CN106053873A - 用于确定旋转部件的转速和旋转方向的布置结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定旋转部件的转速和旋转方向的布置结构。本发明涉及用于非接触确定在其操作期间旋转的部件、特别是可磁化轴的转速和旋转方向的布置结构。布置结构包括部件，所述部件在其操作期间旋转，所述部件在至少一个外围区域上包括连接板形或齿形的径向凸起和居间的槽或齿隙的周向结构。布置结构还包括用于确定部件的转速和旋转方向的旋入式传感器装置，传感器装置包括：螺纹段，其用于位置固定地布置传感器装置，使得周向结构能够移过传感器装置；磁场产生装置；及磁场检测装置。磁场检测装置包括未沿线对齐设置的至少三个磁场传感器，其中彼此相距最远的磁场传感器之间的距离小于或等于槽或齿隙的宽度。

Description

用于确定旋转部件的转速和旋转方向的布置结构

技术领域

本发明涉及一种用于非接触地确定在其操作期间旋转的部件、特别是机动车辆的可磁化轴的转速和旋转方向的布置结构。

背景技术

用于确定在其操作期间旋转的部件的转速的不同的转速传感器从现有技术是已知的。例如，这样的转速传感器被用于检测机动车辆的变速箱中的齿轮或传动轴的转速和旋转方向。

对非接触地检测转速而言，通常使用配备有磁场传感器（例如，霍尔传感器（Hallsensor））的转速传感器。这里，当齿轮的齿通过时改变的磁场通过处于霍尔传感器附近的磁体产生。在此期间，霍尔传感器首先检测所谓的磁体的背景场（background field）。由齿轮或类似部件的质量（mass）引起的场强被添加到背景场的所述场强。如果齿而非齿隙（tooth gap）与传感器相关联，则这导致在齿与传感器的关联的持续时间内的磁场的反复增强。因此，如果齿轮在转动，则取决于齿和齿隙通过传感器而发生场强的波动。因此，霍尔传感器检测磁场的所述改变并且产生电信号，从所述电信号能够确定齿轮的转速或位置角。因此，每个齿产生脉冲，并且转速能够通过对脉冲进行计数来确定。更确切地说，转速传感器不会这样检测齿，而是检测从齿到齿隙的过渡或反之。

特别地，包括两个霍尔元件（Hall element）的转速传感器从公布的专利申请DE41 41 958 A1和EP 0 800 087 A2是已知的。为了测量转速，转速传感器例如被设置成与齿轮相对，使得齿轮的齿在旋转运动期间首先通过第一霍尔传感器，并且随后通过第二霍尔传感器。为此，当沿齿轮或部件的周向方向或旋转方向观察时，所述两个霍尔元件必须被偏置地设置。在当沿齿轮的旋转方向观察时霍尔元件以这种方式偏置的情况下，所述齿首先来到一个霍尔元件，并且在一定角度的旋转后到第二霍尔元件。由此引起的两个传感器的磁场的振荡当随着时间的推移来观察时相对于彼此偏移，由此，除了不仅能够确定角速度和角加速度，而且还能够确定旋转方向，这是因为根据旋转方向，一个霍尔元件或另一个霍尔元件首先测量到波动。

然而，如果旋转传感器被安装成使得静止的齿同时与两个霍尔元件相对，即，两个霍尔元件与下一齿的边缘相距相同的距离，则两个霍尔元件上的总磁场强度在任何测量时间点处都是相同的，并且不再能够确定旋转方向。该问题特别是能够在具有螺接安装的转速传感器的情况下发生。如果处于旋入位置的传感器的旋转位置使得两个霍尔元件与下一齿的边缘基本上相距相同的距离，则无法确定旋转方向，或者如果距离的差异过小或未知，则能够发生测量不准确。在这样的传感器的情况下，在安装期间必须确保两个霍尔元件正确地在最终位置对齐，因此耗时的重新调整可能是必要的。

