CN107735650A - 霍尔传感器 - Google Patents

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    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • H02K11/215—Magnetic effect devices, e.g. Hall-effect or magneto-resistive elements

Abstract

本发明涉及用于确定转子(4)相对定子(5)的角位置的传感器组件(1)，其包括两个部件，即磁体(2)和传感器(3)，其中部件(2、3)以围绕旋转轴(A)相对于彼此旋转的方式布置，其中传感器(3)包括第一和第二传感器对(31、32)，每对具有第一和第二传感器元件(311、312、321、322)。每对传感器对(31、32)具有与之关联的直线(313、323)，两对传感器元件(311、312、321、322)沿着直线放置且直线与旋转轴(A)相交，其中第一传感器元件(311、321)具有比第二传感器元件(312、322)更小的距旋转轴(A)的距离，其中与第一传感器对(31)相关联的直线(313)与第二传感器对(32)相关联的直线(323)间隔开绕旋转轴(A)的旋转角。

Description

霍尔传感器
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分用于确定转子相对于定子的角位置的传感器组件，还涉及一种使用传感器组件确定转子相对于定子的角位置的方法。
通用传感器组件用于以非接触方式确定转子相对于定子的角位置。通常，转子和定子是围绕旋转轴相对于彼此旋转的部件。例如，转子可以是轴，定子可以是轴承壳体。例如，转子可以适于在定子静止时围绕旋转轴旋转，使得转子可以相对于定子围绕旋转轴旋转。例如，定子和转子都可以适于围绕相同的旋转轴旋转，并且转子可以围绕旋转轴相对于定子旋转。转子相对于定子的角位置由转子围绕其相对于定子绕旋转轴旋转的角度限定。因此，通用传感器组件构造成使得首先可以确定转子相对于定子的初始角位置，然后可以从初始角位置开始连续地检测转子相对于定子的角度，并且角度可以明确地表示在0和2π之间。
通用传感器组件具有两个部件，即磁体和传感器，其中部件中的一个可以布置和固定在转子上，另一个固定在定子上，用于非接触式检测转子相对于定子的角位置。磁体相对于传感器的配置和布置使得其在传感器处产生磁场，该磁场作为围绕旋转轴限定角位置的角度的函数而变化，并且以2π周期长度或2π整数分数周期性地分布。为了明确地确定角位置，传感器通常具有多个传感器元件，每个传感器元件配置为确定其暴露于其中的磁场强度，并且通过传感器的不同传感器元件的比较测量获得精确的角位置。在这种情况下，传感器的传感器元件相对于磁体布置在不同的位置，使得它们各自根据磁体的位置(即其围绕旋转轴的角度)来测量不同的磁场强度，使得比较测量(即从不同传感器元件导出的不同测量值的比较)理论上允许使用传感器组件特别精确地确定角位置。
现有技术已知磁体和通用传感器组件的传感器的各种实现方式。例如，通常使用多极环形磁体作为磁体(参见例如WO 2014/029885 A1或DE 112007003276T5的传感器组件)，因为这样的磁体能够以简单的方式提供具有以围绕旋转轴的角度的函数的周期性变化的、具有短周期长度的磁场强度的磁场。因此，这对于角度(因此，当用于转子和定子时，对于转子相对于定子的角位置)的最准确的可能的确定是特别有利的。在常规的传感器组件中，磁体通常设置在转子的端面上，即在转子的表面上，旋转轴穿过该表面延伸，并且传感器沿着与磁体和转子的端面稍微间隔开的旋转轴布置，使得传感器能够特别好地检测磁场，以及因此还检测作为磁体围绕旋转轴的角度的函数的磁场变化。然而，常规传感器组件的基本问题是在应用传感器组件的位置处不能排除外部磁场(干扰磁场)的存在，从而通过使用多个传感器元件的比较测量来确定角位置通常是不正确的，因为外部磁场在不同传感器元件处具有不同的外部磁场强度，使得来自不同传感器元件的磁场强度的不同测量值不仅由传感器组件的磁体相对于相应传感器元件的位置引起而且还由外部磁场引起。
在根据WO 2014/029885A1的传感器组件中，通过使传感器组件的传感器沿着旋转轴布置为面向多极环形磁体形式的磁体并且在该磁体径向范围内来解决这个问题，其中所述传感器具有两个传感器对，每个传感器对包括两个传感器元件，其中所有传感器元件围绕所述环形磁体的径向范围内的旋转轴布置在圆周上，并且其中传感器对的传感器元件相对于旋转轴彼此沿直径相对地布置并且对称于轴。所有传感器元件适于确定由磁体沿着旋转轴提供的磁场的场分量，并且彼此相对布置的传感器对的传感器元件以彼此相反的方向排列。通过将传感器对的传感器元件的测量值相加，可以在假设两个传感器元件上的外部磁场相同的情况下平均化外部磁场。所描述的传感器组件的无误差功能的先决条件始终是传感器对的传感器元件尽可能地彼此靠近并且在环形磁体的径向范围内布置，因为只有在这种情况下，才能够通过传感器对的传感器元件的测量值的求和来可靠地平均化外部磁场，同时由于这种情况下给出的磁场的角度依赖性使得能够在无误差的情况下确定磁体围绕旋转轴的角度。然后传感器元件可以布置在围绕旋转轴的径向范围内，其中磁场强度沿着旋转轴单调变化，使得即使在传感器相对于磁体的位置稍微偏移的情况下也可以可靠地确定磁体围绕旋转轴的角度。因此，所描述的传感器组件的特定缺点是传感器组件必须布置在转子的端面上，从而可以实现角位置的无误差确定。例如，不可能将传感器组件布置在离旋转轴较远的径向距离处，例如在转子的径向外表面上。
