CN101459371B - 具有用于识别转子位置的传感器装置的电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有一种用于识别转子位置的传感器装置的电机。这种电机具有定子和转子以及用来检测定子和转子之间的相对位置的传感器装置，其中所述传感器装置设有导通元件和磁传感器元件。传感器元件与转子相距地布置，其中位于传感器元件和转子之间的气隙由导通元件跨接。

Description

具有用于识别转子位置的传感器装置的电机

技术领域

本发明涉及一种具有用于识别转子位置的传感器装置的电机。

背景技术

在DE 10 2005 004 322 A1中描述了一种电机，这种电机由定子和可旋转设置的转子组成，该转子设有传感器装置用来检测转子相对于定子的相对位置。借助于传感器装置可以测定转子的当前角度位置。为此设有霍尔传感器，它能够探测到磁通密度的变化。转子设有转子磁体，其磁场根据转子相对于固定的霍尔传感器的旋转而变化，这可以由霍尔传感器来探测到。按此方式可以测定转子位置和转子转速。

为了改进位置的识别构造有一种由铁磁材料制成的导通元件，该导通元件的任务是导引转子磁体至霍尔元件的磁通，霍尔元件紧靠着导通元件附近布置。铁磁导通元件这里被转子磁体本身的磁场磁化。这种实施方式的优点在于，直接加强在霍尔传感器的位置上磁通密度，霍尔传感器接着产生可靠的测量信号。对于测量信号的干扰，正如它们例如由于定子漏磁而产生的那样，按此方式被减小。

发明内容

由背景技术出发，本发明的任务是改进在电机中转子的位置识别。由传感器装置在电机中所产生的信号能够在通常的运行条件下以高的可靠性被产生。

此任务按照本发明通过一种电机来完成，其具有定子和转子以及用于检测定子和转子之间的相对位置的传感器装置，其中传感器装置包括导通元件和磁传感器元件并通过该导通元件将随转子回转的磁体的磁通引导至传感器元件，其中导通元件为了形成磁轭具有两个伸向转子的极部段以及连接所述极部段的连板，其中传感器元件邻接于连板而定位，其中，传感器元件与转子相距地布置，其中位于传感器元件和转子之间的气隙由导通元件跨接。

对于按照本发明的电机来说是指一种电动机或者也指一种发电机，它具有定子和相对于定子可旋转地支承的转子，其中通过传感器装置来检测在定子和转子之间的相对位置。如果是一种电动机，那么例如可以考虑用作为小型驱动器，尤其在汽车中用于辅助设备，例如汽车冷却循环系统中的水泵。

传感器装置更为有利地包括有铁磁的、必要时软磁的导通元件和传感器元件，其中通过导通元件使随转子回转的磁体的磁通导向至传感器元件。导通元件具有极部段，这些极部段以最小的间距邻接于随转子回转的磁体，其中导通元件的极部段伸向转子上的磁体的相反极，从而通过导通元件形成一种磁轭，用于在这两个相反极之间导引磁通。导通元件的这两个极部段通过连板相互连接，传感器元件位于该连板上。

传感器元件与转子或定子相距地布置，确切地说是这样，即在传感器元件和转子或者在一定条件下为定子之间存在气隙，气隙由导通元件跨接。按此方式可以使传感器元件至转子和至定子有距离地来定位，其中通过导通元件使得在转子旋转时所产生的磁通发生变化导向传感器元件，在传感器元件里尽管有距离但还是能可靠地产生信号。所述距离保护了一般来说对温度敏感的传感器，防止了热影响，这种热影响是由于在定子和在转子里电机的升温引起的。

另一个优点在于装配更简单，且在装配时传感器元件较高的公差不敏感性。此外由于至定子和转子相距地布置，因此在布置传感器元件时就有较大的结构自由度，这是因为通过导通元件的对应的几何形状方面的构造，既可以轴向、又可以径向地跨接到转子和到定子的间距。

按照一种符合目的的改进方案，位于导通元件的极部段之间的连板具有减小的横横截面，因此在连板的部段里有较高的磁通密度，这种磁通密度被邻接于连板布置的传感器元件探测到。位于导通元件的极部段之间的连板的横截面减小，引起了在连板中和因此在传感器元件的位置处的磁通密度的提高。

