专利名称：一种等分定位电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自测角电机，用于需要测量电机转速和精确转角定位的场合等。
背景技术：
在现代制造领域中，电机转速和精确转角定位的测量和控制应用非常广泛，通常 用的方法是利用开环或闭环控制实现电机转角的定位，开环控制不具有测角的功能，其定 位精度取决于电机本身，闭环控制则一般需要传感器作为反馈信号，如利用旋转码盘等，可 达到很高的定位精度，但需要安装额外的传感器等器件，近年来逐渐发展起来的无传感器 位置检测技术，体现了测角电机发展的趋势，涉及到了许多的计算方法和装置，如磁链法、 反电动势法、电感法、假象坐标系法、MRAS法、EL0、 EKF、观测器法以及各种观测器的组合法 等等。以上方法(包括齿槽效应法)存在低速或近零速估计的干扰问题，只适应于中、高速 范围的位置估计。基于电机非理想特性的方案是指从被忽略的电机非理想特性中解决基于 电机理想模型的方案中存在的问题，如齿槽效应、凸极效应、转子偏心、集肤效应等。此外基 于智能控制的无传感器技术也得到了长足的发展，基于灰色控制理论的速度辨识方法也开 始了初步的探索。 根据电容值是电容两极板的间距和相对面积的函数的关系，将电机的定子和转子 视为电容的两个动静极板，由此xxx等人提出的内嵌电容式自测转角定位电机，其原理是 利用位于转子和定子上电容的两极板相对面积随转子转动而变化，根据测量的电容值间接 测出转子的转角位置，其实施方式是在定子槽中嵌入电容极板，特征是平板的中心平面与 定子槽的对称中心平面要重合，其不重合误差是影响电机转角定位精度的主要因素之一。
本发明依据的等分定位原理是对于沿任意规则路程或不规则封闭路程运动中物 体的定位，不使用笛卡尔坐标系或极坐标系等坐标参量的标示，而用特定的等分技术按要 求对路程进行理论上无误差的等分，并以标示其获得的各等分点的方法来实现。把这种理 论上无误差的等分任意封闭路程，并以此路程上各等分点作为确定目标位置的定位，称为 等分定位。准确的定位依赖于定位所在封闭路程的等分点，解决了等分问题，也就解决了定 位问题。转子与定子的相对运动可以看做是特殊路程-一 圆周。
具体原理如下 在某起始位置，特殊封闭路程_圆周上的多个感测点与测量传感器在路程上的测 量原点一一对应，多个传感器分别感测相应的感测点，得到与传感器相同数目的多个数值， 求和，设为1; 感测点由初始位置转动到360°被等分数目所除所得角度或其所的角度倍数中的 某一角度，多个传感器再进行测量，得到多个新数值，求和得Mj，只要M。 = Mj，则感测点所转 动到的角度离初始角度一定是360°被等分数目所除所得角度或其所的角度倍数中的某一 角度，且理论上无误差，此时在圆周上的等分点也随之而确定。 若MO^Mj，感测点所转动到的角度与理想角度的差值为A e = (Mj-M。)/等分数， 则再调整A e ，即可实现M，. = M。。
与此原理相关的专利有申请者本人申请并获得授权的"位置数和等分定位方法及 装置"，其等分定位的结构是基于同一圆周上的感测点和感测传感器，并且不是具体应用在 电机上。 本发明不同于上述的专利，体现在是将此原理应用于电机的特定情况下，并且在 结构布局上与上述的专利有较大的区别。
发明内容
将等分定位原理应用于旋转电机，使所发明的电机可以实现自测角反馈功能，且
