CN113607194A - 磁编码器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁编码器，磁编码器包括转子盘，磁编码器沿转子盘的周向上设有多个磁密为零的目标零点位置，转子盘设置有沿周向分布的多个磁极部，至少部分磁极部的尺寸不相同，在相邻的两个磁极部中，两个磁极部之间的磁极中性面和/或两个磁极部相对的端面偏离对应目标零点位置设置，以使得多个磁极部形成的磁场的实际零点位置对应处于目标零点位置处，通过合理调整每一磁极部的尺寸，进而使得转子盘实际磁场的磁密为零的实际零点位置与理论的磁场的磁密为零的目标零点位置重合，能够使得定子盘上的磁传感器检测到磁场的实际零点位置较为准确，实现精确地对位置角编码，提高了测量精度。

Description

磁编码器

技术领域

本发明涉及编码器技术领域，特别涉及一种磁编码器。

背景技术

编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。其中，旋转编码器可将被测的角位移直接转换成数字信号，在自动测控系统中有广泛的应用。但是随着工业自动化程度的不断提高，对包括旋转速度、旋转方向等参数的监测提出了越来越高的要求，部分产品虽然具备该功能，但结构一般也较为复杂，装配困难，制作成本高，分辨率低。

发明内容

针对传统的编码器的缺陷，发明人提出一种磁编码器，对于该磁编码器需要在轴向上进行充磁，且会出现磁场零点偏移的问题，导致测量的精度较低，因此，如何优化磁编码器，以提高测量的精度是一个亟待解决的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种磁编码器，所述磁编码器包括转子盘，所述磁编码器沿所述转子盘的周向上设有多个磁密为零的目标零点位置，所述转子盘设置有沿周向分布的多个磁极部，至少部分所述磁极部的尺寸不相同，在相邻的两个所述磁极部中，两个所述磁极部之间的磁极中性面和/或两个所述磁极部相对的端面偏离对应所述目标零点位置设置，以使得多个所述磁极部形成的磁场的实际零点位置对应处于所述目标零点位置处。

可选地，在所述转子盘的周向上，两个所述磁极部之间的磁极中性面和/或两个所述磁极部相对的端面与对应所述目标零点位置之间的偏移量对应的中心角为α，且-3°≤α≤3°。

可选地，在所述转子盘的周向上，相邻的两个所述目标零点位置之间的中心角为β，且β＝(Ni*360°/K)±δ(i＝1，2，3......P，P为所述磁极部的数量)，其中，δ为容许误差，K为正整数，Ni为正整，且Ni＜K。

可选地，δ≤0.5°。

可选地，多个所述磁极部包括交错设置的多个第一磁极部和多个第二磁极部，各所述第一磁极部和各所述第二磁极部均采用轴向充磁且极性相反。

可选地，所述转子盘具有一磁环，所述磁环上形成有多个沿着所述转子盘的周向分布的磁区，以形成多个所述第一磁极部和多个所述第二磁极部。

可选地，相邻的所述第一磁极部和所述第二磁极部之间至少部分连接。

可选地，所述第一磁极部和所述第二磁极部的交界处设有凹槽，所述凹槽沿所述转子盘的径向延伸。

可选地，相邻的所述第一磁极部和所述第二磁极部之间设有非磁区。

可选地，所述转子盘具有多个沿周向间隔设置的磁块，各所述磁块分别形成多个所述第一磁极部和多个所述第二磁极部。

可选地，相邻的所述第一磁极部和所述第二磁极部之间设有间隔区，所述间隔区可选择不同大小。

可选地，多个所述磁极部均采用轴向充磁且极性相同，多个所述磁极部间隔设置，且至少部分所述磁极部之间的间距不相同。

可选地，所述磁编码器还包括定子盘，所述定子盘与所述转子盘同轴设置，且处于所述转子盘沿轴向上设有所述磁极部的一侧，所述转子盘可相对于所述定子盘转动，所述定子盘设有沿周向分布的多个磁传感器，多个所述磁传感器用于通过感测磁场变化产生感测信号。

