CN103968984A - 自补偿无刷差动式转矩传感器 - Google Patents

Abstract

一种自补偿无刷差动式转矩传感器，包括机座、前后端盖、传感器转轴、激磁套筒、激磁铁心、激磁绕组、补偿绕组、输出套筒、输出铁心、输出绕组、环形变压器、紧固件、磁场屏蔽片、配套轴承和接线盒。传感器转轴通过轴承与前后端盖固定，可相对机座转动，传感器转轴同心外设输出套筒，输出铁心固定在输出套筒外侧，两相输出绕组以正交式分布嵌放在输出铁心凹槽中，以差动方式连接，传感器转轴同心外另设激磁套筒，激磁铁心固定在激磁套筒内侧，激磁绕组和补偿绕组以正交式分布嵌放在激磁铁心中，激磁绕组和输出绕组的引出线经由紧固件过孔分别与一对环形变压器各内环绕组相连，一对环形变压器各外环绕租与接线盒连接。

Description

自补偿无刷差动式转矩传感器

技术领域

本发明涉及一种转矩传感器，更具体的是涉及一种基于磁电感应原理的新结构自补偿无刷差动式转矩传感器。

背景技术

目前在转矩测量中，传递类转矩传感器应用十分广泛，传递类转矩传感器按转矩信号的产生方式可分为光学式、光电式、磁电式、应变式、电容式等等，其中市场上较成熟的转矩传感器主要是磁电式和应变式。磁电式转矩传感器通过磁电感应获取转矩信号，德国HBM公司、日本小野测器和中国湘西仪表厂均有生产，传感器输出信号的本质是两路具有相位差的角位移信号，需要对信号进行组合处理才能得到转矩信息。它是非接触式传感器，无磨损、无摩擦，可用于长期测量，不足之处是体积大，不易安装，不能测量静止扭矩；应变式转矩传感器以电阻应变片为敏感元件，如德国HBM公司的T1，T2，T4系列转矩传感器、北京三晶集团的JN338系列传感器等，它们在转轴或与转轴串接的弹性轴上安装四片精密电阻应变片，并连接成惠思顿电桥，转矩使轴的微小变形引起应变阻值发生变化，电桥输出的信号与转矩成比例。传感器可以测量静态和动态转矩、高频冲击和振动信息，具有体积小重量轻等优点，不足之处是信号的传输易受干扰且损耗较大，导致测量精度不是很高。

发明内容

本发明提供了一种新结构自补偿无刷差动式转矩传感器，使用时传感器转轴两端分别同轴联接负载和动力源，传感器将负载转矩转换成电信号输出，该电信号与负载转矩直接对应，精度较高，且可测量静态扭矩或旋转系统的动态转矩。

本发明的目的采取下述技术方案实现：

一种新结构自补偿无刷差动式转矩传感器，包括机座，位于机座前端的前端盖，位于机座后端的后端盖，穿过前端盖和后端盖中心的传感器转轴，传感器转轴通过轴承分别与前后端盖固定，可相对与机座做旋转运动，此外，还包括：

激磁套筒，与传感器转轴同轴心的置于机座内，激磁铁心固定在激磁套筒的内侧，且激磁铁心设有绕组槽，激磁绕组和补偿绕组嵌放在绕组槽中，并用绝缘竹片压紧；

输出套筒，与传感器转轴、激磁套筒同轴心的置于机座内，输出铁心固定在输出套筒的外侧，且输出铁心设有绕组槽，两相输出绕组嵌放在绕组槽中，并用绝缘竹片压紧；

环形变压器，其内环铁心与传感器转轴固定，一起与传感器转轴做旋转运动，设有绕组槽，其外环铁心与机座固定，设有绕组槽；

紧固件，用于分别将激磁套筒和输出套筒与传感器转轴的两端固定；

磁场屏蔽片，与机座固定，置于环形变压器与紧固件之间，用于屏蔽环形变压器磁场对激磁磁场的干扰。

如上述的结构，本发明的自补偿无刷差动式转矩传感器，其工作原理为：

1.静态扭矩的测量：环形变压器一的外环绕组通入交流电，经过磁电感应其内环绕组产生感应电势，由于激磁绕组通过紧固件的过孔与环形变压器一的内环绕组相连构成闭合回路，则激磁绕组中存在交变电流，进而产生磁势幅值随时间变化的脉振磁场，经由激磁铁心、空气隙和输出铁心形成闭合回路。传感器转轴伸出的一端固定，另一端加载静态扭矩。当静态扭矩为零时，传感器转轴不发生形变，分别与传感器转轴两端固定的激磁铁心和输出铁心的初始位置保持不变，嵌放在激磁铁心的激磁绕组和嵌放在输出铁心的两相输出绕组，其轴线的初始位置在空间上互差45°，激磁磁场与两相输出绕组交链，两相输出绕组产生的感应电动势相等，由于两相输出绕组采用差动式连接，则总的输出感应电势为零；当静态扭矩不为零时，传感器转轴发生形变，激磁绕组和两相输出绕组的相对位置发生改变，激磁磁场与两相输出绕组交链，两相输出绕组产生的感应电势不相等，再经差动后输出，由于输出绕组与环形变压器二的内环绕组构成闭合回路，则环形变压器二的内环绕组存在交变电流，再经磁电感应环形变压器二的外环侧绕组产生感应电势，该感应电势与传感器转轴加载的静态扭矩相对应。

