CN102826179A - 壳体内多磁块位置和磁通量可调节的传感元件 - Google Patents

Abstract

本发明壳体内多磁块位置和磁通量可调节的传感元件属于多点位磁感应提供控制信号的技术。转动盘和固定盘嵌的内空中设有永磁块和霍尔，转动盘上固定设置有圆环形分布的多个永磁块，可调节永磁块间距和可调不同位置永磁块的磁通量，在转动盘的某一面，相邻永磁块的磁极性相反，即转动盘的某一面上全部永磁块的磁极性分布方式是N极、S极、N极…；固定盘上的霍尔设在接近永磁块的位置。优点：利用相邻永磁块磁极性成NS的相反分布方式，使霍尔可获得矩形波信号，便于可对信号进行数字处理；利用间距和磁通量不同，使矩形波信号能表示永磁块在转动盘上的位置，确定不同矩形波的用途，永磁块与霍尔的相对位置固定，信号输出可靠。

Description

壳体内多磁块位置和磁通量可调节的传感元件

技术领域

本发明属于磁感应提供信号的技术领域，特别是涉及在一个转动部件上，进行多点位磁感应提供控制信号的技术。

背景技术

野宝车料工业（昆山）有限公司申请的中国专利201020295192.0《勾爪式力矩传感装置》公开了一种助力自行车用传感装置，传感装置包括磁性件和弹性件配合，感受力矩的传感装置。使用时间长后，弹性件的弹性系数变化就会导致传感信号与被控电机的控制效果发生变化，助力效果变得与人的助力需要不配合。而且用弹性件的设计结构复杂，制造成本高。

北京科技大学申请的中国专利01201843.0《电动助力自行车自动检测装置》公开了一种电动助力自行车自动检测装置，无接触检测蹬力、速度和转向，该装置在相对运动的内、外轮盘上分别设磁片，内轮盘上有弹簧，内、外轮盘之间用弹簧复位，用支架上的两个霍尔测内、外轮盘上相对运动的磁片产生的电信号表示蹬力、速度和转向。

缺点（1）用弹性件不耐久：使用时间长后，弹性件的弹性系数变化就会导致传感信号与被控电机的控制效果发生变化，助力效果变得与人的助力需要不配合，结构复杂，成本高。

缺点（2）各磁片组相同且磁极设置方式都相同，而不能表示不同磁片组的各自位置，不能表达不同位置特殊的助力需求：从01201843.0专利的图3、4、5、6和说明书第2页第2段的记载说明，每一个磁片组（包括一个磁片4、一个磁片5、一个磁片6）的磁极设置方式都相同，即仅是在内轮的不同位置简单从复设置了完全相同的磁片组，不能表示不同磁片组的各自位置，不能表示特定位置的运动状态，而人骑自行车时，踏板和与踏板相对应的各位置在运动状态，都有自己特殊的助力需求，但该专利这种各磁片组相同的结构，不能表达出踏板上各个不同位置特殊的助力需求。

缺点（3）各位点信号无差异使人机不配合：每一个磁片组都一样，则每一个磁片组不能表示该磁片组在内轮上的位置，霍尔所输出的信号不能表示脚踏板和其它磁片组的位置，即霍尔输出的信号不能表示不同脚踏位置对助力的需求，造成对助力的需求和提供助力的时间不配合，即人机配合不理想。

缺点（4）输出正弦波使磁片组边缘距离不能小于4厘米，一般以5厘米为佳，而使可设磁片组数太少，人机配合不理想：各磁片组相同，则霍尔输出的是正弦波作为控制信号，作为控制信号正弦波必需有一定峰谷差值，由于该专利的磁片组需要一定长度表示正反向运动，在直径为20厘米的环形凹槽转动盘圆形轨迹上最多设8个磁片组，一般以5个为佳，霍尔才能有控制功能的正弦波信号。也就是说，01201843.0专利的这种技术方案，用于助力自行车，磁片组数量受限止在8个以内，控制信号太少，人机配合不理想。但如果多于8个磁片组，在人踏车较快时，霍尔输出的信号图形接近为一条水平线，该信号没有控制功能，不能控制电动机，使其特别需要助力时，失去助力功能。

该信号没有控制功能，不能控制电动机，使其特别需要助力时，失去助力功能。

缺点（5）信号盲区达45度角，启动时需要助力的时候确得不到助力：众所周知，人踩自行车脚踏板在顶点力矩最小，从离开顶点10-45度角是最需要助力的区域，但该专利各磁片组之间的夹角为45度，在脚踏板离开顶点10-45度角区域没有一个磁片组，也就没有一个控制信号，其结果是最需要助力的时候，但助力自行车的电机确不能助力。

总之，除用弹性件不耐久又结构复杂外，因霍尔与磁片组的配合结构特点，转盘大小直径为20厘米以内，限止了磁片组数量为8组，磁片组数不能随意增加，使人机配合不理想，而且启动时得不到助力，助力需求与提供助力不匹配，骑车人的舒适性差；如强行增加磁片组数量，其传感信号又失去助力控制功能。

 王乃康申请的中国专利03264387.X《时间型电动助力自行车传感器》公开了不用弹性件，只用动、定两个转盘，动盘上面镶嵌两个永磁磁钢，定盘上面镶嵌三个霍尔元件，自行车踏板转一周，每个霍尔产生两个脉冲，则三个霍尔元件产生六个脉冲。分折可得三个特点，四个缺点如下：

