铁氧体芯线圈装置、传感器装置以及涡轮增压器的制作方法

本发明涉及一种铁氧体芯线圈装置，更特别地，涉及一种用于传感器装置的铁氧体芯线圈装置。

背景技术：

涡轮增压器将汽车发动机废气中的废能转换为压缩空气，然后迫使其回到汽车发动机中。这导致发动机燃烧更多的燃料，从而产生更多的动力，同时消耗更少的能量，从而提高燃烧过程的整体效率。涡轮增压器通常包括涡轮机轮和压缩机轮，它们通过支撑在轴承系统上的公共轴连接。涡轮机轮由废气驱动，从而又驱动压缩机轮，压缩机轮吸入并压缩环境空气，然后将其送入发动机的气缸。通过涡轮增压，可以将小型发动机的性能水平提高到没有涡轮增压的大型发动机的性能水平，从而降低了燃油消耗和排放。因此，涡轮增压器越来越多地用于乘用车、商用车、越野车和运动车的柴油和汽油发动机。

确定涡轮增压器的压气机叶轮的旋转速度对于优化其效率以及确保涡轮增压器和发动机保持在各自的安全运行范围内至关重要。当今的涡轮增压器需要在不断提高的废气温度和压缩机入口温度下可靠地连续运行。与柴油对应物相比，现代汽油涡轮增压器必须在更高的发动机罩温度环境下运行，压缩机叶轮的温度约为200℃或更高。现代涡轮增压器压气机轮通常由可以承受高应力的坚固、轻便的传导材料比如铝、钛或镁制成。这种压缩机轮的旋转速度可被测量，最好借助于主动涡流原理，其中由振荡系统产生磁场并且当压缩机叶片穿过传感器末端前方的磁场时使用感测线圈检测压缩机叶片。

涡轮增压器速度传感器通常通过将传感器头/传感器末端与通过至传感器电子设备的线缆而位于靠近压缩机轮的感测元件相连来实现。

测量涡轮增压器速度的应用面临挑战，因为叶轮/压缩机轮(目标轮)通常非常薄(十分之几毫米；特别是对于乘用车而言)，因此输送低信号。同样，感测距离/气隙即感测元件(通常是标准扁平线圈，比如煎饼线圈)与目标(叶片)之间的距离随线圈扁平而变化，而涡轮增压器壳体的内壁是圆形/鞍形的且叶轮/压气机轮的外壳是弯曲的。

一般而言，除其他因素外，用作感测元件的线圈类型对检测信号形状具有决定性影响。为了达到可靠的旋转速度计算，优选地，每当叶片经过传感器末端的前面时，检测信号应表现出具有足够幅度的尽可能尖锐的信号峰。如果例如信号峰的幅度不够大(即信号不够强)，则可能没有检测到峰，这又将导致错误的旋转速度。通常，检测信号的幅度随着叶片厚度的减小而减小，因此使得检测薄叶片变得更加困难。外部影响(比如装有传感器的装置的外壳)也起着重要作用，并且可能产生高达50％的信号幅度调制损耗。

除了薄叶片信号弱的问题外，所有这些解决方案还有另一个常见问题，即在检测信号中出现所谓的“双峰”。这意味着一个单峰实际上可能显示两个峰。这也可能导致错误的旋转速度，因为系统可能会将双峰解释为两个不同的单峰，即：两个叶片通道而不是一个。

涡轮增压器的感测元件的输出信号的这些属性在可用的解决方案方面引起问题，其程度是所测量的rpm(每分钟转数)值可能是错误的。

在已知的应用中，采用相对较大的线圈以获得足够强的输出信号。然而，在涡轮增压器应用中，需要有较小的感应元件/线圈，以允许传感器装置的末端小/薄，从而避免诸如热点和空气动力扰动之类的负面影响，其可能会对涡轮增压器的功能产生负面影响。在可用的解决方案中使用大的扁平线圈时，变化的感应距离/气隙的干扰效果甚至更强。此外，具有如此大的线圈的传感器末端太大以致于无法插入新一代的小型涡轮增压器中。

