CN114158272B - 用于确定本体的轴向位置和旋转位置的传感器装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定本体(10)沿纵向轴(A)的轴向位置的传感器装置包括：围绕纵向轴延伸的励磁线圈(23)；一个或更多个第一检测线圈(21)，其被布置在励磁线圈附近并且在第一检测平面(P1)中；以及一个或更多个第二检测线圈(22)，其被布置在励磁线圈附近并且在第二检测平面(P2)中。励磁电路***向励磁线圈(23)供应具有励磁频率的电流以产生励磁磁场分布。检测电路***在励磁频率处基于来自第一和第二检测线圈的信号来确定本体的轴向位置。检测电路***基于来自第一检测线圈的信号与来自第二检测线圈的信号之间的至少一个差来确定轴向位置。可以通过使用至少两个磁场传感器(24)检测由本体承载的磁体的杂散磁场，来确定本体的旋转位置。磁场传感器与励磁线圈和检测线圈一起布置在公共印刷电路板(25)上。

Description

用于确定本体的轴向位置和旋转位置的传感器装置和方法
技术领域
本发明涉及用于确定本体的轴向位置和旋转位置中的至少一者的传感器装置，并且涉及对应的方法。
背景技术
WO 2004/048883 A1公开了用于确定本体沿多个自由度的位置的传感器装置。励磁线圈绕导电体延伸。多个拾波线圈或其他磁场传感器沿本体的圆周在不同角位置处放置在励磁线圈附近。高频电流被馈送至励磁线圈，因此产生高频磁场。由于高频磁场，在导电体中产生了涡流。涡流防止高频磁场进入大部分本体。因此，磁场线被集中在励磁线圈与本体之间的间隙中。本体的移动会改变磁场分布。这些变化被拾波线圈拾取。当本体在一个方向上移动以使得减小本体一侧的间隙的尺寸时，磁场分布基本上会在相反方向上移动，使得间隙尺寸增大的一侧上的拾波线圈将接收更大的信号。如果励磁线圈与本体之间的平均间隙尺寸与其直径相比较小，则磁场分布的移动可远大于本体的移动。这导致装置的高灵敏度。
WO 2004/048883 A1还建议通过在本体上提供环形轴向凸缘表面来确定旋转对称本体沿其对称轴的轴向位置，凸缘表面的表面法线沿本体的对称轴延伸，并且沿轴向与凸缘表面相对地布置励磁线圈和/或拾波线圈(参见WO 2004/048883 A1的图7和图8)。通过确定分布在本体周围的所有拾波线圈的信号之和，或者通过评估励磁线圈的阻抗，来评估凸缘表面与线圈之间的轴向间隙的尺寸。然而，因为线圈不能沿轴向移动经过凸缘表面，所以可能难以组装包括这样的轴向传感器装置的旋转机器。此外，不可能以这种布置来确定旋转对称本体的旋转位置。
WO 2006/074560 A2公开了包括至少两个共面的、同心的传感器线圈的轴向位置传感器。传感器线圈围绕推力盘的旋转轴布置，沿轴向面向推力盘。它们***作成使得由传感器线圈产生的磁场至少部分地在最里面的传感器线圈内部的区域和最外面的传感器线圈外部的区域中抵消。为了检测推力盘的旋转状态，在传感器线圈或单独的励磁线圈附近设置若干个拾波线圈。拾波线圈检测凹口的旋转位置，该凹口设置在推力盘上或设置在承载推力盘的轴上。
关于轴向位置的确定，WO 2006/074560 A2中提出的传感器与WO 2004/048883A1中公开的轴向位置传感器具有相同的缺点，原因在于其需要线圈轴向地面向目标。此外，关于旋转位置的确定，传感器需要在拾波线圈附近的凹口，这可能干扰轴向位置的确定。
发明内容
在第一方面中，本发明的目的是提供可以被非常灵活地使用的、用于确定本体沿纵向轴的轴向位置的传感器装置，特别是不需要任何传感器线圈被布置成与凸缘表面沿轴向相对，其中该凸缘表面具有轴向表面法线。
这个目的和其他目的通过权利要求1中所限定的传感器装置来实现。在所附权利要求书中提出本发明的有利实施方式。
一种用于确定本体沿纵向轴的轴向位置的传感器装置，该传感器装置包括：
至少一个励磁线圈，该至少一个励磁线圈围绕纵向轴延伸(即，励磁线圈的匝基本上包围纵向轴)；
至少一个第一检测线圈，该至少一个第一检测线圈被布置在励磁线圈附近并且基本上在垂直于纵向轴的第一检测平面中；
至少一个第二检测线圈，该至少一个第二检测线圈被布置在励磁线圈附近并且基本上在垂直于纵向轴的第二检测平面中，该第二检测平面被布置在与第一检测平面相距一段轴向距离处；
励磁电路***，该励磁电路***被配置成向励磁线圈供应具有励磁频率的电流以产生励磁磁场分布；以及
检测电路***，该检测电路***被配置成在励磁频率处基于来自至少一个第一检测线圈的信号与来自至少一个第二检测线圈的信号之间的至少一个差来确定本体的轴向位置。
在特别简单的实施方式中，传感器装置包括一个第一检测线圈和一个第二检测线圈，两个检测线圈都围绕纵向轴延伸。如果仅期望确定本体的轴向位置，则该实施方式是特别合适的。
在其他实施方式中，传感器装置包括多个第一检测线圈，所述多个第一检测线圈在围绕纵向轴的多个不同角位置处(即，在沿励磁线圈的圆周的不同角位置处)基本上被布置在第一检测平面中；以及多个第二检测线圈，所述多个第二检测线圈在围绕纵向轴的多个不同角位置处基本上被布置在垂直于纵向轴的第二检测平面中。在这样的实施方式中，第一和第二检测线圈中的每一个优选地不围绕纵向轴延伸。在这样的实施方式中，使用第一和第二检测线圈不仅可以确定本体沿轴向方向的位置，还可以确定本体沿至少一个另外的自由度的位置，如下面将更详细地讨论的。
