CN106471378A - 传感器轴承单元、包括这种单元的机械系统及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种传感器轴承单元(301)，包括：以旋转轴线(X1)为中心的轴承；传感器装置(10)，包括具有结构间距(P10)并且限定沿着该结构间距(P10)和沿着读取方向延伸的间距平面(Δp)的差分检测单元；以及具有磁性图案的脉冲环(320)，所述磁性图案包括由图案边界(324)分隔开的正极(321)和负极(322)并且其限定垂直于所述间距平面(Δp)的切平面(Δt)；所述传感器装置(10)和所述脉冲环(320)配置为用于跟踪所述轴承围绕所述旋转轴线(X1)的旋转，所述传感器装置(10)的差分检测单元沿着读取方向读取所述脉冲环(320)的图案。根据本发明，投影在所述切平面(Δt)中的每个图案边界(324)限定相对于所述间距平面(Δp)的非零图案角(α320)。这样，所述磁性图案相对于由所述传感器单元所限定的线是倾斜的，倾斜的角度确定了传感器的有效间距可以被调整成匹配所述磁性图案的间距。本发明还涉及一种包括这种脉冲环(320)的机械系统。本发明还涉及一种用于制造这种脉冲环(320)的方法。

Description

传感器轴承单元、包括这种单元的机械系统及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种传感器轴承单元，其包括轴承、传感器装置和用于跟踪轴承旋转的脉冲环。本发明还涉及一种机械系统，例如摩托车车轴，其包括至少一个这种传感器轴承单元。本发明还涉及一种用于制造这种传感器轴承单元的方法。
背景技术
传感器轴承单元通常用于汽车、航空和其他技术领域。这些单元提供高质量的信号和传输，同时允许集成在更简单和更紧凑的机械系统中。
这种传感器轴承单元通常包括轴承、脉冲环和面向脉冲环的传感器装置。脉冲环可以固定到轴承的旋转环，而传感器装置可以固定到轴承的非旋转环或支撑该非旋转环的另一部分。脉冲环可以包括目标支架和目标，其包括交替的北极和南极，其数量取决于轴承尺寸和特定应用。传感器装置可以包括含有两个感测元件的差分霍尔单元。
对于某些应用例如轮速测量来说，差分传感器装置允许通过减去两个测量来减少噪声并且增加传感器装置内的电信号的幅度。为了获得这种效果的最大效率，两个敏感元件之间的间距和磁环的间距应当是相容的，即对于该应用来说是相等的。否则，传感器轴承单元的设计者可以改变霍尔单元以获得更兼容的或者修改脉冲环的尺寸。然而，这些方法降低了设计的灵活性。此外，改变霍尔单元并不总是可能的。
对于其它应用例如增量编码器而言，差分传感器装置用于产生具有90度相移的两个信号。在没有新的传感器设计的情况下，两个敏感元件之间的间距不能改变，否则，两个信号之间的相移将不等于90度。传感器设计者没有关于脉冲环的间距的灵活性，脉冲环必须被设计成与霍尔单元平行。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有改进的柔性的脉冲环的传感器轴承单元。
为此，本发明涉及一种传感器轴承单元，包括：以旋转轴线为中心的轴承；传感器装置，包括具有结构间距并且限定沿着该结构间距和沿着读取方向延伸的间距平面的差分检测单元；以及具有磁性图案的脉冲环，所述磁性图案包括由图案边界分隔开的正极和负极并且其限定垂直于所述间距平面的切平面；所述传感器装置和所述脉冲环配置为用于跟踪所述轴承围绕所述旋转轴线的旋转，所述传感器装置的差分检测单元沿着读取方向读取所述脉冲环的图案。根据本发明，投影在所述切平面中的每个图案边界限定相对于所述间距平面的非零图案角。
