CN105467150B - 一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机 - Google Patents

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Abstract

一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机，包括支架、铁心组件、磁钢组件、霍尔元件、输出绕组、轴承、紧固件和弹簧。其中支架设有铁心槽、挡板、安装孔和手柄；铁心组件为扇环形分体式结构，安装在支架铁心槽中，且各分体之间存在夹槽；磁钢组件和霍尔元件固定在铁心组件分体之间夹槽中，为交错式排放；铁心组件部分分体另设有绕组槽，输出绕组嵌放在铁心组件分体的绕组槽中：支架挡板设有轴承槽，轴承嵌放在槽中。本发明的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机，能够同时将旋转角速度和角加速度转化为正比例的电信号输出；结构简单，无旋转部件，动态响应特性好；无换向装置，信号引出方便，抗干扰能力强，线性误差小。

Description

一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机
技术领域
本发明涉及一种同时测量旋转角速度、角加速度的发电机，更具体的是涉及一种无旋转部件的，同时测量瞬时旋转角速度、角加速度的便携式发电机。
背景技术
旋转角速度和角加速度是两个非常重要的动态角参量，通过对角速度和角加速度的测量，就可以分析旋转系统转轴对各种激励的响应情况。因此，旋转角速度和角加速度测量在汽车、军事、航空航天、工业、电子等多个领域得到了广泛的应用。
目前常用的测量瞬时角速度的发电机主要分为直流测速发电机和交流异步测速发电机两大类：直流测速发电机在负载运行时，输出电压与转速并不能保持严格的正比关系，存在误差，主要是由于电枢反应的去磁作用、电刷接触电阻的非线性、以及温度的影响，此外由于铁心齿槽的存在，会产生一定的齿谐波电动势；交流异步测速发电机运行时，输出特性同样存在非线性误差，主要原因是转子旋转时产生的脉振磁场，以及杯型转子存在漏抗，除此之外，由于交流异步测速发电机的两相定子绕组不完全垂直，或是气隙不均，磁路不对称，亦或是空心杯转子的壁厚不均以及制造杯型转子的材料不均，都会造成一定的剩余电压。
关于旋转角加速度的测量方法，可以分为直接测量法和间接测量法。直接测量法一般是使用特殊敏感元件直接测量；间接测量法一般采用多个方位的直线加速度传感器的输出进行合成(是目前的主流方法)，以及采用微分电路或微分计算算法对角速度信号进行微分处理来获取角加速度。对于直接测量法，多数检测装置的结构设计较复杂，且受频率等因素影响精度不高；间接测量法对信号的处理比较麻烦，特别是延迟特性和噪声放大问题不易解决。
此外，常用的测速发电机和旋转角加速度测量装置，一般需要和被测旋转设备的转轴同心连接，对于已经定型并正在使用的，且不能同心安装测速发电机和旋转角加速度测量装置的场合，特别是只露出转轴中间部位的局部又不影响原系统运行的场合，就无法用上述与转轴同心对接的方式进行测量。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机。
本发明的目的采取下述技术方案实现：
一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机，包括左支架、左铁心组件、左磁钢组件、霍尔元件、右支架、右铁心组件、右磁钢组件、输出绕组、轴承、紧固件和弹簧；
所述左支架设有铁心槽、挡板、安装孔和手柄；所述左铁心组件为扇环形分体式结构，安装在左支架的铁心槽中，且各分体之间存在夹槽；所述左磁钢组件和霍尔元件固定在左铁心组件分体之间的夹槽中，且为交错式排放；所述左支架挡板设有轴承槽，轴承嵌放在槽中；
所述右支架设有铁心槽、挡板、安装孔和手柄；所述右铁心组件为扇环形分体式结构，安装在右支架的铁心槽中；所述右铁心组件各分体之间存在夹槽，且右铁心组件部分分体另设有绕组槽；所述右磁钢组件固定在右铁心组件分体之间的夹槽中；所述输出绕组嵌放在右铁心组件分体的绕组槽中；所述右支架挡板设有轴承槽，轴承嵌放在槽中；
所述紧固件穿过左支架和右支架安装孔，利用弹簧压力使发电机将被测转轴夹紧；
所述左铁心组件的分体数目为六个；
所述嵌放在左铁心组件各分体夹槽之间的左磁钢组件为三块，磁极排放顺序依次为SN-NS-SN；
所述嵌放在左铁心组件各分体夹槽之间的霍尔元件为两个；
所述右铁心组件的分体数目为四个；
所述嵌放在右铁心组件各分体夹槽之间的右磁钢组件为三块，磁极排放顺序依次为SN-NS-SN；
所述嵌放在右铁心组件绕组槽中的输出绕组为单相集中绕组；
所述左、右支架均采用非铁磁材料制成，左、右铁心组件采用硅钢片叠制而成，输出绕组采用电磁漆包线绕制而成。
本发明的有益效果：本发明的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机，安装方便，占用空间小，无需使用联轴装置，使用时只需将被测转轴夹紧即可，能够直接将输入的瞬时旋转角速度和角加速度同时转化为对应的电信号输出；结构简单，信号引出方便，无需电刷等装置，不存在电刷接触电阻造成的非线性误差，测量精度高；无旋转部件，对原旋转系统的转动惯量无影响，动态响应特性好。
