CN202847951U - 多磁块均匀分布的转盘式传感元件 - Google Patents

Abstract

本实用新型多磁块均匀分布的转盘式传感元件属于磁感应提供信号的技术领域，特别是涉及在一个转动部件上，进行多点位磁感应提供控制信号的技术。转动盘上固定设置有圆环形分布的多个永磁块，在转动盘的某一面，相邻永磁块的磁极性相反，即转动盘的某一面上全部永磁块的磁极性分布方式是N极、S极、N极…；霍尔设在接近永磁块的位置。优点：利用相邻永磁块磁极性成NS的相反分布方式，使霍尔可获得矩形波信号，便于可对信号进行数字处理。

Description

多磁块均匀分布的转盘式传感元件

技术领域

本实用新型属于磁感应提供信号的技术领域，特别是涉及在一个转动部件上，进行多点位磁感应提供控制信号的技术。

背景技术

野宝车料工业（昆山）有限公司申请的中国专利201020295192.0《勾爪式力矩传感装置》公开了一种助力自行车用传感装置，传感装置包括磁性件和弹性件配合，感受力矩的传感装置。使用时间长后，弹性件的弹性系数变化就会导致传感信号与被控电机的控制效果发生变化，助力效果变得与人的助力需要不配合。而且用弹性件的设计结构复杂，制造成本高。

北京科技大学申请的中国专利01201843.0《电动助力自行车自动检测装置》公开了一种电动助力自行车自动检测装置，无接触检测蹬力、速度和转向，该装置在相对运动的内、外轮盘上分别设磁片，内轮盘上有弹簧，内、外轮盘之间用弹簧复位，用支架上的两个霍尔测内、外轮盘上相对运动的磁片产生的电信号表示蹬力、速度和转向。

缺点（1）用弹性件不耐久：使用时间长后，弹性件的弹性系数变化就会导致传感信号与被控电机的控制效果发生变化，助力效果变得与人的助力需要不配合，结构复杂，成本高。

缺点（2）输出正弦波使磁片组边缘距离不能小于4厘米，一般以5厘米为佳，而使可设磁片组数太少，人机配合不理想：各磁片组相同，则霍尔输出的是正弦波作为控制信号，作为控制信号正弦波必需有一定峰谷差值，由于该专利的磁片组需要一定长度表示正反向运动，在直径为20厘米的转动盘圆形轨迹上最多设8个磁片组，一般以5个为佳，霍尔才能有控制功能的正弦波信号。也就是说，01201843.0专利的这种技术方案，用于助力自行车，磁片组数量受限止在8个以内，控制信号太少，人机配合不理想。但如果多于8个磁片组，在人踏车较快时，霍尔输出的信号图形接近为一条水平线，该信号没有控制功能，不能控制电动机，使其特别需要助力时，失去助力功能。

缺点（3）信号盲区达45度角，启动时需要助力的时候确得不到助力：众所周知，人踩自行车脚踏板在顶点力矩最小，从离开顶点10-45度角是最需要助力的区域，但该专利各磁片组之间的夹角为45度，在脚踏板离开顶点10-45度角区域没有一个磁片组，也就没有一个控制信号，其结果是最需要助力的时候，但助力自行车的电机确不能助力。

总之，除用弹性件不耐久又结构复杂外，因霍尔与磁片组的配合结构特点，转盘大小直径为20厘米以内，限止了磁片组数量为8组，磁片组数不能随意增加，使人机配合不理想，而且启动时得不到助力，助力需求与提供助力不匹配，骑车人的舒适性差；如强行增加磁片组数量，其传感信号又失去助力控制功能。

 王乃康申请的中国专利03264387.X《时间型电动助力自行车传感器》公开了不用弹性件，只用动、定两个转盘，动盘上面镶嵌两个永磁磁钢，定盘上面镶嵌三个霍尔元件，自行车踏板转一周，每个霍尔产生两个脉冲，则三个霍尔元件产生六个脉冲。分折可得三个特点，四个缺点如下：

特点（1）为获得六个脉冲信号，只能是各永磁磁钢相同磁极在一面：每个霍尔要产生两个脉冲，则只能是两个永磁磁钢的相同磁极设在动盘的同一面，即在动盘的某一面，两个永磁磁钢都是北极或都是南极。假如在动盘的同一面，一个永磁磁钢为北极，另一个为南极，则踏板转一周，每个霍尔就只能产生一个脉冲，三个霍尔就只有三个脉冲，这就不合乎该专利说明书记载了。为了增加脉冲数，提高控制效果，只能是各永磁磁钢相同磁极在一面。

