CN211783519U - 轴端齿形光电位置传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种轴端齿形光电位置传感器。该技术方案在电机轴端部通过切削方式形成相互间隔的缺陷部和齿形部；其中齿形部的末端为电机轴光滑端面的一部分，因此当光电发射器的射线投射到齿形部时，射线会得到平面反射，从而到达特定位置的光电接收器中，而当光电发射器的射线投射到缺陷部上时，射线不会受到平面反射，而是被缺陷部内表面反射到其他位置，从而不被光电接收器接收；基于这种原理，由于缺陷部和齿形部相互间隔，因此光电接收器接收到的信号会交替出现，进而根据电信号的变化情况判断转轴位置。本实用新型不仅实现了对转轴位置的精准监测，而且无需在高速电机转子上附加机械设备，同时避免涂覆吸光材料，因而具有更好的运行稳定性。

Description

轴端齿形光电位置传感器

技术领域

本实用新型涉及转子位置传感器技术领域，具体涉及一种轴端齿形光电位置传感器。

背景技术

近年来，高速电机的应用日趋广泛。在高速电机的运过程中，由于转子处于高速旋转状态，因此转子的少量偏心即可引起剧烈振动，容易损坏电机和相连的设备；因此，高速电机对转子的偏心度要求很高。在这种情况下，现有技术通过转子位置传感器来实时监测转子位置，以及时发现转子的偏心现象。

目前有多种传感器可以使用，其中光电编码器、磁电编码器、和旋转变压器类型的位置传感器应用比较广泛。此类传感器分辨率高、精度高、价格也高。高速电机常用低分辨率的光电和霍尔开关式传感器。霍尔传感器在转子上固定永磁体，定子或机壳上固定霍尔元件。转子转动时，穿过霍尔元件的磁场变化转变为交替变化的电信号，用来指示转子位置。光电式传感器有不同形式。比较常见的是在电机转子上固定遮光叶轮，定子上固定发光和感光元件。转子带动叶轮旋转交替遮光和透光，使得感光元件发出交替变化的光电流。电子电路通过对光电流的检测可以判断转子位置。

上述位置传感器有些不能用于高速旋转情况，例如高分辨率传感器。并且，无论采用上述何种传感器，都要在高速电机转子上附加机械设备。这会增加转子的偏心误差，加剧转动时的振动。针对此类问题，部分研究者提出了利用轴面光反射原理进行转子位置检测的传感器(公开号CN207069826U、CN207816298U)。该技术方案虽然克服了传感器引入偏心误差的问题，但要求在轴侧面或端面制作非反射区域。

然而，在现有技术的基础上，非反射表面只能通过附加吸光材料的方法产生。吸光材料的涂敷要求物体表面清洁，涂敷过程要求精度高，并且涂敷表面非常敏感，机械强度低，在零件后续加工和设备安装过程中容易损坏。此外，由于电机运行时产生高温，涂敷材料常为有机材料，在高温下容易变色或脱落，导致吸光性能的丧失或减弱。另外，电机运行过程中的温度升降变化和高频振动也会导致附加材料脱落。不仅脱落后的碎屑会损伤传感器元器件，而且原非反射表面会变成反射表面，使得传感器产生的信号发生畸变，失去位置检测功能。

发明内容

本实用新型旨在针对现有技术的技术缺陷，提供一种轴端齿形光电位置传感器，以解决现有技术中常规转子位置传感器需要在高速电机转子上附加机械设备，因而容易加剧偏心误差的技术问题。

本实用新型要解决的另一技术问题是，利用轴面光反射原理进行转子位置检测的传感器，如何避免涂覆吸光材料。

为实现以上技术目的，本实用新型采用以下技术方案：

轴端齿形光电位置传感器，包括电机轴端部，端面，缺陷部，齿形部，光电发射器，光电接收器，其中，电机轴端部的末端为平面形状的端面，在电机轴端部的末端具有若干缺陷部和若干齿形部，齿形部与缺陷部相互间隔，齿形部的末端位于所述端面上；光电发射器的射线投射在端面上，光电接收器用于接收来自光电发射器的射线。

作为优选，光电发射器的射线投射在齿形部的末端，该设射线经齿形部的末端反射后到达光电接收器。

作为优选，光电发射器的射线投射在缺陷部处，该射线不达到光电接收器。

作为优选，所述齿形部的形状包括直齿、弧形齿或圆形齿。

作为优选，缺陷部和齿形部各有4个，每两个相邻的齿形部之间夹角为90°。

作为优选，所述光电发射器有3个，所述光电接收器有3个；3个光电发射器的射线在端面上的投影，两两之间夹120°角；3个光电发射器的射线在端面上的投影，三者相交于端面的圆心处。

