CN113776563A - 磁鼓及具有其的磁编码器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁鼓及具有其的磁编码器，其中磁鼓包括支撑环以及套装于所述支撑环外圆周侧的第一永磁环、第二永磁环，所述第一永磁环与所述第二永磁环沿所述支撑环的轴向依次设置，所述第一永磁环及所述第二永磁环皆为单极磁环且极性相反，所述第一永磁环的外圆周壁上构造有沿其周向交替的第一凸起、第一凹陷，所述第二永磁环的外圆周壁上构造有沿其周向交替的第二凸起、第二凹陷。根据本发明，既可以在第一永磁环与第二永磁环的圆周配合缝隙处直接获得N/S交替磁信号也可以对从第一永磁环与第二永磁环上获得的单极磁信号进行数据处理后得到N/S交替磁信号，使所述磁鼓输出的磁信号类型更加丰富、信号精度更高。

Description

磁鼓及具有其的磁编码器

技术领域

本发明属于磁编码器设计技术领域，具体涉及一种磁鼓及具有其的磁编码器。

背景技术

磁编码器是一种以磁阻传感器、磁鼓、信号处理电路为主要组成部分构成的角度或者位移测量装置。磁编码器因为有体积小、精密度高、分辨度高、无接触无磨损、高抗震、安装简单、使用寿命长、接口形式多等众多优点，因而广泛应用于工业控制、机械制造、船舶、纺织、印刷、航空、航天、雷达、通讯、军工等领域。

磁鼓上磁极的个数决定着磁编码器的分辨率，磁鼓上磁极的均匀性决定着磁编码器输出信号的质量，磁鼓上磁极的磁场强度和作用距离决定着磁编码器的结构和体积。总之，磁鼓对磁编码器的各向性能参数有着及其重要的影响，而磁鼓的很多性能又与其圆周上的磁信号源的结构密不可分。

如图1所示，磁编码器的磁鼓主要由作为磁信号源的永磁体环a、支撑环b和旋转轴c等部分组成，如果将磁鼓外圆周面的永磁体环展开，其表面磁极的排列方式如图2所示出，而磁鼓外圆周面永磁体展开图的剖面磁极结构如图3所示，具有这种结构的磁鼓的特点是：磁信号源来自于磁鼓圆周上间隔分布的永磁体的N极和S极。这种结构的磁鼓的不足之处是：第一，随着磁极个数的增加，磁力线在相邻磁极之间形成闭合回路的比例大幅度增加，致使磁场的作用距离迅速减小，磁阻传感器接收到的磁信号变弱，使磁编码器的输出信号质量降低，而磁鼓上磁极的个数对磁编码器的分辨率有着重要影响；第二，磁鼓上N极和S极之间存在一个无磁区，无磁区均匀性、宽度、形状直接决定着磁信号的均匀性、宽度和形状，进而决定着磁编码器输出信号的质量。目前磁鼓的磁信号源的均匀性只能通过充磁的方法进行控制，高质量磁鼓制作工艺很复杂，一致性难以保证。目前磁鼓的磁信号源的均匀性只能通过充磁的方法进行控制，高质量磁鼓制作工艺很复杂，一致性难以保证。下面是目前普遍采用的通过对整体永磁体磁环充磁后形成的N/S极作为磁信号源磁鼓中容易出现几种缺陷形式：

第一种，N/S磁极间的无磁区边界模糊，如图4所示；

第二种，N/S磁极间的无磁区边界变形，如图5所示；

第三种，因为磁体中存在的局部缺陷导致位于该区域的磁信号突然减小甚至消失，如图6所示。

而相关技术中的磁编码器中的磁鼓大多只采用一个磁环形成磁信号源，磁信号源的输出磁信号类型较为单一，相应的控制精度(信号精度)较低。

发明内容

因此，本发明提供一种磁鼓及具有其的磁编码器，以克服相关技术中磁鼓仅具有一个磁环作为磁信号源，输出磁信号类型较为单一、信号精度较低的不足。

为了解决上述问题，本发明提供一种磁鼓，包括支撑环以及套装于所述支撑环外圆周侧的第一永磁环、第二永磁环，所述第一永磁环与所述第二永磁环沿所述支撑环的轴向依次设置，所述第一永磁环及所述第二永磁环皆为单极磁环且极性相反，所述第一永磁环的外圆周壁上构造有沿其周向交替的第一凸起、第一凹陷，所述第二永磁环的外圆周壁上构造有沿其周向交替的第二凸起、第二凹陷。

