CN111656142A - 对目标的缺陷有改善响应行为的非接触式径向位置传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定转子的径向位置的非接触式电磁传感器(1)，该非接触式电磁传感器(1)包括具有一个或更多个线圈的换能器(100)。激励电路连接至换能器以激发换能器。处理电路基于换能器信号得出指示转子的径向位置的至少一个位置信号。为了能够对由目标的缺陷引起的干扰信号进行简化的补偿，线圈对目标材料具有沿着周向方向正弦地变化的灵敏度。

Description

对目标的缺陷有改善响应行为的非接触式径向位置传感器
技术领域
本发明涉及用于确定转子的径向位置的非接触式电磁传感器、适于在这种非接触式电磁传感器中使用的换能器以及用于确定转子的径向位置的对应的方法。
背景技术
非接触式电磁传感器、特别是涡流传感器和感应传感器(也称为磁阻传感器)通常被用于监测悬浮在磁轴承装置中的转子的轴向位置、径向位置或角度(即，旋转)位置。
涡流传感器通常包括连接至激励电路和处理电路的换能器，该换能器包括至少一个检测线圈。激励电路在换能器中激发高频交流电流。高频电流产生交变电磁场，该交变电磁场在转子上的附近导电目标中感应出涡流。涡流使电磁场衰减并且在换能器中感应出反电动势(EMF)。这些效应会改变换能器的阻抗特性。这种阻抗变化由处理电路来检测，以提供换能器与目标之间的距离的指示。在US 6,664,782中公开了采用单个线圈用于激励和检测的涡流传感器***的示例。该文献还讨论了与单个线圈换能器相关联的若干一般问题。
在US 7,355,501 B2中公开了一种特别适于确定转子的径向位移的涡流传感器***。在该文献中，将激励线圈绕转子上的筒形目标卷绕以产生高频电磁场，并且将多个检测线圈安置在激励线圈附近以检测由目标中感应出的涡流引起的电磁场的位移。
感应传感器采用具有高磁导率的目标，例如，采用铁磁性目标或亚铁磁性目标。感应传感器的工作频率通常低于涡流传感器的工作频率，通常仅在几kHz的范围内。
在下文中，涡流传感器和感应传感器将被统称为非接触式电磁传感器。
在本领域中已知用于将非接触式电磁传感器的检测线圈连接至非接触式电磁传感器的激励电路和处理电路的许多可能性。WO 2015/052016 A1中提供了一个示例。该文献公开了一种非接触式电磁传感器装置，该非接触式电磁传感器装置包括布置在桥式电路中的两个检测线圈以及输入变压器或输出变压器的两个绕组，以将激励和检测分离开。
在本领域中还已经提出了采用非接触式电磁传感器以用于确定转子的角度位置。例如，US 2017/0292857公开了一种非接触式电磁传感器装置，该非接触式电磁传感器装置包括耦联至转子的盘形目标，该目标包括至少两个金属表面，所述至少两个金属表面由于涡流效应根据重叠度影响平面式的检测线圈的电感。该传感器装置包括产生正弦评估信号的评估单元。该传感器装置仅可以用于确定转子的角度位置；该传感器装置不适于确定径向位置。
US 9,470,505公开了用于确定转子的角度位置的另一种非接触式电磁传感器。线圈相对于旋转轴线布置成使得产生随转子的角度位置正弦地变化的信号。同样该传感器不适于确定转子的径向位置。
如果通过有源磁轴承使转子悬浮，则监测转子的径向位置特别重要，因为需要径向位置信息来控制磁轴承。当采用非接触式电磁传感器来确定转子的径向位置时，重要的是，目标以高精度关于旋转轴线旋转对称。诸如变形、缺口、划痕或凹痕之类的相对于完美的旋转对称性的任何偏离将会在传感器输出中产生额外的干扰信号，该干扰信号可能导致对于磁轴承的不期望的控制信号，从而导致转子的颠簸运动。
发明内容
在第一方面中，本发明的目的是提供一种用于监测转子的径向位置的非接触式电磁传感器，该传感器对目标的缺陷表现出明确定义的响应行为，由此，使得能够改善对由这种目标的缺陷引起的干扰信号的补偿。
该目的通过如权利要求1中所限定的非接触式电磁传感器来实现。本发明的其他实施方式在从属权利要求中给出。
因此，提供了一种用于确定转子的径向位置的非接触式电磁传感器，该转子构造成绕纵向轴线旋转。该传感器包括：
第一换能器，该第一换能器包括一个或更多个第一线圈；
激励电路，该激励电路连接至第一换能器以激发第一换能器，(特别地，通过动态激励电流直接地或间接地激发第一线圈)；以及
处理电路，该处理电路用于从第一换能器(特别地，直接地或间接地从第一线圈)接收换能器信号，并且该处理电路用于基于换能器信号得出指示转子的径向位置的至少一个位置信号，
其中，第一换能器的第一线圈对目标材料具有沿着绕纵向轴线的周向方向正弦地变化的灵敏度。
根据传感器的类型，线圈对其表现出正弦式灵敏度的目标材料可以是导电的(在涡流传感器的情况下)或铁磁性/亚铁磁性的(在感应传感器的情况下)。
通过提供包括在存在目标材料时沿着周向方向具有正弦式灵敏度相关性的线圈的换能器，无论相对于旋转对称性的偏差的大小和形状如何，目标相对于完美旋转对称性的任何偏差都将产生与转子同步的正弦干扰信号。通过考虑在目标表面上的单一角度位置处的单个狭窄缺口状缺陷，可以容易地观察到这一点。由于正弦式灵敏度分布，这种缺陷将导致与旋转同步的正弦干扰信号，干扰信号的振幅由缺陷的大小决定并且干扰信号的相位由缺陷的角度位置决定。目标表面相对于完美旋转对称性的任何偏差都可以近似为这种狭窄的独立缺陷的叠加，并且由此产生的干扰信号将是各独立缺陷的正弦干扰信号的叠加。从数学上来讲，产生的干扰信号是缺陷的角度分布与线圈的角度灵敏度分布的卷积。产生的干扰信号是正弦式且与转子同步的且具有与不平衡信号相同的形式。因此，可以以非常类似于不平衡信号的方式来容易地补偿干扰信号。具体地，在有源磁轴承装置的情况下，这种补偿可以在不对磁轴承的控制产生负面影响的情况下进行。
