感应式位置传感器和用于感应式位置传感器的转子的制作方法

感应式位置传感器和用于感应式位置传感器的转子
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2021年4月9日提交的、标题为“感应式位置传感器的谐波失真的减少”的、序列号为63/201,039的美国临时申请的优先权，该美国临时申请通过引用整体并入本文中。
技术领域
3.本文所描述的技术总体上涉及感应式位置传感器和用于感应式位置传感器的转子。


背景技术：

4.目前广泛使用包括感应式位置传感器的位置感测器件。各种用途包括但不限于工厂设置、工业机器人等。感应式位置传感器通常用于确定物体的角位置。


技术实现要素：

5.本公开的各种实现方式总体上涉及感应式位置传感器和系统及其制造和使用方法。各种实现方式总体上还涉及感应式位置传感器，其中，消除谐波和其它失真。
6.在至少一个方面，感应式位置传感器包括目标。感应式位置传感器可包括定子，定子包括：励磁线圈，励磁线圈感应耦合到目标；和接收器线圈，接收器线圈包括与第二回路串联连接的第一回路并与目标感应耦合，使得在接收器线圈处生成接收器线圈电压。第二回路可以在定子上相对于第一回路偏移谐波周期中的部分谐波周期，该部分谐波周期对应于在接收器线圈电压中消除的谐波。感应式位置传感器可包括控制单元，控制单元配置成接收包括接收器线圈电压的多个接收器线圈电压，控制单元配置成基于多个接收器线圈电压生成角位置信号。
7.在至少一个方面，感应式位置传感器包括：目标；定子以及控制单元。定子包括：励磁线圈；接收器线圈，接收器线圈感应耦合到目标，使得生成接收器线圈电压，接收器线圈包括第一回路、第二回路、第三回路和第四回路，第一回路和第二回路是第一对，第三回路和第四回路是第二对，第二回路在定子上相对于第一回路偏移一次谐波周期的比率，比率是二分之一，一次谐波周期对应于在接收器线圈中消除的一次谐波，第四回路在定子上相对于第三回路偏移一次谐波周期的比率，第二对从第一对偏移二次谐波周期的比率，二次谐波周期对应于在接收器线圈中消除的二次谐波。控制单元配置成接收包括接收器线圈电压的多个接收器线圈电压，控制单元配置成基于多个接收器线圈电压生成角位置信号。
8.在至少一个方面，用于感应式位置传感器的转子包括：第一目标线圈，第一目标线圈包括第一外波瓣和第一内波瓣，第一外波瓣具有基于第一接收器线圈的谐波周期的第一比率的尺寸，第一内波瓣具有基于谐波周期的第二比率的尺寸，谐波周期对应于谐波，第一比率不同于第二比率，第一目标线圈将谐波的第一值引入由第一接收器线圈生成的第一接收器线圈电压中，第一接收器线圈感应耦合到转子；第二目标线圈，第二目标线圈包括第二
外波瓣和第二内波瓣，第二外波瓣具有基于第一比率的尺寸，第二内波瓣具有基于第二比率的尺寸，第二目标线圈将谐波的相反值引入由第二接收器线圈生成的第二接收器线圈电压中，第二接收器线圈感应耦合到转子，以及耦合到第一接收器线圈和第二接收器线圈的控制单元在基于用于谐波的第一接收器线圈电压和第二接收器线圈电压的角位置信号中消除谐波。
附图说明
9.在本文中参见以下描述和附图中的至少一个来进一步公开本公开的各种实现方式所提供的装置、系统和方法的特征、方面、优点、功能、模块和部件。在附图中，相同类型的类似部件或元件可具有相同的附图标记例如108，具有额外的字母指示符例如108a、108n等，其中，字母指示符表示具有相同的附图标记例如108的部件具有共同的属性和/或特性。此外，部件的各种视图可通过第一参考标号、其后跟随的破折号和第二参考标号来区分，其中，为了本说明书的目的，第二参考标号用于指定部件的视图。当在说明书中仅使用第一参考标号时，描述可适用于具有相同的第一附图标记的任何类似部件和/或视图，而不管任何额外的字母指示符或第二参考标号(如果有的话)。
10.图1a是感应式位置传感器的示意图。
11.图1b是图1a的感应式位置传感器的电气示意图。
12.图2a是感应式位置传感器的部件的示意图，特别是配置成几何形状的单个接收器线圈和目标的示意图。
13.图2b是示出由图2a所示的部件产生的、作为气隙深度的函数的基波幅值和谐波的图表。
14.图3a是感应式位置传感器的部件的示意图，特别是配置成几何形状的单个接收器线圈的两个回路的示意图。
15.图3b是示出由图3a所示的部件产生的、作为气隙深度的函数的基波幅值和谐波的图表。
16.图4a是感应式位置传感器的部件的示意图，特别是配置成几何形状的三个接收器线圈的示意图。
17.图4b是示出由图4a所示的部件产生的、作为气隙深度的函数的基波幅值和谐波的图表。
18.图5a是根据本公开的至少一种实现方式的、叠加在接收器线圈上方且配置成用于感应式位置传感器的不对称目标线圈的示意图。
19.图5b是根据本公开的至少一种实现方式的、叠加在接收器线圈上方且配置成用于感应式位置传感器的第一不对称目标线圈和第二不对称目标线圈的示意图。
20.图5c是根据本公开的至少一种实现方式的、叠加在接收器线圈上方且配置成用于感应式位置传感器的第一不对称目标线圈和第二不对称目标线圈的示意图，其中，第二目标线圈相对于第一目标线圈偏移。
