CN102428350B - 电磁角度传感器，特别地磁阻式旋转变压器 - Google Patents

电磁角度传感器，特别地磁阻式旋转变压器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种磁阻式旋转变压器(100)，具有至少部分软磁性的定子(104)和至少部分地软磁性的转子(102)，定子和转子通过形成环形气隙彼此相对。在气隙中的磁阻由于转子的在圆周上变化的构型而周期性地改变。角度传感器具有磁通发送器，其安置在定子(104)上并经由至少一对磁极在气隙中产生预定的磁通分布。而且，磁通接收器，其安经由彼此偏移一定角度安置的至少两对信号极测量磁场强度，安置在定子上，其中转子相对于定子的位置的角度值能够从两个接收器信号获得。根据本发明，定子(104)具有在圆周上分布的多个齿(110)，这些齿通过凹槽彼此分开，并且磁通发送器包括至少两个初级绕组，至少两个初级绕组安置为以使得齿的至少一个没有承载初级绕组。

Description

电磁角度传感器，特别地磁阻式旋转变压器
技术领域
本发明涉及电磁角度传感器，特别地磁阻式旋转变压器，其具有旋转对称的至少部分地软磁的定子和旋转对称的至少部分地软磁的转子，所述转子和定子通过形成气隙彼此相对。在气隙中的磁阻由于转子在圆周上变化的构型而周期性变化。角度传感器具有安置在定子上并在气隙中经由至少一对磁极产生预定的磁通分布的磁通量发送器。而且，磁通接收器，其经由至少两对彼此偏置一定角度地安置的信号极测量磁场强度，安置在定子上，其中转子关于定子的位置的角度值可以由两个接收器信号获得。
背景技术
这种类型的角度传感器，其是基于在定子和转子之间的气隙中的可变磁通密度的原理，以广泛范围的形式已知。基本上，这些采用不同的原理来在传输部分产生磁通势以及采用的不同的原理来测量在接收器部分中的磁场。在旋转指示器(旋转变压器、同步变压器)中，电磁线圈以初级绕组和次级绕组的形式使用。旋转变压器或者同步变压器形式的该类型的旋转指示器一直以精确且稳定的角度传感器著称。在这点上还已知的是所谓的无源磁阻式旋转变压器，其中初级绕组和次级绕组容纳在定子中，而转子以经由软磁部件的无绕组的方式即无源方式影响磁通路。由于软磁转子的例如通过提供多个凸耳而非均一的构型，在定子中在初级绕组和次级绕组之间的磁通量受到不同影响；转子的角位置可以经由感应电压由此得出。
图1示出已知的绕组图的例子，例如可以由EP 0522941或者EP0802398看出的。在这种情况中，两个绕组附连到定子齿的每一个：各自的初级绕组和正弦或者余弦绕组，初级绕组在交替方向分别附连到定子的相邻的磁极。而且，已知从EP 0802398在大部分磁极上提供三个绕组。
这种类型的磁阻式旋转变压器由于没有设置有绕组的有源转子和伴随着变压器部件的节省而可以经济地制造。但是，大多数已知的磁阻式旋转变压器配置具有缺点：在定子上的绕组的配置导致相对复杂的组装方法。而且，其中磁阻的变化通过高尔夫球棒形状或者肾形状的转子实现的磁阻式旋转变压器，其中在一方面的转子的圆周和另一方面的定子齿之间的气隙的高度随着圆周角度显著变化，具有问题：公差，特别是径向偏移量会对测量精度具有特别显著的影响。其原因可以首先得以识别的事实为气隙在径向方向的高度对于磁耦合是决定性的。
发明内容
