CN113464276A - 旋转构件总成 - Google Patents

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CN113464276A CN202110311400.4A CN202110311400A CN113464276A CN 113464276 A CN113464276 A CN 113464276A CN 202110311400 A CN202110311400 A CN 202110311400A CN 113464276 A CN113464276 A CN 113464276A
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Abstract

本主题提供了一种低成本且具有较高精度的旋转构件总成。旋转构件总成(100)包括旋转构件(105)和传感器构件(145)。旋转构件(105)包括多个位置构件(135)和设置在周缘表面(130)上的缺失构件区域(140)。传感器构件(145)布置在距旋转构件(105)的预定间隙处。旋转构件总成被配置为，周缘表面(130)与传感器构件(145)之间的第一空气间隙(AG1)与位置构件(130)与传感器构件(145)之间的第二空气间隙(AG2)之比(AG1/AG2)在3至6的范围内。旋转构件总成(100)可以在没有任何重大改变的情况下实现。

Description

旋转构件总成
技术领域
本主题涉及一种旋转构件总成，并且更具体地，本主题涉及一种低成本且改进的旋转构件总成。
背景技术
通常，不论技术领域如何，大多数系统都利用各种旋转构件，其作为主功能构件或者作为副功能构件。考虑到汽车领域，主功能构件可以是曲轴、电机轴等，并且副功能构件可以是冷却风扇或齿轮轴等。在包含旋转构件的上述和所有其它系统中，旋转构件在操作该系统中起到至关重要的作用。例如，在动力单元的曲轴的情况下，曲轴与往复运动的活塞连接。往复运动的活塞的往复运动被转换为曲轴的旋转运动。动力单元可以是四冲程(four-cycle)发动机，并且活塞的位置可以通过曲轴的角位置来确定。这种信息可以用于致动动力单元的燃烧室中的点火(spark)，这通常在压缩冲程结束时执行。许多这种信息被用于动力单元和各种其它系统起作用。通常，角度检测系统用于获得与旋转构件相关的这种信息。
附图说明
参照两轮鞍乘型跨步车辆的实施例以及附图一起描述了本主题的详细说明。贯穿这些附图，相同的附图标记用来指代相同的特征和功能部件。
图1(a)展示了用于本领域中已知的示例性旋转检测系统的传感器构件的脉冲输出。
图1(b)是用于本领域中已知的旋转检测系统的传感器构件的脉冲输出的放大图。
图2展示了根据本主题的实施例的旋转构件总成的轴向视图。
图3展示了根据本主题的实施例的旋转构件总成的立体图。
图4展示了根据本主题的实施例的旋转构件总成的放大图。
图5展示了根据本主题的实施例的旋转构件总成的放大示意图。
图6展示了根据本主题的实施例的旋转检测系统的示意图。
图7展示了根据本主题的实施例的传感器构件的脉冲输出的放大图。
具体实施方式
通常，除了通常被称为曲柄角的角度变化之外，系统中的旋转构件的特征还在于其它特定度量。例如，旋转构件可以具有被称为角度变化率的附加度量。除了角度变化之外，动力单元的曲轴还经历必须传达至控制系统的角度变化率。基于与旋转构件有关的这种信息，控制系统改变点火正时和燃料喷射脉冲，以使系统的性能最佳。基于这些输入，ECU致动燃料泵、燃料喷射器和点火线圈。此外，即使在动力单元的启动操作期间，动力单元或系统的启动条件也基于这种信息来控制点火的延迟或提前。对启动、点火、燃料喷射等进行控制的系统需要精确的信息用于其有效且高效的操作。
