CN113272628B - 用于感应式角位移传感器的转子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于感应式角位移传感器的未卷绕转子(1),该转子可绕第一轴线(X1)旋转移动并关于第一轴线(X1)对称,转子(1)具有:‑中心部分(10),‑在中心部分(10)相对于第一轴线(X1)的两侧上的两个活动部分(20),每个活动部分(20)包括外表面(21)和用于将外表面(21)连接到中心部分(10)的两个连接壁(221,222),转子(1)的特征在于,在垂直于第一轴线(X1)的平面(P)中,每个连接壁(221,222)与第二轴线(X2)形成大于45°的角度(a)。本发明还描述了一种包括这种转子的感应式角位移传感器。

Description

用于感应式角位移传感器的转子
技术领域
本发明涉及感应式角位移传感器的领域。
背景技术
感应式角位移传感器(旋转可变差动变压器,RVDT)通常用于测量一个部件相对于另一个部件的角位移。
按照已知方式,感应式角位移传感器包括转子和定子。由铁磁材料制成的定子包括一个初级绕组和两个次级绕组,并界定一个空腔,转子放置在该空腔内。由铁磁材料制成的转子未卷绕(即没有绕组),并可在定子内旋转移动。转子与待测量其角位移的部件为一体。
如图1示意性所示,感应式角位移传感器根据变压器的原理工作。定子3的初级绕组31经受通过电磁耦合铁磁性转子100的磁场而感应出的电流。反过来,该磁场在定子3的两个次级绕组32中感应出电压。
定子的两个次级绕组的位置使得它们的输出电压与转子和定子之间形成的角度通过关系式θ=θ0*(U1-U2)/(U1+U2)相关联,其中θ表示由感应式角位移传感器测量的角度,θ0表示传感器的灵敏度,U1表示第一次级绕组的输出电压,U2表示第二次级绕组的输出电压。
图2的曲线图示出了定子的次级绕组的输出电压U1、U2与转子的角位移之间的关系。有用角度范围对应于范围[-θmax;+θmax],即能够以可接受的精度测量转子的角位移的角度范围。
感应式角位移传感器根据电压比确定转子的角位移,从而消除电子设备的故障。因此,感应式角位移传感器除了成本低之外,还是一种坚固的设备,可以在恶劣环境(极端温度和压力、湿度、存在异物……)中可靠地运行。然而,感应式角位移传感器的有用角度范围是有限的,传感器的精度尤其受到转子的漏磁通(leakage flux)的限制。对于未包含在该有用角度范围内的角位移,传感器的测量精度显著且迅速地下降,例如呈指数形式下降。
如图3中以示例的方式所示,按照已知的方式,感应式角位移传感器的转子100具有中心部分110和两个活动部分120,两个活动部分120位于关于第一轴线X1对称的转子的中心部分110的两侧,转子100可绕轴线X1旋转移动。转子100还关于第二轴线X2对称,第二轴线X2包含在垂直于第一轴线X1并穿过两个活动部分120的平面中。活动部分120通过连接壁130连接到中心部分110,连接壁130在垂直于第一轴线X1的平面中与第二轴线X2形成45°的角度α'。这种类型的转子允许获得有用角度范围(在该有用角度范围内,测量精度是可接受的),通常在+/-36°的量级。
在某些情况下,需要在更大的角度范围内测量角位移,同时保持可接受的甚至改进的测量精度。
一种已知具有高精度的、用于测量转子在整个旋转过程中的角位移的装置是绕线转子解算器(wound rotor resolver)。该解算器的转子呈螺旋状堆叠,其发电机与转子不同轴。转子也是卷绕的并包括初级绕组,两个次级绕组位于定子上。然后必须给转子供电,转子的绕组需要安装集电器或旋转变压器。
与感应式角位移传感器相比,该解算器是更昂贵且更不坚固的设备。因此,绕线转子解算器不适用于一定要在恶劣环境中测量角位移的情况,例如在航空、航天或军事领域不适用,或者在成本有限的情况下不适用。
发明内容
本发明的一个目标是提出一种具有增加的有用角度范围的感应式角位移传感器。
本发明的另一个目标是提出一种具有更高测量精度的感应式角位移传感器。
本发明的另一个目标是保持感应式角位移传感器的耐用性、低成本和易于制造的特性。
为此,根据本发明的第一方面,提出一种用于感应式角位移传感器的未卷绕转子,该转子能够绕第一轴线旋转移动并关于该第一轴线对称,该转子具有:
