CN103026250B - 带扁平导电迹线的电磁线圈结构、磁芯和磁电角度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于安装在磁芯上的电磁线圈结构。该磁芯是例如旋转电机或磁电角度传感器的一部分。本发明还涉及所属的磁芯和磁电角度传感器，特别地磁阻分解器。此外，本发明涉及用于制造这样的角度传感器的方法。线圈结构(106)包括至少一个形成为扁平的导电迹线(110)的导电绕组，以及用于承载所述绕组的至少一个柔性电绝缘载体(112)。所述线圈结构具有至少一个开口(108)，用于接收所述磁芯的磁通导引元件(104)。所述电磁线圈结构(106)安装到其上的磁芯的周缘表面具有多边形的形状。

Description

带扁平导电迹线的电磁线圈结构、磁芯和磁电角度传感器

技术领域

本发明涉及一种用于安装在磁芯上的电磁线圈结构。这样的磁芯例如是旋转电气机械或磁电角度传感器的一部分。本发明进一步涉及所属的磁芯和磁电角度传感器，特别地涉及一种磁阻分解器(resolver)，具有根据本发明的原理构造的定子。此外，本发明涉及用于制造这样的角度传感器的方法。

背景技术

虽然本发明的原理可适用于使用安装在磁芯上的线圈结构的各式各样的系统，但是在下文中主要将考虑磁阻分解器的应用领域。特别地，如在德国专利申请DE102010004887.9和DE102009021444.5中所示的磁阻分解器可通过采用根据本发明的原理得以改进。

磁阻分解器具有至少部分软磁的定子和至少部分软磁的转子。转子和定子彼此相对且在彼此之间形成气隙(airgap)。气隙内的磁阻根据转子的围绕其圆周变化的具体形式而周期性地变化。

角度传感器具有布置在定子处的磁通发送器，用于经由至少一个磁极对在气隙内产生预定的磁通分布。此外，在同一定子上布置有磁通检测器，其借助于至少两个彼此偏离预定角度的信号磁极对来检测磁场的强度。根据两个检测器信号，可得到转子相对于定子的相对位置的角度值。

基于定子和转子之间的气隙中的变化的磁通量强度的原理的这些磁电角度传感器已知为各种形式。基本上，用于在发送器部件中产生磁通量的几个原理以及用于测量检测器部件中的磁场的不同的原理是已知的。分解器以及所谓的同步机使用为初级和次级绕组形式的电磁线圈。

这样的分解器和同步机具有的优点是产生精确的结果并且为很稳健的角度传感器。特别地，所谓的磁阻分解器是已知的，其中初级和次级绕组布置在定子上，然而转子没有绕组，因而不利地影响了具有特别设计的软磁部件的磁通回路。借助于软磁转子的不规则形式，例如通过提供凸齿(lobes)，定子上的初级绕组和次级绕组之间的磁通量受到了不同的影响，从而允许根据感应电压得到转子的角位置。

存在用于制造这样的磁阻分解器的定子的几个技术构思。首先，将线圈的绕组直接缠绕在磁芯的一个或多个齿上是已知的。另一方面，例如如US5,300,884中所示的，将绕组施加在电绝缘线圈主体上并在组装期间将这些线圈主体装在磁芯的齿上是已知的。图9到11描述了根据德国专利申请102010004887.9的原理的布置。如图9所示，由堆叠和连结的金属片形成的定子202具有多个齿204，线圈206将附接到该多个齿204。

每个线圈具有由例如为塑料的电绝缘材料形成的线圈主体208。例如为电线210的导电绕组被缠绕在该线圈主体上。为了互连该线圈以及还为了将该线圈连接到例如为电源电压和测量电路的外部部件，这些电线被固定在触头212处。如可从图11得到的，电线的触头212向上指向以便被电连接。这是如图11所示借助于例如为印刷电路板的PCB214来实现的，该印刷电路板承载互连引线且借助于例如焊接216被连接到触头212。

然而，这些常规布置遭受若干严重的问题。首先，图11的传统的分解器200对于若干应用领域来说太厚，并且高度主要由线圈和印刷电路板连接的尺寸决定。此外，在图11的布置中，提供了大量的焊点216，其随着时间的推移会在极高的温度和剧烈振动下失效。

