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用于确定相对位置传感器系统、用于制造磁化体的方法以及使用这种传感器的方法

申请号 CN202280038028.7 申请日 2022-03-24 公开(公告)号 CN117813479A 公开(公告)日 2024-04-02
申请人 伊莱克特里克菲儿汽车公司; 发明人 尼古拉·耶兰切;
摘要 本 发明 涉及一种 传感器 系统,该 传感器系统 包括用于传感器的 永磁体 ,该传感器用于确定相对 角 位置 (Ω(t)),其磁化向量(M(P))在点(P)处在垂直于其 主轴 (A’)的平面上的 正交 投影处具有投影向量,该投影向量相对于该点(P)处的特定径向段(SRP)的相对定向#imgabs0#是点(P)的角位置(θ(P))的连续可变函数,且具有围绕主轴(A’)360°的大于或等于2的偶整数(Np)个角周期(T)的周期函数,其中相对定向#imgabs1#的正变化根据点(P)的角位置(θ(P))的正变化。本发明还涉及一种使用这种传感器系统的方法和一种用于制造磁化体的方法。
权利要求

1.一种传感器系统,用于确定第一部分(14)相对于第二部分(16)围绕旋转轴(A)的相对位置(Ω(t)),所述系统包括:
永磁体,具有管状部分形式的磁化体(10),所述管状部分围绕所述磁化体的主轴(A’)对称,所述永磁体为:
*使得所述磁化体具有永磁化,使得对于所述磁化体在围绕所述主轴的给定圆上的任何点,所述磁化体在该给定圆(Crp)上的每一个点(P)具有由角度(θ(P))限定的角位置,所述角度(θ(P))围绕所述主轴(A’)并相对于所述永磁体的固定参考轴(Xa),通过源自所述主轴(A’)并且穿过该点(P)的特定径向段(SRP)而形成,所述给定圆(Crp)的点(P)处的磁化向量(M(P))在垂直于所述主轴(A’)的平面上的正交投影中呈现投影向量,所述投影向量相对于该点(P)处的特定径向段(SRP)的相对定向( (θ(P)))是根据所述相对定向( (θ(P)))的变化规律的连续可变函数,所述相对定向的变化根据所述磁化体(10)的所述点(P)的所述角位置(θ(P)),
*使得所述磁化向量(M(P))的所述相对定向( (θ(P)))的所述变化规律是周期函数,所述周期函数在所述磁化体(10)围绕所述主轴(A’)的360°上呈现大于或等于2的偶整数(Np)个角周期(T),
*并且使得所述磁化向量(M(P))的所述相对定向( (θ(P)))的所述变化规律意味着根据所述磁化体(10)的所述点(P)的所述角位置(θ(P))的正变化,在垂直于所述主轴(A’)的平面上的正交投影中,在点(P)处所述磁化向量M(P)的所述投影向量相对于所述特定径向段(SRP)的所述相对定向( (θ(P)))的正变化,所述永磁体被设置为使得所述磁化体(10)的所述主轴(A’)与所述旋转轴(A)重合;
‑初级测量元件对,包括第一初级测量元件(12.11),使得能够在第一初级测量点(E11)处,根据垂直于所述旋转轴(A)的初级测量向量(D1)确定所述磁感应的第一初级分量(B11),并且包括第二初级测量元件(12.12),使得能够在第二初级测量点(E12)处,根据相同的初级测量向量(D1)确定所述磁感应的第二初级分量(B12),所述第一初级测量点(E11)和所述第二初级测量点(E12)是在相对于所述旋转轴(A)的相同的初级直径段(SD1)上彼此不同的点,并且位于由所述磁化体(10)界定的所述内部体积(V)内部,并且所述初级测量向量(D1)相对于所述初级直径段(SD1)形成相对初级测量角(μ1);
‑次级测量元件对,包括第一次级测量元件(12.21),使得能够在第一次级测量点(E21)处,根据垂直于所述旋转轴(A)的次级测量向量(D2)确定所述磁感应的第一次级分量(B21),并且包括第二次级测量元件(12.22),使得能够在第二次级测量点(E22)处,根据相同的次级测量向量(D2)确定所述磁感应的第二次级分量(B22),所述第一次级测量点(E21)和所述第二次级测量点(E22)是在相对于所述旋转轴(A)的相同的次级直径段(SD2)上彼此不同的点,并且位于由所述磁化体(10)界定的内部体积(V)内部,并且所述次级测量向量(D2)相对于所述次级直径段(SD2)形成相对次级测量角(μ2);
所述系统被布置为,使得一方面所述相对次级测量角(μ2)与所述相对初级测量角(μ1)之间的角偏差(μ2‑μ1)与另一方面所述角偏差(δ12)乘以根据所述磁化体(10)的所述点(P)在所述次级直径段(SD2)与所述初级直径段(SD1)之间的所述角位置(θ(P))的所述磁化向量M(P)的所述相对定向 (θ(P))的所述变化规律的周期数量(Np)的总和((μ2‑μ1)+Np×δ12)是非零的,并且不同于180度的倍数;
并且所述传感器系统(1)包括电子计算单元(100),所述电子计算单元(100)被编程为基于一方面两个初级分量(B11;B12)之间的差(ΔB1)与另一方面两个次级分量(B21;B22)之间的差(ΔB2)之间的比率(ΔB2/ΔB1;ΔB1/ΔB2)的反正切的计算(β=Arctan{F[ΔB1/ΔB2];β=Arctan{F[ΔB2/ΔB1]},来计算表示所述第一部分(14)相对于所述第二部分(16)的所述相对角位置(Ω(t))的值,在所述比率中,每一个差根据对于所考虑的差的所述相应测量点与所述旋转轴之间的距离而加权。
2.根据权利要求1所述的传感器系统,其特征在于,所述传感器系统被布置为使得,一方面,所述相对次级测量角(μ2)与所述相对初级测量角(μ1)之间的所述偏差((μ2‑μ1))与另一方面,所述角偏差(δ12)乘以根据所述磁化体(10)的所述点(P)在所述次级直径段(SD2)与所述初级直径段(SD1)之间的所述角位置(θ(P))的所述磁化向量(M(P))的所述相对定向( (θ(P)))的所述变化规律的周期(T)数量(Np)的总和((μ2‑μ1)+Np×δ12)等于90度或270度,以360度为模。
3.根据权利要求1或2所述的传感器系统,其特征在于,所述传感器系统(1)被布置为使得所述相对次级测量角(μ2)和所述相对初级测量角(μ1)相等,并且所述次级直径段(SD2)与所述初级直径段(SD1)之间的所述角偏差(δ12)是所述磁化向量(M(P))的所述相对定向((θ(P)))的所述变化规律的角周期(T)的四分之一,以所述磁化向量的所述相对定向((θ(P)))的所述变化规律的半角周期为模。
4.根据权利要求1或2所述的传感器系统,其特征在于,所述传感器系统(1)被布置为使得所述初级直径段(SD1)和所述次级直径段(SD2)重合,并且使得所述初级测量向量(D1)和所述次级测量向量(D2)正交。
5.根据前述权利要求所述的传感器系统,其特征在于,所述第一初级测量点(A11)和所述第一次级测量点(E21)重合。
6.根据权利要求4或5所述的传感器系统,其特征在于,所述第二初级测量点(E12)和所述第二次级测量点(E22)重合。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统,其特征在于,所述第一初级测量点(E11)和所述第二初级测量点(E12)被布置在所述旋转轴(A)的每一侧上的相同距离处。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统,其特征在于,所述第一次级测量点(E21)和所述第二次级测量点(E22)被布置在所述旋转轴(A)的每一侧上的相同距离处。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统,其特征在于,所述第一初级测量点(E11)和所述第二初级测量点(E12)被布置在距所述旋转轴(A)相同的第一距离处,并且所述第一次级测量点(E21)和所述第二次级测量点(E22)被布置在距所述旋转轴(A)相同的第一距离处。
10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统,其特征在于,所述初级测量元件对和/或所述次级测量元件对的两个测量点被布置在垂直于所述旋转轴(A)的相同平面中。
11.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统,其特征在于,所述初级测量元件对和/或所述次级测量元件对的两个测量点被布置在垂直于所述旋转轴(A)的相同平面中,所述平面与所述磁化体(10)的轴向端部等距。
12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统,其特征在于,所述磁化体(10)具有平面磁化,使得在所述磁化体(10)的任何点(P)处,该点处的所述磁化向量(M(P))平行于垂直于所述主轴(A’)的磁化平面。
13.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统,其特征在于,在围绕所述主轴(A’)的给定圆(Crp)上,所述磁化向量M(P)的所述相对定向( (θ(P)))的所述变化规律是在所述磁化向量(M(P))的所述相对定向 (θ(P))的所述变化规律的角周期(T)上的双射规律。
14.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统,其特征在于,在围绕所述主轴(A’)的给定圆(Crp)上,所述磁化向量(M(P))的所述相对定向 (θ(P))的所述变化规律意味着在所述给定圆(Crp)的所述点(P)处磁化向量(M(P))在垂直于所述主轴的平面上的正交投影中的投影向量的所述相对定向( (θ(P)))的360°变化,用于对应于所述磁化向量(M(P))的所述相对定向( (θ(P)))的所述变化规律的角周期(T)的所述磁化体(10)的所述点(P)的所述角位置(θ(P))的变化。
15.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统,其特征在于,在围绕所述主轴(A’)的给定圆(Crp)上,所述磁化向量(M(P))的所述相对定向( (θ(P)))的所述变化规律是根据所述磁化体(10)的所述点(P)的所述角位置(θ(P))的线性变化的规律。
16.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统,其特征在于,所述磁化体(10)是围绕所述主轴(A’)360°的连续体。
17.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统,其特征在于,所述磁化体由围绕所述主轴360°并置的基本磁化体形成。
18.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统,其特征在于,所述磁化体(10)是围绕所述主轴(A’)旋转的管状部分形式的本体。
19.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统,其特征在于,所述磁化体(10)是围绕所述主轴(A’)的圆柱形管状部分形式的本体。
20.一种方法,用于确定第一部分(14)相对于第二部分(16)在围绕旋转轴(A)的角行程上的相对角位置(Ω(t)),其特征在于:
‑所述第一部分配备有永磁体,所述永磁体具有管状部分的形式的磁化体(10),所述管状部分围绕所述磁化体的主轴(A’)对称,所述永磁体为:
