技术领域
[0001] 本
发明属于传感器技术领域，具体涉及一种高可靠性、高
精度的双余度非接触
旋转变压器式角位移传感器。
背景技术
[0002] 随着飞机上机械
传动系统越来越多地被电控系统所取代，旋转变压器式角位移传感器在飞机系统中的应用也越来越广泛。它们为
飞行控制系统提供了精确的角度
位置信息。
[0003] 传统的旋转变压器式角位移传感器中用以传输
信号的电刷、滑环是其可靠性最薄弱的环节，二者之间的滑动接触使得其寿命和可靠性受到限制。另外，接触式旋转变压器也经常会产生噪声，不适合某些对噪声敏感的场合。而设计上采取合理的无刷化技术后，消除了电刷和滑环等接触环节，可使旋转变压器的可靠性和寿命成倍提高，并且消除了对其它装置的干扰，提高了系统的可靠性。无刷化非接触的旋转变压器将会在机载测量领域占据越来越重要的位置。
[0004] 此外，对于复杂的、有高可靠性和长寿命要求的飞机测控系统而言，更宜采用冗余设计。即在系统中起关键作用的地方，增加一套以上完成相同功能的元件，当该部分的一路出现故障时，系统仍能正常工作，以减少系统或设备的故障率提高其可靠性。为解决这一问题，人们将两个不同轴的单余度旋转变压器式角位移传感器构成分体式布局，互成余度。即一个与被测体连接的
输入轴通过
齿轮传动，带动两个传感器各自的
转轴，从而实现两个传感器的独立输出。同时，通过两个传感器零位角度的调节，保证二者输出的一致性要求。然而由于两个传感器实际不同轴，一致性调节困难，而且带有传动的齿轮机构，齿轮易卡死，可靠性较低，并且产品体积大，测量精度低，维护成本高。
[0005] 基于上述技术问题，有必要开发出新的、具有非接触式测量方式的双余度旋转变压器式角位移传感器。
发明内容
[0006] 本发明的目的是针对飞机测控系统要求，设计一种高可靠性、高精度的双余度非接触旋转变压器式角位移传感器。通过定
转子铁芯加工工艺优化，
定子绕组位置可调、设置隔磁套、一体化转轴、增设限位环等形式有效提高传感器的测角精度和抗振能
力，减少两通道输出一致性误差，并避免通道之间的交叉干扰。同时，解决传统结构带来的加工和装配调节过程困难，工艺性差，生产效率低下等问题。
[0007] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双余度无接触变压器式角位移传感器，包括安装壳、防护壳、第一定子绕组、定隔磁套、第二定子绕组、转筒、第一
轴承、第二轴承和一体化转子组合；所述一体化转子组合包括转轴、第一转子铁芯、动隔磁套和第二转子铁芯；
[0008] 所述第一定子绕组、定隔磁套、第二定子绕组、转筒、第一轴承、第二轴承和一体化转子组合设置于防护壳内；所述防护壳设置于安装壳内；所述第一定子绕组为环装；第二定子绕组与第一定子绕组的电磁参数及结构参数相同，通过第二轴承安装于转筒内，第一定子绕组和第二定子绕组之间设置定隔磁套；所述转筒可在安装壳内人为控制旋转至特定角度；所述第一转子铁芯与第二转子铁芯的几何形状相同，固定于转轴的外表面，第一转子铁芯和第二转子铁芯之间设置动隔磁套；所述第一转子铁芯设置于第一定子绕组的感应圈内，第二转子铁芯设置于第二定子绕组的感应圈内。
[0009] 进一步限定，所述转轴轴向上设置有螺旋状浅凹槽，螺旋状浅凹槽外表面涂覆有粘结剂；所述第一转子铁芯、动隔磁套和第二转子铁芯通过螺旋状浅凹槽安装于转轴的轴向外表面。
