TWI492491B - 磁電角度感測器，特別是磁阻解角器 - Google Patents

磁電角度感測器，特別是磁阻解角器 Download PDF

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Description

磁電角度感測器，特別是磁阻解角器
本發明係關於磁電角度感測器，尤其係關於磁阻解角器，其具有旋轉對稱的至少部分軟磁性定子，以及旋轉對稱的至少部分軟磁性轉子，其係藉由形成一氣隙彼此相對。該氣隙內的磁阻由於該轉子之一組態於圓周上變化而周期性改變。該角度感測器具有一磁通量發射器，係配置於該定子上並且藉由至少一對極於該氣隙內產生一預定磁通量分佈。再者，一磁通量接收器係配置在該定子上，係藉由配置成彼此偏移一角度的至少兩對訊號極(pairs of signal pole)來測量磁場強度，其中可從該兩個接收器訊號當中取得轉子相關於定子的位置之一角度值。
此種形式之角度感測器係基於定子與轉子之間氣隙內可變磁通量密度之原理，已知具有多種形式。基本上來說，這些角度感測器利用不同原理在發射器部分內產生磁動勢，並且也利用不同原理來測量接收器部分內磁場。在旋轉指示器中(解角器、同步器)，以主要和次要繞組形式來使用電磁線圈。很久以前就知道這種解角器或同步器形式的旋轉指示器，可作為精確並且堅固的角度感測器。在這方面，同時也知道哪些稱為被動式磁阻解角器，其中主要繞組和次要繞組皆位於定子內，而轉子以無繞組方式(即是被動，僅使用軟磁性部分)影響磁通量電路。針對軟磁性轉子不一致組態的結果，例如利用提供凸瓣，定子內主要繞組和 次要繞組之間的磁通量分別受到不同的影響；藉由感應電壓可取得轉子的角度位置。
第一圖顯示已知繞組示意圖的範例，像是例如從EP 0 522 941或EP 0 802 398可見的示意圖。在此情況下，兩繞組附加至定子的每一齒：一個別主要繞組及一正弦或餘弦繞組，該主要繞組係以另一個方向附加至該定子各別相鄰極。再者，從EP 0802398可知在大多數極上提供三個繞組。
此種形式之磁阻解角器可以用比較經濟的方式製造，因為省略具有繞組的主動式轉子且節省變壓器部分。然而，大多數已知磁阻解角器的配置具有定子上繞組需要相當複雜組裝方法之缺點。再者，其中磁阻變化利用梅花形或腎形轉子來達成的磁阻解角器，其中一邊上該轉子的圓周與另一邊上該定子齒的圓周間之氣隙高度顯著地隨著圓周角(circumferential angle)而改變，具有公差(尤其徑向偏移)特別顯著影響測量精確度之問題。而原因在於徑向方向內氣隙高度對於磁耦合有決定性之事實。
本發明的目標為揭示一種特別低成本並且簡單製造的角度感測器，此外還能改善精準度。
根據本發明的被動式磁阻解角器，係以軟磁性定子具有預定溝槽數與齒數交替分佈於圓周，並且一主要繞組藉由部分串聯的繞組配置在定子的溝槽內之方式建構。溝槽內亦配置兩個次要繞組，這兩者以一個角度彼此偏移並且每一都藉由串聯且交替相反方向之 部分繞組來形成極對，極對數以一整因子之差相異於主要繞組數。軟磁性轉子隨著對應至角度感測器段速數目(speed number)的週期數，改變其剖面形狀。
在此情況下，段速數目或訊號極對(pairs of signal pole)之數目代表轉子的完整機械旋轉(即是360°)期間，可在次要繞組上搭接的電子訊號所通過之完整週期數。這表示在單段速(one-speed)解角器內，電角度對應至機械旋轉(mechanical revolution)角度，而在三段速解角器內，360°的電角度就已經達到機械旋轉120°。
