CN106441081A - 无转子绕组的时栅角位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种无转子绕组的时栅角位移传感器，包括感应绕组、激励绕组、两个定子和两个转子，所述两个定子同轴并列设置，所述两个转子与两个定子一一对应且转子同轴设置定子内，转子和定子之间具有间隙；所述感应绕组和激励绕组均设置于定子，且每个定子均设置一感应输出绕组和一激励输入绕组；两组激励输入信号相差90°且信号频率保持相同，两组感应输出绕组分别采用正弦感绕组和余弦绕组分布形式，降低制造难度以及生产成本；而且能够有效地抑制感应信号中存在高次谐波，进而减小谐波电势，提高传感器的测量精度。

Description

无转子绕组的时栅角位移传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种无转子绕组的时栅角位移传感器。

背景技术

时栅角位移传感器广泛应用于现代工业生产中，时栅角位移传感器基于电磁感应原理实现角位移测量，现有的时栅角位移传感器中，一般包括定子和转子，其中在定子上设置激励输入绕组，转子上设置励磁输出绕组，这种结构的时栅位移传感器传感器存在如下缺陷：在上述结构中，必须采用滑环才能够实现时栅位移传感器整圈旋转的工作目的，但是，传感器定转子上均有绕组线圈导致其结构复杂，不方便制造；另外，在设备中安装滑环后，导致整个传感器的抗干扰能力降低，而且增加了传感器的生产成本，进而导致结构的稳定性差，而且成本高昂；更为重要的是，现有结构的时栅角位移传感器在工作过程中存在高次谐波，并且高次谐波引起分量磁场，进而引起谐波电势，严重影响了时栅角位移传感器的测量精度，目前，还没有有效手段解决上述技术问题。

因此，需要提出一种新的时栅角位移传感器，能够简化时栅角位移传感器的结构，使得时栅角位移传感器的稳定性提高，降低制造难度以及生产成本；而且能够有效地抑制感应信号中存在高次谐波，进而减小谐波电势，提高传感器的测量精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种无转子绕组的时栅角位移传感器，能够简化时栅角位移传感器的结构，使得时栅角位移传感器的稳定性提高，降低制造难度以及生产成本；而且能够有效地抑制感应信号中存在高次谐波，进而可消除除齿谐波以外的高次谐波谐波分量磁场引起的谐波电势，提高传感器的测量精度。

本发明提供的一种无转子绕组的时栅角位移传感器，包括感应绕组、激励绕组、两个定子和两个转子，所述两个定子同轴并列设置，所述两个转子与两个定子一一对应且转子同轴设置定子内，转子和定子之间具有间隙；所述感应绕组和激励绕组均设置于定子，且每个定子均设置一感应绕组和一激励绕组；

其中两组激励输入信号相位差保持90°，且信号频率保持相同。

进一步，所述定子内侧壁设置有绕组齿，相邻绕组齿之间形成线槽，转子外侧壁设置有转子齿，相邻转子齿之间形成齿槽，所述定子的绕组齿和转子的齿槽的宽度相等，定子的线槽数目和转子的齿槽数目之比为4:4N+1，所述转子齿和齿槽的宽度相等。

进一步，两个定子的每个绕组齿的激励绕组的线圈匝数相等，且同一定子上的激励绕组线圈的隔齿反向串联，两个定子的感应绕组匝数分别按照正余弦规律进行分布。

进一步，两个定子的激励绕组的初始绕线位置相差一个定子齿槽宽度。

进一步，所述每个定子齿的正弦感应绕组的匝数通过如下公式计算：

所述余弦感应绕组的匝数通过如下公式计算：

其中，L₀表示每个定子齿上最大绕组匝数；K表示定子齿序号，Z_r表示转子齿数，Z表示定子的绕组齿数。

进一步，所述两个定子之间和两个转子之间均设置有隔磁环。

本发明的有益效果：本发明提供的一种无转子绕组的时栅角位移传感器，无需在传感器转子中设置滑环，从而能够简化时栅角位移传感器的结构，使得时栅角位移传感器的稳定性显著提高，有效降低制造难度以及生产成本；而且能够有效地抑制感应信号中存在高次谐波，进而可消除除齿谐波以外的高次谐波谐波分量磁场引起的谐波电势，大大提高传感器的测量精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的激励绕组线圈绕向分布示意图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，图2为本发明的正、余弦感应绕组的分布示意图，如图所示，本发明提供的一种无转子绕组的时栅角位移传感器，包括感应绕组5、激励绕组4、两个定子2和两个转子1，所述两个定子2同轴并列设置，所述两个转子1与两个定子2一一对应且转子1同轴设置定子2内，转子1和定子2之间具有间隙10；所述感应绕组5和激励绕组4均设置于定子2，且每个定子2均设置一感应绕组5和一激励绕组4；

其中一个定子2的激励绕组4定义为正弦激励输入绕组，另一定子2的激励绕组4定义为余弦激励输入绕组，两组输入激励绕组的输入信号相位差保证为90°，且信号频率相等；对应于正弦输入激励绕组的感应绕组为正弦感应绕组，对应于余弦输入激励绕组的感应绕组为余弦感应绕组；其中，正弦绕组和余弦绕组为逐齿反向串接；通过上述结构，无需在传感器中设置滑环，从而能够简化时栅角位移传感器的结构，使得时栅角位移传感器的稳定性显著提高，有效降低制造难度以及生产成本；而且通过两个定子的感应绕组采用正弦、余弦分布的形式，能够有效地抑制感应信号中存在高次谐波，进而可消除除齿谐波以为的高次谐波谐波分量磁场引起的谐波电势，大大提高传感器的测量精度。

本实施例中，所述定子2内侧壁设置有绕组齿6，相邻绕组齿6之间形成线槽7，转子1外侧壁设置有转子齿9，相邻转子齿9之间形成齿槽8，所述绕组齿6和转子的齿槽8宽度相等，转子齿9的宽度和齿槽8的宽度相等，定子的线槽数目和转子的齿槽数目之比为4:4N+1；传感器在工作过程中，定子不动作，转子转动，由于转子的外侧壁和和定子的内侧壁之间具有间隙，且由于转子齿、齿槽、绕组齿和线槽的作用下，导致转子和定子之间的间隙在转子转动过程中是变化的，感应绕组感应输出的电压信号随着转子间的间隙磁导变化而变化，转子没转过一个齿距，间隙磁导变化一个周期，那么感应绕组输出的电压信号幅值就变化以这个周期，而该电压信号的幅值变化反映了转子角位移量信息，因此，通过上述结构，能够保证感应绕组输出的电压信号的幅值变化的准确性，进而保证传感器的检测精度。

本实施例中，两个定子2的每个绕组齿6的激励绕组4线圈匝数相等，且同一定子2相邻绕组齿6的绕组线圈的绕线间隔反向串接；两个定子2的每个感应绕组5的线圈匝数分别按照正余弦规律进行分布，图2为间隔反向示意图，其中“+”表示正向，“-”表示反向，由于激励绕组跨两个齿，因此，激励绕组是每两齿反向依次，感应绕组则是逐齿反向绕制；通过这种方式，有效抑制了高次谐波以及由于高次谐波分量磁场引起的谐波电势，保证传感器的测量精度。

本实施例中，两个定子2的激励绕组4的初始绕线位置相差一个定子槽宽，其中，初始绕线位置是指绕组的线圈绕制于绕组齿时，第一个开始绕制的绕组齿即为初始绕线位置，通过种结构，能够有效保证正弦激励输入绕组和余弦激励输入绕组的输入激励信号保持准确的空间正交，即保持准确的空间相位相差90°。

本实施例中，所述每个定子齿的正弦感应输出绕组的匝数通过如下公式计算：

所述余弦感应输出绕组的匝数通过如下公式计算：

其中，L₀表示每个定子齿上最大绕组匝数；K表示定子齿序号，Z_r表示转子齿数，Z表示定子的绕组齿数；另外，需要说明的是：同一定子上的激励输入绕组匝数是相等而感应输出绕组的匝数是不相等的，通过上述计算公式，能够准确进行输出绕组的绕制，保证本发明的最终检测精度；以下一个具体实例对本发明的绕组绕向和匝数进行说明：

该实例中，定子的绕组齿为8个，转子齿为10个，即Z＝8，Z_r＝10，每个绕组齿的最大匝数为N，其输出绕组线圈绕向和匝数比值如表1所示：

齿序号	1	2	3	4	5	6	7	8
									正弦感应绕组匝数比	0	1	0	-1	0	1	0	-1
余弦感应绕组匝数比	1	0	-1	0	1	0	-1	0

表1

其中，匝数比是指实际的匝数与最大匝数的比值，如果假定顺时针绕向为正向，逆时针绕向则为反向，表1中以负号“-”表示反向，图2中以A和B区分两个定子输入信号，“+”表示绕组正向绕制，“-”表示反向绕制。

本实施例中，所述两个定子2之间和两个转子1之间均设置有隔磁环3，通过这种结构，能够避免两个定子之间的磁路干扰，确保最终检测结果的准确性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种无转子绕组的时栅角位移传感器，其特征在于：包括感应绕组、激励绕组、两个定子和两个转子，所述两个定子同轴并列设置，所述两个转子与两个定子一一对应且转子同轴设置定子内，转子和定子之间具有间隙；所述感应绕组和激励绕组均设置于定子，且每个定子均设置一感应绕组和一激励绕组；

其中两组激励输入信号相位差保持90°，且信号频率保持相同。

2.根据权利要求1所述无转子绕组的时栅角位移传感器，其特征在于：所述定子内侧壁设置有绕组齿，相邻绕组齿之间形成线槽，转子外侧壁设置有转子齿，相邻转子齿之间形成齿槽，所述定子的绕组齿和转子的齿槽的宽度相等，定子的线槽数目和转子的齿槽数目之比为4:4N+1，所述转子齿和齿槽的宽度相等。

3.根据权利要求2所述无转子绕组的时栅角位移传感器，其特征在于：两个定子的每个绕组齿的激励绕组的线圈匝数相等，且同一定子上的激励绕组线圈的隔齿反向串联。

4.根据权利要求2所述无转子绕组的时栅角位移传感器，其特征在于：两个定子的激励绕组的初始绕线位置相差一个定子齿槽宽度。

5.根据权利要求1所述无转子绕组的时栅角位移传感器，其特征在于：所述每个定子齿的正弦感应绕组的匝数通过如下公式计算：

$L_{SK}=L_{0}sin\[(k-1)\frac{2{\mathrm{\πz}}_r}{z}\];$

所述余弦感应绕组的匝数通过如下公式计算：

$L_{CK}=L_{0}cos\[(k-1)\frac{2{\mathrm{\πz}}_r}{z}\];$

其中，L₀表示每个定子齿上最大绕组匝数；K表示定子齿序号，Z_r表示转子齿数，Z表示定子的绕组齿数。

6.根据权利要求1所述无转子绕组的时栅位移传感器，其特征在于：所述两个定子之间和两个转子之间均设置有隔磁环。