可达到高的转角定位精度。 本发明解决问题所采用的技术方案是采用多道环的结构方式将等分定位原理 中特殊路程圆的等分分度技术应用在转子相对定子旋转的定位上，以对圆周精确等分为基 础，控制并确定转子的旋转角度。 —种等分定位电机，包括转子、定子、壳体以及输出轴，在转子外表面和定子内表 面沿轴向都设有2-12环状分布的测量极片，每道环上的2-12极片以其各自轴向方向的中 心线沿圆周均布，转子上的测量极片和定子上的测量极片数量一样，并且一一对应；在起始 位置，定子上的测量极片分别感测相应的转子上的测量极片，得到与定子上的测量极片相 同数目的数值，求和，设为M0 ;感测点由初始位置转动到360°被等分数目所除所得角度， 定子上的测量极片再进行测量，得到新数值，求和得Mj，只要MO = Mj，则转子上的测量极片 所转动到的角度离初始角度一定是360°被等分数目所除所得角度或其所的角度倍数中的 某一角度，此时在圆周上的等分点也随之而确定；若MO^Mj，感测点所转动到的角度与理 想角度的差值为△ 9 = (Mj-MO)/等分数，则再调整A 9 ，即可实现Mj =M0。
本发明的另一个技术方案是上述的测量极片是电容式、磁电式、电感式、磁敏式、 光电式或高频耦合式传感装置之一 。 本发明的另一个技术方案是上述的测量极片的形状是矩形、圆形、椭圆形、三角 形、菱形、双曲线形、梯形或栅形之一。 本发明的另一个技术方案是上述的测量极片与转子或定子的连接方式是粘贴、机 械卡槽式过盈、过度配合、螺纹连接、铆接、焊接或是压板式之一。 本发明的另一个技术方案是上述的环状分布的测量极片在圆周上均布的条件是 定子各道环上各极板圆周向的长度沿电机轴向方向投影的空隙总和等于或小于转子各道 环极板圆周向的长度沿电机轴向方向投影的宽度总和。 本发明的另一个技术方案是上述测量极片在圆周上均布的条件是若定子各道环 上各极板在电机轴线方向的对称线都在一条直线上，则转子对应的各道环以及各环上各极 板分布为第一道环各极板左边缘与第二道环相对应极板右边缘在轴向投影上的间距为等 于或小于定子第一和第二道环极板圆周向宽度值，第二道环各极板左边缘与第三道环相对 应极板右边缘在轴向投影上的间距为等于或小于定子第二第三道环极板圆周向宽度值，第 三道环各极板左边缘与第四道环相对应极板右边缘在轴向投影上的间距为等于或小于定 子第三第四道环极板圆周向宽度值，直至第四道环各极板左边缘与第一道环相对应极板右 边缘在轴向投影上的间距为等于或小于定子第四道环及第一道环极板圆周向宽度值。
本发明的另一个技术方案是上述的多道环状分布的测量极片在圆周上均布的条件是若定子一环上一极板左边缘与另一环对应极板右边缘在电机轴向投影上相接或重合， 则转子对应的各道环以及各环上各极板分布为第一道环各极板左边缘与第二道环相对应 极板右边缘在轴向投影上的间距为等于或小于定子第一和第二道环极板圆周向宽度值之 和，第二道环各极板左边缘与第三道环相对应极板右边缘在轴向投影上的间距为等于或小 于定子第二第三道环极板圆周向宽度值之和，第三道环各极板左边缘与第四道环相对应极 板右边缘在轴向投影上的间距为等于或小于定子第三第四道环极板圆周向宽度值之和，直 至第四道环各极板左边缘与第一道环相对应极板右边缘在轴向投影上的间距为等于或小 于定子第四道环及第一道环极板圆周向宽度值之和。 本发明的另一个技术方案是上述的环状分布的测量极片在圆周上均布的条件是 转子外表面与定子内表面每道环上都均布4块极板，转子与定子各分布2道环，转子第一道 环各极板左边缘与第二道环各极板右边缘相接或重叠，定子第一道环各极板右边缘与第二 道环各极板左边缘相接或重叠；转子第一道环各极板右边缘与第二道环各极板左边缘之间 间距小于或等于定子第一道环与第二道环极板宽度之和。 实际应用时，在完成所需等分定位过程中，应使各动极板与相应的静极板一一对 应，在每个电容传感器量程内，都有测量值输出。输出数值可以是静态感测，也可是动态感 测；感测数值输出后，通过相应的电路放大处理后，送到相应的处理单元进行计算，如PLC、 单片机、PC机、数控系统以及其它类似单元；经计算处理后，再由这些处理单元发出控制指 令，从而实现电机的定位控制。
