一种带补偿的低功耗磁阻式角度传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种带补偿的低功耗磁阻式角度传感器，包括定子壳体、定子铁芯、激磁线圈、正弦输出线圈、余弦输出线圈、正弦补偿线圈、余弦补偿线圈、转子衬套、以及转子铁芯。转子铁芯外圆周上开有齿槽，安装在转子衬套上，定子铁芯内圆周开有齿槽，安装在定子壳体中。定子铁芯上绕制有激磁线圈、正弦输出线圈、余弦输出线圈、正弦补偿线圈、余弦补偿线圈，补偿线圈可对角度传感器的输出精度进行误差补偿调整，定子铁芯和转子铁芯由高导磁材料叠压后线切割加工成，可降低角度传感器的功耗、缩减体积、提高精度。本发明具有误差补偿功能，功耗低、体积小、精度高、加工制造方便等优点。
【专利说明】一种带补偿的低功耗磁阻式角度传感器
【技术领域】
[0001] 本发明适用于陀螺加速度计等机械设备中快速旋转部件的角度测量，具体地，涉 及一种带补偿的低功耗磁阻式角度传感器。
【背景技术】
[0002] 磁阻式角度传感器一般采用硅钢片作为定子铁芯和转子铁芯的铁芯材料。一般采 用冲模冲制冲片，再用模具人工叠压而成，此方法制作的定子铁芯和转子铁芯槽口不整齐， 齿槽精度差。为改善同心度和椭圆度，往往需要增加定子铁芯内圆和转子铁芯外圆的磨加 工，但没有从根本上提高定子铁芯和转子铁芯的齿槽精度。使用硅钢片作为铁芯材料，磁导 率低，一般只采用400?500Hz频率，要达到同样的输出能力，需要激磁线圈的输入电流大。 一般的铁镍软磁合金的磁导率比硅钢片高，但由于一般的铁镍合金的磁性能对应力变化敏 感，影响角度传感器的性能稳定性，因此很少采用。由于变磁阻角度传感器的激磁线圈和输 出线圈均嵌入定子铁芯槽中，线圈间分布电容大，输出线圈中产生的恒定分量导致零位和 正交误差的增大，不能满足陀螺加速度计对角度传感器精度的要求。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种功耗低、体积小、 精度高、加工制造方便的带补偿的低功耗磁阻式角度传感器。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案包括：
[0005] -种带补偿的低功耗磁阻式角度传感器，包括定子壳体、定子铁芯、激磁线圈、正 弦输出线圈、余弦输出线圈、正弦补偿线圈、余弦补偿线圈、转子衬套、以及转子铁芯，其中， 所述定子壳体基本上为环形；所述定子铁芯基本上呈环形，其内环壁上均匀地设置有多个 定子齿，所述定子铁芯嵌装固定在所述定子壳体的内环壁上；所述转子铁芯为环形，其外环 壁上设置有多个转子齿；所述转子衬套为具有中空腔的回转体形结构，所述转子铁芯套装 固定在所述转子衬套的外圆周上；所述激磁线圈、正弦输出绕组、余弦输出绕组、正弦补偿 绕组、余弦补偿绕组顺序地逐层绕制在所述定子铁芯的每个齿上，并且，所述激磁线圈做为 激励线圈，接收外部输入的激励信号；所述正弦补偿线圈与第一固定电阻、以及第一可变电 阻首尾顺序串接组成第一串接回路；所述正弦输出绕组的一端连接在所述正弦补偿线圈与 所述第一可变电阻之间，所述正弦输出绕组的另一端与所述第一可变电阻的调节端做为两 个正弦输出端；所述余弦补偿线圈与第二固定电阻、以及第二可变电阻首尾顺序串接组成 第二串接回路；所述余弦输出绕组的一端连接在所述余弦补偿线圈与所述第二可变电阻之 间，所述余弦输出绕组的另一端与所述第二可变电阻的调节端做为两个余弦输出端；所述 定子铁芯和转子铁芯均采用铁镍软磁合金B1J95片料旋转叠压后线切割加工成型，并且当 组装到位后，所述转子铁芯与所述转子衬套一起位于所述定子铁芯的内环中，并且所述转 子铁芯与所述定子铁芯之间存在气隙。
[0006] 优选地，所述转子衬套包括顺序连接且内腔彼此连通的第一圆筒部、第二圆筒部、 以及凸缘部，所述第一圆筒部、第二圆筒部、以及凸缘部的外径逐渐增大，所述第二圆筒部 的连接所述第一圆筒部的顶壁上设置有多个螺纹孔，并且多个螺纹孔围绕着所述第一圆筒 部均匀分布；所述转子铁芯套装固定在所述第二圆筒部的外圆周上，并且所述转子铁芯的 下表面抵靠在所述凸缘部上。
[0007] 优选地，所述定子铁芯上的定子齿的数量为所述转子铁芯上的转子齿数量的两 倍。
[0008] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0009] 1、在本发明中，由于采用高导磁率的铁镍软磁合金B1J95材料制作定子铁芯、转 子铁芯，与传统硅钢片材料相比，提高了中频率段的磁导率，产生气隙磁场强度所需的激磁 电流减小，降低了功率损耗，激磁电流从原来的120?150mA减小到80?100mA，因此功耗 降低。铁芯厚度从原来的8?10mm减小到5?6mm。产品轴向尺寸减小；