附图说明
图1为本发明的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机的结构图；
图2为本发明的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机的A-A截面图；
图3为本发明的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机的支架结构图；
图4为本发明的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机的支架及组件装配图；
图5为本发明的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机的工作原理图。
具体实施方式
以下结合附图进一步描述本发明的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机的实施。
如图1、图2所示，一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机，包括左支架1、左磁钢组件2、左铁心组件3、霍尔元件4、右支架5、右磁钢组件6、右铁心组件7、输出绕组8、轴承9、紧固件10和弹簧11；
所述左支架1设有铁心槽、挡板、安装孔和手柄；所述左铁心组件3为扇环形分体式结构，安装在左支架1的铁心槽中，且各分体之间存在夹槽；所述左磁钢组件2和霍尔元件4固定在左铁心组件3各分体之间的夹槽中，且为交错式排放；所述左支架1的挡板设有轴承槽，轴承9嵌放在槽中；
所述右支架5设有铁心槽、挡板、安装孔和手柄；所述右铁心组件7为扇环形分体式结构，安装在右支架5的铁心槽中；所述右铁心组件7的各分体之间存在夹槽，且右铁心组件7的部分分体另设有绕组槽；所述右磁钢组件6固定在右铁心组件7各分体之间的夹槽中；所述输出绕组8嵌放在右铁心组件7分体的绕组槽中；所述右支架5的挡板设有轴承槽，轴承9嵌放在槽中；
所述紧固件10穿过左支架1和右支架5安装孔，利用弹簧11的压力使发电机将被测转轴夹紧；
所述左铁心组件3的分体数目为六个；
所述嵌放在左铁心组件3各分体夹槽之间的左磁钢组件2为三块，磁极排放顺序依次为SN-NS-SN；
所述嵌放在左铁心组件3的各分体夹槽之间的霍尔元件4为两个；
所述右铁心组件7的分体数目为四个；
所述嵌放在右铁心组件7的各分体夹槽之间的右磁钢组件6为三块，磁极排放顺序依次为SN-NS-SN；
所述嵌放在右铁心组件7的分体的绕组槽中的输出绕组8为单相集中绕组；
所述左支架1和右支架5均采用非铁磁材料制成，左铁心组件3和右铁心组件7均采用硅钢片叠制而成，输出绕组8采用电磁漆包线绕制而成。
图3为本发明的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机的支架结构图：左支架包括铁心槽101、挡板102、安装孔103和手柄104，其中挡板102设有轴承孔；右支架包括铁心槽501、挡板502、安装孔503和手柄504，其中挡板502设有轴承孔。
图4为本发明的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机的支架及组件装配图：左支架1中的左铁心组件3的各分体分别为301、302、303、304、305和306；左霍尔组件4包括霍尔元件401和402；左磁钢组件2包括永磁磁钢201、202和203。各组件的组装顺序依次为301-201-302-401-303-202-304-402-305-203-306，其中左铁心组件3的分体302、303、304和305的尺寸均相同，且分体302和分体306设有轴承孔，与左支架1挡板处的轴承孔位置重合；永磁磁钢201、202和203的尺寸相同，且磁极排放顺序为SN-NS-SN。
右支架5中的右铁心组件7的各分体分别为701、702、703和704；右磁钢组件6包括永磁磁钢601、602和603；输出绕组8的两端分别为801和802。各组件的组装顺序依次为701-601-702-801-602-703-802-603-704；其中右铁心组件7的分体702和703的尺寸相同，且分体702和分体704设有轴承孔，与支架2挡板处的轴承孔位置重合；磁钢601、602和603的尺寸相同，且磁极排放顺序为SN-NS-SN。
轴承9包括901、902、903和904，其中901和902安装在左支架1挡板的轴承孔处，903和904安装在右支架5挡板处的轴承孔处。
图5为本发明的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机的工作原理图：首先用便携式发电机将被测转轴夹紧，转轴为铁磁材料，通过左、右支架挡板处的轴承建立被测转轴与便携式发电机之间的空气隙。左、右磁钢组件形成的磁场分布情况如图5(a)所示，磁力线经由铁心组件、空气隙和被测转轴后形成闭合回路，磁场的方向如图5(a)所示。
