CN113196013B - 旋转角的电感检测 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种传感器装置(105)以检测通量元件(125)在绕旋转轴线(155)的圆形路径(130)上的旋转角(D)。传感器装置包含通量元件(125)和线圈组(165a‑c)，这些线圈组具有扁平线圈(160a‑i)，这些扁平线圈在与圆形路径(130)平行的且与旋转轴线(155)同心的平面(120)上的相同旋转角区域(Wa‑c)中，扁平线圈(160a‑i)的电感(La‑i)取决于通量元件(125)的旋转角(D)。传感器装置还具有评估装置(145)，以评估每个扁平线圈(160a‑i)的通量元件(125)的电感(La‑i)和独立旋转角(Ea‑i)以及距至少两个匹配的独立旋转角(Ea‑i)的旋转角(D)。在包括传感器装置(105)的电机(100)中，通量元件(125)联接到转子(185)，并且线圈组(165a‑c)联接到定子(180)，反之亦然。在用于检测旋转角(D)的方法中，确定每个扁平线圈(160a‑i)的电感(La‑i)和独立旋转角(Ea‑i)，并基于至少两个匹配的独立旋转角(Ea‑i)来提供旋转角(D)。
Description
技术领域
本发明涉及旋转角的检测，特别是用于电机(electric machine)的旋转角的检测。
背景技术
例如，在电动汽车的背景下需要车辆中的电机(旋转电马达/发电机)。在许多情况下，在此检测电机的旋转角(转子相对于定子的旋转角)是期望或必要的。
例如，从"2018年11月30日下载的胜美达新闻稿，'SUMIDA CORPORATIONintroduces Inductive Rotor-Position Sensor to Hybrid Electric Vehicles Market(胜美达株式会社将电感式转子位置传感器引入混合动力电动车辆市场)'，https://www.sumida.com/userfiles/NEWS_EVENTS/PRODUCTS/100420_RotorPositionSensor/20100420_E.pdf"中已知电感式转子位置传感器。
发明内容
本发明基于改进旋转角的电感检测的目的。
该目的通过一种用于检测沿着绕旋转轴线的圆形路径能够旋转的通量元件的旋转角的传感器组件来实现。本发明以及本发明的其它类别的优选或有利实施例从下文的描述以及从附图得出。
传感器组件包含至少一个(特别是一个、两个、三个或四个)通量元件。特别地，通量元件具有距旋转轴线的径向间距，所述径向间距不等于零，和/或是无源通量元件。特别地，通量元件固定地安装在支撑件上，其中，在这种情况下，整个支撑件与通量元件能够共同围绕旋转轴线旋转。支撑件可以是传感器组件的一部分。在这种情况下，传感器组件还用于确定支撑件围绕旋转轴线的当前旋转角。
此外，传感器组件包含至少一个(特别是一个、两个、三个、四个、五个或六个)线圈组。每个线圈组分别包含至少一个(特别是一个、两个或三个)扁平线圈。总共存在至少两个扁平线圈。扁平线圈分别沿着面延伸。该面同心地围绕旋转轴线。该面沿着圆形路径平行地延伸。线圈组的所有扁平线圈(并因此，整个线圈组)分别相对于旋转轴线跨过相同的旋转角延伸。特别地，传感器组件包含至少两个线圈组，每个线圈组均具有至少两个扁平线圈。“扁平线圈”中的修饰语“扁平”在此指的是面，即，扁平线圈在面中是平坦的或以平坦的方式延伸。
扁平线圈被成形为使得每个扁平线圈的当前电感是通量元件相对于旋转轴线的当前旋转角的函数，即，所述通量元件沿着圆形路径的周向位置的函数。
此外，传感器组件包含评估装置。该评估装置例如通过硬连线或编程被指定用于确定每个扁平线圈在特定时间点的当前电感。此外，所述评估装置被指定用于通过相应扁平线圈的确定出的电感来确定通量元件的当前的相应独立旋转角。此外，所述评估装置被指定用于基于两个不同扁平线圈的至少两个匹配的独立旋转角来提供通量元件的旋转角。独立旋转角在此必须在可接受的误差范围内匹配。可替代地，如果至少两个独立旋转角不是对应匹配的情况，则启动错误测量，例如发出错误报告。
特别地，线圈组中的至少一个包含一个(第三)或甚至更多的另外的扁平线圈。在这种情况下，该另外的扁平线圈在传感器组件或线圈组中引入了更多程度的冗余，这是因为另外的独立旋转角被确定并且可用于评估通量元件与线圈组之间的相同相对位置。
特别地，所有旋转角范围的总和是至少360°，使得可以检测通量元件围绕旋转轴线的所有潜在旋转角。
因此，扁平线圈被成形为使得每个扁平线圈的当前电感是通量元件沿着圆形路径的位置的函数。换言之，可以通过确定出的电感明确区分待确定的不同旋转角。