[0010] 进一步限定，所述第一定子绕组和所述第二定子绕组在防护壳的内壁上呈上下放置，且所述第一定子绕组和所述第二定子绕组之间通过定隔磁套隔离；所述第二定子绕组镶嵌于所述转筒内；所述第一定子绕组在所述防护壳内固定不动；所述第二定子绕组可随所述转筒转动以调节其与所述第一定子绕组之间的相对位置。
[0011] 进一步限定，所述定隔磁套上开设有信号线穿孔，所述信号线穿孔用于穿过第一定子绕组和第二定子绕组的
导线；所述定隔磁套的中心还开设有圆孔，所述转轴穿过圆孔。
[0012] 进一步限定，所述第一转子铁芯和所述第二转子铁芯在转轴上呈上下对称放置，两者之间通过动隔磁套隔离。
[0013] 进一步限定，所述第一转子铁芯、第二转子铁芯和动隔磁套在转轴上固定不动；所述的第一转子铁芯和第二转子铁芯连同转轴布置于所述的第一定子绕组和第二定子绕组的内环中。
[0014] 进一步限定，所述第一定子绕组、第二定子绕组、第一转子铁芯和第二转子铁芯均采用先胶粘软磁
合金叠片，叠压成毛坯件后，切割加工出最终需要的齿、槽、孔和外圆。
[0015] 进一步限定，所述转轴的两端放置第一轴承和第二轴承，所述第一轴承嵌套在防护壳的内孔上，位于第一定子绕组的下方；所述第二轴承嵌套在转筒的内孔上，且位于第二定子绕组的上方。
[0016] 优选的，所述双余度无接触变压器式角位移传感器还包括设置于防护壳一个端面的压环，所述压环用于解
锁或锁死转筒的旋转；所述转筒和压环上设置有相互配合的固定
螺纹孔。。
[0017] 优选的，所述双余度无接触变压器式角位移传感器还包括设置于防护壳和安装壳之间的限位环，所述限位环为耐高温弹性材料，安装于防护壳末端外圆所设置的环形凹槽内；所限位环用于使防护壳与安装壳之间的固定更加紧固。
[0019] (1)采用第一定子绕组9固定，而第二定子绕组7可随转筒5一起转动以调节其与第一定子绕组9之间相对位置的方式，实现两个通道输出一致性的调节，有效减少两通道输出一致性误差。相比现有技术：第一转子铁芯13固定，而第二转子铁芯15转动的调节方式，本发明的调节方法具有以下优点：可以实现实时在线调节，大幅提升输出一致性调节的效率。现有技术通过转子铁芯调节的方式必然要在调节前将转子铁芯从定子铁芯中抽出，旋转第二转子铁芯15一定角度后再插入，因此无法实现在线调节，且效率低、过程繁琐。另外，反复的抽出、插入动作很容易摩擦到定子绕组上的线圈，造成破损。
[0020] (2)逆向思维，改变传统定子铁芯和转子铁芯的加工顺序，获得叠层整齐，结构对称性好的定、转子铁芯，有效减小了产品的零位剩余
电压。对于定子铁芯叠片在叠压时还通过转动叠片的方式使得每片叠片的
轧制方向在圆周上呈一定角度均匀错开，以此来提高
磁场强度的均匀性，从而进一步减小零位剩余电压。上述措施可将传感器的零位电压从原来的10mV左右减小到1mV以内。
[0021] (3)通过在两个定子绕组之间、两个转子铁芯之间分别设置定隔磁套8和动隔磁套14，以切断两通道之间的磁路，达到良好的隔磁效果，从而有效减小了两通道之间的交叉干扰误差。
[0022] (4)通过在转轴12轴向上加工螺旋状浅凹槽用于涂覆粘结剂，使得第一转子铁芯13、动隔磁套14和第二转子铁芯15依次旋入转轴12后能够高强度固定。相比现有技术：转轴
12为圆滑光杆或仅加工几个环形槽后涂胶，本发明的方式使得转子铁芯、动隔磁套14和转轴12之间类似
螺纹连接，明显能够有效防止转子铁芯和动隔磁套14在使用过程中跟转。
