CN109742906B - 一种磁编码器及其安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁编码器，包括：壳体；永磁体，其与隔磁适配器连接；隔磁适配器，其被配置为能够与待测设备的轴连接；以及一个或多个固定装置，其被配置为能够与待测设备连接，使得壳体与待测设备之间的距离固定。本发明还涉及一种用于安装磁编码器的方法。通过本发明，可以较好地替代光电编码器，从而避免光电编码器的上述缺点，同时还能够补偿因轴和端盖板本身和/或轴运动带来的公差，从而保持磁编码器的高精确度。
Description
技术领域
本发明总体上涉及自动化控制领域，具体而言涉及一种磁编码器。此外，本发明还涉及一种用于安装磁编码器的方法。
背景技术
近年来，清洁能源领域呈现出快速发展的趋势。清洁能源作为一种新型能源，与传统化石燃料相比具有分布广泛、可再生、环境污染小等优点。作为清洁能源的代表，风力发电机的应用日益增长。
风力发电机的自动化控制的重要一环是测量发电机运行状态，如转子的机械位置。为此目的，通常采用光电编码器，其中光电编码器是一种通过光电转换将输出轴的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。然而，光电编码器使用的精密光栅不仅成本高，而且由于发电机振动和冲击而易损坏，并且光电编码器的轴承由于承受应力而易失效。此外，光电编码器的测量对洁净度要求较高，因此如果密封失效，则侵入壳体内的油污、湿气及水也会造成光电编码器失效。此外，现有光电编码器采用滚动轴承加扭力臂的安装结构，不仅构造成本高，而且长时间运行后容易出现精确度下降，甚至出现编码器失效。
发明内容
从现有技术出发，本发明的任务是提供一种磁编码器及其安装方法，通过该磁编码器和/或该安装方法，可以较好地替代光电编码器，从而避免光电编码器的上述缺点，同时还能够解决批量生产中因电机的轴与端盖板之间公差大且不确定的问题，保持磁编码器的高精确度和鲁棒性。
在本发明的第一方面，该任务通过一种磁编码器来解决，该磁编码器包括：
壳体；
永磁体，其与隔磁适配器连接；
隔磁适配器，其被配置为能够与待测设备的轴连接；以及
一个或多个固定装置，其被配置为能够与待测设备连接，使得壳体与待测设备之间的距离固定。
本发明基于发明人的如下洞察：发明人经过研究发现，现有光电编码器的精确度降低及其失效的主要原因是：(a)由于运行环境差，编码器密封失效，易受污染物，灰尘，水侵蚀；(b)由于编码器通过轴承与轴直接连接，轴承和光栅易受振动和冲击损坏；(c)更重要的是由于轴的制造公差以及运行过程中轴的圆跳动公差变化；通过采用磁场检测原理的磁编码器，实现了无轴承和直接接触，电气绝缘和隔离，提高了可靠性和耐久性。因不采用轴承而是通过增加轴向调整和固定装置，可以将磁编码器与轴之间的相对轴向位置保持为固定，通过经由所述固定装置调整所述轴向距离来补偿批量生产中轴本身和端盖板之间的制造公差；此外，以套筒衬套与轴的止口配合定位，结合多个固定装置的配合使用还能调整编码器所在的面(至少三个点可确定一个面)，从而对磁编码器进行对中或配准。
在本发明的一个优选方案中规定，所述一个或多个固定装置包括多个固定装置，其中所述固定装置还被配置为能够调整壳体与待测设备之间的距离，使得能够将壳体相对于所述轴进行对中。通过该优选方案，实现了以轴作为壳体初始定位基准的可调节结构，其不仅能够调整并保持壳体与待测设备之间的距离，还能通过调整壳体在所述多个固定装置处与待测设备相距的距离来设置壳体所处的面，从而将壳体相对于所述轴进行对中、配准、距离调节等操作。