第一和第二检测线圈可以被布置为形成成对的轴向相对的第一和第二检测线圈。在这种情况下，每对的第一检测线圈和第二检测线圈优选地在沿纵向轴的投影中是一致的。然后轴向位置的确定可以是基于对来自每对轴向相对的第一和第二检测线圈的信号之间的所有的差进行求和，或者等效地，基于来自所有第一检测线圈的信号之和与来自所有第二检测线圈的信号之和之间的差。可以通过布线方案来形成和以及差，即，通过以串联和反串联(anti-series)配置来连接线圈，使得通过模拟硬件(例如通过模拟加法器和减法器)、通过数字硬件和软件(例如通过对来自检测线圈的信号进行数字化，以及在软件中对它们进行加减)、或者通过这些可能性的组合来获得期望的和以及差。
在一些实施方式中，传感器装置还包括多个第三检测线圈，所述多个第三检测线圈在围绕纵向轴的多个不同角位置处被布置励磁线圈附近。代替于第一和第二检测线圈，或除了第一和第二检测线圈之外，这些附加的检测线圈然后可以用于确定本体沿不同于轴向方向的至少一个自由度的位置。
在一些实施方式中，检测电路***被配置成除了确定本体的轴向位置之外，还确定本体沿至少一个径向方向的径向位置。这样的确定可以基于第一检测线圈所检测的信号与第二检测线圈所检测的信号的至少一个和。特别地，可以针对以下信号形成和：所述信号来自于每对轴向相对的第一检测线圈和第二检测线圈，并且可以针对以下成对的检测线圈的和来形成线性组合：该成对的检测线圈围绕纵向轴(即，沿本体的圆周，或者等效地，沿励磁线圈的圆周)布置在不同角位置处。在其他实施方式中，径向位置的确定可以基于来自第三检测线圈的信号。同样在这种情况下，可以由来自沿本体圆周的不同角位置处的第三检测线圈的信号形成线性组合。
在一些实施方式中，检测电路***被配置成除了确定本体的轴向位置之外，还确定本体围绕至少一个径向倾斜轴的倾斜位置(特别是其纵向轴相对于检测平面的倾斜位置)。这样的确定可以基于第一检测线圈所检测的信号与第二检测线圈所检测的信号之间的至少两个差的比较，每个差是根据围绕纵向轴的不同角位置的信号而形成的。
励磁线圈优选地以关于检测平面对称的方式来布置。特别地，它可以布置在检测平面之间。在一些实施方式中，励磁线圈基本上被布置在励磁平面中，励磁平面被布置在第一与第二检测平面之间，并且优选地与第一和第二检测平面等距。在这样的实施方式中，励磁线圈和检测线圈可以在沿纵向方向的投影中径向交叠。在其他实施方式中，励磁线圈包括第一和第二绕组，第一绕组基本上被布置在第一检测平面中，并且第二绕组基本上被布置在第二检测平面中。在这样的实施方式中，优选地，第一检测线圈被布置在第一绕组的径向外侧，并且第二检测线圈被布置在第二绕组的径向外侧。励磁线圈和检测线圈的其他相对布置当然也是可能的。
在本公开内容的上下文中，如果两个线圈感应地耦接，使得线圈之一中的AC电流在另一线圈中感应出可观的AC电压，则它们将被理解为布置在彼此“附近”。一般地，励磁线圈与各检测线圈之间的轴向和径向距离应该不大于50mm，更优选地不大于20mm。通常，特别地，轴向距离将比这小得多，例如小于10mm或甚至小于5mm。
在本公开内容的上下文中，如果线圈的匝与某个平面的平均轴向距离显著小于第一检测平面和第二检测平面之间的轴向距离，则线圈将被理解为“基本上”被布置在所述平面中(例如在第一或第二检测平面中，或在励磁平面中)。特别地，线圈的匝和所述平面的平均距离优选地不超过检测平面之间距离的25％。同样地，如果两个线圈的轴向距离显著小于第一检测平面与第二检测平面之间的轴向距离，特别是小于后者轴向距离的25％，则两个线圈将被理解为“基本上”被布置在同一平面中。
第一检测平面与第二检测平面之间的轴向距离将通常在一毫米至几毫米的大小；然而，在一些实施方式中，它也可以是显著更大的。特别地，所述轴向距离优选地为至少1mm，更优选地为至少1.5mm或至少2mm。
传感器装置有利地与本体上的导电目标结合使用，该导电目标在其外圆周上具有沿纵向轴变化的至少一个径向尺寸。励磁线圈围绕目标的圆周延伸，即，目标沿径向被布置在励磁线圈的内部。励磁线圈被布置成足够靠近目标，使得励磁磁场分布在目标中激发涡流。涡流防止励磁磁场分布进入目标的主体(除了在表面处的薄区域，该薄区域的厚度是所谓趋肤深度的规模)。因此，目标的轴向移动将改变目标周围的磁场分布。磁场分布由检测线圈检测。通过形成来自以下检测线圈的信号之间的差可以获得非常灵敏的轴向位置测量：所述检测线圈在两个不同的、沿轴向间隔开的检测平面中。
目标可以被形成为配置成与本体连接的单独元件，或者它可以是本体的组成部分。在有利的实施方式中，目标包括在本体的圆周表面上的径向突出环，其围绕纵向轴延伸。在其他实施方式中，目标包括在本体的圆周表面中的环形凹口，该凹口围绕纵向轴延伸。有利地，环或凹口具有沿轴向方向的长度，该长度在第一检测平面与第二检测平面之间的轴向距离的50％至200％之间，优选地在67％至150％之间，更优选地在80％至125％之间，以及最优选地在90％至110％之间。环或凹口在其外圆周上可以限定第一和第二圆周边缘结构，该第一和第二圆周边缘结构具有相反的轴向取向并且具有以下轴向距离：该轴向距离在第一检测平面与第二检测平面之间的轴向距离的50％至200％之间，优选地在67％至150％之间，更优选地在80％至125％之间，以及最优选地在90％至110％之间。以这种方式，目标的轴向移动特别强烈地影响磁场分布，从而导致传感器装置的高灵敏度。
为了实现传感器装置的高灵敏度，优选地在励磁线圈与目标之间仅存在小的径向间隙。如果目标是旋转对称的，则最小平均间隙尺寸(在围绕纵向轴的所有角位置上取平均值，在目标沿纵向轴的所有轴向位置上取该平均值的最小值)优选地不超过目标的外径的10％，更优选地不超过目标的外径的5％。就绝对值而言，平均间隙尺寸优选地不超过5mm，特别是不超过2mm。
