CN110914693A - 转速传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种转速传感器装置(1)，包括：传感器轮(2)，其具有相互间隔开的信号标记；传感器(3)，其具有至少两个形成差动霍尔传感器的霍尔传感器元件，所述霍尔传感器元件分别根据信号标记的位置和/或运动输出霍尔信号；和信号电路，所述信号电路基于霍尔信号(HS)确定输出信号(AS)，并且基于输出信号(AS)确定传感器轮(2)的转动位置，其中，信号标记具有径向延伸的具有两个切换侧面(11)的齿元件(6)，并且切换侧面(11)聚合在切换棱边(12)中。本发明此外还涉及一种驱动轴装置、内燃机(101)和机动车(100)。每个齿的倾斜的侧面例如相互具有30度的角度，从而每个齿具有三角形的形状。

Description

转速传感器装置
本发明涉及一种转速传感器装置，其中，传感器轮作用于差动霍尔传感器上，并且信号电路基于霍尔信号确定输出信号，输出信号示出传感器轮的转动位置和/或转动运动。
存在不同的用于检测发动机转速的转速传感器，所述转速传感器也被称为转速编码器，并且对于现代的发动机管理来说是需要的。所述转速传感器用于确定发动机转速，采集曲轴的角度位置(活塞的位置)，并且为此在四冲程发动机(0-720°曲轴角度)中通过凸轮轴相对于曲轴的位置识别检测工作循环位置。
基本原理是，通过所谓的脉冲轮(传感器轮)产生磁场改变。因为采集的脉冲的频率也随着转速的升高而升高，所以可以在控制设备中，在两个或更多个脉冲的时间间隔内计算转速。转速传感器区分为无源的(被动的)和有源的(主动的)转速传感器。
无源的转速传感器例如是感应式的转速传感器，其中，脉冲轮的转动在线圈中感应出与改变速度和因此与发动机转速成正比的周期性的输出电压。电压的幅度随着转速的升高而明显升高。为了控制设备中的评估，该控制设备将类似于正弦的具有强烈波动的幅度的信号电压变形为具有恒定的幅度的矩形电压。矩形电压变化过程(输出信号)用于确定转速和转动位置(例如凸轮轴、曲轴或中间轴的轴角度)。这种无源的传感器是相对公差敏感的(传感器相对于脉冲轮或传感器轮进行取向和布置)，并且需要特定的最小转速，从而使所述传感器完全做出响应。对于静止的传感器轮的位置确定来说，这种传感器是不合适的。
因此，越来越多地使用有源的转速传感器，有源的转速传感器根据静磁原理工作，并且在非常低的转速的情况下也能够实现转速检测。在这种传感器中例如使用简单的霍尔传感器，霍尔传感器然而由于信号波动(例如取决于温度地、传感器与传感器轮之间的气隙的大小)仅是有条件地适当的。这在磁主动的转子(多极轮)的情况下也是适用的，其中，不同的磁极分布在传感器轮的周边上，并且感应出霍尔电压。可以在没有磁体的情况下简化使用的霍尔传感器的结构。然而需要具有可磁化的涂层的明显更贵的传感器轮。
为了改进信号质量，研发所谓的梯度传感器，所述梯度传感器可以基于差动霍尔传感器或差动磁场极板传感器实现，并且相对于简单的霍尔传感器能够更好地适用于探测磁被动的转子(传感器轮)。这种差动霍尔传感器在常见的气隙中、但也在例如尤其可以在内燃机区域中发生的更高的温度中提供明显的信号。通过传感器中的评估电路处理接收的原始信号，并且输出信号的幅度与转速无关。
通常使用多极或具有比较低的分辨率的铁磁的钢传感器轮(通常单齿、二齿、三齿或四齿的齿形)。因此，转速传感器装置可以在比较有限的结构空间中实现，该结构空间在凸轮轴上是可提供的(传感器轮的小的直径)。但是仅可在传感器轮上提供相对小的分辨率。然而，由此转动位置和速度变化过程的分辨率也是比较小的。由于通常使用的具有基本上矩形的或梯形的形廓的齿形状，传感器轮的分辨率在小的直径的情况下没有提高。能够提高分辨率的更高的齿数需要更大的传感器轮，但更大的传感器轮经常由于空间原因是无法期待的或也不能够实现。
