CN102177418B - 产生正弦信号的用于确定角度位置的磁性装置及包括这种装置的多相旋转电机 - Google Patents

产生正弦信号的用于确定角度位置的磁性装置及包括这种装置的多相旋转电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种装置，包括：多极磁环(2)，其绕轴线(R’R)可旋转，且建立基于旋转的角度变化的磁场(B)；磁性传感器(3)，其位于该磁场中且产生正弦信号；气隙(4)，其由传感器和环之间在径向平面(XOY)上的距离E限定。根据本发明，环(2)沿径向方向(OX)的厚度e相对于气隙E的第一比e/E为0.4至2.3。优选地，环(2)沿轴向方向(OY)的高度h相对于所述厚度e的第二比h/e为1.5至8。根据另一优选特征，厚度e为1mm至5mm，气隙E为1mm至4mm。

Description

产生正弦信号的用于确定角度位置的磁性装置及包括这种装置的多相旋转电机
技术领域
本发明涉及一种用于确定角度位置的磁性装置，其产生信号，该信号包括近似正弦波的交流成分。
该装置被设计为特别用于确定多相旋转电机的转子的角度位置。
本发明由此还涉及包括该类型装置的多相旋转电机。
背景技术
在用于确定角度位置的装置中使用霍尔效应传感器或具有磁阻(magneto-resistance)的传感器在现有技术中是已知的，特别是用于控制汽车工业中使用的特定旋转电机。
这些装置的例子由VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR公司在国际专利申请WO2006/010864中给出。
由传感器提供的信号通常包括高水平的谐波，常常必须被处理以获得允许更好控制多相旋转电机的正弦信号。
根据前述申请的教导，从这些传感器获得的未处理信号的某些特定线性组合没有谐波，且接近于理想的正弦波形。
在美国专利US6720763中，其也描述了分解器、磁性标靶，其由多极磁环或盘组成，用于在传感器附近建立磁场，该磁场可产生输出正弦信号而不需要额外的处理。
但是，没有关于所获得的正弦信号的纯净度的准确信息被披露。
此外，申请人通过实验已经发现这些信号的谐波水平或该纯净度对于装置的不同元件的机械公差和装配的离散(dispersion)、对于标靶的磁性材料的性质的离散、以及对于运行温度是敏感的。
前述美国专利也不包括任何关于这些点的内容，而这些点对于工业应用目的是至关重要的。
还已知用于角度确定的装置，也称为“分解器(resolver)”，其布置在交流发电机起动器的转子轴的端部处，且提供代表该转子的角度位置的信号。
发明内容
本发明的目的由此是通过选择用于确定角度位置的磁性装置的理想特性来消除上述缺陷，该类型的磁性装置产生正弦信号且包括：
-多极磁环，其绕轴线旋转，且建立可根据旋转角度变化的磁场；
-磁性传感器，其布置在该磁场中，且产生该正弦信号；和
-气隙，其通过将传感器在径向平面上与磁环间隔开距离E而形成。
明显地，该目的在多极磁环沿径向方向的厚度e相对于气隙E的第一比e/E为0.4至2.3时实现。
根据本发明，该环沿轴向方向的高度h相对于该厚度e的第二比h/e为1.5至8。
特别有利地，根据本发明，该厚度e为1mm至5mm，且优选地气隙E为1mm至4mm。
有益之处得自于，多极磁环的外半径优选地为40mm至80mm。
该环有利地由弹性铁氧体(elasto-ferrite)构成。表面磁化水平优选地在25℃时为500Gs至800Gs。
根据本发明的用于确定角度位置的磁性装置产生正弦信号，该正弦信号具有峰-峰值，其特别有利地为1V至4V。
本发明还涉及一种多相旋转电机，其包括定子和转子，其特征在于，还额外地包括用于确定角度位置的磁性装置，该磁性装置产生正弦信号，该磁性装置的传感器与定子为整体，且该磁性装置的多极磁环被轴向地固定至转子，且具有上述的理想特性。
这些少数实质特性将使得本领域技术人员明白根据本发明的用于确定角度位置的磁性装置提供的优点，与现有技术相比，产生的正弦信号的谐波的水平降低。
本发明的详细说明将在下面的说明中给出，其结合附图提供。应注意，这些图的目的简单地是用于图解说明的文字，且它们不对本发明的范围构成任何限制。
附图说明