为了简化包括传感器装置的机器的组装和拆卸，在沿纵向方向的投影中，励磁线圈和检测线圈不与目标径向交叠，或者至少不与目标的激发了涡流的那些部分径向交叠。特别地，优选地，目标不包括沿轴向面向励磁线圈和/或检测线圈的轴向凸缘表面。以这种方式，目标的相关部分可以被容易地***到线圈的布置中以及从中移除而不会发生碰撞。当然，这并不排除在本体上存在与线圈径向交叠的其他结构，例如用于轴向磁轴承的推力盘。重要的仅是这些结构不形成本传感器装置的目标，即，它们不参与由传感器装置进行的测量过程。
励磁频率应当相对较高，以使磁场分布能够进入目标的趋肤深度最小化，并且避免其他电流例如控制电流的干扰。有利地，励磁频率为至少100kHz。在一些实施方式中，励磁频率为至少200kHz、至少500kHz、至少1MHz或甚至至少2MHz。另一方面，励磁频率不应太高，以避免像微波一样的波导效应。例如，可以选择不超过100MHz的励磁频率。在一些实施方式中，励磁频率不超过20MHz或不超过10MHz。
为了避免目标形成励磁线圈和检测线圈的磁芯，目标优选地不是铁磁性的，从而改善针对外部磁场的免疫力。
励磁线圈和检测线圈有利地是形成在至少一个印刷电路板上的印刷线圈，特别地形成在单个公共印刷电路板上，或者形成在两个或更多个轴向堆叠的印刷电路板的组件上，这些印刷电路板由一些合适的连接结构进行连接。如在本领域中已知的，印刷电路板可以具有由绝缘层间隔开的多个导电层。每个线圈可以被形成在一个或更多个导电层中。如果线圈被形成在两个导电层中，每层承载相同匝数的线圈，则可以认为线圈基本上被布置在位于这两层之间的平面中，更准确地说，在这两层之间的轴向中心。这个概念可以被容易地推广到线圈被形成在多于两层上的情况或者线圈在不同层中具有不同匝数的情况。
一种确定本体沿纵向轴的轴向位置的对应方法，该方法包括：
围绕本体布置至少一个励磁线圈，该励磁线圈围绕纵向轴延伸；
将至少一个第一检测线圈布置在励磁线圈附近并且基本上在垂直于纵向轴的第一检测平面中；
将至少一个第二检测线圈布置在励磁线圈附近并且在垂直于纵向轴的第二检测平面中，第二检测平面被布置在与第一检测平面相距一段轴向距离处；
向励磁线圈供应具有励磁频率的电流以产生励磁磁场分布；以及
在励磁频率处基于至少一个第一检测线圈所检测的信号与至少一个第二检测线圈所检测的信号之间的至少一个差来确定本体的轴向位置。
以上结合本发明的传感器装置讨论的关于励磁线圈和检测线圈相对于彼此的可能布置的所有考虑也适用于本发明的方法。如上所讨论的，该方法还可以包括除了确定本体的轴向位置之外，还确定本体沿至少一个径向方向的径向位置和/或本体围绕至少一个径向倾斜轴的倾斜位置。
在第二方面中，本发明的目的是提供传感器装置，该传感器装置允许确定本体沿多个自由度的位置，包括关于围绕本体的纵向轴的旋转的旋转位置，其中，即使本体具有旋转对称形状，传感器装置也能够确定本体的旋转位置，并且其中，传感器装置具有简单的设置。
该目的通过一种用于确定本体沿多个自由度的位置的传感器装置来实现，该本体限定了纵向轴，该传感器装置包括：
至少一个印刷电路板；
至少一个励磁线圈，该至少一个励磁线圈围绕纵向轴延伸；
多个检测线圈，所述多个检测线圈被布置在励磁线圈附近，励磁线圈和检测线圈被形成为至少一个印刷电路板上的印刷线圈；
至少一个磁场传感器，该至少一个磁场传感器与励磁线圈和/或检测线圈一起布置在至少一个印刷电路板上，该至少一个磁场传感器被配置成检测由本体承载的磁体的杂散磁场；
励磁电路***，该励磁电路***被配置成向励磁线圈供应具有励磁频率的电流以产生励磁磁场分布；以及
检测电路***，该检测电路***被配置成在励磁频率处基于从检测线圈接收的信号来确定本体的轴向位置、径向位置和倾斜位置中的至少一个，该检测电路***还被配置成基于来自至少一个磁场传感器的信号来确定本体围绕纵向轴的旋转位置。
在许多旋转电机中，在转子本体上存在着强永磁体或被供应以DC电流的电磁体，以用于与定子线圈相互作用，以形成电动机或发电机。在本发明中，一个或更多个磁场传感器与轴向、径向和/或倾斜传感器的至少一个线圈一起被布置在公共印刷电路板上。这些磁场传感器拾取来自转子本体上的这种磁体的杂散磁场。来自磁场传感器的信号被用于确定转子本体的旋转位置。因此，不需要在本体上提供会破坏转子本体的旋转对称性的凹口。此外，不必为磁场传感器提供单独的印刷电路板。由此，降低了复杂性和空间需求。
本发明的第一方面和第二方面当然可以被容易地组合。
在一些实施方式中，采用单个多轴磁场传感器。在其他实施方式中，采用多个单轴或多轴磁场传感器。在这种情况下，磁场传感器有利地在围绕纵向轴的多个不同角位置处被布置在至少一个印刷电路板上。在一些实施方式中，检测电路***被配置成确定来自于以下磁场传感器的信号的线性组合，以校正本体的径向位移的影响：该磁场传感器被设置在围绕纵向轴的不同角位置处。为了避免与检测线圈设置在同一印刷电路板上的磁场传感器与检测线圈交叠，磁场传感器有利地被布置在相邻检测线圈之间的角位置处。
磁场传感器可以是能够检测低频磁场的任何类型的传感器，例如霍尔传感器或磁阻传感器。磁场传感器在以下频率范围内操作：该频率范围通过本体围绕其纵向轴的旋转频率来确定，其通常在小于几kHz的范围内并且一定远低于供应给励磁线圈的励磁频率，该励磁频率通常高于100kHz。因此，有利地，磁场传感器具有比励磁磁场分布的励磁频率低的工作带宽。替选地或附加地，检测电路***可以包括至少一个频率滤波器，所述至少一个频率滤波器用于从磁场传感器所检测的信号中滤出励磁频率。