*使得所述磁化体具有永磁化,使得对于所述磁化体在围绕所述主轴的给定圆上的任何点,所述磁化体在该给定圆(Crp)上的每一个点(P)具有由角度(θ(P))限定的角位置,所述角度(θ(P))围绕所述主轴(A’)并相对于所述永磁体的固定参考轴(Xa),通过源自所述主轴(A’)并且穿过该点(P)的特定径向段(SRP)而形成,所述给定圆(Crp)的点(P)处的磁化向量(M(P))在垂直于所述主轴(A’)的平面上的正交投影中呈现投影向量,所述投影向量相对于该点(P)处的特定径向段(SRP)的相对定向( (θ(P)))是根据所述相对定向( (θ(P)))的变化规律的连续可变函数,所述相对定向的变化根据所述磁化体(10)的所述点(P)的所述角位置(θ(P)),
*使得所述磁化向量(M(P))的所述相对定向( (θ(P)))的所述变化规律是周期函数,所述周期函数在所述磁化体(10)围绕所述主轴(A’)的360°上呈现大于或等于2的偶整数(Np)个角周期(T),
*并且使得所述磁化向量(M(P))的所述相对定向( (θ(P)))的所述变化规律意味着根据所述磁化体(10)的所述点(P)的所述角位置(θ(P))的正变化,在垂直于所述主轴(A’)的平面上的正交投影中,在点(P)处所述磁化向量M(P)的所述投影向量相对于所述特定径向段(SRP)的所述相对定向( (θ(P)))的正变化;
‑在第一初级测量点(E11)处,根据垂直于所述旋转轴(A)的初级测量向量(D1)确定所述磁感应的第一初级分量(B11),并且在第二初级测量点(E12)处,根据相同的初级测量向量(D1)确定所述磁感应的第二初级分量(B12),所述第一初级测量点(E11)和所述第二初级测量点(E12)是在相对于所述旋转轴(A)的相同的初级直径段(SD1)上彼此不同的点,并且位于由所述磁化体(10)界定的所述内部体积(V)内部,并且所述初级测量向量(D1)相对于所述初级直径段(SD1)形成相对初级测量角(μ1);
‑在第一次级测量点(E21)处,根据垂直于所述旋转轴(A)的次级测量向量(D2)确定所述磁感应的第一次级分量(B21),并且在第二次级测量点(E22)处,根据相同的次级测量向量(D2)确定所述磁感应的第二次级分量(B22),所述第一次级测量点(E21)和所述第二次级测量点(E22)是在相对于所述旋转轴(A)的相同的次级直径段(SD2)上彼此不同的点,并且位于由所述磁化体(10)界定的内部体积(V)内部,并且所述次级测量向量(D2)相对于所述次级直径段(SD2)形成相对次级测量角(μ2);其特征在于,一方面所述相对次级测量角(μ2)与所述相对初级测量角(μ1)之间的所述角偏差(μ2‑μ1)与另一方面所述角偏差(δ12)乘以根据所述磁化体(10)的所述点(P)在所述次级直径段(SD2)与所述初级直径段(SD1)之间的所述角位置(θ(P))的所述磁化向量(M(P))的所述相对定向 (θ(P))的所述变化规律的周期数量(Np)的总和((μ2‑μ1)+Np×δ12)是非零的,并且不同于180度的倍数,并且基于包括一方面两个初级分量(B11,B12)之间的差(ΔB1)和另一方面两个次级分量(B21;B22)之间的差(ΔB2)的计算,来计算表示所述第一部分(14)相对于所述第二部分(16)的所述相对角位置(Ω(t))的值。
21.根据权利要求20所述的确定方法,其特征在于,所述方法包括一方面两个初级分量(B11;B12)之间的差(ΔB1)与另一方面两个次级分量(B21;B22)之间的差(ΔB2)之间的比率(ΔB2/ΔB1;ΔB1/ΔB2)的反正切的计算(β=Arctan{F[ΔB1/ΔB2];β=Arctan{F[ΔB2/ΔB1]},在所述比率中,每一个差根据对于对于所考虑的差的所述相应测量点与所述旋转轴之间的距离而加权。
22.根据权利要求20或21中任一项所述的确定方法,其特征在于,所述方法利用根据权利要求1至19中任一项所述的传感器系统来实施。
23.一种用于制造磁化体的方法,所述磁化体用于确定第一部分(14)相对于第二部分(16)围绕旋转轴(A)的相对角位置(Ω(t))的系统,所述方法包括提供可磁化材料的本体(10),所述可磁化材料的本体(10)具有围绕所述可磁化材料的本体的主轴(A’)对称的管状部分的形式,所述可磁化材料的本体(10)因此具有内表面(6)和沿所述主轴(A’)方向的长度,其特征在于,所述方法包括:
‑在由所述可磁化材料的本体(10)界定的内部体积(V)中,在所述可磁化材料的本体的所述内表面(6)附近径向地并且在所述可磁化材料的本体的长度上面对所述可磁化材料的本体,设置平行电导体(22)的图案(20),所述平行电导体(22)的图案(20)包括多个平行电导体(22)的束(24),平行电导体(22)的束(24)的数量是4的非零倍数,每一个电导体(22)具有平行于所述主轴(A’)的定向并且沿所述主轴(A’)的方向在至少等于所述可磁化材料的本体(10)的长度上延伸,并且每一个束(24)被包括在围绕所述主轴(A’)的不同的角扇形中,每一个束(24)的所述角扇形的测量值等于360度的角度除以所述束(24)的数量,所述束(24)围绕所述主轴(A)彼此成角度地偏移;
‑平行电导体(22)的所述束(24)中的电流的流动,在相对于所述可磁化材料的本体(10)的固定参考系中定义的电流的流动方向在相同束(24)的所有平行电导体(22)中是相同的,并且在两个成角度相邻的束(24)中是相反的,从而形成一个或多个输出束,其中所述电流沿第一方向流动,以及一个或多个输入束,其中所述电流沿与所述第一方向相反的第二方向流动,在所述束(24)中流动的电流能够在所述图案(20)周围和所述可磁化材料的本体(10)中生成适于磁化所述可磁化材料的本体(10)的磁化磁场
24.根据权利要求23所述的确定方法,其特征在于,通过在两个成角度连续的束(24)之间旋转等于360度的角度除以所述束(24)的数量的角度,每一个束中的所述平行电导体(22)的设置是相同的。
25.根据权利要求23或24中任一项所述的确定方法,其特征在于,在给定束(24)中,所述束(24)的所述平行电导体(22)围绕所述主轴(A’)成角度地均匀分布。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的确定方法,其特征在于,在给定束(24)中,所述束(24)的所述平行电导体(22)分布在以所述主轴(A’)为中心的圆的弧上或以所述主轴(A’)为中心的圆的若干同心弧上。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的确定方法,其特征在于,在给定束(24)中,所述束(24)的每一个平行电导体(22)具有沿着所述旋转轴的长度,所述长度等于所述可磁化材料的本体(10)的长度的至少4倍。
28.根据权利要求23至27中任一项所述的确定方法,其特征在于,所述束(24)的所述平行电导体(22)由导线的至少一个绕组的多个部分形成,沿着这些部分,输出束的至少一个导体、输入束的连接部分和导体、输出束的另一个连接部分和另一个导体重复地彼此跟随。
29.根据权利要求23至28中任一项所述的确定方法,其特征在于,所述可磁化材料的本体(10)是围绕所述主轴(A’)旋转的管状部分形式的本体。
30.根据权利要求23至29中任一项所述的确定方法,其特征在于,所述可磁化材料的本体(10)是围绕所述主轴(A’)的圆柱形管状部分形式的本体。

说明书全文

用于确定相对位置传感器系统、用于制造磁化体的方法

以及使用这种传感器的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及用于确定第一部分相对于第二部分围绕旋转轴的相对角位置的传感器。本发明还涉及用于确定相对角位置的方法,该方法实现了这种传感器。本发明还涉及用于制造磁化体的方法,该磁化体用于确定这种相对角位置的系统。
[0002] 磁传感器系统的技术优点是公知的。它们能够以相对低的成本生产,它们不经受显著的机械磨损,并且它们对湿气和非磁性污垢(灰尘、油等)不敏感。由于这些优点,磁传感器系统通常用于汽车应用中。
[0003] 磁性角位置传感器系统,包括至少一个永磁体磁场测量元件,该传感器系统被设置为测量(一个或多个)测量元件相对于磁化体围绕旋转轴的相对角位置。
[0004] 在实际应用中,待监测的机构包括能够相对于彼此旋转移动的第一部分和第二部分。磁化体被固定到第一部分,或者被集成到该第一部分中,而测量元件被固定到机构的第二部分,并且传感器系统能够实现确定所述机构的两个部件的相对角位置。
[0005] 在一些情况下,期望能够测量这两个部分之间的最大角行程上的相对角位置,其可以是45°、90°或者甚至180°。
[0006] 通常,在汽车领域的应用中,这样的传感器系统用于确定机动车辆的构件的致动器的相对角位置,例如自动或机器人化变速箱中的致动器。
[0007] 本发明旨在解决与传感器系统的实际实施相关的问题,该传感器系统通常旨在被集成到具有有限可用体积的受限空间中。更具体地,本发明旨在解决与传感器系统附近存在磁部件或其它磁场干扰源相关的问题,这些问题可能降低确定角位置的精度

背景技术

[0008] 文献WO‑2014/029885描述了一种传感器系统,所述传感器系统具有永磁体,所述永磁体具有呈现至少两对磁极(北‑南)的轴向磁化,其中用于测量磁场的元件位于垂直于旋转轴的平面中,轴向地面对磁体。磁体的角位置从间隔180°磁性位置的磁场差获得,因此可以克服外部磁场。这种解决方案的缺点是,特别是由于磁场沿着轴向尺寸的减小,机械部件的安装公差和动态间隙缺乏鲁棒性。
[0009] 文献US‑2017/0254671描述了一种使用哈尔巴赫磁化(Halbach magnetization)的传感器系统,其使得能够在具有永磁体的传感器周围具有屏蔽,该永磁体在可移动部件内部创建磁场。这种解决方案的缺点是与屏蔽相关联的成本以及它的重量和体积。
[0010] 因此,本发明旨在提出一种磁化体和使用这种磁化体的传感器系统的新设计,其使得能够获得相对角位置的精确且可靠的确定。这种确定必须能够对外部磁场的存在非常不敏感。该确定必须相对于磁化体和传感器系统的测量元件沿传感器系统的旋转轴的轴向方向的相对位置的可能不精确性呈现良好的鲁棒性。传感器系统必须具有小的空间要求。磁化体和传感器系统必须能够在可接受的经济条件下大批量生产,以用于诸如机动车辆领域中设想的那些应用。

发明内容

[0011] 本发明涉及一种传感器系统,用于确定第一部分相对于第二部分围绕旋转轴的相对角位置,该系统包括:‑永磁体,具有管状部分形式的磁化体,其中所述管状部分围绕磁化体的主轴对称,永磁体为:
*使得磁化体具有永磁化,使得对于磁化体在围绕主轴的给定圆上的任何点,磁化体在该给定圆上的每一个点具有由一角度限定的角位置,所述角度围绕主轴并相对于永磁体的固定参考轴线,通过源自主轴并且穿过该点的特定径向段而形成,给定圆的一点处的磁化向量在垂直于主轴的平面上的正交投影中呈现投影向量,该投影向量相对于该点处的特定径向段的相对定向是根据相对定向的变化规律的连续可变函数,该相对定向的变化根据磁化体的点的角位置,
*使得磁化向量的相对定向的变化规律是周期函数,所述周期函数在磁化体围绕主轴的360°上呈现大于或等于2的偶整数个角周期,
*并且使得磁化向量的相对定向的变化规律意味着根据磁化体的点的角位置的正变化,在垂直于主轴的平面上的正交投影中,在一点处磁化向量的投影向量相对于特定径向段的相对定向的正变化,永磁体被设置为使得磁化体的主轴与旋转轴重合;
‑初级测量元件对,包括第一初级测量元件,使得能够在第一初级测量点处,根据垂直于旋转轴的初级测量向量确定磁感应的第一初级分量,并且包括第二初级测量元件,使得能够在第二初级测量点处,根据相同的初级测量向量确定磁感应的第二初级分量,第一初级测量点和第二初级测量点是在相对于旋转轴的相同的初级直径段上彼此不同的点,并且位于由磁化体界定的内部体积内部,并且初级测量向量相对于初级直径段形成相对初级测量角;