本发明的目的是公开一种角度传感器，其可以特别简单和经济地进行制造，另外具有改进的精度。
根据本发明的无源磁阻式旋转变压器构造为以使得软磁性的定子具有在圆周上交替分布的预定数量的凹槽和齿，并且初级绕组通过串联的局部绕组安置在定子的凹槽中。同样安置在凹槽中的是两个次级绕组，它们彼此偏离一定角度并且每个通过串联连接并且在相反方向交替的局部绕组形成磁极对，磁极对的数量不同于初级绕组的磁极对的数量整数倍。软磁性的转子随着对应角度传感器的速度量的周期量改变它的截面形状。
在这种情况中，所谓的速度数量或者信号极对的数量表示整个周期量，通过该周期可以在次级绕组上分接的电信号在转子的整个机械的一圈也就是360°过程中通过。这意味着在一速旋转变压器中，电角度对应机械旋转的角度，而在三速旋转变压器中，360°的电角度已经达到120°的机械旋转。
根据本发明，初级绕组安置为以使得在每一情形下至少一个没有承载初级绕组的齿位于承载初级绕组的齿之间。一方面，该配置允许旋转变压器以简单的方式由机器卷绕。另一方面，在由公差引起的转子偏心的情形中，发生的误差可以减小。最终，缠绕可以在松的线圈主体上实施为具有仅一个线圈，松的线圈主体随后安装在定子上并例如经由电路板或者引线框架彼此连接。
根据本发明的有利的实施例，初级绕组的局部绕组并不具有交替的卷绕方向，而是全部在相同方向例如以一定方式卷绕使得磁通量在向着转子的旋转轴的方向向内指向。
虽然如此，也可以设置相反的取向，并且在一些情形中若干磁极还可以在相反的方向卷绕以便补偿不对称的磁通。
根据本发明，表达式是奇数。在这种情况中，n是相的数量(对于传统的旋转变压器这通常为两个，即正弦和余弦)，p等于形成转子上的信号产生成形的凸耳的数量，t是定子的齿的数量。
根据第一有利的实施例，初级绕组的局部绕组(在此及后在大多数情形中简称“初级绕组”)安置在偶数编号的齿上，并且全部卷绕为以使得当初级绕组上的电压为正时磁通在向着旋转变压器的旋转轴的方向取向。磁通通过奇数编号的齿反馈。奇数编号的齿承载次级绕组即余弦次级绕组和正弦次级绕组。在奇数编号的齿周围的绕组中感应出输出电压。
如果选择对称结构，即其中相互相对的齿的绕组每个都相同的结构，对于转子关于定子的偏心的敏感度减小。
为了仍进一步增加精度和对公差的不敏感性，仍进一步地，根据另一有利的实施例还可以提供安置在定子的每个齿上的两个绕组。再一次，初级绕组在每一情形中位于在每一情形中不彼此相邻的齿上，从而为该齿提供，为正弦绕组的一初级绕组，为余弦绕组的一初级绕组，或者两个次级绕组，即正弦和余弦绕组，被彼此容纳在同一个齿上。再一次，根据本发明，定为奇数。根据本发明，转子和绕组图是对称的，以使得偏心可以更有效地得以补偿。
根据本发明的有利的发展，旋转变压器可以还包括用于返回电信号的至少一个返回通路，返回通路安置在与转子的旋转轴相横向的平面中。该返回通路可容易防止在磁通量的旋转轴方向上会以不期望的方式影响输出信号的事件。
附图说明
为了更好地理解本发明，将基于在下面附图中所示的示例性实施例更加详细地描述本发明。在这种情况中，相同部件用相同的附图标记表示。而且，来自所示出和所描述的实施例的单独特征或者特征组合还可以是由于它们自身的特点为独立的发明解决方案或者根据本发明的解决方案的解决方案。在附图中：
图1示出根据现有技术的绕组图的例子；
