CN102648398B - 角位置传感器以及包括旋转系统和该传感器的组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器（1000），其对相对于壳体（2）可旋转地安装的轴（1）的角位置（θa）进行连续测量。所述传感器包括：定子（20）；可附接至轴（1）的转子（10）；具有交替极性（N，S）的永磁体（3），位于定子（20）或转子（10）上并且能够在转子（10）的旋转期间产生磁感应（B）；磁路（21），用于引导所述磁感应（B）以使其与转子（10）的角位置（θr）的正弦函数成正比；至少两个电转换器（4），具有线性输出并相对于定子（20）彼此在角度上偏移且位于布置在所述磁路（21）中的间隙中。所述磁路（21）是齿状的并且包括至少一个测量单元（5），对于每对（30）磁体（3）来说，所述至少一个测量单元（5）包括三个齿部（211），每个齿部均包括接纳转换器（4）的间隙（210）。

Description

角位置传感器以及包括旋转系统和该传感器的组件

技术领域

本发明涉及一种旨在放置于包括轴的系统上的传感器，该轴相对于壳体可旋转地安装，并且期望对该轴的角位置进行连续测量。

本发明还涉及包括前述系统和根据本发明的传感器的组件。

背景技术

期望能够进行矢量驱动的多种电动机都是已知的。但是，为了进行电动机的矢量驱动，需要能够测量电动机的转子轴线相对于定子的位置。

测量相对于定子的转子轴线位置的目前解决方案使用霍尔探测器(Hallprobe)来检测转子磁体所产生的磁感应B。

对于电动机的简单指令，例如梯形类(trapezetype)指令，三个具有离散输出的霍尔探头就足够：实际上检测磁体的北极和南极。所述具有离散输出的霍尔探测器不需要任何特殊的磁路。

但是该原理无法实现电动机的速度驱动或矢量驱动。

发明内容

本发明提出解决上述缺点中的至少一个。

为此，根据本发明，提出了根据权利要求1所述的传感器。

有利地，通过单独使用或通过任何技术上可能的组合的方式使用权利要求2至5的特征，使本发明得到完善。

本发明还涉及根据权利要求6所述的组件，换言之，不但包括前述系统，还包括根据本发明的传感器。

有利地，通过单独使用或通过任何技术上可能的组合的方式使用权利要求7至9的特征，使本发明得到完善。

本发明具有许多优点。

本发明使用例如霍尔探测器的线性电转换器，能够测量相对于壳体旋转的轴的轴线的位置。

至此，由于磁路的原因，磁感应具有正弦形式，传感器的测量足够精确以使电动机的矢量驱动成为可能。

为了驱动多极电动机，可安装数量与电动机的磁极相等的传感器。

该测量是可靠的，并且能够与电动机的使用寿命(约150000小时)相匹配。

该传感器有利地具有安装在定子的附加部分中的盘形，并具有低空间阻碍(sterichindrance)。

附图说明

从以下的描述，本发明的其它特征、目的和优点将变得显而易见，该描述仅是示意性的而非限制性的并且应该参照附图进行理解，其中：

图1示意性地示出包括的轴的已知系统的可能实施方式，其中轴相对于壳体可旋转地安装并期望对该轴的角位置进行连续测量。

图2在径向截面中示意性地示出根据本发明的传感器的可能实施方式。

图3示意性地示出包括系统和根据本发明的传感器的组件的纵向截面。

在所有附图中，相同的元件使用相同的参考标记。

具体实施方式

图2示意性地示出旨在放置于系统100上的传感器1000的可能实施方式，该系统100是已知的并且在附图1中示出。

如图1所示，系统100包括轴1，轴1相对于壳体2可旋转地安装，并且希望对轴1的角位置θa进行连续测量。

传感器1000原则上包括定子20和用于与轴1连接的转子10。

如图3所示，转子10与轴1之间的连接使得转子10相对于定子20的角位置θr与轴1相对于壳体2的角位置θa相同。

有利地，轴1和转子10是一体的，但转子10也可以通过各种固定方式转移至轴1上，例如通过部件的机械配合、通过焊接或通过粘接。

在图3中，轴1在旋转时相对于系统100位于中央。但是，应理解，任何其它配置也是可能的，例如轴在旋转时可相对于系统位于外围。在任何情况下，与轴联接的转子都可以相对于传感器位于中央或外围。

传感器1000还包括至少一对30永磁体3，该永磁体具有北极性(在图中照惯例以N表示)和南极性(在图中照惯例以S表示)，北极性和南极性在各对30中交替设置。

在图2中，磁体3对30位于转子10上，但应理解，磁体3对30也可以位于定子20上。

在任何情况下，在转子10的旋转期间，各对30均在传感器1000中产生磁感应B。

传感器1000通常还包括磁路21，磁路21用于引导由各对30磁体3产生的所述磁感应B。

图2中可观察到，磁路21包括至少两个间隙210，其功能将在本说明书的余下部分详细说明。

通过设计和构造，磁路2被调整为使磁感应B与转子10的角位置θr的正弦函数成正比。

通过磁路21的调整设计，可获得如下关系式：

B＝k·sin(θr)(EQ1)

其中k是磁路21的常数。

传感器1000还包括至少两个具有线性输出的电转换器(transducer)4，两个电转换器4相对于定子20彼此在角度上偏移角度，各电转换器4放置于间隙210中，如图2所示。