为了了解检测系统的关键性和其中的缺点，以具有动力单元的典型机动车辆为例。类似磁电机的电动机器安装至动力单元的曲轴。电动机器包括定子和转子。定子固定地安装至动力单元并且旋转构件与曲轴连接。具有预定表面积的转子用于在其上提供位置构件(position member，位置构件)。在动力单元上设置传感器构件，以检测位置构件，从而检测曲柄角、曲柄角的变化率等。基于这种角度信息，通过从各种传感器(包括节气门位置传感器、发动机速度传感器、发动机温度传感器、进气温度传感器)获取输入和许多其它传感器输入，控制单元控制燃料喷射、点火线圈，以用于进行燃料放入燃烧。
在动力单元中，空气被吸入燃烧室内并且其与由燃料喷射器喷射或由化油器供应的燃料混合。空气—燃料混合物通过火花塞产生的火花点燃。燃烧后的气体通过排气系统被清除。控制单元检测来自燃烧后的气体的氧浓度并且向控制单元提供反馈以用于校准来自EFI或电子化油器的燃料喷射或燃料供应。此外，燃料喷射必须在特定时间喷射燃料，并且应当喷射燃料一段时间。控制单元提供从位置构件和传感器构件得出的喷射所需的定时信号。
典型地，位置构件以规则间隔隔开地(成角度)设置在电动机器的旋转构件上，并且在位置构件与传感器构件之间保持预定的空气间隙。在流行的实现方式中，位置构件是形成在旋转构件的外周上的多个突起，在每两个相邻布置的位置构件之间具有预定的角度间隙。旋转构件还设置有缺失位置构件。当位置构件经过传感器构件时，传感器构件产生信号，并且当缺失脉冲经过传感器构件时，产生不同的脉冲或不产生脉冲。例如，位置构件检测由于传感器构件与旋转构件之间的空气间隙的减小而引起的磁阻的变化，从而引起传感器构件上的电压变化。在传感器构件上感应的电压提供与转子的角度变化率和曲柄角有关的信息。调节来自传感器构件的信号并且通过控制单元计算与速度(旋转)有关的数据。阈值电压单元保持恒定，并且调节后的电压与阈值电压进行比较。如果电压信号值超过阈值，则认为是正峰值。使用该输入，产生脉冲，并且通过该输出，计算活塞位置和发动机速度。基于活塞位置执行喷射和点火。
通常，转子的外表面的表面光洁度(surface finish)可能存在某些变化。表面光洁度的变化可能减小传感器构件与旋转构件之间的间隙，从而感应出其上的电压。所产生的这一不期望的电压被视为噪声，其可能向控制单元提供故障信息(faultyinformation)。此外，如果控制单元的杂散电容较高，则所感应的噪声电压将被进一步放大。当旋转构件以更高速度操作时，噪声电压甚至可能超过阈值电压，从而导致假阳性峰值检测。图1(a)展示了用于本领域中已知的示例性旋转检测系统的传感器构件的脉冲输出。如在图1(a)中可以看到的，当传感器构件检测位置部件时，传感器构件的输出是脉冲，并且还示出了缺失构件区域MP。当缺失构件区域MP经过传感器构件时，假定产生平坦的曲线。然而，由于一些波动(undulations)或由于传感器构件的光洁度不佳，在区域MP中存在某些尖峰。图1(b)展示了本领域中已知的用于旋转检测系统的传感器构件的脉冲输出的放大图。如在区域A和在区域B处可见，传感器构件的电压可能超过阈值电压，因此控制单元将不能检测正确的曲柄角。因此，控制单元不能识别活塞的位置或识别曲柄角，这导致不正确的活塞位置计算。因此，在不正确的活塞位置处执行点火和燃料喷射的触发，这是不期望的。这导致动力单元的同步损失，并且在所有循环期间或在不适当的循环期间执行燃料喷射和火花点火，这导致动力下降，由此降低车辆速度，并且甚至用户体验到突然的急动，这是不期望的。这种功率下降或急动在爬坡期间或在超员期间会带来灾难性的后果。即使通过执行电源切断/点火关闭以及重新启动动力单元可以重置这种错误，但在车辆处于运动中时也不能进行这种操作。此外，车辆的用户可能不能识别这种潜在的错误情况。本领域中避开这种错误的典型解决方案可能是增加阈值电压。但是，增加发动机阈值电压可能影响动力单元的起动性，特别是在脚踏起动期间，因为在这种情况期间传感器构件上感应的电压较小，由此所感应的电压可能不会越过阈值电压。在本领域中，可以使用数字系统，其提供改变阈值电压的选项。由于这种数字系统提供定制功能，因此很昂贵，并且阈值电压可能必须针对动力单元的不同操作条件而变化，使得其为复杂的系统。此外，数字系统必须针对每个旋转构件配置进行调谐，因为旋转构件之间的制造差异可能有所不同，从而使其成为繁琐的过程。除了上述缺点之外，迁移到这种数字系统使系统变得昂贵，从而增加了整个系统的成本。因此，需要提供一种改进的解决方案，该解决方案能够解决本领域中的前述问题和其它问题，并且同时也是经济的。