尤其在现代的燃烧方法中，在发动机的进气侧需要快速的凸轮轴调节单元，为了在发动机控制单元上重复地正确地调节其位置，每次凸轮轴转动都需要位置反馈。在凸轮轴区域中的非常有限的可用的结构空间使得使用所需的、高分辨率的、需要大于80mm的直径的传感器轮变得很难。
已知的传感器装置由DE 10 2007 029 819 A1和DE 10 2006 061 575 A1已知，其中，为了递增地确定转动角度和转动方向，提供一种特殊的霍尔传感器装置。然而，借助所述装置没有解决结构空间问题。
因此存在如下技术问题，即提供转速传感器装置、尤其霍尔传感器装置，其中，可以在机动车内燃机区域中利用小的传感器轮直径实现高的分辨率。该技术问题通过根据本发明的根据权利要求1的传感器装置、根据权利要求12的驱动轴装置、根据权利要求13的内燃机和根据权利要求14的机动车解决。
本发明的另外的有利的设计方案由从属权利要求和对本发明的优选实施例的随后的描述得到。
根据本发明的转速传感器装置包括传感器轮，所述传感器轮具有相互间隔开的信号标记；转速传感器装置包括具有至少两个形成差动霍尔传感器的霍尔传感器元件的传感器，霍尔传感器元件分别根据传感器轮的信号标记的位置和/或运动输出霍尔信号；转速传感器装置包括信号电路，所述信号电路基于霍尔信号确定输出信号，并且基于输出信号确定传感器轮的转动位置和/或转动速度。
本发明的特征在于，信号标记具有径向延伸的、具有两个齿面或切换侧面的齿元件，并且切换侧面聚合(相交、或汇聚)在(共同的)切换棱边中。在已知的传感器轮中，径向的齿元件通常构造为或多或少矩形的或梯形的开关元件，开关元件因此沿周边方向具有比较大的延伸尺寸。在传感器轮中，在切换侧面之间构造了沿周边方向延伸的顶部区段，所述顶部区段使两个切换侧面相互连接。因此，可分布在传感器轮的周边上的信号标记的数量受到限制，并且同样信号分辨率受到限制。
相反地根据本发明，切换侧面构造为，使其在共同的切换棱边处相交。因此，齿体可以总体上明显更窄地构造(沿周边方向的更小的延伸尺寸)，从而可以提高在传感器轮的周边上的用作信号标记的齿元件的数量。此外在该实施方案中，在齿元件之间的对于离散的开关信号来说需要的槽也可以更窄地构造。因此，可以实现具有高的分辨率和小的直径的传感器轮。
在此存在如下实施方案，在所述实施方案中，信号标记也包括槽，所述槽形成在齿元件之间的沿周边方向相同的间距。通过齿元件之间的槽的固定的尺寸确定，可以借助差动霍尔传感器采集传感器轮的准确的转速。
存在如下实施方案，在所述实施方案中设置了参考标记，所述参考标记构造为在槽中的附加的控制齿元件。因此，附加的控制齿元件可以在本发明中构造为，使其也适配于相对窄的槽，从而在两个齿元件之间构造了控制齿元件，并且在该区域内产生改变的输出信号频率(缩短的周期或时钟)。该改变的信号节奏使传感器轮的参考位置(过零点)信号化，基于该参考位置，除了转速以外还可以确定传感器轮的绝对位置。这尤其在转速传感器装置中对于凸轮轴来说是有益的，因为通过凸轮轴的绝对位置也可以确定曲轴的转动位置，所述转动位置示出了，曲轴位于哪个时钟周期内。因此，与曲轴的转速传感器装置组合地，可以在720°周期内确定准确的曲轴位置。
也存在如下实施方案，在所述实施方案中，参考标记构造为在两个相邻的齿元件之间具有更大的间距的参考槽。这种参考槽导致信号频率的减小或同样可以用作参考信号的两个信号之间的间距的减小(缓慢的信号节奏)，以便示出凸轮轴和进而曲轴的绝对位置。
存在如下实施方案，在所述实施方案中，切换侧面相互形成20°至40°之间的角度，并且尤其形成30°的角度。切换侧面的这种构造在差动霍尔传感器(或霍尔传感器元件)从齿槽转移至齿元件的切换侧面、并且继续从齿元件的另外的切换侧面转移至齿槽的情况下、能够实现探测到清楚的信号峰值。在两个霍尔信号峰值之间，在切换棱边的区域中(切换侧面在那里聚合)存在霍尔信号的清楚定义的过零点，过零点又可以被考虑用于定义输出信号。
