CN110892619A - 具有内置光学编码器的轴向磁通电机 - Google Patents

Abstract

一种轴向磁通电机具有绕旋转轴线安装的转子。永磁体安装在所述转子的第一轴向面上，并且预定的编码器图案设置在所述转子的第二轴向面的表面上。定子位于所述转子的与所述转子的所述第一轴向面相邻的一侧。传感器安装在所述转子的与所述转子的所述第二轴向面相邻的另一侧。所述传感器输出与所述转子的所述第二轴向面的表面上的所述编码器图案相对应的信号。电机控制系统被耦接用于接收来自所述传感器的所述信号，并且基于来自所述传感器的所述信号来计算所述转子的旋转速度。另外，所述电机控制系统可以基于所述编码器图案来计算相对或绝对的转子位置信息。

Description

具有内置光学编码器的轴向磁通电机

技术领域

本申请涉及轴向磁通电机，尤其涉及具有外转子几何结构的轴向磁通电机。

背景技术

轴向磁通永磁体电机通常具有高扭矩密度(每单位体积的转矩额定值)，并且对于低速高扭矩应用(包括直接驱动)可能是有利的。然而，由于在位置反馈信号之间经过更多的时间，因此以低速控制电机可以证明比以高速控制电机更加困难。这通常意味着需要高分辨率位置反馈以促进控制。

通常，这是通过单独的光学编码器或类似设备完成的。作为后来安装在电机上的单独设备，光学编码器具有其自身的机械约束，这些机械约束可能会对整个电机/光学编码器组件施加新的设计约束。必须采取额外的考虑以正确对准。

因此，特别需要一种克服上述问题的经改进的轴向磁通电机。

发明内容

在第一方面，一种轴向磁通电机具有绕旋转轴线安装的转子。所述转子具有第一轴向面和第二轴向面。永磁体安装在所述第一轴向面上，并且预定的编码器图案在所述第二轴向面的表面上。所述电机还具有定子，所述定子位于所述转子的与所述转子的所述第一轴向面相邻的一侧。所述电机还具有传感器，所述传感器安装在所述转子的与所述转子的所述第二轴向面相邻的另一侧。所述传感器输出与所述转子的所述第二轴向面的表面上的所述编码器图案相对应的信号。所述电机还具有电机控制系统，所述电机控制系统被耦接用于接收来自所述传感器的所述信号。

在一个进一步的实施例中，所述预定的编码器图案是呈圆形的一系列等间隔的明暗表面，并且所述传感器是光学发射器-检测器对。所述电机控制系统可以基于来自所述传感器的所述信号来计算所述转子的旋转速度。仍进一步地，所述预定的编码器图案可以具有指示所述转子的参考位置的索引。所述电机控制系统可以基于来自所述传感器的所述信号来计算所述转子的旋转速度以及所述转子的相对位置。

在另一个进一步实施例中，所述预定的编码器图案是多个同心图案，所述多个同心图案被布置成提供输出代码，所述输出代码提供所述转子的绝对位置定位。所述传感器具有用于所述多个同心图案中的每一者的光学发射器-检测器对。所述电机控制系统可以基于来自所述传感器的所述信号来计算所述转子的旋转速度以及所述转子的绝对位置。仍进一步地，所述传感器具有用于向所述电机控制系统提供换向信号的光学发射器-检测器对。

在又另一个进一步实施例中，所述永磁体可以以海尔贝克(Halbach)阵列图案安装在所述转子的所述第一轴向面上。

在仍进一步的实施例中，所述电机具有第二转子，所述第二转子绕旋转轴线安装并且具有第一轴向面和第二轴向面。永磁体安装在所述第一轴向面上，并且预定的编码器图案在所述第二轴向面的表面上。所述电机还具有第二定子，所述第二定子位于所述第二转子的与所述第二转子的所述第一轴向面相邻的一侧。所述电机还具有第二传感器，所述第二传感器安装在所述第二转子的与所述转子的所述第二轴向面相邻的另一侧。所述第二传感器输出与所述第二转子的所述第二轴向面的表面上的所述编码器图案相对应的信号。所述电机控制系统还被耦接用于接收来自所述第二传感器的所述信号。