‑次级测量元件对,包括第一次级测量元件,使得能够在第一次级测量点处,根据垂直于旋转轴的次级测量向量确定磁感应的第一次级分量,并且包括第二次级测量元件,使得能够在第二次级测量点处,根据相同的次级测量向量确定磁感应的第二次级分量,第一次级测量点和第二次级测量点是在相对于旋转轴的相同的次级直径段上彼此不同的点,并且位于由磁化体界定的内部体积内部,并且次级测量向量相对于次级直径段形成相对次级测量角;
‑该系统被布置为,使得一方面相对次级测量角与相对初级测量角之间的角偏差与另一方面角偏差乘以根据磁化体的点在次级直径段与初级直径段之间的角位置的磁化向量的相对定向的变化规律的周期数量的总和是非零的,并且不同于180度的倍数,传感器系统包括电子计算单元,该电子计算单元被编程为基于一方面这两个初级分量之间的差与另一方面这两个次级分量之间的差之间的比率的反正切的计算,来计算表示第一部分相对于第二部分的相对角位置的值,在所述比率中,每一个差根据对于所考虑的差的相应测量点与旋转轴之间的距离而加权。
[0012] 根据本发明的传感器系统还可以包括单独或组合的一个或多个以下可选特性。
[0013] 在一些情况下,传感器系统被布置为,使得一方面相对次级测量角与相对初级测量角之间的偏差与另一方面角偏差乘以根据磁化体的点在次级直径段与初级直径段之间的变化规律的周期数量的总和等于90度或等于270度,以360度为模。
[0014] 在一些情况下,传感器系统被布置为使得相对次级测量角和相对初级测量角相等,并且次级直径段与初级直径段之间的角偏差是磁化向量的相对定向的变化规律的角周期的四分之一,以磁化向量的相对定向的变化规律的半角周期为模。在其它情况下,传感器系统被布置为使得初级直径段和次级直径段重合,并且使得初级测量向量和次级测量向量正交。在这种其它情况的一些变型中,第一初级测量点和第一次级测量点重合。在这种其它情况的一些变型中,第二初级测量点和第二次级测量点重合。
[0015] 在一些情况下,第一初级测量点和第二初级测量点被布置在旋转轴的每一侧上的相同距离处。
[0016] 在一些情况下,第一次级测量点和第二次级测量点被布置在旋转轴的每一侧上的相同距离处。
[0017] 在一些情况下,第一初级测量点和第二初级测量点被布置在距旋转轴相同的第一距离处,并且第一次级测量点和第二次级测量点被布置在距旋转轴相同的第一距离处。
[0018] 在一些情况下,初级测量元件对和/或次级测量元件对的两个测量点被布置在垂直于旋转轴的相同平面中。
[0019] 在一些情况下,初级测量元件对和/或次级测量元件对的两个测量点被布置在垂直于旋转轴的相同平面中,该平面与磁化体的轴向端部等距。
[0020] 在一些情况下,磁化体具有平面磁化,使得在磁化体的任何点处,该点处的磁化向量平行于垂直于主轴的磁化平面。
[0021] 在一些情况下,在围绕主轴的给定圆上,磁化向量的相对定向的变化规律是在磁化向量的相对定向的变化规律的角周期上的双射规律。
[0022] 在一些情况下,在围绕主轴的给定圆上,磁化向量的相对定向的变化规律意味着在给定圆的点处磁化向量在垂直于主轴的平面上的正交投影中的投影向量的相对定向的360°变化,用于对应于磁化向量的相对定向的变化规律的角周期的磁化体的点的角位置的变化。
[0023] 在一些情况下,在围绕主轴的给定圆上,磁化向量的相对定向的变化规律是根据磁化体的点的角位置的线性变化的规律。
[0024] 在一些情况下,磁化体是围绕主轴360°的连续体。在其它情况下,磁化体由围绕主轴360°并置的基本磁化体形成。
[0025] 在一些情况下,磁化体是围绕主轴旋转的管状部分形式的本体。
[0026] 在一些情况下,磁化体是围绕主轴的圆柱形管状部分形式的本体。
[0027] 本发明还涉及一种方法,用于确定第一部分相对于第二部分在围绕旋转轴的角行程上的相对角位置,其特征在于:‑第一部分配备有具有上面列出特性中任何一个特性的永磁体;
‑在第一初级测量点处,根据垂直于旋转轴的初级测量向量确定磁感应的第一初级分量,并且在第二初级测量点处,根据相同的初级测量向量确定磁感应的第二初级分量,第一初级测量点和第二初级测量点是在相对于旋转轴的相同初级直径段上彼此不同的点,并且位于由磁化体界定的内部体积内部,并且初级测量向量相对于初级直径段形成相对初级测量角;
‑在第一次级测量点处,根据垂直于旋转轴的次级测量向量确定磁感应的第一次级分量,并且在第二次级测量点处,根据相同的次级测量向量确定磁感应的第二次级分量,第一次级测量点和第二次级测量点是在相对于旋转轴的相同的次级直径段上彼此不同的点,并且位于由磁化体界定的内部体积内部,并且次级测量向量相对于次级直径段形成相对次级测量角;
‑一方面相对次级测量角与相对初级测量角之间的角偏差与另一方面的角偏差乘以根据磁化体的点在次级直径段与初级直径段之间的角位置的磁化向量的相对定向的变化规律的周期数量的总和是非零的,并且不同于180度的倍数,并且基于包括一方面这两个初级分量之间的差和另一方面这两个次级分量之间的差的计算,来计算表示第一部分相对于第二部分的相对角位置的值。
[0028] 在一些情况下,这种方法包括一方面这两个初级分量之间的差与另一方面这两个次级分量之间的差之间的比率的反正切的计算,在所述比率中,每一个差根据对于所考虑的差的相应测量点与旋转轴之间的距离而加权。
[0029] 在一些情况下,这种方法是利用如上所述的传感器系统来实现的。
[0030] 本发明还涉及一种制造磁化体的方法,所述磁化体用于确定第一部分相对于第二部分围绕旋转轴的相对角位置的系统,该方法包括提供可磁化材料的本体,可磁化材料的本体具有围绕可磁化材料的本体的主轴对称的管状部分的形式,可磁化材料的本体因此具有内表面和沿主轴方向的长度,其特征在于,该方法包括:‑在由可磁化材料的本体界定的内部体积中,在可磁化材料的本体的内表面附近径向地并且在可磁化材料的本体的长度上面对可磁化材料的本体,设置平行电导体的图案,该平行电导体的图案包括多个平行电导体的束,平行电导体的束的数量是4的非零倍数,每一个电导体具有平行于主轴的定向并且沿主轴的方向在至少等于可磁化材料的本体的长度上延伸,并且每一个束被包括在围绕主轴的不同的角扇形中,每一个束的角扇形的测量值等于360度的角度除以束的数量,束24围绕主轴彼此成角度地偏移;
‑平行电导体的束中的电流的流动,在相对于可磁化材料的本体的固定参考系中定义的电流的流动方向在相同束的所有平行电导体中是相同的,并且在两个成角度相邻的束中是相反的,从而形成一个或多个输出束,其中电流沿第一方向流动,以及一个或多个输入束,其中电流沿与第一方向相反的第二方向流动,在束中流动的电流能够在图案周围和可磁化材料的本体中生成适于磁化可磁化材料的本体的磁化磁场。
[0031] 根据本发明的方法还可以包括单独或组合的一个或多个以下可选特性。
[0032] 在一些情况下,通过在两个成角度连续的束之间旋转等于360度的角度除以束的数量的角度,每一个束中的平行电导体的设置是相同的。
[0033] 在一些情况下,在给定束中,束的平行电导体围绕主轴成角度地均匀分布。
[0034] 在一些情况下,在给定束中,束的平行电导体分布在以主轴为中心的圆的弧上或以主轴为中心的圆的若干同心弧上。
[0035] 在一些情况下,在给定束中,束的每一个平行电导体具有沿着旋转轴的长度,该长度等于可磁化材料的本体的长度的至少4倍。
[0036] 在一些情况下,束的平行电导体由导线的至少一个绕组的多个部分形成,沿着这些部分,输出束的至少一个导体、输入束的连接部分和导体、输出束的另一个连接部分和另一个导体重复地彼此跟随。
[0037] 在一些情况下,可磁化材料的本体是围绕主轴旋转的管状部分形式的本体。
[0038] 在一些情况下,可磁化材料的本体是围绕主轴的圆柱形管状部分形式的本体。附图说明
[0039] [图1]图1是示出根据本发明的永磁体的几何形状的一个可能实施例的透视图。
[0040] [图2]图2示意性示出了根据本发明的传感器系统的第一实施例,其包括如图3至图5所示的永磁体,具有磁化向量的相对定向的变化规律,该变化规律在磁化体的360°具有2个角周期。
[0041] [图3]图3以俯视图示意性示出了图2的传感器系统中使用的永磁体的一个实施例,其中示出了在围绕磁化体主轴的给定半径的圆上以360°分布的磁化体的不同点中的磁化向量,用于磁化向量的相对定向的变化规律,该变化规律具有在围绕主轴的磁化体的360°的两个角周期。
[0042] [图4]图4示意性示出了用于制造图3的永磁体的方法的一个实施例。
[0043] [图5]图5示意性示出了由磁化体外部的图3的永磁体、特别是在由磁化体界定的内部体积中创建的磁感应场Bm。
[0044] [图6]图6是类似于图4的视图,用于生产永磁体,其中磁化向量的相对定向的变化规律在磁化体的360°上具有四个角周期。
[0045] [图7]图7是与图5类似的视图,示意性示出了由根据图6制造的磁化体在磁化体外部创建的磁感应场Bm。
[0046] [图8]图8示意性示出了根据本发明的传感器系统的另一实施例。
[0047] [图9]图9示意性示出了根据本发明的传感器系统的另一实施例。
[0048] [图10]图10示意性示出了根据本发明的传感器系统的另一实施例。
[0049] [图11]图11示意性示出了根据本发明的传感器系统的另一实施例。
[0050] [图12]图12示意性示出了根据本发明的传感器系统的另一实施例。

具体实施方式

[0051] 附图示出了永磁体的不同实施例和磁位置传感器系统1的不同实施例,其允许确定第一部分14相对于第二部分16围绕旋转轴A的相对角位置Ω(t)。
[0052] 在所有情况下,传感器系统1被设计成确定能够沿着围绕旋转轴A旋转运动相对于彼此移动的两个部分14、16的相对角位置Ω(t)。在所示示例中,象征性地示出这两个部分14、16。优选地,没有其它相对位移的轴。可以认为,这两个部分14、16相对于旋转轴A沿径向方向没有相对运动。因此,传感器系统1可以例如用于检测旋转致动器的输出轴的角位置。
[0053] 传感器系统1包括永磁体以及磁感应的测量元件12.11、12.12、12.21、12.22,所述永磁体具有带永磁化的磁化体10。在一些实施例中,若干测量元件将在一起被分组到一个或多个测量单元中。在实际应用中,磁化体10用于固定到机构的第一部分14,例如用于机动车辆的传动构件的致动器的旋转输出轴,其能够相对于机构的第二部分16(例如车辆结构的固定部分或传感器系统1的支撑部分)移动。
[0054] 通常,磁化体10被布置在形成第一部分14的旋转轴上,在该配置中,磁化体被布置在轴的一端处,即在其一个纵向端处。
[0055] 传感器系统1被设置为确定磁化体10相对于测量元件12.11、12.12、12.21、12.22围绕旋转轴A的相对角位置Ω(t),测量元件12.11、12.12、12.21、12.22具有相对于彼此的固定位置和相对于第二部分16的固定位置。因此,可以在正交参考系(O,Xo,Yo,Zo)中描述在所考虑示例中是简单旋转的磁化体10与测量元件12.11、12.12、12.21、12.22之间的相对运动,基本向量Xo和Yo包含在垂直于旋转轴A的平面中,原点0是旋转轴A上的点,基本向量Xo和Yo的方向是任意的但是彼此正交,并且相对于第二部分16固定,例如如图2所示。其结果是,基本向量Zo平行于旋转轴A。因此,该参考系(O,Xo,Yo,Zo)相对于第二部分16和相对于测量元件12.11、12.12、12.21、12.22是固定的,并且在下文中将被称为测量参考系。在这种测量参考系中,第一部分14是可移动的,而第二部分16是固定的,但是这是任意的,只要只考虑这两个部分14、16之间的相对运动即可。
