CN107121057B - 磁角位置传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁角位置传感器。本文中描述了一种磁角位置传感器系统。根据一个示例性实施例，所述角位置传感器系统包括可绕着旋转轴旋转的轴杆，其中所述轴杆具有软磁性轴杆端部。所述系统还包括在轴向与所述轴杆端部间隔开并且限定基本上垂直于所述旋转轴的传感器平面的传感器芯片。在所述传感器芯片中集成至少四个磁场传感器元件，其中所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第一方向中的磁场分量敏感，并且其中所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第二方向中的磁场分量敏感，藉此，第一和第二方向互不平行，并且第一和第二方向垂直于所述旋转轴。

Description

磁角位置传感器
技术领域
本发明大体上涉及利用磁场传感器测量角值的角位置传感器，并且更特别地涉及具有各种应用的轴上角位置传感器、系统和方法，所述应用包括在无刷直流（DC）电机中的应用。
背景技术
磁场传感器可以用于感测轴杆或其它对象的角位置。例如，可以将永磁体安装在轴杆上，并且磁场传感器可以布置成接近磁体以便在磁体与轴杆一起旋转时感测由磁体生成的磁场。当在距所述轴杆的旋转轴特定距离处靠近所述轴杆安装磁场传感器时，该传感器经常被称为“轴外”磁角位置传感器。在轴杆的前侧不可接近（例如，由于轴杆的具体使用或装配）并且因而传感器元件不能被安装在旋转轴上时，经常实现轴外磁角位置传感器。相反地，在面对轴杆的前侧的轴杆的一端处或接近于该处并且大体上与旋转轴对齐地或相对于旋转轴对称地安装“轴上”磁角位置传感器。在一些实施例中，可以将轴上磁场角传感器设计成测量磁场梯度。出于该目的，可以在旋转轴的相对侧处并且相对于旋转轴对称地布置的两个不同的点处测量磁场。然后可以通过组合两个测量出的磁场值（例如，通过相减）而对于许多应用来说足够近似确定梯度。
在许多应用中，对于磁角位置传感器来说，总体设计目标是不昂贵的，同时还相对于外部磁场和其它干扰鲁棒并且对装配容差不敏感。针对磁场角传感器的一个特定应用是在无刷DC（BLDC）电机中，用于检测旋转期间的（角）轴杆位置。BLDC电机呈现对于磁场传感器来说的有挑战的环境，因为它们通常包括强旋转磁体和承载大电流的铜绕组，这二者产生随时间变化的磁场，该磁场干扰用于测量角位置的磁场并且因此导致测量误差。这些干扰磁场强烈地不均匀，这使得难以消除它们对角位置测量的影响。鉴于这些问题，存在对在磁角位置传感器的改进的一般需要。
发明内容
本文中描述了一种磁角位置传感器系统。根据一个示例性实施例，角位置传感器系统包括可绕着旋转轴旋转的轴杆，其中所述轴杆具有软磁性轴杆端部。所述系统还包括传感器芯片，所述传感器芯片在轴向与所述轴杆端部间隔开并且限定基本上垂直于所述旋转轴的传感器平面。将至少四个磁场传感器元件集成在所述传感器芯片中，其中所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第一方向中的磁场分量敏感，并且其中所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第二方向中的磁场分量敏感，藉此，第一和第二方向互不平行，并且第一和第二方向垂直于所述旋转轴。此外，所述系统包括磁化所述轴杆端部的磁场源，其中形成所述轴杆端部使得由所述磁场源引起的传感器平面中的磁场是N阶旋转对称的，其中N是≥1的有限整数。所述系统还包括电路，所述电路被耦合到所述至少四个磁场传感器元件并且被配置成通过组合所述至少四个磁场传感器元件的输出信号来计算所述轴杆的角位置。
根据另一示例性实施例，所述角位置传感器系统包括可绕着旋转轴旋转的轴杆，其中所述轴杆具有软磁性轴杆端部。所述系统还包括传感器芯片，所述传感器芯片在轴向与所述轴杆端部间隔开并且限定基本上垂直于所述旋转轴的传感器平面。将至少四个磁场传感器元件集成在所述传感器芯片中，其中所述磁场传感器元件中的第一和第二磁场传感器元件彼此间隔开并且对第一方向中的磁场分量敏感。所述磁场传感器元件中的第三和第四磁场传感器元件彼此间隔开并且对第二方向中的磁场分量敏感，其中第一和第二方向互不平行且垂直于所述旋转轴。此外，所述系统包括磁化所述轴杆端部的磁场源，其中形成所述轴杆端部使得由所述磁场源引起的传感器平面中的磁场是N阶旋转对称的，藉此N是≥1的有限整数。所述系统还包括信号处理电路，所述信号处理电路被耦合到所述至少四个磁场传感器元件并且被配置成：计算表示由第一和第二磁场传感器元件感测到的磁场分量的差的第一信号；计算表示由第三和第四磁场传感器元件感测到的磁场分量的差的第二信号；以及通过组合至少第一和第二信号来计算所述轴杆的角位置。
另外，本文中描述了一种电机装配件。根据一个示例性实施例，电机包括包含至少一个定子线圈的定子、至少包括具有前侧和软磁性轴杆端部的轴杆的转子以及印刷电路板（PCB），所述印刷电路板被布置成使得它面对所述轴杆的前侧。将至少一个传感器芯片附着到PCB并且与所述轴杆端部间隔开。在至少一个传感器芯片中布置至少四个磁场传感器元件，其中所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第一方向中的磁场分量敏感，并且所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第二方向中的磁场分量敏感，藉此，第一和第二方向基本上互不平行，并且第一和第二方向垂直于所述旋转轴。提供磁化所述轴杆端部的磁场源，其中形成所述轴杆端部使得在第一和第二方向中的磁场分量是N阶旋转对称的，并且N是≥1的有限整数。评估电路被耦合到所述至少四个磁场传感器元件，并且被配置成通过组合所述至少四个磁场传感器元件的至少四个输出信号来计算所述轴杆的角位置。此外，功率电子电路被布置在PCB上并且被耦合到所述定子线圈，并且被配置成将操作电流供应给所述定子线圈。
此外，本文中描述了一种用于测量包括软磁性轴杆端部的轴杆的角位置的方法。根据一个示例性实施例，所述方法包括磁化所述轴杆端部，其中形成所述轴杆端部使得在基本上垂直于所述轴杆的旋转轴的传感器平面中的第一和第二方向中的磁场分量是N阶旋转对称的，藉此N是≥1的有限整数。所述方法还包括在所述传感器平面中的至少第一和第二位置处感测第一方向中的磁场分量，其中第二位置不同于第一位置，以及在所述传感器平面中的至少第三和第四位置处感测所述第二方向中的磁场分量，其中第四位置不同于第三位置。此外，所述方法包括基于在第一和第二位置处的磁场分量的差以及基于第三和第四位置处的磁场分量的差来计算所述轴杆相对于其旋转轴的角位置。
附图说明
可以参考以下描述和附图更好地理解本发明。各图中的组件不一定成比例，替代地将重点放在说明本发明的原理。另外，在各图中，相同的参考标号指定对应部分。在附图中：
图1是图示出轴上角位置传感器的纵截面的截面图。
图2图示出由于PCB上的高电流导致的干扰磁场。
图3图示出根据一个实施例的轴上角位置传感器布置的纵截面以及通过绕着轴旋转的轴杆的横截面。
图4图示出在轴上角位置传感器中使用的轴杆端部的三个不同示例。