可选地，所述磁传感器为霍尔传感器，多个所述霍尔传感器沿周向均匀分布。

可选地，多个所述磁极部的尺寸包括沿所述转子盘的周向上的长度尺寸。

所述磁编码器沿所述转子盘的周向上设有多个磁密为零的目标零点位置，至少部分所述磁极部的尺寸不相同，在相邻的两个所述磁极部中，两个所述磁极部之间的磁极中性面和/或两个所述磁极部相对的端面偏离对应所述目标零点位置设置，通过合理调整每一所述磁极部的尺寸，使得两个所述磁极部之间的磁极中性面和/或两个所述磁极部相对的端面偏离对应所述目标零点位置设置，进而使得所述转子盘实际磁场的磁密为零的实际零点位置与理论的磁场的磁密为零的目标零点位置重合，能够使得所述定子盘上的磁传感器检测到磁场的实际零点位置较为准确，实现精确地对位置角编码，提高了测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来将，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的磁编码器一实施例的主视结构示意图；

图2为图1中转子盘的仰视结构示意图；

图3为图1中定子盘的俯视结构示意图；

图4为图1中转子盘沿周向的磁密与对应的磁极部的分布示意图；

图5为图1中磁环在相邻两个磁极部之间形成交界面的示意图；

图6为图1中磁环在相邻两个磁极部之间形成非磁区的示意图；

图7为图1中磁环在相邻两个磁极部之间形成凹槽的示意图；

图8为图1中多个磁块的第一分布示意图；

图9为图1中多个磁块的第二分布示意图；

图10为本发明提供的磁编码器另一实施例的示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	磁编码器	15a	间隔区
1	转子盘	2	定子盘
				11	磁极部	21	磁传感器
11a	第一磁极部	211	霍尔传感器
				11b	第二磁极部	3	磁环
12a	目标零点位置	31	磁区
				13a	磁极中性面	32	非磁区
14a	凹槽	4	磁块

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。其中，旋转编码器可将被测的角位移直接转换成数字信号，在自动测控系统中有广泛的应用。但是随着工业自动化程度的不断提高，对包括旋转速度、旋转方向等参数的监测提出了越来越高的要求，部分产品虽然具备该功能，但结构一般也较为复杂，装配困难，制作成本高，分辨率低。

针对传统的编码器的缺陷，发明人提出一种磁编码器，对于该磁编码器需要在轴向上进行充磁，且会出现磁场零点偏移的问题，导致测量的精度较低，鉴于此，本发明提出一种磁编码器，本发明中优化了现有磁编码器的结构，提高了测量的精度，其中，图1至图10为本发明提供的磁编码器的实施例的结构示意图。

请参阅图1至图4，所述磁编码器100包括转子盘1和定子盘2。

所述定子盘2与所述转子盘1同轴设置，且处于所述转子盘1沿轴向上设有所述磁极部11的一侧，所述转子盘1可相对于所述定子盘2转动，所述定子盘2设有沿周向分布的多个磁传感器21，多个所述磁传感器21用于通过感测磁场变化产生感测信号。

即所述转子盘1转动时，所述转子盘1的磁场会发生变化，进而使得所述磁传感器21所处的磁场发生变化，通过所述磁传感器21的测量即可获得转动的角度。

所述磁传感器21的灵敏度较高、稳定性较好，且便于小型化、集成化，能够提高测量的精度。

进一步而言，在所述转子盘1上设置多个尺寸大小不同的磁极部11，所述磁极部11在圆周上相对所述定子盘2的覆盖面积不相同，在所述转子盘1相对于所述定子盘2转动时，通过所述磁传感器21测量所述转子盘1产生的磁场大小和方向并转换成电信号，解算出所述定子盘2与所述转子盘1之间的相对转角，如此设置结构紧凑，效率高，能够实现对位置角的编码。

一个实施例中，所述磁传感器21为霍尔传感器211，多个所述霍尔传感器211沿周向均匀分布，所述霍尔传感器211是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，被广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。在对应采用霍尔传感器211采用6个的实施例中，所述磁编码器100的位置解算方法的步骤如下：

将各个所述霍尔传感器211读数和预设的阈值相比较，若读数大于阈值，则认为所述霍尔传感器211状态为1，若读数小于阈值，则认为所述霍尔传感器211状态为0。

根据所述6个霍尔传感器211的状态，将传感器状态组合，能够计算得到当前转角对应的灰码区域，每个灰码区域对应一个转角范围。

根据上述步骤计算得到的灰码区域和6个所述霍尔传感器211的精确读数，可以计算出所述定子盘2与所述转子盘1之间的精确相对转角。

在所述转子盘1上设置多个尺寸大小不同的磁极部11，会出现磁场零点偏移的问题，导致测量的精度较低，此时，需要实际对应调整每个磁极部11的尺寸，使得在所述转子盘1的周向上，实际磁场的磁密为零的实际零点位置与理论的磁场的磁密为零的目标零点位置12a重合，即存在磁场零点偏移校核的问题。