图1a是根据本发明的产生正弦信号的用于确定角度位置的磁性装置的总体示意图。图1b示出了图1a中的装置的多极磁环的部分径向截面。
图2a示出了对于两个轴向偏置随多极磁环的间隔变化的由传感器测量的磁化水平。
图2b示出了对于恒定气隙且对于多极磁环的多个直径随传感器的轴向偏置变化的由传感器测量的磁化水平。
图3示出了对于两个不同环境温度随传感器的气隙和轴向偏置变化的由传感器测量的磁化水平。
图4a示出了对于多极磁环的两个不同径向厚度随角度位置变化的由传感器测量的磁化水平。
图4b示意地示出了具有两个不同径向厚度的两个多极磁环，其影响在图4a中示出。
图5a和5b示出了气隙的机械装配离散对传感器测量的磁化水平的影响。
图6示出了对于多极磁环的两个不同轴向高度/径向厚度比，传感器的轴向定位的机械装配离散对传感器测量的磁化水平的影响。
图7a和7b用图表示出了对于不同径向厚度、分别对于气隙的第一和第二值随多极磁环的角度位置变化的由传感器测量的磁化水平。
图8a和8b用图表示出了分别对于气隙的第一和第二值随多极磁环的径向厚度根据它们的排变化的谐波的衰减。
图9用图表示出了随多极磁环的径向厚度和根据本发明的装置的气隙变化的由传感器产生的信号的谐波失真水平。
图10a示出了根据本发明的多相旋转电机，其包括图1a中示出的用于确定角度位置的磁性装置。
图10b示出了图10a所示的多相旋转电机的布置、根据图1a所示的本发明的用于确定角度位置的磁性装置的三个实施例的细节。
具体实施方式
图1a示出了根据本发明的产生正弦信号、用于确定角度位置的磁性装置1的不同元件：
-圆柱形多极磁环2，其可绕轴线RR’旋转，且产生根据旋转角度θ变化的磁场；
-磁性传感器3，其布置在该磁场中；和
-气隙4。
图1b中的部分径向横截面清楚地示出了环2具有矩形截面，该截面具有径向厚度e和轴向高度h，且气隙4的值是传感器3和多极磁环2之间在径向平面XOY上的距离E。
图1a还对应于测量系统的过程图，其使得可以研究传感器3相对于多极磁环2沿径向方向OX或轴向方向OY的位移对传感器测量的磁化水平B的影响。位移的原点O被选择在多极磁环2的下外边缘上。
这些影响现在将结合图2a、2b、3、5a、5b和6进行详细研究，且将使得可以较好地理解本发明。
首先发现是，不管构成多极磁环2的材料，气隙4越大，则由传感器3测量的磁化水平B总是越小。
根据传感器3的径向间隔(X轴线)减小的两个例子在图2a中给出。
上曲线表示对于相对于环2的下边缘O的3.1mm的第一轴向偏置(沿Y)的磁化水平B，而下曲线表示对于4.5mm的第二轴向偏置的磁化水平B。
另一发现是，磁化水平根据轴向间隔降低。对于给定的气隙E，最大磁化水平B位于磁环2的高度h的中部(该环为圆柱形)，如图2b中的曲线清楚所示。这些曲线是对于1.2mm的恒定气隙和50mm(下部的曲线)、51mm(中间的曲线)及52mm(上部的曲线)的三种不同直径的多极磁环2而获得的。
图2a和2b中分别示出的径向X和轴向Y位移的影响对应于机械装配离散的作用，且应理解这些影响必须在生产中被最小化。
热离散被添加到机械离散。该类型的多极磁环2在运行过程中受到环境温度影响，该温度在机动车上典型地为-25℃至175℃。
径向X和轴向Y位移以及环境温度T1、T2的影响在图3中示意性地示出。
最大磁化强度B1是在磁环2被轴向地位于中心且径向地最靠近传感器3且处于-25℃的第一温度T1时获得的。
最小磁化强度(magnetisation)B2是在磁环2被轴向地偏离中心且从传感器3间隔开最远且在175℃的第二温度T2时获得的。
关于磁化强度B是最大值B1的第一种情况的信息和关于磁化强度B是最小值B2的第二情况的信息，使得可以确定根据本发明用于确定角度位置的装置1的空间和磁性特性，以使得产生的正弦信号的峰-峰值在第一种情况下等于4V且在第二种情况下等于1V(对于5V供电的传感器3)。
在所有情况下，产生的信号则保持足够的振幅，其适于满足旋转电机的控制电路，而不需要限制波峰，即没有产生谐波。
所作的测量还显示，磁环2的径向厚度e越大，则磁化水平B对于装置1的元件的特性的机械和热离散越不敏感。
如图4a所示，径向厚度e越大，则边缘效应b1、b2越大。
