CN114270144B - 旋转角度测量装置、旋转角度测量***和电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转角度测量装置，其具有可旋转的轴和用于检测轴旋转运动的旋转角度测量***，旋转角度测量***包括：励磁装置、电路板装置、第一磁场传感器和评估电子设备，其中，励磁装置连接到轴以进行联合旋转，并且具有至少一个永磁励磁磁体；电路板装置具有第一电路板部分和第二电路板部分，第二电路板部分设置成与第一电路板部分成一定角度，并且经由连接装置电连接到第一电路板部分；第一磁场传感器设置在第一电路板部分上，并且通过其可以检测由励磁装置产生的激励磁场；评估电子设备，其设置在电路板装置上并且电连接到磁场传感器。本发明提供了具有特别小的径向范围的印刷电路板装置，从而提供了特别紧凑的旋转角度测量***。

Description

旋转角度测量装置、旋转角度测量***和电机
技术领域
本发明涉及一种旋转角度测量装置，其包括可旋转轴和用于检测旋转轴运动的旋转角度测量***，该旋转角度测量***包括：励磁装置、印刷电路板装置、第一磁场传感器和评估电子设备，其中，励磁装置共同旋转地连接到轴，并包括至少一个永磁励磁磁体；印刷电路板装置包括垂直于纵轴布置的第一印刷电路板部分和第二印刷电路板部分，该第二印刷电路板部分相对于第一印刷电路板部分成角度布置，并且通过连接装置电连接到第一印刷电路板部分；第一磁场传感器设置在第一印刷电路板部分上，并且通过其可以检测由励磁装置产生的激励磁场；评估电子设备设置在印刷电路板装置上，并且电连接到第一磁场传感器。
背景技术
此类旋转角度测量装置用于检测轴的旋转运动，其中旋转角度测量***通常也称为角度测量装置、旋转角度传感器或旋转编码器。此类旋转角度测量装置尤其用于控制和监控机器、***或车辆中的电机，尤其是伺服电机。在这些应用中，旋转角度测量***的安装空间通常是有限的。
例如，DE 10 2007 018 758 A1公开了一种带有旋转角度测量***的旋转角度测量装置，该旋转角度测量***包括具有第一印刷电路板部分、第二印刷电路板部分和第三印刷电路板部分的印刷电路板装置，其中，第一印刷电路板部分垂直于纵轴轴向布置；第二印刷电路板部分相对于第一印刷电路板部分成角度布置；第三印刷电路板部分是柔性的，并且其使第一印刷电路板部分电连接到第二印刷电路板部分。由于印刷电路板部分的成角度布置，所公开的旋转角度测量布置具有相对较小的径向范围，但另一方面具有相对较大的轴向范围。然而，通常不仅旋转角度测量***的可用径向安装空间有限，而且可用轴向安装空间也有限。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种具有相对紧凑的旋转角度测量***的旋转角度测量装置。
在本专利申请的上下文中，径向和轴向总是指通过旋转角度测量***检测的轴的潜在方向。
根据本发明，第二印刷电路板部分以下述方式布置，即：使得第二印刷电路板部分在平行于纵向轴线的纵向平面上的平行投影与励磁装置在该纵向平面上的投影至少部分重叠。纵向平面可以是平行于纵轴的任何平面，即表面法线垂直于纵轴的任何平面。因此，第二印刷电路板部分至少部分径向地布置在励磁装置附近。优选地，背向第一印刷电路板部分的第二印刷电路板部分的端部不轴向突出在背向第一印刷电路板部分的励磁装置的轴向端部上。在任何情况下，只有相对较小的第二印刷电路板部分轴向突出励磁装置的轴向端，该励磁装置背对着第一印刷电路板部分，优选地，第二印刷电路板部分在励磁装置的轴向端上的轴向突出部分(其朝向远离第一印刷电路板部分)最多为第二印刷电路板部分轴向范围的10％。
由于第二印刷电路板部分的成角度布置，根据本发明的旋转角度测量***在轴上只需要相对较小的径向安装空间。由于第二印刷电路板部分至少部分径向地布置在励磁装置附近，并且优选地仅略微轴向地突出励磁装置，因此，根据本发明的旋转角度测量***仅需要相对较小的轴向安装空间。因此，这提供了一种带有相对紧凑的旋转角度测量***的旋转角度测量装置。
