CN106441381B - 一种磁电式转动参数测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁电式转动参数测量装置，其包括同轴设置的定子和转子，所述转子除包括转轴外还包括相对于所述转轴固定且与转轴同轴的多极磁环，所述多极磁环在转动过程中在周围产生周期性变化的磁场；所述定子包括磁路和磁电换能器，所述磁路汇聚所述多极磁环产生的周期变化磁场并将其传递给所述磁电换能器，所述磁电换能器通过感应变化磁场，形成与磁场强度变化一致的电信号。本方案结构简单、灵敏度高，其能够解决现有传感器成本高、不适应恶劣环境的问题。

Description

一种磁电式转动参数测量装置
技术领域
本发明涉及转动参数测量技术，具体是一种磁电式转动参数测量装置。
背景技术
转动是机械运动的一种基本形式，广泛存在于和国家安全、国民生产建设紧密联系的各类应用中，转动过程中的速度、位置等参数与各类安全高效的正常运行息息相关。为了实时监控速度、位置等参数的变化，相关的传感器被大量使用。目前被广泛应用的转动参数传感器有光栅、感应同步器、磁栅等，这些传感器的原理均是基于空间精密刻划技术，其优点是精度高，缺点是成本高，且不适合在恶劣环境中使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁电式转动参数测量装置，其结构简单、灵敏度高，其能够解决现有传感器成本高、不适应恶劣环境的问题。
本发明的技术方案如下：
一种磁电式转动参数测量装置，其包括同轴设置的定子和转子，所述转子除包括转轴外还包括相对于所述转轴固定且与转轴同轴的多极磁环，所述多极磁环在转动过程中在周围产生周期性变化的磁场；所述定子包括磁路和磁电换能器，所述磁路汇聚所述多极磁环产生的周期变化磁场并将其传递给所述磁电换能器，所述磁电换能器通过感应变化磁场，形成与磁场强度变化一致的电信号。
进一步的，所述磁路包括扼磁环和多个磁场汇聚块，多极磁环的极对数与磁场汇聚块的对数一致，在扼磁环和与每个磁场汇聚块之间都安装一个磁电换能器；所述扼磁环通过将磁场束缚在其内部从而与所述磁电换能器、磁场汇聚块、多极磁环构成闭合磁路。
进一步的，所述磁场汇聚块环绕分布于多极磁环外侧，所述磁场汇聚块的宽度可根据所述磁电换能器的输出要求进行调节。
进一步的，所述磁电换能器包括磁致伸缩层和压电层，其长度方向在所述定子的径向上。
进一步的，所述磁场汇聚块、扼磁环分别设有U形槽，所述磁电换能器的一端安装在磁场汇聚块的U形槽中，磁电换能器的另一端安装在扼磁环的U形槽中，所述U形槽用于对磁电换能器施加预应力以提高磁电换能器输出信号的性能。
进一步的，所述多极磁环的磁极对数至少为两对。
进一步的，还包括相对于定子固定的壳体，所述定子和转子封装于壳体内，所述转轴通过轴承支撑连接在壳体内。
本发明中，多极磁环随转轴转动产生周期性变化的磁场，磁场经磁路传递，被磁电换能器感应到，磁电换能器感应到磁场变化时导出电信号，该电信号随磁场的变化而变化。而磁场的变化与转子相对于定子的空间位置对应，也即是转过的角度对应，因而电信号的相位与定、转子的相对位置具有一一对应关系，电信号的频率与转子的转速具有一一对应关系。通过检测电信号的相位即可实现转动位置的测量，通过检测电信号的频率即可实现转动速度的测量。本装置避免采用现有技术中的磁栅、霍尔元件等一类感应元件，而采用磁电换能器来感应磁场，通过磁电换能器输出的电荷变化实现转动参数的测量，其成本较低，受环境因素限制较少，能够适应恶劣环境。
本方案还通过轭磁环和磁场汇聚块作用于磁场，多极磁环与磁场汇聚块、轭磁环及磁电换能器形成闭合磁路，使磁场在磁路内避免外散；将磁场集中到磁电换能器中，加大磁电换能器感应到的磁场强度，从而提高磁电换能器的电信号质量。还通过对磁场汇聚块的具体布置，使转子旋转一周，磁电换能器导出的电信号正好经过整数个周期，使每个磁电换电器上导出的电信号相位一致，从而可以将各个电信号直接相加，增大输出信号，提出本装置测量的灵敏度。
