CN101571371B

CN101571371B - 用于位移测量传感器的线圈绕线及线槽等分方法

Info

Publication number: CN101571371B
Application number: CN2009101032795A
Authority: CN
Inventors: 彭东林; 陈锡侯; 杨继森; 王先全; 万文略; 朱革
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology; Chongqing Institute of Technology
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: CN101571371A

Abstract

一种用于位移测量传感器的线圈绕线及线槽等分方法，它将传感器的各相激励线圈分别绕置于绕线基体侧面或柱面的不同排的线槽中，各排线槽相互错开一个位置，若线圈节距为W，则2相2排错开W/4，3相3排错开W/3；传感器的感应线圈则绕制在另一绕线基体上的单排线槽中，使极对数、测头数都达到最大限度的

，其中n为总槽数，感应线圈和各相激励线圈的布线形式都为8字形。该方法可最大限度地增加传感器的极对数和测头数，以低等分精度的激励线圈和感应线圈，实现高精度的测量。同时可产生行波信号，适用于动、静态和变速度的位移跟踪测量，实现高精度、小体积、低成本、高可靠、通用万能性测量的传感器。

Description

用于位移测量传感器的线圈绕线及线槽等分方法

技术领域

本发明涉及位移测量传感器的制作，包括角位移和线位移测量传感器。

背景技术

当今所有位移(角度和长度)传感器包括刻线式、光栅、磁栅、感应同步器、旋转变压器、球栅、齿栅、多齿分度盘，……等等，要想提高精度，无一不是紧抓两点：一是增加栅线数(或称极对数、激励线圈数)，二是增加读数头数(或称测头数，感应线圈数)。前者可增加灵敏度、细分度、精确度；后者则可通过均布感应以部份消除某些谐波误差，大大提高测量精度。

上述大多数的位移传感器，都不能理想地、最大限度地满足栅线数(极对数)和测头数达到最大值。如：光栅、磁栅、齿栅等等的测头数都不可能太多，2～4个为常见，所以必须要求栅线数有特别高的等分精度。唯有多齿分度盘可以做到极对数与测头数相等，例如，转子、定子齿数都是1440齿，其精度可达到0.1角秒。但不能产生行波、不能连续测量为其最大缺点。

以旋转变压器、自整角机、场式时栅为代表的传统特种电机绕线法是在槽内嵌线，一周的极对数等于一周槽数n的一半再除以相数(3相除以3，2相除以2)。因此，现有采用电机绕线法的传感器不能达到前述最大可能的

对极。并且当采用8字绕线法时工艺性差、效率太低；当采用常规绕线又往往出现相邻两组绕线匝数不完全相等(可能差半匝)弊端，在线圈线数较少时，将带来显著不利的影响。

发明内容

本发明提出一种用于位移测量传感器的线圈绕线等及线槽等分新方法，以最大限度地增加传感器的极对数和测头数，以低等分精度的激励线圈和感应线圈，实现高精度的测量。

本发明的技术方案如下：

一种用于位移测量传感器的线圈等分及绕线方法，将传感器的各相激励线圈分别绕置于绕线基体侧面或柱面的不同排的线槽中，各排线槽相互错开一个位置，若线圈节距为W，则2相2排错开W/4，3相3排错开W/3；传感器的感应线圈则绕制在另一绕线基体上的单排线槽中，使传感器的极对数、测头数都达到最大限度的

其中n为传感器总槽数；所述感应线圈和各相激励线圈的布线形式都为8字形。

所述感应线圈和各相激励线圈的8字形布线形式是采用预定长度大空心线束双S绕线方法获得。首先根据绕线基体周长或长度和槽数，绕一多股空心大线圈束，其周长l＝4K(L+M)，其中K为线圈极对数，L为线圈长度，M为线圈宽度。将线圈束嵌入绕线基体的第一槽后，双手握线端互换方向，再同时嵌入第二槽，然后再将双手握线端分别互换方向，将线束同时嵌入第三槽，形成第一个多股8字形线圈。以此方式不断地沿正反两个S方向嵌线，直到嵌满全部线槽，不剩线束。

所述绕线基体上的线槽可采用各种机械加工方法而形成沿侧面或柱面等分的槽穴而获得，也可采用均匀直径且两种长度的滚针相间排列而在端面形成等分的槽穴而获得。

所述线圈绕线方法还可以采用在预先做好的具有“8”字形印制布线的环状或条状印刷电路板上打孔，再嵌套在权利要求3所述的由滚针构成的绕线等分槽上；所述孔均匀打在“8”字形印制布线的圈中。

