线圈装置和具有线圈装置的扭矩传感器的制作方法

1.本发明涉及线圈装置和包括线圈装置的扭矩传感器。


背景技术：

2.已知基于逆磁致伸缩效应的原理的扭矩传感器，如例如ep3050790b1所公开的。在这个过程中，根据所施加的扭矩磁化轴在轴外部产生对应的磁场，通过磁场传感器可以非接触式地检测到该磁场。特别地，可以有利地使用沿周向方向反向地磁化的两个轴区域，这提高了测量精度且有利于补偿外部磁场的干扰影响，其中测量线圈在每种情况下均布置在相应磁化轴区域的附近。利用这些测量线圈例如可以在轴的轴向方向上检测到由轴扭转产生的磁场。
3.通过测量回路中的测量线圈可以实现对由扭矩产生的磁场变化进行测量，其中，测量线圈受到变化的磁场的影响。测量线圈关于磁化轴非接触式地(例如，平行于旋转轴线)安装并且检测在负载下由于逆磁致伸缩而发生的磁场变化。磁场变化通常与所施加的外部力成正比并与扭矩产生关系。为此，在扭矩传感器的制造阶段期间进行一次性的校准。
4.在校准期间，还通过固定磁场-扭矩值曲线的零点而将在没有所施加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考虑在内，从而将扭矩值零分配至该残余磁场。
5.然而，如已经提及到的，在扭矩测量期间可能会产生永久性或仅间歇性的干扰磁场，从而使测量失真。例如，地球的磁场可以是干扰磁场源，其既可以是恒定的也可以是可变的。在车辆具有这种扭矩传感器的情况下，例如当经过使地球磁场改变的物体、比如停放或移动的车辆时、可能会产生可变的干扰。
6.然而，从现有技术已知的具有在纵向上彼此邻近地布置的两个线圈和对应的反向磁化的两个区域的这种线圈装置将指示以下具体的缺点。将相同类型的两个线圈连接起来以补偿外部场，使得当施加有测量电压时，各线圈中的测量电流沿不同的方向流动。因此，例如，两个线圈的相互邻近的触点将必须连接至测量回路的一个极并且两个线圈的各自的外触点连接至测量回路的另一个极。
7.当两个线圈中的外部场具有尽可能相等的影响时，补偿最佳地起作用。这里的关键因素是两个线圈精确地彼此对准且保持位于直线上。
8.所描述的电路装置(特别地两个线圈的内端部处的接触)需要耗费大量的努力以使两个线圈足够精确地对准进而以确保外部场的补偿的准确性。


技术实现要素：

9.本发明的根本目的是至少部分地消除所述缺点。
10.通过根据本发明的线圈装置、特别地用于检测磁场的测量线圈装置来解决所述目的。
11.本发明的线圈装置包括：第一筒形线圈，该第一筒形线圈具有第一卷绕方向；第二
筒形线圈，该第二筒形线圈具有第二卷绕方向；其中，第一筒形线圈和第二筒形线圈布置成纵向接连且在公共轴线上对准；其中，第一筒形线圈和第二筒形线圈的相互邻近的端部彼此电连接；并且其中，第二卷绕方向与第一卷绕方向相反。
12.由于两个筒形线圈沿相反方向卷绕(彼此相反、呈镜像)，所以无需在两个线圈之间的中间处形成接触部，而是两个线圈的内端部以导电的方式彼此直接连接。测量电压只需要施加至背向彼此的两个外端部。外部磁场的作用因两个筒形线圈的不同转向而具有相反的作用，并且导致外部磁场的期望补偿。
13.根据本公开的线圈装置可以如下文中进一步改进。
14.进一步的改进在于还提供稳定本体，该稳定本体用于使第一筒形线圈和第二筒形线圈在公共轴线上相对于彼此的对准稳定，其中，该稳定本体优选地由塑料材料制成，并且其中，该稳定本体优选地具有沿其长度恒定的横截面。
15.这具有的优点是，两个筒形线圈相对于彼此的位置可以固定在公共轴线(直线)上。塑料材料具有的优点是不具有磁效应且不影响测量值。如果该稳定本体布置在线圈内部，则该稳定本体的恒定横截面非常适合于筒形线圈。
16.进一步的改进在于第一筒形线圈设置有第一铁磁线圈芯，并且第二筒形线圈设置有第二铁磁线圈芯，其中，第一线圈芯和第二线圈芯布置成在纵向上一者位于另一者之后并且在公共轴上对准且间隔开。
17.这具有的优点是，可以将待测量的弱磁场的作用放大。