因此，本主题提供了一种旋转构件总成、旋转构件和相应的传感器构件，以检测并提供与旋转构件的旋转有关的信息。旋转构件包括设置在其周缘表面上的多个位置构件。当相应的定子在内部时，周缘表面是外周缘表面，并且当定子在外部时，周缘表面是内周表面。旋转构件还在周缘表面上设置有缺失构件区域。旋转构件总成被构造成旋转构件的周缘表面与传感器构件之间的第一空气间隙与位置构件与传感器构件之间的第二空气间隙之比在3至6的预定范围内。
在下文中，第一空气间隙与第二空气间隙的前述比可以被称为“空气间隙比”，并且在3至6范围内的空气间隙比使得能够检测位置构件并且参照任何波动减少/消除传感器构件的错误检测或输出的产生。因此，本主题消除了对旋转构件具有高精度表面光洁度的需要，因为空气间隙比被配置为避免错误地检测到作为位置构件的周缘表面上的任何波动。本主题使得能够使用传感器构件的现有配置，而不需要引入新的传感器构件。此外，即使利用控制单元的杂散电容，由于所配置的空气间隙比，从波动检测到的任何电压将不被视为位置构件的检测。
在一个实施例中，多个位置构件向外突出具有一高度，该高度是位置构件的先前高度的至少1.5倍。术语“先前高度(earlier height)”是指位置构件在当前配置之前或在现有技术中的高度。因此，旋转构件可以仅以微小的高度变化保留现有的半径(直到外周缘表面)，由此使其成为低成本的解决方案。此外，保留旋转构件的大部分体积，因为其在现有系统上可实施或改造。
在一个实施例中，第二空气间隙在0.6至1毫米的范围内，由此保持位置构件相对更靠近传感器构件以实现磁阻变化。
在一个实施例中，第一空气间隙在1.8至6毫米的范围内，由此保持外周缘表面与传感器构件之间的安全距离，以避免在制造期间或由于磨损和撕裂可能形成的任何波动的错误检测。
在一个实施例中，旋转构件与定子结合形成电动机器，该电动机器能够执行电动机驱动或发电功能中的至少一项，从而使其成为关键系统之一。
在一个实施例中，旋转构件与动力单元的曲轴连接。从旋转构件获得旋转有关信息，该旋转有关信息是动力单元的关键部分，该动力单元又与活塞连接。
由于磨损而在旋转构件的外周缘表面上形成的任何波动都不影响传感器构件的错误输出的产生。因此，旋转构件总成甚至在长期使用之后仍充当可靠的系统。
本主题不要求针对其各种操作条件改变阈值电压。可以保持较低的阈值电压以识别所有操作条件，而没有错误的检测。
本主题提供了成本有效的解决方案，因为无需昂贵的阈值电压变化电路(其使得能够修改电压)。
旋转构件总成被安装至机动车辆，用于提供机动车辆的一个或多个系统的旋转有关信息。
图2展示了根据本主题的实施例的旋转构件总成的轴向视图。图3展示了根据本主题的实施例的旋转构件总成的立体图。旋转构件总成100包括电动机器102，该电动机器包括旋转构件105和定子110。定子110包括芯部111，该芯部用作用于将定子110固定至结构构件的框架。例如，结构构件可以是IC发动机/动力单元的曲柄箱或用于该特定系统的外壳。电动机器在此是包括旋转构件105的磁电机。在一个实现方式中，电动机器102可以在内燃(IC)发动机(未示出)中用于发电。定子110被固定至IC发动机的结构构件。旋转构件105固定地安装至IC发动机的旋转构件。在一个实现方式中，旋转构件固定至IC发动机的曲轴，并且因此，曲轴和旋转构件用作单个旋转系统。在所描绘的实施例中，旋转构件105是具有开放的轴向侧和封闭的轴向侧115的圆柱形构件。封闭的轴向侧115配置有孔120以将曲轴固定到其上。
