CN103913590A - 用于轨道交通的基于磁性原理的转速传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于轨道交通的基于磁性原理的转速传感器，包括器座、轴系组件、盖体，器座与盖体围成的空腔中设置电路模块、磁码盘，磁码盘固定在转轴上端，磁码盘的圆周设置多个磁极对，磁极对的N极、S极交替分布，电路模块包括磁敏元件、电路板，磁敏元件正对磁码盘磁极对的磁极；随着磁码盘旋转，磁极对的N极、S极交替接近磁敏元件，磁敏元件感应到磁场变化，电路板中的信号处理电路处理感应信号并输出脉冲信号，空腔中可固定多个电路模块，每个电路模块中包含两个90°相位差的磁敏元件。本发明可精确测量转轴的转速，耐污染性能好，不易老化，结构简单。

Description

用于轨道交通的基于磁性原理的转速传感器

技术领域

本发明涉及转速传感器，尤其涉及用于检测轨道交通机车转轴转速的传感器。

背景技术

目前转速传感器主要有以下几种，一种是光电测速传感器，光电测速传感器由光电模块、光栅、外壳、传动抽、连接器及电缆等组成，它通过轮轴转动带动光栅盘扫描，利用光电效应的原理，输出频率与轮轴转速成正比的电脉冲信号；另一种是霍尔转速传感器，霍尔转速传感器安装在机车齿轮端盖上，传感器由安装法兰、霍尔元件、磁钢、外壳以及输出电缆组成，霍尔元件置于固定磁场中，随着齿轮转动，轮齿与齿槽交替接近霍尔元件，霍尔元件感应到周围磁场强度变化，经过信号处理输出频率与齿轮转速成正比的信号；还有一种磁电转速传感器，安装在机车齿轮端盖上，磁电转速传感器由感应线圈、磁铁、安装法兰、外壳以及输出电缆组成，传感器随着齿轮转动输出频率与转速成正比的正弦波信号。

现在轨道交通正飞速发展，机车的速度越来越高，高速运行机车的安全性不容忽略，那么对机车转轴转速的监测必不可少，目前用于机车转轴测速的传感器主要是光电测速传感器，但光电测速传感器应用到机车上的缺陷体现在：1、光电模块的光源是发光二极管，发光二极管总是在老化，经过一段时间使用后它的光强会明显降低，为补偿损失而使用专用调节器逐渐增加通过发光二极管的电流，但这样又会进一步加速了其老化过程，处于安全考虑，使用30万公里或五年之后就须更换光电模块，增加了运行成本，另外光电模块中的光敏元件也会逐渐老化，性能变差，增加了安全隐患。2、用于转轴测速时，转轴、传动轴、连接器等为了润滑或密封，会采用润滑油等，而光电转速传感器的光栅、光电模块等容易被油污、水汽、灰尘、异物等污染，导致光缝堵塞，造成产品故障。

轨道交通中采用霍尔传感器或其它磁电传感器也存在缺陷，1、高铁车辆速度高，并且到站停靠位置精确定位，都要求对机车速度严格的监控，目前的霍尔传感器精度达不到轨道交通机车的要求。2、在转速较低的条件下，其它磁电转速传感器无信号输出，导致机车控制系统在机车低速时无法读取磁电转速传感器速度信号。

 因此，设计一种适合轨道交通机车的转速传感器是非常必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的上述不足而提供一种用于轨道交通的基于磁性原理的转速传感器，可精确测量转轴的转速，耐污染性能好，不易老化，结构简单。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：用于轨道交通的基于磁性原理的转速传感器，包括器座、轴系组件、盖体，盖体固定于器座上，轴系组件的转轴上端延伸至器座与盖体围成的空腔中，器座与盖体围成的空腔中设置电路模块、磁码盘，磁码盘固定在转轴上端，磁码盘的圆周设置多个磁极对，磁极对的N极、S极交替分布，电路模块包括磁敏元件、电路板，磁敏元件正对磁码盘磁极对的磁极；随着磁码盘旋转，磁极对的N极、S极交替接近磁敏元件，磁敏元件感应到磁场强度变化，电路板中的信号处理电路处理感应信号并输出脉冲信号。

为检测磁码盘旋转方向，每个电路模块中包含两个磁敏元件，两个磁敏元件感应到的两路信号相互隔离，并且两路信号有90°相位差。

优选的磁码盘为圆盘形，磁极对的磁极沿圆盘的径向均匀分布，N极、S极交替位于磁码盘的圆周侧边。

也可采用另一种结构的磁码盘，磁码盘为圆盘形，磁极对位于圆盘中，且磁极对的磁极沿圆盘的轴向均匀分布，N极、S极交替位于磁码盘圆周的上方。

上述电路模块固定于器座上部的凸台，电路模块包括壳体、壳盖、磁敏元件、电路板，壳体外固定磁敏元件，磁敏元件正对正对磁码盘磁极对的磁极，壳体上设置插线口，壳体与壳盖围成的空腔中设置电路板，电路板内集成信号处理电路，电路板与磁敏元件、插线口电连接， 壳体与壳盖围成的空腔中灌封胶。

