CN1050432A - 高分辨率编码器 - Google Patents

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Abstract

用于诸如高分辨率传感轴承中的编码器，具有最 佳磁通密度的多个磁极对，编码器磁化的方法如下： 1.确定为达所需分辨率的磁极对数目及轴承结构；2. 确定轴承产生的最大空气隙；3.确定在最大气隙条件 下能使传感器正常工作的磁极对阈值磁通密度；4.确 定使编码器具有达阈值磁通密度要求的最少磁极对 数；5.选定制作编码器的材料；6.将选定材料制成编 码器，并使其最少的磁极对能满足阈值磁通要求。

Description

本发明涉及在高分辨率应用的场合使用的、设有相当多数目磁极对的编码器，这些磁极对具有一阈值磁通密度。本发明尤其适用在传感轴承中用作磁编码靶，它能根据各种汽车应用的要求提供相当高分辨率的输出信号。
本发明可根据具体的用途，用细长形编码器或环状编码器或其它构形的编码器。例如，一个细长形编码器可以用来确定减震器杆的位置。当使用在传感轴承中时，本发明的编码器被设计成单件装置，它能够安装在具有外轴承圈及内轴承圈的轴承上，或安装在具有固定止推板及旋转止推板的轴承上。本发明可以适用于多种结构的轴承，其中包括滚珠轴承、滚柱轴承、园椎滚子轴承及滚针轴承。无论是止推轴承还是径向轴承结构均能被应用;此外园椎轴承也包括在内。具有滚动部件，带有或不带有定位圈或保持架或隔栅的抗摩擦轴承也包括在内，以及还包括没有滚动部件的滑动轴承。
传统的轴承编码器采用的N-S磁极对（MPP）的数目一般远小于最大可能的磁极对数目。磁极对的数目少将导致分辨率较低。由于对于许多与编码器配合使用的汽车轴承产品来说较低分辨率尚可接受，所以，最大限度增加磁极数目的技术尚未得以正常开发。增大MPP的数目使相邻极对的极距减小，因而也就减小了由每个MPP发出的磁通密度。因此，如果对于一个专门产品应用，要求一个特定的最小磁通密度时，必须注意保证：不要在一个编码器上设置太多的MPP，以免使磁通密度下降到小得不可接受的低值。保证合适的磁通密度最简单的方法是保持相对大的极间距，这将导致MPP数目相对减少。另一方面，当对于一个专门的应用，对其分辨率的要求不严格时，这是不成问题的;但是，如果要求相当高的分辨率时，本发明的编码器则是极为有用的。
现有技术中传感轴承的一个典型编码器具有的最小极间距约为0.150英寸，这相当于在直径约为2英寸的一个环状编码器上约有40个磁极对。现有技术的一个例子公开在美国专利US4732494中，其标题为“具有数据传感器的轴承或滚柱轴承”，公告日为1988年3月22日，持有人为Roger  Guers及Georges  Godard。
本发明的编码器提供了在可磁化体上精确定位的相当多数目的MPP，以便满足高分辨率应用的需要。更重要的是，对每个编码器的全部MPP数目具有一个与每个极对相对应的最优的磁通密度。这个磁通密度-MPP数的组合对于专门的应用，例如轴承，具有单一的及新颖的数值范围。描述该磁通相对于极间距关系的方程式为：
Fr＝（K1）（X）-（K2）（140X2）+（K3）（7920X3）
式中：K1＝158至1056高斯/英寸
K2＝158至1056高斯/英寸2
K3＝158至1056高斯/英寸3
X＝相邻MPP之间的极间距，及
Fr为当K1，K2及K3数值相等时，在+20℃温度下的标准磁通密度范围（单位为高斯）。
该方程式适用于编码器的外表面与传感器的传感部分之间的气隙为0.036英寸的情况。这里所有磁通密度都是利用一个霍耳传感器对0.036英寸的相同尺寸气隙测量的。该方程式也适用于大多数磁性材料，例如：铁酸锶（Strontiumferrite），铁酸钡（barium  ferrite），钐钴（Samarium-cobalt）或钕铁硼（neodymium-lron-boron）。