由于本发明，脉冲环的设计具有重要的灵活性。此外，如果脉冲环的设计是固定的，则传感器设计的修改不是强制性的。由于可以正确地使用传感器装置的差分效应，所以尽管脉冲环具有比传感器间距更小的极，但是可以减小脉冲环所需的磁场。该效应对传感器装置的设计具有若干个积极影响。传感器装置和脉冲环之间的距离可以增加，使得传感器轴承单元可被设计为具有更大的灵活性。此外，脉冲环的材料可以具有较低的残余感应，使得可以降低脉冲环的成本。最后，与标准磁性脉冲环相比，以特定图案角磁化每个极对的过程不产生额外成本。
根据本发明的有利但非强制的其他方面，这种传感器轴承单元可以包括以下特征中的一个或多个：
-所述脉冲环配置为用于由所述传感器装置进行径向读取的径向脉冲环。
-所述图案角对于每个图案边界而言沿着所述旋转轴线是恒定的。
-所述图案角对于每个图案边界而言沿着所述旋转轴线是可变的。
-所述脉冲环配置为用于由所述传感器装置进行轴向读取的轴向脉冲环。
-所述图案角对于每个图案边界而言相对于所述旋转轴线是恒定的。
-所述图案角对于每个图案边界而言相对于所述旋转轴线是可变的。
本发明还涉及一种机械系统，例如摩托车车轴，包括至少一个如上所述的传感器轴承单元。本发明可以在不同的机械系统中实现，例如曲轴、凸轮轴、用于汽车或商用车辆的轮毂等。
本发明还涉及一种用于制造如上所述的传感器轴承单元的方法。该方法包括至少一个磁化脉冲环的磁性图案的步骤，使得每个图案边界相对于间距平面限定非零图案角。
此外，这种方法可以包括以下特征中的一个或多个：
-该方法包括计算用于确定图案边界的形状的图案角的步骤。
-该方法包括采用有限元分析软件模拟脉冲环的磁性图案的步骤。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行解释，其作为说明性示例而不限制本发明的目的。在附图中：
-图1是未根据本发明配置的包括径向脉冲环和标准差分传感器装置的传感器轴承单元的径向视图，其中脉冲环和传感器装置的配置是理想的，因为环间距等于传感器间距；
-图2是类似于图1的视图，示出了未根据本发明配置的另一传感器轴承单元，其中脉冲环和传感器装置的配置是不利的，因为环间距不等于传感器间距；
-图3是类似于图1的视图，示出了根据本发明第一实施例的传感器轴承单元和径向脉冲环；
-图4是类似于图1的视图，示出了根据本发明第二实施例的传感器轴承单元和径向脉冲环；
-图5是根据本发明第三实施例的传感器轴承单元和轴向脉冲环的轴向视图；
-图6是图5上的细节VI的放大比例的视图；以及
-图7是根据本发明第四实施例的传感器轴承单元和轴向脉冲环的轴向视图。
具体实施方式
图1示出了传感器轴承单元1，其包括轴承、传感器装置10和脉冲环20。为了简化目的未示出的轴承以中心轴线X1为中心。传感器装置10和脉冲环20被关联用于跟踪轴承围绕该轴线X1的旋转。脉冲环20可以固定到轴承的旋转环，而传感器装置10可以固定到轴承的非旋转环或支撑该非旋转环的另一部分。
传感器装置10配置为标准差分传感器，包括主体12、设置有两个灵敏检测部件14的差分检测单元以及两个腿16。部件14限定差分检测单元的传感器间距P10，即沿着方向D1在它们的中心之间测量的长度。例如，间距P10可以等于2毫米。部件14还限定沿结构间距P10并沿读取方向延伸的间距平面Δp。部件14提供两个信号，对应于在空间上以间距P10分离的连续测量。部分示出的腿16向上延伸到用于处理这些信号的控制系统。
脉冲环20配置为以轴线X1为中心的标准径向磁环。脉冲环20具有磁性图案，包括由图案边界24分隔开的正极21和负极22。由于脉冲环20配置为径向环，所以磁性图案在其围绕轴线X1的外表面处形成。切平面Δt被定义为与该外表面相切，垂直于间距平面Δp且与轴线X1正交。为了简化的目的，部分地示出了脉冲环20，其外表面投影在切平面Δt中。在两个相继的边界24之间，每个极21和22具有环间距P20，其也限定成平行于方向D1。间距P20对应于沿着方向D1的每个极21和22的宽度。在当前情况下，方向D1正交于脉冲环20的旋转轴线X1。边界24彼此平行并且垂直于方向D1。
