CN105229425B - 用于高极数电机的集成多匝绝对位置传感器 - Google Patents

用于高极数电机的集成多匝绝对位置传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN105229425B
CN105229425B CN201380073979.9A CN201380073979A CN105229425B CN 105229425 B CN105229425 B CN 105229425B CN 201380073979 A CN201380073979 A CN 201380073979A CN 105229425 B CN105229425 B CN 105229425B
Authority
CN
China
Prior art keywords
rotor
sensor
motor
scale
integrated motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201380073979.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105229425A (zh
Inventor
唐纳德·P·拉布里奥拉二世
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
QuickSilver Controls Inc
Original Assignee
QuickSilver Controls Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by QuickSilver Controls Inc filed Critical QuickSilver Controls Inc
Publication of CN105229425A publication Critical patent/CN105229425A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105229425B publication Critical patent/CN105229425B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/245—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train
    • G01D5/2451—Incremental encoders
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • H02K11/225—Detecting coils
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K37/00—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors
    • H02K37/10—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type
    • H02K37/12—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K37/14—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

一种集成电机‑位置传感器包括：电机，所述电机具有：转子组件，所述转子组件具有永久磁体，并且包括圆柱形部分，所述圆柱形部分具有轴和多个周边间隔的放射状突出的转子齿；定子组件，所述定子组件与转子组件同轴，并且具有多个放射状突出的定子极，每个定子极具有多个定子极齿；以及多个位置感测元件，所述多个位置感测元件通过转子组件的永久磁铁以及所述转子组件的相对运动而被赋能，其中每个位置感测元件包括：具有感测线圈的大型巴克豪森跳变传感器和通量收集器，其中转子组件相对于定子组件的相对位置是可在电机的电周期的一小部分内确定的。