用于补偿不平衡信号的方法在本领域中是众所周知的。例如，在G.Schweitzer等(编辑)的“Magnetic Bearings-Theory,Design and Application to RotatingMachinery”(“磁轴承-旋转机械的理论、设计和应用”)(2009)、ISBN 978-3-642-00497-1的8.3章中提供了有关这样的方案的综述。特别地，该文献公开了三组不平衡控制策略。这些组中的一个组涉及与转子同步的干扰信号的消除或抑制。一个示例为如上述文献的8.3.3章中所讨论的“不平衡力抑制控制”(UFRC)。当应用UFRC时，转子将在基本上不受与转子同步的干扰信号的影响的情况下在磁轴承装置中旋转。
总之，通过提供包括对于目标与完美旋转对称性的偏差具有正弦式响应行为的换能器的径向位置传感器，可以更容易地补偿由这种偏差造成的干扰信号。
在本发明的背景下，如果可以通过最低阶余弦近似S(φ)≈S0+S1·cos(φ-φ1)来对灵敏度分布S(φ)(其描述对于目标材料的当地存在性的灵敏度S作为角度位置φ的函数的相关性)进行良好的近似，则认为灵敏度分布S(φ)是正弦式的，其中S0是偏移量(优选地为0)，S1是振幅并且φ1是最低阶余弦近似的相位。应注意的是，最低阶余弦近似的周期是360°。更精确地说，如果灵敏度分布可以展开成傅里叶级数
Figure BDA0002605691500000041
其中，Sn是实值的第n项傅里叶系数并且φn是对应的相位，并且如果对于n＞1的所有系数Sn均具有小于第一系数S1的绝对值的20％、优选地小于第一系数S1的绝对值的10％的绝对值，则认为灵敏度分布是正弦式的。
为了产生正弦式灵敏度分布，每个第一线圈可以包括多个不同大小的交叠的导体环，并且导体环可以布置成产生所述线圈的正弦式灵敏度分布。如下面将结合图10至图13更详细地讨论的那样，导体环的合适布置可以容易地从对由通过导体环的交流电流产生的场和由此产生的感应电压的数值模拟得出。
在有利实施方式中，第一线圈共同限定灵敏度分布，该灵敏度分布在转子的整个圆周上是正弦式的，即，该灵敏度分布可以由在从0°至360°的整个角度范围内的最低阶余弦近似值良好地近似。这可以通过将第一线圈的绕组基本分布在整个圆周上来实现。
优选地，换能器包括以180°的角距离布置的恰好两个第一线圈，产生的灵敏度分布在转子的整个圆周上是正弦式的，因此，每个线圈基本上覆盖180°的范围。为了产生正弦式灵敏度分布，优选的是，每个第一线圈包括至少一个导体环，所述至少一个导体环绕旋转轴线在至少150°的角度范围内延伸，更优选在至少165°但不超过180°的角度范围内延伸。
原则上，换能器的第一线圈在空间上可以具有任意取向。然而，有利的是，第一线圈限定下述有源线圈表面，该有源线圈表面的表面法线具有径向分量。更精确地说，会有利地是，每个第一线圈的导体环布置在弯曲的线圈表面中或者布置成与弯曲的线圈表面平行，该弯曲的线圈表面限定具有相对于纵向轴线的径向分量的至少一个法向量。在有利实施方式中，弯曲的线圈表面呈筒形形状并且绕纵向轴线周向地延伸，从而限定全部为径向的一组法向量。因此，第一换能器可以配置成与转子的第一目标部分相互作用，第一目标部分限定了筒形的目标表面。目标表面在外部转子的情况下可以布置在转子的内周上，或者在内部转子的情况下可以布置在转子的外周上。以此方式，线圈与第一目标部分之间的耦合将是基本上径向的。在这种实施方式中，可以通过使第一线圈在沿着周向方向观察时长且窄而将第一线圈设计成仅需要非常有限的轴向空间。特别地，每个第一线圈的沿着纵向轴线的尺寸可以为该第一线圈绕纵向轴线的曲率半径的至多20％。
在有利实施方式中，非接触式电磁传感器为涡流传感器。为此，转子的第一目标部分应当是导电的，特别是金属的。激励电路可以配置成激发第一换能器，使得在转子的第一目标部分中感应出涡流，并且处理电路可以配置成在得出至少一个位置信号时考虑到涡流对换能器信号的影响。特别地，激励电路可以配置成将具有至少100kHz的激励频率的交流电流馈送至第一换能器。
在另一实施方式中，传感器可以是感应传感器。则第一目标部分将具有高磁导率(相对磁导率，例如为10以上，优选地为100以上)，即，第一目标部分将是铁磁性或亚铁磁性的，并且传感器的激励频率通常将远低于100kHz。如在本领域中公知的，高磁导率目标对换能器的阻抗的影响通常将不同于导电目标中涡流的影响，并且因此，在得出径向位置信号时由处理电路执行的信号处理通常将在涡流传感器与感应传感器之间是不同的。例如，如果处理电路确定了第一线圈的阻抗，则在得出位置信号时可以针对涡流传感器和感应传感器计算出阻抗的实部与虚部的不同的线性组合。
第一换能器还可以包括一个或更多个(特别是两个)第二线圈，其中，第二线圈沿着周向方向也具有对目标材料的正弦式灵敏度，并且其中，第二线圈的灵敏度分布具有与第一线圈的灵敏度分布相同的周期，但是第二线圈的灵敏度分布相对于第一线圈的灵敏度分布沿着周向方向移位，即，第二线圈的灵敏度分布具有与第一线圈的灵敏度分布不同的相位。特别地，第二线圈的灵敏度分布可以相对于第一线圈的灵敏度分布移位不同于0°或180°的角度，特别是移位30°与150°之间的角度，更特别是移位60°与120°之间的角度，并且有利地移位90°或120°。以此方式，利用仅需要短的轴向长度的单个换能器就可以确定沿着至少两个不同的径向方向的径向位置，特别是沿着两个相互正交的径向方向(例如，“x”和“y”)的径向位置。因此，处理电路可以配置成基于来自第一线圈和第二线圈的换能器信号得出指示转子沿着至少两个不同径向方向的至少两个径向位置。