所述磁电换能器采用磁致伸缩层和压电层构成，在外磁场的变化作用下，磁致伸缩层产生应力或应变，此机械运动传递到压电层，由于压电效应，在压电层的上下表面堆积电荷，将电荷引出来就形成了电信号，电信号的幅值大小与磁场的大小相关。磁电换能器的长度方向设置在定子的径向上，感应到的磁场变化明显，磁致伸缩层产生应力或应变也较大，从而使压电层导出的电荷量较多，产生的电信号明显，利于测量分析。
此外，磁场汇聚块、轭磁环的U形槽除了起到固定安装磁电换能器的作用，还能够对磁致伸缩层和压电层施加一定的预应力，进而提高电信号的输出性能。壳体对转子和定子起固定和封装作用，保护转子和定子运转时不受干扰，轴承控制转轴在轴向、径向的移动，保证导出的电信号稳定有效。
本方案是基于多极磁环换能结构设计的转动参数测量装置，其具有体积小、灵敏度高、加工制作方便、抗恶劣环境等优点，具有显著的经济、实用价值和广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构***图；
图2为本发明的磁场汇聚块和轭磁环的结构示意图；
图3为本发明的定子的结构示意图；
图4为本发明的磁电换能器的一种实施例的结构示意图；
图5为本发明的磁电换能器在磁场最强时的示意图；
图6为本发明的磁电换能器在磁场最弱时的示意图。
具体实施方式
本发明通过磁电换能器将由于多极磁环的转动而产生的空间磁场的变化转换为与相应的电信号的变化，从而实现转动参数的测量。下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
一种磁电式转动参数测量装置，如图1所示，其包括同轴设置的定子2和转子1，运转时，定子2不动，转子1转动，所述转子1除包括转轴12外还包括相对于所述转轴12固定且与转轴12同轴的多极磁环11，所述多极磁环11在转动过程中在周围产生周期性变化的磁场。所述定子2包括磁路和磁电换能器23，所述磁路汇聚所述多极磁环11产生的周期变化磁场并将其传递给所述磁电换能器23，所述磁电换能器23通过感应变化磁场，形成与磁场强度变化一致的电信号。
所述多极磁环11随转轴12转动产生周期性变化的磁场，磁场经磁路被磁电换能器23感应到，磁电换能器23感应到磁场变化时导出电信号，该电信号随磁场的变化而变化。而磁场的变化与转子1相对于定子2的空间位置对应，也即是转过的角度对应，因而电信号的相位与定、转子1的相对位置具有一一对应关系，电信号的频率与转子1的转速具有一一对应关系。通过检测电信号的相位即可实现转动位置的测量，通过检测电信号的频率即可实现转动速度的测量。
所述磁路采用轭磁环21和多个磁场汇聚块22组建，如图2、3所示，多极磁环11的极对数与磁场汇聚块22的对数一致，在扼磁环和与每个磁场汇聚块22之间都安装一个磁电换能器23，使磁电换能器23处于磁场汇聚块22与轭磁环21之间磁场最强的位置。所述扼磁环通过将磁场束缚在其内部从而与所述磁电换能器23、磁场汇聚块22、多极磁环11构成闭合磁路。
多极磁环11采用径向磁极的磁环，其产生形状相同的分磁场数量与其极对数n相关。所述磁场汇聚块22呈弧形条状，其环绕分布于多极磁环11外侧，所述磁场汇聚块22的宽度可根据所述磁电换能器23的输出要求进行调节。当转子1相对于定子2转过2π/n角度后，磁电换能器23导出的信号正好经过一个周期，此信号的相位和空间位移具有一一对应关系，此信号的频率和转速具有一一对应关系。每个磁电换电器上导出的信号相位一致，从而在信号处理时可以将各个电信号直接相加处理。
实施例中可采用PMP型磁电换能器23，如图4所示，由中间的磁致伸缩层231和上下两压电层232组成，其长度方向在所述定子2的径向上。磁电换能器23在外磁场的作用下，磁致伸缩层231产生应力或应变，此机械运动通过粘结磁致伸缩层231和压电层232的粘结层传递到压电层232，由于压电效应，在压电层232的上下表面堆积电荷，将电荷引出来就形成了电信号，此电信号的幅值大小与外磁场的大小有关。磁致伸缩层231感受环境中的磁场，因磁场的强弱不同，伸缩层的伸缩尺寸不同，这种伸缩尺寸的不同在压电层232上会产生不同的应力或应变，从而在压电层232上产生的电信号的幅值也不一样。