一个环形编码器的MPP数可以方便地确定，因为：
MPP数＝（D）（T）/X
式中：
D＝环形编码器的直径，及
X＝极间距
简言之，本发明的编码器包括一可磁化体，沿该可磁化体以等距离布置多个磁极对（MPP）。该编码器的MPP数目较高，其中每个MPP具有一个预定的最小值或阈值磁通密度。这个数值是重要的，例如，以保证一个安装在编码器附近的霍耳传感器通过一个空气隙进行接通与关断，该空气隙对于具体产品的构造具有某一最大值。这个相当多数目的MPP，其中每个具有一个最小值或阈值磁通密度，为产品提供了相当高的分辨率性能。
使编码器磁化的方法包括以下的步骤：
（a）研究具体应用的技术条件，确定为得到所需分辨率的磁极对（MPP）数目，并确定哪种编码器结构最适于该具体应用;
（b）确定与用于该具体应用的该具体编码器构造相应的最大空气隙;
（c）确定，用于保证在通过最大空气气隙的条件下，及加上其它任何已知变量的最劣条件（如温度）时，能使传感器开通与关断的最小或阈值磁通密度;
（d）确定哪种磁性材料能满足制造该编码器的要求，这样就能在该编码器上布置足够数目的MPP，每个MPP具有精确的位置，并且其磁通密度至少等于上述步骤（c）所确定的数值，以便能满足专门应用的高分辨率的要求;
（e）在由上述步骤（d）确定出的符合要求的一组磁性材料中进行选择，以选出最佳的材料，它具有最经济的成本效益并能满足该具体应用的性能要求;及
（f）将在上述步骤（e）中选出的最佳材料制成的环形体进行磁化，使其至少具有对于该专门高分辨率的应用所需的MPP数目，以致使每个MPP具有的磁通密度至少等于在上述步骤（c）中确定的数值。
参照以下的详细说明及附图，将使本发明及其许多优点能进一步为人理解。其附图为：
图1：本发明的一个细长形编码器的透视图;
图2：本发明的适用于止推轴承的环形编码器的透视图;
图3：一个环形编码器的轴端视图，它表示沿径向轴承中编码器的园周布置的磁极对;
图4：图2中编码器的径向侧视图，说明在止推轴承中使用的编码器磁极对发出的磁通;
图5：由图1至4所示编码器产生的磁通密度正弦输出曲线图，及
图6：对于相应的磁通密度能够得到的最小极间距的曲线图。
参照附图，尤其是图1及图2，本发明的优选实施例包括一个编码器20，它可具有如图1所示的细长形结构，或是具有如图2所示的环形结构。在每种情况下，编码器20具有沿该编码器等距离定位的多个磁极对（MPP）22。该编码器必须是用一种金属性的可磁化材料制成。优选的材料是“填充”了高性能可磁化材料的合成材料，例如铁酸锶或铁酸钡。其它能提供单位材料体积高磁通密度的填充材料也可使用，例如钕铁硼或钐钴，但是铁酸锶及铁酸钡能以低成本提供足够的磁通密度，因而从成本-效益的观点来看应予优先。“填充系数”是可磁化材料填充到编码器中的体积百分比。例如填充系数为33%铁酸锶的合成树脂编码器由占体积33%的铁酸锶及占体积67%的合成树脂组成。磁通密度与充填系数的关系是非常线性及成正比的。例如充填系数为33%的铁酸锶编码器具有的磁通密度（F33），将根据下列方程式随充填系数变化：
F＝（K/0.33）×（F33）
式中，F为以充填系数K修正的磁通密度，F33为充填系数是33%的磁通密度，K为编码器的充填系数。
充填系数为80%的一编码器具有的磁通密度大约为充填系数为40%的类似编码器磁通密度的二倍。此外，如果由钕铁硼作成的编码器的磁通密度大约为具有同样充填系数的、由铁酸锶作成的类似编码器磁通密度的1.6倍的话，则具有100%充填系数的钕铁硼编码器的具有的磁通密度为具有33%充填系数的铁酸锶编码器磁通密度的1.6/0.33倍，或约4.8倍。
