用于旋转电机的马达位置感测系统

技术领域

本申请一般涉及电机，更具体地说，涉及一种用于电机的马达位置传感器系统。

背景技术

各种类型的旋转电机被用于大量的应用中。例如，永磁同步机(PMSM)由于其高功率密度、卓越的控制性能和可靠性而被广泛用于电驱动应用中。

转子位置感测对于PMSM的有效运行至关重要。通常使用齿轮齿传感器(GTS)和基于永磁体的传感器(PMS)进行一些交通工具系统的PMSM中的转子位置感测。这两种感测术都很有效且发展良好。然而，这些感测技术需要除了有效马达长度以外的单独布置和附加空间。此外，基于永磁体的转子位置传感器可能会遭遇与磁体脱落、脱位和/或退磁有关的问题，其中的任一项问题都会产生错误的转子位置数据。

在上述系统中，位置传感器系统被放置在推进系统壳体或EPS马达壳体的壳体的轴向端部处。对于GTS型和PMS型的传感器系统，都要求传感器系统与主马达之间有一定的空间隔离。因此，马达壳体的轴向长度显著增加以包含感测系统，如以下所述。

GTS系统的部件通常包括两组由磁性材料制成的齿装置、两个永磁体和两组磁性传感器。传感器系统的永磁体朝向齿轮齿进行磁化。磁性传感器放置在磁体和齿轮齿之间。随着转子和磁性齿轮的旋转，传感器-磁体的磁场将经历可变磁阻路径(variablereluctance path)。齿轮成形为使得在磁性传感器中产生正弦输出。GTS系统的优点包括坚固的机械结构和低成本。然而，它需要在轴上容纳轴向间隔的两个永磁体和齿轮齿组。因此，它显著增加了马达的轴向长度和轴长度。

基于永磁体的传感器系统具有放置在轴的端部处的环形永磁体。多个霍尔传感器被放置在环形路径中，并与磁体具有一定的轴向距离。传感器将产生正弦输出信号，正弦输出信号被后处理，以产生准确的转子位置。虽然永磁体传感器的性能很强，但制造成本很高，而且它需要在轴的一端处有专用的空间。PMS系统的一个问题是，在较高的运行速度下，磁体可能会脱落或变得轻微旋转或脱位。在这种情况下，在预测马达位置时位置感测会显示出错误的结果。

发明内容

根据本公开的一方面，一种电机包括设置在定子和马达壳体内的转子结构，该转子结构从第一转子端部延伸到第二转子端部，其中第二转子端部具有多个轴向堆叠的叠层。电机还包括马达输出轴，该马达输出轴与第一转子端部操作性地联接或与第一转子端部整体形成。电机还包括马达位置传感器系统。马达位置传感器系统包括限定在第二转子端部处的多个轴向堆叠的叠层中的第一多个切口(first plurality of cutouts)，其中第一多个切口在所述多个轴向堆叠的叠层的每个叠层处具有逐渐变小的截面面积。马达位置传感器系统还包括限定在第二转子端部处的多个轴向堆叠的叠层上的第二多个切口(second plurality of cutouts)，其中第二多个切口在多个轴向堆叠的叠层的每个叠层处具有逐渐变小的截面面积，其中在转子结构上第二多个切口布置在第一多个切口的径向外部。马达位置传感器系统还包括与第二转子端部轴向间隔的多个马达传感器。马达位置传感器系统还包括多个传感器磁体，所述多个传感器磁体与第二转子端部和多个马达传感器轴向间隔，其中多个马达传感器和多个传感器磁体操作性地联接到印刷电路板，所述印刷电路板操作性地联接到马达壳体。

根据本公开的另一方面，用于交通工具(vehicle，车辆)的电动转向(EPS)系统包括齿轮，所述齿轮操作性地连接至转向系统部件，以对转向力(steering effort)提供机械辅助。EPS系统还包括具有转子结构的永磁同步机(PMSM)，该转子结构设置在定子和马达壳体内，该转子结构从第一转子端部延伸到第二转子端部，其中第二转子端部具有多个轴向堆叠的叠层。EPS系统还包括马达输出轴，该马达输出轴与第一转子端部操作性地联接或与第一转子端部整体形成，该马达输出轴操作性地联接到齿轮，以将动力从PMSM传输到齿轮。EPS系统还包括马达位置传感器系统。马达位置传感器系统包括限定在第二转子端部处的多个轴向堆叠的叠层中的第一多个切口，其中第一多个切口在所述多个轴向堆叠的叠层的每个叠层处具有逐渐变小的截面面积。马达位置传感器系统还包括限定在第二转子端部处的多个轴向堆叠的叠层中的第二多个切口，其中所述第二多个切口在所述多个轴向堆叠的叠层的每个叠层处具有逐渐变小的截面面积，其中在转子结构上所述第二多个切口布置在所述第一多个切口的径向外部。

