基於磁體的轉角測量系統的製作方法

2023-10-23 09:26:52 4

本發明涉及一種用於檢測傳動軸的轉動的、基於磁體的轉角測量系統，其具有帶軸向的第一軸端區域的傳動軸、在第一軸端區域上與傳動軸抗扭地連接的激勵器單元、靜止的傳感器單元，所述傳感器單元為了檢測傳動軸的轉動而與激勵器單元在功能上配合作用。

這種轉角測量系統用於測量軸的轉動，並且通常也稱為角度測量裝置，轉角傳感器或旋轉編碼器。它們特別用於控制和監視機器和車輛。在此，非接觸式轉角測量系統、例如電或磁感應系統，起著特殊的作用，因為它們由於無磨損的傳感技術而具有很長的使用壽命。在基於磁體的轉角系統中、尤其在磁式多圈絕對值編碼器中，藉助測量單元感應式地檢測軸的旋轉，其中，所述測量單元尤其包括旋轉的激勵器單元、如永磁體，和具有至少一個傳感器、例如霍爾和/或韋根傳感器的靜止的傳感器單元。為此，測量單元大多布置在待監測的軸的軸向的第一軸端區域上或者說待監測的軸的自由端上。

然而，在基於磁體的轉角測量系統直接布置或者說安裝在傳動軸上、尤其在電動機/發電機或磁式制動器的傳動軸上時，經常出現輕微的測量誤差。這種測量誤差大多由從外部作用於轉角測量系統上的幹擾引起。這樣的幹擾例如是在電動機或電磁製動器的運行中傳動軸被磁化而產生的磁場，並且該磁場通過通常由鋼製成的軸傳遞，並且最終在轉角測量系統上改變由激勵器單元形成的旋轉磁場，從而在傳感器單元中引起測量誤差。因此，為了改善測量精度需要避免轉角測量系統中的這種幹擾。

由專利文獻de3813610a1已知具有掃描裝置的角度測量裝置，其中，掃描裝置相對於電的幹擾因素被屏蔽。為此，掃描裝置在殼體中電絕緣地固定並且與評估單元的接地電勢連接。此外，殼體與驅動單元電接觸，使得源自驅動單元的控制件的幹擾信號不會對測量值產生負面影響。

然而，在此的缺點是磁感應幹擾因素沒有被屏蔽，並且因此尤其在基於磁體的角度測量系統中在傳感器單元中仍然引起測量誤差。此外，用於角度測量裝置的屏蔽的裝置構造得非常複雜並且包括大量的部件。

因此，本發明要解決的技術問題在於提供一種用於檢測傳動軸的轉動的轉角測量系統，其實現精確且無幹擾的測量，具有緊湊的構造並且易於安裝。

上述技術問題按照本發明通過具有權利要求1的特徵的轉角測量系統解決。

根據本發明，至少第一軸端區域由不導磁的或僅微弱導磁(gering-)的材料、例如黃銅或鈦製成。傳動軸可以至少部分地構成為實心軸並且在其軸向的延伸長度上可以具有不同的導磁性，例如傳動軸可以在朝向測量單元的軸向的第一軸端區域中不導磁，在相對的、背離測量單元的第二軸端區域中能導磁地構成。通過在第一軸端區域中構造不導磁的或微弱導磁的材料，可以至少在布置有測量單元的自由端的區域中防止傳動軸中感應的磁場的繼續傳導。尤其可以以此防止沿軸向通過傳動軸的磁幹擾的傳遞，並且由此可以使得測量單元被磁屏蔽。此外，傳動軸中感應的磁場在相應於第一軸端區域的軸向長度的相對測量單元的確定的軸向的距離中就可以被集中在傳動軸中並且導出。尤其地，可以藉助屏蔽體實現徑向向外導出在傳動軸中產生的磁場。因此，傳動軸可以在第一軸端區域中近似完全磁絕緣，使得該區域特別適於把測量單元聯接在傳動軸上。