图1实施例1转子极板布局展开图 图2实施例1定子极板布局展开图 图3实施例2转子极板布局展开图 图4实施例2定子极板布局展开图 图5极板转子展开图 图6极板定子展开图 图7极板等分定位电机图
具体实施方式
实施例1 : 若定子，如图2示，各道环上各极板在电机轴线方向的对称线都在一条直线上，则 转子布局图如图1示，对应的各道环以及各环上各极板分布为 转子第一道环各极板左边缘与第二道环相对应极板右边缘在轴向投影上的间距
为等于或小于定子第一和第二道环极板圆周向宽度值，第二道环各极板左边缘与第三道环
相对应极板右边缘在轴向投影上的间距为等于或小于定子第二第三道环极板圆周向宽度
值，以此类推，直至第多道环各极板左边缘与第一道环相对应极板右边缘在轴向投影上的
间距为等于或小于定子第多道环及第一道环极板圆周向宽度值。各环间的间距A没有特殊
要求，以极板间不相互干扰影响为原则。
其等分定位的步骤是
6
在某起始位置，附着在转子上的一环上的多个电容极板(感测点)与附着在定子 上一环上的多个电容极板(传感器) 一一对应，传感器分别感测相应的感测点，得到相应的 多个测量数值，求和M。； 感测点由初始位置转动动到某一位置，传感器再进行感测，得到多个新数值M"只 要M。 = Mj，通过等分定位原理的计算，则感测点所转动到的角度离初始角度便理论上无误 差，此时转子在圆周上相应的等分点也随之而确定。 若感测点由初始位置转动，在运动过程中，当转出了原始一环极片的测量范围，由 于极片的布置条件，可以保证另一环的极片已有数值输出，通过预先的标定以及其他的数 据处理方法，可利用另一环的测量极片使初始环的极片测量范围得道延展，到下一位置，传 感器再进行感测，得到多个新数值M15以此类推，只要M。 = Mj，通过等分定位原理的计算，则 感测点所转动到的角度离初始角度便理论上无误差，此时转子在圆周上相应的等分点也随 之而确定。若和不等，感测点所转动到的角度与理想角度存在差值为A e = (Mj-M。)/n，则 再调整A 9 ，即可实现Mj 二M。，同时也可利用此式实现全量程的理论上无误差定位。
通过相应的电路放大处理后应用等分定位原理进行电机转子角度的测量，并应用
反馈信号对电机进行定位控制。
实施例2 : 如图4示，若定子一环上一极板左边缘与另一环对应极板右边缘在电机轴向投影
上相接或重合，则转子布局图如图3示，对应的各道环以及各环上各极板分布为 转子第一道环各极板左边缘与第二道环相对应极板右边缘在轴向投影上的间距
为等于或小于定子第一和第二道环极板圆周向宽度值之和，第二道环各极板左边缘与第三
道环相对应极板右边缘在轴向投影上的间距为等于或小于定子第二第三道环极板圆周向
宽度值之和，以此类推，直至第多道环各极板左边缘与第一道环相对应极板右边缘在轴向
投影上的间距为等于或小于定子第多道环及第一道环极板圆周向宽度值之和。各环间的间
距A没有特殊要求，以极板间不相互干扰影响为原则。
其等分定位的步骤是 在某起始位置，附着在转子上的一环上的多个电容极板(感测点)与附着在定子 上一环上的多个电容极板(传感器) 一一对应，传感器分别感测相应的感测点，得到相应的 多个测量数值，求和M。； 感测点由初始位置转动动到某一位置，传感器再进行感测，得到多个新数值M"只 要M。 = Mj，通过等分定位原理的计算，则感测点所转动到的角度离初始角度便理论上无误 差，此时转子在圆周上相应的等分点也随之而确定。 若感测点由初始位置转动，在运动过程中，当转出了原始一环极片的测量范围，由 于极片的布置条件，可以保证另一环的极片已有数值输出，通过预先的标定以及其他的数 据处理方法，可利用另一环的测量极片使初始环的极片测量范围得道延展，到下一位置，传 感器再进行感测，得到多个新数值Mp以此类推，只要M。 = Mj，通过等分定位原理的计算，则 感测点所转动到的角度离初始角度便理论上无误差，此时转子在圆周上相应的等分点也随 之而确定。若和不等，感测点所转动到的角度与理想角度存在差值为A e = (Mj-M。)/n，则 再调整A 9 ，即可实现Mj 二M。，同时也可利用此式实现全量程的理论上无误差定位。