实际上，可以由传感器组件确定通量元件的任意数量的旋转角。不必为一个扁平线圈分配待确定的旋转角。待确定的旋转角的数量和/或位置可以自由选择并且在任意时间点改变。传感器组件可以灵活用于不同的特定应用，并在需要时可以校准待识别的旋转角。例如，传感器组件可以用于电机，用于确定转子相对于定子的当前旋转角。
通过借助于线圈组中的三个扁平线圈来确定通量元件的旋转角，可以实现一定程度的冗余，该冗余分别允许传感器组件的操作或旋转角的正确识别，即使当扁平线圈中的一个出现故障(例如由于线圈导线的短路或中断)时也是如此。
此外，圆形路径与面之间的间距优选地是恒定的。圆形路径也可以优选地以恒定的间距遵循面。
特别地，本发明可以用于识别电机或马达/发电机中的转子的位置，特别是在电动汽车领域。
本发明利用至少两个(特别是三个)扁平线圈，特别地，这些扁平线圈在径向方向上、在轴向方向上或在组合的径向/轴向方向上相对于旋转轴线彼此相邻布置。就所述扁平线圈的长度而言，所述扁平线圈在周向方向上分别以相同或类似的方式围绕旋转轴线成形或屈曲成圆形段的形状或弓形形状。
本发明尤其基于以下构思：转子的旋转角的精确测量对于基于电动汽车项目的电马达非常重要。由于道路上的大障碍，可以想象到电动汽车的车轮无法向前行驶。因此，电马达出现“转子堵转(blocked rotor)”状态。这种状态可以使用转子的旋转角位置传感器来识别。否则，基于MOSFET的H桥或马达可能会在“转子堵转”状态下烧毁。
由于本发明，可以确定转子的正确旋转角位置，并且可以启动合适的措施以防止上述情况，即，可以避免由于大电流而导致的H桥或马达本身的损毁。
根据本发明，梯形(在平面中)的两个或三个扁平线圈从平面形状转变为屈曲形状，使得所述扁平线圈围绕旋转轴线装配到同心面中。特别地，扁平线圈在此直接印刷到电路板上。电路板在此可以在内部紧固到电马达的静止或固定部，例如紧固到定子。
此外，特别地，铜/铝的薄导电板(通量元件)(特别是具有特殊形状或轮廓)紧固到非导电盘或圆柱体(支撑件)并且固定地紧固到旋转转子轴。因此，当电路板围绕旋转轴线旋转时，该电路板会滑过扁平线圈。这种扁平线圈和通量元件(铜激活元件(copperactivator element))的组合形成电感式旋转角传感器(电感式转子位置传感器IRPS)的基座。基于上述信号计算转子的旋转角。特别地，三个这样的梯形扁平线圈(屈曲成旋转形状)的线圈组覆盖围绕旋转轴线的至少60°、至多90°的旋转角范围。因此，为了测量转子位置(旋转角)的完整旋转范围(360°)需要这种两个或三个旋转形状的梯形扁平线圈的至少四个线圈组(4x 90°＝360°)或至多六个线圈组(6x 60°＝360°)，其中，所述梯形扁平线圈彼此不重叠并且在围绕旋转轴线的周向方向上彼此无缝地邻接。
在一个优选实施例中，传感器组件包含至少两个线圈组。至少两个线圈组在围绕旋转轴线的周向方向上跨过不同的旋转角范围延伸。旋转角范围至少在周向方向上不完全重叠，优选根本不重叠。特别地，至少两个旋转角范围具有相同大小(在周向方向上)。特别是考虑到围绕旋转轴线的整体检测，独立扁平线圈因此必须仅覆盖特定的旋转角范围而不是整个圆周，并且因此可以具有更简单的实施例。
在该实施例的一种优选变型中，至少两个(特别是所有)旋转角范围彼此不重叠并且在周向方向上彼此无缝地邻接。因此可以使用在周向方向上延伸跨过相对小的独立旋转角范围的扁平线圈来检测相互邻接的独立旋转角范围的理想大的总旋转角范围。特别地，提供每个90°的四个旋转角范围或者每个60°的六个旋转角范围，以实现每个360°的旋转角检测。
在一个优选实施例中，所述面是平坦的并且横向于旋转轴线延伸。因此，该面描述了环形形状。可替代地，围绕旋转轴线的面具有锥形形状或圆锥形形状或特别是直圆柱的侧表面的形状。能够以特别简单的方式实现对应的面，以及沿着这些面延伸的扁平线圈。
在一个优选实施例中，通量元件具有沿着圆形路径的正弦特性。特别地，该特性涉及通量元件的形状、材料、厚度(径向方向或轴向方向、或它们的组合)、宽度(轴向方向或径向方向、或它们的组合)。特别地，在这种情况下，扁平线圈可以实施为特别是在周向方向上分别具有均匀或一致的特性(宽度、厚度、材料、绕组数量、几何形状等)，并因此是特别简单的实施例。
在一个优选实施例中，扁平线圈中的至少一个被成形为使得扁平线圈在被通量元件覆盖的面中的区域的大小分别是通量元件的当前旋转角的函数，因此是通量元件沿着圆形路径的位置的函数。被通量元件覆盖的区域可以通过通量元件在面的法线方向上分别到面或扁平线圈上的投影来确定。特别地，投影方向在此指向扁平线圈上的垂直于圆形路径的线的方向。在该面中通量元件通过其不同的旋转角可以覆盖的整个区域分别优选地被扁平线圈中的至少一个覆盖。被通量元件覆盖的扁平线圈的区域越大，所述区域对所述扁平线圈的电感的影响就越大。通过将扁平线圈的被覆盖的区域与旋转角相关联，扁平线圈的电感可以是通量元件的旋转角的函数，使得可以基于电感来确定旋转角。
