磁致伸缩转矩传感器制造技术

一种磁致伸缩转矩传感器，用以在使轴表面上产生磁导率变化的基础上以电的量值无接触检测加在旋转轴上的转矩。设法在旋转轴表面上形成很小凹痕所造成剩余压应力的保持区。根据这种处置，在旋转轴上加上激磁磁场和转矩所产生的磁化过程包含有由磁畴壁的位移所造成的低磁化，但主要是可逆磁旋，因而减小了磁化过程中的磁滞。较小的磁滞导致转矩检测中的低磁滞和高灵敏度，从而取得转矩检测的高精度。（*该技术在2009年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无接触检测加在旋转轴上的转矩传感器，这种检测是基于旋转轴表面上磁导率的变化。为无接触检测施加在电动机、工具机和汽车等所用旋转驱动系统中旋转轴上的转矩，广泛地采用着磁致伸缩转矩传感器，在这种传感器中将一交变磁场加在轴的表面上，以便在旋转轴上加上转矩时以电的量值测出轴表面上所产生的磁导率变化。一种已知的磁致伸缩传感器是由一磁头系统构成的，其中将具有开端磁路型铁蕊(如U形铁蕊)的绕组(磁头)靠近旋转轴用作激磁和检测工具，从而测出轴表面上由加在轴上的转矩所引起主应力方向上磁导率的变化，此主应力方向相对于轴的轴线成±45°角(《科学仪器评论》第25卷第6期，1954年6月出版，“旋转轴内转矩的磁测法”)。另一种已知的螺线管系统可使旋转轴的表面具有单轴磁性异向性，也就是易磁化轴线的方向相对于旋转轴的轴线方向成一倾斜角，而且使具有磁性异向性的轴段附近也具有这种性能，因此，可将一激磁螺旋管(激磁线圈)和一用以检测磁导率变化的螺线管(检测线圈)置于轴的周围，从而可以测出由所加转矩引起的磁导率轴向变化(《电气与电子工程师协会会报》磁学部分，MAG-18，No、6，1769，1982“采用应力敏感非晶体带材的新型转矩换能器”)。在这种螺线管系统的转矩传感器中用以使旋转轴表面具有磁性导向性的方法在日本所公开的专利No63-252487中已有简述，例如，用激光淬火在轴的表面上沿相对于轴的轴线方面成一角度的方向造成相互平行的带状硬化区以产生剩余应力，由于应力的作用，就可使轴表面具有磁性异向性。在其它的已知方法中，如日本专利No、16932所述，用滚轧或其他方法在轴表面上造成许多相互平行的螺旋形凹槽，由于凹槽的构形效应，可使轴表面具有成形的磁性异向性。由作用在旋转轴上的外加磁场和(或)应力所引起的铁磁材料自然磁化的变化包含着由于磁畴壁移动所引起的磁化过程和伴随磁畴壁移动的旋转磁化所引起的磁化过程。由于旋转磁化所引起的磁化过程主要是可逆的。由于磁畴壁移动所引起的磁化过程包含着可逆磁化过程和不可逆磁化过程。除非外加磁场和(或)外加应力极小或很大，由于磁畴壁移动所引起的磁化过程是不可逆的。这是由于磁畴壁移动受到铁磁材料中同时存在的徽细外来物质(杂质)、晶界、晶格缺陷等的阻碍。与可逆磁化过程不同，包含有明显不可逆的磁畴壁移动的磁化过程就包含着磁滞现象。在实际的转矩传感器中，加在旋转轴表面上的磁场通常都是很徽弱的(一般不超过10Oe)，因此，在由高强度软磁性材料(矫顽磁力HC约10～20Oe)所制普通旋转的表面上进行的磁化过程主要是电磁畴壁移动所引起的不可逆磁化。因此，磁滞在磁化过程中是不可避免的，在磁化过程中产生的磁滞现象在转矩传感器的检测特性曲线中也会作为磁滞现象反应出来，因此不利于转矩检测的精度。在旋转轴的表面上还是存在着不少缺陷的，如在加工和成形加工凹槽阶段中产生的凸纹和发裂，尽管这些缺陷还是比较小的。这些细徽的缺陷就会引起转矩检测特性曲线中的磁滞现象或引起灵敏度的下降。由于重复地加上转矩所产生的旋转轴材料的疲劳现象和由于加上较大转矩所产生的晶间滑移也会增大转矩检测中的磁滞和降低检测的灵敏度。本专利技术的目的是将旋转轴表面上的磁化过程转变为磁滞倾向小，且主要为旋转磁化的磁化过程，并消除轴表面上的一些细小缺陷和提高轴表层内晶间滑移的阻力，从而减小转矩检测特性曲线中可能出现的磁滞，并取得较高的检测灵敏度。为达到上述目的，本专利技术提供一种磁致伸缩转矩传感器，在这种传感器中将激磁磁场加在旋转轴预定区表面上形成的磁性异向区上，以便用磁性检测仪以电的量值无接触检测加在旋转轴上的转矩在磁性异向区内所产生的磁导率变化，其特征为在旋转轴表面上包括磁性异向区在内的整个预定区内形成在整个区域内大体上均匀分布的许多细小凹痕和由细小凹痕造成的剩余压应力保持区。