多圈磁性绝对位置检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁性位置传感器领域且更确切地，涉及磁检测装置，该磁检测装置用于精确地(通常以小于I度的精度)测量在多圈上转动的输入轴，例如方向柱的绝对位置，其位置应在可达到+/-1080° (+/-3圈)的角度上被检测。本发明还涉及能在紧凑配置下检测转矩的多圈绝对位置的磁性检测装置。
背景技术：
已知申请人的专利申请W02009/047401中提出使用两个位置传感器，一个借助所谓“精密”传感器用于获得输入轴位置，而另一个经由取决于运动转换的所谓“粗略”信息用于获得多圈信息。该传感器的益处之一在于这两种信息是绝对的。因此，即便在输入传感器受损的情况下，依然能保存诚然粗略的绝对信息。在应用于高安全水平的传感器研究中，与在前技术相比，其在可靠性上具有明显的优点。然而，从径面磁化的输入传感器得到的位置信息对例如方向柱等关键应用通常不足够精确，因为，在360°角的检测中，用非接触式传感器不能达到远小于+/-1°的精度，不符合大规模工业生产和应用可靠性的要求。专利申请EP1830155A1针对该精度问题提供如下方案:其要求使用与输入轴相连且通过所谓“主磁体”的多极磁体实现的传感器，即所谓“主传感器”，并与被称为“第二传感器”或“圈位传感器”的绝对传感器配合，该绝对传感器可经由运动转换给出粗略的多圈位置。这种组合能构成精确传感器。然而，在该申请中所描述的方法会同时导致体积过大，且不可能在相关应用的精度方面符合所有规格。此外，其仅示出用于两个磁敏检测器的两个AMR型磁阻检测器的应用，因而使可用性受到限制。如表示出所提出配置的附图
所证明，该方法实际上占用较大空间。实际上，在上述提出的三种情况中的二种中，运动转换以及第二传感器与主磁体分离，从而导致需使用两不同的印刷电路板且因 此导致成本超额以及结构尺寸的增加。因此，由于体积过大，该方法不能简单地纳入其它机械电子装置(马达、传感器……)中。第三配置提出把齿轮传动系统的轮之一集成在主转子上，但由于第二转子的轴正交于主转子的轴，因此这仍然未使轴向体积得到优化。另一方面，本发明对磁阻检测器的使用作了特别规定。然而，如果其能很好地适用于所谓“轴端”的磁体配置，如检测器被定位在磁体的转动轴上的第二传感器的情况，其在磁体转动轴之外，例如集成在主转子上的配置中的使用的缺点在于所构成的方案具有明显的尺寸限制，正如将在以下解释的那样。实际上，由多极磁体产生的法向、切向与轴向分量通常不具有相同的幅值及纯粹的正弦变化。磁角度的变化根据位移呈非线性，由此产生角度误差，还要注意的是，如上所述的(AMR型)磁阻元件经由其电阻的物理变化，可生成输出信号，该输出信号在180°的周期内在平面内与磁场转动直接成正比。这些信号上的缺点有多种来源:检测器灵敏度缺点、磁化缺陷、接近磁体表面的检测器导致的畸变、第二磁体的接近导致的畸变，正如该方法的情况或仅仅是磁环存在的边缘效应(因为该磁环并非无穷长)。因此要求使用专利申请EP1830155中描述的人为方法(算法、存储器……)，所述人为方法被用来测量两个分量的偏移量或依靠信息技术纠正这些误差。后者需要在处理电子器件中分配的计算能力，而这会造成损耗。因此，如专利申请EP1830155中描述的传感器配置明显适用于有利于正弦的并且目的在于经由尽可能线性的磁场角变化来使离差最小而使磁场的两个有效分量幅值相等的配置。因此需注意，通常，除非明显地离远离表面或使用非常多对磁极，在多极磁体表面测得的磁通量具有梯形形态。由此得到的非一般性特征因此呈现出弊端。例如，宁可推荐因其有利于由检测器读取的磁感应正弦特征而具有很多对磁极，或者磁极对数减少但结合较大测量距离的几何形状，并且这种配置主要缺点在于较弱的信号幅值对外部干扰很灵敏或存在较大噪声水平。其它使得能够趋向于这种可实现磁场角度的线性变化磁平衡的配置也都存在缺点。因此，以较小直径为几何特征的多极转子，将表现为与位置需被检测的应用轴的直径在机械上不匹配。还或者，相对其直径非常高的磁环将进一步增加该传感器已过大的轴向体积。另一方面，注意到若希望使用的印刷电路板可共用于两个传感器的两个检测器，AMR型检测器的使用要求必须在主磁体上利用被标记为Bz和Bt的轴向和切向磁分量，因为这是在第二传感器上利用的磁分量。这意味着检测器偏移于磁体的中平面，从而生成一轴向分量。其主要缺点在于，必须要求把主传感器的检测器定位在距磁体中平面十分精确的距离上，目的在于使轴向和切向分量趋向平衡，并在机械角度的变化过程中带来磁角度的线性变化。