[0010] 2、定子铁芯和转子铁芯采用片料旋转叠压而成，并通过线切割加工定子铁芯和转 子铁芯的齿槽，相比冲模冲片，再用模具手工叠压的方式，本发明中齿槽的精度得以提高；
[0011] 3、结合正余弦补偿线圈，对正余弦线圈的输出电压幅值进行零位误差和正交误差 补偿，磁阻式角度传感器的精度从原来的2'提高到小于1'。在体积缩小的同时，提高了 广品的精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为根据本发明的带补偿的低功耗磁阻式角度传感器的轴向截面图；
[0013] 图2为根据本发明的激磁线圈、正弦输出线圈、余弦输出线圈、正弦补偿线圈、以 及余弦补偿线圈的连接示意图；
[0014] 图3为根据本发明的定子铁芯的主视图；
[0015] 图4为根据本发明的转子铁芯的主视图；
[0016] 图5为根据本发明的定子铁芯与各线圈的绕制展开图；
[0017] 图6为根据本发明的转子衬套的结构示意图。
【具体实施方式】
[0018] 下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的带补偿的低功耗磁阻式角度传感 器做进一步详细的说明。
[0019] 如图1-图6所示，根据本发明的磁阻式角度传感器包括定子壳体1、定子铁芯2、 激磁线圈3、正弦输出线圈4、余弦输出线圈5、正弦补偿线圈6、余弦补偿线圈7、转子衬套 8、以及转子铁芯9。其中，定子壳体1基本上为环形（如图1所示，根据实际需要，可在环形 的一端设置一向内凸出的凸台，以便定子铁芯在定子壳体内环中的定位）。定子铁芯2基本 上呈环形，其内环壁上均匀地设置有多个定子齿（相邻齿之间为齿槽）。定子铁芯2嵌装固 定在定子壳体1的内环壁上。一般地，可采用粘接、焊接等方式将定子铁芯2固定在定子壳 体1的内环壁上。
[0020] 转子铁芯9也为环形，其外环壁上设置有多个转子齿。通常，定子铁芯2上的定子 齿的数量为转子铁芯上的转子齿数量的2 n倍，η为自然数。在本优选实施例中，η取1。
[0021] 转子衬套8为具有中空腔的回转体形结构。转子铁芯9套装固定在转子衬套8的 外圆周上。一般地，可采用粘接、焊接等方式将转子铁芯9固定在转子衬套8的外圆周上。
[0022] 转子衬套8的结构根据待测量角度的轴或其他部件的结构来定。在如图6所示的 优选实施例中，转子衬套8包括顺序连接且内腔彼此连通的第一圆筒部81、第二圆筒部82、 以及凸缘部83。其中，第一圆筒部81、第二圆筒部82、以及凸缘部83的外径逐渐增大。第 二圆筒部82的连接第一圆筒部81的顶壁上设置有多个螺纹孔821，并且多个螺纹孔821围 绕着第一圆筒部81均匀分布。设置这些螺纹孔的目的是为了便于转子衬套8在轴上的安 装。转子铁芯9套装固定在第二圆筒部82的外圆周上，并且转子铁芯9的下表面抵靠在凸 缘部83上。
[0023] 定子铁芯2和转子铁芯9均采用铁镍软磁合金B1J95片料旋转叠压后线切割加工 成型。具体地，定子铁芯2和转子铁芯9的材料均为铁镍软磁合金B1J95。当组装到位后， 转子铁芯9与转子衬套8 -起位于定子铁芯2的内环中，并且转子铁芯9与定子铁芯2之 间存在气隙。该气隙的大小根据实际工况的要求来确定。
[0024] 铁镍软磁合金B1J95在2KHz?ΙΟΚΗζ频率下起始段磁导率优于硅钢片材料，其起 始磁导率> 〇. 〇37H/m，达到相同输出能力，所需激磁电流减小，定子铁芯2的厚度和转 子铁芯9的厚度也相应缩减。将片料旋转叠压后再通过线切割加工定子铁芯2和转子铁芯 9的齿槽，使得齿槽的精度得以提高，可省去定子铁芯2内圆和转子铁芯9外圆的磨加工工 序，在方便制造的同时，有效减小了角度传感器的体积，提高了传感器的精度。
[0025] 上述方案的原理是：铁镍软磁合金B1J95相较硅钢片，具有中频起始段磁导率高、 不易生锈的优势。相对于一般铁镍合金材料，具有硬度高，磁性能稳定的优势。在磁路结 构和激磁线圈匝数相同的条件下，获得相同的气隙磁密较硅钢片材料则需要较小的激磁电 流。由于中频段磁导率高，可通过提高激磁频率来提高输出能力。所以采用B1J95做定子 铁芯和转子铁芯材料在不降低输出能力的条件下可有效降低激磁电流，缩小铁芯厚度，减 小体积。
