專利名稱：電感式轉(zhuǎn)子位置傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電機控制用電感式轉(zhuǎn)子位置傳感器，屬于電機的位置 傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景轉(zhuǎn)子位置信號是無刷直流電機、開關(guān)磁阻電機等現(xiàn)代調(diào)速電機的自整步工 作的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)子位置信號的檢測環(huán)節(jié)是電機系統(tǒng)的必要的組成部分。電機的轉(zhuǎn)子位置檢測的方法有很多種，可以分為直接位置檢測技術(shù)和間接 位置檢測技術(shù)兩類直接位置檢測技術(shù)是在電機轉(zhuǎn)子軸上專門增設(shè)一個位置傳 感器部件來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置信號檢測功能，典型的應(yīng)用類型有電磁式、光電式、 磁敏式等。目前電磁式主要應(yīng)用的是旋轉(zhuǎn)變壓器，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴， 一般應(yīng)用于對位置精度要求高的伺服場合；光電式位置傳感器主要有光電開關(guān)和擋光盤或光碼盤及組成，由于其光電信號易收外界環(huán)境干擾，其性能不穩(wěn)定， 而且光敏元件對應(yīng)用環(huán)境溫度的很敏感，因此光電式位置傳感器不適合應(yīng)用環(huán)境惡劣、高溫、多塵等場合；磁敏式位置傳感器對環(huán)境的溫度有著苛刻的要求， 而且需要磁源，也不適合應(yīng)用與高溫等環(huán)境惡劣場合。間接位置檢測技術(shù)(亦稱無位置傳感器技術(shù))根據(jù)電機的電流、電壓等信 號來估算轉(zhuǎn)子的位置信號，利用簡單可靠的電流、電壓傳感器代替脆弱的位置 傳感器，因此電機系統(tǒng)得到了簡化，對環(huán)境溫度適應(yīng)強，但是其檢測精度對電 機參數(shù)和運行狀態(tài)存在依賴性，魯棒性差，易受干擾，通用性差，目前絕大多 數(shù)電機的間接位置傳感器技術(shù)還不成熟，處于實驗室階段。因此研究簡單可靠、 成本低、環(huán)境適應(yīng)性強的直接位置技術(shù)對拓寬無刷電機的應(yīng)用場合很重要。而電感式(磁阻式)傳感器屬于電磁式傳感器，具有高溫、抗沖擊、無接 觸等優(yōu)點，目前屯感式位移傳感器多應(yīng)用于位移、間隙、振動等信號檢測場合，:還 沒有作電機轉(zhuǎn)子位置傳感器的應(yīng)用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)存在的諸多缺陷，提出一種新型結(jié)構(gòu)的電感 式轉(zhuǎn)子位置傳感器，該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境適應(yīng)性強、通用性強等優(yōu)點， 并能適應(yīng)于航空、航天、礦山等環(huán)境惡劣、高速電機等場合。\本發(fā)明的技術(shù)解決方案其結(jié)構(gòu)是包括傳感器本體和調(diào)理放大電路，其中的 傳感器本體由傳感器定子、傳感器轉(zhuǎn)子組成，傳感器定子包括傳感器的定子鐵 心和探測線圈，傳感器的定子鐵心、傳感器轉(zhuǎn)子鐵心均為導(dǎo)磁材料，徑向相對 的探測線圈串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一相探測繞組，該傳感器轉(zhuǎn)子鐵心同軸安裝在電機 轉(zhuǎn)軸上，與電機鐵心相對應(yīng)；該傳感器的定子鐵心安裝在電機的端蓋上，該傳 感器的定子鐵心的結(jié)構(gòu)與電機定子鐵心相對應(yīng)；探測線圈的電感信號輸出端與 調(diào)理放大電路的信號輸入端對應(yīng)相接；調(diào)理放大電路的信號輸出端與比較器的 信號輸入端對應(yīng)相接，比較器輸出端分別輸出位置信號。