在此，存在如下实施方案，在所述实施方案中，切换棱边定义外部的齿顶圆，并且槽定义内部的齿根圆，其中，齿根圆直径与齿顶圆直径之间的比是在1比1.2至1比1.4之间，并且尤其是在1比1.3至1比1.35之间。因此产生径向的齿高比，其确保可靠的和公差稳定的霍尔信号。在该关系下，“公差稳定”表示的是，霍尔传感器元件与传感器轮的距离可以在比较宽地可承受的距离中调节。
存在如下实施方案，在所述实施方案中，齿顶圆的直径是在40至50mm之间，并且尤其是45mm。具有这种齿顶圆直径的传感器轮具有如下结构大小，所述结构大小尤其能够将转速传感器装置安装在凸轮轴上。
也存在如下实施方案，在所述实施方案中，齿顶圆直径是在40mm以下。
在此存在如下实施方案，在所述实施方案中，齿元件以24至36°的角距、尤其以30°的角距布置。因此，在传感器轮上可以实现10个至15个齿元件，并且尤其是12个齿元件。在附加的参考或控制齿元件中，齿元件的总数量提高到11至16个，并且尤其是13个。
如果角距减小为15°，那么在大约45mm的直径中可以布置最多24个齿元件。
齿元件的在8至15mm之间的径向的高度同样能够公差稳定地改进信号质量。
在实施方案中，在切换侧面与槽底部之间构造在2至3mm之间并且尤其是为2.5mm的过渡半径，传感器轮可以在简单的烧结方法中由铁磁的材料制造，其中，可以在成形方法中较少加工地建立最终造型。
在实施方案中，传感器装置包括至少三个分别成对地形成第一和第二差动霍尔传感器的霍尔传感器元件，根据传感器轮的转动方向可以得到不同相移的提供转动方向信息的霍尔信号。以如下方式产生转动方向信息，即三个霍尔传感器元件的相应一对沿转动方向相互错开地形成两个差动霍尔传感器，差动霍尔传感器的信号是稍微相移的，其中，在转动方向切换时改变相移的符号。以该方式，传感器轮的转动方向是可确定的。因此，转动方向信息尤其在结合曲轴使用的情况下是有益的，其中，在停机时可以发生转动方向切换(尤其是在穿过下方的或上方的死点时)，并且在确定曲轴(KW)的绝对位置时需要探测转动方向切换，以便例如可以正规地驱动发动机的启停循环。在启/停循环中的停止期间，对于内燃机(VKM)的快速的重新启动来说需要感知曲轴的位置。因为内燃机在停止时也可以沿发动机转动方向向后转动(但也可以前后摆动)，所以需要识别转动方向。结果是，发动机控制设备在每个时间点并且即使在发动机静止时也识别曲轴的位置。曲轴和凸轮轴是“同步化的”并且保持“同步化”。该信息用于点火/喷入下一可能的缸，以用于快速的无延迟的和舒适的重新启动。
具有根据本发明的转速装置的驱动轴装置(其中，驱动轴装置构造为凸轮轴和/或曲轴)能够使用特别快速的凸轮轴-调节单元，所述凸轮轴-调节单元为了控制现代的发动机而是需要的。通过在探测凸轮轴位置和速度时的高的分辨率，能够实现特别准确和快速地控制所述凸轮轴-调节单元。
具有根据权利要求12的驱动轴装置的内燃机和具有这种内燃机的机动车特别适用于现代的高效的驱动设计。
现在示例性地并且参考附图描述本发明的实施例。其中：
图1以示意图示出了具有内燃机和驱动轴装置的机动车，其中，不仅在曲轴上，而且也在凸轮轴上设置了根据本发明的转速传感器装置；
图2示出了根据本发明的转速传感器装置的示意图；
图3示出了在传感器、传感器轮几何结构、霍尔信号和输出信号之间的关系的示意图；
图3A示出了图3所示的关系，其中，参考标记构造为更大的齿槽；并且
图3B示出了图3和3A所示的关系，其中，参考标记构造为附加的控制齿元件。
图1示意性示出根据本发明的具有内燃机101的机动车100的实施例，内燃机包括具有曲轴102和凸轮轴103的驱动轴装置。不仅在曲轴102上，而且也在凸轮轴103上分别布置有转速传感器装置1，转速传感器装置包括传感器轮2和传感器3，传感器构造为差动霍尔传感器。每个转速传感器装置1适用于采集曲轴102或凸轮轴103的位置和转速，并且通过数据线路4将相应的输出信号输出至发动机控制设备5，发动机控制设备根据信号控制不同的发动机功能，尤其是对凸轮轴调节单元的调节。