在一些实施方式中，磁编码器具有的磁信号探头与所述第一永磁环与所述第二永磁环之间形成的圆周配合缝隙相对设置，以能够获取到由所述第一永磁环及第二永磁环所形成的N/S交替磁信号；或者，磁编码器具有的磁信号探头分别与所述第一永磁环、所述第二永磁环的外圆周壁相对设置，以能够分别获取到所述第一永磁环、第二永磁环所形成的N极磁信号及S极磁信号，并基于获取的所述N极磁信号及S极磁信号进行数据处理得到N/S交替磁信号。

在一些实施方式中，沿着所述磁鼓的轴向，所述第一凸起与所述第二凹陷形成交替，所述第一凹陷与所述第二凸起形成交替。

在一些实施方式中，所述第一凸起、第一凹陷以及所述第二凸起、第二凹陷皆通过机加工的方式形成。

在一些实施方式中，所述支撑环上还套装有隔磁环，所述第一永磁环与所述第二永磁环对所述隔磁环形成夹持。

在一些实施方式中，磁编码器具有的磁信号探头与所述隔磁环相对设置，以能够获取到由所述第一永磁环及第二永磁环所形成的N/S交替磁信号。

在一些实施方式中，所述隔磁环的轴向高度为Da，所述第一永磁环的轴向高度为Db，所述第二永磁环的轴向高度为Dc，所述第一永磁环与所述第二永磁环的径向厚度相等且皆为△R，Da＜3(Db+Dc+△R)。

在一些实施方式中，Da＜2(Db+Dc+△R)。

在一些实施方式中，所述磁鼓还包括第三永磁环，所述第三永磁环的外环壁上具有沿其轴向交替的N极及S极。

本发明还提供一种磁编码器，包括上述的磁鼓。

本发明提供的一种磁鼓及具有其的磁编码器，所述支撑环上同时至少具有外环壁极性相反的第一永磁环及第二永磁环，使所述磁鼓的磁信号源由现有技术中的单个改进成为至少两个，如此使所述磁鼓输出的磁信号类型更加丰富、信号精度更高。