优选地，第一印刷电路板部分和第二印刷电路板部分之间的角度在70°到110°的角度范围内，更优选地在80°到100°的角度范围内。这提供了具有特别小的径向范围的印刷电路板装置，从而提供了特别紧凑的旋转角度测量***。
在本发明的优选实施例中，第二印刷电路板部分以下述方式布置，即：第二印刷电路板部分在垂直于纵向轴线的横向平面上的平行投影与第一印刷电路板部分在该横向平面上的平行投影至少部分重叠。横向平面可以是横向延伸至纵轴的任何平面，即表面法线平行于纵轴的任何平面。因此，第二印刷电路板部分沿轴向布置，其与第一印刷电路板部分相邻。优选地，第二印刷电路板部分以下述方式布置，即：第二印刷电路板部分的至少90％的横向平面投影区域位于第一印刷电路板部分的横向平面投影区域内。更优选地，第二印刷电路板部分以下述方式布置，即：第二印刷电路板部分的横向平面投影区域完全位于第一印刷电路板部分的横向平面投影区域内。这提供了具有特别小的径向范围的印刷电路板装置，从而提供了特别紧凑的旋转角度测量***。
优选地，连接装置由柔性的第三印刷电路板部分限定。更优选地，连接装置由所谓的“Starrflex”印刷电路板限定。通常，第三印刷电路板部分包括从第一印刷电路板部分通过第三印刷电路板部分延伸到第二印刷电路板部分的导体轨道。这在第一印刷电路板部分和第二印刷电路板部分之间提供了特别可靠的电气连接，不需要焊点和/或连接器插头。此外，柔性的第三印刷电路板部分使得易于实现特别复杂的电路。
有利的是，评估电子设备包括至少一个电子元件，其设置在第一印刷电路板部分和磁场传感器之间。因此，该至少一个电子元件布置在磁场传感器的“下方”，使得至少一个电子元件在印刷电路板装置上不需要任何额外的空间。优选地，多个评估电子元件布置在第二印刷电路板部分和磁场传感器之间。这减少了所需的印刷电路板面积，从而实现了特别紧凑的印刷电路板装置，从而实现了特别紧凑的旋转角度测量***。
优选地，旋转角度测量***包括第二磁场传感器，通过该第二磁场传感器可以检测由励磁装置产生的激励磁场。第二磁场传感器能够对激励磁场进行特别精确和可靠的检测，从而提供特别可靠的旋转角度测量***。通常，一个磁场传感器是所谓的韦根(Wiegand)传感器，另一个磁场传感器是所谓的霍尔(Hall)传感器。优选地，第一磁场传感器和第二磁场传感器布置在第一印刷电路板部分的相对侧，其中两个磁场传感器优选地基本上与轴同心。这提供了可靠且紧凑的旋转角度测量***。
在本发明的有利实施例中，旋转角度测量***包括印刷电路板支撑元件，其在第一轴向侧支撑第一印刷电路板部分，并且包括第一卡扣装置，第二印刷电路板部分通过该卡扣装置以形锁合方式连接到印刷电路板支撑元件。优选地，印刷电路板支撑元件还包括定位装置，通过该定位装置，第一印刷电路板部分被径向和旋转地定位并固定。优选地，印刷电路板支撑元件基本上是圆柱形的，并且至少部分地径向包围励磁装置，其中在印刷电路板支撑元件中提供凹槽，第二电路板部分可以通过卡扣装置固定在凹槽中。在组装期间，印刷电路板装置经由第一印刷电路板部分轴向地附接到印刷电路板支撑元件，并且第二印刷电路板部分简单地***卡扣装置中。这允许旋转角度测量***的简单组装，整个印刷电路板装置——特别是包括倾斜的第二印刷电路板部分——可靠地连接和对齐。
有利地，该旋转角度测量***包括印刷电路板固定元件，该印刷电路板固定元件连接到印刷电路板支撑元件，并在与第一轴向侧相对的第二轴向侧支撑第一印刷电路板部分。通常，印刷电路板固定元件通过螺纹连接连接到印刷电路板支撑元件。印刷电路板固定元件提供印刷电路板装置的简单可靠的固定。优选地，印刷电路板固定元件基本上是盆形的，并且基本上在径向外侧完全包围第一磁场传感器，更优选两个磁场传感器。优选地，在印刷电路板固定元件的径向底部区域中提供凹槽，磁场传感器的轴向端朝向远离第一印刷电路板部分***其中。因此，印刷电路板固定元件进一步为敏感磁场传感器提供机械保护。
