專利名稱：一種無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器，作為角度位置傳感用于多圈精密測量旋轉(zhuǎn)物體的角位移和角速度，在機電伺服控制系統(tǒng)中具有特殊用途，也可用于坐標變換、三角運算和角度數(shù)據(jù)傳輸、位移測量和振動監(jiān)測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度位置傳感器廣泛用于運動伺服控制系統(tǒng)中，用作為角度位置的傳感和測量。傳統(tǒng)角度位置傳感有光電編碼器、磁性編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。光電式編碼器通過光電轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)軸的角位移轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)字信號。根據(jù)轉(zhuǎn)盤的光刻方式及信號的輸出形式，光電編碼器又可分成增量式編碼器和絕對式編碼器。增量式編碼器結(jié)構(gòu)簡單，能夠以增 量的方式給出角度位置的信息，但不能給出初始位置的信息。絕對式編碼器能夠直接輸出轉(zhuǎn)子的絕對位置信息，但其工藝復(fù)雜。光電編碼器具有直接輸出數(shù)字信號和高精度的優(yōu)點，但光電編碼器不能應(yīng)用于惡劣環(huán)境，抗沖擊能力差，而且不能應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)測量。由于光電編碼器通過轉(zhuǎn)盤離散的光刻輸出脈沖光電信號，因此形式上限制了分辨率的提高。磁性編碼器通過磁極的變化來測量轉(zhuǎn)軸的角位移。由于分辨率低和精度較差，磁性編碼器的應(yīng)用沒有光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器普及。旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電磁感應(yīng)式傳感器，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度。常規(guī)旋轉(zhuǎn)變壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成，其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵磁電壓，轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合在其兩斷產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡單可靠，特別適用其他旋轉(zhuǎn)編碼器無法正常工作的惡劣環(huán)境。旋轉(zhuǎn)變壓器根據(jù)轉(zhuǎn)子電信號引進和引出的方式，分為有刷和無刷旋轉(zhuǎn)變壓器兩種。在有刷旋轉(zhuǎn)變壓器中，定子和轉(zhuǎn)子上都嵌有繞組。轉(zhuǎn)子繞組的電信號，通過滑動接觸，由轉(zhuǎn)子上的滑環(huán)和定子上的電刷引進或引出。由于有刷結(jié)構(gòu)的存在，此類旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性較差。目前這種結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)變壓器已很少使用。無刷旋轉(zhuǎn)變壓器有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種為環(huán)形變壓器式無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，另一種為磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器。在環(huán)形變壓器式無刷旋轉(zhuǎn)變壓器中，一個繞組繞在定子上，一個繞組繞在轉(zhuǎn)子上，同心放置。轉(zhuǎn)子上的環(huán)形變壓器繞組與作信號變換的轉(zhuǎn)子繞組相聯(lián)。電信號的輸入和輸出由環(huán)形變壓器完成。磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁繞組和輸出繞組嵌在同一套定子槽內(nèi)。兩相繞組的電信號隨轉(zhuǎn)角作正余弦變化、彼此相位差90°。磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子磁極形狀須特殊設(shè)計加工，使得氣隙磁場呈正弦變化。常規(guī)旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對位置的改變，其輸出電壓的大小隨轉(zhuǎn)子角位移而發(fā)生變化，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角構(gòu)成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或保持某一比例關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。單對磁極的旋轉(zhuǎn)變壓器精度低。為了提高測量精度，常規(guī)旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)一般裝有多對磁極，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜。常規(guī)旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊信號輸出是兩相正交的模擬信號，它們的幅值隨著轉(zhuǎn)角呈正余弦變化。為了獲取角度和角速度信息，需要設(shè)計復(fù)雜的解調(diào)制電路，價格昂貴，而且計算復(fù)雜。目前采用的大多都是專用集成電路，例如美國AD公司的AD2S1200、AD2S1205帶有參考振蕩器的12位數(shù)字R/D變換器以及AD2S1210 10到16位數(shù)字、帶有參考振蕩器的數(shù)字可變R/D變換器，以及連云港杰瑞電子有限公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器。