CN102620641B - 一种轴向位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向位移传感器，是被动型磁电式，专门用于旋转部件的轴向位移测量，原始信号电压较高，抗干扰能力强体积小，它包括永磁块(2)，线圈(4)，定子(6)，转子(3)，转子(3)与定子(6)间设气隙(7)，还在于永磁块(2)固定在转子(3)上，使磁极(9)磁场在气隙(7)处以N-S的顺序沿转子(3)周向排列，它还具有同轴并列的两个定子(6)，在两定子(6)上靠近气隙(7)的位置设置线圈(4)，两个定子(6)的线圈(4)间具有中间缝(10)，转子(3)的磁极(9)对在中间缝(10)的中间，两定子(6)的线圈(4)出线对冲相连(8)，转子(3)转动时使感应的电动势相减从而取得信号。采用这种结构的轴向位移传感器无动态频率响应问题，令测量精度、灵敏度，及用于控制时的系统稳定性大为提高。

Description

一种轴向位移传感器

技术领域

本发明涉及一种位移传感器，特别是检测旋转部件轴向位移的传感器，它不带能量源，以磁感应方式取得位移信号，是能量转换型或称被动型磁电式传感器。

背景技术

位移传感器已形成相当庞大的产业规模，通常为包含电涡流式传感器的电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器等。它们在信号变换过程中其能量靠外电源供给属于能量控制型传感器。见《传感器技术》清华大学出版社、北京交通大学出版社，孙键民、杨清海编著2005年10月第1版，第4页。也可称主动型传感器。

磁电式传感器，是利用电磁感应原理，将被测对象的能量转换成线圈中的感应电势输出信号的一种传感器。例如《传感器技术》清华大学出版社、北京交通大学出版社，孙键民、杨清海编著2005年10月第1版，第6章介绍的恒定磁通磁电式传感器，是利用其感应电压与被测物体的运动速度的线性关系来获取该速度值。变磁阻磁电式传感器，一般都做成转速传感器，运动的铁磁性材料制成齿轮，转动中气隙厚度是不断以齿为周期改变的，即磁路中的磁阻以此周期波动，气隙中磁通波动使线圈中的感应电动势以一定的频率输出，该频率和齿数便决定了转速。它们是能量转换型或称被动型传感器。

现有技术的位移传感器在用于旋转部件比如转子的轴向位移测量时占用空间较大。再则，比如普通的电感式位移传感器频率响应较低，不适合快速动态测量，见上述《传感器技术》第81页，所以在超高转速的位移测量时较困难。新型的超高振荡频率的电感式位移传感器的价格又很高，其感应的原始信号电压较低，必须有高抗干扰的电磁屏蔽线引导。而现有技术的普通磁电式被动型传感器的结构不适用于旋转部件的轴向位移测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种被动型磁电式轴向位移传感器。它成本要低、感应的原始信号电压要高、抗干扰能力强，专门适合旋转部件的轴向位移测量，当用于对转子的轴向位移进行控制时可提高控制稳定性。

为解决上述技术问题，本发明的基本构思是：由电机原理，永磁体与转子同转，线圈在定子上静止，则线圈中感应出电动势。轴向并列两组定子线圈并且对齐，它们共享一个转子，转子设在线圈并列中间缝的中位并将该处作为初始零位，这时流过两边每个定子线圈的磁通量相等，若两边定子线圈还具有的几何角度大小和总匝数对应相等，即完全对称，转子转动时，则感应电动势相减为零；当转子有轴向偏移时，定子线圈从同一个转子磁极分享的磁通量，一边的变大而另一边变小，转子转动时，两边定子线圈的感应电动势对冲相减反映出轴向位移量；如果先整流成直流后取值之差，在并列缝的中间定z坐标零点，则可知轴向位移量和正负方向。若两边定子线圈的不完全对称，感应电动势差为零时的转子初始零位与中间缝的中位就不重合，这种情况只需由测量电路将数据作简单矫正，便可使z坐标零点移至并列缝的中间，也可以说，如果一边线圈断路，测量电路的数据矫正结果相当于两边的电动势对冲相减。