在本发明的优选实施例中，旋转角度测量***包括盆形的可磁化的屏蔽元件，其中第一磁场传感器、更优选两个磁场传感器和第一印刷电路板部分布置成完全位于屏蔽元件内。屏蔽元件通常由软磁金属制成，屏蔽磁场传感器免受外部磁场的影响，外部磁场可能会降低磁场传感器检测轴转速的可靠性和/或准确性。通常，屏蔽元件进一步限定旋转角度测量***的外壳部分。因此，屏蔽元件提供了可靠且紧凑的旋转角度测量***。
更优选地，相对灵敏的评估电子设备也布置成完全在屏蔽元件内，因此也被屏蔽以免受外部磁场的影响。这提供了特别可靠的旋转角度测量***。
在本发明的有利实施例中，在印刷电路板支撑元件和/或印刷电路板固定元件上提供第二卡扣装置，通过该卡扣装置，屏蔽元件轴向和旋转地固定。优选地，卡扣装置设置在印刷电路板支撑元件和/或印刷电路板固定元件的径向外侧，其中屏蔽元件包括其圆筒壁中的至少一个凹槽，卡扣装置与之接合。卡扣装置提供屏蔽元件的可靠对准和连接，其中屏蔽元件还可以以简单的方式安装。
优选地，旋转角度测量***包括径向环绕轴的可磁化的屏蔽盘。屏蔽盘通常由软磁金属制成，并且屏蔽磁场传感器，更优选地，屏蔽磁场传感器和评估电子设备，使其免受外部磁场的影响，尤其是来自驱动轴的电机定子和/或转子中产生的磁场的影响。这提供了特别可靠的旋转角度测量***。屏蔽盘优选地还限定了适配器元件，通过该适配器元件，旋转角度测量***可以容易地连接到预限定的测量***安装装置，例如电机法兰。
通常，旋转角度测量***包括用于外部电源和/或用于读取/编程旋转角度测量***的连接器插头，该连接器插头布置在印刷电路板装置上，并与评估电子设备电连接。通常，连接器插头基本上垂直于印刷电路板装置。有利地，连接器插头设置在第二印刷电路板部分的径向外侧。因此，连接器插头和可连接到连接器插头的连接插头只需要径向安装空间，不需要额外的轴向安装空间。这提供了一种特别紧凑的旋转角度测量装置。此外，连接器插头布置在第一磁场传感器的径向和轴向延伸之外，更优选地布置在两个磁场传感器的径向和轴向延伸之外，以便在磁场传感器延伸内的屏蔽元件中不必为连接器插头提供开口。这为磁场传感器提供了特别可靠的屏蔽，从而提供了特别可靠的旋转角度测量***。
此外，通过具有上述特征的旋转角度测量***实现了该技术目的。此处，径向和轴向是指轴在安装在轴上的旋转角度测量***内的潜在轴方向。
此外，该技术目标是通过电机实现的，该电机包括具有上述特征的旋转角度测量装置，其中印刷电路板支撑元件连接至电机法兰。这提供了特别紧凑的电机。印刷电路板支撑元件可以直接连接到电机法兰，或者优选地，可以通过转接板连接到电机法兰。
附图说明
下面参考附图描述根据本发明的电机的实施例，其包括根据本发明的旋转角度测量装置，其中
图1在部分剖视图中显示了根据本发明的电机的一部分，包括根据本发明的旋转角度测量装置，以及
图2显示了图1中旋转角度测量装置的旋转角度测量***的透视图，无屏蔽元件。
具体实施方式
图1所示为电机100，包括旋转角度测量装置10，用于检测电机100的从动轴12的旋转运动。旋转角度测量装置10包括轴12和布置在轴12上的旋转角度测量***14。
旋转角度测量***14包括励磁装置16，该励磁装置16具有可共同旋转地连接到轴12的磁体保持器18和具有安装在磁体保持器18中的从而可共同旋转地连接到轴12的永磁励磁磁体20。
旋转角度测量***14还包括基本上呈圆柱形的印刷电路板支撑元件22，该支撑元件通过螺纹连接连接到电机法兰24，其中软磁金属的屏蔽盘26轴向布置在印刷电路板支撑元件22和电机法兰24之间。屏蔽盘26径向环绕轴12，在本实施例中，还限定了适配器元件，用于将旋转角度测量***14简单可靠地连接到电机法兰24上。
旋转角度测量***14还包括具有三个印刷电路板部分30、32、34的印刷电路板装置28。第一印刷电路板部分30的形状基本上类似于圆形段，并且垂直于轴12的纵向轴线L布置。第一印刷电路板部分30由印刷电路板支撑元件22支撑在面向励磁装置16的第一轴向侧31上。
