CN102252604A - 一种基于印刷电路板制作工艺的圆感应同步器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于印刷电路板制作工艺的圆感应同步器及制备方法，包括定子基板和的转子基板，定子基板和转子基板均为绝缘材料，特征是：在定子基板的顶部固定有定子金属绕组，在转子基板的底部固定有与定子金属绕组相对放置的转子金属绕组，在定子金属绕组上覆盖有定子阻焊膜，在转子金属绕组上覆盖有转子阻焊膜；且定子金属导组是分段的，转子金属绕组是连续的。它是在印刷电路板上制作包括定子基板、定子金属绕组、定子阻焊膜的定子和包括转子基板、转子金属绕组、转子阻焊膜的转子。本发明具有成品率和生产效率高、成本低、可大批量生产、可大幅提高生产效率、生产周期大幅缩短、方法简单的特点。

Description

一种基于印刷电路板制作工艺的圆感应同步器及制备方法

技术领域

本发明涉及传感器，尤其是涉及一种成品率和生产效率高、成本低、可大批量生产的基于印刷电路板制作工艺的圆感应同步器及制备方法。

背景技术

圆感应同步器是一种电磁感应的角度传感器，它具有耐恶劣环境、测量精度高、寿命长、成本低、安装方便、运行速度快、稳定可靠等一系列优点，常用于转台、陀螺平台、火炮控制、导航制导、雷达天线、经纬仪等设备中。圆感应同步器分为定子和转子两部分，通常定子安装在固定体上，转子安装在转轴上，如对转子施加激励信号，定子将感应出两相的正、余弦信号。工作过程中，转轴带动转子转动，使得转子与定子产生相对旋转运动，定子感应出的两相正、余弦信号也会随着转子的转动而发生有规律的变化，通过监测、解算这两路信号来实现角度测量的目的。

目前，圆感应同步器的生产工艺非常繁琐，其生产工序包括机械加工、时效处理、配方浇铸、绕组刻线等多种工序，一套圆感应同步器的生产周期通常需要2个月左右的时间，同时由于工序过多使得废品率较高，这种情况一方面限制了圆感应同步器生产效率，另一方面也使得圆感应同步器的制造成本居高不下，这进一步影响了圆感应同步器作为一种角度传感器在市场拓展中的竞争力。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供了一种成品率高、成本低、可大批量生产的基于印刷电路板制作工艺的圆感应同步器。

本发明的第二个目的在于提供了一种可大幅提高生产效率、生产周期大幅缩短、方法简单的基于印刷电路板制作工艺的圆感应同步器的制备方法。

本发明的第一个目的是这样实现的：

一种能大批量生产的圆感应同步器，包括安装在固定体上的定子基板和安装在转轴上的转子基板，定子基板和转子基板均为绝缘材料，特征是：在定子基板的顶部固定有定子金属绕组，在转子基板的底部固定有与定子金属绕组相对放置的转子金属绕组，定子金属绕组和转子金属绕组均与转轴垂直，在定子基板的定子金属绕组上覆盖有定子阻焊膜，在转子基板的转子金属绕组上覆盖有的转子阻焊膜； 

在转子金属绕组中设有若干根转子有效导体，各根转子有效导体通过转子有效导体内端部与转子有效导体外端部连接而成转子金属绕组，连续的转子金属绕组从转子金属绕组的两个末端引出导线作为转子的激励输入端；

定子金属绕组由分段的2K个导体组构成，2K个导体组分别属于A相和B相，每相各有K个导体组，A相导体组和B相导体组相隔排列，即与每个A相导体组相邻的导体组都为B相导体组，与每个B相导体组相邻的导体组都为A相导体组；每个导体组中设有M根定子有效导体，每根定子有效导体通过定子有效导体内端部与定子有效导体外端部连接而成，其中K、M均为正整数；属于同相的各组导体组从每个导体组中的两个末端引出导线串联联接。