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，傳感器的定子、傳感器轉(zhuǎn)子間的氣隙隨轉(zhuǎn)子位置變化而變 化，探測線圈的磁通路徑的磁阻值也相應(yīng)變化，導(dǎo)致探測線圈的電感值隨著傳 感器轉(zhuǎn)子角度變化和變化，通過調(diào)理電路得出的對應(yīng)電感值的電信號也繼承電 感值變化規(guī)律，再利用三相電感信號的對稱的幾何特點，通過簡單的比較器電 路，輸出反映傳感器轉(zhuǎn)子位置特征值(一般對應(yīng)電機的換相位置)的方波信號， 該方波信號直接作為電機控制的傳感器轉(zhuǎn)子位置信號。本發(fā)明的優(yōu)點傳感器的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有簡單堅固的特性，可以應(yīng)用高速、大 機械沖擊力等場合；本傳感器不存在對溫度、灰塵等因素敏感的元件，因此本 傳感器可以應(yīng)用高溫、多塵等環(huán)境惡劣場合；由于本傳感器的調(diào)理電路利用探 測線圈的電感信號的幾何對稱原則，通過比較電路獲得反映轉(zhuǎn)子位置特征點的 信號，該方法的位置特征點信號對檢測靈敏度要求不高，實現(xiàn)電路簡單，因此 具有抗干擾能力強等特點。因此本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境適應(yīng)性強，特別適 合應(yīng)用航空、航天、礦山等惡劣環(huán)境，也可以應(yīng)用于高速、超高速電機等領(lǐng)域。


(以6/4結(jié)構(gòu)電感式位置傳感器為例說明) 圖l是電感式位置傳感器安裝示意圖。 圖2是電感式位置傳感器定子鐵心結(jié)構(gòu)圖。 圖3是電感式位置傳感器轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)圖。 圖4是電感式位置傳感器截面示意圖。 圖5是相測試線圈的電感曲線。圖6是三相測試線圈電感信號交截得到特征點位置信號 圖7是位置信號特征點實現(xiàn)的原理框圖。 圖8是印刷電路板上的三相繞組。 圖9是圖1的剖示圖。附圖中l(wèi)是電機轉(zhuǎn)軸、2是電機轉(zhuǎn)子鐵心、3是傳感器的定子鐵心、4是傳感 器轉(zhuǎn)子鐵心、5是探測線圈、6是電感信號調(diào)理放大電路、7是電平比較器。
具體實施方式
本電感式傳感器的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)取決于電機的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其定、轉(zhuǎn)子 齒數(shù)可以靈活選取，以6/4結(jié)構(gòu)電感式位置傳感器為例說明。對照附圖l，電感式位置傳感器鐵心包括傳感器的定子鐵心3、傳感器轉(zhuǎn)子 鐵心4兩個部件，該傳感器的轉(zhuǎn)子鐵心4安裝在電機轉(zhuǎn)軸1上，與電機轉(zhuǎn)子鐵 心2相對應(yīng)，且同軸安裝；傳感器的定子鐵心3安裝在電機的端蓋上，其結(jié)構(gòu) 與電機定子鐵心相對應(yīng)。傳感器的定子鐵心和傳感器轉(zhuǎn)子鐵心的形狀為雙凸極結(jié)構(gòu)或爪極結(jié)構(gòu)，電 感式轉(zhuǎn)子位置傳感器利用傳感器定子、傳感器轉(zhuǎn)子間的氣隙隨傳感器轉(zhuǎn)子位置 變化導(dǎo)致探測線圈的磁通路徑的磁阻值變化而工作的，傳感器的探測線圈的電 感值隨著轉(zhuǎn)子角度變化而變化，通過調(diào)理電路得出的對應(yīng)角度的電信號獲得傳 感器轉(zhuǎn)子的特征位置信號。