CN104319947A - 设有剩磁检测转速/转角传感器的电机及测量其转速/转角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种设有剩磁检测转速/转角传感器的电机及测量其转速/转角的方法。本发明之电机，在一对相邻的电磁极靴之间，嵌置有剩磁检测转速/转角传感器，不仅可以利用极靴之间的间隙，更可以使用体积极小的霍尔元件作为磁通传感器，加之利用了剩磁磁通曲线的周期规则变化特性及转角、转数与槽齿的数量对应关系，通过计算，可以在保证体积小、造价低的优点的基础上高精度的测量出转速或转角。

Description

设有剩磁检测转速/转角传感器的电机及测量其转速/转角的方法

 

技术领域

本发明涉及电机技术领域，包括电动机和发电机，尤其是带有转速/转角检测装置的上述电机。

背景技术

自从人类发明电机以来，电机得到了越来越广泛的应用。各式各样的发电机、电动机用于人类活动的各个场合。在很多应用中，需要知道电机的旋转速度或角度位置。在许多场合，对这个旋转速度的测量精度还有较高的要求，甚至对电机转子的相对位置也必须知道。通常的做法是加转速传感器来探测电机的转动速度。如光电数字编码系统、VR、MR、霍尔脉冲装置等。但是这些转置或传感器都比较大尤其难以装进小的电机里面，所以常常在电机外面安装，这增加了空间需求，且成本也高，而这在某些应用领域空间参数极大地限制了其应用。另外，除光电编码传感器外，其它传感器的测量精度都受每圈能产生的脉冲数的限制。就像很多直流无刷电机一样，电机里面虽安装了较小的霍尔传感器用于探测相位和转速，但是每圈能产生的脉冲数由于受到磁极数的限制测量精度还较低，无法满足高精度的要求。

发明内容

本发明的任务之一是要解决现有电机存在配置外置转速传感器后其体积大和内置转速传感器后探测精度低的问题，从而提供一种可以克服上述缺陷的设有剩磁检测转速/转角传感器的电机。

本发明的任务之二是要提出一种利用设有剩磁检测转速/转角传感器的电机测量电机转速/转角的方法。

本发明任务之一是通过下面的技术方案得以完成的：

一种设有剩磁检测转速/转角传感器的电机，包括电机的壳体、定子和转子，定子固定在壳体的内圆柱面上，转子间隙配合同轴设在定子的内圆柱面内，定子包括至少一对均布在壳体内圆柱面上的永磁或电磁极靴，转子包括转子铁芯和转子绕组线圈，转子铁芯的外圆柱面上均布有嵌槽和其槽间隔构成的槽齿，嵌槽内嵌入有转子绕组线圈，其特征在于：在所述定子的某两个相邻的极靴的空隙之间设有一个剩磁检测传感器，剩磁检测传感器的感应面正对着所述转子。

所述剩磁检测传感器为磁通量检测传感器。

进一步来说，所述剩磁检测传感器优选体积小、价格低的霍尔元件，即：霍尔传感器。

为提高产品的集成度和可靠性，所述剩磁检测传感器的信号输出端上连接有信号放大器和/或滤波器。

 

