电感式旋转位置传感器的制作方法

本实用新型涉及转子位置传感器技术领域，具体涉及一种电感式旋转位置传感器。

背景技术：

电机是实现电力驱动的核心机械装置，其应用非常广泛；在电机的控制中，位置传感器具有不可或缺的作用。位置传感器的任务是测量电机转子的角度，一般安装在电机转轴上，并通过导线将位置信息通过电信号发送给控制器。针对不同的电机，可使用不同类型的传感器，如光电编码器、磁电编码器、旋转变压器、霍尔传感器等。目前使用的位置传感器应用于消费、工业或军用领域，其温度范围最大不会超过-55℃～150℃。

然而在部分工况中(例如将电机浸入液态气体进行运行的特殊场合)，要求电机位置传感器在低于-150℃的环境中工作，市场上的常规传感器将不能胜任。为了对电机进行可靠控制，必须采用非常昂贵的特殊传感器。例如，某美国公司生产的应用于航天领域的旋转变压器，可运行的温度范围最低接近绝对零度，最高达几百度。

但是，这种航天传感器非常昂贵，若用于常规工业产品则不能被市场接受。

现有通用传感器不能用于低温环境的主要原因是所使用的绝缘材料不能承受低温环境。这些传感器结构复杂，内部由多个电气和电气零部件组装而成，并且要使用大量绝缘材料进行支撑和电气隔离。为了满足不同的电气和机械要求，这些传感器难以避免要使用多种不同的绝缘材料，而大部分这些绝缘材料在低温环境中变脆，韧性降低，在震动和机械冲击下导致破裂，使得绝缘失效，并且失去支撑作用，从而使得传感器发生故障。

特别的，采用光电技术的现有传感器在低温环境下光学性质发生改变，也无法发挥正常功能。

另外，有些传感器内部采用永磁材料。而大部分永磁材料在低温下磁性减弱，导致此类传感器不能正常工作。

技术实现要素：

本实用新型旨在针对现有技术的技术缺陷，提供一种电感式旋转位置传感器，以解决现有技术中常规位置传感器所适用的温度范围较窄的技术问题。

本实用新型要解决的另一技术问题是，常规位置传感器无法浸泡于低温液体中工作。

本实用新型要解决的再一技术问题是，在拓宽位置传感器温度适用范围的同时，如何保证较低的产品成本。

本实用新型要解决的又一技术问题是，如何确保位置传感器中的绝缘材料在低温环境中不会失效。

为实现以上技术目的，本实用新型采用以下技术方案：

电感式旋转位置传感器，包括转轴，转子，转子齿，定子，定子齿，线圈，导线，绝缘软管，其中，转子固定连接在转轴上，在转子上具有转子齿，定子固定设置于转子的外周，在定子的内侧具有定子齿，在所述定子齿上绕接有线圈，线圈通过导线连接到所述传感器的外部，绝缘软管套接在所述导线的外部。

作为优选，所述导线从根部到末端，均套接于所述绝缘软管的内部；所述绝缘软管为玻璃纤维-聚酰亚胺复合管。

作为优选，所述线圈的材质为耐低温漆包线；所述耐低温漆包线表面的绝缘漆材质为聚酰亚胺。

作为优选，转子和定子各自均由硅钢片堆叠而成。

作为优选，转子和定子各自均由导磁材料制成；在所述定子的表面通过浸漆的方法附着有聚酰亚胺材质的绝缘层。

作为优选，绕接线圈并在导线上套接绝缘软管后，定子、定子齿、线圈、导线、绝缘软管五者整体通过浸漆的方法在该整体表面附着聚酰亚胺材质的绝缘层。

作为优选，所述转轴与电机轴固定连接，所述定子与电机外壳固定连接。

作为优选，转子齿有4个，四者均匀分布于转子的外缘；定子齿有6个，六者均匀分布于定子的内缘，相邻的定子齿之间由轭相间隔。

作为优选，还包括交流电流发生器，放大器，信号处理电路，其中，交流电流发生器对线圈施加10～20khz的高频电流载波信号，放大器测量所述线圈的电压，信号处理电路将所测量的电压信号中高频载波和直流分量滤除，将低频信号输出。

作为优选，还包括交流电压发生器，采样电阻，信号处理电路，其中，交流电压发生器对线圈施加10～20khz的高频电压载波信号，采样电阻测量所述线圈的电流，信号处理电路将所测量的电流信号中高频载波和直流分量滤除，将低频信号输出。