此外，传统的磁阻分解器的制造要求过高的费用和组装时间。最后，还有一些分解器要工作在来自齿轮箱的油中的应用。然而，具有图11所示的焊点216的印刷电路板的组合当接触某些腐蚀性的油类时会失效。

发明内容

因此，本发明目的在于克服以上概述的与传统的磁阻分解器有关的问题，并且解决提供改进的线圈结构、磁芯和角度传感器的问题，其是坚固和可靠的并且可以特别经济和节省时间的方式进行制造。

该目的是通过独立权利要求的主题解决的。本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。

本发明基于这样的构思：通过将导电绕组形成为由柔性电绝缘载体承载的扁平的导电迹线以及将至少一个开口形成在该线圈结构中用于接收磁芯的磁通导引元件，可提供特别简单且节省空间电磁线圈结构。这样的线圈结构可借助于沿用已久的柔性印刷电路板技术进行制造。与使用承载其上的线绕式线圈的单独线圈的布置相比，制造特别地简单和经济。

此外，本发明使用具有集成的扁平线圈的柔性印刷电路板，允许显著减小所需的空间。延伸穿过扁平的导电迹线的开口的磁导元件导引磁通，使得本发明的系统的功能没有不同于传统的系统中的一个系统。替代地，没有磁通引导元件(还称为磁极或齿)的磁芯可通过使用根据本发明的扁平带式线圈结构进行制造。

为了提供足够匝数的绕组以及另一方面以特别节省空间的方式布置线圈结构，在安装状态下的线圈结构被弯曲至少一次以具有三维的形式。特别地，线圈结构被弯曲成U形形式以包围定子或转子的磁芯。

虽然在下文中的详细说明中，线圈结构总是示出为包括一个以上的绕组，当然还可能仅提供一个扁平的导电迹线，如果对于特定的应用这是必须的。此外，在下文中总是示出了定子芯具有位于其内周缘上的齿。然而，对于本领域的技术人员而言，很明显本发明的电磁线圈结构当然还可用于定子的外部圆周并且当然也可用于转子上，如果同样要安装有绕组的话。

为了将线圈结构固定在磁芯处，可有利地设置粘接剂层。与柔性印刷电路板有关的这样的粘接剂层对本领域内的技术人员是已知的。替代地或另外，例如为弹性夹具的机械固定装置可在安装的线圈结构上被推动以便将其保持在合适位置。

为了最接近地获得传统的线绕式线圈的磁场特征，扁平的导电迹线围绕开口螺旋地缠绕。

特别地，当在腐蚀性的环境中使用本发明的电磁线圈结构时，有利的是，该线圈结构进一步包括电绝缘覆盖层，用于密闭地密封扁平的导电迹线。

对于若干实际应用，例如，对于DE102009021444.5所示的磁阻分解器，每个齿上必须设置一个以上的线圈。因此，根据本发明的电磁线圈结构可包括一多层柔性电路板组件，其中交替的导电层通过电绝缘层与相邻的导电层绝缘。因而，多个线圈能够以特别容易的方式被附接到磁芯。替代地，一个以上的电磁线圈结构可单独地组装在磁芯上。

通过将一个磁芯所需要的所有线圈都结合到集成的柔性电路板中，以及通过将该柔性电路板布置在包括多个齿的磁芯的内周缘或外周缘上，其中所述多个齿在周缘上布置成使多个开口各自包围磁芯的齿，所有的线圈可在同一个安装步骤中作为单个部件进行安装。与将单个线圈作为备用的成本相比，这一方面节省时间，另一方面降低了费用。此外，这些连结线圈不需要在单独的制造步骤中彼此连接，而是在将其安装在磁芯上之前早已被互连，其中传统的布置就是在单独的制造步骤中需要将连结线圈彼此连接。

为了适于本发明的电磁线圈结构，用于承载至少一个这样的线圈结构的磁芯具有带多边形形状的周缘表面。因此，磁芯没有给电磁线圈结构提供曲面，因此便于弯曲所述线圈结构以部分地抵靠在磁芯的上下表面上。特别地，磁芯可包括多个齿，该多个齿被布置成各自从该多边形形状的侧表面突出。

