一种适用于角度磁编码器的永磁体的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种适用于角度磁编码器的永磁体。根据本发明的永磁体具有柱状圆环结构，并包含第一永磁单元和第二永磁单元，所述第一永磁单元和第二永磁单元相对于直径截面几何对称，其特征在于，所述第一永磁单元的磁化强度和第二永磁单元的磁化强度平行于柱状圆环的轴向，且方向相反，或所述第一永磁单元的磁化强度和第二永磁单元的磁化强度垂直于所述直径截面，且方向平行一致。根据本发明的永磁体结构简单，可直接安装于转轴上，所需检测磁场分量位于检测面内，适合于隧道磁阻传感器，且检测区域范围宽，易于调整。
【专利说明】—种适用于角度磁编码器的永磁体
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种测量【技术领域】的永磁体，具体是涉及一种适用于角度磁编码器的永磁体，包含该永磁体的角度磁编码器和电子水表。
【背景技术】
[0002]随着传感器技术的迅猛发展，传统的机械水表逐渐向新颖的电子水表过渡。在各种传感器技术中，光电编码技术可以实现数字计数转轮代码的直接读取计量，而且不需要累积，从而得到广泛应用。但该技术普遍存在进位误码现象，而且对气泡、强光、污垢、渗漏等因素的抗干扰能力差。与光电编码技术相比，角度磁编码技术分辨率更高，无进位误码现象，稳定性好，而且可以完全根除光电技术引起的各种不良故障，成为一种可替代光电编码的编码技术。角度磁编码技术通过对数字计数转轮进行编码来得到计量读数，其原理是利用磁阻传感器如隧道磁阻角位移传感器来感应安装在数字计数转轮上的环形永磁体的旋转磁场相位来测量转轮的转角和位置，并采用电子技术转变成相应数字读数。
[0003]角度磁编码技术的测量精度取决于磁敏角位移传感器和永磁体两个组成部分的性能特征。与霍尔传感器相 比，磁阻传感器如隧道磁阻传感器具有更高的磁场灵敏度，其功耗和尺寸也可大大降低。隧道磁阻角位移传感器包含两个相互正交的隧道磁阻传感器。隧道磁阻角位移传感器工作时形成的两个正弦和余弦输出与永磁体检测磁场分量即永磁体产生的磁场在检测面内的分量及隧道磁阻传感器敏感轴之间形成的旋转磁场相位角Φ，本文中也称为探测磁场相位角，关系如下:
[0004]OUTl=COS ( Φ )
[0005]0UT2=SIN ( Φ )
[0006]利用反正切函数，就能根据隧道磁阻角位移传感器的输出OUTl和0UT2计算出旋转磁场相位角Φ角度:
[0007]φ =ATAN (0UT2/0UT1)。
[0008]永磁体在旋转过程中其旋转相位角α，定义为永磁体在旋转过程中依次经过隧道磁阻传感器的位置矢量点r的相位角，永磁体的检测磁场分量使隧道磁阻传感器产生感应。当永磁体旋转相位角α和旋转磁场相位角Φ之间形成线性关系，满足在0-360°范围内对应时，就可以将隧道磁阻传感器所探测的旋转磁场相位角Φ和永磁体旋转相位角α位置关系对应起来。例如为了能使0-9这10个代表数字在转轮的某一直径的圆周上以等间距角度增量间隔开，事先将α的范围划分成10个区间，每一区间用一个预期的数字表示。通过将永磁体角度进行编码，进而通过电子技术转化，可以实现水表读数的直接输出。
[0009]因此，隧道磁阻角度磁编码器技术在应用于电子水表时对于永磁体的设计性能将具有特殊要求，而现有的角度磁编码器采用的永磁体具有如下缺点:
[0010](I)现有的角度磁编码器大都采用霍尔传感器作为角度传感器，其对应的检测磁场分量为永磁体产生的磁场垂直于检测面的分量，而隧道磁阻传感器对应的检测磁场分量为磁场在检测面内的分量，因此现有角度磁编码器的永磁体不能满足于隧道磁阻传感器磁场测量的要求。
