可以向元件10施加扭矩并且磁致伸缩磁化材料15形成为根据所施加的扭矩在元件10外部的第一位置处产生磁场b0；以及测量电路20。磁致伸缩材料15在元件的区域中设置有永久磁化强度b
p
。这可以例如通过由穿过元件10的电流脉冲进行的初始磁化来实现。
39.测量电路20包括：第一磁场传感器21，该第一磁场传感器21用于在第一位置处检测总磁场b0+b1的至少一个分量，其中，总磁场包括由磁致伸缩磁化材料产生的磁场b0以及外部磁场b1，并且其中，第一磁场传感器21配置成根据检测到的总磁场的分量输出第一信号；以及第二磁场传感器22，该第二磁场传感器22用于在与第一位置不同的第二位置处检测外部磁场b1的至少一个分量，其中，第二磁场传感器22配置成根据检测到的外部磁场b1输出第二信号s2；其中，测量电路20配置成使用第一信号s1和第二信号s2来确定所施加的扭矩的值。
40.在初始的(并且通常一次性的)校准期间，还通过建立磁场-扭矩值曲线的零点来考虑在没有施加任何扭矩的情况下磁化轴的存在于第一位置(第一磁场传感器21的测量位置)处的恒定残余磁场，使得第一位置处的该残余磁场被分配给零扭矩值(或该残余磁场的分量由第一磁场传感器21相应地检测)。
41.第一磁场传感器21可以包括例如一个或更多个测量线圈，这些测量线圈检测与轴线a平行的磁场分量。替代性地或附加地，可以检测与轴线a和/或磁场的另一方向垂直的磁场分量以及/或者磁场的绝对值。
42.第二磁场传感器22可以例如是基于各向异性磁阻效应的amr传感器。
43.测量电路20处理来自磁场传感器的信号s1和s2，以便于校正由外部磁场引起的与所施加扭矩的实际值的偏差。特别地，测量电路20可以包括评估单元25，该评估单元25确定扭矩的校正值。
44.第二磁场传感器22可以检测在元件的在扭矩方面无载荷的状态下的外部磁场。以此方式，在检测外部磁场时，第二磁场传感器22不受元件的磁致伸缩材料的磁场影响(例如，不受来自元件10的磁化区域的磁场的影响，其中，磁致伸缩材料作用在第二位置处)。如果不存在可能导致第一位置和第二位置处的磁场变化的扭矩，则可以精确地检测外部磁场。在轴作为电动助力自行车或电动自行车的底部支架中的元件的情况下，这种无载荷状态例如在踏板的上止点和下止点处存在。否则，如果第二位置距离第一位置足够远(大于或等于预定距离)，则仍然可以检测到外部磁场，使得即使在施加扭矩时来自元件10的磁场在第二位置处的影响也足够低。
45.外部磁场的相应测量值可以被用于确定扭矩，直到下一无载荷状态为止。
46.外部磁场可以随时间可变。然后实时地校正扭矩测量结果。以此方式，不仅可以考虑随时间恒定的外部磁场，还可以考虑随时间变化的外部磁场。
47.在电动自行车中的驱动轴承的情况下，随时间变化的外部磁场源在骑行时可能是相关的。随时间的变化可能首先是由于行驶经过外部磁场源和/或其次是由于外部磁场源本身随时间的变化性。例如，测量电路可以配置成在确定所施加的扭矩值时执行由于因电力线产生的外部磁场(50hz交变场)而引起的校正，并且/或者配置成执行由于因道路中的感应回路产生的外部磁场而引起的校正，并且/或者配置成执行由于因地球磁场产生的外部磁场而引起的校正。
48.随时间可变的外部磁场可以在空间上是均匀的，使得外部磁场在特定时间点处的强度和方向在第一位置和第二位置处是相同的。
49.然而，第二磁场传感器可以配置成检测外部磁场的梯度，并且测量电路可以配置成根据梯度确定第一位置处的外部磁场的大小。以此方式，可以考虑由于从第二位置至第一位置的梯度而引起的变化，例如使用检测到的梯度外推第一位置处的外部磁场的大小，其中，这样的计算可以特别地在评估单元25中执行。
50.随时间恒定的外部磁场的示例是用于维修的备件(例如，磁性螺钉)的磁场，即，在初始校准之后产生的干扰磁场。
51.图2示出了根据本发明的驱动轴承的第二实施方式200。
52.该第二实施方式的驱动轴承200对应于根据图1的第一实施方式的驱动轴承，其中，测量电路20目前仅被示意性地指示。然而，另外示出了驱动装置30和从动装置40。
53.驱动装置30例如连接至电动自行车的电动驱动马达或者是电动驱动马达的一部分。从动装置40可以是链环承载件或链环，链环承载件或链环又通过链条的方式驱动车轮。
54.所示出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。