本实用新型提供了一种电感式旋转位置传感器。该技术方案基于转子旋转时定子电感随旋转角度变化的原理实现检测；并为传感器的低温运行采用了特定的绝缘材料和全新布置结构。

具体来看，本实用新型首先通过简化机械结构和电气设计，取消常规绝缘支撑零部件，另外通过避免在传感器内部和附近的低温区域使用电气连接点，保证绝缘材料的连贯性。其次，采用特定耐低温绝缘材料，既可提供电气绝缘，也可保证足够的机械支撑，防止低温下绝缘材料失效。

本实用新型采用电感测量方法设计机械和电气结构非常简单的旋转位置传感器，从而极度简化对绝缘材料的要求；采用耐低温绝缘材料，通过漆包线、绝缘套管和浸漆工艺制作具有足够机械强度的耐低温传感器。利用交流电流信号驱动传感器中的线圈，产生电压，通过信号处理电路对电压信号进行处理得到随传感器线圈角度而变化的输出信号，进而利用输出信号计算出传感器角度。利用交流电压信号驱动传感器中的线圈，产生电流，通过信号处理电路对电流信号进行处理得到随传感器线圈角度而变化的输出信号，进而利用输出信号计算出传感器角度。对信号处理电路的输出信号进行clark变换得到合成矢量。通过计算合成矢量的角度而得到传感器角度。

本实用新型提出的电机位置传感器方法和设备能够测量低温环境中的旋转设备在不同位置时的电感变化，从而根据电感值计算出旋转设备的角度位置，从而避免使用昂贵的航天传感器。本实用新型提出的传感器不仅能用于气体环境中，也可以浸泡于低温液体中工作。此外，由于绝缘材料聚酰亚胺的耐热性质，这种传感器也能应用于超过200度的高温中，从而使得本传感器的温度覆盖范围扩大到从液氮温度的零下269度到零上300度。

附图说明

图1是本实用新型整体结构的主视图；

图2是本实用新型整体结构的左视图；

图3是本实用新型中，当b相定子线圈电感最大时的状态图；

图4是本实用新型中，当b相定子线圈电感最小时的状态图；

图5是本实用新型中，采用电流形式输入的电学连接关系图；

图6是本实用新型中，当采用电流形式输入时，交流电流发生器输出的电流信号图；

图7是本实用新型中，当采用电流形式输入时，三个线圈中的电压信号图；

图8是本实用新型中，当采用电流形式输入时，传感器信号处理电路的输出电压信号图；

图9是本实用新型中，采用电压形式输入的电学连接关系图；

图10是本实用新型中，当采用对称的两齿转子时的结构图；

图11是本实用新型中，当采用单齿偏心转子时的结构图；

图12是本实用新型中，当采用单齿偏心转子和定子齿不均匀分布的定子时的结构图；

图13是本实用新型中，当采用单齿偏心转子时，为使转子重心位于旋转轴线上而在转子上开孔或开槽的结构图；

图中：

1、转子2、定子3、转轴

11、转子齿12、转子齿13、转子齿14、转子齿

21、定子齿22、定子齿23、定子齿24、定子齿

25、定子齿26、定子齿

31、线圈32、线圈33、线圈34、线圈

35、线圈36、线圈

41、轭42、轭43、轭44、轭

45、轭46、轭

51、导线52、导线53、导线

54、绝缘软管55、绝缘软管56、绝缘软管

a、由线圈31和线圈34组成的一组线圈

b、由线圈32和线圈35组成的一组线圈

c、由线圈33和线圈36组成的一组线圈

37、线圈38、线圈39、线圈40、线圈

具体实施方式

以下将对本实用新型的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。以下实施例中所使用的近似性语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。除有定义外，以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本实用新型所属领域技术人员普遍理解的相同含义。

(一)传感器机械结构

如图1、图2所示，传感器包括转子1和定子2。转子和定子采用通用硅钢片堆叠而成。试验证明，通用硅钢片在液氮低温下导磁性能满足要求。转轴3为圆柱体通用钢材，能耐低温。工作时，转轴3固定在电机轴上，跟随电机一起旋转。定子固定在电机外壳上，保持静止。二者之间有一定间隙，避免在转子旋转时相互接触。转子和定子由导磁材料制作。转子有4个齿(即转子齿11到14)，定子有6个齿(即定子齿21到26)，定子的齿通过轭(41到46)连接起来。定子的每个齿上绕有线圈(31到36)，其中31和34为一组，定义为a相；32和35为一组，定义为b相；33和36为一组，定义为c相。每组里面的两个线圈串联，通电后产生相同方向的磁场，磁场的磁力线经过转子后从定子的一个齿到达对面的齿，并通过轭形成环路。当某一对转子齿和某一对定子齿完全对齐时，这对定子齿上的线圈电感最大；当完全不对齐时电感最小；当介于之间时电感也介于最大和最小之间，并且连续变化。

