用于磁阻式传感器的磁通量增强器系统的制作方法
【专利摘要】提供了用于磁阻式分解器的磁通量增强器系统和具有磁通量增强器系统的电磁角度传感器。电磁角度传感器具有定子(210)和转子(115)，所述转子被旋转轴线旋转地支撑在定子上并通过间隙与定子隔开，定子具有适于产生延伸越过间隙直至转子的磁通量分布的至少一个磁场发生装置(220)和适于检测由转子的旋转导致的磁通量分布的变化的至少一个磁场检测装置(220)。电磁角度传感器包括磁通量增强器(230)，该磁通量增强器适于被定位在至少一个磁场发生装置的面对转子的一侧上并且适于集中沿着大致垂直于旋转轴线的径向方向的、所产生的越过间隙的磁通量分布。
【专利说明】用于磁阻式传感器的磁通量增强器系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及基于对由转子相对于定子线圈的旋转导致的电动力和磁阻的变化的检测而检测转子部分的角位置和/或角速度的磁阻式角度传感器，更具体地，本发明涉及磁通量增强器系统以及具有磁通量增强器系统的电磁角度传感器，其通过减少由于出现在定子和转子之间的剩余和临时极隙而造成的发散磁通量的损失，增强定子与转子之间的磁通量。
【背景技术】
[0002]用于确定旋转轴或转子的角速度和/或角位置的诸如分解器(resolver)和同步器之类的磁阻式角度传感器在现有技术中是已知的。这些类型的传感器可基于应用而采取不同的形式和设计。
[0003]常用的类型包括定子和转子，该转子可围绕同心轴线相对于定子旋转并且气隙将其与定子隔开。定子包括用于产生延伸越过气隙直至转子的磁通量分布的磁极或励磁线圈，磁通量分布在气隙中的强度在当转子相对于受激的定子旋转时产生变化。磁通量的变化引发由可测相位受控的电磁力，该电磁力能够被例如传感绕组或线圈检测。转子(具有旋转轴)相对于定子的角位置可通过分析检测到的信号的相位而获得。
[0004]这种类型的角度传感器下包括有所谓的无源磁阻分解器，在该无源磁阻分解器中，励磁和传感线圈根据预定的绕线方案缠绕在定子上。磁通量的变化通过使用具有非规则外形的、由软磁性材料制成的转子来实现，其中所述非规则外形例如在面向定子的表面上设置有凸耳(lobe)或凹痕。当转子旋转时，产生了气隙的变化以及因此产生转子和相对的定子之间的磁阻的变化。特定的绕线方案允许励磁和传感线圈被不同地影响，并且因此从该变化引发的电动电压得到转子的角位置。
[0005]图1示出了传统的同步器-分解器的分解图。
[0006]同步器-分解器100包括适于安装到安装结构上的凸缘110，比如框架(未示出)。转子本体120和转子本体125刚性地附接到的轴125构成的组件所形成的转子115被保持在位，其中间隔环130、簧环135、轴承140和E形夹具150设置在转子轴125 —侧，第二轴承140设置在相反侧。转子轴125与原动机(未示出)接合。在操作期间，转子轴125，也称为从动器，随着原动机围绕旋转轴线Z自旋。内盖160密封转子115并且提供保护性遮盖，以避免甚至具有高压的任何侵害性流体的任何溢出/渗透，由此用作密封装置。
[0007]同步器-分解器100进一步包括定子170，其传统地根据需要在转子上产生的磁力而由包括数量“N”个磁极175(在示出的示例中，N = 12)的堆叠叠片形成。
[0008]外盖180提供了防止可能影响磁阻式分解器100的性能的所有外部环境因素的气密密封。
[0009]定子磁极175沿着定子的内周设置在规则空间处，并向内朝着转子轴线Z径向地突出。用于产生磁场的励磁线圈或绕组以及用于检测由转子的旋转引发的电磁力的传感线圈被缠绕在磁极175 (未示出)上。每个磁极的缠绕都根据预定的缠绕方案适合地完成。[0010]数量和绕线方案取决于具体的应用，比如同步器-分解器期望的分辨率、检测的角速度的范围等，并且以使得输出的电动力分解为对应于转子轴的角位置的相应的正弦和余弦波的方式完成。用于检测转子的角位置的具体的绕线方案的示例在文件W02010/130550以及其中所引用的文献中被完整地描述，因此不在这里进行详细的描述。