附图说明

图1为现有技术中磁鼓的内部结构示意图；

图2为现有技术中的磁鼓采用的径向充磁磁环(多极磁环)的外周面展开图；

图3为图2中的径向充磁磁环(多极磁环)的剖面图(径向剖面)；

图4为现有技术中永磁体环无磁区边界模糊缺陷的示意图；

图5为现有技术中永磁体环无磁区边界变形缺陷的示意图；

图6为现有技术中永磁体环无磁区缺陷导致磁信号变形的示意图；

图7中为发明实施例的磁鼓中第一永磁环或者第二永磁体的一种结构示意图；

图8为图7中的永磁环的外环壁为单一N极时的外圆周面展开图；

图9为图8中的永磁环的剖面图(径向剖面)；

图10为发明实施例的磁鼓中第一永磁环或者第二永磁体的另一种结构示意图；

图11为本发明实施例的磁鼓中第一永磁环与第二永磁环周向展开后的结构示意图，图中黑色矩形示出了凸起位置，而白色矩形则示出了凹陷位置；

图12为图11所示的磁鼓外圆周面(第一永磁环与第二永磁环的形成的圆周配合缝隙处)处得到的N/S交替排列的磁信号；

图13为本发明另一实施例的磁鼓中第一永磁环与第二永磁环周向展开后的结构示意图，其中第一永磁环与第二永磁环之间具有轴向间隔；

图14示出了图13所示的磁鼓外圆周面处分别得到的第一永磁环与第二永磁环对应的两组磁信号并将两者进行数据处理得到一组N/S交替排列的磁信号；

图15为本发明又一实施例的磁鼓中第一永磁环与第二永磁环周向展开后的结构示意图，其中第一永磁环与第二永磁环之间具有隔磁环。

图16示出了磁探头检测隔磁环位置获得的一组N/S交替排列的磁信号；

图17为本发明又一实施例的磁鼓中第一永磁环与第二永磁环周向展开后的结构示意图；

图18示出了支撑环的外圆周面上沿其轴向依次套装有两个第一永磁环及一个第二永磁环。

附图标记表示为：

1、第一永磁环；11、第一凸起；12、第一凹陷；2、第二永磁环；21、第二凸起；22、第二凹陷；3、隔磁环；4、第三永磁环。

具体实施方式

结合参见图1至图18所示，根据本发明的实施例，提供一种磁鼓，包括支撑环以及套装于所述支撑环外圆周侧的第一永磁环1、第二永磁环2，所述第一永磁环1与所述第二永磁环2沿所述支撑环的轴向依次设置，所述第一永磁环1及所述第二永磁环2皆为单极磁环且极性相反，所述第一永磁环1的外圆周壁上构造有沿其周向交替的第一凸起11、第一凹陷12，所述第二永磁环2的外圆周壁上构造有沿其周向交替的第二凸起21、第二凹陷22。该技术方案中，所述支撑环上同时至少具有外环壁极性相反的第一永磁环1及第二永磁环2，使所述磁鼓的磁信号源由现有技术中的单个改进成为至少两个，如此使所述磁鼓输出的磁信号类型更加丰富、信号精度更高。可以理解的是，当所述第一永磁环1的外环壁为N极时，其内环壁则为S极，当所述第二永磁环2的外环壁为S极时，内环壁为N极。

目前普遍存在的磁编码器的N/S交替磁信号都是从单一磁环上得到的，也就是将单个磁环充磁成N/S交替出现的磁极，本发明提供的磁编码器的N/S交替磁信号可以通过两种方式得到：第一种方式是通过检测第一永磁环1与第二永磁环2的周向结合部直接获得N/S交替磁信号，第二种方式是对从第一永磁环1与第二永磁环2上获得的单极磁信号进行数据处理得到N/S交替磁信号。与此相对应的是，磁编码器具有的磁信号探头与所述第一永磁环1与所述第二永磁环2之间形成的圆周配合缝隙相对设置，以能够获取到由所述第一永磁环1及第二永磁环2所形成的N/S交替磁信号(如图11与图12所示出)；或者，磁编码器具有的磁信号探头分别与所述第一永磁环1、所述第二永磁环2的外圆周壁相对设置，以能够分别获取到所述第一永磁环1、第二永磁环2所形成的N极磁信号及S极磁信号，并基于获取的所述N极磁信号及S极磁信号进行数据处理得到N/S交替磁信号(如图13与图14所示出)。需要特别指出的是，本发明与目前普遍使用磁编码器的另外一个最大不同之处是：目前普遍存在的磁编码器的N/S交替磁信号的均匀性和精度是通过控制充磁线圈的精度、磁环的内外径公差、充磁时磁环与充磁线圈间的间隙等众多因素来实现，不仅可变因素多而且难于控制，而本发明的磁编码器的N/S交替磁信号的均匀性和精度是机械加工过程中通过控制磁环的凸起与凹陷的加工精度来实现的，机械加工的精度和一致性非常容易控制是显而易见的。磁信号的精度对磁编码器的精度起着决定性的作用，所以本发明可以显著提高磁编码器的精度。

在一些实施方式中，沿着所述磁鼓的轴向，所述第一凸起11与所述第二凹陷22形成交替，所述第一凹陷12与所述第二凸起21形成交替，如此能够防止在同一轴向上的第一凸起11与第二凸起对应、第一凹陷12与第二凹陷对应设置导致的轴向相邻的凸起或者凹陷处的磁场强度为零不能提供磁编码器所需的磁信号。可以理解的，偏离所述第一永磁环1与第二永磁环2的正中间区域后就只能检测到一个磁极的磁信号，具体的，偏向外环壁是N极的磁环时检测到的是N极磁信号，偏向外环壁是S极的磁环时检测到的是S极磁信号，将检测不到N极和S极间隔分布的磁信号，要在两个磁环(也即所述第一永磁环1及第二永磁环2)的正中间位置得到N极和S极间隔的磁信号就必须让两个磁环的凸起或凹陷错开一个角度，错开的角度不同得到的N极和S极的信号强度不同，当N极磁环的凸起刚好与S极磁环的凹陷相对应的时候(也即前述的技术方案)得到N极和S极间隔磁信号对称性最好。而至于错开的角度数值则与磁环上的凸起部分的数量(类似齿轮的齿数)有关，磁环外环壁的凸起与凹陷越少错开的角度越大，反之则越小，理论上，磁编码器磁磁鼓外圆周面上的磁极越多磁编码器的精度越高，所以相同直径的磁编码器磁鼓上磁极的数量多少是衡量磁编码器的精度的重要参数之一。