基本上傳動軸可以是一體構造的軸。在特別優選的設計方案中，傳動軸構造為兩件式或多件式，使得傳動軸在其軸向的縱向擴展上由多個分開構造的軸件構成。因此，傳動軸可以以相當簡單的方式在其軸向長度上具有不同的導磁性。尤其地，傳動軸在朝向測量單元的軸向的區域中可以具有比背離測量單元的軸向的區域中更低的導磁性和/或導電性。為了連接單個軸件，其可以相互嵌接和/或通過輔助器件相互固定。

特別優選的是，傳動軸包括單獨構造的第一軸件和單獨構造的第二軸件。在此，第一軸端區域優選地通過第一軸件構成，使得第一軸件不具有或僅具有小的導磁性。為此，第一軸件例如由黃銅製成。相反地，第二軸件可以是易導磁的並且例如由鋼製成。因此，第二軸件可以是比較低成本的、常用的傳動系的標準軸。

單個軸件可以同軸地相互連接。為了特別穩定和抗彎地連接兩個軸件，第一軸件和第二軸件可以至少部分地徑向重疊。尤其地，第一軸件可以具有軸向地突出的軸頸或耦連部段，其被第二軸件至少部分地徑向地包圍，或者說其可以軸向地推入第二軸件的相應的凹部中。以此實現連接穩定性提高以及對第一軸件至少區域式的軸向和徑向的磁屏蔽。第二軸件當然也可以具有插入到第一軸件的相應凹部中的軸向地突出的軸頸。

優選地，第一軸件和第二軸件抗扭地相互連接。兩個軸件的相互定位或固定優選通過摩擦焊接進行。第二軸件的轉動以此可以直接傳遞到第一軸件上，實現精確地測量傳動軸的轉動。因此，第一軸件和第二軸件可以尤其材料配合地相互連接，例如通過在軸件的相對的軸向端面上的摩擦焊接。備選地或者額外地，第一軸件和第二軸件可以形狀配合地相互連接，例如通過插接式連接，其中，軸件可以至少部分地徑向重疊，並且如通過徑向插入的平頭螺釘固定。此外，第一軸件和第二軸件可以摩擦配合地相互連接，例如通過花鍵和/或螺栓連接。此外，也可以是上述連接方式的組合。因此，可以實現轉角測量系統的特別穩定和緊湊的結構。

在本發明的一個設計方案中，第一軸端區域通過固定裝置構成，尤其通過不導磁的螺栓構成。例如，固定裝置由鈦或黃銅製成，使得可以防止在傳動軸或軸部段中感應的磁場通過固定裝置傳遞到激勵器單元。固定裝置可以用於將激勵器單元與傳動軸連接或者說固定在傳動軸上。為此，固定裝置有利地布置在傳動軸的朝向測量單元的端側的端部上。為了把激勵器單元固定在傳動軸上和為了避免不期望的從傳動軸沿激勵器單元的方向的磁幹擾傳遞，可以在傳動軸的軸向的端部上在激勵器單元和傳動軸之間額外地設置距離保持件或者說間隔套筒，距離保持件或者說間隔套筒由不導磁的材料製成。固定裝置可以與傳動軸尤其抗扭地連接。為了布置例如構造為軸向螺栓的固定裝置，可以在傳動軸中構造孔，其中，所述孔優選地與傳動軸同軸地並且具有與螺栓對應的螺紋。激勵器單元以此可以以比較簡單的方式安裝在傳動軸的自由端上。附加地或者備選地，可以規定激勵器單元粘接在傳動軸上。轉角測量系統以此可以特別緊湊和廉價。

尤其優選的是配設屏蔽體，其具有至少在軸向的部段中徑向地包圍傳動軸的軸向的筒形部段，其中，在屏蔽體和傳動軸之間構成定義的氣隙。至少在該軸向的部段的局部區域中、特別是在第二軸件上使得傳動軸能導磁地製成、例如由鋼製成。屏蔽體優選地由特別能導磁的材料製成，以便有效地導出存在於傳動軸中的磁場。傳動軸和屏蔽體之間的徑向距離在軸向的長度上是不變的。以此可以實現從傳動軸沿屏蔽體的方向的大面積的均勻的磁場傳遞。此外，在安裝時屏蔽體可以以相當簡單的方式安裝在傳動軸上。屏蔽體可以被構造成靜止的、特別是構造為至少測量單元的外殼體。因此，在轉角測量系統的旋轉的部件中產生的磁場可以在傳遞位置上向至少一個靜止的部件、尤其向屏蔽體上傳遞。以此可以增大用於屏蔽的面，而不需要額外的轉動的部件和由此導致的傳動軸上的過重。此外，可以提供相對外部產生的磁場的有效屏蔽。