换能器还可以包括一个或更多个(特别是两个)第三线圈，其中，第三线圈沿着周向方向也具有对目标材料的正弦式灵敏度，并且其中，第三线圈的灵敏度以与第一线圈的灵敏度分布和第二线圈的灵敏度分布相同的周期变化，但是第三线圈的灵敏度分布相对于第一线圈的灵敏度分布和第二线圈的灵敏度分布沿着周向方向移位，即，第三线圈的灵敏度分布具有与第一线圈的灵敏度分布和第二线圈的灵敏度分布不同的相位(方向)。特别地，使第二线圈的灵敏度分布和第三线圈的灵敏度分布相对于第一线圈分别移位120°和240°是有利的。以此方式，可以沿着在周向方向上等距间隔开的三个不同径向方向进行测量。由这种测量直接地得出沿着两个相互正交的方向(例如，“x”和“y”)的径向位置。这种测量的固有冗余度可以用于进行真实性检查和/或以改善的可靠性来确定错误的测量或其他缺陷。
当然，该方案可以推广至涉及更多数目的线圈的布置。
第一线圈可以与第二线圈交叠并且可能与第三线圈交叠。因此，第一线圈、第二线圈以及可能的第三线圈可以强耦合。应当指出的是，这些耦合通常还将会影响第一线圈的灵敏度分布、第二线圈的灵敏度分布以及可能的第三线圈的灵敏度分布，即，第一线圈、第二线圈以及可能的第三线圈的线圈布局通常不能彼此独立地被优化。然而，如下面将结合图10至图13更详细地说明的那样，如果所有的线圈都以相同的频率工作，那么在布局优化期间考虑这些线圈之间的耦合是简单的。因此，对于处理电路而言有利的是以相同的检测频率检测源于第一线圈、第二线圈以及可能的第三线圈的换能器信号。
非接触式电磁传感器还可以包括第二换能器，该第二换能器布置在与第一换能器不同的轴向位置处。第二换能器可以例如用于对其他量如转子的角度位置进行测量或者用于差分测量。有利的是，第二换能器包括一个或更多个线圈(第一线圈以及可能的第二线圈)，所述一个或更多个线圈以与第一换能器的线圈(第一线圈以及可能的第二线圈)相似的方式定尺寸和布置。特别地，第二换能器可以包括一个或更多个(特别是两个)第一线圈，所述一个或更多个第一线圈对目标材料具有沿着周向方向正弦地变化的灵敏度。优选地，第一换能器和第二换能器的第一线圈的灵敏度分布基本相同或至少相似，特别地，这些分布沿着周向方向具有相同的周期，并且优选地，这些分布绕纵向轴线也具有相同的相位，即，这些分布没有相对于彼此沿着周向方向移位。第二换能器还可以包括一个或更多个(特别是两个)第二线圈，所述一个或更多个第二线圈对目标材料的存在性也具有沿着周向方向正弦地变化的灵敏度，第二线圈的灵敏度分布具有与第二换能器的第一线圈的灵敏度分布相同的周期，但是第二线圈的灵敏度分布相对于所述第一线圈的灵敏度分布沿着周向方向移位，优选地移位与第一换能器中相同的量。
第二换能器可以布置成在轴向上紧邻第一换能器，并且第一换能器和第二换能器可以由导电屏蔽构件轴向地分隔开，该屏蔽构件优选地为环形。
在一些实施方式中，第二换能器可以配置成确定转子绕纵向轴线的角度(旋转)位置。为此，第二换能器的线圈可以配置成与转子的第二目标部分耦合，第二目标部分非旋转对称(偏心)，并且处理电路可以配置成从第一换能器和第二换能器接收换能器信号并且基于所述换能器信号、特别是通过使第一换能器的换能器信号和第二换能器的换能器信号相关联来确定指示转子的至少一个径向位置和角度位置的位置信号。
在其他实施方式中，第二换能器可以用作参照以进行差分测量。为此，非接触式电磁传感器还可以包括不受转子的位置影响的参照目标，并且第二换能器的线圈可以布置成与所述参照目标耦合。处理电路可以配置成从第一换能器和第二换能器接收信号并且基于第二换能器的信号对第一换能器的传感器信号进行补偿。特别地，处理电路可以配置成从第一换能器和第二换能器接收换能器信号并且基于所述换能器信号确定指示转子的至少一个径向位置的位置信号以及指示目标的直径的直径信号，其中，位置信号可以补偿目标的直径的变化。
在一些实施方式中，参照目标是与第二换能器的线圈以固定的空间关系布置的环。取决于转子是内部转子还是外部转子，参照目标可以布置在第二换能器的内周或外周上。
在第二方面中，本发明提供了一种换能器，该换能器特别适于在如上所述的非接触式电磁径向位置传感器中使用。该换能器包括：
环形线圈支承件，该环形线圈支承件限定纵向轴线；以及
一个或更多个(特别是两个)第一线圈，所述一个或更多个(特别是两个)第一线圈安装在环形线圈支承件上。
第一线圈布置在弯曲的线圈表面中或者布置成与弯曲的线圈表面平行，该弯曲的线圈表面限定具有相对于纵向轴线的径向分量的至少一个法向量，从而使换能器特别适于确定径向位置。如上所述，第一线圈对目标材料还具有沿着周向方向正弦地变化的灵敏度，由此有助于补偿可能由目标的缺陷引起的任何干扰信号。
尽管换能器有利地用于确定径向位置，但换能器的用途不限于该目的。特别地，如上所述，换能器可以替代地用于确定偏心目标的角度位置。在这种情况下，第一线圈的正弦式灵敏度变化可以导致提高的角度分辨率。
如上面已经讨论过的，换能器还可以包括安装在环形线圈支承件上的一个或更多个第二线圈(以及可能的其他线圈)，第二线圈也布置在弯曲的线圈表面中或者布置成与弯曲的线圈表面平行，并且第二线圈对目标材料具有沿着周向方向正弦地变化的灵敏度。然后，第一线圈的灵敏度分布和第二线圈的灵敏度分布优选地具有相同的周期，但是第一线圈的灵敏度分布和第二线圈的灵敏度分布相对于彼此沿着周向方向移位不同于0°或180°的角度，特别是移位30°与150°之间的角度，并且更特别是移位60°与120°之间的角度，并且有利地移位90°或120°。
为了安装第一线圈以及可能的第二线圈和其他线圈，环形线圈支承件可以限定朝向环形线圈支承件的内周或外周开口的多个槽，第一线圈和第二线圈由被接纳在槽中的线形成。在一些实施方式中，线圈支承件通过3D打印制成。3D打印是有利的，因为3D打印使模具成本最小化并且同时允许创建复杂的结构，比如容置线圈的线所需的槽。替代性地，线圈支承件可以通过更传统的方法如注塑成型而制成。
为了简化线圈支承件的制造，环形线圈支承件可以包括多个线圈支承区段，每个线圈支承区段在180°或更小的角度范围内延伸，优选地在90°或更小的角度范围内延伸，特别是在45°的角度范围内延伸。线圈支承区段中的至少两个线圈支承区段可以是相同的。