按照另一种有利的实施方式，导通元件构造成至少近似地为U形，并具有两个伸向转子并相互至少基本上平行的极部段以及连接这些极部段的连板，传感器元件定位于此连板上。原则上可以考虑导通元件相对于电机转子的各种不同的布局。一方面可以布置在横向方向上，此时极部段横交于或径向指向转子轴线，而且与此对应地，连接的连板例如布置成与转子或定子大致相切。按照另一种符合目的的实施方式，U形导通元件的一种轴向布置也在考虑之列中，此时极部段指向轴向方向或平行于转子轴线，而且连接的连板至少近似平行于穿过定子或转子的端面的平面。另外也可以考虑混合形式，也就是极部段既在横向方向上又在轴向方向上都具有一部分的那些结构形式。此外也可以实现导通元件中不同形式的几何形状，例如弯曲的极部段和/或连板、具有弯曲部段的导通元件或者在其他情况下具有三维成型的极部段或连板的导通元件。此外可以将导通元件构造成单件的弯曲的构件，或者按照一种备选方案由多个单个构件组成。

传感器元件更为适宜地布置在电路板上，电路板例如平行于导通元件的连板。传感器元件可以或者直接布置在电路板上(表面组装器件-SMD)，或者通过连接脚或连接腿与电路板连接。最后一种所述的实施方式的优点在于：通过连接脚和由于此而产生的至电路板的附加的间距尽可能广泛地保证了传感器元件的布置可能性。而传感器元件在电路板上的直接定位的特征则在于一种紧凑而费用低的结构形式。

既可以使电路板布置在转子端面和连接了导通元件的极部段的连板之间，也可以使电路板定位于连板之外，也就是说至转子端面的距离比至连板更大。如果是传感器元件和电路板被导通元件的连板围住，那就实现了一种在轴向方向上比较紧凑的结构形式。

按照另一种符合目的的结构形式，导通元件具有与连板相连接的第三极部段，该极部段同样也伸向转子，并在那里在转子侧的磁体的反向极上通入。

作为传感器元件优选使用了霍尔传感器。但也可以考虑其它的磁传感器，例如AMR传感器(各向异性磁阻效应)或者GMR传感器(巨磁阻效应)。

原则上在电机里设有一个转子磁体就足够了，转子磁体产生必需的磁场用于驱动机器。转子磁体的磁场通过导通元件被导引至传感器元件。在一种备选的实施方式中，但也可能适宜的是：设有附加的传感磁体，它同样也与转子固定连接并随转子回转，然而构造成单独分开的与转子磁体无关的磁体。这个传感磁体可以与转子磁体相距地布置，尤其是有轴向间距，因而可以进一步加大位于温度敏感的传感器元件和转子及定子之间的间距。

转子结构可以有不同形式。可以考虑的例如有具有环形磁体、壳形磁体、埋入磁体的结构形式或者交替极(consequent pole)的结构形式。

转子的磁化可以以径向的或者平行的实施方式进行，或者作为霍尔巴赫(Hallbach)磁化来进行。

按照本发明的导通元件原则上可以被使用在所有电机上，这些电都设有霍尔传感器或其它的磁性传感器作为转子位置传感器，例如异步电机、同步磁阻电机以及永磁励磁的电子整流的驱动器和具有位置反馈的直流电机。借助于导通元件也可以实现这样的布置，在这些布置中，上面布置有传感器元件的电路板由于热或者由于位置方面的原因远离电机。此外使用导通元件还在相对弱的转子磁场的情况下具有优点，正如它们例如在有塑料化合的铁磁体时以及在磁体和传感器之间有较大间距时那样，以及如在干扰场相对较强时，例如由定子电流引起的漏磁场时。也可以考虑应用在高温时，例如当电机流过有热介质且此电机具有集成的温度敏感的功率电子装置时，在这种电机中，电路板至电机有距离地定位，而该距离又大于连接元件的连接脚至电路板的长度。这种实施方式此外具有成本方面的优点，因为原则上可以采用结构简单并可以有利地制成的导通元件，这些导通元件此外能够以高精度装入或喷注在定子里。

附图说明

其它的优点和适宜的实施方式可以参见对附图的说明和附图。所示为：

图1：具有定子和转子的电机的侧视图和俯视图，它具有传感器装置用于探测随着转子而旋转的磁场，其中传感器装置包括有霍尔传感器和导通元件，该导通元件加强了在霍尔传感器位置上的转子磁场的磁通密度，而且其中霍尔传感器轴向支承在转子之前；