-中心部分,
-在中心部分相对于第一轴线的两侧上的两个活动部分,每个活动部分包括:
-外表面,被配置成面向感应式角位移传感器的定子的内表面;
-两个连接壁,用于将外表面连接到中心部分,
转子还具有关于第二轴线的轴对称性,第二轴线包含在垂直于第一轴线并穿过两个活动部分的平面中,转子的特征在于,在法平面中,每个连接壁与第二轴线形成大于45°的角度。
上述转子的某些优选的但不是限制性的特征单独地或组合地示出如下:
-每个连接壁与第二轴线形成介于45°至120°之间的角度,
-每个活动部分的外表面是环形扇区并在90°的角扇区上延伸,
-外表面和每个连接壁之间的接合部形成斜面端部,
-转子还包括在中心部分的两侧上、在与连接壁的每个接合部处延伸的两个凹部,
-在法平面中,中心部分的任意一点与第二轴线之间的距离小于外表面和连接壁之间的每个交点与第二轴线之间的距离,
-在中心部分中形成通路,通路插入所述中心部分的每个面中,
-通路以第一轴线为中心,并具有截断的回转圆柱体形横截面,该截断的回转圆柱体形横截面包括面向第二轴线的两个平面,
-通路以第一轴线为中心并具有回转圆柱体形横截面。
根据第二方面,提出一种感应式角位移传感器,感应式角位移传感器包括根据第一方面的转子和定子,定子包括内表面,转子被配置成面向内表面来放置。
附图说明
本发明的其他特征、目标和优点将通过以下描述来呈现,以下描述仅仅是说明性的而不是限制性的,且必须参考附图来阅读,其中:
[图1]已经评论的图1示意性地示出了根据现有技术的感应式角位移传感器。
[图2]已经评论的图2是示出根据现有技术的感应式角位移传感器的次级绕组的输出电压作为角位移的函数的曲线图。
[图3]已经评论的图3示意性地示出了根据现有技术的用于感应式角位置传感器的转子的横截面。
[图4]图4示意性地示出了根据本发明的一个实施例的感应式角位移传感器的横截面。
[图5]图5示意性地示出了根据本发明的一个实施例的用于感应式角位移传感器的转子的横截面。
[图6]图6是示出根据现有技术和根据本发明的两个实施例的、用于不同感应式角位移传感器的、角位移测量精度作为角位移的函数的曲线图。
[图7]图7示意性地示出了根据现有技术的感应式角位移传感器的一部分的横截面。
[图8]图8示意性地示出了根据本发明的一个实施例的感应式角位移传感器的一部分的横截面。
[图9]图9示意性地示出了根据本发明的一个实施例的感应式角位移传感器的一部分的横截面。
在所有的附图中,相似的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
在图4和图5中以非限制性示例的方式示出的、用于感应式角位移传感器的转子1是未卷绕的,其可绕第一轴线X1旋转移动并关于该第一轴线X1对称。转子1具有:
-中心部分10,
-在中心部分10相对于第一轴线X1的两侧上的两个活动部分20,每个活动部分包括:
-外表面21,被配置成面向感应式角位移传感器的定子3的内表面33,
-两个连接壁221、222,用于将外表面21连接到中心部分10。
转子1还具有关于第二轴线X2的轴对称性,第二轴线X2包含在垂直于第一轴线X1并穿过两个活动部分20的平面P中。在法平面P中,每个连接壁221、222与第二轴线X2形成大于45°的角度α。换句话说,每个连接壁221、222与包括第一轴线X1和第二轴线X2的平面形成大于45°的角度α。
此后,在本申请中,术语“内部”和“外部”将参考第一轴线X1使用,使得元件的内部部分相比相同元件的外部部分更靠近第一轴线X1。此外,第三轴线X3被定义为垂直于第一轴线X1和第二轴线X2,使得轴线X1、X2和X3一起定义正交参考系。
例如,转子1可以通过组装金属板冲压件来制造,或者是块状的并从块体上切割下来。现有的转子1可以通过例如电火花加工来重新加工,以获得在连接壁221、222和第二轴线X2之间具有大于45°的角度α的转子1轮廓。转子1可以由例如NiFe80的铁磁性材料制成。转子1保持其生产的简单性且其制造成本没有显著增加。
如图4中以示例的方式所示,根据第一实施例,转子1的每个活动部分20具有外表面21和两个连接壁221、222。特别地,每个外表面21可以具有第一端211和相对于第二轴线X2与第一端211相对的第二端212。转子1的直径D对应于外表面21的相对端211、212之间的距离。转子1的半径R对应于转子1的直径D的一半。