一旦磁环具有该方法中示出的缩小的轴向尺寸，这种平衡便不稳定。这样的传感器因此在轴向和径向间隙上不够可靠且这种配置类型利用的磁通量较弱，因为对于涉及轴向分量的部分，其主要基于使用漏磁通且需要高能磁体的特定磁体剩磁来设置可接受的磁通量。另一方面，该偏移最终要求主检测器和第二磁体之间较大程度的靠近，这会增加传感器的不精度，因为第二磁体会在主检测器上引起磁干扰。如果希望在磁体的其它方向上实现偏移，可预见的是，该方案在体积上还会进一步不便。假设希望生成更稳定的磁配置，可设想使用由主磁体生成的法向和切向分量。由此导致传感器的配置占据很大的体积且十分昂贵，`即正如该方法所描述的那样，需要使用两个印刷电路板。同样需强调，正如该方案所要求的那样，在主磁体上使用很多对磁极将表现出在转动轴的转动时由检测器查看到的电频率，其会导致在电子器件指示的位置与真实位置之间的较大的滑动，或由于所使用处理电路的通频带的局限而引起分辨率损失。另一方面，磁极使用的数量越大，将越难以在该类型的多圈传感器上获得精确的绝对位置。实际上，正如专利申请EP1830155所描述，以采用30个磁极的传感器为例，可获得角长12° (360/30)的磁体，由输入传感器在该磁体上给出的位置很精确。然而，第二传感器应在+/-1圈(+/-360° )上给出位置,从而对于精度为+/-0.5%的传感器,这在输入角度位置上产生+/-3.6°的误差。这已经代表了一种对应60%角长的误差。如果在该误差上，再增加第二传感器的磁滞后和机械滞后，因而将有很大的损失绝对信息的风险。如果由此希望形成+/-2.5圈(+/-900° )的传感器，则对于精度为+/-0.5%的第二传感器，在输入角度位置上会产生+/-9°的误差。因此可理解为，第二传感器的固有的非线性误差(或滞后现象)已经为18°且因此不再能区分输入传感器位于哪个12°的磁极。诚然，专利申请EP1830155中描述的传感器还是绝对传感器，但不再同时是绝对和精确的位置传感器。如果希望重新赋予第二传感器绝对功能，需要具有小于+/-0.34%的精度，这意味着需要带有20个磁极的多极磁环，由于上述提到的原因，其因而不能向精确的主传感器定位。对于这种+/-2.5圈的传感器配置，专利申请EP1830155中描述的传感器提出使用第三检测器且在第二传感器和第三传感器之间建立有关偏移的测定，这会使该方案变得非常复杂。该方案的主要缺点因此在于，或者因为主磁体需要有很多对磁极而使上述示例中的第二传感器必须具有极大的精度，或者若希望对第二传感器减少精度要求，则要有较少对的磁极。然而，应承认这些类型的磁性位置传感器可能遭受从来自输入传感器的多极磁体的影响开始的显著的外部磁影响。因此很难在车辆环境的典型环境下保持这种精度。本领域技术人员因此被导向第二种选择，但其不能被引向精确主传感器的一般性配置，除非减小磁环的直径或提高检测磁隙，然而这又带来前述的问题。最后，对(给出绝对位置的)多圈传感器使用AMR，还意味着具有周期性为180°的绝对输出信号，也就是如果使用一个双极磁体则为0.5圈。这意味着最大缩减比应为8比4，即对于+/-2圈行程的8，相比于对于360°机械角上给出绝对位置的第二传感器的4。所述运动转换的大小因此比第二传感器在I圈上工作大得多。在以往技术中，还已知与多圈传感器使用相关的转矩传感器的方案。专利申请W02005/076860介绍了多圈绝对位置传感器及转矩传感器的结构，其具有两个主要的缺点。一方面，因为其实际上由两个不同的传感器构成，即一个叠放在另一个上，因而体积很大。另一方面，需经离散运动转换获得多圈位置传感器的绝对位置，而在默认情况下，离散运动转换无法将输入轴的绝对位置保持在主传感器上。在专利申请W02009/047401中，即便解决了多圈位置的离散测量问题，因为要由转矩传感器和多圈绝对位置传感器的功能叠加来实现，因此两个传感器的联合依然占据很大体积，且主传感器为在一圈上的绝对类型，其由一个双极磁体构成，该双极磁体对构成转矩传感器的霍尔检测器造成较大的磁干扰，从而进一步给整体带来精度上的不足。
发明内容
