CN118265914A - 用于检测可移动对象的移动的基于磁体的检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测可移动对象(12；12’)的移动的基于磁体的检测系统(10；10’),包括：激励单元(16；16’)，其具有用于生成激励磁场的至少一个激励磁体(24；24’)，以及传感器单元(18；18’)，其具有功率韦根模块(30；30’)，功率韦根模块(30；30’)被配置为如果被激励磁场激励则生成功率输出信号，传感器韦根模块(28；28’)，传感器韦根模块(28；28’)被配置为如果被激励磁场激励，则生成传感器输出信号，其中，传感器韦根模块(28；28’)的传感器韦根线装置(34；34’)不同于功率韦根模块(30；30’)的功率韦根线装置(40；40’)，和/或传感器韦根模块(28；28’)的传感器韦根线圈(32；32’)不同于功率韦根模块(30；30’)的功率韦根线圈(38；38’)，能量存储装置(44；44’)，其被配置为存储由功率韦根模块(30；30’)的功率输出信号提供的电能，以及评估单元(50；50’)，其被配置为评估传感器韦根模块(28；28’)的传感器输出信号，以便确定至少一个移动参数，其中激励单元(16；16’)或传感器单元(18；18’)被配置为与可移动对象(12；12’)连接，以便与其共同移动，并且另一个被配置为不可移动地布置。通过提供用于为检测系统供电和用于感测对象的移动的单独的韦根模块，每个模块可以针对其目的进行优化。电源模块可以被布置成递送大量的能量，而传感器模块可以被优化为递送具有精确定时的短脉冲。

Description

用于检测可移动对象的移动的基于磁体的检测系统

技术领域

本发明涉及一种用于检测可移动对象的移动的基于磁体的检测系统，包括：激励单元，其具有用于生成激励磁场的至少一个激励磁体，以及传感器单元，其具有传感器韦根(Wiegand)模块，该传感器韦根模块包括传感器韦根线圈和至少部分地布置在传感器韦根线圈内的传感器韦根线装置，其中传感器韦根线装置被配置为如果被激励磁场激励，则在传感器韦根线圈中生成输出信号，以及评估单元，被配置为评估传感器韦根模块的输出信号，以便确定至少一个移动参数，其中激励单元或传感器单元被配置为与可移动对象连接以便与其共同移动，并且另一个被配置为不可移动地布置，使得在传感器韦根模块的位置处生成的激励磁场随着可移动对象的移动而变化。

这样的检测系统可以被称为线性编码器、位移编码器或位移测量/检测系统、旋转编码器、旋转角度测量/检测系统或旋转角度传感器。待检测对象的移动通常可以是任何类型的移动，但通常是线性移动或旋转移动。

背景技术

具有韦根线圈和至少部分地布置在韦根线圈内的韦根线装置的韦根模块在本领域中是公知的。韦根线装置包括至少一根韦根线，即磁性双稳态线，其通常具有硬磁壳体和软磁芯，反之亦然。本发明意义上的韦根线或韦根模块也可以分别称为脉冲线或脉冲线模块。在外部磁场(例如，由激励单元生成的激励磁场)的影响下，至少一根韦根线的磁化方向以及因此整个韦根线装置的磁化方向相对突然地改变，从而在径向围绕韦根线装置的韦根线圈中引起相对短的电压脉冲。这种效应被称为韦根效应，并且是本领域公知的。在韦根线圈中生成的电压脉冲在下文中被称为韦根模块的输出信号。

在本领域中通常已知的是，输出信号的电压脉冲的数量/频率可以用于确定可移动对象的移动距离和/或移动速度。在本领域中还已知的是，输出信号的电压脉冲的电能可以存储在能量存储装置中并用于为评估单元供电，使得检测系统可以完全能量自给自足地操作。

然而，由具有单个韦根线的常规韦根模块的输出信号提供的电能相对较低，这强烈地限制了可以由韦根模块的输出信号提供的电能供电的组件的数量和复杂性。这限制了这种检测系统的应用范围。

