CN109639084A - 用于可变磁阻型角度传感器的定子芯 - Google Patents

用于可变磁阻型角度传感器的定子芯 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于可变磁阻型角度传感器的定子芯、包括这样的定子和转子的角度传感器、以及制造可变磁阻型角度传感器的方法。所述芯包括至少部分地铁磁性的芯，其具有磁轭(116)和多个磁极(110)，所述磁极从所述磁轭(116)径向地向内朝向所述芯(100)的中心轴线(106)延伸或从所述中心轴线径向向外延伸，其中激励绕组和至少一个输出绕组可以安装在所述磁极(110)上。所述磁轭(116)具有基本上圆形的形状，且所述磁极(110)围绕所述磁轭(116)的圆周布置，使得至少一个无磁极区域设置在所述圆周的第一段(108)中，所述无磁极区域优选地包括穿过所述磁轭(116)的连接器开口(112)以接收连接器，其中没有磁极(110)布置在包括所述无磁极区域的第一段(108)中。

Description

用于可变磁阻型角度传感器的定子芯
技术领域
本发明涉及用于可变磁阻型角度传感器的定子芯、包括这样的定子和转子的角度传感器、以及制造可变磁阻型角度传感器的方法。
背景技术
磁阻旋转变压器具有至少部分地软磁性的定子和至少部分地软磁性的转子。转子和定子彼此相对，并在彼此之间形成气隙。由于转子的围绕其圆周变化的特定形式，气隙内的磁阻周期性地变化。
角度传感器具有布置在定子处的磁通量传感器，用于经由至少一个磁极对在气隙内产生预定的磁通量分布。此外，在同一定子上，布置磁通量检测器，其通过彼此偏移预定角度的至少两个信号磁极对来检测磁场强度。根据两个检测器信号，可以导出转子相对于定子的相对位置的角度值。
这些基于定子和转子之间的气隙中的变化的磁通量强度的原理的磁电角度传感器以各种形式已知。基本上，已知用于在发送器部分中产生磁通量的若干原理以及用于测量检测器部分中的磁场的不同原理。旋转变压器和所谓的同步器使用初级绕组和次级绕组形式的电磁线圈。
这样的旋转变压器和同步器具有产生准确结果的优点，并且代表非常鲁棒的角度传感器。特别地，所谓的磁阻旋转变压器是已知的，其中初级绕组和次级绕组布置在定子处，而转子没有绕组，因此通过特别设计的软磁性部件被动地影响磁通回路。通过不规则形式的软磁性转子，例如通过提供叶片，例如通过提供瓣，定子上的初级绕组和次级绕组之间的磁通量受到不同的影响，从而允许从感应电压导出转子的角位置。
旋转变压器优于许多其他类型的绝对位置传感器，因为它们坚固耐用，并且能够在恶劣条件下提供非常高的角度准确度。没有光学路径避免经常破坏光学编码器的操作的烟雾或油脂。因为它们是比例装置，所以它们也较少受输入信号异常的影响；电压或频率方差将同等地改变正弦和余弦输出。
图2和图3示出了常规的磁阻旋转变压器300。软磁转子302安装在环形定子304内，以便可围绕旋转轴线306旋转。该图中所示的转子具有12个瓣308，其在围绕轴线306旋转期间引起转子302与定子304的40个齿310(也称为磁极)之间的可变气隙。每个磁极310承载一个或多个绕组312，形成激励绕组(也称为初级绕组)和正弦和余弦绕组(也称为次级绕组)。借助于初级绕组，在定子304中产生磁通量，该磁通量受到旋转转子302的变化位置的影响。在次级绕组中，感应出电压，该电压受到转子302和定子磁极310之间的变化的间隙距离的影响。根据众所周知的评估方案，可以从感应电压导出转子302的角位置。