图2是通过根据本发明的第一实施例的六速旋转变压器的横截面示意图；
图3是用于图2的旋转变压器的绕组图；
图4示出在图2的定子的各个齿上的磁场线；
图5示出对于其中在转子和定子之间没有偏移的理想情形下在根据图2的六速旋转变压器上的模拟信号线；
图6示出对于其中存在转子和定子之间的偏心率以及转子的制造公差的情形下根据图2的六速旋转变压器上的模拟信号线；
图7示出对于其中偏心率为图6的两倍的情形下根据图2的六速旋转变压器上的模拟信号线；
图8是对于在理想情形下图2的配置的作为机械角度函数的输出电压的示例；
图9示出对于在转子的偏心位置的情形下图2的配置的作为机械角度的函数的输出电压；
图10是类似于图2的实施例的四速旋转变压器的绕组图；
图11是关于八速旋转变压器的替代的绕组图；
图12是具有替代实施例的附连的线圈主体的图2的定子的局部透视图；
图13示出根据本发明的六速旋转变压器的第二有利实施例；
图14是图13的旋转变压器的绕组图；
图15是图13的配置的输出电压的示例；
图16是与图2和图13的配置之间的比较的作为机械角度的函数的角偏差的示例；
图17是与在图2和图13的配置之间的比较的作为偏心转子中的角度的函数的角偏差的示例；
图18是类似于图13的实施例的四速旋转变压器的绕组图；
图19是在与松的线圈主体配合后图13的配置的局部透视图；
图20是图19的配合的定子的局部透视图；
图21是电返回通路在电路板中的处于完全安装状态下的图13的旋转变压器配置的透视图；以及
图22是通过根据进一步有利的实施例的旋转变压器配置的横截面示意图。
具体实施方式
图2是通过根据本发明的第一实施例的六速旋转变压器100的横截面示意图。在这种情况中，软磁性的转子102安装在定子104内以能够围绕旋转轴106旋转。在该图中所示的实施例中的转子具有六个凸耳108，所述凸耳在绕轴线106的旋转过程中在定子104的齿110和转子102之间产生可变气隙。如该图所示的六速旋转变压器配置提供总共十六个齿110，这些齿在图2中以顺时针方向顺次编号。发生在齿110上的磁通通过箭头标记。根据本发明，偶数编号的齿，其也可以称作磁极，在该情形中承载初级绕组，所述初级绕组卷绕为以使得当激励初级电流是正的时它们的磁通量112在向着旋转轴106的方向向内导向。这些激励绕组的磁通量在该附图中通过实线箭头标记。根据本发明，激励绕组因此不是安置在直接彼此相邻的磁极上，而是仅每隔一个磁极进行安置。
而且，所述配置是关于旋转轴106点对称，以使得在所有情况下相同绕组存在于相互相对的磁极上。接收器绕组，也就是次级绕组，其中发生由转子的位置影响的感应磁通量，附连到奇数编号的磁极。在这种情况中，虚线箭头114表示正弦绕组的磁通量，虚线箭头116表示通过余弦绕组的磁通量。待测量的输出电压在这些磁极上在绕组中感应。
虽然在所示实施例中，初级绕组安置为以使得正的初级电流的磁通量在向着旋转变压器100的旋转轴106的方向导向，但是也可以提供反方向的磁通，在一些情形下，还可以进行准备用于使单独线圈被卷绕成使得它们激励反向磁通以便补偿不对称的磁通量。
根据本发明，表达式是奇数。在这种情况中，n表示相数，其对于传统的旋转变压器正弦和余弦信号等于2，p是转子上的凸耳的数量，t表示定子上的齿的数量。在如图2所示的配置中，因此获得以下表达式： 4 · n · p t = 3 .