为了避免所述问题，在DE 41 41 958 A1中提出了一种转速传感器，利用其，转速传感器中的两个霍尔元件和磁体被设置成相对于彼此可移位。例如，所提出的是，磁体被插入到相对于转速传感器的内部中的主体能够移位的保持器中。这确实使得能够纠正不正确的对齐，但这是耗时的，易于出错并且在安装期间需要合适地训练的熟练员工。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种用于非接触地确定在其操作期间旋转的部件的转速和旋转方向的改进的布置结构、特别是改进的旋转传感器，利用所述改进的布置结构能够避免常规技术的缺点。本发明的目的特别是在于提供一种转速传感器，利用其能够确定旋转部件的转速和旋转方向，并且其能够被快速地安装且不需要复杂的校准或调整。

所述目的通过具有独立权利要求的特征的用于非接触地确定在其操作期间旋转的部件的转速和旋转方向的布置结构来实现。本发明的有利的实施例和应用通过从属权利要求来揭示。

根据本发明的布置结构依据现有技术包括在其操作期间旋转的部件，其中，所述部件在至少一个外围区域上包括连接板形（web-shaped）或齿形的径向凸起和居间的槽或齿隙的周向结构。所述周向结构能够是旋转部件的表面结构的一部分，或能够以能够安装在所述部件上的单独的转速传感器的形式来提供。例如，所述部件能够是可磁化轴，即，由铁磁材料制成的轴。

所述布置结构还包括旋入式传感器装置，借助于所述传感器装置能够确定部件的转速和旋转方向。所述传感器装置包括螺纹段，借助于所述螺纹段，所述传感器装置能够被旋入，用于位置固定地布置所述传感器装置。所述传感器装置被设置成使得所述周向结构能够移过所述传感器装置。所述传感器装置还包括磁场产生装置和磁场检测装置。所述传感器装置在下文中也将被称为转速传感器。

根据本发明的一般方面，磁场检测装置包括至少三个磁场传感器，所述至少三个磁场传感器不设置成沿线对齐，并且因此，被偏置地设置。换言之，所述磁场传感器被设置成偏置的，使得无论传感器装置在部件旋转期间的旋入位置，每个凸起在时间偏移的情况下到达所述至少三个磁场传感器中的至少两个。因此，沿所述凸起的周向方向或沿部件的旋转方向查看，总是存在偏置设置的所述至少三个磁场传感器中的至少两个。在这种情况下，彼此相距最远的磁场传感器的距离小于或等于所述周向结构的槽或齿隙的宽度。所述磁场传感器被设置成使得它们与磁场产生装置相互作用，并且面向旋转部件的周向结构。

至少三个磁场传感器的根据本发明的设置给出了特别的优点，即：无论传感器的安装位置，即，处于旋入状态的旋转位置，总是存在与最近的凸起的边缘相距不同距离的至少两个磁场传感器，使得除了确定旋转角速率之外，确定旋转方向总是可能的，而无论安装传感器装置的角位置如何。为此，当旋入传感器装置时，没必要关注磁场传感器在最终位置如何定向，使得本发明能够实现快速组装，并且避免安装相关的测量误差。此外，作为相距最远的磁场传感器的距离小于或等于槽或齿隙的宽度的结果，确保了通过不同的传感器记录的磁场强度的改变通过旋转部件由相同的边缘产生。这使得能够实现对轴的旋转角速率和旋转方向的可靠的测量。

一个特别优选的示例性实施例提供的是，所述磁场检测装置通过按照三角形的形式设置的三个磁场传感器形成。在这种情况下，所述三角形的边的长度小于或等于槽或齿隙的宽度。此处，形式为等边三角形的布置结构是特别有利的。形式为等边三角形的布置结构使得能够实现所检测到的磁场信号的简化分析和计算机处理。此外，作为结果，确保了在任何旋转位置，当沿旋转方向观察时相距最远的两个磁场传感器彼此具有一定的最小间隔，这对非常高频率的检测而言是有利的。

根据另一实施例，还提供了用于分析所述至少三个磁场传感器的输出信号的分析单元，所述分析单元配置成确定当沿部件的旋转方向、即沿部件或凸起的周向方向观察时彼此相距最远的两个磁场传感器，并且使用所述两个磁场传感器的测得的通量改变来确定旋转方向。

这确保了在任何安装位置，其间凸起的边缘所产生的磁场的改变的时间差最大的那两个磁场传感器被用于测量，这改善了测量精度。所述分析单元优选地形式为传感器装置的内部分析电子装置的一部分，但也能够被实施为外部分析单元。