2.动态转矩的测量：环形变压器一的外环绕组通入交流电，经过磁电感应其内环绕组产生感应电势，由于激磁绕组通过紧固件的过孔与环形变压器一的内环绕组相连构成闭合回路，则激磁绕组中存在交变电流，进而产生磁势幅值随时间变化的脉振磁场，经由激磁铁心、空气隙和输出铁心形成闭合回路。传感器转轴伸出的一端接动力装置，另一端加载动态转矩。当动态转矩矩为零时，传感器转轴不发生形变，分别与传感器转轴两端固定的激磁铁心和输出铁心，以及环形变压器一的内环铁心与传感器转轴一起转动，固定于激磁铁心的激磁绕组和固定于输出铁心的两相输出绕组，其轴线的初始位置在空间上互差45°，激磁磁场与两相输出绕组交链，两相输出绕组的感应电势相等，由于两相输出绕组采用差动式连接，则总的输出感应电势为零；当动态转矩不为零时，传感器转轴发生形变，激磁绕组和两相输出绕组的相对位置发生改变，激磁磁场与两相输出绕组交链，两相输出绕组产生的感应电势不相等，再经差动后输出，由于输出绕组与环形变压器二的内环绕组构成闭合回路，且环形变压器二的内环绕组与传感器转轴一同旋转，则环形变压器二的内环绕组存在交变电流，再经磁电感应环形变压器二的外环绕组产生感应电势，该感应电势与传感器转轴加载的动态转矩相对应。

3.自补偿功能的实现：在上述静态扭矩和动态转矩的测量过程中，由于传感器输出绕组中存在交变电流，则交变电流会产生脉振磁场，该脉振磁场会对激磁绕组产生的脉振磁场进行作用，类似电机中的电枢反应，会导致激磁脉振磁场产生畸变，进而影响传感器的输出特性。本发明设计的转矩传感器激磁铁心中嵌放补偿绕组，补偿绕组采用短接方式连接，直接形成闭合回路。当静态扭矩或者动态转矩为零时，输出绕组内交变电流产生脉振磁场的轴线与激磁磁场的轴线一致，其效果类似于变压器二次侧绕组电流对一次侧绕组形成的激磁磁场的作用，根据交流磁路的磁动势守恒定律，此时激磁绕组的电流会自动增加，用于抵消输出绕组产生脉振磁场的去磁作用，由于此时补偿绕组与激磁绕组在空间上互相垂直，即输出绕组产生脉振磁场不与补偿绕组匝链，补偿绕组不起作用。当静态扭矩或者动态转矩不为零时，输出绕组内交变电流产生脉振磁场的轴线与激磁磁场的轴线将不再一致，输出绕组内交变电流产生脉振磁场可以分解为两个互相垂直磁场分量，其中磁场分量一与激磁磁场的方向相反，不与补偿绕组匝链，根据交流磁路的磁动势守恒定律，此时激磁绕组的电流会自动增加，用于抵消磁场分量一的去磁作用，而磁场分量二则与补偿绕组全部匝链，由于补偿绕组直接短接，通过磁电感应原理，补偿绕组中产生感应电势，进而产生短路电流，根据楞次定律，补偿绕组中的短路电流产生的磁场与磁场分量二进行对抗，最终达到抑制传感器输出特性畸变的目的。

如上述的结构，本发明利用电磁感应原理构成的自补偿无刷差动式转矩传感器，传感器与负载和动力源(旋转机械)同轴安装，把负载转矩转换成电信号输出，输出的电信号与负载转矩直接对应。

附图说明

图1为本发明自补偿无刷差动式转矩传感器的结构示意图；

图2为图1实施的A-A面的剖视图；

图3为本发明自补偿无刷差动式转矩传感器的工作原理图；

图4为图2中补偿绕组的工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图进一步描述本发明转矩传感器的结构特征。

图1为本发明转矩传感器的结构示意图，包括传感器转轴1、轴承2、前端盖3、环形变压器一的内环铁心及绕组4、环形变压器一的外环铁心及绕组5、磁场屏蔽片6、紧固件7、机座8、激磁套筒9、激磁铁心10、激磁绕组11、轴承12、输出套筒13、输出铁心14、输出绕组15、紧固件16、环形变压器二内环铁心及绕组17、环形变压器二外环铁心及绕组18、轴承19、接线盒20、后端盖21。