图3是图2的配置的绕组图的概图。在这种情况中，绕组的数量绘制为在定子的各磁极上方向上或者向下。正号或者负号表示绕组方向。由此应当清楚，根据本发明，一方面，初级绕组仅附连到偶数编号的齿，另一方面，初级绕组全部在相同方向卷绕。正弦次级绕组和余弦次级绕组每个在交替的卷绕方向串联连接到彼此。或者，磁极还可以经由外部连接交换，并且在所有情形中相同的绕组方向可以用于正弦次级绕组和余弦次级绕组。
图4绘制作为机械角度的函数的图2的六速旋转变压器的磁极1-8的每个单独磁极的磁场线。由于在六速旋转变压器中，在转子的整个360°旋转过程中信号重复六次，仅在到的范围在该附图中以及下面的附图中示出。原理上，全部的信号(电流、磁通量、B场、输出电压等)是交替信号，例如具有从2千赫到20千赫的频率。但是为了简化起见，仅各个振幅在附图中示出。在这种情况中负的振幅意味着当输入值为高时值为低。
累加串联的余弦电压或者正弦电压产生在图5中所示的模拟情形。该附图一方面示出正弦信号和余弦信号，另一方面示出从根据计算的值和实际角度值获得的偏差图5示出对于理想情形即对于转子位于定子内的恰好中心的位置的情形下测量的机械误差
图6相反地示出当在转子和定子之间发生偏心时的情形。与理想情形(如图5所示)下的结果相比，曲线具有额外的误差分量E。
同样在图7中示出的，当转子的偏心加倍时产生高很多的额外的误差分量E，因为测量误差并不线性地取决于转子的偏心。
可以表明，偏心转子的理想情形实际上是不可获得的，并且如将参照图13的第二实施例详细描述的，替代的绕组图可以提供优点。虽然如此，在以上描述的实施例中的转子和定子的根据本发明的对称性本身提供精度上的明显的改进，因为部分补偿了误差影响。
图8和9是与偏心转子位置(图10)相比的理想情形下的输出电压的概图。如从该图清楚的，对于磁极5和磁极13的输出信号不再是一致的。这样，偏心可以部分地得以补偿。
在图8中，在磁极9中的感应电压对应磁极1的感应电压，磁极13中的电压对应磁极5中的感应电压。整个余弦输出信号由以下磁极的电压和：磁极1+磁极9+磁极5+磁极13组成。
如果在每一情形下在彼此相对180°的侧面上的绕组的数量是相同的，这提供优点：信号对于转子关于定子的偏心更不敏感。如果例如假定水平位移z毫米，则在磁极5处在转子和定子之间的气隙的尺寸减少恰好z毫米，但是在磁极13处的气隙的尺寸将大z毫米。如果磁通量以及由此的感应电压然后被计算，在磁极5和13处的感应电压将彼此补偿，如可以从图9看出的。
根据本发明，磁阻式旋转变压器具有根据公式计算的特征数。具有两相输出信号(正弦和余弦)的传统的旋转变压器要求至少4个磁极，它们分别具有正弦、-正弦、余弦和-余弦。在具有p个凸耳的转子中，凸耳每个安置在360°/p处。定子上的绕组然后安置在下面的表1表明的位置，其中X是自然数：
表1
  cos   X*(360/p)+0
  -sin   X*(360/p)+1/2*(360/n*p)
  -cos   X*(360/p)+1*(360/n*p)
  sin   X*(360/p)+3/2*(360/n*p)
具有t个齿的旋转变压器的磁极位于位置Y·360°/t，其中Y假定从0到t-1的值。根据该方法，余弦绕组以及随后的初级绕组安置在第一齿上，正弦或者-正弦绕组安置在第三齿上。2·360°/t然后应当相应地位于关于正弦或者-正弦的转子位置上。
如下面的表2所示，正弦和-正弦次级绕组位于位置x/2·360°/n·p，其中x是奇数。在如表2所示的配置中，以下适用于：4·n·p/t＝3(n＝2，p＝6，t＝16)。
表2
具有48个齿的六速旋转变压器当然也能够工作(4·n·p/t＝1)，但是将更加昂贵并且制造起来更复杂。
在此及后将参照图10描述根据本发明的第一实施例的旋转变压器的进一步的例子。如可以从下面的表3看出的，要求32个磁极以便形成具有对称结构的四速旋转变压器。16个磁极的定子在此并不为初级绕组提供足够空间。
表3
