CN101358833B

CN101358833B - 角度位置传感器

Info

Publication number: CN101358833B
Application number: CN 200810200016
Authority: CN
Inventors: 王春健; 张舜; 陈雁; 邓裕; 许博客
Original assignee: United Automotive Electronic Systems Co Ltd
Current assignee: United Automotive Electronic Systems Co Ltd
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2028-09-17
Also published as: EP2330379B1; US20110234211A1; EP2330379A1; US8766627B2; EP2330379A4; WO2010031246A1; CN101358833A

Abstract

本发明揭露了一种角度位置传感器，包括转子芯与围绕该转子芯同轴而设的定子芯，其中：所述转子芯与定子芯之间具有第一气隙；所述转子芯内具有第二气隙，且该第二气隙内设有硬磁体；所述定子芯内具有第三气隙，且该第三气隙内设有磁通量传感元件。可见本发明利用硬磁体与转子芯的组合来替代现有技术中环形磁铁的设计方案，在较宽范围内获得了良好的线性度。与现有技术相比，易于装配，且无需加工难度较大的环形磁铁，降低了成本，简化了工艺。

Description

角度位置传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器装置，特别是涉及一种线性范围广且线性度良好的角度位置传感器装置。

背景技术

角度位置传感器作为一种重要的传感器装置，在汽车以及其它机电控制领域中具有广泛的应用，而其线性范围与线性度的改进一直是其领域技术人员所致力研究的课题。比较常见的一种角度位置传感器是利用磁感应元件来检测磁场变化，进而转变为与角度位置相对应的电信号输出。为了提高其输出相对于被测物体转动角度的线性度以及扩大线性范围，其领域技术人员进行了大量的研究，获得了各种磁路设计方案。

例如，于1999年1月19日公开的美国专利说明书US-5861745A便揭示了一种角度测量装置，其利用径向充磁的环形磁铁与被测物体一起转动来获得大于180°的完全线性范围。然而，在这种方案中，所需的线性范围越广，使用的环形磁铁就越大，如此，增加了原材料的成本；同时，磁铁材料较其它金属材料的加工难度更高，尤其是此方案中采用了相对复杂的环形磁铁，其在加工与定位时精度较难保证，增加了生产过程中的工艺成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种角度位置传感器，使其在保证良好线性度的同时具备更为简单的制造工艺与更为低廉的生产成本。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种角度位置传感器，包括转子芯与围绕该转子芯同轴而设的定子芯，其中：所述转子芯与定子芯之间具有第一气隙；所述转子芯内具有第二气隙，且该第二气隙内设有硬磁体；所述定子芯内具有第三气隙，且该第三气隙内设有磁通量传感元件。

