高精度圆感应同步器设计及制造

高精度圆感应同步器设计及制造

[摘要]介绍了一种电磁感应式传感元件，用来检测机械转角和位移。

[关键词]感应同步器定子组件转子组件

一、引言

圆感应同步器（又称角位移传感器）是一种角度检测的多极电磁感应元器件。具有精度高、结构简单、工作可靠、对使用环境要求低，并具有误差补偿作用等一系列优点，因而广泛用于陀螺平台、伺服转台、火炮控制、雷达天线定位跟踪、经纬仪、角度数据发送传输、天文望远镜的跟踪系统、机器制造等国防和民用部门。普通的圆感应同步器精度为±1~5”，我所采用先进的硬铝合金基板机刻工艺和电气调心安装方法，精度可达到±0.3”。

二、主要技术性能参数

（一）准确度:≤±0.3”。

（二）外观: 外表面不应有锈蚀,基准面无胶漆和机械损伤,接线端子无松动现象。

（三）直流电阻: 定子两相绕组的直流电阻差值不大于2%。

（四）绝缘电阻: 在工作环境下,绕组对基板及定子两相绕组间的绝缘电阻值不低于500KΩ。

（五）抗剥强度: 导片与绝缘层间的抗剥强度不小于0.9Kg/cm。

（六）将同步器定、转子分别装在数字式精密光栅光学分度头的壳体和转动轴上，把带千分表的磁力表架先后固定在分度头的转动轴和壳体上，分别测量定、转子的圆跳动和端面跳动，其值应不大于0.003mm。

三、工作原理及结构

圆感应同步器是基于电磁耦合原理，利用定、转子间相对位置的不同而使输出信号成为位移函数。它是线性元件，当定、转子间相对位置一定时，相互间的互感系数为一常值。不论何方激磁，输出特性相同，因而通常元件测试时，一单相激磁双相输出来进行分析。

圆感应同步器结构简单，只有一块定子和一块转子组成，如图1所示：

（1-转子基板2-转子环氧层3-转子绕组4-屏蔽层5-定、转子间隙6-定子绕组7-定子环氧层8-定子基板）

同步器定子上安放电角度上互相垂直的两相绕组，称为正弦和余弦绕组，转子上安放单相连续绕组，如图2所示。

四、设计

圆感应同步器的主要尺寸指的是绕组有效部分的平均直径D和有效长度L，它们的大小直接影响感应同步器的参数。下面讨论感应同步器几何相似时的情况。

随着直径和极数的增加，要求的激磁电源的电压也增加。如果保持极距不变，则N∝D，这时激磁电压将随直径的增大以平方关系增加，而电流却保持不变。在电流密度和导体厚度不变时。热负荷为一常数。换言之，在发热情况相同的条件下，不同直径的感应同步器允许采用的电流密度是一样的。随着直径的减小和极数的增大，输出电势迅速下降，尤其是直径相对较小时，更为急剧。这给设计小型感应同步器带来困难。这时只有采用小的极数和气隙，或提高激磁频率，以提高输电势。电压传递系数随直径的增大，极数的减小而减小。

可以看出，随直径的增加，如保持极距不变，就可以采用更多的极数。虽然激磁电压提高，但激磁电流却保持不变，这对电源的制作，困难是不大的。然而输出电势却相应提高了。这是十分可取的。

五、制造

（一）金属铜箔基板的制造

1．基板制造。基板材料可以是硬铝合金,不锈钢或低碳钢。基板制造包括机械加工,钳工加工,热处理和表面处理。加工中除尺寸应达到设计要求外,热处理也是十分重要的环节。如热处理不好,天长日久,将产生变形,失去原有的精度。

2．绝缘层制造。采用金属基板,就必须在基板和铜箔之间加一绝缘层。绝缘层可以是玻璃布压粘而成,也可以采用浇注加有填料的环氧树脂。绝缘层固化后要进行精加工,可以精车,磨削或研磨。绝缘层表面的平面度直接影响铜箔的平面度,因此必须严格要求。

3．铜箔粘结。铜箔在加温加压下粘结。加压平板事先要研磨至零级精度。粘结时要防止气泡裹入胶层,或异物粘在表面,以免造成气泡或麻点。粘结好的表面应光洁无暇,平面度达到设计要求。

（二）绕线的形成(直接机刻法)

直接机刻的方法是用刻刀将铜箔刻制成需要的图形。刻制在刻线机或相应的

设备上进行。刻刀两侧平行,以保证刻成的导体尺寸相同,断面是准确的距形。每条线用三刀刻成,线条挺直。直接机刻的优点是工艺过程中精度损失小,母机的精度直接体现在刻成的导体上,两者的精度是相似的,而且保证了刻成的任一根导体的分度偏差在不同半径处是相同的,这为双排绕组对偏差的充分补偿提供了必要的条件。此外,直接机刻法要求的工艺装备简单,也不需要其他的特种工艺,制造的周期很短,改变设计方案十分方便,所以适宜于科研中的多方案试制。这种方法的缺点是制造时的劳动强度大,不宜刻制过细的线条。

六、安装调试

（一）安装前先用汽油和棉花将定、转子基板安装面擦洗干净，如发现基准面上有不平点，可用细油石或金相砂纸打光，再擦干净。

（二）安装前先用0.15mm左右厚的纸片垫在定、转子间，在拧紧螺钉过程中不时转动纸片，检查定、转子是否相碰。待间隙达到要求后取出纸片。

（三）为了保证同步器安装后检测能达到最好精度，应保证定、转子的电气中心与回转中心同心。定、转子绕组平面与回转轴系垂直。同步器在生产中已保证定、转子绕组的图形中心与基板的同心度小于0.003mm，定、转子绕组平面平行度小于0.003mm。在使用要求不高的地方，同步器可直接用机械打表的方法调整。若要求最佳精度，则一定要求电气调心法。

（四）圆感应同步器定、转子间安装后其误差小于0.02mm-0.05mm。

（五）对于改装的仪器设备，安装同步器定、转子的基面，有时是不便拆下重新进行机加工，因而基面往往是粗糙不平。对此情况，安装同步器时，可分别在定、转子安装孔与基面间加一球面垫圈进行调整。

七、结束语

圆感应同步器设计成熟,结构合理,性能稳定, 安装调试方便。目前,圆感应同步器已形成GX5/720,GX7/720,GX9/720,GX12/720等系列化产品,为今后的定型或标准化工作提供了指导。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。