本发明提出借助精确多圈位置传感器的一般且紧凑的方案以及借助第二传感器的整体精度来解决这些问题，该方案采用位于输入转子处的主磁体的多个磁极对，其取决于与输入转子相关的运动转换缩减比，本方案同时考虑了转矩传感器的集成能力。如将被精度研究反映的内容所推动的那样，在所引述的现有文献的启发下，本领域技术人员试图不断地增加加主转子的磁极数量。使很多的主磁体磁极对能使传感器保存其精度及多圈特性，并同时减少对第二传感器的精度要求。一方面，在主传感器上使用检测场方向的霍尔效应型磁敏检测器将磁分量之间的相对增益的校正或与铁磁集中器相关的磁阻型校正纳入到其中，这样可以为传感器赋予需任何额外校正电子器件的固有精度。因此所述元件整体能赋予按照本发明的传感器一般性特征。另一方面，运动转换与位于机械转换缩减的最后一级的第二绝对传感器有关。因此这种运动转换以及两个传感器被集成在主转子体积内，因而这赋予传感器如在所针对的应用中探求的紧凑性。
按照本发明的传感器还能为点火装置提供精确的绝对位置，这被称为“真启动(true power on) ”。本发明因此还提出，通过提出更紧凑的2轴相对位置传感器的机械集成来解决紧凑性问题，该机械集成通过如下来实现:一方面借助于采用多极型主磁体，其中，多极型主磁体由于从主磁体发射的场线的更短环回而对结构整体造成较弱的磁干扰；另一方面借助于基本上在由主磁体占据的体积片段内对运动转换进行的定位。由此，位置传感器的主磁体由于其多极特性，以同心方式被集成在转矩传感器内，因而在外部体积上限制了与转矩传感器收集部分的相互影响，且在内部体积上限制了与定子轮齿的相互影响。将注意到，由于磁体内径上不含磁通量，主磁体上的多极正弦型磁化能够有利地限制，甚至消除由于磁体在其内部体积中而在定子部分上造成的磁干扰。然而，无论对主磁体保留何种类型的磁化，为了消除主磁体对转矩传感器定子部分的相互影响，有利的是使主磁体与铁磁电枢相关联。更特别地，本发明还涉及用于转动输入轴的磁性绝对位置检测装置，其包括:主转子，该主转子包括主磁体，主磁体与所述输入轴以及运动转换的驱动构件连成一体，输入轴实现η倍的360°行程，其中η大于1，至少一个第一磁敏检测器,其在360度的磁角度上发出与由主磁体产生的磁场的方向成比例的信号，目的在于推导出输入轴的绝对位置测量值，第二磁体，其具有两个磁极并在输入轴的转动作用下经由运动转换实现接近360度的行程，至少一个第二磁敏检测器，其在接近360度磁角度上发出与由第二磁体产生的磁场的方向成比例的信号，并且能够从该信号推导出所述第二磁体的绝对位置测量值，第二检测器和所述第二磁体构成以百分比表示的印Silon精确位置传感器，第二磁体基本被定位在由所述主转子的上下面限定的高度H之内，其特征在于，主磁体为多极且具有P对磁极，其中，P大于I。所提出的多圈磁性绝对位置检测装置包括两个磁传感器，其中一个被称为主位置传感器，其被连接在输入转子上且提供在一个磁周期上的位置的精确位置，该磁周期对应输入转子在等于多极磁环的I对磁极的机械角度上的转动，另一个被称为第二位置传感器，其对本发明的传感器给出并非必须精确的绝对位置，并连接至介于主传感器和第二传感器之间的运动转换缩减的最后一级，从而使η=θ/α，其中Θ是输入传感器的角度(严格大于0)，而α是第二传感器的角度。因此，由关系式η=θ/α联系起来的两个角度测量的结合，可允许获得绝对且精确位置的多圈传感器，其仅需要基础电子技术，借助由两个传感器生成的信号来确定位置，而不需任何校正或学习算法，或者存储一个或多个主传感器和第二传感器的误差。在本发明的范围中可以非限定方式列出可使用的运动转换:被称为平行齿轮传动的运动转换或齿轮及旋进运动转换，以及最后借助多极齿轮的磁耦接的运动转换。理想地，运动转换占据基本包括在容纳主磁体的那一部分的体积片段。因此，第一缩减级可与磁体相邻，甚至以同心方式集成在磁体上，其目的在于减少轴向体积。缩减级可以被复制模制在磁体一侧或模制在磁体上。在非接触运动转换范围中，更好地，主磁体可构成转换的第一缩减级。
优选地，位置传感器的第二磁体以双极方式被磁化。其可以发出第二传感器轴的从0°到360°度的转动角的连续的绝对位置信息。理想地，传感器的有效行程将接近360°，基本对应输入转子360Xn的转动角度，“η”可以为非整数但需要大于O。且没有什么妨碍本发明在小于360°的角α上应用，因而输入轴与输出轴之间存在更大的缩减比。该第二传感器的磁体可以是径向磁化或在柱体厚度方向上沿两个磁极磁化的柱体，还或者是沿其宽度或其长度之一磁化的平行六面体，其与位于磁体转动轴上的检测器关联。也可设想径向磁化的空心环，其与位于磁体转动轴外的检测器相关联。这些上述配置的示例不仅局限于360°绝对位置传感器的磁设计。在某些要求精度或寻求紧凑性的情况下，可在第二磁体附近添加屏蔽。两个位置信息的合理组合允许从中推导出机械轴在多圈上的精确和绝对的位置信息。与输入转子相连的主磁体的职能在于给出周期“Τ”的精确角度测量值，其精度对应于应用所希望的精度。