21.图5d是趋肤效应的图形表示。
22.图5e是根据本公开的至少一种实现方式的、叠加在接收器线圈上方且配置成用于感应式位置传感器的第一不对称目标线圈和第二不对称目标线圈的示意图，其中，第二目
标线圈相对于第一目标线圈偏移，且目标线圈配置成便于利用趋肤效应。
23.图6a是根据本公开的至少一种实现方式配置的、用于感应式位置传感器的接收器线圈的第一组接收器线圈回路和第二组接收器线圈回路的示意图，第一组接收器线圈回路包括第一回路和第二回路，和第二组接收器线圈回路包括第三回路和第四回路。
24.图6b是如图6a所示并根据本公开的至少一种实现方式配置的、用于感应式位置传感器的接收器线圈的第一对接收器线圈回路和第二对接收器线圈回路的示意图，其中，每一对包括第一组接收器线圈回路和第二组接收器线圈回路。
25.图7a是根据本公开的至少一种实现方式配置的三相感应式位置传感器的示意图。
26.图7b是示出根据本公开的至少一种实现方式配置的感应式位置传感器的接收器电压中存在的谐波的图表。
具体实施方式
27.本文所描述的各种实现方式涉及使用感应式位置传感器感应地确定物体的角位置的装置、系统和方法，其中，消除接收信号中的一个或多个谐波和其它失真。
28.对于本公开的至少一种实现方式，感应式位置传感器包括励磁线圈、一个或多个接收器线圈以及目标。感应式位置传感器配置成消除存在于由一个或多个接收器线圈生成的接收信号中的一个或多个谐波。励磁线圈可包括多回路设计，且可使用任意数量的回路。励磁线圈的各端部可耦合到控制电路，控制电路控制从电源向励磁线圈提供电流。控制电路可耦合到一个或多个开关并控制一个或多个开关，这一个或多个开关选择性地将励磁线圈与电源耦合。电源提供ac信号，这使得励磁线圈生成第一电磁场。与感应式位置传感器一起使用的控制电路、开关和ac电源在本领域中是众所周知的，且任何这种已知的或以后出现的部件可配置成用于本公开的实现方式中。
29.在某些实现方式中，感应式传感器可包括：圆形励磁线圈，圆形励磁线圈配置成当交变电流(ac)流过该线圈时生成电磁场；接收线圈，接收线圈位于励磁线圈内并配置成检测由流过励磁线圈的电流在接收线圈中感应的电势、电压；以及耦合元件或转子，在本文中是目标。目标可耦合到物体，由此物体的旋转导致目标围绕励磁线圈的中心轴旋转，其中，可由感应式位置传感器检测和确定由目标的旋转表示的物体的旋转。
30.励磁线圈和接收线圈可包括在定子中。目标可通过气隙与定子的顶表面分开。目标可配置成线圈、几何形状或其它形状。目标可配置成基于目标随后围绕中心轴发生的角旋转来干扰在接收线圈中感应的电势的量。
31.然而，感应式位置传感器可遭受由于目标与每个励磁线圈和一个或多个接收器线圈的磁性耦合而产生的谐波和其它失真。这种谐波和其它失真降低了感应式位置传感器的精度。因此，在本文中描述的感应式位置传感器撤消、消除、减轻和/或以其它方式减少(在此，消除)谐波和其它失真在感应式位置传感器中的影响。由本公开的一种或多种实现方式来解决这种需求以及其它需求。
32.例如，如图1a和图1b所示，通常，感应式位置传感器100可包括定子以及转子/目标106，定子具有励磁线圈102、一个或多个接收器线圈104(例如，第一接收器线圈104(a)和第二接收器线圈104(b))。励磁线圈102和接收器线圈104通常形成在通常被称为“定子”的单层或多层印刷电路板(pcb)(未示出)上。定子的顶表面可相对于x-y-z坐标空间中的x-y平
面来定义，定子的顶表面与目标通过气隙“z”分隔开，可根据x-y-z坐标空间来确定该气隙。对于至少一种实现方式，z轴延伸穿过定子的中心。
33.目标106可配置成线圈、几何形状或其它配置，这样通过使用目标106与励磁线圈102和接收器线圈104的感应耦合，有利于目标106的角位置的可检测变化。当处于几何形状时，基于目标206具有一个或多个极，例如单极、双极或其它配置，可发生感应耦合。当配置成线圈时，基于在形成接收器的线圈104中感应的接收器线圈电压vr，可以在目标106与励磁线圈102和接收器线圈之间发生感应耦合。控制单元使用一个或多个接收器线圈电压vr来生成角位置信号p。
34.在使用过程中，目标可通过围绕z轴旋转来改变角位置，其中，定子的顶表面相对于坐标空间中形成的x-y平面保持固定。定子可具有沿着负z(-z)方向可确定的深度。在使用过程中，随着目标106相对于定子的顶表面发生倾斜，气隙距离z可变化。这种倾斜可作为俯仰、侧倾或其组合中的一种或多种来发生。气隙还可随着目标沿z轴竖直移动而变化。可发生角位置的变化，作为偏航的变化。目标106相对于定子的顶表面的角位置的这种变化独特地干扰在接收器线圈104中感应的电压，使得可基于接收器线圈电压vr的电势变化来确定目标106的角位置。励磁线圈102、目标106和接收器线圈104之间的感应耦合可由一系列数学函数(每个数学函数是一个“传递函数”)来表示。电路连接到接收器线圈104，基于每次在接收器线圈104中出现的相对接收器线圈电压vr来检测和确定目标的角位置。
