CN117940743A - 基于Halbach磁性元件的位置编码器 - Google Patents
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Abstract
基于Halbach的磁性位置传感器包括：Halbach磁性元件，沿一定范围具有空间旋转磁化图案，该空间旋转磁化图案相对于非工作侧上的磁场在工作侧上产生聚集并增强的磁场。工作侧上的感测元件与Halbach磁性元件共同配置以用于其间的相对运动。感测元件包括编码器电路和磁性传感器，该磁性传感器感测工作侧磁场并且产生对应的传感器信号。编码器电路将传感器信号转换成指示感测元件和Halbach磁性元件之间的相对位置的位置信号。在一个示例中，Halbach磁性元件具有闭合曲线(例如，基本上圆形或环形)配置。
Description
技术领域
本发明涉及磁性位置编码器领域。
发明内容
描述了一种基于Halbach永磁体配置的磁性同轴或离轴、旋转和线性绝对位置编码器。还描述了通过将小空间周期偶极子叠加到大空间周期偶极子上来增加分辨率的装置，这增加了分辨率并且保持绝对位置编码器功能。旋转和线性磁性位置可以用现成的磁性传感器进行编码。该编码器易于安装和对准、尺寸紧凑、功耗低并且成本低，具有适用于同轴和离轴编码器应用以及线性磁性光栅应用的绝对位置输出。
基于交替磁极方向偶极子场图案的旋转和线性磁性编码器现在普遍使用，诸如电机和粒子束物理学。它们可以通过离轴工作来实现高分辨率。这种高分辨率是通过增加图案直径或减小偶极子特征尺寸来实现的。这些提高分辨率的方法通过增加“光栅”直径和/或降低对准公差而对相关联的编码器设计和应用产生不利影响。这些不良的灵敏度是由于基于交替偶极子的磁性编码器本质上是包裹成环形的线性编码器。因此，当唯一用于检测的运动是旋转时，它们对平移很敏感。
本文所描述的是采用Halbach设计的偶极子磁体的编码器。这种磁体设计比其他偶极子设计具有优势，因为它在传感器区域内提供非常均匀的偶极子场，从而实现高偶极子场保真度。它在Halbach元件外部的磁场几乎为零，与附近其他磁性编码器的串扰较低，并且当Halbach元件被含铁支架包围时，它使得该元件对外部场干扰的敏感性大大降低。与其他交替偶极子磁性编码器相比，本公开的编码器提供了真正的同轴或离轴设计、更好的偶极子保真度、自屏蔽、低功率、更好的对准公差和更小的尺寸。
为了实现更高的分辨率，可以设计具有叠加多极设计的Halbach元件(四极子使分辨率变为两倍，六极子使分辨率变为三倍等)。作为示例，当由磁性场幅度传感器感测到时，四极子每转产生一个位于共模单周期正弦波上的两周期正弦波。因此，编码器仍然是绝对的，但使用四极子组件使分辨率变为两倍。这两个“轨道”本质上是锁定在一起的，以实现具有更高分辨率的绝对编码器。
该编码器以小尺寸提供高分辨率旋转编码，并且允许较宽的对准公差。它适用于诸如手术机器人之类的应用、以及需要小尺寸、宽对准公差和对磁场不敏感的其他机器人应用。此外，该编码器非常适用于诸如手术机器人之类的应用，在该应用中，多个运动轴聚集在紧凑的组中，这增加了使用典型磁性编码器时位置传感器串扰的可能性。它还特别适于用作集成到功耗极小的微型电机中的位置反馈。
附图说明
从如附图所示的本发明的具体实施例的以下描述中，前述和其他目的、特征和优点将变得显而易见，附图中相似的附图标记在不同视图中指代相同的部件。
图1是Halbach磁性位置传感器的示意图；
图2是Halbach磁性元件的磁场图；
图3和图4分别是Halbach元件和简单偶极子的场线的示意图；
图5和图6分别是在附近含铁材料存在的情况下Halbach传感器和简单偶极子的场线的示意图；
图7是Halbach磁性位置编码器的跳动影响的示意图；
图8是在附近磁性偶极子存在的情况下屏蔽式Halbach编码器的示意图；
图9是八极子圆形Halbach编码器的位置信号的曲线图；
图10是偶极子圆形Halbach编码器的位置信号的曲线图；
图11是具有与四极子叠加的偶极子的圆形Halbach编码器的位置信号的曲线图；
图12是具有与八极子叠加的偶极子的圆形Halbach编码器的位置信号的曲线图；
图13和图14是基于离轴Halbach的磁性位置编码器的示意图；