依产品结构MPP可以在各种方向上取向。图3及4分别描绘了典型的用于径向轴承的及止推轴承的编码器上的MPP的定向。磁场33在图3及4上用虚线示出。对于径向轴承编码器，其峰值磁通量33从编码器沿径向向外伸展，如图3所示。相反地，图4中的止推轴承编码器具有的最大磁通密度是由编码器轴向发出的。磁场最密的部分一般取向在磁通检测器或传感器的方向上，以便使得用于专门产品构造的传感器的灵敏度最好。传感器本身的取向在一定程度上依赖于所使用的传感器的类型;例如，一个安装在一集成电路（I.C）芯片上的霍耳传感器相对于被传感的编码器的表面垂直地安装。与其相比，安装在-I.C.芯片上的磁阻传感器应相对于霍耳传感器芯片的取向旋转90度，以便能最佳地检测编码器的磁通。如以上讨论的，这里所提供的磁通密度数值是由利用霍耳传感器产生的，它的传感部分被定位在距被测编码器表面约0.036英寸处。
磁通密度的大小必须使传感器足以在最劣条件下对磁通检测，该最劣条件也就是最高温度，编码器及传感器之间的最大空气隙。能被控制、以提供所需阈值磁通密度的基本因素是填充系数，它是在合成基体材料中填充的按体积计算的可磁化材料的量。
使编码器磁化的方法包括与以上所述相同的基本步骤。
不同的产品及应用具有不同的分辨率的要求。在讨论编码器的分辨率时，关键的参数是磁极对（MPP）数目，它与极间距是紧密相关的。图5参照由MPP产生的磁场来说明极间距的意义;此外，在图3及4中用字母“X”表示极间距大小。极间距指的是相邻MPP之间的距离，也即从一个N极的磁通密度峰值到相邻的S极的磁通密度峰值的距离。决定对一专门应用采用哪一种构造的编码器除分辨率外还涉及许多因素。例如，在一个传感轴承产品的应用中，必须考虑是径向轴承还是止推轴承。此外，由轴承承受的负载推算出要使用的轴承类型，即滚珠轴承或滚柱轴承等。其他因素可包括：使用或根本不使用滚动部件，如果使用时，需知使用的是一个定位圈或保持架还是隔栅。最后，但并非不重要的，最终的因素是最佳产品结构能否采用提供所需分辨率的编码器的结构。如果不能，必须选取另外的产品结构。
除分辨率的要求外，另外必须满足的条件是磁通的要求。即使MPP的数目能满足某一分辨率的要求，每个MPP还必须在最劣条件下的具有最小或阈值磁通密度，以便保证：所使用的传感器能检测出该磁通并产生出足够大的做为结果的输出信号。例如，如果一个产品必须工作的温度范围是已知的，用其可能的最高温度计算磁通密度，因为磁通密度根据下式随温度的增加而降低：
Ft＝（Fr）｛1-（K）（＾T）｝
式中：Ft为对于真实温度修正的磁通密度;Fr为在参考温度下的磁通密度;K为专门材料的热系数，及＾T为真实温度减去参考温度的值。
对于铁酸锶及铁酸钡，其热系数约为每摄氏度0.18%;因而用于铁酸锶及铁酸钡的方程式为：
Ft＝（Fr）｛1-（0.18%/每摄氏度）（＾T）｝
因而，如果阈值磁通密度是在产品经受的最高温度下给出时，则该传感器能在最劣温度条件下提供合适的输出信号。除去温度外，其它任何能影响磁通密度的因素在决定阈值磁通密度时作类似的考虑。
然后考虑可磁化材料，以便确定哪种材料对于提供由上述步骤（a）至（c）获得的MPP数及磁通密度的组合是最佳的。各种稀土磁铁，例如钕铁硼磁铁，能以最少量的材料提供特别强的磁通密度;然而它们的成本高于某些磁性较差的材料，例如铁酸锶与铁酸钡。能满足分辨率需要的最便宜的材料通常选作为最佳材料。
例如，在许多涉及汽车的应用中，由铁酸锶或铁酸钡制作的编码器通常能提供足够多的MPP数目及合适的磁通密度;因此，在这些应用中可以使用这些材料替代磁性较强的，但更贵的材料，如钐钴。
一旦材料被选好，就使材料成型为所需的编码器构形，并按要获得所需分辨率必须的MPP数目将该材料磁化。例如如图2至4的编码器中的一个环形编码器，可以是在铁酸锶材料的直径为2.6英寸的园环中磁化上360个MPP。该编码器能够在距离磁铁表面约0.036英寸的距离处提供约10高斯的磁通密度。该编码器的极间距约为0.023英寸，其厚度（T）为0.028英寸。