其因此发出精细的信号。磁体可以是磁环或磁盘。按照第一变型，其磁化将为多极型，对于磁环为径向贯穿，而对磁盘为轴向贯穿。与主传感器关联的检测器在磁环的情况下被定位在磁体的中平面或在轴向上岔开，或者在磁盘的情况下位于中径上或与之径向岔开。优选地，在霍尔检测器的情况下其将利用切向径向分量或切向与轴向分量，或在使用连接至磁场集中器的磁阻检测器的范围下，直接利用切向与径向分量之间，或切向与轴向分量之间的磁角度。对于霍尔型检测，与第二磁体关联的检测器还可辨识三个磁分量中的两个，或当使用磁阻时，辨识由3个分量中的2个组成的磁角度。第二磁体和与之相关联的检测器构成精度为+/_印silon( ε )的角度位置传感器，精度以百分比表示。因此，如果在第二传感器的轴的360°的转动上，第二传感器的精度为+/-0.5%，因而意味着给输入轴转动角度带来的角向误差为360 X η的+/-0.5%。以+/-3圈传感器为例，由此定义的第二传感器将产生+/-10.8°的误差。按照本发明，与检测360°磁角度检测器关联的多极主磁体应包括最小周期Τ，以度数表示为:
权利要求
1.一种用于转动输入轴的磁性绝对位置检测装置，包括: 主转子(5)，包括主磁体(2)，所述主磁体(2)与所述输入轴以及运动转换的驱动构件(I)连成一体，所述输入轴实现η倍的360°行程，其中η大于1， 至少一个第一磁敏检测器(6)，其在360度的磁角度上发出与由所述主磁体(2)产生的磁场的方向成比例的信号，目的在于推导出所述输入轴的绝对位置测量值， 第二磁体(9)，其具有两个磁极并在输入轴的转动作用下经由运动转换实现接近360度的行程， 至少一个第二磁敏检测器(7)，其在接近360度磁角度上发出与由所述第二磁体(9)产生的磁场的方向成比例的信号，并且能够从该信号推导出所述第二磁体的绝对位置测量值， 所述第二检测器(7)和所述第二磁体(9)构成以百分比表示的epsilon精确位置传感器， 所述第二磁体(9 )基本被定位在由所述主转子(5 )的上下面限定的高度H之内， 其特征在于，所述主磁体(2 )为多极且具有P个磁极对，其中P大于I。
2.按照权利要求1所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，P小于360/T的整数部分，其中 Γ > e^sikm.360." + HvsiSn 其中，Hyst是所述检测装置的滞后幅值，以度数表示且被归并至所述输入轴。
3.按照上述权利要求中任一项所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述主磁体(2 )内置在所述驱动构件(I)的内体积中。
4.按照上述权利要求中任一项所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述P个磁极被正弦磁化。
5.按照权利要求1至3中任一项所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述P个磁极被径向磁化。
6.按照权利要求1之3中任一项所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述P个磁极被渐饱和磁化。
7.按照上述权利要求中任一项所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述检测装置与电子技术结合，该电子技术使得能够借助来自两个磁敏检测器(6、7 )的信号，在逻辑上推导出所述输入轴的绝对位置。
8.按照上述权利要求中任一项所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述主磁体(2)与至少两个磁敏检测器相关联。
9.按照上述权利要求8所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述两个磁敏检测器在角度上岔开的角度等于360.i/P+90/P度，其中i是可为零的自然整数。
10.按照上述权利要求中任一项所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述第一和第二磁敏检测器(6、7)为霍尔效应类型，其中的每一个能够读取两个不同的信号BI和B2,其中BI和B2代表由所述主磁体(2)和所述第二磁体(9)中的任一个产生的3个磁分量中的2个。
