磁鼓及具有其的磁编码器的制作方法

1.本公开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：

2.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，因而在机电等行业得到广泛应用。
3.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。
4.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。本公开的目的就是为了克服目前普遍应用的磁鼓上的磁信号源存在的前述不足。


技术实现要素：

5.因此，本公开提供一种磁鼓及具有其的磁编码器，以克服相关技术中采用径向充磁磁环作为磁编码器的磁信号源存在输出信号质量较低的不足。
6.为了解决上述问题，本公开提供一种磁鼓，包括永磁体磁环本体，所述永磁体磁环本体包括内环壁、外环壁，所述内环壁为单一的第一极性，所述外环壁为单一的第二极性，所述第一极性与所述第二极性相反，所述内环壁与所述外环壁同轴设置，所述内环壁、外环壁中的一个上环绕所述永磁体磁环本体的轴线均匀设有多个凸出部，任意相邻的两个所述凸出部之间形成凹陷部。
7.在一些实施方式中，所述凹陷部的径向开口的最大周向宽度为l，所述凸出部的径向高度为h，l>0.1h。
8.在一些实施方式中，l>0.5h。
9.在一些实施方式中，所述磁鼓还包括支撑环，所述支撑环的外侧环壁连接所述永磁体磁环本体，所述支撑环的内侧环壁连接旋转轴。
10.在一些实施方式中，在所述永磁体磁环本体的任一径向平面上投影，所述凸出部的形状为矩形、等腰梯形、等腰三角形、圆弧形中的一种。
11.在一些实施方式中，所述永磁体磁环本体为辐射取向磁环或者单极充磁特征的各向同性磁环。
12.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、铁氧体永磁体中的至少一种制作形成；和/或，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。
13.本公开还提供一种磁编码器，包括上述的磁鼓。
14.本公开提供的一种磁鼓及具有其的磁编码器，一方面，因为具有单一磁极的永磁体磁环本体作为磁鼓的磁信号源，其具有的凸出部、凹陷部磁极相同(或者同为n极或者同为s极)，即使凸出部和凹陷部的宽度很窄，两者之间的磁力线也不会形成闭合回路，凸出部的磁场强度不会减弱很多，磁阻传感器接收到的磁信号也就不会减弱很多，也就克服了目前普遍使用的外表面n极和s 极间隔排列的磁鼓上当磁极间隔很小的时候磁极间的磁力线形成闭合回路致使磁阻传感器检测到的磁信号减弱很多的缺点；另一方面，凸出部处的磁场强度高、凹陷部处的磁场强度低，所述凸出部与凹陷部之间不存在目前普遍使用的磁鼓表面上存在的n极和s极之间的过渡区(无磁区)，因而磁编码器中的磁阻传感器接收到的磁信号更加清晰明确，可极大提高磁编码器输出信号的质量；再一方面，具有凸出部以及凹陷部的永磁体磁环本体(例如辐射取向磁环) 可以通过机械加工在辐射取向磁环的基础上制作(例如激光切割)，因而可以精确控制凸出部以及凹陷部的相关尺寸(例如宽度、深度、高度、形状)，进而控制凸出部以及凹陷部之间的磁场参数(例如磁场强度的差值、磁信号的强弱程度、磁信号的形状等)，如此一来，磁编码器中的磁阻传感器接收到的磁信号不再是简单的n、s极磁场强度信号，而是经过精心编辑和优化的个性化磁信号，从而制造出质量更好、可满足特殊检测需要的磁编码器。
附图说明
15.图1为现有技术中磁鼓的内部结构示意图；
16.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；
17.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)；
18.图4为本公开实施例的磁鼓具有的永磁体磁环本体的一种结构示意图；
19.图5为本公开实施例的磁鼓具有的永磁体磁环本体的另一种结构示意图；
20.图6为图4中的永磁体磁环本体的外环壁为单一n极时的外周面展开图；
21.图7为图6中的永磁体磁环本体的剖面图(径向剖面)；
22.图8为现有技术中的采用径向充磁磁环(多极磁环)的磁鼓外表面(磁极为n极与s极交替)的磁场波形图；
23.图9为本公开的采用永磁体磁环本体的磁鼓外表面(磁极为单一磁极s极) 的磁场波形图；
24.图10为本公开实施例的磁鼓具有的永磁体磁环本体的再一种结构示意图。
25.附图标记表示为：
26.1、永磁体磁环本体；11、内环壁；12、外环壁；13、凸出部；14、凹陷部。
具体实施方式