图5图示出在轴上角位置传感器中使用的轴杆端部的另一示例。
图6图示出根据另一实施例的轴上角位置传感器布置的纵截面，其中该轴杆端部中的凹槽填充有永磁体。
图7图示出具有3阶的旋转对称性的轴杆端部的示例。
图8图示出通过具有磁性材料的柔性弹簧的角位置传感器布置的另外的实施例的纵截面。
图9以承载磁场传感器的电路板上的顶视图图示出图7中所示的柔性弹簧的两个示例性实现。
图10图示出通过具有磁性材料的柔性弹簧的角位置传感器布置的另外的实施例的纵截面。
图11图示出通过具有磁性材料的柔性弹簧的角位置传感器布置的另外的实施例的纵截面。
图12-14图示出在磁角位置传感器中使用的磁场传感器元件的不同示例性布置。
图15-16图示出轴上角位置传感器可以如何用在无刷DC（BLDC）电机中的两个不同示例。
具体实施方式
本文中描述的实施例涉及在磁角位置传感器中使用的磁场传感器，所述磁角位置传感器具有传感器元件相对于磁体或轴杆的旋转轴的轴上布置。在一个实施例中，在相对于可旋转轴杆的轴上配置中安装磁角位置传感器。该轴杆包括可以由软磁性材料或永磁体组成的端部。该轴杆的端部可以具有面对传感器且相对于轴杆的旋转轴旋转非对称的前表面。传感器包括被布置在大体上垂直于旋转轴的平面中的至少三个磁场传感器元件。耦合到磁场传感器元件的电路被配置成通过组合所述至少三个磁场传感器元件的信号来估计轴杆的旋转位置。虽然针对传感器的各种实施例存在众多应用，但是一些实施例可以除其它应用之外特定地适用于在BLDC电机中使用或供BLDC电机使用。在本文中做出的对方向的任何特定参考（即，向下、向上、右、左等）仅是用于对具体附图的参考并且关于权利要求不是限制性的。
图1中图示出轴上角位置传感器系统100的示例。传感器系统100包括磁场源（诸如永磁体102）和被布置在印刷电路板（PCB）108上的传感器封装106。传感器封装106至少部分地被布置在永磁体102和轴杆104的端部之间，轴杆104被配置成绕着旋转轴旋转。在图1中，旋转轴被定义为笛卡尔坐标系的z轴，并且x-y平面垂直于旋转轴。
在一些实施例中，永磁体102包括铁氧体磁体。铁氧体磁体可以比其它类型的磁体（例如，稀土磁体）更便宜并且有助于较低的总体系统成本。然而，在其它实施例中，可以使用稀土磁体或其它类型的磁体。在一些实施例中，甚至可以省略磁体102。在该情况下，轴杆104的端部具有显著的剩磁。例如，磁体102可以包括锶铁氧体、钯铁氧体或其他铁氧体、AlNiCo、诸如NdFeB或SmCo之类的稀土材料或其他适当的材料。大体上，磁体102包括具有至少大约100 mT的剩磁和充足的矫顽磁性以确保磁体102的稳定性的材料。
在图1中描绘的示例中，在轴向（参见图1中的箭头）磁化磁体102。即，磁体102的磁化定向大体上平行于轴杆104的旋转轴（z轴）。在其它实施例中，可以在径向磁化磁体102。然而，磁体102经常（但不是必然地）是旋转对称的（即，具有几何和磁性对称性二者，使得几何结构和磁化不取决于相对于旋转轴的角位置）。例如，磁体102可以具有如在图1的实施例中所示的圆柱形状。然而，可以在其它实施例中使用其它形状和磁化方向。然而，一般而言，磁体102具有旋转对称性，并且在操作期间，提供相对于旋转轴而旋转对称的磁场。然而，轴杆104的端部的非旋转对称的几何结构中断该旋转对称性。由于所产生的非对称性，可以通过角位置传感器检测轴杆104的角位置。
如图1中所示，轴杆104包括具有前侧（表面105）的端部，所述前侧布置成与传感器封装106相对。如所提及的，轴杆104大体上被布置成旋转对称，而轴杆104的前侧105可以是相对于旋转轴非对称的。在图1的示例中，前侧105相对于xy平面倾斜角α。在一个实施例中，角α是大约15度，但是其可以在其它实施例中更大或更小。在理论上，角α可以是在0度和90度之间，在实际实现中，α可以是例如在大约5度和大约25度之间。由于α大于0度的事实，（在z方向中的）气隙的大小大体上在xy平面中的具体位置处取决于轴杆104的角位置。
在一些实施例中，轴杆104包括具有在大约1,600（钢）到4,000（铁）的范围中的相对磁导率μR的含铁材料，诸如软磁性材料，比如铁或低碳钢。大体上，轴杆104可以包括具有大于大约100或大于大约1,000的相对磁导率的含铁材料。在一些实施例中，仅轴杆的端部包括磁性材料，而轴杆104的其余部分主要由非磁性材料（诸如无铁合金、无磁或低磁钢或其它材料）制成。
如图1中所示，传感器封装106大体上被布置在永磁体102和轴杆104的前侧105之间。xy平面被定义为其中磁场传感器元件114a、114b被布置在芯片封装内的平面。因此，xy平面和轴杆104的前侧105之间的轴距是磁性电路的有效气隙。传感器封装106可以被布置成基本上与旋转轴对齐，并且因而形成轴上传感器布置。传感器封装106包括其中集成磁场传感器元件114a、114b的至少一个半导体管芯110。半导体管芯110大体上垂直于旋转轴（z轴）并且包括主表面112，所述主表面112是传感器元件114a和114b的敏感平面（即，xy平面）。在图1的横截面视图中仅有两个传感器元件114a和114b是可见的。然而，角位置传感器包括至少三个传感器元件，在一些配置中包括至少四个传感器元件。在这两种情况下，传感器元件与彼此互相间隔开，并且每个传感器元件提供表示在相应传感器元件的位置处且在相应传感器元件的敏感方向中的磁场分量的分离的传感器信号。
在一些实施例中，封装106是其中半导体管芯110附着到引线框116的表面安装器件（SMD）。引线框116包括被焊接到PCB 108的引脚。在图1的实施例中，永磁体102被布置成至少部分地在PCB 108中的开口内，使得永磁体102可以接触封装106的后侧。然而，在其中可以将永磁体102安装在PCB 108下面的其它实施例中，不需要该开口。例如，在一个实施例中，永磁体102被安装到PCB 108的后侧。在该情景中，封装的后侧是与前侧相对的侧面，并且封装106的前侧是面对轴杆的前侧105的侧面。应注意的是，在其它实施例中，角位置传感器的设置可以不同于在图1中所示的示例。例如，可以将裸管芯安装到PCB来代替使用芯片封装。在其它实施例中，传感器元件114a和114b可以被布置在一个或多个芯片封装中的分离的半导体管芯中。在一些实施例中，永磁体102可以被附着到PCB 108的底侧或者被集成在传感器封装106中。
传感器元件114（统称为114a和114b）可以对在轴向的磁场分量敏感或者对在径向的磁场分量敏感。在各种实施例中，传感器元件114可以包括磁阻（MR）传感器元件（例如，AMR、GMR、TMR、CMR等）、巨磁阻抗（GMI）传感器元件、霍尔效应传感器元件（例如，垂直霍尔传感器元件）、MAGFET以及其他磁场传感器元件和其组合，其适用于感测在垂直于要测量其角位置的轴杆的旋转轴的平面中的磁场分量。在各种实施例中，传感器元件114被定向成使得它们对在x方向中的磁场分量或者对在y方向中的磁场分量敏感，其中轴杆的旋转轴被定义为沿着z方向延伸。x、y和z方向形成笛卡尔坐标系。