35.目标106可配置成围绕中心轴(例如，z轴)旋转，并位于定子(未示出)的顶表面上方。当在励磁线圈102中提供具有励磁电压vx的ac电流时，由励磁线圈102附近的第一感应lx生成励磁磁场。励磁磁场耦合到目标106。基于励磁线圈102与目标106的互感耦合，在目标106中的第二感应lt中感应交变电流。这种互感耦合可由励磁到目标的传递函数(mxt)来表示，其中，mxt是目标到定子的气隙z的函数。基于由接收器线圈104与励磁线圈102的直接感应耦合形成的互感和由接收器线圈104与目标106的感应耦合形成的互感，还在每个接收器线圈104中形成接收器线圈电压vr。这些互感可分别由励磁到接收器的传递函数(mxr)和目标到接收器的传递函数(mtr)来表示，其中，mtr是气隙z和目标角度θ(目标106当时出现的角位置)的函数。在第一近似中，mtr可建模成两个函数的乘积：mtr＝f(z)m(θ)，其中，m(θ)是纯正弦或余弦。
36.互感mxr和mtr导致在接收器线圈104中生成接收器线圈电压vr，其中，vr《》0(零)。因此，vr可按照方程式1数学地表示。
37.方程式1
[0038][0039]
此外，感应lt和lx是互感mxr，通常是恒定的。当mxr可忽略或以其它方式补偿时，可例如由偏移九十度(90
°
)的两个接收器线圈使用偏移(例如，移位、成角度地移位)预定值(例如，指定的角度移位)的接收信号(来自多个接收器线圈104)的比率的反正切来计算目标角度θ。当由控制电路感测每个接收器线圈104的接收器线圈电压vr时，生成角位置信号p，角位置信号p指示目标线圈106的角位置。接收器线圈104的接收器线圈电压vr是目标106在定义的坐标空间中相对于接收器线圈104的相对角位置以及两个或更多个接收器线圈104所使用的任何偏移角(当在本公开的实现方式中使用时)的函数。
[0040]
对于目标106的角位置，传递函数mxt和mtr取决于所形成的气隙z。气隙z的量影响由感应耦合形成并在接收器线圈104中生成的一次和谐波失真的信号强度。随着气隙z变窄，谐波失真对传递函数的影响增加，且位置传感器的角位置精度确定降低。随着气隙z变宽，在接收器线圈104中生成的初级信号的强度降低。因此，对于传统的角位置传感器来说，经常在减少谐波的影响但不显著降低主信号强度之间进行权衡。本公开的各种实现方式通过使用根据本公开的实现方式配置的新目标替换目标106的已知配置，消除多接收器线圈感应式位置传感器的一个或多个这种谐波失真，如下面参考图5a至图5c所述。
[0041]
如图2a所示，示出了具有示例性接收器线圈204(a)的已知感应式位置传感器200(未示出围绕接收器线圈204(a)的励磁线圈、第二接收器线圈(用于两相系统)或第三接收器线圈(用于三相系统))。目标206可配置成几何形状。如图所示，目标206可具有九十度(90
°
)的旋转机械对称，这导致三百六十度(360
°
)的电对称。这种感应式位置传感器200可以在接收器线圈电压中生成各种谐波，如图2b通过各种模拟离散傅立叶变换(dft)所示。谐波可基于每次出现的气隙z而变化。还示出了独立于旋转位置的直接耦合(dc)208。dc耦合和谐波是气隙的函数。对于已知的感应式位置传感器200，谐波和其它失真没有消除，如图2b中的模拟值所示。图7示出了基于模拟获得的感应式位置传感器的结果的示例，其中，“消除”一个或多个谐波和/或其它失真，这在下文中进一步描述。本公开的各种实现方式通过使用根据本公开的实现方式配置的新目标替换目标106的已知配置，消除在感应式位置传感器的接收器线圈电压中生成的一个或多个谐波失真，如下面参考图5a至图5c所述。
[0042]
如图3a和图3b所示，对于两相系统和三相系统，接收器线圈电压中的dc分量、偶次谐波和偶次倍谐波(例如，4次、6次、8次、10次和12次)可通过使用具有第一接收器线圈和第二接收器线圈(未示出)的已知定子而消除，第一接收器线圈具有第一回路304(a)和第二回路304(b)。第一接收器线圈和第二接收器线圈可具有相同的配置。在该实现方式中，接收器线圈回路可偏移二分之一(1/2)周期，且以反向串联方式连接，使得mtr＝f(z)(m(θ)-m(θ+π)。接收器线圈分别生成第一接收器线圈电压vr1和第二接收器线圈电压vr2。接收器线圈电压vr1/vr2提供给生成角位置信号p的控制单元。然而，当使用目标206(在图3a中未示出)时，不期望的谐波仍然存在，且在图3a和图3b的已知感应式位置传感器中可发生失真。本公开的各种实现方式通过使用根据本公开的实现方式配置的新目标替换目标106的已知配置(如下面参考图5a至图5c所述)和/或通过修改接收器线圈304(如下面参考图6a和图6b所述)，消除在感应式位置传感器中生成的一个或多个谐波失真。
[0043]
如图4a和图4b所示，对于三相系统，dc分量、偶次谐波、三次谐波和三次倍谐波(例如，6次、9次、12次、15次谐波等)可通过使用具有第一接收器线圈404(a)、第二接收器线圈404(b)和第三接收器线圈404(c)的已知定子而消除。在该实现方式中，接收器线圈404(a)/404(b)/404(c)电偏移一百二十度(120
