用于测量扭矩的装置、系统和方法

技术领域

本公开的实施例总体上涉及扭矩测量领域，更具体地涉及一种用于测量扭矩的装置、系统和方法。

背景技术

在机械传动领域中，旋转传动是一种常见的方式。传动部件会施加扭矩给其他传动部件，从而带动其他传动部件旋转。在传动部件之间传递的扭矩是一个重要的参数，如果该扭矩太小，则可能起不到预期的传动效果，如果扭矩太大，则可能损坏传动部件。因此，该扭矩值往往需要被准确测量并加以控制。如何以准确且可靠的方式测量待测物体之间传递的扭矩，是设计者面临的一项挑战。

发明内容

已经提出了一些方法来对扭矩进行测量。例如，在中国专利申请CN 112414702A中，提出一种耦合器的转矩检测实验台，该实验台通过减速器驱动感应转子旋转，在额定速度差下从静态转矩仪上读取到永磁转子接收到的转矩，从而确定耦合器在所需条件下的转矩。然而，如果待测量的扭矩过大，有可能损坏该传感器，使实验台无法正常工作。

本公开的实施例提供了一种用于测量扭矩的装置、系统和方法，旨在解决现有的方案中存在的上述和/或其他潜在问题。

在第一方面，本公开的实施例涉及一种用于测量扭矩的装置。该扭矩在第一待测物体与第二待测物体之间传递。该装置包括：第一转子，适于耦接至该第一待测物体；第二转子，适于耦接至该第二待测物体，该第二转子设置在该第一转子的径向外侧，其中该第一转子和该第二转子中的至少一个包括永磁体，以使该第一转子和该第二转子中的主动旋转转子能够带动该第一转子和该第二转子中的从动旋转转子旋转；第一传感器，耦接至该第一转子，并且被配置为测量该第一转子的第一角度；以及第二传感器，耦接至该第二转子，并且被配置为测量该第二转子的第二角度。

根据本公开的实施例，通过第一传感器和第二传感器，可以分别获取第一转子的第一角度和第二转子的第二角度，这些角度可以用来准确地确定在第一待测物体与第二待测物体之间传递的扭矩。

在一些实施例中，该第一转子包括第一多个永磁体，该第一多个永磁体均匀地设置在该第一转子的周向外表面上或均匀地嵌入该第一转子。在一些实施例中，该第二转子包括第二多个永磁体，该第二多个永磁体均匀地设置在该第二转子的周向内表面上或均匀地嵌入该第二转子。利用这种布置，可以灵活地设置永磁体的排布方式，从而扩展装置的适用范围。

在一些实施例中，该第一转子包括圆柱形部段，并且该第二转子呈圆筒状并具有空腔，该空腔被配置为容纳该第一转子的该圆柱形部段，并且该第一转子的该圆柱形部段与该第二转子沿径向具有间隙。利用这种布置，可以避免第一转子与第二转子之间的磨损，并且如果待测量的扭矩过大，第一转子与第二转子之间也只会发生滑动旋转，而不会导致该装置受损。

在一些实施例中，该第一转子包括第一连接部，该第一连接部适于耦接至该第一待测物体的驱动轴。在一些实施例中，该第二转子包括第二连接部，该第二连接部适于耦接至该第二待测物体的驱动轴。利用这种布置，可以准确地测量出第一待测物体与第二待测物体之间传递的扭矩。

在第二方面，本公开的实施例涉及一种用于测量扭矩的系统。该系统包括根据第一方面的装置以及控制器。该控制器耦接至该装置，并且被配置为从该第一传感器和该第二传感器接收并识别该第一角度和该第二角度，并基于该第一角度和该第二角度确定该扭矩。

在第三方面，本公开的实施例涉及一种用于测量扭矩的方法。该扭矩在第一待测物体与第二待测物体之间传递。该方法包括：从第一传感器接收并识别第一转子的第一角度，其中该第一转子适于耦接至该第一待测物体，该第一传感器耦接至该第一转子并且被配置为测量该第一角度；从第二传感器接收并识别第二转子的第二角度，其中该第二转子适于耦接至该第二待测物体，该第二转子设置在该第一转子的径向外侧，其中该第一转子和该第二转子中的至少一个包括永磁体，以使该第一转子和该第二转子中的主动旋转转子能够带动该第一转子和该第二转子中的从动旋转转子旋转，并且其中该第二传感器耦接至该第二转子并且被配置为测量该第二角度；以及基于该第一角度和该第二角度，来确定该扭矩。