根據本發明，主要繞組於每一情況內係以一方式配置，該方式係至少一未承載主要繞組之齒位於承載他們的齒之間。一方面，此配置允許解角器以簡單方式進行機械纏繞。另一方面，在公差導致轉子偏心的情況下，可減少所產生的錯誤。最後，繞組也可繞在鬆弛線圈本體(loose coil bodies)上只有一圈，接著將該鬆弛線圈本體裝到定子上，並透過電路板或引線框架彼此相連。
根據本發明的有利具體實施例，主要繞組的部分繞組不具有交替繞組方向，而是全都以相同方向纏繞，例如以磁通量向內朝向轉子旋轉軸的方向。
不過，也可提供反向配置，並且在某些情況下，可以相反方向纏繞特定極數，以補償非對稱磁通量。
根據本發明，此式為奇數。在此情況下，n為相數(number of phases)(傳統解角器通常為二，即正弦和餘弦)，p等於在轉子上形成訊號產生形狀的凸瓣 數(number of lobes)，並且t為定子的齒數(number of teeth)。
根據第一有利具體實施例，主要繞組的部分繞組(此後在大多數情況下稱為「主要繞組」)係配置於偶數齒上，並且全部以當主要繞組上為正電壓時，磁通量朝解角器旋轉軸之方向的方式來纏繞。磁通量通過奇數齒回饋。奇數齒承載餘弦次要繞組及正弦次要繞組為次要繞組。輸出電壓感應於環繞奇數齒的繞組內。
若選擇對稱結構，即是彼此相對齒的繞組每一者都相同之結構，則可減少轉子相關於定子的偏心敏感度。
為了進一步增加精確度以及對於公差的不敏感度，根據另一有利具體實施例，兩繞組係配置於定子的每一齒上。同樣地，主要繞組位於彼此不相鄰的齒上，如此將具有正弦繞組的主要繞組、具有餘弦繞組的主要繞組或兩次要繞組，換言之就是正弦和餘弦繞組，彼此容納在一個相同齒上。同樣地，根據本發明，此式為奇數。根據本發明，轉子與繞組示意圖對稱，如此可更有效補償偏心。
根據本發明的有利發展，解角器可另包含至少一返回路徑用於返回電氣訊號，該返回路徑係配置於橫向於轉子旋轉軸的平面內。此返回路徑可輕易避免在旋轉軸方向內產生磁通量，因為這會以非所要的方式 影響輸出訊號。
第二圖為根據本發明之第一實施例的六段速解角器100之剖面示意圖。在此情況下，一軟磁性轉子102係裝設於一定子104內以便於可繞著一旋轉軸106旋轉。此圖式內所顯示具體實施例當中的轉子具有六個凸瓣(lobe)108，導致繞著該軸106旋轉期間，該定子104的齒110與該轉子102之間氣隙變化。
此圖內顯示的六段速解角器配置提供總共十六個齒110，在第二圖內按照順時鐘方向依序編號。產生於該等齒110上的磁通量如箭頭所示。根據本發明，偶數齒(亦可視為極)在本案例中承載主要繞組(本圖未示，如第十二圖元件符號132所示)，這些繞組以當主要激磁電流為正時其磁通量112直接向內朝向該旋轉軸106的方式纏繞。在此圖中這些激勵機繞組的磁通量用實心箭頭表示。根據本發明，激勵器繞組因此並未配置在彼此直接相鄰的極上，而是只在每隔一個的極上。
再者，該配置係點對稱於該旋轉軸106，如此在每一情況下，相同繞組存在於彼此相對的極上。受到轉子位置影響而發生感應磁通量的接收器繞組(即，次要繞組，如第十二圖元件符號132所示)係附加至奇數極。在此情況下，虛線箭頭表示正弦繞組的磁通量114，而點虛線箭頭表示通過餘弦繞組的磁通量116。要測量的輸出電壓係於這些極上的繞組內被感應出。
雖然在具體實施例內顯示主要繞組以正主要電流 之磁通量直接朝向該解角器100的旋轉軸106之方向配置，同時也提供通量的相反方向並且在某些情況下，也準備個別線圈使其以激勵一反向通量的方式纏繞，以便補償非對稱磁通量。
根據本發明，此式為奇數。在此情況下，n為相數，其對於具有正弦和餘弦訊號的習知解角器為2，p為轉子上的凸瓣數，並且t為定子的齒數。在第二圖顯示的配置內，可獲得下列結果：。