在本发明的另一优选方案中规定，所述多个固定装置包括3个固定装置。由于3个点确定一个面的原理，因此通过该优选方案，可以较好地通过调整3个固定装置来设置壳体所处的面，从而较好地进行对中。在此应当指出，根据不同应用场景，其它数目的固定装置也是可设想的。
在本发明的又一优选方案中规定，所述一个或多个固定装置中的每个包括：
螺栓，其能够穿过壳体的至少一部分以及待测设备的端盖板，以便将壳体与待测设备连接；以及
3个螺母，包括第一螺母、第二螺母和第三螺母，其中第一螺母被配置为能够将螺栓相对于壳体固定，并且第二和第三螺母被配置为能够将螺栓相对于所述端盖板固定。
通过该优选方案，可以实现低成本的固定装置以及简单的安装方式，而且还可以通过旋拧螺母来精确地调整壳体与待测设备之间的距离。在此应当指出，在本发明的教导下，还可以设想其它形式的固定装置、例如连接螺杆、连接片、带凸出部的卡锁连接件等等。
在本发明的另一优选方案中规定，所述待测设备是风力发电机。通过将所述磁编码器用于风机发电机的转子位置测量，可以降低磁编码器的成本、如构造成本、安装成本和维护成本。
在本发明的第二方面，前述任务通过一种用于安装磁编码器的方法来解决，该方法包括下列步骤：
将永磁体与隔磁适配器连接；
将隔磁适配器与待测设备的轴连接；
安装壳体；以及
使用一个或多个固定装置将壳体与待测设备连接，使得壳体与待测设备之间的距离固定。
在本发明的一个优选方案中规定，所述一个或多个固定装置包括多个固定装置，该方法还包括：
通过操作所述固定装置来调整壳体与待测设备之间的距离，使得能够将壳体相对于所述轴进行对中。
通过该优选方案，不仅能够调整并保持壳体与待测设备之间的距离，还能通过调整壳体在所述多个固定装置处与待测设备相距的距离来设置壳体所处的面，从而将壳体相对于所述轴进行对中、配准等操作。
在本发明的另一优选方案中规定，所述多个固定装置包括3个固定装置，其中通过操作所述固定装置来调整壳体与待测设备之间的距离包括：
确定壳体或永磁体应当处于的平面；
根据所述平面确定壳体在所述3个固定装置处分别应当与待测设备相距的额定距离；以及
分别使用所述3个固定装置将壳体在所述3个固定装置处与待测设备之间的距离调整到所述额定距离。
由于3个点确定一个面的原理，因此通过该优选方案，可以较好地通过调整3个固定装置来设置壳体所处的面，从而较好地进行对中。在此应当指出，根据不同应用场景，其它数目的固定装置也是可设想的、如采用2个或4个固定装置。
在本发明的又一优选方案中规定，所述一个或多个固定装置中的每个包括螺栓和3个螺母，其中通过操作所述固定装置来调整壳体与待测设备之间的距离包括：
将螺栓穿过壳体的至少一部分以及待测设备的端盖板；
使用第一螺母将螺栓相对于壳体固定；以及
使用第二和第三螺母将螺栓相对于所述端盖板固定。
通过该优选方案，可以实现低成本的固定装置以及简单的安装方式，而且还可以通过旋拧螺母来精确地调整壳体与待测设备之间的距离。在此应当指出，在本发明的教导下，还可以设想其它形式的固定装置、例如连接螺杆、连接片、带凸出部(如凸缘)的卡锁连接件等等。
在本发明的另一优选方案中规定，所述待测设备是风力发电机。通过将所述磁编码器用于风机发电机的转子位置测量，可以降低磁编码器的成本、如构造成本、安装成本和维护成本。在此应当指出，本发明不限于此，而是也可以用于其它待测设备、如涡轮机、直流或交流电机等等。
本发明至少具有如下有益效果：(1)本发明的磁编码器可以替代于光电编码器应用于各种待测设备、尤其是风力发电机，由此避免光电编码器的高构造成本、安装成本和维护成本；(2)此外，通过本发明，可以保持磁编码器的壳体与待测设备之间的固定距离、即轴向距离，由此避免因轴本身和端盖板的制造误差或轴磨损或电机运行导致的测量误差，相反，通过本发明，可以将磁编码器的壳体与待测设备之间的距离保持在固定的所期望的值；(3)另外，通过本发明，还可以简单、低成本地对磁编码器将对于待测设备进行对中，并保持所述配准的状态，从而进一步提高测量精度。
