CN105606018B - 一种线圈都制作在定子上的分离式感应同步器 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种线圈都制作在定子上的分离式感应同步器；属于利用电磁原理制造的空间位置测量传感器的技术领域；本发明的分离式感应同步器包括定子和转子，在定子上包括精编码线圈部件和粗编码线圈部件；所述精编码环形线圈部件包括由精激磁线圈和精感应线圈组成的精线圈组，精线圈组环形排列；粗编码线圈部件包括由粗激磁线圈和粗感应线圈组成的粗线圈组，粗线圈组环形排列；每组线圈磁芯的一端面处于定子的工作平面上，另一端固定在一个软磁材料的环形基座上，环形基座固定在定子基体上；在转子上的抗磁材料制作的环形圆盘上嵌有用软磁材料制作的N个长方体导磁块和一个阿基米德螺线形导磁条，N是精编码的周期数；本发明的分离式感应同步器配置电子部分后可以形成绝对式角度编码器。

Description

一种线圈都制作在定子上的分离式感应同步器

所属技术领域：

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空间相对位置测量传感器。

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、软磁材料的空间分布、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。

感应同步器的转子相对于定子转动多圈时，需要通过导电滑环将激磁信号传送到转子上的激磁线圈上，或者利用环形变压器将正弦变化的激磁信号传到转子的激磁线圈上，前者需要配置导电滑环，后者，需要配置环形变压器，除了正弦变化的激磁信号，其它波形的激磁信号在通过变压器传送过程中将产生形状变化，给后续信号处理带来难度。

如果设备上已经具有同轴的导电滑环，可分出几环用于激磁信号的传送，否则，必须增加附件，用于信号传送，为了省掉导电滑环或者环形变压器，研制出新型的圆盘形感应同步器，虽然同等条件下，由于感应信号的减弱会影响编码的分辨力和精度，但是，由于整体简化而提高了可靠性，在某些应用场合中具有一定的优势。

为了在360°内获得高分辨力的绝对编码，通常具有两套角度测量部件，一套得到小区间内的高分辨力的编码，称为精编码，称激磁电流为精激磁电流，感应线圈为精感应线圈，其它类推，转子与定子相对空间位置的角度值取值变化时，输出的两路精感应电压信号的幅值也不同，对这两路精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。利用得到的两个函数的一对函数值的比值，通过反正切函数，可以得到一个数值(精编码)，得到这个数值对应N个空间角度值。另一套得到360°区间内的较低分辨力的编码，称为粗编码，称激磁电流为粗激磁电流，感应线圈为粗感应线圈，其它类推。同理得到两个自变量是空间角度值的周期数值函数，在360°内有M个周期，这两个周期函数相位差是四分之一个周期，利用得到的两个函数的一对函数值的比值，通过反正切函数，可以得到一个数值(粗编码)，它对应M个空间角度值，选择M＝1的设计较多。利用精编码和粗编码进行判断，可以确定精编码得到的N个角度值中的哪一个对应当前空间角位置，完成360°区间内的高分辨力的绝对编码。

发明内容：

为了省掉导电滑环或者环形变压器，发明了一种线圈都制作在定子上的分离式感应同步器，本发明内容是：

基于用软磁材料体的位置变化改变感应电压幅值的设计出发点，将激磁线圈和感应线圈都制作在感应同步器的定子上；此种新型感应同步器包括定子和转子，参看图1，其特征为：在定子上包括精编码环形线圈部件和粗编码线圈部件；所述精编码环形线圈部件包括由精激磁线圈和精感应线圈组成的精线圈组，精线圈组数可选大于等于4的偶数，精线圈组环形排列；每组内精激磁线圈和精感应线圈环形相间排列，每组内的相邻线圈相对于圆心的夹角为360°/2N，N为精编码在360°内的周期数，线圈磁芯的一端面处于定子的工作平面上，另一端固定在一个软磁材料的环形圈上，软磁材料的环形圈固定在抗磁材料的环形垫圈上，环形垫圈固定在定子基体上；所有精激磁线圈串连后输入同一个精激磁信号；奇数序号的精线圈组内的精感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路精感应信号，偶数序号的精线圈组内的精感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路精感应信号；粗编码线圈部件包括由粗激磁线圈和粗感应线圈组成的粗线圈组，粗线圈组数可选大于等于4的偶数，粗线圈组环形排列；每组内有粗激磁线圈和粗感应线圈，自圆心沿半径向外相间排列；线圈磁芯横断面的形状是一段阿基米德螺线的形状，每组线圈磁芯的一端面处于定子的工作平面上，另一端固定在一个软磁材料的扇形基座上，软磁材料的扇形基座固定在抗磁材料的扇形垫片上，扇形垫片固定在定子基体上；所有粗激磁线圈串连后输入同一个粗激磁信号；奇数序号的粗线圈组内的粗感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路粗感应信号，偶数序号的粗线圈组内的粗感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路粗感应信号；在转子基体上装有用抗磁材料制作的环形圆盘，环形圆盘上嵌有用软磁材料制作的N个长方体细长小块(简称导磁块)和一个阿基米德螺线形细条(简称导磁条)；N个导磁块环形均匀分布，导磁块的一个面和导磁条的一个平面处于转子的工作平面上；精激磁线圈、精感应线圈和N个导磁块组成产生精感应信号的部件；粗激磁线圈、粗感应线圈和一个导磁条组成产生粗感应信号的部件。