技术实现要素：

一种铁氧体芯线圈装置，作为用于确定金属可旋转物体的旋转速度的传感器装置的感测元件，包括具有第一扇区和第二扇区的线圈和保持线圈的铁氧体芯。铁氧体芯具有缺少盘扇区并且由盘的轮廓和盘的弦限定的盘形状。弦形成铁氧体芯的弯曲边缘。线圈的第一扇区未布置在铁氧体芯的床上，而线圈的第二扇区布置在床上。第一扇区相对于第二扇区以弯曲角度围绕弯曲边缘弯曲。

附图说明

现在将参考附图通过示例的方式描述本发明，其中：

图1是根据实施例的铁氧体芯的透视图；

图2是图1的铁氧体芯的俯视图；

图3是根据实施例的铁氧体芯线圈装置的透视图；

图4是图3的铁氧体芯线圈装置的侧视图；

图5是具有图3的铁氧体芯线圈装置的传感器装置的透视图；

图6是图5的传感器装置的传感器末端的截面图；以及

图7是根据具有图5的传感器装置的实施例的涡轮增压器的截面侧视图。

具体实施方式

现在将参照附图使用实施例以示例性方式更详细地描述本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件。所描述的实施例仅是可能的配置，并且如本文所描述的各个特征可以彼此独立地提供或可以省略。

为了本发明的目的，可旋转物体例如可以是例如用于汽车的涡轮增压器的压缩机轮，但不限于此。本发明还可以应用于各种旋转物体，只要这些物体由适于本文所述的检测方法的金属制成或包含足够量的这种金属即可。

与可旋转物体有关的术语“金属”在这里被理解为包括金属或金属合金，但可旋转物体还可以包括诸如塑料的其他材料，通常只要金属量/电导率足以利用本发明触发可检测的信号峰即可。

在整个文档中使用的术语“弦”在其数学意义上被理解为“圆的弦”，因此被定义为端点都位于圆上的线段。然而，出于本发明的目的，术语弦还应指的是曲率大于由该弦切出的圆的曲率的曲线(即半径小于该圆的半径)。

从铁氧体芯线圈装置的中心轴线x看，这里使用术语“半径”。

图1和2示出了用于根据实施例的铁氧体芯线圈装置1的铁氧体芯3。如图1和2所示，铁氧体芯3具有不带有盘扇区的盘形，最大直径为d1。铁氧体芯3由盘的轮廓和盘的弦4a界定。因此，剩余的盘扇区的尺寸由弦4a与铁氧体芯线圈装置1的中心轴线x的距离来定义。铁氧体芯3还具有床3a作为用于放置线圈2的表面，如图3所示，该床3a具有最大直径d2。床3a由沿着盘的所述轮廓延伸的铁氧体芯3的边缘壁3b和标记铁氧体芯3的弯曲边缘的弦4a界定。因此，边缘壁3b具有由d1–d2给定的厚度。

如图1和2所示，铁氧体芯3具有从床3a突出的销5。在所示的实施例中，销5具有直径为d3的圆形横截面，因此为整体圆柱形。销5具有与铁氧体芯3相同的轴线。销5从床3a的高度4b与边缘壁3b基本相同，如图3所示，但在实施例中它也可以略微超过边缘壁3b的高度4b。在其他实施例中，可以在没有销5的情况下使用铁氧体芯线圈装置1。然而，已经发现，使用销5可以提高线圈装置1的性能。此外，如下所述的线圈的附接更加牢固，因为线圈不能移位。在实施例中，铁氧体芯3的厚度在0.2mm和2mm之间。在实施例中，铁氧体芯3的相对磁导率μr在50和3000之间。

在图3和4中示出了根据实施例的铁氧体芯线圈装置1。铁氧体芯线圈装置1包括支撑在图1的铁氧体芯3上的电磁线圈2。在图3中示出了线圈2的输出连接器6，线圈2可以通过其连接到用于处理由线圈装置1传送的信号的外部电路。线圈2缠绕在销5上，并且在实施例中具有10至30个之间的绕组。在实施例中，线圈2几乎没有间隙地占据边缘壁3b和销5之间的整个表面，而缠绕线圈2的半径r2小于铁氧体芯3的半径r1，如图1所示。