在这种背景下，DE 199 25 884C2和WO 2020/160766 A1公开了韦根模块，其设置有具有多于一根韦根线的韦根线装置。由于更大数量的韦根线，与具有单个韦根线的韦根模块的输出信号相比，所公开的韦根模块的输出信号通常提供更多的电能。然而，韦根线通常不同时改变其磁化方向，而是以轻微延迟一个接一个地改变其磁化方向。这使得在韦根线圈中生成的电压脉冲相对较宽或者甚至被分成多个电压脉冲，这使得非常难以或者甚至不可能基于输出信号可靠地确定移动参数。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于检测可移动对象的移动的可靠且通用的基于磁体的检测系统。

该目的通过具有权利要求1的特征的基于磁体的检测系统来实现。

根据本发明的基于磁体的检测系统设置有激励单元和单独的传感器单元，该激励单元包括用于生成激励磁场的至少一个激励磁体，该单独的传感器单元用于检测激励磁场。激励单元或传感器单元被配置为与要检测其移动的可移动对象连接，以便与其共同移动；相应的另一个构造成不可移动地布置。结果，由激励单元在传感器单元的限定位置处生成的激励磁场随着可移动对象的移动而变化，这允许传感器单元基于检测到的激励磁场来确定至少一个移动参数。激励单元和传感器单元特别地以这样的方式设计：如果可移动对象移动，则在传感器单元的限定位置处生成交变激励磁场。

根据本发明的传感器单元设置有两个单独的韦根模块，功率韦根模块和传感器韦根模块。功率韦根模块包括功率韦根线圈和功率韦根线装置，该功率韦根线装置具有至少一个功率韦根线并且至少部分地布置在功率韦根线圈内。功率韦根线装置被配置为如果功率韦根线装置被激励磁场激励，则在功率韦根线圈中生成功率输出信号。传感器韦根模块包括传感器韦根线圈和传感器韦根线装置，该传感器韦根线装置具有至少一个传感器韦根线并且至少部分地布置在传感器韦根线圈内。传感器韦根线装置被配置为如果传感器韦根线装置被激励磁场激励，则在传感器韦根线圈中生成传感器输出信号。

根据本发明的基于磁体的检测系统还设置有用于确定至少一个移动参数的评估单元。根据本发明，评估单元被供应有由功率韦根模块的功率输出信号提供的电能，并且被配置为评估传感器韦根模块的传感器输出信号以确定至少一个移动参数。

根据本发明的基于磁体的检测系统还设置有能量存储装置，该能量存储装置被配置为存储由功率韦根模块的功率输出信号提供的电能。能量存储装置包括至少一个能量存储装置，其可以是简单的电容器或允许存储电能的任何其他设备。存储在能量存储装置中的电能用于为评估单元和/或传感器单元的其他组件供电。

根据本发明，传感器韦根模块和功率韦根模块被不同地设计，传感器韦根模块的输出信号由评估单元评估，功率韦根模块的输出信号的电能从功率韦根模块存储在能量存储装置中，用于为评估单元和/或传感器单元的其他组件供电。特别地，传感器韦根线装置不同于功率韦根线装置和/或传感器韦根线圈不同于功率韦根线圈。传感器韦根线装置和功率韦根线装置可以例如设置有不同数量的韦根线或具有不同线直径的韦根线。传感器韦根线圈和功率韦根线圈可以例如设置有不同数量的绕组或不同的线圈直径。

使用两个单独的韦根模块一方面用于提供电能并且另一方面用于提供用于确定移动参数的传感器输出信号，允许每个韦根模块针对其相应的应用被单独优化。特别地，根据本发明的功率韦根模块可以被优化用于生成提供特别高的电能的功率输出信号，并且根据本发明的传感器韦根模块可以被优化用于生成允许可靠且准确地确定移动参数的传感器输出信号。由功率韦根模块提供的高电能允许例如操作相对复杂的评估单元、附加的传感器元件和/或无线数据接口。