特点（2）永磁磁钢用于表示踏板固定位置，三个霍尔表示踏板运动位置：由于踏板与动盘是同步转动，所以在与两个踏板对应的动盘上两个位置分别固定一个永磁磁钢，某一个踏板转在什么位置，则对应的永磁磁钢也转在什么位置；但只有转在有霍尔的位置，才能通过霍尔发出控制信号，指挥助力自行车的电机产生需要的助力转动。

特点（3）因为一个霍尔不能表示转一周中不同时段踏板运动的位置，则就不能只用一个霍尔：踏板在转一周中的不同时段，对助力需求是有很大差别的，要体现这种助力需求的变化，该专利用三个霍尔分别设在180度角以内的三个位置，两个永磁磁钢分别设在两个踏板位置，踏板转在有霍尔的位置，该霍尔就输出信号表示踏板到达了该霍元的位置。但用多个霍尔又存在下面的缺点。

作为助力自行车传感器的这些特点会有三个缺点：

缺点（1）用两个没有差异性的永磁磁钢分别表示两个踏板的固定位置，就只能用多个霍尔来表示踏板的转动位置：两个永磁磁钢没有差异性，优点是可以不分左右脚的分别表示两个踏板的固定位置，使其左右脚发生助力需求，可产生相同的电机助力效果；但缺点是永磁磁钢本身就不能表示踏板的转动位置，而只能用多个霍尔设在不同的转角位置来表示踏板的转动位置，所以不能只用一个霍尔，而必需用多个霍尔。

缺点（2）不能只用一个霍尔，而三个霍尔必然造成三个控制信号有原始分段误差，使助力需求模型失真，自然产生助力输出与助力需求不一致：助力自行车不论是一个或两个电机，其控制电机的传感信号只能用一个传感信号输入电机控制器才能达到控制电机的目的；而该专利用三个霍尔控制电机，则必需把三个霍尔的三个控制信号合并为一个合并控制信号后才能输入电机控制器。三个霍尔的传感参数不可能一样，特别是由于环境温度变化、使用时间长后，三个霍尔的传感参数可能差异很大，其结果造成相同的助力需求时，不同霍尔的输出的是不同电压，导致电机产生不同的助力输出，助力输出与助力需求不一致；同理相同的助力需求时，不同霍尔的输出的又可能是相同电压，导致电机产生同一种助力输出，也产生助力输出与助力需求不一致的问题。

缺点（3）合并控制信号易产生信号漂移，使合并控制信号与电机控制器不匹配，助力需求模型失真：由于环境温度变化、使用时间长后，三个霍尔的传感参数可能差异很大，三个霍尔的三个控制信号连接点必然变化，则相同的助力需求产生的合并控制信号就会产生分段性的信号漂移，合并控制信号作为一整体产生信号失真，即助力需求模型失真，造成电机控制器选用三个控制信号的任何一个作为基准都会产生助力输出与助力需求不一致的问题。

缺点传感位点不能随意增加，传感位点太少，电机运行就不平稳，使骑车的人感觉很不舒服：由于有缺点（1）和缺点（2）都最因为霍尔数量大于一个造成的，很明显霍尔数量越量越多，缺点（1）和缺点（2）表现越严重。所以，该专利提供的助力自行车只能是使骑车的人感觉舒适性很不好的助力自行车。

缺点（5）信号盲区达42度角，启动时需要助力的时候确得不到助力：众所周知，人踩自行车脚踏板在顶点力矩最小，从离开顶点10-45度角是最需要助力的区域，但该专利各霍尔之间的夹角为42.5-43.5度，在脚踏板离开顶点10-42度角区域没有一个霍尔，也就没有一个控制信号，其结果是最需要助力的时候，但助力自行车的电机确不能助力。

总之，该专利是用多个霍尔控制助力模式的技术方案，因为只能用多个霍尔来表示踏板的转动位置，多个霍尔的多个控制信号必然有原始误差，其合并控制信号又易产生信号漂移，都可造成助力需求模型失真，即不同时间的相同助力需求，但获得不同的助力效果；霍尔数量越量越多，助力需求模型失真越严重，限止了尔了数量，霍尔少数量了又产生电机运行就不平稳，使骑车的人感觉很不舒服，而且启动时得不到助力。使其要助力需求模型不失真，和要电机运行平稳这两个问题上总是顾此失彼，不可兼得。

发明内容

本实用新型的目的是提供只用一个霍尔和转动盘上各个永磁块获得速度和加速度信号的传感元件，是一种在可感应区域内，能尽量增加永磁块数量，最大限度利用转动盘位移信息，输出信息多的传感元件。使用在助力自行车上，不用弹性件和其它机械测定力矩，电机运行平稳的助力自行车传感器用传感元件。