如图3和4所示，线圈2被分成两部分，其中线圈2的第一扇区2a围绕并沿着弯曲边缘4a(弦)弯曲。线圈2弯曲成使得其基本形成l形线圈。线圈2的第二扇区2b搁置在床3a上。线圈2的第一扇区2a与线圈2的第二扇区2b之间的比率在1:1和1.5:1之间。如前所述，在实施例中，销5是圆柱形的。取决于线圈2的两个扇区2a、2b之间的比率，其也可以间接地限定铁氧体芯3的尺寸，销5可以具有与盘本身相似的形状。扇区2a、2b之间的比例为1:1时尤其如此。在这种情况下，销5具有从弯曲边缘4a看为半圆形的横截面。在图1所示的示例中的尺寸使得销5仍是完整的圆。

在实施例中，线圈2被印刷在柔性聚合物基底上。选择用于柔性聚合物基底的材料是高度耐热的，特别是承受至少高达200℃且在一实施例中至少高达230℃的温度。合适的材料是例如液晶聚合物或聚酰亚胺。柔性聚合物基底还保护线圈2免受断裂，因为否则其可能由于其固有的脆性而断裂。这种方法的另一优点是安装过程简单，因为线圈2不必手动或通过机器缠绕在销5上。

图4示出了图3的铁氧体芯线圈装置1的侧视图，其强调了线圈2的l形。如上所述，线圈2围绕并沿着弯曲边缘4a弯曲，由此形成相对于彼此成弯曲角度a的两个扇区2a、2b。在实施例中，弯曲角度a在70度和110度之间。本示例选择成具有90°的弯曲角度a，其对于本示例性应用产生最佳结果。弯曲角度a大于90°的增加将导致信号幅度的减小，因为磁场受到越来越多的反作用。朝向扁平煎饼线圈的弯曲角度a小于90°的减小将导致信号显示出在薄叶片上的双脉冲行为。对于小于1mm的叶片厚度，这些效果尤为明显。

界定床3a的弦4a被视为床3a终止并且弯曲区域的曲率开始的线。该曲率由图3和4中的线4a处的弯曲区域示出，其使得考虑到线圈2的线厚度，线圈2的弯曲区域在该弯曲表面上平滑地贴合。在任何情况下，曲率都不会选择得太大，以至于不会产生尖锐的边缘，这可能会损坏线圈线或导致线圈线折叠，而这是不希望的。

在图5中示出了根据实施例的具有图3的铁氧体芯线圈装置1的传感器装置1a，并且在图6中示出了传感器装置1a的传感器末端15的详细截面图。用于确定可旋转物体的旋转速度的传感器装置1a包括具有连接器段7、安装段8和传感器段9的传感器壳体(未示出)。上述铁氧体芯线圈装置1即感测元件布置在传感器段9的传感器末端15处。图6示出了如何将铁氧体芯线圈装置1在线10处附接到传感器装置1a的传感器段9。为此，传感器段9的末端15具有与本示例中的铁氧体磁芯3基本相同的表面，具有用于容纳线圈2的弯曲的第一扇区2a的台阶部分。台阶的设计有利地为线圈2的第一扇区2a提供支撑。传感器段末端15不必一定与线圈装置1的直径d1匹配。

铁氧体芯线圈装置1连接到用于评估感测元件1的输出信号的传感器电子设备，其布置在如图5和6所示的传感器段9内。传感器电子设备包括集成式soi(绝缘体上硅)电路，特别是asic的形式。已经证明使用这种soi电路具有一定的优势，因为它可以承受高温，因此适合在如涡轮增压器内部的恶劣环境中使用。特别是，asic可以配置为用于以下参数/特征：叶片(分隔器)数量、去抖动器、输出脉冲宽度、输出信号的最大频率范围、错误检测频率范围、检测阈值和滞后、短路检测时间、过热关闭阈值、振荡器调整、解调器调整、带隙调整和/或错误标记禁用和启用。错误标记禁用和启用可能尤其值得关注：线圈断裂(感测元件1断裂)、过热检测(关于传感器装置1a环境)、数据完整性检测、过电压和欠电压检测(例如保护传感器装置1a连接到的发动机控制单元)、频率误差(例如压缩机轮速度是否过低)。因此，可以将诊断功能/系统并入asic中并以与应用相关的方式进行配置，该诊断系统监测过电压和欠电压、过热、数据完整性、频率误差、线圈/感测元件断裂和/或短路。