类似地，定子的磁极也可以朝向芯的外部取向，转子围绕内部定子布置。图4描绘了这种常规的内部定子芯404，其磁极410朝向芯的外侧取向。为了安装组装的定子，安装凹部420设置为与匹配的固定装置(例如螺钉或螺栓)相互作用。此外，提供连接器开口422，其接收电连接器(图中未示出)。该电连接器连接到布置在磁极上的绕组，并允许绕组连接到操作角度传感器所需的供电、控制和评估装置。
然而，随着直径的增加，制造定子的成本及其重量显著上升，而电连接器需要保持一定的尺寸和格式，以便与附属的配合连接器兼容。从图4可以看出，径向方向上的距离d(即材料厚度)是定子芯的内半径r1和外半径r2之间的差值，对于这些常规定子芯，其需要大于磁极高度加上开口422的径向尺寸。因此，径向方向上的重量和材料厚度对于各种应用可能是不可接受的。
因此，需要为磁阻旋转变压器提供改进的定子，其经济且易于制造，但同时产生准确的测量结果，并且在具有挑战性的环境中也是鲁棒且长期稳定的。
发明内容
该目的通过独立权利要求的主题来解决。本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。
本发明基于这样的构思：对于用作全圆旋转变压器的磁阻旋转变压器，没有必要使用配备磁极的全圆定子—令人惊讶地，其中圆周的特定扇区不承载磁极的一种定子是足够的。仅覆盖转子的完整旋转路径的一段的其他段定子与常规形状的转动转子相互作用，使得可以如从具有覆盖完整360°的定子的布置那样提取基本相同的信息。
根据本发明，用于可变磁阻型角度传感器的定子芯包括至少部分地铁磁性的芯，具有磁轭和多个磁极(也称为齿)，所述磁极从所述磁轭径向地向内朝向所述芯的中心轴线延伸或从所述中心轴线径向向外延伸，其中激励绕组和至少一个输出绕组可以安装在所述磁极上。所述磁轭具有基本上圆形的形状且其中所述磁极围绕所述磁轭的圆周布置，使得至少一个无磁极区域设置在所述圆周的第一段中，所述无磁极区域优选地包括穿过所述磁轭的开口以接收连接器，其中没有磁极布置在包括所述无磁极区域的第一段中。
这种几何形状是有利的，因为定子芯的径向材料厚度可以显著减小。这是由于以下效应：内半径和外半径之间的差异的尺寸不必足够大以径向地容纳连接器开口和磁极的高度，而仅是一个或另一个。换言之，通过在常规不间断的定子磁极的系列中提供划分，连接部分的区域可以位于与磁极相同的直径。因此，定子芯更轻，并且在径向方向上需要更少的安装空间。当制造具有大直径(例如，30cm)的旋转变压器时，这是特别有利的。
本发明可以与具有磁极的定子芯一起使用，所述磁极径向地朝向磁轭的中心轴线向内延伸或从所述中心轴线向外延伸，然而，特别有利于具有向外指向的齿的芯，因为在这些内部定子芯的情况下，与外部定子芯的几何形状相比，可用于将连接器容纳到外部电子部件的空间更小。
根据本发明，可以提供具有磁极的一个或多个区域(以下也称为段)。与常规的定子芯相比(其中偶数个磁极围绕芯的360°周长等距地分布)，根据本发明，磁极可以以不会在整个圆上添加偶数或整数的磁极数的角度布置。
为绕组接线也更经济，因为需要更少的线圈，从而减少了循环时间。此外，所有其他部件，如用于线圈和盖的包覆模制工具变得更便宜。
根据有利的实施例，所述开口具有长形的形状，其覆盖所述磁轭的圆周的20°至30°之间的角度。这留下了足够的空间来在定子芯的剩余周边上布置磁极。有利地，开口的形状遵循芯的圆形轮廓，布置在芯的外圆周和内圆周之间。
为了提供磁极的点对称性并因此提供绕组的点对称性，在与第一段相对的第二段中不可布置磁极。该第二无磁极段可以有利地用于容纳安装装置，例如用于螺栓或螺钉的凹部。有利地，定子还包括至少一个安装凹部，用于附接固定装置以安装定子芯。
根据有利的实施例，第一组磁极布置在第三段中，且第二组磁极布置在第四段中，所述第三段和第四段相对于所述磁轭的中心彼此点对称地相对地布置。以这种方式，可以采用以下绕组方案，其实现具有与带有全圆的磁极的芯的特性接近的特性的操作。特别地，第一组和第二组磁极包括相同数量的磁极。