制造这样的磁芯的沿用已久的方法是通过由金属片制作的多个堆叠且连结的薄片构成该成磁芯。

根据本发明的有利的实施例，基于本发明的原理的磁电角度传感器具有如压接连接、插头连接器和/或焊接或激光连接的标准连接以提供与外部部件的电接触，然而，扁平的导电迹线的绕组经由集成在柔性扁平线圈结构内的导线而至少部分地彼此连接。

为了完全地去除电缆，扁平的接合线圈结构可包括相应形状的连接区域。

附图说明

附图被并入到说明书中并形成为说明书的一部分以示出本发明的几个实施例。这些附图和描述一起用来解释本发明的原理。这些附图仅是为了示出如何构成和使用本发明的优选和替代的例子，并且不是看作将本发明仅限于示出和描述的实施例。此外，描述的实施例的若干方面可根据本发明的解决方案单独地或以不同的结合方式形成。进一步的特征和优点从以下如在附图中示出的本发明的各种实施例的更具体的描述中变得显而易见的，其中在附图中相同的附图标记指的是相同的元件，以及其中：

图1示出了承载其上的电磁线圈结构的磁芯的示意性的透视图；

图2示出了在将线圈结构安装在磁芯上之前图1的线圈结构；

图3示出了图1所示的磁芯的透视图；

图4示出了在执行弯曲步骤之前线圈结构的安装；

图5示出了替代的固定装置；

图6示出了安装在磁芯上的另一种形式的线圈结构；

图7示出了在安装在磁芯上之前图6的线圈结构；

图8详细地示出了图6的线圈结构的绕组；

图9示出了传统的磁芯和缠绕电线的线圈；

图10示出了在线圈安装期间图9的磁芯；

图11示出了在焊接印刷电路板之后的传统的磁阻分解器。

具体实施方式

现在参照附图，图1示出了根据本发明的其上安装有线圈结构106的定子100。定子100包括磁芯102，其上设置有八个还称为磁极或磁通导引元件的齿104。线圈结构106安装在磁芯102上以使齿104延伸穿过设置在开口108周围的线圈结构106处的开口108，线圈结构106包括集成到印刷电路板中的绕线的线圈或扁平的导电迹线110，在此其特别地形成为围绕开口因而围绕齿104螺旋地缠绕。

在所示的实施例中，扁平的导电迹线110被成形以围绕每个齿104形成一个导电的绕组。该扁平的导电迹线110被制造在柔性的电绝缘载体112上，如从图1可得到的。当定子100与图11的相应的分解器(resolve)结构200比较时，根据本发明的布置比所有传统的结构具有低得多的高度同时保持基本相同的功能。

此外，如本领域内的技术人员已知的，根据柔性印刷电路板即FPCB技术的原理，线圈结构106还可形成为多层FPCB，该多层FPCB包括位于每个齿的位置处的多于一个的线圈并且还已提供了各线圈之间的互连。

在图1所示的实施例中，仅必须设置一个连接区域114，以容许经由标准连接技术连接到外部部件。连接区域114承载若干端子，其可被焊接、激光焊或压接到这些部件，这些部件具体地为电源以及电压测量装置。

为了围绕每个齿104给绕组提供期望数量的匝数，线圈结构106被弯曲以使线圈结构表面的一部分邻接在磁芯102的上下表面上。

为了便于上述的线圈结构106的弯曲，磁芯102的内周具有多边形的而不是圆形的横截面，以使线圈结构出现直边116，用于使线圈结构环绕该直边弯曲。

图2示出了在线圈结构106安装到磁芯102上之前的图1的线圈结构106。这是线圈结构106储备(stock)时采用的形式，根据一个有利的实施例，该构造106已包含了用于将单独的线圈元件118以期望的方式彼此互连的所有必需的引线。为此，线圈结构106可具有带嵌入式结构的金属引线的若干柔性绝缘层。

此外，线圈结构的所有金属部分优选通过绝缘材料进行密闭地密封。至于这样的材料，所有通常使用的分层材料，例如为具有用作导电引线的铜层的聚酰亚胺或聚酯薄膜以及例如为阻焊层的抗蚀层都是合适。此外，可以设置成附加的可热活性的或其它粘接剂以用于将线圈结构106附接到磁芯102。

