專(zhuān)利名稱(chēng)：低速電機(jī)磁旋轉(zhuǎn)編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低速電機(jī)用的編碼器，特別是一種通過(guò)感應(yīng)磁場(chǎng)變化來(lái)輸出差分波形進(jìn)行高倍細(xì)分操作的低速電機(jī)磁旋轉(zhuǎn)編碼器。
背景技術(shù)：
低速電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣闊，以其在低速運(yùn)行場(chǎng)合非同一般的優(yōu)越性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在建筑機(jī)械、石油化工、交通運(yùn)輸、冶金礦山和起重機(jī)械等眾多領(lǐng)域。尤其是在電梯行業(yè)，電機(jī)低速運(yùn)行的控制更是關(guān)系到電梯可靠性和舒適度的重要影響因素。而編碼器是數(shù)字式傳感器中最重要、最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)之一，它是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)速、位移、轉(zhuǎn)度等物理量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖化信號(hào)的一類(lèi)傳感器件。它與數(shù)字處理技術(shù)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)快速、及時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)與控制。 低速電機(jī)的運(yùn)行控制，首先要解決電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的精確測(cè)量，速度越低對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化信號(hào)要求就越高。通常這種情況下要采用高分辨率的旋轉(zhuǎn)編碼器，通過(guò)在低轉(zhuǎn)速時(shí)編碼器輸出盡可能多的脈沖來(lái)確定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角變化情況。但是高分辨率的碼盤(pán)價(jià)格比較昂貴，并且受技術(shù)條件的限制分辨率不可能做得很高。正余弦碼盤(pán)的應(yīng)用就很好的解決了這個(gè)問(wèn)題，類(lèi)似于脈沖式碼盤(pán)正交的方波信號(hào)，正余弦編碼器每圈重復(fù)發(fā)出許許多多個(gè)周期的正交的正余弦信號(hào)，實(shí)質(zhì)上這也是一種增量式編碼器。然后通過(guò)對(duì)正余弦信號(hào)的高倍率細(xì)分技術(shù)，可以使正余弦編碼器獲得比原始信號(hào)周期更為細(xì)密的檢測(cè)分辨率，比如2048線的正余弦編碼器經(jīng)2048細(xì)分后，就可以達(dá)到每轉(zhuǎn)400多萬(wàn)線的檢測(cè)分辨率，能夠很好的適應(yīng)低速電機(jī)的控制要求。目前應(yīng)用的高精度旋轉(zhuǎn)編碼器多為光電正余弦編碼器，輸出精度達(dá)到25位以上，即225=33554432線的檢測(cè)分辨率。光電編碼器體積小，精度和分辨率高，壽命長(zhǎng)，安裝隨意，接口形式豐富，技術(shù)成熟，已在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用；但光電編碼器是通過(guò)在碼盤(pán)上刻線來(lái)計(jì)算精度，所以精度越高，碼盤(pán)就會(huì)越大，編碼器體積也會(huì)越大，并且精度不是連續(xù)的，對(duì)戶(hù)外及惡劣環(huán)境下使用提出了較高的保護(hù)要求，內(nèi)部的玻璃碼盤(pán)耐污染和抗震性都不高。而磁編碼器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型速度、位置檢測(cè)數(shù)字傳感器。磁編碼器通過(guò)磁阻元件或霍爾元件檢測(cè)磁通變化來(lái)輸出所需要的數(shù)字或模擬量。磁編碼器替代了傳統(tǒng)的碼盤(pán)，彌補(bǔ)了光電編碼器的一些缺陷，更具抗震、耐腐蝕、耐污染、轉(zhuǎn)速高，響應(yīng)速度快，性能可靠高、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，體積更小等優(yōu)點(diǎn)，只是目前的精度比光電編碼器稍差。