根据本公开的另一个方面，提供了一种检测电机的马达位置的方法。该方法包括将多个传感器磁体布置成与转子结构的端部轴向间隔，其中转子结构的端部包括限定在多个轴向堆叠的叠层中的第一多个切口和第二多个切口，其中第一多个切口在多个轴向堆叠的叠层的每个叠层处具有逐渐变小的截面面积，并且第二多个切口在多个轴向堆叠的叠层的每个叠层处具有逐渐变小的截面面积，其中在转子结构上第二多个切口布置在第一多个切口的径向外部。该方法还包括在转子结构的端部与多个传感器磁体之间布置多个马达传感器。该方法还包括在转子结构旋转时朝向具有第一多个切口和第二多个切口的叠层产生磁通量，以通过第一多个切口和第二多个切口提供可变磁阻路径。该方法还包括用一对输出信号检测磁通量的变化。该方法还包括基于所述一对输出信号计算转子结构的角位置。

从下文中结合附图的描述中，这些及其他优点和特征将变得更加明显。

附图说明

被认作是本发明的主题被特别地指出，并在本说明书结尾部分的权利要求中被清楚地请求保护。从以下详细描述并结合附图，本发明的前述和其它特征及优点显而易见，附图中：

图1示意性地示出了电动转向(EPS)系统；

图2是交通工具系统的马达的立体图；

图3是用于马达的马达位置传感器系统的立体图；

图4是图3的马达位置传感器系统的一部分的放大图；

图5是图3和图4的马达位置传感器系统的正视图；

图6是图3至图5的马达位置传感器系统的一部分的平面图；

图7是根据本公开的另一方面的马达位置传感器系统的立体图；

图8是根据本公开的另一方面的马达位置传感器系统的立体图；以及

图9是图8的马达位置传感器系统的一部分的放大图。

具体实施方式

参考附图，其中将参考具体的实施例描述本发明，但不限于此，图1是适合于本公开的实施例的实施的电动转向(EPS)系统40的示例性实施例。转向机构36是齿条和小齿轮型系统，包括位于壳体50内的带齿(toothed)齿条(未示出)，以及位于齿轮壳体52下方的小齿轮(也未示出)。随着操作者的输入(在下文中表示为方向盘26(例如，手轮或类似物)的转动)，上转向轴29转动，而通过万向接头34与上转向轴29连接的下转向轴51使小齿轮转动。小齿轮的旋转使齿条移动，其使得连杆38(仅示出一个)移动，连杆又移动转向节39(仅示出一个)，转向节使得能转向的(一个或多个)道路车轮(road wheel，行驶轮)44(仅示出一个)转动。

电动转向辅助通过控制设备(一般通过参考数字24表示)提供，并且包括控制器16和电机46，所述电机是永磁同步马达，并且在下文中表示为马达46。控制器16由交通工具电源10通过线路12供电。通过转向角位置传感器32测量转向角，所述转向角位置传感器可以是光学编码型传感器、可变电阻型传感器或任何其他合适类型的位置传感器，并且向控制器16提供位置信号20。

当方向盘26转动时，扭矩传感器28感测到交通工具操作者施加在方向盘26上的扭矩。扭矩传感器28可以包括扭力杆(未示出)和可变电阻型传感器(也未示出)，该可变电阻型传感器向控制器16输出与扭力杆上的扭动量有关的可变扭矩信号18。虽然这是一种类型的扭矩传感器，但与已知的信号处理技术一起使用的任何其他合适的扭矩感测设备都将是满足需要的。为了响应各种输入，控制器向电动马达46发出指令22，电机通过蜗杆47和蜗轮48向转向系统提供扭矩辅助，进而为交通工具转向提供扭矩辅助。

应该注意的是，尽管公开的实施例是通过参考电动转向应用的马达控制来描述的，但应该理解的是这种参考仅是说明性的，并且公开的实施例可应用于采用电动马达的任何马达控制应用，例如转向、阀门控制等。此外，本文中的参考和描述可应用于许多形式的参数传感器，包括但不限于扭矩、位置、速度等。也应该注意的是，本文中提及的电机包括但不限于马达，在下文中，为简洁明了起见，将仅非限制性地对马达进行参考。

