编码器装置的自定心装置的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年8月22日提交的标题为“self-centeringforencoderdevice”美国专利申请no.14/466,348的优先权，其全部内容通过引用结合在本文中。

本发明总体上涉及马达，更具体地涉及一种用于编码器的自定心装置。

背景技术：

编码器在马达应用中用于监测将动力传动通过系统的轴的旋转。如今使用的模块化编码器目前利用马达(或发电机)表面上的预先存在的导向孔来使编码器在马达轴上的定心，或利用具有内部轴承的空心夹持轴和拴系装置。然而，预先存在的导向孔可能不存在和/或不在其期望位置，这可能损害安装精度和可靠性。空心夹持轴的制造成本昂贵，并且易于出现安装错误和支承故障。

技术实现要素：

一个示例提供了一种用于马达的自定心装置，该马达具有基部和轴，该轴延伸穿过该基部，并且可以沿着一个轴线相对于基部旋转，该装置包括具有凸缘的壳体，该凸缘用于将壳体固定到马达基部。一衬套连接到壳体，并且具有用于接纳马达轴的通道。一旋转编码器固定到壳体，并且构造成测量马达轴的位置或旋转中的至少一者。通过将马达轴定位在衬套的通道中，使得壳体在马达轴上定心，以将编码器放置在期望位置，以用于测量马达轴的位置或旋转中的至少一者。

另一示例提供了一种包括壳体的系统，该壳体具有内部空间和凸缘，该凸缘用于将壳体固定到可旋转的轴从中延伸的设备的基部。保持板可在内部空间中固定到壳体，并且包括孔。衬套被定位在壳体和保持板之间，使得衬套的远端部分延伸穿过保持板中的所述孔。衬套在其远端部分还包括通道，以用于将轴可滑动地接纳在其中。编码器配置成测量轴的角位置或旋转中的至少一者。编码器包括连接到壳体的至少一个传感器，以用于测量轴的角位置或旋转中的至少一者。响应于轴被接纳在衬套的通道中，壳体关于轴对齐，以将所述至少一个传感器放置在距轴的纵轴线的预定的径向距离内。

一种用于马达的自定心装置，该马达具有基部和轴，该轴延伸穿过该基部，并且可以沿着一个轴线相对于基部旋转，该装置包括壳体，该壳体具有内部空间和用于将壳体固定到马达基部的凸缘。具有孔的保持板在内部空间中固定到壳体。一衬套延伸穿过保持板中的孔，并且被定位在壳体和保持板之间。衬套具有用于可滑动地接纳马达轴的通道。用于测量马达轴的旋转的编码器具有固定到马达轴的轴部件，和至少一个连接到壳体的用于测量轴部件的旋转的传感器。通过将马达轴定位在衬套的通道中，使得壳体在马达轴上定心，以将所述至少一个传感器放置成与轴部件连通，以用于测量马达轴的旋转。

另一示例提供了一种方法，该方法包括提供具有内部空间的装置壳体。该壳体包括安装在壳体的内部空间中的衬套和编码器电子电路。衬套包括通道，该通道构造成接纳从旋转设备的基部轴向延伸的可旋转的轴。编码器电子电路与衬套隔开。壳体还包括凸缘，该凸缘从壳体的端部向外延伸。该方法还包括将马达轴接纳在衬套的通道中，以使编码器电子电路定位在关于轴的轴线的预定距离内，以使得编码器电子电路能够测量可旋转的轴的运动或位置中的至少一者。壳体的凸缘可固定到旋转设备的基部。