在第二方面，一种轴向磁通电机具有绕旋转轴线安装的转子。所述转子具有第一轴向面和第二轴向面。所述转子由永磁体形成并且具有在所述第二轴向面的表面上的预定的编码器图案。所述电机具有定子，所述定子位于所述转子的与所述转子的所述第一轴向面相邻的一侧。所述电机具有传感器，所述传感器安装在所述转子的与所述转子的所述第二轴向面相邻的另一侧。所述传感器输出与所述转子的所述第二轴向面的表面上的所述编码器图案相对应的信号。所述电机具有电机控制系统，所述电机控制系统被耦接用于接收来自所述传感器的所述信号。

在进一步的实施例中，所述电机具有绕旋转轴线安装的第二转子。所述第二转子具有第一轴向面和第二轴向面。所述第二转子由永磁体形成并且具有在所述第二轴向面的表面上的预定的编码器图案。所述电机具有第二定子，所述第二定子位于所述转子的与所述第二转子的所述第一轴向面相邻的一侧。所述电机具有第二传感器，所述第二传感器安装在所述第二转子的与所述转子的所述第二轴向面相邻的另一侧。所述第二传感器输出与所述第二转子的所述第二轴向面的表面上的所述编码器图案相对应的信号。所述电机控制系统还被耦接用于接收来自所述第二传感器的所述信号。

已经讨论的特征、功能和优点可以在各个实施例中独立地实现、或者可以在一些其他实施例中组合，其进一步的细节可以参考下面的描述和附图来看。

附图说明

结合附图将最好地理解通过示例给出且无意仅将本披露限制于此的以下详细描述，在附图中：

图1是根据本披露的一方面的具有内置增量式编码器的轴向磁通电机的实施例的等距视图；

图2是根据本披露的一方面的包括永磁体的转子盘的等距侧视图；

图3是根据本披露的一方面的包括海尔贝克阵列图案的光学编码器盘的等距侧视图；

图4是根据本披露的一方面的示出了附加转子编码器盘的轴向磁通电机的进一步实施例的等距视图；

图5是根据本披露的一方面的具有内置增量式编码器和索引的轴向磁通电机的实施例的等距视图；

图6是根据本披露的一方面的具有内置绝对式编码器的轴向磁通电机的第二实施例的等距视图；

图7是根据本披露的一方面的具有内置绝对式编码器和用于生成换向信号的附加发射器-检测器对的轴向磁通电机的第三实施例的等距视图；

图8是根据本披露的一方面的转子盘的详细等距视图；

图9是根据本披露的一方面的转子盘的前视图；

图10是根据本披露的一方面的具有增量式编码器、索引和换向图案的转子盘的前视图；

图11是根据本披露的一方面的轴向磁通电机的详细侧视截面视图；

图12是根据本披露的另一个进一步实施例的由固体永磁体材料形成的转子编码器盘的一部分的等距侧视图；并且

图13是根据本披露的一方面的用于轴向磁通电机的电机控制系统的框图。

具体实施方式

在本披露中，贯穿附图，相似的附图标记指代相似的元件，所述附图展示了本披露的各种示例性实施例。

本披露的所有实施例具有轴向磁通永磁体电机的通用元件，包括：(1)一个或多个定子；(2)一个或多个转子；(3)绕组；(4)一个或多个轴承；以及(5)电机壳体。轴向磁通永磁体电机中此类元件的操作是本领域技术人员已知的，并且因此在此不再详细描述。轴向磁通电机是一种通过磁场的相互作用产生旋转运动的设备，所述磁场主要平行于所述电机旋转轴线会聚。