在一些实施方式中，所述第一凹陷12的最大周向宽度为L，所述第一凸起11的径向高度为H，L>0.1H；和/或，所述第二凹陷22的最大周向宽度为L，所述第二凸起21的径向高度为H，L>0.1H，进一步的，L>0.5H，以保证所述磁鼓与所述凸出部13、凹陷部14对应位置的磁场强度差值能够获得最佳检测分辨率，利于检测与利用。而可以理解的是，所述第一凸起11、第一凹陷12、第二凸起21、第二凹陷22的宽度L可以相等或者不相等，凹陷的深度H可以相等或者不相等，依据实际需求设计即可。

在一些实施方式中，所述第一凸起11、第一凹陷12以及所述第二凸起21、第二凹陷22皆通过机加工的方式形成，具体的例如采用激光加工方式，从而保证每个凸起及凹槽的尺寸精度，可以保证磁信号源在360°的均匀分布，能够有效克服磁环充磁过程中容易导致的N极和S极之间的无磁区模糊、变形和宽度不一致的缺陷，极大提高磁鼓的磁信号源质量，保证磁编码器的精度。

如果量两个磁环靠在一起的话，除非将检测探头(也即磁信号探头)刚好放置在两个磁环的接触缝隙位置，否则只要稍有偏差检测得到的磁信号就要么S极强N极弱，要么N极强S极弱，因此，在一些实施方式中，所述支撑环上还套装有隔磁环3，所述第一永磁环1与所述第二永磁环2对所述隔磁环3形成夹持，如此可以将磁信号探头位置偏差导致的磁信号偏差幅度大幅降低。所述隔磁环3的材质必须是磁的不良导体，例如铜、铝、塑料、橡胶等，此时，磁编码器具有的磁信号探头与所述隔磁环3相对设置，以能够获取到由所述第一永磁环1及第二永磁环2所形成的N/S交替磁信号。

研究发现，所述隔磁环3的轴向高度Da既与磁环在半径方向的厚度(即径向厚度ΔR)有关，也与磁环在轴向的高度(也即第一永磁环1Db及第二永磁环2的轴向高度Dc)有关，但所述隔磁环3的轴向高度Da越大在所述隔磁环3处检测到的磁信号越弱，所以所述隔磁环3的轴向高度不能太大，但正如前面所说，如果能保证磁性探头的位置绝对正确，即使没有所述隔磁环3也是可以的，而事实上，在实际实施过程中，这一位置难以得到可靠保证，因此，在一些实施方式中，设计所述第一永磁环1与所述第二永磁环2的径向厚度相等且皆为△R，Da＜3(Db+Dc+△R)，最好的，Da＜2(Db+Dc+△R)，如此既能够保证磁性探头的位置的便利确定又能够保证检测信号的准确可靠。如果Da>3(Db+Dc+△R)，每个磁环的磁力线就可能会形成独立回路，则要么在两个磁环之间就检测不到N/S交替出现的磁信号要么检测到的N/S交替出现的磁信号强度不够，导致磁编码器精度降低。

在一些实施方式中，所述磁鼓还包括第三永磁环4(如图17所示)，所述第三永磁环4的外环壁上具有沿其轴向交替的N极及S极，能够使所述磁鼓的输出磁信号类型进一步丰富，有利于磁编码器芯片对此信号的综合处理后进一步提升控制精度。而可以理解的，所述支撑环的外圆周面上还可以套装于更多的永磁环，以进一步丰富所述磁鼓磁信号的输出类型。