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，如公開(kāi)號(hào)為CN101201257A的“磁性旋轉(zhuǎn)編碼器”,公開(kāi)了一種磁性編碼器結(jié)構(gòu)，磁鐵置于轉(zhuǎn)軸頂端隨著編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，電路板和磁感應(yīng)元件也置于編碼器轉(zhuǎn)軸頂端與磁鐵相對(duì)，磁感應(yīng)元件通過(guò)感應(yīng)編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)磁場(chǎng)角度的變化來(lái)輸出變化的波形，從而確定編碼器的轉(zhuǎn)速與位置。由于在轉(zhuǎn)軸頂端的磁鐵只有一對(duì)N、S極，在磁感應(yīng)元件處的磁場(chǎng)方向每轉(zhuǎn)只產(chǎn)生一個(gè)周期性變化，所以相對(duì)于光電正余弦編碼器的每轉(zhuǎn)2048個(gè)正余弦脈沖來(lái)說(shuō)，要達(dá)到相同的解析精度對(duì)后續(xù)電路的設(shè)計(jì)和解析增加了很大的難度。如公開(kāi)號(hào)為CN1666088A的“具有兩個(gè)磁軌跡的角位移編碼器”，公開(kāi)了幾種通過(guò)感應(yīng)編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)磁場(chǎng)角度的變化來(lái)輸出波形的磁編碼器，其通過(guò)增加磁極對(duì)數(shù)的方法來(lái)增加每圈輸出的周期波形的個(gè)數(shù)，但因每個(gè)周期波形內(nèi)磁場(chǎng)方向變化的角度范圍比前述“磁性旋轉(zhuǎn)編碼器”要小，故在增加磁極對(duì)數(shù)的同時(shí)，磁鐵設(shè)計(jì)和加工的難度以及磁鐵的體積都會(huì)大大的增加。如公開(kāi)號(hào)為CN1834587A的“絕對(duì)式多圈磁編碼器”，公開(kāi)了一種絕對(duì)位置磁編碼器，它是通過(guò)在金屬碼盤(pán)上按照一定編碼方式刻槽，利用磁敏元件檢測(cè)碼盤(pán)所處的位置。由于受碼盤(pán)的編碼方式和所選用的開(kāi)關(guān)型磁敏元件的約束，所以該編碼器的解析精度完全取決于其碼盤(pán)的精度，無(wú)法像正余弦編碼器那樣對(duì)脈沖進(jìn)行細(xì)分處理；即使是同樣精度的光電編碼器和磁編碼器碼盤(pán)，那么磁編碼器的體積和處理難度也會(huì)大很多。如公開(kāi)號(hào)為CN1871500A的“磁性編碼器設(shè)備及致動(dòng)器”，公開(kāi)了一種磁旋轉(zhuǎn)編碼器，永磁體為內(nèi)部中空環(huán)狀，作為轉(zhuǎn)子與編碼器轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，磁場(chǎng)方向?yàn)榫幋a器轉(zhuǎn)軸的徑向上，磁感應(yīng)元件固定于定子上，每相位差為90°位置固定一個(gè)，由于在轉(zhuǎn)軸頂端的磁鐵只有一對(duì)N、S極,在磁感應(yīng)元件處的磁場(chǎng)方向每轉(zhuǎn)只產(chǎn)生一個(gè)周期性變化，相對(duì)于光電正余弦編碼器的每轉(zhuǎn)2048個(gè)正余弦脈沖來(lái)說(shuō)，要達(dá)到相同的解析精度對(duì)后續(xù)電路的設(shè)計(jì)和解析增加了很大的難度。如公開(kāi)號(hào)為CN101046394A的“一種高精度磁編碼器用磁鼓的制備方法”,公開(kāi)了一種用磁鼓的制備方法制作的高精度磁編碼器，正余弦脈沖線數(shù)可以達(dá)到102Γ2500，但因磁編碼器 的精度在很大程度上由磁鼓的精度決定，故加工程序和處理工藝較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低速電機(jī)磁旋轉(zhuǎn)編碼器，解決了現(xiàn)有磁編碼器存在磁路、磁鐵的設(shè)計(jì)與加工制造難度大等問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，只應(yīng)用一對(duì)磁極，制作容易，體積小，降低了原料與加工的成本，通過(guò)改變磁路中氣隙的大小來(lái)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，提高分辨率，測(cè)量快速、精確。