技术领域
[0001] 本
发明总体涉及永磁步进
电动机和数字式线性致动器，更特别地，涉及在开发期间在步进电动机和数字式线性致动器中使用的圆柱形磁体的轴向磁化的校准。
背景技术
[0002] 数字式线性致动器（DLA）和步进电动机典型地以
磁性圆柱的形式引入转子。在校准转子期间，通量密度被测量（以高斯为单位），以确定转子的容量。用于确定通量密度的典型方法涉及在旋入族转子所需的产生
电压夹具设备中以预定的高速度（比如1800rpm）旋转转子。单独的工具对其他类型的转子来说是所需的。这些只适用于测量在生产过程期间的通量密度，因为所述夹具不适合配合非生产步进电动机转子，或具有所附接的
轴承的转子。
[0003] 另一种诊断方法涉及以高速度（比如1800rpm）旋转转子组件，并同时被组装在DLA内。这种方法是一种侵入式测试方法并使DLA的功能退化。开发从电动机产生的电压所需的旋转速度足以预测内部轴承或
润滑剂的退化。
螺纹轴适配器的插入可能会损坏内部
丝杠螺纹。以毫特斯拉（mT）为单位的通量密度被标绘成如图1中所示的
正弦波。尽管图1中所示的标图示出了不同的通量密度测量值，但是图1中的标图难以解释，并且不提供通量密度和转子的尺寸的变化之间的相关性。
[0004] 因此，在开发阶段期间存在对测量用于DLA或步进电动机的转子的通量密度的方法的需求，所述方法不仅测量通量密度，而且还能够测量转子的表面不规则。
发明内容
[0005] 本发明是一种用于测量被用作数字式线性致动器（DLA）的部分的转子的通量密度和跳动的方法。
[0006] 根据本发明的测量通量密度和跳动的方法具有灵活性以容纳不同直径的转子，评估磁体材料的固有特性和磁化过程。圆跳动测量能
力还被用于评估轴承轴颈“椭圆度”。所述方法包括使用扫描工具，或DLA转子通量密度扫描夹具，其评估与表面跳动组合的电
磁场强度（高斯）并以可缩放的图示格式呈现数据。圆柱形转子磁体固定在扫描工具中，并且扫描工具同时测量磁体的周界或外部表面的磁场强度和圆跳动。在这个
实施例中，扫描工具包括夹具，比如合适尺寸的锥形压配
心轴，并且转子被安装在心轴中。心轴是非侵入性的并且不会损坏转子的内部特征。
[0007] 旋转
编码器提供对所有测量值的标量引用。磁场强度（高斯）在与转子的外部表面相隔一定距离（被定义为径向“空气间隙”）上被测量。同时，激光被用于测量转子表面精细的变化。由此产生的正弦波高斯数据和表面径向尺寸数据被操纵成可缩放的“雷达”标图。所述雷达标图使磁极场强度和表面圆跳动变化与标示
位置相关联。两个平面位置被评估以将典型地在罐层叠步进电动机中找到的前线圈和后线圈相关联。DLA转子通量密度扫描夹具是可适应的并容纳等同尺寸的DLA转子以达到基准测试目的。DLA转子通量密度扫描夹具可以结合转子磁性特性和跳动特性来确定轴承轴颈表面跳动或“椭圆度”。
[0008] 在一个实施例中，本发明是一种用于测量表面的磁通量和跳动的方法，包括步骤：设置数字式线性致动器（DLA）；以及设置转子，所述转子是所述DLA的部分。所述方法还包括：设置连接至所述转子并外接所述转子的磁体，所述磁体具有外部表面；设置非
接触测量
传感器以测量在磁体的外部表面上的跳动；以及设置高斯
探头以测量磁体的外部表面上的磁体通量密度。跳动和磁体通量密度被同时测量，并被标绘在标图或图表上以使跳动和磁体通量密度的测量值相关联。
[0009] 设置了一种工具，比如扫描工具，以测量磁通量和跳动，高斯探头和非接触
测量传感器是所述工具的部分。所述工具包括：标示旋转头；连接至所述标示旋转头并由所述标示旋转头驱动的轴；以及连接至所述轴的夹具。同样连接至所述标示旋转头的是用于测量所述轴的旋转位置的
角编码器。转子被安装在夹具中，并且标示旋转头被旋转以使得旋转力通过轴和夹具传递，从而使转子在夹具中旋转。当转子被旋转时，转子的通量密度使用高斯探头来测量，转子的跳动使用非接触测量传感器来测量，并且轴的总旋转量由角编码器来测量。