有利地，所述第三段和第四段各自沿着围绕所述中心轴线的圆弧延伸，以覆盖90°和120°之间的角度。这种几何形状为连接器和附加的固定装置留下了足够的空间，但同时允许旋转变压器的操作类似于具有常规的全圆定子芯的旋转变压器。
本发明还涉及一种可变磁阻型角度传感器，其包括具有根据本发明的至少部分地铁磁性的定子芯的定子。激励绕组和至少一个输出绕组安装在磁极上。转子可操作为相对于定子围绕中心旋转轴线旋转，且具有的形状使得间隙磁导相对于围绕所述中心旋转轴线的旋转角以正弦波方式变化。磁轭具有围绕所述中心旋转轴线布置的基本上圆形的形状。
根据本发明的有利的实施例，所述定子具有至少四个磁极，其围绕所述中心旋转轴线分布以覆盖所述定子的至少一个电周期。这是定子能够使用标准转子作为完整的磁阻旋转变压器操作的最小可能配置。
有利地，至少四个磁极承载初级绕组以及正弦和/或余弦次级绕组。
可以使用多种不同的布线方案用于在定子的承载磁极的那些段处提供的绕组。为了减小在外部磁极处偏离的磁通量的影响，可以提供这样的绕组方案，其中外围磁极仅承载初级绕组。此外，绕组的数量和/或方向从磁极到磁极不同。特别地，定子的外围磁极周围的绕组匝数可以低于内部磁极周围的绕组匝数。
为了减小几何形状的偏心并获得令人满意的角度准确度，承载磁极的两个段可以彼此相对地布置。根据有利的实施例，角度传感器因此包括具有两个磁极承载段的定子，每个磁极承载段覆盖小于180°的磁轭角，其中两个段相对于所述中心旋转轴线彼此对称地布置。例如，磁极承载段各自覆盖约90至120°的角度。
为了实现高度对称并因此补偿偏心率，第三段中的绕组可以分布在磁极上，与第四段中绕组的分布点对称，其中点对称的原点是旋转轴线与由转子限定的平面相交的点。替代地，第三段中的绕组可以分布在磁极上，与第四段中的绕组的分布点对称，但是具有倒置的绕组方向。
在定子由冲压和分层的铁磁性薄片制成的情况下，可以最好地利用本发明的优点。
本发明还涉及一种制造可变磁阻型角度传感器的方法，该方法包括以下步骤：
制造转子，其可操作为围绕所述角度传感器的中心旋转轴线旋转，所述转子具有的形状使得间隙磁导相对于围绕所述中心旋转轴线的旋转角以正弦波方式变化；
制造具有根据本发明的至少部分地铁磁性的芯的至少一个定子；
将绕组附接到所述磁极，其中激励绕组和至少一个输出绕组安装在所述磁极上；
将所述转子与所述定子组装在一起，使得所述转子可操作为相对于所述定子围绕所述中心旋转轴线旋转；
将所述绕组附接到连接器，并在所述定子芯处组装所述连接器以使其保持在所述开口内。
如上所述，该方法允许减少组装的循环时间，并节省材料和成本。
将绕组附接到定子的磁极的特别简单的方法是，为每个磁极附接具有至少一个绕组的电绝缘线圈本体，并将所述线圈本体安装在所述磁极上。
为了通过的定子的承载输出绕组的那些磁极提供均匀的磁通量，定子可以以定子具有第一和第二外围磁极和多个内部磁极的方式制造，其中，第一和第二外围磁极上的绕组的匝数与内部磁极上的绕组的匝数不同。
附图说明
附图并入说明书中并形成说明书的一部分以说明本发明的若干实施例。这些附图与描述一起用于解释本发明的原理。这些附图仅仅是为了说明如何制造和使用本发明的优选和替代示例的目的，而不应被解释为将本发明限制为仅示出和描述的实施例。此外，实施例的几个方面可以单独地或以不同的组合以形成根据本发明的解决方案。因此可以将以下描述的实施例单独考虑或以其任意组合考虑。从以下对本发明的各种实施例的更具体的描述中，进一步的特征和优点将变得显而易见，如附图中所示，其中相同的附图标记指代相同的元件，并且其中：
图1是根据有利实施例的用于磁阻旋转变压器的定子芯的示意性俯视图；