断开线的曲线(其表示第一实施例的磁环5(在图4b中部分地示出)建立的磁场B根据角度位置θ的变化，该磁环具有第一径向厚度e1，该第一径向厚度大于第二实施例的磁环6(也在图4b中部分地示出)的第二径向厚度e2)具有边缘效应(edge effect)b1，该边缘效应b1大于与第二环6对应的点线形式的曲线的边缘效应b2。
当径向厚度e较大时，从北极N至南极S的通道越平缓，且由此由传感器3提供的信号的波形近似于正弦波。
可容许厚度的上限e依赖于构成磁环2的磁性材料对于离心力的机械阻力。
该上限还依赖于磁化机构在装配线上的多极磁环的就地磁化时磁化大量材料的能力。
基于上述观察，根据本发明，磁环2的理想的径向厚度是1mm至5mm。
图5a和5b还示出了气隙4的值E可被以理想的方式选择，以使得用于确定角度位置的磁性装置1产生的正弦信号的峰值对于气隙4的机械装配离散不敏感。
图5a示出了当气隙4的值E在第一名义值E1附近变化ΔE1时，由传感器3测量的磁化水平B的变化ΔB1。
图5b示出了当气隙4的值E在第二名义值E2(其大于第一数值E1)附近变化相同的值ΔE2＝ΔE1时，磁化水平的变化ΔB2较低。
因此，气隙的下限的选择使得可以限制感应水平B的变化，如果气隙4具有最大尺寸max1、max2或最小尺寸min1、min2。
此外，气隙的该下限防止了在极限尺寸min1、min2时装配的情况下的机械干涉的危险。
由于传感器拾取的磁化水平B必须不变得太低，因此对于气隙存在上限，因为当气隙E增加时磁化水平B降低。
根据本发明，气隙E的下限等于1mm，气隙的上限等于4mm。
如前所述，根据本发明，磁环2的径向厚度e和气隙E以理想的方式分别从两个数值范围选择。
这两个范围有利地组合为单个准则，其与径向厚度e对气隙E的第一比e/E相关。
该第一比e/H被包括在0.25(最小可能径向厚度比气隙的上限)至5(最大可能径向厚度比气隙的下限)之间。
如图6清楚所示，已经说明，磁环2的径向厚度e相对于轴向高度h越小，传感器3的位置的轴向离散Δy对磁化水平B的影响越小，这是因为磁环2的边缘处的场的变化较小。
图6中的上曲线对应于第二比h/e的第一值r1，其大于第二比h/e的第二值r2，下曲线针对该第二值绘出。传感器沿轴向方向OY的相同的位置变化Δy导致感应强度变化ΔB3，其低于ΔB4。
根据本发明，该第二比h/e是1.5至8。
磁环2的径向厚度e必须不太小，如前所述，以使得发射器组件(标靶)/接收器(传感器)保持抗干扰性。
此外，如结合图7a、7b、8a、8b和9所述，磁环2的径向厚度e对气隙E的第一比在传感器3产生的信号的波形上具有决定性影响。
图7a示出了对于1.3mm的恒定气隙E和1.5mm至2.5mm的五个不同径向厚度，磁化水平B随磁环2的角度位置θ的变化。
图7b示出了对于3.1mm的恒定气隙E磁化水平B的这些变化。
可以注意到：
-对于给定气隙E，当径向厚度e增加时波形与正弦波相似；
-对于给定径向厚度，当气隙E增加时波形与正弦波相似(assimilate)。
为了量化传感器3产生的正弦信号的纯净度，每个谐波相对于基础水平的衰减被测量。
对于1.3mm至3.0mm的径向厚度e的不同值，每排谐波的衰减测量值的结果(以dB计)在表I中(针对1.3mm的恒定气隙E)，以及表II中给出(针对3.0mm的恒定气隙E)。
表I
Figure BDA0000054646600000072
表II
这些测量值确认基于图7a和7b中的波形所作的发现：径向厚度e越大且气隙E越大，谐波(特别是在单数排上)都被衰减的越多。
当径向厚度e等于3mm，且当气隙E为3mm时，对于第9排的谐波，衰减达到69dB，而对于径向厚度e为1.3mm且气隙E为1.3mm时，该相同谐波的衰减仅为32dB。
图8a和8b的对表I和II中的数据的图形表现分别清楚地示出了该现象。
图9通过示出传感器3产生的信号的谐波失真TDH的水平随气隙E和径向厚度e的变化，以更综合的形式给出了测量的结果。
在包括在1.3mm至3mm之间的径向厚度e的数值范围中以及包括在1.3mm至3mm之间的气隙E的数值范围中，即在包括在0.4至2.3之间的第一比e/E的范围中，TDH小于30％。
考虑该结果，根据优选实施例，多极磁环2的厚度e等于1.5mm，气隙等于2mm，其对应于0.75的第一比e/E的理想值。
在本发明的所有优选实施例中，多极磁环2由铁或稀土类型材料组成，其磁化水平(轴向地居中测量)在25℃下在表面上大约为500Gs至800Gs。