具体而言，一个实施例中，所述磁编码器100包括转子盘1，所述磁编码器100沿所述转子盘1的周向上设有多个磁密为零的目标零点位置12a，所述转子盘1设置有沿周向分布的多个磁极部11，至少部分所述磁极部11的尺寸不相同，在相邻的两个所述磁极部11中，两个所述磁极部11之间的磁极中性面13a和/或两个所述磁极部11相对的端面偏离对应所述目标零点位置12a设置。

本发明的技术方案中，所述磁编码器100沿所述转子盘1的周向上设有多个磁密为零的目标零点位置12a，至少部分所述磁极部11的尺寸不相同，在相邻的两个所述磁极部11中，两个所述磁极部11之间的磁极中性面13a和/或两个所述磁极部11相对的端面偏离对应所述目标零点位置12a设置，通过合理调整每一所述磁极部11的尺寸，使得两个所述磁极部11之间的磁极中性面13a和/或两个所述磁极部11相对的端面偏离对应所述目标零点位置12a设置，进而使得所述转子盘1实际磁场的磁密为零的实际零点位置与理论的磁场的磁密为零的目标零点位置12a重合，能够使得所述定子盘2上的磁传感器21检测到磁场的实际零点位置较为准确，实现精确地对位置角编码，提高了测量精度。

需要说明的是，所述磁极中性面13a为沿所述转子盘1的周向上，两个所述磁极部11中间的位置平面，即为结构的物理中间平面，所述磁极中性面13a为所述转子盘1的一个径向平面，如，两个所述磁极部11之间有交界面，即所述交界面为所述磁极中性面13a；两个所述磁极部11之间有非磁区32，则所述非磁区32的中间位置所在的径向平面为磁极中性面13a；两个所述磁极部11之间设有分割区，如，拼接缝，或者断开切口等等，则，所述拼接缝的中间位置所在的径向平面或者所述断开切口的中间位置所在的径向平面为所述磁极中性面13a。

多个所述磁极部11在所述转子盘1的周向上分布，会存在磁场大小和方向有变化的情况，因此，在所述转子盘1的周向上，会出现磁场密度分布不均匀的情况，当然，也会出现磁场密度为零的实际零点位置，在所述转子盘1的周向上，会分布有多个所述实际零点位置。

另外，需要说明的是，在相邻的所述磁极部11极性相反，且两者之间存在交界面的实施例中，需要合理调整所述磁极部11的尺寸，使得两个所述磁极部11之间的磁极中性面13a和两个所述磁极部11的相对的端面均要偏离对应的所述目标零点位置12a设置；在相邻的所述磁极部11极性相反，且两者之间存在间隔的实施例中，需要合理调整所述磁极部11的尺寸，使得两个所述磁极部11之间的磁极中性面13a偏离对应的所述目标零点位置12a设置；在相邻的所述磁极部11极性相同，且两者之间存在间隔的实施例中，需要合理调整所述磁极部11的尺寸，使得两个所述磁极部11相对的端面偏离对应所述目标零点位置12a设置。

所述偏移量的调整大小与相邻的两个所述磁极部11的尺寸大小相关联，一个实施例中，在所述转子盘1的周向上，两个所述磁极部11之间的磁极中性面13a和/或两个所述磁极部11相对的端面与对应所述目标零点位置12a之间的偏移量对应的中心角为α，且-3°≤α≤3°。

即两个所述磁极部11之间的磁极中性面13a和/或两个所述磁极部11相对的端面与对应所述目标零点位置12a之间的偏移量小于3°，在此范围内，合理调整所述磁极部11的相对尺寸，使得所述转子盘1实际磁场的磁密为零的实际零点位置与理论的磁场的磁密为零的目标零点位置12a重合，能够使得所述定子盘2上的磁传感器21检测到磁场的目标零点位置12a较为准确，实现精确地对位置角编码，提高了测量精度。

在设计所述转子盘1时，沿所述转子盘1的周向上，理论的磁场的磁密曲线需要确定下来，根据所述理论的磁密分布曲线才能够快速地调整所述磁极部11的具体尺寸，具体而言，一个实施例中，请参阅图4，在所述转子盘1的周向上，相邻的两个所述目标零点位置12a之间的中心角为β，且β＝(Ni*360°/K)±δ(i＝1，2，3......P，P为所述磁极部的数量)，其中，δ为容许误差，K为正整数，Ni为正整数，且Ni＜K。

