角度位置傳感器的制作方法

專利名稱：角度位置傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種傳感器裝置，特別是涉及一種線性范圍廣且線性度良好的角度位置傳感器裝置。
背景技術：
角度位置傳感器作為一種重要的傳感器裝置，在汽車以及其它機電控制領域中具有廣泛的應用，而其線性范圍與線性度的改進一直是其領域技術人員所致力研究的課題。比較常見的一種角度位置傳感器是利用磁感應元件來檢測磁場變化，進而轉變為與角度位置相對應的電信號輸出。為了提高其輸出相對于被測物體轉動角度的線性度以及擴大線性范圍，其領域技術人員進行了大量的研究，獲得了各種磁路設計方案。
例如，于1999年1月19日公開的美國專利說明書US-5861745A便揭示了一種角度測量裝置，其利用徑向充磁的環形磁鐵與被測物體一起轉動來獲得大于180°的完全線性范圍。然而，在這種方案中，所需的線性范圍越廣，使用的環形磁鐵就越大，如此，增加了原材料的成本；同時，》茲^^材料較其它金屬材料的加工難度更高，尤其是此方案中采用了相對復雜的環形磁鐵，其在加工與定位時精度較難保證，增加了生產過程中的工藝成本。

實用新型內容
本實用新型所要解決的技術問題是提供一種角度位置傳感器，使其在保證良好線性度的同時具備更為簡單的制造工藝與更為低廉的生產成本。
為了解決以上技術問題，本實用新型提供一種角度位置傳感器，包括轉子芯；定子芯，圍繞上述轉子芯同軸而設，其中上述轉子芯與定子芯之間形成有均勻分布的環狀第一氣隙，將該第一氣隙沿轉子芯徑向方向的尺寸稱為第一氣隙的寬度，則所述第一氣隙的寬度與轉子芯直徑大小之比大于或等于1: 5。
4進一步的，所述轉子芯內具有第二氣隙，且該第二氣隙內設有硬磁體；所述定子芯內具有第三氣隙，且該第三氣隙內設有磁通量傳感元件。
進一步的，所述第二氣隙沿轉子芯某一直徑方向上成直線型設計，且將所述第二氣隙沿該直徑方向上的尺寸稱為其長度，將所述第二氣隙沿轉子芯徑向方向的尺寸稱為其的寬度。
進一步的，所述第二氣隙的長度與寬度之比大于或等于5: 1。
進一步的，所述第二氣隙內充滿硬》茲體。
進一步的，所述第一氣隙的寬度與第二氣隙寬度之比大于或等于2: 1。
進一步的，所述第二氣隙平行于上述直徑且位于直徑的一側。
進一步的，所述第二氣隙包括第一部分與第二部分，其平行于上述直徑且
位于該直徑的兩側。
進一步的，上述第一部分與第二部分內分別設有硬磁體，且所述硬磁體的
磁極^L置方向一致。
進一步的，所述第二氣隙位于上述直徑所在處。
進一步的，所述第二氣隙內對稱于轉子芯軸心設有兩個硬磁體，且該兩個硬》茲體的磁極設置方向 一致。
進一步的，所述第二氣隙中間設有一個硬磁體。
進一步的，所述第二氣隙包括三個部分，均勻分布于轉子芯的三個徑向方
向，且其中兩個部分內分別設有第一硬磁體與第二硬磁體。
進一步的，所述第 一硬磁體與第二硬磁體的磁極設置方向相反。進一步的，所述第二氣隙位于轉子芯某一直徑處，且成梭形設計。進一步的，所述轉子芯包括多個轉子部，且相鄰兩轉子部之間形成有上述
第二氣隙。
進一步的，所述定子芯包括多個定子部，且相鄰兩定子部之間形成有上述第三氣隙。
進一步的，所述轉子芯與定子芯由軟磁材料制成。
綜上所述，本實用新型利用硬磁體與轉子芯的組合來替代現有技術中環形磁鐵的設計方案，在較寬范圍內獲得了良好的線性度。與現有技術相比，易于裝配，且無需加工難度較大的環形磁鐵，降低了成本，簡化了工藝。且通過改變氣隙與硬磁體的尺寸，可在較寬范圍內使磁通量傳感元件處的磁通量密度關于旋轉角度成線性關系，從而獲得了較廣的線性范圍與較佳的線性度，且增加了轉子芯與定子芯構造的靈活性。