屏蔽體具有至少一個軸向的支承部段，傳動軸的軸承貼靠在該支承部段上。屏蔽體例如具有凸肩，傳動軸的軸承貼靠在該凸肩上。以此實現測量單元或者說轉角測量系統相對於傳動軸的精確定向和節省空間的結構。

屏蔽體具有至少一個凸肩，傳感器單元和/或殼體固定在該凸肩上。例如，在屏蔽體上可以構造帶有螺栓孔型的凸緣，具有對應的配合凸緣和對應的螺栓孔型的殼體藉助螺栓固定在屏蔽體上。屏蔽體本身例如可以通過該凸肩或者其他凸肩例如在機器側確定。此外，在屏蔽體上可以設置用於固定傳感器單元的凸肩或連接件。屏蔽體尤其具有傳感器支架可以軸向地裝入和固定的凸肩。因此，一方面可以把轉角測量系統的組件相互定向，使得在轉動的和靜止的組件之間構成的氣隙可以相當小，另一方面，轉角測量系統可以相當節省空間地構造。

優選地，配設至少部分地包圍轉角測量系統的殼體或者殼體蓋。測量單元和屏蔽體尤其可以被殼體軸向地和/或徑向地包圍。殼體優選由鋼製成。以此實現測量單元或轉角測量系統相對於幹擾的特別有效的屏蔽，所述幹擾在外部出現在轉角測量系統上並且會負面影響轉角測量系統。

殼體優選能軸向地安裝在屏蔽體上。優選地，殼體構造為能軸向地安裝在轉角測量系統、尤其測量單元上的器皿式部件。以此實現有效屏蔽以及轉角測量系統的相當簡單的安裝。

激勵器單元可以具有磁體支架，磁體支架帶有至少一個固定在其上的磁體。尤其在布置兩個單獨構造的磁體時，尤其配設磁體支架。以此實現激勵器單元相當簡單和低成本地製造和安裝。磁體支架是優選不導磁的、平面式構造的盤件。以此導致雙重屏蔽，其精確確定磁場系統，以此保證在傳感器上、尤其在韋根傳感器的磁比例並且實現傳感器的多圈功能。

在本發明的其他設計方案中，激勵器單元通過磁鐵或磁體構成。磁體構造為沿直徑磁化的圓形磁體。以此可以省掉單獨構造的磁體支架，並且轉角測量系統可以非常緊湊地構成。

激勵器單元、尤其磁體支架或磁體本身，可以藉助粘接直接固定在傳動軸的第一軸端區域上。激勵器單元尤其可以粘接在傳動軸的軸向的端側上。在此設計方案中，第一軸端區域優選地通過不導磁的軸件構成。通過把激勵器單元直接粘接在傳動軸上，轉角測量系統可以非常緊湊地構成。

為了提高激勵器單元和傳動軸的連接的強度和/或為了確保激勵器單元相對於傳動軸不轉動，在第一軸端區域上在傳動軸上設置凹部，激勵器單元、尤其磁體支架或磁體至少部分地安裝在所述凹部中。備選地，在第一軸端區域上在傳動軸上設置外輪廓體，激勵器單元可以至少部分地安裝在外輪廓體上。凹部或者說外輪廓體可以同軸地吧並且筒形地或成角度地構造在傳動軸上。凹部或者說外輪廓體尤其用於增大用於粘接面的表面積。此外，凹部或外輪廓體成角度地構造時，具有對應的成角度地構造的部件可以安裝在該凹部或外輪廓體中，通過形狀配合實現激勵器單元相對於傳動軸的抗扭強度。