通过相应的电路放大处理后应用等分定位原理进行电机转子角度的测量，并应用反馈信号对电机进行定位控制。
实施例3 :4极板等分定位电机。 转子外表面与定子内表面每道环上都均布4块极板，转子与定子各分布2道环，如图5，图6，图7所示，转子第一道环各极板左边缘与第二道环各极板右边缘相接或重叠，定子第一道环各极板右边缘与第二道环各极板左边缘相接或重叠；转子第一道环各极板右边缘与第二道环各极板左边缘之间间距小于或等于定子第一道环与第二道环极板宽度之和。
每个电容极板全测量范围输出值随着转子的转动呈由小_大-一 小的态势，根据两环各极板分布的条件，可以保证当第一环上各极板输出值由大变小到尚还有值时，第二环上各极板已有测量值输出，因此在整个圆周上， 一直都有数值输出，从而可以连续得到圆周上各点的确定位置。 在某起始位置，附着在转子上的一环上的多个电容极板(感测点)与附着在定子上一环上的多个电容极板(传感器) 一一对应，传感器分别感测相应的感测点，得到相应的多个测量数值，求和M。； 感测点由初始位置转动动到某一位置，传感器再进行感测，得到多个新数值M"只要M。 = Mj，通过等分定位原理的计算，则感测点所转动到的角度离初始角度便理论上无误差，此时转子在圆周上相应的等分点也随之而确定。 若感测点由初始位置转动，在运动过程中，当转出了原始一环极片的测量范围，由
于极片的布置条件，可以保证另一环的极片已有数值输出，通过预先的标定以及其他的数
据处理方法，可利用另一环的测量极片使初始环的极片测量范围得道延展，到下一位置，传
感器再进行感测，得到多个新数值Mp以此类推，只要M。 = Mj，通过等分定位原理的计算，则
感测点所转动到的角度离初始角度便理论上无误差，此时转子在圆周上相应的等分点也随
之而确定。若和不等，感测点所转动到的角度与理想角度存在差值为A e = (Mj-M。)/n，则
再调整A 9 ，即可实现Mj 二M。，同时也可利用此式实现全量程的理论上无误差定位。 通过相应的电路放大处理后应用等分定位原理进行电机转子角度的测量，并应用
反馈信号对电机进行定位控制。 实施例4 :6极板等分定位电机。 转子外表面与定子内表面每道环上都均布6块极板，转子与定子各分布3道环，转子第一道环各极板左边缘与第二道环各极板右边缘相接或重叠，定子第一道环各极板右边缘与第二道环各极板左边缘相接或重叠；转子第二道环各极板左边缘与第三道环各极板右边缘相接或重叠，定子第二道环各极板右边缘与第三道环各极板左边缘相接或重叠；转子第一道环各极板右边缘与第二道环各极板左边缘之间间距小于或等于定子第一道环与第二道环极板宽度之和；转子第二道环各极板右边缘与第三道环各极板左边缘之间间距小于或等于定子第二道环与第三道环极板宽度之和。 每个电容极板全测量范围输出值随着转子的转动呈由小_大-一 小的态势，根据两环各极板分布的条件，可以保证当第一环上各极板输出值由大变小到尚还有值时，第二环上各极板已有测量值输出，第二环上各极板输出值由大变小到尚还有值时，第三环上各极板已有测量值输出，因此在整个圆周上， 一直都有数值输出，从而可以连续得到圆周上各点的确定位置。 在某起始位置，附着在转子上的一环上的多个电容极板(感测点)与附着在定子
