CN112703371A - 旋转角度测量系统 - Google Patents

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CN112703371A CN201880095661.3A CN201880095661A CN112703371A CN 112703371 A CN112703371 A CN 112703371A CN 201880095661 A CN201880095661 A CN 201880095661A CN 112703371 A CN112703371 A CN 112703371A
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Abstract

用于检测轴(12)的旋转运动的旋转角度测量系统(10；10’)，其具有与所述轴(12)抗扭地连接的且径向包围所述轴(12)的转子单元(18)、固定不动的定子单元(20)和至少一个用于韦根传感器(36)的磁性的屏蔽装置(22；22A)，所述转子单元(18)具有至少一个传感器磁体(24)，所述固定不动的定子单元(20)具有与所述轴(12)径向间隔布置的多圈传感器单元(34)，所述多圈传感器单元(34)带有至少一个韦根传感器(36)，所述多圈传感器单元(34)在功能上与传感器磁体(24)协同作用以便检测轴旋转，所述至少一个磁性的屏蔽装置(22；22A)由具有高导磁率的材料构成，其中，所述至少一个磁性的屏蔽装置(22；22A)具有屏蔽元件(40，42；40’，42’)，所述屏蔽元件(40，42；40’，42’)在一个矢状平面中包围至少一个韦根传感器(36)。

Description

旋转角度测量系统
本发明涉及一种用于检测轴的旋转运动的旋转角度测量系统，其具有与轴抗扭地(或者说旋转固定地)连接的且径向包围轴的转子单元、固定不动的定子单元和针对至少一个韦根传感器的至少一个磁性的屏蔽装置，该转子单元具有至少一个传感器磁体，该固定不动的定子单元具有与轴径向间隔布置的多圈传感器单元，该多圈传感器单元带有至少一个韦根传感器，该至少一个韦根传感器在功能上与传感器磁体协同作用，以便检测轴转数，该磁性的屏蔽装置由具有高导磁率的材料构成。
这种类型的旋转角度测量系统用于测量轴的旋转运动并且通常也被称为角度测量装置、旋转角度传感器或旋转传感器。这种系统尤其用于控制和监测机器、设备或车辆中的电动机，尤其是伺服电机。非接触式旋转角度测量系统，例如光学或磁激励系统在此起到特殊的作用，因为它们由于无磨损的传感技术而具有较长的使用寿命。
从DE102009019719A1中已知用于检测轴的旋转运动的例如基于磁体的旋转角度测量系统，基于磁体的旋转角度测量系统中，通过测量系统以纯磁性的方式或磁性光学方式检测轴的转数。测量系统包括一个旋转的转子单元和固定不动的定子单元，在该转子单元上布置有多个传感器磁体，该固定不动的定子单元具有与轴径向间隔布置的多圈传感器单元，该多圈传感器单元带有韦根传感器。转子单元抗扭地与轴连接，使得在轴的旋转时传感器磁体从固定不动的多圈传感器单元旁边移动经过，其中，传感器磁体的磁场被传感器单元检测到。
磁场-传感器和尤其是韦根传感器很容易受到外界施加的干扰磁场的影响。因此，当将基于磁体的旋转角度测量系统直接布置在电动机/发电机或磁性制动器的驱动轴上时，通常出现测量误差，因为由电动机/发电机或磁性制动器产生的磁场通过通常由钢制成的轴传递到旋转角度测量系统中。
因此，由DE102009019719A1已知的旋转角度测量系统具有针对韦根传感器的磁性的屏蔽装置，其由具有高导磁率的材料构成。磁性的屏蔽装置径向包围轴并且轴向地布置在韦根传感器和永磁环形磁体之间，该永磁环形磁体是基于磁体的单圈传感器单元的部分。但公开的磁性屏蔽装置主要用于将韦根传感器对于由环形磁体产生的磁场屏蔽并且不允许可靠地屏蔽沿轴传输的干扰磁场。