传感器用于直线测量时，各线圈极距相同；用于圆分度测量时，各线圈极对数相同。

本发明提出的绕线方法主要适用于：以场式时栅传感器、旋转变压器、自整角机等为代表的各种绕线式位移(角位移或直线位移)传感器，所用线为漆包线、纱包线、胶包线等各种带绝缘层的金属导线。

本发明通过把各相激励(有的用法是感应)分置于不同的体、层或排，最终使感应(或激励)线圈达到最大限度的

以实现高精度；通过8字形绕法，消除传统绕法带来的误差；通过双S绕线法，达到提高工效的目的；通过轴承滚针或滚珠排列，代替机械加工、降低成本、提高精度。

附图说明

图1现有传感器采用的类似于电机的布线方式(单排方式)；

图1a-1是2相圆式传感器(局部)；图1a-2是圆式传感器俯视图；1a-3是3相圆式传感器图(局部)；

图1b-1是2相直线式传感器(局部)；图1b-2是直线式传感器俯视图；图1b-3是3相直线式传感器(局部)；

图2是本发明采用侧面多排8字型绕线的示意图；

图2a-1是2相激励线圈；图2a-2是感应线圈；

图2b-1是3相激励线圈；图2b-2是3相感应线圈；

图3是圆式和直线式分排布线的示意图；

图3a-1是圆式传感器俯视图；图3a-2是2相圆式传感器剖视图；图3a-3是3相圆式传感器剖视图；

图3b-1是直线式传感器俯视图；图3b-2是2相直线式传感器三维图(局部)；图3b-3是3相直线式传感器三维图(局部)；

图4是双S多股绕线法的示意图；

图4a是初始的定长度大线圈(其周长为l)；图4b是对称沿双S方向依次嵌入各槽内的过程；图4c是嵌入多股线形成8字线圈的效果图(线圈长为L，宽为M)；

图5(a)(b)分别是预先按“8”字形布线完毕然后再打孔的环形和条形印刷电路的局部图。1是打的孔，2是布的线。

图6a-1是由滚针构成的圆式线槽结构，图6a-2是与图6a-1的线槽配合的环形印刷电路板；图6b-1是由滚针构成的直线式线槽结构，图6b-2是与图6b-1的线槽配合的条式印刷电路板。

图7是体的表示图；

图8是层的表示图

图9是排的表示图。

具体实施方式

为便于后面描述清楚，先定义“体、层、排”三名词含义与图形表示。“体”是指绕线的基体，表示如图7。“层”(或称“面”)是指绕线在基体的单面或是双面。现有绕线式位移传感器采用的电机式线圈是单面绕制，表示如图8。“排”是指绕线是将几相(常用2相或3相)集中在某一面的一排，还是按不同的相分成不同的排。电机式线圈都是集中在一排，表示如图9。下面将现有常见的电机线圈用三维图形和上述示意图形分别表示如图1所示。

本发明提出用于位移测量传感器的线圈等分及绕线方法的基础是在绕线基体上进行分排绕线：

为克服传统电机绕线法极对数只能为(2相时)或

(3相时)的弊端，把传统的集中在一排的线圈改为沿绕线基体的侧面或柱面延伸分开为2排或3排，如图2所示。2相2排，如图2a-1；3相3排，如图2b-1。即将各相激励分置于不同排，各排相互错开一个位置，若线圈节距为W，则2相2排错开W/4，3相3排错开W/3；感应线圈还是在其基体上进行单排绕制，如图2a-2、2b-2。这样可使传感器的极对数、测头数都达到最大限度的

进一步，绕制线圈是采用双S绕线法：

实践证明，现有的多种绕线方法，有可能造成有的槽多半匝或少半匝，从而造成有害谐波分量，而图4所示的“8”字形绕线法可以避免这种弊端。线圈绕制时，为达到8字形效果，又提高工效，满足批量生产，本发明提出一种“定长度多股双S绕线法”。先根据基体周长或长度和匝数，绕一多股空心大线圈束，如图4a。其周长l＝4K(L+M)，其中K为线圈极对数，L为线圈长度，M为线圈宽度，如图4c所示。这里是采用最大限度的极对数即

K = \frac{n}{2}

的画法，也就是每个线圈跨2槽，每个8个组合占3槽。若是3相一排，则

K = \frac{n}{2 \times 3},

若是2相一排，则

K = \frac{n}{2 \times 2} .