即相邻两个所述目标零点位置12a之间存在一定的关联关系，便于统一调整各所述磁极部11的尺寸，调整量也会呈现一定的规律，便于快速地适配调整。

根据需要可以合理调整N和K的数值，如，一个实施例中，K取36，Ni取3，则相邻的两个所述目标零点位置12a之间的中心角为β＝30°；K取72，Ni取5，则相邻的两个所述目标零点位置12a之间的中心角为β＝25°等等。

另外，δ为制造容许误差，在一个实施例中，δ≤0.5°，考虑到制造容许误差，更便于调整所述磁极部11的尺寸大小。

本发明的实施例中，不限制所述磁极部11的尺寸规格形式，如，可以是沿所述转子盘1的径向上的宽度尺寸，也可以是沿所述转子盘1的周向上的长度尺寸，为了便于对所述磁极部11的调整，将所述磁极部11在沿所述转子盘1的径向上的宽度尺寸设置为一致，只需要调整所述磁极部11沿所述转子盘1的周向上的长度尺寸，便于快速调整。

本发明的实施例中，不限制所述磁极部11的具体分布形式，一个实施例中，请参阅图5至图7，多个所述磁极部11包括交错设置的多个第一磁极部11a和多个第二磁极部11b，各所述第一磁极部11a和各所述第二磁极部11b均采用轴向充磁且极性相反。

即所述第一磁极部11a和所述第二磁极部11b一者为N极，另一为S极，所述转子盘1在圆周上分布着交错设置的N极和S极，由于多个所述第一磁极部11a和多个所述第二磁极部11b中，存在部分所述第一磁极部11a的尺寸不同，或者存在部分所述第二磁极部11b的尺寸不相同，或者存在部分所述第一磁极部11a和部分所述第二磁极部11b的尺寸不同，或者以上情况均存在，因此N极和S极呈不均匀分布在所述转子盘1的圆周上，具体的，所述磁传感器21输出交变信号，能够精确感测状态。

在上述的实施例中，可以是采用磁环3的形式进行充磁，也可以是采用磁块4的形式，具体而言，采用磁环3充磁的实施例中，所述转子盘1具有一磁环3，所述磁环3上形成有多个沿着所述转子盘1的周向分布的磁区31，以形成多个所述第一磁极部11a和多个所述第二磁极部11b，如此设置，只需要制造单一的磁环3，在磁环3上充磁即可。

请参阅图5，采用精确的充磁工艺可以实现相邻两个所述磁极部11之间存在明显的磁极交界面，然而，大多数情况下，在对所述磁环3进行充磁时，在交界面处会产生磁场混合的情况，即相邻的所述第一磁极部11a和所述第二磁极部11b之间磁极交界面不够清晰。为此，可以在磁环物理形状上设置凹槽，可以减少混磁的出现，磁交界面相对清晰。

进一步而言，请参阅图7，所述第一磁极部11a和所述第二磁极部11b的交界处设有凹槽14a，所述凹槽14a沿所述转子盘1的径向延伸，即充磁完成后，在所述磁环3上采用切削加工的方式成型所述凹槽14a，或者在充磁前先成型所述凹槽14a，通过所述凹槽14a的设置，减少了两个极性不同的所述磁极部11之间混磁面积，使得所述转子盘1的周向上的磁密分布较好。

需要说明的是，所述凹槽14a的大小不受限制，如，所述凹槽14a的深度可以是所述磁极部11厚度的1/3、1/4、1/5等等，形状也不受限制，如，方形和半圆弧形等等。

请参阅图6，另一个实施例中，相邻的所述第一磁极部11a和所述第二磁极部11b之间设有非磁区32，即通过非磁区32来减少两个极性不同的所述磁极部11之间混磁面积，使得所述转子盘1的周向上的磁密分布较好。

在另一个实施例中，请参阅图8至图9，所述转子盘1具有多个沿周向间隔设置的磁块4，各所述磁块4分别形成多个所述第一磁极部11a和多个所述第二磁极部11b。

即分别加工成型多个所述磁块4，然后安装至所述转子盘1上，以分别形成多个所述第一磁极部11a和多个所述第二磁极部11b，使得充磁工艺简单化，且相邻的所述第一磁极部11a和所述第二磁极部11b之间的交界处的磁场分界明显，减少磁场畸变，使得所述转子盘1的周向上的磁密分布较好。