第三圖為來自第二圖配置的繞組圖之概略圖。在此情況下，在定子個別極上往上或往下繪製繞組數，正或負符號表示繞組方向。藉此可清楚瞭解，依照本發明，在一方面主要繞組只附加至偶數齒，並且另一方面全都往相同方向纏繞。正弦次要繞組和餘弦次要繞組每一都以交替繞組方向彼此串聯。另外，透過外部連接也可交換極性，並且在所有情況下，相同繞組方向可用於正弦次要繞組和餘弦次要繞組。
第四圖繪出第二圖內六段速解角器中極1至8每一個別極之磁場與機械角度φ之函數關係。如同在六段速解角器內，訊號在轉子完成360°旋轉期間重覆六次，在此圖與下列圖式當中只顯示範圍φ=0°至φ=60°。原則上，所有訊號(電流、磁通量、磁場、輸出電壓等)都為交流訊號，例如具有從2kHz至20kHz的頻率。不過為了簡化起見，圖內只畫出各別振幅。在此情況下，負振幅表示輸入值為高時，該值為低。
加總串聯的餘弦電壓或正弦電壓，產生第五圖內 例示的模擬情況。此圖的一邊為正弦訊號以及餘弦訊號，另一邊為根據φ=arc tan(sin/cos)以及實際角度值的計算值所獲得之偏差△φ。第五圖顯示理想情況下，所測量的機械誤差△φ，即是定子內轉子的確切中央位置。
相反地，第六圖顯示轉子與定子之間發生偏心的情況。相較於理想情況下的結果(如第五圖內所例示)，曲線△φ具有額外誤差分量E。
另如第七圖內所示，轉子偏心度加倍時會發生較高的額外誤差分量E，而測量誤差並非線性地根據轉子的偏心度。
如此展現出現實中不可能達到偏心轉子的理想情況，因此將如參照第十三圖中第二具體實施例的詳細描述，其替代繞組圖可提供優點。儘管如此，根據此處之前所描述本發明具體實施例內轉子和定子之對稱，本身利用部分補償誤差效應，顯著改善精確度。
第八圖和第九圖為相較於偏心轉子位置(第十圖)的輸出電壓理想情況概略圖。從此圖中可清楚瞭解，極5和極13的輸出訊號不再全等。因此，可部分補償偏心度。
在第八圖內，極9內的感應電壓對應至極1的感應電壓，並且極13內的電壓對應至極5內的電壓。從下列極上的電壓總和形成完整餘弦輸出訊號：極1+極9+極5+極13。
若相差180°的彼此相對邊上之繞組數都相等，如此具備訊號對於轉子相關於定子的偏心度反應較不敏感的優點。例如：若假設水平位移z mm，則極5上轉子與定子之間的氣隙大小確實減少z mm，但是極13 上的氣隙大小將增加z mm。若之後計算出磁通量以及因此形成的感應電壓，則極5和13上的感應電壓將彼此補償，如第九圖內所示。
根據本發明，磁阻解角器具有根據方程式所計算的特徵數。具有雙相輸出訊號(正弦和餘弦)的傳統解角器需要至少4個極，分別是sine、-sine、cosine和-cosine。在具有p凸瓣的轉子內，每個凸瓣係配置於360°/p上。然後定子上的繞組係配置於下列表1中指定的位置上，其中X為自然數：
t齒解角器的極位於位置Y˙360°/t上，其中Y假設從0至t-1之值。根據此方式，餘弦繞組以及接著的主要繞組係配置在第一齒上，並且正弦或負正弦繞組都配置在第三齒上。2˙360°/t因此應該位於正弦或負正弦的轉子位置上。
如下列表2內所示，正弦和負正弦次要繞組位於位置x/2˙360°/n˙p上，其中x為奇數。在表2所示的配置內，適用下列：4˙n˙p/t=3(n=2,p=6,t=16)。
具有48齒的六段速解角器當然也適用(4˙n˙p/t=1)，但是製造時更昂貴並且複雜。
此後將參考第十圖描述根據本發明第一具體實施例的解角器之進一步範例。從下列表3內可見，需要32個極以便發展具有對稱架構的四段速解角器。此處16極定子無法提供充足的空間給主要繞組。