图2是常规的外部定子磁阻旋转变压器的示意性透视图；
图3是图2所示的常规的磁阻旋转变压器的示意性平面图；
图4是常规的内部定子磁阻旋转变压器的示意性透视图。
具体实施方式
现在将参考附图更详细地解释本发明。首先参考图1，示出了根据本发明的实施例的用于磁阻旋转变压器的定子芯100的示意性平面图。定子芯100由冲压和堆叠的铁磁性金属片制成，这对于本领域技术人员来说是已知的。多个磁极110布置在芯100的磁轭116的外圆周处。
根据本发明，磁极110形成两组磁极，其布置在定子芯100的两个相对的段中。磁极相对于与旋转轴线106相交的中心点点对称地布置。根据图1所示的实施例，承载磁极110的段102覆盖大约100°的角度。
因此，根据本发明，磁极110不是围绕芯100的整个圆周分布，而是留下两个没有任何磁极110的区域108、109。连接器开口112布置在第一无磁极段108中。以这种方式，可以实现相对小的径向厚度d(其被定义为外半径r2和内半径r1之间的差)。磁极110的端面111遵循具有外半径r2的外圆周118的轮廓。连接器开口112内切在内圆周117和外圆周118之间，仅具有确保机械稳定性的窄腹板120。
连接器开口112具有长形的形状并且覆盖磁轭116的圆周的20°至30°之间的角度。这留下了足够的空间来在定子芯100的剩余周边上布置磁极110。有利地，开口的形状遵循芯的圆形轮廓，布置在芯100的外圆周118和内圆周117之间。
与图2至图4中所示的常规布置相反，定子芯的磁极不围绕整个圆周延伸，而是覆盖小于360°的角度104。本发明的发明人令人惊讶地发现了一种定子，其中磁极覆盖的圆周的段比全圆小得多，例如，大约90°至120°，其足以激励和拾取具有令人满意的角度准确度的信号。
如图1所示，定子芯10包括两组磁极，每组磁极具有11个磁极，它们从磁轭116从旋转轴线106向外延伸。应当注意，根据本发明的构思当然也可以应用于具有内部转子的旋转变压器，其中定子的磁极朝向旋转轴线106向内延伸，尽管图1示出了具有外部转子的实施例。
该磁极110的数量相当于大于全圆定子300的磁极310的数量(28)的1/4(对应于全圆的四分之一的90°)加上在每组磁极的每一侧的一个附加的外围磁极114。
对于本领域技术人员显而易见的是，磁极承载段可以覆盖全圆的任何其他部分，只要提供分布在转子的至少一个电周期上的四个或更多个磁极。根据有利实施例，七个磁极分布在两个电周期上。
为了安装状态芯100，在无磁极段108中提供用于附接诸如螺栓或螺钉的固定装置的安装凹部。在图1中，这些凹部120由穿过整个定子芯100的孔形成。
可以看出，使用如图1所示的定子芯100的磁阻旋转变压器可以与常规的全圆旋转变压器以相同的方式操作。
为了操作旋转变压器，可以使用任何合适的绕组方案，因为这对于本领域技术人员而言是已知的。例如，外围磁极114可以仅承载初级绕组，但不承载次级绕组。这些附加的激励绕组用于补偿磁极承载段102的末端处的磁通量的偏差。优选地，这些外围激励绕组的匝数高于或低于剩余磁极的匝数。
附图标记
附图标记 描述
100 用于磁阻旋转变压器的定子芯
102，103 具有磁极的段
104 具有磁极的段的角度
106 旋转轴线
108，109 没有磁极的段
110 磁极
111 端面
112 连接器开口
114 外围磁极
116 磁轭
117 内圆周
118 外圆周
120 腹板
122 安装凹部
300 常规的旋转变压器
302 转子
304 定子
306 旋转轴线
308 转子的瓣
310 磁极
312 绕组
404 常规的内部定子芯
420 安装凹部
422 连接器开口

Claims (15)

1.用于可变磁阻型角度传感器的定子芯，所述定子芯(100)包括：