特点（1）为获得六个脉冲信号，只能是各永磁磁钢相同磁极在一面：每个霍尔要产生两个脉冲，则只能是两个永磁磁钢的相同磁极设在动盘的同一面，即在动盘的某一面，两个永磁磁钢都是北极或都是南极。假如在动盘的同一面，一个永磁磁钢为北极，另一个为南极，则踏板转一周，每个霍尔就只能产生一个脉冲，三个霍尔就只有三个脉冲，这就不合乎该专利说明书记载了。为了增加脉冲数，提高控制效果，只能是各永磁磁钢相同磁极在一面。

特点（2）永磁磁钢用于表示踏板固定位置，三个霍尔表示踏板运动位置：由于踏板与动盘是同步转动，所以在与两个踏板对应的动盘上两个位置分别固定一个永磁磁钢，某一个踏板转在什么位置，则对应的永磁磁钢也转在什么位置；但只有转在有霍尔的位置，才能通过霍尔发出控制信号，指挥助力自行车的电机产生需要的助力转动。

特点（3）因为一个霍尔不能表示转一周中不同时段踏板运动的位置，则就不能只用一个霍尔：踏板在转一周中的不同时段，对助力需求是有很大差别的，要体现这种助力需求的变化，该专利用三个霍尔分别设在180度角以内的三个位置，两个永磁磁钢分别设在两个踏板位置，踏板转在有霍尔的位置，该霍尔就输出信号表示踏板到达了该霍元的位置。但用多个霍尔又存在下面的缺点。

作为助力自行车传感器的这些特点会有三个缺点：

缺点（1）用两个没有差异性的永磁磁钢分别表示两个踏板的固定位置，就只能用多个霍尔来表示踏板的转动位置：两个永磁磁钢没有差异性，优点是可以不分左右脚的分别表示两个踏板的固定位置，使其左右脚发生助力需求，可产生相同的电机助力效果；但缺点是永磁磁钢本身就不能表示踏板的转动位置，而只能用多个霍尔设在不同的转角位置来表示踏板的转动位置，所以不能只用一个霍尔，而必需用多个霍尔。

缺点（2）不能只用一个霍尔，而三个霍尔必然造成三个控制信号有原始分段误差，使助力需求模型失真，自然产生助力输出与助力需求不一致：助力自行车不论是一个或两个电机，其控制电机的传感信号只能用一个传感信号输入电机控制器才能达到控制电机的目的；而该专利用三个霍尔控制电机，则必需把三个霍尔的三个控制信号合并为一个合并控制信号后才能输入电机控制器。三个霍尔的传感参数不可能一样，特别是由于环境温度变化、使用时间长后，三个霍尔的传感参数可能差异很大，其结果造成相同的助力需求时，不同霍尔的输出的是不同电压，导致电机产生不同的助力输出，助力输出与助力需求不一致；同理相同的助力需求时，不同霍尔的输出的又可能是相同电压，导致电机产生同一种助力输出，也产生助力输出与助力需求不一致的问题。

缺点（3）合并控制信号易产生信号漂移，使合并控制信号与电机控制器不匹配，助力需求模型失真：由于环境温度变化、使用时间长后，三个霍尔的传感参数可能差异很大，三个霍尔的三个控制信号连接点必然变化，则相同的助力需求产生的合并控制信号就会产生分段性的信号漂移，合并控制信号作为一整体产生信号失真，即助力需求模型失真，造成电机控制器选用三个控制信号的任何一个作为基准都会产生助力输出与助力需求不一致的问题。

缺点（4）传感位点不能随意增加，传感位点太少，电机运行就不平稳，使骑车的人感觉很不舒服：由于有缺点（1）和缺点（2）都最因为霍尔数量大于一个造成的，很明显霍尔数量越量越多，缺点（1）和缺点（2）表现越严重。所以，该专利提供的助力自行车只能是使骑车的人感觉舒适性很不好的助力自行车。

缺点（5）信号盲区达42度角，启动时需要助力的时候确得不到助力：众所周知，人踩自行车脚踏板在顶点力矩最小，从离开顶点10-45度角是最需要助力的区域，但该专利各霍尔之间的夹角为42.5-43.5度，在脚踏板离开顶点10-42度角区域没有一个霍尔，也就没有一个控制信号，其结果是最需要助力的时候，但助力自行车的电机确不能助力。

总之，该专利是用多个霍尔控制助力模式的技术方案，因为只能用多个霍尔来表示踏板的转动位置，多个霍尔的多个控制信号必然有原始误差，其合并控制信号又易产生信号漂移，都可造成助力需求模型失真，即不同时间的相同助力需求，但获得不同的助力效果；霍尔数量越量越多，助力需求模型失真越严重，限止了霍尔了数量，霍尔少数量了又产生电机运行就不平稳，使骑车的人感觉很不舒服，而且启动时得不到助力。使其要助力需求模型不失真，和要电机运行平稳这两个问题上总是顾此失彼，不可兼得。

发明内容

本发明的目的是提供只用一个霍尔和环形凹槽转动盘上各个永磁块获得速度和加速度信号的传感元件，是一种在可感应区域内，能尽量增加永磁块数量，最大限度利用环形凹槽转动盘位移信息，输出信息多又精确定位，可调节输出信号模型，霍尔和多个永磁块用一个组合件固定相对位置的传感元件。使用在助力自行车上，不用弹性件和其它机械测定力矩，也能够使助力需求与提供的助力匹配良好，能实对不同人给与个性化助力，电机运行平稳的助力自行车传感器用传感元件。

本发明的构思是：在一个霍尔可感受范围内，一个环形凹槽转动盘上用多个永磁块向霍尔的那一面进行南、北磁极性交替变化，使其一个霍尔可感受全部永磁块的运动信号。多个永磁块的变化方式主要是磁极性变化、错位变化、不同位置有磁通量变化、位置可由用户调节，目的使霍尔可获得环形凹槽转动盘特定位置更精确、更适合个性化需求、控制功能更强、数量更多的永磁块运动信号。