本发明的目的在于提供一种可以用于最通用的应用的并且适用于最精确的确定可能的转子相对于定子的角位置的传感器组件，并且特别地解决了上述现有技术传感器组件的至少一个缺点。此外，本发明的目的是提供一种使用传感器组件确定转子相对于定子的角位置的方法，所述传感器组件可以最容易且精确地执行该方法，并且特别地解决了现有技术传感器组件的至少一个上述的缺点。
作为上述技术问题的解决方案，本发明提出一种具有权利要求1所述特征的传感器组件。所述传感器组件包括两个部件，即磁体和传感器。所述部件布置成围绕旋转轴相对于彼此旋转。例如，传感器可以沿着旋转轴与磁体间隔开例如几毫米。传感器包括第一和第二传感器对，第一和第二传感器对各自具有第一和第二传感器元件。每个传感器元件配置为确定在布置传感器元件的位置处的主要磁场的磁场强度。根据本发明，每对传感器对都具有与其关联的直线，两个传感器元件沿着该直线放置并且该直线与旋转轴相交。因此，每个传感器元件适于确定空间范围内的磁场的磁场强度，该空间范围的空间中心基本上位于直线上。与传感器对相关联的直线中的至少一条，特别是全部，可以垂直于旋转轴延伸。最优选地，所有直线相对于旋转轴具有相同的角度。根据本发明，第一传感器元件具有比第二传感器元件距旋转轴更小的径向距离。这可能特别适用于每对传感器对。径向距离是指沿垂直于旋转轴方向，延伸穿过旋转轴并穿过相应的传感器元件的距离。特别地，对于至少一对，特别是对于每对传感器对，两个传感器元件位于旋转轴的相同的径向侧上。与第一传感器对相关联的直线和与第二传感器对相关联的直线间隔开围绕旋转轴的旋转角。直线相对于彼此特别地布置成使得在与第一传感器对相关联的直线围绕旋转轴的旋转角的假想旋转的情况下，与第一传感器对相关联的直线和与第二传感器对相关联的直线重合。
根据本发明的传感器组件可以用于各种应用，并且适用于特别精确地确定转子相对于定子的角位置。由于通过旋转角彼此间隔开的两个传感器对的布置，基本上可以特别精确地检测磁体围绕旋转轴的角位置或角度。由于每对传感器对包括位于直线上的两个传感器元件，该直线延伸穿过旋转轴并且每一传感器元件具有与旋转轴不同的距离，此外对于每对传感器对，能够确定由磁体产生的不受外部磁场的影响的磁场的值，使得能够最精确地确定与传感器对相关联的直线的角度。这是由于以下考虑：可以精确地计算由磁体提供的磁场，特别是可以计算磁场强度的分布，该磁场强度为距旋转轴的径向距离的函数。例如，由一些已知的多极环形磁体，特别是具有轴向-横向磁化强度的环形磁体，提供的磁场的区别在于，其径向磁场分量的值在半径区段内至少近似线性地增加。具有磁场的其他径向相关性的其他磁体也是已知的。由于磁场分量的值的径向相关性是已知的，所以可以例如通过计算从传感器对的传感器元件获得的值之间的差异来消除外部磁场的影响。这里，传感器元件可以布置在旋转轴的相同的径向侧上并且彼此靠近，使得实际上外部磁场在两个传感器元件上相同，具有很好的近似。可以对每对传感器对进行相应的外部磁场消除。然后，通过比较每对传感器对获得的值，可以非常精确地确定磁体围绕旋转轴的角度以及转子相对于定子围绕旋转轴的角位置。特别有助于根据本发明的传感器组件的通用适用性的事实是:本发明的传感器组件允许使用具有不同几何形状的磁体，并且可以在不同的点处将磁体附接到转子或定子，例如在转子的端面处或在转子的径向外表面上，以及可以根据所选择的磁体的布置和配置来选择传感器元件的布置。由于传感器对的传感器元件可以布置在旋转轴的相同的径向侧上，并且可以自由地选择传感器元件之间的适当间隔，因此本发明的传感器组件不限于具体设计，而是可以容易地适用于各种设计，特别是用于在端面上的磁体布置或用于磁体在径向外表面上的布置。因此，本发明的传感器组件与现有技术的传感器组件不同。已知的传感器组件，例如根据WO2014/029885A1的传感器组件，配置成使得传感器组件的传感器元件径向地布置在转子的旋转轴上，或者至少距旋转轴非常小的径向距离。通常，传感器元件与旋转轴径向间隔小于5mm，大多小于2mm，并且通常提供围绕旋转轴的直径在10和20mm之间的磁体，使得磁体能够在传感器元件的位置处提供足够大的磁场，该位置至少在旋转轴附近。因此，已知的传感器组件通常也称为“轴上”布置，其布置在转子的端面侧上，即在与转子相邻的旋转轴的方向上并且因此在沿着旋转轴的长度区段上，其沿着旋转轴在转子的延伸范围之外。相比之下，本发明的传感器组件提供了可以用作所谓的“离轴”布置的实施例。