CN107150759A

CN107150759A - 用于电动自行车的轴集成角度感测设备和包括这种设备的电动自行车

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Publication number: CN107150759A
Application number: CN201710120082.7A
Authority: CN
Inventors: L.艾希里德勒; U.奥瑟莱希纳; P.斯拉马
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2017-09-12
Anticipated expiration: 2037-03-02
Also published as: DE102016002417B4; US20170254671A1; CN111003096A; DE102016002417A1; CN107150759B; US10551216B2

Abstract

本发明涉及用于电动自行车的轴集成角度感测设备和包括这种设备的电动自行车。传感器布置包括传感器元件和磁体模块。传感器元件被配置为测量磁场并且被定位在轴内。该轴被配置为屏蔽磁体模块和传感器元件。磁体模块被配置为生成磁场。传感器元件至少部分地被定位在该轴内。

Description

用于电动自行车的轴集成角度感测设备和包括这种设备的电动自行车

背景技术

在感测系统中利用传感器来检测诸如光、温度、运动等的属性。一般使用的传感器的一种类型是基于磁场的角度传感器。角度传感器测量磁场方向，并且基于场方向来计算角度。其他磁敏传感器测量磁通密度。

然而，这种基于磁的传感器容易受磁场中的干扰的影响。很多系统操作在恶劣环境中，诸如汽车系统中，并且具有可能干扰磁场并且导致错误传感器测量的组件。

需要是的下述技术：该技术用于减轻或防止干扰，以提高磁传感器操作、精确度和针对定位容限的鲁棒性。

附图说明

图1A是使用磁场操作的集成传感器系统的图。

图1B是示出包括集成传感器系统（即，轴内角度感测系统）的电动自行车的图。

图1C是表示根据本公开的电动自行车中存在的一些（可选）组件的图。

图2是具有空心轴和环形磁体模块的轴集成传感器系统的横截面图。

图3是具有空心轴和丸形磁体的轴集成传感器系统的横截面图。

图4是具有实心轴和环形磁体模块的集成传感器系统的横截面图。

图5是具有实心轴和丸形磁体的集成传感器系统的横截面图。

图6是描绘传感器模块系统的图。

图7是图示可以用于诸如上述磁体模块的磁体模块中的环形磁体的横截面图。

图8是图示可以用于诸如上述磁体模块的磁体模块中的丸形或圆柱形磁体的横截面视图。

图9是图示操作传感器设备的方法的流程图。

图10是可结合本文所述的传感器系统使用的轴的一部分的横截面视图。

图11A图示在数值模拟中使用的场景。

图11B图示基于图11A所图示的场景计算的模拟的一些结果。

图12以横截面视图图示了插入到轴中的传感器的布置。

图12A图示集成到轴的孔中的传感器的另一实施例。

图12B图示集成到具有套筒的轴的薄壁端部中的传感器的另一实施例。

图12C图示如图10、图12A和图12B的实施例中的轴的可磁化薄壁端部的饱和。

图12D图示集成到具有又一套筒的轴的薄壁端部中的传感器的另一实施例。

图12E图示集成到具有替代套筒的轴的薄壁端部中的传感器的另一实施例。

图13图示针对有引线的传感器封装的设置。

图14A-14D图示针对根据本公开的磁体和传感器布置的对称性考虑。

图15A-15I图示用于在轴的端部处的薄壁孔内布置（多个）磁体的各种对称性。

图16图示孔内的分离磁体。

图17图示包括插入轴的孔中的凹槽的磁体。

图18图示用于将磁体定向在轴的孔内的键槽（key）。

图19A图示轴的孔内的另一磁体实施例。

图19B图示轴的锥形孔内的又一磁体布置。

图20图示轴的孔内的另一磁体布置。

图21A、图21B和图21C图示包括磁体布置和感测元件的孔的开口的密封。

图22A、图22B图示Halbach型磁体布置。

图22C图示又一个单一非均匀磁体布置。

具体实施方式

现在将参考附图描述本发明，其中相同的附图标记用于遍及全文指代相同的元件，并且其中所图示的结构和设备不一定按比例绘制。

公开了促进角度传感器并减轻磁场中的干扰的设备、系统和方法。诸如汽车系统的恶劣环境具有影响电子器件、传感器和磁场的各种组件和条件。这些干扰可以导致错误的测量、传感器故障，并且需要满足位置容限以便在传感器的操作中实现特定精度水平。角度传感器通常令人感兴趣的是识别围绕轴旋转的对象的角位置。在一些应用中，可能令人感兴趣的是明确地识别仅在180度上（即半圈）的角位置。然而，在其他应用中，可能令人感兴趣的是在360度内明确地识别角位置，其对应于对象围绕轴旋转的完整旋转。

随着电动自行车的出现，一种新的通勤形式是可用的，所述新的通勤形式自从出现以后已经变得越来越受欢迎。根据本公开的传感器布置（也被称为轴内角度感测系统）可以被用在电动自行车中。因此，本公开教导了一种传感器布置，所述传感器布置包括用于电动自行车的可旋转驱动轴、磁体模块和至少一个感测元件。可旋转轴沿着旋转轴延伸并且包括孔。孔沿着旋转轴从轴的第一端面或第一端部延伸。磁体模块被布置在用于电动自行车的驱动轴的孔内并且被耦合到驱动轴。磁体模块被配置为在孔内生成磁场。至少一个感测元件被配置为响应于驱动轴的旋转来感测磁场的旋转。

图1是使用磁场操作的集成传感器系统100的图。以简化的形式提供系统100以便于促进理解。可以在恶劣环境、汽车系统、车辆系统等中利用系统100。系统100可以被制造成一个或多个设备或布置。

诸如汽车系统的混合系统具有机械组件和电气组件。机械组件包括引擎、电机、轮、流体、制动系统、致动器等。电气组件包括传感器、处理单元、控制单元等。机械组件可以产生针对电气组件的干扰。这些干扰包括功率浪涌、功率损耗、功率迹线、高功率迹线、振动、碎片、金属薄片/件、流体污染、传输流体污染（非常有侵蚀性）、破坏清洁剂、冷却剂、材料、污垢等。电机、致动器和其他组件越多，存在的电流和波动就越多。

其他方法易受干扰的影响并且未能提供针对这些干扰的机制。

通常，角度传感器将跟踪轴线或轴的旋转运动。一种方法是将传感器添加到轴的端部并且封装传感器。然而，封装增加了成本和附加处理，并且需要附加空间。另外，这种方法还包括将传感器元件放置在轴的端部。这增加了轴或与轴附连的组件的总长度，这需要额外的车辆/引擎空间。需要附加的安装件、连接器等以将传感器安装到轴的端部。这些可能进一步增加所消耗的长度/空间，并且需要甚至更多的车辆/引擎空间。

系统100包括可选的传感器模块102、传感器元件104和磁体模块106。传感器模块102可以是封装的形式或用于放置传感器104的任何其他辅助装置，如下面将进一步解释的。系统100可以将传感器模块102与形式为壳体、轴或其他组件的屏蔽件集成，以提供自屏蔽。另外，通过集成，系统100比其他方法消耗更少的空间。此外，系统100利用自屏蔽以允许具有较低能力的组件，同时提供适当或所选择的精度。

在一些实现中，传感器模块102可以是集成组件，因为它被集成在壳体或其他组件中。传感器模块102包括集成的传感器元件104。模块102还可以包括功率调节组件、信号生成组件、存储器组件等。尽管未示出，但是可以包括其他组件，包括安装件、紧固件、连接、外壳等。在一个示例中，传感器模块102形成在具有引线框架的管芯上。传感器模块102使用过模制塑料被封闭在外壳中。提供到引线框架的连接，并且所述连接提供到传感器模块102的外部连接，如下面将更详细地解释的。传感器模块可以被耦合到组件或合并到组件中，该组件诸如是壳体、杆、臂、轴腿等。

传感器元件104测量磁场的方向或磁场通量的方向。然后，元件104或另一组件基于场方向的测量来计算特性，诸如角度或轴位置。传感器元件104被配置为接收供电，提供测量和/或接收控制或校准信息。在一个示例中，单个接口被用于供电和传输测量。在另一示例中，多个线或端口被用于电力和/或通信。

传感器元件104是绝对或360度类型的传感器，从而意味着它可以测量独特地在整个旋转上的任何角度处的通量。传感器元件104具有适当的类型，诸如磁阻或磁敏类型的元件。

磁体模块106被固定或附连到待测量的组件或与待测量的组件集成，并且被配置为在传感器元件104附近生成磁场。在一个示例中，磁体模块106可以在直径上被磁化。磁体模块106可以包括各种尺寸和形状的磁体。一些示例形状包括丸或固体磁体、环形磁体等。尺寸被选择为提供适当的磁场。通常，尺寸包括厚度和直径。

干扰（诸如上面所示的干扰）可能干扰由传感器元件104测量的磁场。然而，在不需要大量封装或其他减轻干扰的机制的情况下，传感器模块102与组件集成以屏蔽模块102和元件104。为传感器元件104和磁体模块106提供屏蔽的组件包括例如由适当材料构成的可旋转物体，诸如轴、棒等。在一个示例中，适当的材料包括具有大于1的磁导率的相对软的磁性材料。

图1B是指示本领域技术人员已知的电动自行车的一些元件的示意图。电动自行车10包括框架11、前叉11a、后叉11c和鞍形柱11b。前叉11a支持前轮13a的前轮毂12a，该元件中的每个未按比例示出，但仅仅是为了说明性目的。