进一步的，所述第一气隙为均匀分布的环状气隙，且将其沿转子芯径向方向的尺寸称为第一气隙的宽度。

进一步的，所述第一气隙的宽度与转子芯直径大小之比大于或等于1：5。

进一步的，所述第二气隙沿转子芯某一直径方向上成直线型设计，且将所述第二气隙沿该直径方向上的尺寸称为其长度，将所述第二气隙沿转子芯径向方向的尺寸称为其的宽度。

进一步的，所述第二气隙的长度与宽度之比大于或等于5：1。

进一步的，所述第二气隙内充满硬磁体。

进一步的，所述第一气隙的宽度与第二气隙宽度之比大于或等于2：1。

进一步的，所述第二气隙平行于上述直径且位于直径的一侧。

进一步的，所述第二气隙包括第一部分与第二部分，其平行于上述直径且位于该直径的两侧。

进一步的，所述第一部分与第二部分内分别设有硬磁体，且所述硬磁体的磁极设置方向一致。

进一步的，所述第二气隙位于上述直径所在处。

进一步的，所述第二气隙内对称于转子芯轴心设有两个硬磁体，且该两个硬磁体的磁极设置方向一致。

进一步的，所述第二气隙中间设有一个硬磁体。

进一步的，所述第二气隙包括三个部分，均匀分布于转子芯的三个径向方向，且其中两个部分内分别设有第一硬磁体与第二硬磁体。

进一步的，所述第一硬磁体与第二硬磁体的磁极设置方向相反。

进一步的，所述第二气隙位于转子芯某一直径处，且成梭形设计。

进一步的，所述转子芯包括多个转子部，且相邻两转子部之间形成有上述第二气隙。

进一步的，所述定子芯包括多个定子部，且相邻两定子部之间形成有上述第三气隙。

进一步的，所述转子芯与定子芯由软磁材料制成。

综上所述，本发明利用硬磁体与转子芯的组合来替代现有技术中环形磁铁的设计方案，在较宽范围内获得了良好的线性度。与现有技术相比，易于装配，且无需加工难度较大的环形磁铁，降低了成本，简化了工艺。且通过改变气隙与硬磁体的尺寸，可在较宽范围内使磁通量传感元件处的磁通量密度关于旋转角度成线性关系，从而获得了较广的线性范围与较佳的线性度，且增加了转子芯与定子芯构造的灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例一所提供的角度位置传感器的结构示意图；

图2为图1中转子芯1与第一气隙3的截面放大示意图；

图3为本发明实施例一所提供的角度位置传感器的磁场分布图；

图4为本发明实施例二所提供的角度位置传感器的结构示意图；

图5为本发明实施例三所提供的角度位置传感器的结构示意图；

图6为本发明实施例四所提供的角度位置传感器的结构示意图；

图7为本发明实施例五所提供的角度位置传感器的结构示意图；

图8为本发明实施例六所提供的角度位置传感器的结构示意图；

图9为根据本发明一实施例所获得的磁感应强度与旋转角度的关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

实施例一：

请参考图1，其为本发明实施例一所提供的角度位置传感器的结构示意图。如图所示，该角度位置传感器包括转子芯1与围绕该转子芯1同轴而设的定子芯2，且转子芯1与定子芯2之间形成有第一气隙3。其中，转子芯1内具有第二气隙10，以于其内设置硬磁体12，使得该硬磁体12与转子芯1、定子芯2共同构成磁路。同时，定子芯2内形成有第三气隙20，磁通量传感元件4设置于其中，以测量磁通量并将其转换为电信号。

在此种磁路设计的情况下，硬磁体12与转子芯1、定子芯2共同构成磁路，而使得转子芯1外部磁场的分布情况与采用环形磁铁构成磁路的效果相近。进一步研究发现，第一气隙3相对于转子芯1的大小将影响磁场分布情况，即影响角度位置传感器的线性范围与线性度，下面结合图2做详细的说明。

请参考图2，其为图1中转子芯1与第一气隙3的截面放大示意图。如图，该第一气隙3为均匀分布的环状气隙，且将其沿转子芯1任一径向方向的尺寸称为第一气隙的宽度H，其往往决定了第一气隙3的大小(不考虑转子芯1的厚度)；且图中示出转子芯的某一直径D，其往往决定了转子芯1的大小(不考虑转子芯1的厚度)。经研究发现，在第一气隙的宽度H与转子芯直径D之比大于或等于1：5的情况下转子芯1外部磁场的分布情况已能满足需要，即在较宽的范围内获得了良好的线性度。进一步研究发现，随着以上比例的增大，角度位置传感器的线性度更优，但是磁场强度会变弱，故在实际应用中，本领域技术人员可根据需求加以设置，通常这个比例小于1：1。

请参考图3，其示出了以上实施例中角度位置传感器的磁场分布图。从图中可以看出，经过以上设置，通过第三气隙20(即磁通量传感元件4(参见图1)所在处)的磁力线分布均匀(如虚线圆内所示)。则且当转子芯1随被测物体转动时，转子芯1相对于定子芯2转动，硬磁体12也随转子芯1共同转动；从而通过磁通量传感元件4的磁通量随之增加或减少，且在一定旋转角度范围内，该磁通量的改变强度与转子芯1相对于定子芯2的转动角度基本成线性关系。

通常，转子芯1与定子芯2由多块软磁材料构成，以便于在其间形成气隙。例如，在本实施例中，转子芯1由两块软磁材料构成，如此设计较为简单，当然也可以选用三块或更多，只要其外部磁场分布满足要求即可。具体请参考图1。转子芯1由两个转子部11与13构成，其间形成第二气隙10，且在第二气隙10内填充硬磁体12。而定子芯2在本实施例中采用了三块软磁材料，即由三个定子部21、23、25构成，从而于相邻两定子部之间形成第三气隙20，磁通量传感元件4便固定于该第三气隙20中。同样，定子部的个数也不限定于此，其可为两个或多于三个，从而相应的放置两个或更多个磁通量传感元件4，其视需要而定，并不影响本发明的实质。