转子有效导体和定子有效导体均呈辐射状放置。

转子有效导体的根数为圆感应同步器的极数。

定子阻焊膜和转子阻焊膜之间的安装间隙为0.1--0.3mm。

定子基板和转子基板均由环氧树脂制成。

本发明的第二个目的是这样实现的：

一种基于印刷电路板制作工艺的圆感应同步器的制备方法，具体步骤如下：

A、用protel电路设计软件设计出定子和转子的图形，其中定子、转子的设计图主要包括三个部分的设计：定子基板的设计（包括基板材料、基板厚度、内径、外径的机械尺寸、安装孔直径、安装孔距），转子基板的设计（包括基板材料、基板厚度、内径、外径的机械尺寸、安装孔直径、安装孔距），定子金属绕组和转子金属绕组的设计，其中：转子有效导体和定子有效导体在直径相同处的宽度一样； 

B、将定子、转子的设计图交由专业印刷电路板（PCB）厂家进行制作，制作条件中的一些工艺参数如下：FR-4环氧树脂、3.2mm板厚，绿色阻焊层， 35um厚的铜膜导线；制作完成后的转子基板为FR-4环氧树脂板，转子金属绕组为连续绕组，定子基板为FR-4环氧树脂板，定子金属导组为A、B相的2相分段绕组；

C、PCB生产厂家根据设计图以及工艺参数按照常规印刷电路板制作工艺进行加工： 

（1）下料：厂家根据设计图样选择合适的环氧树脂板材；

（2）钻孔：通过CNC钻孔机对环氧树脂板进行钻孔，钻出转子上的安装孔以及转子金属绕组末端上作为激励输入端的引出导通孔；钻出定子上的安装孔以及定子金属导体组上用于串联同相各导体组的引出导通孔；

（3）镀通孔：在定子、转子上的引出导通孔成型后在孔壁内布建金属铜箔，以完成定子、转子的顶层与底层电路的导通；

（4）制作金属绕组：在环氧树脂板上对定子金属绕组与转子金属绕组图形的内径、外径所包围的圆环内覆铜，铜的厚度为35um，采用化学腐蚀或光腐蚀的方法将多余的铜腐蚀掉，最终留下设计图样中所需的含有定子有效导体的定子金属绕组和含有转子有效导体的转子金属绕组；

（5）涂覆阻焊膜：采用网版印刷、帘涂或静电喷涂的方式将液态感光绿漆涂覆于环氧树脂板、定子金属绕组和转子金属绕组的上面，然后烘干，即在环氧树脂板、定子金属绕组和转子金属绕组上实现了阻焊膜的涂覆；

（6）成型切割：将印刷电路板通过CNC成型机或模具冲床切割成设计图样需求的机械外形尺寸；

D、经过PCB厂家制作完成的转子包括转子基板、转子金属绕组、转子阻焊膜；定子包括定子基板、定子金属绕组、定子阻焊膜；在转子上的引出导通孔的末端引出导线作为转子激励输入端；通过定子上的引出导通孔将A、B相金属导体组首尾相连，A、B相各引出首尾两输出端，即得成品。

本发明是在定子基板的定子金属绕组上覆盖有定子阻焊膜，在转子基板的转子金属绕组上覆盖有转子阻焊膜，且定子金属导组是分段的，转子金属绕组是连续的，它按照电磁感应原理对定子金属导组和转子金属绕组进行设计、并采用PCB（印刷电路板）工艺具体实施制作两个主要环节。本发明采用成熟的PCB（印刷电路板）工艺技术来替代传统的以机械加工为主的圆感应同步器的工艺技术，使得原本需要2个月的生产周期缩减为48小时，从而大大提高了生产效率，同时PCB（印刷电路板）工艺是一种通用的、成熟的流水线工艺，因此基于该工艺制作的圆感应同步器的产品一致性较好，同时PCB工艺较机械加工工艺的成本也大幅较低，基于上述特点，圆感应同步器作为一种角度传感器在业内的竞争力将得到极大的提高。