马达46的速度可以用转速计(tachometer)或任何其他装置测量，并作为马达速度信号21被传输给控制器16。可以通过测量、计算或两者结合来得到表示为ω

虽然图1示出了一种用在转向系统中的马达位置传感器系统的实施例，但应该理解的是，任何类型的旋转电机都可以有利地用本文公开的实施例监测和检测马达位置。例如，这包括不同的交通工具系统，诸如电动交通工具推进系统。此外，电机的类型可以是同步的或异步的。

现在参考图2，更详细地示出了马达46。特别是，马达46被示出在马达壳体102内，并且具有马达输出轴104，该马达输出轴轴向地延伸远离马达46的第一轴向端部106。马达输出轴104从转子结构108延伸，该转子结构在马达46的定子内旋转。在图1所示的实施例中，马达输出轴104与蜗杆47操作性地联接，或与该蜗杆47整体形成，但应该理解的是，由于考虑到如本文所述的PMSM的其他应用，由马达46驱动的输出类型可改变。

马达位置传感器系统100位于马达壳体102内且在马达46的第二轴向端部110处。与需要转子结构108在马达46的第二轴向端部110上大量延伸的马达位置传感器系统相比，本文公开的马达位置传感器系统100利用有凹槽的转子叠层来创建可变磁阻路径，但消除了必须放置在转子结构108的延伸部上的齿轮齿，从而减少了马达壳体102的必要轴向空间，以提供更紧凑的设计。特别地，转子结构108由靠近马达46的第二轴向端部110的轴向堆叠的叠层形成。印刷电路板(PCB)112在马达壳体102的端部114处或靠近该端部114操作性地联接到马达壳体102，该端部114最接近马达46的第二轴向端部110。PCB 112包括多个马达传感器116和磁体118，用于检测转子结构108的角位置，该角位置指示马达46的位置。

现在参考图3至图6，更详细地示出了马达位置传感器系统100的实施例。在图示的实例中，转子结构108的位于马达46的第二轴向端部110处的部分包括多个轴向堆叠的叠层120。转子结构108的端部处的多个轴向堆叠的叠层120每个都包括切口，这些切口一般用数字122来表示。包括切口122的叠层120的数量可以取决于特定的应用而变化。无论包含切口122的叠层的数量如何，切口的截面面积在远离转子结构108端部处的叠层的方向上从一个叠层到下一个叠层都会减小。换句话说，最端部处的叠层包含的切口122的截面面积大于相邻叠层的截面面积。如图6中以尺寸示出的，与最端部的叠层相对应的第一叠层124限定了包括第一截面面积的第一切口126。邻近第一叠层124的第二叠层128限定了具有第二截面面积的第二切口130，该第二截面面积小于第一截面面积。邻近第二叠层128的第三叠层132限定了具有第三截面面积的第三切口134，该第三截面面积小于第二截面面积。

图3至图6示出的实施例中的切口122基本上是梯形的，如图6中良好地示出。特别地，每个切口122都限定了一对基本上笔直的侧壁以及弧形的内壁和外壁，所述弧形的内壁和外壁分别限定了内半径和外半径。虽然图3至图6中示出了梯形切口122，但应该理解的是，替代的切口形状当然也落在本发明的范围内。作为非限制性的实施例，图7示出了转子结构108的叠层，所述叠层中限定有基本环形的切口222。其他形状也是可以考虑的。在图示的实施例中，每个层叠处的切口的减小的截面面积导致可以被称为“阶梯式凹进(staircase recess)”。

再次参考图3和图4，切口122彼此同心地布置为两个环形排(circular row)。特别地，切口122可以分别被称为第一多个切口140和第二多个切口142，第一多个切口限定了第一环形排，第二多个切口限定了第二环形排。第一环形排位于第二环形排的径向内部。

如图4和图5所示，PCB 112包括定位在其上的多个马达传感器116和磁体118。马达传感器116和磁体118与转子结构108的端部轴向间隔开，并用于检测转子结构108的角位置，所述角位置指示马达46的位置。特别地，磁体118被放置得靠近转子结构108。这朝向具有切口122的叠层产生了磁通量。当转子结构108旋转时，从磁体118产生的磁通量延伸通过可变磁阻路径。因此，在磁体118和转子结构108之间将观察到通量密度分量(flux densitycomponent)的变化。马达传感器116是磁性传感器，并且定位于磁体118和转子端部之间，以观察不同的通量密度分量。更具体地，马达传感器116被分组，每组包括至少一个马达传感器，该马达传感器与转子结构108的端部轴向间隔开，但与相应切口122径向对齐。