°
)(相当于机械偏移三十度(30
°
))，导致所测量的角位置信号p(由控制单元计算)是每个接收器线圈电压(即，vr1、vr2和vr3)的相位之间的差值，使得三次谐波撤消/消除，如方程组2所定义的：
[0044]
方程组2
[0045][0046]
三次谐波＝sin(3*θ+3*120)-sin(3*θ)＝0
[0047]
然而，如图4b所示，五次谐波和其它高阶谐波仍然存在于接收器线圈电压中，并限制图4a和图4b的已知感应式位置传感器的精度。
[0048]
本公开的各种实现方式通过使用根据本公开的实现方式配置的新目标替换目标106的已知配置(如下面参考图5a至图5e所述)和/或通过修改接收器线圈404(如下面参考图6a和图6b所述)，消除在双接收器线圈和三接收器线圈感应式位置传感器中生成的接收器线圈电压中的一个或多个谐波失真。具体而言，目标线圈和/或接收器线圈可配置成(例如，配置有旋转偏移，配置有尺寸和/或形状)使得在接收器线圈内感应的波形(还可称为值)将消除接收器线圈电压中的谐波。如果目标线圈和/或接收器线圈未配置成消除谐波，则可以在接收器线圈电压中显现消除的谐波。在没有谐波的情况下基于接收器线圈电压定义的角位置信号同样不会包括由谐波引起的不期望的伪像。因此，使用本文描述的目标和/或接收器线圈配置来消除接收器线圈电压内的谐波，可产生没有谐波的角位置信号。
[0049]
作为示例，第一目标线圈可配置成将与谐波(例如，旨在消除的谐波)相关联的第一波形感应到接收器线圈中，且第二目标线圈可配置成将与谐波相关联的第二波形(与第一波形相反)感应到接收器线圈中，使得谐波在接收器线圈电压中消除。控制单元可使用接收器线圈电压(以及其它接收器线圈电压)来产生角位置信号，该角位置信号没有与已经消除的谐波相关的伪像。
[0050]
应注意，针对图5a至图5e描述的任何特征可应用于结合图6a至图7b描述的任何其它实施例。同样，针对图6a至图7b描述的任何特征可应用于结合图5a至图5e描述的任何其它实施例。
[0051]
如图5a所示，对于本公开的至少一种实现方式，感应式位置传感器500可包括以反向串联配置来配置的励磁线圈(未示出)和第一接收器线圈504(a)，如上面参考图3a所讨论的。图5a的感应式位置传感器500包括目标(例如，还可称为转子)，目标包括第一目标线圈506。第一目标线圈506配置成相对于第一接收器线圈504(a)配置的非对称环。对于对称环，目标线圈506可以是第一接收器线圈504(a)的周期的二分之一(1/2)。对于本公开的实现方式，目标线圈506形成为非对称环，非对称环相对于与待消除的谐波(还可称为候选谐波)“n”相对应的谐波周期来偏移。偏移可表示为“移位比”(+/-1/n/2)，其中，“n”是整数。对于非限制性示例，目标线圈506包括外波瓣和内波瓣，外波瓣延伸(n+1)/(2n)(例如，具有宽度或尺寸延伸)，内波瓣延伸(n-1)/(2n)(例如，具有宽度或尺寸)。因此，外波瓣和/或内波瓣可具有基于移位比的尺寸(或宽度)(例如，角度尺寸或宽度)，如图5a所示。
[0052]
在图5a(以及本文的其它附图)中由箭头所示的传感器周期表示目标线圈506内的对称。例如，在图5a所示的实现方式中，目标线圈506具有四个外波瓣(和四个内波瓣)。因此，目标线圈506具有围绕旋转轴对称的四个部件。目标线圈506具有九十度(90
°
)的机械对称或旋转对称(还可称为对称)。传感器周期可用于给目标线圈和/或接收器线圈的配置定义偏移(可表示为上述移位比)，以用于消除谐波。
[0053]
具体而言，上述偏移(表示为移位比)是基于传感器周期和使用传感器周期确定的谐波周期(还可称为候选谐波周期)的偏移。例如，传感器周期可分成与特定角度偏移相对应的谐波周期。例如，如图5a所示，传感器周期分成5个大小相等(从角度的视角看)的谐波周期，以配置旨在消除5次谐波的目标线圈506。谐波周期在数学上可以是扇形。因此，四个波瓣所具有的宽度和形状基于传感器周期的5个谐波周期(或部分)中的3个谐波周期(或部
分)来定义。外波瓣之间的内波瓣基于传感器周期的5个谐波周期(或部分)中的2个谐波周期(或部分)。基于传感器周期的这些等分的谐波周期(或部分谐波周期，例如，谐波周期的二分之一)，类似地计算消除谐波的偏移。
[0054]
可用于偏移各种线圈的谐波周期的数量可使用移位比表示。移位比可对应于移位角度(例如，旋转移位角度)，例如，移位或旋转的度数。下面描述关于消除谐波的移位比(基于谐波周期)的更多细节。
[0055]
如图5a所示，目标线圈506在目标线圈506的每个传感器周期或机械对称部分内不对称。对于n＝3的两相实现方式，第一目标线圈506配置有第一外波瓣507(a)和第一第二内波瓣507(b)，第一外波瓣507(a)包括延伸第一接收器线圈504(a)的传感器周期的1/3的导线或其它导电材料，第一第二内波瓣507(b)延伸第一接收器线圈504(a)的传感器周期的2/3。
[0056]