附图说明

图1是固定在马达上的自定心装置的一个示例的示意性图示。

图2是图1的分解组件视图。

图3a是图1的自定心装置的壳体的轴侧图。

图3b是图3a的壳体的底视图。

图4a是图1的自定心装置的定心轴承的轴侧图。

图4b是图4a的定心轴承沿着直线4b-4b的剖视图。

图5a是图1的自定心装置的空心轴部件的轴侧图。

图5b是图5a的空心轴部件沿着直线5b-5b的剖视图。

图5c是图5a的空心轴部件的顶视图。

图6是图1的自定心装置的编码器的示意性图示。

图7是图1的自定心装置和马达沿着直线7-7的剖视图。

具体实施方式

本发明总体上涉及编码器，更具体地涉及一种用于测量旋转轴的角位置和/或旋转的自定心装置。该装置包括壳体(例如定子壳体)，该壳体包括衬套和编码器。该衬套可以安装在预先确定的位置，并且可以包括通道，该通道构造成将(例如马达或发电机的)可旋转的轴接纳在其中。衬套的通道具有中心轴线，该中心轴线与编码器的传感器具有预先确定的空间关系。编码器可实现为绝对或增量旋转编码器。当轴被接纳在壳体的衬套116中时，衬套用作机械模板，以使壳体关于轴对齐，使得编码器就位在期望的位置和取向，以测量轴的位置和/或旋转。例如，编码器可包括传感器，该传感器构造成感知转子上的标记，该转子固定在轴上并且被接纳在壳体中以便由传感器感知。衬套由此用于使转子的中心轴线(例如中心线)与编码器传感器的相应的轴线(例如中心线)自对齐，以使得传感器能够测量固定在轴上的转子的位置和/或运动。因此，一旦轴被接纳在衬套中，则壳体可以固定到轴从其延伸(例如通过螺栓或其它紧固件装置)的表面。一旦壳体被固定在该表面上，则衬套允许轴大体上以互不干扰的方式自由旋转，使得它能够在不会影响编码器的操作的情况下被移走。

图1和2示出自定心装置70的示例。装置70可以用于关于旋转轴(例如马达或发电机的转子轴)精确定位编码器装置，以有助于精确跟踪该轴的角位置和/或旋转。在一个示例中，装置70包括壳体80，衬套116就位在壳体中，并且构造成为该装置提供关于设备20的轴40的自定心，该轴40例如用于马达、发电机或其它旋转轴承载设备。该装置还可包括编码器150，该编码器150安装在壳体中，并且构造成测量轴的角位置和/或旋转。

作为一个示例，设备20构成用于在系统中产生和传递扭矩的典型电动马达。设备20包括基部22，该基部22具有大体上圆柱形的形状，其定义了一对相对的端面或端表面24、26。圆柱形通道28在端表面24、26之间延伸穿过基部22。圆柱形转子轴40沿着轴线42延伸穿过通道28。轴40可以围绕轴线42沿着大体上由箭头r表示的方向相对于基部22旋转。通道28可以包含运动产生机构，该运动产生机构可以根据设备20的类型和构型而改变。

参考图3a-3b，壳体80包括第一部分84和第二部分86，该第一部分84和第二部分86相配合以定义内部空间82。第一部分84可以具有以轴线88为中心的大体上圆形的形状。第二部分86沿着从轴线88径向向外延伸的方向从第一部分84延伸出。第二部分86例如可以具有正方形或矩形的形状。侧孔83穿过第一部分84延伸到内部空间82。侧孔83可以由固定到第一部分84的可移走的门或板81(见图1)封闭。以虚线115示出的附加孔可以穿过第一部分84的顶部延伸到内部空间82中。孔117穿过第二部分86的顶部延伸到内部空间82中。一对侧孔77、87穿过第二部分86的侧面延伸到内部空间82。侧孔87由可移走的门或板85封闭，该门或板85经由紧固件89固定到第二部分86(见图1)。壳体80可以由诸如金属(例如不锈钢、铝或类似材料)的基本刚性的材料制成，或者它可以由诸如聚合物或塑料的非金属材料制成。

参考图2和7，壳体包括凸缘90，该凸缘90可以连接到第一部分84和第二部分86，以部分地封闭装置70的内部空间82。凸缘90可以是经由紧固件91固定到壳体80的单独部件(如图所示)，或者在其它示例中，可以与壳体一体构成。因此，凸缘90可以由与壳体80相同的材料或由与壳体不同的材料制成，例如金属或塑料。在任何情况下，凸缘90都从壳体80的第一部分84径向向外延伸。如图所示，凸缘90可以是连续的环形凸缘，并且可以与第一部分大体上同心。在其它示例中，该凸缘可以构造为一个或多个径向向外延伸的结构，该结构构造成在壳体中的衬套116使感测电路关于轴对齐时，将壳体固定到设备20的表面。在图2和7的示例中，中心孔92延伸穿过凸缘90，并且围绕第一部分84的轴线88定心，以便可以接近装置70的内部容纳物(例如容纳衬套和编码器感测电路)。任选地，一个或多个外孔94延伸穿过凸缘90，并且围绕中心孔92沿圆周定位。孔94可以被预先构造或定制以用于特定的安装目的，例如与设备20中的螺纹钻孔轴向对齐，以经由这些钻孔中的螺纹紧固件96将凸缘固定到设备上。在一些示例中，螺纹钻孔可以在将装置70安装到设备20期间在设备20的表面上形成。