本发明通过对转子金属绕组施加交流激励信号，将在转子金属绕组附近产生交变的电磁场，定子金属绕组就会感应出与当前旋转角度成一定对应关系的交流电信号，对该交流电信号进行解算而得到角度值，从而起到角度测量的作用。因此，本发明具有成品率和生产效率高、生产周期大幅缩短、耐恶劣环境、测量精度高、寿命长、成本低、安装方便、运行速度快、稳定可靠、可大批量生产、市场竞争力强、方法简单的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为转子金属绕组的示意图；

图3为定子金属绕组的示意图；

图4为转子有效导体和定子有效导体的初始重合位置图；

图5为转子有效导体相对定子有效导体转过0.5个极距的位置图；

图6为转子有效导体相对定子有效导体转过1个极距的位置图；

图7为转子有效导体相对定子有效导体转过1.5个极距的位置图；

图8为转子相对定子转过一个机械周期，定子两相输出信号电压幅值的变化示意图。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

一种能大批量生产的圆感应同步器，包括安装在固定体上的定子基板1和安装在转轴上的转子基板2，定子基板1和转子基板2均为绝缘材料，在定子基板1的顶部固定有定子金属绕组3，在转子基板2的底部固定有与定子金属绕组3相对放置的转子金属绕组5，定子金属绕组3和转子金属绕组5均与转轴垂直，在定子基板1的定子金属绕组3上覆盖有定子阻焊膜4，在转子基板2的转子金属绕组5上覆盖有转子阻焊膜6； 

在转子金属绕组5中设有若干根转子有效导体7，各根转子有效导体7通过转子有效导体内端部8与转子有效导体外端部9连接而成转子金属绕组，连续的转子金属绕组5从转子金属绕组5的两个末端10、11引出导线作为转子的激励输入端；

定子金属绕组3由分段的2K个导体组12构成，2K个导体组12分别属于A相和B相，每相各有K个导体组，A相导体组和B相导体组相隔排列，即与每个A相导体组相邻的导体组都为B相导体组，与每个B相导体组相邻的导体组都为A相导体组；每个导体组中设有M根定子有效导体15，每根定子有效导体15通过定子有效导体内端部13与定子有效导体外端部14连接而成，其中K、M均为正整数；属于同相的各组导体组从每个导体组中的两个末端17、16引出导线串联联接。

转子有效导体7和定子有效导体15均呈辐射状放置。

转子有效导体7的根数为圆感应同步器的极数。

定子阻焊膜4和转子阻焊膜6之间的安装间隙为0.1--0.3mm。

定子基板1和转子基板2均由环氧树脂制成。

一种基于印刷电路板制作工艺的圆感应同步器的制备方法，具体步骤如下：

A、用protel电路设计软件设计出定子和转子的图形，其中定子、转子的设计图主要包括三个部分的设计：定子基板的设计（包括基板材料、基板厚度、内径、外径的机械尺寸、安装孔直径、安装孔距），转子基板的设计（包括基板材料、基板厚度、内径、外径的机械尺寸、安装孔直径、安装孔距），定子金属绕组和转子金属绕组的设计，其中：转子有效导体和定子有效导体在直径相同处的宽度一样； 

B、将定子、转子的设计图交由专业印刷电路板（PCB）厂家进行制作，制作条件中的一些工艺参数如下：FR-4环氧树脂、3.2mm板厚，绿色阻焊层， 35um厚的铜膜导线；制作完成后的转子基板为FR-4环氧树脂板，转子金属绕组为连续绕组，定子基板为FR-4环氧树脂板，定子金属导组为2相（A、B相）分段绕组；

C、PCB生产厂家根据设计图以及工艺参数按照常规印刷电路板制作工艺进行加工： 

（1）下料：厂家根据设计图样选择合适的环氧树脂板材；

（2）钻孔：通过CNC钻孔机对环氧树脂板进行钻孔，钻出转子上的安装孔以及转子金属绕组末端上作为激励输入端的引出导通孔；钻出定子上的安装孔以及定子金属导体组上用于串联同相各导体组的引出导通孔；