[0026] 结合图2和图5所示，激磁线圈3、正弦输出绕组4、余弦输出绕组5、正弦补偿绕 组6、余弦补偿绕组7顺序地逐层绕制在定子铁芯2的每个齿上。其中，激磁线圈3做为激 励线圈，接收外部输入的激励信号。正弦补偿线圈6与第一固定电阻R1、以及第一可变电阻 R2首尾顺序串接组成第一串接回路；正弦输出绕组4的一端连接在正弦补偿线圈6与第一 可变电阻R2之间，正弦输出绕组4的另一端与第一可变电阻R2的调节端做为两个正弦输 出端。余弦补偿线圈7与第二固定电阻R3、以及第二可变电阻R4首尾顺序串接组成第二串 接回路。余弦输出绕组5的一端连接在余弦补偿线圈7与第二可变电阻R4之间，余弦输出 绕组5的另一端与第二可变电阻R4的调节端做为两个余弦输出端。
[0027] 如此，按图2接线后，通过调整第一可变电阻R2,可使得传感器的零位误差最小， 调整第二可变电阻R4,使得传感器的正交误差最小。
[0028] 上述方案的原理是：通过调节可调电阻，正弦补偿线圈和余弦补偿线圈串入正弦 输出线圈和余弦输出线圈，相当于在正弦输出和余弦输出电势中叠加恒定分量，当叠加的 恒定分量与输出线圈中的分布电容带来的恒定分量相抵消时，零位误差和正交误差达到最 小，此时的传感器精度最佳。
[0029] 在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说 明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。
[0030] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领 域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换， 所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种带补偿的低功耗磁阻式角度传感器，其特征在于，包括定子壳体（1)、定子铁芯 (2)、激磁线圈（3)、正弦输出线圈（4)、余弦输出线圈（5)、正弦补偿线圈（6)、余弦补偿线圈 (7)、转子衬套（8)、以及转子铁芯（9)，其中， 所述定子壳体（1)基本上为环形； 所述定子铁芯（2)基本上呈环形，其内环壁上均匀地设置有多个定子齿，所述定子铁 芯（2)嵌装固定在所述定子壳体（1)的内环壁上； 所述转子铁芯（9)为环形，其外环壁上设置有多个转子齿； 所述转子衬套（8)为具有中空腔的回转体形结构，所述转子铁芯（9)套装固定在所述 转子衬套（8)的外圆周上； 所述激磁线圈（3)、正弦输出绕组（4)、余弦输出绕组（5)、正弦补偿绕组（6)、余弦补偿 绕组（7)顺序地逐层绕制在所述定子铁芯（2)的每个齿上，并且，所述激磁线圈（3)做为激 励线圈，接收外部输入的激励信号；所述正弦补偿线圈（6)与第一固定电阻（R1)、以及第一 可变电阻（R2)首尾顺序串接组成第一串接回路；所述正弦输出绕组（4)的一端连接在所述 正弦补偿线圈（6)与所述第一可变电阻（R2)之间，所述正弦输出绕组（4)的另一端与所述 第一可变电阻（R2)的调节端做为两个正弦输出端；所述余弦补偿线圈（7)与第二固定电阻 (R3)、以及第二可变电阻（R4)首尾顺序串接组成第二串接回路；所述余弦输出绕组（5)的 一端连接在所述余弦补偿线圈（7)与所述第二可变电阻（R4)之间，所述余弦输出绕组（5) 的另一端与所述第二可变电阻（R4)的调节端做为两个余弦输出端； 所述定子铁芯（2)和转子铁芯（9)均采用铁镍软磁合金B1J95片料旋转叠压后线切割 加工成型，并且当组装到位后，所述转子铁芯（9)与所述转子衬套（8) -起位于所述定子铁 芯（2)的内环中，并且所述转子铁芯（9)与所述定子铁芯（2)之间存在气隙。
2. 根据权利要求1所述的带补偿的低功耗磁阻式角度传感器，其特征在于， 所述转子衬套（8)包括顺序连接且内腔彼此连通的第一圆筒部（81)、第二圆筒部 (82)、以及凸缘部（83)，所述第一圆筒部（81)、第二圆筒部（82)、以及凸缘部（83)的外径 逐渐增大，所述第二圆筒部（82)的连接所述第一圆筒部（81)的顶壁上设置有多个螺纹孔 (821)，并且多个螺纹孔（821)围绕着所述第一圆筒部（81)均匀分布； 所述转子铁芯（9)套装固定在所述第二圆筒部（82)的外圆周上，并且所述转子铁芯 (9)的下表面抵靠在所述凸缘部（83)上。
3. 根据权利要求1所述的带补偿的低功耗磁阻式角度传感器，其特征在于，所述定子 铁芯（2)上的定子齿的数量为所述转子铁芯（9)上的转子齿数量的两倍。
【文档编号】G01B7/30GK104154857SQ201410399834
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2014年8月13日
【发明者】孙玉彤, 马建红, 齐力, 李晓铃, 李军, 王翠玲, 刘莉 申请人:北京航天控制仪器研究所