再一次，全部的初级绕组的局部绕组在一个方向卷绕，并且位于彼此相靠地定位的定子齿上。
图11是具有带32个磁极的定子的八速旋转变压器的绕组图。如在下表4中列出的，在每一情形中，在这个实施例中，至少两个初级绕组安置在次级绕组之间。
如果下面对于该情形：进行计算，则可以获得2，即偶数。两个初级绕组和一个次级绕组的通常的模式因此不能保持在磁极11-16和27-32。在这些磁极中，绕组的数量变化以便在靠近这些区域的磁极中实现与其它地方相似的磁场。初级绕组的全部的局部绕组在相同方向卷绕，以使得传输的磁通量在任何地方沿着定子的圆周在向着转子的方向指向。
表4
根据本发明的有利的实施例，例如如图12所示的实施例，单独绕组卷绕在松的线圈主体118上，并且具有电连接部120，122的这些线圈主体滑动到定子104的齿110上。
为了彼此连接单独的线圈连接部120，122，接线板124在下一操作中安装，例如如图18所示的。接线板124承载导体线路126，该线路彼此连接期望的连接部。在这种情况中，接线板124可以以已知的方式通过印刷电路板、柔性电路板或者引线框架形成。线圈主体118的连接部120，122和导体线路126之间的接触以已知的方式经由焊接、附着接合、挤压或者其它已知的电接触方式实现。
如以上提到的，转子和定子之间的偏心可以在前面讨论的第一实施例中导致明显的不精确性。因此第二实施例提出一种配置，其中两个各自的绕组安置在每个定子磁极上。图13是通过该类型的替代的六速旋转变压器的横截面示意图。
再一次地，仅偶数编号的磁极承载初级绕组，并且所有的初级绕组卷绕为以使得磁通方向向着转子的旋转轴106指向。磁通通过奇数编号的磁极返回。但是，与前面的实施例相反，根据如图13所示的实施例，每个定子磁极还承载次级绕组，以使得初级绕组与次级绕组或者两不同的次级绕组一起安置在同一个定子磁极上。
图14是关于图13的六速旋转变压器的绕组图。从该图可以看出，根据该实施例，初级绕组全部具有相同的匝数，但是比正弦次级绕组和余弦次级绕组的匝数更少。然而，替代地，还可以在任何地方使用相同的匝数，从而简化制造。
图15示出在磁极1，2，3，5，6和7处的输出电压的例子。在磁极9，10，11，13，14和15中感应的电压与这些一致。总的余弦信号由在这些磁极中感应的全部电压之和进行计算。
该第二实施例的优点可以在查看图16和17时发现。图16绘出图2的实施例的角偏差与关于恰好在中心的转子的图13的实施例的角偏差的比较。两条曲线具有非常相似的路线，以使得对于该情形下没有差异。
但是，如从图17清楚的，对于其中转子安置在中心外面的情形，关于图13的配置的误差现仅为图2的配置的误差的大小的一半。这可以由以下实施予以解释：由于转子的非中心的配置，单独的磁极的感应电压不对称，从而导致输出信号中的偏差。振幅的变化通过磁极的由于气隙的波动而不均一的磁通量的检测引起。这些不精确性在被分析时被检测作为更高阶的谐波。为了防止这些不精确性，根据图13的替代的绕组图包括检测器电路的更多的绕组。例如，提供十二个次级绕组，而不是前面示出的四个次级绕组。由于在检测器线圈中的磁通振幅的变动引起的误差因此可以通过分别相邻的磁极予以修正。
在每一情形下对于四速旋转变压器的每个定子磁极上具有两个绕组的替代的绕组图示出在图18中。
如可从图19-21看出的，同样可能的是，两个绕组卷绕在松的线圈主体118上，其中现在总共四个电连接部120，121，122，123必须向外导引。借助引线框架或者印刷电路板124的连接同样也是可能的。
图21示出接线板124的实施例，其中印刷电路板124包含电信号的返回通路128。该返回通路128可以防止在磁通连接的旋转轴方向上会以不期望的方式影响输出信号的事件。其它两个电路在电路板的底侧上具有相似的返回通路。
最终，图22示出两速旋转变压器100，其中具有两个凸耳的转子102与16-磁极的定子104组合。这类似于具有32磁极的定子的四速转子。在该实施例中，仅每隔一个齿110设置有初级绕组和次级绕组。全部的初级绕组在相同方向卷绕以及转子和定子的完全对称性的原理同样在该实施例中实施。除了组装特别简单之外，这还提供上面关于对任何组装和生产公差的精度和不敏感性的优点。