[0010] 在磁体上的两个位置中测量跳动。更具体地，在第一截面和第二截面上测量跳动。第一截面是外部表面上的第一中心正中平分平面，并位于磁体的端部附近。第二截面是外部表面上的第二中心正中平分平面，但位于磁体的与第一截面相反的端部附近。在一个实施例中，标图是具有第一通量密度标图和第一跳动标图的雷达标图，所述第一通量密度标图指示从第一截面测量的磁通量密度，所述第一跳动标图指示从第一截面测量的跳动。所述标图还包括第二通量密度标图和第二跳动标图，所述第二通量密度标图指示从第二截面测量的磁通量密度，所述第二跳动标图指示从第二截面测量的跳动。第一跳动标图和第二跳动标图与第一通量密度标图和第二通量密度标图一起标绘出，以使得在跳动测量值和通量密度测量值的变化之间形成相关性。
[0011] 所述雷达标图包括多个瓣，所述多个瓣的每一个包括第一通量密度标图的一部分和第二通量密度标图的一部分。所述多个瓣的一部分表示一个或多个北极，所述多个瓣的另一部分表示一个或多个南极。第一跳动标图和第二跳动标图被标绘在雷达标图上以提供在所述一个或多个北极以及所述一个或多个南极的通量密度与跳动之间的相关性。
[0012] 本发明的适用性的另外的领域将从在下文中提供的详细描述中变得显而易见。应该理解，详细描述和特定示例尽管指示了本发明的优选实施例，但意图是仅出于说明目的且不意图限制本发明的范围。
附图说明
[0013] 本发明将从详细描述和附图中变得更加全面地理解，在附图中：
[0014] 图1是根据
现有技术的具有转子的通量密度测量值的标图；
[0015] 图2A是根据本发明的具有包括磁体的转子的数字式线性致动器的截面侧视图，并且磁体的通量密度和跳动被测量；
[0016] 图2B是根据本发明的具有磁体的转子的透视图，并且磁体的通量密度和跳动被测量；
[0017] 图3A是根据本发明的具有包括磁体的转子的数字式线性致动器的一部分的局部截面视图，并且磁体的通量密度和跳动被测量；
[0018] 图3B是根据本发明的磁体的径向表面和第一
定子组件和第二定子组件的部分的象形图，其中磁体的通量密度和跳动被集中测量；
[0019] 图4是根据本发明的具有通量密度测量值和跳动测量值的标图；
[0020] 图5是根据本发明的具有通量密度测量值和跳动测量值的雷达标图；并且
[0021] 图6是根据本发明的用于测量转子的通量密度和跳动的工具的透视图。
具体实施方式
[0022] 优选实施例的以下描述本质上仅是示例性的，且绝不意图限制本发明及其应用或用途。
[0023] 总体参照图2A-6，并具体参照图2A-3B，引入本发明的方法的数字式线性致动器（DLA）总体用10示出。DLA 10包括连接至连接器14的
外壳12。连接器14包括凹槽16，所述凹槽16具有用于提供外壳12和连接器14之间的密封连接的O型环18。
[0024] 连接器14还包括连接至一组线22的一组
端子20。线22的至少一根与第一线圈24电气连通，线22的至少另一根与第二线圈26电气连通。第一线圈24位于第一定子组件28中，而第二线圈26位于第二定子组件30中。连接至第一定子组件28的是内部外壳32，并且所述内部外壳32部分地围绕转子（总体用36示出）的第一端部（总体用34示出）。第一端部34还具有由轴承40
支撑的轴承表面38。还具有连接至内部外壳32的轴承
定位器42，如图2A中最清楚看到的，所述轴承定位器42还用于正确地定位所述轴承40。
[0025] 来自DLA 10的转子36是磁性圆柱体。更具体地，转子36还包括被安装在转子36的本体部分46上的圆柱形磁体44。本体部分46还包括两个凸缘48，50。磁体44被安装到两个凸缘48，50之间的本体部分46。从凸缘50凸出的是外部部分52，其部分地延伸进入前轴承外壳54中。前轴承外壳54连接至第二定子组件30，如图2A中所示，并具有细长部分56，所述细长部分56至少部分地被
弹簧58围绕。外部部分52是转子36的第二端部70的部分，并延伸进入细长部分56的内部腔体（总体用74示出）的内部表面72中并接触所述内部表面72。细长部分