因此，根据本发明的具有两个不同韦根模块的传感器单元允许实现用于检测可移动对象的移动的可靠且通用的基于磁体的检测系统。

优选地，传感器单元设置有多于一个功率韦根模块，每个功率韦根模块包括功率韦根线圈和至少部分地布置在功率韦根线圈内的功率韦根线装置，其中功率韦根线装置被配置为如果被激励磁场激励，则在功率韦根线圈中生成功率输出信号。每个功率韦根模块与传感器韦根模块不同地设计。特别地，对于每个功率韦根模块，功率韦根线装置不同于传感器韦根线装置和/或功率韦根线圈不同于传感器韦根线圈。通常，所有功率韦根模块可以被不同地设计。优选地，所有功率韦根模块基本上相同，这允许更有效地制造功率韦根传感器。能量存储装置被配置为存储由所有功率韦根模块的功率输出信号提供的电能，使得所有功率韦根模块的功率输出信号的总能量可以用于为评估单元和/或传感器单元的其他组件供电。使用多于一个功率韦根模块允许显著增加由传感器单元生成的电能的量，这允许为更多或复杂的组件供电。这允许实现用于检测可移动对象的移动的特别可靠和通用的基于磁体的检测系统。

优选地，功率韦根模块被布置成相对于可移动对象的移动方向彼此移位，例如，在可旋转对象的情况下相对于圆周方向移位，或者在线性可移动对象的情况下相对于线性方向移位。功率韦根模块优选地沿着可移动对象的移动距离等距分布，例如，沿着可旋转对象的圆周等距分布或沿着线性可移动对象的线性移动距离等距分布。这允许在可移动对象的移动期间通过功率韦根模块实现相对有效且相对连续的电能供应。

优选地，对于每个功率韦根模块，功率韦根线装置的总功率韦根线体积(即，相应功率韦根线装置的所有功率韦根线的总体积)大于传感器韦根模块的传感器韦根线装置的总传感器韦根线体积(即，传感器韦根线装置的所有传感器韦根线的总体积)。例如，与传感器韦根线装置的传感器韦根线的数量相比，功率韦根线装置可以设置有更大数量的功率韦根线，和/或与传感器韦根线的直径相比，功率韦根线具有更大的直径。由于功率韦根线装置的相对大的总功率韦根线体积，与传感器韦根线模块相比，功率韦根线模块可以生成更多的电能。另一方面，由于传感器韦根线装置的相对小的总传感器韦根线体积，传感器韦根线模块可以提供具有相对尖锐的电压脉冲的传感器输出信号，该电压脉冲可以由评估单元可靠地评估。这允许实现用于检测可移动对象的移动的特别可靠和通用的基于磁体的检测系统。

优选地，对于每个功率韦根模块，功率韦根线圈的功率韦根线圈电感高于传感器韦根模块的传感器韦根线圈的传感器韦根线圈电感。与传感器韦根线圈相比，功率韦根线圈可以例如设置有更大数量的绕组或更大的线圈直径。由于功率韦根线圈的相对高的功率韦根线圈电感，与传感器韦根线模块相比，功率韦根线模块可以生成更多的电能。另一方面，由于传感器韦根线圈的相对低的韦根线圈电感，传感器韦根线模块可以提供可以由评估单元可靠地评估的传感器输出信号。这允许实现用于检测可移动对象的移动的特别可靠和通用的基于磁体的检测系统。

优选地，评估单元与能量存储设备装置电连接，以便被供应存储在其中的电能。这允许为相对复杂的评估单元供电而不需要外部能量供应，并且因此允许实现用于检测可移动对象的移动的特别可靠和通用的基于磁体的检测系统。

优选地，传感器单元设置有用于无线数据传输的无线数据接口，其中无线数据接口与能量存储装置电连接，以便被供应存储在其中的电能。无线数据接口允许数据(例如，移动参数和/或配置数据)完全无线地发送到传感器单元/从传感器单元完全无线地发送。由于向无线数据接口供应电能，该电能已经由至少一个功率韦根模块的功率输出信号提供并且已经存储在能量存储装置中，因此不需要外部能量供应来操作无线数据接口。因此，可以在不需要任何电缆连接的情况下安装传感器单元。这允许实现用于检测可移动对象的移动的特别通用的基于磁体的检测系统。