大体上，可以在无刷DC（BLDC）电机中使用本文中描述的传感器设置。这种BLDC电机采用永磁体来磁化BLDC电机的转子（电枢），而使用定子绕组来形成用以磁化BLDC电机的定子的线圈。对定子线圈施加电流脉冲，其中电流模式被设计成实现转子的期望扭矩和/或旋转。为了允许BLDC电机的紧凑设计，使用轴上角位置传感器，其中承载生成所提及的电流模式的功率电子元件的印刷电路板（PCB）通常还承载角位置传感器的组件。稍后在图15和16中示出示例性实施例，该示例性实施例示出BLDC电机中的轴上角位置传感器的应用。
图2图示出干扰磁场可以如何影响通过磁场传感器元件114进行的场测量。在图2的示例中，仅与安装在PCB 108上的电流承载元件201（例如，条线或功率半导体器件）一起示出了传感器封装106。电流i0基本上平行于y轴传递通过元件201，从而生成通过图1中的磁场线图示出的磁场H0。如可以从场线看到的，磁场H0在磁场传感器元件的位置处包括在z方向中的高度不均匀的显著分量H0,z。该磁场分量H0,z可以与永磁体102的磁场（在图2中未示出）叠加并在根据传感器信号确定角位置时引起测量误差。在实践中，垂直于z轴（xy平面中）的磁场分量H0,x和H0,y在磁场传感器元件的位置处具有显著地更小的量值。为了最小化通过由PCB 108上的功率电子器件生成的电流生成的干扰磁场的影响，使用磁场传感器元件114，所述磁场传感器元件114仅对在x或y方向中的磁场分量敏感且基本上不对z方向（轴向）中的磁场分量敏感。此外，使用成对的传感器元件来实现如将在下面进一步解释（参见图11-13）的差分测量。使用差分测量来实现一种梯度计，该梯度计感测测量到的磁场分量的空间梯度并从而消除（在PCB 108或BLDC电机外部生成的）均匀干扰磁场的影响。将在轴向（即，z方向）中基本上不敏感的磁场传感器的使用与差分测量原理相结合允许对于在板上（即，由PCB 108上的功率电子元件）以及板外（即，基本上均匀的外部磁场）生成的干扰磁场鲁棒的角位置测量。
在本文中描述的实施例中，轴杆104的端部具有特定阶的旋转对称性，其中N阶旋转对称性（也称为N重旋转对称性）意味着每旋转360°/N的角度不改变对象。N是等于或大于1的有限（非零且非无限）整数。要注意，1阶的对称性实际上不是对称性，因为轴杆的仅360°的完全旋转产生不变的几何结构。与之相反，2阶的对称性意味着轴杆的180°旋转产生不变的几何结构。类似地，3阶的对称性意味着轴杆的120°旋转产生不变的几何结构。在图3的示例中，轴杆104的端部在其前侧中具有凹处P（凹槽）。凹处P具有笔直伸展（例如，沿着y轴）通过旋转轴的狭缝的形状，其导致轴杆端部具有2阶的对称性（见图3中的截面A-A’）。除了轴杆104的端部之外，在图3中所示的角位置传感器布置的设置几乎与图1的示例相同。然而，永磁体102被安装在印刷电路板（PCB）108的后侧上，而不是如图1中所示通过PCB 108中的开口被布置在传感器封装106的后侧处。传感器封装106被安装在PCB 108的前侧上并且包括至少一个半导体芯片110，所述半导体芯片110具有集成在芯片110中的若干磁场传感器元件114a、114b。所有磁场传感器元件都对在xy平面中的磁场分量敏感并且对z方向（即，轴向）中的磁场分量不敏感。
在由图3中的弯曲虚线（以及还在下面进一步讨论的图6中）图示出的替换实施例中，凹槽P具有半圆柱（半圆横截面）而不是矩形横截面的形状。仿真了两个实施例。在这两个实施例中，传感器芯片110在z=0处被布置在xy平面中，并且敏感性磁场传感器元件是在z=0.1mm处。旋转轴被定义为x=y=0。在第一实施例中，永磁体具有10 mm的直径，被同轴地布置到轴杆104，并且具有5 mm的轴向长度（从z=-6.5 mm到z=-1.5 mm）。永磁体102的剩磁是1特斯拉；永磁体102的相对磁导率µR是1.1。轴杆104的直径是6 mm，并且轴杆104的前侧是在z=1 mm处。在轴杆和永磁体之间的气隙因此为2.5 mm。轴杆104的相对磁导率µR为1700。凹槽的宽度w为2mm，并且凹槽的深度为3mm（矩形截面）。采用上面的数据，xy平面内（即，在其中传感器元件延伸的传感器平面中）的磁场分量HX、HY可以（使用在所仿真的磁场数据中的线性回归）被近似为HX=a·x/µ0，其中a=56.6 T/m，并且HY=b·x/µ0，其中b=10 T/m，其中µ0是真空磁导率。在第二实施例中，永磁体的直径是4 mm，永磁体的剩磁为1T（平行于z轴磁化），并且永磁体的轴向长度为4 mm（从z=-4.2 mm到-0.2 mm）。轴杆具有6mm的直径并且凹槽P是具有1.5mm半径的半圆柱体。轴杆的前侧是在z=1.8mm处，因此气隙是2 mm。不同于第一实施例，凹槽P被填充有具有-1T的磁化（平行于z轴磁化）的永磁体102’（比如在图6的示例中）。磁场传感器元件是在z=0.5mm处。在该布置中，在两个永磁体的x和y方向中的磁场分量在构造上叠加。该仿真产生HX=a·x/µ0的近似，其中a=175.4 T/m，以及HY = b·x/µ0的近似，其中b=102.2 T/m。照此，第二磁体102’使得径向磁场分量（x、y分量）更强并且轴向磁场分量（z分量）更小。在理想实现中，应平衡两个磁体以使传感器元件上的轴向磁场为零，因为然后传感器平面（xy平面）相对于旋转轴的小的倾斜（其由于装配容差而是不可避免的）具有对角位置测量的精确度的最小可能影响。
如上面提及的，凹槽P可以被填充有第二永磁体102’。大体上，一个永磁体被附着到轴杆104（例如，在凹槽P中）使得其与轴杆104一起同步地旋转，并且另一永磁体（参阅图3中的永磁体102）被附着到传感器封装106（参阅图1）或PCB 108（参阅图3）使得其不旋转。在平行于旋转轴（z轴）的方向中磁化两个永磁体，其中在正z方向中磁化所述永磁体中的一个，在负z方向中磁化另一个。这样，它们的磁场贡献HX, Hy在xy平面中加算。可以省略两个永磁体中的一个并且传感器布置将仍是运转正常的。使用一个还是两个磁体可以取决于可用空间、成本、周围电子组件的杂散场鲁棒性等。
可以对两个永磁体使用不同的磁性材料。旋转永磁体可以由例如注塑成型磁体材料制成，其中磁性颗粒被嵌入在聚合物基体中，而非旋转永磁体（永磁体102）可以是烧结磁体，所述烧结磁体不能容易地针对复杂几何结构而被制造。然而，烧结磁体可以具有非常高的剩磁（在NdFeB材料的情况下剩磁可以超过1T）。与之相反，塑料粘结的或注塑成型的磁体具有较低的剩磁（在NdFeB塑料粘结磁体的情况下，剩磁可能高达仅0.6T）。
在一个具体实施例中，其中集成磁场传感器元件的传感器芯片110在x方向中具有大约0.5 mm到4 mm（例如，1.5 mm）的大小。因此，磁场传感器元件的间隔也在该范围中（还参见图11-13）。轴杆104的端部中的凹槽P的宽度w（沿着x方向）可以具有类似大小或可以稍微大于芯片110，例如2 mm。轴杆直径可以取范围自凹槽P宽度的近似两倍（例如，4 mm）到（理论上）任意大的直径。凹槽的深度d（即，沿着z方向的轴向长度）可以超出凹槽宽度的一半（即，多于1 mm）并且可以是例如与凹槽宽度相同。在后一情况下，凹槽的横截面（在图3的示例中垂直于y轴）是正方形的。更深的凹槽是可能的。然而，更深的凹槽不导致显著地不同于具有等于其宽度的深度的凹槽的磁特性的磁特性。图4图示出轴杆端部的三个其它示例，轴杆端部具有不同的凹槽P。在所有三个示例（图4a、4b和4c）中，凹槽笔直延伸通过轴杆端部的旋转轴。图4a中的示例具有带有V形横截面的凹槽P，图4b的示例具有带有梯形横截面的凹槽P，其中横截面随着增加的深度变得更窄，并且图4c的示例具有带有梯形横截面的凹槽P，其中横截面随着增加的深度变得更宽。
