CN105423995B - 具有新结构感应部件的分离式圆感应同步器 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种具有新结构感应部件的分离式圆感应同步器，其特征为：将激磁线圈和感应线圈都制作在定子上，在转子上嵌有用软磁材料制作的多个细长条，结构简单。一组感应线圈产生感应电动势所需的变化的磁场由一个激磁线圈产生。给激磁线圈输入激磁信号，激磁线圈产生变化的磁场。随着转子与定子相对位置的变化，细长条与线圈的相对位置发生变化，由于多个细长条的作用，每组内奇数序号的感应线圈与偶数序号的感应线圈的磁场强度变化率比值发生变化，由于奇数序号的感应线圈与偶数序号的感应线圈的线圈缠绕圈数相同、方向相反，电动势合成后的值发生变化，使得输出的感应电压产生变化，可知输出的感应电压的幅值带有定子与转子相对位置信息，经过对输出的感应电压采样和计算，即可得到空间相对角度值。

Description

具有新结构感应部件的分离式圆感应同步器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，是基于电磁感应原理进行设计的相对空间位移测量传感器。

背景技术

目前，利用电磁原理制造的角度传感器在各种仪器和设备上有着几十年的广泛的应用，感应同步器就是这类部件的典型代表。

感应同步器以电磁感应原理为设计基本根据，通过激磁电路对激磁线圈输入变化电流，使得感应线圈输出感应电压，感应电压大小取决于激磁电流的变化、软磁材料体的分布、线圈形状和激磁线圈与感应线圈的相对位置。对感应电压进行采样和计算，即可得到空间相对位置的测量数据。

分离式角度测量感应同步器分为两个部件，一个部件安装在转动轴上，简称为转子，另一个部件安装在轴座上，简称为定子，两个部件之间有很小的间隙(一般是零点几毫米)，两个部件的相对面简称工作面。

转子与定子相对空间位置的角度值变化时，由感应线圈输出的两路感应电压信号的幅值也发生变化，对这两路感应电压信号的电压进行采样并转换，得到两个自变量是空间角度值的周期性数值函数，在360°内有N个周期，这两个周期函数相位差是四分之一个周期，一个周期对应360°等分的N个子区间中的一个。感应同步器配上电子部分，即可组成增量式空间位置测量系统。

本发明是生成感应电压信号的部件的一种新的结构。

发明内容

本发明涉及一种具有新结构感应部件的分离式圆感应同步器，其技术方案如下：

在定子上包括激磁线圈和感应线圈组，感应线圈组的个数可选大于等于4的偶数，感应线圈组环形排列；每组内的相邻感应线圈相对于圆心的夹角为360°/2N，N为编码在360°内的周期数；每组内奇数序号的感应线圈与偶数序号的感应线圈的线圈缠绕方向相反；感应线圈磁芯的一端面处于定子的工作平面上，另一端固定在一个用软磁材料制造的环形圈上；软磁材料的环形圈固定在用抗磁材料制造的环形圈上，抗磁材料的环形圈固定在定子基体上；激磁线圈在感应线圈组内侧环形排列，一个激磁线圈对应一组感应线圈；激磁线圈磁芯的横断面是圆弧形，激磁线圈磁芯的一端面处于定子的工作平面上，另一端固定在一个用软磁材料制造的环形圈上；所有激磁线圈串连后输入同一个激磁信号，一组感应线圈产生感应电压所需要的变化磁场由一个激磁线圈产生；转子上固定着抗磁材料制造的环形圈，在抗磁材料的环形圈上环形均匀镶嵌着N个用软磁材料制成的长方体导磁块；激磁线圈、感应线圈、软磁材料的环形圈和导磁块组成感应电压产生部件；当激磁线圈产生变化磁场时，转子相对于定子的旋转夹角不同就是导磁块与线圈的相对位置不同，由于多个导磁块的作用，影响奇数序号的感应线圈与偶数序号的感应线圈内磁通量变化率的比值，由于奇数序号的感应线圈与偶数序号的感应线圈的线圈缠绕圈数相同、方向相反，使得一组感应线圈产生的电动式之和的绝对值和方向有所不同，使得输出的感应电压带有位置信息；奇数序号的感应线圈组内的感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路感应电压信号，偶数序号的感应线圈组内的感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路感应电压信号。