[0023] (5)通过防护壳2前端台阶和限位环4与安装壳1内孔的
过盈配合，使得防护壳2及其内部零部件相对安装壳1的固定更加紧固，靠近防护壳2末端的振动不放大，抗振性能更好。这对于提高传感器在机载强振动环境下的适应性有重要意义。
[0024] (6)本发明克服了传统结构带来的输出一致性差、交叉干扰严重、产品精度低、振动环境下
稳定性差和使用寿命短等缺点，且加工和装配调节过程便捷。解决了双余度变压器式角位移传感器内部空间结构布局的技术难题，为满足余度角位移传感器的高可靠性、高精度要求发挥重要作用。另外，本发明所述的结构具有较大的通用性，适用于双余度的线性和正余弦等多种变压器式角位移传感器。
附图说明
[0025] 图1为根据本发明的双余度无接触变压器式角位移传感器的剖面图；
[0026] 图2为根据本发明的一体化转子组合的剖面图；
[0027] 图3为根据本发明的定隔磁套的主视图；
[0028] 图4为根据本发明的转筒的剖面图；
[0029] 图5为根据本发明的压环的主视图。
具体实施方式
[0030] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的
实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031] 在本发明的一个实施例中，涉及一种双余度无接触变压器式角位移传感器，包括安装壳1、防护壳2、第一定子绕组9、定隔磁套8、第二定子绕组7、转筒5、第一轴承10、第二轴承6和一体化转子组合11；所述一体化转子组合11包括转轴12、第一转子铁芯13、动隔磁套14和第二转子铁芯15；
[0032] 所述第一定子绕组9、定隔磁套8、第二定子绕组7、转筒5、第一轴承10、第二轴承6和一体化转子组合11设置于防护壳2内；所述防护壳2设置于安装壳1内；所述第一定子绕组9为环装；第二定子绕组7与第一定子绕组9的电磁参数及结构参数相同，通过第二轴承6安装于转筒5内，第一定子绕组9和第二定子绕组7之间设置定隔磁套8；所述转筒5可安装壳1内人为控制旋转至特定角度；所述第一转子铁芯13与第二转子铁芯15的几何形状相同，固定于转轴12的外表面，第一转子铁芯13和第二转子铁芯15之间设置动隔磁套14；所述第一转子铁芯13设置于第一定子绕组9的感应圈内，第二转子铁芯15设置于第二定子绕组7的感应圈内。
[0033] 在一个实施例中，所述转轴12轴向上设置有螺旋状浅凹槽，螺旋状浅凹槽外表面涂覆有粘结剂；所述第一转子铁芯13、动隔磁套14和第二转子铁芯15通过螺旋状浅凹槽安装于转轴12的轴向外表面。
[0034] 在一个实施例中，所述第一定子绕组9和所述第二定子绕组7在防护壳2的内壁上呈上下放置，且所述第一定子绕组9和所述第二定子绕组7之间通过定隔磁套8隔离；所述第二定子绕组7镶嵌于所述转筒5内；所述第一定子绕组9在所述防护壳2内固定不动；所述第二定子绕组7可随所述转筒5转动以调节其与所述第一定子绕组9之间的相对位置。
[0035] 在一个实施例中，所述定隔磁套8上开设有信号线穿孔，所述信号线穿孔用于穿过第一定子绕组9和第二定子绕组7的导线；所述定隔磁套8的中心还开设有圆孔，所述转轴12穿过圆孔。
[0036] 在一个实施例中，所述第一转子铁芯13和所述第二转子铁芯15在转轴12上呈上下对称放置，两者之间通过动隔磁套14隔离。