多极磁环2包括多对磁极，其优选为6或8对磁极。
对于给定数目对磁极，环2的半径影响传感器3产生的信号的周期的准确性：半径越小，周期越不规律。
多极磁环的半径在上限(at the top)受到其对离心力的抵抗性的限制。
这两个电或运动约束，意味着多极磁环2的外半径在40mm和80mm之间。
根据本发明的用于角度确定的磁性装置1特别有利地应用于图10a所示类型的多相旋转电机。
交流发电机-起动器7(其在图10a中示出)通常包括定子8和转子9。装置1的传感器3与定子8为整体，该传感器与多极磁环2相对，该多极磁环被轴向地(RR’)固定在转子9的轴10的端部处。
如图10b清楚地所示，交流发电机-起动器7包括三个磁性传感器3，其与多极磁环2通过气隙4隔开。
根据本发明选择的尺寸准则，磁环2的轴向高度h(沿轴线RR’)相对于其径向厚度e较大。
图10b还示出了磁环2(其安装在转子9上)的径向厚度e近似于气隙4的尺寸E。因此，第一比e/E具有理想数值，且三个信号(其由磁性传感器3产生)具有降低的谐波失真TDH的水平，这使得它们能准确地控制电子功率电路，所述电路执行运行于马达模式的交流发电机-起动器7的相电流的切换，或它们在交流发电机-起动机7运行为发动机时执行同步整流。
应认识到，本发明不简单地限于上述优选实施例。
所指出的尺寸、测量的磁感应值以及指定的电压是简单的例子。从本发明得出的用于角度确定的磁性装置的设计准则以尺寸比的形式提供，其使得可以将本发明特别应用于所有尺寸的旋转电机。
本发明由此将各种可能的实施例并入所附权利要求的主题的范围。

Claims (10)

1.一种产生正弦信号的用于确定角度位置的磁性装置（1），该类型的磁性装置包括：
-多极磁环（2），其绕轴线（R’R）旋转，且建立可根据旋转角度（θ）变化的磁场（B）；
-磁性传感器（3），其布置在该磁场（B）中，且产生该正弦信号；和
-气隙（4），其通过将所述传感器在径向平面（XOY）上与所述环间隔开距离E而形成，
其特征在于，所述环（2）沿径向方向（OX）的厚度e相对于气隙E的第一比e/E为0.4至2.3。
2.根据权利要求1所述的产生正弦信号的用于确定角度位置的磁性装置（1），其特征在于，所述环（2）沿轴向方向（OY）的高度h相对于所述厚度e的第二比h/e为1.5至8。
3.根据权利要求1所述的产生正弦信号的用于确定角度位置的磁性装置（2），其特征在于，所述厚度e为1mm至5mm。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的产生正弦信号的用于确定角度位置的磁性装置（2），其特征在于，所述气隙E为1mm至4mm。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的产生正弦信号的用于确定角度位置的磁性装置（2），其特征在于，所述环（2）的外半径为40mm至80mm。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的产生正弦信号的用于确定角度位置的磁性装置（2），其特征在于，所述环（2）由弹性铁氧体构成。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的产生正弦信号的用于确定角度位置的磁性装置（2），其特征在于，所述环（2）的表面上的磁化水平在25℃时为500Gs至800Gs。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的产生正弦信号的用于确定角度位置的磁性装置（2），其特征在于，所述厚度e大致等于1.5mm，且在于，所述气隙E大致等于2mm。
9.根据权利要求1至3中的任一项所述的产生正弦信号的用于确定角度位置的磁性装置（2），其特征在于，所述信号的峰-峰值为1V至4V之间。
10.一种多相旋转电机（7），包括定子（8）和转子（9），其特征在于，其额外地包括根据前述权利要求1至9中的任一项所述的产生正弦信号的用于确定角度位置的磁性装置（1），所述传感器（3）与所述定子（8）为整体，且所述环（2）被轴向地（RR’）固定至所述转子（9）。
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