至少部分地铁磁性的芯，具有磁轭(116)和多个磁极(110)，所述磁极从所述磁轭(116)径向地向内朝向所述芯(100)的中心轴线(106)延伸或从所述芯(100)的中心轴线(106)径向向外延伸，其中激励绕组和至少一个输出绕组能够安装在磁极(110)上，
其中所述磁轭(116)具有基本上圆形的形状且其中磁极(110)围绕所述磁轭(116)的圆周布置，使得至少一个无磁极区域设置在所述圆周的第一段(108)中，其中没有磁极(110)布置在包括所述无磁极区域的第一段(108)中。
2.如权利要求1所述的定子芯，其中所述至少一个无磁极区域包括穿过所述磁轭(116)的用于接收连接器的连接器开口(112)。
3.如权利要求2所述的定子芯，其中所述连接器开口(112)具有覆盖所述磁轭(116)的圆周的20°至30°范围内的角度的长形的形状。
4.如前述权利要求中任一项所述的定子芯，其中没有磁极布置在与所述第一段(108)相对的第二段(109)中。
5.如前述权利要求中任一项所述的定子芯，其中第一组磁极布置在第三段(102)中，且第二组磁极布置在第四段(103)中，第三段和第四段相对于所述磁轭(116)的中心(106)彼此点对称地相对地布置。
6.如权利要求4所述的定子芯，其中第一组磁极和第二组磁极包括相同数量的磁极。
7.如权利要求4或5所述的定子芯，其中第三段和第四段(102，103)各自沿着围绕所述中心轴线(106)的圆弧延伸，以覆盖90°至120°范围内的角度(104)。
8.如权利要求7所述的定子芯，还包括至少一个安装凹部(122)，用于附接固定装置以安装所述定子芯(100)。
9.一种可变磁阻型角度传感器，包括：
定子，其具有如前述权利要求中任一项所述的至少部分地铁磁性的定子芯(100)，其中激励绕组和至少一个输出绕组安装在磁极(110)上，
转子，其可操作为相对于定子围绕中心旋转轴线(106)旋转，且具有的形状使得间隙磁导相对于围绕所述中心旋转轴线(106)的旋转角以正弦波方式变化。
其中所述磁轭(116)具有围绕所述中心旋转轴线(106)布置的基本上圆形的形状。
10.如权利要求9所述的角度传感器，其中所述定子具有至少四个磁极(110)，所述至少四个磁极围绕所述中心旋转轴线(106)分布以覆盖所述定子的至少一个电周期。
11.如权利要求10所述的角度传感器，其中所述至少四个磁极(110)承载初级绕组以及正弦和/或余弦次级绕组。
12.如权利要求9至11中任一项所述的角度传感器，其中所述绕组的数量和/或方向从磁极到磁极不同。
13.如权利要求9至12中任一项所述的角度传感器，其中所述定子芯(100)由冲压且分层的铁磁性薄片制成。
14.一种制造可变磁阻型角度传感器的方法，所述方法包括以下步骤：
制造转子，该转子可操作为围绕所述角度传感器的中心旋转轴线(106)旋转，所述转子具有的形状使得间隙磁导相对于围绕所述中心旋转轴线(106)的旋转角以正弦波方式变化；
制造定子，该定子具有如权利要求1至7中任一项所述的至少部分地铁磁性的芯(100)；
将绕组附接到所述磁极(110)，其中激励绕组和至少一个输出绕组安装在所述磁极(110)上；
将所述转子与所述定子组装为使得所述转子可操作为相对于所述定子围绕所述中心旋转轴线(106)旋转；
将所述绕组附接到连接器，并在所述定子芯(100)处组装所述连接器以使所述连接器保持在所述连接器开口(112)内。
15.如权利要求14所述的方法，其中将绕组附接到所述磁极(110)的步骤包括，为每个磁极提供具有至少一个绕组的电绝缘线圈本体，并将所述线圈本体安装在所述磁极上。
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