（3）镀通孔：在定子、转子上的引出导通孔成型后在孔壁内布建金属铜箔，以完成定子、转子的顶层与底层电路的导通；

（4）制作金属绕组：在环氧树脂板上对定子金属绕组与转子金属绕组图形的内径、外径所包围的圆环内覆铜，铜的厚度为35um，采用化学腐蚀或光腐蚀的方法将多余的铜腐蚀掉，最终留下的铜箔构成设计图样中所需的含有定子有效导体的定子金属绕组和含有转子有效导体的转子金属绕组，定子有效导体和转子有效导体的厚度均为35um；

（5）涂覆阻焊膜：采用网版印刷、帘涂或静电喷涂的方式将液态感光绿漆涂覆于环氧树脂板、定子金属绕组和转子金属绕组的上面，然后烘干，即在环氧树脂板、定子金属绕组和转子金属绕组上实现了阻焊膜的涂覆；

（6）成型切割：将印刷电路板通过CNC成型机或模具冲床切割成设计图样需求的机械外形尺寸；

D、经过PCB厂家制作完成的转子包括转子基板、转子金属绕组、转子阻焊膜；定子包括定子基板、定子金属绕组、定子阻焊膜；在转子上的引出导通孔的末端引出导线作为转子激励输入端；通过定子上的引出导通孔将A、B相金属导体组首尾相连，A、B相各引出首尾两输出端，即得成品。

工作原理：

如图4所示，当定子金属绕组3的定子有效导体15和转子金属绕组5的转子有效导体7的位置相互重合时，记其为初始位置，此刻定子某相（记为A相）输出电压幅度有最大值；当定子和转子相对位置分别如图5、6、7所示时，定子A相输出电压幅度分别为0、负向最大值、0；在图7所示位置处，转子再转过0.5个极距，定子A相输出电压幅度又再次达到最大值，在此过程中，定子另一相（记为B相）的输出电压幅度将与A相呈90°正交，也即A相幅度最大时，B相幅度最小。

因此，由以上分析可知，定子输出的感应电压的幅值变化一个周期即表明转子相对定子转过了两个极距。对极数为N的感应同步器，其每个极距对应的机械角度值为360°/N，也即定子感应输出电压的幅值变化一个周期对应着的机械角度为720/N。在设计时，令定子A、B两相绕组之间的距离相差了（n+1/2）个极距，n为整数。因此A、B两相绕组的输出电压信号幅值变化也始终相差1/4个周期。

按照图8所示，介绍本发明所涉及的圆感应同步器的工作过程。

对转子均施加激磁信号，此时定子的A、B相均会感应出同频率的电压信号，记                                                

=

、=,其中

为转子激磁信号的频率，、

是A、B相输出电压信号的幅度值。

＝、

＝

，

为该通道当前的电角度，

为

、

的最大值。根据前述分析可知，对一个N极（或N/2对极）的通道来说，机械上转过一个周期，定子输出电压信号幅值将变化N/2个周期。因此当机械上转过角度

，在电学上将转过的角度

＝（N/2）*

。图8所示为转子相对定子旋转一个机械周期，

、

变化示意图。

由图8可知，当转子转过360度，定子输出电压信号幅度

、

均变化多个周期。

要获得当前电角度为

，只要测得当前A、B相输出电压

、

即可。  

再根据：

得到：

Claims (6)

1.一种基于印刷电路板制作工艺的圆感应同步器，包括安装在固定体上的定子基板和安装在转轴上的转子基板，定子基板和转子基板均为绝缘材料，其特征在于：在定子基板的顶部固定有定子金属绕组，在转子基板的底部固定有与定子金属绕组相对放置的转子金属绕组，定子金属绕组和转子金属绕组均与转轴垂直，在定子基板的定子金属绕组上覆盖有定子阻焊膜，在转子基板的转子金属绕组上覆盖有的转子阻焊膜； 