图2：具有传感器装置的一种电机的另一种实施方式，其中转子磁体具有径向的磁化，而且U形的导通元件在径向内侧面和外侧面上伸向转子磁体的反向极；

图3：具有传感器装置的电机的另外一种实施方式，其中霍尔传感器布置成至转子和定子具有横向间距；

图4：具有传感器装置的电机的另外一种实施方式，其中传感器元件轴向支承在转子之前，并且导通元件总共具有三个极部段，它们伸向转子磁体的不同的极；

图5：具有传感器装置的电机的另外一种实施方式，其中导通元件的第一极部段伸向转子磁体的径向外侧面，而第二极部段轴向伸向转子芯；

图6：具有传感器装置的电机的另一种实施方式，其中类似于图1，传感器元件轴向支承在转子之前，但直接安装在电路板上；

图7：构造成外转子式的电机，其具有用于扫描转子磁场的传感器装置，其中传感器装置的导通元件布置在环形包围住定子的转子的相互对置的内侧面之间；

图8：构造成外转子式的电机，其具有转子的径向磁化，其中导通元件的极部段伸向转子的径向内侧面和外侧面；

图9：构造成内转子式的电机，其具有转子的径向磁化，其中传感器装置总共包括有三个传感器元件，它们分别配有导通元件；

图10：电机，其具有用于传感器装置的单独的传感磁体，其中所述导通元件配属于该传感磁体；

图11：电机，其具有爪极定子和轴向支承在转子之前的传感器元件。

在附图中相同的构件采用相同的附图标记。

具体实施方式

图1中示出电机1，此处尤其是指一种内转子电机，它包括有布置在未示出的电机外壳里的定子2以及支承在定子里的转子3，转子3可以围绕转子轴线10旋转。转子3具有转子磁体或主磁体4，此磁体4在实施例中构造成四极永久磁体，磁体的磁场与由定子2所产生的旋转磁场处于交替作用。在本发明中，转子也可以设有可以流过电流的绕组以代替永久磁体，通过绕组可以产生磁场。

为了探测转子位置和/或转子转速，设有传感器装置5，它能够探测到转子磁体4的旋转着的磁场。传感器装置5包括有优选构造成霍尔传感器7的传感器元件，该元件通过连接腿8与平板9连接，上述连接腿8是霍尔传感器的组成部分，传感器装置5还具有导通元件6，该导通元件6加强了在霍尔传感器7位置上转子磁场的磁通密度。因此这里通过导通元件6形成一种磁轭，用于在转子磁体4的相反极之间导引转子磁通。导通元件6由一种具有高导磁性能的材料组成，尤其是由一种软磁材料例如铁、不同的其它导磁的金属或它们的合金构成，或者由一种软磁复合材料(SMC)构成。

在外壳上固定布置的导通元件6具有一种几何形状并如此地定位，以至于转子磁体的磁场如此地在两个相反的转子极之间导引，以至于经过导通元件导引的磁场以高的磁通密度正交地通过传感器元件。同时可以精密地测量极性倒转，这附加地有助于改善转子位置的识别。

霍尔传感器7轴向支承在转子3前面。位置固定的导通元件6跨接轴向间距，并因此跨接位于转子磁体4的端面和霍尔传感器7的位置之间的气隙。导通元件6构造成U形，并具有两个相互平行延伸的极部段6a、6b和连接这两个极部段的连板6c，在连板6c上定位有霍尔传感器7。导通元件的这两个在轴向方向上延伸的极部段6a和6b伸向四极转子磁体4的反向极；与此对应地，导通元件6在转子的端面上跨越了转子磁体4的90°角的扇段。

此外有利的是，将导通元件的连接的连板6c构造成具有相对于极部段6a和6b来说减小的横截面，这引起了在连板6c处磁通密度的提高，从而传感器元件7也以增大的磁通密度被正交地穿过。例如连板6c的横截面可以如极部段6a和6b横截面的一半那样大，极部段6a和6b更适宜地具有相同的横截面。

转子磁体4在轴向方向上在对着传感器元件7的侧面处伸出于定子2。在外壳上固定的导通元件6的极部段6a和6b在轴向方向上只是延伸直到转子磁体4的轴向伸出的端面部位。

对于图2中所示的电机来说，如同在第一实施例中时那样，是指一种内转子电机，其转子3然而具有带径向磁化的转子磁体4，其中磁体的反向极位于转子磁体的径向内侧面和外侧面上。为了利用转子磁轭用来导引磁通通过导通元件6，构造成U形的导通元件6在内侧面和外侧面上围住了转子磁体4的端面壁。转子磁体4轴向伸出定子2，导通元件6的两个极部段6a和6b轴向在伸出部位里围住转子磁体4的磁体壁。连接这两个极部段6a和6b的横向连板6c相应地位于至转子端面侧的轴向间距上，传感器元件7直接邻接于连板6c。构造成霍尔传感器的传感器元件7通过连接腿8连接在电路板9上。在传感器元件7和转子磁体4之间除了导通元件6之外没有其它的材料，而只有气隙，该气隙比起导通元件来说具有低得多的导磁能力。导通元件能够跨接起阻隔磁性作用的气隙间距，并引导磁通至传感器元件。