本实用新型的构思是：在一个霍尔可感受范围内，一个转动盘上用相同的多个永磁块进行磁极性变化，使霍尔产生的信号为矩形波，控制功能更强、数量更多。对于助力自行车，表达脚踏板运动状态的信息量更多。

本实用新型的结构是： 

多磁块均匀分布的转盘式传感元件，包括一块转动盘1和多枚永磁块2，多枚永磁块2的大小相同、形状相同、磁通量相同，其特征在于：转动盘1上固定设置有多枚永磁块2，该多枚永磁块2均匀地呈圆形轨迹分布，即每枚永磁块2到圆形轨迹线5所在圆中心的距离相同、相邻两枚永磁块2之间的距离相同；在转动盘1的某一面，相邻永磁块2的磁极性相反，即转动盘1的某一面上全部永磁块2的磁极性分布方式是N极、S极、 N极、S极、 N极、S极……；

还包括一个霍尔3，霍尔3位于转动盘1的某一面，霍尔3设在接近永磁块2并能感受永磁块2磁通量的位置，霍尔3与永磁块2之间有间距；霍尔3是对相反磁极性产生矩形波输出信号的霍尔。

转动盘1可以是塑料板、高强度绝板、铜板、铝板等不易变形的材料板。使用传感元件时，转动盘1要转动，转动的中心就是多个永磁块2成圆环形分布所在圆的中心。

多个永磁块2在圆环形6范围内，成圆环形分布的目的在于可以只用一个霍尔3感受转动盘上全部永磁块2的运动状态，即感受转动盘上全部永磁块2的运动位置和速度，以及速度的变化，或称加速度，这一个霍尔3就能把永磁块2的运动状态用一个连续的电信号来表达，又因为全部永磁块2是分别固定在转动盘即转动盘1上的，则霍尔3产生的连续电信号就能表达转动盘的运动状态。如果把这个连续电信号用于控制其它物体，这个连续电信号就是控制信号。如果用于控制助力自行车的电机，还需要用单片机或其它电子元件作为传感信号处理器，把控制信号中的位置、速度、加速度要素转换成需要助力多少的助力信号，换算的函数就是助力需求模型，或称助力模型。

霍尔3设在接近永磁块2并能感受永磁块2磁通量的位置，目的在于用霍尔3感受永磁块2的运动状态，从而感受转动盘1的运动状态，即运动位置、速度、加速度。

相邻永磁块2的磁极性相反是很重要的技术特征，全部永磁块2的磁极性分布方式是N极、S极、 N极、S极、 N极、S极……，使霍尔3输出高、低相间的矩形波信号，因为作为大小受限止的转动盘，转动一周要获得尽量多的精确变化信号，当然应是选用矩形波。矩形波信号的峰谷值变化的时间短，可在一定的时间内，产生尽量多的有控制意义的信号。相邻永磁块2的磁极性相反的结构产生矩形波，而相邻永磁块2的磁极性相同的结构产生正弦波，特别是用于助力自行车时，作为传感部件的转动盘一般限止在直径为10-15厘米，在这种限范围要获得有控制功能的信号，转动一周，产生矩形波比产生正弦波可提供的脉冲个数多7-9倍。自然，相邻永磁块2的磁极性相反的结构对助力自行车的控制效果更的，人与车配合更好，乘骑人感觉更舒服。

霍尔3设在正对多枚永磁块2的圆形轨迹线5的位置。因为霍尔3是能有间距感受永磁块2磁通量而输出电信号的部件，又为了尽量减小永磁块2的体积，使其在转动盘1上尽量多的设置永磁块2，使尽量减小的永磁块2都能被霍尔3感应；霍尔3应设在正对圆形轨迹线5的位置，而且最好设在接近能贯穿全部永磁块2的圆形轨迹线的位置。

转动盘1在多枚永磁块2的圆形轨迹线5所在圆范围内设有中心孔。如果转动盘1要穿套在一个转动轴上使用，转动盘1上就要设一个穿套转动轴的孔；为保证转动盘1在随转动轴转动时，霍尔3能感受转动盘1上每个永磁块2的运动信号，则转动盘1上的穿套孔应设在多个永磁块2的圆形轨迹线5所在圆范围的中心，成为中心孔。也就是说，中心孔不一定是圆形，可以是方形、三角形等形状，以便可以与方形、三角形等形状的转动轴相套，但中心孔的内空一定包括圆形轨迹线5所在圆的中心，才能使用一个霍尔3感受转动盘1转动盘上全部永磁块2的运动信号。