通過調(diào)理電路得出的對應(yīng)角度的電信號獲得傳感器轉(zhuǎn)子的特征位置信號的 實現(xiàn)方法是利用探測線圈的電感信號的對稱原則，通過其他相的電感信號的比 較獲得本相傳感器轉(zhuǎn)子位置的特征值信號。對照附圖2，傳感器的定子鐵心3為6個齒。對照附圖3，電機轉(zhuǎn)子鐵心2有4個齒，傳感器的定子鐵心3、電機轉(zhuǎn)子鐵 心2均為導(dǎo)磁材料。對照附圖4，在傳感器的定子鐵心3每個寬齒上繞有一個集中探測線圈5， 徑向相對的2個線圈串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一相探測繞組，分別為A、 B、 C三相。隨 著傳感器轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，傳感器的定子、傳感器轉(zhuǎn)子間的氣隙隨轉(zhuǎn)子位置變化而變 化，探測線圈的磁通路徑的磁阻值也相應(yīng)變化，導(dǎo)致探測線圈的電感值隨著轉(zhuǎn) 子角度變化和變化，其波形如附圖5，電感曲線變化周期角為齒距角；.<formula>formula see original document page 5</formula>把當繞組的軸線(定子鐵心齒軸線)與轉(zhuǎn)子齒軸線重合時，磁路的磁阻最大， 繞組電感最小，此位置定義為^-(T，該位置相電感為最小值i,;定子相繞組軸 線和轉(zhuǎn)子槽軸線重合時磁路的磁阻最小，測試繞組電感最大，定義此位置為theta其時電感具有最大值1_。本例中轉(zhuǎn)子齒數(shù)乂=4，則齒距角《=90。， ^=45。。 對照附圖5， A、 B、 C三相探測線圈電感值丄(e)以轉(zhuǎn)子齒距角《為周期而變 化的關(guān)系曲線^(。、 "(0、 ^(0，當傳感器轉(zhuǎn)子和定子的材質(zhì)均勻，結(jié)構(gòu)完 全對稱，則各相探測線圈相對于轉(zhuǎn)子位置的電感曲線具有嚴格的周期性，而且 又關(guān)于最小電感位置對稱，不同相探測線圈的電感曲線除了空間上有特定相位 差外，無其它差別，本例它們相位上相差30。。考察三相探測線圈在一周期內(nèi)的 電感曲線，設(shè)^0"對應(yīng)A相探測線圈電感的最小值處，也即A相電感最小位置， 那么由于三相電感曲線完全相同，相鄰間只有30"的相位差，可知，B相和C相電感曲線的兩個交點分別對應(yīng)轉(zhuǎn)子位置角6二0°和《=45°，而兩個交點正好相差半 周期位置角A^45"。類似的，A相和B相電感曲線的交點分別對應(yīng)位置角0二6(T (C相電感值最小點)和6=15°，以及A相和C相電感曲線的交點分別對應(yīng)位置 角6=30° (B相電感值最小點)和^=-15°，上述的角度為傳感器轉(zhuǎn)子位置的特征 角度(一般對應(yīng)電機換相位置)。對照附圖6，巳的、^的、Kc的為通過調(diào)理放大電路得出的對應(yīng)電感值的電壓信號，三相電壓信號繼承了三相電感曲線^(6 )、丄s的、 一的的幾何特征。 再利用三相電感曲線幾何特點，通過簡單的比較器即可獲得位置方波信號P、 Q、 R，作為電機直接控制的傳感器位置信號。對照附圖7，三相探測線圈通過電感信號調(diào)理放大電路6得到相對應(yīng)的電壓 信號^的、，)、，)，J^的和^(。、 K(。和^(0)、 K,的和^(60分別接 三個電平比較器7的正、負輸入端，三個比較器7輸出端分別得到傳感器位置 方波信號P、 Q、 R。對照附圖8，電感式位置傳感器的探測線圈可以采用漆包線繞制，也可以采 用印刷電路板實現(xiàn)，探測線圈在印刷電路板采用形成規(guī)則的螺旋線代替漆包線 形成，印刷電路板和傳感器的定子鐵心安裝在一起形成傳感器的定子，簡化工 藝。