图3表示了电机的另一个实施例，其中导通元件6同样也构造成U形，并跨接横交于转子轴线10的横向方向上的间距。为此两个相互平行的极部段6a和6b横交于转子轴线10延伸并导引穿过定子2的壁。传感器元件7有径向间距地位于定子2之外，处在连接两个极部段6a、6b的连板6c的范围内在连板6c的具有收缩的横截面的部段里。传感器元件7通过连接腿8连接在电路板9上，电路板9平行于导通元件的连接的连板6c，并且到定子还具有还要更大的侧向间距。

极部段6a和6b在横向方向上完全穿透定子2并一直伸展至定子2的径向内侧面。极部段6a、6b在其自由端面的部位里具有极靴，这些极靴近似地在位于转子磁体4的外侧面和定子的侧面之间的气隙的圆周方向上延伸。极部段6a、6b包括其极靴如此地彼此相距地，以至于位于转子磁体的两个相邻的反向极之间的间距被跨接。

在按图4的实施例中，传感器元件7也与转子3的端面具有轴向间距。转子3轴向伸出定子2，其中导通元件6的极部段在端面盖住了转子的伸出部分。在按图4所示的实施例中，导通元件6除了与连接的连板6c一起构成一种U形的极部段6a和6b之外，还具有附加的导通部段11，它由极部段11a和连板11b组成。极部段11a同样也如极部段6a和6b那样在轴向方向上延伸，然而角形的导通部段11相对连板6c布置成90°角，导通部段11的连板11b与连板6c连接。直接邻接于连板11b在连板6c上的连接部定位有传感器元件7；在这个位置上连板11b具有减小的横截面。极部段6a和6b指向相同的磁极，附加的导通部段11的极部段11a指向相反极，从而通过极部段6a和6b使磁通汇集，并通过极部段11a导向相反极。

图5所示的实施例类似于按图2所示的实施例具有带径向磁化的环形转子磁体4。传感器元件7相对转子端面有轴向间距。导通元件用其位于外部的极部段6a围住转子磁体4的轴向伸出的壁，第二极部段6b则相反与转子壁内侧面有径向距离地伸向转子的中间部位，因而可以利用转子磁轭用于导引磁通。在极部段6b的自由端面上是横交于转子轴线的极靴。

按图6所示的实施例的构造原理对应于按图1所示的，因此对此可以参见那里的说明。然而不同的是传感器元件7的位置；按照图6所示，传感器元件7并不位于连接的连板6c上，而是在极部段6b上，极部段6b在传感器元件的位置上具有减小的横截面。此外对于传感器元件7来说它是指一种SMD霍尔传感器(表面组装器件)，它并不通过连接腿，而是直接布置在电路板9上。电路板9在轴向方向上被极部段6a、6b以及连接的连板6c围住，因而连板6c至转子的轴向距离比至电路板9更大。

在按图7和8所示的实施例中，涉及到构造成外转子电机的电机，其位于外部的转子3用环形的转子磁体4包围住位于里面的定子2。传感器元件7在这两个实施例中与转子或定子布置成有轴向距离。导通元件6在按图7的实施例中以U形围住的方式通过在定子的对置的侧面上的极部段6a和6b和连接的连板6c构成，其中附带地还构造有另一个导通部段11，它具有极部段11a和连板11b，而且附加的导通部段11布置成与导通元件6的极部段和连板成正交。导通部段11通过连板11b进行连接，连板11b与连板6c连接。传感器元件7位于连板11b里，邻接于在减小的部段里的连到连板6c上的连接部。

如在按图4的实施例中那样，在图7中，极部段6a和6b也通向相同的磁极，相反附加的导通部段11的极部段11a则指向相反极。通过极部段6a和6b将磁通汇集起来，并通过极部段11a引向相反极。

在定子2里分布在圆周上设有多个槽12，它们在径向方向上延伸并从定子2的外壳面径向伸向里面。附加的导通部段11的极部段11a位于其中一个槽12里。

在按图8所示实施例中，它同样也是指一种外转子电机，转子磁体4具有一种径向的磁化，与此对应地，U形的导通元件6围住了转子3的轴向伸出的端面。在这种实施例中，在位于里面的定子2中也加工有径向延伸的槽12，导通元件6的极部段6a装在其中一个槽12里。

