CN111141316A - 磁编码器模块、磁编码器以及伺服电机 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种磁编码器模块、磁编码器以及伺服电机，所述磁编码器模块包括磁场检测芯片和相对所述磁场检测芯片旋转的永磁体，和所述磁场检测芯片用于检测磁通变化，所述永磁体具有第一表面；所述磁场检测芯片正对所述第一表面的中心；其特征在于，所述永磁体的第一表面的中心位置开设有磁通短路区域，用以降低所述磁场检测芯片处的磁力线曲率。本发明实施例可有效抑制因磁编码器模块安装偏心等导致的永磁体构件与磁场检测芯片不平行对检测精度的影响，提高磁编码器模块安装的容差。
Description
技术领域
本发明实施例涉及编码器领域，更具体地说，涉及一种磁编码器模块、磁编码器以及伺服电机。
背景技术
如图1所示，在现有伺服电机用磁编码器中，通常采用一对极圆柱形永磁体(也可使用两块矩形磁体或由两个半圆形柱状磁体拼接而成的圆柱形永磁体代替)11跟随电机转子旋转，以产生N、S交变磁场。在磁场正上方的N、S交界处安装磁场检测芯片12，磁场检测芯片12的可集成有用于检测人磁通变化的传感器(例如霍尔传感器)，并通过传感器将磁场信号转换为位置信号。
然而，在上述一对极圆柱形永磁体11跟随电机转子同步旋转时，其上方的N、S交变磁场在磁场检测芯片12不同位置处的平行磁场分量变化较大，在解码时易出现误差，从而导致磁编码器的精度降低。
并且，如图2所示，当一对极圆柱形永磁体11与磁场检测芯片12实际安装过程中出现物理不平行等非理想因素，会造成磁场检测芯片12不同位置处的平行磁场分量变化进一步增大，进一步降低了磁编码器的精度。
此外，如图3所示，距离一对极圆柱形永磁体11的表面的越近，磁力线的曲率越大，其中X方向垂直于一对极圆柱形永磁体11的表面。因此当磁场检测芯片12与一对极圆柱形永磁体11之间的物理气隙距离缩短后，在磁场检测芯片12处的磁力线曲率增大，导致平行磁场分量变化进一步增大，精度进一步降低，从而限制了磁编码器的体积的缩小，限制了执行部件(如伺服电机)功率密度的提高。
发明内容
本发明实施例针对上述磁编码器中永磁体产生的交变磁场在磁场检测芯片不同位置处的平行磁场分量变化较大的问题，提供一种磁编码器模块、磁编码器以及伺服电机。
本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供包括一种磁编码器模块，包括磁场检测芯片和相对所述磁场检测芯片旋转的永磁体，和所述磁场检测芯片用于检测磁通变化，所述永磁体具有第一表面；所述磁场检测芯片正对所述第一表面的中心；所述永磁体的第一表面的中心位置开设有磁通短路区域，用以降低所述磁场检测芯片处的磁力线曲率。
优选地，所述磁通短路区域为形成于所述第一表面并向所述永磁体内部方向延伸的凹槽。
优选地，所述永磁体呈圆柱型，所述磁场检测芯片包括用于将平行于所述第一表面的磁通密度的变化量转换为电信号的传感器。
优选地，所述凹槽呈圆柱型，且所述凹槽的中心与所述永磁体的中心重合。
优选地，所述凹槽的半径为所述永磁体的半径的10％-20％，所述凹槽的深度大于或等于所述永磁体的高度的15％。
优选地，所述凹槽呈圆台形，所述凹槽与所述永磁体的中心重合，且所述凹槽的开口的半径小于所述凹槽的底壁的半径。
优选地，所述磁场检测芯片与所述第一表面之间的距离为0.3-0.5mm。
优选地，所述凹槽内填充有导磁材料。
本发明实施例还提供一种磁编码器，包括外壳、转轴以及如上所述的磁编码器模块，且所述永磁体由所述转轴带动转动，所述永磁体的第二表面朝向所述转轴，所述第二表面和第一表面分别位于所述永磁体的两侧。