检测电路***还可以被配置成基于本体的径向位置来校正来自至少一个磁场传感器的至少一个磁场信号，该本体的径向位置是根据在励磁频率处从检测线圈接收的信号而确定的。
一种确定本体沿多个自由度的位置的对应方法，该本体限定了纵向轴，该方法包括：
围绕本体布置至少一个励磁线圈，该励磁线圈围绕纵向轴延伸；
将多个检测线圈布置在励磁线圈附近，励磁线圈和检测线圈被形成为至少一个印刷电路板上的印刷线圈；
向励磁线圈供应具有励磁频率的电流以产生励磁磁场分布；以及
在励磁频率处基于从检测线圈接收的信号来确定本体的轴向位置、本体的径向位置以及纵向轴的倾斜位置中的至少一个，
使用至少两个磁场传感器来检测由本体承载的磁体的杂散磁场，该磁场传感器在围绕纵向轴的至少两个不同的角位置处与励磁线圈和/或检测线圈一起被布置在至少一个印刷电路板上；以及
基于杂散磁场来确定本体围绕纵向轴的旋转位置。
该方法可以包括基于本体的径向位置来校正来自至少一个磁场传感器的至少一个磁场信号，该本体的径向位置是根据在励磁频率处从检测线圈接收的信号而确定的。
附图说明
下面参照附图描述本发明的优选实施方式，附图是出于示出本发明的当前优选实施方式的目的，而不是出于限制本发明的目的。在附图中：
图1以高度示意性的方式以透视图示出了包括根据本发明的实施方式的传感器装置的旋转电机的部分；
图2以高度示意性的方式示出了穿过根据第一实施方式的传感器装置的中央纵向截面；
图3以高度示意性的方式示出了穿过根据第二实施方式的传感器装置的中央纵向截面；
图4以高度示意性的方式示出了穿过根据第三实施方式的传感器装置的中央纵向截面；
图5以高度示意性的方式示出了根据第二实施方式的传感器装置的俯视图；
图6以高度示意性的方式示出了根据第四实施方式的传感器装置的俯视图；以及
图7示出了励磁和检测电路***的示例性框图，示出了根据本发明的传感器的操作。
具体实施方式
图1以高度示意性的方式示出了包括根据本发明的实施方式的传感器装置的旋转电机的部分。应当理解，图1不是按比例的。
旋转电机包括转子本体10。转子本体10被支承在定子(未示出)中以绕旋转轴A进行旋转，旋转轴A与转子本体10的纵向轴对应。转子本体10由轴承(未示出)支承在定子中。轴承可以是磁轴承，特别是主动磁轴承。
具有北极N和南极S的永磁体11被安装在转子本体10上以与定子上的定子绕组(未示出)相互作用。定子绕组和永磁体11一起形成电动机或发电机。永磁体11的磁化方向横向于旋转轴A。
在图1中限定了以下方向：Z方向指定了旋转轴A的标称方向，即，旋转轴A在转子本体10的平衡位置沿Z方向延伸。旋转轴A与Z方向的偏差被称为转子本体10的“倾斜”。在本示例中，Z方向为竖直方向；然而，Z方向可以在空间中具有任意取向。X和Y方向称为径向方向。在本示例中，它们为水平方向。X、Y和Z方向相互垂直。转子绕A轴的旋转位置被指定为旋转角度
旋转机器包括传感器装置20，其用于在传感器装置的位置处确定转子本体相对于定子的径向、轴向、倾斜和旋转位置。传感器装置20包括多层印刷电路板(PCB)25。印刷电路板25具有环形形状，限定了中心开口。转子10穿过开口。替代于单个印刷电路板，还可以设想提供两个或更多个单独的印刷电路板的堆叠，并且堆叠中的印刷电路板连接在一起并且可选地由间隔件沿轴向间隔开。
印刷电路板25承载多个肾形的第一检测线圈21。在本示例中，存在四个第一检测线圈21。然而，在其他实施方式中，也可以存在三个、五个、六个或更多个第一检测线圈。第一检测线圈21基本上被布置在共同的第一检测平面中。它们可以被形成在例如印刷电路板25的顶层中或在两个或更多个最上面的层中。每个第一检测线圈21不包围转子本体10。第一检测线圈21沿转子本体10的圆周被布置在不同的角位置处，优选地以彼此相等的角距离布置。虽然在本示例中相邻的第一检测线圈在角方向上不交叠，但是也可能在这个方向上存在一定程度的交叠。在这种情况下，相邻的第一检测线圈必须被设置在不同的层中。如果这些层足够紧密地间隔，则仍然可以认为第一检测线圈基本上被设置在共同的第一检测平面中。
印刷电路板25还承载多个第二检测线圈，所述多个第二检测线圈基本上被设置在第一检测平面下方一段轴向距离处的第二检测平面中。例如，第二检测线圈可以设置在印刷电路板25的底层中或两个或更多个最底下的层中。第二检测线圈在图1中不可见。第二检测线圈与第一检测线圈21具有类似的配置，并且与第一检测线圈21类似地布置。对于第一检测平面中的每个第一检测线圈21，在第二检测平面中正好存在一个第二检测线圈。在沿Z轴的投影中，第二检测平面中的每个第二检测线圈基本上与其在第一检测平面中的对应第一检测线圈21一致。换言之，传感器装置20包括在两个不同检测平面中的多对相互一致的第一检测线圈和第二检测线圈。在本示例中，存在这样的四对。
印刷电路板25还承载励磁线圈。在本示例中，励磁线圈被设置在第一检测平面与第二检测平面之间的印刷电路板25的一个或更多个中心层中，并且在图1中不可见。励磁线圈围绕转子本体10延伸，即，励磁线圈的匝环绕旋转轴A。