圖1為本實用新型實施例一所提供的角度位置傳感器的結構示意圖；圖2為圖1中轉子芯1與第一氣隙3的截面放大示意圖；圖3為本實用新型實施例一所提供的角度位置傳感器的磁場分布圖；圖4為本實用新型實施例二所提供的角度位置傳感器的結構示意圖；圖5為本實用新型實施例三所提供的角度位置傳感器的結構示意圖；圖6為本實用新型實施例四所提供的角度位置傳感器的結構示意圖；圖7為本實用新型實施例五所提供的角度位置傳感器的結構示意圖；圖8為本實用新型實施例六所提供的角度位置傳感器的結構示意圖；圖9為根據本實用新型一實施例所獲得的磁感應強度與旋轉角度的關系示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、特征更明顯易懂，
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進一步的說明。實施例一
請參考圖1，其為本實用新型實施例一所提供的角度位置傳感器的結構示意圖。如圖所示，該角度位置傳感器包括轉子芯1與圍繞該轉子芯1同軸而設的定子芯2，且轉子芯1與定子芯2之間形成有第一氣隙3。其中，轉子芯l內具有第二氣隙10,以于其內設置硬磁體12，使得該硬磁體12與轉子芯1、定子芯2共同構成磁路。同時，定子芯2內形成有第三氣隙20，磁通量傳感元件4設置于其中，以測量磁通量并將其轉換為電信號。
在此種磁路設計的情況下，硬磁體12與轉子芯1、定子芯2共同構成磁路，而使得轉子芯1外部磁場的分布情況與采用環形磁鐵構成磁路的效果相近。進一步研究發現，第一氣隙3相對于轉子芯1的大小將影響磁場分布情況，即影響角度位置傳感器的線性范圍與線性度，下面結合圖2啦文詳細的說明。
請參考圖2，其為圖1中轉子芯1與第一氣隙3的截面放大示意圖。如圖，該第一氣隙3為均勻分布的環狀氣隙，且將其沿轉子芯1任一徑向方向的尺寸稱為第一氣隙的寬度H，其往往決定了第一氣隙3的大小(不考慮轉子芯1的厚度)；且圖中示出轉子芯的某一直徑D,其往往決定了轉子芯1的大小(不考慮轉子芯l的厚度)。經研究發現，在第一氣隙的寬度H與轉子芯直徑D之比大于或等于l: 5的情況下轉子芯l外部磁場的分布情況已能滿足需要，即在較寬的范圍內獲得了良好的線性度。進一步研究發現，隨著以上比例的增大，角度位置傳感器的線性度更優，但是4場強度會變弱，故在實際應用中，本領域技術人員可根據需求加以設置，通常這個比例小于l: 1。
請參考圖3，其示出了以上實施例中角度位置傳感器的磁場分布圖。從圖中可以看出，經過以上設置，通過第三氣隙20 (即磁通量傳感元件4 (參見圖1)所在處)的磁力線分布均勻(如虛線圓內所示)。則且當轉子芯1隨被測物體轉動時，轉子芯1相對于定子芯2轉動，硬磁體12也隨轉子芯1共同轉動；從而通過磁通量傳感元件4的磁通量隨之增加或減少，且在一定旋轉角度范圍內，該磁通量的改變強度與轉子芯1相對于定子芯2的轉動角度基本成線性關系。
通常，轉子芯1與定子芯2由多塊軟磁材料構成，以便于在其間形成氣隙。例如，在本實施例中，轉子芯1由兩塊軟磁材料構成，如此設計較為簡單，當然也可以選用三塊或更多，只要其外部磁場分布滿足要求即可。具體請參考圖1。轉子芯1由兩個轉子部11與13構成，其間形成第二氣隙10,且在第二氣隙10內填充硬》茲體12。而定子芯2在本實施例中采用了三塊軟磁材料，即由三個定子部21、 23、 25構成，從而于相鄰兩定子部之間形成第三氣隙20，磁通量傳感元件4便固定于該第三氣隙20中。同樣，定子部的個數也不限定于此，其可為兩個或多于三個，從而相應的放置兩個或更多個磁通量傳感元件4，其視需要而定，并不影響本實用新型的實質。
另外，在以上描述中已經說明在合理的設置了第一氣隙的寬度H相對于轉子芯直徑D的比例的情況下，》茲通量傳感元件4所在處的磁力線分布均勻，使得角度位置傳感器在較寬的范圍內擁有良好的線性度。從而增加了轉子芯1與定子芯2構造的靈活性。具體將在以下實施例中加以說明。實施例二
請參考圖4，其為本實用新型實施例二所提供的角度位置傳感器的結構示意圖。如圖所示，其轉子芯la由三個轉子部lla、 13a和15a構成，從而于相鄰兩個轉子部之間形成第二氣隙。如圖該第二氣隙包括第一部分102與第二部分104，其平行于直徑Da且位于直徑Da的兩側，且第一部分102與第二部分104內設有硬磁體121a與123a,此時，硬磁體121a與123a的磁極設置方向一致(例如，硬磁體121a與123a的N極均垂直于紙面朝內，則S極均垂直于紙面朝外；或者與之相反)，以與轉子芯la、定子芯2a共同構成》茲路。另外，定子芯2a由兩個定子部21a和23構成，從而于其間形成第三氣隙20a,如圖，相應的，兩個磁通量傳感元件4a置放于第三氣隙20a中。