下文根據三個優選實施方式並參照附圖進一步闡述本發明。

圖1示意性地示出根據本發明的轉角測量系統的第一實施方式的立體視圖，其中部件以分解圖示出，

圖2以側剖視圖示意性地示出了第一實施方式的局部，

圖3以側剖視圖示意性地示出轉角測量系統的根據本發明的第二實施方式的局部，

圖4以側剖視圖示意性地示出轉角測量系統的根據本發明的第三實施方式的局部。

圖1至圖3分別示出具有測量單元101的轉角測量系統100，所述測量單元能直接耦連在傳動軸1上。測量單元101尤其包括激勵器單元5和傳感器單元6，並且布置在傳動軸1的軸向的第一軸端區域13上。在所示的所有實施方式中，轉角測量系統100構造得基本相同，其中，單個實施方式之間的區別尤其是體現在傳動軸1的設計中。

傳動軸1通常構造為實心軸，在運行中其可以至少部分地被磁化。傳動軸1的這種磁化例如可以通過圖1至圖3中未示出的電機或通過磁式制動器進行。這些裝置、如電機，通常布置在傳動軸1的背離測量單元101的區域中、在此即在軸件12上。為了避免可能由傳動軸1的磁化引起的測量誤差，測量單元101需要相對於這種磁場被屏蔽。在此，這種屏蔽尤其通過傳動軸1的設計以及通過布置屏蔽體3實現，以此把不期望的磁場有效地從測量單元101引開。

屏蔽體3是構造為筒形的、靜止的、並且由導磁材料製成，例如由鐵或鋼製成。屏蔽體3至少在部分區域中包圍傳動軸1。在傳動軸1和屏蔽體3之間構造確定的徑向的距離，使得傳動軸1能夠在屏蔽體3的內部自由轉動，並且實現從傳動軸1向屏蔽體3上的磁場傳遞。為此，屏蔽體3具有包圍傳動軸1的、內部徑向的傳輸面35。以此可以以相當簡單的方式把傳動軸1中感應的磁場從傳動軸1徑向向外向屏蔽體3傳輸並且繼續向殼體4內傳輸。屏蔽體3具有在內部的軸向的凸肩以及與該凸肩相接的軸向的筒形部段31，該筒形部段至少部分地徑向地圍繞內部空間，激勵器單元5布置在該內部空間中。以此能特別有效地把激勵器單元5相對磁幹擾屏蔽。在屏蔽體3的徑向的外側面上設置凸緣32，凸緣32用於把殼體4固定在屏蔽體3上和/或用於把整個轉角測量系統100固定在未示出的機器上。此外，屏蔽體3可以具有(尤其如圖1所示)軸向的支承部段34，傳動軸1的軸承14貼靠在支承部段34上。以此實現測量單元101相對於傳動軸1的精確定向。

激勵器單元5包括磁體支架50，兩個永磁體51a、51b固定在磁體支架50上。激勵器單元5通過固定器件2、在此通過螺栓抗扭地與傳動軸1、尤其與傳動軸1的不導磁的第一軸件11連接。磁體51a、51b以此可以在運行中形成相應於傳動軸1的轉動的旋轉磁場，該旋轉磁場能被傳感器單元6檢測。為了有效地避免磁場向磁體支架50上的傳遞，螺栓2優選由不導磁的材料製成。

傳感器單元6是靜止的並且尤其包括固定在傳感器支架62上的傳感器61，例如霍爾和/或韋根傳感器。傳感器61適用於檢測傳動軸1的所有轉動。傳感器單元6還可以包括未示出的電子處理設備。傳感器支架62被設計為圓形的盤件，其在安裝狀態中貼靠在屏蔽體3的凸肩33上。傳感器支架62以此構成布置在屏蔽體3內部的激勵器單元5的蓋。

最後，靜止的殼體4不僅包圍屏蔽體3，而且還至少部分地包圍測量單元101。在此，殼體4是筒形地構造的，並且可以以簡單的方式安裝在屏蔽體的筒形部段31上並且藉助未示出的螺栓固定在屏蔽體3的凸緣32上。殼體4由鋼製成，使得磁場可以從屏蔽體3向殼體4中傳遞。以此實現測量單元101的特別有效的磁屏蔽。

圖1和圖2中示出了本發明的第一實施例，其中，傳動軸1至少兩件式地構造。尤其地，傳動軸1通過單獨構成的第一軸件11和單獨構成的第二軸件12構成，其中，軸件11、12抗扭地相互固定。