附图说明

通过参照附图的以下详细描述，本公开实施例的上述和其他目的、特征和优点将变得更容易理解。在附图中，将以示例以及非限制性的方式对本公开的多个实施例进行说明，其中：

图1是示出了根据本公开的实施例的用于测量扭矩的装置的截面示意图；

图2是示出了根据本公开的实施例的用于测量扭矩的装置的分解示意图；

图3是示出了根据本公开的实施例的第一转子的立体示意图；

图4是示出了根据本公开的实施例的第二转子的立体示意图；以及

图5示出了根据本公开的实施例的第一转子中的永磁体的一种示意性排布方式。

具体实施方式

现在将参照附图中所示的各种示例性实施例对本公开的原理进行说明。应当理解，这些实施例的描述仅仅为了使得本领域的技术人员能够更好地理解并进一步实现本公开，而并不意在以任何方式限制本公开的范围。应当注意的是，在可行情况下可以在图中使用类似或相同的附图标记，并且类似或相同的附图标记可以表示类似或相同的功能。本领域的技术人员将容易地认识到，从下面的描述中，本文中所说明的结构和方法的替代实施例可以被采用而不脱离通过本文描述的本发明的原理。

在本公开内容的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

如上所示，现有的扭矩测量传感器在测量时，如果待测的扭矩过大，测量传感器会发生损坏，这将使传感器的寿命大大减小。

下面将参照图1至图5描述根据本公开的实施例的一些示意性实现方式。本公开的实施例涉及一种用于测量扭矩的装置1。待测量的扭矩在第一待测物体与第二待测物体之间传递。应该理解的是，待测扭矩可以是从第一待测物体传递给第二待测物体，也可以是从第二待测物体传递给第一待测物体。本公开的实施例对此不做限制。

如图1所示，装置1总体上包括第一转子10和设置在第一转子10的径向外侧的第二转子20，其中第一转子10能够在测量时被耦接至第一待测物体，第二转子20能够在测量时被耦接至第二待测物体。当待测扭矩从第一待测物体传递给第二待测物体时，第一转子10是主动旋转转子，第二转子20是从动旋转转子。当待测扭矩从第二待测物体传递给第一待测物体时，第二转子20是主动旋转转子，第一转子10是从动旋转转子。第一转子10和第二转子20中的至少一个转子包括永磁体，以使第一转子10和第二转子20中的主动旋转转子能够带动第一转子10和第二转子20中的从动旋转转子旋转。

参考图1和图2，装置1还包括第一传感器30和第二传感器40，其中第一传感器30被耦接至第一转子10并能够测量第一转子10的第一角度，第二传感器40被耦接至第二转子20并能够测量第二转子20的第二角度。

本公开的实施例是基于以下的认识，即在装置1的内部构造是已知的情况下，第一转子10与第二转子20之间的角度差与在两个转子之间的扭矩之间存在某种确定的函数关系。换句话说，如果第一转子10与第二转子20之间的角度差是已知并且是确定的，则在两个转子之间的扭矩也是确定的。由于第一转子10被耦接至第一待测物体，而第二转子20被耦接至第二待测物体，由此可以精确地测量出两个待测物体之间传递的扭矩。

在一些实施例中，第一转子10与第二转子20之间的角度差和所传递的扭矩之间的函数关系可以通过仿真模拟来确定。在另一些实施例中，该函数关系也可通过实验方式来确定。在一些实施例中，应当理解的是，这样的函数关系可以是线性函数关系、三角函数关系、梯形函数关系等等，具体的函数关系的形式不受到本公开的实施例的限制。

在一些实施例中，第一转子10包括第一多个永磁体110。如图3所示，第一多个永磁体110可以均匀地粘接在第一转子10的周向外表面上。换句话说，永磁体110可以是表面粘接式的永磁体(SPM，Surface-mounted Permanent Magnet)。应该理解的是，第一多个永磁体110还可以用粘接之外的其他方式安装到第一转子10的周向外表面上，例如螺栓连接、焊接等等，本公开的实施例对此不做限制。

在此将结合图5来描述第一转子10中的永磁体110的另一种示意性排布方式。在图示的实施例中，第一多个永磁体110可以均匀地嵌入第一转子10中。换句话说，永磁体110还可以是内嵌式的永磁体(IPM，Interior Permanent Magnet)。应该理解的是，虽然图5中示出了八对永磁体110，但这仅仅是示意性，永磁体110的数目不受到本公开的实施例的限制。

