CN104197826B - 一种低功耗无接触式角度传感器 - Google Patents

Abstract

一种低功耗无接触式角度传感器，包括定子铁芯、转子铁芯、激磁绕组、输出绕组，以及绝缘端片。定子铁芯是由软磁材料叠片而成，激磁绕组用于产生脉动磁场，输出绕组用于产生与定转子相对角位置成函数关系的感应电势。转子铁芯也是由软磁材料叠片而成，转子上无绕组，无引出线。本发明采用中频磁性能良好的软磁材料做定转子铁芯，采用中频激磁，有效提高输出能力的同时降低了功耗。端部的绝缘端片用来实现绕组与铁芯的绝缘，使得产品结构紧凑。转子无绕组和引线，避免力矩干扰。本发明具有非灵敏区小、灵敏度高、低功耗、体积小、高可靠、制造使用方便等特点，可用于陀螺、陀螺加速度计以及其它用于实现零位控制的角度转换。

Description

一种低功耗无接触式角度传感器

技术领域

本发明涉及小型化高精度零位控制系统中使用的角度传感器技术领域，具体地，涉及一种低功耗无接触式角度传感器。

背景技术

无接触式角度传感器一般采用硅钢片作为定子、转子的铁芯材料，激磁频率较低，通常为400～500Hz。为达到输出性能要求，激磁电流较大，一般在30～50mA，甚至更高，在恒温要求的液浮表中存在温升，影响仪表精度。产品零位剩余电压较大，通常在3～5mV，使得产品的非灵敏区大，不能满足陀螺仪表的使用要求。激磁绕组和输出绕组与定子铁芯的绝缘采用绝缘端片和聚四氟乙烯薄膜，通常，绕组表面有浸漆和灌胶两种方法实现绕组的固定。表面浸漆的角度传感器由于外形不规整，在静压液浮仪表中使用，会存留气泡，影响仪表的精度。灌胶的角度传感器由于绕组外缘有薄膜彭出，灌胶厚度增加，在高低温环境中胶的热膨胀系数与铁芯和绕组的膨胀系数不一致，易导致绕组受应力作用断线。

故，现有的角度传感器由于非灵敏区大、功耗大，体积大、可靠性低等缺陷已不适合液浮陀螺仪表小型化、高精度的发展要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种非灵敏区小、功耗低、体积小、高可靠、制造使用方便的低功耗无接触式角度传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案包括：

一种低功耗无接触式角度传感器，其特征在于，包括定子铁芯、激磁绕组、输出绕组、转子铁芯、以及绝缘端片，其中，所述定子铁芯基本上为环形，其内环壁上均匀地分布有多个定子齿，相邻定子齿之间具有齿槽，所述定子铁芯的各个齿槽的内壁上涂覆有绝缘漆；所述转子铁芯基本上为环形，其外环周上均匀地分布有多个转子齿；并且所述转子铁芯布置在所述定子铁芯的内环中，并与所述定子铁芯之间留有间隙；所述绝缘端片的数量为两个，两个绝缘端片的形状分别与所述定子铁芯的上表面和下表面的形状相匹配，并分别固定在所述定子铁芯的上表面和下表面上；所述定子铁芯的每两个相邻的定子齿上嵌套有一个激磁绕组，所述定子铁芯的每两个相邻的定子齿上还嵌套有一个输出绕组，并且所述激磁绕组与所述输出绕组错齿地布置，从而使得每个定子齿上既绕有激磁绕组也绕有输出绕组；并且当激磁绕组和输出绕组嵌装到位后，每个激磁绕组和输出绕组都位于所述绝缘端片的外层，并且激磁绕组和输出绕组都不与定子铁芯齿槽的内壁接触；所述定子铁芯上，在所述激磁绕组和输出绕组的外表面以及各个定子齿的齿槽中都灌封有灌封胶；并且在所述转子铁芯的齿槽中也填充有灌封胶；所述定子铁芯和转子铁芯均由软磁合金片料旋转叠压成型，并且所述定子铁芯的定子齿和所述转子铁芯的转子齿通过线切割加工完成。

优选地，所述激磁绕组和输出绕组先用绕线模绕制定型后，再嵌套到定子铁芯的相邻的两个定子齿上。

优选地，所述的定子铁芯和转子铁芯均采用铁镍软磁合金B1J95片料旋转叠压成型。

优选地，所述转子铁芯的轴向长度比所述定子铁芯的轴向长度大1～2mm。

优选地，所述绝缘端片采用0.2mm厚的酚醛层压玻璃布板。

优选地，所用激磁绕组和输出绕组均采用标称直径为φ0.06mm的聚氨酯漆包线。

优选地，用于灌封的灌封胶采用环氧树脂。

本发明与现有技术相比的优点在于：在本发明中，

1、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，与传统采用硅钢片材料相比，提高了中频率起始段的磁导率，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30～50mA减小到4～6mA，因此功耗很低。铁芯厚度从原来的7～8mm减小到3～4mm；