简言之，根据本披露的一个实施例，一种轴向磁通电机包括：至少一个转子盘，所述至少一个转子盘耦接至可旋转轴；至少一个永磁体，所述至少一个永磁体由所述至少一个转子盘支撑；至少一个定子延伸部，所述至少一个定子延伸部平行于所述至少一个转子盘定位；至少两个模制铁极元件，所述至少两个模制铁极元件附接至所述至少一个定子延伸部并且面向所述至少一个永磁体；以及至少两个电线圈，每个电线圈缠绕在所述至少两个模制铁极元件中的相应一个模制铁极元件上。在所述至少一个转子盘的外侧(即，与定子相对的)面上设置有光反射表面和光吸收表面的图案。设置有至少一个光发射器/光检测器对，所述至少一个光发射器/光检测器对被相对定向并面向光反射和光吸收的图案，并且被锚定到电机壳的内表面。转子盘的光发射器/光检测器对和光吸收表面/光反射表面一起形成反射式光学编码器或转子编码器盘。

现在参考图1，示出了具有内置增量式编码器的轴向磁通电机20的实施例。为了清楚起见，未示出轴承轴、绕组(线圈)、和附加耦接转子。另外，在图1中也未示出光学发射器-检测器的安装和信号路由。轴向磁通电机20包括定子1，所述定子是环形的并且具有用于电线圈的槽2。电线圈(为清楚起见，未示出)被缠绕，使得在操作中产生平行于轴向磁通电机20的旋转轴线延伸的磁场。通过控制电线圈中流动的电流的方向和大小，使定子1中产生的磁场的图案旋转，从而在相邻的转子-编码器盘3中产生旋转。转子-编码器盘3(转子3)是环形的并且(如图2所示)容纳有永磁体4，所述永磁体与由定子1产生的磁场相互作用以产生旋转运动。永磁体4的磁场被会聚以平行于旋转轴线延伸。图2从其上安装有永磁体4的那一侧示出了转子盘3的等距视图。

在图3所示的可选实施例中，使用海尔贝克阵列来增强转子3'面对定子1的一侧的磁场，同时减弱转子3'的相反侧的磁场(其实际上不生成旋转)。特别地，在图3中，三种不同类型的磁体4-1、4-2、4-3和4-4以预定的图案围绕转子-编码器盘3'部署，以将磁场强度几乎全部会聚在转子-编码器盘3'面向定子1的那一侧上。图3所示的示例是具有海尔贝克阵列的八极转子，其中每个永磁体具有预定的磁场方向。可以利用任意数量的极(带有或不带有海尔贝克阵列)以适合期望的应用。

如图4所示，转子编码器盘3(或转子编码器盘3')通过结构构件7耦接至轴6。如以下所讨论的，图4还示出了具有附加转子编码器盘8的进一步的实施例。

如图1、图5、图6和图7的不同实施例所示，转子-编码器盘3包括光吸收表面9和光反射表面10的图案，所述图案内置在转子-编码器盘3的背离定子1的表面中。光吸收表面9和光反射表面10形成包括反射光学编码器图案(即，编码器图案)的同心图案。在图1中，由光学发射器-检测器对11形成的传感器直接安装成与转子编码器盘3上的反射编码器图案相对，以发射光并检测所发射的光是被反射(由反射表面)还是被吸收(由光吸收表面)。发射器-检测器对11被安装成相对于转子-编码器盘3固定，使得随着转子-编码器盘3旋转，发射器-检测器对11生成与在转子-编码器盘3上编码的编码器图案相对应的电信号。

在图1中，使用增量式编码器图案15来提供旋转速度反馈。增量式编码器图案15具有相等尺寸的光吸收表面9和光反射表面10的交替的高分辨率图案。从光吸收表面9到反射表面10(反之亦然)的每次改变会引起提供给电机控制系统(未示出)的数字信号的增量阶跃。随着转子-编码器盘3旋转，从光学发射器-检测器对11产生数字信号，所述数字信号具有与旋转速度成比例的频率。