所述传感器装置有利地包括学习功能，借助于所述学习功能，在传感器装置中能够存储用于确定旋转方向的两个磁场传感器中的哪一个必须首先检测到从低的通量到较高的通量的通量改变，使得存在第一旋转方向并且不存在相反的旋转方向。因此，在学习阶段中，使所述部件沿预定的第一旋转方向旋转，并且对哪个磁场传感器首先检测到从低的通量到较高的通量的通量改变进行评估。如果在正常的操作中，所述传感器再次在其他传感器之前首先检测到从低的通量到较高的通量的通量改变，则所述第一旋转方向存在，否则相反的旋转方向存在。

根据另一实施例，所述至少三个磁场传感器被设置在垂直于所述部件或周向结构的径向方向的平面中，使得所述传感器与旋转部件相距基本上相同的径向距离。

根据本发明的实施方式的另一可能性提供的是，所述传感器装置被配置成在磁场传感器的信号指示非零的旋转角速率但没有确定的旋转方向的情况下，检测所述部件的振动。根据所述版本，能够检测振动，如果机器未旋转但存在振动，则所述振动是在轴、特别是传动轴未旋转时发生的常见问题。这样的振动能够引起通量改变，并且因此，引起角旋转速率的计算。然而，传感器装置不测量限定的旋转方向，这是因为顺时针和逆时针的旋转以相等的比例交替地检测。

所述传感器装置的磁场传感器能够是有源磁场通量传感器，其优选地根据霍尔原理（霍尔探头（Hall probe））来操作。

根据本发明的另一方面，传感器装置能够包括壳体，所述壳体包括端部区域，磁场传感器被安装在所述端部区域中以形成测量末端。所述壳体还能够包括设置在相对端处的壳主体，在所述壳主体中设置了用于传感器装置的插塞式连接器和用于分析磁场传感器的测量信号的微处理器单元，磁场传感器的输出信号被传输到所述微处理器单元用于分析。所述壳体还能包括用于旋入传感器装置的螺纹段，所述螺纹段被优选地设置在端部区域和壳主体之间。

所述磁场产生装置能够以永磁体的形式或以产生磁场的能够通电的线圈的形式来实施。所述磁场产生装置优选地包括整合在传感器壳体内的用于产生磁场的线圈。例如，所述线圈能够被整合在螺纹段内。

本发明还涉及具有如本文所公开的布置结构或传感器装置的机动车辆、特别是商用车辆。

附图说明

上述本发明的优选实施例和特征能够以任何方式彼此结合。本发明的另外的细节和优点在下文中参考附图来描述。附图中：

图1A示出了轴的前视图；

图1B示出了图1A的轴的顶视图；

图2A示出了从现有技术已知的转速传感器（revolution rate sensor）的透视图；

图2B示出了根据本发明的一个实施例的传感器装置的示意图；以及

图3示出了根据本发明的一个实施例的传感器装置和旋转部件的布置结构的示意图。

附图标记列表

1 传感器装置

2 壳主体

3 螺纹段

4 测量末端

5 用于产生磁场的线圈

6_1、6_2、6_3 有源（active）磁场传感器

7 可磁化轴

8 插塞式连接器

9、11 边缘

10 现有技术的转速传感器

S 连接板（web）

N 槽

D1、D2 旋转方向

d_S 连接板的宽度

d_N 槽的宽度。

具体实施方式

图1A和图1B示出了由铁磁材料制成的已知的轴7作为在其操作期间旋转的部件的示例，所述轴7的旋转角速率、加速度和旋转方向意在借助于传感器装置来测量。所述轴包括槽N和连接板S的规则的周向结构。所有连接板S具有相同的宽度，并且所有槽N也具有相同的宽度，其中，所述槽和所述连接板的宽度能够彼此不同。利用D1和D2所标示的双箭头来指示轴7的两个可能的旋转方向D1和D2。

图2A以透视图示意性地示出了从现有技术已知的转速传感器10的设计。已知的转速传感器被实施为旋入式转速传感器，并且为此包括具有外螺纹的颈段3。所述传感器借助于螺纹段3旋入到相对应的螺纹开口中，使得传感器末端4被设置成与轴7的周向结构径向相对。在实施为逐渐变细的端部区域的传感器末端4中，一个或两个霍尔探头被设置在从现有技术已知的转速传感器10中。在相对端上，转速传感器10包括主体2，插塞式连接器8和微处理器单元被设置在其中。霍尔探头的输出信号被传输到所述微处理器单元。