本领域技术人员将领会到，提供通常实现为（可再充电）电池14的能量储存器，以便支持驱动电动自行车10的骑行者（未示出）。电池14给在骑行时支持自行车的推力的电机15供能。

传统的自行车由骑行者经由曲轴12c和齿轮24向后轮毂12b施加的力提供动力。齿轮24可以提供平移到后轮毂12c的m圈的曲轴12c的n圈的固定齿轮比，比率n：m也被称为齿轮比。齿轮24可以提供可变齿轮比作为齿毂变速。可选地或另外，可变齿轮比可以使用在曲轴和/或后轮毂12b处从不同尺寸的链轮变速的链条来提供。变速器可以被用于链条变速，如本领域中已知的。这种可变齿轮比与电动自行车组合也是可能的。

作为非限制性示例，电机15在图1B中被示出为在后轮毂12b的中心。电机15可以与后轮毂12b直接接合。替代地或另外，齿轮可以被实现为电机15的一部分，或者可以使用从传统自行车已知并且在前面已经简要解释的传统齿轮变速设备来实现。

对于电动自行车，存在电机15如何通过提供附加的推力来支持骑车者的多个选项。电机15可以替代图1B的例示被实现在与曲轴12c接合的鞍形柱内，如在本领域中已知的。

电机15可以替代地或另外与前轮毂12a接合。电动自行车的电机15可以经由可能令人感兴趣用于运动电动自行车的单独的皮带或链条进一步与前轮毂12a或后轮毂接合，从而使电动自行车的传统传动系不变。

图1C示出图示了根据如下概述的本公开的包括驱动轴101的电机15的示意图，对于该驱动轴101，角度测量令人感兴趣的是利用角度测量布置。电动自行车的驱动轴101可以耦合到可选齿轮24，其提供固定齿轮比n：m或可变齿轮比，如前面解释的。齿轮24通常提供从驱动轴101到前轮毂12a、后轮毂12b或曲轴12c中的至少一个的耦合。

图2是具有空心轴和环形磁体模块的集成传感器系统200的横截面图。系统200以简化形式被提供以便促进理解。可以在恶劣环境、汽车系统、车辆系统等中利用系统200。系统200可以被制造成一个或多个设备。对于一些组件的附加细节可以从类似编号的组件的上述描述进行参考。

系统200包括壳体208、传感器模块102、传感器元件104、磁体模块206和轴210。系统200将传感器模块102与轴210集成，该轴210屏蔽传感器模块102和磁体模块206免受干扰并加强由磁体模块206生成的磁场。

传感器模块102包括形成在外壳内的传感器元件104。外壳通常是过模制塑料，但不限于此。传感器元件104可以被配置有引线框架。然后，模块102包括从传感器元件104的引线框架到端口的连接或外部连接，如将关于图13更详细地解释的。

壳体208可以是变速箱、隔室、动力系燃烧引擎等的一部分。壳体208被配置为接收和支持轴210。在一个实施例中，壳体208包括挖空的凹部，将轴210插入到该凹部中。轴承212或另一组件/设备被配置为在没有过度摩擦的情况下促进轴210的旋转。壳体208还可以包括传感器模块102被插入或定位于其中的模块开口。应当理解，当传感器模块被放置在模块开口中时，传感器模块将促进实际传感器元件104相对于可旋转轴210的预期定位，并且磁体206使得轴210的旋转对传感器元件104“可见”。注意的是，传感器模块102可从壳体208移除。在另一示例中，传感器模块不可移除地附连到壳体208。在一个示例中，壳体208提供密闭密封，其保护传感器模块102免于碎片和污染物。另外，壳体208可以被配置为提供磁屏蔽和/或电气屏蔽。下面将关于图10-18更详细地讨论将传感器元件104和/或磁体206屏蔽免于任何外部磁场的方面。

轴210与壳体208分离。轴的第一端被附连到电机或其他可旋转物体，并且第二端邻近壳体208。轴210的第二端可以耦合到轴承以促进旋转。轴210可以是汽车系统诸如动力传动系、传动系统等的一部分。轴210通常是由适当材料（诸如金属、软磁性材料等）构成的长圆柱形棒。适当金属的一些示例包括钢和铝。软磁性材料的示例包括具有大于1的磁导率的材料。轴210以每分钟转数（RPM）的范围以及在旋转方向（顺时针或逆时针）旋转。RPM可以包括诸如0至200 RPM的低RPM范围和诸如超过4,000 RPM的范围的高RPM范围。

轴210被示出为具有示出为z的旋转轴线。轴210以旋转方向围绕旋转轴线旋转，旋转方向可以是顺时针或逆时针。

轴210可以是挖空的、实心或以其他方式配置的。在图2中，轴210是空心的，并且具有选择的壁厚。替代地，轴210可以是实心的，并且包括如图2所示的薄壁端部。传感器模块102和传感器元件104的至少一部分在第二端处部分地延伸到轴210的开口部分中。另外，磁体模块206还至少部分地位于轴的开口部分内。通过被挖空，轴可以具有与实心轴相比更低的成本和重量。

磁体模块206生成具有通量并配置用于测量的磁场。在该示例中，磁体模块206包括沿着轴210的内表面（即，图2中的内圆周表面）定位的环形磁体。环形磁体部分地围绕传感器模块102并且关于旋转轴线z围绕传感器元件104。

在该示例中，传感器模块102被集成到壳体208中。传感器模块102可以包括O形环或类似材料以在传感器模块102和壳体208（图2中未示出）之间密封。传感器元件104被定位在模块102的第二端附近。传感器元件104通常测量由磁体模块206生成的磁场，更准确地说，当用作角度传感器时测量磁场的方向。在轴210旋转时，由磁体生成的磁场将对传感器元件104呈现为可以用于监视轴的旋转位置的旋转磁场。

由传感器元件104获得的测量结果用于计算角度测量结果，包括轴的径向位置、轴的角度位置、每分钟转数（RPM）、旋转方向等。

诸如电子控制单元（ECU）的控制单元可以从传感器模块102接收测量结果和/或角信息。

图3是具有空心轴或至少轴的薄壁端部和丸形磁体的轴集成传感器系统300的横截面图。系统300以简化形式被提供以便促进理解。可以在恶劣环境、汽车系统、车辆系统等中利用系统300。系统300可以被制造成一个或多个设备。系统300类似于上述系统200，但是利用丸或圆形磁体而不是环形磁体。对于一些组件的附加细节可以从类似编号的组件的上述描述进行参考。

系统300包括壳体208、传感器模块102、传感器元件104、磁体模块306和轴210。系统300将传感器模块102集成到轴210中，该轴210电气地、机械地和/或磁性地屏蔽传感器模块102免受干扰。

传感器模块102包括形成在外壳内的传感器元件104。外壳是过模制塑料。传感器元件104通常被配置有引线框架。模块102包括从传感器元件104的引线框架到端口的连接或外部连接。

壳体208可以是动力传动系、传动系统等的一部分。壳体208被配置为接收和支持轴210。壳体208包括称为壳体凹部的挖空凹部，将轴210插入到该凹部中。轴承212或另一组件/设备被配置为在没有过度摩擦的情况下促进轴210的旋转。

轴210与壳体208分离。轴的第一端被附连到电机或其他可旋转物体，并且第二端在壳体208附近。轴210通常是由诸如以上描述的适当材料构成的长圆柱形棒。轴210以每分钟转数（RPM）的范围并且在旋转方向（顺时针或逆时针）旋转。RPM可以包括诸如0至200 RPM的低RPM范围和诸如超过4,000 RPM的高RPM范围。

轴210可以是挖空的、实心或以其他方式配置的。在图3中，轴210再次被挖空并具有选择的壁厚。传感器模块102的一部分在第二端处部分地延伸到轴210的开口部分中。磁体模块306位于轴的开口部分内。

磁体模块306生成具有通量并配置用于测量的磁场。轴210加强所生成的磁场。在该示例中，磁体模块306包括跨轴210中的开口定位的丸或圆形磁体。沿着与传感器模块102和传感器元件104相同的轴线z定位丸形磁体。此外，丸形磁体具有被选择为提供适当磁场的直径和厚度。直径可以小于轴210的内表面的直径。

如上所述，传感器模块102被集成到壳体208中。传感器模块102可以包括O形环或类似材料，以在传感器模块102和壳体208之间密封。传感器元件被定位在模块102的第二端附近。传感器元件104测量磁场，更准确地说，测量由磁体模块306生成的磁场的定向。

由传感器元件104获得的测量结果用于计算轴的方位角或角位置、每分钟转数（RPM）、旋转方向等。

图4是具有实心轴410和环形磁体模块206的传感器系统400的横截面图。系统400以简化形式被提供以便促进理解。可以在恶劣环境、汽车系统、车辆系统等中利用系统400。另外，系统400可以被制造成一个或多个设备。对于一些组件的附加细节可以从类似编号的组件的上述描述进行参考。

系统400包括壳体208、传感器模块102、传感器元件104、磁体模块206和轴410。系统200将传感器模块102集成到轴410中，该轴410电气地、机械地和/或磁性地屏蔽传感器模块102免受干扰。

传感器模块102再次包括可选地形成在外壳内的传感器元件104。在一个示例中，外壳是过模制塑料。传感器元件104可以被配置有引线框架。模块102可以包括从传感器元件104的引线框架到端口的连接或外部连接。