定子110包括多个齿和缠绕到多个齿上的绕组。在所描绘的实现方式中，旋转构件105包括设置在(圆柱形构件的)内周缘上的多个磁体(图中未看到)，以便在绕组中感应电压/电流，从而产生电力。旋转构件105包括周缘表面130，并且周缘表面130配置有多个位置构件135。在所描绘的实现方式中，位置构件135隔开15度并且包括在外周缘表面(也由“130”指代)上形成的缺失构件区域140。在本实施例中，缺失两个位置构件以形成缺失构件区域。传感器构件145与旋转构件相邻布置，与位置构件135具有预定的空气间隙。缺失位置构件145作为用于识别燃烧室中的曲柄角和活塞位置的参考。多个位置构件135使得能够计算旋转构件105或旋转构件的转动速度的变化率。
图4展示了根据本主题的实施例的旋转构件总成的放大图。位置构件135配置有高度H1，该高度至少是位置构件的现有高度/先前高度“x”的约1.5倍。保留从旋转构件105的中心到外周缘表面130所取的转子的半径R1，而不需要定子110和相应的磁体构造的任何修改。例如，在一个实施例中，位置构件135被配置有改进的高度H1，该高度是x的1.5倍。在一个实现方式中，先前高度x在0.8至2.2毫米的范围内。此外，在一个实施例中，高度H1在设置在周缘表面之间的第一空气间隙AG1(在图5中示出)的0.7至0.9倍的范围内。因此，被优化为x的1.5倍的高度H1保持所期望的距离，因为更高的距离可能导致旋转构件总成与相邻部件之间的干涉。位置构件135与传感器构件145之间的第二空气间隙AG2(图5中示出)被配置在0.6至1毫米的范围内，以使得能够无缝地检测磁阻变化。
如图5中所描绘的，其展示了根据本主题的实施例的旋转构件总成的放大示意图，缺失构件区域140/周缘表面130与传感器构件145之间的第一空气间隙AG1配置在1.8至6毫米的范围内，从而保持与传感器构件145的安全距离，从而不感应任何假脉冲。缺失构件区域140和周缘表面130在它们与传感器构件145之间的间隙方面彼此类似。因此，旋转构件的外周缘表面130上的任何波动均不影响传感器构件145的磁阻的任何变化。此外，传感器构件145也不需要任何改变。可以使用现有的传感器构件145。调整用于在结构构件上支撑传感器构件145的安装构件145M，以保持或校准传感器构件145与位置构件135之间的间隙AG1。安装构件145M可以在结构构件上保留在较早位置处，并且可以调整传感器构件145以获得所期望的空气间隙。在一个实施例中，安装构件145M本身被调整以获得所期望的空气间隙。
进一步地，“周缘表面130与传感器构件145之间的第一空气间隙AG1”与“位置构件135与传感器构件145之间的第二空气间隙AG2”之比被配置在3至6的范围内，这将旋转构件(其是旋转构件105)和传感器构件145配置成减少或消除任何噪声电压产生，从而消除任何假脉冲检测。此外，空气间隙比(AG1/AG2)[在下文中被称为“空气间隙比”]被配置为使外周缘表面的表面中的任何变化无效，并且甚至考虑控制单元中的任何杂散电容的存在。
进一步地，传感器构件145与控制单元电连接。传感器构件电压信号包括正峰、过零区域和负峰。基于电压阈值检测正峰。如果电压阈值在正侧中高于0.8V并且观察到过零区域，则被认为是一个脉冲。在无尖峰区域中，所产生的信号电压小于阈值，并且获得零输出。利用此信息执行喷射和点火决定。
图6展示了根据本主题的实施例的旋转检测系统的示意图。传感器构件145与控制单元150电连接。提供保持在3至6的范围内的空气间隙比AG1/AG2(如图5中所解释的)的本主题使得能够使用控制单元150，该控制单元不需要数字比较或数字电压设置电路。来自传感器构件145的电压数据被馈送至控制单元150。即使在低至约0.8伏特的阈值电压的情况下，控制单元150也能有效地识别位置构件135和缺失构件区域140。因此，即使在产生低电压/电动势(EMF)的蹬踏启动操作期间，旋转构件105的旋转也可以被控制单元150有效地识别。因此，被馈送来自传感器构件145的数据的控制单元150从该数据有效地识别曲柄角、旋转速度的变化率。因此，控制单元150被配置成触发用于产生火花的点火控制件155和触发用于喷射燃料脉冲的喷射控制件160(或类似的燃料供应控制件)。因此，整个系统同步操作，而没有系统的任何错误检测或错误致动。