在图7中示出了根据实施例的涡轮增压器20，其中结合了图5和6的传感器装置1a。涡轮增压器20具有涡轮增压器壳体21。在涡轮增压器壳体21的内部布置有通过压缩机入口29附接到轴的压缩机轮或叶轮28，并且其通过轴(未示出)与涡轮机轮连接。涡轮增压器壳体21的壁30(阴影区域)设置有凹部，其中至少可以引入传感器装置1a的传感器段9并将其固定在期望的工作位置中。

如图7所示，传感器装置1a的连接器段7连接到传感器电子设备，以进一步处理传感器信号。安装段8形成为具有插入孔的凸缘，螺栓或其他固定装置可以穿过该插入孔，以将传感器装置1a牢固地附接在涡轮增压器壳体21的外部。传感器装置1a的传感器段9定位成使得传感器末端15即传感器装置1a的铁氧体芯线圈装置1面对压缩机轮28的多个叶片26，如图7所示。在实施例中，容纳传感器装置1a的孔朝向传感器末端15呈锥形，该传感器末端15的直径可以小于传感器装置1a的其余部分的直径。以这种方式确保将传感器末端15紧密地装配到孔的锥形部分中。

在下文中，结合铁氧体芯线圈装置1的基本测量原理来更详细地描述传感器装置1a的安装和操作方法，该原理在开始时已简要概述。

为了测量压缩机轮28的旋转速度，感测元件1是由线圈2、电容器和集成的soi电路/asic形成的振荡器箱的一部分。这导致在感测元件1周围产生电磁场，其磁通线“跳出”感测元件1的平面。如果导电目标/物体比如叶轮/压缩机叶片26接近感测元件1，则磁通线穿过叶片26并在其中感应出涡流。叶片26内的涡流还产生电磁场，其抵消由感测元件1产生的电磁场，从而影响感测元件1的阻抗且因此影响振荡频率。当叶片26接近感测元件1时，涡流效应增加。感测元件1的变化的阻抗反映在振荡频率的调制中。通过传感器电子设备和/或发动机控制单元评估该频率得到与叶轮/压缩机轮叶片26的旋转速度相对应的电流或电压信号，从而可以确定旋转速度。

如上所述，传感器装置1a放置成使得传感器末端15与可旋转物体相距预定距离。在图7的涡轮增压器20的特定示例中，管状传感器装置1a被引入到涡轮增压器20的壁30中的凹部中并且插入其中，直到传感器末端15与叶轮相距特定距离。这可以在图7中箭头37所示的位置看到。在实施例中，该距离距旋转叶轮为0.5和1mm之间。

通常，在将传感器1a连接至传感器电子设备以进行进一步处理之后，将输入电流施加至铁氧体芯线圈装置1，并且将调幅的输出电压信号读取为传感器装置1a的输出并由传感器电子设备处理。传感器电子设备通过评估传感器装置1a的解调的输出电压信号来确定叶轮的旋转速度。

传感器装置1a可用于例如在汽车、卡车、非公路车辆、航空航天或发电应用中的涡轮增压器压缩轮叶片26感测。此外，传感器装置1a可以用于需要测量/检测旋转速度的任何应用，特别是用于小尺寸和/或高环境温度的应用和/或目标/物体材料具有比铝低的电导率应用(例如具有薄几何形状的叶轮叶片，例如由钛制成)。但是，本发明可以集成在包含旋转部件的所有类型的工业机器中，例如在生产线等中，特别是用于要求旋转部件具有高可靠性的应用。涡轮增压器20用于汽车发动机，而且还可以用于特别是与包括航空航天等推进技术有关的其他应用。

通过将铁氧体芯3与l线圈2一起使用，可以增大信号幅度，而铁氧体芯3起检测信号的放大器的作用。由此，在不同的“真实”信号峰之间实现更可靠的区分。同时，传感器装置1a的线圈2和铁氧体芯3的形状和相对布置使得可以完全避免双峰(即使对于约0.2mm的薄线圈)，并且与已知的传感器相比有利地达到提高的传感器灵敏度，并使得可以更好甚至没有错误的信号峰检测。因此，最小化或避免了错误假设(检测)存在两个信号峰(即两个叶片通道)而不是一个信号峰的风险。此外，增加的传感器灵敏度允许增加传感器装置1a与叶片之间的距离，即气隙，从而简化生产过程，因为传感器的定位要求的精度低于已知解决方案。