换能器还可以包括布置在环形线圈支承件的两个侧部上的两个导电环形端板，这些端板用作电磁屏蔽构件。
在一些实施方式中，换能器包括柔性印刷电路板，换能器的线圈中的至少一些线圈形成为所述柔性印刷电路板上的印刷线圈。
在第三方面中，本发明提供了一种确定转子的位置、特别是径向位置的方法，该方法包括：
提供用于绕纵向轴线旋转的转子，该转子包括目标部分；
提供包括一个或更多个线圈的换能器，所述一个或更多个线圈具有沿着周向方向正弦地变化的灵敏度，线圈布置成与转子的目标部分耦合，
向换能器馈送动态电流以在转子的目标部分中产生动态电磁场；
从换能器接收换能器信号；以及
基于换能器信号得出指示转子的位置的至少一个位置信号。
特别地，该方法可以利用本发明的第一方面的传感器来执行。换能器可以是本发明的第二方面的换能器，并且结合第一方面和第二方面所讨论的所有考虑也应用于第三方面的方法。
附图说明
下面参照附图对本发明的优选实施方式进行描述，附图用于说明本发明的当前优选实施方式的目的而非用于限制本发明的目的。在附图中，
图1以立体图示出了根据本发明的第一实施方式的涡流位置传感器的换能器组件；
图2以平面图示出了图1的换能器组件；
图3以侧视图示出了图1的换能器组件；
图4以沿图2中的平面A-A的横截面图示出了图1的换能器组件；
图5以沿图2中的平面B-B的横截面图示出了图1的换能器组件；
图6至图9示出了图1的换能器组件的四个不同的线圈支承区段；
图10示出了在大约180°的范围内呈现出正弦式灵敏度分布的线圈的示意性图示；
图11示出了图示线圈支承件上的第一线圈和第二线圈的布置的高度示意性草图；
图12示出了图示当相同的直流电流被馈送通过两个线圈时作为角度位置的函数的由两个交叠的线圈产生的通量密度的图；圆圈和叉号指示每个线圈的匝的位置，并且实线和虚线指示由每个线圈产生的通量密度；
图13示出了图示当相同的交流电流被馈送通过两个线圈时由在每个角度位置处产生的与时间相关的局部通量而导致的在交叠的线圈中的每个线圈中感应出的电压贡献的图；
图14示出了图示在从0°至360°的整个角度范围内产生的灵敏度分布的图；
图15示出了图示能够确定沿着x轴线的径向位置和角度位置两者的传感器的示意性草图；
图16以立体图示出了根据本发明的第二实施方式的换能器组件；
图17示出了图示能够确定目标沿着x轴线的径向位置和目标的直径两者的传感器的示意性草图；
图18以立体图示出了根据本发明的第三实施方式的换能器组件的线圈支承件；
图19示出了图示用于根据本发明的第四实施方式的换能器组件的承载两个线圈的柔性印刷电路板的示意性草图。
具体实施方式
第一实施方式
根据本发明的第一实施方式的换能器组件1在图1至图5中图示出。换能器组件1构造成确定径向围绕换能器组件1的中空外部转子(未在图1至图5中图示出)的径向位置。因此，换能器组件1构造成与中空转子的内周上的目标表面相互作用。
换能器组件1包括第一换能器100和第二换能器100’。每个换能器100、100’包括环形线圈支承件110、110’。环形线圈支承件110、110’限定共同的纵向轴线L(图3)。在一个轴向端部处，换能器组件1包括导电环形底板120。换能器100、100’被导电屏蔽环130隔开。在换能器组件的另一轴向端部处，换能器组件包括导电环形顶板140。在第二换能器100’的线圈支承件110’与顶板140之间布置有呈刚性印刷电路板(PCB)形式的连接器板160，连接器板160承载用于将换能器组件1连接至激励电路和处理电路的标准连接器161。换能器组件1的各个部分通过平行于纵向轴线L延伸的多个螺钉150保持在一起。
每个线圈支承件110、110’承载两个第一线圈和两个第二线圈(未在图1至图5中示出)，将结合图10和图11对两个第一线圈和两个第二线圈进行更详细地说明。每个线圈包括绝缘导线(例如，涂覆铜线)构成的若干个环。
每个线圈支承件110、110’包括十六个线圈支承区段。图6和图7图示了两种类型的线圈支承区段111、112。组装第一线圈支承件110仅需要这两种类型的线圈支承区段。每个线圈支承区段111、112在45°的角度范围内延伸并且带有用于接纳线圈的线的槽113以及用于将线偏转成环并用于将环保持就位的单侧式和两侧式钩元件114和115的布置。连接槽116用作将线圈连接至连接器161。每个区段111、112设置有以22.5°的角距离布置的两个保持凸耳117，以用于将区段安装至轴向相邻的区段、屏蔽环130以及底板120和顶板140。每个第一类型的区段111与第二类型的区段112形成一对，这些区段关于径向平面镜像对称并且沿着纵向轴线L并排安置。相对于轴向平面镜面对称布置的两对区段形成线圈支承件的90°扇形区。线圈支承件包括四个这种相同的扇形区。
图8和图9中图示了两个其他线圈支承区段111’、112’，所述两个其他线圈支承区段111’、112’是图6和图7的线圈支承区段111、112的略微变型。槽113和钩元件114、115的布局与线圈支承区段111、112中的布局相同，并且因此可以认为线圈支承区段111’与线圈支承区段111是相同类型的，且可以认为线圈支承区段112’与线圈支承区段112是相同类型的。然而，线圈支承区段111’、112’带有的保持凸耳117’关于轴线方向比线圈支承区段111、112的保持凸耳117更薄。如从图5可见，这些其他线圈支承区段111’、112’用在第二换能器110’的一个轴向端部处，以便将连接器板160容置在保持凸耳117’与顶板140之间。
每个线圈支承区段111、111’、112、112’由电绝缘材料制成。每个线圈支承区段111、111’、112、112’可以通过3D打印或注塑成型容易地制造。