18.根据又一实施方式，可以将第一铁磁线圈芯和第二铁磁线圈芯嵌置在稳定本体中，稳定本体优选地具有嵌置有第一铁磁线圈芯和第二铁磁线圈芯的纵向凹槽，或者，第一铁磁线圈芯和第二铁磁线圈芯优选地以由稳定本体的材料完全围封的方式嵌置。
19.以这种方式，也可以通过稳定本体来实现线圈芯的限定的位置。
20.其他实施方式在于第一铁磁线圈芯和第二铁磁线圈芯由相同的材料制成并且/或者以相同的方式形成。
21.以这种方式，可以实现两个线圈芯的类似的增强作用，其中，补偿作用因此也得到了改善，因为两个筒形线圈中的外部磁场的相反作用以相同的方式得到了增强。
22.又一实施方式在于：第一筒形线圈的第一匝数等于第二筒形线圈的第二匝数；并且/或者其中，第一筒形线圈的第一绕组直径等于第二筒形线圈的第二绕组直径；并且/或者其中，第一筒形线圈的第一长度等于第二筒形线圈的第二长度；并且/或者其中，第一筒形线圈的电感与第二筒形线圈的电感相等。
23.这些量度进一步改善了两个筒形线圈对测量值的影响的对应关系。
24.根据又一实施方式，第一卷绕方向可以是顺时针，并且第二卷绕方向可以是逆时针，或者第一卷绕方向可以是逆时针，并且第二卷绕方向可以是顺时针。
25.进一步改进在于，线圈装置可以包括由绕组线形成的线圈绕组，该线圈绕组具有作为第一筒形线圈的第一子线圈绕组和作为第二筒形线圈的第二子线圈绕组，其中，第一子线圈绕组具有第一卷绕方向，并且第二子线圈绕组具有第二卷绕方向。
26.以这种方式，可以通过卷绕绕组线(例如漆包铜线)来形成线圈装置。在位于第一子线圈绕组与第二子线圈绕组之间的过渡区域中仅卷绕方向发生变化。
27.这可以进一步被阐述为，将线圈绕组卷绕在稳定本体上，该稳定本体作为用于卷
绕绕组线的绕组本体。
28.绕组本体可以具有用于定位线圈装置的定位元件。通过使用定位元件，可以分别限定线圈绕组的长度或第一子线圈绕组和第二子线圈绕组的位置，并且/或者可以通过定位元件将线圈装置固定/定位在测量区域中，例如将线圈装置固定/定位在印刷线路板上或在测量装置的壳体上。
29.本发明还涉及一种测量装置，该测量装置包括根据本发明或其另外实施方式中的一个实施方式的线圈装置、以及用于产生交流(ac)电压的交流电压模块；其中，可以通过将第一筒形线圈和第二筒形线圈的相反端部电连接至交流电压模块而将交流电压施加至线圈装置。
30.测量装置可以设置为用以检测磁场。
31.在这里，交流电压可以大于1khz，优选地在1khz至1ghz的范围内，并且最优选地在10khz至1ghz的范围内。
32.这些范围非常适合用于测量磁场的检测和外部磁场的补偿。
33.本发明还涉及一种扭矩传感器，包括：磁化轴、磁化盘片或辐条轮的磁化辐条，可以将扭矩施加至该磁化轴、磁化盘片或辐条轮的磁化辐条，其中，可以在轴、盘片或辐条的外部产生根据所施加的扭矩变化的磁场；以及根据本发明或其进一步改进方案中的一个改进方案的测量装置，该测量装置用于检测所产生的磁场。
34.本发明还提供了一种包括根据本发明的扭矩传感器的装置，其中，该装置可以是车辆、机械装置、底部支架或电动自行车。
35.还通过一种制造线圈装置的方法解决了上文提及的目的。该方法包括提供具有第一卷绕方向的第一筒形线圈和具有第二卷绕方向的第二筒形线圈，第一筒形线圈和第二筒形线圈在公共轴线上以串联的方式沿纵向对准；其中，第一筒形线圈和第二筒形线圈的相互邻近的端部在公共轴线上彼此电连接；并且其中，第二卷绕方向与第一卷绕方向相反。在这方面，提供第一筒形线圈和第二筒形线圈包括：(i)卷绕绕组线以形成具有作为第一筒形线圈的第一子线圈绕组和作为第二筒形线圈的第二子线圈绕组的线圈绕组，第一子线圈绕组以第一卷绕方向卷绕，并且第二子线圈绕组以第二卷绕方向卷绕，具有第二卷绕方向的绕组与具有第一卷绕方向的绕组相对；或者(ii)提供各自独立的具有所述第一卷绕方向的第一筒形线圈和具有所述第一卷绕方向的第二筒形线圈；并且，在所述公共轴线上将所述第一筒形线圈和第二筒形线圈的彼此邻近的端部电连接起来。
36.根据本发明的方法还可以进一步阐述为提供稳定本体，该稳定本体用于使第一筒形线圈和第二筒形线圈在公共轴线上相对于彼此的对准稳定，特别地还作为用于卷绕替代方案(i)的绕组线的绕组本体。