權(quán)利要求
1、電感式轉(zhuǎn)子位置傳感器，其特征是包括傳感器本體和調(diào)理放大電路，其中的傳感器本體由傳感器定子、傳感器轉(zhuǎn)子組成，傳感器定子包括傳感器的定子鐵心和探測線圈，傳感器的定子鐵心、傳感器轉(zhuǎn)子鐵心均為導(dǎo)磁材料，徑向相對的探測線圈串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一相探測繞組，傳感器轉(zhuǎn)子鐵心同軸安裝在電機轉(zhuǎn)軸上，與電機鐵心相對應(yīng)；傳感器的定子鐵心安裝在電機的端蓋上，傳感器的定子鐵心的結(jié)構(gòu)與電機定子鐵心相對應(yīng)；探測線圈的電感信號輸出端與調(diào)理放大電路的信號輸入端對應(yīng)相接；調(diào)理放大電路的信號輸出端與比較器的信號輸入端對應(yīng)相接，比較器輸出端分別輸出位置信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電感式轉(zhuǎn)子位置傳感器，其特征是傳感器的定子 鐵心和傳感器轉(zhuǎn)子鐵心的形狀為雙凸極結(jié)構(gòu)或爪極結(jié)構(gòu)，電感式轉(zhuǎn)子位置傳感 器利用傳感器定子、傳感器轉(zhuǎn)子間的氣隙隨傳感器轉(zhuǎn)子位置變化導(dǎo)致探測線圈 的磁通路徑的磁阻值變化而工作的，傳感器的探測線圈的電感值隨著轉(zhuǎn)子角度 變化而變化，通過調(diào)理電路得出的對應(yīng)角度的電信號獲得傳感器轉(zhuǎn)子的特征位 置信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電感式轉(zhuǎn)子位置傳感器，其特征是通過調(diào)理電路 得出的對應(yīng)角度的電信號基礎(chǔ)上再獲得傳感器轉(zhuǎn)子的特征位置信號的實現(xiàn)方 法，是利用探測線圈的電感信號的對稱原則，通過其他相的電感信號的比較獲 得本相傳感器轉(zhuǎn)子位置的特征值信號。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電感式轉(zhuǎn)子位置傳感器，其特征是探測線圈在印 刷電路板采用形成規(guī)則的螺旋線代替漆包線形成，印刷電路板和傳感器的定子 鐵心安裝在一起形成傳感器的定子。
全文摘要
本發(fā)明是電感式轉(zhuǎn)子位置傳感器，其特征是包括傳感器本體和調(diào)理放大電路，其中的傳感器本體由傳感器定子、傳感器轉(zhuǎn)子組成，傳感器定子包括傳感器的定子鐵心和探測線圈，傳感器的定子鐵心、傳感器轉(zhuǎn)子鐵心均為導(dǎo)磁材料，徑向相對的探測線圈串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一相探測繞組，傳感器轉(zhuǎn)子鐵心同軸安裝在電機轉(zhuǎn)軸上，與電機鐵心相對應(yīng)；傳感器的定子鐵心安裝在電機的端蓋上，傳感器的定子鐵心的結(jié)構(gòu)與電機定子鐵心相對應(yīng)；探測線圈的電感信號輸出端與調(diào)理放大電路的信號輸入端對應(yīng)相接；調(diào)理放大電路的信號輸出端與比較器的信號輸入端對應(yīng)相接，比較器輸出端分別輸出位置信號。優(yōu)點具有簡單堅固、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境適應(yīng)性強等特點。
文檔編號G01D5/20GK101226064SQ20071019169
公開日2008年7月23日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者雷 馮, 闖 劉, 吳玉飛, 強 周 申請人:南京航空航天大學(xué)