实际上，传感器装置10的差分检测单元沿着相对于轴线X1径向的读取方向读取脉冲环20的磁性图案。传感器装置10检测由脉冲环20引起的磁场变化。更精确地，检测部件14检测由分离正极21和负极22的边界24引起的磁场变化。由传感器轴承单元1测量的旋转速度、旋转角度和其它数据的精度与传感器装置10和脉冲环20的安装的精度高度相关。
在这点上，传感器装置10和脉冲环20定位成使得间距P10和P20都平行于方向D1，并且包括轴线X1和垂直于平面Δp和Δt的平面构成部件14的对称平面。此外，传感器装置10和脉冲环20设计成使得间距P10和P20是相容的，即它们优选地具有相同的值，或者它们具有尽可能低的差的值。
在传感器轴承单元1的控制系统内部，由检测部件14测量的两个信号被减去，并且所获得的信号被控制系统使用以获取速度信号。例如，控制系统可以包括用于差分信号的具有+/-20G的阈值的触发器，这意味着在最佳情况下由每个检测部件14测量的+/-10G的最小磁场。然而，如果间距P10和P20具有不同的值，则对于每个检测部件14而言，获得用于差分信号的至少+/-20G所必需的磁场将大于+/-10G。这种现象意味着需要增加的磁场，通过减小传感器装置10与脉冲环20之间在间距平面Δp中的距离，或者通过改变脉冲环20的磁性材料。由于设计或工艺原因，这两种解决方案有时不可用。
图2至图7示出了其他传感器轴承单元，其中与图1类似的元件具有相同的附图标记。与图1不同的元件具有增加100、200、300、400或500的数字标记。
图2示出了传感器轴承单元101，其包括未示出的轴承、传感器装置10和脉冲环120。传感器装置10仍配置为标准差分传感器。脉冲环120配置为与传感器装置10不兼容的径向磁环。脉冲环120具有磁性图案，包括由图案边界124分隔开的正极121和负极122。脉冲环120具有对应于间距P10的一半的间距P120。在这种情况下，无论磁场的幅度如何，差分信号接近零。因此，传感器轴承单元101将不能正确地工作以跟踪轴承的旋转。
图3示出了根据本发明第一实施例的传感器轴承单元201。传感器轴承单元201包括未示出的轴承、传感器装置10和脉冲环220。传感器装置10仍配置为标准差分传感器。传感器装置10相对于脉冲环220定位成使得间距平面Δp包括轴线X1，并且间距P10沿着平行于轴线X1的方向D2被定义在间距平面Δp中。
脉冲环220配置为径向磁环，其适于由传感器装置10进行径向读取。脉冲环220具有磁性图案，包括由图案边界224分隔开的正极221和负极222。在当前情况下，投影在切平面Δt中的图案边界224相对于间距平面Δp倾斜图案角α220。对于每个边界224而言，图案角α220沿着轴线X1是恒定的。
脉冲环220沿着方向D1限定结构间距P220，该方向D1与轴线X1正交，正交于间距平面Δp并且平行于切平面Δt。在当前情况下，间距P10和P220不兼容。由于投影在切平面Δt中的边界224相对于间距平面Δp倾斜，所以脉冲环220进一步沿间距平面Δp中的方向D2限定了明显间距或偏移间距Ps220。无论在脉冲环220上选择的读数直径如何，间距Ps220都具有恒定值。设计脉冲环220，然后传感器装置10和脉冲环220相对于彼此定位，使得间距P10和Ps220是相容的，并且优选地具有相同的值。因此，传感器轴承单元201可以正确地工作以跟踪轴承的旋转。
图4示出了根据本发明第二实施例的传感器轴承单元301。传感器轴承单元301包括未示出的轴承、传感器装置10和脉冲环320。传感器装置10仍配置为标准差分传感器。传感器装置10相对于脉冲环320定位成使得间距平面Δp包括轴线X1且间距P10沿着方向D2定义。
脉冲环320配置为径向磁环。脉冲环320具有磁性图案，包括由图案边界324分隔开的正极321和负极322。在当前情况下，投影在切平面Δt中的边界324相对于间距平面Δp倾斜可变图案角α320。对于每个边界324而言，根据读取直径，图案角α320沿轴线X1变化。换句话说，边界324是弯曲的。
