CN106197482A - 有限转角编码器磁钢结构及具有该磁钢结构的编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了有限转角编码器磁钢结构及具有该磁钢结构的编码器。所述编码器包括同一空间平面上相对设置的单对极磁钢和多对极磁钢，所述单对极磁钢包括n片磁钢，n大于等于3，所述多对极磁钢为N对极磁钢，包括n'片磁钢，n'大于等于2N+1；磁钢支撑板，所述单对极磁钢和多对极磁钢对称设置于表面；轴承，所述轴承外圈与所述磁钢支撑板内孔相配合；轴承内圈与电路板支撑板相配合；电路板固定在所述电路支撑板的另一侧面，所述电路板表面具有单对极霍尔传感器和多对极霍尔传感器。通过使用本发明所述的有限转角编码器磁钢结构及具有该磁钢结构的编码器能够有效的缩小组合式编码器的结构尺寸，降低产品制造成本的同时提高了产品的轻量化设计。

Description

有限转角编码器磁钢结构及具有该磁钢结构的编码器
技术领域
本发明属于编码器制造技术领域，具体涉及一种有限转角编码器磁钢结构及具有该磁钢结构的编码器。
背景技术
目前工控领域的高精度伺服平台广泛采用的角位移传感器有旋转变压器、光电编码器和磁电编码器。
其中，磁电编码器主要由永磁体和磁敏元件组成。磁敏元件能够通过霍尔效应或磁阻效应感应由永磁体旋转运动造成的空间磁场变化，且能将这一磁场变化转化为电压信号的变化，并能通过后续的信号处理***达到对旋转部件角位移检测的目的。相比旋转变压器和光电编码器，磁电编码器具有结构简单、耐高温、抗油污、抗冲击和体积小、成本低等优点，在小型化和恶劣环境条件的应用场所具有独特优势。
磁电编码器主要由磁信号发生结构和信号处理电路两部分组成，其中磁信号发生源称为磁钢。根据磁钢的磁极数的不同，可分为单对极磁钢和多对极磁钢，因而根据磁电编码器磁信号发生源的不同可分为单对极磁电编码器和单多对极组合式磁电编码器。组合式磁电编码器即在传统的单对极磁电编码器的基础之上增加一个多对极磁场信号源，来实现对单对极磁钢的编码细分，达到提高分辨率的目的。
现有的组合式磁电编码器多对极磁钢普遍采用整圈式结构。并且单对极磁钢采用径向充磁，多对极磁钢采用轴向充磁并且单对极磁钢和多对极磁钢分别安装在空间两个相互平行的安装面以达到磁场隔离的效果。因此传统的磁钢安装结构轴向空间较大。单对极磁钢采用径向充磁的方式需要在磁钢的半径方向添加一圈导磁环，因此径向尺寸较大。综上所述传统的组合式编码器在小型化场合上的应用受到限制，并且针对有限角度范围内的运动，采用整圈式结构造成磁钢的浪费以及产品成本的增加同时不利于实现产品的轻量化设计。
发明内容
本发明提出了一种有限转角编码器磁钢结构及具有该磁钢结构的编码器，通过使用本发明所述的有限转角编码器磁钢结构及具有该磁钢结构的编码器能够有效的缩小组合式编码器的结构尺寸，使产品结构更加紧凑，降低产品制造成本的同时提高了产品的轻量化设计。
本发明提出了一种有限转角编码器磁钢结构，其中包括包括同一空间平面上相对设置的单对极磁钢和多对极磁钢，所述单对极磁钢包括n片磁钢，n大于等于3，所述多对极磁钢为N对极磁钢，包括n'片磁钢，n'大于等于2N+1。
如上所述的有限转角编码器磁钢结构，其中，所述单对极磁钢的每片磁钢所占的机械角度为α，所述机械角度α等于90°除以n。
如上所述的有限转角编码器磁钢结构，其中，所述多对极磁钢的每片磁钢所占的机械角度为β，所述机械角度β等于90°除以n'。
如上所述的有限转角编码器磁钢结构，其中，所述单对极磁钢和所述多对极磁钢沿圆周方向径向相隔180°对称设置。
如上所述的有限转角编码器磁钢结构，其中，所述单对极磁钢和所述多对极磁钢采用端面充磁。
本发明还提出了包括如上任一一项所述的有限转角编码器磁钢结构的编码器，其中，包括：
同一空间平面上相对设置的单对极磁钢和多对极磁钢，所述单对极磁钢包括n片磁钢，n大于等于3，所述多对极磁钢为N对极磁钢，包括n'片磁钢，n'大于等于2N+1；
磁钢支撑板，所述磁钢支撑板为环形结构，所述单对极磁钢和多对极磁钢沿圆周方向径向相隔180°对称设置于所述磁钢支撑板环形表面；