Description

用于高极数电机的集成多匝绝对位置传感器
技术领域
本发明涉及一种具有集成的绝对磁位置反馈的高极数电机，所述高极数电机通过相关的电子器件能够提供该电机的任意转数上的绝对位置感测。多转绝对位置反馈可以与高分辨率部分回转反馈组合以提供电机的任意转数上的高分辨率反馈。有多回转能力的反馈和高分辨率部分回转反馈两者的磁路是基于现存的电机磁路。
背景技术
电机被用于实现对象的受控运动的各种应用中。例如，电机被用于各种工业自动化和其他自动化应用中。在许多应用中，向电机或电机的控制器提供电机位置的精确度量以使得通过电机定位对象的精度可以更高是有用的。在许多应用中，即使电机在系统功率被关闭时已经被移动，知道电机在施加功率时的绝对位置也是有利的。在闭环系统中，一个或更多个传感器收集关于电机的位置、速率或加速度信息，并且将该信息提供给电机控制器。电机控制器内的闭环控制系统接收作为反馈的电机位置或其他信息，并且改进电机的定位或运动特性的精度。其操作通过反馈实现并且在闭环控制之下的电机常被称为伺服电机。
绝对多匝位置反馈可以通过若干方法获得，包括使用在它们之间具有机械传动装置的多个编码器部分或分解器部分、使用具有备用电池和电子计数器的传感器、以及使用磁脉冲发生器来感测位置移动并且可选地提供对脉冲的数量和序列进行计数以便跟踪轴位置所需的能量。
绝对位置传感器的分辨率通常通过将粗略绝对位置传感器的值与在一个回转的有限的时间段或部分内提供绝对位置的精细位置感测方法的那些值组合来改进。假如粗略位置感测方法能够在精细位置感测方法的周期的一小部分(a fraction of)内确定位置，则可以用电子装置组合来自这两个传感器的数据以提供对于位置的宽泛的绝对范围的高分辨率位置反馈。
较高分辨率周期绝对位置传感器与粗略多匝(multi-turn)绝对位置传感器的组合在本领域中是众所周知的。美国专利No.7,579,829中的Wong描述了高分辨率绝对周期位置感测与较低分辨率多匝绝对位置感测的组合。较低分辨率绝对位置感测通过使用由机械传动装置耦合在一起的多个分解器而获得。美国专利申请公开No.US 2011/0156699 A1中的Shibata等人描述了类似的使用通过传动装置机械地耦合的多个分解器部分的多匝绝对位置感测方法。存在基于机械传动方法的变型的多个专利。
美国专利No.5,057,727中的Jones描述了“利用Wiegand效应器件的轴位置传感器(Shaft Position Sensor Employing a Wiegand-effect device)”。具体地说，美国专利No.5,057,727教导了使用Wiegand效应传感器来确定锯齿状软磁轮的粗略位置，其中Wiegand效应器件所需的磁场由非装轮式磁源提供。非装轮式磁源可以永久磁体或螺线管。来自多个Wiegand传感器的信号的定相提供递增位置信息。作为Wiegand效应传感器的基础的Wiegand导线的操作在Wiegand的美国专利No.3,820,090和Wiegand的美国专利No.4,247,601中被描述。Wiegand传感器包括被盘绕的感测导线环绕的Wiegand导线。当在对传感器施加足够强的磁场之后，所施加的磁场一变弱或逆转，Wiegand导线的内芯的磁化状态就突然逆转时，感测导线生成强烈的不同脉冲。基于该效应的传感器在包括Hinke等人的美国专利No.4,538,082的技术中是众所周知的。
美国专利申请公开No.US 2010/0213927中的Mehnert等人描述了使用感测附着到将被监视的主体的多个交替极性的永久磁体的粗略磁敏位置传感器(诸如霍尔效应传感器)的绝对磁位置编码器，其中操作控制逻辑和非易失性计数器的功率由单个Wiegand元件提供。该粗略位置传感器与磁敏精细传感器(诸如霍尔效应传感器)组合以提供更高分辨率的部分。这些组合在电子逻辑中以提供不需要外部功率来维持其绝对位置计数的高分辨率多匝编码器。
美国专利No.8,111,065中的Menhert等人描述了由来自主轴的齿轮驱动以每转生成多个功率脉冲的组合Wiegand效应传感器，其中这些脉冲被计数以提供粗略绝对位置装置。绝对一匝编码器、分解器或霍尔效应位置传感器装置用于提供更高分辨率装置，其中高分辨率周期的和低分辨率的绝对计数组合来提供绝对位置感测装置。来自Wiegand效应器件的脉冲用于给粗略绝对计数电子器件供电以使得不需要外部电功率来跟踪输入轴的粗略运动。
美国专利申请公开No.US 2011/0006757 A1中的Mehnert描述了包含在铁磁环内的单个Wiegand效应脉冲发生器与内表面上的、对Wiegand效应器件产生交替磁场的附着磁体的组合。附加的传感器用于确定运动方向，以产生针对用于粗略位置的升/降计数器的信号以及用作位置反馈的精细分辨率部分。
美国专利申请公开No.US 2011/0184691中的Mehnert等人进一步教导了处理并且组合美国专利申请公开No.US 2011/0006757中所描述的绝对位置传感器所需的电子器件。对于粗略传感器，单个Wiegand效应传感器与霍尔类型的器件组合，其中霍尔效应器件从Wiegand效应传感器供电。Wiegand器件的迟滞有利地与霍尔效应器件一起被用于确定旋转方向，因为根据旋转方向，Wiegand器件所涉及的迟滞使Wiegand器件信号相对于霍尔效应器件所测量的磁场异相。
美国专利No.4,779,075中的Zagelein等人描述了这样一种器件，该器件通过与附连到转数计的轴的单回转绝对式位置传感器结合使用利用非易失性存储器基于先前的脉冲确定动作并且利用计数器存储周期计数的三个Wiegand或大型巴克豪森效应器件来确定绝对位移。美国专利No.4,779,075中的中心Wiegand器件(S3)用作预触发使能，那么进入其他Wiegand器件(如美国专利No.4,779,075中所标识的S2或S1)的第一脉冲用于操作计数器升或降。以这种方式，如果来自相同Wiegand器件的多个脉冲在没有充分旋转到第一啮合S3的情况下发生，则忽视它们。
美国专利No.5,663,641中的Morita教导了具有Wiegand效应的转速检测单元或者在音轮的交替极之间机械地耦合的非晶磁致伸缩导线传感器。音轮的外周具有交替的具有均匀节距的N极和S极，使得检测单元横跨在一对相对极化的磁体之间。横跨的极性随着轮旋转而交替，生成一系列脉冲。
发明内容
本发明涉及基本上如图中的至少一个所示的和/或如本文中结合图中的至少一个描述的、如权利要求书中更完整地阐述的、一种用于高极数电机的集成多匝绝对位置传感器。
附图说明
图1示出根据实施方案的具有集成的精细传感器拾取线圈和粗略感测元件的电机的等距视图。
图2示出图1的电机的前视角观察的视图。
图3示出图1的电机的后视图，该后视图显示其精细传感器拾取线圈和粗略感测元件的定子结构和放置。
图3A单独地从与图3相同的视角来看的图1的电机的粗略感测元件。
图3B示出单独地从与图3相同的视角来看的图1的电机的精细传感器拾取线圈。
图4A、4B和4C示出从不同视角来看的图1的电机的转子组件。具体地说，图4A从侧视图示出转子组件以示出转子极帽到转子磁体的放置。图4B示出上转子极帽的齿和间隙相对于下转子极帽的对齐。图4C示出转子组件的剖开视图，该剖开视图示出齿和间隙在上转子极帽和下转子极帽之间的对齐。
图5示出根据实施方案的在被设计用于微步进操作的步进电机中有用的精细传感器拾取线圈的布置。
图6示出根据实施方案的具有通量聚焦元件的粗略感测元件构造。
图6A示出根据实施方案的粗略感测元件的剖开视图，该剖开视图暴露粗略感测元件的内部构造。
图7A、7B、7C和7D均示出图1的电机随着其转子连续地移动通过0.9度逆时针的运动增量的侧视图。
图8示出根据实施方案的具有粗略感测元件的替代配置的电机的等距视图。
图9示出图8的电机的侧视图。
图10示出图8的电机的替代定子和传感器配置的等距视图，该等距视图详细描绘精细传感器拾取线圈和粗略感测元件的定位，其中转子组件为了清晰起见而被移除。
图11示出图8的电机中所使用的桥式粗略感测元件的单独视图。
图12示出关于2相1.8度步进电机的、精细传感器拾取线圈的归一化解码输出F1、F2、粗略感测元件的归一化通量PHI1、PHI2、以及粗略感测元件的归一化输出C1、C2，所有这些都是针对图7A-D中所示的以每转度数为单位的机械轴角而绘制的。
图13示出随着所述角度首先在正方向上移动、然后逆转并且在负方向上移动的、以机械度数为单位的角位置W和图12的传感器输出。
具体实施方式
1.前言
本发明的各方面在本文中就同步高极数电机进行讨论。高极数同步电机具有在本发明的某些实施方式中有利地使用的某些性质。题目为“低噪声同步电机(Low NoiseSynchronous Motors)”的美国专利No.4,025,810描述了对于该讨论有用的步进电机的配置和操作的基本方面。这样的电机有时被称为步进电机或步级电机，并且可以按开环配置、准闭环配置和/或全闭环配置操作。在每种这样的配置中，驱动电流被施加于定子相绕组。开环操作不基于位置反馈来修改施加于定子相绕组的驱动电流。准闭环配置修改施加于定子相绕组的电流的相位以便防止电机的步长和同步的丢失，通常是通过限制驱动相位和实际转子位置之间的差异不大于电机的大约加或减1.5全步步长来修改。全闭环操作基于实际位置对比期望位置来改变施加于定子相绕组的电流的相位和幅度两者，使电机整流换向(commutating)以便优化可用的转矩常数。
通过本发明的实施方案提供的反馈从粗略感测元件以及可选地从精细传感器拾取线圈获得。在某些实现中，粗略感测元件生成大致固定的振幅的窄脉冲，其中振幅独立于转速。当使用两个粗略感测元件时，当使用所接收的脉冲的极性和先前的脉冲的历史两者进行解码时来自这样的粗略感测元件的脉冲可以在电机的每一电周期提供四个位置。附加的传感器可以用于提高分辨率或者提供冗余性。