脉冲环320沿着方向D1限定结构间距P320。在当前情况下，间距P10和P320不兼容。由于投影在切平面Δt中的边界324相对于间距平面Δp倾斜，所以脉冲环320还沿间距平面Δp中的方向D2限定偏移间距Ps320。根据在脉冲环320上选择的读取直径，间距Ps320具有可变值。设计脉冲环320，然后传感器装置10和脉冲环320相对于彼此定位，使得间距P10和Ps320是相容的，并且优选地具有相同的值。因此，传感器轴承单元301可以正确地工作以跟踪轴承的旋转。
图5和图6示出了根据本发明第三实施例的传感器轴承单元401。传感器轴承单元401包括未示出的轴承、传感器装置10和脉冲环420。传感器装置10仍配置为标准差分传感器。传感器装置10相对于脉冲环420定位成使得间距平面Δp包括轴线X1，并且间距p10沿着与轴线X1正交的方向D1限定在间距平面Δp中。
脉冲环420配置为轴向磁环，其适于由传感器装置10进行轴向读取。读取方向平行于轴线X1。脉冲环420具有磁化图案，包括由图案边界424分隔开的正极421和负极422。由于脉冲环420配置为轴向环，所以磁性图案在其外表面上形成在垂直于轴线X1的切平面Δt中。在当前情况下，投影在切平面Δt中的边界424相对于间距平面Δp倾斜可变图案角α420。对于每个边界424而言，根据读取直径，图案角α420可以相对于轴线X1变化。换句话说，边界424是弯曲的。更确切地说，边界424形成围绕轴线X1分布的弯曲半径。脉冲环420具有偏斜的磁性图案。
脉冲环420沿着方向D1限定可变结构间距P420。在当前情况下，间距P10和P420不兼容。由于投影在切平面Δt中的边界424相对于间距平面Δp倾斜，所以脉冲环420还在间距平面Δp中沿方向D1限定偏移间距Ps420。根据在脉冲环420上选择的读取直径，间距Ps420具有可变值。设计脉冲环420，然后传感器装置10和脉冲环420相对于彼此定位，使得间距P10和Ps420是相容的，并且优选地具有相同的值。因此，传感器轴承单元401可以正确地工作以跟踪轴承的旋转。
图7示出了根据本发明第四实施例的传感器轴承单元501。传感器轴承单元501包括未示出的轴承、传感器装置10和脉冲环520。传感器装置10仍配置为标准差分传感器。传感器装置10相对于脉冲环520定位成使得间距平面Δp平行于轴线X1，并且间距P10沿着与轴线X1正交的方向D1限定在间距平面Δp中。
脉冲环520配置为轴向磁环，其适于由传感器装置10进行轴向读取。脉冲环520围绕轴线X1弯曲，但为了简化的目的，表示为具有直带。脉冲环520具有磁化图案，包括由图案边界524分隔开的正极521和负极522。在当前情况下，投影在切平面Δt中的边界524相对于间距平面Δp倾斜可变图案角α520。对于每个边界524而言，图案角α520相对于轴线X1是恒定的。换句话说，边界524是直的。
脉冲环520沿着方向D1限定结构间距P520。设计脉冲环520，然后传感器装置10和脉冲环520相对于彼此定位，使得间距P10和P520是相容的，并且优选地具有相同的值。因此，传感器轴承单元501可以正确地工作以跟踪轴承的旋转。
下面描述用于制造脉冲环220、320、420、520的方法。
该方法包括至少以下步骤：磁化脉冲环220、320、420、520的磁性图案，使得投影在切平面Δt中的每个图案边界224、324、424、524限定相对于间距平面Δp的非零图案角α220、α320、α420、α520。优选地，在磁化步骤之前，该方法还包括计算图案角α220、α320、α420、α520的步骤，从而确定每个图案边界224、324、424、524的形状以及偏移间距Ps220、Ps320、Ps420。此外，该方法可以包括采用有限元分析软件模拟脉冲环220、320、420、520的磁性图案的步骤。
在与径向磁性目标相关的图3的示例中，图案角α220如下[等式1]计算：
α220＝arctan(特定读数直径上的一个极21或22的尺寸/P10)