由于两个传感器元件可以径向地布置在旋转轴的同一侧上，传感器元件可以与旋转轴间隔开大于10mm，特别是大于15mm，例如在15mm和30mm之间。因此，可以使用直径大于20mm，特别是大于30mm，特别是在30mm和50mm之间的磁体。因此，本发明的传感器组件特别适用于以下应用，其中包括传感器元件的传感器横向地布置在转子上或横向地布置在定子上，也就是说在任何沿着旋转轴的期望位置处。因此，传感器不一定需要布置在转子的端面上，而是可以横向布置在转子上。例如，沿着旋转轴的长度区段(其中转子沿旋转轴延伸)，具有传感器元件的传感器可以相对于转子径向偏移布置。至少在本发明的范围内的一些实施例中，传感器可能同时非常小。因此，在这种配置的实施例的情况下，一方面，传感器组件可以以节省空间的方式布置在转子或定子上，另一方面，制造传感器组件的制造成本和材料成本可以保持较低。这是因为传感器对的每个传感器元件可以布置在旋转轴的径向侧上并且因此在转子的侧面，从而不需要围绕旋转轴延伸的装置来实现传感器组件的传感器。特别地，所有传感器对都可以配置成使得其传感器元件布置在旋转轴的径向侧上。此外，两对相邻传感器对的直线之间的旋转角可以保持非常低，这进一步有助于传感器组件的节省空间和节省材料的设计。特别有利的是，提供N极磁体作为磁体。根据本发明，可以提供具有至少两个，特别是多于两个极，特别是具有偶数个极的磁体。极数越多，可以选择的旋转角越小。这里总是必要的是两个相邻的传感器对位于通过这样的旋转角间隔开的直线上，使得它们将测量由磁体产生的磁场的不同相位。在提供N极磁体的情况下，特别优选地，两个相邻传感器对的直线相互间隔开的旋转角小于2π/N。特别优选地，该旋转角为π/N。在这种情况下，旋转角的计算可以是特别简单的，如可以从以下进一步的示例性计算显而易见的，特别是在磁场强度呈现周期性分布的磁场的情况下，由于作为旋转角的结果，由两个传感器对测量的磁场的各个相位偏移，该周期性分布是围绕旋转轴的旋转角(具有周期长度τ)的函数。
特别优选地，第一传感器对的两个传感器元件之间的径向距离对应于第二传感器对的两个传感器元件之间的径向距离。这使得能够通过比较来自传感器对的传感器元件的值(在两对传感器对处解析地确定)，以特别简单的方式相对于围绕旋转轴的旋转来精确地确定磁体相对于传感器的角度。这是因为由于传感器元件的间距相同，可以从传感器对的传感器元件确定的传感器对的值实现直接的比较，而不需要考虑由磁体产生的磁场分布的复杂的解析重新计算。特别优选地，第一传感器对的第一传感器元件具有与第二传感器对的第一传感器元件距旋转轴的相同的径向距离。特别优选地，第一传感器对的第二传感器元件具有与第二传感器对的第二传感器元件距旋转轴的相同的径向距离。通过这些测量，特别是这些测量的组合，可以为这些值提供特别好的比较，而不需要从传感器对的传感器元件确定的每个传感器对的值的解析重新处理。
在一个实施例中，所述磁体实施为具有至少两个，特别是至少四个极的多极磁体，用于提供具有围绕旋转轴周期性地分布的磁场强度的磁场，所述磁场强度作为旋转角的函数，具有周期长度τ。特别地，周期长度τ在0至2π的整个角度范围内可以是恒定的，并且特别地，可以为4π/N，其中N表示磁体的极数。特别地，磁体可以以环形磁体的形式提供。例如，磁体可以在其端面上具有多个磁极，该端面限定沿着旋转轴的磁体的端部。例如，磁体可以配置为环形磁体，在其端面上具有环形区段，每一环形区段形成一个极，其中特别地，每个环形区段遍布相同尺寸的角度区段。例如，磁体可以是四极环形磁体，每个磁极遍布90°的角度区段。例如，磁体可以轴向磁化，使得磁体内的磁化强度矢量基本上完全沿着旋转轴延伸。例如，磁体可以是具有轴向-横向磁化强度的多极磁体，使得磁体内部的磁化强度部分地延伸有沿旋转轴的分量，并且部分地延伸有垂直于旋转轴的分量。例如，可以设计具有轴向-横向磁化强度的多极磁体，使得其各个不同的极由磁性区段限定，并且磁化强度矢量的方向在限定极的磁性区段内变化。在这种情况下，这种具有轴向-横向磁化强度的磁体可以是环形磁体的形式，例如，其中每个磁性区段都是角区段的形式，特别是其中在限定磁极的磁性区段内，磁化强度矢量的方向沿着整个磁性区段内的径向轴是恒定的。例如，具有轴向-横向磁化强度的磁体可以配置为使得磁体内的磁化强度以弧形的方式延伸，特别是以圆弧的形式，特别是围绕垂直于作为弧中心的旋转轴的轴的形式延伸。在这种情况下，例如磁化强度矢量可以在彼此相邻布置的两个极之间的过渡处垂直于旋转轴延伸，同时随着离过渡的距离的增加，朝向旋转轴的磁化强度矢量的分量将在每个区段中增加。特别地，这种具有轴向-横向磁化强度的磁体可以是环形磁体的形式，其中每个磁极由围绕旋转轴的磁体的角区段限定，并且磁极彼此相邻。在所述实施例中，其中使用的多极磁体基本上配置成提供具有围绕旋转轴周期性分布的磁场强度的磁场，其作为旋转角的函数，具有周期长度τ。为此，沿旋转角的过程设置交替布置的极点。周期长度τ随着极数的增加而减小。特别优选的是，极数是2的倍数。周期性可以特别地涉及磁场的特定分量，例如涉及磁场的径向分量。通过提供这种周期性分布的磁场的多极磁体，特别地可以确保磁体相对于传感器的角度的可再现的测量，并因此特别地精确确定转子相对于使用本发明的传感器组件的定子的角位置。特别优选地，两对传感器对的直线相互间隔开的旋转角为π/N，其中N表示磁体的极数。以这种方式，可以特别地简化磁体相对于传感器的角度的确定，如从下面给出的示例性计算将显而易见的是，可以通过相应的旋转角给出传感器对之间相对于磁场强度的周期性分布的相移，这使得可以基于比较来简单地解析计算角度，特别是计算基于从传感器对获得的值的比值。