第二印刷电路板部分32的形状基本上为矩形，并布置在印刷电路板支撑元件22内形成的凹槽36中，其中，第二印刷电路板部分32通过由两个卡扣钩38限定的第一卡扣装置40以形锁合的方式连接到印刷电路板支撑元件22。第二印刷电路板部分32以下述方式布置，即：第二印刷电路板部分32在旋转角度测量装置10的横向平面Q上的平行投影与第一印刷电路板部分30在旋转角度测量装置10的横向平面Q上的平行投影几乎完全重叠。
第二印刷电路板部分32相对于第一印刷电路板部分30布置成90°的角度，并与励磁装置16径向相邻。具体而言，第二印刷电路板部分32以下述方式布置，即：第二印刷电路板部分32在平行于纵向轴线L并包括纵向轴线L的纵向平面E上的平行投影与励磁装置16在纵向平面E的平行投影重叠。第二印刷电路板部分32还以下述方式布置，即：远离第一印刷电路板部分30的第二印刷电路板部分32的端部42非轴向地投射在远离第一印刷电路板部分30的励磁装置16的端部44上。
第二印刷电路板部分32经由连接装置34电连接到第一印刷电路板部分30。在本实施例中，连接装置34由第三印刷电路板部分限定，该部分是柔性的，包括未详细示出的导体轨道。优选地，连接装置34由所谓的“Starrflex”印刷电路板限定。
旋转角度测量***14还包括第一磁场传感器46(在本实施例中为所谓的韦根传感器)和第二磁场传感器47(在本实施例中为所谓的霍尔传感器)。两个磁场传感器46、47轴向邻近励磁装置16布置，并且基本上与轴12和第一印刷电路板部分30上的励磁磁体20同心，使得由励磁装置16产生的激励磁场可以被两个磁场传感器46、47检测到。第一磁场传感器46和第二磁场传感器47布置在第一印刷电路板部分30的相对轴向侧。
旋转角度测量***14还包括评估电子设备48，其由布置在印刷电路板装置28上的多个电子元件50a-50c限定。评估电子设备48与两个磁场传感器46、47电连接，以便评估由磁场传感器46、47产生的传感器信号。在本实施例中，评估电子设备48的多个电子元件50a、50b布置在第一磁场传感器46下方，即，轴向布置在第一印刷电路板部分30和第一磁场传感器46之间。
旋转角度测量***14还包括基本上呈盆形的印刷电路板固定元件52，其通过螺钉连接连接到印刷电路板支撑元件22，并在与第一轴向侧31相对的第二轴向侧54处轴向支撑第一印刷电路板部分30。因此，第一印刷电路板部分30由印刷电路板固定元件52和印刷电路板支撑元件22轴向固定。螺纹连接件轴向延伸穿过第一印刷电路板部分30的未示出的孔，使得第一印刷电路板部分30通过螺纹连接件径向和旋转地固定。在本实施例中，印刷电路板固定元件52的圆柱壁56在径向外侧完全包围两个磁场传感器46、47，印刷电路板固定元件52的底壁58包括凹槽60，第一磁场传感器46***凹槽60中。
旋转角度测量***14还包括基本上呈盆形的软磁金属屏蔽元件62。屏蔽元件62通过第二卡扣装置66连接到印刷电路板固定元件52，该第二卡扣装置66由多个卡扣元件64a、64b限定，并与屏蔽元件62的圆柱壁70中的相应凹槽68a、68b啮合，并且轴向和旋转地固定。在本实施例中，屏蔽元件62限定了旋转角度测量***14的外壳部分。磁场传感器46、47和第一印刷电路板部分30都布置成完全位于屏蔽元件62内，因此通过屏蔽元件62可靠地屏蔽外部磁场。此外，评估电子设备48的所有电子元件50a-50c布置在屏蔽元件62内。在本实施例中，屏蔽元件62轴向邻接屏蔽盘26，并与屏蔽盘26一起限定屏蔽装置71，其基本上在所有空间方向上完全包围磁场传感器46、47和整个评估电子设备48，即，除了用于连接器插头72的凹槽76、用于第二卡扣装置的凹槽68a、68b，以及轴12延伸穿过的凹槽73，从而有效地保护它们免受外部磁场的影响。
旋转角度测量***14还包括用于外部电源和读取/编程旋转角度测量***14的连接器插头72。连接器插头72布置在第二印刷电路板部分32的径向外侧74处，并且电连接到评估电子设备48。屏蔽元件62的圆柱壁70包括凹槽76，连接器插头72通过该凹槽延伸。

Claims (13)

1.一种旋转角度测量装置(10)，包括
可旋转的轴(12)，和
用于检测旋转轴运动的旋转角度测量***(14)，所述旋转角度测量***(14)包括：