前端盖3位于机座8的前端，后端盖21位于机座8的后端，传感器转轴1穿过前端盖3和后端盖21的中心，轴承2分别置于传感器转轴1与前端盖3和后端盖21之间。

传感器转轴1的两侧分别与环形变压器一5和环形变压器二18的内环铁心固定，可同时做旋转运动。

环形变压器一5和环形变压器二18的外环铁心与机座8固定，且位置分别于各内环铁心对齐。

传感器转轴1同心外设输出套筒13，输出铁心14固定在输出套筒13的外侧，输出套筒13一端与紧固件16固定，再用固定螺栓与传感器转轴1固定，另一端通过轴承12与传感器转轴1接触且可以相对传感器转轴1转动。

输出铁心14设有绕组槽，两相输出绕组15置于槽内，两相输出绕组15的轴线互相垂直，且以差动式连接。

传感器转轴1同心外设激磁套筒9，激磁铁心10固定于激磁套筒9的内侧，激磁套筒9一端与紧固件7固定，再用固定螺栓与传感器转轴1固定，另一端通过轴承19与输出套筒13接触且可以相对输出套筒13转动。

激磁铁心10设有绕组槽，激磁绕组11和补偿绕组22置于槽内，激磁绕组11的轴线与补偿绕组22的轴线互相垂直，激磁绕组11的轴线与两相输出绕组15的轴线初始夹角同为45°。

磁场屏蔽片6固定于机座8上，分别与紧固件7和16存在间隙。

激磁绕组11的引出线首先通过紧固件7的过孔，再经过磁场屏蔽片6和紧固件7的间隙，与环形变压器一的内环铁心绕组4相连，输出绕组15的引出线首先通过激磁铁心套筒9的过孔，再经过磁场屏蔽片6和紧固件16的间隙，与环形变压器二的内环铁心绕组17相连，环形变压器一外铁心绕组5和环形变压器二外铁心绕组18与固定在机座8上的接线盒20连接。

传感器转轴1的材料为碳钢或合金钢等材料；前端盖3、机座8、激磁铁心套筒9、输出铁心套筒13、后端盖21可用铝合金等金属材料制作；环形变压器内、外环铁心、激磁铁心10和输出铁心14是由高磁导率的铁镍软磁合金片或高导磁性硅钢片冲剪叠压构成；激磁绕组11、补偿绕组22和输出绕组15为直焊性聚氨酯漆包圆铜线。

图2为转矩传感器结构示意图1的A-A面的剖视图，激磁绕组11和补偿绕组22置于激磁铁心10的绕组槽中，激磁绕组11通过紧固件过孔与环形变压器一的内环绕组相连，补偿绕组为短路连接，两相输出绕组15置于输出铁心14的绕组槽中，两相输出绕组15在空间上互相垂直，且为差动式连接，两相输出绕组15的引出线通过紧固件过孔与环形变压器二的内环绕组相连，激磁铁心10、输出铁心14和气隙构成激磁磁场的磁路，激磁铁心10和输出铁心14与传感器转轴1同轴心。

本发明自补偿无刷差动式转矩传感器的工作原理图如图3所示：当静态扭矩或者动态转矩为零时，激磁绕组11形成的脉振磁场为φ₁，如图3(a)所示，磁场φ₁的轴线与两相输出绕组15的夹角同为45°，两相输出绕组15中的感应电动势相同，由于两相输出绕组15采用差动式连接，所以两相输出绕组15中总的感应电动势为零。

当静态扭矩或者动态转矩不为零时，激磁绕组11形成的脉振磁场为φ₁，两相输出绕组15的位置相对图3(a)中的初始位置发生改变，如图3(b)所示，磁场φ₁的轴线与两相输出绕组15的夹角不相同，两相输出绕组15中的感应电动势不相同，由于两相输出绕组15采用差动式连接，所以两相输出绕组15中总的感应电动势不为零，此感应电动势与负载扭矩或者转矩存在对用关系。由于输出绕组15与环形变压器二的内环绕组17连接形成闭合回路，此时会有相应的电流产生，即环形变压器二的内环绕组17的感应电流与被测负载扭矩或者转矩存在对应关系，经由环形变压器二的变压后其外环绕组18输出与被测负载转矩存在对应关系的感应电势。