11.按照上述权利要求中任一项所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述检测器(6、7)能够在把增益G乘以两个信号BI和B2中的一个之后计算出电角度β，例如，n , G.m、β = Arc tan e(-)。BI
12.按照上述权利要求1至9中任一项所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述磁敏检测器(6、7)中的至少一个为磁阻型。
13.按照上述权利要求中任一项所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述磁敏检测器中的至少一个与通量集中器相关联。
14.按照上述权利要求中任一项所述的并且尤其用于检测方向柱的扭矩的磁性绝对位置检测装置，包括: 至少一个相对角度位置检测装置，其检测由扭杆连接的共轴的输入和输出轴的相对角度以从该角度推导出施加在所述扭杆上的扭转转矩，所述相对角度位置检测装置包括第一磁性转子结构和第二定子结构(15)，所述第一磁性转子结构包括多个磁体(14)，所述第二定子结构附近设置有至少一个磁敏检测器(13)， 所述主磁体(2)基本与所述定子结构(15)保持同心， 其特征在于，所述相对角度位置检测装置的所述磁敏检测器(13)以及所述第一和第二检测器(6、7 )基本被定位在由所述主转子(5 )的上下面限定的高度之内。
15.按照权利要求14所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，在所述位置传感器的多极主磁体(2)和所述相对角度位置检测装置的所述第二定子结构(15)之间插入有铁磁环(18)。
16.按照权利要求14或15所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述相对角度位置检测装置的所述第二定子结构(15)由塑料支撑件(16)和铁磁部分(17)构成，所述多极主磁体(2)以及所述运动转换的驱动构件(I)被集成在所述塑料支撑件(16)上。
17.按照权利要求16所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述运动转换的驱动构件(I)与所述塑料支撑件(16)为同一零件。
18.按照权利要求16或17所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述塑料支撑件(16)模制在所述多极主磁体(2)上。
19.按照权利要求14至18中任一项所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述多个磁体(14)的磁极对数P’等于所述主磁体(2)的磁极对数P的k倍，其中k为整数。
20.按照权利要求14至18中任一项所述的磁性绝对位置检测装置，其特征在于，所述主磁体(2)的磁极对数P等于所述多个磁体(14)的磁极对数P’的k倍，其中k为整数。
全文摘要
本发明涉及用于检测能够承受超过360°转动的输入轴磁性绝对位置的检测装置，所述装置包括主磁传感器(2、6)、运动缩减部(1、4)以及第二磁传感器(7、9)，主磁传感器(2、6)与转子(5)相连，测量在角度小于360°范围下轴的转动，并且包括主磁体(2)，运动缩减部(1、4)把轴的转动转换为最大幅值不超过360°缩减转动，且第二磁传感器(7、9)测量缩减转动并包括第二磁体(9)。按照本发明，第二磁体(9)被设置在主转子(5)的上下面之间，且主磁体(2)具有P对电极，其中P大于1。
文档编号G01D5/244GK103154672SQ201180041162
公开日2013年6月12日 申请日期2011年8月12日 优先权日2010年8月24日
发明者米夏埃尔·德尔巴尔, 杰拉尔德·马松, 扬妮克·罗纳, 斯特凡·比韦尔西 申请人:移动磁体技术公司
文档序号 :
【 5939378 】
技术研发人员：米夏埃尔·德尔巴尔,杰拉尔德·马松,扬妮克·罗纳,斯特凡·比韦尔西
技术所有人：移动磁体技术公司
备 注：该技术已申请专利，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
声 明 ：此信息收集于网络，如果你是此专利的发明人不想本网站收录此信息请联系我们，我们会在第一时间删除
技术研发人员：米夏埃尔·德尔巴尔,杰拉尔德·马松,扬妮克·罗纳,斯特凡·比韦尔西
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