图2B以高度示意性的表示示出了传感器装置1的一个实施例。传感器装置1包括与从现有技术已知的传感器装置10类似的壳体，所述壳体具有端部区域4、螺纹段3和壳主体2，插塞式连接器和微处理器单元被设置在所述壳主体2中。与从现有技术已知的传感器10对比，三个有源磁场传感器被设置在根据本发明的传感器1的端部区域4中，这被图示在图3中。用于产生磁场的线圈（图2B中未示出）被整合（或集成，integrated）在所述壳体的外壳（casing）内。

图3示出了轴7和传感器装置1的布置结构的顶视图。在轴7中，仅槽N和两个相邻的连接板S中的每一个的一个部段被示出在图3中。所述连接板的宽度通过双箭头d_S来表征，所述槽的宽度通过双箭头d_N来表征。轴7的两个旋转方向又通过箭头D1和D2来表征。

仅传感器1的用于产生磁场的线圈5和三个有源磁场传感器6_1、6_2和6_3被示意性地描绘在图3中，以说明该设计的原理。线圈5被整合在螺纹段3的壳体的外壳内，并且产生磁场，三个磁场传感器6_1、6_2和6_3与所述磁场相互作用。三个磁场传感器原则上利用相同的设计实施，并且按照等边三角形的形式来设置，即，设置所述三个磁场传感器6_1、6_2和6_3处的点构成等边三角形的角点。为了说明，示出了穿过传感器和三角形的中心点的虚线，其中，两个相邻的磁场传感器的虚线中的每一个与彼此形成60°的角度。特征是整个传感器头的直径小于或等于槽N的宽度d_N。三个磁场传感器6_1至6_3各自被连接到设置在壳主体2中的微处理器单元。

如在图3中能够看到的，三个磁场传感器6_1、6_2和6_3的三角形布置结构确保了它们不被设置成沿线对齐，而是被偏置地设置，使得无论传感器装置的旋入位置如何，连接板S的每个边缘在部件的旋转期间及时到达具有一定偏移的所述至少三个磁场传感器中的至少两个。因此，沿连接板S或槽N的周向方向或沿部件的旋转方向D1、D2观察，三个磁场传感器6_1至6_3中的至少两个总是被偏置地设置。因此，在传感器装置1的每个可能的旋入位置，总是存在与最近的连接板的边缘相距不同距离的至少两个磁场传感器。在图3中所示的安装位置，在部件7沿方向D2旋转期间，边缘9首先到达传感器6_1，然后到达传感器6_3并且最后到达传感器6_2。在沿相反的方向D1的旋转期间，顺序是颠倒的。

即使在例如传感器6_2和6_3将与例如边缘11的边缘相距相同的距离的安装位置（图3中未示出），传感器6_1与边缘11的距离也将与传感器6_2和6_3的距离不同。磁场传感器6_1至6_3测量槽N和连接板S之间的磁通量的改变。为此，传感器装置1被实施成分别为每个传感器记录通量改变的时间。此外，也能检测传感器之间的通量改变的时间。

在当前的传感器1的实施方式的情况下，例如，对测量轴的旋转角速率而言，存在多种选择。根据第一版本，三个传感器6_1至6_3中的一个能够对槽和连接板之间的边缘改变进行计数。如果槽和连接板的数量是已知的，则能够计算旋转角速率。根据另一版本，分析三个传感器之间的时间测量结果。作为结果，能够利用所述传感器的几何布置结构的知识来确定旋转角速率。

通过分析当沿周向方向观察时相距最远的两个传感器之间的通量改变，来确定部件7的旋转方向。所述传感器为处于图3中所示的安装位置的传感器6_1和6_2。

为此，现在在学习阶段（learning phase）中教导旋转方向，其中，使轴7沿预定的旋转方向旋转，以便教导传感器装置1哪个是前向方向以及哪个是后向方向。例如，传感器6_1在沿方向D2的旋转期间于传感器6_3之前检测到从低的通量到较高的通量的通量改变，则所述通量改变按照定义即为教导的旋转方向D2，并且被存储在分析电子装置中。如果传感器6_1随后在测量模式期间于传感器6_3之前检测到从低的通量到较高的通量的通量改变，则识别出旋转方向D2。否则，它即为相反的旋转方向D1。

