用于一体式变速箱的同步马达的位置传感器的方法和装置与流程

本发明涉及用于包括安装在变速箱上的扭矩机的动力总成系统的变速箱系统，以及安装在其上的位置传感器。

背景技术：

这部分的陈述仅提供与本发明相关的背景信息。因此，这些陈述不是旨在构成对现有技术的承认。

已知的车辆系统使用包括使用非烃燃料的扭矩机的动力总成系统，例如电机，来将电能转换成机械扭矩，以产生牵引力，并且将机械力转换为电能。这些动力总成系统包括混合动力总成系统，电动车辆系统，以及增程式电动车辆动力总成系统。这些动力总成结构可被配置为通过变速箱装置将牵引扭矩传递到输出构件。已知的混合动力总成结构可包括串联混合结构，并联混合结构，以及复式-分解混合结构。配置作为马达和发电机来运行的电机可被控制，以根据来自内燃机的扭矩输入，独立地产生给变速箱的扭矩输入。电机可起作用并且将通过车辆传动系统传送的车辆动能转换为电能，所述电能被存储在使用再生制动和其他方法的电能存储装置中。

高分辨率位置传感器，例如磁阻型分解器，可被用于确定转子位置反馈。该分解器以高的精度提供高分辨率的转子位置信息，适于扭矩机中的精确的扭矩和位置控制。已知的磁阻型分解器安装在具有内部转子/外部定子结构，或者外部转子/内部定子结构的马达轴的一端，并且提供转子位置反馈。与在变速箱系统中安装高分辨率位置传感器相关的问题包括有限的空间可用性以及封装限制。由于有限的位置可用性，将位置传感器封装在变速箱装置内的马达轴上可带来挑战。此外，磁阻型分解器很昂贵。潜在的替代选择是使用基于霍尔效应的数字传感器来确定转子位置反馈。

技术实现要素：

变速箱组件具有一体式扭矩机，该一体式扭矩机包括扭矩机定子和扭矩机转子。该扭矩机转子包括至少一组转子磁体。一体式旋转位置传感器被配置成监测该扭矩机转子相对于该扭矩机定子的旋转位置。该一体式旋转位置传感器包括传感器转子元件和传感器定子元件。传感器转子元件包括至少一组传感器转子磁体。该传感器转子元件被定位成使得相对于该扭矩机转子的至少一组转子磁体的转子磁极，将该至少一组传感器转子磁体对齐。该传感器定子元件被定位成使得该传感器定子元件与该扭矩机定子的磁轴线对齐。