在本文中所描述的配置中，粗略感测元件的转变按大致全步间隔、以相对于波(赋能的单个相位)全步稳态位置的一半步长的相位偏移发生，全步间隔是电周期的四分之一。对于本文中所描述的电机的全步运动对应于1.8度的机械移动，但是更精细的和更粗略的其他分辨率是常用的，并且可以与本发明一起使用。粗略感测元件可以在没有精细传感器拾取线圈的情况下被用于如准闭环操作中那样防止步进电机的同步的丢失，或者仅被用于确定电机的位置在一个步长内。它们还可以结合精细传感器拾取线圈被使用。
通过使用用电池或其他备用装置外部供电的或者从传感器脉冲本身供电的非易失性计数器，可以确定任意大的运动范围上的电机的绝对位置。例如，48位的粗略分辨率计数可以唯一地跟踪100多年以4000RPM运行的典型的1.8度电机的1个步长内的运动，跟踪分辨率为每转200个位置，并且该计数仍然可以具有空闲的位。这不表明电子器件和机械结构的其余部分将存活一个世纪，仅仅表明少如48位的存储器将超出满足该要求。
粗略感测元件位置信息可以与来自精细传感器拾取线圈的精细分辨率反馈组合以提供任意大的运动范围上的精细位置信息。本发明中的精细位置反馈是基于美国专利7,075,196 B1及其相关的专利族。
本文中所描述的粗略感测元件不需要电功率来监视转子相对于定子的位置，这对于当进入控制器的功率已经被移除时最小化或除去外部功率使用是重要的。粗略感测元件所产生的脉冲可以用于唤醒低功率处理器或者启动以储存的能量操作的低功率计数器。可替代地，来自粗略感测元件的脉冲可以被采集以给非易失性计数器装置供电，从而使得可以排除长期的能量储存，诸如电池。
在组合精细传感器拾取线圈和粗略感测元件的系统中，粗略感测元件可以被配置为提供足以无歧义地确定精细传感器拾取线圈的范围内的位置的分辨率。精细传感器拾取线圈仅当存在被提供来控制电机的功率时才需要被供电。
本文中所描述的实施方案可以比现有技术的多匝位置感测解决方案更小型且更简单，因为这样的实施方案利用电机的现存的磁结构。该方法内在地使多匝位置感测的分辨率与高极数电机的分辨率匹配，并且在生产时不需要附加的对齐步骤。绝对多匝感测装置的转变点对于准闭环操作很好地匹配，在准闭环操作中，电机的驱动角度保持在转子角度的大致加或减1.5个步长内以防止丢失同步。全步步进时的最佳转矩通过使定子磁场在标称上保持在转子的电角度(electrical angle)前面.5和1.5个步长之间而发生。根据某些实施方案，粗略传感器也非常适合于与高分辨率有限范围周期绝对传感器组合来对任意数量的电机回转提供具有精细分辨率的全闭环伺服操作。
如上所述的电机本身的磁结构的使用不仅在除去许多附加部件方面节省了成本和空间，而且还在去除使现有计数的感测装置与电机结构磁屏蔽以防止电机场对前述感测装置的干扰的需要方面节省了成本和空间。
现有技术的解决方案没有教导能够直接测量典型的1.8度步进电机的转子相对于其定子的足够分辨率的位置。这样的解决方案需要添加附加的轮和磁铁，并且不提供精细分辨率与本发明的实施方案的缩小占地(footprint)的组合。
本发明的某些实施方案避免Wiegand器件的限制：存在与操作Wiegand效应器件相关联的强脉冲和弱脉冲两者。强脉冲和弱脉冲由Wiegand在美国专利No.4,247,601中教导。弱脉冲被描述为美国专利No.4,247,601的图3中的R所示的逆转芯切换，强脉冲被描述为汇合芯切换，并且在美国专利No.4,247,601的图3中被标记为大脉冲C。该效应也在运动系统设计(Motion System Design)第18页的“提高：磁体和电磁学(Brushing Up:Magnets andElectromagnetics)”(在http://motionsystemdesign.com/Magnetism.pdf可获得)中做了非常详细的描述。从传感器重置(即，Wiegand器件的软铁中心芯和硬磁外芯在存在强重置场时都在相同磁方向上)开始，当外部场逆转时，首先，软芯非常快地一连串地逆转其方位，通常持续大约10微秒(μs)并且生成大脉冲。随着场继续增大，硬磁外护套逆转方位，引起第二个较弱的脉冲。此刻，传感器被重置。随着场再次变弱并且逆转，首先，软内芯逆转，在逆转方向上引起强脉冲，然后，硬磁外壳层逆转，在逆转方向上引起第二个较弱的脉冲。这使器件返回到其初始重置状况。器件还可以在不逆转所施加的场的情况下被操作，以使得只有芯的磁场被切换，仅生成一个极性的强脉冲。
本发明的实施方案优选地利用如M.Vazquez和A.P.Zhukov在磁性和磁性材料(Magnetism and Magnetic Materials)160(1996)223-228的“玻璃包覆的非晶和纳米晶微导线的磁性能(Magnetic properties of glass-coated amorphous andnanocrystalline microwires)”中所描述的双稳态单跳巴克豪森效应传感器导线。这些器件用玻璃护套围绕内部磁芯。内部磁芯通常为3微米至50微米直径，优选地为非晶或非常细粒度的结构，由富含铁的芯合金制成。磁芯被与内部线芯共挤出的玻璃护套围绕。快速冷却使导线具有非晶态，同时由于玻璃和导线之间的热膨胀系数的差异而内锁应力。玻璃包覆的导线用与Gorynin等人在美国专利No.5,240,066中所教导的方法类似的方法制成。
表现出正磁致伸缩常数的富铁合金的使用似乎帮助生成具有几乎完美矩形的B-H曲线的双稳态磁性元件并且具有极化状态之间的非常快速的切换。因为这些器件不具有以更高场强度切换的辅助硬磁壳层，所以它们不具有与二次弱脉冲相关联的Wiegand传感器。此外，该双稳态磁性通过其在每个方向上的单个尖锐转变而可以使用短得多的长度的传感器导线来获得——对于10微米直径导线，小如2mm——使得它们用于更紧凑的系统中。输出信号强度随着导线截面面积而增大，所以对于双稳态操作而言，在直径和最小长度之间存在权衡。
尽管本文中所描述的某些实施方案使用单一大型巴克豪森跳变传感器，但是在替代实施方案中，可以使用其他大型巴克豪森跳变传感器，诸如Wiegand效应导线和类似的大型巴克豪森跳变传感器。
现有技术解决方案没有提供在可以与美国专利No.7,075,196B1的高分辨率传感器组合的自供电粗略绝对传感器的紧凑配置中的足够分辨率，所述自供电粗略绝对传感器也与步进电机的基本磁结构相集成。
足以不丢失电机步进计数的位置分辨率的自供电粗略传感器的使用在诸如太阳跟踪的应用中很有用，在这些应用中，系统内所消耗的功率的最小化导致递送给电网的功率最大化。较小的系统尺寸和重量在该系统以及许多其他的系统中通常也是一个优势。在这样的系统中，精细分辨率编码器以及电机无需被赋能，除非离开期望位置的足够的位置误差已经通过自供电粗略位置传感器被观察到，这降低了与太阳跟踪相关的能耗。
2.第一示例性实施方式的描述
图1示出具有集成的精细传感器拾取线圈6和7以及基于大型巴克豪森跳变(LBJ)的粗略感测元件4和5的步进电机31的等距视图。例如，粗略感测元件4和5可以是位置感测元件。指出，为了清晰起见，在图1中未示出本领域中众所周知的电机端盖和轴承。诸如步进电机31的电机是具有有微步进能力的层压件的常见1.8度步进器，但是本发明不限于这种特定的电机类型。步进电机31包括转子32(诸如转子组件)和定子1(诸如定子组件)。随着转子32在定子1内旋转，如图12中所描绘的，分别对于两个粗略感测元件，施加于步进电机31的两个粗略感测元件4和5的磁场的幅度和极性都连续地以截顶的正弦和余弦方式变化。周期的时间段对应于步进电机31的电周期，对于步进电机31，该电周期是四个全电步长或7.2度机械步长。步进电机31的定子相绕组A 35(诸如线圈)对应于A相，并且以交替方式(alternating sense)被卷绕到交替的A相极上的线圈——0度、90度、180度和270度——如在步进电机的领域中众所周知的那样。步进电机31的定子相绕组B 36(诸如线圈)对应于B组，并且以交替方式被卷绕到交替的B相极上的线圈——45度、135度、225度和315度，如通过查看步进电机31的前面可以看到的那样。替代配置是可能的，包括三个、四个、五个和其他数量的电机相。根据本发明的实施方案的粗略感测方法与各种数量的驱动相兼容。定子相绕组A 35内的单个的绕组可以串联地、并联地或者以串联和并联的某一组合布线。同样的灵活性也适用于定子相绕组B 36。可以连同线规和匝数的变化一起使用替代的卷绕互连方法来为特定电机配置期望的电机工作电压和电流。
图2示出具有集成的粗略感测元件4和5以及精细传感器拾取线圈6和7的步进电机31的前面视图。精细传感器拾取线圈6和7可以是高分辨率位置传感器。粗略感测元件4和5的摆放使得它们横跨在定子1的后侧处的外部磁回路并且几乎到转子32之间，其中每个粗略感测元件的内部末端和转子32的面之间仅有一个小的间隙。
精细传感器拾取线圈6响应来源于定子相绕组A 35的通量变化。通量被精细传感器拾取线圈6以微分的方式感测，而来源于定子相绕组B 36的通量被精细传感器拾取线圈7感测。尽管定子相绕组35和36为了易于图示说明而被示为2匝绕组，但是要理解这些定子相绕组可以具有更多的匝并且可以消耗围绕每个定子极(诸如定子极件8)的空间中的大部分。
图3从图1的步进电机31的后侧等距视图示出具有粗略感测元件4和5以及精细传感器拾取线圈6和7两者的定子1。通过围绕每个定子极件8的各种定子相绕组35和36的电流被调制以在转子32和定子1之间产生相对运动。转子32及其各种部件在该视图中被隐藏以使得定子1的可见性可以更好并且可以定位粗略感测元件4和5以及精细传感器拾取线圈6和7。
图3A提供以与图3中的方位相同的方位示出的粗略感测元件4和5的方位的更清楚的视图。粗略感测元件4和粗略感测元件5可以耦合到非易失性计数器41。非易失性计数器41可以从主电源42、备用电源43、由粗略感测元件4和5产生的能量或者它们的组合供电。
图3B示出被调适来与微步进优化步进电机一起使用的精细传感器拾取线圈6和7的简化视图。精细位置感测线圈7感测图3的邻接的定子极件8上的来源于图1的定子相绕组A 35的通量的一部分。精细位置感测线圈6以相似的方式感测来自定子相绕组B 36的一部分。指出，从该视角来看的面向上和右手的视图对应于图1的后侧视图和图2的底侧视图。