2、定子铁芯和转子铁芯采用片料旋转叠压成型，并通过线切割加工出齿槽，相比用模具手工叠压的方式，齿槽的精度高，产品的结构对称性好，有效减小了产品的零位剩余电压，从原来的3～5mV减小到小于1mV，有效缩小了非灵敏区；

3、采用绝缘端片和定子铁芯槽内壁涂漆的方法实现激磁绕组和输出绕组与定子铁芯的绝缘，使得绕组边缘规整，灌胶胶层由原来的0.5～0.8mm缩减到0.2～0.4mm，有效避免了高低温环境下激磁绕组和输出绕组受应力导致断线的问题，有效提高了产品的可靠性。

附图说明

图1为根据本发明的角度传感器的轴向截面图；

图2为根据本发明的定子铁芯的主视图；

图3为根据本发明的定子铁芯与激磁绕组的轴向剖面图；

图4为根据本发明的转子铁芯的主视图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的低功耗无接触式角度传感器做进一步详细的说明。

如图1-4所示，根据本发明的低功耗无接触式角度传感器包括定子铁芯1、激磁绕组2、输出绕组3、转子铁芯6、以及绝缘端片7。

其中，定子铁芯1基本上为环形，其内环壁上均匀地分布有多个定子齿，相邻定子齿之间具有齿槽。定子铁芯1的各个齿槽的内壁上涂覆有绝缘漆。铁芯6基本上为环形，其外环周上均匀地分布有多个转子齿。并且优选地，转子铁芯的轴向长度比定子铁芯的轴向长度大1～2mm。转子铁芯布置在定子铁芯1的内环中，并与定子铁芯1之间留有间隙，该间隙的大小根据实际工况确定。

绝缘端片7的数量为两个。两个绝缘端片7的形状分别与定子铁芯1的上表面和下表面的形状相匹配，并分别固定(如采用粘接的方式固定)在定子铁芯1的上表面和下表面上。优选地，绝缘端片7采用0.2mm厚的酚醛层压玻璃布板。

定子铁芯1的每两个相邻的定子齿上嵌套有一个激磁绕组2，定子铁芯1的每两个相邻的定子齿上还嵌套有一个输出绕组3，并且激磁绕组2与输出绕组3错齿地布置，从而使得每个定子齿上既绕有激磁绕组2也绕有输出绕组3。并且，当激磁绕组2和输出绕组3嵌装到位后，每个激磁绕组2和输出绕组3都位于绝缘端片7的外层，并且激磁绕组2和输出绕组3都不与定子铁芯1齿槽的内壁接触。也就是说，本发明中，要求在将绝缘端片7固定到定子铁芯的上、下表面之后，再进行激磁绕组2和输出绕组3的绕制。并且，以具有1-6号6个定子齿的定子铁芯为例，假设1号和2号定子齿、3号和4号定子齿、5号和6号定子齿上绕制有激磁绕组2，则2号和3号定子齿、4号和5号定子齿、6号和1号定子齿上还绕制有输出绕组3，从而使得激磁绕组2与输出绕组3之间错开一个定子齿，即上面所述的错齿布置。

此外，为了保证激磁绕组2和输出绕组3绕制到定子齿上后不与齿槽内壁接触，优选地，绝缘端片7的覆盖在定子齿上的部分的宽度应当大于相应定子齿的宽度。而且，优选地，激磁绕组2和输出绕组3先用绕线模绕制定型后，再嵌套到定子铁芯1上的相应的两个定子齿上。并且，所用激磁绕组2和输出绕组3均采用标称直径为φ0.06mm的聚氨酯漆包线。

此外，在定子铁芯1上，在激磁绕组2和输出绕组3的外表面以及各个定子齿的齿槽中都灌封有灌封胶(如图1中的标号4和5所指示的部分)。并且在转子铁芯6的齿槽中也填充有灌封胶，并且用于灌封的灌封胶采用环氧树脂。

本优选实施例中，定子铁芯1和转子铁芯6均由软磁合金片料旋转叠压成型，并且定子铁芯1的定子齿和转子铁芯6的转子齿通过线切割加工完成。

本发明中，激磁绕组用于产生脉动磁场，定子铁芯1与转子铁芯6通过间隙组成闭环磁路，输出绕组按图3的方式与激磁绕组错槽嵌入定子槽中，用于感应因角度变化导致的匝链磁通的变化。