本发明的图2中的补偿绕组工作原理如图4所示：传感器转轴未受到负载扭矩或者转矩作用时，初始位置如图4(a)所示，假设某瞬间激磁绕组11中的激磁电流如图4(a)所示，此时激磁电流产生的脉振磁场为φ₁，可以根据右手螺旋定则判断脉振磁场为φ₁的方向。由于脉振磁场φ₁与输出绕组15匝链，输出绕组15中产生感应电动势，进而产生感应电流，输出绕组15中的感应电流方向可以根据楞次定律来判断，如图4(a)所示，输出绕组15中的感应电流产生磁场φ_s，磁场φ_s对磁场φ₁进行去磁，类似变压器二次侧绕组电流产生的磁场对一次侧激磁磁场的效果，根据交流磁路的磁势守恒原则，激磁绕组11中的电流会自动增加。由于磁场φ_s对磁场φ₁均不和补偿绕组22匝链，补偿绕组22此时不起作用。

当传感器转轴受到负载扭矩或转矩作用时，两相输出绕组15相对初始位置转过一定角度，如图4(b)所示，假设激磁绕组11某瞬间激磁电流如图4(b)所示，产生的激磁磁通φ₁与两相差动式输出绕组15匝链，根据楞次定律，两相差动式输出绕组15中的感应电流如图4(b)所示，输出绕组15中感应电流产生磁通φ_s，φ_s分解为直轴分量φ_sd和交轴分量φ_sq，根据变压器原理，此时激磁绕组11中电流增加，用以抵消直轴分量φ_sd，但无法抵消交轴分量φ_sq，由于补偿绕组22的存在，且补偿绕组22为短路相连，根据楞次定律，补偿绕组22中会产生如图4(b)所示感应电流，此感应电流产生磁通φ_b，用于抵消交轴分量φ_sq，从而达到抑制传感器输出特性发生畸变的目的。

Claims (10)

1.一种新结构自补偿无刷差动式转矩传感器，包括机座，位于机座前端的前端盖，位于机座后端的后端盖，穿过前端盖和后端盖中心的传感器转轴，传感器转轴通过轴承分别于前后端盖固定，可相对机座做旋转运动，此外，还包括：

激磁套筒，与传感器转轴同轴心的置于机座内，激磁铁心固定在激磁套筒的内侧，且激磁铁心设有绕组槽，激磁绕组和补偿绕组嵌放在绕组槽中，并用绝缘竹片压紧；

输出套筒，与传感器转轴、激磁套筒同轴心的置于机座内，输出铁心固定在输出套筒的外侧，且输出铁心设有绕组槽，两相输出绕组嵌放在绕组槽中，并用绝缘竹片压紧；

环形变压器，其内环铁心与传感器转轴固定，一起与传感器转轴做旋转运动，设有绕组槽，其外环铁心与机座固定，设有绕组槽；

紧固件，用于分别将激磁套筒和输出套筒与传感器转轴的两端固定；

磁场屏蔽片，与机座固定，置于环形变压器与紧固件之间，用于屏蔽环形变压器磁场对激磁绕组产生的激磁磁场的干扰。

2.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：传感器转轴的两端露出端盖，一端连接动力源，另一端连接被测负载，且传感器转轴的两端比中间部分粗。

3.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：输出套筒一端与紧固件连接，再通过固定螺栓与传感器转轴固定，另一端通过轴承与传感器转轴接触且可以相对传感器转轴转动。

4.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：输出绕组为两组单相绕组，且以正交式分布，即互相垂直，空间上互差90°，嵌放在输出铁心中，并采用差动式连接，两相输出绕组与输出套筒可随传感器转轴同时转动。

5.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：激磁套筒一端与紧固件连接，再通过固定螺栓与传感器转轴固定，另一端通过轴承与输出套筒接触且可以相对输出套筒转动。

6.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：激磁绕组内为交流电，形成的激磁磁场为脉振磁场，且激磁绕组和补偿绕组以正交式分布，即互相垂 直，空间上互差90°，嵌放在激磁铁心中，两绕组与激磁套筒可随传感器转轴同时转动。

7.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：环形变压器为一对，分别位于传感器转轴的两侧，内、外环绕组分别固定于内环铁心和外环铁心的绕组槽中，内环铁心分别固定在传感器转轴的两侧，可随传感器转轴同时旋转，外环铁心分别固定在机壳的两侧，且与内环铁心的位置对齐。

8.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：紧固件中设有左右过孔，左过孔用于连接环形变压器一的内环绕组和激磁绕组，右过孔用于连接环形变压器二的内环绕组和输出绕组，各外环绕组的引出线接在与机座固定的接线盒中，分别用以连接交流电源和输出电信号。

9.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：磁场屏蔽片采用高磁导率的坡莫合金制成。

10.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：激磁铁心、输出铁心和环形变压器内外环铁心均采用高磁导率的铁镍软磁合金片或高导磁性硅钢片冲剪叠压构成，激磁绕组、输出绕组和环形变压器内外环绕组均采用直焊性聚氨酯漆包圆铜线。