CN105765348B - 传感器装置和磁化设备以及传感器装置在机动车控制器中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明描述一种用于检测特别是机动车控制器的电机的转子位置的传感器装置，其中，传感器装置设计为无接触地工作的传感器装置，该传感器装置包括至少一个永磁体和至少一个磁场传感器，其中，永磁体在至少一个朝向磁场传感器的顶面中具有至少一个凹处。本发明还描述一种用于按照本发明的传感器装置的永磁体磁化的磁化设备。此外本发明涉及按照本发明的传感器装置在机动车的制动系统的机动车控制器中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于机动车控制器的传感器装置、用于磁化按照本发明的传感器装置的永磁体的磁化设备以及按照本发明的传感器装置在机动车控制器中的应用。
背景技术
文献DE 10 2010 039 916 A1描述一种线性单元，该线性单元具有用于检测电机的转子位置的传感器机构并且其中，传感器机构设计为无接触地工作的传感器装置，该传感器装置由设置在线性单元的纵轴上的位置探测器以及不可动的位置传感器元件组成。以自身已知的方式作为位置探测器采用磁体而作为位置传感器元件采用磁场传感器。
在转子的定位或换向中的精度通过在磁场传感器上出现的磁角误差关于优选的磁场方向限制。对于现代机动车系统基于提高的安全和舒适性要求同时更小的可用的空间要求下必要的是，以改善的方式充分利用电机的可能的功率能力，如其最大产生的扭矩。还可以通过出现的磁散射场极大地影响例如机动车制动系统的可能邻接的传感器。由此可以引起安全性关键的情况和/或影响车辆乘客的舒适性。已知的用于相对于直接环境的另外的功能组件缓冲这些散射场的措施特别是铁磁屏蔽板，该铁磁屏蔽板绕磁体环形设定。可能磁体必须在屏蔽板的应用中对于传感器装置的保持不变的特征更大和/或更强。散射场的屏蔽因此导致提高的空间要求以及附加的制造成本。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种传感器装置，借助于该传感器装置实现特别是在磁场传感器的范围中磁角误差的减小。另一任务在于，实现减小由于磁场传感器的磁散射场对包括传感器装置的机动车控制器的另外的功能组件的影响。另外的应用特定的先决条件如例如在传感器上的最小场强在此必须被进一步提供。
该任务通过如下传感器装置解决。
本发明描述一种用于检测特别是机动车控制器的电机的转子位置的传感器装置，其中，传感器装置设计为无接触地工作的传感器装置，该传感器装置包括至少一个永磁体和至少一个磁场传感器，永磁体在至少一个朝向磁场传感器的顶面中具有至少一个凹处，其中，永磁体平行于凹处的较长的轴(x方向)和/或永磁体的磁化的第一磁极边界具有侧面，所述侧面直线地和特别是平行地定向，或形成曲线形走向，使得永磁体沿与设定的旋转轴相交的虚拟轴线具有变细部。特别是将凹处理解为缺口，如例如凹槽或接缝和/或通孔。
特别是在磁场传感器的范围中因此有利地存在基本上均匀的磁场线走向中关于磁场传感器的小的角误差，其中，可以进一步实现需要的最小场强并且减小磁散射场。将角误差可理解为在磁场传感器的平面中与优选磁场方向的偏差。如果例如磁场传感器的平面是xy平面并且y方向是优选的，那么可以由磁场的x分量对于y分量的关系的反正切确定角误差。