附图说明
下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。
图1示出了根据本发明的磁编码器的截面图；
图2示出了安装有根据本发明的磁编码器的待测设备的背视图；以及
图3示出了根据本发明的用于安装磁编码器的方法流程。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
本发明基于发明人的如下洞察：发明人经过研究发现，现有光电编码器的精确度降低及其失效的主要原因是：(a)由于运行环境差，编码器密封失效，易受污染物，灰尘，水侵蚀；(b)由于编码器通过轴承与轴直接连接，轴承和光栅易受振动和冲击损坏；(c)更重要的是由于轴的制造公差以及运行过程中轴的圆跳动公差变化；通过采用磁场检测原理的磁编码器，实现了无轴承和直接接触，电气绝缘和隔离，提高了可靠性和耐久性。因不采用轴承而是通过增加轴向调整和固定装置，可以将磁编码器与轴之间的相对轴向位置保持为固定，通过经由所述固定装置调整所述轴向距离来补偿批量生产中轴本身和端盖板之间的制造公差；此外，以套筒衬套与轴的止口配合定位，结合多个固定装置的配合使用还能调整编码器所在的面(至少三个点可确定一个面)，从而对磁编码器进行对中或配准。
下面根据具体实施例来阐述本发明。
图1示出了根据本发明的磁编码器100的截面图。
如图1所示，磁编码器100包括壳体101以及布置在壳体101内的永磁体102、隔磁适配器103以及固定装置，其中永磁体102与隔磁适配器103连接或接合，而隔磁适配器103又连接到待测设备105的轴106。隔磁适配器103被配置为隔离永磁体与待测设备105侧之间的磁场，从而防止永磁体磁场被干扰，从而影响待测设备105的轴106的机械位置测量。隔磁适配器103的形状例如为螺栓结构，并由非磁性材料(如铜、铝等)制成，尾部有螺纹。隔磁适配器103例如可以旋入轴106的中心孔并拧紧以完成永磁体固定安装。在风力发电机的情况下，隔磁适配器103能够隔离发电机的主磁场和安装的永磁铁的磁场。为了进一步降低影响，还可以将磁编码器布置在发电机主要磁场的最远端以远离发电机的主磁场。待测设备105也可以是其它机械设备。在风力发电机的情况下，轴106例如是发电机滑环箱外旋转的小轴。壳体101的主体例如可以通过套筒衬套104与待测设备105连接或接触，其中例如由塑料制成的套筒衬套104可以对整个磁编码器100进行径向定位，由此满足编码器径向高精度要求。套筒衬套104起到初始定位的作用，并且在磁编码器100的壳体101完成固定后，在发电机运行过程中还可起到保护轴106和壳体101的作用，且运行中的少量磨损不会影响磁编码100的使用和性能。在其它实施例中，壳体101也可以直接与待测设备105连接。
在本实施例中，固定装置被示为螺纹连接件，其包括螺栓107和3个螺母、即第一、第二和第三螺母108-110。在此应当指出，在本发明的教导下，还可以设想其它形式的固定装置、例如连接螺杆、连接片、带凸出部(如凸缘)的卡锁连接件等等。在图1中，螺栓107穿过壳体101的一部分并且穿过待测设备105的端盖板201，以便将壳体与待测设备连接。为了固定，设置了与螺栓107配合的3个螺母，包括第一螺母108、第二螺母109和第三螺母110，其中第一螺母108布置在壳体101的表面以将螺栓107相对于壳体101固定，并且第二和第三螺母109、110布置在端盖板201的两侧以便将螺栓107相对于所述端盖板201固定，也就是说，第一螺母108主要对磁编码器100起固定作用，而第二和第三螺母109、110则可对磁编码器100(或其壳体101)的轴向位置进行调节，由此满足安装面的公差要求。由于螺母108-110可以在螺栓107上改变固定位置，因此通过调节螺母108-110的固定位置，可以调整壳体101相对于待测设备105或其轴106之间的轴向距离，从而补偿轴106的制造公差或轴106与端盖板201的位移，进而保证磁编码器100的精确度。其原因例如是，通过保持所述轴向距离，永磁体102在壳体内的气隙保持不变，因此在轴106转动期间提供更稳定和准确的位置测量。