为实现多路输出，器座与盖体的空腔中固定多个电路模块。

上述电路板内还集成有稳压电源、 浪涌防护电路、防反接电路、滤波电路。

上述轴系组件包括联动轴、万向联轴器、固定件、转轴、护套，联动轴通过万向联轴器与转轴的下端活动连接，万向联轴器外套装柔性护套，固定件套装在转轴外围且固定于器座中心的圆孔内，转轴可在固定件内旋转，其上端伸出固定件并延伸到器座的上方，转轴的上端轴肩上依次套装磁码盘、压板、止动垫圈、螺母。

上述器座的侧壁设置接线通道，接线通道连通器座与盖体围成的空腔，器座上设置多个固定孔。

本发明的优点在于：1、磁码盘固定在转轴上，磁码盘上设置多个磁极对，磁敏元件正对磁极，随着磁码盘的转动，N极、S极交替接近磁敏元件，磁敏元件可感应到磁场变化，信号处理电路处理感应信号并输入脉冲信号，这种测速装置结构简单，不易因油渍、灰尘等影响性能，脉冲的数量取决于磁极对的数量、密集度，可通过增加磁极对的数量、密集度提高测速精度。2、设置多个电路模块，可实现测速信号的冗余设计，实现多路信号输出。每个电路模块中设置两个正对磁极的磁敏元件，输出两路信号，将两路信号设置有90°的相位差，通过比较两路信号的相位关系，即可判断磁码盘、转轴的旋转方向。3、磁码盘中的磁极对的设置方式可以是径向的或轴向的，可根据使用条件选择。4、电路模块采用壳体、壳盖、磁敏元件、电路板一体化结构，生产与装配效率高，电路板位于填充灌封胶的空腔内，抗震防水性好，电路板内集成的浪涌防护电路等提高其抗干扰性。5、轴系组件的结构中，转轴与联动轴的连接牢靠灵活，转轴与磁码盘的固定牢固，保证传感器能精确地检测被测机车转轴的旋转速度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明实施例一中卸下盖体后的结构示意图。

图3是图2的另一视角的结构示意图。

图4是图2的爆炸分解图。

图5是图2的另一爆炸分解图。

图6是电路模块结构示意图。

图7是电路模块的结构分解图。

图8是实施例一中磁敏元件与磁码盘的位置关系示意图。

图9是电路模块中的电路原理图。

图10是本发明实施例二的结构示意图。

图11是本发明实施例三的结构分解图。

图12是本发明实施例四中磁码盘结构及其与磁敏元件的位置关系图。

图13是本发明实施例四中磁码盘与磁敏元件位置关系示意图。

图中：1、盖体，2、器座，21、固定孔，22、接线通道，23、凸台，3、轴系组件，31、联动轴，32、万向联轴器，33、固定件，34、转轴，35、护套，4、电路模块，40、壳体，41、插线口，42、磁敏元件，43、安装孔，44、壳盖，45、电路板，46、磁敏元件Ⅱ，5、磁码盘，50、轴向充磁的磁码盘，6、压板，7、螺母，8、止动垫圈。

具体实施方式

下面结合附图、实施例对本发明进一步说明。

实施例一：

如图1所示用于轨道交通的基于磁性原理的转速传感器，在传感器的器座2的上方固定盖体1，器座2的下方固定轴系组件3，器座2与盖体1围成的空间内设置传感器的测速部件。

拆卸盖体后的结构如图2、图3、图4及图5所示，器座2上设置多个固定孔21，固定孔21用于将器座2固定于轨道交通机车的转轴外部的部件上，器座2的侧壁上设置接线通道22，接线通道22连通器座2和盖体1的内部空间，通道内部用于布设电源线、信号线等，接线通道22的外接口可固定传感器的电缆接头等。器座2的中心位置设置圆孔，用于装配轴系组件3。

轴系组件3包括联动轴31、万向联轴器32、固定件33、转轴34、护套35。联动轴31通过万向联轴器32与转轴34的下端活动连接，为了保护万向联轴器32，在万向联轴器32外套装柔性护套35，固定件33套在转轴34外围，固定件33固定于器座2并穿过器座中心的圆孔，转轴34可在固定件33内旋转，转轴34上端伸出固定件33并延伸到器座2的上方，转轴34的上端带有外螺纹及定位槽。