壳体208可以是动力传动系、传动系统等的一部分。壳体208被配置为接收和支持轴410。壳体208包括挖空凹部，将轴410插入该凹部中。可选轴承212或另一组件/设备被配置为在没有过度摩擦的情况下促进轴410的旋转。

轴410与壳体208分离。轴的第一端被附连到电机或其他可旋转物体，并且第二端在壳体208附近。轴410通常是由诸如金属的适当材料构成的长圆柱形棒。以上示出适当材料的一些示例。轴410以每分钟转数（RPM）的范围并且在旋转方向（顺时针或逆时针）旋转。RPM可以包括诸如0至200 RPM的低RPM范围和诸如超过4,000 RPM的高RPM范围。

在该示例中，轴410是实心的并且具有选择的直径。轴410的第二端包括轴腔414。腔414使用诸如钻孔的适当机制形成在第二端内。腔414具有直径和深度。传感器模块102的至少一部分延伸到轴腔414中。另外，磁体模块206位于轴腔内。与空心轴相比，轴410由于是实心的而可以具有优越的强度，如关于图2和图3所讨论的。

磁体模块206生成具有通量并配置用于测量的磁场。在该示例中，磁体模块206包括围绕轴腔414的内表面定位的环形磁体。环形磁体部分地围绕传感器模块102并且在z方向上围绕传感器元件104。与丸形磁体相比，环形磁体206通常提供用于关于轴向位移进行测量的更好的场。

在该示例中，传感器模块102被集成到壳体208中。传感器模块102可以包括O形环或类似材料，以在传感器模块102和壳体208之间密封。传感器元件被定位在模块102的第二端附近。传感器元件104测量由磁体模块206生成的磁场。

由传感器元件104获得的测量结果用于计算轴的径向位置、每分钟转数（RPM）、旋转方向等。诸如电子控制单元（ECU）的控制单元（未示出）可以从传感器模块102接收测量结果和/或角信息。

图5是具有实心轴和丸形磁体的轴集成传感器系统500的横截面图。系统500以简化形式被提供以便促进理解。可以在恶劣环境、汽车系统、车辆系统等中利用系统500。另外，系统500可以被制造成一个或多个设备。对于一些组件的附加细节可以从类似编号的组件的上述描述进行参考。

系统500包括壳体208、传感器模块102、传感器元件104、磁体模块306和轴410。系统200将传感器模块102和磁体模块306集成到轴410中，该轴410电气地、机械地和或磁性地屏蔽传感器模块102免受干扰。

传感器模块102包括形成在外壳内的传感器元件104。外壳是过模制塑料。传感器元件104可以被配置有引线框架。模块102包括从传感器元件104的引线框架到端口的连接或外部连接。

壳体208可以是动力系、传动系统等的一部分。壳体208被配置为接收和支持轴410。壳体208包括挖空的凹部，将轴410插入到该凹部中。轴承212或另一组件/设备被配置为在没有过度摩擦的情况下促进轴410的旋转。

轴410与壳体208分离。轴的第一端被附连到电机或其他可旋转物体，并且第二端在壳体208附近。轴410通常是由诸如以上示出的适当材料构成的长圆柱形棒。轴410以每分钟转数（RPM）的范围并且在旋转方向（顺时针或逆时针）旋转。RPM可以包括低RPM范围和高RPM范围及其变型。

轴410是实心的并且具有选择的直径。轴410的第二端包括轴腔414。腔414使用适当的机制形成在第二端内。腔414具有直径和深度。传感器模块102的一部分部分地延伸到轴腔414中。另外，磁体模块306位于轴腔内。

磁体模块306生成具有通量并配置用于测量的磁场。在该示例中，磁体模块306包括定位在轴腔414中的丸形磁体。丸形磁体被定位在具有传感器104的轴线，即图5中的z轴线上。此外，丸形磁体具有如以上关于图3所描述的直径和厚度。

在该示例中，传感器模块102被集成到壳体208和轴410中。传感器模块102可以包括O形环或类似材料，以在传感器模块102和壳体208之间密封。传感器元件被定位在模块102的第二端附近。传感器元件104测量由磁体模块206生成的磁场或磁场方向。来自磁体206的磁场作为指示旋转轴410的角位置的旋转磁场对传感器是“可见的”。

由传感器元件104获得的测量结果用于计算轴的径向位置、每分钟转数（RPM）、旋转方向等，如以上已经解释的。诸如电子控制单元（ECU）的控制单元（未示出）可以从传感器模块102接收测量结果和/或角信息。测量结果或信息包括模拟或数字原始数据、计算的角度信息等。

图6是描绘传感器模块系统600的图。系统600可以与以上系统和设备一起使用，并且被提供以促进理解。

系统600包括传感器模块102、接口616和控制器或控制单元614。传感器模块102包括传感器元件104。传感器元件104是磁敏技术，诸如磁阻、霍尔效应等。传感器元件104被配置为测量在元件104附近的磁场、磁通密度、磁场方向等。传感器元件104形成在管芯上并且具有引线框架以用于供电并提供测量结果。

传感器模块102包括由诸如过模制塑料的适当材料形成的外壳618。外壳618通常密封传感器元件104免于碎片和其他干扰。

接口616连接到传感器元件104。接口616可以包括到传感器元件104并且在外壳618外部的一个或多个导线/连接。接口616被配置为将测量结果从传感器元件104传输到控制器614，并且向传感器元件104供电。

控制器614连接到接口616并且被配置为控制传感器元件104并且从传感器元件104接收磁场/通量测量结果。控制器614确定关于组件的角信息，诸如角度位置、角位置、旋转速度、加速度等。该组件通常是可旋转组件，诸如电机轴、轮、动力传动轴、传动轴等。特别地，控制器614被配置为确定角位置、角方向、RPM等。

图7是可以被用于磁体模块（诸如上述磁体模块）中的环形磁体700的横截面视图。环形磁体700可以被用于以上系统中，以生成用于测量角信息（包括位置和RPM）的磁场。

磁体700被定位在电机、轮等的轴的端部内。磁体生成由其组成和尺寸确定的适当的场。

尺寸包括外径720、宽度厚度722和内径724。在内径724和外径之间的差定义环厚度。通常，宽度厚度和环厚度越大，所生成的磁场越大，并且传感器元件对传感器相对于磁体的位移（也被称为定位容限）可以更加容忍。

图8是可以被用于磁体模块（诸如上述磁体模块）中的丸或圆形磁体800的横截面视图。丸形磁体800可以被用于以上系统中，以生成用于测量角信息（包括位置和RPM）的磁场。

磁体800可以被定位在电机、轮等的轴的端部内。磁体800生成由其组成和尺寸确定的适当的磁场分布或通量。

尺寸包括直径820和厚度822。通常，直径820越大并且厚度822越大，所生成的磁场越大，并且传感器元件对位置容限可以更加容忍，如将在以下更详细地解释的。

图9是图示操作传感器设备的方法900的流程图。方法900将传感器模块插入或集成到轴中，以便于提供针对干扰的屏蔽并且可选地加强磁场的生成。方法900可以结合以上系统、设备及其变型来使用。

方法900开始在框902处，其中传感器模块被配置或定位到轴和/或壳体中。轴提供对传感器模块的屏蔽，使得减轻或避免诸如以上描述的干扰的干扰。壳体可以是隔室的外壳或壁，诸如汽车传动组件等。传感器模块可以是过模制的，并且通常可从壳体移除。传感器模块包括配置为测量一个、两个或三个轴线（1D、2D、3D）或磁场方向上的磁场的传感器元件（磁阻）。

轴被配置为具有轴凹部，并且磁体模块在框904处被定位在轴凹部内。轴凹部可以通过钻孔或另一适当机制以实心或空心轴形成。磁体模块包括磁体，诸如环形磁体或丸形磁体。

在框906处，由磁体模块生成磁场。当轴旋转时，磁场随着轴旋转。磁体模块通过轴基本上被屏蔽而免于干扰，并且因此，在没有干扰的情况下生成磁场。

在框908处，由传感器模块测量磁场。传感器模块通过轴屏蔽，并且因此基本上被屏蔽而免于干扰。因此，使用一些屏蔽的磁场测量通常比非屏蔽方法更准确。

在框910处，由控制单元基于磁场测量结果来确定角信息。角信息包括例如轴的旋转速度、轴的角位置等。将领会的是，角信息可以替代地由传感器元件导出，并且导出的角信息被转发到ECU。

考虑如图10中的设置，将在下面讨论传感器元件（如例如关于图1-6所讨论的）应当优选地在轴线或管101内部多深。图10示出在其左端具有孔的轴101的横截面视图。孔直径为Di。轴101可以由软磁性材料制成。这意味着相对磁导率μ_r大于100，通常在1000和10000之间，并且矫顽力小，通常小于1kA/m。在这里未示出磁体（例如参见图2和图4中的磁体206、图3和图5中的磁体306、图7中的磁体环700或图8的磁性丸800），因为磁体对于将给出的以下规则是不相关的。

传感器元件104（图10中未示出）具有敏感点，该敏感点由旋转轴线z上的交叉x表示。不论给定的磁体如何，磁场感测元件104（例如，分别为图1-6的传感器元件104）的敏感点应当优选地在孔内部的距离da处，其中da>0.4*Di。在该条件下，可渗透的薄壁轴端将有效地屏蔽传感器元件104免于外部磁场。如果传感器元件104被插入大于da=0.4*Di，则屏蔽通常改善，但仅适度地对于大da。如果传感器元件104被插入小于da=0.4*Di，则任何外部磁场的很大一部分仍然存在于传感器位置处，并且可能损坏传感器元件104的（角度）传感器功能。