本发明实施例还提供一种伺服电机，包括电机轴，包括如上所述的磁编码器模块，且所述永磁体由所述电机轴带动转动，所述永磁体的第二表面朝向所述电机轴，所述第二表面和第一表面分别位于所述永磁体的两侧。
本发明实施例的磁编码器模块、磁编码器以及伺服电机，通过在永磁体的中心增加磁通短路区域，使得在永磁体上方，即第一表面上方从N到S极磁力线的曲率平滑，也即使得可在满足通过磁场检测芯片的磁场的水平分量最低精度要求的情况下，减小磁场检测芯片与永磁体之间的间隙，能够缩短轴向的尺寸，同样地，能够有效抑制因磁编码器模块安装偏心等导致的永磁体与磁场检测芯片不平行对检测精度的影响，提高磁编码器模块安装的容差。
附图说明
图1是现有磁编码器中永磁体与磁场感应芯片的结构示意图；
图2是现有磁编码器中永磁体与磁场感应芯片不平行安装时的结构示意图；
图3是永磁体表面不同位置处的磁力线的示意图；
图4是本发明实施例提供的磁编码器模块的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的磁编码器模块中，永磁体的第一表面的凹槽的半径及深度与磁通密度幅值的关系示意图；
图6是本发明实施例提供的磁编码器模块中，永磁体的第一表面的凹槽的半径及深度与磁通密度变化量的关系示意图；
图7是本发明实施例提供的磁编码器模块与现有磁编码器在磁场检测芯片位置处沿平行于第一表面方向的磁通密度变化量的曲线图；
图8是本发明另一实施例提供的磁编码器模块的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图4所示，是本发明磁编码器模块实施例的示意图，该磁编码器模块可应用于伺服电机或单独的磁编码器，并用于获取电机转子的位置和转速等信息。本实施例的磁编码器模块包括永磁体41及磁场检测芯片42，永磁体41与磁场检测芯片42相邻设置，且永磁体41可相对于磁场检测芯片42旋转。
上述永磁体41可由偶数个磁块(该偶数个磁块具有相同的形状和尺寸)拼接而成，且相邻的磁块的极性朝向相反(例如图4所示的左侧的磁块的N极朝上，右侧的磁块S极朝上)，即永磁体41既可以包括一个磁极对，也可以包括多个磁极对。
具体地，该永磁体41包括背向设置的第一表面和第二表面(第一表面和第二表面相互平行)，例如第一表面位于永磁体41的上方，第二表面位于永磁体41的下方，且该永磁体41可通过上述第二表面固定到转轴端部的旋转中心，并由转轴带动做回转运动。磁场检测芯片42可用于检测磁通变化，且该磁场检测芯片42正对永磁体41的第一表面的中心设置。永磁体41的第一表面的中心位置开设有磁通短路区域，并通过该磁通短路区域降低磁场检测芯片42处的磁力线曲率。具体地，为保证旋转平稳，上述磁通短路区域的中心可与永磁体41的中心重合。
在永磁体41随转轴同步旋转时，磁场检测芯片42用以检测磁块所产生的平行于第一表面的磁场变化量，通过在永磁体41的中心增加磁通短路区域，使得在永磁体41上方，即第一表面上方从N到S极磁力线的曲率平滑，也即使得可在满足通过磁场检测芯片42的磁场的水平分量最低精度要求的情况下，减小磁场检测芯片42与永磁体41之间的间隙，缩短轴向的尺寸，同时有效抑制因磁编码器模块安装偏心等导致的永磁体41与磁场检测芯片42不平行对检测精度的影响，提高磁编码器模块安装的容差。
上述磁通短路区域可以为形成于永磁体41的第一表面并向永磁体41内部方向延伸的凹槽411。为使跟随转轴旋转时保持平稳，上述永磁体41整体可以呈圆柱形，即永磁体41的横截面为圆形。
