CN110779558A

CN110779558A - 轴面切槽式光电位置传感器

Info

Publication number: CN110779558A
Application number: CN201911257775.6A
Authority: CN
Inventors: 高建波; 关胜; 张凌云
Original assignee: Beijing Gaoboyun Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2020-02-11

Abstract

本发明提供了一种轴面切槽式光电位置传感器。该技术方案在电机轴的侧端人为切削形成凹槽结构，当光电发射器的射线射入切槽时，切槽内壁将其反射到其他位置，使其无法达到光电接收器；在轴体侧端，除切槽之外剩余的部分为表面，其为轴体既有的光滑弧面，当射线射向所述表面时，光滑的表面将其反射到特定位置的光电接收器中；基于这种原理，由于切槽和表面相互间隔，因此光电接收器接收到的信号会交替出现，进而根据电信号的变化情况判断转轴位置。本发明不仅实现了对转轴位置的精准监测，而且无需在高速电机转子上附加机械设备，因此不会影响其既有的转动平衡；同时，本发明避免涂覆吸光材料，从而克服了因涂覆材料不稳定所带来的种种问题。

Description

轴面切槽式光电位置传感器

技术领域

本发明涉及转子位置传感器技术领域，具体涉及一种轴面切槽式光电位置传感器。

背景技术

近年来，高速电机的应用日趋广泛。在高速电机的运过程中，由于转子处于高速旋转状态，因此转子的少量偏心即可引起剧烈振动，容易损坏电机和相连的设备；因此，高速电机对转子的偏心度要求很高。在这种情况下，现有技术通过转子位置传感器来实时监测转子位置，以及时发现转子的偏心现象。

目前有多种传感器可以使用，其中光电编码器、磁电编码器、和旋转变压器类型的位置传感器应用比较广泛。此类传感器分辨率高、精度高、价格也高。高速电机常用低分辨率的光电和霍尔开关式传感器。霍尔传感器在转子上固定永磁体，定子或机壳上固定霍尔元件。转子转动时，穿过霍尔元件的磁场变化转变为交替变化的电信号，用来指示转子位置。光电式传感器有不同形式。比较常见的是在电机转子上固定遮光叶轮，定子上固定发光和感光元件。转子带动叶轮旋转交替遮光和透光，使得感光元件发出交替变化的光电流。电子电路通过对光电流的检测可以判断转子位置。

上述位置传感器有些不能用于高速旋转情况，例如高分辨率传感器。并且，无论采用上述何种传感器，都要在高速电机转子上附加机械设备。这会增加转子的偏心误差，加剧转动时的振动。针对此类问题，部分研究者提出了利用轴面光反射原理进行转子位置检测的传感器(公开号CN207069826U、CN207816298U)。该技术方案虽然克服了传感器引入偏心误差的问题，但要求在轴侧面或端面制作非反射区域。

然而，在现有技术的基础上，非反射表面只能通过附加吸光材料的方法产生。吸光材料的涂敷要求物体表面清洁，涂敷过程要求精度高，并且涂敷表面非常敏感，机械强度低，在零件后续加工和设备安装过程中容易损坏。此外，由于电机运行时产生高温，涂敷材料常为有机材料，在高温下容易变色或脱落，导致吸光性能的丧失或减弱。另外，电机运行过程中的温度升降变化和高频振动也会导致附加材料脱落。不仅脱落后的碎屑会损伤传感器元器件，而且原非反射表面会变成反射表面，使得传感器产生的信号发生畸变，失去位置检测功能。

发明内容

本发明旨在针对现有技术的技术缺陷，提供一种轴面切槽式光电位置传感器，以解决现有技术中常规转子位置传感器需要在高速电机转子上附加机械设备，因而容易加剧偏心误差的技术问题。

本发明要解决的另一技术问题是，利用轴面光反射原理进行转子位置检测的传感器，如何避免涂覆吸光材料。

为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

轴面切槽式光电位置传感器，包括轴体，表面，切槽，光电发射器，光电接收器，其中，在轴体的侧端具有若干切槽，切槽将轴体的侧端分隔为若干表面，表面与切槽相互间隔；光电发射器的射线投射在轴体的侧端，光电接收器用于接收来自光电发射器的射线。

作为优选，光电发射器的射线投射在表面上，该射线经表面反射后到达光电接收器。

作为优选，光电发射器的射线投射在切槽中，该射线不达到光电接收器。

作为优选，所述切槽为V型槽。

作为优选，该V型槽的夹角不大于90°。

作为优选，表面和切槽各有4个，所述光电发射器有3个，所述光电接收器有3个；3个光电发射器的射线在轴体一个横截面上的投影，三者两两夹120°角；3个光电发射器的射线在轴体一个横截面上的投影，三者相交于该横截面的圆心处。