作为优选，所述光电发射器有2个，所述光电接收器有2个；2个光电发射器的射线在端面上的投影，二者之间夹45°角；2个光电发射器的射线在端面上的投影，二者相交于端面的圆心处。

在以上技术方案中，电机轴端部为电机轴的自然末端；该末端的端面为平面，端面呈光滑反光状态；电机轴端部通过切削方式形成相互间隔的缺陷部和齿形部；其中齿形部的末端为所述端面的一部分，因此当光电发射器的射线投射到齿形部时，射线会得到平面反射，从而到达特定位置的光电接收器中，而当光电发射器的射线投射到缺陷部上时，射线不会受到平面反射，而是被缺陷部内表面反射到其他位置，从而不被光电接收器接收；基于这种原理，由于缺陷部和齿形部相互间隔，因此光电接收器接收到的信号会交替出现，进而根据电信号的变化情况判断转轴位置。本实用新型不仅实现了对转轴位置的精准监测，而且无需在高速电机转子上附加机械设备，因此不会影响其既有的转动平衡；同时，本实用新型避免涂覆吸光材料，从而克服了因涂覆材料不稳定所带来的种种问题。

本实用新型提供了一种轴端齿形光电位置传感器。该技术方案在不需要反射光的区域通过切削出缺陷部来制造偏转反射表面，此偏转反射表面可将光电发射器发出的光线反射到其它区域，避开光电接收器；加工出的齿侧面可以反光也可不反光。光电传感器固定安装在电机定子或机壳上。光电发射器发出的光线照射到轴端面。若照射到光滑表面的齿区域，则反射到光电接收器中；若照射到缺口区域，则不反射到光电接收器中。

本实用新型在旋转轴的端面通过轴材料机械切除的方法产生齿形结构，与未切割区域交替出现，形成旋转位置传感器的转动部分。端面切除区域对来自光电发射器的光线不在端面进行反射，避免光线反射到光电接收器中；非切除区域位于轴端面，对光线进行反射，进入光电接收器。光电发射器持续发光，当转轴旋转时，进入光电接收器的光交替出现，从而产生交替出现的电信号。根据电信号的变化情况可判断转轴位置。

本实用新型提出采用对旋转轴端部进行机械加工，产生齿形，在端面制造出局部反射光区域的方法，使得光电发射器发出的光不照射到端面上，不进入光电接收器，从而避免了现有轴端反射光电编码器采用附加材料产生不反射光线区域的方法导致附加材料容易脱落的问题。这种方法提高了轴端面反射光电位置传感器的可靠性和寿命。

并且，这种方法利用机械加工方法制作轴端面的齿形反射面，加工简单、成本低，加工后的结构牢固可靠，安装过程中的少量磕碰不会影响传感器性能。

而且，这种方法不需要在转轴上附加额外零部件而影响高速旋转设备的偏心度，从而可以简化产品调试工序，提高产品性能，增加良品率。

另外，本实用新型提出了采用该方法实现实际位置传感器系统的几种实例。采用此方法的传感器可以随着转子位置不同而在光电接收器产生交替变化的多个电信号，并且能根据信号相位关系判断转轴旋转方向。

附图说明

图1是本实用新型中电机轴端部的左视图；

图2是本实用新型中电机轴端部的主视图；

图3是本实用新型实施例1的检测原理图；

图4是本实用新型实施例1的电学连接关系图；

图5是本实用新型实施例1的检测信号图；

图6是本实用新型实施例2的检测原理图；

图7是本实用新型实施例2的检测信号图；

图中：

1、电机轴端部 2、端面 3、缺陷部 4、齿形部

11、第一光电发射器 12、第二光电发射器 13、第三光电发射器 21、第一光电接收器

22、第二光电接收器 23、第三光电接收器

具体实施方式

以下将对本实用新型的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。以下实施例中所使用的近似性语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。除有定义外，以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本实用新型所属领域技术人员普遍理解的相同含义。

实施例1

如图3所示，其中左图为端面正视图，右图为轴端侧视图。轴端面沿圆周方向均匀切4个槽，形成4个齿，第一光电发射器11、第二光电发射器12、第三光电发射器13面向端面固定在距轴端一定距离处，到轴心距离相等；第一光电接收器21、第二光电接收器22、第三光电接收器23沿径向固定在发射器外侧，面向端面。