[0011](2)现有的角度磁编码器永磁体一般采用的是实心圆柱设计，而电子水表为尽量减少安装空间，要求永磁体为圆环形以便直接安装在转轮上。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺点，提供一种适用于角度磁编码器的永磁体，使之能够安装在电子水表转轮上，节省安装空间，并能够满足隧道磁阻传感器与检测面内磁场分量之间的旋转磁场相位角Φ和永磁体旋转相位角α之间线性关系的要求，从而提高角度磁编码器的测量精度。
[0013]根据本发明的一个方面，提供一种适用于角度磁编码器的永磁体，该永磁体具有柱状圆环结构，包含第一永磁单元和第二永磁单元，所述第一永磁单元和第二永磁单元相对于直径截面几何对称，
[0014]其特征在于，
[0015]所述第一永磁单元的磁化强度和第二永磁单元的磁化强度平行于柱状圆环的轴向，且方向相反，或
[0016]所述第一永磁单元的磁化强度和第二永磁单元的磁化强度垂直于所述直径截面，且方向平行一致。
[0017]优选地，所述第一永磁单元的磁化强度和第二永磁单元的磁化强度大小相同。
[0018]优选地，所述永磁体柱状圆环结构的外径为3_200mm。
[0019]优选地，所述永磁体柱状圆环结构的内径为1-100_。
[0020]优选地，所述永磁体柱状圆环结构的高度为l_50mm。
[0021]优选地，所述永磁体所对应的检测面位于柱状圆环端面前方且平行于底面。
[0022]优选地，所述检测面与所述柱状圆环端面之间的距离为l_5mm。
[0023]优选地，永磁体所对应的检测磁场分量为磁场在检测面内的分量。
[0024]优选地，特定检测区域位于检测面内距离柱状圆环轴心特定半径范围的区域内，在该特定检测区域内检测磁场分量的旋转相位和永磁体的旋转相位具有线性变化特征。
[0025]优选地，所述永磁体的组成材料为Alnico。
[0026]优选地，永磁体的组成材料为铁氧体陶瓷材料M0.6Fe203, M为Ba，Sr或者两者的组合。
[0027]优选地，永磁体的组成材料为选自RECo5，其中RE=Sm和/或Pr ; RE2TM17，其中RE=Sm, TM=Fe, Cu, Co，Zr 和 / 或 Hf ;以及 RE2TM14B,其中 RE=Nd, Pr 和 / 或 Dy，TM=Fe 和 / 或Co中的一种或多种。
[0028]优选地，永磁体的组成材料为选自FeCrCo合金和NbFeB合金中的一种或多种。
[0029]优选地，永磁体为所述永磁体组成材料的粉末和塑料，橡胶或树脂形成的复合体。
[0030]本发明具有如下有益效果:
[0031]I)本发明采用的柱状圆环永磁体，结构简单，能够直接镶嵌在水表数字转轮内，减小对安装空间的要求。
[0032]2)本发明采用的柱状圆环永磁体，包含两个简单永磁单元，其磁化组态简单，易于实现。
[0033]3)本发明采用的柱状圆环永磁体，在检测面内存在检测磁场分量旋转相位角和永磁体旋转相位角之间具有线性关系的特定检测区域，满足隧道磁阻传感器的测量要求。
[0034]4)本发明采用的柱状圆环永磁体，检测面与端面距离，检测面内的特定检测区域与轴心的距离都可以在较大范围内变化，使得隧道磁阻传感器的安装空间较为灵活。
[0035]5)根据本发明的磁编码器和电子水表具有小的体积和高的测量精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1为根据本发明实施例1的永磁体的顶视图。
[0037]图2为图1所示永磁体的侧视图。
[0038]图3为根据本发明实施例2的永磁体的顶视图。