作为优选，表面和切槽各有4个，所述光电发射器有2个，所述光电接收器有2个；2个光电发射器的射线在轴体一个横截面上的投影，二者夹45°角；2个光电发射器的射线在轴体一个横截面上的投影，二者相交于该横截面的圆心处。

作为优选，其中轴体安装于电机中，在所述电机的内表面覆盖有吸光材料。

在以上技术方案中，轴体即电机轴的本体结构，属于电机的常规组成部分；切槽为轴体侧端、人为切削形成的凹槽结构，当光电发射器的射线射入切槽时，切槽内壁将其反射到其他位置，使其无法达到光电接收器；在轴体侧端，除切槽之外剩余的部分为表面，其为轴体既有的光滑弧面，当光电发射器的射线射向所述表面时，光滑的表面将其反射到特定位置的光电接收器中；基于这种原理，由于切槽和表面相互间隔，因此光电接收器接收到的信号会交替出现，进而根据电信号的变化情况判断转轴位置。本发明不仅实现了对转轴位置的精准监测，而且无需在高速电机转子上附加机械设备，因此不会影响其既有的转动平衡；同时，本发明避免涂覆吸光材料，从而克服了因涂覆材料不稳定所带来的种种问题。

本发明提供了一种轴面切槽式光电位置传感器。该技术方案在不需要反射光的区域通过开设切槽来制造偏转反射表面。此偏转反射表面可以将光电发射器发出的光线反射到其它区域，避开光电接收器。该切槽可设计为截面呈“V字型”的V型槽。其中轴体是电机轴的一段，轴的表面光滑反光。轴的表面沿轴向切若干个切槽，切槽中间的一段切面为平面。切槽表面可反光也可不反光，其反光性对传感器性能影响很小。在轴旁的定子上安装光电发射器和光电接收器，光电发射器发出的光照射到轴光滑表面上时(不照射到切槽上)，光线反射后可到达光电接收器。当轴旋转到切槽区域位于光电发射器和光电接收器下面时，光电发射器发出的光被切槽表面反射到其它位置，不到达光电接收器，或者经过多次反射后变为微弱的漫反射光进入光电接收器，使得光电接收器在这种转子位置下接收到的光非常微弱，从而可以明确判断出转子位于切槽位置。

本发明在旋转轴圆周面纵向切槽，与未切槽区域交替出现，形成旋转位置传感器的转动部分。切槽区域对来自光电发射器的光线进行反射偏折，避免光线反射到光电接收器中；非切槽区域对光线进行反射，进入光电接收器。光电发射器持续发光，当转轴旋转时，进入光电接收器的光交替出现，从而产生交替出现的电信号。根据电信号的变化情况可判断转轴位置。

为了保证切槽区域位于光电发射器和光电接收器下方时发电发射器发出的光线经反射后远离光电接收器，切槽应有足够深度，或者说切槽两侧平面的夹角α较小。角度小于90度较为稳妥。此外为了减少漫反射光，电机内部空间表面可整体覆盖吸光颜料。

在上面介绍的原理基础上，可以通过将光电发射器和接收器进行不同的布置而得到不同性能的位置传感器。

本发明提出采用旋转轴表面纵向切V型槽的方法使光电发射器发出的光被切槽表面反射偏转，不进入光电接收器，从而避免了现有轴面反射光电编码器采用附加材料产生不反射光线区域的方法导致附加材料容易脱落的问题。从而提高了轴面反射光电位置传感器的可靠性和寿命。

实际上，槽表面的反光性对传感器性能没有影响，可以有很好的反光性能也可以有很差的反光性能。

并且，这种方法利用机加工方法实现切槽，加工简单、成本低，加工后的结构牢固可靠，安装过程中的少量磕碰不会影响传感器性能。

而且，这种方法不需要在转轴上附加额外零部件而影响高速旋转设备的偏心度，从而可以简化产品调试工序，提高产品性能，增加良品率。

另外，本发明提出了采用该方法实现实际位置传感器系统的几种实例。采用此方法的传感器可以随着转子位置不同而在光电接收器产生交替变化的多个电信号，并且能根据信号相位关系判断转轴旋转方向。

附图说明

图1是图2中A-A处的截面图；

图2是当光电发射器的射线投射至轴体表面时，本发明的主视图；

图3是当光电发射器的射线投射至切槽中时，本发明一个位置的横截面图；

图4是图3中B-B处的截面图；

图5是本发明实施例1的检测原理图；

图6是本发明实施例1的电学连接关系图；

图7是本发明实施例1的检测信号图；

图8是本发明实施例2的检测原理图；

图9是本发明实施例2的检测信号图；

图中：

1、轴体 2、表面 3、切槽 4、光电发射器

5、光电接收器 6、第二光电发射器 7、第二光电接收器 8、第三光电发射器

9、第三光电接收器

具体实施方式

以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。以下实施例中所使用的近似性语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。除有定义外，以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。