电路模块4固定在器座2上部凸台23上，凸台23的中心孔与器座2中心的圆孔同轴。电路模块4的结构如图6、图7所示，电路模块包括壳体40、壳盖44，壳体40内部空腔中设置电路板45，壳体10正对转轴34的侧壁上固定磁敏元件42，壳体40的上部设置插线口41，接线口41内设置插线端，插线端、磁敏元件42均与壳体40内部空腔中的电路板45电连接，壳体40的下部带有安装孔43，用于将壳体40固定与器座2的凸台23上。电路板45与磁敏元件42、接线口41内的插线端电连接后，壳体40内部空腔灌封胶，提高抗震性及防水防尘性，之后将壳盖44固定于壳体40。电路板45内集成有防护电路、信号处理电路、稳压电源等，防护电路包含浪涌防护电路、防反接电路、滤波电路等，提高传感器抗干扰性能，稳压电源为磁敏元件42提供稳定的电源，信号处理电路对磁敏元件感应到的信号进行处理，最终输出脉冲信号。传感器的电路原理如图9所示。

磁敏元件42可采用霍尔元件或磁阻元件。

磁码盘5的结构如图8所示，磁码盘5为圆盘形，磁码盘5的外围部分有多个磁极对，充磁方向为圆盘形的径向，磁极对的磁极沿圆盘的径向均匀分布，各个磁极对均匀充磁且N极、S极交替位于磁码盘5外圆周侧边。磁码盘5的中心设有圆孔，可套在转轴34的上端且位于固定件33的上方，且有转轴34的轴肩支撑。

装配后，电路模块4中的磁敏元件42位于磁码盘5的侧面，磁敏元件42正对磁极，当磁码盘5转动时，N极、S极交替接近磁敏元件42，磁敏元件42可感应到磁码盘5周围的磁场变化，磁敏元件42的感应信号经电路板中的信号处理电路处理即可输出脉冲信号，当磁码盘5转动一周，有多少个磁极对则磁敏元件42输出多少个脉冲，通过对信号的检测，可计算出磁码盘5的转速值，因此，可以通过增加磁极对的数量、磁极对的密集度，使脉冲信号更精确。

每个电路模块4中可设置一个磁敏元件42，也可设置两个磁敏元件42。

当设置两个磁敏元件42时，两个磁敏元件输出两路信号，两路信号电隔离，避免相互干扰。两路信号有90°相位关系，在检测磁码盘5转速时，通过比较两路信号的相位关系，即可判断磁码盘的旋转方向，例如第一个磁敏元件的信号提前于第二个磁敏元件的信号，就说明磁码盘从第一个转向第二个磁敏元件。

压板6套在转轴34的上端且位于磁码盘5的上方；止动垫圈8也套在转轴34的上端且位于压板6的上方，止动垫圈8内圈的凸起可卡在转轴34上端的定位槽；螺母7可旋入转轴34上端的外螺纹，并且压紧下方的止动垫圈8、压板6、磁码盘5，使螺母7、止动垫圈8、压板6、磁码盘5与转轴34固定，这样当转轴34转动时可带动磁码盘5转动。

所述传感器的组装过程为：先将装配好的轴系组件3通过固定件33固定于器座2，再依次安装磁码盘5、压板6、止动垫圈8、螺母7，然后将装配好的电路模块4固定在器座2的凸台23上，保证磁敏元件42在磁码盘5的侧面正对磁极，之后将连接线通过插线口41连接电路模块4，并从接线通道22中引出，最后在器座2上安装盖体1。使用时，将轴系组件3中的联动轴31与被测转轴相连，通过固定孔21将所述传感器固定与被测转轴的外围。

测速过程：被测机车转轴带动联动轴31旋转，联动轴31带动转轴34，转轴34带动磁码盘5旋转，磁码盘5上的磁极对交替接近磁敏元件42，磁敏元件42感应到磁场强度变化，电路板45中的信号处理信号电路处理感应信号并输出脉冲信号，根据脉冲信号计算出磁码盘5的转速，也相应计算出被测机车转轴的转速。

实施例二：

该实施例中传感器的盖体、器座、轴系组件、磁码盘、压板、螺母、止动垫圈的结构、连接关系与实施例一相同，电路模块4的结构与实施例一中的结构相同，区别之处在于，器座2上固定两个电路模块4，如图10所示。两个电路模块4的磁敏元件42都位于磁码盘5的侧面。设置两个电路模块4可达到冗余设计的目的，并且两个电路模块4检测出的转速信号可分别发送至轨道交通的监控系统、制动系统等，实现多路转速信号输出。 