[0039]图4为图3所示永磁体的侧视图。
[0040]图5为根据本发明的永磁体相对于隧道磁阻传感器的安装位置顶视图。
[0041]图6为根据本发明的永磁体相对于隧道磁阻传感器的安装位置侧视图。
[0042]图7为实施例1的永磁体在检测面内的三维磁场矢量分布图。
[0043]图8为实施例1的永磁体检测面内检测磁场分量的旋转磁场相位角Φ和永磁体旋转相位角α的典型线性关系图。
[0044]图9为实施例1的永磁体检测面内检测磁场分量的旋转磁场相位角Φ和永磁体旋转相位角α的非线性关系曲线图。
[0045]图10为实施例1的永磁体检测面内检测磁场分量的旋转磁场相位角Φ和永磁体旋转相位角α的介于线性和非线性之间的关系图。
[0046]图11为实施例1的永磁体检测面内检测磁场分量磁场幅度Bx-y和永磁体旋转相位角度α关系图。
[0047]图12为实施例1的永磁体检测面内，检测磁场分量的旋转磁场相位角Φ和永磁体旋转相位角α关系的直线拟合参数R2与隧道磁阻传感器距离轴心相对位置r/Ro关系图。
[0048]图13为实施例1的永磁体检测面内，检测磁场分量的正则磁场幅度与隧道磁阻传感器距离轴心相对位置r/Ro关系图。
[0049]图14为实施例2的永磁体在检测面内的三维磁场矢量分布图。
[0050]图15为实施例2的永磁体检测面内检测磁场分量的旋转磁场相位角Φ和永磁体旋转相位角α的典型线性关系图。
[0051]图16为实施例2的永磁体检测面内检测磁场分量的旋转磁场相位角Φ和永磁体旋转相位角α的非线性关系图。
[0052]图17为实施例2的永磁体检测面内旋转磁场分量的旋转磁场相位角Φ和永磁体旋转相位角α的介于线性和非线性之间的关系图。
[0053]图18为实施例2的永磁体检测面内检测磁场分量的磁场幅度Bx-y与永磁体旋转相位角度α关系图。
[0054]图19为实施例2的永磁体检测面内，检测磁场分量的旋转磁场相位角Φ和永磁体旋转相位角α的直线拟合参数R2与隧道磁阻传感器距离轴心相对位置r/Ro的关系图。[0055]图20为实施例2的永磁体检测面内，检测磁场分量的正则磁场幅度与隧道磁阻传感器距离轴心相对位置r/Ro关系图。
[0056]图21为电子水表结构示意图。
【具体实施方式】
[0057]下面将参照附图并结合具体实施例对本发明进行详细的说明。
[0058]实施例1
[0059]图1和图2示意性示出根据本发明实施例1的永磁体100的示意图。永磁体100为柱状圆环几何结构，包含永磁单元101和永磁单元102，永磁单元101和永磁单元102以直径截面110几何对称。永磁单元101的磁化强度103和永磁单元102的磁化强度104沿轴心方向反平行。优选的，所述永磁体101的磁化强度103和永磁单元102的磁化强度104大小相同。
[0060]本领域技术人员可以根据需要设计永磁体100的尺寸。优选的，永磁体100的柱状圆环的内径为1-1OOmm,柱状圆环的外径为3-200mm,柱状圆环的高度为l_50mm。
[0061]永磁体100对应的检测面120位于柱状圆环端面前方且平行于端面。优选的，该检测面120与柱状圆环端面之间的距离为l-5mm。本文中，永磁体100所对应的检测磁场分量121为永磁体产生的磁场在检测面120内的分量。本文中，检测面120内所对应的特定检测区域122位于距离柱状圆环轴心特定半径范围的区域内，在该特定检测区域内，检测磁场分量121的旋转相位角和永磁体100旋转相位角具有线性变化特征，这将在下文具体描述。