在活动部分20内,第一连接壁221将外表面21的第一端211连接到中心部分10,第二连接壁222将外表面21的第二端212连接到中心部分10。
每个连接壁221、222可以包括平坦的主要部分,因此在法平面P中包括基本上呈直线形的主要部分。然后,每个连接壁221、222与第二轴线X2之间的角度α对应于连接壁221、222的每个基本上呈直线形的主要部分与第二轴线X2之间的角度。
连接壁221、222与第二轴线X2之间的这种大于45°的角度α允许减小外表面21与连接壁221、222之间的接合部处的漏磁通。因此,这种转子1轮廓允许增加传感器的有用角度范围,即能够以可接受的精度测量转子1的运动的角度范围。除了修改转子1之外不需要对传感器进行任何其他修改,就实现了感应式角位移传感器的性能改进。
更具体地,连接壁221、222和第二轴线X2之间的角度α可以具有介于45°至120°之间的值,优选地等于90°。对于等于90°的角度α,连接壁221、222垂直于第二轴线X2。因此,与具有不同于90°的角度α的转子相比,转子1的制造变得容易。
特别地,活动部分20的外表面21可以是在基本上等于90°的角扇区S上延伸的环形扇区。转子1关于轴线X2对称,外表面21在第二轴线X2的两侧的45°角扇区S/2上延伸。然后在法平面P中,外表面21的第一端211的切线T与第二轴线X2形成45°的角度,切线T与第一连接壁221之间的角度小于90°。然后在每个连接壁221、222与第二轴线X2形成90°的角度α的情况下,每个连接壁221、222与切线T形成45°的角度。
根据变型实施例,外表面21和每个连接壁221、222之间的接合部可形成斜面端部。然后转子1可以具有两个附加壁231、232。第一附加壁231提供外表面21的第一端211和第一连接壁221之间的接合部。第二附加壁232提供外表面21的第二端212和第二连接壁222之间的接合部。这些附加壁231、232允许方便转子的加工,而不会实质上降低有用角度范围。
优选地,每个附加壁231、232基本上是平坦的且在法平面P中形成,与第二轴线X2形成45°的角度。优选地,附加壁231、232的尺寸相对于转子1的外表面21、连接壁221和222和中心部分10的尺寸减小。作为变型,附加壁231、232可以是弯曲的,或者当外表面21以锐角直接连接到连接壁221、222时,附加壁231、232可以不存在。
优选地,当外表面21和每个连接壁221、222之间的接合部形成斜面端部时,每个连接壁221、222的外端部与第一轴线X1之间的距离介于转子1半径R的90%至100%之间。
根据变型实施例,在法平面P中,中心部分10的任意一点与第二轴线X2之间的距离小于外表面21和连接壁221、222之间的每个交点与第二轴线X2之间的距离。特别地,中心部分10的任意一点与第二轴线X2之间的距离优选地小于外表面21的每个端部211、212与第二轴线X2之间的距离。这种类型的配置具有在转子1的中心部分10处限制转子1到定子3的漏磁通的效果。
图5示出了转子1的外表面21除了关于第二轴线X2对称之外还关于第三轴线X3对称的示例。那么连接每个外表面21的第一端211的直线d平行于第二轴线X2。中心部分10的任意一点(包括中心部分10的最远外点)与第二轴线X2的距离小于连接每个外表面21的第一端211的直线d与第二轴线X2之间的距离。
根据变型实施例,例如用于根据图3中所示的现有技术的转子的通路11可以形成在中心部分10中并插入所述中心部分10的每个面中。特别地,中心部分10可以包括位于穿过转子1的任何法平面P的两侧上的两个面。优选地,与转子1成整体且待测量其角位移的轴放置在通路11的内部。
通路11可以以第一轴线X1为中心,并具有截断的回转圆柱体形横截面,该截断的回转圆柱体形横截面包括面向第二轴线X2的两个平面。特别地,这两个平面可以关于第二轴线X2对称并平行于第二轴线X2。圆柱形部分可以位于平面和第三轴线X3的两侧,并关于第三轴线X3对称地放置。在图3中以示例的方式示出的通路11的这种形状允许保持由感应式传感器执行对角位移的测量,即使在转子1与轴分离的情况下也是如此。