最后，印刷电路板25承载多个磁场传感器24。在本示例中，磁场传感器24被设置在印刷电路板25的顶层上，其中还形成有第一检测线圈21的匝；然而，也可以设想将磁场传感器24设置在印刷电路板25的底层上。磁场传感器24被布置在不同的位置处，并且优选地沿转子10的圆周以相等的角距离布置。在本示例中，存在四个这样的磁场传感器24。每个磁场传感器24沿转子10的圆周被布置在两个相邻的第一检测线圈21之间。
转子本体10在其圆周表面上承载例如由铜或铝制成的导电的非铁磁材料的目标环12。目标环12形成传感器装置20的励磁和检测线圈的目标。目标环12可以与转子本体10分开制造，或者它可以是转子本体10的组成部分。在后一种情况下，整个转子本体是导电的。替代于环状，目标可以具有不同的形状；特别地，其可以为盘状。目标环12被径向设置在印刷电路板25的中心开口内。在目标环12与环形印刷电路板25的内圆周之间存在环形径向间隙13。目标环12沿轴向与永磁体11间隔开。
处理电路***30连接至励磁线圈、检测线圈以及磁场传感器。下面将更详细地讨论处理电路***的操作。
现在将参照图2描述励磁线圈和检测线圈的可能布置。
在图2中，印刷电路板25限定了三个不同的平面。这些平面中的每一个都垂直于Z方向延伸。第一检测线圈21被布置在第一检测平面P1中。第二检测线圈22被布置在第二检测平面P2中。第一和第二检测平面P1、P2沿轴向间隔开非零距离D。励磁线圈23被布置在励磁平面PE中。励磁平面沿轴向位于检测平面P1与P2之间的中心。励磁线圈23在沿Z轴的投影中与第一和第二检测线圈21、22交叠。在该示例中，附加的第三检测线圈26被布置在从励磁线圈径向外侧的励磁平面PE中。下面将进一步说明附加线圈的目的。
励磁平面和检测平面不一定与印刷电路板的特定导电层重合。如果励磁线圈和/或检测线圈中的每一个在两个或更多个相邻导电层中具有匝，则平面PE、P1和P2中的每一个可以由印刷电路板的两个或更多个这样的相邻层限定，例如第一检测平面P1可以由印刷电路板的两个最上面的层限定，并且在这种情况下可以被认为位于这两个层之间。
目标环12具有沿旋转方向A的长度L，长度L基本上对应于沿Z方向的第一与第二检测平面P1、P2之间的距离D。在其外圆周处，目标环12具有两个相反取向的圆周边缘结构：第一(上)圆周边缘15存在于目标环12的外圆周表面与目标环12的轴向上端面相遇的地方。第二(下)圆周边缘16存在于目标环12的外圆周表面与目标环12的轴向下端面相遇的地方。这些边缘沿旋转轴A具有相反的取向。
在操作中，处理电路***30向励磁线圈供应具有励磁频率的高频电流，励磁频率通常在100kHz至100MHz的范围内。电流产生高频励磁磁场分布。磁场分布在目标环中激发涡流。涡流防止磁场分布进入目标环的主体。这导致励磁线圈23与目标环12的圆周表面之间的径向间隙13中的磁场分布的集中。
转子本体10沿某个径向方向的径向位移减小了在一个径向侧上的间隙尺寸，并且增加了在目标环12的相反径向侧上的间隙尺寸。这导致磁场分布在与目标环12的移动方向相反的方向上位移。因此，相比于在另一径向侧上的第一和第二检测线圈21、22，在一个径向侧上的第一和第二检测线圈21、22接收更小的信号。可以基于这种差来确定径向位移。
转子本体10的轴向位移改变了目标环12在印刷电路板25内的轴向位置。转子本体10沿正Z方向的向上位移导致目标环12也向上移动。由此，下圆周边缘16向上移动至检测平面P1与P2之间的轴向位置，而上圆周边缘15向上移动至第一(上)检测平面P1上方的轴向位置。由此，磁场分布将会改变，使得在任何一个第一(上)检测线圈21的位置处的磁场将不同于在对应的第二(下)检测线圈22的位置处的磁场。可以基于这种信号差来确定转子本体10的总轴向位移。特别地，可以沿目标环12的圆周在所有成对的检测线圈上对该差进行求和。
可以通过将转子本体的一个径向侧上的一对检测线圈的信号差与相反径向侧上的一对检测线圈的信号差进行比较，来确定转子本体10的倾斜位移。
图3示出了第二实施方式。励磁线圈23具有两个绕组231、232。第一绕组231被设置在第一检测平面P1中，第一绕组231在第一检测线圈21的径向内侧。第二绕组232被设置在第二检测平面P2中，第二绕组232在第二检测线圈22的径向内侧。绕组231、232具有相同的匝数。它们被串联连接。
图4示出了第三实施方式。励磁线圈和检测线圈被布置为与在第一实施方式中一样。然而，替代于目标环12，在转子本体10中设置了凹口14。转子本体10的靠近凹口14的部分形成了励磁线圈和检测线圈的目标。在图4的平衡位置，磁场分布将被集中在凹口14中。当转子本体10被位移时，磁场分布将与转子本体一起移动。这将再次导致第一和第二检测线圈21、22中的不同信号。
在所有这些实施方式中，替代于使用第一和第二检测线圈21、22来检测径向位移和轴向位移两者，可以使用第三检测线圈26来检测径向位移，而第一和第二检测线圈21、22仅用于检测轴向位移和可能的倾斜位移。这可以简化信号处理。特别地，每对第一和第二检测线圈21、22可以以反串联配置直接连接，以直接从每对第一和第二检测线圈21、22获得差信号，而不需要用于形成这种差的电子器件。
替代于提供沿励磁线圈23的圆周分布的多个第一检测线圈21和对应的第二检测线圈22，也可以仅提供单个第一检测线圈21和单个第二检测线圈22，这些线圈中的每一个围绕纵向轴A(或等效地，围绕本体10)延伸。这两个线圈可以以反串联配置连接，以直接从这些线圈获得差信号。以这种方式可以以特别简单的方式确定本体10的轴向位置。在这种情况下，可以提供第三检测线圈26以用于确定转子本体的径向位移，该第三检测线圈26沿励磁线圈的圆周被布置在不同位置处。