圆形路径通常或在优选实施例中分别在起始角与终止角之间延伸。在此，至少一个线圈组的第一扁平线圈(特别是第三扁平线圈，如果存在第三扁平线圈的话)的宽度横向于圆形路径从起始角到终止角递减，而同一线圈组的第二扁平线圈的宽度从起始角到终止角在相同方向上递增。结果，能够以改进的紧凑方式布置扁平线圈。特别地，就上述情况而言，第一扁平线圈和第三扁平线圈可以被设想为使得所述扁平线圈的电感在通量元件的每个旋转角处彼此对应。
在一个优选实施例中，用于至少一个线圈组(该线圈组在此包含至少三个扁平线圈)的第二扁平线圈在横向于圆形路径的方向上位于第一扁平线圈与第三扁平线圈之间。结果，可以实现扁平线圈的特别紧凑的构造。此外，可以使相邻扁平线圈的任何相互影响最小化。
在一个优选实施例中，至少一个线圈组的扁平线圈共同占据所述面的环形段或锥壳或直圆柱壳。结果，扁平线圈可以具有紧凑的构造并且同时易于布置或安装。特别地，通量元件在此可以具有矩形形状(在分别沿着该面“卷绕”或“屈曲”或平行于该面的情况下)，其中，通量元件的宽度和扁平线圈的面的宽度可以相同，并且通量元件在圆形路径的方向上的长度优选地小于扁平线圈的面的长度。
扁平线圈通常包括位于所述面中的多个绕组。最内部的绕组可以具有原始平坦梯形或三角形的形状(其已经在该面上“卷起”或“屈曲”)，并且更外侧的绕组可以分别具有距下一个更向内的绕组恒定的间距。结果，除了最内部的绕组之外的所有绕组分别可以具有分别在该面上卷起或屈曲的三角形或梯形的形状。所述扁平线圈通常也可以称为梯形扁平线圈，其中，三角形代表梯形的特殊形式，其中，两个相邻拐角重合以形成单个拐角。
在具有至少三个扁平线圈的线圈组的一个实施例中，第一扁平线圈和第三扁平线圈的最内部的绕组分别具有分别在该面上卷起或屈曲的直角梯形的形状，并且第二扁平线圈的最内部的绕组具有在平面中原始等角且在该面上分别已经卷起或屈曲的梯形的形状。在这种情况下，第一扁平线圈和第三扁平线圈的外部绕组基本各自具有对应屈曲的直角梯形的形式，并且第二扁平线圈的外部绕组具有对应屈曲的、对称的等腰梯形的形状。
在一个优选实施例中，扁平线圈的宽度分别沿着圆形路径严格单调地变化。结果，扁平线圈的电感也可以沿着圆形路径(旋转角)跨过通量元件的位置严格单调地发展。结果，使得能够基于扁平线圈的电感明确确定通量元件的位置。
在一个优选实施例中，至少一个扁平线圈包括多个平面。这些平面可以沿着圆形路径与面的间隔的方向布置。实际上，扁平线圈可以形成为电路板上的导体形式的印刷线圈。为了包括多个平面，线圈可以形成在电路板的多个层上并且彼此电连线以形成扁平线圈。不同层上的线圈在此通常具有相同的形状、面和绕组方向。
线圈在此也可以附接到层的两侧；例如，在4层扁平线圈中，独立线圈平面可以附接到(4层)电路板的两侧。然后相应通量元件(因此总共两个通量元件)可以出现在电路板的两侧上，以便从两侧影响扁平线圈。因此简化了影响效果。在这种情况下，U形通量元件可以在两侧包围支撑盘的外周，线圈组附接到所述支撑盘的外圆周。
在一个优选实施例中，通量元件包含特别平行于所述面延伸的导电元件。导电元件可以使扁平线圈的电感最小化，所述导电元件位于所述扁平线圈的电磁场中，并因此用作衰减元件。通量元件在此从电磁场吸收能量并在导电材料中形成涡电流。
在另一个实施例中，可以使用当所述通量元件位于所述扁平线圈的电磁场中时增加扁平线圈的电感的通量元件。通量元件在此优选地由作为不良电导体的铁磁材料(诸如铁氧体或铁)制成。
本发明的目的还通过根据本发明的电机实现。该电机包括：定子和转子，该转子相对于定子能够围绕旋转轴线旋转；以及前述传感器组件，其中，传感器组件的旋转轴线是电机的旋转轴线，并且通量元件以旋转固定的方式联接到转子并且线圈组以旋转固定的方式联接到定子。这种变型的反转(线圈组在转子上，通量元件在定子上)也是可能的。
已经在根据本发明的传感器组件的上下文中以类似的方式解释了电机及其至少一些实施例以及相应优点。
在一个优选实施例中，电机或传感器组件包含紧固到转子的非导电支撑件。通量元件安装在支撑件上。特别地，支撑件是相对于旋转轴线的圆盘或直圆柱体。
已经在根据本发明的传感器组件的上下文中以类似的方式解释了这样的支撑件的方面和这样的实施例的至少一部分以及相应优点。
关于传感器组件，评估装置可以包括处理装置，该处理装置被指定用于完全或部分地执行下文描述的方法。为此，处理装置可以包括可编程微型计算机或微控制器，并且该方法能够以具有程序代码组件的计算机程序产品的形式存在。计算机程序产品也可以被存储在计算机可读数据载体上。该方法的特征或优点可以应用于传感器组件，反之亦然。