本發(fā)明所采用的設(shè)計(jì)方案是該低速電機(jī)磁旋轉(zhuǎn)編碼器包括同軸固定于低速電機(jī)軸上的編碼器轉(zhuǎn)軸，組成編碼器磁路的導(dǎo)磁碼盤(pán)、軛鐵、永磁體及氣隙，其技術(shù)要點(diǎn)是所述編碼器轉(zhuǎn)軸與導(dǎo)磁碼盤(pán)同軸固定連接在一起，軛鐵由第一軛鐵和第二軛鐵構(gòu)成，永磁體置于第一、第二軛鐵之間，導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿與第一軛鐵的圓弧形軛鐵內(nèi)壁之間的間隙形成磁路中的第一氣隙，導(dǎo)磁碼盤(pán)側(cè)面與第二軛鐵端面之間的間隙形成磁路中的第二氣隙，導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿是在導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿基圓基礎(chǔ)上疊加正弦波形組合而成的，磁感應(yīng)霍爾元件組件由第一、第二、第三、第四磁感應(yīng)霍爾元件構(gòu)成，各磁感應(yīng)霍爾元件分別固定在圓弧形的第一軛鐵內(nèi)壁上，位于第一氣隙中，相鄰兩個(gè)磁感應(yīng)霍爾元件的相位差相等，相位差為導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿的一個(gè)正弦波的1/4。所述導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿基圓的圓心與編碼器轉(zhuǎn)軸的軸心為同心，編碼器轉(zhuǎn)軸與導(dǎo)磁碼盤(pán)同軸固定連接在一起。所述第一軛鐵的圓弧形軛鐵內(nèi)壁弧形中心與編碼器轉(zhuǎn)軸的軸心為同心。所述第一氣隙大于第二氣隙。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)及積極效果是由于本發(fā)明軛鐵由第一軛鐵和第二軛鐵構(gòu)成，永磁體置于第一、第二軛鐵之間，使永磁體的磁力封閉于磁路內(nèi)，由第一、第二、第三、第四磁感應(yīng)霍爾元件構(gòu)成的磁感應(yīng)霍爾元件組件，固定在圓弧形的第一軛鐵內(nèi)壁上，位于第一氣隙中，相鄰兩個(gè)磁感應(yīng)霍爾元件的相位差相等，所以其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，它有別于一般的磁編碼器設(shè)計(jì)，不通過(guò)增加磁極對(duì)數(shù)的方式來(lái)增加每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個(gè)數(shù)，而是通過(guò)改變磁路中的總氣隙來(lái)改變磁感應(yīng)霍爾元件處的場(chǎng)強(qiáng)大小。當(dāng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁路中氣隙的大小隨著碼盤(pán)外沿的變化呈周期性變化，使磁感應(yīng)霍爾元件處的磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)也隨之呈周期性變化，通過(guò)差分，查表等操作可以將一個(gè)周期內(nèi)磁感應(yīng)霍爾元件輸出的電壓波形進(jìn)行細(xì)分，將一個(gè)周期的波形細(xì)分為若干份，達(dá)到增加編碼器線數(shù)與精度的作用，這不僅可以提高分辨率，實(shí)現(xiàn)測(cè)量快速、精確，而且整個(gè)磁路中的總磁力卻不變。因只需要將一對(duì)N、S極的永磁體置于磁路內(nèi)，故制作容易，體積小，這樣就避免了多對(duì)極永磁體的設(shè)計(jì)和加工難度，降低了原料與加工的成本?，F(xiàn)有多對(duì)極永磁體的精度由機(jī)械加工、每對(duì)極永磁體的磁力大小、分布等因素共同決定，而本發(fā)明整個(gè)編碼器的精度基本上有碼盤(pán)的加工精度決定，而碼盤(pán)的加工精度是由機(jī)械加工的精度決定，這樣就大大的降低了磁編碼器制作的難度，同時(shí)又不降低磁編碼器的輸出精度，提供了一種低速電機(jī)用的理想的磁編碼器。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明?！?br> 圖I是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意 圖2是圖I的側(cè)視圖。圖中序號(hào)說(shuō)明1第一氣隙、2第二氣隙、3永磁體、4第一軛鐵、5第二軛鐵、6導(dǎo)磁碼盤(pán)、7編碼器轉(zhuǎn)軸、8磁感應(yīng)霍爾元件組件、9軛鐵內(nèi)壁、10導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿、11基圓、12第一磁感應(yīng)霍爾元件、13第二磁感應(yīng)霍爾元件、14第三磁感應(yīng)霍爾元件、15第四磁感應(yīng)霍爾元件。