作为变型,通路11可以以第一轴线X1为中心并具有回转圆柱体形横截面。然后,在转子1与轴分离的情况下,需要增加销(Pin)来保持由感应式传感器执行对角位移的测量。
作为变型,通路11可以具有能够以安全方式将转子1保持在待测量其角位移的部件上的任何其他形状。
如图5中以示例的方式所示,根据第二实施例,根据第一实施例的转子1还具有两个凹部241、242。凹部241、242在中心部分10的两侧上、在与连接壁221、222的每一个接合部处延伸。换句话说,第一连接壁221通过第一凹部241连接到中心部分10,第二连接壁222通过第二凹部242连接到中心部分10。
在法平面P中,每个凹部241、242可以包括其形状基本上呈圆弧状的部分。圆弧的中心与第二轴线X2之间的距离可以基本上对应于中心部分10与第二轴线X2之间的距离。在法平面P中,每个凹部241、242还可以包括基本上平直的部分。特别地,基本上平直的部分可以提供凹部241、242的圆弧部分和中心部分10之间的接合部,且可以与第二轴线X2形成大约45°的角度。这样的凹部241、242允许限制外表面21和连接壁221、222之间的接合部处的漏磁通。
凹部241、242与第二轴线X2之间的距离B对应于凹部241、242上最接近第二轴线X2的点与第二轴线X2之间的距离B。优选地,凹部241、242与第二轴线X2之间的距离B小于连接壁221、222上最接近第二轴线X2的点与第二轴线X2之间的距离。优选地,凹部241、242与第二轴线X2之间的距离B还小于中心部分10上最接近第二轴线X2的点与第二轴线X2之间的距离A。优选地,凹部241、242与第二轴线X2之间的距离B大于中心部分10上最接近第二轴线X2的点与第二轴线X2之间的距离A的一半。
根据第一实施例或第二实施例的转子1的轮廓修改基本上不改变磁性材料的磁化饱和及其相对磁导率,且不产生与所用材料的特性不相容的磁值。
如图4中以示例的方式所示的感应式角位移传感器包括符合前述实施例的转子1和定子3。定子3包括内表面33,转子1被配置成面向内表面33来放置。定子3包括能够容纳初级绕组31和次级绕组32的若干槽口35。
定子3可以包括作为基本上围绕第一轴线X1的回转圆柱体的外表面34,定子33的内表面33可以限定作为基本上围绕第一轴线X1的回转圆柱体的空腔。定子3的内表面33的尺寸可以基本上对应于转子1的外表面21的尺寸。转子1的外表面21可以与定子3的内表面33接触,或者通过空间与定子3的内表面33分隔开。然后,外表面21限定关于第三轴线X3基本上对称放置的圆柱体部分,每个圆柱体部分关于第二轴线X2对称。此外,在法平面P中,每个连接壁与第二轴线X2之间形成的角度大于45°。
因此,只修改转子1的轮廓且外表面21的轮廓不变。因此,感应式角位移传感器保持其易于制造、低成本和耐用的特性。
对感应式角位移传感器的性能与转子的角位移的关系进行了仿真,以比较这些传感器,传感器包括:
-根据现有技术的转子(现有技术轮廓),
-根据第一实施例的转子1(轮廓1),
-根据第二实施例的转子1(轮廓2),即对应于轮廓1且还具有连接中心部分10和连接壁221、222的凹部241、242。
在该示例性实施例中,有用角度范围是测量精度介于+/-0.05°之间的角度范围。
这些仿真的结果如图6所示,并总结在下表中:
[表1]
现有技术轮廓 轮廓1 轮廓2
有用角度范围 +/-36° +/-40° +/-41°
在+/-36°的精度 +/-0.048° +/-0.006° +/-0.043°
在+/-40°的精度 +/-0.208° +/-0.053° +/-0.05°
在+/-41°的精度 +/-0.325° +/-0.13° +/-0.05°
与现有技术轮廓相比,轮廓1使得有用角度范围提高+/-4°,且与现有技术轮廓相比,在+/-36°的角度范围内提高了测量精度。
与现有技术轮廓相比,轮廓2使得有用角度范围提高+/-5°,且在与现有技术轮廓的角度范围基本上相等的+/-36°的角度范围内提高了测量精度。
在+/-40°的角度范围内,轮廓1和轮廓2的测量精度(以测量角度的%表示)约为+/-0.15%,而在+/-40°的角度范围内,现有技术轮廓的测量精度约为+/-0.5%。