因此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种旋转角度测量系统，其能够准确且无干扰地检测轴的旋转运动。
该技术问题通过一种具有权利要求1的特征的用于检测轴的旋转运动的旋转角度测量系统解决。
按本发明，至少一个磁性的屏蔽装置具有屏蔽元件，该屏蔽元件在一个矢状平面(或者说纵向面、弧矢面)中包围至少一个韦根传感器，亦即，屏蔽元件在径向外侧和在径向内侧上以及在轴向上侧和轴向下侧上包围韦根传感器。优选，屏蔽装置的屏蔽元件相互连接，使得屏蔽元件在矢状平面中围绕韦根传感器形成完全闭合的回路。但为了简化旋转角度测量系统的组装，屏蔽装置还可以具有单独的未连接的屏蔽元件，由此在矢状平面中的屏蔽元件之间产生小的气隙，但这些气隙不会损害磁性的屏蔽装置的功能性。因此，术语“包围”不要求屏蔽装置在矢状平面中具有完全闭合的轮廓。通过屏蔽元件在矢状平面中包围韦根传感器，外部的干扰磁场，尤其是沿轴施加到旋转角度测量系统中的干扰磁场通过磁性的屏蔽装置绕过韦根传感器导引。因此，干扰磁场不会穿透至韦根传感器，因此不会在韦根传感器中引起任何测量误差。因此，尤其即使当通过轴将强的干扰磁场施加到测量系统中时，按本发明的旋转角度测量系统也能够精确且无干扰地检测轴的旋转运动。
在内置两个或多个韦根传感器的情况下，根据布置可以提供一个、两个或多个屏蔽装置。屏蔽装置的数量不必与韦根传感器的数量一致。
优选，磁性的屏蔽装置具有在第一轴向侧上包围韦根传感器的第一屏蔽元件，并且磁性的屏蔽装置具有在与第一轴向侧对置的第二轴向侧包围韦根传感器的第二屏蔽元件。由两个部分组成的磁性的屏蔽装置使得按本发明的旋转角度测量系统的组装简单，而不会因此损害磁性的屏蔽装置的功能性。
在本发明特别优选的实施形式中，第一屏蔽元件固定不动地布置并且第二屏蔽元件抗扭地与轴连接。第一屏蔽元件可以例如以简单的方式固定在固定不动的电机壳体或定子壳体上，第二屏蔽元件可以以简单的方式直接地固定在轴上。这使得按本发明的旋转角度测量系统的组装简单。
在本发明的备选实施方案中，两个屏蔽元件，也就是说第一屏蔽元件和第二屏蔽元件，固定不动地布置并且直接地相互连接。整个屏蔽装置因此设计成是固定不动的。因此，旋转角度测量系统仅具有较小的旋转质量，从而旋转角度测量系统仅在最小程度上加载待检测的轴。
在本发明的有利的实施方案中，旋转角度测量系统具有定子壳体，该定子壳体由不可磁化的材料构成并且在该定子壳体中布置定子单元和固定不动的第一屏蔽元件。优选，定子壳体由塑料或铝构成，从而实现轻巧的旋转角度测量系统，该系统还可以廉价地制造。固定不动的第一屏蔽元件直接地固定在定子壳体上允许第一屏蔽元件稳定的固定以及精确的定向并且可以以简单的方式无需附加固定器件地实现。
有利地，磁性的屏蔽装置至少在韦根传感器的轴向侧沿周向环段形地设计，从而磁性的屏蔽装置包围仅一个定子单元部段，在该定子单元部段中布置韦根传感器。因此，磁性的屏蔽装置仅局部地设置在韦根传感器的周围环境中。结果，对于磁性的屏蔽装置仅需要少量的重的且昂贵的磁性材料。因此，由于磁性的屏蔽装置紧凑的设计可以生产轻便且便宜的旋转角度测量系统。
在本发明的有利的实施方案中，磁性的屏蔽装置具有屏蔽元件，该屏蔽元件在横向平面中包围韦根传感器。因此，除了径向内侧和径向外侧之外，磁性的屏蔽装置还在两个沿周向面对的横向侧上包围韦根传感器。因此，韦根传感器在所有的三个空间方向上被磁性的屏蔽装置包围。这使得韦根传感器能够特别可靠地屏蔽外部干扰磁场并因此对轴的旋转运动无干扰地检测。
