TWI445989B

TWI445989B - 具有一平坦導電軌的電磁線圈結構，磁芯及磁電角度感測器

Info

Publication number: TWI445989B
Application number: TW100118722A
Authority: TW
Inventors: Tom Ocket; Guus Mertens; Cauwenberge Jan Van; Tomme Marc Van
Original assignee: Tyco Electronics Belgium Ec Bv
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2014-07-21
Also published as: JP5973995B2; WO2011147689A8; KR20140010334A; KR101831379B1; JP2013528345A; CN103026250B; CN103026250A; WO2011147689A1; US20130069475A1; AR081296A1; EP2390676A1; EP2390676B1; TW201219812A

Description

具有一平坦導電軌的電磁線圈結構，磁芯及磁電角度感測器

本發明係關於一種用於安裝於一磁芯上之一電磁線圈結構。此一磁芯係例如為一旋轉電機或一磁電角度感測器的一部分。本發明進一步係關於一附屬磁芯及一磁電角度感測器，尤其是一磁阻式旋轉變壓器，其具有根據本發明之原理建構的一定子。此外，本發明係關於一種用於製作此一角度感測器的方法。

雖然本發明之原理可應用於各種各樣使用欲安裝於一磁芯上之線圈結構的系統，但在下文中，大多數磁阻式旋轉變壓器之應用領域將被涵蓋。尤其是如在德國專利申請案DE 10 2010 004887.9及DE 10 2009 021444.5中所展示的磁阻式旋轉變壓器可藉由使用本發明之原理而改良。

磁阻式旋轉變壓器具有一至少部分軟磁定子及一至少部分軟磁轉子。轉子與定子相對且形成於相互之間的一空氣間隙。由於繞其周邊而變化之轉子的特定形式，所以該空氣間隙內之磁阻進行週期性改變。

該角度感測器具有配置於該定子處之一磁通量發送器，該定子用於經由至少一極對產生分佈於該空氣間隙內之一預定磁通量。此外，在相同定子上配置一磁通量偵測器，該磁通量偵測器通過藉由以一預定角度相互岔開的至少兩個信號極對來偵測該磁場強度。可自兩個偵測器導出一角度值以作為轉子相對於該定子之相對位置。

基於該定子與該轉子之間的一空氣間隙中之一變化磁通量強度之原理的此等磁電角度感測器以各種形式已為吾人所知。在根本上，用於產生發送器零件中之磁通量的若干原理及亦用於量測偵測器零件中之磁場的不同原理已為吾人所知。旋轉變壓器及所謂同步機使用呈現主要與次要繞組之形式的電磁線圈。

此旋轉變壓器及同步機具有得出精確結果及表示非常穩健之角度感測器的優勢。尤其是所謂磁阻式旋轉變壓器已為吾人所知，其中該主要繞組與次要繞組配置於該定子處而該轉子無繞組且因此被動地影響具有特別地設計之軟磁零件的磁通量電路。通過該軟磁轉子之一不規則形式，例如藉由提供葉片，該定子上之主要繞組與次要繞組之間的磁通量受不同地影響，因此允許自感應電壓導出該轉子的角度位置。

現存之若干技術概念用於製作此一磁阻式旋轉變壓器之定子。首先，已知將線圈繞組直接纏繞至一磁芯之一或多個齒上。另一方面，例如在美國專利US 5,300,884中所展示，已知將繞組施加於一電絕緣線圈體上且在組裝期間將此等線圈體安裝至磁芯的齒上。圖9至圖11根據德國專利申請案10 2010 004887.9之原理描繪一配置。如圖9中所展示，由堆疊且連接金屬片所形成之一定子202具有複數個線圈206欲附接至其上之齒204。

各線圈具有由電絕緣材料諸如塑膠形成之一線圈體208。一導電繞組(例如一導線210)纏繞至此線圈體上。為使該等線圈互連且亦為將該等線圈連接至外部組件(諸如供應電壓及量測電路)，此等導線固定在接點212上。如圖11所導出，導線之接點212指向朝上以達成電連接。如圖11所展示，藉由例如一印刷電路板(PCB)214，此達成此電連接，該印刷電路板承載互連引線且通過例如一焊接連接216連接至接點212。

然而此等習知配置有若干嚴重問題。首先，圖11之習知旋轉變壓器200對若干應用領域而言係太厚，且其高度大多數係由線圈及印刷電路板連接之尺寸決定。此外，在圖11之配置中，提供許多焊接點216，該等焊接點在極高溫及過度振動下經過一段時間會出故障。