下面阐述磁编码器100的运行过程。发电机运行时，永磁体102和轴106一起旋转，壳体101中的传感器电路板的传感器芯片将所检测到的磁场变化转换为位置的信息，经过信号转换处理和整形，最后实现差分驱动信号形式输出，以满足长电缆驱动长距离信号传输的要求。磁编码器100可以布置在发电机主磁场的最远端，以减小发电机磁场对磁编码器的磁干扰的可能性。编码器100测量机械位置的原理是现有技术中已知的，因此为了不模糊本发明，在此不予以进一步展开说明。
此外，尽管在图1中示出了仅仅一个固定装置，但是也可以布置多个固定装置。在布置多个、如3个或更多个固定装置的情况下，可以通过所述固定装置分别调整壳体101在各个固定装置处与待测设备105之间的距离来设置壳体所处的面，从而将壳体相对于所述轴进行对中、配准等操作。由于3个点确定一个面的原理，因此可以较稳定地通过调整3个固定装置来设置壳体所处的面，从而较好地进行对中或配准。
图2示出了安装有根据本发明的磁编码器100的待测设备105的背视图。
从图2中可以看出，待测设备105的轴106穿过待测设备105的发电机滑环箱的端盖板201，并且可自由转动。由于整个滑环箱体为钣金件和焊接件组成，所以轴向公差很大且不确定(如：在±5mm左右)，而磁编码器对永磁体和电路板上传感器芯片之间的距离要求准确且公差较小(如：1mm±0.5mm)，并且径向对中尺寸也有严格的要求。所以磁编码器简单合理的安装方式是一个很大的挑战。然而在配备有本发明的磁编码器100的情况下，可有效补偿轴106与端盖板201之间的轴向位移以及轴106的制造公差，使公差满足上述要求，从而保证磁编码器100的精确度。
本发明至少具有如下有益效果：(1)本发明的磁编码器可以替代于光电编码器应用于各种待测设备、尤其是风力发电机，由此避免光电编码器的高构造成本、安装成本和维护成本；(2)此外，通过本发明，可以保持磁编码器的壳体与待测设备之间的固定距离、即轴向距离，由此避免因轴本身和端盖板的制造误差或轴磨损或电机运行导致的测量误差，相反，通过本发明，可以将磁编码器的壳体与待测设备之间的距离保持在固定的所期望的值；(3)另外，通过本发明，还可以简单、低成本地对磁编码器将对于待测设备进行对中，并保持所述配准的状态，从而进一步提高测量精度。
图3示出了根据本发明的用于安装磁编码器的方法流程300，其中虚线框表示可选步骤。
在步骤302，将永磁体与隔磁适配器连接。
在步骤304，将隔磁适配器与待测设备的轴连接。在本发明中，除非另行说明，术语“连接”可以包括各种机械连接方式、如焊接、铆接、螺纹连接、粘接、卡扣连接、卡锁连接、接合等。
在步骤305，安装壳体。例如可以通过套筒衬套来连接壳体的主体和待测设备。
在步骤306，使用一个或多个固定装置将壳体与待测设备连接，使得壳体与待测设备之间的距离固定。在此，可以在最终规定以前，通过操作固定装置来调整壳体与待测设备之间的(轴向)距离。
在可选步骤308，确定壳体或永磁体应当处于的平面。这例如可以根据配准或对中要求来确定。
在可选步骤310，根据所述平面确定壳体在所述多个(如3个)固定装置处分别应当与待测设备相距的额定距离。这例如可以通过相应测量并进行数学计算来确定。在使用轴套的情况下，可以由轴套的面来确定所述固定面，并且由轴套的止口与轴的形状配合关系来确定轴向距离。