特别优选地，磁体配置为使得由磁体产生的磁场的特定方向的磁场分量，例如在垂直于旋转轴的方向上的磁场分量，例如径向的磁场分量，在半径区段内作为半径的函数单调变化，特别是线性变化，以及传感器的传感器元件布置在该半径区段内。特别优选地，为此目的，磁体可以是具有轴向-横向磁化强度的环形磁体的形式。特别优选地，相关性，即特定磁场分量随半径(即与旋转轴的径向距离)的变化，在0至2π的整个角度范围内是相同的，使得半径区段对于围绕旋转轴的任何旋转角也是相同的。利用这种磁体的配置，可以使传感器对之间特别好的比较测量成为可能，并且因此特别简单且精确地确定磁体相对于传感器的角度。在该实施例中，特别有利的是，在确定的磁场分量，特别是线性变化的半径区段内布置至少一对传感器对，特别是所有传感器对的传感器元件。为了避免由于磁体和传感器之间的位置公差(例如径向距离的公差)而导致的不正确的测量，在该示例性实施例中，如果传感器对的传感器元件之间的径向距离小于半径区段的径向范围的90％，特别是小于70％，可能是特别有利的。以这种方式，可以特别简化磁体相对于传感器的角度的确定，通过示例性计算如下面将进一步详细说明。
在一个实施例中，传感器对中的至少一个包括至少三个传感器元件，每个传感器元件位于沿着与传感器对相关联的直线。在一个实施例中，传感器包括至少三对传感器对，每对传感器对具有与之相关联的相应的直线，相应的传感器对的传感器元件沿着该直线布置，并且所有的直线都围绕旋转轴间隔开一个旋转角，并且在旋转轴上相交。在这种情况下，特别地，当然相对于围绕旋转轴的特定旋转方向，可以总是在相邻的两条直线之间提供相同的旋转角。在所描述的实施例中，提供大量传感器元件可以允许特别精确地确定磁体相对于传感器的角度，并且因此根据本发明的传感器组件，可以通过以下方式特别精确地确定转子相对于定子的角位置，由于许多不同的传感器元件允许进行各种比较测量，使得由单个传感器元件的故障或错误布置引起的误差或由磁体内的不期望的变化引起的误差(例如磁化变化)可以最好的消除。
在一个实施例中，所有传感器元件配置为输出与其布置在其位置处的磁场成比例的测量值。传感器所在的位置由传感器测量磁场的空间中心定义。在一个实施例中，所有传感器元件配置成在正好一个方向上测量磁场分量，因此输出与该方向上的磁场分量成比例的测量值。例如，所有传感器元件可以配置为霍尔传感器元件，使得它们输出霍尔电压作为测量值。在这种情况下，输出的霍尔电压可以预定义为U霍尔＝k*Br，其中U霍尔是由霍尔传感器元件输出作为测量值的霍尔电压，k表示比例因子，Br表示径向场分量。传感器元件可以特别地配置为能够专门地测量具有垂直于旋转轴的取向的磁场分量，特别是径向方向上的磁场分量。作为霍尔传感器元件的传感器元件的这种配置可以是特别有利的，因为霍尔传感器元件可以以成本有效的方式生产，并且非常适合于精确地确定所施加的磁场。此外，将测量限制在一个预定方向上的磁场分量，减小了传感器组件的误差敏感性。
在一个实施例中，传感器组件包括用于确定角位置的计算单元，所述计算单元配置为确定来自所述传感器元件的测量值，所述测量值与在相应的传感器元件处的主要磁场成比例，特别是与磁场的特定磁场分量成比例，特别是与垂直于旋转轴的磁场的磁场分量成比例，特别是与磁场的径向磁场分量成比例。包括在传感器组件中的计算单元允许直接确定来自传感器元件的测量值，使得计算单元能够在根据本发明传感器组件的预期用途的情况下直接获得关于转子相对于定子的角位置的结论。特别优选地，计算单元配置为通过从第一传感器对的第二传感器元件确定的测量值减去从第一传感器对的第一传感器元件确定的测量值来计算第一差值，并且通过从第二传感器对的第二传感器元件确定的测量值减去从第二传感器对的第一传感器元件确定的测量值来计算第二差值，并且从这些差值的比值确定转子相对于定子的角位置。这特别地允许消除外部干扰磁场的干扰影响，否则这可能导致确定由组件的磁体产生的与角度相关的磁场的误差。该减法可以例如通过从两个相同定向的霍尔传感器确定的测量值的计算减法，或通过从两个相反方向的霍尔传感器确定的测量值的数学求和来实现。在任一情况下，减法用于消除干扰场的影响。例如，可以从计算单元中解析地或数值地确定角位置与差值的比值。在所描述的实施例中，通过计算每个传感器对的传感器元件的测量值的差异可以消除外部磁场的影响，而通过计算为传感器对确定的测量值之间的比值，例如通过使差值的比值与表示为角度的函数的函数的比值相等，可以直接确定磁体相对于传感器的角度，其数学上表示物理上预期的差值。物理上预期的差值可以从传感器元件已知的行为和磁体的磁场分布物理上、数学上导出。这将通过示例性计算在下面更详细地解释。