此外，製造習知磁阻式旋轉變壓器經費需求太高且組裝時間太長。最後，有若干應用，其中該旋轉變壓器應在來自齒輪箱之油中運作。然而當與一些侵蝕性油接觸時，具有如圖11所展示之焊接點216之一印刷電路板的組合會出故障。

因此，本發明旨在克服上文概述針對習知磁阻式旋轉變壓器的問題並且解決提供一經改良之線圈結構(磁芯與角度感測器)的問題，該線圈結構係穩健的與可靠的且可以特別經濟與省時的方式製作。

此目的可藉由獨立技術方案之標的而達成。本發明之有優勢實施例係附屬技術方案之標的。

本發明係基於一理念：藉由使一導電繞組形成為一平坦導電軌，該導電軌由一可撓性電絕緣載體承載，以及藉由形成此線圈結構中之至少一開口，該開口用於收納該磁芯之一磁通量導向元件，而提供一特別簡單且節省空間的電磁線圈結構。此一線圈結構可通過公認可撓性印刷電路板技術製作。與使用其上承載繞線線圈之導線之不同線圈體的配置相比，此製作方法特別簡單且經濟。

此外，具有整合平坦線圈之一可撓性印刷電路板的發明性用途允許所需空間大幅度地減低。延伸通過該平坦導電軌之開口的通量導向元件以一方式將該磁通量導向，該方式為：該發明性系統之功能不用與習知系統之一者不同。或者，無一通量導向元件之芯子(一稱為極或齒)可藉由使用根據本發明之平坦帶線圈結構製作。

為提供足夠匝數繞組且另一方面以一特別節省空間的方式配置該線圈結構，一安裝狀態中之線圈結構至少經彎折一次以具有一三維外形。尤其是該線圈結構以U形方式彎折以包圍一定子或一轉子之磁芯。

雖然在下述詳細說明中該線圈結構總是展示包括多於一繞組，但若為一特定應用需要則當然亦可能僅提供一平坦導電軌。此外，在下文中總是展示具有在其內部周邊上之齒的一定子芯。然而對於熟習此項技術者，顯然該發明性電磁線圈結構當然亦可應用於一定子的外部周邊上而且當然亦可用於一轉子上，若該轉子配備繞組。

對於將線圈結構固定在磁芯上而言，可有優勢地提供一黏合劑層。此黏合劑層已為熟習針對可撓性印刷電路板之技術者所知。或者或另外，諸如一彈性夾之一機械固定構件可壓於經安裝之線圈結構上以將該線圈結構保持在原位。

為最大程度地接近達到習知繞線線圈之磁場特性，該平坦導電軌螺旋纏繞該開口。

尤其是當使用一侵蝕性環境中之發明性電磁線圈結構時，具優勢的是該線圈結構進一步包括密閉式地密封該平坦導電軌之一電絕緣覆蓋層。

對於若干實際應用而言，例如對於DE 10 2009 021444.5中所展示之磁阻式旋轉變壓器而言，在各齒上必須提供多於一線圈。因此，根據本發明之電磁線圈結構可包括一多層可撓性電路板總成，其中藉由電絕緣層將交替導電層與相鄰層絕緣。因此，在一特別容易方式中複數個線圈可附接至該磁芯。或者，多於一電磁線圈結構亦可分別組裝於一磁芯上。

藉由將一磁芯所需之所有線圈合併入一積體可撓性電路板，以及藉由將所有線圈配置於包括複數個齒之磁芯的內部或外部周邊上，該複數個齒以複數個開口包圍磁芯各齒的方式配置於該周邊上，而使所有該等線圈以一常用安裝步驟安裝成一單一零件。一方面這可節省時間，另一方面與單一線圈庫存之成本相比，可降低經費。此外，此等連接線圈並不需要如習知配置般在一獨立的製作步驟中相互連接，而是在將該等連接線圈安裝至磁芯上之前已互連。

為適用於該發明性電磁線圈結構，用於承載至少一此線圈結構之一磁芯具有具一多邊形形狀之一周邊表面。因此，該磁芯不用將一曲線表面提供給該電磁線圈結構，且因此有助於使該線圈結構彎曲以部分緊靠該磁芯上及下表面。尤其是該磁芯可包括複數個齒，各齒經配置以自此多邊形形狀之一側面突出。

製作此一磁芯的一公認方式係憑藉由複數個堆疊及連接薄片構成此磁芯，該薄片由金屬片製作。

根據本發明之一優勢實施例，基於發明性原理之一磁電角度感測器具有標準連接(如壓接、一插頭連接器及/或焊接連接或雷射連接)以將該電接點提供給外部組件，而該平坦導電軌之繞組係經由電引線至少部分互連，該電引線係整合於該可撓性線圈結構內。