因此，本发明的目的还通过根据本发明的方法来实现，以用于检测根据本发明的传感器组件或根据本发明的电机的通量元件的旋转角。在该方法中确定每个扁平线圈的当前电感。随后通过相应扁平线圈的确定出的电感来确定通量元件的当前的相应独立旋转角。随后基于至少两个匹配的独立旋转角来提供通量元件的旋转角。
已经在根据本发明的传感器组件和根据本发明的电机的上下文中以类似的方式解释了该方法及其至少一些实施例以及相应优点。
因此，该方法包括以下步骤：确定扁平线圈的电感；在每种情况下分别关于确定出的电感或扁平线圈中的一个来确定通量元件的独立旋转角；以及基于确定出的独立旋转角的至少两个匹配的独立旋转角来提供通量元件的旋转角。如果两个(或者特别是三个或更多个)确定出的独立旋转角彼此匹配，则可以基于所有独立旋转角来确定通量元件的旋转角。由于确定期间的缺陷，因此匹配的独立旋转角通常彼此略微偏离。提供旋转角可以例如包括：形成确定出的独立旋转角的最小值、最大值、平均值，或者选择确定出的独立旋转角中的一个独立旋转角，所述选择被分配给该两个或三个或更多个扁平线圈中的预定的扁平线圈。如果独立旋转角中的仅仅两个彼此匹配，则可以基于这两个确定出的独立旋转角来确定通量元件的旋转角。
在一般实施例中，在通量元件的区域中设置有N个扁平线圈，其中，优选地N>2，并且进一步优选地，N是奇数。在这种情况下，可以关于多个匹配的独立旋转角来确定通量元件的旋转角，这些独立旋转角分别被分配给扁平线圈中的一个。通常，即使在N-2个扁平线圈发生故障之后，传感器组件也可以继续确定通量元件的旋转角。出于空间以及多于一个扁平线圈同时故障的预期概率的原因，建议选择N＝3(每个线圈组)。
在一个优选实施例中，传感器组件包含至少3个扁平线圈。当基于有缺陷的线圈(如果存在这种有缺陷的扁平线圈的话)的电感所确定出的独立旋转角偏离基于其它扁平线圈已经确定出的匹配的独立旋转角时，分别识别出或确定出所述有缺陷的扁平线圈。特别地，在包含至少3个扁平线圈的线圈组内执行该方法。可以提供指出有缺陷的扁平线圈的信号或消息。可以从传感器组件的进一步操作中排除有缺陷的扁平线圈。特别地，至少只要在相应线圈组内没有其它扁平线圈被确定为是有缺陷的，则传感器组件就可以继续操作。
附图说明
本发明的其它特征、效果和优点从本发明的优选示例性实施例的以下描述以及从附图中得出。在附图(其分别为示意图)中：
图1示出了电机上的根据本发明的传感器组件；
图2示出了图1的传感器组件中的电感相对于旋转角的曲线；
图3示出了用于确定图1中的旋转角的方法的顺序图；
图4以a)侧视图示出了图1中的电机，并且以b)主视图示出了具有通量元件的替代支撑件；
图5示出了a)类似于图1的圆柱形的替代扁平线圈和通量元件，以及b)具有正弦通量元件和同质扁平线圈的圆柱形的替代扁平线圈和通量元件；
图6示出了a)在根据图4的电机中的图5的组件，b)具有圆锥形的替代几何形状；
图7示出了具有两个扁平线圈的替代线圈组；并且
图8示出了每个线圈组具有一个扁平线圈的替代传感器组件。
具体实施方式
图1示出了未更详细地示出(详细视图例如参见图4)的电机100的一部分，具体地仅示出安装在其中的传感器组件105。传感器组件105被指定用于确定第一元件(通量元件125)相对于第二元件(线圈组165a-165c)的旋转角，如下文将解释的。电机100包含定子180和转子185，该转子185相对于定子180能够围绕旋转轴线155旋转(参见图4a)。
传感器组件105包括第一扁平线圈160a、第二扁平线圈160b和第三扁平线圈160c，它们在关于传感器组件105的旋转轴线155(与电机100的旋转轴线155重合)的径向方向上在关于旋转轴线155径向方向上“彼此相邻地”位于面120中，该面120在此是平坦的并且形成圆盘。轴向平面中的面120在此垂直于旋转轴线155延伸。沿着预定轨迹(在此为圆形路径130)围绕旋转轴线155能够旋转的通量元件125被附接成沿着旋转轴线155相对于面120轴向偏移。在图示的实施例中，圆形路径130同样与横向于旋转轴线155的平面重合。在图示的实施例中的通量元件125是环形段并且包括四个边缘，该四个边缘径向地成对延伸，并且在旋转轴线155的周向方向上成对延伸，并且全部平行于面120延伸。
机动车辆上的传感器组件105优选地被指定用于确定电机100的转子185相对于定子180的旋转角。为此，通量元件125以旋转固定的方式紧固到转子185或联接到该转子185，并且线圈组165a-165c以旋转固定的方式分别紧固到定子180或联接到该定子180。通量元件125在此被保持在支撑件135上，该支撑件135进而紧固到转子185。