多个永磁块磁极性用南极北极交替变化，使霍尔产生的信号为矩形波，控制功能更强、数量更多；

多个永磁块错位变化，使霍尔产生的信号有不同的波间距离，能表达永磁块的运动位置更精确，从而可以表达特定位置的运动状态，对于助力自行车，表达脚踏板的特定位置是在什么运动状态非常重要，因为脚踏板的运动状态直接表示了人对车的助力需求状态；

多个永磁块在不同位置有磁通量变化，使霍尔产生的信号有不同的波峰波谷差值，能表达永磁块的运动位置更精确，从而可以表达特定位置的运动状态，对于助力自行车，表达脚踏板的特定位置是在什么运动状态非常重要，因为脚踏板的运动状态直接表示了人对车的助力需求状态；

环形凹槽转动盘上的一个感应位置可以有错位变化和磁通量变化这两种变化方式，即可以用两个参数表示一个感应位置的霍尔输出波形，使霍尔输出信号控制功能精确、更稳定。

永磁块位置和该位置的磁通量可由用户调节，使霍尔产生的信号可用户调节，用户就可以通过户调节控制信号来调节控制方式和控制内容，具有按个性化方式进行控制的功能。

本发明的结构是： 

壳体内多磁块位置和磁通量可调节的传感元件，包括环形凹槽转动盘1、环形凹槽固定盘40、一个霍尔3和多枚永磁块2，其特征在于：环形凹槽转动盘1和环形凹槽固定盘40两者的凹面相对，环形凹槽固定盘40嵌合在环形凹槽转动盘1的环形凹槽之中，成两个盘能相对转动的嵌合内空外壳，两个盘的凹面夹成一个空心环41；在空心环41位置的环形凹槽转动盘1上固定设置有多枚永磁块2，该多枚永磁块2分布在一个圆环形6范围内，圆环形6的内圆形轨迹线5-1与外圆形轨迹线5-2之间至少有一条圆形轨迹线贯穿全部永磁块2；内圆形轨迹线5-1和外圆形轨迹线5-2为同心圆，至少有两枚永磁块2成错位分布；错位分布是半径错位分布方式或间距错位分布方式的某一种；或即有半径错位分布方式，又有间距错位分布的组合方式；

半径错位分布方式是：至少有两个永磁块2到内圆形轨迹线5-1所在圆中心的距离不相同；

间距错位分布方式是：相邻永磁块2之间的距离为永磁块间距7；至少有两条永磁块间距7的长短不相同；

在内圆形轨迹线5-1与外圆形轨迹线5-2之间至少有一个条形短槽8，条形短槽8中设有永磁块2，永磁块2能固定在条形短槽8中的任何位置；

相邻永磁块2的磁极性相反，环形凹槽转动盘1上全部永磁块2的磁极性分布方式是N极、S极、 N极、S极、 N极、S极……；至少有两枚永磁块2的磁通量不相同；

在空心环41的环形凹槽固定盘40上固定设置有一个霍尔3，霍尔3设在接近永磁块2并能感受每个永磁块2磁通量的位置，霍尔3与永磁块2之间有间距；霍尔3是对相反磁极性产生矩形波输出信号的霍尔。

环形凹槽转动盘1与环形凹槽固定盘40即嵌合，又能相对转动，保证了在环形凹槽转动盘1转动状态，霍尔3与全部永磁块2的感应位置不变化，使霍尔3的输出信号只与全部永磁块2的转动有关，而与环形凹槽转动盘1与环形凹槽固定盘40以下的物件无关；如果环形凹槽转动盘1与环形凹槽固定盘40用金属材料，又可有屏蔽作用，所以，用环形凹槽转动盘1与环形凹槽固定盘40将霍尔3与全部永磁块2置于空心环41进行感应，提高了霍尔3信号的可靠性、真实性。

当把环形凹槽固定盘40固定在某一物件上，转动环形凹槽转动盘1，环形凹槽转动盘1上的各个永磁块2扫过环形凹槽固定盘40上的霍尔3时，每个永磁块2都能使霍尔3产生电信号。由于相邻永磁块2的磁极性相反，即全部永磁块2的磁极性南、北交替的面对霍尔3，则霍尔3产生电信号为矩形波信号，矩形波信号方便进行数字化处理信号，用于实现数字化控制。现有技术是全部永磁块2的用同一个磁极性面向霍尔3，霍尔3就只能产生正弦波信号，所以只能用于模拟控制；一但霍尔3的感应参数变化，模拟控制就可能失真。而本发明用矩形波信号实现数字化控制，不会产生控制失真的问题。

环形凹槽转动盘1可以是塑料板、高强度绝板、铜板、铝板等不易变形的材料板。使用传感元件时，环形凹槽转动盘1要转动，所以环形凹槽转动盘1又称转动盘，转动的中心就是多个永磁块2成圆环形分布所在圆的中心。

多个永磁块2在圆环形6范围内，成圆环形分布的目的在于可以只用一个霍尔3感受环形凹槽转动盘上全部永磁块2的运动状态，即感受环形凹槽转动盘上全部永磁块2的运动位置和速度，以及速度的变化，或称加速度，这一个霍尔3就能把永磁块2的运动状态用一个连续的电信号来表达，又因为全部永磁块2是分别固定在环形凹槽转动盘即环形凹槽转动盘1上的，则霍尔3产生的连续电信号就能表达环形凹槽转动盘的运动状态。如果把这个连续电信号用于控制其它物体，这个连续电信号就是控制信号。如果用于控制助力自行车的电机，还需要用单片机或其它电子元件作为传感信号处理器，把控制信号中的位置、速度、加速度要索转换成需要助力多少的助力信号，换算的函数就是助力需求模型，或称助力模型。