為完全免除電纜，因此該平坦帶線圈結構可包含一相應形狀的連接區域。

附圖係併入且形成說明書的一部分以圖解說明本發明之若干實施例。此等圖式連同說明足夠解釋本發明之原理。此等圖式僅為圖解說明如何創造及使用本發明之較佳與替代實例的意圖，且不應理解為將本發明限制於僅圖解說明及描述實施例。此外，所描述之實施例的若干態樣可單獨形成或以根據本發明之不同組合解決辦法形成。從下述本發明之各種實施例之更多特定描述易於得知進一步特徵與優勢，如附圖所圖解說明之本發明，其中相同參考數字指代相同元件。

現在參考該等圖式，圖1展示具有根據本發明安裝於其定子上之一線圈結構106的一定子100。定子100包括具有提供於其磁芯上之八個齒104的一磁芯102，其亦稱為極或磁通量導向元件。一線圈結構106以此一方式安裝於磁芯102上，該方式為齒104延伸通過提供於繞開口108之線圈結構106的開口108，線圈結構106包括平坦導電軌110或整合於PCB內之繞線線圈，其中此處尤其是形成為螺旋纏繞該開口且因此繞齒104。

在所展示之實施例中，平坦導電軌110經成形以形成繞各齒104之一導電繞組。平坦導電軌110在一可撓性電絕緣載體112上製作，如圖1所導出。當定子100與圖7之對應旋轉變壓器結構200對比時，根據本發明之配置具有比所有習知結構低得多的一高度同時基本上保持相同功能。

此外，如熟習此項技術者所知，根據一可撓性印刷電路板(FPCB)技術之原理，線圈結構106亦可形成為一多層FPCB，該FPCB包括在各齒之位置多於一線圈且亦已提供各種線圈之間的互連。

在圖1所展示之實施例中，僅需提供一連接區域114以允許經由標準連接技術連接至外部組件。連接區域114承載可焊接、雷射或壓連至該等組件的若干端子，該等組件尤其是電源且亦為電壓量測器件。

為提供所需數量繞各齒104之匝數的繞組，線圈結構106經彎折以緊靠在具有線圈結構表面之一部分之磁芯102的上及下表面上。

為有助於上文提及線圈結構106之彎折，磁芯102之內部周邊具有是一多邊形剖面而不是一圓形剖面，因此將筆直邊緣116提供給用於彎折繞磁芯之線圈結構的一線圈結構。

圖2展示在安裝於磁芯102之前之圖1的線圈結構106。此形式為線圈結構106可保持庫存且根據一優勢實施例此結構106已含有用於將所需圖案中之個別線圈元件118互連之所有必要引線。為此，線圈結構106可具有具嵌入結構金屬引線之若干可撓性絕緣層。

此外，線圈結構所有金屬零件係藉由絕緣材料較佳地密閉式地密封。就材料本身而論，所有通常使用之薄片材料(諸如具有銅層作為導電引線之聚醯亞胺薄膜或聚酯薄膜)係合適的，亦可用一抗蝕劑(例如一焊接遮罩)。此外，可提供額外的熱可激活黏合劑或其他黏合劑以將線圈結構106附接至磁芯102。

自外部必須可接取之所有端子欲在連接區域114接觸。開口108形成一基本上長方形以匹配齒104之剖面。當然開口108之所有其他必要形狀亦可使用。

此外，一多層可撓性印刷電路板結構亦可經設計以在一或多個齒104之位置處包括多於一個線圈元件118。或者或另外，兩個或更多線圈結構106可應用於磁芯102以形成根據本發明之定子100。

圖3中展示根據本發明之磁芯102。磁芯102由複數個堆疊且連接之金屬片形成，該等金屬片用衝壓步驟生產。根據本發明，磁芯102之內部周邊具有一多邊形剖面因此各齒104是自一平坦表面而不是一曲線表面延伸。因此提供筆直邊緣116以助於使各線圈元件118遠離磁芯102之內部周邊向其上及下表面彎折。

圖4展示磁芯102上之線圈結構106的安裝。各線圈元件以讓齒104延伸通過開口108之此一方式定位於所屬齒104上。各線圈元件118連接至下一個線圈元件118，其鏈接區域120小於線圈元件118之表面，因此可容易地彎折以擬合於磁芯102之多邊形內部表面的角落。