[0011]文件W02010/043586A2描述了无源磁阻分解器的另一个示例，在该分解器中，磁通量的变化由规则形状的转子中的磁质量的分布产生。所谓的半磁转子的本体一半是由软磁性材料制成的磁性半部，而另一半是由非磁性材料制成的平衡半部。磁性半部和平衡半部被设计为比如在相对于转子的旋转轴线倾斜的平面连结在一起。磁质量的分布为使得能够在转子旋转时产生磁通量的正弦变化。
[0012]对于两种转子的变体，受激的定子产生磁场，该磁场越过气隙延伸至转子并且其分布在转子上。因而，作用在转子上的磁力是磁阻式角度传感器的角度测量的精确性的决定性因素之一。
[0013]然而，当定子产生与转子相互作用的磁场的励磁时，存在大量的由于出现在定子和转子之间的剩余间隙和临时极隙而没有被利用的磁通量。特别地，由于围绕转子端部、极隙等的发散场，一定量的所产生的磁通量被损失，这导致由于磁通线的发散而引起作用在转子上的有效磁力的损失。此外，由于自感，围绕定子的每个磁极还可形成涡电流。
[0014]由于没有用于补偿由于转子表面上的发散场和横过角落和极隙的溢出而造成的磁通量损失的系统，所以在转子上致动的所产生的磁通量的大小受到限制。
[0015]虽然定子线圈中更高的电流可用于产生更高强度的磁通量，但是其劣势在于更多的能量被消耗用于产生所需要的输出。此外，如果没有其他机构用于抵消发散的磁通量的损失，则通过在定子线圈中增加的安培-匝数达到的改善可仅为微不足道的。
[0016]这些因素导致作用在转子上的有效的磁力的损失。因此，需要能够减少由于围绕定子的各极和转子表面的发散磁场、涡电流等的形成而导致的作用在转子上的有效的磁力的损失的技术。
[0017]这使得考虑有效地使用所产生的磁通量从而最小化需要用于定子的励磁的能量以及提高转子场与定子场的相互作用而导致的磁场矢量的分辨率的技术。
【发明内容】
[0018]本发明旨在克服现有技术的劣势和缺陷并且本发明的一个目的是提供用于电磁角度传感器的磁通量增强器系统以及使用磁通量增强器系统的电磁角度传感器。在磁通量增强器中，定子产生的磁力由于围绕转子和定子的每个磁极的发散的磁场、电流等的形成而导致的损失被有效地降低。
[0019]本目的通过独立权利要求的主题解决。本发明的有利实施例由从属权利要求限定。
[0020]根据本发明，提供了一种具有定子和转子的电磁角度传感器，转子由旋转轴线可旋转地支撑在定子上并且间隙将转子与定子隔开，定子具有适于产生延伸越过间隙的磁通量的分布的至少一个磁场发生装置以及适于检测由转子的旋转导致的磁通量分布的变化的至少一个磁场检测磁装置。电磁角度传感器包括适于被定位在至少一个磁场发生装置的面对转子的一侧上的并且集中沿着大致垂直于旋转轴线的径向方向的、越过间隙的所产生的磁通量分布的磁通量增强器。
[0021]本发明还提供了用于磁阻式传感器的磁通量增强器系统，所述磁阻式传感器具有定子和被旋转轴线可旋转地支撑在定子上且通过间隙与定子隔开的转子，定子产生延伸越过间隙的磁通量的分布并且检测由转子的旋转导致的所产生的磁通量的变化，磁通量增强器系统包括适于被定位在定制的至少一个磁场发生装置的面对转子的一侧上并且集中沿着大致垂直于旋转轴线的径向方向的、越过间隙的所产生的磁通量分布的磁通量增强器。
[0022]通过在定子的磁极上使用由磁性材料制成的磁通量增强器，本发明允许整理围绕每个磁极的磁通线。每个磁极上的磁通量的总和导致产生的磁场的更好的均质化以及增强作用在转子上的有效磁力的、围绕转子区域的被集中的通量。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]附图被包括于此并且形成说明书的部分以用于说明本发明的原理。附图并不被理解为将本发明仅限制在所示出和描述的本发明是如何形成并使用的示例。
[0024]其他的特征和优势根据下述对如附图中示出的本发明的更具体的描述而将变得明显，其中:
[0025]图1示出了传统的同步器-分解器装置的分解图；
[0026]图2示出了具有根据本发明的磁通量增强系统的电磁角度传感器的分解图；
[0027]图3示意性地示出了安装有根据本发明的磁通量增强的系统的定子的细节；
[0028]图4示意性地示出了根据本发明的电磁角度传感器的绕线方案；
[0029]图5示意性地示出了图2示出的完全组装的电磁角度传感器的沿着转子的旋转轴线Z的剖面图(左图)；右图示出了有锯齿形边缘的(serrated)转子的主视图；