實施例三
請參考圖5，其為本實用新型實施例三所提供的角度位置傳感器的結構示意圖。如圖，其定子芯2b的構成與實施例二相同，在此不再贅述。而其轉子芯lb由兩個對稱的轉子部llb與13b構成，即第二氣隙10b位于直徑Db所在處。另外，第二氣隙10b中間位置設有一個硬磁體12b，以與轉子芯lb、定子芯2b共
同構成/f茲路。實施例四
請參考圖6，其為本實用新型實施例四所提供的角度位置傳感器的結構示意圖。如圖，其與轉子芯lc與定子芯2c與實施三的構造基本相同，唯一的區別在于第二氣隙10c內硬磁體的設置情況，即第二氣隙10c內設置有兩個硬磁體12c，其相對于轉子芯lc的軸心對稱設置，且其磁極設置方向一致，以與轉子芯lc、定子芯2c共同構成磁路。
在以上四個實施例中，第二氣隙沿轉子芯某一個直徑方向成直線型設計，如實施例一與實施例二中的第二氣隙平行于轉子芯的某一直徑；實施例三與四位于轉子芯某一直徑所在處。經研究發現，硬磁體的尺寸對于角度位置傳感器的線性度具有一定的影響，即硬磁體越細長，角度位置傳感器的線性度越好。而當第二氣隙內填充滿硬磁體時，硬磁體的尺寸便可以通過第二氣隙的尺寸來設定。將第二氣隙沿上述直徑方向上的尺寸稱為其長度，且將第二氣隙沿轉子芯徑向方向的尺寸稱為其寬度。為了方便說明，以實施例一為例，具體請參考圖2:第二氣隙IO平行于轉子芯的直徑D且位于直徑D的一側，將其沿該直徑方向X上的尺寸稱為其長度L，將其沿轉子芯徑向方向Y的尺寸稱為其寬度S。經研究發現，第二氣隙10的長度L與寬度S之比大于或等于5: 1，即在此截面內，硬磁體12的長寬比大于或等于5: 1時，角度位置傳感器的線性度便可以滿足要求。另外，硬磁材料的長寬比例越大，角度位置傳感器的線性度越好，但由于實際生產工藝的限制，其比例滿足需要即可，例如12: 1。
進一步研究發現，第一氣隙3的寬度H與第二氣隙IO的寬度S之比，對于角度位置傳感器的線性度也具有一定的影響，即此寬度比越大，角度位置傳感器的線性度越好。但實際應用中，第一氣隙3的寬度H已足夠小，通常為幾毫米(例如4毫米)，故考慮到工藝實施難度，此比例不能無限大。經研究，此比例等于2: 1時，即可滿足需要，故第一氣隙3的寬度H與第二氣隙IO的寬度S之比大于或等于2: 1。
實施例五
請參考圖7，其為本實用新型實施例五所提供的角度位置傳感器的結構示意圖。本實施例的定子芯2d構造情況與實施例一相同，在此不再贅述。區別在于轉子芯ld的構造情況其由三個轉子部lld、 13d和15d構成，其間形成第二氣隙。故該第二氣隙包括三個部分101、 103與105,其均勻分布于轉子芯ld的三個徑向方向，且其中兩個部分103與105內分別設有第一硬》茲體121d與第二硬磁體122d,以與轉子芯ld、定子芯2d共同構成磁路。另外，第一硬磁體121d與第二硬》茲體122d的》茲極i殳置方向相反，以避免石茲力線于轉子芯ld內部閉合的情況出現。
實施例六
請參考圖8,其為本實用新型實施例六所提供的角度位置傳感器的結構示意圖。在本實施例中，第二氣隙10e主要在形狀上區別于以上實施例，即其為位于轉子芯le某一直徑處的梭形氣隙。其內充滿硬磁體12e,以與轉子芯le、定子芯2e共同構成磁路。此實施例進一步說明了，在合理的設置了第一氣隙的寬度H相對于轉子芯直徑D的比例的情況下，轉子芯的設計更具有靈活性，即使對第二氣隙的形狀略作改動，磁通量傳感元件所在處的磁力線分布仍具有較佳
的均勻性，使得角度位置傳感器在較寬的范圍內擁有良好的線性度。可見，在本實用新型的實施例中，利用碩 磁材料與軟磁材料一定形式的組合來代替現有技術中環形磁鐵的設計，得到了與環形磁鐵近似的外部磁場效果，且其效果可通過改變氣隙與硬磁材料的尺寸獲得進一步的優化，使得在較寬范圍內，磁通量傳感元件處的磁通量密度與轉子芯相對于定子芯旋轉角度成正比，進而獲得較佳的線性度。