图4A示出转子32的侧视图，转子32包括转子轴3、高磁导率软磁上转子极帽2、轴向极化的转子磁体10以及高磁导率软磁下转子极帽11。例如，转子磁体10可以包括永久磁体。
图4B示出转子32的3维视图。该视图示出相对于下转子极帽11中的转子齿13的、上转子极帽2中的转子齿12和间隙14之间的对齐，这些被定位为使得一个转子极帽的齿与另一转子极帽中的间隙对齐，反之亦然。
图4C示出图4A的转子32的剖开视俯视图。转子磁体10夹在上转子极帽2和下转子极帽11之间。上转子极帽2的转子齿12偏移以便出现在下转子极帽11的转子齿13之间。
图5示出精细传感器拾取线圈6的更详细的视图。精细传感器拾取线圈7可以具有类似的设计和布局。为了清楚起见，仅示出了精细传感器拾取线圈6的单匝。然而，精细传感器拾取线圈6可以具有多匝。如图5中所示的精细传感器拾取线圈6已经针对有微步进能力的步进电机(诸如图1的步进电机31)进行了优化，但是设计可以针对其他电机类型变化。步进电机31包括图1的定子极件8，其具有图1的定子极齿9，定子极齿9具有的节距分别地不同于图4C的转子极帽2和图4C的转子极帽11的、图4C的转子齿12和图4C的转子齿13的节距。定子极齿之间的这个节距变化的意图是最小化随着图1的转子32相对于图1的定子1旋转、定子1和转子32之间的磁阻路径的总体变化，以便减小齿槽效应并且最小化转矩波动。图5中所示的精细传感器拾取线圈6利用定子极齿9相对于在定子极件8的中心线的左边和右边两处的相邻的上转子极帽2的转子齿12的节距的差异。精细传感器拾取线圈6还感测定子极件8的定子极齿9和下转子极帽11的转子齿13之间的互补对齐。从图5中所示的精细传感器拾取线圈6的角度来看，精细传感器拾取线圈6的左上环路15和右下环路18彼此同相，并且与精细传感器拾取线圈6的右上环路16和左下环路17的定相方式(phasing sense)相反。尽管精细传感器拾取线圈的这个特定版本是针对微步进步进电机例示说明的，但是精细传感器拾取线圈的替代实施方式要被认为是在本发明的范围内。精细传感器拾取线圈可以被部署在每相的一个或更多个定子极件上。与多个相的这样的使用可以用于最小化电机构造变化和跳动的影响。
图6示出粗略感测元件4的详细视图，粗略感测元件4在一个实施方案中包括大型巴克豪森跳变(LBJ)粗略感测元件。图3A的粗略感测元件5可以具有与粗略感测元件4相同的这个设计。如图6所示，粗略感测元件4包括通量聚焦器20，诸如通量收集器。通量聚焦器20由相对高磁导率的软磁材料构成。通量聚焦器20根据转子齿离通量聚焦器20的面的相对间隔来收集来自图4C的转子极帽2和图4C的转子极帽11这两个相邻的转子极帽的、图4C的转子齿12和图4C的转子齿13的通量。这样的相对间隔随着图1的转子32旋转而周期性地变化。高磁导率材料提供供微分通量流到粗略感测元件4的第二粗略传感器端帽22的低磁阻路径。类似地，粗略感测元件4的返回通量聚焦器19(诸如通量收集器)形成从粗略感测元件4的第一粗略传感器端帽21到定子1的后体的低磁阻路径。所得的磁场被外加于粗略感测元件4的整个粗略传感器33上。粗略传感器33的感测线圈23在代表性视图中被示出。感测线圈23通常可以由几千匝的非常精细的导线构成。
图6A在剖开视图中示出粗略传感器33。图6A中还示出了第一粗略传感器端帽21和第二粗略传感器端帽22。第一粗略传感器端帽21和第二粗略传感器端帽22中的每个的内部被挖空以帮助屏蔽形成粗略传感器33的一部分的大型巴克豪森(LBJ)元件25(诸如大型巴克豪森跳变传感器)的末端。LBJ元件25的这种屏蔽已经表明，当LBJ元件25的部分突然逆转它们的磁极化时，提高感测线圈23所感测的脉冲46的强度。在实施方案中，LBJ元件25由嵌入在玻璃护套中以帮助保护与矩形磁滞相关联的双磁性的磁微导线构成。在替代实施方案中，可以使用其他阶跃响应(step response)磁导线，包括Wiegand导线感测元件和单一巴克豪森跳变元件。可以由玻璃构成的保护管24用于机械地使LBJ元件25与外部机械应变隔离，因为外部应变将改变LBJ元件25的磁性。保护管24还用作感测线圈23的绕组基底。LBJ元件25保持在一种状态下被极化，直到跨它的场足以当磁极性迅速逆转时逆转其极性。逆转速度基本上独立于所施加的磁场的变化速度，使得该传感器相对速度无关。极性的逆转引起来自感测线圈23的强的窄脉冲46。Wiegand导线元件的效果表现类似于微导线LJB元件，但是内部细节略有不同。
图7A至图7D示出包括随着转子递增旋转的精细传感器拾取线圈6和7以及粗略感测元件4和5两者的步进电机。转子32和定子1上所示的箭头仅作为参考包括在内以帮助在该图序列内指示旋转。这样的箭头在步进电机31中实际上不存在。
图7A：0度
图7A对应于针对集成电机-位置传感器40的、转子32相对于定子1的0度旋转。如图7A所示，在转子32旋转0度的情况下，上转子极帽2的转子齿12与相B定子极件39的相邻定子极齿9的耦合和平衡对齐最大化。转子32和相B定子极件39的定子极齿9的对称布置生成通过精细传感器拾取线圈7的同相部分和反相部分的平衡通量路径，导致当作为斩波驱动的一部分、定子相绕组B 36被施加脉冲时，精细传感器拾取线圈7的输出为零。精细传感器拾取线圈7的所得输出在图12中被表示为F2，当转子32相对于定子1的旋转为0度时，F2的值为零。
相位A定子极件26具有与相A定子极件26的三个逆时针定子极齿的最大不平衡齿交互，相A定子极件26的所述三个逆时针定子极齿主要与上转子极帽2的转子齿12耦合，而相A定子极件26的三个顺时针定子极齿主要耦合到下转子极帽11的转子齿13。该转子位置通过由斩波驱动对定子相绕组A 35施加脉冲而引起通过精细传感器拾取线圈6的彼此同相的环路15和18的大部分通量变化，从而生成与定子相绕组A 35的脉冲施加同相的输出。相对于定子1的这个转子角度生成精细传感器拾取线圈6的最大输出。该输出在图12中用迹线F1表示，迹线F1示出转子32相对于定子1的旋转为0度时输出最大。
粗略感测元件5与下转子极帽11的转子齿13对齐，因此耦合到与转子磁体10的下侧的极性相应的磁场。该场在图12中被表示为PHI1，并且在0度具有负值。负方位是要表示下转子极帽11，但是转子磁体10事实上可以在任一方向上被极化，只要极化已知即可。
粗略感测元件4的通量聚焦器20与下转子极帽11的转子齿13对齐，因此耦合到转子齿13。该通量状态在图12中被示为PHI2，并且在0度旋转角度被示为负。
图7B：0.9度
图7B对应于针对集成电机-位置传感器40的、转子32的0.9度机械逆时针旋转，其中定子1保持静止。这对应于一半步长或45度电角度旋转。相A定子极件26的定子极齿9和相B定子极件39的定子极齿9都不在相对于它们最近的转子齿12和13的平衡的最大通量对齐位置上。这在0.9度旋转生成图12中的F1所表示的关于精细传感器拾取线圈6的减小的值以及图12中的F2所表示的关于精细传感器拾取线圈7的负运转输出。当转子32在该位置上时，粗略感测元件4的通量聚焦器20相等地分别耦合到上转子极帽2的转子齿12和下转子极帽11的转子齿13。这是生成粗略感测元件4的输出脉冲的大致触发点。该触发在图12中在C1上在0.9度转子角度处被表示为脉冲。粗略感测元件5的通量聚焦器38保持主要耦合到下转子极帽11的转子齿13。因为与最后位置相比，跨粗略感测元件5外加的磁场没有变化，所以在图12中在C2处不存在输出脉冲。
图7C：1.8度
图7C对应于针对集成电机-位置传感器40的、转子32的1.8度机械逆时针旋转，其中定子1保持静止。这还对应于一个全步或90度电角度旋转。相A定子极件26的定子极齿9现在与上转子极帽2的转子齿12最大对齐。在通量通过精细传感器拾取线圈6的互补环路平衡的情况下，对于1.8度旋转，输出F1在图12中为零。相B定子极件39的定子极齿9现在与和上转子极帽2的转子齿12更加对齐的顺时针齿的偏移最大，其中相应的通量穿过精细传感器拾取线圈7的环路16，并且与和下转子极帽11的转子齿13更加对齐的逆时针齿的偏移最大，其中相同的通量穿过精细传感器拾取线圈7的环路17。这在图12中在1.8度旋转生成最大负响应F2。粗略感测元件4的通量聚焦器20耦合到上转子极帽2的转子齿12。粗略感测元件5的通量聚焦器38耦合到下转子极帽11的转子齿13。在粗略感测元件4或粗略感测元件5处场不转变，并且因此在图12中在C1或C2处不存在输出脉冲。
图7D：2.7度
图7D对应于针对集成电机-位置传感器40的、转子32的2.7度机械逆时针旋转，其中定子1保持静止。这还对应于一个半全步或135度电角度旋转。与图7C相比，相A定子极件26的定子极齿9与下转子极帽11的转子齿13的耦合更大，同时相B极件39的定子极齿9与上转子极帽2的转子齿12的耦合更大。通过由斩波驱动对定子相绕组A 35施加脉冲而引起的大部分通量变化穿过精细传感器拾取线圈6的环路16和17，从而在图12中引起与7.2度旋转相应的负信号F1。相B定子极件39的定子极齿9仍然与下转子极帽11的转子齿13更加对齐，但是相A定子极件26的定子极齿9变得在上转子极帽2的转子齿12和下转子极帽11的转子齿13之间的它们的耦合中更加平衡。这在转子32的2.7度的旋转角度使来自精细传感器拾取线圈7的负电压减小。粗略感测元件5的通量聚焦器38同等地耦合到上转子极帽2的转子齿12和下转子极帽11的转子齿13。这是磁场PHI2的逆转点以及粗略感测元件5的在图12中生成输出脉冲C2的大致触发点，因为通量聚焦器38在经由下转子极帽11和上转子极帽2各自的转子齿13和12从主要耦合到下转子极帽11到主要耦合到上转子极帽2的转变点处。粗略感测元件4的通量聚焦器20保持耦合到上转子极帽2的转子齿12。
3.第二示例性实现的描述
图8是根据针对集成电机-位置传感器44的替代实施方式的、具有集成的精细传感器拾取线圈6和7以及粗略桥式感测元件27和28的步进电机37的等距视图。如图8所示，步进电机37在桥式布置中使用粗略桥式感测元件27和28，诸如位置感测元件。该桥式布置有利地使得粗略桥式感测元件27和28可以被移动以方便针对一些电机类型和尺寸的构造。