具體實(shí)施例方式根據(jù)圖I 2詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)。該低速電機(jī)磁旋轉(zhuǎn)編碼器包括同軸固定于低速電機(jī)軸上的編碼器轉(zhuǎn)軸7，組成編碼器磁路的導(dǎo)磁碼盤(pán)6、軛鐵、永磁體3及氣隙等。其中編碼器轉(zhuǎn)軸7與導(dǎo)磁碼盤(pán)6同軸固定連接在一起，軛鐵由第一軛鐵4和第二軛鐵5構(gòu)成，永磁體3置于第一、第二軛鐵4、5之間。導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿10與第一軛鐵4的圓弧形軛鐵內(nèi)壁9之間的間隙形成磁路中的第一氣隙1，第一軛鐵4的圓弧形軛鐵內(nèi)壁9弧形中心與編碼器轉(zhuǎn)軸7的軸心為同心。導(dǎo)磁碼盤(pán)6側(cè)面與第二軛鐵5端面之間的間隙形成磁路中的第二氣隙2，其中第一氣隙I大于第二氣隙2，使得整個(gè)磁路的氣隙基本由第一氣隙I決定。導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿10是在導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿基圓11基礎(chǔ)上疊加正弦波形組合而成的。磁感應(yīng)霍爾元件組件8由第一磁感應(yīng)霍爾元件12、第二磁感應(yīng)霍爾元件13、第三磁感應(yīng)霍爾元件14、第四磁感應(yīng)霍爾元件15構(gòu)成。各磁感應(yīng)霍爾元件分別固定在第一氣隙I中，固定于圓弧形的第一軛鐵內(nèi)壁9上，位于第一氣隙I中。相鄰兩個(gè)磁感應(yīng)霍爾元件的相位差相等，相位差為導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿10的一個(gè)正弦波的1/4，即一個(gè)正弦波的90度相位，所以第一、第三磁感應(yīng)霍爾元件12、14，第二、第四磁感應(yīng)霍爾元件13、15的相位差為180度,可以構(gòu)成差分信號(hào)進(jìn)行傳輸。導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿基圓11的圓心與編碼器轉(zhuǎn)軸7的軸心為同心，編碼器轉(zhuǎn)軸7與導(dǎo)磁碼盤(pán)6同軸固定連接在一起，編碼器轉(zhuǎn)軸7固定連接在電機(jī)軸上。編碼器轉(zhuǎn)軸7轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)導(dǎo)磁碼盤(pán)6與電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。第一軛鐵4、第二軛鐵5、永磁體3和各磁感應(yīng)霍爾元件固定不動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第一氣隙I中的每個(gè)磁感應(yīng)霍爾元件的變化，是在基礎(chǔ)氣隙的基礎(chǔ)上呈正弦規(guī)律，導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿10到軛鐵內(nèi)壁9的磁場(chǎng)強(qiáng)度差為永磁體兩極的磁場(chǎng)強(qiáng)度差M是保持不變的，第一氣隙I中單位距離的磁場(chǎng)強(qiáng)度差等于M除以第一氣隙I的大小，所以磁感應(yīng)霍爾元件12、13、14、15各處的磁場(chǎng)強(qiáng)度與該點(diǎn)的氣隙大小成反比規(guī)律變化。差分處理后可以產(chǎn)生相位差為90度的兩路正余弦脈沖信號(hào)，通過(guò)求商、查表等操作可以將一周期內(nèi)的正余弦信號(hào)細(xì)分出多個(gè)位置，達(dá)到正余弦編碼器的細(xì)分目的。本發(fā)明提供的磁旋轉(zhuǎn)編碼器的精度只與導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿10與軛鐵內(nèi)壁9的加工精 度有關(guān)，通過(guò)磁旋轉(zhuǎn)編碼器所需要的精度和機(jī)械加工精度可以得出所需要周期波形個(gè)數(shù)，以滿足低速電機(jī)所需要分辨率精度。