底板120、屏蔽环130以及顶板140用作电磁屏蔽构件，以使换能器100、100’彼此屏蔽并且与邻近换能器组件轴向布置的其他部件屏蔽。底板120、屏蔽环130以及顶板140优选地由金属、特别是铝制成。
由线圈支承件110、110’承载的第一线圈和第二线圈中的每个线圈包括多个环，环沿着周向方向具有逐渐增加的长度。环全部都与线圈支承件110、110’的筒形外表面平行，这因此限定了共同的弯曲线圈表面，该弯曲线圈表面限定了面向径向外侧的一组法向量N。图10中针对一个线圈170示例性地图示了环的布置。假定线圈170的中心在角度位置0°处。在本示例中，存在九个环。最内侧的第一环在从-11.5°至+11.5°的角度范围内延伸，第二环在从-23°至+23°的角度范围内延伸，第三环在从-35.75°至+35.75°的角度范围内延伸，以此类推。在本示例中，每个环的转向位置(拐折的位置)位于下述正角度位置和负角度位置处：11.5°、23°、35.75°、47.25°、54.25°、67°、72.75°、82.5°和85.5°。对于具有不同数目的环的线圈，转向位置通常将处于不同的角度位置处。在每个转向位置处，线圈支承件具有用于迫使线圈的线转向180°的钩元件。
在图10中环被描绘为沿着轴向方向具有不同的宽度。然而，实际上，所有环将具有基本上相同的宽度，环的线在沿着周向方向延伸的那些环部分中彼此叠置地安置或者彼此紧邻地安置。
在图11中以高度示意性的方式图示了线圈在线圈支承件110上的布置。每个换能器100、100’包括两个第一线圈170、172以及两个相同的第二线圈171、173，两个第一线圈170、172以180°的角距离布置，这两个线圈的中心在0°和180°的位置处，两个相同的第二线圈171、173相对于第一线圈移位90°并且使其中心位于90°和270°处，并且两个相同的第二线圈171、173与第一线圈交叠。所有线圈170至173的环面向径向外侧地布置在线圈支承件110的筒形外周表面中或平行于线圈支承件110的筒形外周表面布置。
当相同的直流电流被馈送通过换能器中的所有线圈时，将导致通量密度的特定分布。图12中图示了所产生的通量密度。该图针对使其中心位于0°处的第一线圈中的一个线圈(命名为线圈A)和使其中心位于90°处的第二线圈中的一个线圈(命名为线圈B)示出了通量密度作为角度位置的函数的相关性。还示出了这两个线圈的环的转向位置。仅示出了90°扇形区的通量密度。其余三个扇形区中的通量密度分布与所图示的分布在沿着周向方向移位和/或镜像反转后的分布相对应。
由线圈A产生的通量密度在最外侧导体环的外部、即在超过85.5°的角度处为0。通量密度朝向较小的角度逐步增加，从而在0°附近的线圈中心处达到通量密度的最大值，在线圈中心处线圈的所有九个环交叠。线圈B的通量密度的角度相关性与线圈B的分布镜像对称，其中对称平面位于45°位置处。
对于交流电流，通量密度将具有相同的对于角度的函数相关性，但将与时间相关，这使得在两个线圈中感应出EMF。通量密度和感应EMF两者均可以通过标准有限元方法容易地建模。为了良好的近似，可以进行以下简化考虑。
当线圈A和B两者均被提供有相同的交流电流时，将线圈的与时间相关的通量密度简单地叠加。在每个线圈的每个导体环中会感应出EMF，EMF的大小与该环所包围的总通量的大小成比例。每个线圈中感应出的电压是线圈的所有环中感应出的EMF之和，并且各个环中感应出的EMF在特定角度位置处对该电压的贡献与局部通量密度的大小乘以该角度位置处的交叠的环的数目成比例。因此，针对每个角度位置可以容易地计算该电压贡献。在图13中图示了线圈A和B的90°扇形区中的作为角度位置的函数的这些电压贡献的分布。对于一对相对布置的两个第一线圈170、172，假设这些线圈被差分地读取，图14图示了由此产生的在从0°至360°的整个角度范围内的电压贡献的分布。
如果导电本体在一个特定角度位置处接近传感器，则在该本体中会感应出涡流。涡流使电磁场衰减并且在附近导体中产生反电动势。由此，涡流将减少在该特定角度位置处的电压贡献。因此，涡流对每个线圈中的总感应电压的影响(即，感应电压对导体存在的灵敏度)将取决于导体相对于该线圈的角度位置。产生的灵敏度分布恰好与如图14中所示的电压贡献的分布相对应。
如从图14显而易见的，灵敏度分布在从0°至360°的整个圆上是正弦式的，即，该灵敏度分布在整个圆上可以由余弦函数很好地近似，与余弦函数的偏差小。应注意的是，图14中所示的电压/灵敏度分布在整个圆上的积分为零，即，灵敏度分布未表现出偏移。
类似的考虑也适用于高磁导率本体接近传感器的情况，并且同样地，对于这种情况，产生感应电压对本体存在的灵敏度作为本体的角度位置的函数的正弦式相关性。
现在，将考虑绕两个第一线圈以恒定的距离同心地旋转的具有完美的圆柱对称性的目标。由于第一线圈相对于目标的对称布置并且由于对第一线圈的差分读取，所以产生的换能器信号将为零。如果目标远离第一线圈中的一个第一线圈朝向另一第一线圈径向移位，则目标中的涡流将在与另一线圈相比更靠近目标的线圈中引起更大的反电动势。因此，将在两个线圈中感应出不同的电压，并且当线圈被差分连接时，将产生净换能器信号。同样，对于高磁导率目标，也获得净换能器信号。
另一方面，如果目标完美地保持绕线圈定中心，但是在目标的表面上包括缺陷(例如，窄缺口)，则该缺陷将改变目标中的涡流。这将根据线圈的灵敏度分布来改变暂时面对缺陷的线圈中的感应电压。如果缺陷沿着周向以恒定角速度移动，则该缺陷将因此产生换能器信号，该换能器信号随时间的变化方式与图14的灵敏度曲线随角度的变化相同。因此，产生的换能器信号将是时间的正弦函数，该正弦变化与转子的旋转同步。同样，对于透磁目标，也获得正弦变化。