在本发明的一个实施例中，上述磁场检测芯片42可包括传感器(集成在磁场检测芯片42内部)，并通过上述传感器将平行于永磁体41的第一表面的磁通密度的变化量转换为电信号，从而磁场检测芯片42及后续电路可根据该电信号转换为磁编位置。
在本发明的另一实施例中，永磁体41具体可由两个分别呈半圆柱形的磁块(即两个磁块的横截面分别呈半圆形)拼接而成，即永磁体41包括一个磁极对。相应地，上述凹槽411也可为呈圆柱形，且该凹槽411的中心与永磁体41的中心重合。由于永磁体41和凹槽411分别呈中心对称形状，因此在其旋转时具有更好地平衡性，对转轴旋转影响较小。
如图5所示，是永磁体41上的凹槽411的半径(即沿平行于第一表面方向的尺寸)和深度(即垂直于第一表面方向的尺寸)对第一表面上方的磁通密度的影响的示意图(永磁体41及凹槽411分别为圆柱形)。如图6所示，是本发明实施例提供的磁编码器模块中，永磁体41的第一表面的凹槽411的半径及深度与磁通密度变化量的关系示意图。由图5和图6可知，随着凹槽411半径的增加，沿平行于第一表面的磁通密度及磁通密度变化量逐渐减小，且随着凹槽411的深度的增加，沿平行于第一表面的磁通密度及磁通密度变化量逐渐减小。
由图5、6可知，理论上，凹槽411的半径越大越好，凹槽411的深度越大越好。然而，为保证磁场检测芯片位置处的磁通密度在传感器可识别范围内，同时使得沿平行于第一表面的磁通密度较小，上述凹槽411的半径可以为永磁体41的半径的10％-20％。凹槽411的深度(即垂直于永磁体41的第一表面方向的尺寸)则可大于或等于永磁体41的高度(即垂直于永磁体41的第一表面方向的尺寸)的15％。
为了提高执行部件(如伺服电机)功率密度，进一步缩短体积，压缩磁编码器模块的空间，可减小磁场检测芯片42到永磁体41的表面的距离。结合图3所示，由于当磁场检测芯片42距离永磁体41的第一表面越近时，磁力线曲率越大，会造成磁场检测芯片42检测到的沿永磁体41表面的磁通密度变化量变大，导致磁编码器中磁电转换精度降低。在增加上述凹槽411后，永磁体41的第一表面的磁力线曲率变小，极近第一表面出现磁力线与第一表面平行区域，可以支持磁场检测片42到永磁体41的第一表面的距离减小，具体地，使磁场检测芯片42所在的平面与第一表面之间的距离减小到0.5mm以下，同时为保证永磁体41旋转的容差，可使磁场检测芯片42与第一表面之间的距离在0.3mm以上。
如图7所示，是本发明实施例提供的磁编码器模块在磁场检测芯片位置处沿平行于第一表面方向(即X方向)的磁通密度变化量71，与现有磁编码器在磁场检测芯片位置处沿平行于第一表面方向的磁通密度变化量72的曲线图。由图7可知，通过在永磁体41的表面增加圆柱形的凹槽411，磁场检测芯片位置处沿平行于第一表面方向的磁通密度变化量ΔB＝0.005T，相比常规方案的磁通密度变化量ΔB＝0.021T，可以降低磁场检测芯片检测到的沿永磁体41的第一表面方向的磁通密度变化量一个数量级，同时可减小磁感芯片到永磁体表面距离50％。
如图8所示，是本发明另一实施例提供的磁编码器模块的结构示意图。在本实施例的磁编码器模块同样包括永磁体81及磁场检测芯片82，且磁场检测芯片82与永磁体81相邻设置。永磁体81呈圆柱形(在实际应用中，永磁体81也可呈横截面为正方形的长方体形)。与图4实施例不同的是，本实施例中的永磁体81的第一表面的磁通短路区域可由圆台形的凹槽811构成，且该凹槽811的开口的半径(即在永磁体81的第一表面处的尺寸)小于凹槽811的底壁的半径(即在永磁体81内的尺寸)。当然，在实际应用中，凹槽811的开口的半径(即在永磁体81的第一表面处的尺寸)也可大于凹槽811的底壁的半径(即在永磁体81内的尺寸)。
