CN108761357B - 磁通门传感器反馈线圈 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁通门传感器反馈线圈，包括反馈线圈骨架及其绕制在反馈线圈骨架上的线圈，所述反馈线圈骨架为带有内腔的球形中空骨架，在球形中空骨架外设有绕反馈线圈骨架外壁一周的线圈槽，所述线圈以不等匝的方式绕制在每个线圈槽中；所述线圈槽至少在反馈线圈骨架X轴方向上等间隔设置多个且线圈槽之间相互平行并关于X轴对称。本发明提供一种磁场均匀度高、均匀磁场范围大的磁通门传感器反馈线圈。

Description

磁通门传感器反馈线圈
技术领域
本发明涉及一种反馈线圈，尤其涉及一种磁通门传感器反馈线圈。
背景技术
磁通门是一种高精度的矢量磁场测量装置，对磁通门探头工作的反馈磁场有着很高的要求，为了达到较高的测量精度，探头需要工作在零磁环境中。而且磁通门传感器作为一种传统的弱磁场检测器件，一直有着其独特的优势而无法为其他磁场传感器所取代，近年来更是不断在新的领域发现其应用潜力，例如GPS定位、导弹惯性制导、卫星方位姿态控制、虚拟现实空间内的动作检测等。近年来，由于各种场的应用逐渐地扩展，对于器件的要求趋向于更精确，更可靠，更稳定。
由于磁通门传感器本身的缺陷，使得磁通门探头的精度较低，主要是系统的稳定性差，误差大。因此目前的磁通门探头要么没有反馈部分，要么在单个磁通门上进行反馈。这种方式存在的问题是作用在某个磁通门上的反馈线圈会对其它磁通门进行干扰。在实际实现过程中由于受不可避免的安装误差等影响，这些干扰磁场无法相互抵消，造成较大的系统误差，在运动情况下会转化为随机误差，难以消除。特别是在航空航天安装空间有限以及为提高微分的近似程度而需要磁通门之间基线(即磁通门中心点之间的距离)较小的情况下，此干扰磁场的影响尤为明显。
在地磁场环境下工作的高精度磁通门探头必须具有设计优秀的反馈线圈(也可称为补偿线圈)，使得磁通门工作在零磁场附近，减少温度灵敏度，增加动态范围，提高精度等。现阶段主要采用反馈线圈产生与环境磁场等大的磁场，以抵消探头周围环境磁场，从而产生近似零磁空间，给探头创造良好的工作环境。但现阶段大多数磁通门传感器所使用的反馈线圈技术，往往存在着磁场均匀度低，均匀磁场范围小的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在着磁场均匀度低、均匀磁场范围小的缺陷，提供一种磁场均匀度高、均匀磁场范围大的磁通门传感器反馈线圈。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种磁通门传感器反馈线圈，包括反馈线圈骨架及其绕制在反馈线圈骨架上的线圈，所述反馈线圈骨架为带有内腔的球形中空骨架，在球形中空骨架外设有绕反馈线圈骨架外壁一周的线圈槽，所述线圈以不等匝的方式绕制在每个线圈槽中；
所述线圈槽至少在反馈线圈骨架X轴方向上等间隔设置多个且线圈槽之间相互平行并关于X轴对称。
进一步地，所述的磁通门传感器反馈线圈中，优选所述线圈槽分别各自在反馈线圈骨架X轴方向上和Y轴方向上等间隔设置多个且每个方向上的线圈槽之间相互平行并关于X轴或Y轴对称。
进一步地，所述的磁通门传感器反馈线圈中，优选所述反馈线圈骨架设置两个，二者相互套装形成内骨架和外骨架，所述内骨架和外骨架的表面分别各自等间隔设有多个线圈槽，其中内骨架或外骨架中的一个同时在X轴方向上和Y轴方向上分别等间隔设置有相互平行并对称排列的线圈槽、另一个在Z轴方向上等间隔设置有相互平行并对称排列的多个线圈槽。
进一步地，所述的磁通门传感器反馈线圈中，优选所述内骨架与外骨架之间无间隙配合套装。
进一步地，所述的磁通门传感器反馈线圈中，优选所述反馈线圈骨架厚度为4-6mm，两个相邻所述线圈槽之间的间距为2-6mm；所述线圈槽横截面宽度为2-6mm。
进一步地，所述的磁通门传感器反馈线圈中，优选所述线圈槽深度满足：绕制线圈最外侧与线圈槽的槽口齐平或稍高于或稍低于槽口。
进一步地，所述的磁通门传感器反馈线圈中，优选所述反馈线圈由至少两个半球状壳体拼装组成。
进一步地，所述的磁通门传感器反馈线圈中，优选所述反馈线圈骨架至少在反馈线圈骨架对应X轴轴线或轴线附近位置开有对穿的探头容置孔。
进一步地，所述的磁通门传感器反馈线圈中，优选所述反馈线圈骨架对应X轴轴线或轴线附近的位置、Y轴轴线或轴线附近的位置分别开有对穿的探头容置孔。
进一步地，所述的磁通门传感器反馈线圈中，优选所述内骨架和外骨架对应X轴轴线或轴线附近的位置、Y轴轴线或轴线附近的位置、Z轴轴线或轴线附近的位置分别开有对穿的探头容置孔。
本发明通过采用等间隔不等匝数绕线的结构，使得均匀场范围大，与现有技术比较，均匀场面积为传统方案的150％～200％；均匀度高，中心部位磁场均匀度偏差可达小于千分之一级别；并且本发明结构可通过修改设计参数以满足不同的要求。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的单轴反馈线圈骨架结构示意图；
图2是本发明实施例的双轴反馈线圈骨架结构示意图；
图3是本发明实施例的双轴反馈线圈骨架正面结构示意图；
图4是本发明实施例的双轴反馈线圈骨架左面结构示意图；
图5是本发明实施例的双轴反馈线圈骨架俯视结构示意图；
图6是本发明实施例的三轴反馈线圈骨架正面爆炸图；
图7是本发明实施例的三轴反馈线圈骨架左面爆炸图；
图8是本发明实施例的三轴反馈线圈骨架俯视爆炸图；
图9是本发明实施例单轴反馈线圈骨架上的探头容置孔位置示意图；
图10是本发明实施例的基准匝数中心轴线磁场强度；
图11是本发明实施例的调整后中心轴线磁场强度；
图12是本发明实施例的最终均匀磁场范围。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-8所示，一种磁通门传感器反馈线圈，包括反馈线圈骨架500及其绕制在反馈线圈骨架500上的线圈(图中未示出)，所述反馈线圈骨架500为带有内腔的球形中空骨架，在球形中空骨架外设有绕反馈线圈骨架500外壁一周的线圈槽600，所述线圈以不等匝的方式绕制在每个线圈槽600中；所述线圈槽600至少在反馈线圈骨架500X轴方向上等间隔设置多个且线圈槽600之间相互平行并关于X轴对称。
本发明包括三种不同的实施方式：即单轴反馈线圈、双轴反馈线圈和三轴反馈线圈，具体为：单轴反馈线圈是只在X轴方向上等间隔设置多个线圈槽600并在线圈槽600中绕制线圈；双轴反馈线圈是在X轴方向和Y轴方向上都分别等间隔设置多个线圈槽600并在线圈槽600中绕制线圈；三轴反馈线圈是在X轴方向、Y轴方向、Z轴方向上都分别等间隔设置多个线圈槽600并在线圈槽600中绕制线圈。
在反馈线圈中，X轴、Y轴和Z轴的方向是任意确定的，即以反馈线圈骨架500中心为原点，分别向三个相互垂直的方向上形成X轴、Y轴和Z轴。线圈槽600的位置和方向根据设定好的X轴、Y轴和Z轴的方向进行排布。
如图1所示，单轴反馈线圈结构：包括球形反馈线圈骨架500及其绕制在反馈线圈骨架500上的线圈，在球形中空骨架外设有绕反馈线圈骨架500外壁一周的线圈槽600，所述线圈绕制在每个线圈槽600中；所述线圈槽600在反馈线圈骨架500在X轴方向上等间隔设置多个且线圈槽600之间相互平行并关于X轴对称，线圈分别在各自线圈槽600中以不等匝的方式绕制。
如图2-5所示，双轴反馈线圈结构：包括球形反馈线圈骨架500及其绕制在反馈线圈骨架500上的线圈，在球形中空骨架外设有绕反馈线圈骨架500外壁一周的线圈槽600，所述线圈绕制在每个线圈槽600中；所述线圈槽600在反馈线圈骨架500的X轴方向上和Y轴方向上都分别等间隔设置多个，X轴方向上的线圈槽600之间相互平行并关于X轴对称，Y轴方向上的线圈槽600之间相互平行并关于Y轴对称，线圈分别在各自线圈槽600中以不等匝的方式绕制。X轴方向上的线圈槽600与Y轴方向上的线圈槽600相互垂直形成网状结构。
如图6-8所示，三轴反馈线圈结构：该结构是一种较为特殊的结构。即所述反馈线圈骨架500设置两个，二者相互套装形成内骨架520和外骨架510，所述内骨架520和外骨架510的表面分别各自等间隔设有多个线圈槽600，其中内骨架520或外骨架510中的一个同时在X轴方向上和Y轴方向上等间隔设置有相互平行并对称排列的线圈槽600、另一个在Z轴方向上等间隔设置有相互平行并对称排列的多个线圈槽600。例如：内骨架520同时在X轴方向上和Y轴方向上各自等间隔设置有相互平行并对称排列的线圈槽600，外骨架510在Z轴方向上等间隔设置有相互平行并对称排列的多个线圈槽600。线圈分别在各自线圈槽600中以不等匝的方式绕制。所述内骨架520与外骨架510之间无间隙配合。
如图1-8所示，反馈线圈骨架500是反馈线圈的主要支撑结构，是球形中空结构，中空结构的内腔用于容置探头磁芯及激励与感应线圈绕组。对于探头磁芯及激励与感应线圈绕组的安装，反馈线圈骨架500的结构有两种情况，一种是反馈线圈骨架500是分体组装结构，另一种反馈线圈骨架500是一体成型的球形结构。
反馈线圈骨架500是分体组装结构时，为了安装探头磁芯及激励与感应线圈绕组方便，所述反馈线圈由至少两个半球状壳体拼装组成。单轴和双轴的反馈线圈骨架500由两个半球状壳体拼装组成。三轴的反馈线圈骨架500由四个半球状壳体拼装组成。先将探头磁芯及激励与感应线圈绕组放置在一个半球状壳体的内腔中，并通过热熔胶粘接固定，然后将两半球状壳体扣合粘接，形成球形反馈线圈骨架500。在小型磁通门中球形反馈线圈骨架500半径一般在4cm左右或更小，并且为了给内部磁芯安装提供足够大的空间采用空心球结构，壁面较薄，所述反馈线圈骨架500厚度为4-6mm。优选为5mm。反馈线圈骨架500采用无磁高分子材料制成，可以通过注塑、3D打印等方法制造。本实施例采用3D打印的方法制造。
如图1-8所示，所述反馈线圈骨架500上设有线圈槽600，具体是在反馈线圈骨架500外壁设有多圈向内凹的线圈槽600，在一个方向上，例如在X轴方向上，每圈线圈槽600都与X轴垂直，同样，在Y轴方向上，每圈线圈槽600都与Y轴垂直，在Z轴方向上，每圈线圈槽600都与Z轴垂直。如果为双轴反馈线圈，则X轴方向上和Y轴方向上的线圈槽600相互垂直交叉。
线圈槽600的数量根据所需均匀磁场范围大小和均匀度大小进行调整，若需要较高均匀度较大范围的磁场，则减小线圈槽600之间的间距，反之则增大间距，所述线圈槽600间距为2-6mm。一般情况下线圈槽600之间的间距优选在4mm即可满足磁通门工作要求。
所述线圈槽600深度满足：绕制线圈最外侧与线圈槽600的槽口齐平或稍高于或稍低于槽口。开槽深度主要由绕线匝数决定，而绕线匝数决定于所需中心磁场最大值。所述线圈槽600横截面宽度为2-6mm。
线圈以不等匝的方式绕制是指：以反馈线圈骨架的球心处叠加磁场数量较多、两侧较少为依据，根据匝数与该线圈半径三次方成反比、与中心距离成正比的原则进行各个线圈绕制。
具体为：根据设计需要，由所提供电流与需求中心磁场强度，计算出线圈匝数基准，并根据轴线上磁场强度曲线，以线圈匝数基准为中心调整各线圈槽内的线圈匝数，以获得曲线中心处无明显突起、形成平台的磁场强度曲线。
在反馈线圈骨架500为一体成型的整体结构时，为了安装探头磁芯及激励与感应线圈绕组，优选所述反馈线圈骨架500上开有探头容置孔700，即所述反馈线圈骨架500至少在反馈线圈骨架500对应X轴轴线或轴线附近的位置开有对穿的探头容置孔700，从探头容置孔700中将探头磁芯及激励与感应线圈绕组放置到反馈线圈骨架500的中空内腔中。
对应不同的反馈线圈，探头容置孔700的设置不同。单轴反馈线圈中，在反馈线圈骨架500对应X轴轴线或轴线附近的位置开有对穿的探头容置孔700。
双轴反馈线圈中，所述反馈线圈骨架对应X轴轴线或轴线附近的位置、Y轴轴线或轴线附近的位置分别开有对穿的探头容置孔。
三轴反馈线圈中，所述内骨架和外骨架对应X轴轴线或轴线附近的位置、Y轴轴线或轴线附近的位置、Z轴轴线或轴线附近的位置分别开有对穿的探头容置孔。
探头容置孔700的直径稍大于磁通门探头直径，用于穿装放置探头磁芯及激励与感应线圈绕组。
以下以反馈线圈骨架500的球形半径40mm，在X轴方向上开9条线圈槽600的单轴反馈线圈为例进行具体说明：
首先，根据设计需要，由所提供电流与需求中心磁场强度。使用数值计算软件配合适当的程序，以毕奥萨伐定律为基础计算出线圈匝数基准，并将X轴线上磁场强度大小绘制成图以便后续使用。由计算得匝数基准为16，中心轴线上磁场强度如附图10所示。
其次，根据附图10中所示曲线，以16匝为中心调整各线圈槽600内的线圈匝数。调整中以球心处叠加磁场数量较多，两侧较少，为依据，根据匝数与该线圈半径三次方成反比、与中心距离成正比的原则。减少中心匝数，适当增加两侧匝数，采用穷举法进行尝试。目标为曲线中心处无明显突起，形成平台，如附图11所示。
最终，计算磁场均匀范围，因线圈生成磁场以各线圈圆心连线为轴中心对称，仅需计算任一过圆心连线平面上磁场即可。将计算结果与实际需求比对，如不符合设计要求重复上一步直至符合。计算结果如附图12所示。

Claims (10)

1.一种磁通门传感器反馈线圈，包括反馈线圈骨架及其绕制在反馈线圈骨架上的线圈，其特征在于，所述反馈线圈骨架为带有内腔的球形中空骨架，在球形中空骨架外设有绕反馈线圈骨架外壁一周的线圈槽，所述线圈以不等匝的方式绕制在每个线圈槽中；
所述线圈槽至少在反馈线圈骨架X轴方向上等间隔设置多个且线圈槽之间相互平行并关于X轴对称；
各个线圈的匝数以匝数基准为中心，根据匝数与该线圈半径三次方成反比、与中心距离成正比的原则进行调整，匝数基准采用数值计算软件配合适当的程序，并以毕奥萨伐定律为基础计算得出。
2.根据权利要求1所述的磁通门传感器反馈线圈，其特征在于，所述线圈槽分别各自在反馈线圈骨架X轴方向上和Y轴方向上等间隔设置多个且每个方向上的线圈槽之间相互平行并关于X轴或Y轴对称。
3.根据权利要求1所述的磁通门传感器反馈线圈，其特征在于，所述反馈线圈骨架设置两个，二者相互套装形成内骨架和外骨架，所述内骨架和外骨架的表面分别各自等间隔设有多个线圈槽，其中内骨架或外骨架中的一个同时在X轴方向上和Y轴方向上分别等间隔设置有相互平行并对称排列的线圈槽、另一个在Z轴方向上等间隔设置有相互平行并对称排列的多个线圈槽。
4.根据权利要求3所述的磁通门传感器反馈线圈，其特征在于，所述内骨架与外骨架之间无间隙配合套装。
5.根据权利要求1所述的磁通门传感器反馈线圈，其特征在于，所述反馈线圈骨架厚度为4-6mm，两个相邻所述线圈槽之间的间距为2-6mm，所述线圈槽横截面宽度为2-6mm。
6.根据权利要求1所述的磁通门传感器反馈线圈，其特征在于，所述线圈槽深度满足：绕制线圈最外侧与线圈槽的槽口齐平或稍高于或稍低于槽口。
7.根据权利要求1所述的磁通门传感器反馈线圈，其特征在于，所述反馈线圈由至少两个半球状壳体拼装组成。
8.根据权利要求1所述的磁通门传感器反馈线圈，其特征在于，所述反馈线圈骨架至少在反馈线圈骨架对应X轴轴线或轴线附近位置开有对穿的探头容置孔。
9.根据权利要求2所述的磁通门传感器反馈线圈，其特征在于，所述反馈线圈骨架对应X轴轴线或轴线附近的位置、Y轴轴线或轴线附近的位置分别开有对穿的探头容置孔。
10.根据权利要求3所述的磁通门传感器反馈线圈，其特征在于，所述内骨架和外骨架对应X轴轴线或轴线附近的位置、Y轴轴线或轴线附近的位置、Z轴轴线或轴线附近的位置分别开有对穿的探头容置孔。
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