参考图2，保持板100设置为在内部空间82中连接到壳体80的第一部分84。保持板100可以是矩形或其它形状，并且包括中心孔102和多个外孔104，该外孔104从中心孔沿径向向外定位。孔104被确定尺寸和构造成接纳紧固件106，该紧固件106用于将保持板100固定到壳体80的第一部分84。保持板100可以由金属或塑料制成。中心孔被确定尺寸和构造成：在保持板将衬套夹持在保持板和壳体84的第一部分之间的预先确定的位置处时，为衬套116的远端从中穿过提供通道。通过以这种方式将衬套116夹持在保持板和壳体之间，可以认为衬套通过弱摩擦配合被保持，该弱摩擦配合足以执行其自对齐功能，同时衬套还在壳体中是自由的或可浮动的。

参考图4a和4b的示例，定心衬套116是环形的，并且沿着轴线126从第一端118延伸到第二端121。衬套116包括内表面122，该内表面122定义了圆柱形通道124，该通道124沿着轴线126完全延伸穿过衬套116。通道124的内径的尺寸被确定成比轴40的直径略小(例如大1-10微米)，以保证衬套116和轴之间的精确配合。在一个示例中，通道124和轴40彼此构成紧密的滑动配合，以使得轴能够相对于衬套旋转(例如由于构成通道的侧壁的材料的耐磨性和/或所浸渍的润滑剂)。

衬套116包括围绕轴线126周向延伸的外围表面130。凹部132在外围表面130中形成，并且从第二端121向第一端118延伸，在第一和第二端之间的端表面134处结束。凹部132与内表面122同心。凹部132可以提供凸肩，该凸肩与保持板100的相邻的表面接合(例如提供与该表面的抵接)，以在端部121穿过保持板中的孔突出以接纳轴40时，相对于壳体夹持衬套。

衬套116可以由耐磨材料制成，例如金属、塑料或聚合物，该材料可以是有润滑的或无润滑的。在一个示例中，衬套116由青铜制成，例如sae841油浸烧结青铜。在另一示例中，衬套116可以由浸渍油或其它润滑剂的塑料或聚合物制成。衬套116可以被模塑和/或机加工成适应各种不同的轴直径。

再返回参考图2，编码器150构成与空心轴部件(例如转子)138配合以测量轴40的角位置和/或旋转的编码器150。将理解，轴部件138也可以构成编码器150的一部分。在任何情况下，编码器150可以构成多种已知的编码器类型中的任一种。例如，编码器150可以是机械式、光学式、磁式、电感式或电容式。

参考图5a-5c所示的示例，轴部件138被设置为转子，该转子用于固定到设备20的轴40，并且继而与轴一起旋转。轴部件138包括环形的基部140和夹持件143，该夹持件143从基部沿径向向外延伸。标记180可以布置在基部周围，以被编码器150感测。在此示例中，标记180被图示为包括围绕基部的外围延伸的一个或多个带状件。标记180可以由一系列离散的标志或其它可检测的物体构成，它可以根据所实施的编码器技术的类型(例如机械式、光学式、电感式、电容式等)而改变。标记180可以沿着圆周变化，以对轴40编码角位置和/或旋转信息。在一些示例中，标记180可以由与基部140的其余部分不同的一个或多个材料条构成。