对于任何数目的环，通过使用上述近似或通过有限元模拟，可以容易地鉴于正弦式灵敏度分布来优化每个环的转向位置。由于离散的环的数目有限，所以灵敏度分布可能略微偏离完美的简单余弦相关性。特别地，如从图13和图14可见，由于存在离散的环，灵敏度分布可能表现出台阶状特征。通过修改单个环的几何形状，例如，通过构造具有沿着周向方向变化的宽度和/或距纵向轴线的径向距离的环，可以进一步减少这些台阶状特征。以这种方式可以得到简单的余弦相关性的改善的近似。
由于灵敏度分布是角度位置φ的周期性函数，因此灵敏度分布可以用实值系数S0、Sn和相位φn表示为如下的傅里叶展开：
Figure BDA0002605691500000141
此处，S0是灵敏度分布的偏移量(该偏移量优选为零)，S1和φ1分别是余弦近似的振幅和相位，并且对于n＞1的较高系数Sn、φn表示较高周期的振幅和相位。
即使在最佳的线圈几何形状的情况下，通常对于n＞1并非所有的较高系数Sn都将为零。因此，换能器信号将不仅在旋转频率处具有非零振幅，而且在旋转频率的倍数处也具有非零振幅。
通常，这些谐波是不期望的并且可以通过采用低通滤波器、带通滤波器或者通过数字抑制方法来消除。在对转向位置进行优化时，可以附加地考虑选择的谐波。例如，如果已知具有100Hz标称旋转频率的转子在400Hz附近具有共振，则可以优化灵敏度分布以使系数S4将尽可能低。作为另一示例，如果转子由16个转子区段组成，则可以预期16倍旋转频率的干扰信号。然后，可以优化灵敏度分布以使系数S16将尽可能低。
如上所述，换能器的第一线圈使得能够确定沿着一个径向方向——假定为x轴线——的转子位置(更精确地说是相对于纵向轴线的转子位移)。以非常相似的方式，可以采用沿着周向方向移位90°的第二线圈以用于确定沿着与第一径向方向正交的第二径向方向即沿着y轴线的转子位置。应注意的是，这是通过很大程度上交叠的第一线圈和第二线圈实现的，即，尽管事实上第一线圈与第二线圈强耦合，但是可以获得沿着两个不同方向的位置信号。
到目前为止，已考虑了换能器单元1的两个换能器100、100’中的仅一个换能器。图15图示了采用两个换能器的可能应用。在该高度示意性的图中，第一换能器100的第一线圈由附图标记170和172表示，同时第二换能器100’的第一线圈由附图标记170’和172’表示。暂时忽略两个换能器的第二线圈。采用换能器100、100’来确定转子300的径向位置和角度位置。为了简单起见，转子300被图示为内部转子，但转子300也可以是外部转子。事实上，在图1至图5的实施方式中，转子为外部转子。
激励电路210通过耦合网络211在所有线圈170、172、170’、172’中激发相同的交流电流，这些根据现有技术是本身已知的。检测电路220分别检测来自每对线圈170、172和170’、172’的差分信号。在图14中，差分检测用差分放大器221、222来表示。然而，应理解的是，差分检测也可以以其他方式实现，例如，通过将每个换能器的线圈170、172和170’、172’分别以反向串联的方式连接至彼此或者如WO 2015/052016 A1中那样将每个换能器的线圈170、172和170’、172’分别连接在具有输入变压器的绕组或输出变压器的绕组的桥式电路中来实现差分检测。
第一换能器100的线圈170、172面向转子300的第一目标部分310。第一目标部分310是旋转对称的。如上面更详细地描述的，这些线圈通过被差分地读取而检测转子沿着第一方向(表示为x)的径向位置。第一目标部分310的导致相对于完美的旋转对称性偏离的任何缺陷都将自身表现为正弦式的与转子同步的干扰信号，该干扰信号可以在随后的转子位置评估中容易地被考虑。
第二换能器100’的线圈170’、172’面向转子300的第二目标部分320。该目标部分例如通过在其表面具有明显的缺口而是强偏心的。因此，只要转子300绕与换能器单元100的纵向轴线重合的指定旋转轴线旋转，第二换能器100’就以与传统的解析器大致相同的方式输出指示转子300的角度位置的正弦信号b cosφ。如果转子300沿着x方向移位，则该信号将与径向位置信号叠加，该径向位置信号非常类似于由第一换能器100输出的径向位置信号。如减法器223所示，通过从由第二换能器得出的总信号减去由第一换能器得出的x信号，仅剩余正弦角度信号b cosφ。
通过使用第一换能器100和第二换能器100’的第二线圈，可以以相同的方式获得沿着正交的y方向的第二径向位置信号和第二正弦角度信号b sinφ。根据正弦角度信号bcosφ和b sinφ，可以确定旋转角度φ。总之，获得了沿着两个相互正交的方向x和y的两个径向位置信号以及旋转角度φ。
为了获得尽可能好地近似真实的余弦函数和正弦函数的角度位置信号，偏心目标几何形状和线圈几何形状两者均可以被优化成使得偏心目标的形状和灵敏度分布的卷积尽可能好地与真实的余弦/正弦函数相匹配。由于卷积是在频域中的简单乘法，因此可以容易地实现该优化。目标几何形状和灵敏度分布两者的傅里叶展开在n＞1时将通常具有非零系数。那么，优化目标是使两个函数的卷积的n＝1时的傅里叶系数最大化并且使该卷积的n＞1时的所有傅里叶系数最小化。该目标可以通过确保对于大于1的每个n而言目标几何形状的傅里叶系数或者灵敏度分布的傅里叶系数为零或者至少接近于零来实现。
第二实施方式
图16图示了根据本发明的第二实施方式的换能器单元1’。第二实施方式的换能器单元1’与第一实施方式的换能器单元1非常相似。然而，第二换能器100’的外周向被环形的、金属的参照目标180覆盖，该参照目标180布置成与第二换能器100’的第一线圈和第二线圈相距固定的径向距离。为了容置参照目标180，第二换能器的线圈支承件与第一换能器的线圈支承件相比具有略微减小的外径。