有利的是，多圈传感器单元具有霍尔传感器，磁性的屏蔽装置具有屏蔽元件，该屏蔽元件在一个矢状平面中包围霍尔传感器。霍尔传感器允许简单的确定轴的旋转方向。因为磁性的屏蔽装置在一个矢状平面中包围霍尔传感器，即在其径向内侧和其径向外侧以及在其轴向上侧和其轴向下侧包围霍尔传感器，所以外部的干扰磁场通过磁性的屏蔽装置绕过霍尔传感器导引。这使得轴的旋转运动能够被无干扰地检测。
转子单元优选具有四个均匀地沿圆周分布的传感器磁体。由此，韦根传感器已经可以检测到轴的半圈旋转，由此能够实现对轴的旋转运动的可靠检测。
在本发明的优选的实施方案中，轴是空心轴。按本发明的旋转角度测量系统还尤其适合用于检测空心轴的旋转运动，其中，在没有特殊的预防措施的情况下，不可能将传感机构布置在轴的轴向端部上。
有利地，设有用于检测轴部分旋转的电容式单圈传感器单元，其中，在转子单元上布置有第一单圈传感器元件，并且在定子单元上布置有第二单圈传感器元件。电容式单圈传感器单元通过简单的方式集成到旋转角度测量系统中并且能够实现对轴旋转运动特别精确的检测。
下面根据附图描述按本发明的旋转角度测量系统的两个实施例，其中，
图1示出了按本发明的旋转角度测量系统的第一实施例的截面图，其中，旋转角度测量系统沿矢状面剖切，
图2示出了图1的旋转角度测量系统的转子单元的轴向上侧的立体图，
图3示出了具有图1的旋转角度测量系统的第一屏蔽元件的、定子单元的轴向下侧的立体图，
图4示出了按本发明的旋转角度测量系统的第二实施例的截面图，其中，旋转角度测量系统沿矢状面剖切，和
图5示出了具有图4的旋转角度测量系统的第一屏蔽元件的、定子单元的轴向下侧的立体图。
图1示出用于检测轴12的旋转运动的旋转角度测量系统10。轴12在本实施例中是空心轴，该空心轴基本上沿轴向延伸并且被具有静态的电机壳体16的驱动马达14驱动。旋转角度测量系统10包括转子单元18、定子单元20和磁性的屏蔽装置22。
转子单元18具有转子板24，该转子板24径向包围轴12并且直接地固定在轴12上。因此，转子单元18抗扭地与轴12连接。在转子板24上布置有四个均匀地沿其圆周分布的传感器磁体26。
定子单元20具有定子板32，该定子板32径向包围轴12。在定子板32上与轴12径向间隔地布置有多圈传感器单元34，该多圈传感器单元34具有韦根传感器36和集成电路35，该集成电路带有分析单元38和霍尔传感器37。集成电路35还包括未示出的控制逻辑系统和未示出的能量管理系统，该能量管理系统通过从韦根传感器36中获得的电能使多圈传感器单元34能够实现自给自足的运行。分析单元38还通过信号技术与未进一步示出的非易失性数据存储器连接，在该非易失性数据存储器中由分析单元38存储旋转计数并且读出。多圈传感器单元34的基本工作原理可以基本上从这种情况下明确引用的DE10259223B3中获得。
多圈传感器单元34径向地这样定位，使得韦根传感器36在轴12的旋转中检测传感器磁体26的磁场，该磁场与轴12一起旋转并因此从韦根传感器36旁边导引经过。定子板32通过多个定子固定器件39固定不动地固定在静态的电机壳体16上。
磁性的屏蔽装置22由具有高磁导率的材料，例如铁构成。磁性的屏蔽装置22在本实施例中由两部分组成。第一屏蔽元件40设计成基本上槽形的并且具有底壁44、两个径向对置的端壁46、48和两个沿周向对置的侧壁50、52。
底壁44基本上在横向平面中延伸并且布置在韦根传感器36的背离转子单元18的第一轴向侧A1上，此处是轴向下侧。端壁46、48分别基本上在前平面中延伸。第一端壁46布置在韦根传感器36的径向外侧，第二端壁48布置在韦根传感器36的径向内侧。第二端壁48沿轴向从底壁44延伸至转子板24的轴向下侧，但不接触转子板24。第一端壁46沿轴向从底壁44延伸并且轴向地突伸出转子板24的轴向上侧并且超过传感器磁体26。侧壁50、52分别基本上在矢状平面中延伸。侧壁50、52沿轴向分别从底壁44延伸至定子板32的轴向下侧。第一侧壁50布置在韦根传感器36的第一横向侧，第二侧壁52布置在韦根传感器36的沿周向对置的第二横向侧。因此，第一屏蔽元件40沿周向环段形设计并且包围定子单元20的仅一个部段，在该部段中布置有韦根传感器36。