另外，在以上描述中已经说明：在合理的设置了第一气隙的宽度H相对于转子芯直径D的比例的情况下，磁通量传感元件4所在处的磁力线分布均匀，使得角度位置传感器在较宽的范围内拥有良好的线性度。从而增加了转子芯1与定子芯2构造的灵活性。具体将在以下实施例中加以说明。

实施例二：

请参考图4，其为本发明实施例二所提供的角度位置传感器的结构示意图。如图所示，其转子芯1a由三个转子部11a、13a和15a构成，从而于相邻两个转子部之间形成第二气隙。如图该第二气隙包括第一部分102与第二部分104，其平行于直径Da且位于直径Da的两侧，且第一部分102与第二部分104内设有硬磁体121a与123a，此时，硬磁体121a与123a的磁极设置方向一致(例如，硬磁体121a与123a的N极均垂直于纸面朝内，则S极均垂直于纸面朝外；或者与之相反)，以与转子芯1a、定子芯2a共同构成磁路。另外，定子芯2a由两个定子部21a和23构成，从而于其间形成第三气隙20a，如图，相应的，两个磁通量传感元件4a置放于第三气隙20a中。

实施例三：

请参考图5，其为本发明实施例三所提供的角度位置传感器的结构示意图。如图，其定子芯2b的构成与实施例二相同，在此不再赘述。而其转子芯1b由两个对称的转子部11b与13b构成，即第二气隙10b位于直径Db所在处。另外，第二气隙10b中间位置设有一个硬磁体12b，以与转子芯1b、定子芯2b共同构成磁路。

实施例四：

请参考图6，其为本发明实施例四所提供的角度位置传感器的结构示意图。如图，其与转子芯1c与定子芯2c与实施三的构造基本相同，唯一的区别在于第二气隙10c内硬磁体的设置情况，即第二气隙10c内设置有两个硬磁体12c，其相对于转子芯1c的轴心对称设置，且其磁极设置方向一致，以与转子芯1c、定子芯2c共同构成磁路。

在以上四个实施例中，第二气隙沿转子芯某一个直径方向成直线型设计，如：实施例一与实施例二中的第二气隙平行于转子芯的某一直径；实施例三与四位于转子芯某一直径所在处。经研究发现，硬磁体的尺寸对于角度位置传感器的线性度具有一定的影响，即硬磁体越细长，角度位置传感器的线性度越好。而当第二气隙内填充满硬磁体时，硬磁体的尺寸便可以通过第二气隙的尺寸来设定。将第二气隙沿上述直径方向上的尺寸称为其长度，且将第二气隙沿转子芯径向方向的尺寸称为其宽度。为了方便说明，以实施例一为例，具体请参考图2：第二气隙10平行于转子芯的直径D且位于直径D的一侧，将其沿该直径方向X上的尺寸称为其长度L，将其沿转子芯径向方向Y的尺寸称为其宽度S。经研究发现，第二气隙10的长度L与宽度S之比大于或等于5：1，即在此截面内，硬磁体12的长宽比大于或等于5：1时，角度位置传感器的线性度便可以满足要求。另外，硬磁材料的长宽比例越大，角度位置传感器的线性度越好，但由于实际生产工艺的限制，其比例满足需要即可，例如：12：1。

进一步研究发现，第一气隙3的宽度H与第二气隙10的宽度S之比，对于角度位置传感器的线性度也具有一定的影响，即此宽度比越大，角度位置传感器的线性度越好。但实际应用中，第一气隙3的宽度H已足够小，通常为几毫米(例如4毫米)，故考虑到工艺实施难度，此比例不能无限大。经研究，此比例等于2：1时，即可满足需要，故第一气隙3的宽度H与第二气隙10的宽度S之比大于或等于2：1。

实施例五：

请参考图7，其为本发明实施例五所提供的角度位置传感器的结构示意图。本实施例的定子芯2d构造情况与实施例一相同，在此不再赘述。区别在于转子芯1d的构造情况：其由三个转子部11d、13d和15d构成，其间形成第二气隙。故该第二气隙包括三个部分101、103与105，其均匀分布于转子芯1d的三个径向方向，且其中两个部分103与105内分别设有第一硬磁体121d与第二硬磁体122d，以与转子芯1d、定子芯2d共同构成磁路。另外，第一硬磁体121d与第二硬磁体122d的磁极设置方向相反，以避免磁力线于转子芯1d内部闭合的情况出现。