第一軸件11布置在朝向測量單元101的第一軸端區域13中，第一軸件11是非磁性的並且相對於第二軸件12構造得明顯更短。第二軸件12布置在背離測量單元101的第二軸端區域上並且是導磁的。第二軸件12在此可以軸向地延伸至未示出的電機或磁式制動器中。

第一軸件11以背離測量單元101的端側面11b貼靠在第二軸件12的朝向測量單元101的端側面12a上，其中，端側面11b，12a在此藉助摩擦焊接相互固定。第一軸件11和第二軸件12分別具有相同的外直徑並且相互同軸地定向，使得兩個軸件11、12構成基本上沒有軸向的凸肩的完整的傳動軸1。傳動軸1以此可以以相當簡單的方式安裝。

在附圖中所示的實施方式中，第一軸件11構造為實心軸。在朝向測量單元101的端側11a上(磁體支架50在此貼靠在第一軸件11上)，第一軸件11具有同軸的凹部15，在圖1中該凹部15由筒形孔構成。孔15中構成用於容納螺栓2的螺紋。螺栓2延伸穿過磁體支架50直至傳動軸1的第一軸件11中，使得激勵器單元5固定在傳動軸1上。螺栓2(以及第一軸件11)由不導磁或微弱導磁的材料製成。例如，第一軸件11和/或螺栓2具有鈦鋁釩合金，使得傳動軸1的軸端區域13中在傳動軸1的第二軸件12中感應的磁場不通過第一軸件11和/或螺栓2繼續傳遞。

在本發明的未示出的備選設計方案中，第一軸件11在其軸向的延伸長度中構造為空心的，即構造為套筒。在這種情況下，孔15構造在第二軸件12的朝向第一軸件11的端側12a中，使得螺栓2延伸穿過磁體支架50、構造為套筒的第一軸件11直至第二軸件12中。在此，在螺栓2和套筒之間構造徑向的距離。在此設計方案中，為了提高穩定性，第一軸件11的外直徑優選小於第二軸件12的外直徑。

圖3中示出了本發明的第二設計方案，其基本上相應於參照圖1和圖2所述的設計方案，其中，為了提高穩定性，在第一軸件11和第二軸件12之間的連接位置上布置額外的軸頸連接。尤其地，第一軸件11在朝向第二軸件12的軸向的端側11b上具有軸向地突出的軸頸16，該軸頸插入構造在第二軸件12上的對應的凹部17。在圖3中，軸頸16和與其對應的凹部17是筒形地構造的並且同軸地構造在相應的軸件11、12上。軸頸16和凹部17備選地也可以以其他方式、例如成角度地構造，和/或偏心地布置在相應的端側11b、12a上。配設平頭螺栓22用於使第一軸件11相對於第二軸件12固定，該螺栓在徑向的孔中至少部分地通過第二軸件12以及第一軸件11的軸頸16延伸。當然，軸頸16也可以布置在第二軸件12上，並且在第一軸件11中布置對應的凹部17。

圖4示出了本發明的另一個設計方案，其基本上相應於圖1至圖3中所示的設計方案之一，其中，在此設計方案中，激勵器單元5僅通過一個唯一的磁體51a構成，並且直接布置在朝向測量單元101的端側11a上在傳動軸1的軸端區域13上。磁體51a尤其構造為沿直徑磁化的圓形磁體，並且在不導磁的軸件11的軸向的端部上通過粘接固定在傳動軸1上。為了提高強度，磁體51a額外地以軸向地突起的磁體軸頸52至少部分地插入構造在傳動軸1上的凹部15中。在圖4中，磁體軸頸52和與其對應的凹部15構造為筒形並且同軸地構造。磁體軸頸52和凹部15也可以以其他方式、例如成角度地構造，和/或偏心地布置在磁體51a和傳動軸1上。以此尤其可以實現磁體51a相對於傳動軸1的抗扭可靠性。備選地，例如構造為沿直徑磁化的圓形磁體的整個磁體51a，可以軸向地插入對應的凹部15。在此，可以省掉軸向突起的磁體軸頸。在本發明參照圖4所示和/或所述的實施方式中，尤其可以省掉單獨構成的磁體支架以及用於把磁體51a固定在傳動軸1上的螺栓。