這些原因使常規(guī)旋轉(zhuǎn)變壓器的大規(guī)模應(yīng)用受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的一種無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器無可以克服現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)變壓器的局限。新型無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、穩(wěn)定性好、抗電磁干擾和抗沖擊能力強的特點。新型無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器無需復(fù)雜的解調(diào)制電路和專用集成電路，能夠高速多圈精密測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度，并且能夠連續(xù)跟隨轉(zhuǎn)軸角位移的變化。本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)途徑實現(xiàn)的一種無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器由轉(zhuǎn)子、定子、原邊線圈繞組、副邊線圈繞組、軸承、激磁電源和信號接受處理系統(tǒng)組成；原邊線圈繞組固定于定子一端的筒體上，轉(zhuǎn)子的一端安置于筒體的圓孔內(nèi)，原邊線圈繞組的軸線與轉(zhuǎn)子 的軸線一致，轉(zhuǎn)子與定子的另外一端通過軸承連接；副邊線圈繞組嵌于定子的內(nèi)側(cè)，其法向垂直于轉(zhuǎn)子的軸向；激磁電源的激磁電流通過原邊線圈繞組產(chǎn)生交變磁場，交變磁場通過轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙使磁通在旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)形成環(huán)流，并在副邊線圈繞組的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢的幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系；信號接受處理系統(tǒng)采集和處理副邊線圈繞組的感應(yīng)電動勢信號并輸出轉(zhuǎn)子的角度位置、轉(zhuǎn)數(shù)和角速度參數(shù)。新型無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子呈軸對稱的平行凸輪狀或者軸對稱的多齒凸輪狀；兩個或多個矩形副邊線圈繞組均布并嵌于定子的內(nèi)側(cè)，每兩個相鄰矩形副邊線圈繞組之間留有等寬的氣隙；氣隙呈槽狀均布于定子的內(nèi)側(cè)并且平行于定子的軸向。轉(zhuǎn)子和定子由鐵磁材料或者鐵氧體材料構(gòu)成。轉(zhuǎn)子和定子的一端通過鐵磁材料或者鐵氧體材料形成低磁阻連接。連接轉(zhuǎn)子與定子的軸承由抗磁材料或者順磁材料構(gòu)成，使該端的轉(zhuǎn)子與定子之間形成高磁阻隔離。新型無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁電源為通過對50赫茲或60赫茲的普通交流電源降壓后形成的低壓電源，或者通過直流電源逆變后形成的交流電源。信號接受處理系統(tǒng)輸出副邊線圈繞組的感應(yīng)電動勢，或者經(jīng)數(shù)據(jù)處理后輸出轉(zhuǎn)子的角度位置、轉(zhuǎn)數(shù)和角速度參數(shù)。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的目的和實現(xiàn)途徑作進一步詳細說明
圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2為新型無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)的磁通環(huán)路示意 圖3為轉(zhuǎn)子位置與副邊線圈繞組電感的線性關(guān)系示意 圖4為本發(fā)明的平行凸輪狀轉(zhuǎn)子與四副邊線圈繞組位置關(guān)系剖面 圖5為對應(yīng)于圖4結(jié)構(gòu)的四副邊線圈繞組兩端電動勢與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系 圖6為本發(fā)明的四齒凸輪狀轉(zhuǎn)子與四副邊線圈繞組位置關(guān)系剖面圖。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖I所示。它包括轉(zhuǎn)子I、定子2、原邊線圈繞組3、副邊線圈繞組4、軸承5、激磁電源6和信號接受處理系統(tǒng)7。由于轉(zhuǎn)子I和定子2軸線一致，因此凸輪轉(zhuǎn)子I的邊緣和定子2內(nèi)壁間的氣隙寬度為一常數(shù)。激磁電源6的交變電流通過原邊線圈繞組3在轉(zhuǎn)子I的軸向產(chǎn)生感應(yīng)磁場。感應(yīng)磁場通過氣隙在轉(zhuǎn)子I和定子2間形成磁通環(huán)路，如圖2中的箭頭所示。副邊線圈繞組4嵌于定子2的內(nèi)側(cè)，其法向垂直于轉(zhuǎn)子的軸向。激勵磁場在副邊線圈繞組的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的頻率與激磁電流的頻率相等。設(shè)凸輪轉(zhuǎn)子I的一對稱方向A-A與副邊線圈繞組abed的外法線η的夾角為Θ，如圖3所示。由于凸輪轉(zhuǎn)子I的圓邊和定子2內(nèi)壁間的氣隙寬度為一常數(shù)，因此副邊線圈繞組的電感和感應(yīng)電動勢的幅值與轉(zhuǎn)子位置Θ呈線性關(guān)系。副邊線圈繞組4兩端的感應(yīng)電動勢與凸輪轉(zhuǎn)子I的形狀以及副邊線圈繞組4的數(shù)量有關(guān)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度等于Θ對時間t的導(dǎo)數(shù)，(1Θ/dt。對旋轉(zhuǎn)過程中角度變化的增量積分可記錄轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)。通過測量和計算處理副邊線圈繞組4兩端的感應(yīng)電動勢即可確定轉(zhuǎn)子的角度位置、轉(zhuǎn)數(shù)和角速度參數(shù)。常規(guī)旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對位置的改變，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系。為了獲取角度和角速度信息，需要設(shè)計 復(fù)雜的解調(diào)制電路及專用集成電路。本發(fā)明提供的一種無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器無可以克服現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)變壓器的局限，輸出繞組的感應(yīng)電動勢的幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為線性關(guān)系。因此電動勢幅值與轉(zhuǎn)角之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系簡單。