尽管已参考特定的示例性实施例描述了本发明，但对于本领域技术人员而言清楚的是，能够实施各种改变，并且能够将各种改变用作等同替换，而不脱离本发明的范围。此外，能够实施许多修改，而不脱离相关联的范围。因此，本发明不应被限于所公开的示例性实施例，但将包括落入所附权利要求的范围内的所有示例性实施例。特别地，不管所引用的权利要求，本发明还要求对从属权利要求的主题和特征的保护。

Claims (10)

1.一种用于非接触地确定部件、特别是可磁化轴的转速和旋转方向的布置结构（7、1），所述部件在其操作期间旋转，所述布置结构（7、1）包括：

（a）部件（7），所述部件（7）在其操作期间旋转，所述部件（7）在至少一个外围区域上包括连接板形或齿形的径向凸起（S）和居间的槽（N）或齿隙的周向结构；以及

（b）用于确定所述部件（7）的转速和旋转方向的旋入式传感器装置（1），所述传感器装置（1）包括：

（b1）螺纹段（3），其用于位置固定地布置所述传感器装置（1），使得所述周向结构能够移过所述传感器装置，

（b2）磁场产生装置，以及

（b3）磁场检测装置；

其特征在于，所述磁场检测装置包括未沿线对齐设置的至少三个磁场传感器（6_1、6_2、6_3），其中，彼此相距最远的所述磁场传感器之间的距离小于或等于所述槽（N）或所述齿隙的宽度（d_N）。

2.如权利要求1所述的布置结构，其特征在于，所述磁场检测装置由按照等边三角形的形式设置的三个磁场传感器（6_1、6_2、6_3）形成。

3.根据权利要求1或2所述的布置结构，其特征在于，用于分析所述至少三个磁场传感器（6_1、6_2、6_3）的输出信号的分析单元，所述分析单元被配置成确定当沿所述部件的旋转方向观察时彼此相距最远的两个磁场传感器（6_1、6_2），并且使用所述两个磁场传感器（6_1、6_2）的测得的通量改变来确定旋转方向。

4.根据权利要求3所述的布置结构，其特征在于，所述传感器装置包括学习功能，借助于所述学习功能，在所述传感器装置中能够存储用于确定所述旋转方向的所述两个磁场传感器（6_1、6_2）中的哪一个必须首先检测到从低的通量到较高的通量的通量改变，使得存在第一旋转方向（D1），并且不存在相反的旋转方向（D2）。

5.如前述权利要求中任一项所述的布置结构，其特征在于，所述至少三个磁场传感器（6_1、6_2、6_3）被设置在垂直于所述部件或所述周向结构的径向方向的平面中。

6.如前述权利要求中任一项所述的布置结构，其特征在于，所述传感器装置（1）被配置成在所述磁场传感器的信号指示了旋转角速率但没有确定的旋转方向的情况下检测所述部件的振动。

7.如前述权利要求中任一项所述的布置结构，其特征在于，所述磁场传感器（6_1、6_2、6_3）为优选地根据霍尔原理操作的有源磁场通量传感器。

8.如前述权利要求中任一项所述的布置结构，其特征在于，所述传感器装置的壳体，所述壳体包括：

（a）端部区域（4），所述磁场传感器（6_1、6_2、6_3）被安装在所述端部区域（4）中，以形成测量末端，

（b）设置在相对端处的壳主体（2），在所述壳主体（2）中设置了插塞式连接器（8）和微处理器单元，所述磁场传感器的输出信号被传输到所述微处理器单元用于分析，以及

（c）用于旋入所述传感器装置的螺纹段（3），所述螺纹段（3）被设置在所述端部区域（4）和所述壳主体（2）之间。

9.如前述权利要求中任一项所述的布置结构，其特征在于，

（a）所述磁场产生装置包括整合在传感器壳体内的用于产生磁场的线圈；和/或

（b）所述磁场产生装置包括整合在所述螺纹段（3）内的用于产生磁场的线圈。

10.具有如前述权利要求中任一项所述的布置结构（7、1）的机动车辆、特别是商用车辆。