图9是在针对集成电机-位置传感器44的桥式配置中使用粗略桥式感测元件27和28的步进电机37的前面视图。粗略桥式感测元件27和28在该配置中起到与图1的步进电机31中的图1的粗略感测元件4和图1的粗略感测元件5相同的作用。指出，粗略桥式感测元件27的逆时针末端，对于图9中所示的转子角度而言，在耦合到图4C的上转子极帽2的图4C的转子齿12和图4C的下转子极帽11的图4C的转子齿13之间的转变处，并且随着转子32在定子1保持静止的同时略微逆时针旋转，将转变到耦合到上转子极帽2的转子齿12。粗略桥式感测元件27的顺时针末端也被示为在耦合到上转子极帽2的转子齿12和下转子极帽11的转子齿13之间的转变处。转子32的略微逆时针旋转将使粗略桥式感测元件27的顺时针末端耦合到下转子极帽11的转子齿13。如图9所示，粗略桥式感测元件28的逆时针末端耦合到下转子极帽11的转子齿13，而粗略桥式感测元件28的顺时针末端耦合到上转子极帽2的转子齿12。
图10是步进电机37的旋转后的视图，其中转子32被隐藏以提供粗略桥式感测元件27和28以及精细传感器拾取线圈6和7相对于定子1的相对放置的更好视图。指出，与步进电机37一样，对于粗略感测元件和精细传感器拾取线圈，存在许多放置组合。所示的方位仅表示配置中的一种，仅作为实施例示出。
图11提供根据实施方案的粗略桥式感测元件27的详细视图。粗略桥式感测元件28可以被类似地构造。如图1所示，粗略桥式感测元件27包括第一桥式通量聚焦器29和第二桥式通量聚焦器30。第一桥式通量聚焦器29和第二桥式通量聚焦器30为通过最近的转子齿12和转子齿13耦合到它们的磁场提供高磁导率路径。第一桥式通量聚焦器29和第二桥式通量聚焦器30的内端引导所收集的通量以经由第一粗略传感器端帽21和第二粗略传感器端帽22通过感测线圈23跨粗略传感器33外加磁场。当跨粗略传感器33的场已逆转到足以使LBJ元件25的状态翻转时，粗略传感器33内的LBJ元件25内的极的迅速逆转被感测线圈23以短暂的、但是显著的脉冲的形式检测到。粗略桥式感测元件27是桥式结构45的一部分。此外，第二桥式通量聚焦器30用于将来自具有不同于转子齿12和转子齿13的定相的一个或者更多个转子齿12和转子齿13的磁通量引导到大型巴克豪森跳变传感器25(LBJ)。第一桥式通量聚焦器29和第二桥式通量聚焦器30位于粗略桥式感测元件27的不同位置，从而使得每个桥式通量聚焦器与转子齿12、转子齿13和大型巴克豪森跳变传感器25有不同的定相关系。第二桥式通量聚焦器30和第一桥式通量聚焦器29是在感测线圈23的相对侧。
图12示出关于两个实施方案(步进电机31和步进电机37)的典型的归一化波形。F1和F2分别是关于精细传感器拾取线圈6和7的归一化采样波形。F1和F2信号只有当转子驱动器主动地驱动定子相绕组A 35和定子相绕组B 36时才可以获得。F1和F2信号是与电机驱动器斩波信号同步的、跨精细传感器拾取线圈6和7的微分时间相关采样的结果。跨步进电机31的粗略感测元件4和5或者跨步进电机37的粗略桥式感测元件27和28外加的归一化磁场随着转子齿12、13的边缘经过各自通量聚焦器的中心线而转变，并且与正被驱动的电机绕组无关。在附图中，各通量聚焦器的宽度被示为薄于转子齿以最小化齿槽效应，但是这不是本发明的操作必需的。这个窄宽度对于两个磁场PHI1和PHI2引起截顶的正弦和余弦波形。这些磁场约为1.8度机械度数，1.8度机械角度是一个全步或在定相时不同的90电角度数，并且每个场在转子32旋转的每一3.6机械度数逆转。在通量逆转的附近，粗略感测元件4和5以及粗略桥式感测元件27和28的LBJ元件25迅速地逆转极性，在各自的感测线圈23上引起脉冲46C1、C2。指出，如果Wiegand类型的元件用于LBJ元件25，则每个LBJ元件25将在零外部通量点附近生成强脉冲，因为软磁内芯使极性逆转到与硬磁外芯相反的极性状态。第二个较小的脉冲将随着外芯逆转而发生。当所施加的场强得足以翻转导线的磁极性时，作为LBJ元件的子集的单一巴克豪森跳变元件将在通量逆转之后生成脉冲。尽管在一个实施方案中使用单一巴克豪森跳变元件，但是本发明的实施方案同样可以利用Wiegand类型的传感器导线等。
图13重复图12的波形，但是相对于任意时基绘制它们。以逆时针度数为单位的机械角度W被添加在以上波形上，以便示出当在任一行进方向上移动时的各种信号。
4.总结
本发明的实施方案提供一种粗略分辨率的集成电机-位置传感器。电机具有转子组件，该转子组件包括具有轴的圆柱形部分，该圆柱形部分具有多个周边间隔的放射状突出的转子齿。电机还具有定子组件，该定子组件与转子组件同轴，并且具有多个放射状突出的定子极和线圈，每个定子极具有放射状突出到与转子组件同轴的圆的多个定子极齿，线圈用于电性赋能定子极。两个或更多个大型巴克豪森跳变感测元件(诸如Wiegand效应传感器)或者优选地单一巴克豪森跳变感测元件(诸如非晶磁致伸缩导线传感器)每个位于软磁通量引导元件之间。第一通量引导元件机械地附着到定子，并且位于与上转子极帽齿和下转子极帽齿都相邻。随着转子相对于定子旋转，根据第一通量引导元件与各自转子极帽的齿的相对接近度，第一通量引导元件交替地耦合到第一转子极帽，然后耦合到相对的转子极帽。转子齿被标称地偏移使得在一个极帽将具有在第一通量引导元件附近的齿的情况下，第二极帽将具有间隙。因此，通过使用耦合到锯齿状极帽的单个转子磁体，被引导到第一通量引导元件的磁场随着转子旋转而交替。
指出，如一些步进电机配置中偶然会做的那样，如果使得两个转子帽的齿对齐，则可以使得通量收集器在上极和下极之间具有偏移。这将不会影响本发明的实施方案的总体操作。
在本发明的两个不同的实施方案中，与每个粗略位置感测元件相关联的第二通量引导元件可以被定位到定子体返回磁路，或者可替代地，可以相对于第一通量引导元件被定位在齿被磁逆转到的转子的周边。在典型的两相定子、八极件1.8度步进电机的情况下，这将对应于被机械地偏移两个定子极件位置或90度。其他步进电机配置将使用相同的操作方法，但是可能具有保持上述横跨磁逆转的要求所需的不同角度。
第二粗略位置感测元件在两个传感器的系统的情况下类似于第一粗略位置感测元件，但是围绕电机的中心轴旋转以便耦合到与第一感测子系统大致90电角度数(electrical degree)异相的转子齿。如果期望三个粗略感测元件的系统提供附加分辨率，则这三个传感器的最佳位置是耦合到相隔大致120电角度数的转子齿，如果输出脉冲之间的间隔相比于相对于定子的转子转角而言大致相等地间隔的话。在本发明的范围内，可以应用附加的粗略位置传感器。
本发明的另一可选方面提供一种精细分辨率的集成电机-位置传感器，该传感器包括电机，该电机具有转子组件，该转子组件包括具有轴的圆柱形部分，该圆柱形部分具有多个周边间隔的放射状突出的转子齿。电机还包括定子组件，该定子组件与转子组件同轴，并且具有多个放射状突出的定子极。每个定子极具有放射状延伸到与转子组件同轴的圆的多个定子极齿。电机还包括被耦合以在定子极内生成磁场的多个驱动器线圈。多个感测线圈定位在电机内以便随着它们耦合到上转子极帽和下转子极帽而具有到被驱动的定子极磁场的变化的耦合，所述耦合随着相对于定子的转子位置的变化而变化。
集成位置感测电机的实施方式可以具有重要的益处。系统的成本可以很低。这里所描述的位置感测系统对于电机中已经存在的磁体需要的添加最少。只有小型的、轻量级的且坚固的拾取线圈和磁脉冲导线被添加。绝对位置感测能力使得电机控制器可以在上电时确定转子位置。可选的高分辨率的精细位置传感器对于扩展位置分辨率是有用的。集成位置传感器和电机提供防尘性和耐油性，并且不用完任一转子轴端，这在一些应用中可能是有利的。集成位置传感器还可以用于具有中空转子以及用于从旋转电机提供线性运动的丝杠螺母组合的电机。这些优点并非需要全部在本发明的任何给定实施方式中实现，但是这些各种优点被相信可以通过实施本发明的各方面来实现。在权利要求书中，大型巴克豪森跳变传感器的意图是更广泛的磁传感器类，包括但不限于基于对于所施加的磁场的小变化而言的大步长的通量变化的Wiegand导线和玻璃包覆的磁导线。
作为以上讨论的类型的典型的步进电机/高极数同步电机在美国专利No.4,025,810和美国专利No.4,910,475中被描述，这些专利特此整个地、尤其是关于它们相对于步进电机的配置和操作的教导通过引用并入。这些专利中所描述的高极数同步电机可以用不同数量的定子极件和不同数量的相位来实现。对于这些专利中所描述的基本电机设计，存在许多已知的改进和修改，并且该专利中所描述的传感器和感测策略可以容易地应用于这样的改进的和修改的电机。
因为可以使用该感测方法获得的信息的性质以及可以对这些信号进行处理的容易性，该感测方法或设备可以提供关于电机的位置信息、速率信息或加速度信息。为了本公开和权利要求书的目的，所有这些特性都可以被共同标识为位置测量值或信息。
前述讨论论及了作为电机的转子和定子的部件的齿。在许多情况下，这些齿如附图中所示的那样物理地暴露，其中空气隙围绕金属齿。其他配置是已知的。例如，电机的齿(无论是旋转的或其他的)之间的间隙可以被填充非磁化合物。在这样的配置中，齿明确地是在磁耦合中起作用的转子和/或定子的那些向外延伸部分。在其他配置中，磁齿之间的空间可以被填充永久磁元件以增强电机的转矩。在这样的其他配置中，齿仍然可以容易地标识为转子或定子的这样的部分，所述这样的部分在转子的部分和定子的部分之间的变化的磁耦合中起作用。
虽然本发明的最明显的应用将是闭环伺服电机或准闭环伺服电机，但是开环应用是易于实现的，并且可以是有利的，这依特定情况而定。
本发明可以并入到具有集成到与电机传感器相同的物理结构中的相关电子器件中的一些或全部的系统中——也即，集成电机设计。本发明还可以并入到其中相关联的电子器件在一个或更多个单独的结构中实现的系统中。
已经就本发明的某些实施方案描述了本发明。本领域的普通技术人员将意识到，在不异于本发明的基本教导的情况下，可以对这里所描述的实施方案进行各种修改。因此，本发明不限于具体描述的实施方案，而是相反，要根据所附的权利要求书进行解释。