所述支撑环的内侧环壁连接旋转轴，此时，所述支撑环的内侧环壁可以加工形成必要的连接结构，例如键槽(可以为花键、平键)，使磁鼓拆卸更加方便。

在一些实施方式中，在所述支撑环的任一径向平面上投影，所述第一凸起11和/或第二凸起21的形状为矩形、等腰梯形、等腰三角形、圆弧形中的一种，需要说明的是，所述第一凸起11、第二凸起21的具体形状本发明不做特别限定，但其无论是采用何种具体的形状，多个所述第一凸起11、第二凸起21皆应该关于所述磁鼓的轴心呈中心对称结构，以满足其作为编码器的磁信号源的需求。

在一些实施方式中，所述永磁体磁环本体1为辐射取向磁环或者单极充磁特征的各向同性磁环。

在一些实施方式中，所述辐射取向磁环采用钕铁硼、钐钴、铝镍钴、铁氧体中的至少一种制作形成，也即所述辐射取向磁环可以为单一的材料制作，亦可以采用多种材料复合而成。所述单极充磁特征的各向同性磁环采用钕铁硼、钐钴永磁体中的至少一种制作形成。

根据本发明的实施例，还提供一种磁编码器，包括上述的磁鼓。可以理解的，所述磁编码器还包括所述磁阻传感器以及相应的信号处理电路板(也即磁编码器芯片)，此部分作为磁编码器的常规技术，此处不做赘述。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁鼓，其特征在于，包括支撑环以及套装于所述支撑环外圆周侧的第一永磁环(1)、第二永磁环(2)，所述第一永磁环(1)与所述第二永磁环(2)沿所述支撑环的轴向依次设置，所述第一永磁环(1)及所述第二永磁环(2)皆为单极磁环且极性相反，所述第一永磁环(1)的外圆周壁上构造有沿其周向交替的第一凸起(11)、第一凹陷(12)，所述第二永磁环(2)的外圆周壁上构造有沿其周向交替的第二凸起(21)、第二凹陷(22)。

2.根据权利要求1所述的磁鼓，其特征在于，磁编码器具有的磁信号探头与所述第一永磁环(1)与所述第二永磁环(2)之间形成的圆周配合缝隙相对设置，以能够获取到由所述第一永磁环(1)及第二永磁环(2)所形成的N/S交替磁信号；或者，磁编码器具有的磁信号探头分别与所述第一永磁环(1)、所述第二永磁环(2)的外圆周壁相对设置，以能够分别获取到所述第一永磁环(1)、第二永磁环(2)所形成的N极磁信号及S极磁信号，并基于获取的所述N极磁信号及S极磁信号进行数据处理得到N/S交替磁信号。

3.根据权利要求1所述的磁鼓，其特征在于，沿着所述磁鼓的轴向，所述第一凸起(11)与所述第二凹陷(22)形成交替，所述第一凹陷(12)与所述第二凸起(21)形成交替。

4.根据权利要求1所述的磁鼓，其特征在于，所述第一凸起(11)、第一凹陷(12)以及所述第二凸起(21)、第二凹陷(22)皆通过机加工的方式形成。

5.根据权利要求1所述的磁鼓，其特征在于，所述支撑环上还套装有隔磁环(3)，所述第一永磁环(1)与所述第二永磁环(2)对所述隔磁环(3)形成夹持。

6.根据权利要求5所述的磁鼓，其特征在于，磁编码器具有的磁信号探头与所述隔磁环(3)相对设置，以能够获取到由所述第一永磁环(1)及第二永磁环(2)所形成的N/S交替磁信号。

7.根据权利要求5所述的磁鼓，其特征在于，所述隔磁环(3)的轴向高度为Da，所述第一永磁环(1)的轴向高度为Db，所述第二永磁环(2)的轴向高度为Dc，所述第一永磁环(1)与所述第二永磁环(2)的径向厚度相等且皆为△R，Da＜3(Db+Dc+△R)。

8.根据权利要求7所述的磁鼓，其特征在于，Da＜2(Db+Dc+△R)。

9.根据权利要求1所述的磁鼓，其特征在于，还包括第三永磁环(4)，所述第三永磁环(4)的外环壁上具有沿其轴向交替的N极及S极。

10.一种磁编码器，包括磁鼓，其特征在于，所述磁鼓为权利要求1至9中任一项所述的磁鼓。

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