56还具有引导致动轴62的扩大直径部分64的引导孔口60，并且引导孔口60防止轴62旋转，其功能将稍后进行描述。致动轴62还包括与螺纹部分68
啮合的螺纹部分66，所述螺纹部分
68被形成为转子36的本体部分46的部分。
[0026] 弹簧58延伸离开前轴承外壳54并部分地被套筒76围绕。套筒76连接至
阀的第一部分78。第一部分78通过使用
螺纹连接80而被安装在致动轴62的端部上。阀的第一部分78还包括被弹簧58围绕的延伸部82，所述延伸部82还起到用于弹簧58的引导件的作用。
[0027] 弹簧58起作用以朝向关闭位置
偏压阀。弹簧58还起作用以限制轴承40中的
轴向游隙，限制螺纹部分66，68之间的侧隙，并在致动轴62的行进期间提供动态力平衡。阀，更具体地第一部分78，通过使用转子36和定子组件28，30移动。第一定子组件28包括多个场杯齿和极板齿。在图中示出的是第一定子组件28的第一外部半场杯齿84、第二外部半场杯齿86和第三外部半场杯齿88，以及第一内部半极板齿90和第二内部半极板齿92。在图中同样示出的是第二定子组件30的第一内部半极板齿94、第二内部半极板齿96、和第三内部半极板齿98，以及第二定子组件30的第一外部半场杯齿100和第二外部半场杯齿102。尽管定子组件
28，30的每一个被示出具有各种极板齿和场杯齿，但是定子组件28，30必须具有相等数量的齿以形成相等数量的南北对以正确地起作用。在本发明的范围内，根据应用可以使用更多或更少的极板齿和场杯齿。
[0028] 圆柱形磁体44包括多个交替极对，所述极对沿磁体44的长度延伸。更具体地，圆柱形磁体44包括至少第一南极104、第二南极106和第三南极108。磁体44还包括至少第一北极110、第二北极112和第三北极114。尽管三个南极104，106，108和三个北极110，112，114在图
3B中被示出，但是图3B仅仅是磁体44的局部视图，并且实际上具有六个北极和六个南极，总共十二个极，从而形成六个极对。同样在本发明的范围内，根据磁体44的尺寸和应用可以使用更多或更少的极。极对的数量影响磁体44的步进增量。在该实施例中，由于磁体的一次完整的旋转为360°，并且每个定子具有十二个极齿，因此定子组件步进增量为30°。然而，由于两个定子组件28，30径向偏移极齿距离的一半，因此步进电动机的步进增量为15°。在其他实施例中，比如具有10个极对的磁体44，步进增量将为9°。在又一替代实施例中，磁体44包括两个极对，从而形成45°的步进增量。在本发明的其他实施例中，可使用更多或更少的极对以形成所期望的步进增量。
[0029] 圆柱形转子36绕轴线旋转，并且在步进电动机中使用的转子36沿轴线被纵向地磁化。转子36的磁化使用多个N-S极对配置（比如图3B中所示的北极110，112，114和南极104，106，108的配置）来实现。极对的间距和数量是电动机步进角相关的，如上面提及的。DLA 10具有两个线圈场（在图2A和图3A中被图示为两个线圈24，26），这两个线圈场沿转子36的长度堆叠。中心正中平分平面作为对每个线圈24，26的区域中的高斯分析的目标。
[0030] 在操作中，
电流通过端子20，然后通过线22传递至线圈24，26的每一个。线圈24，26中的电流在定子组件28，30的每一个的场杯齿84，86，88，100，102和极板齿90，92，94，96，98中形成
电磁场。该电磁场还与磁体44的极104，106，108，110，112，114相互作用，从而导致磁体44并因此导致转子36旋转进入最近的相磁平衡。
[0031] 如上面所提及的，引导孔口60和致动轴62的扩大直径部分64之间的连接防止了致动轴62旋转。转子36的螺纹部分68相对于致动轴62的螺纹部分66的旋转将转子36的旋转运动转换为致动轴62的线性运动。随着转子36被转动，转子36的螺纹部分68和致动轴62的螺纹部分66之间的
连接线性地移动致动轴62。