一个实施例中，相邻的所述第一磁极部11a和所述第二磁极部11b之间设有间隔区15a，两个所述磁块4之间的间距不受限制，如，参阅图8，两个所述磁块4之间的间距相对较大，为一个大的切口；另外，请参阅图9，两个所述磁块4之间的相对间距较小，为一个拼接缝，即将两个所述磁块4侧向抵接在一起，上述的两个实施例中，均可以根据实际需要调整两个所述磁块4之间的间距大小。

在其他实施例中，请参照图10，多个所述磁极部11的均采用轴向充磁且极性相同，即充磁方向相同，多个所述磁极部11间隔设置，且至少部分所述磁极部11之间的间距不相同。即整个圆周上的磁极分布均为单磁极，各所述磁极部11的极性为N极或者S极。相对于设置两种磁极的方式，可以理解为对应的S极或者N极进行留空处理，留空位置的长度即对应的所述磁极部11的长度，如此设置不影响所述磁传感器21进行位置解码的整体原理，并且节省的材料。需要说明的是，该结构状态下，单磁极的设置方式在形成磁场后没有绝对的磁极中性面，因此在信号处理上会有所不同，在此不做详细说明，另外，对于此实施例的考量，以所述磁极部11的端面和对应所述目标零点位置12a之间的位置关系进行考量。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (15)

1.一种磁编码器，其特征在于，所述磁编码器包括转子盘，所述磁编码器沿所述转子盘的周向上设有多个磁密为零的目标零点位置，所述转子盘设置有沿周向分布的多个磁极部，至少部分所述磁极部的尺寸不相同，在相邻的两个所述磁极部中，两个所述磁极部之间的磁极中性面和/或两个所述磁极部相对的端面偏离对应所述目标零点位置设置，以使得多个所述磁极部形成的磁场的实际零点位置对应处于所述目标零点位置处。

2.如权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，在所述转子盘的周向上，两个所述磁极部之间的磁极中性面和/或两个所述磁极部相对的端面与对应所述目标零点位置之间的偏移量对应的中心角为α，且-3°≤α≤3°。

3.如权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，在所述转子盘的周向上，相邻的两个所述目标零点位置之间的中心角为β，且β＝±δ的数量)，其中，δ为容许误差，K为正整数，Ni为正整数，且Ni＜K。

4.如权利要求3所述的磁编码器，其特征在于，δ≤0.5°。

5.如权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，多个所述磁极部包括交错设置的多个第一磁极部和多个第二磁极部，各所述第一磁极部和各所述第二磁极部均采用轴向充磁且极性相反。

6.如权利要求5所述的磁编码器，其特征在于，所述转子盘具有一磁环，所述磁环上形成有多个沿着所述转子盘的周向分布的磁区，以形成多个所述第一磁极部和多个所述第二磁极部。

7.如权利要求6所述的磁编码器，其特征在于，相邻的所述第一磁极部和所述第二磁极部之间至少部分连接。

8.如权利要求7所述的磁编码器，其特征在于，所述第一磁极部和所述第二磁极部的交界处设有凹槽，所述凹槽沿所述转子盘的径向延伸。

9.如权利要求6所述的磁编码器，其特征在于，相邻的所述第一磁极部和所述第二磁极部之间设有非磁区。

10.如权利要求5所述的磁编码器，其特征在于，所述转子盘具有多个沿周向间隔设置的磁块，各所述磁块分别形成多个所述第一磁极部和多个所述第二磁极部。

11.如权利要求10所述的磁编码器，其特征在于，相邻的所述第一磁极部和所述第二磁极部之间设有间隔区，所述间隔区可选择不同大小。

12.如权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，多个所述磁极部均采用轴向充磁且极性相同，多个所述磁极部间隔设置，且至少部分所述磁极部之间的间距不相同。

13.如权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，所述磁编码器还包括定子盘，所述定子盘与所述转子盘同轴设置，且处于所述转子盘沿轴向上设有所述磁极部的一侧，所述转子盘可相对于所述定子盘转动，所述定子盘设有沿周向分布的多个磁传感器，多个所述磁传感器用于通过感测磁场变化产生感测信号。

14.如权利要求13所述的磁编码器，其特征在于，所述磁传感器为霍尔传感器，多个所述霍尔传感器沿周向均匀分布。

15.如权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，多个所述磁极部的尺寸包括沿所述转子盘的周向上的长度尺寸。

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