上述3组线圈分别通过导线51、52和53连接到传感器外部。线圈导线套在绝缘软管54、55、56中。为了增加机械强度，绝缘软管从尽量靠近定子的位置开始，一直套到线圈导线的末端。绝缘软管采用耐低温材料纤维编制而成，目前最适合的材料是玻璃纤维-聚酰亚胺复合管。这种软管低温性能优良。

线圈采用的导线为耐低温漆包线，即所使用的绝缘漆在低温下保持良好的机械和电气性能。目前最适宜的耐低温绝缘材料为聚酰亚胺。这种绝缘材料低温和常温性能优良，价格低廉。

除此之外，在定子制作完成后，绕制线圈之前，定子通过浸漆的方法在表面包裹一层耐低温绝缘层，防止定子边缘损伤漆包线。所采用的漆是低温绝缘材料的有机溶液。目前最适宜的耐低温绝缘材料为聚酰亚胺。绝缘层厚度可通过有机溶液的浓度和浸泡次数进行调节。

在绕制线圈并在导线上套上绝缘软管后，整个定子需要再一次用低温绝缘材料溶液浸漆，从而将定子、线圈和软管封装为一体，提高机械强度。

(二)传感器工作原理

传感器当转子旋转时，定子电感随旋转角度变化。如图3所示，当b相定子与某转子齿相对时，b相定子线圈电感最大；如图4所示，当转子顺时针旋转机械角度α＝45度时，b相定子与转子槽相对，此时b相定子线圈电感最小。

通过对转子和定子齿形和间隙的设计，可以使得这种变化符合正弦规律。由于上述传感器结构每90度机械角度对称，所以定义每90度机械角度为360度电角度，即电角度θ为：

θ＝p·α

其中p为转子极数，也就是转子每旋转一周，每相定子电感变化周期数。转子顺时针旋转为正方向。

定义上图左侧b相定子与某转子齿相对的角度为0度，则b相电感可表示为：

其中，l0为最小电感，l1为最大电感。

a相和c相线圈电感变化与b相具有相同规律，只是相差120度电角度，即：

(三)传感器测量装置

此传感器与电子电路配合使用，构成角度测量装置。有两种电路形式可与传感器配合使用，实现角度测量。第一种是电流形式，即在传感器中输入交流电流，信号处理电路对传感器线圈中的电压信号进行测量；第二种是电压形式，即在传感器中输入交流电压，信号处理电路对传感器线圈中的电流信号进行测量。

采用电流形式的电路结构如图5所示。其中三个传感器定子线圈串联连接，因而其中的电流相等。

采用电流形式的电路工作原理如下：交流电流发生器产生10到20khz的高频正弦电流载波信号，同时施加在传感器的三个定子线圈上。高频载波信号可以是正弦波，也可以是方波或三角波等形状。此电流信号在三个线圈中产生不同的电压。根据电路原理，三个电压的包络幅值与线圈电感成正比，而电感取决于传感器转子角度。电路使用三个放大器分别测量三个线圈的电压。随后，信号处理电路对所测量的电压信号进行处理，滤除其中的高频载波和直流分量，剩下的低频信号包含传感器转子角度信息，作为输出信号从传感器信号处理电路输出。输出信号可由后续的电子电路或计算机进行处理，计算出转子角度。

交流电流发生器输出的电流信号如图6所示。

若传感器转子匀速旋转，三个线圈中的电压如图7所示。其中横坐标为转子匀速旋转时的角度。

传感器信号处理电路的输出电压信号如图8所示。

根据上述传感器结构可知，转子每旋转一圈(360度)，每个定子线圈的电感有4次大小变化周期，如上面的曲线所示。当某个转子齿与某个定子齿对齐时，该定子线圈的电感最大。由于电流恒定，此时在此线圈上产生的电压最大，因此信号处理电路输出的信号最高。

若定子线圈电感随转子电角度成余弦规律变化，则信号处理电路的输出信号也是余弦信号。若将这三个信号当做空间矢量进行clark变换，则可得到一个合成矢量。此合成矢量的角度与传感器为转子的电角度相等。clark变换是电子学和物理学中的公开通用技术，简述如下。