[0030]图6示意性地示出了沿着具有根据本发明的磁通量增强器系统和半磁转子的电磁角度传感器的旋转轴线截取的剖面图(左图)；右图示出了半磁转子的主视图。
[0031]图7示出了没有由于定子磁极处的磁场线的发散而造成的磁力损失的理想电磁角度传感器的、作为旋转角度的函数的、传感线圈处的感应电压的变化的图表；以及
[0032]图8示出了在部具有磁通量增强器(左图)和具有帮助补偿舍入(round off)误差的根据本发明的磁通量增强器(右图)的情况下的、由实际的电磁角度传感器所得到的由于对磁极上的匝数的舍入而造成的角度误差(匝数对以度数表示的旋转角度)的比较。
【具体实施方式】
[0033]根据本发明构成的磁通量增强器系统的有利实施例和具有该磁通量增强器系统的电磁角度传感器将在以下通过参考附图来进行描述。
[0034]图2示出了根据本发明的电磁角度传感器的分解图。
[0035]与参考图1描述的现有技术的同步器-分解器100类似，电磁角度传感器200具有安装到框架(未示出)上的凸缘110。转子本体120是安装在连接到原动机(未示出)的转子轴125上的、具有锯齿形边缘的毂。转子本体120和轴125与间隔环130、簧环135、轴承140和E形夹具150保持在适当位置。内盖160密封转子并且提供保护性遮盖，以避
免甚至具有高至110巴的高压的任何侵害性流体(比如，SKYDROLx )的任何溢出。
[0036]定子由包括多个(或至少一个)凸出部或磁极215(在示出的实施例中，12个磁极)的堆叠叠片210形成。
[0037]根据本发明，堆叠叠片部分的每个磁极215安装有承载绕组的线轴220，和用作磁通量增强器的磁夹具230。
[0038]然而，可以想象励磁和传感线圈直接地缠绕在定子磁极215上而不是设置为分立的线轴220的构造。在本例中，磁通量增强器被定位从而在磁极215的面对转子的侧240处端接每个励磁和/或传感绕组。
[0039]线轴220用作磁场发生装置或励磁线圈，用于生成延伸越过间隙并且在转子上致动的磁通量的分布。作为附加或替代，线轴220可用作检测由转子的旋转导致的磁通量分布的变化的磁场检测装置或传感线圈。
[0040]当转子随着原动机旋转时，线轴220由于转子的旋转产生的电动力而受激。转子和定子构造成使得对转子的相对旋转运动所导致的电磁力的调制被分解以获取对应于转子的角位置的相应的正弦和余弦的输出电压。产生的信号能够被绘出以获得原动机轴的角位置。
[0041]本发明的技术在于补偿线轴220或励磁线圈产生的剩余通量从而集中在转子上生成的磁力。
[0042]图3示意性地表示了每个磁极215上安装有根据本发明的磁夹具230和线轴220的定子的细节。
[0043]每个线轴220被缠绕在特定的支撑件250上，该支撑件被塑形从而被装配到定子磁极215，由此将线轴220纵向轴线沿着定子的径向方向，也就是说，沿着与转子的旋转轴线Z的大致正交的方向对齐。
[0044]替代直接地将线圈缠绕在定子磁极215上，使用线轴220帮助将绕组包括在限制区域中，而独立于绕组匝数的数量，这有助于磁夹具230在每个磁极面240处的定位。
[0045]磁夹具230被定位在磁极面240，也就是，在线轴220面对转子120 (未示出)的侦牝从而集中所产生的越过间隙的沿着径向方向的磁通量分布。具体地，确定磁夹具230的尺寸使得其大致盖住线轴220面对转子的边缘260，并且至少部分地沿着线轴边缘260的周围延伸从而提供能够通过集中从线轴220发出的磁通线而增加在磁极215的径向方向上的磁通量的密度的磁环。
[0046]优选地，磁夹具230设计有大致符合磁极面240的外径的弯曲的圈形，并且大小被确定为卡入磁极面240或者磁极215面对转子的端部部分中，并且防止线轴220的径向移位。磁夹具230因此也用作将线轴220保持在适当位置的紧固装置。磁夹具230优选地塑形有开口端部270从而增加其柔性并且有助于其插入在磁极面240处的适当位置以及如果需要的话，允许磁夹具230被容易地移除。可在磁极面240或磁极215的端部与磁夹具230之间留出一定距离以增加组件的稳定性。
[0047]磁夹具230可由铝镍钴合金(alnico)或任何等同的磁性材料制成。基于选择的磁性材料、期望的通量增强的程度以及角度传感器具体的构造而选择磁夹具230的厚度。
