[发明专利]用于确定电机转子位置的方法以及位置传感器

说明书

本发明涉及一种用于确定电机转子在径向上和轴向上的位置的方法，该方法使用一个嵌齿环，该嵌齿环被放置在转子轴周围。本发明还涉及一种用于确定电机转子在径向上和轴向上的位置的位置传感器，该位置传感器包括一个嵌齿环，转子轴以穿过该嵌齿环的方式被设置。

在磁向位中，通常测定转子在轴向上、在转子的两端处以及在两个径向上的位置，即，总共具有五个坐标。根据该测量数据，以这样一种方式控制磁流向，即，使转子在所需的方向上悬浮。位置传感器是磁向位系统的一个重要部分。该位置传感器必须是非常精确的并且基本上为线性的。它必须具有良好的信噪比和高的固有灵敏度。它应该是可靠的、制造成本低并且尽可能容易安装。另外，重要的是，利用至少两个传感器部件在不同方向上对每一个坐标进行测量以获得差动测量。这样能够有效地消除由于热膨胀和污染所导致的失真。

德国专利申请DE 2848173披露了一种用于测量轴在轴向上和径向上的偏差的传感器结构。其中最本质的特征是，该结构包括一个与轴相连的嵌齿环。在该环的外部具有一个固定的辅助环，相对于该辅助环进行测量。在转子的轴向上，该嵌齿环中的嵌齿的宽度大于辅助环的宽度。在与转子相连的嵌齿环中，所有嵌齿相对于转子的轴向不是处于相同的位置处，但是这些嵌齿可被分成两组，其中第一组嵌齿相对于轴向相互之间基本上处于相同的位置处，第二组嵌齿相互之间基本上处于相同的位置处并且从轴向上看过去，至少部分地处于与第一组嵌齿不同的位置处。所述环的嵌齿装有用于产生和测量磁通量的绕组。形成在第一组嵌齿和第二组嵌齿配嵌齿中的线圈分别能够测量在径向上和轴向上的偏差。当转子处于所需位置处时，在径向上进行测量的绕组相对于辅助环的位置是这样的，即，使辅助环处于第一组嵌齿处。以这样一种方式设置轴向上的测量，即，仅使第二组嵌齿部分地处于辅助环处。这样，轴向上的偏移可作为磁阻变化被检测。但是，在德国专利申请DE 2848173中所披露的这种技术方案在与磁向位结合使用时具有一些缺点。首先，传感器不能对轴向进行差动测量，而只能作为一种磁阻变化被检测。这样，在转子和定子之间的热膨胀会出现在轴向测量的结果中。这样，为了进行准确的轴向测量，需要平行地安装两个这样的传感器。为了测量所有必要的自由度，还必须在转子的另一端处安装一对类似的传感器。如果通过仅在转子的每一端处安装一个传感器来进行差动测量，那么传感器的安装需要很高的精度。另外，这样一种技术方案还会对热膨胀敏感。第二，在该技术方案中，嵌齿和线圈都在转子中。带有嵌齿的转子在高速转动的情况下会产生空气阻力并且机械强度较差。另外，在转子高速转动时，难以为在转子侧面上的线圈供电。

另一种已知的用于测量在径向上和轴向上的偏差的传感器布置方式是转子轴设有一个圆锥形部分。一个位置传感器与该圆锥形部分设置成相连。这样，转子中的在轴向上和径向上的偏差可被检测。该传感器布置方式具有的缺点例如为在转子中加工这样一个锥形部分需要额外的加工步骤，并且难以非常精确地加工。利用一个与这样一个锥形部分相连设置的位置传感器在轴向和径向上的测量之间存在所谓的交联；即，例如在径向的测量中会出现转子在轴向上的位移，并且反之亦然。这样，为了消除交联，必须以较为复杂的方式对测量结果进行数值处理。另外，这种技术方案在安装上需要高的精度以及会对热膨胀敏感。

本发明的一个目的在于，提供一种用于确定电机转子在径向上和轴向上的位置的方法，该方法使用一个以这样一种方法形成的传感器，即，使该传感器的一些嵌齿用于在径向上测量，而一些嵌齿用于轴向上的测量，从而获得一种差动测量。本发明的另一个目的在于，提供一种能够在很大程度上克服上述缺陷的位置传感器。本发明所涉及的方法的特征在于，在轴上并基本上在嵌齿环的位置处设置一个辅助环，所述嵌齿环设有至少三组嵌齿，其中第一组嵌齿用于测量轴在径向上的移动，第二组嵌齿和第三组嵌齿用于测量轴在轴向上的移动，第二组嵌齿和第三组嵌齿被设置在轴向上并且相互之间至少部分地处于不同的位置处。本发明所涉及的位置传感器的特征在于，所述轴包括一个基本上被置于嵌齿环的位置处的辅助环，所述嵌齿环设有至少三组嵌齿，其中第一组嵌齿用于测量轴在径向上的移动，第二组嵌齿和第三组嵌齿用于测量轴在轴向上的移动，第二组嵌齿和第三组嵌齿被设置在轴向上并且相互之间至少部分地处于不同的位置处。本发明所基于的思想是，位置传感器是由嵌齿环制成的，所述嵌齿环被设置在转子的周围，所述转子设有一个电特性和/或磁性不同于转子轴的其他结构的部分，设置用于在轴向上进行测量的嵌齿，在轴向上、在至少两个位置处能够进行差动测量。