在一些实施例中，如图4所示，第二转子20包括第二多个永磁体210，第二多个永磁体210均匀地粘接在第二转子20的周向内表面上。换句话说，永磁体210可以是表面粘接式的永磁体。应该理解的是，虽然图4中示出了四对永磁体210，但这仅仅是示意性，永磁体210的数目不受到本公开的实施例的限制。还应该理解的是，第二多个永磁体210还可以用粘接之外的其他方式安装到第二转子20的周向内表面上，例如螺栓连接、焊接等等，本公开的实施例对此不做限制。

还可以理解的是，在另一些实施例中，第二多个永磁体210还可以均匀地嵌入第二转子20中。换句话说，永磁体210还可以是内嵌式的永磁体。

在一些实施例中，如果第一转子10包括永磁体110，则第二转子20可以不包括永磁体210。在这种实施例中，第二转子20可以是采用可变磁阻式(VR，Variable Reluctance)的电机中的转子。相反地，如果第二转子20包括永磁体210，则第一转子10可以不包括永磁体110。在这种实施例中，第一转子10可以是采用可变磁阻式的电机中的转子。利用这样的布置，同样可以实现第一转子10和第二转子20的旋转。

如图3所示，在图示的实施例中，第一转子10包括圆柱形部段12。参考图4，第二转子20大体上呈圆筒状并形成有空腔22。如图2所示，空腔22能够容纳第一转子10的圆柱形部段12，并且第一转子10的圆柱形部段12与第二转子20沿径向具有间隙G。利用这种布置，可以避免第一转子10与第二转子20之间的磨损，从而提高装置1的使用寿命和可靠程度。此外，如果待测量的扭矩超出了装置1的使用量程，在第一转子10与第二转子20之间也仅会发生滑动旋转，而不会损伤装置1内部的结构，由此可以提高装置1的使用寿命。

在一些实施例中，如图3所示，第一转子10包括第一连接部14，第一连接部14适于耦接至第一待测物体的驱动轴。如果待测扭矩是从第一待测物体传递给第二待测物体，则该驱动轴是第一待测物体的输出轴。如果待测扭矩是从第二待测物体传递给第一待测物体，则该驱动轴是第一待测物体的输入轴。

在一些实施例中，返回到图1，第二转子20包括第二连接部24，第二连接部24适于耦接至第二待测物体的驱动轴。如果待测扭矩是从第一待测物体传递给第二待测物体，则该驱动轴是第二待测物体的输入轴。如果待测扭矩是从第二待测物体传递给第一待测物体，则该驱动轴是第二待测物体的输出轴。

在一些实施例中，如图1所示，装置1还包括外壳50，第一转子10和第二转子20可以分别通过轴承51和轴承52连接至该外壳50，从而实现转子的牢固安装。在一些实施例中，第一转子10可以通过轴承53连接至第二转子20，以使得第一转子10和第二转子20能够相对旋转。

本公开的实施例还涉及一种用于测量扭矩的系统。该系统包括上文描述的用于测量扭矩的装置1以及耦接至该装置1的控制器。该控制器被配置为从第一传感器30和第二传感器40接收并识别第一角度和第二角度，并基于第一角度和第二角度确定扭矩。在一些实施例中，可以基于第一角度和第二角度之间的差值来确定待测量的扭矩。在一些实施例中，该控制器可以是位于装置1外部的各种计算装置，例如单片机、芯片或计算机，等等。在另一些实施例中，该控制器还可以集成在装置1上。

本公开的实施例还涉及一种用于测量扭矩的方法。该方法包括：从第一传感器30接收并识别第一转子10的第一角度；从第二传感器40接收并识别第二转子20的第二角度；以及基于第一角度和第二角度，来确定待测量的扭矩。应该理解的是，这里描述的方法可以结合上文描述的用于测量扭矩的装置1和系统一起使用，该装置1和系统的具体特征可以被结合到方法的各个步骤中。出于简洁的目的，该方法的更多细节在此不做赘述。

相比于现有的设计，本公开的实施例巧妙地提出了一种利用两个转子之间的相对角度来测量待测物体之间的扭矩的测量装置以及相应的系统和方法。这种扭矩测量装置可以方便地实施并且使用寿命更长。这样可以在确保精确的测量结果的前提下有效地控制测量装置的成本，从而能够得到较大的推广。

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