在转子金属绕组中设有若干根转子有效导体，各根转子有效导体通过转子有效导体内端部与转子有效导体外端部连接而成转子金属绕组，连续的转子金属绕组从转子金属绕组的两个末端引出导线作为转子的激励输入端；

定子金属绕组由分段的2K个导体组构成，2K个导体组分别属于A相和B相，每相各有K个导体组，A相导体组和B相导体组相隔排列，即与每个A相导体组相邻的导体组都为B相导体组，与每个B相导体组相邻的导体组都为A相导体组；每个导体组中设有M根定子有效导体，每根定子有效导体通过定子有效导体内端部与定子有效导体外端部连接而成，其中K、M均为正整数；属于同相的各组导体组从每个导体组中的两个末端引出导线串联联接。

2.根据权利要求1所述的圆感应同步器，其特征在于：转子有效导体和定子有效导体均呈辐射状放置。

3.根据权利要求1或2所述的圆感应同步器，其特征在于：转子有效导体的根数为圆感应同步器的极数。

4.根据权利要求1所述的圆感应同步器，其特征在于：定子阻焊膜和转子阻焊膜之间的安装间隙为0.1--0.3mm。

5.根据权利要求1所述的圆感应同步器，其特征在于：定子基板和转子基板均由环氧树脂制成。

6.一种基于PCB制作工艺的角度传感器的制备方法，其特征在于：

A、用protel电路设计软件设计出定子和转子的图形，其中定子、转子的设计图主要包括三个部分的设计：定子基板的设计：包括基板材料、基板厚度、内径、外径的机械尺寸、安装孔直径、安装孔距，转子基板的设计：包括基板材料、基板厚度、内径、外径的机械尺寸、安装孔直径、安装孔距，以及定子金属绕组和转子金属绕组的设计，其中：转子有效导体和定子有效导体在直径相同处的宽度一样； 

B、将定子、转子的设计图交由专业印刷电路板厂家进行制作，制作条件中的一些工艺参数如下：FR-4环氧树脂、3.2mm板厚，绿色阻焊层， 35um厚的铜膜导线；制作完成后的转子基板为FR-4环氧树脂板，转子金属绕组为连续绕组，定子基板为FR-4环氧树脂板，定子金属导组为A、B相的2相分段绕组；

C、PCB生产厂家根据设计图以及工艺参数按照常规印刷电路板制作工艺进行加工： 

（1）下料：厂家根据设计图样选择合适的环氧树脂板材；

（2）钻孔：通过CNC钻孔机对环氧树脂板进行钻孔，钻出转子上的安装孔以及转子金属绕组末端上作为激励输入端的引出导通孔；钻出定子上的安装孔以及定子金属导体组上用于串联同相各导体组的引出导通孔；

（3）镀通孔：在定子、转子上的引出导通孔成型后在孔壁内布建金属铜箔，以完成定子、转子的顶层与底层电路的导通；

（4）制作金属绕组：在环氧树脂板上对定子金属绕组与转子金属绕组图形的内径、外径所包围的圆环内覆铜，铜的厚度为35um，采用化学腐蚀或光腐蚀的方法将多余的铜腐蚀掉，最终留下设计图样中所需的含有定子有效导体的定子金属绕组和含有转子有效导体的转子金属绕组；

（5）涂覆阻焊膜：采用网版印刷、帘涂或静电喷涂的方式将液态感光绿漆涂覆于环氧树脂板、定子金属绕组和转子金属绕组的上面，然后烘干，即在环氧树脂板、定子金属绕组和转子金属绕组上实现了阻焊膜的涂覆；

（6）成型切割：将印刷电路板通过CNC成型机或模具冲床切割成设计图样需求的机械外形尺寸；

D、经过PCB厂家制作完成的转子包括转子基板、转子金属绕组、转子阻焊膜；定子包括定子基板、定子金属绕组、定子阻焊膜；在转子上的引出导通孔的末端引出导线作为转子激励输入端；通过定子上的引出导通孔将A、B相金属导体组首尾相连，A、B相各引出首尾两输出端，即得成品。

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