扁平线圈160a-160c形成第一线圈组165a。该第一线圈组165a在120°(0°至120°)的第一旋转角范围Wa上围绕旋转轴线155延伸。三组扁平线圈中的另外两组扁平线圈160d-160i形成另外两个线圈组165b-165c，该另外两个线圈组165b-165c与第一线圈组165a相同并因此不再解释。所述另外两个线圈组165b-165c还跨过每个120°的旋转角范围Wb(120°至240°)和Wc(240°至0°)延伸。旋转角范围Wa-Wc无任何重叠且以无缝方式彼此邻接。因此，从0°至360°的所有旋转角D都分别被扁平线圈160a-160i或线圈组165a-165c覆盖。
扁平线圈160a-160i在此附接到支撑部190(在图1中未示出)，以便形成可以单独处理的单元。支撑部190附接到电机100的定子180，并且该电机100的转子185连接到通量元件125，使得当电机100或该电机100的转子185分别旋转时，通量元件125相对于扁平线圈160a-160c沿着圆形路径130旋转。
特别地，支撑部190可以包括电路板，并且扁平线圈160a-160i可以被构造为电路板上的导体。电路板可以可选地分别包括多个平面或层，扁平线圈160a-160i的一部分可能分别被构造为导体并且因此也被构造为所述平面或层上的平面，其中，扁平线圈160a-160i的所述部分或平面分别彼此电连接。通量元件125分别包含导电材料或元件(诸如铜)或由导电材料或元件构成，以便用作扁平线圈160a-160i的电感La-Li的衰减元件。通量元件125平行于面120延伸并且由阴影线突出显示。
在图示的实施例中的圆形路径130绕旋转轴线155延伸360°，使得通量元件125在从0°到360°的所有旋转角D中完全位于面120的上方(或下方)。
扁平线圈160a-160i被成形为使得每个扁平线圈160a-160i的被通量元件125覆盖的区域170分别是通量元件125沿着圆形路径130的位置或旋转角D的函数。扁平线圈160e的当前被覆盖的区域170使用交叉阴影线示出。所有扁平线圈160a-160i的当前被通量元件170覆盖的整个区域使用不同的阴影线示出。
扁平线圈160a和160c在此被成形为使得当通量元件125位于旋转角0°处时，该扁平线圈160a和160c的分别被通量元件125覆盖的区域170或所述区域170的面或大小A分别是最大的，并且当通量元件125在旋转角120°的方向上移位时，被覆盖的区域严格单调递减。扁平线圈160b被成形为使得当通量元件125位于旋转角0°时，该扁平线圈160b的被通量元件125覆盖的区域170是最小的，并且当通量元件125在朝向旋转角120°的方向上移位时，被覆盖的区域严格单调递增。与前述相反，扁平线圈160b相对于扁平线圈160a、160c的布置对于传感器组件105的功能来说不是强制性的，但能够实现扁平线圈160a-160c在面120上的特别紧凑的布置。以上内容以类似的方式同样适用于其它线圈组165b、165c。
线圈组165a的旋转角范围Wa从起始角WS(旋转角D＝0°)延伸至终止角WE(D＝120°)。扁平线圈160a、160c在径向方向(因此横向于圆形路径130)上的宽度B从起始角WS到终止角WE递减；但是，扁平线圈160b的对应宽度B增加。宽度B在此沿着圆形路径130严格单调地变化(160b：递增；并且160a、160c：递减)。
第二扁平线圈160b在此在横向于圆形路径130的方向上(因此在径向方向上)位于扁平线圈160a、160c之间。线圈组165a的扁平线圈160a-160c共同占据面120的环形段。
扁平线圈160a-160c在此跨过圆周的三分之一(因此120°)延伸。在图示的实施例中，扁平线圈160a、160c分别被成形为“梯形”(转变为圆形形状以便“屈曲”或“卷起”)，其中，梯形的相互“平行”的底边分别在周向方向上延伸。扁平线圈160a、160c在背离扁平线圈160b的一侧(特别是在旋转角0°和120°处)上的梯形分别具有两个90°的内角。
第二扁平线圈160b的梯形不具有任何直角内角，但是在径向方向上相对于圆形路径是“对称的”，该圆形路径位于面120的中心。
传感器组件105的评估装置145被指定用于分别确定扁平线圈165a-165i的当前电感La-Li。为此，扁平线圈165a-165i中的每个的两端优选地连接到评估装置145(未示出)。为了确定扁平线圈165a-165i的电感La-Li，这些扁平线圈165a-165i可以形成谐振电路的一部分，例如并联LC谐振器(未示出)的一部分，并且该谐振电路可以在其谐振频率下被激发。谐振频率可以用作电感La-Li的量度，该电感La-Li进而是扁平线圈160a-160i的被通量元件125覆盖的相应区域170的函数。被覆盖的区域170的大小与通量元件125的旋转角D相关联，并且因此与转子185的旋转角D相关联，使得转子185的旋转角D(或独立旋转角Ea-Ei)可以基于扁平线圈165a-165i的电感La-Li来确定。