作为另一个示例，对于n＝5的三相实现方式，第一外波瓣507(a)延伸第一接收器线圈504(a)的传感器周期的3/5，第一第二内波瓣507(b)延伸第一接收器线圈504(a)的传感器周期的2/5。因此，图5a示出了具有基于3/5的移位比的尺寸(例如，角度尺寸或宽度)的外波瓣507(a)，且示出了具有基于2/5的移位比的尺寸(例如，角度尺寸或宽度)的内波瓣507(b)。
[0057]
由于目标线圈506的每个传感器周期的不对称配置，所以在接收器线圈电压vr中未引入n次谐波。
[0058]
对于在定子中配置的接收器线圈504，本实现方式有利于消除接收器线圈电压vr中的n次谐波。n次谐波的消除提高了感应式位置传感器的精度。此外，通过使用根据以上描述配置的第一感应式位置传感器500，且如图5a所示且如下表1所示，接收器线圈电压vr中的n次谐波(例如，五次谐波)的消除提高了由控制单元执行的反正切计算的精度，且通过扩展，可以在不改变现有定子设计(包括但不限于图1a和图1b、图2a和图2b、图3a和图3b以及图4a和图4b所示的定子设计)的情况下发生角位置信号p的精度。
[0059]
如图5b和图5c所示，感应式位置传感器510可包括不对称的第一目标线圈506和不对称的第二目标线圈508。对于该实现方式，第一目标线圈506和第二目标线圈508配置成相对于第一接收器线圈504(a)的非对称环。第一目标线圈506和第二目标线圈508均相对于待消除的一次谐波n的谐波周期偏移“移位比”。对于至少一个实现方式，内目标线圈506包括延伸(n+1)/(2n)的外波瓣和延伸(n-1)/(2n)的内波瓣。第二目标线圈508包括延伸(n-1)/(2n)的外波瓣和延伸(n+1)/(2n)的内波瓣。此外，第二目标线圈508相对于第一目标线圈506并相对于待撤消的谐波“m”的谐波周期偏移第二移位比(+/-1/m/2)。
[0060]
偏移可相对于第一目标线圈506和第二目标线圈508之间的对准位置而言。例如，如图5b和图5c所示，偏移分别显现在第一目标线圈506和第二目标线圈508的外波瓣(和内波瓣)中，不在中心。相反，第二目标线圈508的外波瓣(和内波瓣)相对于第一目标线圈506的外波瓣(和内波瓣)未对准，或者不在中心。
[0061]
对于两相实现方式，m＝5，五次谐波。对于三相实现方式，m＝11，11次谐波。使用这种感应式位置传感器510，存在于接收器线圈电压vr中的n次谐波和m次谐波可以消除，如该实现方式所示，消除5次谐波和11次谐波。两个谐波的消除提高了感应式位置传感器的精度。此外，通过使用根据以上描述配置的目标，且如下表1所示，接收器线圈电压vr中的至少
两个谐波的消除可以在不改变现有定子设计(包括但不限于图3a和图4a所示的定子设计)的情况下发生。
[0062]
随着高阶谐波的撤消，偏移(例如，移位)的半周期距离变得越来越小，pcb制造能力可对可以在感应式位置传感器的接收器线圈电压中消除的谐波施加限制。此外，在高频下，交变电流将分布在导体(例如，目标线圈)内，使得电流密度在导体表面附近最大，而随着导体中深度的增加，电流密度呈指数减小。这种效应可被称为“趋肤效应”512且在图5d中示出。在感应式位置传感器中，由于所使用的高频，例如，在1兆赫兹至10兆赫兹(1-10mhz)范围内的频率，使得出现趋肤效应。根据本公开的至少一种实现方式，通过修改用于目标线圈回路的导线的宽度w(还可称为导线宽度)，利用趋肤效应来消除高阶谐波“s”(例如，17次谐波)。宽度w可称为趋肤宽度。
[0063]
对于至少一种实现方式，一个或多个目标线圈回路配置成具有宽度w，宽度w等于待消除的谐波s(例如，两相系统的13次谐波和三相系统的17次谐波)的谐波周期的二分之一(1/2)(w＝1/s/2)。如下表1所示，使用趋肤效应可有利于在不改变现有定子设计(包括但不限于图3a和图4a所示的定子设计)的情况下消除接收器线圈电压vr中的谐波s。
[0064]
由于谐波周期的物理形状朝向线圈中心形成锥形，所以从线圈内部到线圈外部，宽度w(利用趋肤效应消除谐波)可增加。该宽度基于谐波周期的形状而形成锥形。因此，利用趋肤效应消除高阶谐波的宽度w可以从朝向波瓣内部(或中心)的较小宽度锥形化成为朝向波瓣外部(外周)的较大宽度。在一些实现方式中，可使用较小宽度和较大宽度之间的宽度(例如，平均宽度)，从而可使用一致的宽度来形成线圈。
[0065]
对于本公开的至少一种实现方式，如图5e所示，感应式位置传感器514利用趋肤效应512(如图5d所示)和根据图5c配置的感应式位置传感器510来消除接收器线圈电压中的多个谐波。如下表1所示，图5e的组合有利于消除接收器线圈电压vr中的n、m和s谐波。消除的谐波可由感应式位置传感器设计者来选择，消除的谐波的非限制性示例包括5次谐波、11次谐波和17次谐波。可以在不改变现有定子设计(包括但不限于图3a和图4a所示的定子设计)的情况下发生多个谐波的消除。
[0066]
如图5b至图5e所示，第二目标线圈508同心设置在第一目标线圈506内。在一些实现方式中，第二目标线圈508的外径(在图5e中示出为距离x1)小于第一目标线圈506的外径(在图5e中示出为距离x2)。在一些实现方式中，第二目标线圈508的最大尺寸(在图5e中示出为距离x1)大于第一目标线圈506的最大尺寸(在图5e中示出为距离x2)。