当然，励磁线圈和检测线圈的许多其他配置是可能的。同样地，目标的许多其他配置是可能的。例如，目标不一定需要具有锐利的边缘结构。
图5以从上方到第一检测平面P1的视图示出了根据第二实施方式的励磁线圈和检测线圈以及磁场传感器的布置。四个第一检测线圈21a、21b、21c以及21d在第一检测平面P1中均匀地分布在目标环12的圆周上。在每个第一检测线圈下方，对应的一致的第二检测线圈被布置在第二检测平面P2中。从检测线圈向旋转轴A径向地偏移，励磁线圈231的上绕组231是可见的。磁场传感器24沿励磁线圈23的圆周被设置在相邻的第一检测线圈21a至21d之间。
在本实施方式中，径向位移、轴向位移和倾斜位移的检测可以例示如下：为了检测径向位移，将从每个第一检测线圈21a、21b、21c和21d以及对应的第二检测线圈接收到的信号相加。这产生四个和信号∑a、∑b、∑c以及∑d，针对每对第一和第二检测线圈有一个和信号。基于这些和信号之间的差Sx＝∑a-∑c确定沿X方向的径向位移，而基于差Sy＝∑b-∑d确定沿Y方向的径向位移。
为了检测轴向位移，将从每对第一和第二检测线圈接收到的信号相减。这产生四个差信号Δa、Δb、Δc以及Δd，针对每对有一个差信号。基于这些差信号之和Sz＝Δa+Δb+Δc+Δd来确定转子本体10的轴向位移。
基于沿X方向在转子本体的相对侧上的差信号之间的差Tx＝Δa-Δc来确定X-Z平面中的倾斜位移。同样地，基于沿Y方向在转子本体的相对侧上的差信号之间的差Ty＝Δb-Δd来确定Y-Z平面中的倾斜位移。
如果目标的直径与检测平面P1和P2的轴向距离D相比较大，则可以以特别高的灵敏度确定倾斜位移，因为这通常是所谓的盘式转子的情况。例如，如果目标的直径为10cm，则围绕目标环12的中心倾斜1°将导致在目标环12的一个径向侧处外圆周的轴向位移约为0.9mm，并且导致在相反的径向侧处大小相等但方向不同的轴向位移，如果检测平面P1、P2间隔开不超过几毫米，则该轴向位移能够很容易被检测到。优选地，目标的直径与以下轴向距离的比率至少为5，特别地至少为10，更优选地至少为20：第一和第二检测平面P1、P2之间的轴向距离。
磁场传感器24独立于励磁线圈和检测线圈而操作。这些传感器检测来自马达或发电机的磁体11的杂散磁场。在图5的示例中，获得了四个磁场传感器信号。可以减去来自每对完全相对的磁场传感器的信号，以使转子本体10的径向位移的影响最小化。这产生沿两个相互正交的方向的两个差信号，可以使用本领域已知的方法根据该差信号容易地确定转子本体10的旋转位置。
图6示出了第四实施方式，其中仅提供了三个第一检测线圈21、三个第二检测线圈22(在图6中不可见)以及三个磁场传感器24。同样地，形成了来自每对第一和第二检测线圈21、22的信号的和以及差。通过形成这些和以及差的适当加权的线性组合，很容易能够以与结合图5所解释的相同精神再次确定转子本体的径向位移、轴向位移和倾斜位移。通过形成三个磁场传感器的信号的线性组合，获得沿两个相互正交方向的信号。可以根据这些信号容易地确定转子本体10的旋转位置。
还可以以不同于180°的角距离在两个不同的角位置处仅设置两个磁场传感器，或者甚至仅设置单个多轴磁场传感器。在这种情况下，来自磁场传感器的信号会受到转子本体10的径向位移的影响，并且不能通过形成线性组合来补偿该影响。然而，仍然可以基于从检测线圈21、22和/或26获得的径向位移信号来校正这种影响。
图7示出了处理电路***30的可能实施方式。在该实施方式中，处理电路***包括励磁电路***31和检测电路***32。励磁电路***31包括在励磁频率处向励磁线圈23供应高频电流的振荡器。在第一和第二检测线圈21、22中感应出电压。检测电路***包括减法器33，该减法器33将从第一和第二检测线圈21、22接收到的电压信号彼此相减，减法器33之后是带通滤波器34，带通滤波器34具有在励磁频率处的中心频率，以滤除任何不期望的干扰。带通滤波器的输出被馈送至对高频信号进行解调以获得低频信号的解调器/ADC 35，该低频信号是在励磁频率处对减法器33的输出的幅度的量度。该信号被数字化并输出。该输出指示该对检测线圈21、22附近的目标部分的轴向位移。类似地，加法器36将从第一和第二检测线圈21、22接收到的电压信号相加。来自加法器的输出再次通过带通滤波器37，并且在解调器/ADC 38中被解调并数字化。该输出指示该对检测线圈21、22附近的目标部分的径向位置。在图7中只示出了具有对应的处理电路***的一对检测线圈。针对其他成对的检测线圈的处理电路***是相同的。针对不同对的检测线圈的处理电路***的输出然后可以被组合，并在软件中经受进一步处理。
来自每个磁场传感器24的信号通过低通滤波器39并且在ADC中被数字化，该低通滤波器39具有远低于励磁频率的截止频率。根据输出，可以确定转子本体10的旋转位置。由于用于确定磁体11的杂散磁场的电路***的带宽远低于励磁线圈和检测线圈的励磁频率，因此在对应的信号路径之间存在可以忽略的串扰。
应当理解，仅通过示例的方式提供图7，并且可以以许多不同的方式来配置励磁和检测电路***。例如，可以单独处理和数字化来自每个检测线圈的信号，并且可以完全数字化地执行所有进一步的处理。在其他实施方式中，可以在信号数字化之前通过模拟硬件形成进一步的和以及差。在又一实施方式中，在直接提供所期望的和或差的配置中，检测线圈甚至可以是硬连线的。
在不脱离本发明的范围的情况下可以进行许多其他修改。
附图标记列表