轴承，所述轴承外圈与所述磁钢支撑板内孔相配合；
电路板支撑板，所述电路板支撑板的一侧面中心位置具有一圆形凸台朝向所述轴承，所述电路板支撑板通过所述圆形凸台与所述轴承内孔配合连接；
电路板，所述电路板固定连接在所述电路板支撑板的另一侧面，所述电路板朝向所述磁钢方向表面具有单对极霍尔传感器和多对极霍尔传感器，所述单对极霍尔传感器和多对极霍尔传感器分别与所述单对极磁钢和多对极磁钢相对设置。
如上所述的编码器，其中，所述单对极霍尔传感器包括两个霍尔传感器，所述单对极霍尔传感器中的两个霍尔传感器电角度相差90°。
如上所述的编码器，其中，所述多对极霍尔传感器包括两个霍尔传感器，所述多对极霍尔传感器中的两个霍尔传感器电角度相差90°。
如上所述的编码器，其中，所述单对极霍尔传感器和多对极霍尔传感器距离磁钢表面的距离大于0.5mm，小于1mm。
如上所述的编码器，其中，所述编码器进一步包括限位螺钉，所述限位螺钉固定在所述磁钢支撑板朝向所述磁钢的一侧，用于机械限位作用。
通过使用本发明所述的有限转角编码器磁钢结构，将单对极磁钢和多对极磁钢对称设置在同一空间平面内，减小了组合式磁电编码器的径向尺寸。
通过将所述单对极磁钢和所述多对极磁钢采用端面充磁，减小了编码器的轴向尺寸。
通过使用本发明所述的编码器，能够精确测量有限角度内的转角变化。
通过将霍尔传感器表贴在电路板上，进一步缩小了编码器的轴向尺寸和径向尺寸。
附图说明
下面结合附图详细说明本发明。通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述或其他方面的内容将变得更清楚和更容易理解。附图中：
图1为本发明所述有限转角编码器磁钢结构的结构示意图；
图2为本发明所述具有有限转角编码器磁钢结构的编码器的结构示意图；
图3位本发明所述电路板的结示意图；
图4位本发明所述电路板支撑板的结构示意图；
图5为本发明一个实施例的结构示意图。
附图中各标记表示如下：
101：单对极磁钢、102：多对极磁钢；
20：磁钢支撑板；
30：轴承；
40：电路板支撑板；
50：电路板、501：单对极霍尔传感器、502：多对极霍尔传感器；
60：限位螺钉；
70：伺服机构。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
在此记载的具体实施方式/实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本发明的保护范围之内。
图1为本发明所述有限转角编码器磁钢结构的结构示意图。如图1所示，有限转角编码器磁钢结构包括同一空间平面上相对设置的单对极磁钢101和多对极磁钢102，所述单对极磁钢包括n片磁钢，n大于等于3，所述多对极磁钢为N对极磁钢，包括n'片磁钢，n'大于等于2N+1。
单对极磁钢101和多对极磁钢102在同一空间平面上相对设置，有效的较小了其径向尺寸范围。单对极磁钢101包括n片磁钢，为了保证单对极磁钢101在转动过程中单对极霍尔元件采集到的信号保证在一个闭合的磁场周期内，则单对极磁钢101片数n大于等于3。多对极磁钢102为N对极磁钢，包括n'片磁钢，为了保证多对极磁钢102在转动过程中多对极霍尔元件采集到的信号在N个闭合的磁场周期内，则多对极磁钢片数n'大于等于2N+1。
进一步的，单对极磁钢101是由n片磁钢组成，每片磁钢所占的机械角度为α。多对极磁钢102为N对极，由n'片磁钢组成,每片磁钢所占的机械角度为β。假设伺服机构70摆动的有限角度为θ。为防止单对极和多对极磁场信号相互干扰，在机械空间上磁钢设计为有限角度。单对极磁钢101每片磁钢所占的机械角度α等于90°/n，多对极磁钢102每片磁钢所占的机械角度β等于90°/n'。
进一步的，所述单对极磁钢101和所述多对极磁钢102沿圆周方向径向相隔180°对称设置。
所述单对极磁钢101和所述多对极磁钢102沿圆周方向径向相隔180°对称设置，可以更合理控制磁场分布，防止单对极和多对极磁场信号相互干扰。