本例采用的PMP型结构形式不应当作为本发明技术方案的限制或限定，它也可以是压电层232在中间，两边是磁致伸缩层231的MPM型三层结构，也可以是MP型的两层结构或其它多层结构形式。
所述磁场汇聚块22、轭磁环21分别设有U形槽24，所述磁电换能器23的一端安装在磁场汇聚块22的U形槽24中，磁电换能器23的另一端安装在轭磁环21的U形槽24中，该U形槽24与磁电换能器23构成牙形磁路，磁场从多极磁环11产生后，经磁场汇聚块22、磁电换能器23进入轭磁环21，再从轭磁环21流到相邻的磁电换能器23、磁场汇聚块22后回到多极磁环11。牙形磁路能够减少漏磁使磁场最大限度的通过磁电换能器23。U形槽24还可以对磁电换能器23施加预应力以提高磁电换能器23输出信号的性能。
以图5、6中两对极的多极磁环11为例，当测量装置的定、转子1处于如图5所示位置时，在多极磁环11、磁场汇聚块22、磁电换能器23、轭磁环21中形成的磁场如图5所示，此时，在磁电换能器23上产生的磁场最强，从磁电换能器23的压电层232上导出的电压也越大，在多极磁环11顺时针旋转过程中，磁场汇聚块22汇聚的磁场会逐步减弱，当转到如图6所示位置时，磁场汇聚块22汇聚的磁场达到最小，磁致伸缩层231感受到的磁场也就越弱，从而在压电层232上导出的电压也就越小，多极磁环11继续旋转，磁致伸缩层231感受到的磁场会逐渐变强，从压电层232上导出的电压也会随之变大，如此往复。因磁致伸缩层231只感受磁场大小，所以当多极磁环11转过一个对极，通过磁致伸缩层231的磁场强度则经过了两个周期，即是当磁环转过360度，通过磁致伸缩层231的磁场强度随着位置的变化将产生四个周期的变化，在压电层232上导出的电压则相应的为四周期信号。通过检测磁电换能器23导电层上导出的电压信号的相位值，就可以知道多极磁环11和转子1相对于定子2转过了多少角度，从而实现转动角度的测量，通过检测导出电压信号的频率就可知道转动速度，从而实现转动角度和转动速度的同时测量。
本装置在实际运用中，会采用外壳来封装转子1和定子2，如图1中的壳体5、6相对于定子2都是固定的，转子1则安装在壳体5、6内，壳体5、6起固定和封装的作用。所述转轴12的一端连接轴承3，右边的轴承4是和定子2联接在一起的，轴承3、4起支撑旋转轴12的作用，使转轴12实现转动，控制转轴12在轴向、径向的移动。

Claims (5)

1.一种磁电式转动参数测量装置，包括同轴设置的定子和转子，其特征在于：所述转子除包括转轴外还包括相对于所述转轴固定且与转轴同轴的多极磁环，所述多极磁环在转动过程中在周围产生周期性变化的磁场；所述定子包括磁路和磁电换能器，所述磁路汇聚所述多极磁环产生的周期变化磁场并将其传递给所述磁电换能器，所述磁电换能器通过感应变化磁场，形成与磁场强度变化一致的电信号；
所述磁路包括轭磁环和多个磁场汇聚块，所述磁场汇聚块环绕分布于多极磁环外侧，在轭磁环与每个磁场汇聚块之间都安装一个磁电换能器；所述轭磁环通过将磁场束缚在其内部从而与所述磁电换能器、磁场汇聚块、多极磁环构成闭合磁路；
所述磁场汇聚块、轭磁环分别设有U形槽，所述磁电换能器的一端安装在磁场汇聚块的U形槽中，磁电换能器的另一端安装在轭磁环的U形槽中，所述U形槽用于对磁电换能器施加预应力以提高磁电换能器输出信号的性能；
所述磁电换能器包括磁致伸缩层和压电层，其长度方向在所述定子的径向上。
2.根据权利要求1所述的一种磁电式转动参数测量装置，其特征在于：所述多极磁环的极对数与磁场汇聚块的对数一致。
3.根据权利要求2所述的一种磁电式转动参数测量装置，其特征在于：所述磁场汇聚块的宽度可根据所述磁电换能器的输出要求进行调节。
4.根据权利要求1所述的一种磁电式转动参数测量装置，其特征在于：所述多极磁环的磁极对数至少为两对。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种磁电式转动参数测量装置，其特征在于：还包括相对于定子固定的壳体，所述定子和转子封装于壳体内，所述转轴通过轴承支撑连接在壳体内。
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