8上一环上的多个电容极板(传感器) 一一对应，传感器分别感测相应的感测点，得到相应的多个测量数值，求和M。； 感测点由初始位置转动动到某一位置，传感器再进行感测，得到多个新数值Mn只要M。 = Mj，通过等分定位原理的计算，则感测点所转动到的角度离初始角度便理论上无误差，此时转子在圆周上相应的等分点也随之而确定。 若感测点由初始位置转动，在运动过程中，当转出了原始一环极片的测量范围，由
于极片的布置条件，可以保证另一环的极片已有数值输出，通过预先的标定以及其他的数
据处理方法，可利用另一环的测量极片使初始环的极片测量范围得道延展，到下一位置，传
感器再进行感测，得到多个新数值M15以此类推，只要M。 = Mj，通过等分定位原理的计算，则
感测点所转动到的角度离初始角度便理论上无误差，此时转子在圆周上相应的等分点也随
之而确定。若和不等，感测点所转动到的角度与理想角度存在差值为A e = (Mj-M。)/n，则
再调整A 9 ，即可实现Mj 二M。，同时也可利用此式实现全量程的理论上无误差定位。 通过相应的电路放大处理后应用等分定位原理进行电机转子角度的测量，并应用
反馈信号对电机进行定位控制。 实施例5:12极板等分定位电机。 转子外表面与定子内表面每道环上都均布12块极板，转子与定子各分布3道环，转子第一道环各极板左边缘与第二道环各极板右边缘相接或重叠，定子第一道环各极板右边缘与第二道环各极板左边缘相接或重叠；转子第二道环各极板左边缘与第三道环各极板右边缘相接或重叠，定子第二道环各极板右边缘与第三道环各极板左边缘相接或重叠；转子第一道环各极板右边缘与第二道环各极板左边缘之间间距小于或等于定子第一道环与第二道环极板宽度之和；转子第二道环各极板右边缘与第三道环各极板左边缘之间间距小于或等于定子第二道环与第三道环极板宽度之和。 每个电容极板全测量范围输出值随着转子的转动呈由小_大-一 小的态势，根据两环各极板分布的条件，可以保证当第一环上各极板输出值由大变小到尚还有值时，第二环上各极板已有测量值输出，第二环上各极板输出值由大变小到尚还有值时，第三环上各极板已有测量值输出，因此在整个圆周上， 一直都有数值输出，从而可以连续得到圆周上各点的确定位置。 在某起始位置，附着在转子上的一环上的多个电容极板(感测点)与附着在定子上一环上的多个电容极板(传感器) 一一对应，传感器分别感测相应的感测点，得到相应的多个测量数值，求和M。； 感测点由初始位置转动动到某一位置，传感器再进行感测，得到多个新数值M"只要M。 = Mj，通过等分定位原理的计算，则感测点所转动到的角度离初始角度便理论上无误差，此时转子在圆周上相应的等分点也随之而确定。 若感测点由初始位置转动，在运动过程中，当转出了原始一环极片的测量范围，由于极片的布置条件，可以保证另一环的极片已有数值输出，通过预先的标定以及其他的数据处理方法，可利用另一环的测量极片使初始环的极片测量范围得道延展，到下一位置，传感器再进行感测，得到多个新数值Mp以此类推，只要M。 = Mj，通过等分定位原理的计算，则感测点所转动到的角度离初始角度便理论上无误差，此时转子在圆周上相应的等分点也随之而确定。若和不等，感测点所转动到的角度与理想角度存在差值为A e = (Mj-M。)/n，则再调整A 9 ，即可实现Mj = M。，同时也可利用此式实现全量程的理论上无误差定位。
通过相应的电路放大处理后应用等分定位原理进行电机转子角度的测量，并应用反馈信号对电机进行定位控制。
权利要求
一种等分定位电机，包括转子、定子、壳体以及输出轴，其特征在于在转子外表面和定子内表面沿轴向都设有2-12环状分布的测量极片，每道环上的2-12极片以其各自轴向方向的中心线沿圆周均布，转子上的测量极片和定子上的测量极片数量一样，并且一一对应；在起始位置，定子上的测量极片分别感测相应的转子上的测量极片，得到与定子上的测量极片相同数目的数值，求和，设为M0；感测点由初始位置转动到360°被等分数目所除所得角度，定子上的测量极片再进行测量，得到新数值，求和得Mj，只要M0＝Mj，则转子上的测量极片所转动到的角度离初始角度一定是360°被等分数目所除所得角度或其所的角度倍数中的某一角度，此时在圆周上的等分点也随之而确定；若M0≠Mj，感测点所转动到的角度与理想角度的差值为Δθ＝(Mj-M0)/等分数，则再调整Δθ，即可实现Mj＝M0。