在按图9所示的实施例中，涉及一种内转子电机。传感器元件5总共包括有三个传感器元件7，它们分别配有一个导通元件6。所有的传感器元件7都布置在共同的电路板9上。每个U形的导通元件6都围住转子磁体4的轴向伸出的端面，三个导通元件6分布定位于圆周上，但它们位于90°角扇段之内。

在按图10所示的实施例中，传感器装置5配有附加的传感磁体14，后者固定在转子3的轴13上并与转子一起回转。传感磁体14布置成至主磁体或转子磁体4有轴向间距。导通元件6配属于传感磁体14，传感器元件7探测来自传感磁体14的磁通。

图11所示的实施例基本对应于按图1的实施例，然而有以下区别：定子构造成爪极结构，这尤其应用于结构相对简单的小型电动驱动器，例如补水泵。由于不存在端部绕组，因此对于导通元件的成型和布局提供了额外的可能性。传感器元件7布置在至转子和定子的轴向间距上，该间距借助于导通元件6来跨接。

Claims (18)

1.电机，具有定子(2)和转子(3)以及用于检测定子(2)和转子(3)之间的相对位置的传感器装置(5)，其中传感器装置(5)包括导通元件(6)和磁传感器元件(7)并通过该导通元件(6)将随转子(3)回转的磁体的磁通引导至传感器元件(7)，其中导通元件(6)为了形成磁轭具有两个伸向转子(3)的极部段(6a、6b)以及连接所述极部段(6a、6b)的连板(6c)，其中传感器元件(7)邻接于连板(6c)而定位，其特征在于，传感器元件与转子(3)相距地布置，其中位于传感器元件(7)和转子(3)之间的气隙由导通元件(6)跨接。

2.按权利要求1所述的电机，其特征在于，导通元件(6)的邻接于传感器元件(7)的连板(6c)相对于导通元件(6)的伸向转子(3)的极部段(6a、6b)具有减小的横截面。

3.按权利要求1或2所述的电机，其特征在于，导通元件(6)构造成近似于U形，而且两个伸向转子(3)的极部段(6a、6b)近似地相互平行。

4.按权利要求1所述的电机，其特征在于，传感器元件(7)横交于转子轴线(10)相距地布置，其中导通元件(6)具有两个横交于转子轴线(10)延伸的极部段(6a、6b)用于跨接横向间距。

5.按权利要求4所述的电机，其特征在于，两个极部段(6a、6b)具有相同的轴向位置，但横交于转子轴线(10)彼此相距地布置。

6.按权利要求4或5所述的电机，其特征在于，两个横交于转子轴线(10)延伸的极部段(6a、6b)之间的连板(6c)在横向方向上至转子轴线(10)比至定子(2)的外壳面具有更大的距离。

7.按权利要求1或2所述的电机，其特征在于，转子(3)轴向伸出于定子(2)，而且导通元件(6)邻接于转子(3)的伸出于定子(2)的端面布置。

8.按权利要求1或2所述的电机，其特征在于，传感器元件(7)与转子(3)轴向相距地布置，其中导通元件(6)具有两个轴向延伸的极部段(6a、6b)用于跨接上述轴向距离。

9.按权利要求1或2所述的电机，其特征在于，传感器元件(7)布置在电路板(9)上，该电路板平行于导通元件(6)的连板(6c)。

10.按权利要求9所述的电机，其特征在于，电路板(9)布置在转子(3)的端面和连板(6c)之间。

11.按权利要求9所述的电机，其特征在于，连板(6c)布置在转子(3)的端面和电路板(9)之间。

12.按权利要求1或2所述的电机，其特征在于，导通元件(6)具有与连板(6c)连接的第三极部段(11a)，该极部段(11a)伸向转子(3)。

13.按权利要求1或2所述的电机，其特征在于，传感器元件是霍尔传感器(7)。

14.按权利要求1或2所述的电机，其特征在于，导通元件(6)配属于主磁体或转子磁体(4)。

15.按权利要求1或2所述的电机，其特征在于，设有随转子(3)回转的传感磁体(14)，该传感磁体与转子磁体(4)分开并相距地构造，并且所述导通元件(6)配属于该传感磁体(14)。

16.按权利要求1或2所述的电机，其特征在于内转子电机的结构型式。

17.按权利要求1或2所述的电机，其特征在于外转子电机的结构型式。

18.按权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机是在汽车中用于辅助设备的电动机。

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