图11A示出一种配置，所述配置用于数值模拟，以便于实现到可旋转轴101的薄壁端部的孔中的小于0.4*Di的传感器元件104的插入da的以上估计。假设模拟中的参数是：轴的内径Di=22mm，轴的外径为26mm，轴线的相对磁导率μ_r从100变化到7400。管101沿z方向从z=-50mm延伸到+50mm。由于对称考虑因素，在图11A中仅对1/8的几何形状建模。在这些模拟中，施加在B_x方向上的磁干扰场，并且假设传感器元件104对B_x分量敏感。

图11B图示基于如结合图11A所概述的参数和设置的模拟的结果。在图11B中，绘制了在传感器位置处采样的B_x分量与在管外部的大距离处施加的B_x分量的比率的大小。

作为针对图11B的曲线图的横坐标，绘制了z位置与直径的比率（在管端部在z=0.05m处），针对在模拟中使用的以上参数，所述比率等于（-1）*da/Di。在图11B的模拟中变化的参数是相对磁导率μ_r。

如果测试点（即，沿着z轴线的电位传感器位置）是管101内部的直径的一半，则屏蔽是相当好的。管102内部深处的屏蔽是

，

根据Kaden“Wirbelströmeund Schirmung in der Nachrichtentechnik”，第82页，其中d表示壁厚。根据图10，2*d等于外径D-内径Di。

根据该公式，当磁场感测元件在孔内部深处时，可以推导出针对角度误差的凸出的以下经验法则：

角度误差[°] =ca.（57/μr）*（Di/d）*（B_d/B_m），其中干扰磁场为B_d和磁体的磁场为B_m。通常，干扰场高达1.5mT，磁场为40mT，并且角度误差应当小于0.2°。

因此，得到下述设计规则：μr*d/Di>10。

屏蔽的相对磁导率μ_r乘以其厚度d除以内径应当大于10。

示例：

管101具有22mm的内径和2mm的壁厚，磁场为40mT，并且干扰为1.5mT。如果传感器在管内部11mm，其中μ_r=800，屏蔽为3%，因此管内部的干扰为0.03*1.5mT=0.045mT。这给出0.045/40*180/pi=0.065°的角度误差，并且μ_r*d/Di=800*2/22=73>10成立。

如果将μ_r减少到原来的1/7.3，则这将给出限制μr*d/Di=10并且导致0.065°*7.3=0.47°的角度误差。为了更好地屏蔽，管101的较大μ_r和/或较厚的壁和/或孔的较小直径Di分别是有利的。

根据以上的数值模拟，本领域普通技术人员将理解，对于小的μ_r，屏蔽小于针对大μ_r的屏蔽——这是不重要的。然而，本领域普通技术人员将进一步认识到，对于大的μ_r，更加令人兴趣的是插入传感器元件104深得足以进入轴101的孔中：这就是说，如果传感器元件104仅插入孔中0.4*Di（其对应于横坐标值（z-0.05）/0.022=-0.4），对于μr=7400和μr=3200，屏蔽几乎是相同的，然而，如果将传感器元件104插入Di（其对应于横坐标值（z-0.05）/0.022=-1），则μ_r=7400曲线屏蔽外部磁场是μ_r=3200的2.5倍以上。

要考虑的另一方面是用于设置的涡流和/或滞后的影响，其中传感器元件104和/或磁体沿着旋转的轴线被布置在孔内。

如果磁性感测元件104被定位成沿着旋转轴线（其是图10中的z轴线），并且永磁体被附连到可旋转轴，则存在用于屏蔽磁性感测元件104免于外部磁干扰的两个可能性：

（i）屏蔽件可以相对于磁体静止，或者（ii）磁体和屏蔽件可以针对彼此旋转。

在情况（i）中，屏蔽件可以附连到磁体或轴101，使得磁体和屏蔽件围绕（磁场）感测元件104同步地旋转。在情况（ii）中，屏蔽件可以附连到传感器元件104或不与轴一起旋转的定子，诸如用于轴的安装点。

优选的是，屏蔽件不相对于磁体移动。这种设置将防止磁体的强场（图2、4中的206、图3、5中的306、图7中的700和图8中的800）在屏蔽件内部生成涡流。应当避免这些涡流，因为它们产生次级磁场，所述次级磁场导致传感器104的角度测量中的角度误差。涡流导致在轴的旋转期间滞后于旋转磁场的磁场，轴101的旋转越快，这越关键。

此外，在涡流和磁体之间存在小的力，其可能例如以被散逸成热的旋转能量的形式发生干扰。

此外，当使用屏蔽件时，在屏蔽件和磁体之间的不精确的相对定位令人感兴趣。假设磁体和屏蔽件不是同轴的，这可能使由感测元件104感测的磁场失真并且导致角度误差。通常，如果它们不针对彼此移动，则更容易限定在屏蔽件和磁体之间的精确位置。相反，如果它们针对彼此旋转，例如由于轴承中的间隙，则它们的相对定位不太精确。

最后，屏蔽件的磁滞可能导致针对测量角度的附加角度误差。如果旋转方向频繁变化：则屏蔽件可能对由磁体引起的磁场增加小的磁性失真。由于磁屏蔽件的磁滞引起的磁性失真通常对于顺时针和逆时针旋转是不同的，因为屏蔽件的磁滞使得总场滞后于磁体的场。

在某些情况下，可能仍然优选的是，使用与传感器104静止的磁屏蔽件，并且因此磁体相对于屏蔽件旋转：如果轴101的惯性矩需要被保持为小，使得不想将屏蔽件安装在轴101上，则这种设置是令人感兴趣的。

在本公开中，进一步，感测元件104被描述为集成电路。作为替代，感测元件104可以被实现为离散元件。两个选项都具有其自己的优点，如将在下面更详细解释的。

实现感测元件104的角度传感器电路通常需要至少一个磁场感测元件以基于传感器位置处的（旋转）磁场来检测磁体的旋转位置。为此，可以使用比如AMR（各向异性磁电阻）、GMR（巨磁电阻）、TMR（隧道磁电阻）、CMR（庞磁电阻）、霍尔板、垂直霍尔效应器件、MAGFET或磁阻抗传感器元件的磁电阻。

在许多情况下，传感器电路甚至需要两个或更多个这种传感器元件，以便实现感测元件104，所述传感器元件在不同方向上对准：不同的方向是：在磁电阻或霍尔效应器件的情况下，它们的参考方向（其在AMR、霍尔效应器件和MAGFET的情况下是电流流动方向，而在GMR、TMR、CMR的情况下，参考方向是钉扎磁化的方向）。不同的方向需要显著不同，这意味着至少15°差异。

在理想的设置中，不同的方向相差90°；除了其中不同方向是45°差异的AMR之外。这些多于一个的磁场感测元件应当与磁体相比是小的，并且靠近在一起（与磁体的特征尺寸相比接近）：如果磁体具有10mm的尺寸，则在实现感测元件104时，用于计算角度的所有磁场感测元件应当在<0.5mm（即磁体的1/20）的区域内。作为优选的上限，可以说：它们应当分开不大于磁体尺寸的1/10。磁体的大小应当在下面进行解释：磁体布置通常由三个空间维度表征。根据环境，三个空间维度可以是相同的，在该情况下，该尺寸可以被认为是磁体的大小。然而，如果磁体的三个空间维度不相同，则对于本公开的其余部分，可以考虑表示磁体的大小的三个空间维度中的任一个。

为了实现感测元件104，仅磁场感测元件是否被放置在孔101内部，或者磁场感测元件加上信号调节电路是否被放置在孔101内部（在图10中最佳看到的）是不相关的。在第一种情况下，感测元件104可以使用离散的换能器来实现，在后一种情况下，感测元件104可以使用集成传感器来实现。

集成传感器应当被解释为包括集成电路。集成电路是电子电路，所述电子电路向传感器元件供电并且可选地例如通过预放大和AD转换并且校准与温度漂移等来调节传感器元件的输出信号。

根据环境，可能令人感兴趣的是在单个芯片上实现集成传感器或者在共同封装中实现为多芯片解决方案。

TMR理想地适合作为离散磁场感测设备，因为它们产生大信号，所述信号可以在几厘米或几十厘米的距离上被传输到信号调节电路。也有可能将几个芯片安装到单个电子封装中并将其插入到轴101的孔中。

最后，应当提及的是，如果实现感测元件104的集成传感器是3D磁场传感器，则集成传感器（更准确地说是传感器芯片）不需要沿着z轴或沿着磁体内部或轴101内部的任何预定义定向对准。3D磁场传感器应当被解释为基本上测量磁场矢量的所有分量的传感器。这种3D磁场传感器可以由下述各项组成：霍尔板，用于检测例如磁场矢量的x分量；垂直霍尔效应器件，用于检测例如磁场矢量的y分量；加上垂直霍尔效应器件，用于检测例如磁场矢量的z分量。本领域普通技术人员将容易领会到3D传感器的其他可能的实现，为了简洁起见，不应在这里解释其他可能的实现。

本领域普通技术人员将进一步领会到，当将感测元件104定位在轴210内部时使用的轴承可能对角度传感器104的性能具有影响，如下面将简要讨论的。

图12图示包括磁体206的轴210的端部的横截面视图。轴承212用于安装壳体208，壳体208进而有助于安装（多个）传感器元件104。由于（多个）磁场感测元件104和磁体206被放置在轴210的端部处的孔内部，所以存在（多个）感测元件104和/或磁体206干扰轴210的轴承212（例如球轴承，但不限于此）的潜在风险，所述轴承212通常也靠近轴的端部210。