[0056] 磁化体10具有管状部分形式的几何形状,该管状部分围绕磁化体10的主轴A’对称。因此,它具有在内表面6与外表面8之间形成的体积的形式,内表面和外表面中的每一个围绕主轴A’对称。内表面6由外表面8围绕。因此,磁化体10的主轴A’是磁化体10的对称轴。在传感器系统的框架内,并且因此在该方法的框架内,磁化体10优选地被布置为使得其主轴A’与第一部分14与第二部分16之间的相对运动的旋转轴A重合。然而,这两个轴线之间的径向偏移是可能的,无论是有意的还是由于安装不精确性,例如由于机构的组成部分或其组件的几何公差所引起的安装不精确性。在下文中,可以认为,在传感器系统1中,主轴A’与旋转轴A重合。
[0057] 在所示的各种示例中,磁化体10具有相对于主轴A’对称的围绕主轴A’的圆柱形管状部分形式的几何形状,也就是说,形成在两个内圆柱形表面6与外圆柱形表面8之间的体积,每一个表面由平行于主轴A’的直母线生成,遵循围绕主轴A’延伸360°的闭合曲线。更具体地说,在所示示例中的情况下,磁化体10可以具有围绕主轴A’旋转的圆柱形管状部分形式的几何形状。在这种情况下,在垂直于主轴A’的平面的截面中,磁化体10的两个内圆柱形表面6和外圆柱形表面8具有圆形形状。作为这种旋转形状的替代方案,磁化体10可以在垂直于主轴A’的平面的截面中具有围绕主轴A’对称的多边形几何形状,优选地具有大于或等于6个的边数,优选地具有大于或等于8个的边数,并且优选地在它们之间具有相等尺寸的边。
[0058] 磁化体10以围绕磁化体的主轴A’对称的管状部分的形式界定内部体积V,如将看到的,该内部体积的尺寸必须被设计为容纳磁感应测量元件。因此,沿相对于主轴A’的径向方向,该内部体积V将优选地完全包括围绕主轴A’旋转的圆柱形内接体积,该内接体积具有例如在5至10毫米的范围内的最小半径。在磁化体10具有围绕主轴A’旋转的圆柱形管状部分形式的几何形状的情况下,磁化体10的内圆柱形表面6因此具有范围从5至10毫米的半径“ri”。当然,可以设计具有更大径向尺寸的内部体积V的磁化体10,但是这将损害传感器系统的紧凑性。然而,根据形成测量元件的部件的尺寸以及根据定位公差,可能需要更大的尺寸以避免机械干扰。
[0059] 当然,磁化体10沿相对于主轴A’的径向方向具有某一厚度。优选地,对于通过垂直于主轴A’的平面的磁化体10的任何截面,磁化体10的径向厚度在围绕主轴A’的360°是恒定的。在一些应用中,该厚度的范围可以在2至10毫米,优选地范围在2至6毫米。然而,更大的厚度可以使得能够利用效率较低的磁性材料来生产磁化体,因此较便宜,以获得期望的磁感应值。
[0060] 因此,总体上,磁化体10可以内接于围绕主轴A’旋转的外圆柱形壳体中,该外圆柱形壳体具有小于25毫米的外半径“re”,或者甚至在一些应用中小于15毫米,这使得能够沿径向方向具有特别紧凑的传感器系统1。因此,磁化体10可以内接于围绕主轴A’旋转的外圆柱形壳体中,该外圆柱形壳体具有范围可以在8毫米至20毫米的外半径“re”。对于其它应用,可以实现更大的外半径。在磁化体10具有围绕主轴A’旋转的圆柱形管状截面形式的几何形状的情况下,磁化体10的外圆柱表面8可以因此具有小于25毫米的半径“re”,或者甚至在一些应用中小于15毫米,例如范围在8至20毫米。
[0061] 磁化体10由两个相对的端面5、7轴向地界定。优选地,磁化体10的这两个相对的上端面5和下端面7是平面表面,它们分别包含在垂直于主轴A’的平面中,因此,在传感器系统1中,垂直于旋转轴A。磁化体10在其两个相对端面5、7之间的轴向尺寸的范围例如从4毫米至20毫米。
[0062] 磁化体10可以是围绕旋转轴360°的连续体,也就是说,由单件形成。然而,作为一种替代方案,可以提供由基本磁化体形成的磁化体,这些基本磁化体围绕磁化体的主轴A’并置360°,基本磁化体是不同的磁体。随后,基本磁化体可以被组装以形成环形体,例如通过彼此结合和/或通过组装在支撑部分上。
[0063] 如图3中第一示例性实施例所示,磁化体10具有永磁化。考虑磁化体10的任何点P。磁化体10的任何点P都可以被认为是位于围绕主轴A’的给定圆Crp上。无论给定圆Crp如何,磁化体10在该给定圆Crp上的每一个点P具有由角度θ(P)所限定的角位置,所述角度θ(P)围绕主轴A’形成在永磁体的固定参考轴Xa和源自主轴并穿过该点P的特定径向段SRp之间。参考轴Xa垂直于主轴A’,因此与主轴A’相切。参考轴Xa可以是正交参考系(O’、Xa、Ya、Za)的基本轴中的一个,该正交参考系在下文中被称为永磁体的参考系,基本向量Xa和Ya被包含在垂直于主轴A’的平面中,原点O’是主轴A’上的点,该点例如位于磁化体10沿主轴A’的方向的中间长度处。作为传感器系统的一部分,永磁体的参考系的原点O’可以与测量参考系的原点O重合。基本向量Xa和Ya的方向彼此正交,并且相对于磁化体10固定。其结果是,基本向量Za平行于主轴A’。径向基本向量Xa的定向相对于磁化体10可以是任意的。在永磁体的该参考系中,第一部分14是固定的,并且第二部分16是可移动的,但是这是任意的,只要仅考虑这两个部分14、16之间的相对运动即可。
[0064] 作为这两个部分14、16的相对角位置Ω(t)的定义,在给定时刻,可以任意选择形成在永磁体的固定参考轴Xa和相对于第二部分16固定的正交参考系(O、Xo、Yo、Zo)的基本向量Xo之间的角度。因此,该角度Ω(t)在垂直于旋转轴A和主轴A’的平面中。
[0065] 在本文中,将区分方向和向量这两个概念。向量具有方向,根据该方向确定的方向和量值。相反,给定方向可以沿两个相反方向行进。
[0066] 注意,特定段SRp对于磁化体10的所有点是公共的,这些点具有围绕主轴A’的相同角位置。在该给定圆Crp上的磁化体10的每一个点P位于距主轴A’的距离rp处,该距离rp对于给定圆Crp上的所有点都是相同的,因此值rp是该给定圆Crp的半径。因此,点P可以由其极坐标P(rp,θ(P))来定义。对于给定圆Crp上的磁化体10的任何点P,给定圆Crp的这种点P处的磁化向量M(P)在垂直于主轴A’的平面上的正交投影中呈现投影向量,该投影向量相对于该点P处的特定径向段SRp的相对定向 是根据变化规律 连续可变的函数,该变化规律在下文中称为磁化向量的相对定向的变化规律,并且该函数是磁化体10的点P的角位置θ(P)的函数。如稍后将看到的,磁化向量的相对定向的变化规律也可以是从点P到主轴A’的距离rp的函数,距离rp对于给定圆Crp上的所有点都是相同的。在这种情况下,可以通过规定磁化向量的相对定向 的变化规律是角位置θ(P)的函数来概括,因此能够以的形式表达。因此,在围绕主轴A’的半径为rp的给定圆Crp上,磁化向量的相对定向 的变化规律可以表达为 的形式。
[0067] 相对定向 对应于一方面磁化向量M(P)在垂直于主轴A’的平面上的正交投影中的投影向量与另一方面在该点P处的特定径向段SRp之间的角度。相对定向的变化被定义为当在给定圆Crp上围绕主轴A’移位了角度偏移dθ(P)时,由磁化向量M(P)在垂直于主轴A’的平面上的正交投影中的投影向量所产生的定向的变化。
[0068] 磁化向量的相对定向 的变化规律是周期函数,该周期函数在磁化体10围绕主轴A’的360°具有大于或等于2的偶数Np个角周期T。换句话说,对于磁化体10的两个点P和P’,这两个点P和P’围绕主轴A’成角度地偏移了角周期T,并且位于围绕主轴A’的相同给定圆Crp上,因此在距主轴A’相同距离rp处,磁化向量M(P)和M(P’)在垂直于主轴A’的平面上的正交投影中呈现相对于相应的特定径向段SRp、SRP’的相同的相对定向然而,应该注意,除了在特殊情况下,在这些点处的磁化向量M(P)和M
(P’)将不必具有相对于永磁体的固定参考轴Xa的相同的绝对定向。
[0069] 磁化向量的相对定向 的变化规律是在角周期T上的连续可变函数。换句话说,磁化向量的相对定向 是在角周期T上任何点处变化的函数,使得
在围绕主轴A’的相同给定圆Crp上的“连续”点呈现不同的磁化向量的相对定向[0070] 注意,当查看磁化向量M(P)在垂直于主轴A’的平面上的正交投影中的投影向量相对于永磁体的固定参考轴Xa的绝对定向时,这对于给定圆Crp上的每一个点P由关系式限定。这样,磁化向量M(P)在垂直于主轴A’的平面上的
正交投影中的投影向量相对于永磁体的固定参考轴Xa的绝对定向也是某一函数,该函数根据磁化体10的点P的角位置θ(P)是连续可变的(根据绝对定向
的变化规律)。该变化规律在磁化体10围绕主轴A’的360°呈现大于或等于3的奇数个角周期。
[0071] 由于相对定向 的变化规律是周期函数,对于磁化体10的相对于主轴A’彼此对称的两个点P和P’,在磁化体10围绕主轴A’的360°,该周期函数具有大于或等于
2的偶数Np个角周期T,磁化向量M(P)和M(P’)在垂直于主轴A’的平面上的正交投影中呈现相同方向但相反方向。
[0072] 在图2至图5的示例中,磁化向量的相对定向 的变化规律在磁化体10围绕主轴A’的360°具有2个角周期,每一个角周期T因此等于180°的机械角。在图6和图7的示例中,磁化向量的相对定向 的变化规律在磁化体10围绕主轴A’的360°具有4个角周期,每一个角周期T因此等于90°的机械角。
[0073] 在所示的示例中,通过在给定圆Crp上围绕主轴A’移动,磁化向量的相对定向的变化规律意味着磁化向量在垂直于主轴的平面上的正交投影中的投影向量相对于与所考虑点相对应的特定径向段的相对定向 的360°变化,以使磁化体10的所考虑点的角位置与磁化向量的相对定向 的变化规律的角周期T相
对应。
[0074] 因此,在图2至图5的示例中,对于所考虑的点围绕主轴A’的角位置的180°变化,观察到磁化向量M(P)相对于对应径向段SRp的相对定向 的360°变化。这种永磁体对于其中期望确定两个部分14、16的相对位置的有用行程大于或等于90°且小于180°的应用来说将是特别有用的。
[0075] 因此,在图6和图7的示例中,对于磁化体10的所考虑的点围绕主轴A’的角位置的90°变化,观察到磁化向量M(P)相对于对应径向段SRp的相对定向 的360°变
化。这种永磁体对于期望确定这两个部分14、16的相对位置的有用行程大于或等于45°且小于90°的应用将是特别有用的,以便利用磁化向量M(P)的相对定向 在有用行
程上的变化的最大值。
[0076] 注意,通常可以考虑,对于磁化体的任何点P和P’,磁化向量M(P)和M(P’)具有相同的量值。实际上,在磁化体的磁化期间,通常将确保磁化该磁化体直到磁饱和为止。这特别意味着忽略了磁化根据磁体中的磁场的变化,这在磁体的正常操作范围内通常是正确的。
[0077] 在下文中,可以认为,磁化向量M(P)的量值对于磁化体10的任何点P都是相同的,特别是对于属于围绕主轴A’的相同给定圆的任何点P都是相同的。在这种情况下,对于相对于主轴A’彼此对称的点P和P’,磁化向量M(P)和M(P’)在垂直于主轴A’的平面上的投影中呈现相反方向且相同量值的平行投影。
[0078] 应该注意,对于位于源自主轴A’的相同径向段上的磁化体10的不同点,磁化向量的相对定向可以根据所考虑的点P所位于的半径“rp”而稍微变化。这种变化特别是由于磁化装置,实际上,该磁化装置通常创建具有不完美的“旋转”的磁场,而且还由于在磁化期间磁化体10的内表面6和外表面8的平处的边界条件。然而,通过模拟的计算已经表明,对于位于源自主轴A’的相同径向段上的磁化体10的不同点,在垂直于主轴A’的平面上的正交投影中,磁化向量的相对定向(以及绝对定向)根据所考虑的点P所处的半径“rp”而变化小于10度的角度,该变化通常是连续变化。