编码器的厚度（T）是一个重要的变量，因为在编码器材料用量固定时，通过优化编码器厚度与极间距的比例，可以使该编码器产生的磁通达到一最大值。本发明者所作出的研究表明：该比例约1.25为最佳，也即，该编码器的厚度必须是极间距尺寸的1.25倍左右。对于许多产品应用，该比例的范围在1.25+/-25%内是可以接受的。图3及图4分别标明了在径向轴承及止推轴承中使用的环状编码器的厚度（T）及极间距（X）。
图6表示上文讨论过的最佳磁极间距离与磁通密度关系的曲线。对于已知空气气隙所需的阈值磁通密度，可利用该曲线确定可使用的最大极间距。这个极间距就提供了特定的MPP数目。例如，一旦对于给定磁通密度的极间距被确定，就能在一环状编码器上磁化的MPP数目可以利用下式进行计算：
MPP数目＝（D）（T）/X
式中：D为环状编码器的直径，X为极间距。
对于专门的编码器，在给定磁通密度时，计算出的MPP数目的80%至100%的范围被认为是对现有技术的改进。图6中的曲线是充填系数为33%的铁酸锶作成的合成树脂编码器的曲线。磁通密度的测量是当编码器的外表面与霍耳传感器传感部分之间的空气气隙为0.036英寸时，在+20℃时作出的。

Claims (15)

1、一种编码器，其特征在于：具有一定厚度及宽度的一个可磁化体，及沿该可磁化体等距离地布置多个磁极对(MPP)，所述MPP在相邻极对间存在一极间距，所述极间距的取值范围从约0.010英寸至约0.050英寸的数值范围，每个所述MPP具有的参考磁通密度(Fr)的值，在距所述编码器表面0.036英寸的距离处、在约+20℃温度时是在约2高斯至约700高斯的范围中。
每个所述Fr值根据下式与极间距值的取值范围有关：
Fr=(K1)(X)-(K2)(140X2)+(K3)(7920X3)
式中：K1=158至1056高斯/英寸
K2=158至1056高斯/英寸2
K3=158至1056高斯/英寸3
X=相邻MPP之间的极间距，及
Fr为当K1，K2及K3数值相等时，在+20℃温度下的参考磁通密度范围(单位为高斯)。
2、根据权利要求1的一种编码器，其特征在于：所述温度在约摄氏-40°至约摄氏+200°的范围中变化，所述参考磁通密度（Fr）根据下式随温度变化：
Ft＝（Fr）｛1-（K4）（＾T）｝
式中：Fr为在20℃时的参考磁通密度（单位为高斯）;Ft为某一温度时的磁通密度;＾T为真实温度减去20℃的差;及K4为对于所述可磁化体的温度系数。
3、根据权利要求1的一种编码器，其特征在于：取所述厚度等于极间距的1.25倍使所述的磁化体的厚度优化，它相当于使可磁化体厚度在约0.0125英寸到约0.0625英寸的范围内取值。
4、根据权利要求3的一种编码器，其特征在于：所述厚度系数变化为+/-25%。
5、一种编码器，其特征在于：一可磁化体由铁酸锶及铁酸钡形成的材料组中的一种材料制成，其填充系数为33%，所述磁化体有一定厚度和宽度，沿该可磁化体等距离地布置多个磁极对（MPP），所述MPP的相邻极对间存在一极间距，所述极间距的取值范围约0.010英寸至约0.050英寸，每个所述MPP在距所述编码器表面0.036英寸的距离处，约+20℃温度时具有的磁通密度（Fr）的值，在约2高斯至约158高斯的范围内，所述每个Fr值根据下式与极间距值的取值范围相关：
Fr＝（K5）（X）-（K6）（140X2）+（K7）（7920X3）
式中：K5为158至230高斯/英寸;K6为158至230高斯/英寸2;K7为158至230高斯/英寸3;X为相邻MPP之间的极间距;及Fr为当K5，K6及K7数值相等时，在+20℃温度下，参考磁通密度的范围（单位为高斯）。
6、根据权利要求5的一种编码器，其特征还在于：所述温度在约-40℃至约+200℃的范围中变化，所述参考磁通密度（Fr）根据下式随温度变化：
Ft＝（Fr）｛1-（K8）（＾T）｝