输出电动势差与位移、转速的关系为：

Δe_z＝KΔzω

Δe_z为输出电动势差；

Δz为轴向位移量；

ω为角速度转速；

K为构造系数。为常量，它与永磁的种类、转子与定子间气隙厚度、线圈的匝数个数以及排列，结构尺寸等相关。

为实现本发明基本构思的技术方案是：一种轴向位移传感器，它包括永磁块，线圈，定子，转子，转子与定子间设气隙，其特征在于永磁块固定在转子上，使磁极磁场在气隙处以N-S极顺序沿转子周向排列，它还具有同轴并列的左右两个定子，线圈设置在两定子上靠近气隙的位置，两个定子的线圈间具有中间缝，转子的磁极对在中间缝的中间，两定子的线圈出线对冲相连，转子转动时使感应的电动势相减从而取得信号。

对冲相连是指连接后线圈的电动势为相减，总幅值变小。

左和右的线圈的出线对冲相连也可以是整流对冲相连或者不整流对冲相连，前者变成直流后电动势相减可辨别位移的大小和方向，后者仅适用于辨别位移的大小。

本发明的线圈若具有相同的几何角度大小和总匝数，且周向位置相同即左右线圈对齐为最佳称为左右两边的完全对称，线圈几何角度的大小也与磁极所占的几何角度大小相等为最佳。最次者，两边中一边的线圈匝数降为零，电动势的对冲相减由测量电路的数据矫正等效来完成。这里的左、右，是以纸面上横的方向为轴向来定义的位置。

线圈可以嵌卡在硅钢片制成的定子铁芯的线槽中以减少磁阻。同样永磁块也可吸合在转子铁芯上。线圈的个数可以是单个也可以多个乃至绕z轴整周布置，线圈不是整周布置时，以两定子的线圈在同一个周向位置比较好。线圈嵌卡在定子铁芯上时，由于磁通主要经铁芯使线圈分享磁通量，中间缝在结构上由两定子铁芯形成，定子铁芯属于定子也可以认为就是定子；永磁块吸合在转子铁芯时，转子铁芯或者永磁块和转子铁芯的组合属于转子也可以认为就是转子。本方案还可以是，不设定子铁芯比如线圈固定在非金属材料的定子上，这时中间缝在结构上由两定子线圈形成；和、或者没有转子铁芯，永磁块固定在非铁磁性材料的转 子上。

每边定子的线圈可以串联在一起以提高感应电动势，也可以并联在一起以获取更好的波形，并具有即使一组线圈断线也能工作的安全冗余。这种串并联可以先整流再进行也可以串并联后再整流。

定子铁芯在气隙边缘可以为Γ形构造，Γ形上面的横可以两边出头，也可以仅在中间缝侧出头，横的端头可以平头也可以尖头。Γ形构造有利于两定子并列时，即使线圈及其绝缘层的空间占用，中间缝也能按所需的尺寸配置，以提高测量精度。Γ形构造可以是整体结构，也可以是多个零件拼装而成。

中间缝的存在是为了分割轴向的方向，z轴的零点在中间缝的中间。中间缝即让两定子间的磁通不贯通，又配备传感器所需的精度和灵敏度。为满足常规的检测和控制要求，以设定子铁芯为更好；中间缝一般以0.05mm至0.5mm宽为好。

本发明与永磁电机用途和领域不同，但是，永磁电机中转子的永磁块各种周向排布方式均适用于本发明但并不是必须布满整周，本发明的线圈排列与联接则不同于电机。

本发明的转子可以在定子外即外转子、内定子构造，也可以在定子内即内转子、外定子构造。

本发明转子的磁极可以就是永磁体自身的磁极，也可以是独立的转子铁芯吸附在永磁体上而形成磁极。为控制器数据采集和计算的便捷，永磁磁极的数量以2的整数次方倍为佳，比如2、4、8、16、32等。永磁块可以为32片，以永磁块的16对磁极，面朝气隙周向排列在转子面上。

本发明还具有转速传感器功能，信号变换电路读取波峰数除以转子的极对数便可得转子转速。

对于固定转速的应用场合，ω转速角速度为常量，得到了输出电动势差Δe_z便可知转子的位移量和方向。而对于变转速的场合，信号变换电路测得转子转速，然后将转速除电动势差得到转子的位移量和方向。本发明获得的电动势差的电压值，通常可以是以伏为单位的量级，所以抗干扰能力强。