附图说明

通过举例的方式，将参考附图描述一个或者多个实施例，其中：

图1示出了根据本发明的变速箱的局部剖视图，该变速箱包括安装在变速箱上的扭矩机，并且包括布置有径向气隙的旋转位置传感器，该扭矩机具有内部转子和外部定子；

图2示出了根据本发明的变速箱的局部侧视图，该变速箱包括安装在变速箱上的扭矩机，该扭矩机具有内部转子和外部定子的结构，其中旋转位置传感器布置有径向气隙；

图3示出了根据本发明的变速箱的局部剖视图，该变速箱包括安装在变速箱上的扭矩机，以及布置有轴向气隙的旋转位置传感器，该扭矩机具有内部转子和外部定子的结构；

图4示出了根据本发明的变速箱的局部侧视图，该变速箱包括具有示例性磁化的旋转位置传感器的传感器转子，所述磁化包括高分辨率磁轨和换向磁轨；

图5示出了根据本发明的变速箱的局部侧视图，该变速箱包括传感器转子和扭矩机转子，它们示例性地沿着磁轴线对齐；

图6示出了根据本发明的包括旋转位置传感器的传感器定子和扭矩机定子的变速箱的局部侧视图，它们示例性地沿着磁轴线对齐；

图7示出了根据本发明的变速箱的分解视图，其中传感器定子，以及传感器定子和使用定位器-销结构的固定构件示例性地对齐；

图8示出了根据本发明的包括旋转位置传感器和扭矩机的变速箱的分解视图，其中传感器部件和扭矩机组件示例性地对齐；

图9示出了根据本发明的包括旋转位置传感器的传感器转子和传感器定子，以及扭矩机的转子和定子的变速箱的局部侧视图，它们示例性地沿着磁轴线的对齐；

图10示出了根据本发明的具有圆形支撑结构的旋转位置传感器的传感器定子的示例性实施例的局部侧视图；以及

图11根据本发明以曲线图示出了与归一化的反电动势波形一起的示例性旋转位置传感器输出信号。

具体实施方式

现在参考附图，其中所述图示仅针对示出特定示例性实施例的目的，而不是限制为特定的示例性实施例的目的，图1和2示出了变速箱系统10的局部视图，该变速箱系统包括一体式扭矩机20，一体式扭矩机20配置有容纳一体式旋转位置传感器40的环形的传感器外壳15。扭矩机20配置成经由变速箱系统10的旋转和固定元件产生扭矩并将其传递至变速箱输出构件，以用于推进和其他功能。图1示出了变速箱系统10的局部剖视图，以及图2示出了变速箱系统10的局部平面图。如图所示，扭矩机20是电力马达/发电机。在该实施例中，扭矩机20被布置在包括外部定子22、同轴内部转子30和旋转位置传感器40的结构中，旋转位置传感器40被组装在传感器外壳15中，以监测转子30相对于定子22的旋转位置。

定子22包括环形的第一电动马达部分25和框架21，该框架21固定于变速箱10的机壳14，从而为从框架21轴向伸出的轴23提供结构支撑。轴23包括非轴承部分29，肩部28，以及反切口凹槽27，其中圆筒形的外部轴承表面位于肩部28和反切口凹槽27之间。保持环26可以插入反切口凹槽27中，因此将转子30的轴承部分32机械地固定在轴23的外部轴承表面上。定子22的肩部28限定并且因此限制了转子30的轴承部分32相对于框架21的轴向位置。轴23的非轴承部分29位于定子22的肩部28和框架21之间。安装螺栓孔24被以环形图案的方式机加工在框架21中，从而为位置传感器40提供安装支撑。

转子30包括轴承部分32，支撑部分33和转子轮毂34。转子轮毂34包括外部圆筒形表面，该表面与环形的第二电动马达部分39联接，该第二电动马达部分39与第一电动马达部分25同轴且相邻。转子轮毂34包括在一个方向朝着定子22的框架21轴向地延伸超过轴承部分32的轮毂延伸部35。转子轮毂34的轮毂延伸部35包括内表面，该内表面包括第一肩部38和凹槽37。转子30固定地与变速箱10的齿轮元件12联接并随其旋转。转子30的轴承部分32安装在轴23的外部轴承表面，允许转子30在其上旋转，其中基于扭矩机20和变速箱10的运行参数确定旋转的方向。轴承部分32包括可被插到轴23的轴承部分上以在其上旋转的合适元件，包括例如滚柱轴承或者其他允许低摩擦旋转的元件。

环形的传感器外壳15形成在转子30的轮毂延伸部35的内表面和轴23的非轴承部分29的外表面之间。传感器外壳15容纳多种类型的旋转位置传感器40中的任何一种。在示例性实施例中，旋转位置传感器40可包括霍尔效应传感器。

旋转位置传感器40包括与传感器转子44机械分离的传感器定子42，优选地包括形成在其间的气隙45。传感器定子42组装并且固定地附接到定子22的轴23。传感器转子44固定地附接到转子轮毂34。如图所示，传感器定子42和传感器转子44被配置为形成径向定向的气隙45。传感器定子42包括线束50和包括应变消除元件的束具支承件52。线束50和束具支承件52被用于实现电源和信号电缆在传感器定子42和车上控制模块之间的布线。