[0032] 致动轴62的移动线性地移动阀的第一部分78，并当转子36在第一方向或逆
时针方向上旋转时延伸第一部分78使之离开前轴承外壳54。当电流被施加至线圈之一，比如第一线圈24，并反向时，定子组件28的场杯齿84，86，88和极板齿90，92中的电磁场被反向，导致磁体44并因此导致转子36在相反或缩回方向（在该实施例中其是第二方向，或顺时针方向）上旋转。这同样导致致动轴62线性地移动，并且当转子36在顺时针方向上旋转时阀的第一部分78朝向前轴承外壳54移动。
[0033] DLA 10的操作要受在线圈24，26和齿84，86，88，90，92，94，96，98，100，102中产生的电磁场的影响。DLA 10的操作还要受磁体44的通量密度的影响。在DLA 10的设计期间，磁体44的通量密度被测量，并且磁体44的表面上的跳动也被测量。磁体44具有长度148，并且在第一截面118和第二截面116处测量跳动，所述第一截面118是位于离开端部118A多达磁体44的长度148的百分之三十的距离的平面圆周，所述第二截面116也是位于离开端部116A多达磁体44的长度148的百分之三十的距离的平面圆周，图2B中所示。更具体地，通量密度沿远离每个端部116A，118A的径向位置测量，在该实施例中，所述径向位置是从第一端部116A向内的磁体44的总长度的百分之三十的距离，以及从第二端部118A向内的磁体44的总长度的百分之三十的距离。本质上沿定子组件28，30的中心正中平分平面作出测量，并且每个中心正中平分平面位于第一截面118和第二截面116处。
[0034] 通量密度的测量通过旋转转子36并按所限定的径向“空气间隙”距离测量相邻的极104，100，106，112，108，114之间的磁场强度变化来完成。通量密度由高斯探头测量，并且空气间隙是远离转子36的外部表面的预定径向距离。在一个实施例中，空气间隙在径向距离中大约为0.010英寸；然而，在本发明的范围内，可以使用其他径向距离来获得所测量的通量密度。磁通量的高斯测量特定于空气间隙。这种径向距离物理上对应于转子36和定子组件28，30的齿84，86，88，90，92，94，96，98，100，102之间的DLA内部“空气间隙”。磁通量离开北极110，112，114并进入南极104，106，108。杂散通量场或高斯
涡流损失起源于圆柱形磁体44的端部。在转子36的端部处的径向高斯受涡流损失影响。高斯测量因此无法太接近转子圆柱体端部地被执行。
[0035] 另外，圆跳动通过使用非接触测量传感器来测量。转子36(更具体地磁体44)的表面被测量以建立变化的幅度。随着径向空气间隙的尺寸改变，磁体44的表面的显著变化，比如圆跳动，可能影响通量密度读数。磁体44的表面的测量不但被用来评估磁体44相对于核心轴线的平面圆跳动，而且还被用来评估任何轴承轴颈表面，比如外部部分52的表面52A，图2B中所示。在替代实施例中，轴向夹具可以被用来定位非接触测量传感器以测量转子36的表面的总跳动，而不只是测量平面截面的圆跳动。
[0036] 本发明的方法引入同时标绘一次完整的旋转期间的通量密度读数（作为正弦波标图）和跳动变化。在一个实施例中，根据本发明的标图在图4中示出。通量密度和跳动被一起标绘以提供表面变化和通量密度变化之间的相关性。具有多个峰120和多个谷122。峰120表示北极110，112，114的每一个的最大通量密度，谷122表示在南极104，106，108的每一个处的最大通量密度。具有两个标图，这两个标图示出了图4中的所测量的通量密度，第一线124表示在第一截面118中测量的通量密度，第二线126表示在第二截面116中测量的通量密度。此外，具有表示在第一截面118中测量的跳动的第三线128，和表示在第二截面116中测量的跳动的第四线130。
[0037] 通量密度和跳动的
叠加示出了磁体44的表面和所测量的通量密度的变化之间的相关性。