此外，凹槽P不必然地具有恒定深度d。凹槽P的深度d可以朝着旋转轴较大并且朝着轴杆的周界较低。而且端部的前面（前侧的表面）不必然地是平坦的平面。在图5的示例中，所述前面具有曲率。例如，前表面可以是球形表面的部分，所述球形表面的球心位于旋转轴上。替换地，前表面可以是圆柱表面的部分，所述圆柱表面的圆柱轴可以以90°与旋转轴相交。这种曲率可以有助于以最大化磁场传感器元件的输出信号的信号水平（或者在差分测量的情况下，最大化一对磁场传感器元件的两个相应输出信号的差）的方式“设计”磁场。图5图示出相同轴杆端部的两个不同的纵截面（截面A-A’和截面B-B’）和底视图。
大体上，具有N重旋转对称性的轴杆端部允许测量在区间[0,360°/N]内的绝对角位置。轴杆104是大体上相比于其它组件最精确地机械加工的传感器布置的该组件。与之相反，可以比轴杆104显著地更不精确地机械制造永磁体102。未良好地定义永磁体102的形状、其材料均匀性、其磁化（关于量值、方向和均匀性）及其随时间和温度的稳定性。然而，在本文中描述的实施例中，永磁体102仅用于磁化轴杆端部并且不旋转。换言之，永磁体102不限定磁场的角位置；永磁体102仅偏置轴杆端部，这限定了磁场的角位置。因此，永磁体102的小的不精确度（关于几何结构和磁化）不具有对角位置测量的精确度的显著影响。由于出于上面提及的原因，永磁体102不需要具有精密且复杂的形状和磁化，因此可以使用成本有效的烧结磁体。烧结稀土磁体可以具有多于1T的高的剩磁，这导致通过传感器元件的相当强的磁场以及因而增加了对于噪声和干扰的鲁棒性（即，磁信号对噪声比率高）。此外，由于永磁体102不旋转，因此永磁体102不产生可能干扰其它电子组件的大的旋转磁场。可以将轴杆端部布置成非常靠近传感器芯片110并从而靠近磁场传感器元件（例如，1 mm气隙间隔或甚至更小，取决于轴杆的轴向容差）。因此，轴杆端部和传感器元件的相关磁化部分之间的距离可以相当小，这还增加了测量出的磁场分量的量级。
在上面描述的实施例中，轴杆端部具有2阶的旋转对称性（二重旋转对称性），其允许在0与180°之间的范围中的明确角位置测量。由于对称性，传感器布置不能够辨别角
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和角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
+180°。然而，在诸如在无刷DC（BLDC）电机中的许多应用中，在从0°到360°的全部范围内的明确的角位置测量是不必要的。
然而，如果遍及0°与360°之间的全部范围期望明确角位置测量，则可以如在图6的示例中所示相对于旋转轴（z轴）倾斜旋转永磁体102’的剩磁的定向。这意味着：除了可旋转磁体在z方向（即，平行于旋转轴）中的磁化之外，可旋转磁体还应具有一定（优选地小）量的垂直于z方向（即，沿着x或y方向或任何其它径向方向）的磁化。在图6中，永磁体102’中的虚线箭头指示反平行于z方向的先前解释的剩磁，而实线箭头指示上面提及的倾斜的磁化。
根据一个实施例，旋转永磁体具有例如其沿着z轴的80%的磁化并且沿着x方向（或任何其它径向方向，比如例如，y方向）具有20%的磁化，这需要相对于旋转轴的14°的倾斜并且将会贡献小的磁场HX，其基本上遍及传感器芯片是均匀的。传感器系统可以因此通过对不同磁场传感器元件（参见图6，磁场传感器元件114a和114b）的传感器信号的和与差进行评估来区分角
Figure DEST_PATH_IMAGE003
和角
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAA
+180°，所述不同的磁场传感器元件在传感器平面（xy平面）内间隔开并且对与旋转轴正交的磁场分量敏感并对轴向磁场分量不敏感。从一对磁场传感器元件获取的差分信号（例如，HX(x=x1,y=0)-HX(x=-x1,y=0)）可以用于确定在从0到180°的范围中或者在从180°到360°的范围中的准确角位置。该差分信号是凹槽的磁效应的结果并且来自两个磁体的轴向磁化。从该对磁场传感器元件获取的和信号（例如，HX(x=x1,y=0)+HX(x=-x1,y=0)）可以用于确定角
Figure DEST_PATH_IMAGE003A
是在两个范围中的哪一个中（即，是否要对先前确定的角
Figure DEST_PATH_IMAGE003AA
加上180°）。该和信号是可旋转磁体的径向磁化的结果。除了凹槽P的形状和被布置在凹槽中的另外的永磁体102’之外，图6的示例与图3的示例相同。
在一个另外的实施例中，平行于x轴（或任何其它径向方向，例如y方向）定向旋转永磁体102’的剩磁，这需要90°的倾斜（其在先前示例中为14°）。然而，仍平行于z轴磁化不旋转的永磁体102（并且因此产生旋转对称的磁场）。永磁体102’的剩磁应足够强使得所产生的均匀径向场分量比该方向中的任何潜在地干扰外部磁场分量更强。由于径向场分量仅用于区分0°-180°扇区与180°-360°扇区，因此关于磁化的精度没有具体要求。
在另一示例中，旋转非对称地定形轴杆端部，即其被定形成具有1阶的旋转对称性，使得在从0°到360°的全部范围上的测量是可能的，即使仅沿着z方向磁化永磁体。使用该方法，可以使凹槽P从中心朝向轴杆端部的周界偏移。替换地，可以使用如图1中所示的轴杆端部。此外，凹槽P的深度可以以旋转非对称的方式变化。
在图7的示例中，轴杆端部被定形成具有3阶的旋转对称性。即，明确角位置测量可能在从0°到120°（360°/3）的扇区内。如在图7中所示的底视图中可以看到的，凹槽P在轴杆的中心处分裂成两个分支以形成Y形。大体上，轴杆104和具有阶N的对称性的端部可以是一个部件。然而在一些实施例中，轴杆端部是分离的部分，其例如通过夹紧、胶合、压合等被附着到轴杆104。
在图8到11中所示的示例中，轴杆端部是或者包括柔性（可弹性形变的）部分151，其被附着到轴杆104并且因此与轴杆104一起同步地旋转。轴杆端部的柔性部分151可以被设计成使得其补偿轴杆104的轴向间隙或轴向容差。在图8中所示的实施例中，柔性部分151是平板弹簧，所述平板弹簧通过锚元件150被附着到轴杆104。在伸直状态中，平板弹簧151基本上是平面的，垂直于旋转轴，并且被布置在轴杆104前侧的前方。轴杆104的旋转轴与平板弹簧的纵轴相交。在图8和9中所示的示例中，平板弹簧的纵轴平行于x轴，并且大体上，平板弹簧的纵轴径向延伸并且与旋转轴相交。一般而言，图8图示出沿着z轴的纵截面，并且基本上与图3和6中所示的示例相同，除了轴杆端部由平板弹簧151、所提及的锚元件150和间隔件152组成之外，所述间隔件152被布置在传感器封装106和平板弹簧152之间。