在图17中以高度示意的方式图示了采用第二实施方式的换能器单元1’的可能的应用。类似部件用与图15中相同的附图标记来表示。再一次，为了简化，转子300被图示为内部转子，但转子300也可以是外部转子。在该实施方式中，差分地读取第一换能器的线圈170和第二换能器的线圈170’。同样地，差分地读取线圈172和线圈172’。每一对这样的配对检测指示目标与第一换能器的相应的线圈之间的绝对距离的差分信号。通过形成这些信号的差值(由减法器223表示)，获得了指示转子沿着x方向的位移的径向位置信号。通过形成和(由加法器224表示)，获得了指示目标的直径D的输出信号。通过将未校正的径向位置信号与可变增益g相乘以获得校正的径向位移信号x，可以针对转子直径的变化进一步校正径向位置信号。特别地，定标器225可以接收直径值D并且输出取决于D的增益g(D)。在简单的实施方式中，选择如下的线性函数g(D)：g(D)＝1+k·(D-D0)，其中，D0是D的标称值并且k是根据经验确定的常数因子。在乘法器226中将未校正的径向位置信号乘以该增益g(D)，以获得校正的位置信号。
相同的检测和处理方案可以应用于从第一换能器100和第二换能器100’的第二线圈获得的信号，以得出(校正的)径向位移信号y和第二直径信号。第二直径信号可以通过使来自第一线圈和第二线圈的时间平均直径信号之间的差异最小化而用于校准处理电路。如第一线圈和第二线圈所测量的平均直径值可以用于定标器225中。
总之，以高精度获得了沿着两个相互正交的方向x和y的径向位置信号。
第三实施方式
将参照图18对根据第三实施方式的换能器进行描述。尽管第一实施方式和第二实施方式设计成与外部转子相互作用，但第三实施方式设计成用于内部转子。
通常来说，对于外部转子更容易实现本发明。在这种情况下，线圈与目标径向向外相互作用。线圈可以从外侧布置在槽中并且将由线圈支承件的钩保持而无需任何其他措施。当换能器设计成与内部转子相互作用时，情况并非如此。在这种情况下，需要采取特定措施以避免线圈落入内部并且接触内部转子。因此，建议也将线圈从外侧安装至线圈支承件，类似于第一实施方式和第二实施方式。然后用树脂填充线圈，并且从内侧转动线圈支承件直到仅有一薄膜留在线圈与线圈支承件的内周之间为止。在图18中示意性地图示了适于这种线圈安装方式的线圈支承件110以及内部转子300的一部分。
第四实施方式
代替使用由绝缘铜线卷绕而成的离散的线圈，可以在一个或更多个柔性印刷电路板(所谓的柔性印刷板)上实现线圈。在图19中示意性地图示了实现了单个换能器的两个第一线圈170、172的柔性印刷板400。应当理解的是，如本领域中公知的，与其他导体部分交叉的导体部分布置在柔性印刷板的不同层中。柔性印刷板安装在电绝缘环形承载件上。柔性印刷板的长度与承载件的内周或外周相对应，这取决于将被监测的是内部转子还是外部转子。在该柔性印刷版的顶部上，可以以沿着周向方向移位90°的方式布置有稍短或更长但在其他方面相同的第二柔性印刷版，以便实现第二线圈。
应注意的是，在柔性印刷板实施方式中，每个线圈的各个环通常沿着轴向方向具有不同的宽度。在优化线圈几何形状时可以容易地考虑到这一点。
其他考虑
通过采用在转子的大范围的圆周上延伸的检测线圈，感应电压与径向位置之间的关系是近似线性的，并且通常不需要额外的线性化。然而，如果需要提高线性度，则可以使用根据经验确定的查找表、具有根据经验确定的系数的多项式或其他非线性函数进行插值，以执行额外的线性化。
虽然已经参照本发明的特定实施方式描述了本发明，但是应当理解的是，本发明不限于这些实施方式，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以进行许多改型。
附图标记列表
100、100’ 换能器
110、110’ 线圈支承件
111、111’ 线圈支承区段
112、112’ 线圈支承区段
113 槽
114、115 钩部分
116 连接槽
117 凸耳
120 底板
130 屏蔽环
140 顶板
150 螺钉
160 连接器板
161 连接器
170、172 第一线圈
171、173 第二线圈
180 模拟目标
210 激励电路
211 耦合网络
220 处理电路
221 第一放大器
222 第二放大器
223 减法器
224 加法器
225 定标器
226 乘法器
300 转子
310 第一目标部分
320 第二目标部分
400 柔性印刷板
A—A 截面平面
B—B 截面平面
C 周向方向
L 纵向轴线
N 法向量

Claims (15)

1.一种非接触式电磁传感器(1)，其用于确定转子(300)的径向位置(x)，所述转子(300)构造成用于绕纵向轴线(L)旋转，所述传感器(1)包括：
第一换能器(100)，所述第一换能器(100)包括一个或更多个第一线圈(170，172)；
激励电路(210)，所述激励电路(210)连接至所述第一换能器(100)以激发所述第一换能器(100)；以及
处理电路(220)，所述处理电路(220)用于从所述第一换能器(100)接收换能器信号，并且所述处理电路(220)用于基于所述换能器信号得出指示所述转子(300)的径向位置(x)的至少一个位置信号，
其特征在于，所述第一线圈(170，172)对目标材料具有沿着所述周向方向(C)正弦地变化的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的非接触式电磁传感器(1)，其中，所述第一线圈(170，172)布置在弯曲的线圈表面中或者布置成与所述弯曲的线圈表面平行，所述弯曲的线圈表面限定具有相对于所述纵向轴线(L)的径向分量的至少一个法向量(N)。
3.根据权利要求1或2所述的非接触式电磁传感器(1)，
其中，所述激励电路(210)配置成激发所述第一换能器(100)，使得在所述转子(300)的第一目标部分(310)中感应出涡流，并且