所有的必须从外部接近的端子在连接区域114处被接触。开口108形成为具有基本上矩形的形状以与齿104的横截面匹配。当然，开口108还可使用所有其它需要的形状。

此外，多层柔性印刷电路板结构还可设计成在一个或多个齿104的位置处包括一个以上的线圈元件118。替代地或另外地，两个或更多的线圈结构106可被施加到磁芯102以便形成根据本发明的定子100。

图3中示出了根据本发明的磁芯102。磁芯102由多个堆叠和连结的金属片形成，所述金属片通过冲压步骤制造。根据本发明，磁芯102的内周具有多边形的横截面以便每个齿104从扁平的而不是弯曲的表面延伸。因而，直边116被提供用于便于每个线圈元件118远离磁芯102的内周向上下表面弯曲。

图4示出了在磁芯102上安装线圈结构106。每个磁芯元件定位在所属的齿104上以使齿104延伸穿过开口108。每个线圈元件118通过小于线圈元件118的表面的链接区域120被连接到下一个线圈元件，因而可很容易地弯曲以安装到磁芯102的多边形内表面的拐角。

在线圈结构106围绕磁芯102的内周安装之后，在接下来制造步骤中，线圈元件的延伸超过磁芯102的厚度的上部和下部远离磁芯102的中心弯曲，如箭头122所示。开始与磁芯102的表面接触的那些表面可以可选地覆盖有粘接剂，用于将线圈结构106更牢固地固定在磁芯102上。

根据本发明的布置通过将线圈元件集成到柔性印刷电路板中有助于制造和组装磁阻分解器的定子，因而消除了对单独线圈的需要和对穿过另外印刷电路板提供连接的需要。通过用柔性印刷电路板的开口围绕齿来组装柔性印刷电路板并且将该柔性印刷电路板折叠在定子包装之上，分解器的总厚度可最小化，且相比具有单独线圈的分解器，所需的空间与因而显著减小。

因此，相比传统的结构，装置的可靠性能够被提高，在传统的结构中，例如对于在八个磁极处具有四个端子的布置，必须在单独的线圈和印刷电路板之间提供32个连接。

特别地，当应用于具有过大振动的环境中，例如汽车领域中时，可靠性能够被提高。

此外，通过相对外部密闭地密封线圈结构的所有金属部件，能够提高对油或水抵抗性。因为无需在单独的制造步骤中建立单独的线圈和印刷电路板之间的连接，因此可省去制造的时间和成本。具有集成的线圈元件的柔性印刷电路可被简单组装，如上所述。

此外，用于通过模制步骤、缠绕步骤和焊接步骤来准备单独的线圈的所有成本可被省去。此外，通过将发明的柔性印刷电路板制作为施加在磁芯102的内径周围的带，而不是制造在穿过转子的选转轴的平面内延伸的印刷电路板，可有效避免材料浪费。在图10所示的布置中，印刷电路板214的整个中心区域必须被切掉并构成废料，然而柔性印刷电路板可被制作为用于磁芯的所有期望的直径而没有任何材料浪费。

最后，通过使用集成到柔性印刷电路板中的线圈能够减小分解器的厚度，其中所述柔性印刷电路板可折叠成围绕定子包装。更薄的分解器是可能的，从而开辟广泛的应用领域。如已提到的，本发明一般可与分解器和同步机以及角度传感器一起使用。

图5示意性地示出了一个固定线圈结构106的替代方法。在此模制的弹性夹具被设置为固定装置124并且在它已经安装在磁芯102后被推到线圈结构106之上。这些夹具124可例如由电绝缘塑料材料形成。

图6示出了扁平带式线圈结构106的另一个形式，其围绕磁芯102的齿104缠绕。该实施例具有的优点为：产生了非常类似于由传统的线绕式线圈产生的磁场的磁场，并且可以特别简单的方式进行制造。

图7描述了在被围绕齿104缠绕之前图6的线圈结构106，图8示出了如何缠绕线圈结构106的例子。当然，也可提供比所示的两匝或多或少的匝数。

最后，必须提到是，根据本发明的线圈结构106还可以安装在没有设置104磁芯102。当无需定子磁极时，圆形或多边形的定子铁心102仅与在其上构成线圈结构102的柔性带一起使用。根据转子的位置，或多或少的绕组可与磁场耦合，因而产生期望的角度指示信号。