第一屏蔽元件40既在两个径向侧也在两个横向侧包围韦根传感器36并因此在横向平面中基本上完全包围韦根传感器36。此外，第一屏蔽元件40也在其第一轴向侧A1包围韦根传感器36。在第一端壁46的背离底壁44的轴向端部上固定有第二屏蔽元件42。第二屏蔽元件42具有基本上在横向平面中延伸的第一屏蔽元件壁43和连接在第一屏蔽元件壁43的径向内侧上的并且垂直向下定向的第二屏蔽元件壁45。第一屏蔽元件壁43沿径向从第一端壁46延伸至轴12，但不接触轴12。第二屏蔽元件壁45沿垂直方向从第一屏蔽元件壁43延伸至转子板24，但不接触转子板24。因此，第二屏蔽元件42在其第二轴向侧A2包围韦根传感器36。具有两个屏蔽元件40、42的磁性的屏蔽装置22在两个径向侧以及在两个轴向侧A1，A2包围韦根传感器36，并因此在矢状平面中包围韦根传感器36。
为了提高角度分辨率，旋转角度测量系统10包括未示出的具有第一单圈传感器元件和第二传感器元件的电容式单圈传感器单元，该第一单圈传感器元件布置在转子单元18的轴向下侧，该第二传感器元件布置在定子单元20的轴向上侧。旋转角度测量系统10还具有未示出的中央逻辑单元，该中央逻辑单元通过信号技术与多圈传感器单元34和单圈传感器单元连接，以便确定轴的绝对旋转数和当前相对旋转角度。中央逻辑单元可以例如通过微控制器或通过所谓的“现场可编程逻辑门阵列”(FPGA)形成。
图4示出备选的按本发明的旋转角度测量系统10’。在旋转角度测量系统10’中，固定不动的定子单元20布置在环形的定子壳体54中，该定子壳体在本实施例中由塑料构成并且固定在电机壳体16上。定子壳体54径向包围轴12并且具有基本上U-形的轮廓。
第二屏蔽元件42’环形地设计并且具有基本上U-形的轮廓，其具有基本上在横向平面中延伸的顶壁57、位于径向内部的内壁59和位于径向外部的外壁61。第二屏蔽元件42’直接地固定在轴12上并因此抗扭地与轴12连接。在第二屏蔽元件42’中布置有转子单元18并且固定在第二屏蔽元件42’上。第二屏蔽元件42’布置在韦根传感器36的第二轴向侧A2上并且在第二轴向侧A2上包围韦根传感器36。
第一屏蔽元件40’设计成环扇形并且具有基本上U-形的轮廓，其具有基本上在横向平面中延伸的底壁56、位于径向内部的内壁58和位于径向外部的外壁60。第一屏蔽元件40’这样地设计并且布置在定子壳体54中，使得它包围定子单元20的仅一个部段，在该部段中布置有韦根传感器36和具有霍尔传感器37的集成电路35。第一屏蔽元件40’的内壁58包围韦根传感器36的径向内侧并且在轴向上与第二屏蔽元件42’的内壁59重叠。第一屏蔽元件40’的外壁60包围韦根传感器36的径向外侧并且在轴向上与第二屏蔽元件42’的外壁61重叠。第一屏蔽元件40’的底壁56包围韦根传感器36的第一轴侧A1。
因此，磁性的屏蔽装置22’在两个径向侧以及在两个轴向侧A1、A2包围韦根传感器36并且因此在矢状平面中完全包围韦根传感器36。此外，磁性的屏蔽装置22’在其径向内侧并且其径向外侧以及在其轴向上侧和其轴向下侧包围霍尔传感器37并且因此在矢状平面中完全包围霍尔传感器37。
附图标记列表
10；10’ 旋转角度测量系统
12 轴
14 驱动马达
16 电机壳体
18 转子单元
20 定子单元
22；22’ 磁性的屏蔽装置
24 转子板
26 传感器磁体
32 定子板
34 多圈传感器单元
35 集成电路
36 韦根传感器