K减少，相应地M就增大。将线圈束嵌入绕线基体的第一槽后，双手握线端互换方向，再同时嵌入第二槽，然后再将双手握线端分别互换方向，将线束同时嵌入第三槽，构成第一个多股8字形线圈，如图3(b))……，以此方式不断地沿正反两个S方向嵌线，直到嵌满全部线槽，不剩线束。因此要事先估算好此大线圈束的长度，一旦确定，即可批量高效生产。

更进一步，绕线基体上的线槽可采用端面滚针等分法进行制作：

现有特种电机沿柱面开槽等分的布局方式(如图1所示)，可以采用机械切削加工(插齿机、钻孔开槽、线切割等)方式，也可采用冲压成形的薄片(矽钢片等)再重迭而成。这里提出一种利用轴承的滚针(或称滚柱)或滚珠排列而自然形成沿端面等分的槽穴用于绕线的方法。选用市面上合适直径而长短不同的两种滚针，相间排列如图6a-1、图6b-1所示，其中短滚针(圆柱体)也可用滚珠(球体)代替。如此形成的绕线基体不再是沿圆柱或平面基体的侧面等分分布，而是沿圆柱或平面基体的端面等分分布，而绕线方法与上述双S“8”字绕线法相似。

同时，由于现在沿端面分布，也可采用预先做好“8”字形印制布线2的环状或条状的印刷电路板，再在其上打孔1如图5a、5b所示，孔1均匀打在“8”字形印制布线2的圈中，再嵌套在由滚针构成的绕线等分槽基体上，如图6a-2、6b-2所示，代替传统的漆包线绕线。

由于市面上容易买到各种直径和长短的轴承滚针或滚珠，价格低、精度高，因此这是一种替代机械加工的可行方法。

本发明将激励线圈和感应线圈设计成一致，包括节距、极数(槽数、线数)、极对数……。对圆式传感器而言，要求槽数n一致，极对数一致(均为

)，各排极距也一致。唯有内外圆因半径不同，所以极距不可能一致。对直线式传感器而言，要求极距一致；但因为动定尺基体不一样长，所以极对数和槽数不可能一致。通过这种一致性要求，可最大限度提高精度，同时简化加工工艺。

除上述结构外，根据实际情况还可以设计出多种派生结构形式，如激励、感应互换；动尺、定尺互换；定子、转子互换，……，以及几种特征点的相互组合等。本发明专利保护绕线和等分方法，即针对侧面结构的“分排绕线法”和“双S绕线法”，针对端面结构的“滚针等分法”，用“带孔的预制印刷电路板”代替绕线，以及“用于圆分度测量时激励线圈与感应线圈极对数一样，用于直线测量时激励线圈和感应线圈极距一样”。

Claims

1.一种用于位移测量传感器的线圈绕线及线槽等分方法，其特征在于，将位移测量传感器的各相激励线圈分别绕置于绕线基体侧面或柱面的不同排的线槽中，各排线槽相互错开一个位置，若线圈节距为W，则2相2排错开W/4，3相3排错开W/3；传感器的感应线圈则绕制在另一绕线基体上的单排线槽中，使传感器的极对数、测头数都达到最大限度的

其中n为总槽数；所述感应线圈和各相激励线圈的布线形式都为8字形。

2.根据权利要求1所述的用于位移测量传感器的线圈绕线及线槽等分方法，其特征在于，感应线圈和各相激励线圈的8字形布线形式是采用预定长度大空心线束双S绕线方法获得，首先根据绕线基体周长或长度和槽数，绕一多股空心大线圈束，空心大线圈束的周长l＝4K(L+M)，其中K为感应线圈或各相激励线圈的极对数，L为感应线圈或各相激励线圈的长度，M为感应线圈或各相激励线圈的宽度；将线圈束嵌入绕线基体的第一槽后，双手握线端互换方向，再同时嵌入第二槽，然后再将双手握线端分别互换方向，将线束同时嵌入第三槽，形成第一个多股8字形线圈，以此方式不断地沿正反两个S方向嵌线，直到嵌满全部线槽，不剩线束。

3.根据权利要求1或2所述的用于位移测量传感器的线圈绕线及线槽等分方法，其特征在于，所述绕线基体上的线槽是采用均匀直径且两种长度的滚针或滚柱相间排列而在基体端面形成等分的槽穴而获得。

4.根据权利要求3所述的用于位移测量传感器的线圈绕线及线槽等分方法，其特征在于，所述短的滚针或滚柱采用滚珠替代，所述滚珠的直径与滚针或滚柱相同。

5.根据权利要求3所述的用于位移测量传感器的线圈绕线及线槽等分方法，其特征在于，所述线圈绕线方法是采用在预先做好的具有“8”字形印制布线的环状或条状印刷电路板上打孔，再嵌套在权利要求3所述的由滚针构成的绕线等分槽上；所述孔均匀打在“8”字形印制布线的圈中。

6.根据权利要求5所述的用于位移测量传感器的线圈绕线及线槽等分方法，其特征在于，用于直线测量时，各线圈极距相同；用于圆分度测量时，各线圈极对数相同。