多个永磁块2成错位分布的意义是：使霍尔3产生的电信号中不是完全一样的脉冲信号，而是脉冲宽度不同的脉冲信号，用有区别的脉冲信号来区别永磁块2的不同位置，从而可以获得不同位置永磁块2的运动状态。达到可精确表达环形凹槽转动盘某个位置，或每个有永磁块2的运动状态。如用于助力自行车，可精确表达脚踏在不同位置对助力的需求，使助力需求的表达更精确，则车与人的配合就更一致。

永磁块2半径错位分布方式是：有的永磁块2离环形凹槽转动盘的转动中心近，有的永磁块2离环形凹槽转动盘的转动中心远。但不论远近，永磁块2必需在霍尔3所能感受、能产生电信号的范围内。能产生电信号的范围就是内圆形轨迹线5-1与外圆形轨迹线5-2之间的范围。为保证霍尔3能产生电信号，结构上要求内圆形轨迹线5-1与外圆形轨迹线5-2之间至少有一条圆形轨迹线贯穿全部永磁块2。至少有两个永磁块2到内圆形轨迹线5-1所在圆中心的距离不相同，当然可以每个永磁块2到圆中心的距离不相同，即每个永磁块2的半径不相同，以使霍尔3电信号的每个脉冲都可以表示在永磁块2，使每个脉冲都可以表示一个环形凹槽转动盘位置。

永磁块2间距错位分布方式是：以永磁块2的外边缘作为测定间距的基础，至少有两条永磁块间距7的长短不相同，当然可以每条永磁块间距7的长短不相同，以使霍尔3电信号的每个脉冲都可以表示在永磁块2，使每个脉冲都可以表示一个环形凹槽转动盘位置。

获得永磁块2成错位分布有两种方法，第一种是把永磁块2固定在环形凹槽转动盘1上时，就至少有两枚永磁块2成错位分布。第二种是利用条形短槽8中有多个位置都可以设有永磁块2，在环形凹槽转动盘1上至少用一个条形短槽8，把一个或多个永磁块2设在条形短槽8中，随时可按人的需要改变永磁块2的位置，也就是调节永磁块2所在条形短槽8中的位置，调节后将其固定，所以，有条形短槽8就能随时调节永磁块2错位分布方式，可用同一个永磁块2使霍尔3产生不同的输出信号，产生不同的控制效果。如用于助力自行车，可使车给与人不同的助力效果。

多个永磁块2磁通量不相同的意义是：使霍尔3产生的电信号中不是完全一样的脉冲信号，而是峰谷差值不同的脉冲信号，用有区别的脉冲信号来区别不同永磁块2的不同位置，从而可以获得不同位置永磁块2的运动状态。达到可精确表达环形凹槽转动盘某个位置，或每个有永磁块2的运动状态。如用于助力自行车，可精确表达脚踏在不同位置对助力的需求，使助力需求的表达更精确，则车与人的配合就更一致。 

多个永磁块2磁通量不相同也就是多个永磁块2的磁通量是有变化的，其变化的范围应是位置不变的同一个霍尔3能感受的磁通量范围，也就是说，多个永磁块2磁通量的最高值和最低值应在霍尔3能感受的磁通量范围内。

获得永磁块2磁通量变化分布有三种方法，第一种是把永磁块2固定在环形凹槽转动盘1上时，就至少有两枚永磁块2的磁通量不相同。第二种是利用条形短槽8中有多个位置都可以设有永磁块2的特定，在环形凹槽转动盘1上至少一个条形短槽8，把磁通量不相同的永磁块2设在一个条形短槽8中，随时可按人的需要改变磁通量不相同的永磁块2的位置，也就是调节永磁块2在这个条形短槽8中的位置，调节后将其固定，所以，有条形短槽8就能随时调节永磁块2磁通量的分布方式。第三种是在环形凹槽转动盘1上设置两个或多个用于固定永磁块2的单个永磁块2用孔，或在环形凹槽转动盘1上设置两个或多个条形短槽8；在单个永磁块2用孔，或条形短槽8中设磁通量不相同的永磁块2，随时可按人的需要将磁通量不相同的永磁块2设在不同的单个永磁块2用孔，或条形短槽8中，实现在环形凹槽转动盘1上的不同置调节永磁块2磁通量变化的目的。

霍尔3设在接近永磁块2并能感受永磁块2磁通量的位置，目的在于用霍尔3感受永磁块2的运动状态，从而感受环形凹槽转动盘1的运动状态，即运动位置、速度、加速度。

相邻永磁块2的磁极性相反是很重要的技术特征，全部永磁块2的磁极性分布方式是N极、S极、 N极、S极、 N极、S极……，使霍尔3输出高、低相间的矩形波信号，因为作为大小受限止的环形凹槽转动盘，转动一周要获得尽量多的精确变化信号，当然应是选用矩形波。矩形波信号的峰谷值变化的时间短，可在一定的时间内，产生尽量多的有控制意义的信号。相邻永磁块2的磁极性相反的结构产生矩形波，而相邻永磁块2的磁极性相同的结构产生正弦波，特别是用于助力自行车时，作为传感部件的环形凹槽转动盘一般限止在直径为10-15厘米，在这种限范围要获得有控制功能的信号，转动一周，产生矩形波比产生正弦波可提供的脉冲个数多7-9倍。自然，相邻永磁块2的磁极性相反的结构对助力自行车的控制效果更的，人与车配合更好，乘骑人感觉更舒服。