特别优选地，计算单元配置为通过角度α来定义角位置并且使用以下等式来确定角度α：
其中U1是第一差值、U2是第二差值、τ是周期长度、f(α)是取决于α的周期函数，其具有周期长度τ，β是与两个传感器对相关联的直线之间的旋转角。差值U1和U2可以从如上所述的两对传感器对的传感器元件的测量值导出，而差值的比值的功能表示作为表征磁体相对于传感器角度的角度α的函数，并且作为根据由传感器组件的几何结构给出的传感器对的直线之间的旋转角β和周期长度τ的函数，该功能表示考虑到作为角度α的函数的磁场强度的周期性行为反映了物理数学上预期的差值的功能性。特别优选地，磁体相对于传感器构造和布置成使得其在传感器元件的位置处提供具有在傅里叶级数展开的意义上无谐波的周期性的磁场。这简化了周期函数f(α)，使得上述等式可以简化为：
特别地，这样的磁场可以由具有轴向-横向磁化强度的磁体提供。结果，大大简化了角度α的确定。
本发明还涉及根据本发明的用于确定转子相对于定子的角位置的传感器组件的用途，其中测量值是从传感器对的传感器元件导出的。通过从第一传感器对的第二传感器元件确定的测量值减去从第一传感器对的第一传感器元件确定的测量值来计算第一差值。通过从第二传感器对的第二传感器元件确定的测量值减去从第二传感器对的第一传感器元件确定的测量值来计算第二差值。特别地，该减法允许消除外部干扰磁场的干扰影响，否则该影响可能在确定由组件的磁体产生的与角度相关的磁场时引起误差。然后从这两个差值的比值确定角位置。根据本发明的用途提供了结合本发明的传感器组件和如上所述执行的优点。
本发明还涉及一种使用传感器组件确定转子相对于定子的角位置的方法，该传感器组件包括两个部件，即磁体和传感器。两个部件中的一个布置在转子上，另一个部件布置在定子上。传感器包括第一和第二传感器对，并且每对传感器对包括两个相应的传感器元件。传感器对通过围绕转子可相对于定子旋转的旋转轴的旋转角彼此间隔开。测量值由传感器元件确定，每个测量值与相应传感器元件上的主要磁场成比例。通过从第一传感器对的第二传感器元件确定的测量值减去从第一传感器对的第一传感器元件确定的测量值来计算第一差值。通过从第二传感器对的第二传感器元件确定的测量值减去从第二传感器对的第一传感器元件确定的测量值来计算第二差值。特别地，该减法允许消除外部干扰磁场的干扰影响，否则该影响可能在确定由组件的磁体产生的与角度相关的磁场时引起误差。角位置是根据两个差值的比值确定的，为此，可以相应地应用上述实施例。本发明的方法可以意隐含有优点并且可以包括以上结合本发明的传感器组件详细描述的其它特征。
根据本发明，例如在如下所述的示例性实施例中，可以通过确定磁体相对于传感器布置的角度α来实现角位置的确定。以下，假设无谐波情况下的磁场对角度α的周期依赖性。以下计算当然也适用于任何其他周期函数f(α)。在这种情况下，为简化而使用的函数sin(α)必须由f(α)代替。通过示例描述的示例性实施例使用传感器组件，其包括两对传感器对，每对传感器对具有两个传感器元件，每个传感器元件配置为霍尔传感器元件。霍尔传感器元件适用于通过输出与传感器元件所暴露的磁场的确定的磁场分量成比例的霍尔电压U作为测量值，测量特定方向上的磁场分量，特别是垂直于旋转轴的分量，特别是径向磁场分量。在所描述的实施例中，根据本发明的传感器组件包括具有N个极的多极磁体，并提供具有特定磁场分量的磁场，该磁场分量作为围绕旋转轴的旋转角的函数周期性地分布，具有周期长度τ。
在所描述的示例性实施例中，传感器元件输出的霍尔电压可以如下表示，其中径向磁场分量Br用作特定磁场分量的示例：
其中：
U1,1：第一传感器对的第一传感器元件的霍尔电压；
U1,2：第一传感器对的第二传感器元件的霍尔电压；
U2,1：第二传感器对的第一传感器元件的霍尔电压；
U2,2：第二传感器对的第二传感器元件的霍尔电压；
Br(r)：是随角度α周期性变化并且具有取决于半径r的值的径向磁场分量的振幅；
r1,1：是第一传感器对的第一传感器元件距旋转轴的径向距离；
r1,2：是第一传感器对的第二传感器元件距旋转轴的径向距离；
r2,1：是第二传感器对的第一传感器元件距旋转轴的径向距离；
r2,2：是第二传感器对的第二传感器元件距旋转轴的径向距离；
τ：是周期长度；
α：是磁体相对于传感器的角度；
β：是与传感器对相关联的直线之间的旋转角；
Bext,1：是第一传感器所暴露的外部磁场；
Bext,2：是第二传感器所暴露的外部磁场；
k：是比例因子。
这里，对于所描述的示例性实施例，假设由于每对传感器对的传感器元件的接近度，对于每对传感器的传感器元件的外部磁场是相同的。因此，每对传感器对的差值U1和U2可以通过减法从传感器元件的测量值确定：
因此，产生用于计算差值的比值的以下等式：
这里必须考虑的是，Br(r)表示与角度α无关的磁场分量的振幅。因此，在特别优选的实施方式中，能够设定因子：