[0079] 在围绕主轴A’的给定圆Crp上,磁化向量的相对定向的变化规律意味着在所考虑的点P处的磁化向量M(P)在垂直于主轴的平面上的正交投影中的投影向量相对于穿过该考虑的点P的特定径向段SRp的相对定向 的正变化,根据磁化体的所考虑的点围绕主轴A’的角位置的正变化。磁化体的点围绕主轴的角位置的正变化被称为根据围绕主轴A’的任意方向的变化。按照这个惯例,对于磁化体的点P的角位置θ(P)围绕主轴A’的基本变化dθ(P),其远小于磁化向量的相对定向 的变化规律的角周期T,磁化向量的相对定向的基本变化 围绕平行于主轴A’并穿过所考虑的点P的轴线以相同的任意旋转方向发生。因此,在该给定圆Crp上的磁化体的任何点P处,在角周期T上,得到[0080] 优选地,在围绕主轴A’的给定圆Crp上,磁化向量的相对定向的变化规律意味着在垂直于主轴的平面上的正交投影中,在所考虑的点P处的磁化向量M(P)的投影向量M(P)相对于穿过该考虑的点P的特定径向段SRp的相对定向 的非零正变化,根据磁
化体的所考虑的点围绕主轴A’的角位置的非零正变化。因此,优选地,在该给定圆Crp上的磁化体的任何点(P)处,在角周期T上,得到 因此严格为正。
[0081] 非直觉地,这种沿相同方向的变化允许基本上在由磁化体10界定的内部体积V中生成磁感应场。因此,如图5和图7所示,永磁体在其体积外部,也就是说在相对于主轴A’径向超出其外表面8的任何点处,不生成任何显著的磁场。这使得不会由于不需要的磁场而污染周围空间。
[0082] 优选地,磁化体10具有平面磁化,也就是说,使得在磁化体的任何点处,该点处的磁化向量平行于垂直于主轴A’的磁化平面。在这种情况下,磁化向量M(P)在垂直于主轴A’的平面上的正交投影中的投影向量与磁化向量M(P)一致。换句话说,在这种情况下,磁化向量M(P)及其在垂直于主轴A’的平面上的正交投影中的投影向量是相同的。已知的是,对于处于磁饱和的磁化磁体,磁化向量M(P)的量值对于磁化体的任何点P几乎是恒定的,随后,对于相对于主轴A’彼此对称的点P和P’,磁化向量M(P)和M(P’)是平行的,方向相反并且量值相同,因此是对称的向量。
[0083] 当然,这种平坦性的特性是根据磁化体的磁化方面的通常公认的公差来评估的。因此,磁化平面是理论平面。一方面,已知磁化受到边缘效应,其可以局部地改变磁化体的外表面附近的磁化。在这些点处,磁化向量与作为理论平面的磁化平面可能没有严格的平行性。类似地,已知磁性材料的均匀性的缺陷可以局部地影响磁化。因此,磁化平面必须被理解为表示磁化体的每一个点的磁化,作为整体,主要考虑不受边缘效应或明显不期望的均匀性缺陷影响的点,因此特别是磁化体的芯中的点。
[0084] 在所示的示例中,已经说明了磁化平面严格垂直于主轴A’的情况。应该理解,磁化平面相对于主轴A’的严格垂直性的概念必须在此关于磁场领域的通常技术并且特别是磁化体的磁化的通常技术来评估。仍然必须评估本发明的优点和益处,特别是由利用这种磁化体制成的传感器系统提供的测量对于沿主轴A’的方向磁化体与测量元件之间的相关定位缺陷的鲁棒性。
[0085] 而且,在本发明的含义内,如果磁化平面与所考虑的轴形成小于5度的轴,则将认为磁化平面严格地垂直于主轴A’。如果磁化平面与所考虑的轴线形成小于30度、优选小于20度的倾斜角度,则认为磁化平面垂直于主轴A’。
[0086] 优选地,在围绕主轴A’的给定圆Crp上,磁化向量的相对定向 的变化规律是磁化向量的相对定向 的变化规律的角周期T上的双射规律。这种双射关系在由磁化体10界定的内部体积V中促进了磁感应场Bm,使得能够获得一方面在该内部体积V中的磁感应的至少4个测量值与另一方面在磁体与测量点之间的旋转中的相对角位置Ω(t)之间的关系,该关系也是在角周期T上的双射关系。因此可以在角周期T内,关联永磁体与测量点之间的旋转中的单个相对角位置Ω(t)。
[0087] 优选地,在围绕主轴A’的给定圆Crp上,将寻求获得,磁化向量的相对定向的变化规律是线性规律,也就是说, 其中a0为非零正首项系数并且b0为常数。
[0088] 因此,在图2至图4的示例中,利用将穿过磁化向量的相对定向为零的点的轴线选择为磁体的参考系的参考轴Xa的惯例,具有以下关系:
[0089] 应该注意,在所示的实施例中,磁化体10是围绕主轴A’360°的连续体,因此利用材料的连续性制造成单件。稍后将看到在这种360°的连续体中如何实现期望的磁化。然而,作为变型,磁化体可以由围绕主轴360°并置的基本磁化体形成。在这种变型中,磁化可以在组装基本磁化体之后以类似于针对360°的连续体所提出的方式进行,或者在组装基本磁化体之前进行。
[0090] 还提出了一种用于制造具有上述性质的磁化体的方法。
[0091] 在该方法中,提供了具有如上定义的形状的可磁化材料的本体10。可磁化材料特别是铁磁材料,特别是硬铁磁材料、亚铁磁材料或反铁磁材料,其能够在受控磁化之后形成永磁体。这样材料包括合金,例如钕、铁和的合金(Nd2Fe14B)、钐和钴的合金(SmCo5和Sm2Co17)、铁体以及镍钴(AlNiCo)。
[0092] 为了实施该方法,如图4和图6所示,在可磁化材料的本体10附近设置有平行电导体22的图案20,分别称为磁化导体22,包括平行电导体22的若干束24,每一个束沿着平行于主轴A’的轴定向。磁化导体22优选地由沿着主轴A’的定向伸长的导线或由导电材料(例如)制成的条构成。
[0093] 在所示的示例中,磁化导体22被设置为沿主轴A’的方向与由磁化体10所界定的内部体积V交叉。磁化导体22被优选设置在磁化体10的内表面6附近。
[0094] 磁化导体22的束24被称为一组磁化导体,其中在给定时刻,电流沿相同的方向流动,并且其中在链接到磁体的参考系中,磁化导体22不被其中电流沿另一个方向流动的磁化导体22分开。束24可以包括单个磁化导体22,或者优选地,包括若干磁化导体22,例如对于束24在4到40个磁化导体22的范围内。不同的束24可以包括不同数量的磁化导体22。
[0095] 每一个束24在空间上被包括在围绕主轴A’的不同角扇形中,其角测量值小于或等于期望在永磁体中创建的磁化向量的相对定向 的变化规律的角周期T的一半,优选地在围绕主轴A’的尽可能接近磁化向量的相对定向 的变化规律的
角周期的一半的角范围上。其中包括每一个束的角扇形的角测量值等于360度的角度除以束的数量。束24围绕主轴A’彼此成角度地偏移。优选地,两个连续的束24围绕主轴A’成角度地直接彼此并置。因此,在磁化向量的相对定向 的变化规律的角周期上设置有两个连续束24,一个束具有磁化导体22,其中在给定时刻,电流在磁化导体22中沿相同方向流动,而在另一个束中电流在磁化导体22中沿另一个方向流动。
[0096] 在束24中,一些磁化导体22或所有磁化导体22可以彼此相邻。在这种情况下,可以规定,磁化导体22例如通过绝缘套筒彼此电绝缘。相反,束24的一个或多个磁化导体22可以与相同束24的其它磁化导体横向地间隔开,或者所有磁化导体22可以彼此间隔开。束24可以包括例如由电绝缘材料制成的外壳,该外壳包围束的磁化导体22。
[0097] 平行电导体22的束24的数量是4的非零倍数。更具体地说,平行电导体的束24将有利地提供用于求制造的磁化体中的期望磁化向量的相对定向 的变化规律的每一个半周期T/2。在图6的示例中,为了生产具有磁化体10的360°磁化向量的相对定向的变化规律的两个角周期的磁化体10,设置了四个束24,每一个束在由磁化
体10界定的内部体积V中围绕主轴A’延伸超过90°。在束24中的两个中,围绕主轴A’彼此偏移180°,电流根据磁化导体的定向沿第一方向流动,而在另外两个束中(围绕主轴A’彼此偏移180°并且介于另外两个束之间),电流沿与第一方向相反的第二方向流动。在图7的示例中,为了生产具有磁化体10的360°磁化向量的相对定向 的变化规律的四个
角周期的磁化体10,设置了八个束24,每一个束在由磁化体10界定的内部体积V中延伸超过
45°。在围绕主轴A’彼此偏移90°的束24中的四个中,电流根据磁化导体的定向沿第一方向流动,而在另外四个束中(围绕主轴A’彼此偏移90°并且介于另外四个束之间),电流沿与第一方向相反的第二方向流动。
[0098] 通常,对于最靠近由可磁化材料10制成的本体的内表面6的束24的磁化导体22,该束被设置为距内表面6小于10毫米,甚至距内表面6小于5毫米。
[0099] 该方法当然包括电流在磁化导体22的束中的流动,在给定时刻(例如电流强度最大的时刻),电流的流动方向在相同束24的所有磁化导体22中是相同的,并且在围绕主轴A’直接相邻的两个束24中是相反的。
[0100] 因此,通过电流的这种流动,可以区分一个或多个输出束24和一个或多个输入束24,所述一个或多个输出束形成输出束组,其中在给定时刻(例如电流强度最大的时刻),电流沿第一方向流动,所述一个或多个输入束形成输入束组,其中在相同的给定时刻,电流沿与第一方向相反的第二方向流动。
[0101] 这样,在束24中流动的电流能够在图案20周围并且因此在可磁化材料的本体24中生成适于磁化可磁化材料的本体的磁化磁场。特别地,该电流必须具有足够强度的最大值。通过垂直于主轴A’设置束24,并且通过交替输出束和输入束,可以生成能够赋予可磁化材料的本体如上所述的磁化的磁场。
[0102] 特别地,由磁化导体的图案创建的磁场优选地能够在其所有点处使可磁化材料磁饱和。一旦这样磁化,由可磁化材料制成的本体就可以在根据本发明的方法和传感器系统1中用作磁性材料的本体10。
[0103] 为此,可以特别地采用以下参数:‑通过特别考虑最大强度,束中的电流强度,因此导体中的电流强度;
‑导体中的束的密度
‑束和束中导体的相对定位;
‑每束的导体数量;
‑束相对于可磁化材料的本体的间隔,特别是相对于可磁化材料的本体10的内表面6的间隔;
‑等…。
[0104] 注意,不同的束24不必包括相同数量的导体。然而,优选地,通过在两个成角度的连续束之间旋转与其中包含束的角扇形的测量值相等的角度,即,360度的角度除以束的数量,每一个束24中的导体的设置从一个束到另一个束是相同的。因此,束24将优选地彼此相同,特别是在磁化导体的数量、尺寸和设置方面彼此相同,其中在两个连续的束24之间仅具有半周期的角偏移。
[0105] 在给定的束中,束24的磁化导体22优选地以均匀的方式围绕主轴A’成角度地分布。可能有利地,在给定的束中,束24的磁化导体22分布在以主轴为中心的圆弧上,或者如图4和图6所示的示例中,分布在以主轴A’为中心的若干同心圆弧上。优选地,束24的磁化导体22包含在外壳表面内部,该外壳表面在垂直于主轴A’的平面中的截面是围绕主轴A’的环的扇形。
[0106] 一方面在束24的输出组中,另一方面在束24的输入组中,可以提供的是,若干束24或者甚至所有束24被并联地供电。类似地,在给定的束24中,可以提供的是,若干磁化导体22或所有磁化导体22被并联地供电。
[0107] 然而,优选地,将提供的是,若干束24或所有束24(包括输出束和输入束)被串联地电连接。可以提供的是,若干磁化导体22、甚至所有磁化导体22(包括输出磁化导体和输入磁化导体)被串联电连接以形成一个或多个磁化线圈。
[0108] 因此,可以提供的是,束的磁化导体22可以由导线线圈的至少一个绕组的多个部分形成,沿着该导线线圈,输出束的至少一个磁化导体22、输入束的连接部分和磁化导体22、输出束的另一个连接部分和另一个磁化导体22重复地彼此跟随。因此,在图案内,所有磁化导体22可以一起分组在单个线圈绕组中、两个线圈绕组中或多于两个线圈绕组中。