优选为：每组内奇数序号的感应线圈的线圈缠绕方向与偶数序号的感应线圈的线圈缠绕圈数相同、方向相反。

优选为：每组内奇数序号的感应线圈的线圈缠绕方向与偶数序号的感应线圈的线圈缠绕圈数相同、方向相反。

优选为：所有激磁线圈串连后输入同一个激磁信号。

优选为：奇数序号的感应线圈组内的感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路感应电压信号，偶数序号的感应线圈组内的感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路感应电压信号。

优选为：软磁材料的环形圈与定子基体之间用抗磁材料隔离，减小电磁干扰。

一种具有新结构感应部件的分离式圆感应同步器进一步发明内容如下：

参看图1、图2中A所指，在定子上包括激磁线圈和感应线圈组，感应线圈组的个数可选大于等于4的偶数，感应线圈组环形排列；每组内的相邻感应线圈相对于圆心的夹角为360°/2N，N为编码在360°内的周期数；每组内奇数序号的感应线圈与偶数序号的感应线圈的线圈缠绕方向相反，参看图7；感应线圈磁芯的横断面是长方形，感应线圈磁芯的一端面处于定子的工作平面上，另一端固定在一个用软磁材料制造的环形圈上；软磁材料的环形圈固定在用抗磁材料制造的环形圈上，抗磁材料的环形圈固定在定子基体上；参看图1、图2中F所指，激磁线圈在感应线圈组内侧环形排列，一个激磁线圈对应一组感应线圈；激磁线圈磁芯的横断面是圆弧形，激磁线圈磁芯的一端面处于定子的工作平面上，另一端固定在一个用软磁材料制造的环形圈上；所有激磁线圈串连后输入同一个激磁信号，一组感应线圈产生感应电压所需要的变化磁场由一个激磁线圈产生；参看图1、图2中D所指，转子上固定着抗磁材料制造的环形圈，在抗磁材料的环形圈上环形均匀镶嵌着N个用软磁材料制成的长方体细长块(简称导磁块)，导磁块的一个面处于转子的工作平面上；激磁线圈、感应线圈、软磁材料的环形圈和导磁块组成感应电压产生部件；当激磁线圈产生变化磁场时，转子相对于定子的旋转夹角不同就是导磁块与线圈的相对位置不同，由于多个导磁块的作用，影响奇数序号的感应线圈与偶数序号的感应线圈内磁通量变化率的比值。由于奇数序号的感应线圈与偶数序号的感应线圈的线圈缠绕圈数相同、方向相反，使得一组感应线圈产生的电动式之和的绝对值和方向有所不同，参看图3、图4，输出的感应电压带有位置信息；奇数序号的感应线圈组内的感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路感应信号，偶数序号的感应线圈组内的感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路感应信号；配置上电子部分，即可组成增量式角位置编码器，用于增量式角位置测量。

附图说明

图1为转子和定子工作面示意图，其中：A为感应线圈部分，F为激磁线圈，D为镶嵌转子上的N个软磁材料的长方体块；

图2为一组编码部件的示意图；

图3为径向观看的感应线圈磁通示意图，J1、J2、J3、J4为感应线圈中的4个，G1、G2、G3、G4为感应线圈中的另外4个；

图4为轴向观看的感应线圈磁通示意图；

图5为激磁电流与感应电压曲线示意图，此感应电压曲线是转子与定子某一相对空间位置时的形状；

图6为空间角位置是自变量，ti时刻的感应电压转换出的数值为函数值的曲线，Ds和Dc分指这两个函数；

图7为线圈绕法局部示意图。

具体实施方式

本发明能够以很多种方式来实施，选择一个较佳例子进行说明实施方式。本文所示的例子中N＝90。

参看图1、图2中A所指，在定子上制作了8组感应线圈，感应线圈组环形排列；每组内包含20个感应线圈，每组内的相邻两个感应线圈相对于圆心的夹角为2°，感应线圈磁芯横断面形状是长方形，感应线圈磁芯的一端面处于定子的工作面上，另一端固定在一个软磁材料的环形圈上。软磁材料的环形圈固定在用抗磁材料制造的环形圈上，抗磁材料的环形圈固定在定子基体上。参看图1、图2中F所指，在定子上制作了8个激磁线圈，在感应线圈组内侧环形排列，线圈磁芯横断面的形状是圆弧形状，线圈磁芯的一端面处于定子的工作面上，另一端固定在一个软磁材料的环形圈上。

参看图7，每组内奇数序号的感应线圈缠绕方向与偶数序号的相反。

8个激磁线圈串连，输入一个激磁信号；第1，3，5，7组内的感应线圈的感应电压合成后输出，作为第一路感应信号，第2，4，6，8组内的感应线圈的感应电压合成后输出，作为第二路感应信号。

参看图1、图2中D所指，在转子上固定的用抗磁材料制造的环形圈上嵌有用软磁材料制作的90个长方体导磁块，90个导磁块环形均匀分布。激磁线圈、感应线圈、软磁材料的环形圈和导磁块组成产生感应信号的部件。

参看图2，转子与定子同轴安装好后，线圈磁芯端头所在的工作平面与导磁块所在的工作平面向对，间隙很小，一般取值在0.1至0.5毫米之间。

下面叙述工作原理，激磁电流通过激磁线圈时，转子与定子的相对位置不同就是导磁块与线圈的相对位置不同，由于导磁块的作用，引起激磁线圈产生的变化的磁场的磁场强度变化率的分布不同，导致每组内奇数序号的感应线圈内的磁通量变化率相对于偶数序号的感应线圈内的磁通量变化率也不同，最终使得输出的感应电压信号的最大幅值的不同。

参看图3、图4，从一组内截取了几个线圈，说明4个不同的相对角位置情形下磁场强度的分布情况和感应电压值的变化。序号为Ji的感应线圈与序号为Gi的感应线圈的绕线圈数相同、方向相反(i＝1，2，3，4)。参看图5，在激磁电流由负最大值向正最大值线性变化过程中，激磁线圈产生变化的磁场。参看图3(1)和图4(1)，导磁块处于Ji序号的感应线圈的正上方，此种情况下，Ji序号的感应线圈内磁通量变化率大于Gi序号的感应线圈内磁通量变化率，从而8个感应线圈上的电动势合成不为零，输出的感应电压值不为零，图5中ti时刻感应信号的幅值的绝对值达到最大值；图3(2)和图4(2)所示是导磁块处于Ji序号的感应线圈和Gi序号的感应线圈之间的正上方，此时8个感应线圈内磁通量变化率相同，由于Ji序号的感应线圈和Gi序号的感应线圈的缠绕圈数相同和方向相反，8个感应线圈上的电动势合成为零，输出的感应电压值为零；参看图3(3)、图4(3)所示是导磁块处于Gi序号的感应线圈的正上方，Ji序号的感应线圈内磁通量变化率小于Gi序号的感应线圈内磁通量变化率，从而8个感应线圈上的电动势合成不为零，图5中ti时刻感应信号的幅值的绝对值达到最大值；与图3(1)和图4(1)所示情况下符号相反。图3(4)和图4(4)所示是导磁块处于Ji序号的感应线圈和Gi序号的感应线圈之间的正上方，此时8个感应线圈内磁通量变化率相同，由于Ji序号的感应线圈和Gi序号的感应线圈缠绕圈数相同和方向相反，8个感应线圈上的电动势合成为零。参看图5，当相对位置的角度值连续变化时，在激磁电流强度值线性变化区间内的ti时刻对输出电压采样和A/D转换，得到一个周期函数。

对两路输出的感应电压采样和A/D转换，即可得到两个周期函数，周期是4°；通过对产生两路感应信号的线圈组的空间角位置的设定，容易使得两个周期函数的相位差是四分之一个周期(1°)，图6所示一个周期的函数曲线。利用一对函数值的比值，利用反正切函数进行计算，可以得到一个数值，这个数值在空间的一个周期内就是转子与定子相对角位置差的角度值，当转子相对于定子连续转动一周时，形成空间角位置差与角度值之间的周期函数，每个周期内都是线性函数，函数值的范围是0°至4°。如果设定开始测量过程时转子相对于定子角位置差所在区间为零点所在区间，实时判断是否从一个周期的空间区间跨越到另一个相邻的空间区间，通过对跨越区间造成的角度值的突变进行补偿，即可的得到增量编码形式的相对转动的空间角位置差的正确的累计转动角度值。能够通过实时判断得到从一个周期空间区间跨越到另一个相邻的空间区间的正确判断结果的前提是：空间角位置的测量不可间断，并且频率要高，高到两次测量的时间间隔内，转子相对于定子转动的角位置差的绝对值小于半个周期(2°)。具体判断方法是：如果当前由采样得到一对模数转换值计算出的数值与前一次由采样得到一对模数转换值计算出的数值之差的绝对值大于半个周期长度(2°)，并且当前值大于前一个值，说明负向转动跨越到相邻的区间内了，累计转动角度值计算时要减去一个周期的长度(4°)；如果差的绝对值大于半个周期长度时，并且当前值小于前一个值，说明正向转动跨越到相邻的区间内了，累计转动角度值计算时要加上一个周期的长度(4°)；以上是对增量式编码的计算方法的简单介绍。总之，本文内列举的感应同步器配上电子部分即可实现增量式角度测量功能。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.具有新结构感应部件的分离式圆感应同步器，其特征为：在定子上包括激磁线圈和感应线圈组，感应线圈组的个数可选大于等于4的偶数，感应线圈组环形排列；每组内的相邻感应线圈相对于圆心的夹角为360°/2N，N为编码在360°内的周期数；每组内奇数序号的感应线圈与偶数序号的感应线圈的线圈缠绕方向相反；感应线圈磁芯的一端面处于定子的工作平面上，另一端固定在一个用软磁材料制造的环形圈上；软磁材料的环形圈固定在用抗磁材料制造的环形圈上，抗磁材料的环形圈固定在定子基体上；激磁线圈在感应线圈组内侧环形排列，一个激磁线圈对应一组感应线圈；激磁线圈磁芯的横断面是圆弧形，激磁线圈磁芯的一端面处于定子的工作平面上，另一端固定在一个用软磁材料制造的环形圈上；所有激磁线圈串连后输入同一个激磁信号，一组感应线圈产生感应电压所需要的变化磁场由一个激磁线圈产生；转子上固定着抗磁材料制造的环形圈，在抗磁材料的环形圈上环形均匀镶嵌着N个用软磁材料制成的长方体导磁块；激磁线圈、感应线圈、软磁材料的环形圈和导磁块组成感应电压产生部件；当激磁线圈产生变化磁场时，转子相对于定子的旋转夹角不同就是导磁块与线圈的相对位置不同，由于多个导磁块的作用，影响奇数序号的感应线圈与偶数序号的感应线圈内磁通量变化率的比值，由于奇数序号的感应线圈与偶数序号的感应线圈的线圈缠绕圈数相同、方向相反，使得一组感应线圈产生的电动式之和的绝对值和方向有所不同，使得输出的感应电压带有位置信息；奇数序号的感应线圈组内的感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路感应电压信号，偶数序号的感应线圈组内的感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路感应电压信号。

2.根据权利要求1所述的具有新结构感应部件的分离式圆感应同步器，其特征为：一组感应线圈产生感应电压所需要的变化磁场由一个激磁线圈产生。

3.根据权利要求1所述的具有新结构感应部件的分离式圆感应同步器，其特征为：每组内奇数序号的感应线圈的线圈缠绕方向与偶数序号的感应线圈的线圈缠绕圈数相同、方向相反。

4.根据权利要求1所述的具有新结构感应部件的分离式圆感应同步器，其特征为：所有激磁线圈串连后输入同一个激磁信号。

5.根据权利要求1所述的具有新结构感应部件的分离式圆感应同步器，其特征为：奇数序号的感应线圈组内的感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路感应电压信号，偶数序号的感应线圈组内的感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路感应电压信号。

6.根据权利要求1所述的具有新结构感应部件的分离式圆感应同步器，其特征为：软磁材料的环形圈与定子基体之间用抗磁材料隔离，减小电磁干扰。