例如，在所有传感器元件布置在其中磁场强度的分量线性增加的半径区段的实施例中，如果传感器元件之间的径向距离对于两个传感器对相同可以是这种情况。此外，如果两对的第一传感器元件和两对的第二传感器元件与旋转轴的径向距离相同可以是正确的情况。这也可以是对于与所描述的实施例的轻微偏差的合理近似。
因此，在特别优选的实施例中，角度α可以由以下公式来确定：
例如，根据本发明的传感器组件可以包括计算单元，例如通过适当的表格，该计算单元能够从基于所提出的方程从传感器元件的测量值来如上所述获得的比值U1/U2，来数值确定角度α。在这里，必须考虑到基于根据本发明的传感器组件的几何形状，角度β和周期长度τ是已知的。特别优选地，角度β可以预先定义为τ/4，从而可以简化该比值以给出：
从而也可以通过简单地计算反正切来从测量和确定的比值U1/U2中解析地获得角度α。
参考三个附图，以下将更详细地解释本发明，其中：
图1包括示出根据本发明的传感器组件的实施例的示意图；
图2示意性地示出了根据本发明的实施例中使用的磁体的磁化强度变化；
图3包括示出根据本发明的传感器组件的另一实施例的示意图；
图1包括图1a至1d，其示意性地示出了根据本发明的传感器组件的实施例，其中示出了磁场分布的示意图和曲线图。
图1a示出了沿着旋转轴A的视图的本实施例，其在这种情况下，旋转轴A垂直于绘图平面的中心延伸穿过磁体2。所描述的实施例包括磁体2和传感器3。磁体2配置为多极的，在本例中为四极环形磁体，具有轴向-横向磁化强度。因此，磁体2在其端面上具有如图1a所示的四个极，并且限制其沿着旋转轴A的方向的延伸。每个极延伸超过90°的角度范围。磁极交替布置，使得磁体2配置为提供一磁场，该磁场的磁场强度周期性分布，具有周期长度τ，作为绕旋转轴A的旋转角的函数。由于具有四极的磁体2的对称性，周期长度τ对应于π的角度。周期性与磁体2的径向磁场分量有关。该径向磁场分量Br的周期性作为旋转角的函数绘制在图1b中。图1b示出了作为半径r1处的角度的函数的径向磁场强度Br的分布。这里必须考虑到，Br的振幅取决于半径r。该依赖关系如图1c所示。图1c示出了在特定角度处作为半径r的函数的径向磁场分量Br。从图1c可以看出，径向磁场分量Br在半径区段L上的线性变化。半径区段L也在图1d中以几何方式表示，其以放大的比例示出了图1a的视图的截面T。
图1所示实施例的传感器3包括两个传感器对31、32。每个传感器对A具有与其关联的直线313、323，其与旋转轴A相交并且垂直于旋转轴A延伸。第一传感器对31包括第一传感器元件311和第二传感器元件312，其均沿着与第一传感器对31相关联的直线313排列。第二传感器对32包括第一传感器元件321和第二传感器元件322，其均沿着与第二传感器对32相关联的直线323排列。与传感器对31、32相关联的两条直线313、323间隔开旋转角β。从图1d可以看出，所有的传感器元件311、312、321、322都布置在如图1c所示的其中径向磁场分量线性变化的磁体2的半径区段内。每个传感器对的传感器元件的径向间距小于半径区段L的径向范围的70％。在所描述的实施例中，第一传感器对31的第一传感器元件311与旋转轴A的径向距离与第二传感器对32的第一传感器元件321与旋转轴A的径向距离相同，并且第一传感器对31的第二传感器元件312与旋转轴A的径向距离与第二传感器对32的第二传感器元件322与旋转轴A的径向距离相同。因此，在所示实施例中，如上所述确定磁体2相对于传感器3的角度α是可能的。由于如图1a所示的传感器组件1的几何布置，因子
等于1，
因为由于第一传感器元件311、321和第二传感器元件312、322的径向距离相同，以下适用：
Br(r1.1)-Br(1.2)＝Ｂr(r2.1)-Br(r2.2)。
结果，大大简化了角度α的确定。
图2示出了可以用于根据图1的本发明的传感器组件1中的磁体2的不同磁化强度变化。图2的2a和2b分别示出了在“展开”视图中根据图1a的相应磁体2，为了便于解释，和图1a一样，其中旋转轴A也在图2a和2b中示出。图2a示出了具有轴向横向磁化强度的磁体2。该磁体2具有四个磁性区段，每个磁性区段限定一个磁极并且呈环形磁体的角区段的形式。磁化强度矢量的取向在每个磁性区段内变化，磁体2的磁化强度呈现出弓形分布。这里的弓形分布是指磁体2内的磁化强度根据弓形图案从具有特定极性的角区段形式的一个磁性区段延伸到相邻的角区段形式并具有相反极性的磁性区段，其中在磁性区段之间的过渡处，磁化强度具有垂直于旋转轴A的取向。具有如图2a所示的轴向-横向磁化强度的磁体2特别适用于提供具有与旋转角不相关和无谐波的周期性的磁场，使得在无谐波周期的情况下可以应用上述关于计算的示例性计算。此外，当使用如图2a所示的磁体2时，在半径充分大的允许如结合图1a所述的角度α的进一步简化计算的区段中，可以提供一种磁场分量(特别是径向磁场分量)单调变化(特别是线性变化)的磁场。另一方面，图2b示出了具有纯轴向磁化强度的磁体2。该磁体2也可以用作图1a所示的传感器组件1的磁体2，并且具有四极的类似的交替布置。然而，图2b的磁体2内的磁化强度仅在沿着旋转轴A的方向上延伸，使得在磁体2内部不存在如图2a的磁体2具有轴向横向磁化的情况下的磁化强度的弓形方向。结果，无谐波的场分布不在距离端面的任何传感器距离处产生，而是仅在增加的传感器距离处产生。