[0067]
如图6a所示，对于本公开的至少一种实现方式，感应式位置传感器可包括励磁线圈(未示出)、至少一个目标线圈(未示出)和定子，定子包括代表性的第一接收器线圈604，第一接收器线圈604具有第一组第一接收器线圈回路604(l1)和第二组第一接收器线圈回路604(l2)，第一组第一接收器线圈回路604(l1)包括第一接收器线圈第一回路和第一接收器线圈第二回路，第二组第一接收器线圈回路604(l2)包括第一接收器线圈第三回路和第三接收器线圈第四回路。第一组第一接收器线圈回路和第二组第一接收器线圈回路配置成串联配置，且第二组第一接收器线圈回路604(l2)相对于第一组第一接收器线圈回路604(l1)偏移对应于谐波r的“r”谐波周期的二分之一(1/2)(即，移位可表示为：1/r/2)，“r”谐波周期例如是七次(7次)谐波周期。通过串联连接第一组第一接收器线圈回路604(l1)和第二组第一接收器线圈回路604(l2)并使第二组第一接收器线圈回路604(l2)相对于第一组
第一接收器线圈回路604(l1)移位谐波r的谐波周期的二分之一(1/2)，可以消除谐波r。如图6a所示，消除七次(7次)谐波。因此，本实现方式有利于谐波r的消除，例如，对于在定子中配置的接收器线圈604，有利于接收器线圈电压vr中的7次谐波的消除。在下表1中示出使用这种实现方式的结果，其中，可以在不改变现有目标设计(包括但不限于图3a和图4a所示的目标设计)的情况下发生接收器线圈电压vr中的谐波的消除。
[0068]
如图6b所示，对于本公开的至少一种实现方式，第一接收器线圈610可包括成对的多组接收器线圈。例如，第一对接收器线圈回路可包括第一组接收器线圈回路612和第二组接收器线圈回路614。第一组接收器线圈回路612可包括第一回路和第二回路。第二组接收器线圈回路614可包括第三回路和第四回路。第二对接收器线圈回路可包括第三组接收器线圈回路和第四组接收器线圈回路，第三组接收器线圈回路具有对应于第一组接收器线圈回路的配置，第四组接收器线圈回路具有对应于第二组接收器线圈回路的配置。
[0069]
通过提供具有两组形成的两对的线圈，其中，一组包括两个回路(总共八个回路)，接收器线圈电压vr实际上翻两番。第二对回路相对于第一对回路偏移待消除的“t”谐波的二分之一(1/2)(即，移位可表示为：1/t/2)，“t”谐波例如是两相系统的11次谐波(未示出)和三相系统的所示的13次谐波。可选择任何额外的谐波，作为消除的t谐波。在下表1中示出使用这种实现方式的结果，其中，可以在不改变现有目标设计(包括但不限于图3a和图4a所示的目标设计)的情况下发生接收器线圈电压vr中的谐波的消除。
[0070]
如图7a所示，对于本公开的至少一种实现方式，感应式位置传感器700可包括按照图6a的实现方式配置的三个接收器线圈。由于绘图的复杂性，没有示出具有按照图6b的实现方式配置的三个接收器线圈的实现方式。如图所示，感应式位置传感器可包括第一接收器线圈704、第二接收器线圈706和第三接收器线圈708，其中，每个线圈按照图6b的实现方式进行配置。
[0071]
在图7b中示出且在下表1中进一步识别当结合图5c的目标配置时从感应式位置传感器700获得的结果。基于仿真并排除使用趋肤效应得到的改进，预期通过本公开的一种或多种实现方式，角位置信号p中的总谐波失真从负四十分贝(-40db)改善到负八十五分贝(-85db)。此外，再次基于仿真并排除使用趋肤效应得到的改进，预期通过本公开的一种或多种实现方式，消除的n、m、r和t谐波(例如，分别是5次、7次、11次和13次谐波)的噪声水平均小于负一百分贝(-100db)。当利用趋肤效应时，按照图5e的实现方式，预期s谐波(例如，十七次(17次)谐波)也将显著减小(如果没有完全消除的话)。
[0072]
表1
[0073][0074]
[0075]
在表1中，未示出整数倍2次谐波和3次谐波，但是当消除相应的2次谐波或3次谐波时，消除整数倍2次谐波和3次谐波。虽然表1示出了某些阶次的谐波，但是旨在消除的谐波可不限于本文描述的那些谐波。可使用本文描述的任何配置和技术来消除额外的谐波。
[0076]
根据本公开的至少一种实现方式，感应式位置传感器可包括目标和定子。定子可包括励磁线圈，励磁线圈在接收来自电源的交流信号时生成第一电磁场。目标通过第一电磁场感应耦合(“第一感应耦合”)到励磁线圈。由于目标与励磁线圈第一感应耦合，因此目标生成第二电磁场。
[0077]
传感器可包括第一接收器线圈，第一接收器线圈可进一步包括第一组第一接收器线圈回路和第二组接收器线圈回路，第一组第一接收器线圈回路包括与第一接收器线圈第二回路串联连接的第一接收器线圈第一回路，第二组接收器线圈回路包括与第一接收器线圈第四回路串联连接的第一接收器线圈第三回路。第一组第一接收器线圈回路和第二组第一接收器线圈回路串联连接。第一接收器线圈可通过第二电磁场感应耦合(“第二感应耦合”)到目标，且由于第二感应耦合，使得可以在第一接收器线圈中生成第一接收器线圈电压vr1。