[0109] 在另一个实施例(未示出)中,导体的图案可以由光栅形成,该光栅在由可磁化材料制成的本体的一侧上包括处于第一电势的第一连接条或板,并且在由可磁化材料制成的本体的另一个侧上包括处于第二电势的第二连接条或板。随后,图案的每一个导体可以采取直线段的形式,其长度可以对应于条或板之间的距离,每一个导体在两个条或板之间延伸,并且通过其两端分别连接到第一和第二连接条或板。
[0110] 磁化导体22具有根据其定向在两个电源头之间延伸的长度,这两个电源头例如每一个可以由作为线圈的一部分的连接部分构成,或者由作为由格栅形成的束的一部分的连接条或板构成。在电源头中,电流可以相对于导体的定向在横向或基本上横向的方向上流动。期望限制这些电流的磁性影响,以限制对可磁化材料的本体的磁化的干扰,因此期望磁化导体具有足够的长度以实现该目标。因此,磁化导体22将具有大于可磁化材料的本体10的轴向范围的轴向长度,优选地大于或等于可磁化材料的本体10的轴向范围的4倍的轴向长度。
[0111] 如上所述的永磁体在磁化体10外部生成如图5或图7所示的用于上述两个示例性实施例的磁感应场Bm。
[0112] 由永磁体创建的该磁感应场在由磁化体10的内表面6界定的内部体积V中,具有与上述有关磁化体10中的磁化向量的特性类似的性质。由磁化体10的内表面6界定的内部体积V的任何点E都可以被认为是在围绕主轴A’的给定圆上。该给定圆上的内部体积V的每一个点E具有由某一角度限定的角位置,该角度围绕主轴在上述永磁体的固定参考轴与源自主轴并且穿过该点E的特定径向段之间形成。对于具有上述磁化的永磁体,可以看出,在给定圆的该点处由永磁体生成的磁感应Bm在垂直于主轴A’的平面上的正交投影中呈现投影向量,投影向量相对于该点处的特定径向段的相对定向是根据相对定向的变化规律的连续可变函数,相对于源自主轴并且穿过该点E的特定径向段的相对定向根据内部体积V的点E的角位置。以相同的方式,还可以观察到,由永磁体在给定圆的点E处生成的磁感应的相对定向的变化规律是周期函数,其在围绕主轴A’的内部体积V的360°呈现相同的大于或等于2的偶整数Np个角周期。因此,由永磁体生成的磁感应Bm的相对定向的变化规律具有与磁化体10中的磁化向量的相对定向的变化规律相同数量Np个角周期。当然,这些性质将更精确地在内部体积V的中间区域(沿轴向方向)、在磁化体的两个轴向端部的特定距离处、甚至更特别地在永磁体的中间平面中遇到,也就是说,与磁化体10的轴向端部等距的垂直于旋转轴的平面中遇到。
[0113] 在 的变化接近线性变化时,对于由磁化体10界定的内部体积V的位于来自主轴A’的相同径向段上的不同点E,由磁化体所感应的磁感应Bm的向量在一平面上的正交投影中的定向根据该点而很小地改变,所述平面垂直于与主轴A’垂直的平面。另一方面,对于由磁化体10界定的内部体积V的位于源自主轴A’的相同径向段上的不同点E,由磁化体所感应的磁感应Bm的向量的量值根据所考虑的点E相对于主轴A’所处的距离而改变。磁感应在磁体的中心处为零,并且其强度根据所考虑的点E相对于主轴A所处的距离而增大,直到靠近磁体的内表面的最大值。该最大值取决于磁体的材料和尺寸。
[0114] 而且,用于确定第一部分14相对于第二部分16围绕旋转轴A的相对角位置Ω(t)的传感器系统1将有利地设计如下。
[0115] 当然,传感器系统1包括具有上述特性的磁化体10的永磁体。对于图8至图12的示例性实施例,将更具体地描述永磁体的情况,该永磁体具有以下变化规律:磁化向量的相对定向 在磁化体围绕其主轴A’的360°具有2个角周期。在所有情况下,将确保永磁体被设置为使得磁化体10的主轴A’与第一部分14和第二部分16之间的相对旋转的旋转轴A重合。
[0116] 在这种背景下,可以看出,传感器系统1包括4个磁感应B测量元件12.11、12.12、12.21、12.22的主集,这些测量元件将被设置在由磁化体10的内表面6界定的内部体积V中。
对于这些测量元件12.11、12.12、12.21、12.22,不同的定位和定向可能性是可能的。在图8中示出了一般的设置情况,其因此示出了传感器系统1的实施例。在图9至图12中描述了更特别的实施例。
[0117] 在所有情况下,传感器系统1包括初级测量元件对12.11、12.12,其包括第一初级测量元件12.11和第二初级测量元件12.12。
[0118] 第一初级测量元件12.11被设置在相对于第二部分16固定的第一初级测量点E11处。该第一初级测量元件12.11使得能够根据垂直于旋转轴A的初级测量向量D1,在该第一初级测量点E11处确定在该点E11处的磁感应的第一初级分量B11。
[0119] 第二初级测量元件12.12被设置在也相对于第二部分16固定的第二初级测量点E12处。该第二初级测量元件12.12使得能够在该第二初级测量点E12处,根据与第一初级测量元件12.11的初级测量向量相同的初级测量向量D1,来确定磁感应B的第二初级分量B12。注意,即使第二初级测量元件12.12相对于第一初级测量元件12.11沿相反的方向安装,第二初级测量元件12.12也使得能够在该第二初级测量点E12处,根据与第一初级测量元件
12.11相同的初级测量向量D1,确定磁感应B的第二初级分量B12。实际上,在这种情况下,第二初级测量元件12.12提供第二原始初级分量,该第二原始初级分量仅需要乘以因子(‑1),以根据相同的初级测量向量D1获得磁感应B的第二初级分量B12。
[0120] 第一初级测量点E11和第二初级测量点E12是相对于旋转轴A在相同的初级直径段SD1上彼此不同的点。这两个点E11和E12相对于第二部分16固定,并且彼此固定。这两个点E11和E12位于由磁化体10界定的内部体积V内部。可以看出,在初级直径段SD1上存在这两个点E11和E12的优选位置。实际上,有利地,这两个初级测量点E11和E12优选地相对于旋转轴A彼此对称。然而,该条件不是强制性的。可以使这两个初级测量点E11和E12设置在旋转轴A的任一侧上,但是设置在距旋转轴A不同的距离处,或者设置在旋转轴A的同一侧上,总是在距其不同距离处。
[0121] 通常,初级测量向量D1相对于初级直径段SD1形成相对初级测量角μ1。同样,该相对初级测量角μ1在此可以是任意的,但是优选地将等于0°或90°,使得在这种情况下,初级测量向量D1将分别平行或垂直于初级直径段SD1。
[0122] 优选地,初级测量向量D1包含在垂直于旋转轴A的平面中。
[0123] 此外,这两个初级测量元件均根据相同的初级测量向量D1测量磁感应的初级分量。利用初级测量元件对的两个初级测量元件的这种设置,并且考虑到由内部体积V中的永磁体创建的磁感应场Bm的对称性质,确保了同一对中的两个元件根据相同的测量向量D1,测量在两个点处的磁感应,在所述两个点处,由永磁体创建的磁感应Bm在向量上不同。
[0124] 传感器系统1还包括次级测量元件对12.21、12.22,其包括第一次级测量元件12.21和第二次级测量点12.22。
[0125] 第一次级测量元件12.21被设置在相对于第二部分16固定的第一次级测量点E21处。该第一次级测量元件12.21使得能够根据垂直于旋转轴A的次级测量向量D2,在该第一次级测量点E21处,确定磁感应B的第一次级分量B21。
[0126] 第二次级测量元件12.22被设置在第二次级测量点E22处,该第二次级测量点也相对于第二部分16固定。第二次级测量元件12.22使得能够根据与第一次级测量元件12.21相同的次级测量向量D2,在该第二次级测量点处,确定磁感应B的第二次级分量B22。如上对于初级测量对所看到的,第二次级测量元件12.22使得能够根据与第一次级测量元件12.21的次级测量向量相同的次级测量向量D2,在该第二次级测量点E22处,确定磁感应B的第二次级分量B22,即使第二次级测量元件12.22相对于第一次级测量元件12.21沿相反方向安装。实际上,在这种情况下,第二次级测量元件12.22根据相同的次级测量向量D2提供第二原始次级分量,该第二原始次级分量仅需要乘以因子(‑1)以获得磁感应B的第二次级分量B22。
[0127] 第一次级测量点E21和第二次级测量点E22是相对于旋转轴A在相同的次级直径段SD2上彼此不同的点。这两个点E21和E22相对于第二部分16固定,并且彼此固定。这两个点E21和E22位于由磁化体10界定的内部体积V内部。正如对于初级测量点E11和E12,可以看出,在次级直径段SD2上存在这两个次级测量点E21和E22的优选位置。实际上,可以有利地提供的是,这两个次级测量点E21和E22优选地相对于旋转轴A彼此对称。然而,该条件不是强制性的。因此,可以使这两个次级测量点E21和E22设置在旋转轴的任一侧上,但是与旋转轴A的距离不同,或者设置在旋转轴A的同一侧上,总是在距其不同距离处。
[0128] 通常,次级测量向量D2相对于次级直径段SD2形成相对次级测量角μ2。同样,在这里,该相对次级测量角μ2可以是任意的,但是优选地等于0°或90°,使得在这种情况下,次级测量向量D2将分别平行或垂直于次级直径段SD2。
[0129] 每一个测量元件包括至少一个磁敏部件,例如霍尔效应部件,其传输至少一个电信号,例如数字和/或模拟信号,该电信号表示在所考虑的测量元件的测量点处的磁感应B的向量相对于该灵敏元件的测量向量的相应分量。该分量可以是正的或负的,这取决于在所考虑的测量元件的测量点处,表示磁感应B的向量在关于测量向量的投影中是与该灵敏元件的测量向量相同的方向还是相反的方向。
[0130] 例如,可以使用来自Melexis NV公司(Rozendaalstraat 12,B‑8900 Ieper,比利时)销售的MLX90372‑ 位置处理器系列的部件,特别是来自子系列“Angular Rotary Strayfield Immune”的部件,如在文献“MLX90372‑ 位置处理器数据表‑修订版8‑2019年3月8日(MLX90372‑ Position Processor Datasheet‑REVISION 8‑08 MAR 2019)”中所述。
[0131] 在附图中示出的本发明的不同的特定实施例可以被分成两个主要的系列。在第一系列的实施例中,诸如图8、9和12的实施例中,初级直径段SD1和次级直径段SD2是不同的,然后可以确定两者之间围绕旋转轴A的角偏差δ12。在第二系列的实施例中,诸如图10和图11的实施例中,初级直径段SD1和次级直径段SD2重合,使得四个测量元件均位于相对于旋转轴的相同直径段上。在这种情况下,可以认为初级直径段SD1与次级直径段SD2之间的角偏差δ12为零。在给定参考系中,初级直径段SD1与次级直径段SD2之间的角偏差δ12等于减去了初级直径段SD1的角位置的次级直径段SD2的角位置。
[0132] 通常,传感器系统1被有利地布置为使得,一方面,相对次级测量角μ2与相对初级测量角μ1之间的角偏差(μ2‑μ1)与另一方面,角偏差δ12乘以根据磁化体的点在次级直径段SD2和初级直径段SD1之间的角位置的磁化向量的相对定向 的变化规律的周期数量Np之和[(μ2‑μ1)+Np×δ12]不为零,并且不同于180°的倍数。
[0133] 该条件使得能够在使得初级分量的测量值与次级分量的测量值线性无关或者可以投影到正交向量上以便给出与投影的次级分量线性无关的投影初级分量的条件下,获得两个初级分量测量值,即根据初级测量向量的两个测量值,和两个次级分量测量值,即根据次级测量向量的两个测量值。