在本发明的范围中然而同样可以设有这样的屏蔽，由此可以基于其对传感器装置的反作用产生推测偏差的程度，其中在本申请中例如所述的程度。在相对于永磁体确定的屏蔽中感应涡流，该涡流可以引起另外的磁场并且因此同样干扰另外的功能组件。在与永磁体共同旋转的屏蔽中不感应涡流，因此该实施方案是优选的。然而在整个寿命中保持相同的高的测量精度和外部条件的情况下必须可以接受通过屏蔽引起的附加的惯性力矩。
按照一个优选实施形式，在永磁体的顶面上的凹处具有矩形或椭圆形的形状。椭圆形状在此包括例如圆形和椭圆形几何结构。有利地，可以通过永磁体、特别是凹处的大小的匹配影响磁场的角误差并且关于机动车控制器的相应边界条件优化角误差。
凹处的较长的轴优选沿永磁体的磁化的至少一个第一磁极边界延伸。凹处特别优选地沿较长的轴完全穿过永磁体的顶面。
永磁体平行于凹处的较长的轴和/或永磁体的磁化的第一磁极边界具有侧面，该侧面直线地和特别是平行地定向或形成/描述曲线形走向。该永磁体优选关于较长的轴镜像对称。永磁体的、未沿凹处的较长的轴和/或第一磁极边界定向的另外的侧面具有曲线形走向或直线走向。曲线形走向例如是双曲线的、圆弧形或椭圆形构成的曲线。备选地，永磁体的这些另外的侧面优选也可以直线地和特别是相互平行地构成。
按照传感器装置的一个特别优选的实施形式，永磁体磁化为磁偶极或磁四极。特别是在磁四极的情况下可以有利地大幅减小磁散射场，由此特别是小程度地影响控制器的可能的另外邻接的功能组件、例如传感器，该控制器包括传感器装置。还可以省去磁场的附加的屏蔽，这除了减小传感器装置或总系统的误差源之外也在减小的制造成本和空间需求的意义上是有利的。优选地，永磁体由塑料化合的钕-铁-硼(NdFeB)材料制成。
特别优选地，磁场传感器与永磁体的顶面如此间隔，使得该磁场传感器设置在永磁体磁场的角度误差的最小值的范围中。有利地可能的是，相比于现有技术极大地减小磁体与传感器的间隔，由此特别是减小空间需要。优选地，磁角误差的最小值的位置例如关于与磁体的顶面的间隔通过传感器装置的相应设计或通过在该申请中所述的该永磁体的特征应用特定地匹配，其中，磁体也可以直接接近磁场传感器地设定。
永磁体优选固定在轴上，其中，永磁体的材料特别是以喷注方法/注塑方法环绕地和/或在轴上喷注。有利地实现基体的制造和固定，该基体为了形成永磁体优选在以下过程步骤中磁化，因此在一个过程步骤中磁化。通过该措施特别是相比于另外的自身已知的装配方法、如例如永磁体粘接，在轴上除了节省制造成本之外也产生了保持现代机动车系统的必要公差，如例如轴的小的不平衡性。在本发明的范围中然而也设有另外的、特别是自身已知的接合方法用于机械连接永磁体的或已经磁化的永磁体的基体与轴。这例如是将轴粘接或压入磁化的或还未磁化的永磁体的为此设定的开口中。
通过本发明有利地还实现减小永磁体的大小或磁体材料的体积，由此同样可以限制永磁体的磁散射场，减小永磁体的空间需求并且节省材料成本。
本发明还描述一种用于按照本发明的传感器装置的永磁体磁化的磁化设备，其中，该磁化设备具有至少一个单件式或多件式磁轭和至少两个导电体并且如此设计，使得要磁化的永磁体能够磁化为四极。由此支持满足对按照本发明的传感器装置提出的要求。此外磁化设备可以有利地比较简单地集成到存在的生产线上。