本发明任务之二是通过下面的技术方案得以完成的：

一种利用权利要求1所述的设有剩磁检测转速/转角传感器的电机测量电机转速/转角的方法，包括如下步骤：

（一）、将一个具有计时/计数功能的数据采集计算装置（12）与所述剩磁检测传感器(8)的输出信号相连接；

（二）、启动电机，实时采集经过滤波/放大的剩磁信号，从而获取一种与槽齿数量对应而周期有规律重现的电压信号；

（三）、对所获得的电压信号进行处理，获取对应于转角位置和/或转速的模拟电压信号或峰值脉冲电压信号或电压过零信号；

（四）、通过数据采集计算装置对步骤（三）获得的电压信号或峰值电压脉冲计数信号或电压过零信号实时计算获得转角位置和/或转速值。

所述的模拟电压信号为正弦波信号或其滤波变形信号。

所述的峰值电压脉冲计数信号为取自正弦波信号或其滤波变形信号的正向及反向峰值电压脉冲计数信号。

为了便于测量转角和累计的转数，在所述步骤（二）启动电机时，增加步骤（二’）实时记载启动时间和电机实时转动累计时间，从而计算电机转动的累计转数和转角。

作为一种优选的措施，在所述步骤（一）的数据采集计算装置中，在电机启动前，预置有与所述模拟电压信号对应的电压/转角数据对照表，利用所测得的模拟电压信号数据对照对照表得出累计转数和/或转角。

由于采取了上述措施，本发明公开的设有剩磁检测转速/转角传感器的电机，其剩磁检测转速/转角传感器嵌置在一对相邻的电磁极靴之间，不仅可以利用极靴之间的空间，更可以使用体积极小的霍尔传感器作为磁通传感器，加之利用了剩磁磁通曲线的周期规则变化特性及转角、转数与槽齿的数量对应关系，通过计算，可以在保证体积小、造价低的优点的基础上满足精度高要求。

以下结合附图，对本发明作进一步详细的描述。

附图说明

图1是电机结构图；

其中：1-定子，2-转子，3-永久磁铁或电磁铁，4-转子铁芯，6-嵌槽，7-槽齿，8-剩磁检测传感器，13-间隙，14-励磁线圈，16-电磁极靴。

图2 是电机间隙磁场示意图；

其中：5-转子绕组线圈，15-主磁力线， 17-磁场的几何中性线，18-磁场的物理中性线。

图3 剩磁检测转速/转角传感器的原理图；

其中：7-槽齿，8-剩磁检测传感器，9-信号放大器和/或滤波器，10-电信号输出电路，12-外接的数据采集计算装置（不属于本专利产品本身的必要部件），19-剩磁磁力线。

图4 是理想剩磁信号图。

图5 是实际剩磁信号图。

图6 是采用输出和微分组合法探测角度的波形图。

 

具体实施方式

 一种设有剩磁检测转速/转角传感器的电机，包括电机的壳体（图中未示出）、定子1和转子2，定子固定在壳体的内圆柱面上，转子间隙13配合同轴设在定子的内圆柱面内，定子1包括两对均布在壳体内圆柱面上的永久磁铁或电磁铁3，转子2包括转子铁芯4和转子绕组线圈5，转子铁芯的外圆柱面上均布有嵌槽6和槽间隔构成的槽齿7，嵌槽7内嵌入有转子绕组线圈5。在定子的两个相邻的电磁极靴16的空隙之间设有剩磁检测传感器8，剩磁检测传感器8的感应面正对着转子2。

剩磁检测传感器8具体为磁通量检测传感器，本实施例选用霍尔传感器。剩磁检测传感器的信号输出端上连接有信号放大器和/或滤波器9，由此可以将经过放大、滤波的信号经信号输出电路10传送给外接的数据采集计算装置12。

如图1所示为本实施例电机的转子与定子部分的局部剖面图，这是一种带电磁铁的电机，带永久磁铁的电机构造也类似，只不过电磁铁3被永久磁铁取代而已。电磁铁3的磁场由绕在其外的励磁线圈14通电后产生。在电磁铁或永久磁铁的作用下，主磁力线15及剩磁磁力线19通过定子1和转子2之间的间隙13到达转子然后又回到定子而形成磁回路。磁场的强度和电磁铁或永久磁铁的磁性强度直接相关，和负载的大小也有一定关系。

图2所示为在负载下磁场因扭矩而导致电机的磁场的几何中性线17和磁场的物理中性线18形成的夹角。 

当磁力线经过转子铁芯时，铁芯会对磁有短时间的记忆，即剩磁。即在转子槽齿离开磁铁瞬间，它还保持有一定的磁性。尽管现代技术使转子铁芯剩磁可以做得很小，但一定是存在的。本发明就是利用电机转子旋转时，其剩磁的运动来探测电机的转速和相对位置。