權(quán)利要求
1.一種低速電機(jī)磁旋轉(zhuǎn)編碼器,包括同軸固定于低速電機(jī)軸上的編碼器轉(zhuǎn)軸，組成編碼器磁路的導(dǎo)磁碼盤(pán)、軛鐵、永磁體及氣隙，其特征在于所述編碼器轉(zhuǎn)軸與導(dǎo)磁碼盤(pán)同軸固定連接在一起，軛鐵由第一軛鐵和第二軛鐵構(gòu)成，永磁體置于第一、第二軛鐵之間，導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿與第一軛鐵的圓弧形軛鐵內(nèi)壁之間的間隙形成磁路中的第一氣隙，導(dǎo)磁碼盤(pán)側(cè)面與第二軛鐵端面之間的間隙形成磁路中的第二氣隙，導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿是在導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿基圓基礎(chǔ)上疊加正弦波形組合而成的，磁感應(yīng)霍爾元件組件由第一、第二、第三、第四磁感應(yīng)霍爾元件構(gòu)成，各磁感應(yīng)霍爾元件分別固定在圓弧形的第一軛鐵內(nèi)壁上，位于第一氣隙中，相鄰兩個(gè)磁感應(yīng)霍爾元件的相位差相等，相位差為導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿的一個(gè)正弦波的1/4。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低速電機(jī)磁旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于所述導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿基圓的圓心與編碼器轉(zhuǎn)軸的軸心為同心，編碼器轉(zhuǎn)軸與導(dǎo)磁碼盤(pán)同軸固定連接在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低速電機(jī)磁旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于所述第一軛鐵的圓弧形軛鐵內(nèi)壁弧形中心與編碼器轉(zhuǎn)軸的軸心為同心。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低速電機(jī)磁旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于所述第一氣隙大于第二氣隙。
全文摘要
一種低速電機(jī)磁旋轉(zhuǎn)編碼器，解決了現(xiàn)有磁編碼器存在磁路、磁鐵的設(shè)計(jì)與加工制造難度大等問(wèn)題，包括同軸固定于低速電機(jī)軸上的編碼器轉(zhuǎn)軸，組成編碼器磁路的導(dǎo)磁碼盤(pán)、軛鐵、永磁體及氣隙，其技術(shù)要點(diǎn)是編碼器轉(zhuǎn)軸與導(dǎo)磁碼盤(pán)同軸固定連接在一起，永磁體置于第一、第二軛鐵之間，導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿由導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿基圓上疊加正弦波形組成，磁感應(yīng)霍爾元件組件固定在圓弧形的第一軛鐵內(nèi)壁上，位于第一氣隙中，相鄰兩個(gè)磁感應(yīng)霍爾元件的相位差相等，相位差為導(dǎo)磁碼盤(pán)外沿的一個(gè)正弦波的1/4。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，只應(yīng)用一對(duì)磁極，制作容易，體積小，降低了原料與加工的成本，通過(guò)改變磁路中氣隙的大小來(lái)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，提高分辨率，測(cè)量快速、精確。
文檔編號(hào)H02K29/08GK102868279SQ20121033521
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者蘆迪, 唐立志, 盤(pán)宗仁, 隋舒杰 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)市藍(lán)光自動(dòng)化技術(shù)有限公司