旋转轴表面上的细小凹痕是通过喷丸处理形成的，即采用细粒硬质生铁丸和铸钢丸，用压缩空气或离心力使其向轴表面喷射，或用滚压或压花方法，即用表面上具有很多细小突起的滚压成形工具向轴表面进行滚压(在必要的部分作反复滚压)。在铁磁材料表面上的细小凹痕对围绕凹痕平行于剩余拉应力的磁畴起有稳定作用，在形成凹痕时所产生的剩余应力会围绕凹痕形成磁畴稳定区。已知在外加磁场或应力作用在轴上的情况下，在自然磁化的变化过程中在凹痕周边区域内不易产生磁畴壁移动，且这一区域的磁化主要是可逆旋转磁化过程(日本朝仓(AsaKura)出版公司1975年出版《磁性材料手册》第895页)。因此，在转轴表面上密布有细小凹痕的区域，通过外加激磁磁场和转矩所产生的磁化过程不同于无细小凹痕时的情况，也就是这种磁化过程基本上无由磁畴壁引起的磁化，而主要是可逆的旋转磁化，其结果是在磁化过程中的磁滞减小。由于细小凹痕减小了磁滞，将上述区域作为激磁检测区域的转矩检测在其检测特性曲线上所显示的磁滞是很小的。经过机械加工和凹槽成形加工，在旋转轴的表层散布有很多细小缺陷，为在机械加工和凹槽成形加工过程中造成的凸纹和发裂等，上述这些缺陷可能是造成磁滞增大和检测灵敏度降低的原因。但是，由于在轴表面上所形成的细小凹痕减少或消除了上述细小缺陷，就使转矩检测显示出较小的磁滞和较高的灵敏度。在采用喷丸处理时这种效果特别明显。在采用滚压工具进行滚压和压花并反复进行时可取得很好的结果。在旋转轴表面上散布有许多细小凹痕的区域内具有因形成凹痕而压实的金属结构。在凹痕的形成过程中所产生的冷作硬化，使轴的表层相当坚硬，表层的压实和硬化也有利于加强抗疲劳性和表层的抗晶间滑移性，从而减小转矩检测特性曲线中的磁滞。对旋转轴表面预定区内细小凹痕的加工可在对旋转轴进行所需热处理，为渗碳和回火后进行，或者，在使旋转轴表面具有单轴磁性异向性的场合下，可在磁性异向处理之后进行凹痕的加工，在用滚压或压花法在轴表面上加工螺旋槽的场合下，可用表面上具有很多突起的滚压工具(模具)进行加工，这样，可同时形成螺旋槽和细小凹痕。轴表面上的细小凹痕可不必严格地作有规则的分布;对这些细小凹痕只需作大体上均匀的分布。各凹痕的直径一般可在0.1至1mm左右。凹痕在表面面积上的复盖率(凹痕所占面积相对于预定区域表面面积的百分率)以不小于70%为宜，最好不小于90%。细小凹痕的深度以不大于0.1mm为宜;没有必要采用更大的深度。考虑到将具有常用激磁电流的频率(约10KHz至50KHz)加在轴表面上时磁力线所需轴内通路的深度(表层深度)大致在0.1mm以下，因此，作为磁路完全可以采用具有上述细小凹痕所具效果的轴表层而使细小凹痕的深度大致在0.1mm以下。本专利技术旋转轴的材料没有什么特别的限制。因此，可采用各种不同的材料，如碳钢、铬合金钢、镍铬合金钢、铬钼合金钢、镍铬钼合金钢和马氏体时效钢。对旋转轴表面进行激磁和对磁导率变化进行检测的系统可以是沿旋转轴外圆同心绕制的螺线管系统，或是将绕组置于U形铁蕊上的磁头系统。为进行激磁和检测可采用任何构造的电路。在下面所简述的实施例中，在螺线管系统的转矩传感器中，将螺旋槽设于旋转轴表面以形成单轴磁性异向性，并使螺旋槽的倾斜方向构成一个易磁化轴线，当然，还可通过任何其他适当的方法来形成这种单轴磁性异向性。例如可在轴的圆周上以一定间距通过激光淬火形成许多与轴线方向成角度倾斜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁致伸缩转矩传感器，其中，将一激磁磁场加在一旋转轴预定区表面上的磁性异向区上，从而以电的量值无接触检测出由加在旋转轴上的转矩所产生的磁性异向区内磁导率的变化。其特征为：设法在旋转轴表面上具有磁性异向区的预定区域内形成细小凹痕所产生的 剩余压应力保持区，并使其基本上均匀地分布在这一区域内。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：石野连信郎，吉村茂夫，柴田良雄，
申请(专利权)人：久保田铁工株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]