图3包括图3a和3b，通过说明性示意图示出了根据本发明的传感器组件1的两个另外的示例性实施例。这些示例性实施例各自包括转子4和定子5。在两个示例性实施例中，磁体2以扭曲保护的方式紧固到转子4，并且传感器3以扭曲保护的方式紧固到定子5。根据图3a和3b的实施例的磁体2和传感器3可以相对于彼此构造和布置，类似于根据图1a的示例性实施例。从图3以及所示的示例性实施例，根据本发明的传感器组件1的通用适用性，对于本领域的技术人员而言是显而易见的。在根据图3a的示例性实施例中，磁体2布置在转子4的径向外表面上，并且传感器3沿着旋转轴A布置在磁体2上方的位置并且转子4的径向外侧固定到定子5。在根据图3b的示例性实施例中，磁体2和传感器3布置在转子4的端面侧，因此在转子的径向范围内。为此，磁体2安装在转子4的端面上，同时传感器3沿着旋转轴A布置在磁体2下方的位置，在转子4的径向范围内并且紧固到定子5。在其他的示例性实施例中，传感器3也可以布置成从磁体2径向偏移。可以根据实施例，特别是根据实施例的磁体2的磁场分布来选择性地选择传感器和磁体2相对于彼此的布置。根据本发明结果(特别是由于仅仅沿着磁体2的小径向区段布置传感器3就足够了)的传感器组件的通用适用性，对于本领域技术人员来说是显而易见的。同时以简单的方式，本发明的传感器组件1可确保可靠地消除外部磁场的影响，以及相对于定子5精确确定绕旋转轴A旋转的转子4的角位置。
附图标记列表：
1 传感器组件
2 磁体
3 传感器
4 转子
5 定子
31 第一传感器对
32 第二传感器对
311 第一传感器元件
312 第二传感器元件
313 与第一传感器对相关联的直线
321 第一传感器元件
322 第二传感器元件
323 与第二传感器对相关联的直线
A 旋转轴
L 半径区段
T 区段
β 转角

Claims (14)

1.一种用于确定转子(4)相对于定子(5)的角位置的传感器组件(1)，所述传感器组件(1)包括两个部件，即磁体(2)和传感器(3)，其中所述部件(2、3)布置为围绕旋转轴(A)相对于彼此旋转，其中传感器(3)包括第一和第二传感器对(31、32)，每对具有第一和第二传感器元件(311、312、321、322)，每个传感器元件(311、312、321、322)配置为用于确定其所暴露的磁场强度；
其中，
每对传感器对(31、32)具有与之相关联的直线(313、323)，两对传感器元件(311、312、321、322)位于该直线上并且沿着该直线与旋转轴(A)相交，其中所述第一传感器元件(311、321)具有比所述第二传感器元件(312、322)更小的距旋转轴(A)的径向距离，并且其中两对传感器元件(311、312、321、322)位于所述旋转轴(A)的相同径向侧上，其中与第一传感器对(31)相关联的直线(313)同与第二传感器对(32)相关联的直线(323)围绕旋转轴(A)间隔开旋转角(β)。
2.根据权利要求1所述的传感器组件(1)，其中所述第一传感器对(31)的两个传感器元件(321、322)之间的径向距离对应于所述第二传感器对(32)的两个传感器元件(311、312)之间的径向距离。
3.根据前述权利要求中任一项所述的传感器组件(1)，其中所述第一传感器对(31)的第一传感器元件(311)具有与所述第二传感器对(32)的第一传感器元件(321)距旋转轴(A)的相同的径向距离；和/或其中所述第一传感器对(31)的第二传感器元件(312)具有与所述第二传感器对(32)的第二传感器元件(322)距旋转轴(A)的相同的径向距离。
4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器组件(1)，其中所述磁体(2)配置为具有至少两个，特别是至少四个极的多极磁体(2)，用于提供具有围绕旋转轴(A)周期性分布的磁场强度的磁场，所述磁场强度作为旋转角的函数，具有周期长度τ。
5.根据权利要求4所述的传感器组件(1)，其中所述两对传感器对(31、32)的直线(313、323)彼此间隔开所围绕的旋转角(β)为π/N，其中N是磁体(2)的极数。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器组件(1)，其中所述磁体(2)构造为使得由所述磁体(2)产生的磁场的特定方向的磁场分量在半径区段内单调地变化，特别是线性地变化，其中所述传感器(3)的传感器元件(311、312、321、322)布置在所述半径区段内。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器组件(1)，其中所述传感器对(31、32)中的至少一对包括至少三个传感器元件(311、312、321、322)，每个传感器元件沿着与传感器对(31、32)相关联的直线(313、323)放置；和/或其中所述传感器(3)包括至少三对传感器对(31、32)，每对传感器对具有与之相关联的相应的直线(313、323)，相应传感器对(31、32)的传感器元件(311、312、321、322)沿着相应的直线(313、323)布置，其中所有直线(313、323)彼此间隔开围绕旋转轴(A)的旋转角度并且在旋转轴(A)中相交。