优选地，传感器单元设置有用于感测物理特性的附加传感器元件，其中附加传感器元件与能量存储装置电连接，以便被供应存储在其中的电能。附加传感器元件可以例如是温度传感器或压力传感器。附加传感器元件允许检测可移动对象或可移动对象的环境的附加物理特性。检测到的附加物理特性可以例如用于允许评估单元更准确地确定至少一个移动参数。由于附加传感器元件被供应有电能，该电能已经由至少一个功率韦根模块的功率输出信号提供并且已经存储在能量存储装置中，因此不需要外部能量供应来操作附加传感器元件。这允许实现用于检测可移动对象的移动的特别可靠的基于磁体的检测系统。

附图说明

下面参考附图描述本发明的两个实施例。它显示：

图1是根据本发明的用于检测可移动对象的移动的基于磁体的检测系统的第一实施例的示意图，

图2是图1的基于磁体的检测系统的传感器单元的示意图，

图3是图1的基于磁体的检测系统的激励单元的示意图，

图4是图2的传感器单元的功率韦根模块和传感器韦根模块的示意性横截面，以及

图5是根据本发明的用于检测可移动对象的移动的基于磁体的检测系统的第二实施例的示意图。

具体实施方式

图1示出了基于磁体的检测系统10，其被配置为检测可移动对象12沿着移动方向D的移动。这里，可移动对象12是电灯马达14的可旋转轴，并且移动方向D是轴的圆周方向。

基于磁体的检测系统10包括激励单元16和传感器单元18，激励单元16附接到可移动对象12以便与其共同移动，传感器单元18附接到电灯马达14的不可移动壳体部分20。

激励单元16包括盘形支撑元件22，该盘形支撑元件22径向围绕可移动对象12并附接到可移动对象12。激励单元16包括布置在支撑元件22的面向传感器单元18的表面上的四个永磁激励磁体24。四个激励磁体24布置成在支撑元件22的圆周上等距分布，即，相对于可移动对象12的移动方向D彼此等距地移位。四个励磁磁体24被构造成使得相邻的励磁磁体24具有基本上相反的径向磁化，即，分别在其径向内侧和径向外侧具有不同的磁极性(N：磁北极，S：磁南极)。因此，当可移动对象12在移动方向D上移动时，激励磁体24生成相对于传感器单元18的限定位置变化的激励磁场。

传感器单元18包括盘形电路板26，该盘形电路板26径向地围绕可移动对象12并且附接到壳体组件20。传感器单元18包括布置在电路板26的面向激励单元16的表面上的一个传感器韦根模块28和三个功率韦根模块30。四个韦根模块28、30被布置成等距地分布在电路板26的圆周上，即，相对于可移动对象12的移动方向D彼此等距地移位。

传感器韦根模块28包括传感器韦根线圈32和具有单个传感器韦根线36的传感器韦根线装置34。传感器韦根线装置34部分地布置在传感器韦根线圈32内，使得传感器韦根线圈32径向围绕传感器韦根线36的轴向中间部分。因此，传感器韦根线装置34被配置为响应于被激励磁体24生成的激励磁场激励而在传感器韦根线圈32中生成传感器输出信号。

三个功率韦根模块30中的每一个包括功率韦根线圈38和具有四个功率韦根线42的功率韦根线装置40。功率韦根线装置40部分地布置在功率韦根线圈38内，使得功率韦根线圈38径向地围绕四个功率韦根线42中的每一个的轴向中间部分。因此，功率韦根线装置40被配置为响应于被激励磁体24生成的激励磁场激励而在功率韦根线圈38中生成功率输出信号。

功率韦根线42的数量大于传感器韦根线36的数量，使得功率韦根线装置40的总功率韦根线体积大于传感器韦根线装置34的总传感器韦根线体积。此外，功率韦根线圈38的线圈直径大于传感器韦根线圈32的线圈直径，使得功率韦根线圈38的功率韦根线圈电感高于传感器韦根线圈32的传感器韦根线圈电感。