Claims (12)

1.一种用于安装到磁芯(102)上的电磁线圈结构，所述电磁线圈结构(106)包括：

形成为扁平的导电迹线(110)的至少一个导电绕组；

用于承载所述导电绕组的至少一个柔性电绝缘载体(112)；

其中，所述电磁线圈结构能够安装在所述磁芯(102)上以在所述磁芯中感生和/或接收磁通，

在安装状态下，所述电磁线圈结构(106)被弯曲两次以便以U形方式包围转子或定子的磁芯(102)，并且

所述电磁线圈结构(106)具有至少一个开口(108)，所述开口用于接收所述磁芯的磁通导引元件。

2.根据权利要求1的电磁线圈结构，进一步包括粘接剂层和/或机械固定元件(124)，用于在所述磁芯(102)处固定所述电磁线圈结构(106)。

3.根据权利要求1的电磁线圈结构，其中，所述扁平的导电迹线(110)围绕所述开口(108)螺旋地缠绕。

4.根据权利要求1的电磁线圈结构，其中，所述电磁线圈结构(106)进一步包括电绝缘覆盖层或抗蚀层，用于密闭地密封所述扁平的导电迹线(110)。

5.根据权利要求1的电磁线圈结构，其中，所述电磁线圈结构(106)包括一多层的柔性电路板组件，交替的导电层通过电绝缘层与相邻的导电层绝缘。

6.根据权利要求1的电磁线圈结构，其中，多个导电绕组设置成围绕同一开口(108)。

7.根据权利要求1的电磁线圈结构，

其中，所述电磁线圈结构(106)适于围绕磁芯(102)的内周缘或外周缘缠绕，其中所述磁芯包括布置在所述内周缘或外周缘上的多个齿(104)，并且其中所述电磁线圈结构(106)包括多个开口(108)，所述多个开口各自形成为包围所述磁芯(102)的齿(104)。

8.磁电角度传感器，具有至少部分地为铁磁性的定子和至少部分为铁磁性的转子，所述转子与所述定子彼此相对，在它们之间形成环形的气隙，其中如果转子围绕旋转轴旋转，则所述气隙中的磁阻由于转子的形状而变化，其中所述转子的形状沿着转子的周缘周期性地变化，

具有布置在所述定子处的磁通发送器，用于经由至少一个磁极对在所述气隙内产生预定磁通分布；

具有布置在所述定子处的磁通检测器，用于借助于彼此偏离开预定角度的至少两个信号磁极对来检测磁场的强度，其中由两个检测器信号，能够得到所述转子相对于所述定子的相对位置的角度值；

其中，所述定子由磁芯(102)形成，所述磁芯具有其上安装有电磁线圈结构(106)的周缘表面，该周缘表面具有多边形的形状，并且其中所述磁通发送器和所述磁通检测器包括绕组，所述绕组被制成为根据权利要求1到7之一的一个或多个电磁线圈结构(106)。

9.根据权利要求8的磁电角度传感器，其中，至少两个单独的电磁线圈结构(106)被安装在所述磁芯上。

10.根据权利要求8或9所述的磁电角度传感器，其中，所述绕组经由集成在所述电磁线圈结构(106)内的电导线被至少部分地彼此连接，并且其中与外部部件的连接受到布置在连接区域(114)处的电连接的影响。

11.根据权利要求10所述的磁电角度传感器，其中，所述连接区域(114)延伸至与所述外部部件连接的位置。

12.用于制造磁电角度传感器的方法，所述方法包括以下步骤：

提供一种磁芯，该磁芯具有多个齿，该多个齿从具有多边形横截面的周缘表面突出；

为至少一个电磁线圈结构提供形成为扁平的导电迹线的至少一个导电绕组和用于承载所述导电绕组的至少一个柔性的电绝缘载体；

在所述磁芯上安装所述电磁线圈结构，以使所述齿穿过设置在所述电磁线圈结构处的开口且所述电磁线圈结构至少抵靠在所述磁芯的周缘表面上，使得在安装状态下，所述电磁线圈结构被弯曲两次以便以U形方式包围转子或定子的磁芯(102)。