[0134] 优选地,并且如特别是图9、图10、图11和图12的实施例的情况,传感器系统被布置为使得,一方面,相对次级测量角μ2与相对初级测量角μ1之间的角偏差(μ2‑μ1)与另一方面,角偏差δ12乘以根据磁化体的点在次级直径段SD2与初级直径段SD1之间的角位置的磁化向量的相对定向 的变化规律的周期数量之和[(μ2‑μ1)+Np×δ12]等于90度或270度,以360度为模。
[0135] 该条件使得能够一方面在使得初级分量的测量值与次级分量的测量值线性无关的条件下确定两个初级分量测量值,即根据初级测量向量的两个测量值,和两个次级分量测量值,即根据次级测量向量的两个测量值,这便于磁感应的角度的计算。随后,参考在磁场中相移90度的测量值。
[0136] 在没有该最后条件的情况下,在中间步骤中,必须将这两个初级分量测量值和这两个次级分量测量值投影到同一对正交向量上,以便获得关于这两个正交向量的投影的初级分量和投影的次级分量,由此获得的两个投影的初级分量与投影的次级分量线性无关。
[0137] 在属于第一系列实施例的一些实施例中,诸如图9所示的实施例或图12所示的实施例中,传感器系统1被布置为使得相对次级测量角μ2和相对初级测量角μ1相等,并且使得次级直径段SD2与初级直径段SD1之间的角偏差δ12是磁化向量的相对定向的变化规律的四分之一角周期T/4,以磁化向量的相对定向 的变化规律的半
角周期T/2为模。如上所述,这种配置还使得可以获得在磁畴中相移90度的测量值。
[0138] 在图9的特定示例或图12所示的示例中,相对次级测量角μ2和相对初级测量角μ1相等的事实可以由初级测量向量D1和次级测量向量D2两者均相对于它们相应的测量点沿径向方向定向的事实反映。因此,初级测量向量D1相对于旋转轴A沿径向方向定向,其穿过第一初级测量点E11和第二初级测量点E12,并且次级测量向量D2相对于旋转轴A沿径向方向定向,其穿过第一次级测量点E21和第二次级测量点E22。应该注意,在次级直径段SD2和初级直径段SD1不重合的情况下,相对次级测量角μ2和相对初级测量角μ1相等的事实必然意味着初级测量向量D1和次级测量向量D2在链接到第二部分16的固定参考系中是不同的。
[0139] 注意,在图9和图12的实施例的特定变型中,相对次级测量角μ2和相对初级测量角μ1相等的事实可以由初级测量向量D1和次级测量向量D2两者均相对于它们相应的测量点沿相对于旋转轴A的切线方向定向的事实反映。
[0140] 在图9和图12的具体示例中,次级直径段SD2与初级直径段SD1之间的角偏差δ12是磁化向量的相对定向 的变化规律的四分之一角周期T/4。然而,该角偏差δ12可以是3/4、5/4或7/4角周期,而与磁化向量的相对定向 围绕磁化体10的主轴360°的变化规律的偶数整数Np个角周期无关。在磁化向量的相对定向 的变
化规律包括围绕磁化体10的主轴的4个或更多个角周期的情况下,角偏差δ12可以是9/4、
11/4等个角周期。
[0141] 在属于第二系列实施例的一些实施例中,诸如图10和图11所示的那些实施例中,传感器系统1被布置为使得初级直径段SD1和次级直径段SD2重合,并且使得初级测量向量D1和次级测量向量D2彼此正交。如上所述,该配置还使得可以获得在磁场中相移90度的测量值。
[0142] 在该第二系列实施例中,如图10和图11的示例所示,可以有利地提供的是,第一初级测量点和第一次级点在相同点E1处重合。可替代地或组合地,如图10和图11的示例所示,第二初级点和第二次级点在相同点E2处重合。换句话说,在该第二系列实施例中,第一初级测量元件12.11和第一次级测量元件12.21可以被布置在相同点处,和/或第二初级测量元件12.12和第二次级测量元件12.22可以被布置在相同点处。在这种情况下,布置在相同点处或布置为彼此非常靠近的两个测量元件可以在相同的测量单元中进行组合。根据由传感器传输的位置测量值的空间分辨率来评估在单个点处的测量的概念。例如,如果两个测量元件的相应测量点相距小于0.25毫米,则可以认为这两个测量元件在相同点处。
[0143] 因此,在具有上面给定特性的所有配置中,这四个测量元件12.11、12.12、12.21、12.22分别传输在测量点处的磁感应B11、B12、B21、B22的分量值。利用上面给定的特性,因此测量的磁感应B11、B12、B21、B22的每一个分量与其它三个分量逐一地不同,或者通过对其进行测量的点或者通过测量分量所根据的测量向量。
[0144] 在一些实施例中,诸如图9、11和12的那些实施例中,第一初级测量点E11、E1和第一次级测量点E21、E2被布置在旋转轴A的每一侧上的相同距离处。另外或可替代地,在一些实施例中,诸如图9、11和12的那些实施例中,第一次级测量点E21、E1和第二次级测量点E22、E2也被布置在旋转轴的每一侧上的相同距离处。在两种情况下,这允许同一对中的两个测量元件在磁感应的相应向量彼此相反但具有相同量值的两个点处测量由永磁体创建的磁感应。这充分利用了以下事实:磁化体10具有相对于主轴A’对称的几何形状和磁化,因此如果忽略定位不确定性,则相对于旋转轴A对称的几何形状和磁化,使得由磁体在由磁化体10界定的内部体积V中创建的磁感应Bm的场也相对于主轴A’对称,因此相对于旋转轴A对称。
[0145] 在图9、11和12的实施例中,第一初级测量点和第二初级测量点被布置在距旋转轴相同的第一距离处,并且第一次级测量点和第二次级测量点被布置在距旋转轴相同的第一距离处。换句话说,这四个测量元件全部位于距旋转轴A的相同距离处。在这些示例性实施例中,这允许这四个测量元件测量由永磁体在磁感应Bm的相应向量具有相同量值的点处创建的磁感应Bm。
[0146] 在一些实施例中,将力求将每一个磁感应测量元件设置为尽可能靠近磁化体10的内表面6。这实际上使得可以通过限制称为“气隙”距离的距离,在测量元件的测量点处从由磁体创建的磁感应Bm的强度中受益,该强度将是最大值。
[0147] 然而,注意,磁化体10的磁化使得,如上所述,在内部体积V中获得由磁化体创建的磁感应Bm的强度水平,该强度水平对于磁化体10中的磁化向量M(P)的强度的给定值是显著的。这可以用于实现体积较小的磁化体或者由效率较低且较便宜的磁性材料制成,和/或允许大于通常实现的距离的称为“气隙”距离的距离。可以看出,如图12的示例中那样,可以更特别地利用该最后一种可能性。
[0148] 通常,被称为“气隙”距离的距离将优选地介于0.5毫米与8毫米之间。
[0149] 可以看出,测量元件被布置在由磁化体的内表面6界定的内部体积V中。这有助于传感器系统的良好紧凑性,特别是沿旋转轴A的轴向方向。这还有助于由传感器系统提供的角位置确定相对于磁化体和传感器系统的测量元件沿传感器系统的旋转轴的轴向方向的相对位置的可能不精确性的良好鲁棒性。
[0150] 优选地,初级测量元件对12.11、12.21的两个测量点E11、E21、E1、E2和/或次级测量元件对12.21、12.22的两个测量点E21、E22、E1、E2被布置在垂直于旋转轴A的相同平面中。这使得可以限制在由磁体在磁化体10界定的内部体积V中所创建的磁感应场Bm沿轴向方向的任何不均匀性的影响。优选地,垂直于旋转轴的该相同平面与磁化体10的轴向端部等距,以便限制在磁化体10的轴向端部的水平上不可避免的边缘效应的影响。这进一步增强了由传感器系统提供的角位置确定相对于磁化体和传感器系统的测量元件沿传感器系统的旋转轴的轴向方向的相对位置的可能的不精确性的鲁棒性。
[0151] 在图12的特定示例中,存在与图9的布置相同的布置,但是将测量点加倍。图12的特定示例首先具有4个磁感应B测量元件12.11、12.12、12.21、12.22的主集,其具有与针对图9所描述的那些相同的特性,但是在可能的变型之一中,可能已经从具有与针对图11所描述的那些相同的特性的4个测量元件的主集开始。
[0152] 图12的实施例是其中除了4个磁感应B测量元件12.11、12.12、12.21、12.22的主集之外,还存在4个磁感应B的额外测量元件12.31、12.32、12.41、12.42的额外集的示例,它们设置在由磁化体10的内表面6界定的内部体积V中。该额外集包括三级测量元件对12.31、12.32,其包括第一三级测量元件12.31和第二三级测量元件12.32,该第一三级测量元件和第二三级测量元件分别设置在相对于第二部分16固定的第一三级测量点E31处,以根据垂直于旋转轴A的三级测量向量D3来确定在该点E31处的磁感应的第一三级分量B31,和在相对于第二部分16固定的第二三级测量点E32处,以根据与第一三级测量元件12.31相同的三级测量向量D3来确定在该第二三级测量点E32处的磁感应B的第二三级分量B32。第一三级测量点E31和第二三级测量点E32是相对于旋转轴A位于同一三级直径段SD3上的彼此不同的点。此外,这两个三级测量元件均根据同一三级测量向量D3测量磁感应的三级分量。
[0153] 额外集还包括四级测量元件对12.41、12.42,其包括第一四级测量元件12.41和第二四级测量点12.42,该第一四级测量元件和第二四级测量点分别设置在相对于第二部分16固定的第一四级测量点E41处,以根据垂直于旋转轴A的四级测量向量D4来确定在该第一四级测量点E41处的磁感应B的第一四级分量B41,和在也相对于第二部分16固定的第二四级测量点E42处,以根据与第一四级测量元件12.41相同的四级测量向量D4,确定在该第二四级测量点处的磁感应B的第二四级分量B42。第一四级测量点E41和第二四级测量点E42是相对于旋转轴A位于同一四级直径段SD4上的彼此不同的点。
[0154] 对于该额外集,可以提供已经描述的或将参考4个测量元件的主集描述的变型中的任一个。
[0155] 4个测量元件的主集和额外集是不同的集,其意义在于,额外集的测量元件被布置在相对于主集的任何测量元件的不同点处,或者在其测量点处,根据不平行于将被布置在相同点处的任何其它测量元件的测量向量的向量来确定磁感应B的分量。优选地,三级直径段SD3和四级直径段SD4分别与初级直径段SD1和次级直径段SD2不同。
[0156] 可以利用4个额外的磁感应测量元件12.31、12.32、12.41、12.42的额外集的存在来实现测量值的冗余和/或如以下将解释的,增加测量到的磁感应强度,以便增加传感器的信噪比
[0157] 在图12的示例中,三级直径段SD3和四级直径段SD4分别从初级直径段SD1和从次级直径段SD2成角度地偏移。在未示出的一些变型中,该角度可以是任意的。然而,对于图12的示例,选择该图以示出对于在传感器系统中实现的磁化体,等于根据磁化体的点的角位置的磁化向量的相对定向 的变化规律的角半周期T的角度的情况。因此,对于在磁化体10围绕主轴A’的360°具有2个角周期T的磁化体10,三级直径段SD3和四级直径段SD4分别从初级直径段SD1和次级直径段SD2成角度地偏移90°。此外,次级直径段SD2与初级直径段SD1之间的角偏差δ12是磁化向量的相对定向 的变化规律的四分之
一角周期T/4,因此这里为45度,这四个初级直径段SD1、次级直径段SD2、三级直径段SD3和四级直径段SD4以该顺序围绕旋转轴A彼此成45度角设置。
[0158] 通常,三级测量向量D3相对于三级直径段SD3形成相对初级测量角,该相对初级测量角可以是任意的,但优选等于0°或等于90°,使得三级测量向量D3在这种情况下将分别平行或垂直于三级直径段SD3。优选地,三级测量向量D3包含在垂直于旋转轴A的平面中。
[0159] 通常,四级测量向量D4相对于四级直径段SD4形成相对四级测量角,该相对四级测量角可以是任意的,但优选等于0°或等于90°,使得四级测量向量D4在这种情况下将分别平行或垂直于四级直径段SD4。