在一个实施例中，轴杆展现出大约+/-1mm的轴向间隙，并且平板弹簧151或多或少地弯曲以便经由间隔件152维持与传感器封装106的机械接触。锚元件150可以被配置成将平板弹簧151固定到旋转轴杆104使得平板弹簧沿着轴向方向（z方向）是柔性的但是在横向（即x-y）方向中相当坚硬。平板弹簧151可以由软磁性材料（例如，弹簧钢）制成或者包括所述软磁性材料，使得其接管先前的实施例中（参见图1和3）所示的凹槽P的磁性功能。替换地，平板弹簧151可以由非磁性弹簧体（例如，由铍青铜或铜铍合金制成）和附着到该非磁性弹簧体的软磁性元件组成。柔性元件的目的是，不管轴杆的小的轴向位置改变如何，柔性元件都确保非旋转对称的软磁性零件被保持在到传感器元件的基本上恒定的轴向距离处。该非旋转对称的软磁性零件可以是弹簧其自身（如在图8-11中）或者附着到弹簧的柔性端的任何其它软磁性零件（未示出）。由于软磁性零件与传感器元件之间的轴向间隔被保持基本上恒定，因此轴杆的的轴向间隙可以具有对角位置测量的较小影响并且其应导致测量出的角位置值的更小误差。
在图8中所示的实施例中，小间隔件152在旋转轴处被附着到平板弹簧151。因此间隔件152可以绕着旋转轴与轴杆104同步地旋转，藉此间隔件限定了轴杆端部与传感器封装106之间的机械接触点以及柔性轴杆端部与传感器封装106之间的轴向距离。间隔件152可以由例如特氟龙（聚四氟乙烯，PTFE）或确保间隔件152与传感器封装106之间的低摩擦的某种其他材料制成。大体上，传感器封装106包括模制化合物，其包含磨料填料。因此，低摩擦可以是在选择用于间隔件的材料时的目标。间隔件可以是磁性的或者不是磁性的；由于其旋转对称性，间隔件将不会引起取决于角位置而变化的任何磁场。
轴杆端部的柔性零件（例如，平板弹簧）可以具有各种形状。在图9a和9b中示出平板弹簧151的两个示例性实施例，图9a和9b二者都是对应于图8的截面图的到平板弹簧上的顶视图。在图9a中所示的实施例中，平板弹簧151具有小的条状板的形状，所述条状板具有小于xy平面中的传感器芯片110（宽度wC）的宽度wS，使得平板弹簧151覆盖传感器芯片110的仅一部分（参见图9a的顶视图）。在图9b的替换实施例中，平板弹簧151的宽度wS大于传感器芯片110并且因而覆盖整个传感器芯片。在平板弹簧151的中心沿着其纵轴（图9b中的x轴）形成槽使得旋转轴延伸穿过该槽。槽的宽度wSL可以是小于芯片的宽度wC（如在图9b的示例中的情况）。在该实施例中，槽对由传感器芯片110中的磁场传感器元件“看到”的所产生的磁场的影响非常类似于在图3和6中图示出的示例中使用的凹槽P的影响。因此，在图8和9中所示的本实施例中，轴杆端部对于在从0°到180°的范围内的角位置测量来说具有2阶的对称性（N=2，二重旋转对称性）。在另一实施例中，平板弹簧151具有锥形的几何结构（即，其宽度在一端处相比于另一端更小）以实现1阶的对称性并且允许在从0°到360°的范围内的角位置测量。此外，图9a中的条状板151（即，弹簧）可以更宽且更长并且在负y方向中移位使得弹簧的上边缘处于y=0并且弹簧151覆盖针对其y<0的芯片的部分（参见图9a中的虚线区域）。如果该弹簧是铁磁的（即，软磁性的）并且由固定到传感器封装或PCB 108的永磁体102或者固定到轴杆的永磁体102’磁化，并且如果这些磁体是具有旋转对称剩磁的旋转对称性，则弹簧151在磁场元件的位置处产生具有N=1阶的对称性的磁场，即，其在传感器元件上的磁场允许在从0°到360°的范围中的角的明确测量。对于图9b中的宽条来说也是如此，如果槽的宽度wSL足够宽（例如，比wC/2宽）并且足够长（例如，比芯片长）并且如果将槽朝向负y方向移位使得其上边缘与x轴对齐的话。
在图10的实施例中，平板弹簧151弯曲90°并且直接地而不是使用分离的锚元件（诸如例如，图8中的锚元件150）被附着到轴杆104。例如，平板弹簧151的被附着到轴杆104的部分可以被插入在凹槽中，该凹槽在轴杆的圆周表面中轴向地延伸，并且被拧紧、胶合、焊接或以其他方式固定到轴杆。大体上，还可能的是使平板弹簧152在旋转轴处凸出而不是附着分离的间隔件。在该情况下，间隔件被实现为凸起152’，如在图10和11的示例中所示。在图11的示例中，平板弹簧具有S形状并且被附着到轴杆104的前侧而不是如在图10的先前示例中那样到圆周表面。在该情况下，通过轴杆104的前侧中的非对称凹处R来实现附加的非对称性（1阶的对称性）。凹处R对由磁场传感器“看到”的所产生的磁场的影响类似于如在图1的示例中的倾斜的轴杆的前侧的影响。如在先前的实施例中那样，可以将永磁体102附着到PCB 108。另外或替换地，可以将另一永磁体102’附着到轴杆104（在图10中以虚线示出）。
在本文中所示的实施例中，传感器芯片110比引线框116更靠近间隔件152或凸起152’，这确保了轴杆端部与集成在传感器芯片106中的磁场传感器元件之间的低距离（气隙）。这种布置可以有助于最大化磁场传感器元件的信号输出和传感器元件处的磁场的水平。然而，在其它实施例中，可以翻转传感器芯片使得暴露的金属管芯座是被间隔件152或凸起152’接触而不是被传感器封装的塑料部分（模制化合物）接触。在该情况下，金属管芯座保护传感器封装106免受由旋转间隔件或凸起引起的磨损。即使管芯座未被暴露（即，管芯座被模制化合物覆盖并且因而间隔件152或凸起152’与磨料模制化合物接触），它也将仍保护芯片免受弹簧151的影响。在替换实施例中，可以将磁场传感器封装106安装到PCB的底侧，同时轴杆面向组件板的前侧，并且间隔件152与PCB的前侧表面或与安装到PCB的前侧的金属板或类似结构接触。在该实施例中，在旋转间隔件和传感器封装的磨料模制化合物之间没有摩擦，并且通过其间的PCB保护传感器封装免受旋转间隔件152的影响。
大体上，可以将永磁体安装在PCB 108（参见图10和11）、传感器封装106（参见图1）、轴杆104（参见图6）、平板弹簧151（例如，在其柔性端）上或者在轴杆和弹簧之间或者甚至在锚元件150上。永磁体可以具有带有各种磁化方向（纯轴向或纯径向或轴向和径向的组合或轴向和径向）的各种形状，诸如环、丸、圆柱、长方体的形状。可以通过组合上面讨论的实施例的各种方面来产生另外的实施例。
下面的图12到14图示出集成在至少一个传感器芯片110（参见例如图3、6和8）中的磁场传感器元件的不同布置（布局）。大体上，本文中描述的实施例中使用至少四个磁场传感器元件，尽管在图12到14中所示的实施例使用八个或十六个磁场传感器元件（其中，在后一情况中，彼此紧密相邻或毗连地靠近地布置两个相应磁场传感器元件，并且对该磁场传感器元件的传感器输出取平均，参见图12和13）。传感器芯片110定义基本上垂直于旋转轴（z轴）布置的且其中布置磁场传感器元件的传感器平面。大体上，磁场传感器元件中的第一个和第二个与彼此间隔开并且仅对第一方向（例如，x方向）中的磁场分量敏感，并且磁场传感器元件中的第三个和第四个也彼此间隔开并且仅对第二方向（例如，y方向）中的磁场分量敏感。如上面提及的，x方向、y方向和z方向（由旋转轴定义）形成笛卡尔坐标系。因此，第一和第二方向不平行并且垂直于旋转轴。如上面提及的，本文中描述的实施例中使用的传感器元件对垂直于传感器平面（并且因而平行于旋转轴）的磁场分量基本上不敏感。在本文中描述的实施例中，可以例如沿着半径r的圆形（其与旋转轴同心）布置个体磁场传感器元件。在（或非常靠近于）角位置0°（即，在P1=(r, 0)处）、90°（即，在P2=(0, r)处）、180°（即，在P3=(-r, 0)处）以及270°（即，在P4=(0, -r)处）提供磁场传感器元件，所述磁场传感器元件对x和y方向中的磁场分量敏感但是对z方向中的磁场分量不敏感（HX传感器元件和HY传感器元件）。