同樣地，主要繞組的所有部分繞組都往一個方向纏繞，並不位於定子之彼此相鄰齒上。
第十一圖為具有32極之定子的八段速解角器之繞組圖。如下列表4內所列，在每一種情況下，在此具體實施例內次要繞組之間配置至少兩主要繞組。
若針對此情況計算下式：，則可獲得2，即是偶數。
因此在極11至16以及27至32上無法維持兩主要繞組和一次要繞組的規定圖案。在這些極內，繞組數改變，以便在這些區域旁所有區域的極內達成類似 磁場。主要繞組的所有部分繞組都往相同方向纏繞，如此傳輸的磁通量沿著定子圓周處處指向朝向轉子的方向。
根據本發明有利的具體實施例，利如第十二圖內所示，個別繞組131、132纏繞在鬆弛線圈本體118上，並且這些具有電氣連接部120、122的線圈本體滑動到定子104的齒110之上。
為了讓個別線圈電氣連接部120、122彼此連接，在下一個操作中安裝一導線板(wiring board)124，如第十八圖內所示。電路板124上有導電軌跡126，將所要的電氣連接部彼此連接。在此情況下，利用印刷電路板、軟性電路板或引線框架這些已知方式可形成導線板124。透過已知方式，像是焊接、黏接、壓入或其他已知的電氣接觸方式，完成線圈本體118的電氣連接部120、122與導電軌跡126之間的接觸。
如之前所提及，轉子與定子之間的偏心度會造成之前所討論第一具體實施例不精確。因此，第二具體 實施例提出其中兩個別繞組配置於每一定子極上的配置。第十三圖為通過這種替代六段速解角器的剖面示意圖。
同樣，只有偶數極承載主要繞組，並且所有主要繞組都以磁通量方向朝向轉子之旋轉軸106之方式纏繞。磁通量通過奇數極返回，不過相較於前述具體實施例，根據第十三圖內所示的具體實施例，每一定子極也可承載次要繞組，如此具有次要繞組的主要繞組或兩個不同的次要繞組一起配置於同一個定子極上。
第十四圖為來自第十三圖的六段速解角器之繞組圖。從此可瞭解，根據此具體實施例，主要繞組全都具有相同的繞組數，但是少於正弦次要繞組和餘弦次要繞組之繞組數。然而，也可在各處都使用相同繞組數，如此簡化製造。
第十五圖顯示極1、2、3、5、6和7上輸出電壓的範例，極9、10、11、13、14和15內感應的電壓與此一致。從這些極內所感應的電壓總和計算出總餘弦訊號。
從第十六圖和第十七圖的實驗當中可瞭解此第二具體實施例的優點，第十六圖畫出第二圖內具體實施例的角偏差△φ1與第十三圖內具體實施例內正確中心轉子的角偏差△φ2。這兩曲線非常類似，所以在此案例中並無差異。
不過，從第十七圖中可清楚瞭解，在轉子不在中央的情況下，第十三圖中配置的誤差△φ2只有第二圖中配置誤差△φ1的一半。這可由根據轉子非中央配置，個別極的感應電壓不對稱，造成輸出訊號偏差之事實 來解釋。偵測到因為氣隙變化造成極的不一致的磁通量，導致振幅改變。這些偵測到的不精確經過分析之後，判斷為高階諧波。為了避免這些不精確，根據第十三圖的替代繞組圖包含更多偵測電路的繞組。例如：提供十二個次要繞組取代之前顯示的四個次要繞組。因此利用個別相鄰的極來修正偵測線圈內磁通量幅度變化造成之誤差。
第十八圖內顯示用於四相解角器之在每一種情況下每一定子極上有兩繞組的替代繞組圖。
從第十九圖至第二十一圖也可瞭解，鬆弛線圈本體118上也可纏繞兩個繞組，其中必須往外引導出總共四個電氣連接部120、121、122、123。也可藉助引線框架或印刷電路板124來連接。
第二十一圖顯示導線板124的具體實施例，其中印刷電路板124包含電氣訊號的返回路徑128。此返回路徑128可避免在旋轉軸方向內產生磁通量連接，因為這會以非所要的方式影響輸出訊號。其他兩電路在電路板背面上具有類似返回路徑。