有益效果：研制出的新型圆盘形感应同步器省掉导电滑环或者环形变压器，虽然同等条件下，由于感应信号的减弱会影响编码的分辨力和精度，但是，由于整体简化而提高了可靠性，在某些应用场合中具有一定的优势。

附图说明：

图1为转子和定子工作面示意图，A为精线圈部分，B为粗感应线圈，C为粗激磁线圈，D为镶嵌转子上的N个软磁材料的长方体块，Q为采用软磁材料的阿基米德螺线形细条。

图2为精感应部件局部示意图，J1、J2、J3、J4为精激磁线圈中的4个，G1、G2、G3、G4为精感应线圈中的4个，V是精线圈的软磁材料的环形基体，D是镶嵌转子上的软磁材料的细条。

图3为精线圈绕法局部示意图。

图4为精线圈磁通示意图。

图5为激磁电流与感应电压曲线示意图，此感应电压曲线的形状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函数图像，Ds和Dc分指这两个函数。

图7为粗编码4组弧形电磁感应线圈之一的示意图，W是软磁材料的粗线圈基体，Q是软磁材料的阿基米德螺线形细条的部分截图。

图8为粗线圈缠绕方法示意图。

图9为粗线圈磁通变化示意图。

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，M＝1。参看图1中A所指，在定子上制作了8个精线圈组，精线圈组环形排列，每组内包含精激磁线圈和精感应线圈，精激磁线圈和精感应线圈环形相间排列，每组内的相邻线圈相对于圆心的夹角为2°，线圈磁芯横断面形状是4边形，线圈磁芯的一端面处于定子的工作平面上，另一端固定在一个软磁材料的环形圈上，软磁材料的环形圈固定在抗磁材料的环形垫圈上，环形垫圈固定在定子基体上。

参看图3，每组内奇数序号的精激磁线圈的缠绕方向与偶数序号的相反，每组内奇数序号的精感应线圈缠绕方向与偶数序号的相反。

所有精激磁线圈输入同一个精激磁信号。第1，3，5，7组内的精感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路精感应信号，第2，4，6，8组内的精感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路精感应信号。

参看图1中B、C所指，在定子上制作了4个粗线圈组，粗线圈组环形排列，每组内有一个粗激磁线圈和两个粗感应线圈，自圆心沿半径向外相间排列，排列顺序是：粗感应线圈，粗激磁线圈，粗感应线圈。线圈磁芯横断面的形状是一段阿基米德螺线的形状，每组线圈磁芯的一个端面处于定子的工作平面上，另一端固定在一个软磁材料的扇形基座上，软磁材料的扇形基座固定在抗磁材料的扇形垫片上，扇形垫片固定在定子基体上。两个粗感应线圈的弧形磁芯的弧形中心线与设定的阿基米德螺线的两段重合，这两段阿基米德螺线沿径向相邻。将阿基米德螺线以圆心为轴旋转180°，粗激磁线圈的弧形磁芯中心线与旋转后的阿基米德螺线的一段重合，此段阿基米德螺线处于前两段之间。4个粗线圈组相同。

参看图8，内外两个粗感应线圈的缠绕方向相反。

4个粗激磁线圈串连，输入同一个粗激磁信号，第1，3组内的粗感应线圈串连，作为产生第一路粗感应信号的线路，第2，4组内的粗感应线圈串连，作为产生第二路粗感应信号的线路。

参看图1中D、Q所指，在转子基体上装有用抗磁材料制作的环形圆盘，环形圆盘上嵌有用软磁材料制作的90个长方体细长导磁块和一个阿基米德螺线形导磁条。90个导磁块环形均匀分布。精激磁线圈、精感应线圈、软磁材料的环形圈和导磁块组成产生精感应信号的部件。粗激磁线圈、粗感应线圈、软磁材料的扇形基座和导磁条组成产生粗感应信号的部件。

参看图2、图7，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和导磁条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，精激磁电流通过精激磁线圈时，转子与定子的相对位置不同就是导磁块与精线圈的相对位置不同，造成激磁线圈产生的变化磁场的强度变化率的分布不同，导致感应线圈内的磁通量变化率也不同，最终使得输出的两路感应电压信号的最大幅值的不同。

参看图3、图4，截取了几个线圈，说明4个不同的相对角位置情形下磁场的分布和感应电压的情况。第J1、J3个精激磁线圈的绕线方向与第J2、J4个线圈的绕线方向相反。第G1、G3个精感应线圈的绕线方向与第G2、G4个线圈的绕线方向相反。参看图5，在精激磁电流由负最大值向正最大值线性变化过程中，精激磁线圈内的磁通量发生变化，由于精激磁线圈J1、J3与J2、J4缠绕圈数相同、方向相反，所以，产生的磁场强度相同、方向相反。参看图3和图4，此时，导磁块与线圈的位置将影响精感应线圈内的磁通量的变化。图4(1)所示是导磁块处于精激磁线圈的正上方，精感应线圈内磁通总量没有变化，从而感应线圈上的电动势为0，图4(2)所示是导磁块处于精感应线圈和精激磁线圈之间的正上方，此时精感应线圈内磁通量变化率达到最大值，从而精感应线圈上的电动势为最大，参看图3(1)，将此组内的精感应线圈如图3所示连接，则从此组精感应线圈的引出端可以得到不为零的精感应电压，图4(3)所示是导磁块处于精感应线圈的正上方，感应线圈内磁通量没有变化，从而精感应线圈上的电动势为0，图4(4)所示是导磁块处于精激磁线圈和精感应线圈之间的正上方，此时精感应线圈内磁通量变化率达到最大值，从而精感应线圈上的电动势为最大，参看图3(2)，从此组感应线圈的引出端可以得到与图4(2)所示情况下符号相反的感应电压值。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，就得到一个周期函数。

通过对产生两路感应信号的线圈的空间角位置的设定，对两路输出的精感应电压采样和A/D转换，即可得到两个周期函数，周期是4°，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。测量过程就是通过得到的函数值反算出角度值，利用得到的两个函数的一对函数值的比值，通过反正切函数，可以得到一个数值。由于前面所述的两个函数在360°区间内有90个周期，所以得到的这个数值对应90个空间角度值，至此就完成了精编码。还需要完成粗编码，才能确定90个角度值中的哪一个是空间相对位置的角度值。

通过粗感应部件，能够在360°区间上得到只有一个周期的两个周期函数，自变量是空间角度值，函数值是数据，两个周期函数的相位差是四分之一个周期(90°)。

在粗激磁电流由负最大值向正最大值线性变化过程中，粗激磁线圈内的磁通量发生的变化和导磁条与粗线圈的相对位置将影响粗感应线圈内的磁通量的变化。参看图9，通过4个不同的相对角位置情形来说明磁场的变化，图9(1)所示是导磁条缝隙处于粗激磁线圈的正上方，左右粗感应线圈内磁通量的变化率相等，参看图8所示线圈的连接方式，由于左右粗感应线圈缠绕方向相反，可知两个粗感应线圈上的电动势合成后为0，输出电压为0，由于导磁条的中心线是阿基米德螺线的一段，转子相对于定子转动90°后，图9(2)所示是转动后的导磁条缝隙的位置，此时右边粗感应线圈内磁通量变化率大于左边，从而右边粗感应线圈上电动势大于左边，两个粗感应线圈上的电动势合成后不为0，输出电压不等于0，图9(3)所示再转动90°后的导磁条缝隙的位置，左右粗感应线圈内磁通量的变化率相等，两个粗感应线圈上的电动势合成后为0，输出电压为0，图9(4)所示是再转动90°后的导磁条缝隙的位置，此时右边粗感应线圈内磁通量变化率小于左边，从而右边粗感应线圈上电动势小于左边，两个粗感应线圈上的电动势合成后不为0，输出电压不等于0，由于左右粗感应线圈缠绕方向相反，所以此种情况下输出的电压与图9(2)所示情况下输出的电压方向相反。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。

通过对两路粗感应信号的采样和A/D转换，即可得到两个周期函数，周期是360°，相位差是四分之一个周期(90°)，函数曲线形状如图6所示。利用一对函数值的比值，通过反正切函数，可以得到一个数值，这个数值即是360°区间内的空间角度值，至此完成了粗编码。粗编码的分辨力较低。

一个粗编码角度值分别和90个精编码角度值组合成90对，其中只有一对角度值能够在360°区间内的唯一点同时出现，所以利用得到的精编码和粗编码即可确定90个精编码角度值中的哪一个对应当前空间角位置。转子与定子处在任何一个相对位置，都可以通过上述过程得到一个角度值，这个角度值与空间角位置是一对一的对应关系，这个角度值就是在360°区间内的相对位置的绝对编码形式的角度值。

Claims (10)

1.一种线圈都制作在定子上的分离式感应同步器，它包括定子和转子；其特征为：将激磁线圈和感应线圈都制作在感应同步器的定子上；在定子上包括精编码线圈部件和粗编码线圈部件；环形的所述精编码线圈部件包括由精激磁线圈和精感应线圈组成的精线圈组，精线圈组环形排列，每组内精激磁线圈和精感应线圈相间排列，每组内的相邻线圈相对于圆心的夹角为360°/2N，N为设定的精感应线圈的感应电压采样后得到的数值函数在360°内的周期数，线圈磁芯的一端面处于定子的工作平面上，另一端固定在一个软磁材料的环形圈上；软磁材料的环形圈固定在抗磁材料的环形垫圈上，环形垫圈固定在定子基体上；粗编码线圈部件包括由粗激磁线圈和粗感应线圈组成的粗线圈组，粗线圈组环形排列；每组内有粗激磁线圈和粗感应线圈，自圆心沿半径向外相间排列；线圈磁芯的一端面处于定子的工作平面上，另一端固定在一个软磁材料的扇形基座上；软磁材料的扇形基座固定在抗磁材料的扇形垫片上，扇形垫片固定在定子基体上；在转子基体上装有用抗磁材料制作的环形圆盘，环形圆盘上嵌有用软磁材料制作的N个长方体导磁块和一个阿基米德螺线形导磁条；N个导磁块环形均匀分布，导磁块的一个面和导磁条的一个平面处于转子的工作平面上；精激磁线圈、精感应线圈、软磁材料的环形圈和N个导磁块组成产生精感应信号的部件；粗激磁线圈、粗感应线圈、软磁材料的扇形基座和一个导磁条组成产生粗感应信号的部件；这种感应同步器的功能是：在工作状态时，转子与定子相对角位置的变化就是导磁块与精线圈、导磁条与粗线圈的相对角位置的变化，从而影响由激磁线圈产生的磁场的磁场强度分布变化，导致精感应线圈和粗感应线圈内磁通量的变化，最终输出的感应电压发生变化；利用对感应电压采样得到的数值即可计算出空间相对角位置的角度值。

2.根据权利要求1所述的一种线圈都制作在定子上的分离式感应同步器，其特征为：所述精线圈组的组数是大于等于4的偶数。

3.根据权利要求1所述的一种线圈都制作在定子上的分离式感应同步器，其特征为：每组内奇数序号的精激磁线圈的线圈缠绕方向与偶数序号的精激磁线圈的线圈缠绕方向相反，每组内奇数序号的精感应线圈的线圈缠绕方向与偶数序号的精感应线圈的线圈缠绕方向相反。

4.根据权利要求1所述的一种线圈都制作在定子上的分离式感应同步器，其特征为：所有精激磁线圈串连后输入同一个精激磁信号。

5.根据权利要求1所述的一种线圈都制作在定子上的分离式感应同步器，其特征为：奇数序号的精线圈组内的精感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路精感应信号，偶数序号的精线圈组内的精感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路精感应信号。

6.根据权利要求1所述的一种线圈都制作在定子上的分离式感应同步器，其特征为：粗线圈组的组数是大于等于4的偶数。

7.根据权利要求1所述的一种线圈都制作在定子上的分离式感应同步器，其特征为：粗线圈的磁芯的横断面的形状是一段阿基米德螺线的形状。

8.根据权利要求1所述的一种线圈都制作在定子上的分离式感应同步器，其特征为：所有粗激磁线圈串连后输入同一个粗激磁信号；奇数序号的粗线圈组内的粗感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第一路粗感应信号，偶数序号的粗线圈组内的粗感应线圈产生的感应电压合成后输出，作为第二路粗感应信号。

9.根据权利要求1所述的一种线圈都制作在定子上的分离式感应同步器，其特征为：导磁条形状为阿基米德螺线形。

10.根据权利要求1所述的一种线圈都制作在定子上的分离式感应同步器，其特征为：精编码环形线圈部件和粗编码线圈部件与定子基体之间用抗磁材料隔离，减小电磁干扰。