在可选步骤312，分别使用所述多个固定装置将壳体在所述多个固定装置处与待测设备之间的距离调整到所述额定距离。在螺纹连接件的情况下，分别调整多个螺母在螺栓上的位置来调整壳体在该螺纹连接件处与待测设备相距的距离。在使用轴套的情况下，通过调整所述固定装置来使编码器处于由轴套的面确定的固定面并使编码器在各固定装置处与壳体或轴处于由轴套确定的轴向距离。
本发明具有下列特点：成本低，可良好地替代原有光电编码器并降低成本70～90％。；安装简单方便，无轴承和直接接触，实现电气绝缘隔离；耐受污染物，防尘，水，可靠性和耐久性高，电路集成，体积小；设计了以轴作为壳体初始定位基准的可调节的安装结构解决了发电机轴和端盖板之间公差较大且不确定的难题；永磁体和编码器壳体定位均依靠机械加工表面定位，保证较高的精度，即永磁体定位采用轴中心孔定位保证高的几何公差，编码器壳体采用轴止口定位可以保证高的几何公差和轴向径向定位；差分输出长线驱动电路具有驱动信号的长电缆传输能力。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。
Claims (6)
1.一种磁编码器，包括：
壳体；
永磁体，其与隔磁适配器连接；
隔磁适配器，其被配置为能够与待测设备的轴连接；以及
3个固定装置，其被配置为能够与待测设备连接，使得壳体与待测设备之间的距离固定，其中所述3个固定装置还被配置为能够调整壳体与待测设备之间的距离来设置壳体所处的平面，使得能够将壳体相对于所述轴进行对中，其中调整壳体与待测设备之间的距离来设置壳体所处的平面包括：
确定壳体或永磁体应当处于的平面；
根据所述平面确定壳体在所述3个固定装置处分别应当与待测设备相距的额定距离；以及
分别使用所述3个固定装置将壳体在所述3个固定装置处与待测设备之间的距离调整到所述额定距离。
2.根据权利要求1所述的磁编码器，其中所述固定装置中的每个包括：
螺栓，其能够穿过壳体的至少一部分以及待测设备的端盖板，以便将壳体与待测设备连接；以及
3个螺母，包括第一螺母、第二螺母和第三螺母，其中第一螺母被配置为能够将螺栓相对于壳体固定，并且第二和第三螺母被配置为能够将螺栓相对于所述端盖板固定。
3.根据权利要求1所述的磁编码器，其中所述待测设备是风力发电机。
4.一种用于安装磁编码器的方法，包括下列步骤：
将永磁体与隔磁适配器连接；
将隔磁适配器与待测设备的轴连接；
安装壳体；
使用3个固定装置将壳体与待测设备连接，使得壳体与待测设备之间的距离固定，其中使用所述3个固定装置来调整壳体与待测设备之间的距离以设置壳体所处的平面，使得能够将壳体相对于所述轴进行对中，其中通过操作所述3个固定装置来调整壳体与待测设备之间的距离包括：
确定壳体或永磁体应当处于的平面；
根据所述平面确定壳体在所述3个固定装置处分别应当与待测设备相距的额定距离；以及
分别使用所述3个固定装置将壳体在所述3个固定装置处与待测设备之间的距离调整到所述额定距离。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述固定装置中的每个包括螺栓和3个螺母，其中通过操作所述固定装置来调整壳体与待测设备之间的距离包括：
将螺栓穿过壳体的至少一部分以及待测设备的端盖板；
使用第一螺母将螺栓相对于壳体固定；以及
使用第二和第三螺母将螺栓相对于所述端盖板固定。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述待测设备是风力发电机。
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