在本文中描述的实施例中，传感器元件114a、114b、116a、116b、118a、118b、120a、120b对y方向中的磁场分量敏感并且因此被称为HY传感器元件。类似地，传感器元件115a、115b、117a、117b、119a、119b、121a、121b对x方向中的磁场分量敏感，并且因此被称为HX传感器元件。理论上，应在具有半径r的圆形上的非常相同的地点（在位置P1、P2、P3、P4）处提供磁场传感器元件（例如，图12中的传感器元件114a、114b、115a和115b），这难以实现，因为磁场传感器元件将必须被堆叠。图12的示例图示出一种实现，根据该实现，对称地并且紧密邻近于半径r的圆形上的角位置P1、P2、P3和P4布置两个HX传感器元件和两个HY传感器元件。在图12中，成对的HY传感器元件114a、114b、116a、116b、118a、118b、120a和120b与x轴对齐（传感器元件114a、114b、118a、118b）或与平行于x轴的轴对齐（传感器元件116a、116b、120a、120b），并且与相应位置P1、P2、P3和P4对称地布置每一对。可以通过对每一对的传感器元件的输出信号取平均来获得针对具体位置P1、P2、P3和P4的磁场分量HX和HY。例如，对HY传感器元件114a和114b的输出信号取平均以获得位置P1处的磁场的y分量HY的测量结果。类似地，对HX传感器元件121a和121b的输出信号取平均以获得位置P4处的磁场的x分量HX的测量结果。本质上，传感器元件114a和114b可以被视为位置P1处的一个单个（但是分布的）HY传感器元件。类似地，传感器元件117a和117b可以被视为位置P2处的一个单个HX传感器元件，等等。根据另一实现，未将传感器元件“分”成对，但是如此靠近于期望位置P1、P2、P3和P4地提供HX和HY传感器元件使得实际传感器位置和期望位置（P1、P2、P3和P4）之间的偏差是可忽略的。图13的示例基本上与图12的先前示例相同。然而在图13中，在其处测量磁场分量HX和HY的位置P1’、P2’、P3’和P4’相比于图12中所示的位置P1、P2、P3和P4移位45°。大体上，传感器平面上的不同感测位置之间的间隔是至少与单个磁场传感器元件的最大尺寸一样高（或者至少是该最大尺寸的两倍）。
在图14的示例中，在具有半径r的圆形上在圆形上的以下角位置中的每一个处提供一个磁场传感器元件：0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°。在圆形上在0°、135°、180°和315°的角度处提供一个HY传感器元件（HY传感器元件114b’、116a’、114a’、116b’）。在圆形上在45°、90°、225°和270°的角度处提供一个HX传感器元件（HX传感器元件117b’、115b’、117a’、115a’）。由于在每个位置处仅提供单个磁场传感器元件，因此可以在期望位置上准确地放置磁场传感器元件。对于图12到14中所示的所有三个实施例，一个重要方面是仅使用HX和HY传感器元件，所述HX和HY传感器元件具有在垂直于旋转轴的方向（z方向）中的敏感性并且不受z方向中的磁场分量影响。此外，对齐个体磁场传感器元件使得它们测量x方向和y方向中的磁场分量并且不是任意径向方向（例如，图13中沿着通过点P1’和P3’的45°线）中的磁场分量。在实践中，可能难以准确地在任意径向方向中对齐传感器元件，而更易于将它对齐x和y方向，因为x和y方向平行于芯片的边缘并且这是在通用微电子技术中沿其对齐电子器件的常用网格。然而应注意的是，不对径向地布置的成对磁场传感器元件114a’114b’、115a’115b’、116a’116b’和117a’117b’的输出信号取平均，而在图12和13的示例中，对对应的成对磁场传感器元件114a、114b、115a、115b等的输出信号取平均以获得一个平均输出信号。
此外，应清楚的是，比如径向或方位角定向的传感器元件的其它对齐也是可能的，因为通过坐标系的直接变换，可以将第一方向中的场表达为在至少两个不平行的其它方向中的场分量的组合。如本实施例中所示将所有传感器元件放置在具有在旋转轴上的中心的圆形上也不是必须的（可以通过将旋转轴投影到传感器平面上来定义中心点）。原则上，可以将传感器元件放置在xy平面中的规则或甚至不规则的网格上，以取样场分量HX(x,y)或HY(x,y)或HR(x,y)（即，径向分量）或HPSI(x,y)（即，方位角分量），并通过插值或近似比如最小平方误差拟合或类似的数学方法来重建函数HX(x,y)或HY(x,y)或HR(x,y)或HPSI(x,y)。
以下描述涉及到算法，所述算法可以用于从根据图12到14中所示的布局布置的磁场传感器元件的输出信号导出轴杆的角位置。存在用以确定角位置的众多可能性，并且仅讨论几个示例（针对二重对称性，即N=2）作为广泛类型的算法的代表。大体上，本文中描述的实施例可以包括电路，所述电路被耦合到集成在传感器芯片110中的（至少四个）磁场传感器元件，并且被配置成通过组合磁场传感器元件的输出信号来计算轴杆的角位置。这些方法的一个共同方面是以获得两个信号的这种方式组合磁场传感器组件的两个或更多个输出信号，所述信号（1）具有定义的幅度关系（例如，相等幅度），（2）具有定义的相位滞后（例如，90°），以及（3）针对均匀的干扰磁场不敏感。可以通过使用差分测量来实现最后一条性质。即，将一对HX传感器元件（或一对HY传感器元件）的输出信号相减以获得其中抵消了从均匀干扰场产生的信号分量的差分信号。在图14的示例中，可以从在具有半径r的圆形上的两个径向相对的位置处彼此间隔开地定位的一对传感器元件（即，114a’和114b’、115a’和115b’、116a’和116b’等）获取差分信号。替代于相减，可以使用不同磁场传感器元件的输出信号的加权和（其中负加权因子是可能的）。如所提及的，不需要必然地沿着圆形布置磁场传感器元件。大体上，至少在传感器平面中的第一和第二位置（例如，图12的示例中的位置P1和P3）处感测第一方向（例如，x方向）中的磁场分量。另外，在传感器平面中的至少第三和第四位置（例如，图12的示例中的位置P1和P4）处感测第二方向（例如，y方向）中的磁场分量。然后可以基于在第一和第二位置处的磁场分量的差以及基于第三和第四位置处的磁场分量的差来计算轴杆相对于其旋转轴的所寻求的角位置。使用所提及的差来实现上面提及的差分测量。照此，角位置传感器系统可以被视为一种梯度计。
参考图12的示例，通过计算(HX(0°)-HX(180°)) - (HY(90°)-HY(270°))来获取与角轴杆位置
Figure DEST_PATH_IMAGE003AAA
的两倍的余弦成比例的信号SCOS（SCOS ~ cos(2
Figure DEST_PATH_IMAGE003AAAA
)）。通过计算HY(0°)-HY(180°)来获取与角轴杆位置
Figure DEST_PATH_IMAGE003AAAAA
的两倍的正弦成比例的信号SSIN（SSIN ~ sin(2
Figure DEST_PATH_IMAGE003AAAAAA