按照一个优选实施形式，该磁化设备具有至少两个包括分别至少一个间隙的磁路并且如此设计，使得要磁化的永磁体能够至少部分地引入到两个磁路中。优选地，磁路的磁流被部分地引导通过由间隙中断的单件式或多件式磁轭，其中，磁化设备如此设计，使得磁场能够基本上垂直地进入被引入到间隙的中永磁体的表面中和/或基本上垂直地由永磁体的该表面中出来。此外磁化设备如此设计，使得装配到轴上的永磁体的磁化是可实现的，其中，特别是还将滚动轴承装配到该轴上。
磁化设备或与之结合的用于磁体磁化的过程优选在磁体和/或传感器装置的至少一个制造过程中应用，特别是以便对于磁体形成需要的磁化。
此外本发明涉及按照本发明的传感器装置在制动系统的机动车控制器中的应用，其中，机动车控制器特别是包括至少一个踏板行程传感器。
附图说明
另外的优选实施形式由实施例的以下描述根据附图产生。其中：
图1示出按照现有技术的传感器装置；
图2示出圆形和设计为磁偶极以及磁四极的永磁体2的磁场线走向；
图3示出按照本发明的永磁体2的设计为磁偶极的实施例；
图4在不同视图中示出按照本发明的永磁体2的设计为磁四极的实施例；
图5示出按照本发明的永磁体2的另一实施例；
图6在不同视图中示出按照本发明的传感器装置4的实施例并且具有模拟的磁场线走向；
图7在具有按照例子的尺寸的标注尺寸的细节视图中示出按照本发明的传感器装置4(没有传感器1的视图)的实施例；
图8示出磁化设备8的优选实施例；
图9示出磁化设备8的另外的优选实施例；以及
图10示出在传感器元件绕磁体的旋转轴线限定的轴向偏移的情况下角误差(纵坐标)与顶面2-3(横坐标)和永磁体2的间隔的关系的示例性视图。
为了能实现实施例的简短和简单描述，相同元素设有相同附图标记并且分别仅仅阐明对于本发明重要的细节。
具体实施方式
图1示意地示出自身已知的传感器装置4，如其特别是用于支持电机的换向、例如机动车制动系统和/或机动车的转向系统的线性执行器的电机的换向并且用作角传感器装置或增量探测器。该传感器装置在此至少包括传感器元件1以及在轴3上轴向固定的、两极的永磁体2，该永磁体的顶面2-3基本上垂直于z轴并且按照该实施例平行于传感器元件1定向。传感器元件1例如是AMR传感器，其与磁体2轴向间隔地设置。为了检测磁场——也在该发明的范围中——然而也可应用与之不同的磁场传感器，例如霍尔、GMR、XMR、AMR、TMR等。在轴3和磁体2转动时借助于传感器元件1检测磁体2的磁场的定向和/或场强。传感器装置4的结构基本上也适用于按照本发明优选的实施例的以下描述。
图2a)和b)示例性地示出圆形和设计为磁偶极以及磁四极的永磁体2的磁场线走向。由附图可见的是，磁化为磁偶极的永磁体按照图2a)具有相比于按照图2b)极化为磁四极的永磁体2扩展更大的磁散射场，其中，示出的磁场线在比较小的空间中环绕永磁体2闭合。例如在设计为磁偶极的永磁体2的指向未示出的轴3的侧上存在宽空间的磁场线走向，该磁场线走向在按照该实施形式的传感器装置4的设计中应特别考虑，以便限制传感器装置自身或包括传感器装置的机动车控制器的另外的功能组件的潜在的通过该磁场线引起的干扰。如果永磁体2取而代之地具有磁四极磁化，那么该磁场线在比较接近的范围中环绕磁体2闭合，由此对于另外组件存在较小的干扰概率。
在图3中示出永磁体2的按照本发明的实施例，其中，该永磁体两极地构成并且沿磁极边界由磁体2的顶面2-3开始具有矩形凹处5。借助于凹处5以及平行的侧面2-1作用于磁场走向并且因此特别是作用于在磁场传感器1的范围中的角误差。按照本发明也可以设有多个凹处5，以便可以进行磁场走向的特定匹配。平行于永磁体2磁化的第一磁极边界，该永磁体具有直线侧面2-1。另外的未平行于磁极边界定向的侧面2-2圆弧形构成。