37.此外，对于替代方案(i)，可以在稳定本体内嵌置有第一线圈芯和第二线圈芯，其中，第一线圈芯至少部分地位于第一子线圈绕组内，并且第二线圈芯至少部分地位于第二子线圈绕组内。
38.根据本发明或根据本发明的其他改进方案的方法的优点对应于上文提及的根据本发明或根据本发明的其他改进方案的装置的优点。
39.下面参照附图更详细地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，关于本发明的范围，实施方式不是穷举的。还应当理解的是，以下描述的一些或
所有特征也可以以其他方式组合。
附图说明
40.图1示出了根据本发明的线圈装置的第一实施方式。
41.图2示出了根据本发明的线圈装置的第二实施方式。
42.图3示出了根据本发明的线圈装置的第三实施方式。
43.图4示出了根据本发明的测量装置的实施方式和根据本发明的扭矩传感器的实施方式。
44.图5示出了根据本发明的扭矩传感器的另一实施方式。
45.图6示出了用于制造根据本发明的线圈装置的绕组本体。
具体实施方式
46.图1示出了根据本发明的第一实施方式的线圈装置100。
47.根据本发明的线圈装置100包括：第一筒形线圈10，第一筒形线圈10具有第一卷绕方向(顺时针)；第二筒形线圈20，第二筒形线圈20具有第二卷绕方向(逆时针)；其中，第一筒形线圈10和第二筒形线圈20布置成在纵向上一者位于另一者之后且在公共轴线a上对准；其中，第一筒形线圈10和第二筒形线圈20的相互邻近的端部15彼此电连接；并且其中，第二卷绕方向(逆时针)与第一卷绕方向(顺时针)相反。第一筒形线圈10的方向与第二筒形线圈20的方向成镜像。
48.第一卷绕方向可以为顺时针，并且第二卷绕方向可以为逆时针，或者第一卷绕方向可以为逆时针，并且第二卷绕方向可以为顺时针。
49.例如，可以将测量装置连接至线圈装置100的外端部以提供测量电压，使得线圈装置100成为振荡回路的一部分，该振荡回路受到线圈区域中存在的磁场的影响。
50.由于第一筒形线圈10的方向和第二筒形线圈20的方向不同，因此不需要在两个筒形线圈10、20的中间端部15处接触测量装置。
51.例如，在本实施方式和以下所述的实施方式中，第一筒形线圈10的第一匝数等于第二筒形线圈20的第二匝数；第一筒形线圈10的第一绕组直径等于第二筒形线圈20的第二绕组直径；第一筒形线圈10的第一长度等于第二筒形线圈20的第二长度。这些量度中的一个或多个(特别地、全部)量度进一步改善了两个筒形线圈对测量值的影响的对应关系。另外地或替代性地，第一筒形线圈10的电感可以与第二筒形线圈20的电感相等。
52.图2示出了根据本发明的第二实施方式的线圈装置200。
53.该第二实施方式的线圈装置200对应于根据图1的第一实施方式的线圈装置，线圈装置200还包括稳定本体30，该稳定本体30用于使第一筒形线圈10和第二筒形线圈20在公共轴线a上相对于彼此的对准稳定。例如，稳定本体30由塑料材料制成。稳定本体30优选地具有沿其长度恒定的横截面。稳定本体30接触第一筒形线圈10和第二筒形线圈20，并且在图中将稳定本体30示出为间隔开只是为了图示出该装置。
54.图3示出了根据本发明的第三实施方式的线圈装置300。
55.该第三实施方式的线圈装置300对应于根据图2的第二实施方式的线圈装置，其中，第一筒形线圈10设置有第一铁磁线圈芯12，并且第二筒形线圈20设置有第二铁磁线圈
芯22，其中，第一线圈芯12和第二线圈芯22布置成在纵向上一者位于另一者之后、并且在公共轴线上对准且间隔开(还参见图1)。
56.线圈芯12、22优选地包括(高导磁率(highly permeable))铁磁材料以增强现有磁场并增加作为测量线圈的线圈装置的灵敏度。
57.图4示出了根据本发明的实施方式的测量装置450和根据本发明的实施方式的扭矩传感器400。