在图中所示转子位置，第一光电接收器21(A)接收到第一光电发射器11经齿面反射的光线；第二光电发射器12和第三光电发射器13发出的光线照射到齿间空隙，没有直接到达第二光电接收器22(B)和第三光电接收器23(C)。

光电发射器和光电接收器与电子电路相连，进行信号处理。整个传感器电路结构如图4所示。

在电机转子旋转时，三个光电接收器收到的光信号如图5曲线所示。其中高电平表示有光，低电平表示无光。

光电转换电路可将上述光信号转换为电信号进行输出。后续电路可利用输出的电信号计算转子位置。在上述传感器的示例中，电机每旋转一周，传感器输出4次相同的信号。转子反转时，上述信号高低电平变化顺序相反。

实施例2

如图6所示，轴面沿圆周方向均匀切4个槽，反射面和切槽的圆周长度相等。定子上按下图中方式在轴端面外布置两对光电发射器(第一光电发射器11和第二光电发射器12)和光电接收器(第一光电接收器21和第二光电接收器22)。

按上图所显示的转子位置，第一光电发射器11发出的光线被轴端面反射后到达第一光电接收器21(A)；第二光电发射器12发出的光照射到齿间区域，未能到达第二光电接收器22(B)。

光电发射器和光电接收器与电子电路相连，进行信号处理。在电机转子旋转时，两个光电接收器收到的光信号如图7曲线所示：

光电转换电路可将上述光信号转换为电信号进行输出。后续电路可利用输出的电信号计算转子位置。在上述传感器的实现示例中，电机每旋转一周，传感器输出4次相同的信号。转子反转时，上述信号高低电平变化顺序相反。

此外，在实际应用中，在不违反本实用新型基本原理及结构特征的前提下，可在齿数、齿形、光电发射器及光电接收器数量和安装方式等方面加以调整，以满足实际需求，而无需局限于以上实施例所给出的具体情形。

另外，以上实施例及附图中显示的轴端齿均为直齿。若采用其它形状的齿，如弧形、圆形或不规则形状，则仍可实现本实用新型，尽管这种替代方法一是加工困难，二是设计复杂，三是技术效果可能不如前文提出的方法。但是，本实用新型的核心思想是采用中轴端进行机械加工的方法使得轴端面不需要反射光线的区域切除，使得照射到此区域的光线不在轴端面上发生反射，避免进入光电接收器。因此，采用其它表面形式的齿形或加工方式仍然属于本实用新型的范围。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型。凡在本实用新型的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.轴端齿形光电位置传感器，其特征在于包括电机轴端部(1)，端面(2)，缺陷部(3)，齿形部(4)，光电发射器，光电接收器，其中，电机轴端部(1)的末端为平面形状的端面(2)，在电机轴端部(1)的末端具有若干缺陷部(3)和若干齿形部(4)，齿形部(4)与缺陷部(3)相互间隔，齿形部(4)的末端位于所述端面(2)上；光电发射器的射线投射在端面(2)上，光电接收器用于接收来自光电发射器的射线。

2.根据权利要求1所述的轴端齿形光电位置传感器，其特征在于光电发射器的射线投射在齿形部(4)的末端，该射线经齿形部(4)的末端反射后到达光电接收器。

3.根据权利要求1所述的轴端齿形光电位置传感器，其特征在于光电发射器的射线投射在缺陷部(3)处，该射线不达到光电接收器。

4.根据权利要求1所述的轴端齿形光电位置传感器，其特征在于所述齿形部(4)的形状包括直齿、弧形齿或圆形齿。

5.根据权利要求1所述的轴端齿形光电位置传感器，其特征在于缺陷部(3)和齿形部(4)各有4个，每两个相邻的齿形部(4)之间夹角为90°。

6.根据权利要求5所述的轴端齿形光电位置传感器，其特征在于所述光电发射器有3个，所述光电接收器有3个；3个光电发射器的射线在端面(2)上的投影，两两之间夹120°角；3个光电发射器的射线在端面(2)上的投影，三者相交于端面(2)的圆心处。

7.根据权利要求5所述的轴端齿形光电位置传感器，其特征在于所述光电发射器有2个，所述光电接收器有2个；2个光电发射器的射线在端面(2)上的投影，二者之间夹45°角；2个光电发射器的射线在端面(2)上的投影，二者相交于端面(2)的圆心处。

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