便携式发电机工作时，霍尔元件401和402的控制端通入工作电流，被测转轴停转时，左、右磁钢组件形成的磁场分布情况如图5(a)所示，此时左磁钢组件形成的磁场，与霍尔元件401和402无匝链，霍尔元件401和402无霍尔电势输出；右磁钢组件形成的磁场，与输出绕组8无匝链，输出绕组8不产生感应电动势。
被测转轴转动时，如图5(b)所示，被测转轴的表面可以看做是多根导条，顺时针切割左、右磁钢组件形成的磁场，产生如图5(b)所示的切割电动势，方向通过右手定则判断，被测转轴的表面产生电流，该电流产生的磁场分布情况如图5(b)所示，其方向根据右手螺旋定则判断。此时被测转轴左半部分表面电流产生的磁场与霍尔元件401和402分别匝链，霍尔元件401和402分别输出相应的霍尔电势；被测转轴右半部分表面电流产生的磁场与输出绕组8匝链，输出绕组8产生相应的感应电动势。
根据磁路的欧姆定理，永磁磁钢产生的磁通量为：
式中Fp为永磁磁钢的磁势，Rmp为永磁磁钢产生的磁通经过磁路的磁阻。
根据法拉第电磁感应定律，被测转轴顺时针以瞬时角速度ω切割永磁磁钢的磁通，其表面所产生的切割电动势为：
eR＝CeΦPω(2)，
式中Ce为与被测转轴结构相关的常数。
根据欧姆定律，被测转轴表面产生的电流为：
式中rR为被测转轴表面的等效电阻。
根据磁路的欧姆定理，被测转轴表面的电流产生的磁通量为：
式中NR为被测转轴表面的等效有效匝数，RmR为被测转轴表面的电流产生的磁通经过磁路的磁阻。
根据霍尔效应可知，霍尔元件产生的霍尔电势为：
EH＝KHIΦR(5)，
式中KH为与霍尔元件结构和性质相关的常数，I为霍尔元件的控制电流。
联立式(1)～式(5)，可得：
根据所述式(6)可知，位于左支架的霍尔元件输出与旋转角速度成正比的的霍尔电势。
当被测转轴的角速度恒定时，产生的切割电动势eR恒定，电流iR恒定，产生的磁通量ΦR恒定，与输出绕组8匝链后不会产生感应电动势；当被测转轴的角速度变化时，即存在旋转角加速度则被测转轴表面电流产生的磁通量存在变化分量根据变压器工作原理，输出绕组8中产生的感应电动势为：
式中N为输出绕组8的有效匝数。
根据所述式(7)可知，输出绕组8会产生与瞬时旋转角加速度成正比的感应电动势。
本发明的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机，安装方便，占用空间小，无需使用联轴装置，使用时只需将被测转轴夹紧即可，能够直接将输入的瞬时旋转角速度和角加速度同时转化为对应的电信号输出；结构简单，信号引出方便，无需电刷等装置，不存在电刷接触电阻造成的非线性误差，测量精度高；无旋转部件，对原旋转系统的转动惯量无影响，动态响应特性好。
实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机，包括左支架、左铁心组件、左磁钢组件、霍尔元件、右支架、右铁心组件、右磁钢组件、输出绕组、轴承、紧固件和弹簧；
其特征在于：所述左支架设有铁心槽、挡板、安装孔和手柄；所述左铁心组件为扇环形分体式结构，安装在左支架的铁心槽中，且各分体之间存在夹槽；所述左磁钢组件和霍尔元件固定在左铁心组件分体之间的夹槽中，且为交错式排放；所述左支架挡板设有轴承槽，轴承嵌放在槽中；
所述右支架设有铁心槽、挡板、安装孔和手柄；所述右铁心组件为扇环形分体式结构，安装在右支架的铁心槽中；所述右铁心组件各分体之间存在夹槽，且右铁心组件部分分体另设有绕组槽；所述右磁钢组件固定在右铁心组件分体之间的夹槽中；所述输出绕组嵌放在右铁心组件分体的绕组槽中；所述右支架挡板设有轴承槽，轴承嵌放在槽中；
所述紧固件穿过左支架和右支架安装孔，利用弹簧压力使发电机将被测转轴夹紧。
2.根据权利要求1所述的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机，其特征在于：左铁心组件的分体数目为六个。
3.根据权利要求1所述的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机，其特征在于：嵌放在左铁心组件各分体夹槽之间的左磁钢组件为三块，磁极排放顺序依次为SN-NS-SN。
4.根据权利要求1所述的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机，其特征在于：嵌放在左铁心组件各分体夹槽之间的霍尔元件为两个。
5.根据权利要求1所述的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机，其特征在于：右铁心组件的分体数目为四个。
6.根据权利要求1所述的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机，其特征在于：嵌放在右铁心组件各分体夹槽之间的右磁钢组件为三块，磁极排放顺序依次为SN-NS-SN。
7.根据权利要求1所述的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机，其特征在于：嵌放在右铁心组件绕组槽中的输出绕组为单相集中绕组。
8.根据权利要求1所述的一种同时测量旋转角速度、角加速度的便携式发电机，其特征在于：左、右支架均采用非铁磁材料制成，左、右铁心组件采用硅钢片叠制而成，输出绕组采用电磁漆包线绕制而成。
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