控制模块、模块、控制、控制器、控制单元、处理器和类似术语意指，执行一个或多个软件或固件编程或例程的一个或多个的专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(优选为微处理器)、和相关存储器和存储部件(只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、合适的信号调节和缓冲电路、以及其他提供所述功能的部件的任意一种或多种组合。软件、固件、编程、指令、例程、代码、算法和类似术语意指包括校准和查询表的任何控制器可执行指令集。控制模块具有被执行以提供期望功能的控制例程集。例程例如通过中央处理单元而执行，并可操作用以监测来自传感装置和其他网络控制模块的输入，以及执行控制和诊断例程以控制致动器的运行。例程可以每隔一定时间被执行，例如在进行中的的发动机和车辆运行期间可以每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒执行例程。或者，例程可响应于事件的发生而被执行。

传感器定子42包括多个对齐槽46，并且使用多个安装螺栓43固定地附接到扭矩机20的定子22，安装螺栓43穿过对齐槽46并把传感器定子42紧固到定子22。传感器定子42相对于传感器转子44的角度调整和对齐可通过在对齐槽46内旋转调整传感器定子42来实现，例如在组装期间使用合适的对齐方法相对于转子键48来调整。对齐槽46优选地是弯曲的，但也可是任何允许绕着旋转轴线旋转调整的合适形状，例如线型形状。安装螺栓孔24优选地被定位以避开其他特征，例如油润滑线，并且对将螺栓43酌情放置在所需位置具有旋转自由度。在示例性实施例中，传感器定子42可以相对于扭矩机的定子22使用定位器-销结构进行安装，使得由传感器定子42的旋转位置传感器40产生的第一换向信号的上升沿与马达相位-A反电动势的正过零对齐。

在一个实施例中传感器转子44滑动配合到带有插入到转子30上的相应键沟中的转子键48的转子轮毂34中，或者可以以其他方式与转子30对齐。传感器转子44贴合倚靠第一肩部38，且被波形弹簧36牢固地保持在适当位置。转子轮毂34在轮毂部分35处的内径和传感器转子44的外径之间的公差足够紧密，以使传感器转子44相对于转子轮毂34的径向移动最小化，同时允许其装配。波形弹簧36在传感器转子44上针对第一肩部38维持压缩力，从而将传感器转子44固定到适当位置以防止传感器转子44相对于转子轮毂34的轴向移动，并防止传感器转子44相对于转子30进行旋转。波形弹簧36优选地与锁定卡环31协同布置，锁定卡环31插入在转子轮毂34的内表面上形成的凹槽37中，以倚靠第一肩部38牢固地固定传感器转子44。从波形弹簧36到传感器转子44上的轴向力通过摩擦阻止了传感器转子44相对于转子轮毂34的旋转。在使用转子键48的实施例中，从波形弹簧36到传感器转子44上的轴向力，协同转子键48到转子30的键沟的插入一起，通过磨擦和阻碍，阻止了传感器转子44相对于转子轮毂34的旋转。扭矩机20的控制可通过将传感器转子44和传感器定子42分别对齐到扭矩机20的转子30和定子20上的已知参考角来进行简化。在示例性实施例中，传感器转子44包括在预定义图案下磁化的多个传感器转子磁体。使用转子键48和转子30的键沟，转子磁体与扭矩机20的转子极对齐。转子键48和转子30的键沟在磁化的固定装置内用于设置必需的磁极图案，磁化的固定装置包括多个传感器转子磁体和扭矩机转子30的磁体。通过将位置传感器的传感器转子44和传感器定子42分别对齐到扭矩机的转子30和定子22上的已知参考角，可以简化扭矩机20的控制。

包括在定子22和转子30之间配置有环形传感器外壳15以容纳旋转位置传感器40的一体式扭矩机20的变速箱系统10的实施，允许在传感器选择、传感器安装和变速箱组装上的设计灵活性，而不影响传感器使用性能，并且在容纳替代传感器类型上几乎或没有改变现有的定子/转子设计。