作为另一示例，通道141沿着轴线142完全延伸穿过轴部件138。通道141具有圆形的横截面，该横截面的尺寸被确定成可滑动地接纳设备20的轴40。通道141具有在基部140中的第一直径φ1和在夹持件143中的第二直径φ2。夹持件143包括外围表面147。槽或通道144从外表面147延伸穿过夹持件143，并且延伸到通道141中。因此，夹持件143具有c形的轴向截面。环形槽或通道145从通道144延伸出，并且围绕轴线142周向延伸。环形通道145完全延伸穿过夹持件143，使得夹持件和基部140沿着环形通道145彼此隔开。由于通道144、145，夹持件143的一部分可以相对于基部140移动，以及相对于夹持件的其余部分移动。换句话说，夹持件143的沿着环形通道145并且与基部140隔开的部分可以相对于基部以及夹持件的直接固定到基部的部分移动。

侧向通道146穿过夹持件143的外表面147延伸到环形通道145。紧固件148延伸穿过侧向通道146和环形通道145。紧固件148旋拧到夹持件143中，使得紧固件和夹持件之间的旋拧接合程度能够调节环形通道144的圆周宽度。换句话说，通过旋转紧固件148，使得夹持件143的沿着环形通道145的部分相对于夹持件的直接固定到基部140的部分以及基部移动。因此，可以将通道141在夹持件143中的直径φ2减小到等于或小于直径φ1的尺寸，以将轴部件138固定到设备20的轴40。

如图6所示，编码器150包括一个或多个电路板154，该电路板154通过紧固件158固定在一起。各电路板154均包括用于检测、测量和传输关于轴40的旋转的信息的电子部件。各电路板156可包括弓形凹部156，该弓形凹部156模拟轴部件138的基部140的外部轮廓。一个或多个传感器168可设置在各电路板156上，以检测轴部件138上的带状件180的旋转运动。传感器168可以是光学传感器、磁性传感器等，这可以取决于所实施的编码器技术的类型。编程口(programmingport)170可电连接到电路板154，该编程口170允许使用者编程、校正、测试或调整被编程到电路板和/或传感器168中的感测变量。在其它示例中，数据可以无线传输(例如经由蓝牙、wifi或其它短距离无线技术)。门或面板171可释放地固定到壳体80的第一部分84并延伸穿过壳体中的孔117(见图3a)，并且使得在装置70安装好时可以接近编程口170。

参考图1和2，适配器160构造成固定到壳体80的第二部分86，并且穿过第二部分中的侧孔77延伸到内部空间82中。适配器160包括紧固件162和通道164，该通道164延伸穿过该紧固件以接纳用于从编码器150向控制器(未示出)传输数据的导线(未示出)。适配器160可以电连接到控制器(未示出)，并且向控制器转发关于轴40的旋转的数据。

参考图2和7，当装置70装配好时，衬套116的第二端121延伸穿过保持板100中的中心孔102。这使端表面134抵靠保持板100。尽管保持板100和衬套116被图示为单独的部件，但是将意识到，保持环和衬套可以构成单个的一体式部件(未示出)。无论如何构造，在此构型中，保持板100中的中心孔102都可以使衬套116的轴线126以预先确定的取向和位置定心。紧固件106延伸穿过保持板100中的外孔104，并且在内部空间82中将保持板紧固到壳体80的第一部分84。这使衬套116在内部空间82中定位在壳体80的第一部分84和保持板100之间，并且衬套的轴线在预先确定的位置。在一个示例中，衬套116既没有紧固到保持板100也没有紧固到壳体80。相反地，衬套116被夹持或保持在保持板100和壳体80之间，以防止衬套和保持板或壳体之间的相对轴向运动。可替代地，保持板100和壳体80可以彼此充分地隔开，以便例如在壳体已经固定到设备20之后，允许衬套116沿着轴线126在保持板和壳体之间的一些运动(未示出)。换句话说，在另一示例中，衬套116可以在凹部132的深度的一部分或全部上相对于保持板100轴向移动。

在一些示例中，壳体80的第一部分84可以构造为：一旦紧固件106被固定，则防止衬套116从保持板100和壳体之间移走。在其它示例中，第一部分84可包括可移走的门或其它结构，例如图3a中的虚线的门115，其允许在装置已经以期望的位置和取向被固定到设备20之后，将衬套116从保持板100和壳体80之间移走。

