最常见的电机位置传感器有哪些

 

 1. 最常见的电机位置传感器有哪些？

用于电机的最先进的位置传感器被认为是基于旋转变压器（resolver-based）和编码器（encoder-based）的传感器。

1.1基于旋转变压器的传感器（Resolver-Based Sensors）

转转变压器是旋转机电装置（rotary electromechanical devices），可以提供高分辨率（high-resolution）的位置和速度反馈。采用磁性转子（magnetic rotor）和定子（stator）来检测旋转角度，并将其转换成模拟信号（analog signal）。特点是高精度（high accuracy）、耐用（durability）和对极端环境（如高温和振动）的抵抗力好（resistance to extreme environments）。

1.2基于编码器的传感器（Encoder-Based Sensors）

检测（detect）并将线性或旋转运动（linear or rotary motion）转换成电信号。基于编码器的传感器有各种类型，如绝对（absolute）和增量（incremental）编码器，可以提供高精确度、分辨率和可靠性（high accuracy, resolution, and reliability）。

1.3 其他先进位置传感器类型包括：

霍尔效应传感器（Hall Effect Sensors）：这是一种固态装置（solid-state devices），可以检测磁场的存在和强度。特点是成本低、体积小、易于集成（low cost, compact size, and ease of integration）。

磁场传感器（Magnetic Field Sensors）：磁场传感器的特点是高精度、高灵敏度和抗干扰性（high accuracy, sensitivity, and immunity to interference）。

基于激光的传感器（Laser-Based Sensors）： 基于激光的传感器使用激光束（laser beams）来检测转子的位置和速度。特点是高分辨率、高精度和非接触操作（high resolution, accuracy, and non-contact operation）。基于激光的传感器经常用于对精确度和位置反馈要求高的高性能应用。

2. 汽车电机中最常用的先进位置传感器

汽车电机应用中使用的最先进的位置传感器之一是旋转变压器（resolver)。以其坚固性、准确性和在恶劣环境下可靠运行的能力而闻名（robustness, accuracy, and ability to operate reliably in harsh environments）。其特点包括以下几个方面：

高精度：可以提供高精度的位置反馈，从而实现对电机的精确控制。它们具有出色的线性（linearity）和低滞后性（low hysteresis），能够在广泛的运行条件下进行准确的位置感应（accurate position sensing across a wide range of operating conditions）。

耐用性（Durability）：以其耐久性和承受极端温度、振动和冲击（withstand extreme temperatures, vibrations, and shocks）的能力而闻名。

耐高温（High Temperature Resistance）：可以在高温环境下运行而不降低性能。这种能力在电机应用中特别重要，因为电机的运行会导致温度上升。

抗电磁干扰（EMI，Resistance to Electromagnetic Interference）： 与其他传感器相比，resolver不容易受到电磁干扰。即使车辆中其他部件产生的电磁噪声（electromagnetic noise），它们也能保持可靠的运行。

广泛的运行范围（Wide Operating Range）：可以在广泛的旋转速度范围内提供准确的位置反馈，使其适用于各种电机应用，包括低速和高速电机。

寿命长：结构坚固，无易受磨损或老化部件（absence of electronic components susceptible to wear or aging），寿命通常是几万到几十万个小时。

虽然旋转变压器电机应用提供了先进的位置传感功能，但需要注意的是，位置传感器的选择取决于各种因素，如应用的具体要求、成本考虑和系统集成限制。其他先进的位置传感技术，如编码器和霍尔传感器，也可以根据汽车电动电机应用的具体需求来使用。

3. 旋转变压器的设计

旋转变压器是一种特殊的旋转变压器（rotary transformer），由一个圆柱形的转子和定子（cylindrical rotor and stator）组成。转子和定子都是用多槽叠片（multi-slot laminations）和两套绕组（two sets of windings）制造。绕组通常是以恒定（constant）或可变（variable）螺距-可变匝数的方式（pitch-variable turn pattern）分布在槽形层叠片（slotted lamination）中。两种情况下，绕组的分布都是正弦波模式（sinusoidal pattern）。

单速旋转变压器（a single speed resolver）的绕组在一次机械旋转中产生一条完整的正弦曲线（Sine curve）和余弦曲线（Cosine curve），而多速旋转变压器的绕组在一次机械旋转中产生多条正弦和余弦曲线（multiple Sine and Cosine curves）。

单速提供绝对反馈（absolute feedback），多速提供更好的精度（better accuracy）。可用的速度数量（number of speeds）受限于旋转变压器的尺寸（size of the resolver）。两组绕组在叠片中的相互位置成90度（positioned at 90 degrees to each other）。它们被称为正弦和余弦绕组（Sine and Cosine windings）。

典型的旋转变压器有三个绕组 ： 一个初级绕组（primary winding）和两个次级绕组（secondary windings）。初级绕组作为交流驱动信号的输入，而每个次级绕组则作为拾取（pick up）或接收绕组（receive windings）。在上图中，转子由钢或铁等材料制成，相对于绕组排列，因此将根据其旋转角度将不同的能量耦合到次级绕组。