＝arctan((读取直径×Pi/极数)/P10)
在与轴向磁性目标相关的图5的示例中，通过如下[等式2]计算每个位置中的磁化图案的方法推导出图案角α420：
给定计算位置的直径的磁化图案
＝磁场的幅度×sin(一个极的尺寸×2×角位置-(计算位置的直径×Pi)/(传感器间距P10×2))
其中，所述幅度是磁场的正常幅度。
其它未示出的实施例可以在本发明的范围内实现。例如，传感器装置10可以包括霍尔板。可替代地，传感器装置10可以包括GMR、AMR或TMR桥。
此外，不同实施例的技术特征可以整体或部分地彼此组合。因此，脉冲环和传感器轴承单元可以适应于应用的特定要求。

Claims (11)

1.一种传感器轴承单元(201；301；401；501)，包括：
-以旋转轴线(X1)为中心的轴承；
-传感器装置(10)，包括具有结构间距(P10)并且限定沿着该结构间距(P10)和沿着读取方向延伸的间距平面(Δp)的差分检测单元；
-具有磁性图案的脉冲环(220；320；420；520)，所述磁性图案包括由图案边界(224；324；424；524)分隔开的正极(221；321；421；521)和负极(222；322；422；522)并且其限定垂直于所述间距平面(Δp)的切平面(Δt)；
所述传感器装置(10)和所述脉冲环(220；320；420；520)配置为用于跟踪所述轴承围绕所述旋转轴线(X1)的旋转，所述传感器装置(10)的差分检测单元沿着读取方向读取所述脉冲环(220；320；420；520)的磁性图案；
其中，投影在所述切平面(Δt)中的每个图案边界(224；324；424；524)限定相对于所述间距平面(Δp)的非零图案角(α220；α320；α420；α520)。
2.根据权利要求1所述的传感器轴承单元(201；301)，其中，所述脉冲环(220；320)配置为用于由所述传感器装置(10)进行径向读取的径向脉冲环。
3.根据权利要求2所述的传感器轴承单元(201)，其中，所述图案角(α220)对于每个图案边界(224)而言沿着所述旋转轴线(X1)是恒定的。
4.根据权利要求2所述的传感器轴承单元(301)，其中，所述图案角(α320)对于每个图案边界(324)而言沿着所述旋转轴线(X1)是可变的。
5.根据权利要求1所述的传感器轴承单元(401；501)，其中，所述脉冲环(420；520)配置为用于由所述传感器装置(10)进行轴向读取的轴向脉冲环。
6.根据权利要求5所述的传感器轴承单元(501)，其中，所述图案角(α520)对于每个图案边界(524)而言相对于所述旋转轴线(X1)是恒定的。
7.根据权利要求5所述的传感器轴承单元(401)，其中，所述图案角(α420)对于每个图案边界(424)而言相对于所述旋转轴线(X1)是可变的。
8.一种机械系统，例如摩托车车轴，包括根据权利要求1至7中任一项所述的至少一个传感器轴承单元(201；301；401；501)。
9.一种用于制造根据权利要求1至7中任一项所述的传感器轴承单元(201；301；401；501)的方法，其中，所述方法包括至少以下步骤：磁化所述脉冲环(220；320；420；520)的磁性图案，使得投影在所述切平面(Δt)中的每个图案边界(224；324；424；524)限定相对于所述间距平面(Δp)的非零图案角(α220；α320；α420；α520)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法包括计算用于确定所述图案边界(224；324；424；524)的形状的图案角(α220；α320；α420；α520)的步骤。
11.根据权利要求9或10中任一项所述的方法，其中，所述方法包括采用有限元分析软件模拟所述脉冲环(220；320；420；520)的磁性图案的步骤。
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