因此，用所述轉角測量系統100實現精確和無幹擾的測量，相當簡單和緊湊的構造以及簡易的組裝。

附圖標記列表

100轉角測量系統

101測量單元

1傳動軸

11第一軸件

11a端側

11b端側

12第二軸件

13第一軸端區域、第一自由端

14軸承

15凹部、帶有螺紋的孔

16軸頸

17凹部

2固定裝置、螺栓

21螺栓

22螺栓

3屏蔽體

31筒

32凸肩、連接件、凸緣

33凸肩、連接件、凸緣

34支承部段

35徑向的傳輸面

4殼體

5激勵器單元

50磁體支架

51a永磁體、磁體

51b永磁體、磁體

52磁體軸頸

6傳感器單元

61傳感器

62傳感器支架

權利要求書(按照條約第19條的修改)

1.一種用於檢測傳動軸(1)的轉動的、基於磁體的轉角測量系統(100)，具有：

帶軸向的第一軸端區域(13)的傳動軸(1),

在第一軸端區域(13)上與傳動軸(1)抗扭地連接的激勵器單元(5),和

靜止的傳感器單元(6)，所述傳感器單元為了檢測傳動軸(1)的轉動而與激勵器單元(5)在功能上配合作用，

其中，

至少第一軸端區域(13)由不導磁或微弱導磁的材料製成。

2.按照權利要求1所述的基於磁體的轉角測量系統(100)，

其中，

傳動軸(1)構造為至少兩件式的。

3.按照權利要求1或2所述的基於磁體的轉角測量系統(100)，

其中，

所述傳動軸(1)具有單獨構造的第一軸件(11)和單獨構造的第二軸件(12)，其中，第一軸端區域(13)通過第一軸件(11)構成。

4.按照權利要求3所述的基於磁體的轉角測量系統(100)，

其中，

第一軸件(11)和第二軸件(12)至少部分地徑向重疊。

5.按照權利要求3或4所述的基於磁體的轉角測量系統(100)，

其中，

第一軸件(11)和第二軸件(12)抗扭地相互連接。

6.按照上述權利要求之一所述的基於磁體的轉角測量系統(100)，

其中，

第一軸端區域(13)通過固定裝置(2)構成。

7.按照上述權利要求之一所述的基於磁體的轉角測量系統(100)，

其中，

設置屏蔽體(3)，所述屏蔽體具有至少在軸向的部段中徑向地包圍傳動軸(1)的軸向的筒形部段(31)，其中，在屏蔽體(3)和傳動軸(1)之間構成定義的氣隙(36)。

8.按照權利要求7所述的基於磁體的轉角測量系統(100)，

其中，

所述屏蔽體(3)具有軸向的支承部段(34)，傳動軸(4)的軸承(14)貼靠在所述支承部段上。

9.按照權利要求7或8所述的基於磁體的轉角測量系統(100)，

其中，

所述屏蔽體(3)具有至少一個凸肩(32、33)，傳感器單元(6)和/或殼體(4)能固定在所述凸肩上。

10.按照上述權利要求之一所述的基於磁體的轉角測量系統(100)，

其中，

配設殼體(4)，所述殼體至少部分地包圍所述轉角測量系統(100)。

11.按照權利要求10所述的基於磁體的轉角測量系統(100)，

其中，

所述殼體(4)能軸向地安裝在屏蔽體(3)上。

12.按照上述權利要求之一所述的基於磁體的轉角測量系統(100)，

其中，

所述激勵器單元(5)具有磁體支架(50)，所述磁體支架(50)帶有至少一個固定在磁體支架(50)上的磁體(51a、51b)。

13.按照權利要求1至11之一所述的基於磁體的轉角測量系統(100)，

其中，

所述激勵器單元(5)通過磁體(51a)構成。

14.按照上述權利要求之一所述的基於磁體的轉角測量系統(100)，

其中，

所述激勵器單元(5)藉助粘接固定在傳動軸(1)的第一軸端區域(13)上。

15.按照上述權利要求之一所述的基於磁體的轉角測量系統(100)，

其中，

所述傳動軸(1)在第一軸端區域(13)上具有凹部(15)，所述激勵器單元(5)至少部分地嵌入在所述凹部中。