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器组件(1)，其中所有传感器元件(311、312、321、322)配置为输出霍尔电压作为测量值的霍尔传感器元件。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器组件(1)，其中所述传感器组件(1)包括用于确定角位置的计算单元，其中所述计算单元配置为确定来自传感器元件(311、312、321、322)的测量值，所述测量值与在相应的传感器元件(311、312、321、322)处的主要磁场成比例，特别是与垂直于旋转轴(A)的磁场的场分量成比例，特别是与磁场的径向磁场分量成比例。
10.根据权利要求9所述的传感器组件(1)，其中为了消除外部干扰磁场的干扰影响，所述计算单元配置为通过从第一传感器对(31)的第二传感器元件(312)确定的测量值减去从第一传感器对(31)的第一传感器元件(311)确定的测量值来确定第一差值，并且通过从第二传感器对(32)的第二传感器元件(322)确定的测量值减去从第二传感器对(32)的第一传感器元件(321)确定的测量值来确定第二差值，并且从所述差值的比值来确定转子(4)相对于定子(5)的角位置。
11.根据权利要求10所述的传感器组件(1)，其中所述计算单元配置为基于角度α来确定角位置，并且使用以下等式来确定角度α：
<mrow> <mfrac> <msub> <mi>U</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>U</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> <mi>&amp;tau;</mi> </mfrac> <mo>*</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> <mi>&amp;tau;</mi> </mfrac> <mo>*</mo> <mo>(</mo> <mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;beta;</mi> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
其中U1是第一差值，U2是第二差值，τ是周期长度，f(α)是与依赖于具有周期长度τ的α的周期函数，β是与两对传感器对(31、32)相关联的直线(313、323)之间的旋转角。
12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器组件(1)，其中所述传感器组件(1)包括定子(5)和转子(4)，并且其中两个部件(2、3)中的一个布置在转子(4)上并且另一个部件布置在定子(5)上。
13.根据前述权利要求中任一项所述的用于确定转子(4)相对于定子(5)的角位置的传感器组件(1)的用途，其中测量值来源于传感器对(31、32)的传感器元件(311、312、321、322)，其中为了消除外部干扰磁场的干扰影响，通过从第一传感器对(31)的第二传感器元件(312)确定的测量值减去从第一传感器对(31)的第一传感器元件(311)确定的测量值来确定第一差值，并且通过从第二传感器对(32)的第二传感器元件(322)确定的测量值减去从第二传感器对(32)的第一传感器元件(321)确定的测量值来确定第二差值，并且从两个差值的比值来确定角位置。
14.一种使用传感器组件(1)确定转子(4)相对于定子(5)的角位置的方法，包括两个部件，即磁体(2)和传感器(3)，所述两个部件(2、3)中的一个布置在转子(4)上，另一个布置在定子(5)上，其中所述传感器(3)包括第一和第二传感器对(31、32)，每对传感器对包括两个传感器元件(311、312、321、322)，其中所述传感器对(31、32)彼此间隔开围绕旋转轴(A)的旋转角(β)，所述转子(4)能够相对于定子(5)围绕旋转轴(A)旋转；
其中测量值由传感器元件(311、312、321、322)确定，每个测量值与在各个传感器元件(311、312、321、322)处的主要磁场成比例；
其中，为了消除外部干扰磁场的干扰影响，通过从第一传感器对(31)的第二传感器元件(312)确定的测量值减去从第一传感器对(31)的第一传感器元件(311)确定的测量值来确定第一差值，并且通过从第二传感器对(32)的第二传感器元件(322)确定的测量值减去从第二传感器对(32)的第一传感器元件(321)确定的测量值来确定第二差值，并且其中从两个差值的比值确定角位置。
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