一方面，孔降低了轴210的强度。如果壁厚（图10中的（D-Di）/2）过低，则可能发生在重负载下，轴210的端部变形，这可能导致磁体206断裂或松动，并且不再刚性地附连到轴210。如果轴承212故障，则它可能升温，并且该温度升高可能使得磁体206发生故障或者从轴210的端部分解或松动。轴承212通常采用某种类型的油脂以减少摩擦，并且该油脂可以到达传感器封装102和/或磁体206，其中该油脂可能导致不想要的化学相互作用（例如减小将磁体206附连到轴210的胶的强度）。

针对这些问题的一个简单补救措施是将传感器元件104和磁体更深地移动到孔内部，这不管怎样是为了改善电磁屏蔽而推荐的。

图12A图示与如前面所讨论的轴承相关的一些问题的第一解决方案。图12A示出平行于被指示为z轴线的旋转轴线的轴101的端部的横截面视图。

在图12A中，轴承212比图12中在轴101上被拉得更远，这就是说，轴承被定位成更远离孔。在图12A的设置中，存在产生感测元件104的位置处的磁场的两个磁体206。在没有限制的情况下，磁体206可以被实现为单一构件或包括多于两个的构件。感测元件104在远离孔的开口的距离da处的位置再次由交叉x指示，如前面结合图10所讨论的。

对于图12A的布置，由磁体206经受并且由轴承212引起的力和机械应力被最小化。换言之，与如图12中所讨论的设置相比，轴承212和磁体206之间的相互作用减小。与图12的设置相比，在图12A的设置中，最小化在轴承212和（多个）磁体之间的热耦合。轴101可以具有小的肩部103（例如，径向方向上为1/10 mm），这避免了当轴承212在轴101上被拉动时损坏轴的薄壁部分。

图12B图示在如图12A所图示的那样套筒214a被安装到轴101的薄壁端部之后的情况。为了简洁起见，使用相同的附图标记图示相同的元件。由于在轴101的端部处的总的增加的壁厚，图12B的实现将改善图12A的布置上的屏蔽。

注意的是，外套筒214a的轻微偏心（例如由于安装容限（图12B中未示出））最可能不会增加角度传感器（即（多个）感测元件104）的角度误差。这是因为由厚度d的薄壁部分所形成的内屏蔽件是主导的。这就是说，内屏蔽件将磁体与外套筒214a屏蔽开，使得磁体206和套筒214a之间的任何相互作用通过内屏蔽件被大大减小。然而，应当注意的是，外套筒214a增加了关于外部磁干扰的屏蔽效率。

优选地，d2>d应当成立，即外套筒214a应当具有比轴101的薄壁端部更大的厚度d2。然而，即使d2>d不成立，外套筒214a也改善屏蔽，但是具有较低效率。

甚至更优选的是，da2>da应当成立，即外套筒214a在轴向方向上比（多个）磁场感测元件104插入到孔中的距离da更长。然而，即使不满足该条件，外套筒214a也改善了屏蔽，但是具有较低效率。

套筒214a优选是具有大的相对磁导率μ_r>10的软（磁性）材料，甚至更优选地μ_r>100，甚至更优选地μ_r>1000，并且再次甚至更优选地μ_r>10000的软（磁性）材料。应当注意的是，套筒214a可以由与轴101不同的材料制成。对于由不同材料制成的套筒214a和轴101，优选的是套筒214a出于下述原因而具有比轴101更大的μ_r：（永）磁体206具有强磁化。由于磁体206靠近壁厚d的薄壁轴端部；因此磁体206也将磁化轴101的薄壁端部。该薄壁轴端部的磁化将恶化其屏蔽能力：薄壁轴端部将更接近饱和，从而减小其针对小叠加外部磁场的有效磁导率。

在本公开的上下文中，饱和应当被理解为基本上材料内部的所有磁矩与（强）净磁场对准，使得它们不能进一步响应于附加的叠加的小磁场。

因此，轴101的薄壁端部不再能够针对叠加的小磁场进行屏蔽。净效果是轴101的暴露于大磁场的那些部分对于屏蔽不太高效——它们将在磁性方面表现为薄壁端部的壁变得甚至更薄。材料的相对磁导率μ_r越大，使材料饱和的磁场就越小。

图12C图示该关系。B是以特斯拉[T]为单位的磁通密度，H是以每米安培[A/m]为单位的磁场，并且μ0是真空的磁导率（=[T]），并且B_rem是材料的剩磁，其是在所有内部矩沿着激励H场对准时所获得的：曲线在原点H=0附近越陡，相对磁导率μ_r越大，但这也意味着材料比在原点H=0附近具有较小斜率的材料在较小磁场H₁<H₂处饱和，如图12C中的虚线所示以用于比较。

还可以设想到，套筒214a（参见图12B）是在图12B的设置中屏蔽掉静磁场的唯一部分。这种情况可能例如在下述情况下发生：轴101由比如铝或黄铜或碳纤维的非磁性材料制成，而套筒214a由软磁性材料制成。在这种条件下，套筒214将屏蔽（多个）磁场感测元件104免于外部磁干扰。

屏蔽件214a还最小化轴承212和磁体206之间的不想要的相互作用。将领会的是，轴承212具有可移动部分（例如球），该可移动部分可以是磁性的，并且因此可能由于磁体206的磁场而被磁化。因此，磁化轴承202可以生成不良定义的磁场，所述磁场在（多个）磁场感测元件104的位置处叠加在磁体206的场上，如由交叉x指示的，其向内进入孔中长度da。因此，磁化轴承202将在轴101的旋转位置的测量中引起附加的误差。

将领会的是，图12B的磁体206具有圆柱形形状，而图12A的磁体包括两个独立磁体206。在两种情况下，在轴的端部内的孔由螺柱孔终止。在没有限制的情况下，另外的选项是可想到的，并且不限于本公开。

图12D示出与关于图12A和图12B讨论的布置类似的另一布置。为了简洁起见，用与图12A或12B中的附图标记相同的附图标记给出图12D中的实体。插入到图12D的轴101的薄壁端部的孔中的传感器的布置特别地包括与图12B的套筒214a不同的套筒214b。图12D的套筒示出了宽度gr的径向方向上的间隙。该间隙可以方便地仅被填充有空气或塑料或其他非磁性材料。间隙gr将有助于提高套筒214b的屏蔽效率。将有利的是，将磁体206的强度调节到径向间隙gr的宽度，使得磁体206的磁场将不会使套筒214b过度饱和。这种设置将进一步增加套筒214b的屏蔽效率。

图12E图示套筒214c的另一变型。图12E的布置类似于图12D和12B的布置，并且为了简洁起见，使用相同的附图标记来指示相同的元件。同时，在图12D中，套筒214b的径向间隙gr在轴向方向上在套筒214b的整个长度上延伸，图12E的套筒214c的径向间隙gr仅部分地沿着轴101的薄壁端部的长度延伸。优选地，间隙gr可以至少在感测元件的长度（由沿着旋转轴线的x指示，远离孔的开口距离da）上延伸。这样，套筒214将有效地至少屏蔽感测元件免于任何外部磁干扰。对于图12D的套筒124b，磁体206的强度可以被调节到径向间隙gr的宽度，以便于不使套筒214c过度饱和。

当设计轴101的薄壁端部内的（多个）感测元件（在图10、12A、12B、12D和12E中由x指示）的布置时，可以考虑独立元件的相应尺寸以便优化布置的整体性能。

通常，孔101的内径Di应当尽可能小，因为这将首先导致对于给定磁体质量的（多个）磁场感测元件的位置处具有较大磁场的较小磁体（或者等效地：可实现的磁场与磁体材料成本的比率）。第二，内孔直径Di越小，通过轴101的薄壁端部和/或套筒214a、214b、214c屏蔽掉外部磁场就越高效。

如果标准SMD传感器封装用于（多个）感测元件106（在图12中最佳看到，其中SMD传感器封装104定向成垂直于旋转轴线），则SMD传感器封装具有大约5mm×6mm的横向尺寸。如果封装被焊接到小的印刷电路板（PCB）并且二者被放置在轴内部，则这需要磁体206的最小内孔直径大约为12mm。然后，轴的孔径Di需要至少为16mm，并且轴外径应当至少为18-20mm。

然而，对于带引线的传感器封装，情况有些不同，如可以从图13看出的：图13图示在轴101的孔内部靠近感测元件106的位置的薄壁端部内穿过轴101的横截面视图。

遍及本公开的其余部分，带引线的传感器封装应当被理解为传感器封装，在所述传感器封装中至少一个半导体芯片（在图13中被指示为芯片）被安装在封装内部并且由一些保护盖（诸如本领域已知的模制化合物mc）覆盖。对于带引线的传感器，还有至少两个传感器引线伸出保护盖mc，并且传感器引线与芯片接触，以便于能够给芯片供应电能并得到芯片的输出信号。将引线引导到封装的一侧（其是轴侧的开口端——图13中的左侧）是方便的。

注意的是，引线可能在其周界的几个面处进入保护盖mc——然而有用的是，引线朝向一侧（即轴101的开口端）弯曲。当然，优选的情况是所有引线伸出封装的一面。将（多个）芯片安装在如图13所示的引线框架上也不是必须的。引线框架可以包括管芯座和引线，芯片被胶合或安装到该管芯座。应当理解，需要引线以便于激励感测元件并获得传感器的输出。替代地，可以使用简单的导线而不是引线框架。而是应当理解，引线框架对于遍及本公开所讨论的所有感测元件是可选的。