10 转子本体 32 检测电路***
11 永磁体 33 减法器
12 目标环 34 带通滤波器
13 径向间隙 35 解调器/ADC
14 凹口 36 加法器
15 圆周边缘 37 带通滤波器
16 圆周边缘 38 解调器/ADC
20 传感器装置 39 低通滤波器/ADC
21 第一检测线圈 A 旋转轴
21a-21d 第一检测线圈 Z 轴向方向
22 第二检测线圈 X，Y 径向方向
23 励磁线圈 P1 第一检测平面
231 第一绕组 P2 第二检测平面
232 第二绕组 PE 励磁平面
24 磁场传感器 D 轴向距离
25 印刷电路板 L 目标环的长度
26 第三检测线圈 N 北极
30 处理电路*** S 南极
31 励磁电路***

Claims (19)

1.一种用于确定本体(10)沿纵向轴(A)的轴向位置的传感器装置，所述传感器装置包括：
至少一个励磁线圈(23)，所述至少一个励磁线圈(23)围绕所述纵向轴(A)延伸；
至少一个第一检测线圈(21)，所述至少一个第一检测线圈(21)被布置在所述励磁线圈(23)附近并且基本上在垂直于所述纵向轴(A)的第一检测平面(P1)中；
至少一个第二检测线圈(22)，所述至少一个第二检测线圈(22)被布置在所述励磁线圈(23)附近并且基本上在垂直于所述纵向轴(A)的第二检测平面(P2)中，所述第二检测平面被布置在与所述第一检测平面相距一段轴向距离处；
励磁电路***(31)，所述励磁电路***(31)被配置成向所述励磁线圈(23)供应具有励磁频率的电流以产生励磁磁场分布；以及
检测电路***(32)，所述检测电路***(32)被配置成在所述励磁频率处基于来自所述第一检测线圈(21)和所述第二检测线圈(22)的信号来确定所述本体(10)的轴向位置，
其特征在于，所述检测电路***(32)被配置成基于来自所述至少一个第一检测线圈(21)的信号与来自所述至少一个第二检测线圈(22)的信号之间的至少一个差来确定所述轴向位置。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，
包括：多个第一检测线圈(21)，所述多个第一检测线圈(21)在围绕所述纵向轴(A)的多个不同角位置处基本上被布置在所述第一检测平面(P1)中；以及多个第二检测线圈(22)，所述多个第二检测线圈(22)在围绕所述纵向轴(A)的多个不同角位置处基本上被布置在垂直于所述纵向轴(A)的所述第二检测平面(P2)中，并且/或者
包括：多个第三检测线圈(26)，所述多个第三检测线圈(26)在围绕所述纵向轴的多个不同角位置处被布置在所述励磁线圈(23)附近。
3.根据权利要求2所述的传感器装置，
其中，所述检测电路***被配置成除了确定所述本体(10)的轴向位置之外还确定下述中的至少一个：
所述本体(10)沿至少一个径向方向的径向位置，基于所述第一检测线圈(21)所检测的信号与所述第二检测线圈(22)所检测的信号的至少一个和，并且/或者基于所述第三检测线圈(26)所检测的信号来确定所述径向位置；以及
所述本体(10)围绕至少一个径向倾斜轴的倾斜位置，基于对所述第一检测线圈(21)所检测的信号与所述第二检测线圈(22)所检测的信号之间的至少两个差进行比较来确定所述倾斜位置，其中每个差是根据围绕所述纵向轴(A)的不同角位置的信号而形成的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器装置，
其中，所述励磁线圈(23)被布置在所述第一检测平面(P1)与所述第二检测平面(P2)之间，或者
其中，所述励磁线圈(23)包括第一绕组(231)和第二绕组(232)，所述第一绕组(231)基本上被布置在所述第一检测平面(P1)中，并且所述第二绕组(232)基本上被布置在所述第二检测平面(P2)中。
5.根据权利要求4所述的传感器装置，
其中，所述励磁线圈(23)被布置在所述第一检测平面(P1)与所述第二检测平面(P2)之间基本上在励磁平面(PE)中，所述励磁平面(PE)垂直于所述纵向轴(A)延伸并且被布置在所述第一检测平面(P1)与所述第二检测平面(P2)之间，所述励磁平面(PE)被布置为与所述第一检测平面(P1)和所述第二检测平面(P2)等距。
6.根据权利要求4所述的传感器装置，
其中，所述励磁线圈(23)包括第一绕组(231)和第二绕组(232)，所述第一绕组(231)基本上被布置在所述第一检测平面(P1)中，并且所述第二绕组(232)基本上被布置在所述第二检测平面(P2)中，所述至少一个第一检测线圈(21)被布置在所述第一绕组(231)的径向外侧，并且所述至少一个第二检测线圈(22)被布置在所述第二绕组(232)的径向外侧。
7.根据权利要求1所述的传感器装置，还包括所述本体(10)上的导电目标(12)，所述目标(12)在其外圆周上具有沿所述纵向轴(A)变化的径向尺寸，
其中，所述励磁线圈(23)和所述目标(12)被配置并布置成使得所述励磁磁场分布在所述目标(12)中激发涡流，所述涡流基本上防止所述励磁磁场分布进入所述目标中。
8.根据权利要求7所述的传感器装置，
其中，所述励磁线圈(23)以及所述第一检测线圈(21)和所述第二检测线圈(22)在沿纵向方向的投影中不与所述目标的激发了涡流的那些部分交叠。
9.根据权利要求7或8所述的传感器装置，
其中，所述目标(12)包括在所述本体(10)的圆周表面上的径向突出环或在所述圆周表面中的环形凹口，所述环或所述凹口围绕所述纵向轴(A)延伸。