本发明的左右两定子的线圈左右两边完全对称时，转子若有径向位移，气隙一侧大另一侧小，气隙中的磁通密度相应一侧小另一侧变大，两侧的变化量值相当；转子有侧转时，一边定子的半圈线圈流过的磁通密度变大另半圈变小，另一边定子相应的半圈线圈流过的的磁通密度变小另半圈变大。在这两种情况下，线圈绕z轴整圈布置时，单个定子的感应电动势量值基本不变；对于仅径向位移，两定子线圈非整周布置，且在同一周向位置时，两定子的感应电动势是同增同减影响也不大。总之仍然以线圈绕z轴整周布置为好，以完全消除径向 和侧转扰动耦合的影响。

在应用时，设定一系列的转子轴向位移量，测得对应的一系列电动势差来进行传感器的特性标定。

本发明的技术方案列出了为解决本案技术问题相关的各必要技术特征及其主题名称，作为主题：一种轴向位移传感器，本发明的技术方案在用于具体产品中实施时，所需的现有技术可自行加入。

本发明的有益效果：原理结构简单，根据使用条件可设计体积的大小，原始信号电压相对高，故可靠性佳。尤其是在控制系统中应用的传感器场合，比如磁悬浮轴承系统表现尤为突出，无动态频率响应问题，令控制稳定性大为提高。不依靠外界电源供电故节省能源，很适合用于飞轮储电装置，以提高效率。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

图1永磁块外转子周向排列示意图；

图2单个内定子铁芯示意图；

图3线圈在双内定子上的排布图；

图4线圈在双内定子上的另一种排布图；

图5外转子内定子一种实施例示意图；

图6永磁块内转子周向排列示意图；

图7线圈在双外定子上的排布图；

图8内转子外定子一种实施例示意图；

图9本发明实施例转子轴向位移0.1mm时的信号波；

图10本发明实施的特性线。

具体实施方式

图1是永磁块外转子周向排列示意图。永磁块2沿转子3的周向整圈排布，径向吸附在转子铁芯1的内壁上，永磁块2的磁极9面朝径向，它们以N-S极的顺序沿转子周向排列。

图2是单个内定子铁芯示意图。定子6即定子铁芯5上靠近外侧的位置开有线槽，定子铁芯5在外边缘的为Γ形构造5-1。

图3是线圈在双内定子上的排布图。两定子铁芯5同轴并列，两个定子铁芯5间形成中间缝10，两定子铁芯5上外径向侧的位置有左右完全对称一周的线圈4，中间缝10位于两定子线圈4的中间。这一周的线圈4可以全部串联，也可以间隔一个地串联然后再并联，或者均分几组串联后再并联。

图4是线圈在双内定子上的另一种排布图。两定子铁芯5同轴并列，两个定子铁芯5间形成中间缝10，两定子铁芯5上靠近外侧的位置设有左右完全对称内外两周的线圈4，两定子铁芯5的线圈4周向在同一位置，中间缝10位于两定子线圈4的中间。两周的线圈4可以每周串联后并联，也可以两周都串联，或者均分几组串联后再并联。

图5是外转子内定子一种实施例示意图。它包括永磁块2，线圈4，定子6，转子3，转子3与定子6间设气隙7，还在于永磁块2在转子3上固定，即吸合在转子铁芯1上，使磁极9磁场在气隙7中以N-S极的顺序沿转子3周向排列，它还具有同轴并列的两个定子6也就是定子铁芯5，两个定子铁芯5间形成中间缝10，在两定子铁芯5上靠近气隙7的位置分别设置两周的两边完全对称的线圈4，线圈4所占的角度大小与磁极9相等为a，中间缝10位于两定子6的线圈4之间，转子3的磁极9对在中间缝10的中间，两定子6的线圈4出线整流对冲相连8-1，转子3转动时使感应的电动势相减从而取得信号。

图6是永磁块内转子周向排列示意图。永磁块2沿转子3的周向整圈排布，周向吸附在转子铁芯1的侧壁上，转子铁芯1的外径向形成磁极9，它们面朝外径向以N-S极的顺序沿转子周向排列。

图7是线圈在双外定子上的排布图。两定子铁芯5面对面同轴并列，两个定子铁芯5间形成中间缝10，两定子铁芯5上内径的位置设有一周的线圈4，中间缝10位于两定子线圈4的中间。这一周的线圈4可以全部串联，也可以间隔一个地串联然后再并联，或者均分几组串联后再并联。定子铁芯5在外边缘为Γ形构造5-1。