)）。通过计算HX(90°)-HX(270°)来获取与角轴杆位置
Figure DEST_PATH_IMAGE003AAAAAAA
的两倍的正弦成比例的另一信号SSIN’。余弦信号SCOS和两个正弦信号SSIN、SSIN’中的任何一个都可以用于计算角位置2
Figure DEST_PATH_IMAGE003AAAAAAAA
的正切函数tan(2
Figure DEST_PATH_IMAGE003AAAAAAAAA
)（比率SSIN/SCOS或SSIN’/SCOS），根据该函数可以计算所寻求的角位置作为例如SSIN/SCOS的反正切。例如，可以使用CORDIC算法来实现反正切函数。当使用如图12中所示的布局时，通过对磁场传感器元件114a和114b的输出信号取平均来获得磁场分量HY(0°)。对HX分量和磁场传感器元件的其它位置进行相同操作。表达式cos(2
Figure DEST_PATH_IMAGE003AAAAAAAAAA
)、sin(2
Figure DEST_PATH_IMAGE003AAAAAAAAAAA
)和tan(2
Figure DEST_PATH_IMAGE003AAAAAAAAAAAA
)中的因子2是由于所提及的设置的二重对称性，并且可以仅在从0°到180°的范围内明确地确定角位置，这在轴上角位置传感器用于控制某些类型的BLDC电机时可能是足够的。
当使用根据图13的示例的布局时，可以将信号S1和S2计算为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其中S1和S2的和等于A·sin(2
Figure DEST_PATH_IMAGE003AAAAAAAAAAAAA
)并且差S1-S2等于A·cos(2
Figure DEST_PATH_IMAGE003AAAAAAAAAAAAAA
)。与在先前示例中类似，可以将角位置
Figure DEST_PATH_IMAGE003AAAAAAAAAAAAAAA
导出为1/2·arctan((S1+S2)/(S1-S2))。
当使用根据图14的示例的布局时，可以将正弦信号SSIN和余弦信号SCOS计算为
Figure DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure DEST_PATH_IMAGE011
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。如所提及的，上面讨论的示例涉及轴杆端部的二重对称性。要注意的是，可以针对在具有一阶或三阶或更高阶的对称性的测量设置中适用的信号找出类似的表达式。在上面的方程中，通过对应角表示感测位置P1、P1’、P2、P2’、P3、P3’、P4和P4’（0°指示P1，45°指示P1’，90°指示P2，135°指示P2’，180°指示P3，225°指示P3’，270°指示P4并且315°指示P4’）。与半径r一起，角明确地定义相应感测位置P1、P1’、P2、P2’、P3、P3’、P4和P4’。
如上面提及的，在其中要控制旋转运动BLDC电机的至少一些应用中，轴杆端部的二重对称性可能是足够的。图15和16图示出轴上角位置传感器可以如何被布置在无刷DC（BLDC）电机装配中的两个不同示例。图15是BLDC电机的一部分的截面图，其中截面平面延伸遍及轴杆104的旋转轴。然而要注意的是，图15没有按比例并且必须被视为示意图。图15中还示出永磁体（PM）217和218，其被直接地或间接地沿着轴杆114的圆周附着到轴杆114。可以通过至少两个轴承来支撑轴杆104，其中在所描绘的示例中轴承214是球轴承。然而，也可以取决于实际实现而使用其它类型的轴承。轴杆104和附着到轴杆的PM形成电机的转子（电枢）。电机的定子210包括线圈211和212，其被供应有电流以控制电机的角运动。
如在上面描述的示例中那样，轴杆104的端部具有类似于图3和4中所示的示例的凹处P，其中类似于上面参考图6讨论的示例，永磁体102’被附着到轴杆104。为了实现紧凑设计，用于形成轴上角位置传感器的磁场传感器（在图15中通过传感器芯片106表示）与用于生成被供应给定子线圈211、212的操作电流的功率电子元件一起被布置在PCB 108上。
如可以从图15看到的，PCB直接地面对轴杆104的前侧（即，轴杆端部），并且磁场传感器元件在本示例中相对于旋转轴对称地被布置在PCB 108上，如图12到14中所示。定子线圈211、212的电触点C（焊接触点、引脚）从定子朝向PCB 108突出，这允许线圈211、212和PCB108之间的直接电气连接。可以在面对电机的定子210的电机外壳H的内表面处支撑PCB108。
图16的示例本质上是图15的先前示例，除了省略了附着到轴杆端部的永磁体102’以及替代地将永磁体102布置在PCB 108的后侧上（类似于图3中所示的示例）之外。要理解的是，可以在如图15和16中所示的BLDC电机装配中使用任何其它角位置传感器布置。
PCB 108承载传感器芯片106以及功率器件215、216，其提供被供应给定子线圈211、212的（受控）负载电流。在磁场传感器元件（在传感器芯片106中）与功率器件215、216之间或者在磁场传感器元件与PCB 108上的负载电流线之间的距离经常是相当小的（例如，小于10 mm或20 mm），使得由电流迹线或功率器件生成的磁场在磁性传感器元件的位置处是强烈地不均匀的。因此，公共梯度计不足以消除由负载电流线和功率器件引起的干扰磁场的影响。然而，负载电流线和功率器件（至少近似地）位于与磁场传感器元件相同的z位置（即，相同轴向位置）处（并且因此磁场线与传感器元件几乎垂直地相交，如图2中所示）。如果磁场传感器元件不对z方向中的那些磁场分量做出响应，则角位置测量针对这些干扰变得非常鲁棒。因此，本文中描述的实施例包括对x或y方向中的磁场分量敏感的梯度计设置。
虽然已经关于一个或多个实现描述并图示了本发明，但是可以对所图示的示例进行更改和/或修改而不脱离随附权利要求的精神和范围。特别关于由上述组件或结构（单元、装配、设备、电路、系统等）执行的各种功能，用于描述这种组件的术语（包括对“构件”的引用）除非另外指明否则意图对应于执行所描述的组件的指定功能（例如，在功能上等效的）的任何组件或结构，即使不在结构上等效于所公开的结构，其执行在本文中说明的本发明的示例性实现中的功能。
此外，虽然可能关于若干实现中的仅一个公开了本发明的特定特征，但是这种特征可以按可能期望地与其它实现的一个或多个其它特征组合并对于任何给定或特定的应用是有利的。此外，就术语“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“有”或其变体用在或者具体实施方式和权利要求中而言，这种术语意图以类似于术语“包括”的方式是包括性的。

Claims (17)

1.一种磁角位置传感器系统，包括：
可绕着旋转轴旋转的轴杆，所述轴杆具有软磁性轴杆端部；
传感器芯片，在轴向与轴杆端部间隔开并且限定垂直于所述旋转轴的传感器平面；