Claims (22)

1.一种集成电机-位置传感器(40)，所述集成电机-位置传感器(40)包括：
电机(31)，所述电机(31)包括：
转子组件(32)，所述转子组件(32)包括轴向极化的转子磁体(10)，所述轴向极化的转子磁体(10)在上转子极帽(2)和下转子极帽(11)之间，其中所述上转子极帽(2)和所述下转子极帽(11)二者具有多个周边间隔的放射状突出的转子齿(12,13)，所述上转子极帽(2)的所述转子齿(12)对齐于所述下转子极帽(11)的所述转子齿(13)之间的间隙(14)，所述上转子极帽(2)和所述下转子极帽(11)具有转子齿(12,13)，所述上转子极帽(2)和所述下转子极帽(11)是软磁的，并且所述下转子极帽(11)的所述转子齿(13)具有对应于所述转子磁体(10)的下侧的极性的磁场；
定子组件(1)，所述定子组件(1)与所述转子组件(32)同轴，并且具有多个放射状突出的定子极(8)以及线圈(36)，所述定子极(8)每个具有放射状突出到与所述转子组件(32)同轴的圆的多个定子极齿(9)，所述线圈(36)用于电性赋能所述定子极(8)；以及
多个位置感测元件(4,5)，所述多个位置感测元件(4,5)通过所述转子组件(32)的所述轴向极化的转子磁体(10)以及所述转子组件(32)相对于所述定子组件(1)的相对运动而被赋能，其中所述位置感测元件(4,5)中的每个包括：
具有感测线圈(23)的大型巴克豪森跳变传感器(25)，所述感测线圈(23)用于响应于跨所述大型巴克豪森跳变传感器(25)的磁场的变化来生成脉冲(46)；以及
通量收集器(20)，所述通量收集器(20)用于将来自所述转子齿(12,13)中的一个或更多个的磁通量引导到所述大型巴克豪森跳变传感器(25)，
其中所述转子组件(32)相对于所述定子组件(1)的相对位置是可在所述电机(31)的电周期的一小部分内确定的。
2.如权利要求1所述的集成电机-位置传感器(40)，还包括用于对所述大型巴克豪森跳变传感器(25)所生成的脉冲(46)进行计数的非易失性计数器(41)。
3.如权利要求2所述的集成电机-位置传感器(40)，其中所述非易失性计数器(41)至少部分由所述大型巴克豪森跳变传感器(25)所生成的脉冲供电(46)。
4.如权利要求2所述的集成电机-位置传感器(40)，其中所述非易失性计数器(41)至少部分由用于当主电源(42)被移除时提供功率的备用电源(43)供电。
5.如权利要求4所述的集成电机-位置传感器(40)，其中所述备用电源(43)包括以下中的一个或更多个：
一个或更多个电池；以及
一个或更多个超级电容器。
6.如权利要求2所述的集成电机-位置传感器(40)，其中所述非易失性计数器(41)与所述电机(31)一体。
7.如权利要求1所述的集成电机-位置传感器(40)，其中所述大型巴克豪森跳变传感器(25)包括Wiegand导线。
8.如权利要求1所述的集成电机-位置传感器(40)，其中所述大型巴克豪森跳变传感器(25)包括玻璃包覆的微导线。
9.如权利要求1所述的集成电机-位置传感器(40)，还包括：
多个高分辨率位置传感器(6,7)，所述多个高分辨率位置传感器(6,7)集成到所述电机(31)的磁结构中，并且具有至少高于所述位置感测元件(4,5)的分辨率的绝对位置感测能力，所述高分辨率位置传感器(6,7)感测用于相对于所述定子组件(1)定位所述转子组件(32)的磁通量的一部分，
其中所述高分辨率位置传感器(6,7)所生成的信息可以与所述位置感测元件(4,5)所生成的信息组合以提供任意大量转数上的高分辨率位置信息。
10.如权利要求1所述的集成电机-位置传感器(40)，其中所述大型巴克豪森跳变传感器(25)包括感测线圈(23)，所述感测线圈(23)用于响应于跨所述大型巴克豪森跳变传感器(25)的所述磁场的足够逆转来提供脉冲(46)。
11.如权利要求1所述的集成电机-位置传感器(40)，其中所述大型巴克豪森跳变传感器(25)包括感测线圈(23)，所述感测线圈(23)用于响应于磁通量在已达到足够的场强度之后返回到零来生成脉冲(46)。
12.如权利要求1所述的集成电机-位置传感器(40)，其中：
所述位置感测元件(4,5)包括粗略桥式感测元件(27,28)；并且
所述通量收集器(20)包括第一桥式通量聚焦器(29)，所述第一桥式通量聚焦器(29)用于将来自一个或更多个转子齿(12,13)的具有交替磁极性的磁通量引导到与所述上转子极帽(2)偏移的所述大型巴克豪森跳变传感器(25)，以及第二桥式通量聚焦器(30)，所述第二桥式通量聚焦器(30)用于将来自具有不同于所述转子齿(12,13)的定相的一个或更多个转子齿(12,13)的磁通量引导到所述大型巴克豪森跳变传感器(25)。
13.如权利要求12所述的集成电机-位置传感器(40)，还包括用于对所述大型巴克豪森跳变传感器(25)所生成的脉冲(46)进行计数的非易失性计数器(41)。
14.如权利要求13所述的集成电机-位置传感器(40)，其中所述非易失性计数器(41)至少部分由所述大型巴克豪森跳变传感器(25)所生成的脉冲(46)供电。
15.如权利要求13所述的集成电机-位置传感器(40)，其中所述非易失性计数器(41)至少部分由用于当主电源(42)被移除时提供功率的备用电源(43)供电。
16.如权利要求15所述的集成电机-位置传感器(40)，其中所述备用电源(43)包括以下中的一个或更多个：
一个或更多个电池；以及
一个或更多个超级电容器。
17.如权利要求13所述的集成电机-位置传感器(40)，其中所述非易失性计数器(41)与所述电机(37)一体。
18.如权利要求12所述的集成电机-位置传感器(40)，其中所述大型巴克豪森跳变传感器(25)包括Wiegand导线。
19.如权利要求12所述的集成电机-位置传感器(40)，其中所述大型巴克豪森跳变传感器(25)包括玻璃包覆的微导线。
20.如权利要求12所述的集成电机-位置传感器(40)，还包括：
多个高分辨率位置传感器(6,7)，所述多个高分辨率位置传感器(6,7)集成到所述电机(37)的磁结构中，并且具有至少高于所述粗略桥式感测元件(27,28)的分辨率的绝对位置感测能力，所述高分辨率位置传感器(6,7)感测用于相对于所述定子组件(1)定位所述转子组件(32)的磁通量的一部分，
其中所述高分辨率位置传感器(6,7)所生成的信息可以与所述粗略桥式感测元件(27,28)所生成的信息组合以提供任意大量转数上的高分辨率位置信息。
21.如权利要求10所述的集成电机-位置传感器(40)，其中所述大型巴克豪森跳变传感器(25)包括感测线圈(23)，所述感测线圈(23)用于响应于跨所述大型巴克豪森跳变传感器(25)的所述磁场的足够逆转来提供脉冲(46)。
22.如权利要求10所述的集成电机-位置传感器(40)，其中所述大型巴克豪森跳变传感器(25)包括感测线圈(23)，所述感测线圈(23)用于响应于磁通量在已达到足够的场强度之后返回到零来生成脉冲(46)。
CN201380073979.9A 2012-12-28 2013-12-19 用于高极数电机的集成多匝绝对位置传感器 Expired - Fee Related CN105229425B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/729,814 2012-12-28
US13/729,814 US9350216B2 (en) 2012-12-28 2012-12-28 Integrated multi-turn absolute position sensor for high pole count motors
PCT/US2013/076737 WO2014105656A1 (en) 2012-12-28 2013-12-19 Integrated multi-turn absolute position sensor for high pole count motors