[0037] 在一个实施例中，所述第一转子铁芯13、第二转子铁芯15和动隔磁套14在转轴12上固定不动；所述的第一转子铁芯13和第二转子铁芯15连同转轴12布置于所述的第一定子绕组9和第二定子绕组7的内环中。
[0038] 在一个实施例中，所述第一定子绕组9、第二定子绕组7、第一转子铁芯13和第二转子铁芯15均采用先胶粘软磁合金叠片，叠压成毛坯件后，切割加工出最终需要的齿、槽、孔和外圆。
[0039] 在一个实施例中，所述转轴12的两端放置第一轴承10和第二轴承6，所述第一轴承10嵌套在防护壳2的内孔上，位于第一定子绕组9的下方；所述第二轴承6嵌套在转筒5的内孔上，且位于第二定子绕组7的上方。
[0040] 在一个实施例中，所述双余度无接触变压器式角位移传感器还包括设置于防护壳2一个端面的压环3，所述压环3用于解锁或锁死转筒5的旋转；所述转筒5和压环3上设置有相互配合的固定
螺纹孔。
[0041] 在一个实施例中，所述双余度无接触变压器式角位移传感器还包括设置于防护壳2和安装壳1之间的限位环4，所述限位环4为耐高温弹性材料，安装于防护壳2末端外圆所设置的环形凹槽内；所限位环4用于使防护壳2与安装壳1之间的固定更加紧固。
[0042] 先就具体参数和各部件的用途等对本发明作出进一步整体说明：
[0043] 参阅附图1，其是本发明双余度无接触变压器式角位移传感器较佳实施方式的结构示意图。本实施方式中，所述传感器主要包括：安装壳1、防护壳2、第一定子绕组9、定隔磁套8、第二定子绕组7、转筒5、压环3、限位环4、第一轴承10、第二轴承6、一体化转子组合11等零部件组成。其中一体化转子组合11又包含了转轴12、第一转子铁芯13、动隔磁套14、第二转子铁芯15和衬套16，见附图2。
[0044] 第一定子绕组9和第二定子绕组7均由定子铁芯及其上绕制的激励线圈和感应线圈组成，两个定子绕组的电磁参数及结构参数完全相同。定子铁芯为环形，其内壁上均匀分布有四个以上的定子齿。根据不同的
输出信号需求，在定子齿上绕制不同形式的激励线圈和感应线圈。激励线圈用于产生变化的磁场，感应线圈用于产生与定转子铁芯相对角位置成函数关系的感应电势。两种线圈一般都选用线径为0.1～0.2mm左右的漆包线。第一定子绕组9和第二定子绕组7在防护壳2的内壁上呈上下放置，且两者之间通过定隔磁套8隔离。
[0045] 定隔磁套8的结构如图3所示。其上开设有过孔L和J用于第一定子绕组9和第二定子绕组7的信号输出线穿过。定隔磁套8的中心还开设了圆孔K，用于一体化转子组合11在装配时穿过。
[0046] 在第二定子绕组7与防护壳2内壁之间还设置了转筒5，即第二定子绕组7镶嵌于转筒5内再置于防护壳2的内壁。通过在第二定子绕组7的B位置涂覆粘结剂保证其与转筒5之间无相对运动。在两通道输出一致性调节时，第一定子绕组9在防护壳2内固定不动，而第二定子绕组7可随转筒5一起转动以调节其与第一定子绕组9之间的相对位置。
[0047] 为便于旋转调节，在转筒5上开设了两个
盲孔M，如图4所示。可以使用工装夹具，将其两个销子卡在盲孔M上进行旋拧。
[0048] 在第二定子绕组7调节到位，使得两通道输出一致后，从防护壳2的末端旋拧入压环3(类似
螺母作用)，压紧固定住转筒5，使其无法在轴向和径向上活动。压环3的结构如图5所示，其与防护壳2末端的配合为螺纹O。为了便于安装，参照转筒5同样在其上开设了两个盲孔N。同时，为了加强紧固效果，在压环3的圆周上还均布了3个螺纹通孔P，用于拧入开槽锥端
紧定螺钉，直至