图7展示了根据本主题的实施例的传感器构件的脉冲输出的放大图。传感器构件145检测位置构件135从而产生脉冲。当缺失构件区域140经过传感器构件145时，传感器构件145被配置成产生基本上平坦的曲线。平坦的曲线代表缺失构件区域MP’(其类似于周缘表面)，由于空气间隙比AG2/AG1在3至6的范围内，因此没有任何尖峰，由此识别活塞的正确位置和正确的曲柄角并且消除任何同步损失。因此，当在机动车辆中实施时，车辆的使用者可以安心地执行爬坡或超速，而不用担心速度和加速度的任何下降。此外，由于同步操作，消除了急动的发生。而且由于与旋转构件如曲轴和相应的曲柄角有关的准确数据，所以可以准确地输送燃料喷射脉冲，从而节省燃料并减少排放。
应当理解，实施例的各方面不一定限于本文所描述的特征。根据以上披露，本主题的许多修改和变型是可能的。因此，在本主题的权利要求的范围内，本公开可以以不同于具体描述的方式实施。

Claims (9)

1.一种旋转构件总成(100)，包括：
旋转构件(105)，所述旋转构件(105)包括：
多个位置构件(135)，所述多个位置构件间隔地布置在所述旋转构件(105)的周缘表面(130)上，所述多个位置构件(135)从所述周缘表面(130)向外突出；以及
缺失构件区域(140)，所述缺失构件区域布置在所述周缘表面(130)上；
传感器构件(145)，所述传感器构件(145)布置在距所述多个位置构件(135)的预定间隙处，所述传感器构件(145)被配置成在检测到所述多个位置构件(135)中的每个位置构件时产生输出；并且
所述周缘表面(130)和所述传感器构件(145)之间的第一空气间隙(AG1)与所述位置构件(135)和所述传感器构件(145)之间的第二空气间隙(AG2)之比(AG1/AG2)被配置在3至6的范围内。
2.如权利要求1所述的旋转构件总成(100)，其中，所述多个位置构件(135)向外突出具有高度(H1)，所述高度(H1)是所述位置构件(135)的先前高度(x)的至少1.5倍，其中，所述先前高度(x)在0.8至2.2毫米的范围内。
3.如权利要求1所述的旋转构件总成(100)，其中，所述第二空气间隙(AG2)在0.6至1毫米的范围内。
4.如权利要求1所述的旋转构件总成(100)，其中，所述第一空气间隙(AG1)在1.8至6毫米的范围内。
5.如权利要求1所述的旋转构件总成(100)，其中，所述多个位置构件(135)设置在所述旋转构件(105)的外周缘表面(130)上，并且所述传感器构件(145)布置在所述旋转构件(105)的外部。
6.如权利要求1所述的旋转构件总成(100)，其中，所述旋转构件总成(100)安装至动力单元，所述旋转构件(105)与所述动力单元的曲轴连接，并且与所述旋转构件(105)一起工作的定子(110)与所述动力单元的结构构件连接。
7.如权利要求6所述的旋转构件总成(100)，其中，所述旋转构件(105)和所述定子(110)形成电动机器(102)，所述电动机器(102)能够执行电机和发电机功能中的至少一个功能。
8.如权利要求1所述的旋转构件总成(100)，其中，所述传感器构件(145)与控制单元(150)连接，并且所述控制单元(150)能够致动包括点火控制件(155)和燃料供应控制件的多个系统。
9.如前述权利要求中任一项所述的旋转构件总成(100)，其中，所述旋转构件总成(100)安装至机动车辆。
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