有利地，转换器4是霍尔探测器，但也可以是磁致电阻或磁通门。

在任何情况下，转换器4各自在它们的输出处输送信号U，信号U为磁感应B的函数。由于它们的线性度，结合EQ1，可获得如下关系式：

$U=K\·B=K\·k\·\sin \left(\mathrm{\θr}\right)---\left(\mathrm{EQ}2\right)$

其中K是转换器4的线性度常数。

在转换器的输出处的信号被输送至处理装置8，处理装置8通常包括所有必要的计算和存储装置。

由于至少两个偏移转换器4，故能够确定转子10相对于定子20的角位置θr：转换器4的输出处的两个正弦信号具有与角偏移相对应的相位差。

优选地，霍尔探测器具有低空间阻碍。如图3所示，该传感器有利地具有安装于定子的附加部分的盘形，并具有低空间阻碍。

有利地，传感器1000包括具有三相结构形式的三个转换器4，这三个转换器4在它们输出处输出三相电信号。考虑到两个转换器4已足以限定角位置θr并且第三个转换器可以改进精度且检测任何故障，因此该三相结构是稳定的。

为了设计磁路21以获得关系式EQ1，根据本领域技术人员的选择，磁路21有利地为齿型。提供关系式EQ1的磁路的类型对本领域的技术人员而言是已知的。

为此，磁路21包括至少一个测量单元5，对于每对30磁体3，该至少一个测量单元5具有三个齿部211，该测量单元的每个齿部211均包括接纳转换器4的间隙210。该配置的任何倍数也是可能的。

对于测量单元来说，其它配置也是可能的。因此，每个测量单元例如可包括：

用于4对磁体的9个齿部；或

用于5对磁体的9个齿部；或

用于5对磁体的12个齿部。

如前所述，这些配置中的每一个的任何倍数也是可能的。

可以将转换器4布置在传感器1000的整个外围之上，换言之，在360°角上都具有测量单元5。

然而，还能够在仅具有传感器1000的角度部分6上设置测量单元5。因此节省了转换器4。

然而，在这种情况下，在限定测量单元5的部分6的任一侧上，磁路21有利地包括具有不接纳转换器4的间隙210的齿状结构7，以在转换器4的任一侧上保持基本相同的几何结构，并且在所有转换器的输出处获得相同的信号。

有利地，测量单元5的各间隙210均包括多个转换器4，以保证信息的冗余性。

优选地，每个间隙210的面212是平行的。在这种情况下，磁感应B是基本均匀的，这能够避免间隙210中的转换器4的位置的误差。

本发明的传感器1000应用于包括具有相对于壳体2可旋转地安装的轴1的系统100的任何组件，并有利地应用于磁同步电动机。本发明可以连续测量转子的角位置θa(由于转子10与轴1之间的连接)，从而使电动机的矢量驱动成为可能。

在电动机是多极电动机的情况下，传感器1000包括与电极100的极一样多的具有交替的N极和S极的永磁体3对30。

至此，所有转换器受到相同磁体的影响，无论在两相模式还是三相模式或是更多相模式下，组件的感应B等级的变化都不会干扰位置估算。

Claims (9)

1.一种设置在包括轴(1)的系统(100)上的传感器，所述轴(1)相对于壳体(2)可旋转地安装，并且对所述轴(1)的角位置进行连续测量，所述传感器包括：

定子(20)；

转子(10)，用于连接到所述轴(1)上，以使所述转子(10)相对于所述定子(20)的角位置θr与所述轴(1)相对于所述壳体(2)的角位置θa相同；

具有交替极性(N，S)的至少一个永磁体对(30)，位于所述定子(20)或所述转子(10)上，并且能够在所述转子(10)旋转期间产生磁感应(B)；

磁路(21)，用作所述具有交替极性(N，S)的至少一个永磁体对(30)产生的所述磁感应(B)的通道，所述磁路(21)被调整为使所述磁感应(B)与所述转子(10)的角位置θr的正弦函数成正比；

至少两个电转换器(4)，具有线性输出并且相对于所述定子(20)在角度上彼此偏移；

所述磁路(21)还包括至少两个间隙(210)，所述至少两个间隙(210)的每个被调整为接纳至少一个电转换器(4)，所述传感器的特征在于：

所述磁路(21)是齿状的并且包括至少一个测量单元(5)，对于交替极性的每个永磁体对(30)，所述至少一个测量单元(5)包括三个齿部(211)，所述测量单元(5)的所述三个齿部中的每个齿部(211)均包括接纳电转换器(4)的间隙(210)，并且每个所述电转换器放置在所述磁路(21)的所述至少一个测量单元(5)的齿部(211)的间隙(210)中。

2.根据权利要求1所述的传感器，在仅具有所述传感器(1000)的角度部分(6)上包括至少一个测量单元(5)。

3.根据权利要求2所述的传感器，其中，在所述角度部分(6)的任一侧上，所述磁路(21)有利地包括具有不接纳电转换器(4)的间隙(210)的齿状结构(7)。

4.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述测量单元(5)的每个间隙均包括多个电转换器(4)。

5.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述间隙(210)的面(212)是平行的。

6.一种组件，所述组件包括系统(100)，所述系统(100)包括相对于壳体(2)可旋转地安装的轴(1)，所述组件的特征在于：所述组件包括根据权利要求1至5中任一项所述的传感器(1000)。

7.根据权利要求6所述的组件，其中，所述轴(1)和所述转子(10)是一体的。

8.根据权利要求6所述的组件，其中，所述系统是磁同步电动机。

9.根据权利要求8所述的组件，其中，所述电动机是多极电动机，所述传感器(1000)包括与所述电动机的磁极一样多的具有交替极性(N，S)的永磁体对(30)。