10.根据权利要求9所述的传感器装置，
其中，所述环或所述凹口具有沿所述纵向方向的长度，所述长度在所述第一检测平面与所述第二检测平面之间的轴向距离的50％至200％之间，并且/或者其中，所述环或所述凹口在其外圆周上限定第一圆周边缘结构和第二圆周边缘结构，所述第一圆周边缘结构和所述第二圆周边缘结构具有相反的轴向取向并且具有轴向距离，所述轴向距离是所述第一检测平面与所述第二检测平面之间的轴向距离的50％至200％。
11.根据权利要求7或8所述的传感器装置，其中，所述目标(12)不是铁磁性的。
12.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述励磁频率在从100kHz至100MHz的范围内。
13.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述励磁线圈(23)以及所述第一检测线圈(21)和所述第二检测线圈(22)是形成在至少一个印刷电路板(25)上的印刷线圈。
14.根据权利要求13所述的传感器装置，还包括至少一个磁场传感器(24)，所述至少一个磁场传感器(24)在围绕所述纵向轴(A)的不同角位置处被布置在所述至少一个印刷电路板(25)上，所述至少一个磁场传感器被配置成检测由所述本体(10)承载的磁体(11)的杂散磁场；
其中，所述检测电路***被配置成操作所述至少一个磁场传感器(24)以基于来自所述至少一个磁场传感器(24)的信号来确定所述本体(10)围绕所述纵向轴(A)的旋转位置
15.一种用于确定本体(10)沿多个自由度的位置的传感器装置，所述本体(10)限定了纵向轴(A)，所述传感器装置包括：
至少一个印刷电路板(25)；
至少一个励磁线圈(23)，所述至少一个励磁线圈(23)围绕所述纵向轴(A)延伸；
多个检测线圈(21，22)，所述多个检测线圈(21，22)被布置在所述励磁线圈(23)附近，所述励磁线圈(23)和所述检测线圈(21，22)被形成为所述至少一个印刷电路板(25)上的印刷线圈；
励磁电路***(31)，所述励磁电路***(31)被配置成向所述励磁线圈(23)供应具有励磁频率的电流以产生励磁磁场分布；以及
检测电路***(32)，所述检测电路***(32)被配置成在所述励磁频率处基于从所述检测线圈(21、22)接收的信号来确定所述本体(10)的轴向位置、径向位置以及倾斜位置中的至少一个，
其特征在于，所述传感器装置还包括至少一个磁场传感器(24)，所述至少一个磁场传感器(24)与所述励磁线圈(23)和/或所述检测线圈(21、22)一起布置在所述至少一个印刷电路板上，所述至少一个磁场传感器被配置成检测由所述本体(10)承载的磁体(11)的杂散磁场；并且
其特征在于，所述检测电路***(32)被配置成基于来自所述至少一个磁场传感器(24)的信号来确定所述本体(10)围绕所述纵向轴(A)的旋转位置
16.根据权利要求15所述的传感器装置，其中，每个磁场传感器(24)被布置在处于相邻的检测线圈(21、22)之间的角位置处。
17.根据权利要求15所述的传感器装置，
其中，所述至少一个磁场传感器(24)具有比所述励磁磁场分布的励磁频率低的工作带宽；并且/或者
其中，所述检测电路***(32)包括至少一个频率滤波器，所述至少一个频率滤波器用于从所述至少一个磁场传感器(24)所检测的信号中滤出所述励磁频率。
18.一种确定本体(10)沿纵向轴(A)的轴向位置的方法，所述方法包括：
围绕所述本体(10)布置至少一个励磁线圈(23)，所述励磁线圈(23)围绕所述纵向轴(A)延伸；
将至少一个第一检测线圈(21)布置在所述励磁线圈(23)附近并且基本上在垂直于所述纵向轴(A)的第一检测平面(P1)中；
将至少一个第二检测线圈(22)布置在所述励磁线圈(23)附近并且基本上在垂直于所述纵向轴(A)的第二检测平面(P2)中，所述第二检测平面被布置在与所述第一检测平面相距一段轴向距离处；
向所述励磁线圈(23)供应具有励磁频率的电流以产生励磁磁场分布；以及
在所述励磁频率处基于所述第一检测线圈(21)和所述第二检测线圈(22)所检测的信号来确定所述本体(10)的轴向位置，
其特征在于，所述轴向位置的确定是基于所述至少一个第一检测线圈(21)所检测的信号与所述至少一个第二检测线圈(22)所检测的信号之间的至少一个差。
19.一种确定本体(10)沿多个自由度的位置的方法，所述本体(10)限定了纵向轴(A)，所述方法包括：
围绕所述本体(10)布置至少一个励磁线圈(23)，所述励磁线圈围绕所述纵向轴(A)延伸；
将多个检测线圈(21，22)布置在所述励磁线圈(23)附近，所述励磁线圈(23)和所述检测线圈(21、22)被形成为公共印刷电路板(25)上的印刷线圈；
向所述励磁线圈(23)供应具有励磁频率的电流以产生励磁磁场分布；以及
在所述励磁频率处基于从所述检测线圈(21、22)接收的信号来确定所述本体(10)的轴向位置、径向位置以及倾斜位置中的至少一个，
其特征在于，所述方法还包括：
使用至少两个磁场传感器(24)来检测由所述本体(10)承载的磁体(11)的杂散磁场，所述磁场传感器(24)在围绕所述纵向轴(A)的不同角位置处被布置在所述印刷电路板(25)上；以及
基于所述杂散磁场来确定所述本体(10)围绕所述纵向轴(A)的旋转位置
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