图3是利用转子剩磁来探测电机转速和相对位置的示意图。图中，槽齿6是转子嵌放绕组线圈的地方，剩磁就是通过转子上许多这样的槽齿传到间隙13形成了剩磁磁力线19，这些磁力线随着电机转子的旋转而旋转。在旋转中，剩磁磁力线19经过作为剩磁检测传感器的磁通传感器8（即：霍尔传感器）而产生微弱的电信号，该电信号的大小和磁通量大小成正比，所以在这些旋转的剩磁磁力线19扫过磁通量传感器时在其信号输出端就会产生接近正弦波的输出信号，这个微弱的电信号经信号放大器和/或滤波器9处理后经信号输出电路10输出给外接的数据采集计算装置12即可对该电压信号或峰值电压脉冲计数信号实时计算从而获得转角位置和/或转速值。每一个槽齿7经过剩磁检测传感器8都会重复产生这个电信号。当重复出现的波形数等于转子上总的槽齿数时，就意味电机已旋转一圈。每一个波形就代表1/总槽齿数个圈，如图4所示。如这样的精度还不够用时，还可以对每一个波形按模拟量进行分解。分解的方法是将滤波以后的一个周期信号按360度甚至更细的区间进行分割，相应的电压幅度对应相应的角度。比如，一个电机转子有40个槽齿，那么即使按360度对一个波形进行分割，那么测量精度可达1/40度。这样对旋转角度的测量的精度可以提高到脉冲编码器相类似的水平，因本发明中使用的霍尔传感器小且可放置于空闲的定子的极靴之间，所以本发明剩磁检测传感器几乎不占有用的空间。

由于剩磁检测传感器放置于电磁极靴之间，加之磁场会受负载的影响，所以对信号的滤波也很重要。滤波以后的波形不一定是标准正弦波，不一定规则，但是只要每个信号的一致性很好，照样可以对不规则但有规律的重复性信号进行逻辑分割。图5是实测的经过滤波后的数据。如果从单点数据来看，不能确定其角度，原因是有些时候，一个电压值可能对应几个角度，但是如果和历史记录数据尤其是前一个波形一起来进行逻辑分析，则一个数据只会对应一个转角的位置。

图6是采用输出电压的瞬时值和微分值进行计算转角位置的曲线图。从图中可以看出每一个时间的数值对应一个固定角度位置。对于不同的产品和剩磁检测传感器的不同安装位置，其信号噪声都有所不同，在产品做好后，对这个角度辨识可以通过外接装置的自学习来实现。一旦建立角度和输出电压（及其微分值）的关系后，就可以通过查表得出确定的电机位置，进而计算电机旋转的速度、加速度等。如不采用微分法，也可采用积分法、平衡法、预测法等。预测法是根据现状预测下一个角度应该到达的值，如果这个值到达了，也就是到达了那个预测的角度。对于噪声比较大的电机，可加一个永久磁铁作为基础偏置用于比较。

概括说：本实施例利用测量电机转速/转角的方法，包括如下步骤：

（一）、将一个具有计时/计数功能的数据采集计算装置12（外接，不本发明产品必要的一部分）与剩磁检测传感器的输出信号相连接；在数据采集计算装置中，预置与模拟电压信号对应的电压/转角数据对照表。 

（二）、启动电机，实时记载启动时间和电机实时转动累计时间，以便计算电机转动的角度；

（三）实时采集经过放大/滤波的剩磁信号，从而获取一种与槽齿数量对应而周期有规律重现的电压信号；

（四）对所获得的电压信号进行处理，获取对应于转角位置和/或转速的模拟电压信号或峰值脉冲电压信号；模拟电压信号为正弦波信号或其滤波变形信号；峰值电压脉冲计数信号为取自正弦波信号或其滤波变形信号的正向及反向峰值电压脉冲计数信号或电压过零信号。