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105229425A CN105229425A (zh) 2016-01-06
CN105229425B true CN105229425B (zh) 2017-09-08

Family

ID=49943570

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201380073979.9A Expired - Fee Related CN105229425B (zh) 2012-12-28 2013-12-19 用于高极数电机的集成多匝绝对位置传感器

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9350216B2 (zh)
EP (1) EP2938971B1 (zh)
JP (1) JP6410732B2 (zh)
CN (1) CN105229425B (zh)
HK (1) HK1216663A1 (zh)
WO (1) WO2014105656A1 (zh)

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9641108B2 (en) * 2014-04-16 2017-05-02 Eaton Corporation Method and system for calibrating and detecting offset of rotary encoder relative to rotor of motor
ES2851323T3 (es) 2015-09-10 2021-09-06 Bucher Hydraulics Gmbh Procedimiento para detectar una pérdida de paso en un motor paso a paso y control electrónico asociado de un motor paso a paso
JP6542101B2 (ja) * 2015-10-30 2019-07-10 株式会社シマノ 自転車用ハブ
JP6535270B2 (ja) * 2015-10-30 2019-06-26 ヒロセ電機株式会社 回転検出装置
US10931224B2 (en) 2016-06-03 2021-02-23 RBI Solar, Inc. Single axis in-line gearbox modular tracker system
EP3470795B1 (en) * 2016-06-10 2020-09-23 Harmonic Drive Systems Inc. Rotation detecting device and hollow actuator
DE102016123210A1 (de) * 2016-12-01 2018-06-07 Centitech Gmbh Spannungsgenerator
DE102017200988A1 (de) * 2017-01-23 2018-07-26 Robert Bosch Gmbh Geberradanordnung und Verfahren zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung
DE102017109403B4 (de) * 2017-05-03 2023-06-22 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Verfahren und Vorrichtung zur Absolutpositionsbestimmung eines sich um eine Drehachse drehenden Bauteiles eines Aktors, insbesondere eines Kupplungsaktors
DE112018002898B4 (de) 2017-06-07 2023-09-21 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Verfahren und Vorrichtung zur Absolutpositionsbestimmung eines sich um eine Drehachse drehenden Bauteiles eines Aktors, insbesondere eines Kupplungsaktors
CN107370311B (zh) * 2017-08-11 2023-09-01 上海电气集团上海电机厂有限公司 一种单层成形线圈绕制装置和绕制方法
CN109489533A (zh) * 2017-09-12 2019-03-19 驭芯科技（上海）有限公司 非接触式磁传感器、汽车变速箱空挡开关
CN108313747A (zh) * 2018-03-21 2018-07-24 广州数控设备有限公司 一种直线电机驱动的码垛机器人
US11614341B2 (en) 2018-06-14 2023-03-28 Analog Devices International Unlimited Company Methods and devices for using multi-turn magnetic sensors with extended magnetic windows
JP6770033B2 (ja) * 2018-09-06 2020-10-14 ファナック株式会社 エンコーダの回転部材の取り付け構造およびエンコーダの回転部材の取り付け方法
DE102018216017A1 (de) * 2018-09-20 2020-03-26 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung eines Stators, Stator und Elektromaschine
CN110487169B (zh) * 2019-08-27 2024-05-14 成都宏明电子股份有限公司 用于多圈rs422通信协议输出的角位移磁敏传感器
CN110971155B (zh) * 2019-12-13 2024-03-12 株洲易力达机电有限公司 一种冗余位置信号的pmsm控制方法
US11777376B2 (en) * 2021-01-07 2023-10-03 Kohler Co. Reluctance sensor for detection of position of a rotor in an electric machine
CN114812619A (zh) * 2021-01-27 2022-07-29 青岛中加特电气股份有限公司 磁性矢量编码器
CN117203503A (zh) * 2021-04-26 2023-12-08 松下知识产权经营株式会社 发电元件、编码器以及磁性构件的制造方法
NL2029491B1 (en) * 2021-10-22 2023-05-19 Univ Twente Motor system, stepper motor and rotor
JP2023119404A (ja) * 2022-02-16 2023-08-28 オリエンタルモーター株式会社 位置検出装置
TWI802450B (zh) * 2022-06-24 2023-05-11 威剛科技股份有限公司 馬達