-励磁装置(16)，其与所述轴(12)共同旋转地连接，并且包括至少一个永磁励磁磁体(20)，
-印刷电路板装置(28)，所述印刷电路板装置包括：
·第一印刷电路板部分(30)，其垂直于纵向轴线(L)布置，以及
·第二印刷电路板部分(32)，其相对于第一印刷电路板部分(30)成角度布置，并且经由连接装置(34)电连接到第一印刷电路板部分(30)，
-第一磁场传感器(46)，其设置在第一印刷电路板部分(30)上，并且通过其能够检测由励磁装置(16)产生的激励磁场，以及
-评估电子设备(48)，其设置在印刷电路板装置(28)上，并且电连接到磁场传感器(46)，
其中第二印刷电路板部分(32)布置成使得第二印刷电路板部分(32)在平行于纵向轴线(L)的纵向平面(E)上的平行投影与励磁装置(16)在所述纵向平面(E)上的平行投影至少部分重叠，
其特征在于
旋转角度测量***(14)包括第二磁场传感器(47)，通过所述第二磁场传感器(47)能够检测由励磁装置(16)产生的激励磁场，其中第一磁场传感器(46)和第二磁场传感器(47)定位成基本上与轴(12)同心。
2.根据权利要求1所述的旋转角度测量装置(10)，其中第一印刷电路板部分(30)和第二印刷电路板部分(32)之间的角度在70°到110°的角度范围内。
3.根据权利要求1或2所述的旋转角度测量装置(10)，其中，第二印刷电路板部分(32)布置成使得第二印刷电路板部分(32)在垂直于纵向轴线(L)的横向平面(Q)上的平行投影与第一印刷电路板部分(30)在所述横向平面(Q)上的平行投影至少部分重叠。
4.根据权利要求1所述的旋转角度测量装置(10)，其中连接装置(34)由柔性的第三印刷电路板部分限定。
5.根据权利要求1所述的旋转角度测量装置(10)，其中评估电子设备(48)包括至少一个电子元件(50a、50b)，其布置在第一印刷电路板部分(30)和磁场传感器(46)之间。
6.根据权利要求1所述的旋转角度测量装置(10)，其中，旋转角度测量***(14)包括印刷电路板支撑元件(22)，所述印刷电路板支撑元件(22)在第一轴向侧(31)支撑第一印刷电路板部分(30)，并且所述旋转角度测量***(14)包括第一卡扣装置(40)，所述第二印刷电路板部分(32)通过所述第一卡扣装置(40)以形锁合的方式附接到所述印刷电路板支撑元件(22)。
7.根据权利要求1所述的旋转角度测量装置(10)，其中，旋转角度测量***(14)包括印刷电路板固定元件(52)，所述固定元件连接到印刷电路板支撑元件(22)，并在与第一轴向侧(31)相对的第二轴向侧(54)支撑第一印刷电路板部分(30)。
8.根据权利要求1所述的旋转角度测量装置(10)，其中旋转角度测量***(14)包括盆形的可磁化的屏蔽元件(62)，其中磁场传感器(46)和第一印刷电路板部分(30)布置成完全位于屏蔽元件(62)内。
9.根据权利要求8所述的旋转角度测量装置(10)，其中评估电子设备(48)布置成完全位于屏蔽元件(62)内。
10.根据权利要求8或9所述的旋转角度测量装置(10)，其中，在所述印刷电路板支撑元件(22)和/或所述印刷电路板固定元件(52)处限定有第二卡扣装置(66)，所述屏蔽元件(62)通过所述卡扣装置轴向和旋转地固定。
11.根据权利要求1所述的旋转角度测量装置(10)，其中旋转角度测量***(14)包括可磁化的屏蔽盘(26)，所述屏蔽盘(26)径向环绕轴(12)。
12.根据权利要求1所述的旋转角度测量装置(10)，其中旋转角度测量***(14)包括与评估电子设备(48)电连接的连接器插头(72)，其中连接器插头(72)设置在第二印刷电路板部分(32)的径向外侧(74)。
13.一种电机(100)，其包括根据权利要求6至12中的任一项所述的旋转角度测量装置(10)，其中轴(12)由电机(100)驱动，并且其中印刷电路板支撑元件(22)附接到电机法兰(24)。
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