编码器150在壳体80的内部空间82中经由紧固件158固定到保持板100。这使编码器150从保持板100悬挂下来。在这方面，在使紧固件紧固之前可以使用卡盘或其它对齐工具(未示出)，以保证衬套116相对于壳体80和传感器168适当定位，即衬套的轴线与壳体80的轴线88适当对齐。卡盘可以是圆柱形的，并且可以定位成抵接电路板中的弓形凹部156，同时抵接保持板100且围绕衬套116。这使得衬套116沿着壳体80的轴线88定心，并且使衬套相对于电路板154上的传感器168精确定位。紧固件106、158然后被紧紧固定，并且卡盘被移走。

适配器160可以穿过壳体80的第二部分86中的孔77插入内部空间82中。这使得紧固件162的通道164定位成与内部空间82流体连通。紧固件162将适配器160固定到第二部分86。门171定位在壳体80中的孔117中。导线可以电连接到电路板154，并且穿过适配器160中的通道164，以电连接到控制器(未示出)。可替代地，适配器160可以被省略，来自于电路板154的数据被无线地发送到控制器或其它远程电路(未示出)。

轴部件138被定位在设备20的轴40上方，使得轴延伸穿过通道，并且夹持件143与马达的端表面24轴向隔开。轴40首先延伸穿过夹持件143，然后穿过基部140。紧固件148被紧固，以将夹持件143的各部分拉到一起，以减小直径φ2，直到夹持件围绕轴40实现夹持，由此将轴部件138固定到所述轴。轴40随后沿着方向r的旋转由此使轴部件138沿着方向r旋转。可替代地，轴部件138可以被完全省略，标记(例如带状件)180直接形成或设置在轴40上(未示出)。

此时，如果在基部22的端表面24中具有预先存在的导向结构(pilot，例如在马达基部的表面中的环形凹部)，则一个或多个像凸缘90那样的环形的盖件(未示出)可以放置在端表面上，以覆盖或填充该导向结构。轴40和轴部件138穿过所述盖件，并且可相对于所述盖件自由旋转。因此，在将壳体附装到设备20的基部的表面24之前，盖件可以定位在凸缘90和该表面24之间。由此可以利用该盖件来有效地消除对应于导向结构的凹入部分，从而去除导向结构的最初预期的对齐功能。在其它示例中，凸缘自身可以构造成具有一定外直径，该外直径的尺寸被确定成适配在导向结构中，从而可以消除由现有的导向结构提供的对齐或不对齐。

在任何情况下，随后都使装配好的装置70靠近设备20，该装置取向成使得凸缘90中的中心孔92朝向马达的端表面24和(当存在时)环形的盖件。使用者然后使轴40的轴线42与衬套116中的通道124的轴线126对齐，并且将衬套——壳体80和编码器150固定到该衬套——移动到轴上。在此运动期间，轴40和轴部件138经过凸缘90中的中心孔92和保持板100中的中心孔102，直到轴延伸到衬套116中的通道124中。轴40可以移动到通道124中并穿过通道124，直到凸缘90抵接基部22的端表面24。在此构型中，装置70基本上沿着方向r相对于基部22围绕轴40自由旋转，这允许将装置70移动到围绕轴线42的期望的圆周位置，例如以使编码器150的适配器160的通道164与连接导线对齐，和/或使壳体80的第二部分86定位成不阻挡其它结构。无论装置70的取向如何，编码器150都定位成使得电路板154中的弓形凹部156邻近轴部件138的基部140的外周并且大体上与该外周同心。在此取向中，传感器168定位成邻近轴部件138中的带状件180并且与该带状件180径向对齐。

由于保持板100被牢固地紧固到壳体80，因此保持板中的中心孔102有助于使布置在其中的衬套116的通道124与壳体的轴线88保持同轴。另外，衬套116中的凹部132与保持板100配合，以防止轴线88、126不对齐。因此，当轴40被定位在衬套116的通道124中时，衬套使轴的轴线42与壳体80的轴线88精确地且可重复地对齐。结果是，无论装置70相对于设备20的旋转取向如何，同样被牢固地紧固到壳体80上的编码器150的电路板154上的传感器168都与轴部件138上的标记180径向对齐。电路板154相对于轴部件138的精确定位允许传感器168检测带状件180的旋转，该旋转对应于紧固到该带状件180的轴40的旋转。衬套116可以有助于和使得壳体80的轴线88能够与轴40的轴线42精确对齐，由此将编码器150的感测电路定位和固定在距旋转轴预先确定的距离处，以保证编码器将精确地检测和测量轴的旋转。