在線圈結構106繞一圈擬合於磁芯102之內部周邊後，在下一製作步驟中，延伸超過磁芯102之厚度之線圈元件的上及下部分朝遠離磁芯102之中心的方向彎折，如箭頭122所指示。與磁芯102之表面接觸的該等表面可視情況用一黏合劑覆蓋，該黏合劑用於將線圈結構106更加牢固地固定在磁芯102上。

根據本發明之配置有助於用於一磁阻式旋轉變壓器之一定子的製作及組裝，其將線圈元件整合入一可撓性印刷電路板，因此免除分離線圈的需要及透過一額外印刷電路板提供連接的必要。藉由組裝可撓性印刷電路板使其開口包圍齒，及將可撓性印刷電路板摺疊在定子封裝上，該旋轉變壓器的總厚度可最小化且與具有分離線圈之一解決辦法相比，其所需空間大幅度降低。

因此，與習知結構相比，器件的可靠性增強，在習知結構中例如為形成具四端子八極之配置，必須在個別線圈與印刷電路板之間提供32個連接。

尤其是當應用於有過度振動之環境中(諸如在汽車領域中)，可靠性可增強。

此外，藉由將線圈結構之所有金屬零件與外部密閉式地密封，可增強抗油性或抗水性。因為不需獨立的製作步驟來從事個別線圈與印刷電路板之間的連接，所以可免除生產時間與生產成本。具有整合線圈元件之可撓性印刷電路板可如上文所解釋地簡單組裝。

此外，可免除使用模製步驟、纏繞步驟及焊接步驟分開製備個別線圈的所有成本。此外，藉由將可撓性印刷電路板生產為一帶狀以貼附於繞磁芯102之內部直徑處而不是製作成橫越轉子之旋轉軸在一平面中延伸的一印刷電路板，可有效避免材料浪費。在圖11所展示之配置中，印刷電路板214之整個中心區域必須切除因此構成浪費，反之，可生產一可撓性印刷電路板用於所有所需直徑之磁芯而不浪費任何材料。

最後，旋轉變壓器之厚度可藉由使用整合成可撓性印刷電路板之線圈而降低，該可撓性印刷電路板可繞定子封裝摺疊。可製成較前薄很多的旋轉變壓器，因此開闢一廣闊應用領域。如已提及之旋轉變壓器、同步機及角度感測器，本發明一般可使用。

圖5中示意地展示固定線圈結構106之一替代方式。此處經模壓之彈性夾係經提供作為固定構件124，且在線圈結構106已安裝於磁芯102上之後將其壓於該線圈結構上。此等夾子124可(例如)由電絕緣塑膠材料形成。

圖6展示一平坦帶線圈結構106之另一形式，該平坦帶線圈結構纏繞磁芯102之齒104。此實施例具有產生一磁場的優勢，該磁場近似由習知繞線線圈產生之磁場，及此實施例可以一特別簡單方式製作。

圖7描繪在繞齒104纏繞之前之圖6的線圈結構106及圖8展示線圈結構106如何纏繞之一實例。當然，亦可提供比所展示之兩個匝數多或少之匝數。

最後，必須提及的是根據本發明之線圈結構106亦可安裝於磁芯102上，該磁芯沒提供齒104。當省掉定子極時，可用構成線圈結構106之可撓性帶位於該圓形或多邊形定子芯上之一圓形或多邊形定子芯102。取決於轉子位置，更多或較少之繞組可與磁場耦合，因此產生所要的角度指示信號。

100．．．定子

102．．．磁芯

104．．．齒

106．．．線圈結構

108．．．開口

110．．．平坦導電軌

112．．．可撓性電絕緣載體

114．．．連接區域

116．．．筆直邊緣

118．．．線圈元件

120．．．鏈接區域

122．．．箭頭

200．．．旋轉變壓器

202．．．定子

204．．．齒

206．．．線圈

208．．．線圈體

210．．．導線

212．．．接點

214．．．印刷電路板

216．．．焊接連接

圖1展示承載其電磁線圈結構之一磁芯的一透視示意圖；

圖2展示在將該線圈結構安裝至該磁芯之前之圖1的線圈結構；

圖3展示圖1中所展示之磁芯的一透視圖；

圖4圖解說明在執行該彎折步驟之前之該線圈結構的安裝；

圖5展示一替代固定構件；

圖6圖解說明安裝於該磁芯上之線圈結構的另一形式；

圖7圖解說明在安裝於該磁芯上之前之圖6的線圈結構；

圖8詳細展示圖6之線圈結構的繞組；

圖9展示一習知磁芯及一繞線線圈；

圖10展示在安裝該等線圈期間之圖9的磁芯；及

圖11展示在焊接一PCB之後之一習知磁阻式旋轉變壓器。