集成在所述传感器芯片中的至少四个磁场传感器元件，其中所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第一方向中的磁场分量敏感，并且其中所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第二方向中的磁场分量敏感；第一和第二方向互不平行，并且第一和第二方向垂直于所述旋转轴；
磁化所述轴杆端部的磁场源，其中形成所述轴杆端部使得由所述磁场源引起的所述传感器平面中的磁场是N阶旋转对称的，N是≥1的有限整数；以及
电路，被耦合到所述至少四个磁场传感器元件并且被配置成通过组合所述至少四个磁场传感器元件的输出信号来计算所述轴杆的角位置，
其中所述磁场源包括第一永磁体和至少第二永磁体；
其中所述传感器芯片被布置在附着到电路板的芯片封装中，并且
其中所述第一永磁体被附着到所述芯片封装或所述电路板，并且所述第二永磁体被附着到所述轴杆端部。
2.根据权利要求1所述的磁角位置传感器系统，其中所述至少四个磁场传感器元件在由所述旋转轴到所述传感器平面上的投影定义的中心点周围被布置在所述传感器平面中。
3.根据权利要求1到2中的任一项所述的磁角位置传感器系统，
其中所述轴杆端部具有被布置在其前侧中或其前侧上的至少一个凹槽或至少一个突出，所述凹槽或所述突出被定形成使得所述轴杆端部具有N阶的旋转对称性，N为有限整数。
4.根据权利要求1到2中的任一项所述的磁角位置传感器系统，
其中所述轴杆端部包括与所述轴杆同步地旋转的弹簧，所述弹簧在所述旋转轴的轴向中是弹性的。
5.根据权利要求4所述的磁角位置传感器系统，
其中所述弹簧在垂直于所述旋转轴的方向中不是弹性的。
6.根据权利要求4所述的磁角位置传感器系统，
其中所述弹簧被布置在传感器芯片和轴杆端部的前侧之间，并且
其中经由间隔件将所述弹簧支撑在所述传感器芯片的芯片封装上。
7.根据权利要求6所述的磁角位置传感器系统，
其中所述间隔件被附着到所述弹簧或者所述间隔件由所述弹簧的凸起形成，并且
其中所述弹簧被配置成在所述芯片封装上施加轴向力。
8.根据权利要求1到2中的任一项所述的磁角位置传感器系统，
其中所述至少四个传感器元件沿着与所述旋转轴共轴的圆形对称地分布。
9.一种磁角位置传感器系统，包括：
可绕着旋转轴旋转的轴杆，所述轴杆具有软磁性轴杆端部；
传感器芯片，在轴向与所述轴杆端部间隔开并且限定垂直于所述旋转轴的传感器平面；
集成在所述传感器芯片中的至少四个磁场传感器元件，所述至少四个磁场传感器元件中的第一和第二磁场传感器元件彼此间隔开并且对第一方向中的磁场分量敏感，所述至少四个磁场传感器元件中的第三和第四磁场传感器元件彼此间隔开并且对第二方向中的磁场分量敏感，其中第一和第二方向互不平行，并且第一和第二方向垂直于所述旋转轴；
磁化所述轴杆端部的磁场源，其中形成所述轴杆端部使得由所述磁场源引起的所述传感器平面中的磁场是N阶旋转对称的，N是≥1的有限整数；以及
信号处理电路，被耦合到所述至少四个磁场传感器并且被配置成：
计算表示由第一和第二磁场传感器元件感测到的所述磁场分量的差的第一信号；
计算表示由第三和第四磁场传感器元件感测到的所述磁场分量的差的第二信号；以及
通过组合至少第一和第二信号来计算所述轴杆的角位置，
其中所述磁场源包括第一永磁体和至少第二永磁体；
其中所述传感器芯片被布置在附着到电路板的芯片封装中，并且
其中所述第一永磁体被附着到所述芯片封装或所述电路板，并且所述第二永磁体被附着到所述轴杆端部。
10.根据权利要求9所述的磁角位置传感器系统，
其中所述至少四个传感器元件沿着与所述旋转轴共轴的圆形对称地分布。
11.根据权利要求10所述的磁角位置传感器系统，
其中沿着第一圆形布置所述磁场传感器元件的第一部分，并且
其中沿着第二圆形布置所述磁场传感器元件的第二部分，
第一和第二圆形与所述旋转轴共轴并且具有不同半径。
12.根据权利要求9到11中的任一项所述的磁角位置传感器系统，
其中相对于所述旋转轴径向地布置第一和第二磁场传感器元件；和/或
其中相对于所述旋转轴径向地布置第三和第四磁场传感器元件。
13.根据权利要求9到11中的任一项所述的磁角位置传感器系统，
其中平行于所述第一方向对齐在第一表面中的传感器芯片的第一边缘，并且平行于所述第二方向对齐在所述第一表面中的所述传感器芯片的第二边缘。
14.一种电机装配件，包括：
定子，包括至少一个定子线圈；
转子，至少包括具有前侧和软磁性轴杆端部的轴杆；
印刷电路板（PCB），被布置成使得它面对所述轴杆的前侧，
至少一个传感器芯片，被附着到PCB并且与轴杆端部间隔开；
至少四个磁场传感器元件，被布置在所述至少一个传感器芯片中，其中所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第一方向中的磁场分量敏感，并且所述磁场传感器元件中的两个彼此间隔开并且仅对第二方向中的磁场分量敏感；第一和第二方向互不平行，并且第一和第二方向垂直于所述轴杆的旋转轴；
磁化所述轴杆端部的磁场源，其中形成所述轴杆端部使得在第一和第二方向中的磁场分量是N阶旋转对称的，N是≥1的有限整数；以及
评估电路，被耦合到所述至少四个磁场传感器元件并且被配置成通过组合所述至少四个磁场传感器元件的至少四个输出信号来计算所述轴杆的角位置；
功率电子电路，被布置在PCB上并且被耦合到所述定子线圈并且被配置成将操作电流供应给所述定子线圈，
其中所述磁场源包括第一永磁体和至少第二永磁体；
其中所述传感器芯片被布置在附着到PCB的芯片封装中，并且
其中所述第一永磁体被附着到所述芯片封装或所述PCB，并且所述第二永磁体被附着到所述轴杆端部。
15.一种用于测量包括软磁性轴杆端部的轴杆的角位置的方法；所述方法包括：
由磁场源磁化轴杆端部，其中形成所述轴杆端部使得在垂直于所述轴杆的旋转轴的传感器芯片的传感器平面中的第一和第二方向中的磁场分量是N阶旋转对称的，N是≥1的有限整数；
在所述传感器平面中的至少第一和第二位置处感测所述第一方向中的磁场分量，所述第二位置不同于所述第一位置；
在所述传感器平面中的至少第三和第四位置处感测所述第二方向中的磁场分量；所述第四位置不同于所述第三位置；
基于在第一和第二位置处的磁场分量的差以及基于第三和第四位置处的磁场分量的差来计算所述轴杆相对于其旋转轴的角位置，
其中所述磁场源包括第一永磁体和至少第二永磁体；
其中所述传感器芯片被布置在附着到电路板的芯片封装中，并且
其中所述第一永磁体被附着到所述芯片封装或所述电路板，并且所述第二永磁体被附着到所述轴杆端部。
16.根据权利要求15所述的方法，其中感测磁场分量包括：
使用被配置成在所述第一位置处感测所述第一方向中的磁场分量的至少第一磁场传感器元件提供第一传感器信号；
使用被配置成在所述第二位置处感测所述第一方向中的磁场分量的至少第二磁场传感器元件提供第二传感器信号；
使用被配置成在所述第三位置处感测所述第二方向中的磁场分量的至少第三磁场传感器元件提供第三传感器信号；以及
使用被配置成在所述第四位置处感测所述第二方向中的磁场分量的至少第四磁场传感器元件提供第四传感器信号。
17.根据权利要求16所述的方法，其中计算所述轴杆的角位置包括：
计算表示第一和第二传感器信号之间的差的第五信号；
计算表示第三和第四传感器信号之间的差的第六信号；以及
基于第五和第六信号计算角位置。
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