此外，评估装置145优选地被指定用于基于分别关于扁平线圈165a-165i中的一个已经独立地确定出的独立旋转角Ea-Ei来分别确定转子185或通量元件125的旋转角D。特别地，在此可以确定已经分别关于扁平线圈165a-165i中的一个确定出的两个或更多个独立旋转角Ea-Ei是否彼此匹配。如果是这种情况，则因此可以确定关于匹配独立旋转角Ea-Ei的旋转角D。确定出的旋转角D可以通过接口150从外部提供。所提供的旋转角D可以连续地位于预定范围内，或者离散地与预定周向位置相关(例如，“0度”/“180度”)。此外可以确定扁平线圈165a-165i中的一个是否有任何缺陷。
图2中的图示示出了扁平线圈165a-165c的电感La-Lc的在质量方面示例性的曲线，其中该电感La-Lc作为在第一角度范围Wa内的通量元件125的从0°到120°的不同旋转角D的函数。在水平方向上绘制了通量元件125的旋转角D，并且在竖直方向上绘制了电感La-Lc。扁平线圈165a、165c的电感La、Lc被显示为相同，而实际上所述电感通常至少彼此略微偏离，即使当扁平线圈165a、165c在径向方向上被构造成相对于旋转轴线155相互“对称”时也是如此。
图3示出了用于确定通量元件125相对于传感器组件105中的线圈165a-165i(如图1所示)的组件的旋转角D的方法200的顺序图。特别地，方法200可以借助于评估装置145来执行并在步骤205处开始。为了清楚起见，以代表所有线圈组165a-165c和所有扁平线圈160a-160i的方式针对线圈组165a仅仅以示例性方式示出所述方法200。
在步骤210中确定扁平线圈160a的电感La。在步骤215和220中以类似的方式确定扁平线圈165b、165c的电感Lb、Lc。步骤210至220可以依次、以同步方式或同时执行。
在步骤230至240中，然后例如基于显示在旋转角D处的电感La-Lc的表格或基于已知的相关性(允许基于电感La-Lc的旋转角D的函数确定)来为每个确定出的电感La-Lc确定通量元件125的对应的独立旋转角Ea-Ec。
在步骤250中将确定出的独立旋转角Ea-Ec彼此比较。如果多个扁平线圈165a-165c的独立旋转角Ea-Ec彼此匹配，则基于这些确定出的独立旋转角Ea-Ec来确定通量元件125的旋转角D，并在步骤225中例如通过接口150提供。
例如，如果在图1中所示的实施例中已经关于扁平线圈160a、160b确定出的独立旋转角Ea、Eb基本相同，并且如果已经关于扁平线圈160c确定出的独立旋转角Ec与另外两个独立旋转角Ea、Eb的偏差超过预定量度，则可以关于两个匹配的独立旋转角Ea、Eb来确定通量元件125的旋转角D。在这种情况下，在步骤260中，可以将扁平线圈160c确定为有缺陷，其中扁平线圈160c是已经确定偏离其它旋转角的独立旋转角Ec所关于的。已经被确定为有缺陷的扁平线圈160c不能用于在所示步骤的后续运行中确定旋转角D。方法200能够以循环的方式运行以便以预定的时间间隔确定旋转角D。
图4再次以a)侧视图示出了在电机100的上下文中来自图1的传感器组件105，并以b)正视图示出了支撑件105。图4在此示出了在支撑件135上总共存在四个通量元件125的变型。所述通量元件125在此相对于旋转轴线155在周向方向上延伸。支撑件135具有用于安装在转子185上或者安装在马达或电机100的对应轴上的中心孔。当通量元件125在线圈160a-160i“上方”或滑过所述线圈160a-160i时，所述通量元件125减小所述线圈160a-160i的电感La-Li。通量元件在此也可以分别称为在非导电盘或支撑件135的外周中的“铜激活器”。例如，用于扁平线圈160a-160i或用于在此象征性地指示并且所述扁平线圈160a-160i附接在其上的电路板195的支撑部190分别例如通过螺钉或铆钉紧固到定子180或马达壳体。马达或电机100分别通过安装柱(未更详细地解释)紧固到固定的组件基座。
图5a示出了替代传感器组件105。面120在此是围绕旋转轴线155的直圆柱壳。扁平线圈160a-160i在此也是圆柱壳的子部分。线圈基本上成形为如图1中所示，也就是说在平面中呈“梯形”，但在圆柱壳上分别“卷起”或“屈曲”。在此再次呈现出三个扁平线圈(如图1中所示)的三个相同线圈组(至少部分可见)。线圈组中的每一个在围绕旋转轴线155的周向方向上再次围绕均为120°的旋转角范围Wa-Wc延伸。如在图1中，线圈组165内的扁平线圈160a-160i的宽度B(现在是在轴向方向上测量的)在此也在周向方向上以相反的方式严格单调递增或递减。通量元件125被接收在圆柱形支撑件135中，该圆柱形支撑件135固定地紧固到转子185。扁平线圈160a-160i共同占据直圆柱壳。