环形凹槽固定盘40内圈的外表面与环形凹槽转动盘1内圈的内表面之间设有轴承42。轴承42使环形凹槽固定盘40与环形凹槽转动盘1之间能长时间保持良好的相对转动。

条形短槽8是弧形的结构，条形短槽8的弧形所在圆与内圆形轨迹线5-1为同心圆。这种结构使霍尔3产生的输出信号可改变波峰或波谷的长度。可以用于一、改变了的波峰或波谷长度作为启动信号，使被控制物启用另一套工作程序。如果用于助力自行车，改变永磁块2在条形短槽8中的位置，可改变助力模型，如可以选用小人用助力模型、女人用助力模型、青年用助力模型、运动用助力模型、休闲用助力模型等。可以用于二、改变了的波峰或波谷长度只用于改变这一个波峰或波谷的控制效果，如果用于助力自行车，只改变该永磁块2所在位置的助力效果。

条形短槽8是斜向的结构，即条形短槽8两端分别与内圆形轨迹线5-1所在的圆心的距离不相等。但条形短槽8应在内圆形轨迹线5-1与外圆形轨迹线5-2之间的范围内，以便霍尔3可感受到条形短槽8中永磁块2的信号。斜向条形短槽8与上述的弧形条形短槽8作用和效果相同。

至少有一个永磁块间距7的长度不等于其它任何一个永磁块间距7，且至少有一个永磁块2的磁通量不等于其它任何一个永磁块2的磁通量。条形短槽8是用于把永磁块2调节固定在不同位置的结构。通过调节永磁块2位置，可以实现至少有一个永磁块间距7的长度不等于其它任何一个永磁块间距7，且至少有一个永磁块2的磁通量不等于其它任何一个永磁块2的磁通量。通过将永磁块2在条形短槽8中调节位置，或在条形短槽8中撤换不同的永磁块2，可以实现一个脚踏板的位置用一个特殊长度的永磁块间距7，还用一个特殊磁通量的永磁块2来表示，表示永磁块2位置的精确度和可靠性大大提高。因为自行车脚踏板的圆周运动，判定脚踏板位置对于获得本次圆周运动的速度，确定下一次圆周运动的助力模型非常重要。

最好是至少有两个永磁块间距7的长度不等于其它任何一个永磁块间距7，这两个特殊长度的永磁块间距7分别对应于两个脚踏板，用于表示自行车两个脚踏板的位置。同样，最好是至少有两个个永磁块2的磁通量不等于其它任何一个永磁块2的磁通量，这两个特殊磁通量的永磁块2分别对应于两个脚踏板，用于表示自行车两个脚踏板的位置。

条形短槽8的某一条内边缘设有两个或多个齿形凸9。为了把永磁块2固定在条形短槽8中多个位置中的某一个位置，防止在环形凹槽转动盘1转动时，永磁块2自行变位置，所以用条形短槽8中的齿形凸9卡稳永磁块2在某一固定位置。

条形短槽8与永磁块2是可撤卸的卡接连接结构。

霍尔3设在内圆形轨迹线5-1与外圆形轨迹线5-2之间。因为霍尔3是能有间距感受永磁块2磁通量而输出电信号的部件，又为了尽量减小永磁块2的体积，使其在环形凹槽转动盘1上尽量多的设置永磁块2，使尽量减小的永磁块2都能被霍尔3感应；霍尔3应设在内圆形轨迹线5-1与外圆形轨迹线5-2之间，而且最好设在接近能贯穿全部永磁块2的圆形轨迹线的位置。

环形凹槽转动盘1在多个永磁块2的内圆形轨迹线5-1所在圆范围内设有中心孔4。如果环形凹槽转动盘1要穿套在一个转动轴上使用，环形凹槽转动盘1上就要设一个穿套转动轴的孔；为保证环形凹槽转动盘1在随转动轴转动时，霍尔3能感受环形凹槽转动盘1上每个永磁块2的运动信号，则环形凹槽转动盘1上的穿套孔应设在多个永磁块2的内圆形轨迹线5-1所在圆范围的中心，由于内圆形轨迹线5-1和外圆形轨迹线5-2为同心圆，当然穿套孔在外圆形轨迹线5-2所在圆范围的中心，穿套孔是内圆形轨迹线5-1和外圆形轨迹线5-2的中心位置孔，即中心孔4。也就是说，中心孔4不一定是圆形，可以是方形、三角形等形状，以便可以与方形、三角形等形状的转动轴相套，但中心孔4的内空一定包括内圆形轨迹线5-1所在圆的中心，才能使用一个霍尔3感受环形凹槽转动盘1环形凹槽转动盘上全部永磁块2的运动信号。

环形凹槽转动盘1是不导磁材料的塑料板、铝材板、铜材板的某一种。由于本发明是相邻永磁块2的磁极性相反的结构，能使相邻永磁块2的边缘几乎可相贴也能使霍尔3输出有控制功能的电信号。

本发明的优点：结构简单、成本低、永磁块环上的永磁块数量不受限止、输出标准的脉冲信号、没有信号盲区、只用一个霍尔的一组输出信号就能完全表示动盘的全部运动状态、输出信号不会失真不漂移、用永磁块位置变化和磁通量变化两个参数表示所在固定位置、输出信号中可以有每个永磁块的运动位置，输出信息模型可调节，用于助力自行车，使助力输出与助力需求能高度配合而使骑车人感觉很舒服，仅可自动化助力，而且具有按个性化进行助力的功能。

（1）结构简单，不用弹性件，无机械故障：用霍尔感受多个永磁块转动输出信号，用中国专利01201843.0提供的速度可推算力矩的原理，可用多种数学模型推算助力自行车的力矩参数，用于控制助力自行车的电机，实现助力。不用弹性件、结构简单、成本低于用弹性件和机械受力的传感器。避免了长时间使用后，各机械部件变形、无机械故障、配合不佳的问题。

（2）磁极性相反，输出矩形波信号，具有精确控制功能：由于相邻永磁块的磁极性相反，并且霍尔选用对相反磁极性产生矩形波输出信号的霍尔，则相邻永磁块无论间距多少，即使相邻永磁块之间没有间隙，霍尔也同样能输出矩形波信号。如用于助力自行车，用矩形波的输出信号来控制助力自行车的电机优于用正弦波，因为矩形波能作到信号在任何时间点，表示运动位置和速度的信号含义精确，从而可精确表示助力自行车踏板的运动位置和速度，以便用踏板精确的位置和速度推算出该运动状态正确的助力需求。

（3）相邻永磁块的磁极性相反，永磁块数量不受限止，可尽量增加传感点位：由于磁极性相反，输出矩形波信号，相邻永磁块即使无间隙，其输出的信号仍然是有个数、可区分的矩形波信号，仍然具有控制功能，也就是说不会输出没有控制功能的无变化直线形信号。如用于助力自行车，由于与踏板联动的环形凹槽转动盘直径大小受限止，就可在规定大小的环形凹槽转动盘上，尽量增加永磁块数量、尽量增加传感点位、用尽量多的传感信号表示自行车踏板运动位置和速度，精确表示运动状态。

（4）相邻永磁块的磁极性相反，可设置永磁块多、传感点位多，对环形凹槽转动盘的运动状态表示精确：对用于助力自行车，固定永磁块的环形凹槽转动盘大小受到严格限止，一般环形凹槽转动盘直径只能在10-15厘米以内，为了使霍尔在有间距的条件下获得永磁块的磁极信号，其永磁块的直径至少为Ф0.6-0.8厘米，则直径10-15厘米的环形凹槽转动盘的周边无间隙的可设置35-73个永磁块［（10-1）*3.14/0.8=35；（15-1）*3.14/0.6=73］，即脚踏板转一周，霍尔可获得35-73个信号用于控制助力自行车的电机。但如果是相邻永磁块磁极性相同的现有技术，相邻永磁块按5厘米间距，则在直径10-15厘米环形凹槽转动盘上，最多只能设置5-8个永磁块［（10-1）*3.14/5.8=5；（15-1）*3.14/5.6=8］。可见，本专利技术比现有技术可以多设置永磁块7-9倍［35/5=6；73/8=9］，多设置30-65个永磁块［35-5=30；73-8=65］。所以，环形凹槽转动盘转一周，本专利技术比现有技术增加了7-9倍的环形凹槽转动盘转动位点信号。对助力自行车的电机控制精确度自然提高了7-9倍，使骑车人对助力需求精确度也提高了7-9倍，车与人的配合程度大大提高，骑车人的舒适感大大增加，不再是现有技术的助力车那种一快一慢不舒服的感觉。本发明请人根据实际的体验，当环形凹槽转动盘上大致均匀的设置15个永磁块时，基本消除了现有技术只设5-8个永磁块使助力车那种一快一慢不舒服的感觉；当环形凹槽转动盘上大致均匀的设置20个永磁块时，车与人的配合己能满足人的需要，乘骑助力车的感觉已很舒服。

（5）没有信号盲区，任何时候的助力需求都会获得相匹配的助力：本专利在直径10-15厘米的环形凹槽转动盘周边最多可设置35-73个永磁块，各永磁块之间平均夹角为5-10度。用于助力自行车，在启动或运行时，脚踏板从离开顶点10-45度角的35度区域内，有4-7个永磁块（在离开顶点10度角的位置就有一个信号了），则霍尔可输出4-7个控制信号反应助力需求，能实现任何位置、任何时间有助力就能获得相应助力的优良技术效果，使车与人的配合良好，骑车人感到省力又舒适。

（6）只用一个霍尔，一个控制信号表示环形凹槽转动盘的全部运动状态，控制信号与环形凹槽转动盘的运动状态完全一致，控制信号与人的需求完全一致：多个永磁块是固定在环形凹槽转动盘上的，永磁块与环形凹槽转动盘同步转动，用一个霍尔感受全部的永磁块运动信号，则霍尔输出的控制信号与环形凹槽转动盘的运动状态完全一致，与人的需求也就完全一致，控制信号不会有原始分段误差和信号漂移问题。即使霍尔传感参数发生变化，也是整个控制信号平行移动，只要接收霍尔控制信号的电机控制器的接收范围较宽，变化了的霍尔控制信号的控制效果成系统性改变。如用于助力自行车，助力需求模型不会失真，助力输出与助力需求仍然保持原来模型的匹配关系，骑车人很容易掌握这种助力性能的系统性改变。

（7）永磁块之间有错位并还有磁通量变化，永磁块更可靠地表示特定位点的运动状态：因为永磁块在半径方向错位、或圆弧线间距错位，错位永磁块使霍尔输出特有波间距的控制信号；又因为各永磁块的磁通量还有变化，各永磁块还使霍尔输出特有峰谷差值波形的控制信号，使控制信号的各个矩形波有波间距和峰谷差值两种波形变化方式，也就是说，用波间距和峰谷差值两种参数来表示永磁块的某一运动位置，控制信号表示永磁块的运动状态更精确。如每个永磁块都有自己的特定错位位点，还有特别的磁通量，可达到有多少个永磁块，就可获得多少个有两种波形变化方式的运动状态信号。如用于助力自行车，环形凹槽转动盘直径在10-15厘米以内，环形凹槽转动盘转一周，霍尔可获得35-73个不同位点是两种波形变化方式的运动状态控制信号，自然知道35-73个位点的助力需求。很明显，环形凹槽转动盘转一周，现有技术最多只能有5-8个正弦波表示的助力需求，远远不如本专利最多可用35-73个两种波形变化方式的助力需求信号更能真实地、多信息量地、可靠性高地反应骑车人的助力需求。也就是说，助力自行车用本专利技术，车更能与人需求相配合一致，骑车人感受到脚踏板在任何转动位置，自己都完全可控制车速，舒适性好。而现有技术的助力自行车只能在最多5-8个转动位置才能可控制车速。

（8）可调节永磁块位置和磁通量，就可按需要调节控制信号的模型，实现个性化控制：在环形凹槽转动盘上全部永磁块中，如调节部分永磁块之间的间距和磁通量，霍尔输出的信号中，调节过间距和磁通量的永磁块的波形就会发生波间距和峰谷差值变化，即信号模型发生变化，就可以选择不同的信号模型控制被控制物体，实现个性化控制。如用于助力自行车，可根据不同人的力气，或用力的习惯选择适合的信号模型，即根据不同的人调节助力模型，使助力自行车不仅可自动化助力，而且具有按个性化进行助力的功能。

（9）用能相对转动的环形凹槽转动盘环形凹槽固定盘合成壳体，固定了霍尔与全部永磁块的相对位置，避免了壳体外的环境干扰，提高了霍尔信号的可靠性、真实性，还方便了安装、调试、维修等。

附图说明

图1是转动盘上多磁块和各点磁通量不均匀分布，有的磁块位置可调节，且永磁块N-S交替的传感元件结构示意图，图中永磁块线条粗细不同表示磁通量不同；

图2是转动盘上高密度磁块和各点磁通量不均匀分布，有的磁块位置可调节，且永磁块成N-S交替的传感元件结构示意图，图中永磁块线条粗细不同表示磁通量不同；

图3是传感元件的剖面结构示意图。

图中1是环形凹槽转动盘、2是永磁块、3是霍尔、5-1是内圆形轨迹线、5-2是外圆形轨迹线、6是圆环形、7是磁块间距、8是条形短槽、9是齿形凸、40是环形凹槽固定盘、41是空心环、42是轴承。

具体实施方式

实施例1、壳体内多磁块位置和磁通量可调节的传感元件

如图1、3，用一个环形凹槽转动盘1和一个环形凹槽固定盘40两者的凹面相对，环形凹槽转动盘1和环形凹槽固定盘40的大小正好使环形凹槽固定盘40能嵌合在环形凹槽转动盘1的环形凹槽之中，合成两个盘能相对转动的嵌合内空外壳，两个盘的凹面夹成一个空心环41；在空心环41位置的环形凹槽转动盘1上固定设置有20个永磁块2。环形凹槽转动盘1和环形凹槽固定盘40用高强度塑料注塑成形。

空心环41内的环形凹槽转动盘1面直径10.0厘米，在环形凹槽转动盘1设20个永磁块2，20个永磁块2的直径分别为0.8厘米的，磁通量为146---279(B·H)max/KJ·m^-3范围内不同的选择值，并且相临永磁块2的磁通量不相等。环形凹槽转动盘1、永磁块2、霍尔3的结构如下：

每个永磁块2固定在直径8.5厘米内圆形轨迹线5-1—9.5厘米外圆形轨迹线5-2之间的圆环形6范围内，有多个永磁块2成半径错位分布，有多个永磁块2成间距错位分布。

半径错位分布方式是：该多个永磁块2分布在一个圆环形6范围内，在圆环形6的内圆形轨迹线5-1与外圆形轨迹线5-2之间至少有一条圆形轨迹线贯穿全部永磁块2；内圆形轨迹线5-1和外圆形轨迹线5-2为同心圆，至少有两个永磁块2到内圆形轨迹线5-1所在圆中心的距离不相同；

间距错位分布方式是：相邻永磁块2之间的距离为永磁块间距7；至少有两条永磁块间距7的长短不相同。

有两个永磁块间距7的长度不等于其它任何一个永磁块间距7的长度，而且这两个永磁块间距7的长度也不相等。该两个永磁块间距7所在的有两个永磁块2的位置正好在转动盘1一条直径的两端。这两个永磁块2的磁通量不等于其它任何一个永磁块间距7的磁通量，而且这两个永磁块2的磁通量也不相等，这两个永磁块2用于在助力自行车上表示两个脚踏板的运动位置。

在内圆形轨迹线5-1与外圆形轨迹线5-2之间有两个弧形的条形短槽8，条形短槽8中设有永磁块2，该永磁块2能固定在条形短槽8中的任何位置；该永磁块2与条形短槽8是可撤卸的固定连接结构，即可在条形短槽8中的永磁块2撤卸后换到条形短槽8中的其它位置再固定连接，调节该永磁块2与相临永磁块2之间的永磁块间距7，同时也调节了不同位置永磁块2的磁通量。条形短槽8的内边缘设有两个或多个齿形凸9。一个永磁块2卡在一个齿形凸9之中。条形短槽8是斜向的结构，即条形短槽8两端分别与内圆形轨迹线5-1所在的圆心的距离不相等。使条形短槽8的两个多个永磁块2成半径错位方式分布。

在转动盘1一个面设置的全部永磁块2成相邻永磁块2的磁极性相反的方式排列，即转动盘1一个面上全部永磁块2的磁极性分布方式是N极、S极、 N极、S极、 N极、S极……。