37 霍尔传感器
38 分析单元
39 定子-固定器件
40；40’ 第一屏蔽元件
42；42’ 第二屏蔽元件
43 第一屏蔽元件壁
44 底壁
45 第二屏蔽元件壁
46 第一端壁
48 第二端壁
50 第一侧壁
52 第二侧壁
54 定子壳体
56 底壁
57 顶壁
58 内壁
59 内壁
60 外壁
61 外壁
A1 第一轴侧
A2 第二轴侧。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于检测轴(12)的旋转运动的旋转角度测量系统(10；10’)，其具有：
轴(12)，所述轴基本上沿轴向延伸，
与所述轴(12)抗扭地连接的且在径向上包围所述轴(12)的转子单元(18)，所述转子单元(18)具有至少一个传感器磁体(24)，
固定不动的定子单元(20)，其带有与所述轴(12)径向上间隔布置的多圈传感器单元(34)，所述多圈传感器单元(34)具有至少一个韦根传感器(36)，所述多圈传感器单元(34)在功能上与所述传感器磁体(24)协同作用，以便检测轴旋转，和
针对至少一个韦根传感器(36)的至少一个磁性的屏蔽装置(22；22’)，所述屏蔽装置(22；22’)由具有高导磁率的材料构成，
其特征在于，所述至少一个磁性的屏蔽装置(22；22’)具有屏蔽元件(40，42；40’，42’)，所述屏蔽元件(40，42；40’，42’)在其径向内侧、在其径向外侧、在其第一轴向侧(A1)并且在其第二轴向侧(A2)上包围所述至少一个韦根传感器(36)。
2.按权利要求1所述的旋转角度测量系统(10；10’)，其中，所述磁性的屏蔽装置(22；22’)具有第一屏蔽元件(40；40’)和第二屏蔽元件(42；42’)，所述第一屏蔽元件(40；40’)在第一轴向侧(A1)包围所述韦根传感器(36)，所述第二屏蔽元件(42；42’)在与第一轴向侧(A1)对置的第二轴向侧(A2)包围所述韦根传感器(36)。
3.按权利要求2所述的旋转角度测量系统(10’)，其中，所述第一屏蔽元件(40’)固定不动地布置，并且所述第二屏蔽元件(42’)与所述轴(12)抗扭地连接。
4.按权利要求2所述的旋转角度测量系统(10)，其中，两个屏蔽元件(40，42)固定不动地布置并且直接地相互连接。
5.按权利要求2或3所述的旋转角度测量系统(10’)，其中，设有固定不动的定子壳体(54)，所述固定不动的定子壳体(54)由不可磁化的材料构成并且在所述固定不动的定子壳体(54)中布置有所述定子单元(20)和所述固定不动的第一屏蔽元件(40’)。
6.按前述权利要求之一所述的旋转角度测量系统(10；10’)，其中，所述磁性的屏蔽装置(22；22’)至少在所述韦根传感器(36)的轴向侧(Al)上沿周向以环段的形式设计，使得所述磁性的屏蔽装置(22；22’)包围仅一个定子单元部段，在所述定子单元部段中布置有所述韦根传感器(36)。
7.按前述权利要求之一所述的旋转角度测量系统(10)，其中，所述磁性的屏蔽装置(22)具有屏蔽元件(40，42)，所述屏蔽元件(40，42)在其径向内侧、在其径向外侧以及在其两个沿周向面对的横向侧上包围韦根传感器(36)。
8.按前述权利要求之一所述的旋转角度测量系统(10’)，其中，所述多圈传感器单元(34)具有霍尔传感器(37)，并且其中，所述磁性的屏蔽装置(22’)具有屏蔽元件(40’，42’)，所述屏蔽元件(40’，42’)在其径向内侧、在其径向外侧、在其第一轴向侧(A1)和在其第二轴向侧(A2)上包围所述霍尔传感器(37)。
9.按前述权利要求之一所述的旋转角度测量系统(10；10’)，其中，所述转子单元(18)具有四个均匀地沿圆周分布的传感器磁体(26)。
10.按前述权利要求之一所述的旋转角度测量系统(10；10’)，其中，所述轴(12)是空心轴。