实施例三：

该实施例中传感器的盖体、器座、轴系组件、磁码盘、压板、螺母、止动垫圈的结构、连接关系与实施例一相同，电路模块4的结构与实施例一中的结构相同，区别之处在于，器座2上固定三个电路模块4，如图11所示。三个电路模块4的磁敏元件42都位于磁码盘5的侧面。三个电路模块4也可实现冗余设计、多路输出。

实施例四

该实施例中的盖体、器座、轴系组件、压板、螺母、止动垫圈8的结构、连接关系与实施例一、实施例二或者实施例三相同，不同的是磁码盘和电路模块。

该实施例中的磁码盘为轴向充磁的磁码盘50，结构如图12所示，轴向充磁的磁码盘50也为圆盘形，磁码盘5的外围部分有多个磁极对，充磁方向与圆盘的轴向相同，多个磁极对均匀充磁且N极、S极交替位于磁码盘50外围的上方，轴向充磁的磁码盘50旋转时，上方的磁场会产生交替变化。所述磁码盘50的安装位置与其它实施例相同。

该实例中的电路模块中，磁敏元件Ⅱ46固定于壳体40的位置与前其它实施例不同，该实施例中磁敏元件Ⅱ46的固定位置如图13所示，磁敏元件Ⅱ46固定与壳体40上，且位于磁极对的正上方。显然，电路模块也如其它实施例一样可设置多个，每个电路模块中也可设置相位关系为90°的两个磁敏元件Ⅱ46。

一个或两个磁敏元件Ⅱ46也可固定与磁极对的正下方。或者上方、下方各一个磁敏元件Ⅱ46，两个磁敏元件Ⅱ46之间有90°的相位差。

Claims (9)

1.用于轨道交通的基于磁性原理的转速传感器，包括器座、轴系组件、盖体，盖体固定于器座上，轴系组件的转轴上端延伸至器座与盖体围成的空腔中，其特征在于：所述器座与盖体围成的空腔中设置电路模块、磁码盘，磁码盘固定在转轴上端，磁码盘的圆周设置多个磁极对，磁极对的N极、S极交替分布，电路模块包括磁敏元件、电路板，磁敏元件正对磁码盘磁极对的磁极；随着磁码盘旋转，磁极对的N极、S极交替接近磁敏元件，磁敏元件感应到磁场强度变化，电路板中的信号处理电路处理感应信号并输出脉冲信号。

2. 根据权利要求1所述的用于轨道交通的基于磁性原理的转速传感器，其特征在于：每个电路模块中包含两个磁敏元件，两个磁敏元件感应到的两路信号相互隔离，并且两路信号有90°相位差。

3. 根据权利要求1所述的用于轨道交通的基于磁性原理的转速传感器，其特征在于：所述磁码盘为圆盘形，磁极对的磁极沿圆盘的径向均匀分布，N极、S极交替位于磁码盘的圆周侧边。

4. 根据权利要求1所述的用于轨道交通的基于磁性原理的转速传感器，其特征在于：所述磁码盘为圆盘形，磁极对位于圆盘中，且磁极对的磁极沿圆盘的轴向均匀分布，N极、S极交替位于磁码盘圆周的上方。

5. 根据权利要求1或2所述的用于轨道交通的基于磁性原理的转速传感器，其特征在于：电路模块固定于器座上部的凸台，电路模块包括壳体、壳盖、磁敏元件、电路板，壳体外固定磁敏元件，磁敏元件正对磁码盘磁极对的磁极，壳体上设置插线口，壳体与壳盖围成的空腔中设置电路板，电路板内集成信号处理电路，电路板与磁敏元件、插线口电连接， 壳体与壳盖围成的空腔中灌封胶。

6. 根据权利要求5所述的用于轨道交通的基于磁性原理的转速传感器，其特征在于：所述器座与盖体的空腔中固定多个电路模块。

7. 根据权利要求5所述的用于轨道交通的基于磁性原理的转速传感器，其特征在于：所述电路板内还集成有稳压电源、 浪涌防护电路、防反接电路、滤波电路。

8. 根据权利要求1所述的用于轨道交通的基于磁性原理的转速传感器，其特征在于：所述轴系组件包括联动轴、万向联轴器、固定件、转轴、护套，联动轴通过万向联轴器与转轴的下端活动连接，万向联轴器外套装柔性护套，固定件套装在转轴外围且固定于器座中心的圆孔内，转轴可在固定件内旋转，其上端伸出固定件并延伸到器座的上方，转轴的上端轴肩上依次套装磁码盘、压板、止动垫圈、螺母。

9. 根据权利要求1所述的用于轨道交通的基于磁性原理的转速传感器，其特征在于：所述器座的侧壁设置接线通道，接线通道连通器座与盖体围成的空腔，器座上设置多个固定孔。