通过使用本发明所述的有限转角编码器磁钢结构，将单对极磁钢和多对极磁钢对称设置在同一空间平面内，有效的减小了组合式磁电编码器的径向尺寸。
进一步的，所述单对极磁钢101和所述多对极磁钢102均采用端面充磁。
通过将所述单对极磁钢101和所述多对极磁钢102采用端面充磁，减小了编码器的轴向尺寸。
图2为本发明所述具有有限转角编码器磁钢结构的编码器的结构示意图。如图2所示，具有有限转角编码器磁钢结构的编码器，包括同一空间平面上相对设置的单对极磁钢101和多对极磁钢102。所述单对极磁钢101包括n片磁钢，n大于等于3，所述多对极磁钢102为N对极磁钢，包括n'片磁钢，n'大于等于2N+1。
进一步的，单对极磁钢101是由n片磁钢组成，每片磁钢所占的机械角度为α。多对极磁钢102为N对极，由n'片磁钢组成,每片磁钢所占的机械角度为β。假设伺服机构摆动的有限角度为θ。为防止单对极和多对极磁场信号相互干扰，在机械空间上磁钢设计为为有限角度。单对极磁钢101每片磁钢所占的机械角度α等于90°/n，多对极磁钢102每片磁钢所占的机械角度β等于90°/n'。
通过使用本发明所述的编码器，能够精确测量有限角度内的转角变化。同时，提高了产品的轻量化设计。
进一步的，所述单对极磁钢101和所述多对极磁钢102沿圆周方向径向相隔180°对称设置。
所述单对极磁钢101和所述多对极磁钢102沿圆周方向径向相隔180°对称设置，可以更合理控制磁场分布，防止单对极和多对极磁场信号相互干扰。
磁钢支撑板20，所述磁钢支撑板20为环形结构。所述单对极磁钢101和多对极磁钢102沿圆周方向径向相隔180°对称设置于磁钢支撑板20的环形表面。
磁钢支撑板20为环形结构，其中心位置设有空心圆孔。磁钢支撑板20环形表面设有多个通孔。
图5为本发明一个实施例的结构示意图。如图5所示，磁钢支撑板20通过螺钉穿过其表面通孔与伺服机构70转动部分连接。从而利用伺服机构70带动磁钢支撑板20进行旋转，进而带动磁钢进行有限角度的旋转运动，形成磁场。
进一步的，所述单对极磁钢101和多对极磁钢102通过高强度磁钢结构胶TY5326G粘结在磁钢支撑板20表面。
轴承30，所述轴承30外圈与所述磁钢支撑板20内孔相配合。
图4位本发明所述电路板支撑板40的结构示意图。如图4所示，所述电路板支撑板40的一侧面中心位置具有一圆形凸台朝向所述轴承30。所述电路板支撑板40通过所述圆形凸台与所述轴承30内孔配合连接。
进一步的，电路板支撑板40表面具有多个通孔结构。电路板支撑板40通过螺钉穿过通孔与伺服机构70的框架固定在一起。轴承30起支撑作用，轴承30内圈与电路板支撑板40通过小过盈配合的方式连接。轴承30的外圈和磁钢支撑板20内孔配合。因此当伺服机构70转动时电路板50和磁钢能通过轴承30发生相对运动。进而，电路板50上分布的霍尔元件能够感应由磁钢旋转运动造成的空间磁场变化，且能将这一磁场变化转化为电压信号的变化，并能通过后续的信号处理***达到对旋转部件角位移检测的目的。
图3位本发明所述电路板50的结构示意图。如图3所示，所述电路板50固定连接在所述电路板支撑板40的另一侧。所述电路板50朝向所述磁钢方向表面具有单对极霍尔传感器501和多对极霍尔传感器502。所述单对极霍尔传感器501和多对极霍尔传感器502分别与所述单对极磁钢101和多对极磁钢102相对设置。
进一步的，电路板50表面设有与电路板支撑板40表面通孔位置相对应的通孔。电路板50通过该通孔采用螺钉与电路板支撑板40固定连接。
在电路板50上采用表贴式霍尔传感器相比采用插件霍尔传感器进一步缩小了编码器的轴向尺寸和径向尺寸。
在单对极磁钢101对应的电路板50表面表贴的霍尔元件称为单对极霍尔传感器501。在多对极磁钢102对应的电路板50表面表贴的霍尔元件称为多对极霍尔传感器502。多对极霍尔信号对单对极霍尔信号进行角度细分，从而提高编码器的分辨率。
进一步的，所述单对极霍尔传感器501包括两个霍尔传感器，所述单对极霍尔传感器501中的两个霍尔传感器电角度相差90°。
进一步的，所述多对极霍尔传感器502包括两个霍尔传感器，所述多对极霍尔传感器502中的两个霍尔传感器电角度相差90°。