（五）通过数据采集计算装置是对步骤（四）获得的电压信号或电压脉冲计数信号实时计算，结合利用数据对照表对照所测得的模拟电压信号计算得出累计转数和/或转角，获得转角位置和/或转速值。

利用本发明原理可对于任何带磁体的旋转物体的速度及转角的精确探测。

Claims (10)

1.一种设有剩磁检测转速/转角传感器的电机，包括电机的壳体、定子（1）和转子（2），定子固定在壳体的内圆柱面上，转子间隙配合同轴设在定子的内圆柱面内，定子（1）包括至少一对均布在壳体内圆柱面上的永磁或电磁极靴（3），转子包括转子铁芯（4）和转子绕组线圈（5），转子铁芯的外圆柱面上均布有嵌槽（6）和其槽间隔构成的槽齿（7），嵌槽内嵌入有转子绕组线圈，其特征在于：在所述定子的某两个相邻的极靴（3）的空隙之间设有一个剩磁检测传感器（8），剩磁检测传感器的感应面正对着所述转子。

2.依照权利要求1所述的设有剩磁检测转速/转角传感器的电机，其特征在于：所述剩磁检测传感器为磁通量检测传感器。

3.依照权利要求2所述的设有剩磁检测转速/转角传感器的电机，其特征在于：所述剩磁检测传感器为霍尔传感器。

4.依照权利要求1-3中任一权利要求所述的设有剩磁检测转速/转角传感器的电机，其特征在于：所述剩磁检测传感器(8)的信号输出端（9）上连接有信号放大器和/或滤波器（10）。

5.一种利用权利要求1所述的设有剩磁检测转速/转角传感器的电机测量电机转速/转角的方法，包括如下步骤：

（一）、将一个具有计时/计数功能的数据采集计算装置（12）与所述剩磁检测传感器(8)的输出信号相连接；

（二）、启动电机，实时采集经过滤波/放大的剩磁信号，从而获取一种与槽齿数量对应而周期有规律重现的电压信号；

（三）、对所获得的电压信号进行处理，获取对应于转角位置和/或转速的模拟电压信号或峰值脉冲电压信号或电压过零信号；

（四）、通过数据采集计算装置对步骤（三）获得的电压信号或峰值电压脉冲计数信号或电压过零信号实时计算获得转角位置和/或转速值。

6.依照权利要求5所述的利用权利要求1所述的设有剩磁检测转速/转角传感器的电机测量电机转速/转角的方法，其特征在于：所述的模拟电压信号为正弦波信号或其滤波变形信号。

7.依照权利要求5所述的利用权利要求1所述的设有剩磁检测转速/转角传感器的电机测量电机转速/转角的方法，其特征在于：所述的峰值电压脉冲计数信号为取自正弦波信号或其滤波变形信号的正向及反向峰值电压脉冲计数信号。

8.依照权利要求5、6或7所述的利用权利要求1所述的设有剩磁检测转速/转角传感器的电机测量电机转速/转角的方法，其特征在于：在所述步骤（二）启动电机时，增加步骤（二’）实时记载启动时间和电机实时转动累计时间，从而计算电机转动的累计转数和转角。

9.依照权利要求5、6或7所述的利用权利要求1所述的设有剩磁检测转速/转角传感器的电机测量电机转速/转角的方法，其特征在于：在所述步骤（一）的数据采集计算装置中，在电机启动前，预置有与所述模拟电压信号对应的电压/转角数据对照表，利用所测得的模拟电压信号数据对照对照表得出累计转数和/或转角。

10.依照权利要求8所述的利用权利要求1所述的设有剩磁检测转速/转角传感器的电机测量电机转速/转角的方法，其特征在于：在所述步骤（一）的数据采集计算装置中，在电机启动前，预置有与所述模拟电压信号对应的电压/转角数据对照表，利用所测得的模拟电压信号数据对照对照表计算得出累计转数和/或转角。