根据图2描述转速传感器装置1的结构和功能。转速传感器装置1包括传感器轮2和传感器3。传感器轮2构造为环形的齿环，齿环可以由铁磁性的烧结材料、例如根据DIN30910的4-烧结-D10(4-Sint-D10)制成。也可以使用深冲的板材、冲压的板材、铣削的工件等。但在具有整合的磁体13的传感器3的装置中，传感器轮材料必须总是铁磁性的(导磁的、软磁的)。构造在传感器轮上的齿元件6(在齿元件之间构造出槽7)形成信号标记，借助信号标记，传感器3产生相应的信号。齿元件6径向地从传感器轮2延伸，并且定义齿顶圆8，齿顶圆的直径是齿根圆9的直径的1.2至1.4倍，通过槽7的底部区域的最深的点定义齿根圆9。
通过齿面定义齿元件6，齿面形成切换侧面11，并且分别聚合在切换棱边12中。切换侧面11相互包围出一个在20°至40°之间的角度α，并且尤其是包围出一个30°的角度，并且过渡为具有过渡半径rB的底部区域10。齿元件6以24-36°的角距，尤其是以30°的角距布置(角度β)。
在典型的实施例中，齿顶圆8的直径在40至50mm之间，并且齿元件6的径向高度hR在8至15mm之间，并且过渡半径rB在2至3mm之间，尤其是2.3mm。在一个几何形状中，在10至15个之间的齿元件6分布在传感器轮2的周边上，齿元件结合传感器3产生高分辨的脉冲信号，脉冲信号示出转速、绝对的转动位置和必要时还有传感器轮的转动方向。
所示的传感器3包括具有北极和南极的永磁体13，在永磁体的端侧布置有至少两个霍尔传感器元件14a、14b，在霍尔传感器元件上存在供应电压，并且霍尔传感器元件被永磁体13的磁场朝传感器轮的方向穿过。根据霍尔传感器元件14a、14b是否与槽7或者齿元件6的切换棱边12或切换侧面11对置，感应出霍尔电压，霍尔电压相应于齿元件6或槽相对于霍尔传感器14a、14b的相对位置。产生来自两个传感器14a、14b的信号的差，这能够减小磁干扰信号，并且能够实现更好的信噪比。
替代具有齿元件6和槽7的铁磁传感器轮3，还可以使用所谓的多极轮，其中，在载体上施加可磁化的塑料，并且交替磁化可磁化的塑料。交替布置的磁北极和磁南极满足脉冲轮的齿或槽的功能。在使用这种多极传感器轮的情况下，不需要传感器3中的永磁体13。
在备选的实施方案中，可选地布置第三霍尔传感器15，从而传感器3具有两个差动霍尔传感器装置，差动霍尔传感器装置分别由霍尔传感器元件14a和15以及由霍尔传感器元件15和14b形成。这种装置产生两个差动传感器信号，差动传感器信号分别相移地被输出，并且因此可以探测传感器轮的转动方向。相移的符号根据转动方向改变。相移可以已经在传感器内部被处理，从而传感器3将转动方向的信息作为数字编码信号(通常以脉宽调制)输出。
为了探测绝对的转动位置设置了控制齿元件16，其布置在两个齿元件6之间的槽中。备选地，作为参考标记也可以在两个相邻的控制齿元件16之间设置更大的槽或省略的控制齿元件6，利用附图标记17在图2中示出这种槽。
图3示出传感器轮型面相对于传感器3的相对位置、输出的霍尔信号HS与最后为了控制确定的输出信号AS之间的关系。如果传感器轮型面(处理过地示出)沿箭头方向P相对于传感器3运动，那么通过霍尔传感器元件14产生霍尔电压变化过程HS。电压边的过零点相应用于确定输出信号AS，过零点在切换棱边12的区域中发生一次，并且在两个相邻的齿元件6之间的槽中间发生一次。因此产生的数字矩形信号序列AS用于采集传感器轮的转速或转动位态(位置)并且因此用于采集配属的构件、例如凸轮轴或曲轴的转速或转动位态(位置)。
图3A和3B示出了信号序列，其中，要么参考槽17要么附加的控制齿元件16产生改变的参考信号(RS)，参考信号可以示出传感器轮相对于传感器的绝对位置。
附图标记清单
100 机动车
101 内燃机
102 曲轴
103 凸轮轴
1 转速传感器装置
2 传感器轮
3 传感器(差动霍尔传感器)
4 数据线路