图5示出了具有增量式编码器图案16的实施例，所述增量式编码器图案在转子-编码器盘30上的特定预定义位置处具有添加的索引12。电机控制系统使用由索引12引起的信号突变来标识参考位置。然后，电机控制系统可以对由增量式编码器图案产生的数字信号进行计数，以确定相对于所述参考位置的实际位置。在进一步的实施例中，光学发射器-检测器对12可以包括用于确定旋转方向和/或索引的存在的附加检测器，所述附加检测器可以为某些应用提供添加的功能(例如，在机器人学或计算机数控应用中从电机的参考位置开始对匝数进行计数)。

图6示出了具有用于速度反馈和绝对位置反馈的绝对式编码器图案17的转子3”的实施例。绝对式编码器图案17由光吸收表面9和反射表面10的多个同心图案组成，其中，每个同心图案表示在表示转子位置的代码中的一位。在转子-编码器盘行程的某个角度上，每个离散位置都有唯一的代码。在图6中的示例中，整个360度上的每个位置都有唯一的代码，精确度为360/(2⁷)或2.8125度。然而，一些应用可能只需要在旋转的一小部分(例如，30度)上的绝对位置。对于这样的应用，每个同心圆中的图案50、51、52、53、54、55、56可以每30度重复一次。绝对式编码器图案被设计为使得在相邻位置之间仅有一位改变(即，格雷码)。发射器-检测器对60、61、62、63、64、65、66被安装成与每个同心图案50、51、52、53、54、55、56相对，以各自生成位置代码的一位。光学发射器-检测器对60、61、62、63、64、65、66可以各自以设定角度定位在定子上的期望点之前或之后，以便添加有意的相位超前或滞后以用于控制目的。另外，光学发射器-检测器对60、61、62、63、64、65、66可以以360电角度的倍数定位在期望点之前或之后，以便适合应用(例如，以适合可用空间中的所有发射器-检测器)而无需添加相位超前或滞后。所有位一起生成位置代码。然后，从光学发射器-检测器对60、61、62、63、64、65、66接收信号的电机控制系统可以使用这个绝对位置来确定速度。这个绝对位置实施例的另一个好处是所述位置始终是已知的，这与采用具有索引的增量式编码器的实施例(图5)的情况相反，因为转子-编码器盘必须到达参考点之后才能确定位置。所利用的同心图案的数量和相应的光学发射器-检测器的数量确定了用于电机控制系统的位置信号中的可用位数以及所述位置信号的分辨率。在图3所描绘的示例中，存在七个同心圆，并且因此存在七个位，然而，位数是任意的并且可以被选择为适合应用。

图7示出了具有绝对式编码器图案18的转子3”'的实施例，所述绝对式编码器图案具有添加的光学发射器-检测器对63、63b、63c，以基于所述绝对式编码器图案中的同心环之一中包括的信息来提供换向信号。附加光学发射器-检测器对63、63b、63c被放置成与同心图案53相对，其中，每个反射表面或光吸收表面所覆盖的角度等于两个转子极之间的角度或180电角度。在图7中的示例中，角度为45机械度。三个光学发射器-检测器对63、63b、63c以0+l*360、120+m*360的电角度和240+n*360的电角度放置，其中，l、m和n为小于转子极数除以2的正整数。这三个发射器-检测器对63、63b和63c一起生成使电机控制系统执行120度换向的信号。在这种情况下，发射器-检测器对63也兼作为绝对式编码器位置的一位。在图8和图9中更清楚地描述了本实施例中的光学发射器-检测器63、63b、63c的间隔。这种布置类似于在其他类型的电机中用于生成用于120度电机换向的信号的霍尔效应(Halleffect)传感器。可替代地，当期望60度电机换向时，可以将这三个光学发射器-检测器63、63b、63c以0+l*360、60+m*360和120+n*360的分离度放置。