实施例六：

请参考图8，其为本发明实施例六所提供的角度位置传感器的结构示意图。在本实施例中，第二气隙10e主要在形状上区别于以上实施例，即其为位于转子芯1e某一直径处的梭形气隙。其内充满硬磁体12e，以与转子芯1e、定子芯2e共同构成磁路。此实施例进一步说明了，在合理的设置了第一气隙的宽度H相对于转子芯直径D的比例的情况下，转子芯的设计更具有灵活性，即使对第二气隙的形状略作改动，磁通量传感元件所在处的磁力线分布仍具有较佳的均匀性，使得角度位置传感器在较宽的范围内拥有良好的线性度。

可见，在本发明的实施例中，利用硬磁材料与软磁材料一定形式的组合来代替现有技术中环形磁铁的设计，得到了与环形磁铁近似的外部磁场效果，且其效果可通过改变气隙与硬磁材料的尺寸获得进一步的优化，使得在较宽范围内，磁通量传感元件处的磁通量密度与转子芯相对于定子芯旋转角度成正比，进而获得较佳的线性度。

如图9所示，其为根据本发明一实施例所获得的磁感应强度与旋转角度的关系示意图。如图所示，磁感应强度B关于旋转角度A在60°到300°之间获得了较佳的线性度，且其达到了大于180°的完全线性范围。

以上仅为举例，并非用以限定本发明，本发明的保护范围应当以权利要求书所涵盖的范围为准。

Claims

1.一种角度位置传感器，包括转子芯与围绕该转子芯同轴而设的定子芯，其特征是，其中：

所述转子芯与定子芯之间具有第一气隙；

所述转子芯内具有第二气隙，且该第二气隙内设有硬磁体；

所述定子芯内具有第三气隙，且该第三气隙内设有磁通量传感元件；

所述第一气隙为均匀分布的环状气隙；

所述第一气隙的宽度与转子芯直径大小之比大于或等于1∶5。

2.根据权利要求1所述的角度位置传感器，其特征是，其中所述第二气隙平行于转子芯的直径且位于转子芯直径的一侧。

3.根据权利要求2所述的角度位置传感器，其特征是，其中所述第二气隙的长度与宽度之比大于或等于5∶1。

4.根据权利要求3所述的角度位置传感器，其特征是，其中所述第二气隙内充满硬磁体。

5.根据权利要求2所述的角度位置传感器，其特征是，其中所述第一气隙的宽度与第二气隙宽度之比大于或等于2∶1。

6.根据权利要求2所述的角度位置传感器，其特征是，其中所述第二气隙平行于上述直径且位于直径的一侧。

7.根据权利要求2所述的角度位置传感器，其特征是，其中所述第二气隙包括第一部分与第二部分，其平行于上述直径且位于该直径的两侧。

8.根据权利要求7所述的角度位置传感器，其特征是，其中上述第一部分与第二部分内分别设有硬磁体，且所述硬磁体的磁极设置方向一致。

9.根据权利要求2所述的角度位置传感器，其特征是，其中所述第二气隙位于上述直径所在处。

10.根据权利要求9所述的角度位置传感器，其特征是，其中所述第二气隙内对称于转子芯轴心设有两个硬磁体，且该两个硬磁体的磁极设置方向一致。

11.根据权利要求9所述的角度位置传感器，其特征是，其中所述第一气隙中间设有一个硬磁体。

12.根据权利要求1所述的角度位置传感器，其特征是，其中所述第二气隙包括三个部分，周向均匀分布于转子芯的三个径向方向，且其中两个部分内分别设有第一硬磁体与第二硬磁体。

13.根据权利要求12所述的角度位置传感器，其特征是，其中所述第一硬磁体与第二硬磁体的磁极设置方向相反。

14.根据权利要求1所述的角度位置传感器，其特征是，其中所述第二气隙位于转子芯某一直径处，且成梭形设计。

15.根据权利要求1所述的角度位置传感器，其特征是，其中所述转子芯包括多个转子部，且相邻两转子部之间形成有上述第二气隙。

16.根据权利要求1所述的角度位置传感器，其特征是，其中所述定子芯包括多个定子部，且相邻两定子部之间形成有上述第三气隙。

17.根据权利要求1所述的角度位置传感器，其特征是，其中所述转子芯与定子芯由软磁材料制成。