设传感器信号处理电路输出信号以ua,ub,uc三个电压表示，则clark变换将这三个电压转换为直角坐标系(α,β)中的两个电压：

uα和uβ的夹角即为传感器电角度：

若定子线圈的电感随转子电角度的变化规律不是严格的余弦，则信号处理电路输出的信号也不是余弦。但是，只要信号稳定，并且没有严重的畸变，则仍然可以将这三个信号当做空间矢量进行clark变换，也可得到一个合成矢量。此时，合成矢量的角度与传感器转子的电角度虽然不是完全相等，但是仍然保持一一对应关系。因此，可以采用标准编码器测量不同角度下的补偿曲线，通过补偿运算获得传感器角度的真实值。

采用电压形式的电路结构如图9所示。其中传感器的三个定子线圈分别与三个电流测量电阻串联，然后三个分支电路相互并联。

采用电压形式的电路工作原理如下：交流电压发生器产生10到20khz的高频电压载波信号，同时施加在传感器的三个定子线圈上。高频载波信号可以是正弦波，也可以是方波或三角波等形状。此电压信号在三个线圈中产生不同的电流。根据电路原理，三个电流的大小与线圈电感成反比，而电感大小取决于传感器转子角度。电路使用三个采样电阻分别测量三个线圈中的电流。随后，信号处理电路对所测量的电流信号进行处理，滤除其中的高频载波和直流分量，剩下的低频信号包含传感器转子角度信息，作为输出信号从传感器信号处理电路输出。输出信号可由后续的电子电路或计算机进行处理，计算出转子角度。

根据上述传感器结构可知，转子每旋转一圈(360度)，每个定子线圈的电感有4次大小变化周期。当某个转子齿与某个定子齿对齐时，该定子线圈的电感最大。由于电压恒定，此时该线圈中流过的电流最小，信号处理电路输出的信号最低。

由于这种电压形式测量电路的电流测量信号幅值与定子线圈电感成反比关系，因而即使传感器定子线圈的电感随转子电角度的变化规律是严格的余弦关系，信号处理电路的输出信号也不是余弦。但是，由电路原理可知，输出信号是依赖传感器角度而变化的波动形状。此时，可以将这三个信号当做空间矢量进行clark变换，从而得到一个合成矢量。这个合成矢量的角度与传感器转子的电角度虽然不是完全相等，但是仍然保持一一对应关系。因此，可以通过补偿运算获得传感器角度的真实值。

在不违反本实用新型基本原理及结构特征的前提下，可在转子构型、定子构型、转子齿数及齿形、转子齿数及齿形等方面加以调整，满足实际需求，而无需局限于以上实施例所给出的具体情形。

例如：

转子的齿数可以不是4个，可以是任意个，最少1个。也可以不是齿形，可以是在旋转时其它任意导致气隙改变的形状。也可以外表是圆形，而是在转子内部通过开槽或打孔在旋转时改变磁场通路的结构。

定子的齿数可以不是6个，可以是任意个，最少1个。定子的齿也可以不均匀分布。

由此可见，只要是通过转子的旋转，导致定子线圈的电感发生变化，即为本专利的方法。

此外，以下给出了几种将其他构型的定子与转子应用于本实用新型的具体实例，可供本领域技术人员参考：

通过改变转子和定子齿的数量，可改变传感器的测量范围。例如，保持上述例子中的定子结构不变，转子改为对称的两个齿结构，传感器可测量每个180度范围内的位置。结构如图10所示。

另外，也可按图11所示采用单齿结构转子(偏心转子)，同时重新分配线圈的连接关系，即31和32串联组成一组，构成一个电感。电流流过时，磁力线从31所在的齿经过转子到达32所在的齿，最后经过31和32之间的轭形成环路。类似的，线圈33和34串联，35和36串联各组成一个电感。这种结构，可测量一圈内360度中的任意位置。

进一步，也可按图12所示采用定子齿不均匀分布的定子结构。线圈连接关系为：即37和38串联组成一组，构成一个电感，电流流过时，磁力线从37所在的齿经过转子到达38所在的齿，最后经过37和38之间的轭形成环路。类似的，线圈39和40串联组成一个电感。这种结构也可测量一圈内360度中的任意位置，但仅需要两个定子线圈驱动和测量电路。

上述两个结构中，为了使得转子重心位于旋转轴线上，可在较宽的一侧切槽或打孔。由于磁力线不经过此位置，所以对电感没有影响。如图13所示。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型。凡在本实用新型的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。