[0048]磁夹具230通过整理每个磁极面240上所有发散的磁通量以及通过总和发出并经过每个定子磁极215的所有磁通线而用作磁通量增强器。因此，发散的磁通量的损失能够被避免并且在转子上致动的有效的磁力的大小能够被增强。
[0049]磁夹具230还帮助吸收由于自感而由涡电流所导致的任何杂散场，由此避免了在磁极面处的剩余的噪音和损失。在某种程度上，磁夹具有效地缩窄了通过将它们整理在一起而产生的所有通量，并且使得其干净并且没有任何杂散磁场。
[0050]在示出的实施例中，分立的线轴220被装配到定子的每个磁极215上。然而，可以想象仅一个或一组可用的磁极215设置有线轴的其他构造。
[0051]此外，线轴220可方便地包括用于产生磁场的励磁线圈和用于信号还原的传感线圈两者，它们相互联结到相同的线轴220上。
[0052]线轴220之间的电连接符合预定的绕线方案。
[0053]图4示出了沿着定子的回环电连接线轴220的绕组的方案。
[0054]根据示出的连接方案，磁极I处的线轴220-1的励磁绕组410以串联的方式连接到磁极2处的邻近的线轴220-2的励磁绕组415，使得励磁绕组410的端部连接相邻的磁极处的励磁绕组415的起点并以此继续，由此由定子的N个磁极本身(在示出的示例中为12个磁极)完成了围绕定子的N个磁极的回环。类似地，线轴220-1的传感绕组420以串联的方式与磁极2处的线轴220-2的邻近的传感线圈425接线，其中所述传感线圈425本身以串联的方式与围绕定子的其他传感线圈连接。
[0055]可以基于角度传感器的具体的应用和需求设想不同的绕线方案。例如，励磁线圈和传感线圈可设置在分立的线轴上，从而基于具体的传感器设计而将它们被布置在定子的不同的磁极215上。此外，励磁线圈和/或传感线圈的数量可以是不同的。特别地，可以设想不是定子的每个磁极215都设置有具有励磁线圈和/或传感线圈的线轴220的构造。
[0056]本发明的磁通量增强器系统可被方便地应用到基于与上述相同的工作原理以及具有定子和/或转子的其他构造的其他构造的磁阻式分解器。
[0057]分立的线轴220的绕组之间的电连接可通过电连接盘来实现，所述电连接盘具有用于穿过每个线轴220的端部电线的孔并且根据具体的连接方案具有对用于相互连接邻近的线轴的、孔之间的电连接通路的具体设计和/或具有电源和测量装置。
[0058]本发明可方便地用于具有其中转子本体的面对定子的外表面具有非规则的形状的转子变体的电磁角度传感器中，比如上述的在面对定子的表面上具有锯齿形的单个毂120，并且可方便地用于具有在图5和6中分别示意性地示出的带有具有平衡半部120b和磁性半部120a的半磁转子的转子变体的电磁角度传感器中。本发明的磁通量增强器系统可仍然方便地用于不同于在此示出的定子形状和/或转子变体。
[0059]对在使用招镍钴合金8和波曼诺铁镍合金(Permenorm)作为磁夹具230的磁性材料的转子上致动的磁力进行了模拟研究。用于模拟研究的电磁角度传感器的其他组成部分的材料是用于定子叠片以及转子的波曼诺铁镍合金5000H2以及用于轴、凸缘、外盖以及内盖的不锈钢。对半磁转子变体的模拟研究得到了相似的结果，选择用于平衡半部的材料依旧是不锈钢。用于该模拟研究的工具是设计探索(design discovery)版本14。
[0060]表I示出了对于在线规25(美国线规(AWG))下的1000安培-匝数的假设磁场，在使用铝镍钴合金8作为磁夹具230的磁性材料的情况下获得的模拟结果。
[0061]在磁夹具和转子不同的相对位置，以及在没有使用磁夹具的情况下，对由励磁电流和励磁线圈的绕组的数量限定的每个磁极的磁力、总磁力和增益进行了模拟。
[0062]术语平行对于相对位置而言指的是磁场南边的极，垂直指的是磁场北边的极。
[0063]表I和2中的磁力的负值并没有任何定量的影响，它们仅指的是磁通量矢量沿着与没有磁通量增强器夹具的情况下的方向相反的方向。
[0064]表1:在铝镍钴合金8制成的磁夹具的情况下对作用在转子上的磁力的模拟结果
[0065]
【权利要求】