2. 根据权利要求1所述的一种等分定位电机，其特征在于所述的测量极片是电容式、磁电式、电感式、磁敏式、光电式或高频耦合式传感装置之一。
3. 根据权利要求1所述的一种等分定位电机，其特征在于所述的测量极片的形状是矩形、圆形、椭圆形、三角形、菱形、双曲线形、梯形或栅形之一。
4. 根据权利要求1所述的一种等分定位电机，其特征在于所述的测量极片与转子或定子的连接方式是粘贴、机械卡槽式过盈、过度配合、螺纹连接、铆接、焊接或是压板式之一。
5. 根据权利要求1、2、3、4所述的一种等分定位电机，其特征在于所述的环状分布的测量极片在圆周上均布的条件是定子各道环上各极板圆周向的长度沿电机轴向方向投影的空隙总和等于或小于转子各道环极板圆周向的长度沿电机轴向方向投影的宽度总和。
6. 根据权利要求1、2、3、4所述的一种等分定位电机，其特征在于所述测量极片在圆周上均布的条件是若定子各道环上各极板在电机轴线方向的对称线都在一条直线上，则转子对应的各道环以及各环上各极板分布为第一道环各极板左边缘与第二道环相对应极板右边缘在轴向投影上的间距为等于或小于定子第一和第二道环极板圆周向宽度值，第二道环各极板左边缘与第三道环相对应极板右边缘在轴向投影上的间距为等于或小于定子第二第三道环极板圆周向宽度值，第三道环各极板左边缘与第四道环相对应极板右边缘在轴向投影上的间距为等于或小于定子第三第四道环极板圆周向宽度值，直至第四道环各极板左边缘与第一道环相对应极板右边缘在轴向投影上的间距为等于或小于定子第四道环及第一道环极板圆周向宽度值。
7. 根据权利要求1、2、3、4所述的一种等分定位电机，其特征在于所述的环状分布的测量极片在圆周上均布的条件是若定子一环上一极板左边缘与另一环对应极板右边缘在电机轴向投影上相接或重合，则转子对应的各道环以及各环上各极板分布为第一道环各极板左边缘与第二道环相对应极板右边缘在轴向投影上的间距为等于或小于定子第一和第二道环极板圆周向宽度值之和，第二道环各极板左边缘与第三道环相对应极板右边缘在轴向投影上的间距为等于或小于定子第二第三道环极板圆周向宽度值之和，第三道环各极板左边缘与第四道环相对应极板右边缘在轴向投影上的间距为等于或小于定子第三第四道环极板圆周向宽度值之和，直至第四道环各极板左边缘与第一道环相对应极板右边缘在轴向投影上的间距为等于或小于定子第四道环及第一道环极板圆周向宽度值之和。
8. 根据权利要求1、2、3、4所述的一种等分定位电机，其特征在于所述的环状分布的测量极片在圆周上均布的条件是转子外表面与定子内表面每道环上都均布4块极板，转子与定子各分布2道环，转子第一道环各极板左边缘与第二道环各极板右边缘相接或重叠，定子第一道环各极板右边缘与第二道环各极板左边缘相接或重叠；转子第一道环各极板右边 缘与第二道环各极板左边缘之间间距小于或等于定子第一道环与第二道环极板宽度之和。
全文摘要
本发明涉及一种基于等分定位原理的电容式自测角电机，用于需要测量电机转速和精确转角定位的场合等，将等分定位原理中特殊路程圆的等分分度技术应用在转子相对定子旋转的定位上，以对圆周精确等分为基础，控制并确定转子的旋转角度。
文档编号H02K11/00GK101752959SQ201010033779
公开日2010年6月23日 申请日期2010年1月12日 优先权日2010年1月12日
发明者刘北英 申请人:北京科技大学