上述凹槽811同样可使得在磁场检测芯片82处的磁场的水平分量(即沿永磁体81表面方向的磁场分量)较小，从而有效抑制因磁编码器模块安装偏心等导致的永磁体81与磁场检测芯片82不平行对检测精度的影响，提高磁编码器模块安装的容差。
另外，上述凹槽411或811内可填充导磁材料，如硅钢等；更利于凹槽内的磁通短路，相比凹槽为空气的实施方式，本实施方式可使得平行于第一表面的磁力线与第一表面之间的距离更短，即使磁场检测芯片42与第一表面之间的距离进一步缩短，可进一步缩小轴向尺寸。
此外，为避免在使用过程中灰尘或杂质落入上述凹槽411或811，并影响转动平稳性，上述凹槽411或811内可填充有非导磁材料，例如灌封胶等。
本发明实施例还提供一种磁编码器，包括外壳、转轴(该转轴通过轴承安装在壳体内)以及如上所述的磁编码器模块，且永磁体由转轴带动转动，上述永磁体的第二表面朝向转轴，第二表面和第一表面分别位于永磁体的两侧。上述磁编码器安装到伺服电机上，并通过联轴器将转轴与伺服电机的电机轴相连，使得转轴跟随伺服电机的电机轴转动，以生成电机轴转动的位置信号、转速信号等。
本发明实施例还提供一种伺服电机，该伺服电机包括电机轴以及包括如上所述的磁编码器模块，且永磁体直接由电机轴带动转动(例如永磁体固定在电机转轴上)，上述永磁体的第二表面朝向电机轴，第二表面和第一表面分别位于永磁体的两侧。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种磁编码器模块，包括磁场检测芯片和相对所述磁场检测芯片旋转的永磁体，和所述磁场检测芯片用于检测磁通变化，所述永磁体具有第一表面；所述磁场检测芯片正对所述第一表面的中心；其特征在于，所述永磁体的第一表面的中心位置开设有磁通短路区域，用以降低所述磁场检测芯片处的磁力线曲率。
2.根据权利要求1所述的磁编码器模块，其特征在于，所述磁通短路区域为形成于所述第一表面并向所述永磁体内部方向延伸的凹槽。
3.根据权利要求2所述的磁编码器模块，其特征在于，所述永磁体呈圆柱型，所述磁场检测芯片包括用于将平行于所述第一表面的磁通密度的变化量转换为电信号的传感器。
4.根据权利要求3所述的磁编码器模块，其特征在于，所述凹槽呈圆柱型，且所述凹槽的中心与所述永磁体的中心重合。
5.根据权利要求3所述的磁编码器模块，其特征在于，所述凹槽的半径为所述永磁体的半径的10％-20％，所述凹槽的深度大于或等于所述永磁体的高度的15％。
6.根据权利要求3所述的磁编码器模块，其特征在于，所述凹槽呈圆台形，所述凹槽与所述永磁体的中心重合，且所述凹槽的开口的半径小于所述凹槽的底壁的半径。
7.根据权利要求3所述的磁编码器模块，其特征在于，所述磁场检测芯片与所述第一表面之间的距离为0.3-0.5mm。
8.根据权利要求3所述的磁编码器模块，其特征在于，所述凹槽内填充有导磁材料。
9.一种磁编码器，其特征在于，包括外壳、转轴以及如权利要求1-8中任一项所述的磁编码器模块，且所述永磁体由所述转轴带动转动，所述永磁体的第二表面朝向所述转轴，所述第二表面和第一表面分别位于所述永磁体的两侧。
10.一种伺服电机，包括电机轴，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的磁编码器模块，且所述永磁体由所述电机轴带动转动，所述永磁体的第二表面朝向所述电机轴，所述第二表面和第一表面分别位于所述永磁体的两侧。
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