此外，可以以各种方式接触芯片：例如，通过接合线（bw），如图13所示，或者通过在引线框架或本领域中已知的其他接触装置上的倒装芯片装配，其对于本公开不是必要的，并且因此不再详细讨论。

由用于（多个）磁场感测元件的封装加上在该封装与磁体206的内孔之间的必要间隙给出Di的下限。在直径方向上的最小可能的半导体芯片尺寸是大约1mm。这给出了直径方向上的2.5mm的封装尺寸。因此，针对磁体的最小孔径为3mm，并且因此轴的薄壁端部的最小孔径Di为5mm。为了保持轴的机械稳定性，轴的最小外径为6 mm。

注意的是，在图13中，磁场感测元件106优选地检测投射到垂直于z轴线的平面上的磁场矢量的定向。芯片通常被布置成平行于z轴线。因此，磁场矢量到垂直于z轴线的平面上的投射可以被分解为x分量和y分量，由此y分量在芯片的平面中，并且x分量是垂直于芯片。

如果现在决定使用具有（x，y，z）轴线的笛卡尔坐标系。因此，磁场感测元件106必须能够检测由磁体206生成的磁场的x分量和y分量之间的角度。这是根据tan（角度）=Bx/By（因为x垂直于芯片平面）的面外角度。共同磁阻元件仅检测面内角度（即，根据tan（角度）=By/Bz的磁场的y分量和z分量之间的角度）。可以通过至少一个霍尔板和一个垂直霍尔效应器件的组合来检测面外角度。

还应当理解，感测元件106放置到孔中应当关于磁体206尽可能对称。在相同的情况下，令人感兴趣的是将磁体206尽可能对称地放置在孔内。

图14A图示具有圆柱形磁体206的轴101的薄壁端部的横截面视图。应当注意的是，类似于本文所引用的其他附图，图14A可能未按比例绘制。感测元件106的位置由沿着z轴线的交叉指示。事实上，感测元件的位置被选择为图14A的设置中的原点。可以围绕传感器位置x在z方向上对称地放置磁体206。对于这种放置，长度S1等于S2。如果磁体206的开口还与z轴线同心，则距离S5等于距离S6，如图14A所示。然而，如果磁体的开口不与磁体206的外周界同心，则距离S7可能不等于图14A的距离S8。还将理解的是，如果磁体206的内孔和/或磁体206的周界可以在形状上是椭圆形或非圆形的，则S5可以不等同于S6。

优选地，尽可能多的上述等式应当基本成立，即S1=S2，S3=S4，S5=S6和S7=S8。满足尽可能多的以上等式的动机是可以实现磁场的最高可能水平的场均匀性的事实。不同的说法是，如果满足以上等式，则磁场的最大数量的空间导数将在传感器位置x处消失。作为磁场导数的消失的结果，在消失的磁场导数的方向上的（装配）容限将不会对感测元件106的角度测量有影响。本领域普通技术人员将领会到，在磁体206的基本均匀磁化的假设下，进行以上对称性考虑。

图14B-14D图示具有磁体206的轴101的薄壁端部和以传感器位置x为中心的孔的长度S3+S4的变型。为了简洁起见，使用相同的附图标记来指代相同的元件。

在图14B中，孔终止于锥形尖端，而图14C的孔从内径Di向最小直径Dm逐渐减小，而代替地图14D的孔从产生肩部的内径Di改变为最小直径Dm。本领域普通技术人员将领会到，在面向背离开口的端部（在图中被描绘在右侧）实现不同形式的终止孔的方式。

将注意的是，到目前为止，当沿着z轴线观察时，轴101的薄壁孔、磁体206以及磁体的孔被认为是圆形的。非常大量的形状对于这些元件是可能的，并且将在下面结合图15A-15I仅讨论其选择。这些图分别图示了在垂直于旋转z轴线的平面中的轴的薄壁端部处的到孔中的横截面视图。

图15A示出具有圆形外周界、圆形孔以及具有圆形外周界和孔二者的磁体206的轴101的横截面，其中所有圆形孔和/或周界与旋转轴线z同心。

在图15B中，轴101的外周界是圆柱形的，而轴101的孔是椭圆形的，磁体的外周界适配到椭圆形孔中。此外，磁体的孔也是椭圆形的，然而轴孔的长轴和短轴可以不与磁体206的椭圆孔的长轴和短轴重合。在图15B的设置中，磁体的外周界的长轴沿着x方向，而磁体孔的长轴沿着y方向。替代地，两个长轴也可以是平行的或者处于它们之间的任何其他角度。

图15C示出圆柱形轴101，而轴的薄壁端部中的孔具有正方形或矩形形状。磁体206的外周界实际上匹配轴101的孔的形状。磁体206的孔具有圆形形状。同样，所有形状都以旋转轴线z为中心，然而这不限制本公开。

图15D类似于图15C，但是磁体206的孔是矩形或正方形的，而不是圆形的。磁体206的外周界与轴101的孔的矩形形状匹配。

图15E类似于图15C或15D。然而，在图15E中，磁体206的孔具有六边形形状。同样，磁体206的外周界与轴101的孔的矩形形状匹配。

在图15F中，轴101的孔具有五边形周界，而磁体206的孔具有六边形形状。如前面那样，轴101内的孔的内周界与磁体206的外周界匹配。

在图15G-15H中，轴101的孔具有与磁体206的外周界不同的几何形状。在图15G中，轴101的薄壁端部的内周界是圆形的，而磁体206的外周界具有五边形形状。这种设置在轴的孔的内周界和磁体206的外周界之间留有一些间隙。图15G的磁体206包括六边形孔。

在图15H中，轴101的外周界不是圆形的，而是六边形的，而轴101的薄壁端部的孔的周界具有圆形形状。磁体的外周界具有五边形形状。关于图15H，磁体的孔具有六边形形状。

在图15G和图15H的两种情况下，在相应的磁体206和轴的孔之间具有间隙，但是该间隙具有变化的宽度。将领会到，磁体206可以被胶合到轴101的孔中或通过任何合适的装置机械地固定在孔内部。

在图15I中，在磁体206和轴101的孔之间存在恒定宽度的间隙。该间隙可以被填充有空气或者塑料或基本上非磁性的一些其他材料或者一些胶，以便将相应的磁体206固定在轴101的孔内。

在没有限制的情况下，如本文所讨论的，磁体206可以被分解成2、3、4 ... N段，这些段被布置成具有对称性的图案，使得当围绕旋转轴线z旋转角度360°/N时其与原始形状相同，所述对称性也可以被称为N重对称性。对于包括磁体段206a、206b、206c、206d的N=4的情况，在图16中以横截面示出了N重对称性的磁体206。这种分段磁体206可以例如通过本领域已知的注射模制工艺来生产。

本领域普通技术人员将领会到，为了基于传感器位置处的（旋转）磁场来确定轴101的旋转位置，令人感兴趣的是确保磁体206在轴101的孔内特别是关于方位角方向的良好定义的位置，所述方向是轴101的旋转方向。为此，方便的是在磁体206的外周界上提供一个或多个凹槽205a、205b和205c。凹槽可以被填充有用于将磁体胶合到轴的孔中的胶。凹槽205a、205b、205c还可以具有下述目的：接受轴101的孔内部的磁体206的热机械应变，以便减小磁体206上的机械应力。这将有助于避免磁体206的断裂。虽然在图17中图示凹槽205a、205b、205c作为磁体206的凹槽，但是凹槽可以替代地或另外被提供在孔的内周界上（图17中未示出）。

图18图示确保磁体206在轴101内的定义的方位角位置的另一选项。作为另一选项，还有可能将某些独特的非对称性引入到磁体和轴中，所述非对称性用作键槽207以定义磁体206相对于轴101的方位角位置。图18再次给出了这种故意非对称性的非限制性示例。同样地，磁体可以具有与轴101内的孔的配合形状组合的平截头体形状。

图19A图示具有外径D的轴101内的磁体206的另一实施例。当轴101的轴向方向上的孔具有恒定的内径2*S4并且磁体206具有相应的外径时，磁体206的内径沿着轴向方向z从2*S5变化到2*S3，其中S3<S5或S3>S5（未示出）。

图19B图示外径D的轴101内的磁体206的另一变型。对于图19B的示例性实施例，孔的内径从2*S4逐渐减小到2*S6。相应地，孔内的磁体206的外径对应于沿着磁体206的轴向延伸的孔的内径。将注意的是，磁体206的外径的锥形形状和孔的内径可以被选择为将磁体206布置在孔内在预期轴向位置中，比如说以由图19B中的交叉指示的传感器布置的敏感点为中心。与图19A内所图示的实施例不同，对于图19B的实施例，可能不需要进一步的措施来将磁体布置在孔内在沿着轴向方向z的预期位置中。与图19A的实施例不同，可能足够的是，将磁体206滑入孔中，直至当磁体达到磁体206的外表面与孔的内表面匹配的预期轴向位置时，磁体停止其沿着轴向方向z的行进，如图19B所示。

图20图示在轴101的孔内的磁体206的另一实现。然而，孔的内径包括台阶或肩部，从而将孔的内径从2*S4改变为2*S6，其中S6<S4。显然，肩部提供了用于限制磁体206在z方向上的轴向可移动性的支座（abutment）。