[0078]
第一接收器线圈第三回路和第一接收器线圈第四回路可以在定子上相对于第一接收器线圈第一回路和第一接收器线圈第二回路偏移(例如，角度移位、沿着角度或旋转方向移位、通过旋转以指定角度移位)一次谐波(r1)的第一部分。传感器可包括耦合到第一接收器线圈的控制单元，控制单元配置成接收来自第一接收器线圈的第一接收器线圈电压vr1和来自耦合到控制单元的第二接收器线圈的第二接收器线圈电压vr2。至少可以在vr1中消除r1，且控制单元基于vr1和vr2生成角位置信号p。
[0079]
实现方式可包括一个或多个以下特征。感应式位置传感器可包括：其中，第一部分可以是r1的二分之一(1/2)；并且其中，r1可以是vr1的七次(7次)谐波。
[0080]
第二接收器线圈可进一步包括第一组第二接收器线圈回路和第二组第二接收器线圈回路，第一组第二接收器线圈回路包括第二接收器线圈第一回路和第二接收器线圈第二回路，第二组第二接收器线圈回路包括第二接收器线圈第三回路和第二接收器线圈第四回路。第一组第二接收器线圈回路和第二组第二接收器线圈回路可串联连接，第二接收器线圈可通过第二电磁场感应耦合(“第三感应耦合”)到目标。由于第三感应耦合，使得可以在第二接收器线圈中生成第二接收器线圈电压vr2。第二组第二接收器线圈回路可以在定子上相对于第一组第二接收器线圈回路偏移r1的第一部分。
[0081]
第一接收器线圈可以在定子上具有第一旋转对称。第二接收器线圈具有对应于第一旋转对称的第二接收器线圈对称。第二接收器线圈对称可以在定子上偏移第一旋转对称的四分之一(1/4)。第一旋转对称可以是九十度(90
°
)机械对称。可通过第一/第二接收器线圈第三回路和第四回路相对于相应的第一/第二接收器线圈第一回路和第二回路分别移位来消除r1。可通过第一接收器线圈第一回路、第二接收器线圈相对于第一接收器线圈分别移位来消除二次谐波。r1可以是七次(7次)谐波。
[0082]
目标可进一步包括第一目标线圈，第一目标线圈可包括第一外波瓣和第一内波瓣，第一外波瓣延伸第一接收器线圈的谐波n的第一比率，第一内波瓣延伸第一接收器线圈的谐波n的第二比率。第一比率与第二比率之和等于1。第二目标线圈可包括第二外波瓣和第二内波瓣，第二外波瓣延伸第一接收器线圈的谐波n的第二比率，第二内波瓣延伸第一接
收器线圈的谐波n的第一比率。第一目标线圈不将谐波n引入vr1和vr2中，第二目标线圈不将谐波n引入vr1和vr2中。
[0083]
第二目标线圈可相对于第一目标线圈偏移二次谐波m的第三比率。可以在vr1和vr2中消除谐波m。
[0084]
至少一个以下条件适用：第一比率＝(n+1)/(2n)，第二比率＝(n-1)/(2n)，第三比率＝1/2，n＝3，m＝5。
[0085]
第一接收器线圈可以在定子上具有第一对称。第二接收器线圈可进一步包括第一组第二接收器线圈回路和第二组第二接收器线圈回路，对于第一组，相应地包括第二接收器线圈第一回路和第二接收器线圈第二回路，对于第二组，相应地包括第二接收器线圈第三回路和第二接收器线圈第四回路。第一组第二接收器线圈回路和第二组第二接收器线圈回路可串联连接。第二接收器线圈可通过第二电磁场感应耦合(“第三感应耦合”)到目标。由于第三感应耦合，使得可以在第二接收器线圈中生成第二接收器线圈电压vr2。第二组第二接收器线圈回路可以在定子上相对于第一组第二接收器线圈回路偏移一次谐波r1的第一部分。
[0086]
第二接收器线圈具有对应于第一旋转对称的第二接收器线圈对称，且可以在定子上相对于第一接收器线圈偏移120
°
电角度。感应式位置传感器可进一步包括耦合到控制单元的第三接收器线圈。第三接收器线圈可包括第一组第三接收器线圈回路和第二组第三接收器线圈回路。第三接收器线圈回路可串联连接。第三接收器线圈可通过第二电磁场感应耦合(“第四感应耦合”)到目标。由于第四感应耦合，使得可以在第三接收器线圈中生成第三接收器线圈电压vr3。第二组第三接收器线圈回路可以在定子上相对于第一组第三接收器线圈回路偏移一次谐波r1的第一部分。第三接收器线圈可具有对应于第一旋转对称的第三接收器线圈对称，且可以在定子上相对于第二接收器线圈对称偏移120
°
电角度。第二目标线圈回路可相对于第一目标线圈回路偏移谐波m的第三比率，且可以在vr1、vr2和vr3中消除谐波m。
[0087]
对于至少一种实现方式，感应式位置传感器可包括目标和定子。定子可包括励磁线圈，励磁线圈在接收来自电源的交流信号时生成第一电磁场。目标可通过第一电磁场感应耦合(“第一感应耦合”)到励磁线圈。由于目标与励磁线圈的第一感应耦合，使得目标生成第二电磁场。传感器可包括第一接收器线圈，第一接收器线圈包括处于电串联配置的第一接收器线圈第一回路和第一接收器线圈第二回路。第一接收器线圈第一回路和第一接收器线圈第二回路形成第一对；其中，第一接收器线圈第二回路可以在定子上相对于第一接收器线圈第一回路偏移一次谐波(r1)的给定比率。给定比率可等于二分之一(1/2)。
[0088]