图10示出了具有增量式编码器图案15、可选的索引12和换向图案53的转子3””的替代性实施例。三个光学发射器-检测器对63、63b和63c均与上面的描述类似地隔开，以便在具有或不具有索引12的情况下为增量式编码器提供类似的换向功能。

图11示出了定子1、转子编码器盘3和若干光学发射器-检测器对60、61、62、63、64、65、66的详细截面视图。光学发射器-检测器对60、61、62、63、64、65、66的安装取决于光学发射器-检测器对设备的信号引线类型、尺寸和结构。图11所示的示例使用附接至电路板13的表面安装发射器-检测器对。电路板13附接至电机壳体(未示出)，而光学发射器-检测器对的信号引线(未示出)则通过适当的连接器和电缆路由到电机控制系统。

图4示出了替代性实施例，其中，利用附加转子编码器盘8来为附加同心图案80、81、82、83、84提供相应的光学发射器-检测器对90、91、92、93、94，从而向整体位置信号提供附加位。这提高了这两个转子3、8之间的整体位置信号的分辨率。图4所示的两个转子编码器盘都耦接至同一个轴6。这两个转子均提供扭矩并一起旋转。除了图4所示的这两个对以外，还可以将附加的转子编码器盘和定子用于需要添加的扭矩和进一步提高的位置分辨率的应用。

图12示出了转子编码器盘100的可选实施例的截面，其中，盘100本身是具有在制造期间产生的期望磁通量布置的固体永磁体。这个永磁体材料的固体盘100具有通常通过电镀涂敷的多个涂层。在本实施例中，位于表面101正下方的涂层是导电且光反射的材料，而最顶层的涂层102是适用于一种或多种制造方法的光吸收材料：通过电镀进行涂敷，和/或通过电化学腐蚀或精密机加工去除。盘100上的编码器图案110是在制造期间通过控制最外层涂层的沉积和去除、以在转子编码器盘的一个表面上以期望的图案留下光吸收材料所形成的。未示出的另一个实施例是类似的，除了最顶层是光反射材料并且底层是光吸收材料之外。

现在参考图13，框图示出了耦接至轴向磁通电机传感器202(即，在以上披露的各个实施例中示出的光学发射器-检测器对)的电机控制系统201。电机控制系统接收来自轴向磁通电机传感器202的信号，并且如本文所讨论的基于所述信号来计算旋转速度、参考位置、绝对位置和换向信号中的一个或多个。

虽然已经参考优选实施例及其各个方面具体示出并描述了本披露，但是本领域普通技术人员将理解，可以在不脱离本披露的精神和范围的情况下进行各种改变和修改。意图将所附权利要求解释为包括本文所描述的实施例、上述提及的替代方案及其所有等同形式。

Claims (21)