转子结构108的叠层被切割并且马达传感器116被放置，以提供两组正弦输出信号，所述正弦输出信号可以从传感器输出中提取。这两组正弦信号的频率相差为一。因此，切口122以上述第一多个切口140和第二多个切口142的形式被分为两组切口。在图示的实施例中，第一多个切口140具有13个切口，第二多个切口142具有14个切口。可考虑可以利用其他数量的切口，只要切口的数量(即，峰和谷)没有任何公共整数除数(common integerdivisor，整数公约数)。因此，9-10、10-11、13-14和17-18的切口排(cutout row)的组合是适合于提供上述信号输出响应的实施例。由于径向定位，外部第二多个切口142(即，径向外部切口)相比于第一多个切口140(即，径向内部切口)具有更大的跨度。因此，生成的信号也会具有来自第二多个切口142(即，径向外部的组)的较高的振幅。在后处理期间，接收的信号水平被适当调整，以匹配对应于内部切口和外部切口的最终输出信号的振幅。因此，可以对马达传感器116的感测霍尔元件增益进行适当的编程。

使用游标算法(nonius algorithm)，频率相差为1的两个正弦曲线的组被转换为覆盖360度机械空间的位置信号。捕获余弦信号的传感器相对于产生正弦信号的传感器处于正交位置。同样，使用游标算法，这些信号可以被转换以估计绝对转子位置。计算信号的反正切(arctangent)允许系统获得每个点处的内部切口与外部切口之间的相移(phaseshift)。相位差是转子结构108的每次机械旋转中从0到360度变化的最终转子位置。

继续参考图4和图5，除了上面讨论的因素外，为了获得合适的正弦波，还需要若干其他几何参数。首先，在第一多个切口140的切口和第二多个切口142的切口之间必须存在最小径向距离(Dg)，以避免马达传感器116的与内部切口组和外部切口组相对应的内部传感器和外部传感器之间的干涉。在一些实施例中，最小径向距离(Dg)在2mm至2.5mm之间。第二个几何参数是从切口122到马达输出轴104的距离(Dsh)，以及从切口到转子磁体的距离。为了避免主马达的磁场与传感器系统的干涉，转子轭(Dri)应该足够厚，以免转子结构108饱和。为了避免干涉，转子轭比定子轭高。第三，必须考虑马达传感器116沿轴和沿转子半径的位置，以给印刷电路板112保留足够的空间。在一些实施例中，马达传感器116与磁体118的距离至少是1mm。传感器信号的振幅受马达传感器116与磁体118的距离影响。马达传感器116的径向位置在被提出的传感器系统中也很重要，因为芯部和切口的跨度并不一致(uniform)。因此，处于不同径向位置的马达传感器116将不在同一磁阻路径上。第四，磁体118的厚度(TPM)必须大于磁体118与转子结构108之间的间隙。为了所提及的感测，磁体118与转子结构108之间的间隙在2.5mm到3mm之间，而磁体118的厚度被认为是3mm。磁体118的宽度保持为接近顶部叠层的凹槽跨度。所公开的尺寸仅仅是示例实施例的说明，并不旨在是限制性的。

现在参考图8，通过在转子结构108的表面上增加第三多个切口(third pluralityof cutouts)144，可以使马达位置传感器系统100在更高的运行速度下有效。因此，在图示的实施例中提供了径向内部轨道140、中间轨道142和径向外部轨道144。可考虑在一些实施例中提供附加的“轨道(track)”。与上面讨论的两个轨道的实施例一样，所示的梯形切口可以形成为圆形或一些其他形状。在具有多于两组多个切口的实施例中，通过附加的(一个或多个)轨道来解决速度和/或位置感测分辨率(position sensing resolution)。原理与两个切口实施例保持相同，但对于某些位置分辨率(positions of resolution)/马达速度，可以使用两组切口，而另一组切口轨道可以用于附加的分辨率(resolution)/速度。例如，对于某些位置分辨率(position resolution)/马达速度，可以使用第一多个切口和第二多个切口，但对于其他分辨率/速度，可以使用第二多个切口和第三多个切口。甚至第一多个切口和第三多个切口也可以作为组合被用于另一分辨率/速度范围。

本文公开的实施例利用带有切口122的转子叠层来创建可变磁阻路径。马达位置传感器系统100与转子结构108整体形成，并且与先前的系统相比，使总的轴向马达长度更短，并且因此节省轴向空间和成本。

虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本技术方案，但应该容易理解的是本技术方案并不限于这些公开的实施例。相反，本技术方案能够被修改以包含任意数量的此前未描述但符合本技术方案精神和范围的变化、变更、替代或等同布置。此外，尽管已经描述了本技术方案的各种实施例，但应该理解的是本技术方案的各个方面可以仅包括所描述实施例中的一些。因此，本技术方案不应视为受先前的描述所限。