一旦到达装置70相对于轴40的期望的旋转位置，则使用者将凸缘90固定到基部22上。更具体地，紧固件96可以插入孔94中并旋拧到基部22中，以将装置70固定到设备20。为此，使用者可以在基部22上钻孔或以其它方式形成孔，以在凸缘90抵接端表面24时接纳紧固件96。换句话说，基部22中用于接纳紧固件96的孔可以是基部中预先存在的孔，或者可以在装置70的安装期间新形成。因此，装置70不依赖于设备20中预先存在的孔或导向结构用来固定到马达。更具体地，由于衬套在附装到轴时关于壳体被紧固在预先确定的位置，因此衬套执行壳体关于轴的自对齐功能。因此，模块化的编码器不需要依赖于可能存在于基部22中的任何预先形成的导向结构的轴向和径向位置。尽管凸缘90图示为包括孔94，但是将意识到，这些孔可以最初被省略，随后在装置70就位在设备20上时在凸缘中形成。

一旦装置70被紧固到设备20，则轴40围绕轴线42沿着方向r的旋转同样使轴部件138沿着方向r旋转。当轴部件138旋转时，编码器150的传感器168跟踪从其旁边经过的带状件180的运动，并且将该运动转化成数字信号，该数字信号经由通过适配器160的导线(未示出)传输到控制器(未示出)以进行处理。由于装置70牢固地紧固到设备20上，并且通过衬套116相对于轴40的轴线42适当对齐，因此编码器150可以容易地且可重复地跟踪轴的旋转。

如果衬套116经过一段时间由于轴40的晃动或不对齐而磨损，则不论衬套的任何这种磨损情况如何，编码器150将仍然正确地起作用。即，衬套116可以用于提供对基部22的初始对齐和附装，之后的功能很小。例如，在壳体80已经根据衬套116提供的对齐固定到基部22之后，在一些示例中，装置70的衬套可以被移走。如果需要，衬套116可以更换；然而，在装置70已经附装到设备20之后，该装置70不需要继续工作。这是由于编码器150的电子电路感测带状件180的功能不取决于衬套116。因此，只要编码器150正确地起作用，即使衬套116已经磨损，该衬套116也可以被移到不同的或甚至相同的设备中并且仍然提供自对齐功能以使编码器能够进行操作。在任何情况下，装置70都构造成保证在衬套116已经用于该装置相对设备20的精确定心和固定之后，衬套116的磨损不会损害编码功能。

如上所述，装置70简化了壳体80和设备20的固定，因为缓解了对定位和/或依赖于马达上的导向孔或在装置和马达之间固定系绳的需求。相反地，一旦凸缘90抵接基部22的端表面24，则使用者可以简单地在凸缘上的任何位置在端表面24中钻孔或打孔，以允许紧固件96将装置固定到马达。因此，衬套116自身——而非导向孔或其它预先存在的设备结构——用于使装置70在轴40上对齐，由此使编码器150相对于轴精确定位，以感测轴的角位置和/或运动。

衬套116的自对齐结构还简化了装置70在设备20上的装配和编码器150相对于轴部件138的定位。仅通过将马达轴40插入自对齐/自定心的衬套116中，就使得编码器150的传感器168与固定到轴40的轴部件138上的带状件180自动对齐，这保证了对马达轴旋转的精确和可重复测量。本文公开的自定心装置由此降低了成本，改进了在安装位置的精确度和通用性，并且通过减少否则可能彼此超出公差的部件上的磨损而提高了产品的总体寿命预期。

上文已经描述的是示例。当然，不可能描述部件或方法的每种可能的组合，但是本领域普通技术人员将意识到，多种其它组合和变换是可能的。因此，本发明意在包含落入本申请(包括所附权利要求)的范围的所有这种替代、修改和变型。如本文所使用的，术语“包括”意味着包含但不限于。术语“基于”意味着至少部分地基于。另外，当本公开或权利要求阐述“一”、“一个”、“第一”或“另一”元件或其等同物时，其应被理解成包括一个或不止一个这种元件，既不要求也不排除两个或更多这种元件。