依据反正切算法的原理，单对极两个霍尔元件采集到的霍尔信号需要正交即单对极两个霍尔元件的电角度需要相差90°，同样多对极两个霍尔元件的电角度需要相差90°。根据单对极磁钢101每片磁钢所占的空间角度，可计算得出单对极霍尔传感器501中的两个霍尔传感器之间的机械角度。根据多对极磁钢102每片磁钢所占的空间角度，可计算得出多对极霍尔传感器502中的两个霍尔传感器之间的机械角度。
进一步的，所述单对极霍尔传感器501和多对极霍尔传感器502距离对应的磁钢表面的距离大于0.5mm，小于1mm。
根据大量的仿真数据表明单、多对极霍尔表面距离磁钢表面的距离大于0.5mm，小于1mm，即可满足霍尔传感器感应磁场信号的强度的要求。
进一步的，所述编码器进一步包括限位螺钉60。所述限位螺钉60固定在所述磁钢支撑板20朝向所述磁钢的一侧，用于机械限位。
伺服机构70带动磁钢支撑板20进行转动。当伺服机构70的转角超过原有的设定转角时，限位螺钉60随磁钢支撑板20的转动会碰撞在电路板支撑板40的外表面。由于电路板支撑板40固定连接在伺服机构70的框架上，不会随伺服机构的转动而转动。因而，造成伺服机构停转的现象。因此，限位螺钉60起到机械限位的作用。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明，而非限制本发明的范围。本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (10)

1.有限转角编码器磁钢结构，其特征在于，包括同一空间平面上相对设置的单对极磁钢和多对极磁钢，所述单对极磁钢包括n片磁钢，n大于等于3，所述多对极磁钢为N对极磁钢，包括n'片磁钢，n'大于等于2N+1。
2.根据权利要求1所述的有限转角编码器磁钢结构，其特征在于，所述单对极磁钢的每片磁钢所占的机械角度为α，所述机械角度α等于90°除以n。
3.根据权利要求1所述的有限转角编码器磁钢结构，其特征在于，所述多对极磁钢的每片磁钢所占的机械角度为β，所述机械角度β等于90°除以n'。
4.根据权利要求1所述的有限转角编码器磁钢结构，其特征在于，所述单对极磁钢和所述多对极磁钢沿圆周方向径向相隔180°对称设置。
5.根据权利要求1所述的有限转角编码器磁钢结构，其特征在于，所述单对极磁钢和所述多对极磁钢采用端面充磁。
6.包括权利要求1-5所述的有限转角编码器磁钢结构的编码器，其特征在于，包括：
同一空间平面上相对设置的单对极磁钢和多对极磁钢，所述单对极磁钢包括n片磁钢，n大于等于3，所述多对极磁钢为N对极磁钢，包括n'片磁钢，n'大于等于2N+1；
磁钢支撑板，所述磁钢支撑板为环形结构，所述单对极磁钢和多对极磁钢沿圆周方向径向相隔180°对称设置于所述磁钢支撑板环形表面；
轴承，所述轴承外圈与所述磁钢支撑板内孔相配合；
电路板支撑板，所述电路板支撑板的一侧面中心位置具有一圆形凸台朝向所述轴承，所述电路板支撑板通过所述圆形凸台与所述轴承内孔配合连接；
电路板，所述电路板固定连接在所述电路板支撑板的另一侧面，所述电路板朝向所述磁钢方向表面具有单对极霍尔传感器和多对极霍尔传感器，所述单对极霍尔传感器和多对极霍尔传感器分别与所述单对极磁钢和多对极磁钢相对设置。
7.根据权利要求6所述的编码器，其特征在于，所述单对极霍尔传感器包括两个霍尔传感器，所述单对极霍尔传感器中的两个霍尔传感器电角度相差90°。
8.根据权利要求6所述的编码器，其特征在于，所述多对极霍尔传感器包括两个霍尔传感器，所述多对极霍尔传感器中的两个霍尔传感器电角度相差90°。
9.根据权利要求6所述的编码器，其特征在于，所述单对极霍尔传感器和多对极霍尔传感器距离磁钢表面的距离大于0.5mm，小于1mm。
10.根据权利要求6所述的编码器，其特征在于，所述编码器进一步包括限位螺钉，所述限位螺钉固定在所述磁钢支撑板朝向所述磁钢的一侧，用于机械限位作用。
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