螺钉头部顶牢转筒5。
[0049] 在空间上第一定子绕组9、第二定子绕组7、定隔磁套8、转筒5、压环3、防护壳2六者同轴。一体化转子组合11则通过第一轴承10和第二轴承6同轴置于上述零部件的内环中，见图1。具体为：一体化转子组合11的转轴12两端F和I处分别放置了第一轴承10和第二轴承6，再将第一轴承10嵌套在防护壳2的内孔E上，且位于第一定子绕组9的下方；第二轴承6嵌套在转筒5的内孔C上，且位于第二定子绕组7的上方。
[0050] 一体化转子组合11上的第一转子铁芯13和第二转子铁芯15几何形状完全相同，每个转子铁芯可以是一对极(转子铁芯上没有齿和槽)也可以是多对极。两个转子铁芯在转轴12上呈上下对称放置，两者之间通过动隔磁套14隔离。并且保证第一转子铁芯13、第二转子铁芯15和动隔磁套14在转轴12上固定不动。三者在转轴12上的固定方式如附图2所示：首先在转轴12上设置台阶G并在轴向虚线框H所示范围内加工螺旋状浅凹槽(用于涂覆粘结剂)；
再将第一转子铁芯13、动隔磁套14和第二转子铁芯15依次套入转轴12；最后压入衬套16，利用螺旋状浅凹槽上的粘结剂将三者夹紧固定于转轴12台阶和衬套16之间。相比现有技术：
转轴12为圆滑光杆或仅加工几个环形槽后涂胶，本发明的方式使得第一转子铁芯13、动隔磁套14、第二转子铁芯15和转轴12之间类似螺纹连接，明显能够有效防止转子铁芯和动隔磁套14在使用过程中跟转。在转轴12的转动过程中，第一转子铁芯13、第二转子铁芯15与第一定子绕组9、第二定子绕组7之间可以为等气隙或不等气隙。
[0051] 本发明中所述的定隔磁套8和动隔磁套14均采用高导磁材料制成，具有良好的隔磁效果，可以有效切断两通道之间的磁路，从而有效减小了两通道之间的交叉干扰误差。
[0052] 本发明中所述的定子铁芯和转子铁芯均采用先胶粘软磁合金叠片(每片厚度一般为0.2～0.3mm)，叠压成毛坯件后，再慢走丝线切割加工出最终需要的齿、槽、孔、外圆等。而传统的加工方式为：定子铁芯和转子铁芯均采用软磁合金带料一步加工到位，获得最终所需形状的叠片，再用胶
水将多片叠片叠压成型。两种加工方法虽然仅是加工顺序不同，但效果却截然不同，前者获得的定子铁芯和转子铁芯叠层整齐，结构对称性好，有效减小了产品的零位剩余电压。且由于思维定势，人们一般认为叠片胶水粘结后相互之间不导电便无法再进行线切割，为解决这一问题，本发明提出了在叠压成毛坯件后对其表面进行打磨，直至毛坯件的上下两端面间实现导电，即可以进行后续的线切割。所以本发明所述的加工方法打破思维定势、逆向思维，具有一定的创新性。对于定子铁芯叠片在叠压时还通过转动叠片的方式使得各个叠片的轧制方向在圆周上呈一定角度均匀错开。具体方法为：在给软磁合金叠片下料时，即做好标识，在叠装时只需将后一片叠片的标识位置相对前一片的标识位置依次错开一定角度即可。本措施可以提高磁场强度的均匀性，从而进一步减小零位剩余电压。
[0053] 为提高传感器的抗振性能，保证传感器在振动环境下稳定工作，在防护壳2的末端还设置了限位环4。限位环4采用耐高温弹性材料制作，安放在防护壳2末端外圆所设置的环形凹槽内。增强抗振性能的原理为：如附图1所示，通过防护壳2前端台阶和限位环4与安装壳1的内孔A和内孔D的过盈配合，使得防护壳2及其内部零部件相对安装壳1的固定更加紧凑，靠近防护壳2末端的振动不至于放大。这对于提高传感器在机载强振动环境下的适应性有重要意义。