传感器单元18包括能量存储装置44，该能量存储装置44与三个功率韦根模块30中的每一个电连接，并且被配置为存储由三个功率韦根模块30的功率输出信号提供的电能。

传感器单元18包括无线数据接口46，该无线数据接口46与能量存储装置44电连接，以便被供应电能，该电能已经由三个功率韦根模块30的功率输出信号提供并且已经存储在能量存储装置44中。无线数据接口46被配置为允许数据的无线传输，优选地发送和接收。

传感器单元18包括附加传感器元件48，该附加传感器元件48与能量存储装置44电连接，以便被供应电能，该电能已经由三个功率韦根模块30的功率输出信号提供并且已经存储在能量存储装置44中。附加传感器元件48被配置为感测物理特性并提供相应的传感器元件输出信号。附加传感器元件48可以例如是温度传感器，其被配置为感测温度并提供相应的温度信号。

传感器单元18包括评估单元50，该评估单元50与能量存储装置44电连接，以便被供应电能，该电能已经由三个功率韦根模块30的功率输出信号提供并且已经存储在能量存储装置44中。评估单元50与传感器韦根模块28电连接，以便接收由传感器韦根线装置34在传感器韦根线圈32中生成的传感器输出信号。评估单元50与附加传感器元件48电连接，以便接收由附加传感器元件48提供的传感器元件输出信号。评估单元50与无线数据接口46电连接，以便允许向/从评估单元50传输数据。评估单元50包括数据存储装置52。

评估单元50被配置为评估传感器韦根模块28的传感器输出信号和附加传感器元件48的传感器元件输出信号，以便确定物理特性参数(例如，当前温度)和至少一个移动参数(例如，可移动对象12的当前旋转角度和/或表示可移动对象12的总旋转次数的旋转计数值)。评估单元50被配置为将所确定的物理特性参数和所确定的至少一个移动参数存储在数据存储装置52中，并且允许经由无线数据接口46传输所确定的物理特性参数和所确定的至少一个移动参数。评估单元50还能够被配置为存储物理特性参数的历史/进展。

图5示出了根据本发明的替代的基于磁体的检测系统10’。从基于磁体的检测系统10中已知的基于磁体的检测系统10’的特征用图1至图4的相应附图标记表示，但具有附加的撇号字符。

基于磁体的检测系统10’被配置为检测沿着移动方向D’可线性移动的可移动对象12的移动。这里，传感器单元18’附接到可移动对象12’以便与其共同移动，并且激励单元16’被布置成不可移动。

激励单元16’包括纵向激励磁体24’，纵向激励磁体24’在移动方向D’上设置有磁北极N和磁南极S的交替序列。激励磁体24’可以是单个永久磁化体，或者可以包括并排布置的多个永磁体。当可移动对象12’在移动方向D’上移动时，激励磁体24’生成相对于传感器单元18’的限定位置变化的激励磁场。

传感器单元18’的结构和功能与基于磁体的检测系统10的传感器单元18的结构和功能基本相同，主要区别在于传感器单元18’仅包括一个功率韦根模块30’，其在移动方向D’上与传感器韦根模块28’相邻布置。传感器韦根模块28’和功率韦根模块30’本身再次设计成与基于磁体的检测系统10的传感器单元18的传感器韦根模块28和功率韦根模块30基本相同。

参考列表

10；10’基于磁体的检测系统

12；12’可移动对象

14电动马达

16；16’激励单元

18；18’传感器单元

20 壳体部件

22 支撑元件

24 激励磁体

26；26’电路板

28；28’传感器韦根模块

30；30’功率韦根模块

32；32’传感器韦根线圈

34；34’传感器韦根线装置

36；36’传感器韦根线

38；38’功率韦根线圈

40；40’功率韦根线装置

42；42’功率韦根线

44；44’能量存储装置

46 无线数据接口

48 附加传感器元件

50；50’评估单位

52数据存储装置

D；D’移动方向

N磁北极

S磁南极

Claims (8)