换句话说,与根据现有技术的转子的有用角度范围相比,根据第一实施例的转子轮廓使得有用角度范围增加,以及提高测量精度。与根据第一实施例的转子的有用角度范围相比,根据第二实施例的转子轮廓,即具有连接中心部分10和连接壁221、222的凹部241、242,使得有用角度范围增加,并实现与在根据现有技术的转子的有用角度范围内根据现有技术的转子的测量精度相等的测量精度。因此,可以根据感应式角位移传感器的有用角度范围和测量精度要求来选择转子轮廓。
图7、图8和图9示出了在给定角位移下,转子轮廓对场线的影响。图7对应于现有技术轮廓,图8对应于轮廓1,图9对应于轮廓2。这些图中示意性地示出了场线。
泄漏场线可以出现在活动部分20处。这些泄漏场线不会仍然包含在活动部分20中,从中心部分10穿过活动部分20到达其外表面21以连接定子3。相反,如图7所示,这些泄漏场线从在对应的连接壁221、222处的活动部分20引出以连接定子3。
泄漏场线还可出现在中心部分10处。这些泄漏场线不会仍然包含在中心部分10中,而是从中心部分10基本上垂直于中心部分10来引出以连接定子3。
与现有技术轮廓相比,轮廓1和轮廓2允许限制在活动部分20处的泄漏场线的数量。因此,在图7示意性示出的示例中,在活动部分20处存在现有技术轮廓的泄漏场线。对于轮廓1(图8)或对于轮廓2(图9)不存在泄漏场线。
与现有技术轮廓相比,轮廓1和轮廓2还允许分开活动部分20的泄漏场线和/或使活动部分20的泄漏场线彼此间隔开。与轮廓1相比,轮廓2允许进一步分开活动部分20的泄漏场线和使活动部分20的泄漏场线彼此进一步间隔开。
因此,与现有技术轮廓相比,轮廓1的泄漏场线的数量可以减少大约60%,并且与现有技术轮廓相比,轮廓2的泄漏场线的数量可以减少大约80%。
可以构思其他实施例,且本领域技术人员可以容易地修改上面公开的示例性实施例的实施例,或者在仍然在本发明的范围内的同时构思其他实施例。

Claims (8)

1.一种用于感应式角位移传感器的未卷绕转子(1),所述转子(1)能够绕第一轴线(X1)旋转移动并关于所述第一轴线(X1)对称,所述转子(1)具有:
-中心部分(10),
-在所述中心部分(10)相对于所述第一轴线(X1)的两侧上的两个活动部分(20),每个活动部分(20)包括:
-外表面(21),被配置成面向所述感应式角位移传感器的定子(3)的内表面(33),
-两个连接壁(221,222),用于将所述外表面(21)连接到所述中心部分(10),
所述转子(1)还具有关于第二轴线(X2)的轴对称性,所述第二轴线(X2)包含在垂直于所述第一轴线(X1)并穿过所述两个活动部分(20)的法平面(P)中,所述转子(1)的特征在于,在所述法平面(P)中,每个连接壁(221、222)与所述第二轴线(X2)形成介于45°至120°之间的角度(α),
所述转子还包括在所述中心部分(10)的两侧上、在与所述连接壁(221,222)的每个接合部处延伸的两个凹部(241,242)。
2.根据权利要求1所述的转子(1),其中,每个活动部分(20)的外表面(21)是环形扇区并在90°的角扇区(S)上延伸。
3.根据权利要求1或2所述的转子(1),其中,所述外表面(21)和每个连接壁(221、222)之间的接合部形成斜面端部。
4.根据权利要求1或2所述的转子(1),其中,在所述法平面(P)中,所述中心部分(10)的任意一点与所述第二轴线(X2)之间的距离小于所述外表面(21)和所述连接壁(221、222)之间的每个交点与所述第二轴线(X2)之间的距离。
5.根据权利要求1或2所述的转子(1),其中,在所述中心部分(10)中形成通路(11),所述通路(11)插入所述中心部分(10)的每个面中。
6.根据权利要求5所述的转子(1),其中,所述通路(11)以所述第一轴线(X1)为中心,并具有截断的回转圆柱体形横截面,所述截断的回转圆柱体形横截面包括面向所述第二轴线(X2)的两个平面。
7.根据权利要求5所述的转子(1),其中,所述通路(11)以所述第一轴线(X1)为中心并具有回转圆柱体形横截面。
8.一种感应式角位移传感器,所述传感器包括根据权利要求1至7中任一项所述的转子(1)和定子(3),所述定子(3)包括内表面(33),所述转子(1)被配置成面向所述内表面(33)来放置。
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