1.一种轴向磁通电机，包括：

转子，所述转子绕旋转轴线安装并且包括第一轴向面、第二轴向面和永磁体，所述转子具有在所述第二轴向面的表面上的预定的编码器图案；

定子，所述定子位于所述转子的与所述转子的所述第一轴向面相邻的一侧；

传感器，所述传感器安装在所述转子的与所述转子的所述第二轴向面相邻的另一侧，所述传感器输出与所述转子的所述第二轴向面的表面上的所述编码器图案相对应的信号；以及

电机控制系统，所述电机控制系统被耦接用于接收来自所述传感器的所述信号。

2.如权利要求1所述的电机，其中，所述永磁体安装在所述第一轴向面上。

3.如权利要求2所述的电机，其中，所述预定的编码器图案包括呈圆形的一系列等间隔的明暗表面，并且其中，所述传感器包括光学发射器-检测器对。

4.如权利要求3所述的电机，其中，所述电机控制系统基于来自所述传感器的所述信号来计算所述转子的旋转速度。

5.如权利要求3所述的电机，其中，所述预定的编码器图案进一步包括指示所述转子的参考位置的索引。

6.如权利要求5所述的电机，其中，所述电机控制系统基于来自所述传感器的所述信号来计算所述转子的旋转速度以及所述转子的相对位置。

7.如权利要求2所述的电机，其中，所述预定的编码器图案包括多个同心图案，所述多个同心图案被布置成提供输出代码，所述输出代码提供所述转子的绝对位置定位，并且其中，所述传感器包括用于所述多个同心图案中的每一者的光学发射器-检测器对。

8.如权利要求7所述的电机，其中，所述电机控制系统基于来自所述传感器的所述信号来计算所述转子的旋转速度以及所述转子的绝对位置。

9.如权利要求7所述的电机，其中，所述传感器进一步包括用于向所述电机控制系统提供换向信号的光学发射器-检测器对。

10.如权利要求2所述的电机，其中，所述永磁体以海尔贝克阵列图案安装在所述转子的所述第一轴向面上。

11.如权利要求2所述的电机，进一步包括：

第二转子，所述第二转子绕旋转轴线安装，所述转子包括第一轴向面和第二轴向面、并且具有安装在所述第一轴向面上的永磁体以及在所述第二轴向面的表面上的预定的编码器图案；

第二定子，所述第二定子位于所述第二转子的与所述第二转子的所述第一轴向面相邻的一侧；

第二传感器，所述第二传感器安装在所述第二转子的与所述转子的所述第二轴向面相邻的另一侧，所述第二传感器输出与所述第二转子的所述第二轴向面的表面上的所述编码器图案相对应的信号；并且

其中，所述电机控制系统被耦接用于接收来自所述第二传感器的所述信号。

12.如权利要求1所述的电机，其中，所述转子由永磁体形成。

13.如权利要求12所述的电机，其中，所述预定的编码器图案包括呈圆形的一系列等间隔的明暗表面，并且其中，所述传感器包括光学发射器-检测器对。

14.如权利要求13所述的电机，其中，所述电机控制系统基于来自所述传感器的所述信号来计算所述转子的旋转速度。

15.如权利要求12所述的电机，其中，所述预定的编码器图案进一步包括指示所述转子的参考位置的索引。

16.如权利要求15所述的电机，其中，所述电机控制系统基于来自所述传感器的所述信号来计算所述转子的旋转速度以及所述转子的相对位置。

17.如权利要求12所述的电机，其中，所述预定的编码器图案包括多个同心图案，所述多个同心图案被布置成提供输出代码，所述输出代码提供所述转子的绝对位置定位，并且其中，所述传感器包括用于所述多个同心图案中的每一者的光学发射器-检测器对。

18.如权利要求17所述的电机，其中，所述电机控制系统基于来自所述传感器的所述信号来计算所述转子的旋转速度以及所述转子的绝对位置。

19.如权利要求17所述的电机，其中，所述传感器进一步包括用于向所述电机控制系统提供换向信号的光学发射器-检测器对。

20.如权利要求12所述的电机，其中，所述永磁体以海尔贝克阵列图案安装在所述转子的所述第一轴向面上。

21.如权利要求12所述的电机，进一步包括：

第二转子，所述第二转子绕旋转轴线安装并且包括第一轴向面和第二轴向面，所述第二转子由永磁体形成并且具有在所述第二轴向面的表面上的预定的编码器图案；

第二定子，所述第二定子位于所述第二转子的与所述第二转子的所述第一轴向面相邻的一侧；

第二传感器，所述第二传感器安装在所述第二转子的与所述转子的所述第二轴向面相邻的另一侧，所述第二传感器输出与所述第二转子的所述第二轴向面的表面上的所述编码器图案相对应的信号；并且

其中，所述电机控制系统被耦接用于接收来自所述第二传感器的所述信号。

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