图14和图16是分离式磁体Halbach元件及其各自的场区域的示意图；
图17是偶极子场与分离式磁场的曲线图；
图18至图19是线性交替偶极子磁性元件的示意图；
图20至图21分别是交替偶极子元件和线性Halbach元件的磁场线的示意图；
图22至图23是线性Halbach磁性元件的示意图。
具体实施方式
基于Halbach的磁性位置传感器包括：Halbach磁性元件，沿一定范围具有空间旋转磁化图案，该空间旋转磁化图案相对于非工作侧上的磁场在工作侧上产生聚集并增强的磁场。工作侧上的感测元件与Halbach磁性元件共同配置以用于其间的相对运动。感测元件包括编码器电路和磁性传感器，该磁性传感器感测工作侧磁场并且产生对应的传感器信号。编码器电路将传感器信号转换成指示感测元件和Halbach磁性元件之间的相对位置的位置信号。
在一个示例中，Halbach磁性元件具有闭合曲线(例如，基本上圆形或环状，参见图1)配置，其中感测元件位于同轴配置的内部区域(“孔”)中。在另一示例中，Halbach磁性元件具有线性形状和范围(参见图21至图23)。
图1是示例基于Halbach的磁性位置编码器(在本例中是旋转编码器)的示意图。旋转编码器包括配置为Halbach阵列的磁性元件10和配置为相对旋转的磁性传感器12(即，阵列10绕固定传感器12旋转，或反之亦然)。Halbach阵列10是利用以空间旋转磁场矢量方向布置的永磁体(在该示例中为8个)的磁性阵列。它具有在一侧(“工作侧”)聚集和增强磁场，同时在另一侧(“非工作侧”)抵消磁场的作用，这可以在Halbach阵列10内部产生高度均匀且平行的场线。基于Halbach的编码器可以用于绝对角度测量，其优点之一是它对未对准高度不敏感(即，即使当阵列10和传感器12不完美对准时它也产生准确的位置指示)。
图2是图1的示例Halbach阵列10的磁场图。对于理论上的Halbach元件来说，其偶极子取向围绕其圆形范围连续变化，磁体的外部实际上不存在磁场，并且磁场完全包含在磁体的孔内。图1至图2描绘了Halbach阵列10由多个(8个)离散线性段形成的示例。这导致分段Halbach磁体外部的磁场没有被完全抵消。备选地，如下所述，Halbach元件可以以更连续磁化的方式形成，这可以进一步改善工作侧磁场和非工作侧上的磁场抵消。
基于Halbach的编码器在上述方面有几个优点：
a.Halbach元件外部产生的磁场较低或不产生磁场，因此允许其他磁性编码器放置在附近，而不会产生明显的串扰。图3和图4示出了这一特征。图3示出了在本例中具有连续磁化配置的Halbach元件的紧凑场图案，而图4示出了简单偶极子磁体的更广阔的场图案。
b.含铁材料与磁场相互作用，导致传感器处出现畸变。由于Halbach元件外部没有磁场，因此附近的含铁材料对Halbach元件内部的磁性传感器没有影响。图5和图6对此进行了说明。图5示出了附近含铁材料20对Halbach元件的紧凑场图案的最小影响，而图6示出了对简单偶极子磁体的场图案的较大影响。
c.圆形Halbach元件在其孔内产生非常均匀的场。因此，传感器不需要在X、Y或Z维度上完美地位于磁体的中心。因此，它允许较宽的对准范围而不影响精度。
d.Halbach磁体中存在较大的均匀磁场区域，即使在由于安装或系统对准挑战(诸如动态跳动)而导致未对准的情况下，也能实现稳定的位置编码器精度。图7对此进行了说明。在这些图像中，传感器以X-Y网格的原点为中心，并且来自磁性阵列的场线在该相同网格上以圆圈表示。顶行示出了理想的对准，而底行则示出了一种称为“跳动”的未对准类型。尽管如底行所示由于跳动而导致未对准，在整个360度旋转过程中，原点(传感器位置)处的场线的角度与顶行的理想对准情况下的场线的角度保持相同。
e.Halbach元件的使用还可以允许设计人员更加灵活地通过权衡磁体结构的长度和宽度来满足特定应用的尺寸限制，以实现适当的磁场和传感器限制。
图8描绘了采用含铁外壳32进行屏蔽的基于Halbach的编码器30。这种布置可以表现出以下特性和优点：
a.围绕圆形Halbach元件的外壳32向结构提供机械稳定性。