图8是为内转子外定子一种实施例示意图。它包括永磁块2，线圈4，定子6，转子3，转子3与定子6间设气隙7，还在于永磁块2固定在转子3上，即吸合在转子铁芯1上，使磁极9磁场在气隙7中处以N-S的顺序沿转子3周向排列，它还具有同轴并列的两个定子6即定子铁芯5，两个定子铁芯5间形成中间缝10，在两定子6靠近气隙7的位置设置左右两边完全对称的一周线圈4，中间缝10位于两定子6的线圈4之间，转子3的磁极9对在中间缝10的中间，两定子6的线圈4出线对冲相连8，转子3转动时使感应的电动势相减从而取得信号。

图9是本发明实施例转子轴向位移0.1mm时的信号波。它是线圈4整流对冲相连8-1的电动势波形，这时转子3转速为每分钟1000转。

图10是本发明实施的特性线。可见径向位移与电压值的关系己乎是直线，灵敏度和精度都很高。

本发明并不仅仅局限于上述的实施方式。与本发明属同一基本构思的其它形式，也属于本发明的保护范围。

本发明所述的技术方案是为解决本发明所要解决的技术问题而设，相对于所要解决的技术问题建立了其技术内容的完整性。将它实施于具体的轴向位移传感器或其它产品中时，实现该产品所必需的技术特征，可以多于本发明技术方案为解决技术问题的必要技术特征的总和。

本发明各技术特征的含义按照说明书中各专有名词的定义；没有专门定义的，引入本技术领域的公知常识和技术，但该知识的范畴受限于本发明所要解决的技术问题、基本构思、技术方案，结合它在本发明所具备的功能、所起的作用和产生的效果，即参考说明书及其附图的内容进行理解，该特征名称的文字措辞不是其含义的限制，以免产生对本发明的歧义。

本发明进一步作说明，本发明的说明书及其附图所表达的所有内容仅用作权利要求的解释和理解，它不得积极、主动地介入确定权利要求保护范围，即不可作为限制，尤其是跟本发明所要解决的技术问题无关联的内容部分，更是如此。本条为说明书之内容。

Claims (10)

1.一种轴向位移传感器，它包括永磁块(2)，线圈(4)，定子(6)，转子(3)，转子(3)与定子(6)间设气隙(7)，其特征在于永磁块(2)固定在转子(3)上，使磁极(9)磁场在气隙(7)处以N-S的顺序沿转子(3)周向排列，它还具有同轴并列的左右两个定子(6)，线圈(4)设置在两定子(6)上靠近气隙(7)的位置，两个定子(6)的线圈(4)间具有中间缝(10)，转子(3)的磁极(9)对在中间缝(10)的中间，两定子(6)的线圈(4)出线对冲相连(8)，转子(3)转动时使感应的电动势相减从而取得信号。

2.如权利要求1所述的轴向位移传感器，其特征还在于：所述的对冲相连(8)是整流对冲相连(8-1)。

3.如权利要求1所述的轴向位移传感器，其特征还在于：所述的线圈(4)嵌卡在两定子(6)的定子铁芯(5)上，定子铁芯(5)在气隙(7)边缘为Γ形构造(5-1)，中间缝(10)由并列的两定子铁芯(5)所形成。

4.如权利要求1所述的轴向位移传感器，其特征还在于：所述的线圈(4)在左右两个定子(6)上左右完全对称。

5.如权利要求1所述的轴向位移传感器，其特征还在于：所述的磁极(9)数量为2的整数次方倍。

6.如权利要求1所述的轴向位移传感器，其特征还在于：所述的中间缝(10)为0.05mm至0.5mm宽。

7.如权利要求4所述的轴向位移传感器，其特征还在于：所述的线圈(4)所占的角度大小与磁极(9)相等。

8.如权利要求7所述的轴向位移传感器，其特征还在于：所述的中间缝(10)为0.05mm至0.5mm宽。

9.如权利要求8所述的轴向位移传感器，其特征还在于：所述的磁极(9)数量为2的整数次方倍。

10.如权利要求9所述的轴向位移传感器，其特征还在于：所述的对冲相连(8)是整流对冲相连(8-1)。