最後第二十二圖顯示二段速解角器100，其中具有兩凸瓣的轉子102與16極之定子104結合。這類似於具有32極之定子的四段速轉子。在此具體實施例內，只有每隔一齒110提供主要繞組與次要繞組。在此具體實施例內也實施全部主要繞組的纏繞方向都相同並且轉子與定子完整對稱之原理。除了特別簡化組裝之外，如此也提供有關精確度和不敏感度給任何組裝和生產公差之上述優點。
雖然前述討論已經假設在所有情況下都為鬆弛線 圈本體，根據本發明的繞組也可直接纏繞在定子上，其中可使用額外塑膠材料部分(但並非必要)。然後可直接藉助於磁線，直接進行大部分連接。然後也可使用磁線或纜線實施電氣訊號的返回路徑。
1~16‧‧‧極
100‧‧‧磁阻解角器
102‧‧‧軟磁性轉子
104‧‧‧定子
106‧‧‧旋轉軸
108‧‧‧凸瓣
110‧‧‧齒
112‧‧‧磁通量
114‧‧‧磁通量
116‧‧‧磁通量
118‧‧‧線圈本體
120‧‧‧電氣連接部
121‧‧‧電氣連接部
122‧‧‧電氣連接部
123‧‧‧電氣連接部
124‧‧‧印刷電路板
128‧‧‧返回路徑
131‧‧‧主要繞組
132‧‧‧次要繞組
為了瞭解本發明，所以將根據下列圖式內例示的示範具體實施例更詳細描述本發明。在此情況下，相同部分提供相同的參考符號以及相同的組件指示。再者，來自所顯示與描述具體實施例的個別特色或特色組合也可為解決方案，其本身為獨立的創新解決方案或為根據本發明的解決方案。圖式中：第一圖係顯示根據先前技術的繞組圖範例；第二圖係根據本發明第一實施例通過六段速解角器之剖面示意圖；第三圖係第二圖的解角器繞組圖；第四圖係顯示第二圖上定子的個別齒上磁場；第五圖係顯示根據第二圖的六段速解角器上的模擬訊號，用於其中轉子與定子之間無偏移的理想情況；第六圖係顯示根據第二圖的六段速解角器上的模擬訊號，用於其中轉子與定子之間偏心並且存在轉子製造公差之情況；第七圖係顯示根據第二圖的六段速解角器上的模擬訊號，用於其中偏心為第六圖中的兩倍之情況；第八圖係第二圖之配置於理想情況下，輸出電壓與機械角度之函數關係； 第九圖係顯示第二圖之配置於轉子偏心配置的情況下，輸出電壓與機械角度之函數關係；第十圖係類似於第二圖具體實施例的四段速解角器之繞組圖；第十一圖係八段速解角器的替代繞組圖；第十二圖係第二圖中定子的部分透視圖，其中附加替代具體實施例的線圈本體；第十三圖係顯示根據本發明的六段速解角器之第二有利具體實施例；第十四圖係第十三圖的解角器繞組圖；第十五圖係第十三圖之配置的輸出電壓例示圖；第十六圖係比較第二圖和第十三圖間之配置，角偏差與機械角度之函數關係圖；第十七圖係比較第二圖和第十三圖間之配置，角偏差與偏心轉子內角度之函數關係圖；第十八圖係類似於第十三圖具體實施例的四段速解角器之繞組圖；第十九圖係第十三圖的配置裝上鬆弛線圈本體之後的部分透視圖；第二十圖係第十九圖中所裝配定子的部分透視圖；第二十一圖係第十三圖中解角器配置位於與電路板內電氣返回路徑完全安裝狀態下之透視圖；以及第二十二圖係通過根據進一步有利具體實施例的解角器配置之剖面示意圖。
1~6‧‧‧極
100‧‧‧磁阻解角器
102‧‧‧軟磁性轉子
104‧‧‧定子
106‧‧‧旋轉軸
108‧‧‧凸瓣
110‧‧‧齒
112‧‧‧磁通量
114‧‧‧磁通量
116‧‧‧磁通量

Claims (15)