图4在不同视图中示出永磁体2的设计为磁四极的实施例，其中，设有椭圆形凹处5。侧面2-1同样直线地并且侧面2-2圆弧形构成。还示出轴连接部2-4，对此在图5和6的描述中进一步讨论。
图5a)在透视图中示出永磁体2的另一实施例。例如该永磁体示出为磁偶极，然而在本发明的意义上也可以设计为磁四极。沿着磁极边界从磁体2的顶面2-3开始，该永磁体——不同于图3的实施例——具有连续的凹处5，其中，连续的表示，凹处5由一侧的侧面2-2延伸到另一侧的侧面2-2。未平行于磁极边界定向的侧面2-2圆弧形构成。与图3的实施例的另一区别在于，与磁极边界以相同定向延伸的侧面2-1以如下形式圆弧形地设计，使得磁体2沿虚拟的轴线——该轴线与设定的旋转轴(沿z方向)相交——具有变细部。按照本发明这些实施形式不限于圆弧，而是例如也可以具有椭圆形或双曲线的几何结构。凹处5可以根据这种或另外的按照本发明的实施例在虚拟的y平面中代替矩形横截面具有与之不同的、例如U形的横截面。该实施形式特别是具有的优点在于，在保持不变的角误差的情况下允许传感器元件的更大的径向偏差。
在图5b)中示出用于按照图5a)的实施例产生磁体2的双极磁化的优选机构或方法，其中，以特别简单的方式将至少一个导电体6引入或设置在凹处5中并且施加期望方向的电流。由此磁体2有利地单侧面磁化。
图6a)至c)示出传感器装置4的按照本发明的实施例，其中，磁场传感器1在图6a)和b)中未描绘。还示出滚动轴承9，该滚动轴承特别是由铁磁不锈钢、如例如X14CrMoS17制造并且设定用于可旋转支承地固定轴3的朝向永磁体2的侧。在图7中在具有示例性的尺寸的构造细节图中示出按照图6的实施例，其中，未示出滚动轴承9。以安装的形式，轴3可以在与永磁体2对置的侧上通过例如传动装置或离合器直接与电机的转子轴连接。
永磁体2沿z方向超出轴3至少凹处5的深度。备选地然而轴3也可以基本上与顶面2-3齐平。磁体2——如在图7中标明尺寸并且除了轴连接部2-4之外——具有沿z方向大约3毫米的高度和2毫米的凹处5的深度。如由图7得知的那样，设有特别是用于简化制造的凹处5的内壁，该内壁具有相对于顶面2-3不同于90°的角。为了改善在永磁体2上的力传递，特别是考虑存在的热膨胀和振动，优选地设有锥状的轴连接部2-4。此外，轴3在该固定区域中还可以具有滚花或类似的用于该目的的机构。
优选由顺磁的或抗磁的材料、例如X8CrNiS18制造的轴3在传感器装置4的一个制造过程中特别是借助于喷注方法通过用于形成永磁体2的材料或基于以下实现的磁化来挤压包封/注塑包覆该永磁体的还未磁化的基体。轴3压入到已经磁化或还未磁化的永磁体2中基于磁体材料的脆性并结合可以损坏磁体材料的高压入力有问题地然而在本发明的范围中同样设有。相对于轴3的顺磁的或抗磁的材料备选地也可以设有铁磁材料、例如X14CrMoS178，由此例如可以进一步影响磁场线走向或产生另外的优点。
为了阐明，图6c)示出按照图6a)和b)的实施例的传感器装置4的基本上模拟为无反作用的磁场线走向。包围传感器装置4的机动车控制器的另外组件不被考虑用于模拟。如已经在图3的描述中阐述的那样，磁化的实现的极化和磁体2的几何方面的规定极大影响磁场线的走向并因此影响所产生的磁散射场。因此可以根据另一在附图中未示出的实施例设定，轴3为了影响磁场线走向包括根据相应的凹处5形成的端部段。轴3的该端部段可以优选在顶面2-3之下或与该顶面齐平或在其上引导。对此备选地，凹处5可以借助于抗磁的、顺磁的或铁磁的材料完全或部分填充。还可以根据应用的相应要求调整磁体材料的或另外构件、如例如轴或滚动轴承的材料的剩磁。