具體實施例方式實施例一
平行凸輪狀轉(zhuǎn)子與四副邊線圈繞組作為本發(fā)明的一種組合構(gòu)型，其位置關(guān)系剖面如圖4所示。凸輪轉(zhuǎn)子I的圓邊張角為90 。四個等同的副邊線圈繞組4均布于定子2的內(nèi)偵牝其法向垂直于轉(zhuǎn)子的軸向。每個繞組的張角為90 。相鄰兩個副邊線圈繞組的張角相錯45 。每一線圈繞組中心對稱繞制。兩個相鄰矩形副邊線圈繞組之間留有等寬的氣隙；氣隙呈槽狀均布于定子的內(nèi)側(cè)并且平行于定子的軸向。當凸輪轉(zhuǎn)子的圓邊張角與某一副邊線圈繞組的張角重合時，該線圈繞組兩端的感應(yīng)電動勢幅值最大。當凸輪轉(zhuǎn)子圓邊對稱軸向與某一副邊線圈繞組的法向垂直時，該線圈繞組兩端的感應(yīng)電動勢幅值最小。設(shè)凸輪轉(zhuǎn)子的圓邊對稱方向與副邊線圈繞組的法線的夾角為Θ，如圖3所示。在圖4中，從副邊線圈繞組abed為參考沿順時針方向均布的四個繞組分別為efgh, ijkm, nopq,其兩端的電動勢分別用U1, U2, U3, U4表示。電動勢值滿足如下關(guān)系式
權(quán)利要求
1.一種無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器，其特征為旋轉(zhuǎn)變壓器由轉(zhuǎn)子(I)、定子(2)、原邊線圈繞組(3)、副邊線圈繞組(4)、軸承(5)、激磁電源(6)和信號接受處理系統(tǒng)(7)組成；原邊線圈繞組(3)繞于定子(2) —端的筒體上，轉(zhuǎn)子(I)的一端安置于筒體的圓孔內(nèi)，原邊線圈繞組(3)的軸線與轉(zhuǎn)子(I)的軸線一致，轉(zhuǎn)子(I)與定子(2)的另外一端通過軸承(5)連接；副邊線圈繞組⑷嵌于定子⑵的內(nèi)側(cè)，其法向垂直于轉(zhuǎn)子⑴的軸向；激磁電源(6)的激磁電流通過原邊線圈繞組(3)產(chǎn)生交變磁場，交變磁場通過轉(zhuǎn)子(I)與定子(2)間的氣隙使磁通在旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)形成環(huán)流，并在副邊線圈繞組(4)的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；信號接受處理系統(tǒng)(7)采集和處理副邊線圈繞組(4)的感應(yīng)電動勢信號并輸出轉(zhuǎn)子(I)的角度位置、轉(zhuǎn)數(shù)和角速度參數(shù)。
2.如權(quán)利要求I所述的一種無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器，其特征為轉(zhuǎn)子⑴呈軸對稱的平行凸輪狀或者軸對稱的多齒凸輪狀。
3.如權(quán)利要求I所述的一種無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器，其特征為兩個或多個矩形副邊線圈繞組(4)均布并嵌于定子(2)的內(nèi)側(cè)，每兩個相鄰矩形副邊線圈繞組(4)之間留有等寬的氣隙；氣隙呈槽狀均布于定子(2)的內(nèi)側(cè)并且平行于定子(2)的軸向。
4.如權(quán)利要求I所述的一種無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器，其特征為所述轉(zhuǎn)子(I)和定子(2)由鐵磁材料或者鐵氧體材料構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求I所述的一種無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器，其特征為連接轉(zhuǎn)子(I)與定子(2)的軸承(5)由抗磁材料或者順磁材料構(gòu)成，使該端的轉(zhuǎn)子(I)與定子(2)之間形成高磁阻隔離。
6.如權(quán)利要求I所述的一種無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器，其特征為激磁電源(6)為通過對50赫茲或60赫茲的普通交流電源降壓后形成的低壓電源，或者通過直流電源逆變后形成的交流電源。
7.如權(quán)利要求I所述的一種無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器，其特征為信號接受處理系統(tǒng)(7)輸出副邊線圈繞組⑷的感應(yīng)電動勢，或經(jīng)數(shù)據(jù)處理后輸出轉(zhuǎn)子⑴的角度位置、轉(zhuǎn)數(shù)和角速度參數(shù)。
全文摘要
無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器由轉(zhuǎn)子(1)、定子(2)、原邊線圈繞組(3)、副邊線圈繞組(4)、軸承(5)、激磁電源(6)和信號接受處理系統(tǒng)(7)組成；原邊線圈繞組(3)繞于定子(2)一端的筒體上，轉(zhuǎn)子(1)的一端置于筒體的圓孔內(nèi)，轉(zhuǎn)子(1)與定子(2)的另外一端通過軸承(5)連接；副邊線圈繞組(4)嵌于定子(2)的內(nèi)側(cè)；激磁電源(6)通過原邊線圈繞組(3)產(chǎn)生交變磁場，并在副邊線圈繞組(4)的兩端產(chǎn)生與轉(zhuǎn)軸位置相關(guān)的感應(yīng)電動勢；信號接受處理系統(tǒng)(7)采集和處理副邊線圈繞組(4)的感應(yīng)電動勢信號并輸出轉(zhuǎn)子(1)的角度位置、轉(zhuǎn)數(shù)和角速度參數(shù)。無刷線性旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡單,能多圈測量轉(zhuǎn)軸角位移和角速度。
文檔編號H01F38/18GK102930966SQ20121035587
公開日2013年2月13日 申請日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者譚成忠 申請人:譚成忠