将领会到，如本文所讨论的，在轴的孔内的任何传感器和/或磁体布置关于测量引擎的可旋转轴或驱动轴的角位置是特别令人感兴趣的。想到的示例是内燃机的驱动轴、任何动力传动系/传动系统的传动轴、或者如在作为非限制性示例的电动车辆中使用的电机的驱动轴。应当理解，如在本公开中考虑的，可旋转轴101被配置为传递高达几百或甚至千牛顿米Nm的扭矩。因此，如本公开内容内设想到的轴101需要具有足够的扭转刚度以可靠地传递这种高扭矩。

本领域普通技术人员将进一步领会到，在比如说电动车辆的引擎舱内可能存在相当大的空间限制。为了控制这种车辆的电机，需要以高精度知道驱动轴的角位置。根据现有技术，该任务使用旋转变压器来解决，即，驱动轴的将指示轴的角位置的机械延伸部。显然，这种旋转变压器需要在引擎舱内的额外空间作为权衡。

此外，如由旋转变压器指示的角位置的精确度取决于对驱动轴101进行延伸的旋转变压器的精确安装。旋转变压器相对于驱动轴的位置的任何偏差或容限将恶化驱动轴的角位置的精度，如旋转变压器元件所示。包括在驱动轴的轴向方向上的孔的轴的端部的部分和包含角感测元件的孔优于在本领域中已知的旋转变压器解决方案的优点也盛行于内燃机，比如说例如在由这种内燃机提供动力的汽车中。

本领域普通技术人员将容易地领会到，为了驱动轴101传递高扭矩运动，对于旋转变压器通常具有显著的装配容限。这些容限可能由轴的静态或动态变形、所涉及的机械部件的定位容限或类似的旋转变压器元件引起。

驱动轴101的静态变形可能是由于轴或物体撞击驱动轴本身的任何恶化引起的。

驱动轴的动态变形可以由驱动轴的不平衡引起，比如说由于变形引起，该变形引起由于这种变形所致的附加惯性矩。显然，这种静态和/或动态变形将投射到旋转变压器元件上，并且恶化由旋转变压器元件指示的角位置的可实现的精度。

旋转变压器元件的静态变形同样可以由物体撞击旋转变压器并使其变形而引起。这种变形可能潜在地引起旋转变压器相对于驱动轴的轴线偏移，仅举一个示例。这种变形可进一步引起旋转变压器的不平衡，所述旋转变压器的不平衡在旋转变压器与驱动轴101旋转期间引起附加的惯性矩，其可实际上支持旋转变压器和/或驱动轴101的进一步劣化。

本领域普通技术人员将领会到，重型滚子轴承可以与传递高扭矩运动的驱动轴组合而令人感兴趣。与通常用于在几牛顿米或甚至低于一牛顿米的范围内的低扭矩运动的传动的精密轴承的情况相比，这种滚柱轴承将需要大量的轴承侧隙。与用于低扭矩运动的传递的精密轴承相比，重型轴承中的轴承侧隙通常将增加径向和轴向方向上的反冲。

因此，对于本领域技术人员来说变得显而易见的是，为什么令人感兴趣的是，当使用用于传递高扭矩旋转的驱动轴的角度感测解决方案时，提供用于驱动轴101的轴承202、212，如本文所公开并且已经参考图2-5、图12-12B、图12D和图12E已经描述的。

本领域普通技术人员将进一步领会，使用根据本公开的用于由驱动轴101传递的高扭矩运动的固体或块状轴是方便的。对于空心轴，证明可能难以可靠地传递高扭矩运动，因为空心轴可能不提供针对这种传递所需要的扭转刚度。本公开通过将角度感测元件放置到驱动轴101的端部内的轴向孔中来实现更高精度的角度测量。作为权衡的机械稳定性，具体地可以减小该空心的端部的扭转刚度。因此，可能令人感兴趣的是，提供驱动轴的一部分，该部分是厚重的并且由轴承支持，如在图12A、B、D和12E中所讨论的实施例中可以看到的。对于这种布置，轴承在由于轴101的端部内的轴向孔而导致的减少的扭转刚度的一部分中不与驱动轴接合。

如本文所公开的（角）感测元件106的“轴内”放置的益处是减少由静态或动态变形引起的附加机械容限，如以上关于旋转变压器的使用所讨论的。

可能令人感兴趣的是，将感测元件106密封免于车辆的引擎舱内的恶劣环境。这种恶劣环境可能例如由于将潜在地危害感测元件106的侵蚀性液体而引起的，所述液体诸如例如是传动润滑剂，其存在于由内燃机运行的汽车中通常已知的齿轮箱中，以给出非限制性示例。自动齿轮箱通常包括一个或多个驱动轴101，针对一个或多个驱动轴101角位置和/或角速度是令人感兴趣的，以便于提供平滑的齿轮变速体验。

应当理解，以下关于感测元件106的任何公开也可以适用，而不限于如以上结合图1-6和12所讨论的感测元件104。

此外，可能令人感兴趣的是，密封（角）感测元件106免于磁性污染，因为磁性污染可能基于磁感测原理而影响感测元件106。磁性污染以多种类型的机械中无所不在的铁屑的形式是已知的。如果这种磁性污染到达驱动轴101内的孔，则（角）感测将显著恶化。因此，对于如本文所公开的轴（角）感测，对孔的密封可能是令人感兴趣的。

图21A和21B图示感测元件106的可能密封的示例。图21A和21B中所示的布置有些类似于结合图13讨论的布置。盖212用于封闭驱动轴101的端部内的轴向孔。盖可以由印刷电路板（PCB）材料制成，但不限于此。图21A和21B中的相同元件被给予同样的附图标记，并且因此将不再进行详细讨论，以避免过多的重复。

在图21A的实施例中，提出使用安装到盖212的表面的环208。可能令人感兴趣的是，使环208与密封构件210配合。方位角方向上的沟槽可以容纳密封构件210。密封构件210可以被实现为简单的O形环或如本领域已知的密封轴承，例如被实现为包括内密封唇状物（未示出）的轴承以密封孔的内部免受外部的影响。在没有限制的情况下，密封轴承还可以包括外密封唇状物。应当注意的是，与驱动轴101传递的扭矩无关，密封构件210可以在方位方向内与传递的扭矩的大部分接触。用于密封构件以便承受在方位角方向上传递的扭矩的大部分的适当材料和尺寸在本领域中是已知的。针对密封构件的非限制性示例是适当尺寸的压制O形环，其密封孔的内部免受外部的影响。

还令人感兴趣的是安装盖212，使得盖212不跟随驱动轴101的旋转运动，而是相对于方位角方向采取静止位置，同时将孔的内部密封免受外部的影响。盖212以及因此（角）感测元件216相对于驱动轴101的静态或定子位置可以使用保持器结构（未示出）来实现。

图21B公开了可能密封感测元件106免受驱动轴101的外部的影响的另一实施例。连接到盖212的垫圈214被用于包围轴（即驱动轴101）的空心端部的圆周。可以方便的是，实现在径向方向（在图21B中被指示为垂直方向x）上的桥接垫圈214和驱动轴101的密封元件。至于图21A的密封构件，密封构件208可以被实现为O形环或包括至少一个本领域已知的密封唇状物的轴承。

根据如关于图21A和21B所讨论的密封构件208的变型，可以实现跟随驱动轴101的旋转运动的盖208。这种用于密封感测元件106的设计将放宽对密封构件208的要求，因为那些元件将不再暴露于传递的扭矩，而是伴随驱动轴101运动。然而，应当注意的是，对于这种设置，将需要另一密封元件210，其包括穿过盖212的PCB的一部分。这为了确保（角）感测元件106相对于可旋转驱动轴101保持在基本上固定的角位置是令人感兴趣的。

尽管与采用旋转变压器的设置相比，（角）感测元件106在驱动轴101的端部内的轴集成或“轴内”布置有助于减少径向和/或轴向装配容限，但是这些装配容限仍然存在轴内布置，但是处于减少的水平。这就是说，对于相对于驱动轴的旋转轴线具有比如说0.5mm的偏心率的旋转变压器，利用旋转变压器实现的角度误差将大于利用用于设置的轴内布置实现的角误差，具有相对于旋转轴线的0.5mm的磁体的偏心率。

一个选项是采用具有高均匀性的磁场的磁体布置206，以便于进一步减少针对轴101内的角感测元件106的轴内布置的径向和/或轴向装配容限的恶化效果。应当理解，高均匀性磁体可以与如本文所公开的任何轴内磁体布置206一起使用。

图22A图示这种高均匀性磁体布置206的第一示例。在图22A中示出了磁体布置的横截面视图。图22A中的交叉指示一旦磁体被布置在驱动轴（未示出）的孔内对应于驱动轴的旋转轴线的位置的位置。作为非限制性示例，图22A的磁体布置包括布置成形成八边形形状的磁环的八个磁性构件。对于磁性构件中的每一个，指示磁化方向206-1至206-4。对于磁性构件的这种布置，基本上均匀的总磁场207将形成在磁性环内部，而在环状磁体布置206外部，可能存在非常少磁场或者实质上甚至几乎没有磁场。这种磁体布置在本领域中称为Halbach磁体。可能方便的是在每个段已经被磁化之前或之后将单独磁体元件206胶合在一起。可以替代地采用布置磁性元件206的任何其他方式，只要布置将基本上不妨碍环结构内的磁场的均匀性。