图5b示出了基本上根据图5的传感器组件125的另一变型。通量元件125在此实施有特性175，具体地，所述通量元件125的宽度B，其分别在周向方向上是正弦的或者在周向方向上以正弦方式变化。但是，扁平线圈160a-160i在此分别都具有恒定的宽度B。
图6a)(可选地并且因此未具体示出)示出了安装在根据图4a的电机100中的图5a、5b的传感器组件105。支撑件135是厚的PVC/塑料/聚合物环，以用于分别将激活器或通量元件125分别紧固在马达轴或转子185上。电感式传感器或扁平线圈160a-160i在此分别是多绕组/多平面扁平线圈。
图4a和图6a中的间距d分别表示传感器(扁平线圈160)与激活器(通量元件125)之间的间距。
图6b)示出了用于扁平线圈160、通量元件125、支撑件135和支撑部190的替代形状，特别是锥形形状。实施例在此是锥形形状，并因此是“圆盘形状”(图1)与“圆柱形状”(图5)之间的“中间形状”。以上解释也以类似的方式适用。
图7示出了线圈组165a的示例，该线圈组165a仅具有两个扁平线圈160a、160b并且适用于例如图5a、5b的实施例。在此，宽度B(在轴向方向上测量)也实施为在周向方向上以相反的方式严格单调递减和递增。可以分别看到具有多个绕组的扁平线圈的第一平面。其它平面邻接在纸平面“下方”，从而在此不可见。
图8以平面图在旋转轴线155的方向上示出了基本上对应于图1的传感器组件的替代实施例。六个方形线圈和一个菱形通量元件的平面传感器组件已经分别在圆形形状上“屈曲”或“展开”。六个线圈组165a-165f中的每一个在此分别具有单个扁平线圈160a-160f。图1中的对应的平面初始传感器组件在文件“AK Palit，'Frequency ResponseModeling of Inductive Position Sensor with Finite Element Tools(使用有限元工具的电感式位置传感器的频率响应建模)'，2014年剑桥COMSOL会议论文集，https://www.comsol.com/paper/download/199331/palit_paper.pdf，于12/05/2018下载”中已知。
参考标号列表
100 电机
105 传感器组件
120 面
125 通量元件
130 圆形路径
135 支撑件
145 评估装置
150 接口
155 旋转轴线
160a-160i 扁平线圈
165a-165c 线圈组
170 区域
175 特性
180 定子
185 转子
190 支撑部
195 电路板
200 方法
205 步骤开始
210 步骤电感La
215 步骤电感Lb
220 步骤电感Lc
230 步骤独立旋转角Ea
235 步骤独立旋转角Eb
240 步骤独立旋转角Ec
250 步骤多数决定
255 步骤提供
260 步骤有缺陷扁平线圈
Wa-Wc 旋转角范围
D 旋转角
La-Li 电感
Ea-Ei 独立旋转角
A 大小
WS 起始角
WE 终止角
B 宽度
d 间距
Claims (15)
1.一种用于检测通量元件(125)的旋转角(D)的传感器组件(105)，所述通量元件(125)沿着绕旋转轴线(155)的圆形路径(130)能够旋转，
-具有至少一个通量元件(125)；并且
-具有至少一个线圈组(165a-165c)，所述至少一个线圈组(165a-165c)分别具有至少一个扁平线圈(160a-160i)；
-其中，所述扁平线圈(160a-160i)分别沿着同心地包围所述旋转轴线(155)的面(120)延伸；
-其中，所述面(120)沿着所述圆形路径(130)平行地延伸，并且一个线圈组(165a-165c)的所有扁平线圈(160a-160i)分别跨过相同的旋转角范围(Wa-Wc)延伸；
-其中，所述扁平线圈(160a-160i)被成形为使得每个扁平线圈(160a-160i)的当前电感(La-Li)是所述通量元件(125)的当前旋转角(D)的函数；
-具有评估装置(145)，所述评估装置(145)被指定
-用于确定所述扁平线圈(160a-160i)中的每个扁平线圈的当前电感(La-Li)并
-用于通过相应扁平线圈(160a-160i)的确定出的电感(La-Li)来确定所述通量元件(125)的当前的相应单独旋转角(Ea-Ei)，并且
-用于基于至少两个匹配的单独旋转角(Ea-Ei)来提供所述通量元件(125)的旋转角(D)，
其特征在于，所述线圈组(165a-165c)中的至少一个线圈组包含至少三个扁平线圈(160a-160i)，其中，第二扁平线圈(160a-160i)在横向于所述圆形路径(130)的方向上位于第一扁平线圈(160a-160i)与第三扁平线圈(160a-160i)之间，