转动盘1是不导磁材料的塑料板、铝材板、铜材板的某一种。由于本实用新型是相邻永磁块2的磁极性相反的结构，能使相邻永磁块2的边缘几乎可相贴也能使霍尔3输出有控制功能的电信号。最好用不导磁材料的塑料板、铝材板、铜材板，或其它不易变形的转动盘。

本实用新型的优点：结构简单、成本低、永磁块环上的永磁块数量不受限止、输出标准的脉冲信号、没有信号盲区、只用一个霍尔的一组输出信号就能完全表示动盘的全部运动状态、输出信号不会失真不漂移，用于助力自行车，使助力输出与助力需求能高度配合而使骑车人感觉很舒服。

（1）结构简单，不用弹性件，无机械故障：用霍尔感受多个永磁块转动输出信号，用中国专利01201843.0提供的速度可推算力矩的原理，可用多种数学模型推算助力自行车的力矩参数，用于控制助力自行车的电机，实现助力。不用弹性件、结构简单、成本低于用弹性件和机械受力的传感器。避免了长时间使用后，各机械部件变形、无机械故障、配合不佳的问题。

（2）磁极性相反，输出矩形波信号，具有精确控制功能，：由于相邻两枚永磁块的磁极性相反，并且霍尔选用对相反磁极性产生矩形波输出信号的霍尔，则相邻两枚永磁块无论间距多少，即使相邻两枚永磁块之间没有间隙，霍尔也同样能输出矩形波信号。如用于助力自行车，用矩形波的输出信号来控制助力自行车的电机优于用正弦波，因为矩形波能作到信号在任何时间点，表示运动位置和速度的信号含义精确，从而可精确表示助力自行车踏板的运动位置和速度，以便用踏板精确的位置和速度推算出该运动状态正确的助力需求。

（3）相邻永磁块的磁极性相反，永磁块数量不受限止，可尽量增加传感点位：由于磁极性相反，输出矩形波信号，相邻永磁块即使无间隙，其输出的信号仍然是有个数、可区分的矩形波信号，仍然具有控制功能，也就是说不会输出没有控制功能的无变化直线形信号。如用于助力自行车，由于与踏板联动的转动盘直径大小受限止，就可在规定大小的转动盘上，尽量增加永磁块数量、尽量增加传感点位、用尽量多的传感信号表示自行车踏板运动位置和速度，精确表示运动状态。

（4）相邻永磁块的磁极性相反，可设置永磁块多、传感点位多，对转动盘的运动状态表示精确：对用于助力自行车，固定永磁块的转动盘大小受到严格限止，一般转动盘直径只能在10-15厘米以内，为了使霍尔在有间距的条件下获得永磁块的磁极信号，其永磁块的直径至少为Ф0.6-0.8厘米，则直径10-15厘米的转动盘的周边无间隙的可设置35-73个永磁块［（10-1）*3.14/0.8=35；（15-1）*3.14/0.6=73］，即脚踏板转一周，霍尔可获得35-73个信号用于控制助力自行车的电机。但如果是相邻永磁块磁极性相同的现有技术，相邻永磁块按5厘米间距，则在直径10-15厘米转动盘上，最多只能设置5-8个永磁块［（10-1）*3.14/5.8=5；（15-1）*3.14/5.6=8］。可见，本专利技术比现有技术可以多设置永磁块7-9倍［35/5=6；73/8=9］，多设置30-65个永磁块［35-5=30；73-8=65］。所以，转动盘转一周，本专利技术比现有技术增加了7-9倍的转动盘转动位点信号。对助力自行车的电机控制精确度自然提高了7-9倍，使骑车人对助力需求精确度也提高了7-9倍，车与人的配合程度大大提高，骑车人的舒适感大大增加，不再是现有技术的助力车那种一快一慢不舒服的感觉。本实用新型请人根据实际的体验，当转动盘上大致均匀的设置15个永磁块时，基本消除了现有技术只设5-8个永磁块使助力车那种一快一慢不舒服的感觉；当转动盘上大致均匀的设置20个永磁块时，车与人的配合己能满足人的需要，乘骑助力车的感觉已很舒服。

（5）没有信号盲区，任何时候的助力需求都会获得相匹配的助力：本专利在直径10-15厘米的转动盘周边最多可设置35-73个永磁块，各永磁块之间平均夹角为5-10度。用于助力自行车，在启动或运行时，脚踏板从离开顶点10-45度角的35度区域内，有4-7个永磁块（在离开顶点10度角的位置就有一个信号了），则霍尔可输出4-7个控制信号反应助力需求，能实现任何位置、任何时间有助力就能获得相应助力的优良技术效果，使车与人的配合良好，骑车人感到省力又舒适。