式中：Fr为在20℃及填充系数为33%时的磁通密度;Ft为填充系数为33%时的特定温度下的磁通密度;＾T为真实温度减去20℃的差;及K8为对于铁酸锶或铁酸钡的温度系数（每摄氏度约为0.18%）。
7、根据权利要求6的一种编码器，其特征在于：所述特定温度的磁通密度（Ft）根据下式随填充系数变化：
F＝（K9/0.33）×（Ft）
式中：F为特定温度及填充系数时的磁通密度，及K9为铁酸锶或铁酸钡的真实填充系数。
8、根据权利要求5的一种编码器，其特征在于：取所述的可磁化体厚度等于极间距的1.25倍使其厚度优化，它相当于使该可磁化体厚度在约0.0125英寸到约0.0625英寸范围内。
9、根据权利要求8的一种编码器，其特征在于：所述厚度系数可在+/-25%内变化。
10、一种编码器，其特征在于：一环状体由铁酸锶及铁酸钡形成的材料组中的一种材料制成，其填充系数为33%，具有多个围绕在该环形体园周上布置的、在园周上隔开的磁极对（MPP），并且极间距为0.010英寸，所述编码器的外表面的直径在约0.50英寸至8.00英寸的范围中，每个所述的MPP在距所述编码器表面0.036英寸的距离处，约+20℃温度时具有的参考磁通密度（Fr）的值，在约2高斯至约158高斯的范围内，所述每个磁极密度值根据下式与极间距值的范围相关：
Fr＝（K5）（X）-（K6）（140X2）+（K7）（7920X3）
式中：K5为158至230高斯/英寸;K6为158至230高斯/英寸2;K7为158至230高斯/英寸3;X为相邻MPP之间的极间距;Fr为当K5，K6及K7数值相等时，在+20℃温度下的参考磁通密度范围（单位为高斯）;
及MPP数目＝（D）（T）/X，该式中D为编码器的直径。
11、根据权利要求10的一种编码器，其特征在于：所述温度在约-40℃至约+200℃的范围内变化，及所述参考磁通密度（Fr）根据下式随温度变化：
Ft＝（Fr）｛1-（K8）（＾T）｝
式中：Fr为在20℃及填充系数为33%时的磁通密度;Ft为填充系数为33%时的特定温度下的磁通密度;＾T为真实温度减去20℃之差;及K8为对于铁酸锶及铁酸钡的温度系数，该系数为每摄氏度0.18%。
12、根据权利要求11的一种编码器，其特征在于：所述特定温度时的磁通密度（Ft）根据下式随填充系数变化：
F＝（K9/0.33）×（Ft）
式中：F为特定温度及填充系数时的磁通密度，及K9为铁酸锶或铁酸钡的真实填充系数。
13、根据权利要求10的一种编码器，其特征在于：取所述的可磁化体厚度等于极间距的1.25倍使所述厚度优化，它相当于使该可磁化体厚度的取值范围约为0.0125英寸到约0.0625英寸。
14、根据权利要求13的一种编码器，其特征在于：所述厚度系数变化为+/-25%。
15、一种对轴承组件中的编码器的磁化方法，所述方法的特征在于具有下列步骤：
（a）研究具体应用的技术要求，以便确定为得到所需分辨率的磁极对数目，并确定哪种轴承构形最适于该具体应用;
（b）确定与用于该具体应用的该专门轴承构形相关的最大空气气隙;
（c）确定所需的阈值磁通密度，保证在最大空气隙的条件下，能使传感器开通与关断;
（d）确定哪种磁性材料能满足制造该编码器的要求，以致能在该编码器上布置足够数目的磁极对，每个磁极对具有精确的位置，并且其磁通密度至少等于上述步骤（c）所确定的值，以便能满足具体应用的高分辨率的要求;
（e）在由上述步骤（d）确定出的符合要求的磁性材料组中作出选择，以选出具有最好的成本效益的最佳的材料，并能满足该具体应用的性能要求;
（f）将在上述步骤（e）中选出的最佳材料制成的环形体磁化，使其至少满足该具体高分辨率的应用所需的磁极对数目，以致使每个磁极对的磁通密度至少等于在上述步骤（c）中确定的阈值。
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