1.一种用于检测可移动对象(12；12’)的移动的基于磁体的检测系统(10；10’)，包括：

激励单元(16；16’)，其具有用于生成激励磁场的至少一个激励磁体(24；24’)，以及

传感器单元(18，18’)，其具有：

-功率韦根模块(30；30’)，包括：

·功率韦根线圈(38；38’)，以及

·功率韦根线装置(40；40’)，所述功率韦根线装置至少部分地布置在所述功率韦根线圈(38；38’)内，

其中，所述功率韦根线装置(40；40’)被配置为如果被所述激励磁场激励，则在所述功率韦根线圈(38；38’)中生成功率输出信号，

-传感器韦根模块(28；28’)，其包括：

·传感器韦根线圈(32；32’)，以及

·传感器韦根线装置(34；34’)，所述传感器韦根线装置至少部分地布置在所述传感器韦根线圈(32；32’)内，

其中，所述传感器韦根线装置(34；34’)不同于所述功率韦根线装置(40；40’)和/或所述传感器韦根线圈(32；32’)不同于所述功率韦根线圈(38；38’)，并且

其中，所述传感器韦根线装置(34；34’)被配置为如果被所述激励磁场激励，则在所述传感器韦根线圈(32；32’)中生成传感器输出信号，

-能量存储装置(44；44’)，其被配置为存储由所述功率韦根模块(30；30’)的所述功率输出信号提供的电能，以及

-评估单元(50；50’)，其被配置为评估所述传感器韦根模块(28；28’)的所述传感器输出信号，以便确定至少一个移动参数，

其中，所述激励单元(16、16’)或所述传感器单元(18、18’)中的任一个被配置为与所述可移动对象(12、12’)连接以便与其共同移动，并且另一个被配置为不可移动地布置。

2.根据权利要求1所述的基于磁体的检测系统(10)，其中，所述传感器单元(18)包括多个功率韦根模块(30)，多个功率韦根模块(30)中的每一个包括功率韦根线圈(38)和至少部分地布置在所述功率韦根线圈(38)内的功率韦根线装置(40)，其中，对于每个功率韦根模块(30)，所述功率韦根线装置(40)不同于所述传感器韦根线装置(34)和/或所述功率韦根线圈(38)不同于所述传感器韦根线圈(32)，并且所述功率韦根线装置(40)被配置为如果被所述激励磁场激励，则在所述功率韦根线圈(38)中生成功率输出信号，并且其中，所述能量存储装置(44)被配置为存储由所有功率韦根模块(30)的所述功率输出信号提供的电能。

3.根据权利要求2所述的基于磁体的检测系统(10)，其中，所述功率韦根模块(30)被布置成相对于所述可移动对象(12)的移动方向(D)彼此移位。

4.根据前述权利要求中任一项所述的基于磁体的检测系统(10；10’)，其中，对于每个功率韦根模块(30；30’)，所述功率韦根线装置(40；40’)的总功率韦根线体积大于所述传感器韦根模块(28；28’)的所述传感器韦根线装置(34；34’)的总传感器韦根线体积。

5.根据前述权利要求中任一项所述的基于磁体的检测系统(10；10’)，其中，对于每个功率韦根模块(30；30’)，所述功率韦根线圈(38；38’)的功率韦根线圈电感高于所述传感器韦根模块(28；28’)的所述传感器韦根线圈(32；32’)的传感器韦根线圈电感。

6.根据前述权利要求中任一项所述的基于磁体的检测系统(10；10’)，其中，所述评估单元(50；50’)与所述能量存储装置(44；44’)电连接，以便被供应有存储在其中的电能。

7.根据前述权利要求中任一项所述的基于磁体的检测系统(10；10’)，其中，所述传感器单元(18；18’)还包括用于无线数据传输的无线数据接口(46)，所述无线数据接口(46)与所述能量存储装置(44；44’)电连接，以便被供应有存储在其中的电能。

8.根据前述权利要求中任一项所述的基于磁体的检测系统(10；10’)，其中，所述传感器单元(18；18’)还包括用于感测物理特性的附加传感器元件(48)，所述附加传感器元件(48)与所述能量存储装置(44；44’)电连接，以便被供应有存储在其中的电能。