[发明专利]磁致弹性扭矩传感器的制造

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造磁致弹性扭矩传感器的方法。更具体地说，本发明涉及制造一种具有换能器环的磁致弹性扭矩传感器，该换能器环在镀覆工艺中附加在一基底上。

背景技术

常规的非接触式扭矩传感器包括支撑在一轴上的磁致弹性环。在该磁致弹性环中形成一种单轴的、沿周向的应力各向异性，这导致一种沿周向的磁性各向异性，从而该换能器元件倾向于在该磁致弹性环内形成一种沿周向的磁场。该周向磁场响应于由施加至该轴的扭矩所导致的表面剪切应力而扭曲。测量磁场扭曲的量和方向，并且提供一个值来表示所需的扭矩测量结果。

制造扭矩传感器的常规方法包括将一正磁致弹性材料环压制到一磁惰性轴(magnetically inert shaft)上。该轴包括一锥度，使得该环至该轴的压配合将产生所需的周向拉伸或者说“环向应力”。该周向拉伸形成了一易磁化轴，从而有助于该周向磁场的稳定性。该环和该轴之间的压配合对这些扭矩传感器的性能和精度来说是一种限制因素。该轴和该环之间的任何滑动或相对运动都会错报该扭矩的真实读数，并且造成任何扭矩测量的零点漂移。

对将环连接到轴上的压配合的一种已知改进包括：使用诸如热喷涂或动力金属喷涂的技术来将磁致弹性材料(尤其是镍)施加到非铁磁性不锈钢基底上。该磁致弹性材料所需的应力各向异性是这样来提供的：在施加该磁致弹性材料期间，向该基底施加轴向载荷和热量。一旦施加好了，则将该基底冷却，并释放该载荷。这导致在该磁致弹性材料上形成轴向拉伸应力和沿周向的环向压缩应力，从而形成所需的磁场。然而，这样一种制造方法是难于控制的，需要使用昂贵的不锈钢基底，并且在热喷涂工艺中浪费了太多的磁致弹性材料。

相应地，希望研制一种制造磁致弹性扭矩元件的方法，该方法使用不太昂贵的材料并且更加可靠。

发明内容

一种按照本发明制造的示例性磁致弹性扭矩传感器包括磁致弹性材料环，该磁致弹性材料环镀覆到非铁磁性基底轴上。由非磁性材料(诸如不锈钢、黄铜或钛)制成的该轴提供了一基底，该基底对于该磁性换能器材料来说是磁惰性的。在对该轴进行镀覆期间，该基底轴处于不受应力状态下。该镀覆工艺形成了一种非常高的环到轴的附着强度。这种高的环-轴附着强度改善了该扭矩传感器的工作，并且降低了磁滞以及通常造成传感器失效和恶化的其它情况的出现。

如果所选的用作换能器的该磁致弹性材料是正磁致弹性材料，诸如大多数钢合金，那么该所需的应力各向异性是这样的：该换能器材料具有轴向压缩应力以及周向拉伸应力。相反，负磁致伸缩材料(诸如镍或钴以及它们的合金)需要轴向拉伸应力以及周向压缩应力。当完成该镀覆工艺时，在适当的方向上对该基底轴轴向施压至一屈服点，该屈服点造成该轴的轴向尺寸的永久改变。该永久轴向变形也造成该轴的直径的改变，这又在所镀覆的换能器环上造成周向应力，从而在该材料内形成所需的应力各向异性。

与使用热施加工艺不同，电镀工艺是一种化学镀覆工艺，其产生一种具有高度均匀性、低孔隙率和高强度的表面。该镀覆工艺实际上对环材料没有任何浪费。而且，该环到轴的附着强度远高于任何其它的已知扭矩制造技术。

相应地，本发明的该方法制成一种用于扭矩传感器的磁致弹性元件，其以低成本和高耐用性改善了该基底与该磁致弹性材料环之间的附着。

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

图1是本发明的示例性扭矩元件的透视图。

图2是本发明的示例性扭矩元件的镀覆步骤的示意图。

图3是用于本发明示例性扭矩元件的一个制造步骤的示意图。

图4是按照本发明的另一制造步骤的示意图。

图5是本发明制造扭矩元件的另一示例方法的示意图。

图6是本发明制造扭矩元件的另一示例方法的示意图。

图7是按照本发明的示例性扭矩传感器的示意图。

具体实施方式

参见图1，一种扭矩元件10包括轴12和磁致弹性镍环14。该磁致弹性环14被镀覆在轴12上，施加在轴12上的扭矩造成该磁致弹性环14上的扭转应力。该磁致弹性环14具有一种应力各向异性，其在轴向方向上存在拉伸应力，而压缩应力绕该轴12沿周向布置。

该周向应力或者说环向应力促进了具有周向磁通线的磁场的形成。可以认识到，这些周向磁通线响应于施加至轴12上的扭矩而发生扭曲。测量该扭曲来确定扭矩。该磁致弹性环14包括镀覆在轴12上的镍材料。该轴12由非磁性不锈钢制成。