11.按前述权利要求之一所述的旋转角度测量系统(10；10’)，其中，设有电容式单圈传感器单元用于检测轴部分旋转，其中，在所述转子单元(18)上布置有第一单圈传感器元件，并且在所述定子单元(20)上布置有第二单圈传感器元件。

Claims (11)

1.一种用于检测轴(12)的旋转运动的旋转角度测量系统(10；10’)，其具有：
与所述轴(12)抗扭地连接的且在径向上包围所述轴(12)的转子单元(18)，所述转子单元(18)具有至少一个传感器磁体(24)，
固定不动的定子单元(20)，其带有与所述轴(12)径向上间隔布置的多圈传感器单元(34)，所述多圈传感器单元(34)具有至少一个韦根传感器(36)，所述多圈传感器单元(34)在功能上与所述传感器磁体(24)协同作用，以便检测轴旋转，和
针对至少一个韦根传感器(36)的至少一个磁性的屏蔽装置(22；22’)，所述屏蔽装置(22；22’)由具有高导磁率的材料构成，
其特征在于，所述至少一个磁性的屏蔽装置(22；22’)具有屏蔽元件(40，42；40’，42’)，所述屏蔽元件(40，42；40’，42’)在矢状平面中包围所述至少一个韦根传感器(36)。
2.按权利要求1所述的旋转角度测量系统(10；10’)，其中，所述磁性的屏蔽装置(22；22’)具有第一屏蔽元件(40；40’)和第二屏蔽元件(42；42’)，所述第一屏蔽元件(40；40’)在第一轴向侧(A1)包围所述韦根传感器(36)，所述第二屏蔽元件(42；42’)在与第一轴向侧(A1)对置的第二轴向侧(A2)包围所述韦根传感器(36)。
3.按权利要求2所述的旋转角度测量系统(10’)，其中，所述第一屏蔽元件(40’)固定不动地布置，并且所述第二屏蔽元件(42’)与所述轴(12)抗扭地连接。
4.按权利要求2所述的旋转角度测量系统(10)，其中，两个屏蔽元件(40，42)固定不动地布置并且直接地相互连接。
5.按权利要求2或3所述的旋转角度测量系统(10’)，其中，设有固定不动的定子壳体(54)，所述固定不动的定子壳体(54)由不可磁化的材料构成并且在所述固定不动的定子壳体(54)中布置有所述定子单元(20)和所述固定不动的第一屏蔽元件(40’)。
6.按前述权利要求之一所述的旋转角度测量系统(10；10’)，其中，所述磁性的屏蔽装置(22；22’)至少在所述韦根传感器(36)的轴向侧(Al)上沿周向以环段的形式设计，使得所述磁性的屏蔽装置(22；22’)包围仅一个定子单元部段，在所述定子单元部段中布置有所述韦根传感器(36)。
7.按前述权利要求之一所述的旋转角度测量系统(10)，其中，所述磁性的屏蔽装置(22)具有屏蔽元件(40，42)，所述屏蔽元件(40，42)在横向平面中包围韦根传感器(36)。
8.按前述权利要求之一所述的旋转角度测量系统(10’)，其中，所述多圈传感器单元(34)具有霍尔传感器(37)，并且其中，所述磁性的屏蔽装置(22’)具有屏蔽元件(40’，42’)，所述屏蔽元件(40’，42’)在矢状平面中包围所述霍尔传感器(37)。
9.按前述权利要求之一所述的旋转角度测量系统(10；10’)，其中，所述转子单元(18)具有四个均匀地沿圆周分布的传感器磁体(26)。
10.按前述权利要求之一所述的旋转角度测量系统(10；10’)，其中，所述轴(12)是空心轴。
11.按前述权利要求之一所述的旋转角度测量系统(10；10’)，其中，设有电容式单圈传感器单元用于检测轴部分旋转，其中，在所述转子单元(18)上布置有第一单圈传感器元件，并且在所述定子单元(20)上布置有第二单圈传感器元件。
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