b.使用含铁材料作为外壳还具有屏蔽传感器免受外部磁场影响的额外好处。图8描绘了由附近的单独的磁性元件34产生的这种外部场。由于Halbach磁体在永磁体圆柱体的外部(非工作侧)上磁场很小或没有磁场，因此外壳32仅需要承载足够的通量来容纳干扰场以充当屏蔽。因此，屏蔽32可以非常小，同时对相同的干扰磁场保持高效。
c.含铁外壳32优选地与Halbach元件一起旋转，使得编码器不受含铁外壳32的磁滞效应的影响。由于Halbach元件外部缺少磁场，因此其他含铁物体不会引起磁滞。
图9至图12示出了如何使用圆形Halbach元件来提高同轴编码器分辨率。由于每次物理旋转会经过更多周期，因此增加圆形Halbach元件中的极数会提高分辨率。
a.图9示出了示例8极(“八极子”)圆形Halbach元件，该元件通过每转提供四个周期使分辨率变为四倍。
b.图10至图12示出了每周期一次偶极子叠加在每转多周期多极子上，这可以在不丢失绝对位置的情况下实现更高的分辨率。图10示出了隔离的偶极子图案，该偶极子图案可以通过示例从彼此成180度定向的两个传感器生成。图11示出了偶极子特性与单独的四极子图案的叠加，并且图12示出了偶极子特性与单独的八极子图案的叠加。
c.在所有上述情况下，可以使用一种传感器并且适当选择Halbach设计系数来对偶极子和多极子轨道进行相位解调。
图13至图14示出了Halbach元件用于离轴位置编码器应用。在上述实施例中，磁性传感器12与正在测量角度的轴或其他旋转构件的旋转中心对准。在其他情况下，传感器12可以不与旋转中心对准，而是定位在距旋转中心一定径向距离处；这些实例被称为“离轴”。在一个示例中，对于传感器/磁体无法位于旋转轴上的开放式电机，必须使用离轴编码器配置。这些旋转磁性离轴方法对径向和轴向轴承刻度跳动很敏感。此外，随着刻度的偶极子空间周期变小，Z轴上的位置公差也变小。
离轴Halbach配置可以具有以下优点：_
a.Halbach元件磁体设计允许磁场位于磁性阵列的内部或外部，从而减轻了径向对准公差。在Halbach元件外部，传感器可以沿直径安装，或者安装在Halbach磁体上方，从而提高了设计灵活性。图13和图14示出了示例配置。
b.多极子Halbach设计本身可实现更高的正弦/余弦周期分辨率。
c.将偶极子分量叠加到多极子上可以实现更高的分辨率，而不会丢失绝对位置。
图15至图17示出了Halbach分离式同轴磁体布置的使用。图15示出了两磁体阵列40，并且图16示出了四磁体阵列42。在Halbach元件无法包围传感器的应用中，可以使用分离式磁体设计。这将磁体之外的偶极子场投射到一个表面上。请注意，在这些示例中，虽然偶极子场延伸超出归一化体积，但分离式磁场包含在相同体积内。这表明多个分离式配置可以比偶极子配置更紧密地结合在一起使用。
图17是示出了分离式磁体增强了磁场使得其在x和y方向上快速衰减同时在特定z高度处提供所需的磁场水平的曲线图。这使得其他磁体编码器轴比偶极子磁体能够更紧密地排列在一起。
图18至图21示出了线性Halbach阵列用于线性磁性“光栅”(即，提供光学光栅的磁性模拟的元件，产生可以被感测的能量的空间变化图案)。图18和图19示出了由所示的交替偶极子周期组成的常规的线性磁性光栅50、52。为了提高系统的分辨率，对于类似尺寸的光栅，可以压缩更多的偶极子周期(图19)。但这减少了光栅上方的场区域的范围，导致传感器必须越来越靠近光栅。这使得小偶极子周期光栅的应用极其困难。图20至图21示出了使用Halbach线性阵列可以极大地增加“光栅”表面上方的灵敏度区域，从而允许更小的空间周期和/或更低的传感器对准灵敏度。与图20所示的偶极子光栅的场图案相比，图21示出了Halbach光栅的图案一侧具有更高的灵敏度(图中向上)。
此外，线性Halbach阵列将“光栅”感测区域下方的磁场降至零，从而减少了与其周围任何含铁金属环境的相互作用。事实上，它可以消除对含铁背衬的需要，含铁背衬通常用于增强测量区域中的偶极子场并且屏蔽背面区域。因此，Halbach光栅可以避免与使用含铁背衬相关联的成本和复杂性。
图22至图23示出了Halbach阵列用于“绝对”线性光栅。图22示出了在360度上仅具有四个偶极子的相当粗略的配置60。但可以将偶极子配置“拉伸”到长段磁体材料上，然后可以将其用作绝对位置轨道(在360度范围内仅有一个完整图案重复)。图23示出了具有更多偶极子的拉伸配置62的示例，其具有更细粒度的角度跃迁并且在更大长度上延伸。这种“拉伸”偶极子布置可以用作第二轨道以跟踪绝对位置。它还可以叠加在频率更高的Halbach轨道上，将两个轨道之间的相位关系锁定在一起，从而在保持绝对位置数据的同时提高分辨率。