[0062]优选的，永磁体100的组成材料为Alnico。可替换地，永磁体100的组成材料为铁氧体陶瓷材料M0.6Fe203，M为Ba，Sr或者两者的组合。可替换地，永磁体100的组成材料为 RECo5, RE=Sm 和 / 或 Pr ；RE2TM17, RE=Sm, TM=Fe, Cu, Co，Zr 和 / 或 Hf 以及 RE2TM14B,RE=Nd, Pr和/或Dy，TM=Fe和/或Co。可替换地，所述永磁体100的组成材料为FeCrCo合金或NbFeB合金。优选的,所述永磁体100为上述永磁体材料的粉末和塑料、橡胶或树脂等形成的复合体。
[0063]实施例2
[0064]图3和图4示意性示出根据本发明实施例2的永磁体300的示意图。永磁体300为柱状圆环几何结构，包含永磁单元301和永磁单元302，永磁单元301和永磁单元302以直径截面310几何对称。永磁单元301的磁化强度303和永磁单元302的磁化强度304沿垂直于直径截面方向平行一致。优选的，所述永磁单元301的磁化强度303和永磁单元302的磁化强度304大小相同。
[0065]本领域技术人员可以根据需要设计永磁体300的尺寸。优选的，永磁体100的柱状圆环的内径为1-1OOmm,柱状圆环的外径为3-200mm,柱状圆环的高度为l_50mm。
[0066]永磁体300对应的检测面320位于柱状圆环端面前方且平行于端面。优选的，该检测面320与柱状圆环端面之间的距离为l-5mm。本文中，永磁体300所对应的检测磁场分量321为永磁体产生的磁场在检测面320内的分量。本文中，检测面320内所对应的特定检测区域322位于距离柱状圆环轴心特定半径范围的区域内，在该特定检测区域内，检测磁场分量321的旋转相位角和永磁体300旋转相位角具有线性变化特征，这将在下文具体描述。
[0067]优选的，永磁体300的组成材料为Alnico。可替换地，永磁体300的组成材料为铁氧体陶瓷材料M0.6Fe203，M为Ba，Sr或者两者的组合。可替换地，永磁体300的组成材料为 RECo5, RE=Sm, Pr，或 RE2TM17, RE=Sm, TM=Fe, Cu, Co, Zr, Hf 以及 RE2TM14B, RE=Nd, Pr, Dy,TM=Fe, Co。可替换地，所述永磁体300的组成材料为FeCrCo合金或NbFeB合金。优选的，所述永磁体300永磁体合金材料粉末和塑料、橡胶或树脂等形成的复合体。
[0068]实施例3
[0069]实施例3为根据本发明的一种角度磁编码器，包括可绕轴旋转数字转轮，镶嵌在数字转轮中的永磁体，隧道磁阻传感器和数字处理电路。永磁体为根据本发明的永磁体。隧道磁阻传感器位于所述永磁体检测面上，用于感测所述永磁体产生的磁场在该检测面内的分量并输出感测信号。隧道磁阻传感器被布置在永磁体的检测面内距离永磁体柱状圆环轴心特定半径范围的区域内，在该特定半径范围的区域内，所述永磁体产生的磁场在检测面内的分量的旋转磁场相位角Φ与永磁体旋转相位角α呈线性变化关系。数字处理电路用于根据来自所述隧道磁阻传感器的感测信号计算并输出表征所述永磁体旋转角度的代码。
[0070]图5和图6分别为实施例3中永磁体100，300和隧道磁阻传感器500安装位置的顶视图和侧视图，检测面120，320距离永磁体端面距离为d。以永磁体轴心为原点在检测面120,320内建立X-Y坐标系统，如图5所示。假定永磁体100，300的柱状圆环内半径为Ri，外半径为Ro，厚度为t，隧道磁阻传感器500在检测面120，320内的位置矢量为r (x，y)，其相对于X轴的方位角为α。假定r处的检测磁场分量Bx-y (Bx，By)方位角度为β。角度α和角度β的计算关系如下:
【权利要求】