  1. 一種磁電角度感測器，其係具有：一至少部分鐵磁定子(104)和一至少部分鐵磁轉子(102)係藉由形成一環狀氣隙彼此相對，其中該氣隙內的磁阻由於當該轉子繞著一旋轉軸(106)旋轉時該轉子之一形狀於圓周上變化而周期性改變，一磁通量發射器，係配置於該定子(104)上並且藉由至少一對極於該氣隙內產生一預定磁通量分佈，一磁通量接收器，係配置於該定子(104)上並且藉由配置成彼此偏移一角度的至少兩對訊號極來測量磁場強度，其中可從該兩接收器訊號當中取得該轉子(102)相關於該定子(104)的位置之一角度值，該定子(104)於圓周上分佈大量藉由溝槽彼此相隔的齒(110)，並且該磁通量發射器包括至少兩個主要繞組，以至少該等齒之其中之一不承載主要繞組的方式來配置。
  2. 如申請專利範圍第1項之磁電角度感測器，其中該等主要繞組以產生一徑向延伸的磁通量之方式來配置，對於所有的主要繞組以同樣的方式各使該磁通量的一方向係指向朝向該旋轉軸或遠離該旋轉軸的方向。
  3. 如申請專利範圍第1項之磁電角度感測器，其中該磁通量接收器的一主要繞組和一次要繞組係各交替配置在分佈於該定子(104)圓周上的該等齒(110)之上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之磁電角度感測器，其中一特徵變數為一奇數，其中n等於該角度感測器的一相數，p等於形成該轉子上該形狀之凸輪數，t等於該定子上的齒數。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之磁電角度感測器，其中該磁通量接收器具有至少兩正弦次要繞組以及與該等正弦繞組位移90電子角度之至少兩餘弦次要繞組。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之磁電角度感測器，其中每一該等繞組係附加至各別線圈本體(118)。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之磁電角度感測器，其中該等繞組之間的電氣連接係透過一印刷電路板(124)、一軟性電路板或一引線框架產生。
  8. 如申請專利範圍第7項之磁電角度感測器，其中該線圈本體(118)與該印刷電路板(124)或導線架的連接部間之電氣連接係利用焊接連接、熔接連接或壓入連接產生。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之磁電角度感測器，其中兩不同的繞組係配置在該定子(104)的每一齒(110)上。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之磁電角度感測器，進一步包含至少一返回路徑(128)用於返回一電氣訊號。
  11. 如申請專利範圍第10項之磁電角度感測器，其中該至少一返回路徑(128)係藉由一印刷電路板(124)或 一導線上一導電軌跡形成。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之磁電角度感測器，其中至少所有主要繞組具有相同的繞組數。
  13. 如申請專利範圍第1項之磁電角度感測器，其中該等主要繞組的至少其中之一具有不同於其餘該等主要繞組的一繞組數，用於以一目標方式影響該發出的磁場。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之磁電角度感測器，其中具有該等磁通量於其上之該轉子(102)及該定子(104)建構成他們的剖面係點對稱於該旋轉軸(106)。
  15. 如申請專利範圍第1項或第5項中任一項所述之磁電角度感測器，其中在定子(104)的每隔一齒(110)上，一主要繞組與一次要繞組係以正弦次要繞組和餘弦次要繞組皆各以交替的方式來配置。
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