1.一种电磁角度传感器，其具有定子(210)和转子(120、120a-120b)，所述转子(120、120a-120b)被旋转轴线(Z)可旋转地支撑在所述定子(210)上并通过间隙与定子隔开，所述定子(210)具有适于产生延伸越过所述间隙的磁通量分布的至少一个磁场发生装置(220)，以及适于检测由所述转子(125)的旋转导致的磁通量分布的变化的至少一个磁场检测装置(220)，所述电磁角度传感器包括: 磁通量增强器(230)，其适于被定位在所述至少一个磁场发生装置(220)面对所述转子(125)的侧上并且适于集中沿着大致垂直于旋转轴线(Z)的径向方向的、所产生的越过所述间隙的磁通量的分布。
2.如权利要求1所述的电磁角度传感器，其中， 所述定子(210)包括沿着径向方向的至少一个凸出部(215)，用于布置所述至少一个磁场发生装置(220)和所述磁通量增强器(230)。
3.如权利要求1或2所述的电磁角度传感器，其中所述磁通量增强器(230)的尺寸被确定为大致覆盖所述磁场发生装置(220)面对所述转子(125)的边缘(260)。
4.如权利要求1至3的任一项所述的电磁角度传感器，其中 所述至少一个磁场发生装置(220)设置在适于装配到所述凸出部(215)上的分离的线轴上,并且 所述磁通量增强器(230)适于避免线轴的径向移位。
5.如权利要求4所述的电磁角度传感器，其中所述至少一个磁场发生装置(220、415)和所述至少一个磁 场检测装置(220、425)两者根据预定的绕线方案而被设置在相同的线轴上。
6.如权利要求2至5的任一项所述的电磁角度传感器，其中所述磁通量增强器(230)是适于卡入所述凸出部(215)的磁夹具。
7.如权利要求2至6的任一项所述的电磁角度传感器，其中磁通量增强器(230)具有敞开的端部(270)，该端部适于允许磁通量增强器(230)可移除地卡入所述凸出部(215)。
8.如权利要求1至7的任一项所述的电磁角度传感器，其中所述磁通量增强器(230)由磁性材料制成。
9.如权利要求8所述的电磁角度传感器，其中所述磁性材料是铝镍钴合金和波曼诺铁镍合金中的一种。
10.如权利要求1至9的任一项所述的电磁角度传感器，其中所述转子(125)是由铁磁材料制成的具有锯齿形边缘的转子(125)或半磁转子(125)。
11.如权利要求2至10的任一项所述的电磁角度传感器，其中: 所述至少一个磁场发生装置(220)和所述至少一个磁场检测装置(220)设置在相同的凸出部(215)上,并且 所述磁通量增强器(230)设置在所述转子(125)和所述磁场发生装置(220)与所述磁场检测装置(220)之间。
12.如权利要求1所述的电磁角度传感器，其中所述定子(210)包括沿着径向方向的、用于布置所述至少一个磁场检测装置(220)的第二凸出部(215);并且 进一步包括布置在所述第二凸出部(215)上且定位在所述磁场检测装置(220)与转子(125)之间的第二磁通量增强器(230)。
13.如权利要求1至12的任一项所述的电磁角度传感器，其包括多个磁场发生装置(220)和多个磁通量增强器(230)，每个磁通量增强器(230)定位在相应的磁场发生装置(220)面对转子的侧上并且适于集中沿着径向方向的、由相应的磁场发生装置(220)产生的磁通量分布。
14.一种用于具有定子(210)和转子(120、120a-120b)的磁阻式传感器的磁通量增强器系统，所述转子被旋转轴线(Z)可旋转地支撑在所述定子(210)上并且通过间隙与定子隔开，所述定子(210)产生延伸越过所述间隙的磁通量分布并且检测由所述转子(120、120a-120b)的旋转导致的所产生的磁通量的变化，所述磁通量增强器(230)系统包括: 磁通量增强器(230)，其适于定位在所述定子(210)的磁场发生装置(220)的面向转子(125)的侧上并且集中沿着大致垂直于旋转轴线(Z)的径向方向的、越过所述间隙的所产生的磁通量的分布。
15.如权利要求13所述的磁通量增强器，其中 所述磁场发生装置(220)是布置在沿径向方向朝所述转子(125)突出的凸出部(215)上的分立的线轴， 所述磁通量增强器(230)是适于卡入所述凸出部(215)并且避免线轴的径向移位的磁夹具。`
【文档编号】G01D5/20GK103890546SQ201280052319
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年10月16日 优先权日:2011年10月24日
【发明者】P.维莱亚奈肯, D.科纳德卡 申请人:泰科电子连接印度私有有限公司