虽然前面的讨论已经在所有情形中假定松的线圈主体，但是根据本发明的绕组还可以直接卷绕在定子上，其中可以(但非必须)使用其它的塑料材料部件。大多数连接因此可以直接借助于磁性缆线进行。电信号的返回通路然后同样可以通过磁性缆线或者电缆实施。

Claims (16)

1.一种电磁角度传感器，具有至少部分地铁磁的定子(104)和至少部分地铁磁的转子(102)，所述定子和转子通过形成环形气隙彼此相对，其中在所述气隙中的磁阻由于在所述转子绕旋转轴(106)旋转时所述转子的在圆周上变化的形状而周期性地变化，
具有磁通发送器，该磁通发送器安置在所述定子(104)上并经由至少一对磁极在所述气隙中产生预定的磁通分布，
具有磁通接收器，该磁通接收器安置在所述定子(104)上并经由彼此偏移一定角度安置的至少两对信号极测量磁场强度，其中所述转子(102)相对于所述定子(104)的位置的角度值能够从两个接收器信号获得，
所述定子(104)具有在圆周上分布的多个齿(110)，所述齿通过凹槽彼此分开，并且所述磁通发送器包括至少两个初级绕组，所述至少两个初级绕组安置为以使得所述齿的至少一个没有承载初级绕组。
2.如权利要求1所述的角度传感器，其中，所述初级绕组安置为以使得它们产生径向延伸的磁通，所述磁通的方向在每一情形下以对于所有的初级绕组都相同的方式取向在向着旋转轴的方向或者远离所述旋转轴导向。
3.如权利要求1所述的角度传感器，其中，所述磁通接收器的初级绕组和次级绕组在每一情形下以交替方式安置在所述定子(104)的分布在圆周上的齿(110)上。
4.如权利要求1所述的角度传感器，其中，特征变量是奇数，其中n等于所述角度传感器的相数，p等于形成所述转子的形状的凸轮的数量，t等于所述定子上的齿的数量。
5.如权利要求1所述的角度传感器，其中，所述磁通接收器具有至少两个正弦次级绕组和与所述正弦次级绕组偏离90电角度的至少两个余弦次级绕组。
6.如前述权利要求1-5之一所述的角度传感器，其中，所述绕组每个附连到分离的线圈主体(118)。
7.如权利要求6所述的角度传感器，其中，绕组之间的电连接经由印刷电路板(124)或者引线框架产生。
8.如权利要求7所述的角度传感器，其中，所述印刷电路板(124)是柔性电路板。
9.如权利要求7所述的角度传感器，其中，所述线圈主体(118)和所述印刷电路板(124)或者所述引线框架的连接件之间的电连接通过钎焊连接、锡焊连接或者压合连接产生。
10.如前述权利要求1-5，7-9之一所述的角度传感器，其中，所述磁通接收器的两个不同的绕组安置在所述定子(104)的每一齿(110)上。
11.如前述权利要求1-5，7-9之一所述的角度传感器，进一步包括用于返回电信号的至少一个返回通路(128)。
12.如权利要求11所述的角度传感器，其中，所述至少一个返回通路(128)由在印刷电路板(124)上的导体线路或者缆线形成。
13.如前述权利要求1-5，7-9，12之一所述的角度传感器，其中，全部的初级绕组具有相同的匝数。
14.如权利要求1-5，7-9，12之一所述的角度传感器，其中，所述磁通接收器的初级绕组的至少一个具有许多绕组，该许多绕组用于以目标方式影响传输的磁场并且不同于其余初级绕组。
15.如前述权利要求1-5，7-9，12之一所述的角度传感器，其中，所述转子(102)和所述定子(104)构造为使磁通量发生在其上，并且在它们的横截面上关于旋转轴(106)点对称。
16.如权利要求5所述的角度传感器，其中，在所述定子(104)的每隔一个齿(110)上，所述磁通接收器的初级绕组和次级绕组安置为以使得正弦次级绕组和余弦次级绕组在每一情形下交替。
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