特别是对于轴3和磁体2的例如12.000转/分钟的高转速，如其在用于机动车制动系统的液压泵中出现的那样，然而在具有相应形成的轴3端部段的装置的设计中——以特别的程度在矩形形成的横截面(锤头)的情况下——应考虑在此出现的剪力，以便特别是在加速和/或制动时不损坏或分裂磁体2。
图10示出对于本发明示例性的实施例的角误差(纵坐标)与和顶面2-3的间隔(横坐标)的关系。角误差在此在大约2.4毫米的间隔下具有最小值，其中，磁场传感器1——假如满足另外的条件、如例如要求的最小场强——优选设置在该最小值的范围中。特别是通过调整扳手宽度大小(侧面2-1相互间隔)和侧面2-1的几何结构——例如曲线形或直线走向——以及凹处5的宽度(y方向)、长度(x方向)和深度(z方向)可以将角误差或其最小值根据顶面2-3沿磁场传感器1的方向的间隔匹配于相应应用的边界条件。
以下说明传感器装置4用于机动车制动系统的电液压控制器的关键点变量或公差范围，它们应视为示例性的并且不限于此：
-大约3毫米的永磁体2(z方向)高度；
-大于或等于42mT的在xy平面中在磁场传感器1的范围中的场强；
-小于或等于0.5°的在磁场传感器1的范围中的磁角误差的值；
-大约2毫米的沿z方向磁体2与磁场传感器1的间隔(额定空气隙)；
-大约0.7毫米的沿z方向的磁体2与磁场传感器1(灵敏元件)的最小间隔；
-在+/-1.25毫米范围中磁场传感器1对于磁体2的轴向偏移(z方向)；
-大约14.5毫米的在xy平面中磁体2的最大直径；
-大约2毫米的凹处5的深度；
-+/-1毫米的径向偏差(x和/或y方向)。
在图8a)、b)和c)中在不同视图中示意地示出用于产生例如根据图4和5的磁四极的磁化设备8的实施例。为了透视图的更好的清晰性在图8a)中仅仅描绘基本上对称构成的磁化设备8的一半。该一半包括导电体6和两件式磁轭7，其中，每个部分具有磁路的空气隙，其中，引入用于实施磁化的要磁化的永磁体2。导电体6也可以优选以绕组形式缠绕到相应磁轭部分7的边腿上，由此产生变压器式基本结构。在导电体6中示出的电流方向是示例性的并且取决于磁体2的要实现的极化，其中，以按照图8的电流方向产生具有根据在图4中示出的极化的磁四极的磁体2。在图8a)中示出的一半在图8c)中再次在前视图中示出。由按照图8b)的侧视图通过两半的视图特别是磁化设备8的镜像对称结构是明显的。
在图9a)至h)中示出用于形成磁四极极化的磁化设备8的另外的优选实施例，通过这些实施例可以以不同形式预定永磁体2的产生的磁化特征或极化特征。借助于选择地预定电流方向、电流强度——例如40kA——以及电流的脉冲持续时间——例如200μs，存在另外的影响永磁体2的保留的磁化特征的可能。特别是对于图9b)和c)的磁化设备8的实施例设有磁体2的磁化，而该磁体没有已经在轴3上固定。在根据图9a)和d)至h)的实施形式中考虑轴3或对于磁体2引入到磁路中设定的工具轴，然而没有在每种情况下都共同描绘或在工具轴的情况下在磁化过程期间如果可能被除去。补充或备选于在永磁体2侧面或侧面2-1设置的导电体6可以设有另外的导电体6用于影响施加的磁场，如例如对于图9a)至g)的实施形式示出的那样。