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001194182A (ja) * 2000-01-07 2001-07-19 Hirose Cherry Precision:Kk 磁気センサ
DE102004013022B3 (de) * 2004-03-16 2005-10-13 Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg Abschnittszähler und Antrieb
US7075196B1 (en) * 2002-08-13 2006-07-11 Quicksilver Controls, Inc. Integrated resolver for high pole count motors
CN101584116A (zh) * 2007-12-17 2009-11-18 马渊马达株式会社 脉冲信号产生装置、旋转机械、控制装置及自动窗控制装置

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3820090A (en) 1970-01-26 1974-06-25 Vlinsky M Bistable magnetic device
US4025810A (en) 1975-08-29 1977-05-24 Sigma Instruments, Inc. Low noise synchronous motors
FR2366572A1 (fr) 1976-03-19 1978-04-28 Snecma Chaine de mesure de vitesse de rotation auto-alimentee
US4247601A (en) 1978-04-18 1981-01-27 The Echlin Manufacturing Company Switchable magnetic device
US4263525A (en) * 1978-12-26 1981-04-21 Trw, Inc. Signal generating means
DE3128031A1 (de) 1981-07-16 1983-02-03 Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart Magnetischer polarisationssprunggeber
DE3673982D1 (de) 1985-12-16 1990-10-11 Siemens Ag Einrichtung zur absolutwegerfassung.
JPS62107584U (zh) * 1985-12-26 1987-07-09
JPH02140617A (ja) * 1988-11-19 1990-05-30 Hitachi Ltd エンコーダを用いた位置検出方法及び装置
US4910475A (en) 1989-03-28 1990-03-20 Linex Technology Corporation Pole grouping for stepping motor
US5057727A (en) 1990-11-13 1991-10-15 General Electric Company Shaft position sensor employing a wiegand-effect device
US5159218A (en) * 1991-07-09 1992-10-27 Allied-Signal Inc. Motor with integral controller
US5240066A (en) 1991-09-26 1993-08-31 Technalum Research, Inc. Method of casting amorphous and microcrystalline microwires
DE4407474C2 (de) 1994-03-07 2000-07-13 Asm Automation Sensorik Messte Drehwinkelsensor
JPH08136558A (ja) * 1994-11-11 1996-05-31 Nippon Seiko Kk 回転速度検出装置
JPH11325958A (ja) * 1998-05-08 1999-11-26 Unitika Ltd 回転センサ
JP4038664B2 (ja) 2002-06-05 2008-01-30 ミネベア株式会社 ステッピングモータ
ES2238913B1 (es) 2003-10-09 2006-11-01 Micromag 2000, S.L. Microhilo amorfo y metodo para su fabricacion.
US7098654B2 (en) 2003-12-24 2006-08-29 Walter Mehnert Position detector
DE102007039050B8 (de) 2007-08-17 2024-02-15 Avago Technologies International Sales Pte. Limited Linearsegment- oder Umdrehungszähler mit einem ferromagnetischen Element
DE102007039051B8 (de) 2007-08-17 2023-09-28 Avago Technologies International Sales Pte. Limited Absoluter feinauflösender Segment- oder Umdrehungszähler
US7579829B1 (en) 2008-07-06 2009-08-25 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. Inductive multi-turn encoder
EP2159547A3 (de) 2008-08-30 2014-06-11 Walter Mehnert Sensorbaugruppe für einen Drehgeber und mit einer solchen Sensorbaugruppe ausgestatteter Drehgeber
DE102009034744A1 (de) 2009-02-24 2010-09-30 Mehnert, Walter, Dr. Absoluter magnetischer Positionsgeber
JP5524600B2 (ja) 2009-12-24 2014-06-18 オークマ株式会社 多回転検出器
JP2012008024A (ja) * 2010-06-25 2012-01-12 Panasonic Corp 多回転検出回路
DE102011002179B4 (de) * 2011-04-19 2023-10-12 Avago Technologies International Sales Pte. Limited Verfahren und Anordnung zur Synchronisation eines Segmentzählers mit einem Feinpositionssensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001194182A (ja) * 2000-01-07 2001-07-19 Hirose Cherry Precision:Kk 磁気センサ
US7075196B1 (en) * 2002-08-13 2006-07-11 Quicksilver Controls, Inc. Integrated resolver for high pole count motors
DE102004013022B3 (de) * 2004-03-16 2005-10-13 Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg Abschnittszähler und Antrieb
CN101584116A (zh) * 2007-12-17 2009-11-18 马渊马达株式会社 脉冲信号产生装置、旋转机械、控制装置及自动窗控制装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016504906A (ja) 2016-02-12
EP2938971B1 (en) 2016-10-19
US20140184030A1 (en) 2014-07-03
US9350216B2 (en) 2016-05-24
WO2014105656A1 (en) 2014-07-03
JP6410732B2 (ja) 2018-10-24
EP2938971A1 (en) 2015-11-04
CN105229425A (zh) 2016-01-06
HK1216663A1 (zh) 2016-11-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105229425B (zh) 用于高极数电机的集成多匝绝对位置传感器
US7956562B2 (en) Motor and motor drive system
CN102187547B (zh) 再生电动机和线圈
CN102047079B (zh) 旋转角度检测装置
US20050212366A1 (en) Apparatus for detecting a rotor angle of reluctance motor
JP5001309B2 (ja) 検出装置及びパワーステアリング装置
CA2048750A1 (en) Shaft position sensor employing a wiegand-effect device
WO1985005741A1 (en) Stepping motor
CN1148752A (zh) 钟表中使用的发电机
JP2007292511A (ja) 位置検出装置及び電動パワーステアリング用モータ
JP2007024689A (ja) 非接触位置検出センサ
US8686718B2 (en) Magnetic shutter blade position sensing method
JP5540482B2 (ja) アクチュエータ
JPS6028760A (ja) 磁気エンコ−ダを有する位置検知素子が不要で正逆回転可能なブラシレスモ−タ
Lequesne et al. Magnetic velocity sensors
TW202018258A (zh) 旋轉檢測裝置及其適用之編碼器與馬達
JPH0430756B2 (zh)
JP2004144497A (ja) 磁気式エンコーダと電動アクチュエータ
RU2345471C1 (ru) Устройство для выработки тягового усилия
JPH0365040A (ja) 同性磁極誘導発電機
JP2013170895A (ja) 磁歪式トルク検出装置
JP5054586B2 (ja) 磁気エンコーダ
CN116325449A (zh) N相电机
JP2969123B2 (ja) 複合磁気デバイス
JPS63294274A (ja) 軸方向接触型超音波サ−ボモ−タ

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
REG Reference to a national code

Ref country code: HK

Ref legal event code: DE

Ref document number: 1216663

Country of ref document: HK

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
REG Reference to a national code

Ref country code: HK

Ref legal event code: GR

Ref document number: 1216663

Country of ref document: HK

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20170908

Termination date: 20191219

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee