CN110030916A - 一种初级永磁式直线位置传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种初级永磁式直线位置传感器，定子轨道朝向动子铁芯的一侧为波浪形曲面，动子铁芯上安装有多个永磁体。本发明提出的一种初级永磁式直线位置传感器，动子铁芯上永磁体的设置和定子轨道上波浪线曲面的设置，使得动子铁芯与沿着定子轨道相对位移时，低速下，在激励线圈中注入高频电压信号，则正余弦电路上感应出受到气隙磁阻调制的高频反馈信号；高速下，关闭注入信号，由动子永磁体在正余弦绕组感应出交变的反电势。如此，当动子铁芯相对于定子轨道位移，可通过正弦反馈电路与余弦反馈电路中获得的感应电信号测量动子位置。由于高速下无需注入高频信号，有利于降低功耗。

Description

一种初级永磁式直线位置传感器

技术领域

本发明涉及永磁电机与位置传感器技术领域，尤其涉及一种初级永磁式直线位置传感器。

背景技术

直线电机由相互平行设置且中间设有气隙的动子和定子组成，动子的动子齿上绕设有绕组线圈,绕组线圈由激励电路、余弦反馈电路和正弦反馈电路组成，具体如图3所示。

目前常规直线电机驱动的位置反馈信号常采用光栅尺或直线磁感应式位置传感器进行采集和计算。光栅尺成本高、老化快、易损，不适合工作环境恶劣的应用场合。

现有技术中，已有国外学者提出直线磁感应式位置传感器，通过在绕组中注入高频电压信号，以气隙磁阻调制而获得含有位置信息的反馈电信号，从而测量动子位置。然而这种方案在高速情况下需要极高频率的信号注入，并且需要高性能的信号解码处理器，成本过高，不适合工程应用。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种初级永磁式直线位置传感器。

本发明提出的一种初级永磁式直线位置传感器，定子轨道朝向动子铁芯的一侧为波浪形曲面，且波浪形曲面在垂直面上的投影曲线为正弦曲线；定子轨道的长度大于动子铁芯的长度；

动子铁芯上安装有多个永磁体，多个永磁体沿动子齿排列方向直线并均匀分布，且相邻的永磁体同极相向设置。

优选的，相邻的永磁体之间的距离等于所述投影曲线的一个波长长度。

优选的，相邻的永磁体之间间隔M个动子齿，位于动子铁芯两端的永磁体与最近的动子铁芯端部之间间隔N个动子齿，M＝2×N，N≧1。

优选的，M＝4。

优选的，每一个永磁体均安装在两个相邻的动子齿之间。

优选的，动子铁芯背离动子齿的一侧设有多个贯穿动子铁芯的凹槽，永磁体与凹槽一一对应并安装在对应的凹槽内。

优选的，每一个动子齿上均套设有一个环形的绕组电路板，绕组电路板由多个单层电路板叠加形成；

每一个绕组电路板上均设有激励电路，每一个绕组电路板上还设有余弦反馈电路或者正弦反馈电路，设有余弦反馈电路的绕组电路板作为第一电路板，设有正弦反馈电路的绕组电路板作为第二电路板，第一电路板和第二电路板数量相等；

各绕组电路板上的励磁电路串联连接并用于接入励磁电信号；各第一电路板上的余弦反馈电路串联连接，并用于输出余弦信号；各第二电路板上的正弦反馈电路串联连接，并用于输出与上述余弦信号具有预设相位差的正弦信号。

优选的，第一电路板和第二电路板间隔设置。

优选的，绕组电路板与动子铁芯螺钉连接。

优选的，每一个动子齿上均安装有动子极靴，且动子极靴与动子齿之间键槽连接。

本发明提出的一种初级永磁式直线位置传感器，动子铁芯上永磁体的设置和定子轨道上波浪线曲面的设置。动子铁芯与沿着定子轨道相对位移时，低速下，在激励线圈中注入高频电压信号，则正余弦电路上感应出受到气隙磁阻调制的高频反馈信号；高速下，关闭注入信号，由动子永磁体在正余弦绕组感应出交变的反电势。如此，当动子铁芯相对于定子轨道位移，可通过正弦反馈电路与余弦反馈电路中获得的感应电信号(低速下的高频反馈信号，或者高速下的交变反电势)的测量动子位置。由于高速下无需注入高频信号，有利于降低功耗。

附图说明

图1为本发明提出的提出的一种初级永磁式直线位置传感器结构图；

图2为图1中单个动子齿结构图；

图3为图1中绕组电路板原理图；

图4为图1中单个绕组电路板示意图；

图5为本发明优选实施例中的绕组电路板在低速下的输出信号；

图6为本发明优选实施例中的绕组电路板在高速下的输出信号。

动子铁芯11、动子极靴12、永磁体13、绕组电路板14、螺钉15、连接筋16、单层电路板141、激励电路142、正弦反馈电路143与余弦反馈电路144、焊盘145、固定孔146、定子轨道2、气隙3。

具体实施方式

参照图1，本发明提出的一种初级永磁式直线位置传感器，包括：动子铁芯11和定子轨道2，动子铁芯11和定子轨道2平行布置，两者之间设有气隙3。

定子轨道2朝向动子铁芯11的一侧为波浪形曲面，且波浪形曲面在垂直面上的投影曲线为正弦曲线。定子轨道2的长度大于动子铁芯11的长度。

动子铁芯11上安装有多个永磁体13，多个永磁体13沿动子齿排列方向直线并均匀分布，且相邻的永磁体13同极相向设置。

如此，本实施方式中，在动子铁芯11相对于定子轨道2运动时，由于永磁体13产生磁场，动子铁芯11与沿着定子轨道2上的波浪线曲面运动，从而使得动子齿上的绕组线圈产生的电势发生变化，以便根据动子齿上绕组线圈输出的正弦信号和余弦信号计算动子铁芯11的运动距离。

具体的，本实施方式中，相邻的永磁体13之间的距离等于所述投影曲线的一个波长长度，以保证绕组线圈随着波浪线曲面的相对位移产生周期性的感应电势。具体的，本实施方式中，相邻的永磁体13之间间隔M个动子齿，位于动子铁芯11两端的永磁体13与最近的动子铁芯11端部之间间隔N个动子齿，M＝2×N，N≧1。图1所示实施例中，M＝4，N＝2。

本实施方式中，动子铁芯11背离动子齿的一侧设有多个贯穿动子铁芯11的凹槽，永磁体13与凹槽一一对应并安装在对应的凹槽内。如此，通过凹槽的设置，使得永磁体13以嵌入的方式安装在动子铁芯11上，保证了磁场对动子齿的覆盖，同时也保证了动子铁芯11与永磁体13之间的结构稳定。具体的，本实施方式中，永磁体13深嵌入动子铁芯11。为保持动子铁芯11为一体式结构，永磁体13的凹槽底部保留连接筋16，从而简化了动子铁芯11的加工。

具体的，本实施方式中，每一个动子齿上均安装有动子极靴12，且动子极靴12与动子齿之间键槽连接。如此，动子极靴12与动子齿相对独立设置，方便了动子极靴12的拆装。具体的，本实施方式中，动子铁芯11和动子极靴12均由多层硅钢片叠压而成。定子轨道2由导磁材料例如普通碳钢等制成。

本实施方式中，每一个动子齿上均套设有一个环形的绕组电路板14，绕组电路板14由多层单层电路板叠加形成。

每一个绕组电路板14上均设有激励电路，每一个绕组电路板14上还设有余弦反馈电路144或者正弦反馈电路。具体的，同一个绕组电路板14上的激励电路、余弦反馈电路和正弦反馈电路均为由各单层电路板上的开环电路串联连接形成的围绕在对应的动子齿上的螺旋线圈，即同一个绕组电路板14上的激励电路和对应的余弦反馈电路144或者正弦反馈电路配合形成对应的动子齿上的绕组电路。

具体的，本实施方式中，同一绕组电路板14中，各单层电路板的正反两面的相同位置处均设有焊盘或者焊点，以便相邻单层电路板之间实现电路串联。具体的，本实施方式中，绕组电路板14实际为双层或者多层印刷电路板，具体如图4所示。

本实施方式中，设有余弦反馈电路144的绕组电路板14作为第一电路板，设有正弦反馈电路143的绕组电路板14作为第二电路板，第一电路板和第二电路板数量相等。各绕组电路板14上的励磁电路串联连接并用于接入励磁电信号。各第一电路板上的余弦反馈电路144串联连接，并用于输出余弦信号。各第二电路板上的正弦反馈电路143串联连接，并用于输出与上述余弦信号具有预设相位差的正弦信号。具体的，本实施方式中，通过将第一电路板和第二电路板设置在不同的动子齿上以保证正弦反馈电路143和余弦反馈电路输出的正弦信号和余弦信号之间的相位差。例如，本实施方式中，第一电路板和第二电路板间隔设置。上述余弦信号和上述正弦信号之间的预设相位差，便于保证亮相信号之间的正交或者准正交，从而方便计算。

本实施方式中，绕组电路板14与动子铁芯11螺钉15连接，以保证绕组电路板14的安装稳定。具体的，绕组电路板14上设有固定孔146，动子铁芯11上设有与各绕组电路板14上固定孔146一一对应的安装孔，各绕组电路板14通过穿过固定孔146与安装孔的螺钉15与动子铁芯11连接。如此，螺钉15连接还可进一步保证同一绕组电路板中各单层电路板的堆叠可靠性。

本实施方式中，动子极靴与动子齿之间的键槽连接，同时还方便了绕组电路板14的拆装。本实施方式中，通过绕组电路板14代替了传统电磁传感器的绕组结构，不需要绕线、嵌线的工序工艺及相关工具设备，降低了制造成本。

具体的，本实施方式中，当动子铁芯11相对于定子轨道2低速位移时，向激励电路142中注入高频电压信号，进而从正弦反馈电路143与余弦反馈电路144中获得高频反馈信号如图5所示；当动子铁芯11相对于定子轨道2高速位移时，截止激磁电路142中高频电压信号的输入，通过永磁体13在正弦反馈电路143与余弦反馈电路144中感应出的空载反电势如图6所示。

如此，当动子铁芯11相对于定子轨道2低速位移，可通过正弦反馈电路143与余弦反馈电路144中获得的高频反馈信号的包络线测量动子位置；当动子铁芯11相对于定子轨道2高速位移，可通过正弦反馈电路143与余弦反馈电路144中获得的感应空载反电势信号的测量动子位置。

本实施方式中，每一个永磁体13均安装在两个相邻的动子齿之间，以保证动子齿上的绕组线圈在磁场中的位置。具体实施时，永磁体13还可布置在动子齿上，例如动子齿的中间或者动子齿的齿顶部等位置，只要保证能够在绕组线圈内产生正交或准正交的两相反电势即可达成位置测量的目的。

以上所述，仅为本发明涉及的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种初级永磁式直线位置传感器，其特征在于，定子轨道(2)朝向动子铁芯(11)的一侧为波浪形曲面，且波浪形曲面在垂直面上的投影曲线为正弦曲线；定子轨道(2)的长度大于动子铁芯(11)的长度；

动子铁芯(11)上安装有多个永磁体(13)，多个永磁体(13)沿动子齿排列方向直线并均匀分布，且相邻的永磁体(13)同极相向设置。

2.如权利要求1所述的初级永磁式直线位置传感器，其特征在于，相邻的永磁体(13)之间的距离等于所述投影曲线的一个波长长度。

3.如权利要求2所述的初级永磁式直线位置传感器，其特征在于，相邻的永磁体(13)之间间隔M个动子齿，位于动子铁芯(11)两端的永磁体(13)与最近的动子铁芯(11)端部之间间隔N个动子齿，M＝2×N，N≧1。

4.如权利要求3所述的初级永磁式直线位置传感器，其特征在于，M＝4。

5.如权利要求1所述的初级永磁式直线位置传感器，其特征在于，每一个永磁体(13)均安装在两个相邻的动子齿之间。

6.如权利要求1或5所述的初级永磁式直线位置传感器，其特征在于，动子铁芯(11)背离动子齿的一侧设有多个贯穿动子铁芯(11)的凹槽，永磁体(13)与凹槽一一对应并安装在对应的凹槽内。

7.如权利要求1所述的初级永磁式直线位置传感器，其特征在于，每一个动子齿上均套设有一个环形的绕组电路板(14)，绕组电路板(14)由多层单层电路板叠加形成；

每一个绕组电路板(14)上均设有激励电路，每一个绕组电路板(14)上还设有余弦反馈电路(144)或者正弦反馈电路(145)，余弦反馈电路(144)和正弦反馈电路(145)布置在不同的动子齿上，设有余弦反馈电路(144)的绕组电路板(14)作为第一电路板，设有正弦反馈电路(143)的绕组电路板(14)作为第二电路板，第一电路板和第二电路板数量相等；

各绕组电路板(14)上的励磁电路串联连接并用于接入励磁电信号；各第一电路板上的余弦反馈电路(144)串联连接，并用于输出余弦信号；各第二电路板上的正弦反馈电路(143)串联连接，并用于输出与上述余弦信号具有预设相位差的正弦信号。

8.如权利要求7所述的初级永磁式直线位置传感器，其特征在于，第一电路板和第二电路板间隔设置。

9.如权利要求7所述的初级永磁式直线位置传感器，其特征在于，绕组电路板(14)与动子铁芯(11)螺钉(15)连接。

10.如权利要求1或7所述的初级永磁式直线位置传感器，其特征在于，每一个动子齿上均安装有动子极靴(12)，且动子极靴(12)与动子齿之间键槽连接。