所述线圈组(165a-165c)中的所述至少一个线圈组的旋转角范围(Wa-Wc)在起始角(WS)与终止角(WE)之间延伸，并且
所述线圈组(165a-165c)的第一扁平线圈和第三扁平线圈(160a-160i)的宽度(B)分别从所述起始角(WS)开始横向于所述圆形路径(130)递减，并且
所述线圈组(165a-165c)的第二扁平线圈(160a-160i)的宽度(B)分别从所述起始角(WS)开始递增。
2.根据权利要求1所述的传感器组件(105)，
其特征在于，所述传感器组件(105)包含至少两个线圈组(165a、165b)，所述至少两个线圈组(165a、165b)在周向方向上跨过不同的旋转角范围(Wa-Wc)延伸。
3.根据权利要求2所述的传感器组件(105)，
其特征在于，所述旋转角范围(Wa、Wb)中的至少两个旋转角范围彼此不重叠并且彼此无缝地邻接。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的传感器组件(105)，
其特征在于，所述面(120)是平坦的并横向于所述旋转轴线(155)延伸，或
所述面(120)绕所述旋转轴线(155)具有锥形形状或圆柱体的侧表面的形状。
5.根据权利要求4所述的传感器组件(105)，
其特征在于，所述面(120)绕所述旋转轴线(155)具有圆锥形形状。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的传感器组件(105)，
其特征在于，所述通量元件(125)沿着所述圆形路径(130)具有正弦特性(175)。
7.根据权利要求1-3中的任一项所述的传感器组件(105)，
其特征在于，所述扁平线圈(160a-160i)中的至少一个扁平线圈被成形为使得所述扁平线圈(160a-160i)的当前被所述通量元件(125)覆盖的区域(170)的当前大小(A)是所述通量元件(125)的当前旋转角(D)的函数。
8.根据权利要求4所述的传感器组件(105)，
其特征在于，所述线圈组(165a-165c)中的至少一个线圈组的扁平线圈(160a-160i)共同占据所述面(120)的环形段，或
所述线圈组(165a-165c)中的至少一个线圈组的扁平线圈(160a-160i)共同占据所述面(120)的锥壳或直圆柱壳。
9.根据权利要求1-3中的任一项所述的传感器组件(105)，
其特征在于所述扁平线圈(160a-160i)的宽度(B)横向于所述圆形路径(130)分别沿着所述圆形路径(130)严格单调地变化。
10.根据权利要求1-3中的任一项所述的传感器组件(105)，
其特征在于，所述扁平线圈(160a-160i)中的至少一个扁平线圈具有多个平面。
11.根据权利要求1-3中的任一项所述的传感器组件(105)，
其特征在于，所述通量元件(125)包含平行于所述面(120)延伸的导电元件。
12.一种电机(100)，所述电机具有定子(180)并且具有转子(185)，所述转子(185)相对于所述定子(180)能够绕旋转轴线(155)旋转，并且具有根据前述权利要求中的任一项所述的传感器组件(105)，
其中，所述传感器组件(105)的旋转轴线(155)是所述电机(100)的旋转轴线，并且所述通量元件(125)以旋转固定的方式联接到所述转子(185)，并且所述线圈组(165a-165c)以旋转固定的方式联接到所述定子(180)，反之亦然。
13.根据权利要求12所述的电机(100)，
其特征在于，所述通量元件(125)安装在非导电的支撑件(135)上，所述支撑件(135)紧固到所述转子(185)。
14.一种用于检测根据权利要求1至11中的任一项所述的传感器组件(105)或根据权利要求12和13中的任一项所述的电机(100)的传感器组件(105)的通量元件(125)的旋转角(D)的方法，在所述方法中：
-确定所述扁平线圈(160a-160i)中的每个扁平线圈的当前电感(La-Li)；并且
-通过相应扁平线圈(160a-160i)的确定出的电感(La-Li)来确定所述通量元件(125)的当前的相应单独旋转角(Ea-Ei)；以及
-基于至少两个匹配的单独旋转角(Ea-Ei)来提供所述通量元件(125)的旋转角(D)。
15.根据权利要求14所述的方法，
其特征在于，所述传感器组件(105)包含至少三个扁平线圈(160a-160i)，在所述方法中，如果基于所述扁平线圈(160a-160i)的电感(La-Li)确定出的单独旋转角(Ea-Ei)偏离其它扁平线圈(160a-160i)的相互匹配的单独旋转角(Ea-Ei)，则检测出所述线圈组(165a-165c)的有缺陷的扁平线圈(160a-160i)。
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