1.一种适用于角度磁编码器的永磁体， 该永磁体(100,300)具有柱状圆环结构，并包含第一永磁单兀(101,301)和第二永磁单元(102，302)，所述第一永磁单元(101，301)和第二永磁单元(102，302)相对于直径截面(110,310)几何对称， 其特征在于， 所述第一永磁单元(101，301)的磁化强度(103，303)和第二永磁单元(102，302)的磁化强度(104，304)平行于柱状圆环的轴向，且方向相反，或 所述第一永磁单元(101，301)的磁化强度(103，303)和第二永磁单元(102，302)的磁化强度(104，304)垂直于所述直径截面(110，310)，且方向平行一致。
2.根据权利要求1所述的适用于角度磁编码器的永磁体，其特征在于，所述第一永磁单元(101,301)的磁化强度(103,303)和第二永磁单元(102，302)的磁化强度(104，304)大小相同。
3.根据权利要求1所述的适用于角度磁编码器的永磁体，其特征在于，所述永磁体(100.300)柱状圆环结构的外径为3-200mm。
4.根据权利要求1所述的适用于角度磁编码器的永磁体，其特征在于，所述永磁体(100.300)柱状圆环结构的内径为l-100mm。
5.根据权利要求1所述的一种适用于角度磁编码器的永磁体，其特征在于，所述永磁体(100，300)柱状圆环结构的高度为l_50mm。
6.根据权利要求1所述的一种适用于角度磁编码器的永磁体，其特征在于，所述永磁体(100，300)所对应的检测面(120，320)位于柱状圆环端面前方且平行于底面。
7.根据权利要求6所述的一种适用于角度磁编码器的永磁体，其特征在于，所述检测面(120，320)与所述柱状圆环端面之间的距离为1-5_。
8.根据权利要求1所述的一种适用于角度磁编码器的永磁体，其特征在于，永磁体(100.300)所对应的检测磁场分量为磁场在检测面(120，320)内的分量。
9.根据权利要求1所述的一种适用于角度磁编码器的永磁体，其特征在于，特定检测区域(23，31)位于检测面(120，320)内距离柱状圆环轴心特定半径范围的区域内，在该特定检测区域内检测磁场分量的旋转相位(Φ )和永磁体的旋转相位(α )具有线性变化特征。
10.根据权利要求1所述的一种适用于角度磁编码器的永磁体，其特征在于，所述永磁体(100，300)的组成材料为Alnico。
11.根据权利要求1所述的一种适用于角度磁编码器的永磁体，其特征在于，永磁体(100，300)的组成材料为铁氧体陶瓷材料M0.6Fe203, M为Ba，Sr或者两者的组合。
12.根据权利要求1所述的一种适用于角度磁编码器的永磁体，其特征在于，永磁体(100，300)的组成材料为选自 RECo5，其中 RE=Sm 和 / 或 Pr ;RE2TM17，其中 RE=Sm，TM=Fe, Cu，Co，Zr和/或Hf ;以及RE2TM14B,其中RE=Nd, Pr和/或Dy，TM=Fe和/或Co中的一种或多种。
13.根据权利要求1所述的一种适用于角度磁编码器的永磁体，其特征在于，永磁体(100，300)的组成材料为选自FeCrCo合金和NbFeB合金中的一种或多种。
14.根据权利要求10-13中任一权利要求的一种适用于角度磁编码器的永磁体，其特征在于，永磁体(100，300)为所述永磁体组成材料的粉末和塑料，橡胶或树脂形成的复合体 。
【文档编号】G01D5/12GK103915233SQ201310002591
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2013年1月5日 优先权日:2013年1月5日
【发明者】詹姆斯·G·迪克, 周志敏 申请人:江苏多维科技有限公司