5 发动机控制设备
6 齿元件
7 槽
8 齿顶圆
9 齿根圆
10 底部区域
11 切换侧面(齿面)
12 切换棱边
13 永磁体
14a、b 霍尔传感器元件
15 可选的霍尔传感器元件
16 控制齿元件
17 参考槽
α 角度(切换侧面角度)
rB 过渡半径
β 齿元件的角距
hR 径向的高度
HS 霍尔信号
AS 输出信号
RS 参考信号

Claims (14)

1.一种转速传感器装置(1)，包括：
传感器轮(2)，所述传感器轮(2)具有相互间隔开的信号标记；
传感器(3)，所述传感器(3)具有至少两个形成差动霍尔传感器的霍尔传感器元件，所述霍尔传感器元件分别根据信号标记的位置和/或运动输出霍尔信号，和
信号电路，所述信号电路基于霍尔信号(HS)确定输出信号(AS)，并且基于输出信号(AS)确定传感器轮(2)的转动位置，其中，信号标记具有径向延伸的、具有两个切换侧面(11)的齿元件(6)，并且切换侧面(11)聚合在切换棱边(12)中。
2.根据权利要求1所述的转速传感器装置(1)，其中，所述信号标记包括槽(7)，所述槽构成在齿元件(6)之间的沿周边方向的相同的间距。
3.根据权利要求1或2所述的转速传感器装置(1)，其中，设置有参考标记，所述参考标记构造为在槽(7)中的附加的控制齿元件(16)。
4.根据权利要求1或2所述的转速传感器装置(1)，其中，设置有参考标记，所述参考标记构造为在两个相邻的齿元件(6)之间具有更大的间距的参考槽(17)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的转速传感器装置(1)，其中，所述切换侧面(11)相互形成20至40°之间的角度(α)，并且尤其形成30°的角度(α)。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的转速传感器装置(1)，其中，所述切换棱边(12)定义外部的齿顶圆(8)，并且所述槽(7)定义内部的齿根圆(9)，其中，齿根圆直径与齿顶圆直径之间的比是在1比1.2到1比1.4之间，并且尤其是在1比1.3和1比1.35之间。
7.根据权利要求6所述的转速传感器装置(1)，其中，所述齿顶圆(8)的直径是在40至50mm之间，尤其是45mm。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的转速传感器装置(1)，其中，所述齿元件(6)以24至36°的角距、尤其以30°的角距(β)布置。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的转速传感器装置(1)，其中，所述齿元件(6)的径向的高度(hR)是在8至15mm之间。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的转速传感器装置(1)，其中，在切换侧面(11)与槽底部之间构造过渡半径(rB)，所述过渡半径是在2至3mm之间并且尤其是2.5mm。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的转速传感器装置(1)，其中，所述传感器装置(3)包括至少三个霍尔传感器元件，所述至少三个霍尔传感器元件形成第一和第二差动霍尔传感器，所述霍尔传感器元件根据传感器轮(2)的转动方向提供不同相移的霍尔信号(HS)，所述霍尔信号形成转动方向信息。
12.一种驱动轴装置，所述驱动轴装置具有根据权利要求1至11中任一项所述的转速传感器装置(1)，其中，所述驱动轴装置构造为凸轮轴(103)或曲轴(102)。
13.一种内燃机(101)，具有根据权利要求12所述的驱动轴装置。
14.一种机动车(100)，具有根据权利要求13所述的内燃机(101)。
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