其中，所述处理电路(220)配置成在得出所述至少一个位置信号时考虑到所述涡流对所述换能器信号的影响。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的非接触式电磁传感器，其中，所述第一换能器(100)还包括一个或更多个第二线圈(171，173)，所述一个或更多个第二线圈(171，173)对目标材料具有沿着所述周向方向(C)正弦地变化的灵敏度，其中，所述第一换能器(100)的所述第一线圈(170，172)的灵敏度和所述第二线圈(171，173)的灵敏度以相同的周期变化，但是所述第一换能器(100)的所述第一线圈(170、172)的灵敏度和所述第二线圈(171、173)的灵敏度相对于彼此沿着所述周向方向(C)移位，并且其中，所述处理电路(220)配置成由所述换能器信号得出指示所述转子(300)沿着至少两个不同的径向方向的至少两个径向位置(x，y)的位置信号。
5.根据权利要求4所述的非接触式电磁传感器，其中，所述第一换能器(100)的所述第二线圈(171，173)与所述第一换能器(100)的所述第一线圈(170，172)交叠，并且/或者其中，所述处理电路配置成以相同的检测频率检测源于所述第一换能器(100)的所述第一线圈(170，172)和所述第二线圈(171，173)的换能器信号。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的非接触式电磁传感器，还包括第二换能器(100’)，所述第二换能器(100’)布置在与所述第一换能器(100)不同的轴向位置处，所述第二换能器(100’)包括一个或更多个线圈，所述一个或更多个线圈对目标材料具有正弦地变化的灵敏度，所述灵敏度优选地具有与所述第一换能器(100)的所述第一线圈(170，172)的灵敏度相同的周期。
7.根据权利要求6所述的非接触式电磁传感器，
其中，所述第二换能器(100’)的所述线圈布置成与所述转子(300)的第二目标部分(320)耦合，所述第二目标部分(320)是非旋转对称的，并且
其中，所述处理电路(220)配置成从所述第一换能器(100)和所述第二换能器(100’)接收换能器信号并且基于所述换能器信号确定指示所述转子(300)的至少一个径向位置(x)和角度位置(φ)的位置信号。
8.根据权利要求6所述的非接触式电磁传感器，还包括不受所述转子(300)的位置影响的参照目标(180)，其中，所述第二换能器的所述线圈布置成与所述参照目标(180)耦合。
9.根据权利要求8所述的非接触式电磁传感器，其中，所述处理电路(220)配置成从所述第一换能器(100)和所述第二换能器(100’)接收换能器信号并且基于所述换能器信号确定指示至少一个径向位置(x)的位置信号和指示所述转子(300)的直径(D)的直径信号。
10.一种换能器(100)，所述换能器(100)用于根据前述权利要求中的任一项所述的非接触式电磁位置传感器，所述换能器(100)包括：
环形线圈支承件(110)，所述环形线圈支承件(110)限定纵向轴线(L)；以及
一个或更多个第一线圈(170，172)，所述一个或更多个第一线圈(170，172)安装在所述环形线圈支承件(110)上，
其中，所述第一线圈(170，172)布置在弯曲的线圈表面中或者布置成与所述弯曲的线圈表面平行，所述弯曲的线圈表面限定具有相对于所述纵向轴线(L)的径向分量的至少一个法向量(N)，并且
其中，所述第一线圈(170)对目标材料具有沿着所述周向方向(C)正弦地变化的灵敏度。
11.根据权利要求10所述的换能器(100)，还包括一个或更多个第二线圈(171，173)，所述一个或更多个第二线圈(171，173)布置在所述环形线圈支承件(110)上并布置在所述弯曲的线圈表面中或者布置成与所述弯曲的线圈表面平行，所述第二线圈(171，173)对目标材料具有沿着所述周向方向(C)正弦地变化的灵敏度，其中，所述第一线圈(170，172)的灵敏度和所述第二线圈(171，173)的灵敏度以相同的周期变化，但是所述第一线圈(170，172)的灵敏度和所述第二线圈(171，173)的灵敏度相对于彼此沿着所述周向方向(C)移位。
12.根据权利要求10或11所述的换能器(100)，其中，所述环形线圈支承件(110)限定朝向所述环形线圈支承件(110)的内周或外周开口的多个槽(113)，所述第一线圈(170，172)和所述第二线圈(171，173)由被接纳在所述槽(113)中的线形成。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的换能器，其中，所述环形线圈支承件(110)包括多个线圈支承区段(111，112)，每个线圈支承区段(111，112)在180°或更小的角度范围内延伸，优选地在90°或更小的角度范围内延伸，特别是在45°的角度范围内延伸，并且其中，所述线圈支承区段(111，112)中的至少两个线圈支承区段是相同的。
14.根据权利要求10或11所述的换能器，包括柔性印刷电路板(400)，所述第一线圈(170，172)形成为所述柔性印刷电路板(400)上的印刷线圈。
15.一种确定转子的径向位置的方法，所述方法包括：
提供用于绕纵向轴线(L)旋转的转子(300)，所述转子(300)包括目标部分(310)；
提供包括一个或更多个线圈(170，172)的换能器(100)，所述线圈(170，172)布置成与所述目标部分(310)耦合；
激发所述换能器(100)以在所述目标部分(310)中产生动态电磁场；
从所述换能器(100)接收换能器信号；并且
基于所述换能器信号得出指示所述转子(300)的径向位置(x)的至少一个位置信号，
其特征在于，所述线圈(170，172)对目标材料具有沿着周向方向(C)正弦地变化的灵敏度。
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