实施例1

如图5所示，轴面沿圆周方向均匀切4个槽，反射面和切槽的圆周长度相等，三对光电发射器和光电接收器按图中方式均匀分布在轴外圆周上。

按上图所显示的转子位置，光电发射器4发出的光线被轴面反射后到达光电接收器5；第二光电发射器6和第三光电发射器8发出的光进入切槽，被槽面反射，未能到达第二光电接收器7和第三光电接收器9。

三对光电发射器和光电接收器与电子电路相连，进行信号处理。整个传感器电路结构图6所示。

在电机转子旋转时，三个光电接收器收到的光信号如图7曲线所示。其中高电平表示有光，低电平表示无光。

光电转换电路可将上述光信号转换为电信号进行输出。后续电路可利用输出的电信号计算转子位置。在上述传感器的示例中，电机每旋转一周，传感器输出4次相同的信号。转子反转时，上述信号高低电平变化顺序相反。

实施例2

如图8所示，轴面沿圆周方向均匀切4个槽，反射面和切槽的圆周长度相等。定子上按下图中方式在外圆周上布置两对光电发射器和光电接收器。

按上图所显示的转子位置，光电发射器4发出的光线被轴面反射后到达光电接收器5；第二光电发射器6发出的光进入切槽，被槽面反射，未能到达第二光电接收器7。

两对光电发射器和光电接收器与电子电路相连，进行信号处理。在电机转子旋转时，两个光电接收器收到的光信号如图9曲线所示：

光电转换电路可将上述光信号转换为电信号进行输出。后续电路可利用输出的电信号计算转子位置。在上述传感器的实现示例中，电机每旋转一周，传感器输出4次相同的信号。转子反转时，上述信号高低电平变化顺序相反。

此外，在实际应用中，在不违反本发明基本原理及结构特征的前提下，可在槽数、槽型、槽深、光电发射器及光电接收器数量和空间布置等方面加以调整，以满足实际需求，而无需局限于以上实施例所给出的具体情形。

另外，以上实施例及附图中显示的切槽均为两侧壁为平面的V型槽。若采用其它槽型(例如曲面槽)则仍可实现本发明，尽管这种替代方法一是加工困难，二是曲面设计复杂，三是技术效果可能不如前文提出的方法。但是，本发明的核心思想是采用切槽的方法使得照射到旋转轴表面的光线发生反射偏折，避免进入光电接收器。因此，采用其它表面形式的切槽仍然属于本发明的范围。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.轴面切槽式光电位置传感器，其特征在于包括轴体(1)，表面(2)，切槽(3)，光电发射器(4)，光电接收器(5)，其中，在轴体(1)的侧端具有若干切槽(3)，切槽(3)将轴体(1)的侧端分隔为若干表面(2)，表面(2)与切槽(3)相互间隔；光电发射器(4)的射线投射在轴体(1)的侧端，光电接收器(5)用于接收来自光电发射器(4)的射线。

2.根据权利要求1所述的轴面切槽式光电位置传感器，其特征在于光电发射器(4)的射线投射在表面(2)上，该射线经表面(2)反射后到达光电接收器(5)。

3.根据权利要求1所述的轴面切槽式光电位置传感器，其特征在于光电发射器(4)的射线投射在切槽(3)中，该射线不达到光电接收器(5)。

4.根据权利要求1所述的轴面切槽式光电位置传感器，其特征在于所述切槽(3)为V型槽。

5.根据权利要求4所述的轴面切槽式光电位置传感器，其特征在于该V型槽的夹角不大于90°。

6.根据权利要求1所述的轴面切槽式光电位置传感器，其特征在于，表面(2)和切槽(3)各有4个，所述光电发射器(4)有3个，所述光电接收器(5)有3个；3个光电发射器(4)的射线在轴体(1)一个横截面上的投影，三者两两夹120°角；3个光电发射器(4)的射线在轴体(1)一个横截面上的投影，三者相交于该横截面的圆心处。

7.根据权利要求1所述的轴面切槽式光电位置传感器，其特征在于，表面(2)和切槽(3)各有4个，所述光电发射器(4)有2个，所述光电接收器(5)有2个；2个光电发射器(4)的射线在轴体(1)一个横截面上的投影，二者夹45°角；2个光电发射器(4)的射线在轴体(1)一个横截面上的投影，二者相交于该横截面的圆心处。

8.根据权利要求1所述的轴面切槽式光电位置传感器，其中轴体(1)安装于电机中，其特征在于，在所述电机的内表面覆盖有吸光材料。