在示例性实施例中，旋转位置传感器40可包括多个磁数字霍尔效应传感器。磁数字霍尔效应传感器被布置成霍尔传感器阵列。旋转位置传感器40进一步包括用于产生高分辨率信号的专用集成电路(ASIC)。旋转位置传感器40产生通常匹配推进马达中的磁极数量的高分辨率编码器脉冲和换向脉冲。然后编码器和换向脉冲可由处理器组合以确定在任何角度的绝对转子位置。在示例性实施例中，传感器换向信号和定子反电动势之间的预定义相位关系可用来简化扭矩机20的控制。

旋转位置传感器40的优选规格参数包括容许的精度，例如±1°到±3°内的电度数，其在宽的速度范围内具有合适的分辨率，例如在一个实施例中0±15,000RPM(机械的)的速率范围之上。如同理解的那样，机械度数的旋转角相对于电动机的大量磁极对具有电度数的等效角。例如，对于具有6个磁极对的电动机，1°的电旋转等同于0.166°的机械旋转。传感器在宽的范围内具有运行温度，例如在一个实施例中在-40℃到+140℃之间，并且与自动变速箱流体兼容。

图3示出了配置有环形传感器外壳315的变速箱系统的一体式扭矩机320的局部剖视图，环形传感器外壳315容纳一体式旋转位置传感器340的实施例。变速箱系统和一体式扭矩机320类似于参考图1所描述的系统。传感器外壳315类似于参考图1描述的传感器外壳15。环形传感器外壳315在转子330的轮毂延伸部335的内表面和定子322的轴323的非轴承部分329的外表面之间形成。传感器外壳315容纳旋转位置传感器340的多种类型中的任一种，其中的实例描述在表1中。定子322包括非轴承部分329、肩部328和反切口凹槽327，其中在肩部328和反切口凹槽327之间具有圆筒形的外部轴承表面。转子330包括转子轮毂334，转子轮毂334包括轮毂延伸部335、肩部338和凹槽337。旋转位置传感器340包括传感器定子342，传感器定子342经由包括在其间形成的气隙345与传感器转子344机械分离。传感器定子342被固定地附接到扭矩机320的定子322，以及传感器转子344被固定地附接到扭矩机320的转子324。环形传感器外壳315因此被配置成容纳包括轴向气隙345的旋转位置传感器340。

图4示出变速箱10的局部侧视图，所述变速箱10包括具有示例性磁化的旋转位置传感器的传感器转子444，所述磁化包括高分辨率磁轨454和换向磁轨452。换向磁轨452和高分辨率磁轨454可以参考键448而磁化。在示例性实施例中，在市售传感器中，高分辨率磁轨454是以正弦方式磁化并且换向磁轨452是以矩形方式磁化。磁轨包括布置使得磁体在北极456与南极458之间交替的磁体。传感器转子磁化图案的示例性实施例将包括换向磁轨中匹配扭矩机20中的磁极对数量的多个磁极对。

图5示出变速箱10的局部侧视图，所述变速箱10包括具有沿磁轴线550的示例性对齐的传感器转子544和扭矩机转子530。传感器转子544的键沟548与扭矩机的南极的d轴线550对齐。转子530的多个转子磁体532的极性沿转子530在南极558与北极556之间交替。键沟机构548确保设置并且维持传感器转子544的对齐，且提供传感器转子的磁轨546相对于扭矩机20的转子30的已知对齐。

图6示出图1的变速箱10的局部侧视图，所述变速箱10包括具有沿磁轴线650的示例性对齐的旋转位置传感器的传感器定子642和扭矩机定子622。传感器定子642包括霍尔传感器阵列和ASIC 638。霍尔传感器阵列包括霍尔传感器H_C644、H_A646和H_B648，用于相对于传感器转子的换向磁轨产生换向信号。传感器定子642被定位成使得霍尔传感器HA646对齐到定子622的相位A650的磁轴线。定子622具有多个相位，包括相位-A962、相位-B964和相位-C966。在示例性实施例中，霍尔传感器644、646、648被扭矩机中的多个磁极对分隔开120°。ASIC 640用于产生高分辨率信号。传感器定子产生通常匹配推进马达中的磁极数的高分辨率编码器脉冲和换向脉冲。编码器和换向脉冲然后可以由处理器组合以确定任何角度的绝对转子位置。