下面总结了可以在实施例中实现的某些特征和优点：
a.无外部磁场，使用Halbach偶极子
b.偶极子叠加到更高阶配置(六极子、八极子等)
c.含铁屏蔽集成到磁体支架中
d.长空间周期偶极子用于绝对线性光栅
e.多种配置可以使用通用传感器
f.非常高的编码器封装密度
g.很少或没有外部磁场
h.工作磁场对于大对准公差来说非常均匀
i.在干扰磁场或含铁金属存在的情况下稳定运行，而无需针对每种应用进行定制
j.高分辨率，低精度误差
k.Halbach配置可以适应不同的传感器方向
i.由于磁体是Halbach元件，因此它允许对磁性传感器电输出信号进行更大程度的调制——所有产生的磁场都位于传感器的敏感方向。
虽然已经具体示出和描述了本发明的各种实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。
Claims (12)
1.一种基于Halbach的磁性位置传感器，包括：
Halbach磁性元件，沿其范围具有空间旋转磁化图案，所述磁化图案相对于非工作侧上的磁场有效地在所述Halbach磁性元件的工作侧上产生聚集并增强的磁场；以及
感测元件，在所述Halbach磁性元件的所述工作侧上并且与所述Halbach磁性元件共同配置以用于其间的相对运动，所述感测元件包括编码器电路和一个或多个磁性传感器，所述传感器被配置为感测所述工作侧磁场并且产生对应的一个或多个传感器信号，所述编码器电路被配置为将所述传感器信号转换成指示所述感测元件和所述Halbach磁性元件之间的相对位置的一个或多个位置信号。
2.根据权利要求1所述的基于Halbach的磁性位置传感器，其中，所述Halbach磁性元件具有弯曲形状，所述弯曲形状具有弯曲范围，并且所述弯曲形状将内部区域限定为所述工作侧，并且将外部区域限定为所述非工作侧。
3.根据权利要求2所述的基于Halbach的磁性位置传感器，其中，所述Halbach磁性元件具有围绕所述内部区域的闭合曲线配置。
4.根据权利要求3所述的基于Halbach的磁性位置传感器，其中，所述Halbach磁性元件具有连接在一起以提供所述闭合曲线配置的多个线性段。
5.根据权利要求4所述的基于Halbach的磁性位置传感器，其中，所述线性段中的每个线性段具有对应的偶极子磁化，所述偶极子磁化是所述空间旋转磁化图案的对应分量。
6.根据权利要求3所述的基于Halbach的磁性位置传感器，其中，所述Halbach磁性元件在其弯曲形状上具有连续磁化配置。
7.根据权利要求2所述的基于Halbach的磁性位置传感器，具有同轴布置，在所述同轴布置中，所述感测元件和所述Halbach磁性元件与旋转位置将被感测的旋转构件的旋转轴线对准。
8.根据权利要求2所述的基于Halbach的磁性位置传感器，具有离轴布置，在所述离轴布置中，所述感测元件远离旋转位置将被感测的旋转构件的旋转轴线。
9.根据权利要求2所述的基于Halbach的磁性位置传感器，其中，所述Halbach磁性元件具有多极配置，以产生具有多极分量的所述工作侧磁场，所述多极分量在所述感测元件和所述Halbach磁性元件之间的相对旋转的一个周期内具有多于两个变化周期。
10.根据权利要求9所述的基于Halbach的磁性位置传感器，具有所述多极分量与偶极子分量的叠加，所述偶极子分量提供第一分辨率的绝对位置指示，所述多极分量提供更精细的第二分辨率的增量位置指示。
11.根据权利要求1所述的基于Halbach的磁性位置传感器，其中，所述Halbach磁性元件具有线性形状，所述线性形状具有线性范围，并且所述线性形状将一侧限定为所述工作侧，并且将第二侧限定为所述非工作侧。
12.根据权利要求11所述的基于Halbach的磁性位置传感器，其中，所述Halbach磁性元件具有拉伸配置，所述拉伸配置在所述空间旋转磁化图案的一个周期内具有多于四个偶极子角度跃迁。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |