一种圆柱形分离式感应同步器的制造方法
【专利摘要】本实用新型是一种圆柱形分离式感应同步器：属于利用电磁原理制造的空间位置测量传感器的【技术领域】；本实用新型特征为：转子和定子的工作面为圆柱面，将多个精感应线圈组、多个粗感应线圈组和多个激磁线圈都制作在圆筒形定子上；他们分别在定子内侧圆柱面上环形排列成3圈；激磁线圈处于精感应线圈组和粗感应线圈组的中间；线圈磁芯的一端面处于定子的内侧圆柱形工作面上，另一端固定在一个软磁材料制作的圆筒形基体上；与定子圆柱形工作面相对的转子上抗磁材料制作的圆筒的外圆柱面上嵌有两圈用软磁材料制作的长方体导磁块；这样的设计可以简化结构、节省空间和降低制造成本；本实用新型的圆柱形分离式感应同步器配置电子部件后可以形成绝对式角度编码器。
【专利说明】一种圆柱形分离式感应同步器
所属【技术领域】
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[0001]本发明属于传感器【技术领域】，圆柱形分离式感应同步器是基于电磁感应原理进行设计的空间相对位移测量传感器。
【背景技术】
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[0002]目前，利用电磁原理制造的角度传感器在各种仪器和设备上有着几十年的广泛应用，感应同步器就是这类部件的典型代表。
[0003]感应同步器以电磁感应原理为设计基本根据，通过激磁电路对激磁线圈输入变化电流，使得感应线圈输出感应电压，感应电压大小取决于激磁电流的变化、软磁材料体的空间分布、线圈形状和激磁线圈与感应线圈的相对位置。对感应电压进行采样和计算，即可得到空间相对位置的测量数据。
[0004]分离式角度测量感应同步器分为两个部件，一个部件安装在转动轴上，简称为转子，另一个部件安装在轴座上，简称为定子，两个部件之间有很小的间隙(一般是零点几毫米)，两个部件的相对面简称工作面。
[0005]目前，角度测量感应同步器的定子和转子是圆盘形，径向尺寸较大，感应信号较弱，难以达到广泛应用，为了减小空间尺寸，研制出新型的分离式圆柱形感应同步器，并且采用将所有线圈都制作在定子上的结构设计，提高了可靠性，参看图1;在某些应用场合中具有一定的优势。
[0006]为了在360°内获得高分辨力的绝对编码，通常具有两套角度测量系统，一套得到小区间内的高分辨力的编码，称为精编码，称此路激磁电流为精激磁电流，感应线圈为精感应线圈，其它类推；另一套得到360°区间内的较低分辨力的编码，称为粗编码，于是称此路激磁电流为粗激磁电流，感应线圈为粗感应线圈，其它类推。利用精编码和粗编码进行计算，可以得到高分辨力的360°区间上的绝对编码。
【发明内容】
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[0007]为了减小空间尺寸和提高可靠性，本发明设计了一种新型的圆柱形分离式感应同步器，其技术方案如下:
[0008]第一创新点:以软磁材料体分布的变化来影响感应线圈内磁通量的变化为出发点，进行新型感应同步器的设计；新型感应同步器包括转子和定子，转子和定子的工作面为圆柱面，其特征为:将精感应线圈部件、粗感应线圈部件和激磁线圈部件都制作在圆筒形定子上，精感应线圈部件包含多个精感应线圈组，精感应线圈组的组数可选大于等于4的偶数；精感应线圈在定子上环形排列；每组内相邻线圈相对于圆心的夹角为360° /2N，N为精编码在360°内的周期数；精感应线圈磁芯的一端面处于定子的内侧圆柱形工作面上，另一端固定在一个软磁材料制作的圆筒形基体上，软磁材料制作的圆筒形基体固定在圆筒形定子机体上，两者之间用抗磁材料的垫圈隔离；每组内奇数序号的精感应线圈的线圈缠绕方向与偶数序号的精感应线圈的线圈缠绕方向相反；奇数序号的精感应线圈组内的精感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路精感应信号，偶数序号的线圈组内的精感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路精感应信号；粗感应线圈部件包含多个粗感应线圈组，粗感应线圈组的组数可选大于等于4的偶数，粗感应线圈在定子上环形排列，每组内相邻线圈相对于圆心的夹角为360° /2M，M为粗编码在360°内的周期数，粗感应线圈磁芯的一端面处于定子的内侧圆柱形工作面上，另一端固定在一个软磁材料制作的圆筒形基体上；每组内奇数序号的粗感应线圈的线圈缠绕方向与偶数序号的粗感应线圈的线圈缠绕方向相反；奇数序号的粗感应线圈组内的粗感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路粗感应信号，偶数序号的线圈组内的粗感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路粗感应信号；激磁线圈部件处于精感应线圈部件和粗感应线圈部件的中间位置，激磁线圈部件包含多个激磁线圈，激磁线圈在定子上环形排列，激磁线圈磁芯的一端面处于定子的内侧圆柱形工作面上，另一端固定在一个软磁材料制作的圆筒形基体上；所有激磁线圈串连，输入同一个激磁信号；在转子基体的外侧安装有用抗磁材料制作的圆筒，其上镶嵌着两圈用软磁材料制作的长方体细长块(简称导磁块)，导磁块分两组环形均匀分布，上圈内有M个，下圈内有N个；精感应线圈、N个导磁块、软磁材料的圆筒和激磁线圈形成产生精感应电压的部件，粗感应线圈、M个导磁块、软磁材料的圆筒和激磁线圈形成产生粗感应电压的部件。
[0009]第二创新点:精感应线圈部件和粗感应线圈部件共同配有一个激磁线圈部件，精感应线圈和粗感应线圈产生感应电压所需的变化磁场都由一个激磁线圈部件产生。
【专利附图】
【附图说明】
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[0010]图1为转子和定子安装完成后的剖视图，LI表示图4剖视图的位置和方向，L2表示图5剖视图的位置和方向，L3表示图6剖视图的位置和方向。
[0011]图2为转子工作面示意图，D和F为尺寸不同的两组镶嵌在转子上的软磁材料块(简称为导磁块)。
[0012]图3为定子工作面示意图，A为精感应线圈，B为粗感应线圈，Q为激磁线圈。
[0013]图4为LI所指示的位置和方向的整体剖视图，B为粗感应线圈，有相同的8组，D为镶嵌在转子上的软磁材料块。
[0014]图5为L2所指示的位置和方向的整体剖视图，Q为激磁线圈。
[0015]图6为L3所指示的位置和方向的整体剖视图，A为精感应线圈，有相同的8组，F为镶嵌在转子上的软磁材料块。
[0016]图7为从中心轴沿半径观看的精线圈磁通示意图。
[0017]图8为沿中心轴观看的精线圈磁通示意图。
[0018]图9为激磁电流和感应电压曲线示意图，此感应电压曲线是转子与定子某一相对空间位置时的形状。
【具体实施方式】
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[0019]本发明能够以很多种方式来实施，选择一个较佳例子进行说明实施方式。本文所示的例子中N = 45,M = 32。分离式圆柱形感应同步器是利用软磁材料体分布的变化来影响感应线圈的输出电压幅值的变化进行设计的位置检测传感器，分离式圆柱形感应同步器包括转子和定子。将精感应线圈部件、粗感应线圈部件和激磁线圈部件都制作在圆筒形定子上，线圈采用漆包线绕制，线圈芯轴用软磁材料加工形成。
[0020]参看图3、图6中A所指，定子上制作了 8组精感应线圈，每组内有8个环形排列的精感应线圈，每组内相邻两个精感应线圈相对于圆心的夹角为4° (360° /2N);，精感应线圈磁芯的一端面处于定子的内侧圆柱形工作面上，另一端固定在一个软磁材料制作的圆筒形基体上，软磁材料的圆筒形基体固定在圆筒形定子机体上，两者之间用抗磁材料的垫圈隔离。
[0021]参看图7、图8，精感应线圈C1、C3、C5和C7的线圈缠绕方向与精感应线圈C2、C4、C6和C8的线圈缠绕方向相反，精感应线圈S1、S3、S5和S7的线圈缠绕方向与精感应线圈S2、S4、S6和S8的线圈缠绕方向相反。
[0022]8组精感应线圈中的第I，3，5，7组内的精感应线圈的感应电压合成后输出，作为第一路精感应信号，第2，4，6，8组内的精感应线圈的感应电压合成后输出，作为第二路精感应信号。
[0023]参看图3、图4中B所指，定子上有环形排列的8组粗感应线圈，每组内有6个，每组内相邻的两个粗感应线圈磁芯相对于圆心的夹角是5.625° (360° /2M)，线圈磁芯的一端处于定子的圆柱形工作平面上，另一端固定在一个软磁材料的圆筒形基体上。
[0024]粗感应线圈的缠绕规则与精感应线圈的缠绕规则相同。
[0025]8组粗感应线圈中的第1，3，5，7组内的粗感应线圈的感应电压合成后输出，作为第一路粗感应信号，第2，4，6，8组内的粗感应线圈的感应电压合成后输出，作为第二路粗感应信号。
[0026]参看图3、图5中Q所指，激磁线圈部件处于精感应线圈部件和粗感应线圈部件的中间位置，激磁线圈部件包含4个激磁线圈，激磁线圈在定子上环形排列，激磁线圈磁芯的一端面处于定子的内侧圆柱形工作面上，另一端固定在一个软磁材料制作的圆筒形基体上。
[0027]4个激磁线圈串连，输入激磁信号后，产生所需的变化的磁场。
[0028]参看图2、图4中D、图6中F所指，在转子外侧的用抗磁材料制作的圆筒上镶嵌着两圈用软磁材料制作的导磁块，导磁块分两组环形均勾分布，上圈内有32个，下圈内有45个。精感应线圈、45个导磁块、软磁材料的圆筒形基体和激磁线圈组成产生精感应信号的部件，粗感应线圈、32个导磁块、软磁材料的圆筒形基体和激磁线圈组成产生粗感应信号的部件。
[0029]参看图1，转子与定子同轴安装好后，线圈磁芯端头所在的柱面与导磁块所在的柱面相对，间隙很小，一般取值在0.1至0.5毫米之间。
[0030]下面叙述工作原理:激磁电流通过激磁线圈时，转子与定子的相对位置不同就是导磁块与线圈的相对位置不同，造成软磁材料块分布不同，由于激磁线圈产生的磁场强度变化率的分布不同，导致感应线圈内的磁通量变化率也不同，最终使得输出的感应电压信号的最大幅值的不同。
[0031 ] 参看图7、图8，截取了部分精感应线圈，说明转子与定子4个不同的相对角位置情形下磁场的分布和感应电压的情况，在激磁电流由负最大值向正最大值线性变化过程中，激磁线圈内的磁通量发生变化，产生磁场强度线性变化的磁场，此磁场将影响精感应线圈内的磁通量。参看图7和图8中(I)所示，(:1、03工5、07精感应线圈内磁通量变化率较小，感应电动势的绝对值较小，C2、C4、C6、C8精感应线圈内磁通量变化率较大，感应电动势的绝对值较大，由于Cl、C3、C5、C7精感应线圈和C2、C4、C6、C8精感应线圈缠绕的方向相反，所以电动势的方向向反，8个精感应线圈内的电动势合成后不等于零，输出的感应电压Uc的幅值为最大，图7和图8中(2)所示，C1、C2、…C8精感应线圈内磁通量变化率相同，感应电动势绝对值相同，Cl、C3、C5、C7精感应线圈和C2、C4、C6、C8精感应线圈电动势合成后，输出的感应电压Uc等于零，图7和图8中(3)所示，C1、C3、C5、C7精感应线圈内磁通量变化率较大，感应电动势的绝对值较大，C2、C4、C6、C8精感应线圈内磁通量变化率较小，感应电动势的绝对值较小，它们线圈内的电动势合成后，输出的感应电压Uc的幅值与第(I)种情况时的绝对值相同、方向相反，图7和图8中⑷所示，C1、C2、一C8精感应线圈内磁通量变化相同，感应电动势绝对值相同，Cl、C3、C5、C7精感应线圈和C2、C4、C6、C8精感应线圈电动势合成后，输出的感应电压Uc为零。参看图9，当相对位置的角度值连续变化时，在激磁电流强度值线性变化区间内的ti时刻对输出电压采样和A/D转换，得到一个周期函数。
[0032]Us的生成与Uc的生成同理，参看图7，设计好两组精感应线圈组相对于圆心的夹角，可以使得由Us和Uc这两个感应电压分别生成的两个函数的相位差是四分之一个周期(2° )。
[0033]通过对产生两路感应信号的电压采样和A/D转换，即可得到两个周期函数，周期是8°，相位差是四分之一个周期(2° )。测量过程就是通过得到的函数值反算出角度值，利用得到的两个函数的一对函数值的比值，通过反正切函数，可以得到一个数值。由于前面所述的两个函数在360°区间内有45个周期，所以得到的这个数值对应45个空间角度值，至此就完成了精编码。还需要完成粗编码，才能确定45个角度值中的哪一个是空间相对位置的角度值。
[0034]粗感应电压信号的产生原理和进行的处理与上述精感应电压信号的是一样的，得到的两个函数的周期与前两个函数的周期不同，周期是11.25°，相位差四分之一个周期(2.8125° )，利用一对函数值的比值，通过反正切函数，可以得到一个数值。由于前面所述的两个函数在360°区间内有32个周期，所以得到的这个数值对应32个空间角度值，至此就完成了粗编码。
[0035]由于45于32互质，所以，得到的精编码值和粗编码值只能在某个特定的区间出现，利用这一点，根据得到的精编码值和粗编码值即可确定45个精编码角度值中的哪一个对应当前空间角位置，当转子与定子处在任何一个相对位置时，都可以通过上述过程得到一个数值，这个数值与空间角位置是一对一的对应关系，这个数值就是在360°区间内的与相对位置对应的绝对编码形式的角度值。
【权利要求】
1.一种圆柱形分离式感应同步器，以软磁材料体分布的变化来影响感应线圈内磁通量的变化为出发点，进行新型感应同步器的设计；新型感应同步器包括转子和定子，转子和定子的工作面为圆柱面，其特征为:将精感应线圈部件、粗感应线圈部件和激磁线圈部件都制作在圆筒形定子上，精感应线圈部件包含多个精感应线圈组，精感应线圈组的组数可选大于等于4的偶数；精感应线圈在定子上环形排列；每组内相邻线圈相对于圆心的夹角为360° 为精编码在360°内的周期数；精感应线圈磁芯的一端面处于定子的内侧圆柱形工作面上，另一端固定在一个软磁材料制作的圆筒形基体上，软磁材料制作的圆筒形基体固定在圆筒形定子机体上，两者之间用抗磁材料的垫圈隔离；每组内奇数序号的精感应线圈的线圈缠绕方向与偶数序号的精感应线圈的线圈缠绕方向相反；奇数序号的精感应线圈组内的精感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路精感应信号，偶数序号的线圈组内的精感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路精感应信号；粗感应线圈部件包含多个粗感应线圈组，粗感应线圈组的组数可选大于等于4的偶数，粗感应线圈在定子上环形排列，每组内相邻线圈相对于圆心的夹角为360° /21,1为粗编码在360。内的周期数，粗感应线圈磁芯的一端面处于定子的内侧圆柱形工作面上，另一端固定在一个软磁材料制作的圆筒形基体上；每组内奇数序号的粗感应线圈的线圈缠绕方向与偶数序号的粗感应线圈的线圈缠绕方向相反；奇数序号的粗感应线圈组内的粗感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路粗感应信号，偶数序号的线圈组内的粗感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路粗感应信号；激磁线圈部件处于精感应线圈部件和粗感应线圈部件的中间位置，激磁线圈部件包含多个激磁线圈，激磁线圈在定子上环形排列，激磁线圈磁芯的一端面处于定子的内侧圆柱形工作面上，另一端固定在一个软磁材料制作的圆筒形基体上；所有激磁线圈串连，输入同一个激磁信号；在转子基体的外侧安装有用抗磁材料制作的圆筒，其上镶嵌着两圈用软磁材料制作的长方体导磁块，导磁块分两组环形均匀分布，上圈内有1个，下圈内有~个；精感应线圈、^个导磁块、软磁材料的圆筒和激磁线圈形成产生精感应电压的部件，粗感应线圈、1个导磁块、软磁材料的圆筒和激磁线圈形成产生粗感应电压的部件。
2.根据权利要求1所述的圆柱形分离式感应同步器，其特征为:精感应线圈部件和粗感应线圈部件共同配有一个激磁线圈部件，精感应线圈和粗感应线圈产生感应电压所需的变化磁场都由一个激磁线圈部件产生。
3.根据权利要求1所述的圆柱形分离式感应同步器，其特征为:奇数序号的精感应线圈组内的精感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路精感应信号，偶数序号的线圈组内的精感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路精感应信号。
4.根据权利要求1所述的圆柱形分离式感应同步器，其特征为:奇数序号的粗感应线圈组内的粗感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路粗感应信号，偶数序号的线圈组内的粗感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路粗感应信号。
5.根据权利要求1所述的圆柱形分离式感应同步器，其特征为:每组内奇数序号的精感应线圈的线圈缠绕方向与偶数序号的精感应线圈的线圈缠绕方向相反，每组内奇数序号的粗感应线圈的线圈缠绕方向与偶数序号的粗感应线圈的线圈缠绕方向相反。
6.根据权利要求1所述的圆柱形分离式感应同步器，其特征为:软磁材料制作的圆筒形基体与定子基体之间用抗磁材料隔离，减小电磁干扰。
【文档编号】G01B7/30GK204165508SQ201420506200
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2014年9月3日
【发明者】不公告发明人 申请人:葛幸华