图7示出图1的变速箱10的分解图，所述变速箱10包括传感器定子742以及传感器定子742使用定位器-销结构与扭矩机20的固定构件721的示例性对齐。在示例性实施例中，固定构件721是可以安装有传感器定子的扭矩机定子的部分。传感器定子742上的销760被定位成使得当它被插入至定位器762中时，传感器定子742实现了与扭矩机20的固定构件721的期望对齐。传感器定子742包括多个对齐槽746，并且使用多个安装螺栓43被固定地附接至扭矩机20的定子22的固定构件721，所述安装螺栓43穿过对齐槽746并且将传感器定子742紧固至扭矩机20的固定构件721。定位器-销结构用于确保定位于传感器定子742上的霍尔传感器与定子22的期望磁轴线对齐。

图8示出图1的变速箱10的分解图，包括旋转位置传感器和扭矩机，其中传感器部件和扭矩机部件示例性地对齐。传感器定子842使用销-定位器安装至固定构件821以确保如参考图7所述的期望对齐。传感器转子844使用如参考图5所述的键和键沟与转子830对齐。定子822然后被安装，并且对齐如参考图6所述的传感器定子842的霍尔传感器。传感器转子844被对齐至转子830上的已知参考角，且传感器定子842与定子822上的已知参考角对齐。

图9示出图1的变速箱10的局部侧视图，包括旋转位置传感器的传感器转子944和传感器定子942以及具有沿磁轴线950的示例性对齐的扭矩机20的转子930和定子922。在示例性实施例中，磁轴线950是转子930的转子d-轴线。传感器定子942是使用销-定位器960定位，使得相位-A的轴线与转子d-轴线沿磁轴线950对齐。定子922具有多个相位，包括相位-A962、相位-B964和相位-C966。相位-A的磁轴线沿轴线950延伸并且定位于相位-A位置952与954之间。传感器转子944的传感器转子磁化946、传感器定子942、转子930和定子922全部沿转子d-轴线950对齐。

图10示出具有圆形支承结构1036的旋转位置传感器的传感器定子1042的示例性实施例的局部侧视图。在示例性实施例中，为了更稳健的设计，传感器定子1042的霍尔传感器1044、1046、1048和ASIC 1040可以定位于圆形支承结构1036上。

图11以曲线图示出了示例性旋转位置传感器输出信号以及归一化反电动势波形。曲线图1100描绘了一个电周期1102内的归一化相位-A反电动势波形1104。曲线图1110描绘了由霍尔传感器产生的换向信号1112、1114、1116。换向信号1112是由霍尔传感器H_A产生，换向信号1114是由霍尔传感器H_B产生，换向信号1116是由霍尔传感器H_C产生。由于霍尔传感器H_A与相位-A的磁轴线对齐，换向脉冲1112的上升沿与相位-A反电动势1104的正过零对齐。曲线图1120描绘由传感器定子的ASIC产生的高分辨率正交信号1122和1124。曲线图1120的水平轴线在90°的段中标记为1126。高分辨率信号EA1122的前沿与相位-A反电动势1104的正过零对齐。高分辨率信号EB1124的前沿与高分辨率信号EA1122偏离90°。

传感器控制模块可以被配置成监测由霍尔传感器产生的换向信号1112、1114、1116以及由传感器定子的ASIC产生的高分辨率正交信号1122和1124。传感器控制模块然后可基于监测的换向信号1112、1114、1116、监测的高分辨率正交信号1122、1124以及传感器转子的转子磁体与扭矩机转子的转子磁极之间和传感器定子与扭矩机定子之间的已知参考角来确定扭矩机的转子的绝对转子位置。

本发明已经描述了某些优选实施例及其修改。本领域技术人员通过阅读和理解本说明书可以想到进一步的修改和改变。因此，期望本发明不限于作为预期用于实施本发明的最佳模式而公开的特定实施例，而是期望本发明将包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。