58.在这个示例中，根据本发明的测量装置450包括根据本发明的线圈装置100(或线圈装置200、300)以及用于产生交流电压的交流电压模块60。可以通过将第一筒形线圈和第二筒形线圈的相反端部电连接至交流电压模块60而将交流电压施加至线圈装置100(200、300)。
59.测量装置450可以设置为用以检测磁场。在此，所施加的交流电压可以大于1khz，优选地在1khz至1ghz的范围内，并且最优选地在10khz至1ghz的范围内。测量装置450的共振回路受到线圈装置处的磁场的影响，使得可以对磁场进行测量。
60.根据本发明的扭矩传感器400包括：磁化轴50以及根据本发明的用于检测所产生的磁场的测量装置450，磁化轴50具有沿周向方向反向磁化的区域51、52，其中，可以将扭矩施加至轴50，其中，在轴50的外部产生根据所施加的扭矩而变化的磁场。
61.在替代性方案中，可以使用具有不同磁化方向的磁化盘片来代替磁化轴50，如例如欧洲专利申请no.21183622.6所描述的那样。
62.根据本发明的扭矩传感器400可以用于例如车辆、比如电动自行车，特别地用于车辆中的底部支架或机械装置。
63.图5示出了根据本发明的另一实施方式的扭矩传感器500。
64.在该实施方式的扭矩传感器500中，辐条轮90的辐条95被磁化、在该示例中在辐条95的径向地偏移的两个区域内被磁化，并且在该区域中分别沿相反的径向方向被磁化。辐条轮95可以基本上呈盘片的形式。借助于能够附接至辐条轮90的力传递元件可以在辐条轮90的内部部分91与辐条轮90的外部部分92之间将扭矩施加至辐条轮90。该扭矩引起磁场变化。
65.扭矩传感器500还包括测量装置，该测量装置用于通过设置在辐条95的磁化的径向区域处的线圈装置100、200、300检测变化的磁场，其中，线圈装置100、200、300可以根据前面所描述的实施方式中的任一实施方式形成。
66.图6示出了用于制造根据本发明的线圈装置的绕组本体600。
67.提供根据本发明的线圈装置的一种方法是由绕组线制作线圈绕组，该线圈绕组具有作为第一筒形线圈的第一子线圈绕组和作为第二筒形线圈的第二子线圈绕组，其中，第一子线圈绕组具有第一卷绕方向，并且第二子线圈绕组具有第二卷绕方向。以这种方式，可以通过卷绕绕组线(例如漆包铜线)而形成线圈装置。在位于第一子线圈绕组与第二子线圈绕组之间的过渡区域中仅卷绕方向发生变化。
68.可以将线圈包裹物卷绕在图6所示的绕组本体600上以用于卷绕绕组线。绕组本体600还包括具有铁磁芯12、22的稳定元件30。
69.绕组本体600还包括用于定位线圈装置的定位元件71、72、73。通过使用定位元件71、72、73，线圈绕组的长度或第一子线圈绕组和第二子线圈绕组的位置可以通过在定位元
件71与定位元件72之间的区域中沿第一卷绕方向(逆时针或顺时针)卷绕第一子线圈绕组并且在定位元件72与定位元件73之间沿第二卷绕方向(顺时针或逆时针)卷绕第二子线圈绕组来限定，该第二卷绕方向与第一卷绕方向相反。在具有定位元件72的过渡区域中，绕组线以直线的方式通过。绕组线可以从具有定位元件71、73的端部部分突出，使得绕组线可以充当用于连接至测量回路的接触点。
70.此外，可以通过定位元件71、72、73将成品线圈装置固定/定位在装置的指定测量区域中、例如在线路板上或在测量装置的壳体上。
71.在该示例中，根据本发明的方法包括卷绕绕组线以产生具有作为第一筒形线圈的第一子线圈绕组和作为第二筒形线圈的第二子线圈绕组的线圈绕组，以第一卷绕方向卷绕第一子线圈绕组，并且以第二卷绕方向卷绕第二子线圈绕组，第二卷绕方向的绕组与第一卷绕方向的绕组相对。
72.此外，在该实施方式中第一线圈芯12和第二线圈芯22嵌置在稳定本体30内，其中，第一线圈芯12至少部分地位于第一子线圈绕组内，并且第二线圈芯22至少部分地位于第二子线圈绕组内。
73.稳定本体30可以例如具有嵌置有第一铁磁线圈芯12和第二铁磁线圈芯22的纵向凹槽，或者，第一铁磁线圈芯12和第二铁磁线圈芯22可以以由稳定本体的材料完全围封的方式嵌置、特别地铸造在稳定本体中。
74.所示的实施方式仅是示例性的，并且本发明的全部范围由权利要求限定。