在空心环41内的环形凹槽固定盘40上固定设置有一个霍尔3，霍尔3的信号输出线从环形凹槽固定盘40穿出，霍尔3设在接近永磁块2的位置，即霍尔3设在每个永磁块2在的圆形轨迹线5-1与外圆形轨迹线5-2之间的圆环形6范围内，霍尔3与转动状态的每个永磁块2保持0.3厘米的间隔距离，使转动的每个永磁块2在经过霍尔3时，霍尔3能产生一个对应的矩形波电信号输出。

转动盘1在该全部永磁块2的内圆形轨迹线5-1中心设有中心孔4，中心孔4用于套在助力自行车的踏板中轴或转轮转轴上用。

实施例2、高密度壳体内多磁块位置和磁通量可调节的传感元件

如图2、3，空心环41内的环形凹槽转动盘1面直径10.0厘米，在环形凹槽转动盘1设40个永磁块2，40个永磁块2的直径分别为0.6厘米的，磁通量为146---279(B·H)max/KJ·m^-3 范围内不同的选择值，并且相临永磁块2的磁通量不相等。霍尔3与转动状态的每个永磁块2保持0.2厘米的间隔距离，使转动的每个永磁块2在经过霍尔3时，霍尔3能产生一个对应的矩形波电信号输出。弧形条形短槽8的弧形所在圆与内圆形轨迹线5-1为同心圆。其它转动盘1、永磁块2、霍尔3的结构同于实施例1。

Claims (10)

1.壳体内多磁块位置和磁通量可调节的传感元件，包括环形凹槽转动盘（1）、环形凹槽固定盘（40）、一个霍尔（3）和多枚永磁块（2），其特征在于：环形凹槽转动盘（1）和环形凹槽固定盘（40）两者的凹面相对，环形凹槽固定盘（40）嵌合在环形凹槽转动盘（1）的环形凹槽之中，成两个盘能相对转动的嵌合内空外壳，两个盘的凹面夹成一个空心环（41）；在空心环（41）位置的环形凹槽转动盘（1）上固定设置有多枚永磁块（2），该多枚永磁块（2）分布在一个圆环形（6）范围内，圆环形（6）的内圆形轨迹线（5-1）与外圆形轨迹线（5-2）之间至少有一条圆形轨迹线贯穿全部永磁块（2）；内圆形轨迹线（5-1）和外圆形轨迹线（5-2）为同心圆，至少有两枚永磁块（2）成错位分布；错位分布是半径错位分布方式或间距错位分布方式的某一种；或即有半径错位分布方式，又有间距错位分布的组合方式；

半径错位分布方式是：至少有两个永磁块（2）到内圆形轨迹线（5-1）所在圆中心的距离不相同；

间距错位分布方式是：相邻永磁块（2）之间的距离为永磁块间距（7）；至少有两条永磁块间距（7）的长短不相同；

在内圆形轨迹线（5-1）与外圆形轨迹线（5-2）之间至少有一个条形短槽（8），条形短槽（8）中设有永磁块（2），永磁块（2）能固定在条形短槽（8）中的任何位置；

相邻永磁块（2）的磁极性相反，环形凹槽转动盘（1）上全部永磁块（2）的磁极性分布方式是N极、S极、 N极、S极、 N极、S极……；至少有两枚永磁块（2）的磁通量不相同；

在空心环（41）的环形凹槽固定盘（40）上固定设置有一个霍尔（3），霍尔（3）设在接近永磁块（2）并能感受每个永磁块（2）磁通量的位置，霍尔（3）与永磁块（2）之间有间距；霍尔（3）是对相反磁极性产生矩形波输出信号的霍尔。

2.根据权利要求1所述的壳体内多磁块位置和磁通量可调节的传感元件，其特征在于：条形短槽（8）是弧形的结构，条形短槽（8）的弧形所在圆与内圆形轨迹线（5-1）为同心圆。

3.根据权利要求1所述的壳体内多磁块位置和磁通量可调节的传感元件，其特征在于：条形短槽（8）是斜向的结构，即条形短槽（8）两端分别与内圆形轨迹线（5-1）所在的圆心的距离不相等。

4.根据权利要求1或2或3所述的壳体内多磁块位置和磁通量可调节的传感元件，其特征在于：至少有一个永磁块间距（7）的长度不等于其它任何一个永磁块间距（7），且至少有一个永磁块（2）的磁通量不等于其它任何一个永磁块（2）的磁通量。

5.根据权利要求4所述的壳体内多磁块位置和磁通量可调节的传感元件，其特征在于：条形短槽（8）的某一条内边缘设有两个或多个齿形凸（9）。

6.根据权利要求5所述的壳体内多磁块位置和磁通量可调节的传感元件，其特征在于：条形短槽（8）与永磁块（2）是可撤卸的卡接连接结构。

7.根据权利要求5所述的壳体内多磁块位置和磁通量可调节的传感元件，其特征在于：霍尔（3）设在内圆形轨迹线（5-1）与外圆形轨迹线（5-2）之间。

8.根据权利要求5所述的壳体内多磁块位置和磁通量可调节的传感元件，其特征在于：环形凹槽转动盘（1）在多个永磁块（2）的内圆形轨迹线（5-1）所在圆范围内设有中心孔（4）。

9.根据权利要求5所述的壳体内多磁块位置和磁通量可调节的传感元件，其特征在于：环形凹槽转动盘（1）是不导磁材料的塑料板、铝材板、铜材板的某一种。

10.根据权利要求5所述的壳体内多磁块位置和磁通量可调节的传感元件，其特征在于：环形凹槽固定盘（40）内圈的外表面与环形凹槽转动盘（1）内圈的内表面之间设有轴承（42）。

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