如图1和图2所示，本发明采用铁镍软磁合金B1J95作为定子铁芯1和转子铁芯6的材料，并且，定子铁芯1和转子铁芯6由铁镍软磁合金B1J95片料旋转叠压形成，通过线切割加工出定子铁芯1和转子铁芯6的齿槽。

铁镍软磁合金B1J95在8KHz～10KHz频率下起始段磁导率优于硅钢片材料，其起始磁导率μ0≥0.037H/m，达到相同输出灵敏度时，所需激磁电流减小，定子铁芯1厚度和转子铁芯6的厚度也相应缩减。线切割加工定子铁芯1和转子铁芯6的齿槽可提高齿槽精度，改善产品结构对称度，有效降低零位剩余电压，缩小产品的非灵敏区。

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。在磁路结构和激磁绕组匝数相同的条件下，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性能的条件下可有效降低激磁电流，缩小铁芯厚度，减小体积。

如图3所示，定子铁芯1的上下端面都粘接有绝缘端片7，定子铁芯1的齿槽内壁涂有绝缘漆。激磁绕组2先用绕线模绕制成如图所示的形状，再如图3嵌入到定子铁芯1的齿槽内。输出绕组3也用同样的方法与激磁绕组错槽嵌入定子铁芯1槽内。绕组横跨在定子槽中，与定子铁芯1的齿槽的内壁没有接触，只与定子铁芯1端部的绝缘端片接触，定子齿槽内壁涂漆，以保证绕组与铁芯齿槽的内部不接触，这样即可实现激磁绕组2和输出绕组3与定子铁芯1的绝缘，避免使用聚四氟乙烯薄膜。由于没有薄膜在绕组边缘的彭出，使得绕组外形规整，灌胶厚度大大缩减，通常控制在0.2～0.4mm。胶层厚度减小，可有效避免激磁绕组2和输出绕组3在高低温环境下受应力作用导致断线。从而在减小体积的同时提高产品可靠性。

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。

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。

Claims (4)

1.一种小型化低功耗无接触式角度传感器，其特征在于，包括定子铁芯(1)、激磁绕组(2)、输出绕组(3)、转子铁芯(6)、以及绝缘端片(7)，其中，

所述定子铁芯(1)基本上为环形，其内环壁上均匀地分布有多个定子齿，相邻定子齿之间具有齿槽，所述定子铁芯(1)的各个齿槽的内壁上涂覆有绝缘漆；所述转子铁芯(6)基本上为环形，其外环周上均匀地分布有多个转子齿；并且所述转子铁芯布置在所述定子铁芯(1)的内环中，并与所述定子铁芯(1)之间留有间隙；

所述绝缘端片(7)的数量为两个，两个绝缘端片(7)的形状分别与所述定子铁芯(1)的上表面和下表面的形状相匹配，并分别固定在所述定子铁芯(1)的上表面和下表面上；

所述定子铁芯(1)的每两个相邻的定子齿上嵌套有一个激磁绕组(2)，所述定子铁芯(1)的每两个相邻的定子齿上还嵌套有一个输出绕组(3)，并且所述激磁绕组(2)与所述输出绕组(3)错齿地布置，从而使得每个定子齿上既绕有激磁绕组(2)也绕有输出绕组(3)；并且当激磁绕组(2)和输出绕组(3)嵌装到位后，每个激磁绕组(2)和输出绕组(3)都位于所述绝缘端片(7)的外层，并且激磁绕组(2)和输出绕组(3)都不与定子铁芯(1)齿槽的内壁接触；

所述定子铁芯(1)上，在所述激磁绕组(2)和输出绕组(3)的外表面以及各个定子齿的齿槽中都灌封有灌封胶；并且在所述转子铁芯(6)的齿槽中也填充有灌封胶；

所述定子铁芯(1)和转子铁芯(6)均由铁镍软磁合金B1J95片料旋转叠压成型，并且所述定子铁芯(1)的定子齿和所述转子铁芯(6)的转子齿通过线切割加工完成；

所述激磁绕组(2)和输出绕组(3)先用绕线模绕制定型后，再嵌套到定子铁芯(1)的相邻的两个定子齿上；

所述绝缘端片(7)采用0.2mm厚的酚醛层压玻璃布板，绝缘端片(7)的覆盖在定子齿上的部分的宽度大于相应定子齿的宽度。

2.根据权利要求1所述的小型化低功耗无接触式角度传感器，其特征在于，所述转子铁芯的轴向长度比所述定子铁芯的轴向长度大1～2mm。

3.根据权利要求1所述的小型化低功耗无接触式角度传感器，其特征在于，所用激磁绕组(2)和输出绕组(3)均采用标称直径为φ0.06mm的聚氨酯漆包线。

4.根据权利要求1所述的小型化低功耗无接触式角度传感器，其特征在于，用于灌封的灌封胶采用环氧树脂。