[0160] 在图12的示例中,所有测量向量D1、D2、D3、D4相对于四级直径段SD4形成相同的相对测量角。在这种情况下,所有测量向量D1、D2、D3、D4相对于它们相应的测量点沿径向方向定向。
[0161] 在图12的示例中,注意,一方面,相对初级测量角和相对三级测量角相等,另一方面,三级直径段SD3和初级直径段SD1偏移某一角度,该角度等于角半周期T。从该组合,并且还通过考虑由磁化体10创建的磁感应Bm的周期特性,得出第一三级分量B31和第一初级分量B11是根据磁化体与测量元件之间的相对旋转而彼此反相变化的分量。这样,第一三级分量B31和第一初级分量B11不是线性无关的。对于第二三级分量B32和第二初级分量B12的变化,存在相同的相位相反。同样,相对次级测量角和相对四级测量角相等,并且四级直径段SD4和次级直径段SD2偏移等于角半周期T的角度,使得第一四级分量B41和第一次级分量是B21根据磁化体与测量元件之间的相对旋转而彼此反相变化的分量。对于第二四级分量B42和第二次级分量B22的变化,存在相同的相位相反。因此,可以看出,利用4个额外测量元件的额外集进行的测量可以与利用主集进行的测量组合,以增加测量到的磁感应强度,这是为了提高传感器的信噪比。
[0162] 此外,在图12的示例中,所有测量点被布置在距旋转轴A相同的第一距离处。注意,在该实施例中,测量点被布置为与磁化体10的内表面6相比更靠近旋转轴A。因此,所有测量点可以被布置在以旋转轴为中心的圆内,该圆的半径可以小于磁化体10的内表面6的内半径“ri”的一半,或者甚至小于其四分之一。该布置使得可以将所有测量元件组合在相同的部件上,以具有传感器系统1的成本、空间要求和易于生产的优点。
[0163] 为了利用由测量元件进行的这些磁感应测量,传感器系统包括电子计算单元100,该电子计算单元被编程为计算表示第一部分14相对于第二部分16的相对角位置Ω(t)的值。
[0164] 电子计算单元100可以集成到传感器系统1中,或者远离传感器系统1,例如在电子控制单元或计算机中。电子计算单元100通常包括一个或多个存储器、至少一个处理器、数据输入/输出模块以及可能的通信模块。在这种电子计算单元100中,方法的计算步骤通常由包含相应指令并存储在存储器模块中的计算机程序来实现。非常常见,一个或多个测量元件和电子计算单元形成相同电子部件的一部分,这使得可以降低成本并增加传感器系统1的可靠性。可以设想,将所述四个或更多个测量元件12.11、12.12、12.21、12.22集成到相同的电子部件中,该电子部件可以包括这四个测量元件共用的电子计算单元100。然而,在本发明的上下文中,所述四个或更多个测量元件可以设置有用于将信息传递到远程电子计算单元的通信单元,例如,该远程电子计算单元托管在电子控制单元(ECU)或计算机中。
[0165] 因此,电子计算单元100被编程以实现用于确定第一部分14相对于第二部分16在围绕旋转轴A的角行程上的相对角位置Ω(t)的方法。
[0166] 该方法基于以下事实:第一部分14配备有如上所述的永磁体,因此,该永磁体在由磁化体10的内表面6界定的内部体积V中生成具有上述特性的磁感应场Bm。
[0167] 在该方法中,根据垂直于旋转轴A的初级测量向量D1,在第一初级测量点E11、E1处,确定磁感应B的第一初级分量B11,并且根据相同的初级测量向量D1,在第二初级测量点E12、E2处,确定磁感应的第二初级分量B12。如上所述,第一初级测量点E11、E1和第二初级测量点E12、E2是相对于旋转轴A在相同的初级直径段SD1上彼此不同的点,并且它们位于由磁化体10界定的内部体积V内部。初级测量向量D1相对于初级直径段SD1形成相对初级测量角μ1。
[0168] 类似地,根据垂直于旋转轴A的次级测量向量D2,在第一次级测量点E21、E1处,确定磁感应B的第一次级分量B21,并且根据相同的次级测量向量D2,在第二次级测量点E22、E2处,确定磁感应B的第二次级分量B22,第一次级测量点和第二次级测量点是相对于旋转轴A在相同的次级直径段SD2上彼此不同的点并且位于由磁化体10界定的内部体积V内部,并且次级测量向量D2相对于次级直径段SD2形成相对次级测量角μ2。
[0169] 在该方法中,一方面,相对次级测量角μ2与相对初级测量角μ1之间的角偏差(μ2‑μ1)与另一方面角偏差δ12乘以根据磁化体(10)的点P在次级直径段SD2与初级直径段SD2之间的角位置θ(P)的磁化向量M(P)的相对定向 的变化规律的数量Np个周期
(T)的总和[(μ2‑μ1)+Np×δ12]是非零的并且不同于180°的倍数。
[0170] 这样,在该方法中,基于一方面包括两个初级分量之间的差(B12‑B11)或(B11‑B12)并且另一方面包括两个次级分量之间的差(B22‑B21)或(B21‑B22)的计算,来计算表示第一部分14相对于第二部分16的相对角位置Ω(t)的值。
[0171] 第一部分14相对于第二部分16的相对角位置Ω(t)的代表值可以基于一方面两个初级分量之间的差(B12‑B11)与另一方面两个次级分量之间的差(B22‑B21)之间的比率的反正切的计算来计算,在该比率中,分量的每一个差根据相应测量点与旋转轴A之间的距离(对于所考虑的差)而加权。
[0172] 注意,如果以在初级分量与次级分量之间的磁场中测量值不相移90度的方式进行测量,则在中间步骤中进行这两个初级分量测量值和这两个次级分量测量值在相同的正交向量对上的投影,以便获得在这两个正交向量上的投影的初级分量和投影的次级分量,由此获得的两个投影的初级分量与投影的次级分量线性无关。
[0173] 因此,在一个示例中,提供的是,计算表示第一初级分量B11与第二初级分量B12之间的差的值ΔB1。根据初级测量向量,该值可以被认为是初级微分分量。通常,该差值能够以函数的形式书写:ΔB1=f1(B11–B12)
例如线性或仿射函数:
ΔB1=a1×(B11–B12)+k1
[0174] 在简单的情况下,可以具有:ΔB1 = B11 – B12         (1)
[0175] 类似地,提供的是,计算表示第一次级分量B21与第二次级分量B22之间的差的值ΔB2。根据次级测量向量,该值可以被认为是次级微分分量。通常,该差值能够以函数的形式书写,ΔB2=f2(B21–B22)
例如线性或仿射函数:
ΔB2=a2×(B21–B22)+k2
[0176] 在简单的情况下,可以具有:ΔB2 = B21 – B22         (2)
[0177] 在该一般等式中,一方面系数a1、k1和另一方面系数a2、k2是校正系数,其可以通过计算或校准来确定。
[0178] 系数a1、a2、k1和k2是这样的系数:其主要作用是根据一方面第一初级点E11和第二初级点E12相对于旋转轴A的相应平均位置与另一方面第一次级点E12和第二次级点E22相对于旋转轴A的相应平均位置之间的差,来加权针对B11、B12、B21和B22测量的值。这是差ΔB1和ΔB2如何根据相应测量点与旋转轴A之间的距离(对于所考虑差)进行加权。如果这对点与旋转轴的平均距离相同,则系数a1和a2可能彼此相等或基本上彼此相等,甚至等于或近似等于1。然而,即使在这种情况下,系数a1、a2、k1和k2仍可以用于对针对B11、B12、B21和B22测量的值进行加权,另外或可替代地,例如根据当前几何缺陷(诸如测量轴线的偏心或错位)或不同测量元件的相应灵敏度来对针对B11、B12、B21和B22测量的值进行加权。例如,系数a1、a2、k1和k2将被选择,使得在磁化向量的相对定向 的变化规律的完整角周期T内,根据机械旋转角的量ΔB1和ΔB2具有相同的幅度和零平均值。
[0179] 如果实施4个额外测量元件12.31、12.32、12.41、12.42的额外集,如关于图12的示例所描述的那样,则可以使用以下形式的差值作为第一初级分量与第二初级分量之间的差的代表值:ΔB1=a1×(B11–B12)–a'1(B31‑B32)+k1
其在简化形式中特别在各测量点与旋转轴距离相同的情况下可以变为:
ΔB1=(B11–B12)–(B31‑B32)
以及,作为表示第一次级分量与第二次级分量之间的差的值,差值为以下形式:
ΔB2=a2×(B21–B22)–a'2(B41–B42)+k2其在简化形式中特别在各测量点与旋转轴距离相同的情况下可以变为:
ΔB2=(B21–B22)–(B41–B42)
[0180] 表示第一部分14相对于第二部分16的相对角位置Ω(t)的值可以以原始角β的形式计算,该原始角β是其正切表示上述比率的弧,所述比率是一方面这两个初级分量之间的差与另一方面这两个次级分量之间的差的比率。在该比率中,每一个差根据相应测量点与旋转轴之间的距离(对于所考虑的差)而加权。根据所选择的比率,将得到原始角β或其余角(90°‑β),从该余角容易地返回到期望的原始角。
[0181] 因此,该原始角值β可以以函数的形式书写:β=Arctan{F[ΔB1/ΔB2]}ouβ=Arctan{F[ΔB2/ΔB1]}
[0182] 在该等式中,函数F可以被认为是测量值的校正函数。
[0183] 在简单的情况下,可以具有:β = Arctan {K12 × [ΔB1 /  ΔB2 ]}         (3)
其中K12是补偿例如由于测量元件的位置而引起的这两个测量向量上的信号之间的幅度差的值。
[0184] 原始角β是由永磁体在每一个测量点处创建的磁感应场Bm的定向的函数,或者是其代表。如上所述,由于磁化体的磁化在角周期T上具有根据角位置的可变定向,因此在由磁化体10界定的内部体积中,由磁化体创建的磁感应场在角周期上也具有可变定向,该磁感应场也是对称的。可以确定原始角β与这两个部分14、16之间的相对角位置Ω(t)之间的关系。
[0185] 在 的线性变化的情况下,通过以下关系从原始角β和的周期数量Np获得相对角位置Ω(t)之间的关系:
Ω(t)=β/Np
[0186] 在非线性变化的情况下,例如可以通过计算、通过模拟或通过学习来确定该关系。
[0187] 首先,将示出这样计算的原始角与外部磁场Bext的存在与否无关,该外部磁场将叠加在由永磁体创建的磁感应Bm上,甚至在由磁化体10界定的内部体积V中。通常,该外部磁场Bext将由距离测量元件相对远的元件施加,从而通常可以认为,该外部磁场Bext在由磁化体10界定的内部体积V中的方向和强度是恒定的。
[0188] 通常,可以看出,在由磁化体10界定的内部体积V中,由永磁体创建的磁感应Bm相对于旋转轴A对称。此外,可以看出,在内部体积V中相对于主轴A’的给定径向段上,在由磁化体10界定的内部体积V中由永磁体创建的磁感应Bm的向量具有基本上恒定的定向。
[0189] 其结果是,如果仅考虑由永磁体创建的磁感应Bm,当这两个初级分量之间存在差异时,必然具有不同于0的值,因为这两个初级测量点E11和E12是不同的。更好地,由于由永磁体创建的磁感应Bm的对称特性,如果这两个初级测量点E11和E12被布置在旋转轴A的任一侧上,因此在主轴A’的任一侧上,则在这两个点处测量的两个初级分量具有相反的符号。这样,通过在这两个测量的初级分量之间产生差,实际上产生这两个测量的初级分量的绝对值的总和。
[0190] 如果现在考虑方向和强度恒定的外部磁场Bext,当产生这两个初级分量之间的差时,则将必然具有零值或接近0的值。
[0191] 这样,通过考虑由永磁体创建的磁感应Bm与方向和强度恒定的外部磁场Bext的叠加B,应该理解,这两个初级分量之间的差仅取决于由永磁体创建的磁感应Bm。
[0192] 对于这两个次级分量也是如此。
[0193] 因此,创建了对外部磁场Bext的存在不敏感的传感器系统1,所述外部磁场在方向和强度上恒定。