（6）只用一个霍尔，一个控制信号表示转动盘的全部运动状态，控制信号与转动盘的运动状态完全一致，控制信号与人的需求完全一致：多个永磁块是固定在转动盘上的，永磁块与转动盘同步转动，用一个霍尔感受全部的永磁块运动信号，则霍尔输出的控制信号与转动盘的运动状态完全一致，与人的需求也就完全一致，控制信号不会有原始分段误差和信号漂移问题。即使霍尔传感参数发生变化，也是整个控制信号平行移动，只要接收霍尔控制信号的电机控制器的接收范围较宽，变化了的霍尔控制信号的控制效果成系统性改变。如用于助力自行车，助力需求模型不会失真，助力输出与助力需求仍然保持原来模型的匹配关系，骑车人很容易掌握这种助力性能的系统性改变。

附图说明

图1是转动盘上均匀分布多个N-S交替永磁块的传感元件结构示意图；

图2是转动盘上高密度均匀分布多个N-S交替永磁块的传感元件结构示意图。

图中1是转动盘、2是永磁块、3是霍尔、5是圆形轨迹线。

具体实施方式

实施例1、多磁块均匀分布的转盘式传感元件

如图1，用一个高强度塑料注塑成形直径10.0厘米转动盘1上固定设置有20个永磁块2。

全部永磁块2均匀地呈圆形轨迹分布，每个永磁块2固定在直径9.0厘米圆形轨迹线5上，即每个永磁块2到圆形轨迹线5所在圆中心的距离相同、相邻永磁块2之间的距离相同。

全部永磁块2均匀地呈圆形轨迹分布，每个永磁块2固定在直径9.0厘米圆形轨迹线5上，即每个永磁块2到圆形轨迹线5所在圆中心的距离相同、相邻永磁块2之间的距离相同。

在转动盘1一个面设置的全部永磁块2成相邻永磁块2的磁极性相反的方式排列，即转动盘1一个面上全部永磁块2的磁极性分布方式是N极、S极、 N极、S极、 N极、S极……。

用一个霍尔3设在转动盘1有永磁块2的那一面，霍尔3设在接近永磁块2的位置，即霍尔3设在每个永磁块2所在圆形轨迹线5范围内，霍尔3与转动状态的每个永磁块2保持0.3厘米的间隔距离，使转动的每个永磁块2在经过霍尔3时，霍尔3能产生一个对应的矩形波电信号输出。

转动盘1在该全部永磁块2所在圆形轨迹线5中心设有中心孔，中心孔用于套在助力自行车的踏板中轴或转轮转轴上用。

实施例2、高密度多磁块均匀分布的转盘式传感元件

如图2，一块直径10.0厘米的高强度铝材转动盘1的一个面设置直径0.4-0.6厘米的40个永磁块2。永磁块2的磁通量为146---279(B·H)max/KJ·m^-3中的某一个值，霍尔3与转动状态的每个永磁块2保持0.2厘米的间隔距离，使转动的每个永磁块2在经过霍尔3时，霍尔3能产生一个对应的矩形波电信号输出。其它转动盘1、永磁块2、霍尔3的结构同于实施例1。

Claims (4)

1.多磁块均匀分布的转盘式传感元件，包括一块转动盘（1）和多枚永磁块（2），多枚永磁块（2）的大小相同、形状相同、磁通量相同，其特征在于：转动盘（1）上固定设置有多枚永磁块（2），该多枚永磁块（2）均匀地呈圆形轨迹分布，即每枚永磁块（2）到圆形轨迹线（5）所在圆中心的距离相同、相邻两枚永磁块（2）之间的距离相同；在转动盘（1）的某一面，相邻永磁块（2）的磁极性相反；

还包括一个霍尔（3），霍尔（3）位于转动盘（1）的某一面，霍尔（3）设在接近永磁块（2）并能感受永磁块（2）磁通量的位置，霍尔（3）与永磁块（2）之间有间距；霍尔（3）是对相反磁极性产生矩形波输出信号的霍尔。

2.根据权利要求1所述的多磁块均匀分布的转盘式传感元件，其特征在于：霍尔（3）设在正对多枚永磁块（2）的圆形轨迹线（5）的位置。

3.根据权利要求2所述的多磁块均匀分布的转盘式传感元件，其特征在于：转动盘（1）在多枚永磁块（2）的圆形轨迹线（5）所在圆范围内设有中心孔。

4.根据权利要求3所述的多磁块均匀分布的转盘式传感元件，其特征在于：转动盘（1）是不导磁材料的塑料板、铝材板、铜材板的某一种。

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