27.结合参见图1至图10所示，根据本公开的实施例，提供一种磁鼓，包括永磁体磁环本体1，所述永磁体磁环本体1包括内环壁11、外环壁12，所述内环壁11为单一的第一极性，所述外环壁12为单一的第二极性，所述第一极性与所述第二极性相反(也即当所述第一极性为n极时，所述第二极性为s极，相反的，当所述第一极性为s极时，所述第二极性为n极)，所述内环壁11 与所述外环壁12同轴设置，所述内环壁11、外环壁12中的一个上环绕所述永磁体磁环本体1的轴线均匀设有多个凸出部13，任意相邻的两个所述凸出部 13之间形成凹陷部14。与现有技术中的多极磁环不同的是，该技术方案中的所述永磁体磁环本体1的内环壁11与外环壁12分别对应磁极中的n极、s极中的一个，也即，内环壁11为单一的一个磁极，外环壁12为单一的另一个磁极，假定外环壁12为n极时，此时对应的内环壁11则为s极，具体参见图6 及图7所示，将永磁体磁环本体1的圆周面展开，其外表面磁极的排列方式如图6所示为单一的n极，而图6所对应的永磁体磁环本体1的剖面图为图7，其上侧对应为磁鼓的外表面为凹凸结构的n极，下侧对应为磁鼓的内表面为s 极。可以理解的是，所述凸出部13、凹陷部14的具体设置面以所述内环壁11、外环壁12中谁被选择作为检测面为准，具体的，当所述外环壁12作为检测面时(也即与磁阻元件配对使用)，所述凸出部13、凹陷部14被设置在所述外环壁12上，相反的，当所述内环壁11作为检测面时，所述凸出部13、凹陷部 14则被设置在所述内环壁11上。
28.该技术方案中，一方面，因为具有单一磁极的辐射取向磁环作为磁鼓的磁信号源，其具有的凸出部13、凹陷部14磁极相同(或者同为n极或者同为s 极)，即使凸出部13和凹陷部14的宽度很窄，两者之间的磁力线也不会形成闭合回路，凸出部13的磁场强度不会减弱很多，磁阻传感器接收到的磁信号也就不会减弱很多，也就克服了目前普遍使用的外表面n极和s极间隔排列的磁鼓上当磁极间隔很小的时候磁极间的磁力线形成闭合回路致使磁阻传感器检测到的磁信号减弱很多的缺点；另一方面，凸出部13处的磁场强度高、凹陷部14处的磁场强度低，所述凸出部13与凹陷部14之间不存在目前普遍使用的磁鼓表面上存在的n极和s极之间的过渡区(无磁区)，因而磁编码器中的磁阻传感器接收到的磁信号更加清晰明确，可极大提高磁编码器输出信号的质量；再一方面，具有凸出部13以及凹陷部14的辐射取向磁环(例如辐射取向磁环)可以通过机械加工在辐射取向磁环的基础上制作(例如激光切割)，因而可以精确控制凸出部13以及凹陷部14的相关尺寸(例如宽度、深度、高度、形状)，进而控制凸出部13以及凹陷部14之间的磁场参数(例如磁场强度的差值、磁信号的强弱程度、磁信号的形状等)，如此一来，磁编码器中的磁阻传感器接收到的磁信号不再是简单的n、s极磁场强度信号，而是经过精心编辑和优化的个性化磁信号，从而制造出质量更好、可满足特殊检测需要的磁编码器。
29.图8为现有技术中的采用径向充磁磁环(多极磁环)的磁鼓外表面的磁场波形图，可以看出，磁鼓表面的磁场由n极和s极两部分构成，分别位于x 轴的上下部分；图9为本公开的磁鼓外表面的磁场波形图，可以看出，磁信号全部在x轴的下方，即磁鼓的表面都是s极。
30.在一些实施方式中，所述凹陷部14的径向开口的最大周向宽度为l，所述凸出部13的径向高度为h，l>0.1h，在一些实施方式中，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。
31.所述磁鼓可以通过所述永磁体磁环本体1的内环壁11与相应的转轴形成固定连接，而为了便于所述永磁体磁环本体1与转轴的连接，所述磁鼓还包括支撑环，所述支撑环的外侧环壁连接所述永磁体磁环本体1，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。
32.在一些情况下，所述内环壁11、外环壁12中的不作为检测面的环壁上也可以适当地设计相应的凸出部以及凹陷部。
33.在所述永磁体磁环本体1的任一径向平面上投影，所述凸出部13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，所述凸出部13的具体形状本公开不做特别限定，但其无论是采用何种具体的形状，多个所述凸出部13皆应该关于所述永磁体磁环本体1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。
34.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。
35.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。
36.根据本公开的实施例，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，此部分作为磁编码器的常规技术，此处不做赘述。
37.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。
38.以上仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。以上仅是本公开的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本公开的保护范围。