4. 旋转变压器传感器的制造工艺（manufacturing process）

4.1 部件准备 （Component Preparation）

绕组（Windings）：初级和次级绕组是将细铜线绕（thin copper wire）在各自的磁芯或线轴上。绕组的圈数和精确排列（precise arrangement）对旋转变压器的性能至关重要。

转子和定子磁芯（Rotor and Stator Cores）： 转子和定子铁芯通常由硅钢叠片（laminated silicon steel）或其他磁性材料制成，通过冲压（stamping）或机加工（machining），来达到所需的形状和尺寸。

4.2 组装（Assembly）

转子组装：绕组精准插入转子铁芯，确保绕组和铁芯之间正确对齐和绝缘（proper alignment and insulation）。

定子组装：绕组插入定子铁芯，遵循特定的模式和布置（patterns and arrangements），以达到预期的电气特性（electrical characteristics）。绝缘材料用于分离绕组并防止电气短路（electrical short circuits）。

轴承和轴的集成（Bearing and Shaft Integration）：轴承和轴集成在转子和定子部件中，以实现平稳旋转。

4.3连接和终端（Connection and Termination）：

引线（Lead Wires）： 电气导线连接到绕组上，以便与外部电路或系统连接。

终端集成（Terminal Integration）：端子或连接器添加到旋转变压器传感器上，方便电气连接。  

4.4封装和保护（Encapsulation and Protection）：

灌封或封装（Potting or Encapsulation）： 旋转变压器传感器部件通常用保护材料浇注或封装，如环氧树脂（epoxy resin）或热塑性塑料（thermoplastic），以提供机械稳定性，防止环境因素影响（如湿气、灰尘），以及电气绝缘。

4.5 密封剂和涂层（Sealants and Coatings）：

可以使用额外的密封剂或涂层，以进一步避免受到潮湿、化学品或其他恶劣条件（harsh conditions）的影响。

4.6 测试和质量控制（Testing and Quality Control）：

电气测试（Electrical Testing）： 旋转变压器传感器要经过电气测试，以确保正常的功能、准确性和性能。这可能包括测量绕组电阻（resistance）、阻抗（impedance）、线性度（linearity,）和绝缘电阻的测试。

校准（Calibration）： 可通过将其输出与参考标准相比较，或通过施加已知的输入来验证其准确性和线性度，进而校准旋转变压器传感器。

4.6 最终检验和包装（Final Inspection and Packaging）：

最终检验：旋转变压器传感器组件经过最终检验，以验证其质量、功能和规格是否符合要求。

包装：包装并准备装运，通常采用保护性包装（protective packaging），以防止在运输和储存过程中出现损坏。

需要注意的是，制造过程可能会根据旋转变压器传感器的具体设计、技术和制造商不同而有所不同。上述步骤提供了生产旋转变压器传感器所涉及的典型制造工艺的总体概况。

5. Resolver可能出现的制造缺陷

信号噪音（Signal Noise）： 屏蔽不良（Poorly shielded）的旋转变压器传感器可能容易受到电磁干扰（susceptible to electromagnetic interference），导致输出信号出现噪声。这可能导致位置测量不准确和分辨率降低（reduced resolution）。

信号失真（Signal Distortion）：信号失真可能是由于绕组排列不当（improper winding alignment）、绕组张力不一致（inconsistent winding tension）或磁芯的制造缺陷等问题造成。信号失真会导致位置检测不准确，影响旋转变压器传感器的整体性能。

绝缘故障（Insulation Failure）： 绕组之间的绝缘不足（Inadequate insulation）或因制造缺陷造成的绝缘破裂（insulation breakdown）会导致电短路（electrical shorts），影响旋转变压器传感器的精度和可靠性。绝缘故障还可能导致信号噪音或不稳定。

校准错误（Calibration Errors）：校准错误可能发生在制造过程中，或由于外部因素（external factors），如温度变化或机械应力（mechanical stress），导致校准错误。

材料缺陷（Material Defects）： 铁芯材料或绕组的缺陷，如裂缝（cracks）、空隙（voids）或杂质（impurities），会影响旋转变压器传感器的性能和耐久性（performance and durability）。这些缺陷可能导致信号退化（signal degradation）、机械故障（mechanical failures）或传感器过早失效（premature sensor failure）。

环境敏感度（Environmental Sensitivity）： 旋转变压器传感器可能会暴露在恶劣的工作条件（harsh operating conditions）下，包括高温（high temperature）、潮湿（humidity）、振动（vibrations）或污染物（contaminants）。如果旋转变压器传感器的设计和制造不能承受这些条件，就会导致性能下降或失效。

连接器或终端问题（Connector or Termination Issues）： 劣质的连接器、不当的终端或薄弱的焊点（weak solder joints）会导致间歇性或不可靠的电气连接，导致信号不稳定（signal instability）或信号丢失（signal loss）。

值得注意的是，旋转变压器传感器制造商必须采用严格的质量控制措施（employ stringent quality control measures），以尽量减少这些缺陷。然而，在某些情况下，由于制造误差（manufacturing variations）、材料问题或其他因素，仍然可能出现缺陷。全面的测试、检查和质量保证过程对于识别和纠正任何缺陷（identify and rectify any defects）至关重要。

        审核编辑：彭菁