传感器可包括第三组第一接收器线圈回路和第四组第一接收器线圈回路。第三组第一接收器线圈回路和第四组第一接收器线圈回路形成第二对。第二组第一接收器线圈回路在定子上相对于第一组第一接收器线圈回路偏移一次谐波r1的给定比率。
[0089]
传感器可包括：其中，第二对从第一对偏移二次谐波(r2)的给定比率。第一接收器线圈通过第二电磁场感应耦合(“第二感应耦合”)到目标，其中，由于第二感应耦合，使得在第一接收器线圈中生成第一接收器线圈电压vr1。传感器可包括耦合到第一接收器线圈的控制单元，控制单元配置成接收来自第一接收器线圈的第一接收器线圈电压vr1和来自第二接收器线圈的第二接收器线圈电压vr2，其中，消除r1和r2。基于vr1和vr2，控制单元可生
成角位置信号p。
[0090]
第一接收器线圈和第二接收器线圈可具有相同的配置。第一接收器线圈可以在定子上具有第一旋转对称，且第二接收器线圈可以在定子上偏移第一旋转对称的四分之一(1/4)。
[0091]
第一接收器线圈可以在定子上具有第一旋转对称，第三接收器线圈可耦合到控制单元。第二接收器线圈可具有第一对称，且可以在定子上相对于第一接收器线圈偏移120
°
电角度。第三接收器线圈可具有第一对称，且可以在定子上相对于第二接收器线圈偏移120
°
电角度。
[0092]
目标可进一步包括第一目标线圈，第一目标线圈包括第一外波瓣和第一内波瓣，第一外波瓣延伸第一接收器线圈的谐波n的第一比率，第一内波瓣延伸第一接收器线圈的谐波n的第二比率。第一比率与第二比率之和等于1。第二目标线圈可包括第二外波瓣和第二内波瓣，第二外波瓣延伸第一接收器线圈的谐波n的第一比率，第二内波瓣延伸第一接收器线圈的谐波n的第二比率。第一目标线圈不将谐波n引入第一接收器线圈电压vr1中，第二目标线圈不将谐波n引入第二接收器线圈电压vr2中。第二目标线圈可相对于第一目标线圈偏移二次谐波m的第三比率，可以在vr1和vr2中消除谐波m。
[0093]
对于至少一种实现方式，转子可包括第一目标线圈，第一目标线圈可进一步包括第一外波瓣和第一内波瓣，第一外波瓣延伸第一接收器线圈的谐波n的第一比率，第一内波瓣延伸第一接收器线圈的谐波n的第二比率，其中，第一比率与第二比率之和等于1。转子可包括第二目标线圈，第二目标线圈可包括第二外波瓣和第二内波瓣，第二外波瓣延伸第一接收器线圈的谐波n的第二比率，第二内波瓣延伸第一接收器线圈的谐波n的第一比率。第一目标线圈不将谐波n引入第一接收器线圈电压vr1中，第一接收器线圈电压vr1由感应耦合到转子的第一接收器线圈生成。第二目标线圈不将谐波n引入第二接收器线圈电压vr2中，第二接收器线圈电压vr2由感应耦合到转子的第二接收器线圈生成。
[0094]
转子可配置成使得第二目标线圈相对于第一目标线圈偏移谐波m的第三比率。可以在vr1和vr2中消除谐波m。
[0095]
第一目标线圈和第二目标线圈的宽度w可等于要在vr1和vr2中消除的高阶谐波s的二分之一(1/2)。
[0096]
在一些实现方式中，该部分是谐波周期的二分之一(1/2)，谐波是七次(7次)谐波。在一些实现方式中，旋转对称是九十度(90
°
)机械对称。在一些实现方式中，谐波是七次(7次)谐波。在一些实现方式中，第二目标线圈相对于第一目标线圈偏移三次谐波周期的第三比率，使得三次谐波消除。在一些实现方式中，对于n＝5的三相系统，第一比率是3/n，第二比率是2/n，或者对于n＝3的两相系统，第一比率是1/n，第二比率是2/n。在一些实现方式中，对于三相系统，三次谐波至少是十一次(11次)谐波，对于两相系统，三次谐波至少是五次(5次)谐波。在一些实现方式中，第二目标线圈相对于第一目标线圈偏移三次谐波周期的第三比率，使得三次谐波消除。在一些实现方式中，第一目标线圈或第二目标线圈中的至少一个具有的线宽度对应于与待消除的三次谐波相关联的三次谐波周期的二分之一(1/2)，且三次谐波是比一次谐波和二次谐波更高阶的谐波。
[0097]
虽然上文在一定的细节程度上或参考一个或多个单独的实现方式，描述了所要求保护的发明的各种实现方式，但是本领域技术人员可以在不脱离所要求保护的发明的精神
或范围的情况下对所公开的实现方式进行变更。术语“大约”、“近似”或“基本上”的使用意味着一个元素的值具有一个参数，该参数预期接近规定的值或位置。然而，如本领域众所周知的，可存在微小的变化，这使得这些值与规定的值不是完全相同。因此，预期的差异(例如，10％的差异)是合理的差异，本领域的普通技术人员可预期并知道这些差异，这些差异相对于本公开的一种或多种实现方式的规定的或理想的目标是可接受的。还应理解，术语“顶部”和“底部”、“左”和“右”、“上”或“下”、“第一”、“第二”、“之前”、“之后”以及其它类似术语仅用于描述和便于参考的目的，并不旨在限于本公开的各种实现方式的任何元件的任何方向或配置或者操作顺序。此外，术语“和”和“或”不旨在以限制性或扩展的性质使用，而是涵盖本公开的实现方式的元件和操作的任何组合范围。因此，考虑其它实现方式。意图是使包含在以上描述中和在附图中示出的所有内容应解释成仅对实现方式进行说明，而不是限制。在不脱离如权利要求所限定的本发明的基本要素的情况下，可进行细节或结构上的改变。