[0038] 在另一个实施例中，代替将通量密度标绘作为正弦波标图，并叠加跳动标图和通量密度标图(如图4中所示)，通量密度可以被标绘成极图或雷达标图（如图5中所示）。代替具有多个峰120和谷122，图5包括多个“瓣”。每个瓣150沿磁体44的径向标示位置提供磁极104，110，106，112，108，114之一的指示。
[0039] 这些几何形状，或瓣150，是
软件形象
化成绝对矢量雷达标图的磁通量高斯测量。图5中的雷达标图是以有效的方式呈现数据的图示。雷达标图源自于在来自转子36的磁体
44的外部表面周围的径向空气间隙处的磁通高斯测量。随着测试部分在测量期间旋转，磁通量场高斯值被记录为正弦波。磁通量场高斯强度确定标图振幅。磁通量场高斯极性通过转子磁化（北和南）确定。被记录的正弦波被标绘（如图4中所示）以表示通量密度的测量值。
然而，在图5中，正极性正弦波和负极性正弦波在雷达标图中形成“双纽线”形状。因为这形成了混乱的图像，所以所述正弦波被转换为绝对值。在图5中所示的由此产生的雷达标图中，每个瓣150视觉上表示相邻的极（即，北，南，和北），所述相邻的极更容易涉及转子36的物理磁体44。每个“瓣”150表示单一的磁极。
[0040] 在图5中，跳动测量值的标图也沿径向标示位置（与通量密度的位置相关联）标绘。在图5中所示的标图上的每个值被表示成距标图的原点中心的矢量距离。在转子36的测量旋转期间，对应于标示位置的值被标绘。
[0041] 更具体地，在第一截面118中测量的通量密度通过第一线124示出，并且在第二截面116中测量的通量密度通过第二线126示出。图5中所示的第一线124和第二线126表示与通过图4中的线124，126示出的相同的通量密度，不同之处在于如何标绘通量密度。另外，每个瓣150还表示磁体44上的交替北极和南极，并以三十度的磁性扇区增量标绘，开始于零度，并且按十五度观察极峰。在该实施例中，由于具有六个极对，或十二个极，并且转子36的一次旋转为360°，因此所标绘的磁性扇区增量为三十度。更具体地，北极总体在150A示出，而南极总体在150B示出。表示第一南极104的通量密度测量值的瓣150B位于十五度处，表示第一北极110的通量密度测量值的瓣150A位于四十五度处，表示第二南极106的通量密度测量值的瓣150B位于七十五度处，而表示第二北极112的通量密度测量值的瓣150A位于一百零五度处，并且该图案如图5中所示那样继续，并标绘所有瓣150。由于具有六个极对，因此具有标绘的十二个瓣150。如上面所提及的，尽管图3B中仅示出三个南极104，106，108和三个北极110，112，114，但是实际上具有六个北极和六个南极。在该实施例中，标图被示出，以交替的方式表示磁体44的六个南极和六个北极的通量密度，但在本发明的范围内，更多或更少的极对可以被包括作为磁体44的部分。
[0042] 同样在图5中所示的是跳动的径向标图，由第三线128和第四线130示出。这些线128，130是与图4中所示的相同线128，130，但被径向地标绘，并形成两个圆圈。在图5中可以看出，沿磁体44的外部表面的跳动的测量值对应于沿磁体44的外部表面在相同位置取的通量密度的测量值。图5中的标图提供了在磁体44的表面上的对应位置测量的磁通量密度和跳动变化之间的相关性。这提供了在开发转子36期间可以使用的信息，以使得磁体44的表面精饰可以被改变以减少或消除跳动，并提供一致的空气间隙和所期望的磁通量密度。
[0043] 当查看图5，以及由第三线128和第四线130形成的两个圆圈时，这两个圆圈（表示在第一截面118中测量的跳动的第三线128，以及表示在第二截面116中测量的跳动的第四线）是圆柱形磁体44（其是转子36的部分）的形象化表面标图，并表示圆跳动。理想地，由第三线128和第四线130构造的两个圆圈形成具有一致半径的重叠圆圈。然而，当查看图5中所示的标图时，如果两个圆圈（由线128，130形成）不重叠，则它表明磁体44的圆柱形形状不一致。当一个圆圈标图在另一圆圈标图内侧被观察到时（当由线128形成的圆圈在由线130形成的圆圈内侧时，反之亦然），其将表示具有圆锥形特征或被圆锥地成型的转子磁体44。当由线128，130形成的圆圈标图被观察到以使得两条线128，130针对圆弧段分离时，表明磁体44的表面的形状沿轴向长度不一致。