如圖9所示，其為根據本實用新型一實施例所獲得的磁感應強度與旋轉角度的關系示意圖。如圖所示，磁感應強度B關于旋轉角度A在60。到300°之間獲得了較佳的線性度，且其達到了大于180。的完全線性范圍。
以上僅為舉例，并非用以限定本實用新型，本實用新型的保護范圍應當以權利要求書所涵蓋的范圍為準。
權利要求1. 一種角度位置傳感器，其特征是，包括轉子芯；定子芯，圍繞上述轉子芯同軸而設，其中上述轉子芯與定子芯之間形成有均勻分布的環狀第一氣隙，將該第一氣隙沿轉子芯徑向方向的尺寸稱為第一氣隙的寬度，則所述第一氣隙的寬度與轉子芯直徑大小之比大于或等于15。
2. 根據權利要求l所述的角度位置傳感器，其特征是，其中所述轉子芯內具有第二氣隙，且該第二氣隙內設有硬磁體；所述定子芯內具有第三氣隙，且該第三氣隙內設有磁通量傳感元件。
3. 根據權利要求2所述的角度位置傳感器，其特征是，其中所述第二氣隙沿轉子芯某一直徑方向上成直線型設計，且將所述第二氣隙沿該直徑方向上的尺寸稱為其長度，將所述第二氣隙沿轉子芯徑向方向的尺寸稱為其的寬度。
4. 根據權利要求3所述的角度位置傳感器，其特征是，其中所述第二氣隙的長度與寬度之比大于或等于5: 1。
5. 根據權利要求4所述的角度位置傳感器，其特征是，其中所述第二氣隙內充滿石更,茲體。
6. 根據權利要求3所述的角度位置傳感器，其特征是，其中所述第一氣隙的寬度與第二氣隙寬度之比大于或等于2: 1。
7. 根據權利要求3所述的角度位置傳感器，其特征是，其中所述第二氣隙平行于上述直徑且位于直徑的一側。
8. 根據權利要求3所述的角度位置傳感器，其特征是，其中所述第二氣隙包括第一部分與第二部分，其平行于上述直徑且位于該直徑的兩側。
9. 根據權利要求8所述的角度位置傳感器，其特征是，其中上述第一部分與第二部分內分別設有硬磁體，且所述硬磁體的磁極設置方向一致。
10. 根據權利要求3所述的角度位置傳感器，其特征是，其中所述第二氣隙位于上述直徑所在處。
11. 根據根據權利要求10所述的角度位置傳感器，其特征是，其中所述第二氣隙內對稱于轉子芯軸心設有兩個硬磁體，且該兩個硬磁體的磁極設置方向一致。
12. 根據根據權利要求IO所述的角度位置傳感器，其特征是，其中所述第二氣隙中間i殳有一個硬磁體。
13. 根據權利要求2所述的角度位置傳感器，其特征是，其中所述第二氣隙包括三個部分，均勻分布于轉子芯的三個徑向方向，且其中兩個部分內分別i殳有第 一硬磁體與第二硬磁體。
14. 根據權利要求13所述的角度位置傳感器，其特征是，其中所述第一硬磁體與第二硬磁體的磁極設置方向相反。
15. 根據權利要求2所述的角度位置傳感器，其特征是，其中所述第二氣隙位于轉子芯某一直徑處，且成梭形設計。
16. 根據權利要求2所述的角度位置傳感器，其特征是，其中所述轉子芯包括多個轉子部，且相鄰兩轉子部之間形成有上述第二氣隙。
17. 根據權利要求2所述的角度位置傳感器，其特征是，其中所述定子芯包括多個定子部，且相鄰兩定子部之間形成有上述第三氣隙。
18. 根據權利要求l所述的角度位置傳感器，其特征是，其中所述轉子芯與定子芯由軟磁材料制成。
專利摘要本實用新型揭露了一種角度位置傳感器，包括轉子芯；定子芯，圍繞上述轉子芯同軸而設，其中上述轉子芯與定子芯之間形成有均勻分布的環狀第一氣隙，將該第一氣隙沿轉子芯徑向方向的尺寸稱為第一氣隙的寬度，則所述第一氣隙的寬度與轉子芯直徑大小之比大于或等于1∶5。可見本實用新型利用硬磁體與轉子芯的組合來替代現有技術中環形磁鐵的設計方案，在較寬范圍內獲得了良好的線性度。與現有技術相比，易于裝配，且無需加工難度較大的環形磁鐵，降低了成本，簡化了工藝。
文檔編號G01B7/30GK201281584SQ200820153120
公開日2009年7月29日 申請日期2008年9月17日 優先權日2008年9月17日
發明者舜 張, 王春健, 雁 陳 申請人:聯合汽車電子有限公司