通过由电流在该导电体中引起的磁场，产生的磁场线没有垂直地例如进入顶面2-3中。图9g)和h)的实施例——磁化设备8也在透视图中作为截面描绘——在形成磁轭7的情况下还考虑轴连接部2-4，以及滚动轴承9已经固定在轴3上。此外可以特别是借助于按照图9g)的磁化设备8的实施形式实现足够高的场强以便实现具有沿凹处5基本上限定的磁极边界的永磁体2的磁材料的饱和。借助于按照图9h)的磁化设备8的实施形式相比之下可实现永磁体2的沿优化的磁四极极化方向的改善。磁化设备8的各个实施例的该特征和另外示出的特征在本发明的范围中也可以传递到另外描述的实施形式。磁体2可以根据磁化设备8的实现的实施并且特别是根据轴3或工具轴的存在例如通过打开的侧(沿导电体6)和/或在多件式磁轭7的情况下通过部分或完全打开磁轭引入磁化设备8中和/或从磁化设备取出。
滚动轴承9和要磁化的永磁体2在轴3上的固定在实施磁化的过程步骤之前特别是从过程技术方面来看和/或为了保持机动车系统的预定清洁等级是优选的。如果永磁体2已经在较早的过程步骤中磁化，那么可能在以下工作步骤中金属颗粒积聚在其上。这样的污物可以在制造的产品、例如机动车制动系统的机动车控制器或用于制造该机动车控制器的设备中导致故障和损坏。
Claims (10)
1.一种用于检测机动车控制器的电机的转子位置的传感器装置(4)，其中，传感器装置(4)设计为无接触地工作的传感器装置(4)，该传感器装置包括至少一个永磁体(2)和至少一个磁场传感器(1)，永磁体(2)在至少一个朝向磁场传感器的顶面(2-3)中具有至少一个凹处(5)，其特征在于，永磁体(2)平行于凹处的较长的轴和/或永磁体的磁化的第一磁极边界(N-S)具有侧面(2-1)，所述侧面直线地定向，或形成曲线形走向，使得永磁体(2)沿与设定的旋转轴相交的虚拟轴线具有变细部。
2.根据权利要求1所述的传感器装置(4)，其特征在于，在永磁体(2)的顶面(2-3)上的凹处(5)具有矩形或椭圆形的形状。
3.根据权利要求1或2所述的传感器装置(4)，其特征在于，凹处(5)的较长的轴沿永磁体(2)的磁化的至少一个第一磁极边界(N-S)延伸。
4.根据权利要求1或2所述的传感器装置(4)，其特征在于，凹处(5)沿较长的轴完全穿过永磁体(2)的顶面(2-3)。
5.根据权利要求1或2所述的传感器装置(4)，其特征在于，永磁体(2)的、未沿凹处的较长的轴和/或第一磁极边界(N-S)定向的另外的侧面(2-2)具有曲线形走向或直线走向。
6.根据权利要求1或2所述的传感器装置(4)，其特征在于，永磁体(2)磁化为磁偶极或磁四极。
7.根据权利要求1或2所述的传感器装置(4)，其特征在于，磁场传感器(1)与永磁体(2)的顶面(2-3)如此间隔，使得该磁场传感器设置在永磁体磁场的角度误差的最小值的范围中。
8.根据权利要求1或2所述的传感器装置(4)，其特征在于，永磁体(2)固定在轴(3)上，其中，永磁体(2)的材料以喷注方法环绕地和/或在轴(3)上喷注。
9.根据权利要求1所述的传感器装置(4)，其特征在于，所述侧面平行地定向。
10.一种根据权利要求1至9中任一项所述的传感器装置在制动系统的机动车控制器中的应用，其中，机动车控制器包括至少一个踏板行程传感器。
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