[0044] 每个“瓣”150表示磁体转子上的极（并且是第一线124和第二线126的一部分）。每个瓣150的矢量幅度表示磁通量高斯场强度。每个瓣150从原点中心延伸的矢量距离可以被解释为磁体的强度（更大的瓣意味着更强的高斯测量）。瓣150的尺寸、振幅和宽度的差指示高斯磁体场强度的变化。如果两个瓣标图组（由第一线124形成的表示在第一截面118中测量的通量密度的第一组瓣150，由第二线126形成的表示在第二截面116中测量的通量密度的第二组瓣150）不重叠，则它表明磁化不一致。
[0045] 然而，假设磁体均匀性和同质性，一对瓣150的振幅之间的变化指示磁体44中的材料变化或磁体44的表面上的表面
缺陷。磁体44的表面上的缺陷通常局限于单一瓣150的变化。对于转子表面交叉检查的标图变化会证实这种表面变化。
[0046] 振幅之间的变化可以指示沿转子的长度改变的磁通量高斯场强度。更具体地，如果一个瓣150的标图在其他另一个瓣150内侧被完全观察到，则可表示沿转子36的磁体44的长度的场强度变化。对于转子表面交叉检查的标图变化会证实任何表面缺陷，导致高斯测量的空气间隙变化。
[0047] 如果由第一线124形成的这组瓣150在由第二线126形成的这组瓣150内侧被完全观察到，则这指示沿转子36的磁体44的长度的场强度变化，或反之亦然。对于由第三线128和第四线130示出的任何标图变化的交叉检查会证实磁体44的圆锥形外部表面。
[0048] 如果由第一线124形成的这组瓣150和由第二线126形成的这组瓣150两者看上去都仅在一个矢量方向上移位，则这指示沿磁体44的长度的场强度变化。对于由第三线128和第四线130示出的任何标图变化的交叉检查会证实在磁化过程期间转子中心错位。
[0049] 如果由第一线124形成的这组瓣150和由第二线126形成的这组瓣150两者看上去都具有角
相移，则这指示在磁化过程期间的非轴向斜磁化或轴向错位。对于由第三线128和第四线130示出的任何标图变化的交叉检查会证实磁化设备过程的缺陷。
[0050] 参照图6，示出了工具（总体在132示出）的示例，所述工具用于测量通量密度和跳动。工具132包括标示旋转头（总体在134示出），其连接至角编码器（总体在136示出），并且角编码器136连接至轴（总体在138示出）。轴138连接至夹具（总体在140示出），在该实施例中夹具是夹头轴向夹具140，并且转子36被安装在夹具140中。转子36被图示为测试样本（在图6中总体在142示出）。工具132还包括可调节的非接触测量传感器（总体在144示出），以及可调节的高斯探头（总体在146示出）。在该实施例中，非接触测量传感器144是激光探头，但在本发明的范围内，可以使用其他类型的非接触测量传感器。
[0051] 在操作中，标示旋转头134旋转并
驱动轴138和位于夹具140中的测试样本142。随着轴138旋转，角编码器136测量轴138的角位置。随着测试样本142被旋转，非接触测量传感器144测量磁体44的表面上的表面跳动，并且高斯探头146测量通量密度。通量密度和表面跳动的测量不能在相同点同时执行。因此，测量相隔九十度地执行，如图6中所示，并且软件补偿测量中的不同径向位置。标绘数据以使得磁通量和跳动相关联，如图5中所示。虽然在该实施例中，测量相隔九十度地执行，但在本发明的范围内，在其他位置也可以采用测量。
[0052] 在替代实施例中，通量密度和跳动的测量可以被引入生产过程以测量产品转子36，并提供跳动和通量密度之间的相关性，以使得在组装DLA 10期间，任何变化都可以被补偿。
[0053] 本发明的描述本质上仅是示例性的，因此，不背离本发明的要旨的变化意图落在本发明的范围内。这些变化不被视为背离本发明的精神和范围。