熟悉Halbach类型的磁体布置206的人将领会到，Halbach磁体布置206在轴向方向上的延伸优选地大于Halbach类型磁体在径向方向上的内径，甚至更优选地大于Halbach类型磁体在径向上的外径。这种尺寸通常有助于改善径向方向和类似的轴向方向上的磁场均匀性。

图22B以横截面视图图示Halbach类型磁体206的另一示例性实施例。将注意到，图22B的磁体206包括具有非均匀磁化的单一构件，所述磁化在所示的横截面内略微平衡，使得大多数磁场线集中在磁体206的中心，而环形磁体的外部几乎没有磁场。如关于图22A、22B所讨论的，这种用于磁体206的Halbach类型布置的优点是双重的：

首先，感测元件106将对径向和/或轴向方向上的装配容限不太敏感，关于这种位移，在存在这种装配容限的情况下，传感器将几乎看不到或看到非常小的磁场（方向）的改变。因此，在基本上均匀的磁场207的区域（如图22A-C所示）内放置多于一个的（角）感测元件106变得更容易。然后，多于一个感测元件将看到相同的磁场207，这在构建冗余和/或多样化的磁（角）感测系统时可能是令人感兴趣的。多样化的磁（角度）感测系统利用多于一个的感测元件来测量磁场207，每个感测元件采用不同的（即多样化的）感测原理，比如说第一个使用GMR传感器，第二个使用霍尔传感器，作为非限制示例。

在（瞬时）干扰的情况下，多于一个的多样化感测元件由于其多样化的感测原理将对（瞬时）干扰不同地作出响应。因此，本领域普通技术人员将领会到，当采用多于一个的多样化感测元件时，（瞬时）干扰将变得明显。替代地，当使用仅仅冗余的多于一个的感测元件时，由于（瞬时）干扰而引起的任何感测数据将不会变得明显，所有这些感测元件采用相同的，即非多样化的感测原理。对于仅冗余的多于一个感测元件，所有感测元件将示出如由相同（瞬时）干扰（也称为由于（瞬时）干扰而导引起的共同原因故障）所引起的基本相同的感测值。

作为Halbach类型磁体206的第二优点，磁体206外部的空间将基本上没有任何磁场，这将减少从磁体206投射到围绕磁体206的任何磁敏感结构以及因此投射到驱动轴101的任何磁干扰。此外，磁体在铁质轴的孔内部的偏心安装不会恶化在Halbach类型环形磁体的中心的感测元件上的磁场的均匀性，因为磁体不向包围它的轴施加磁场。

图22B的Halbach类型磁体206可以被形成为采用实现非均匀磁体的一些模制技术或磁化技术的单一构件，如在申请人于2015年7月29日提交的申请人的早期专利申请作为US 14/812,907中详细解释的，该申请整体地并入本文。

图22C图示另一Halbach类型磁体206的横截面，其中环形磁体内的磁化几乎连续地改变，而环内的磁场示出非常高的均匀性。

虽然下面将方法及其变型图示和描述为一系列动作或事件，但是将领会到，所图示的这种动作或事件的排序不应以限制性意义进行解释。例如，一些动作可以以不同的顺序发生和/或与除了本文所图示和/或描述的动作或事件之外的其他动作或事件同时发生。另外，并非所有所图示的动作都可能需要来实现本文的公开的一个或多个方面或实施例。而且，本文所描绘的动作中的一个或多个可以在一个或多个分离的动作和/或阶段中执行。

应当领会到，所要求保护的主题可以被实现为使用标准编程和/或工程技术来产生软件、固件、硬件或其任何组合以控制计算机实现所公开的主题（例如，图1、图2等中所示的系统/设备是可用于实现以上方法的系统的非限制性示例）的方法、装置或制品。如本文所使用的术语“制品”旨在包括可从任何计算机可读设备、载体或介质访问的计算机程序。当然，本领域技术人员将认识到，在不脱离所要求保护的主题的范围或精神的情况下，可以对该配置进行许多修改。

传感器布置包括传感器元件和磁体模块。传感器元件被配置为测量磁场并且被定位在轴内。轴被配置为屏蔽磁体模块和传感器元件。磁体模块被配置为生成磁场。传感器元件至少部分地被定位在轴内。

另一传感器布置包括传感器模块、壳体和轴。传感器模块被配置为测量磁场。壳体具有模块开口和壳体凹部。传感器模块被定位在模块开口内。轴被耦合到轴凹部并且具有配置为生成磁场的磁体模块。轴被配置为屏蔽磁体模块和传感器模块。

一种集成传感器设备，包括传感器模块、壳体和磁体模块。传感器模块被配置为测量磁场。壳体具有模块开口和轴凹部，并且被配置为屏蔽传感器模块。传感器模块被定位在模块开口内。磁体模块被定位在轴内。轴被耦合到轴凹部。磁体模块被配置为生成磁场。轴被配置为屏蔽磁体模块。

公开了一种具有传感器模块、接口和控制单元的传感器系统。传感器模块位于壳体内并且具有被配置为提供磁场的测量结果的传感器元件。壳体屏蔽传感器模块免于一个或多个干扰。接口被耦合到屏蔽的传感器模块，并且被配置为从屏蔽的传感器模块传输磁场测量结果。控制单元被配置为基于磁场测量结果确定角信息。

公开了一种操作传感器设备的方法。传感器模块被配置或定位到壳体中。传感器模块被壳体屏蔽而免于一个或多个干扰。轴被配置为具有轴凹部。磁体模块被定位在轴凹部内。磁体模块通过轴被屏蔽而免于一个或多个干扰。磁场由磁体模块生成。磁场由传感器模块测量。

特别地，关于由上述组件或结构（组合件、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“装置”的引用）意在对应于（除非另外指示）执行所描述的组件的指定功能的任何组件或结构（例如，即，在功能上等同），即使在结构上不等同于执行本发明的本文所图示的示例性实现中的功能的所公开的结构。此外，尽管可以关于几个实现中的仅一个公开本发明的特定特征，但是这种特征可以与其他实现的一个或多个其他特征组合，如对于任何给定或特定应用可能期望和有利的。此外，在详细描述和权利要求书的任一个中使用术语“包括着”、“包括”、“有着”、“具有”、“带有”或其变体的程度上，这种术语意在以类似于术语“包括”的方式是包括性的。

Claims

1.一种传感器布置，包括：

-用于电动自行车的可旋转驱动轴，沿着旋转轴线延伸并且包括沿着所述旋转轴线从所述轴的第一端面延伸的孔；

-磁体模块，被布置在所述孔内并且耦合到所述驱动轴，所述磁体模块被配置为在所述孔内生成磁场；以及

-至少一个感测元件，被配置为响应于所述驱动轴的旋转来感测所述磁场的旋转。

2.根据权利要求1所述的布置，其中，所述感测元件具有敏感点，所述敏感点被布置在所述孔内并且暴露于旋转磁场。

3.根据前述权利要求中任一项所述的布置，还包括密封构件，所述密封构件可耦合到所述驱动轴以覆盖所述孔，所述密封构件将布置在所述孔内部的感测元件与所述孔的外部分离。

4.根据权利要求3所述的布置，其中，所述密封构件被耦合到所述驱动轴的端部的圆周面。

5.根据权利要求3所述的布置，其中，所述密封构件被耦合到所述驱动轴的第一端面。

6.根据前述权利要求中任一项所述的布置，其中，所述驱动轴被配置为传递至少几十牛顿米的高扭矩，优选的是几百牛顿米的高扭矩。

7.根据前述权利要求中任一项所述的布置，其中，所述驱动轴被配置为传递用于推进所述电动自行车的旋转运动。

8.根据前述权利要求中任一项所述的布置，其中，所述感测元件被实现为包括至少一个管芯的半导体器件。

9.根据前述权利要求中任一项所述的布置，其中，所述磁体布置提供主要包含在所述磁体布置的外周内的磁场。

10.根据前述权利要求中任一项所述的布置，其中，所述驱动轴包括屏蔽来自感测元件的磁干扰的软磁性材料或铁质材料。

11.根据权利要求9所述的布置，其中，所述磁体布置在轴向方向上的尺寸大于所述磁体布置的内径，优选地大于所述磁体布置的外径。

12.根据权利要求9所述的布置，其中，所述磁体布置被实现为单一构件。

13.根据权利要求9所述的布置，其中，所述磁体布置具有基本上环形的形状，包括在所述磁体布置的中心区域内的均匀分布的磁通量。

14.根据前述权利要求中任一项所述的布置，还包括锁定机制，所述锁定机制被配置为在沿着轴向方向的定义位置处将所述磁体布置锁定在所述孔内部。

15.根据前述权利要求中任一项所述的布置，还包括锁定机制，所述锁定机制被配置为在相对于轴向方向的定义的方位角位置处将所述磁体布置锁定在所述孔内部。

16.根据前述权利要求中任一项所述的布置，其中，所述孔的内径从所述驱动轴的第一端面处的第一直径逐渐减小到小于所述第一直径的第二直径。

17.根据权利要求3所述的布置，其中，所述密封构件包括密封轴承。

18.根据权利要求3所述的布置，其中，所述密封构件相对于所述驱动轴被固定地布置。

19.根据前述权利要求中任一项所述的布置，其中，所述磁体是磁性丸。

20.一种电动自行车，包括根据前述权利要求中任一项所述的布置。

21.根据权利要求20所述的电动自行车，还包括被配置为提供可变齿轮比或固定齿轮比的齿轮。