CN105634234B - 一种无刷式直流测速发电机 - Google Patents

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Abstract

一种无刷式直流测速发电机，包括转轴、前端盖及轴承、机座、定子铁心、定子线圈、霍尔元件、永磁转子、后端盖及轴承。其中定子铁心固定在机座内侧，定子铁心设有封闭槽，霍尔元件嵌放在封闭槽中，定子铁心另设有凹槽，定子线圈嵌放在凹槽中；定子线圈的轴线位置与霍尔元件的平面法线位置对齐，且定子线圈的两端分别与对应的霍尔元件的控制端相连；转子为两极的永久磁钢，转子中心设有通孔，转轴一端穿过前端盖的轴承后与机座固定，另一端穿过永磁转子中心通孔后与永磁转子固定，再穿过右端盖的轴承后与机座固定。本发明的无刷式直流测速发电机，输出特性的线性误差小，无剩余电压，结构简单，在低速时也能够精确的测量转速，不存在失灵区。

Description

一种无刷式直流测速发电机
技术领域
本发明涉及一种测速发电机，更具体的是涉及一种基于霍尔效应的无刷式直流测速发电机。
背景技术
直流测速发电机是一种测量转速的微型电气装置，其功能是把输入的机械转速变换为电压信号输出，且输出的电压信号与转速成正比。直流测速发电机按励磁方式可分为永磁式和电磁式两种，其中永磁式直流测速发电机的定子用永久磁钢制成，无需励磁绕组，具有结构简单、不需励磁电源、使用方便、温度对磁场的影响小等优点。
无论是电磁式还是永磁式直流测速发电机，其电枢电路包括电刷和换向片，会产生相应的接触电阻，该接触电阻为非线性，且随负载电流的变化而变化，导致测速发电机的输出特性存在线性误差。此外，当发电机转速较低时，相应的电枢电流较小，而接触电阻较大，电刷压降较大，此时测速发电机虽然有输入信号(转速)，但输出电压却很小，因而在输出特性上存在失灵区。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种无刷式直流测速发电机。
本发明的目的采取下述技术方案实现：
一种无刷式直流测速发电机，包括转轴、前端盖及轴承、机座、定子铁心、定子线圈、霍尔元件、永磁转子、后端盖及轴承；
所述定子铁心固定在机座内侧，定子铁心设有封闭槽，霍尔元件嵌放在封闭槽中，定子铁心另设有凹槽，定子线圈嵌放在凹槽中；所述定子线圈的两个有效边排放在相邻的两个凹槽中，定子线圈的轴线位置与霍尔元件的平面法线位置对齐，且定子线圈的两端分别与对应的霍尔元件的控制端相连；所述永磁转子为两极的永久磁钢制成，永磁转子中心设有通孔；所述转轴一端穿过前端盖的轴承后与机座固定，另一端穿过永磁转子中心通孔后与永磁转子固定，再穿过后端盖的轴承后与机座固定。
所述定子铁心的封闭槽数为四个，在空间平均分布，相互错开90度空间角。
所述定子铁心的凹槽数为四个，在空间平均分布，相互错开90度空间角。
所述定子铁心的封闭槽和凹槽相互错开45度空间角。
所述永磁转子表面气隙的磁场按照正弦规律分布。
所述四片霍尔元件的输出端按照电势叠加的形式，进行相应的正向串联和反向串联。
本发明的有益效果：本发明的无刷式直流测速发电机，由于采用无刷结构，不存在电刷接触电阻造成的非线性误差，且结构简单，在低速时也能够精确的测量转速，不存在低速失灵区。
附图说明
图1为无刷式直流测速发电机的结构图；
图2为无刷式直流测速发电机的剖视图；
图3为无刷式直流测速发电机的气隙磁场示意图；
图4为无刷式直流测速发电机的定子线圈和霍尔元件的接线图。
具体实施方式
以下结合附图进一步描述本发明的无刷式直流测速发电机的实施。
如图1、图2所示，一种无刷式直流测速发电机，包括转轴1、前端盖轴承2、前端盖3、定子线圈4、定子铁心5、机座6、霍尔元件7、永磁转子8、后端盖9和后端盖轴承10。
所述定子铁心5固定在机座6的内侧，定子铁心5设有封闭槽，霍尔元件7嵌放在封闭槽中，定子铁心另设有凹槽，定子线圈4嵌放在凹槽中；所述定子线圈4为四组，分别为401、402、403和404，每组线圈的两个有效边排放在相邻的两个凹槽中，四组线圈401、402、403和404的轴线分别与四片霍尔元件701、702、703和704的平面法线对齐，四组线圈401、402、403和404分别与四片霍尔元件704、701、702和703的控制端相连。
所述永磁转子8为两极的永久磁钢制成，永磁转子8的中心设有通孔；所述转轴1的一端穿过前端盖3的轴承2后与机座6固定，另一端穿过永磁转子8的中心通孔后与永磁转子8固定，再穿过后端盖9的轴承10后与机座6固定。
所述定子铁心5的封闭槽数为四个，在空间平均分布，相互错开90度空间角。
所述定子铁心5的凹槽数为四个，在空间平均分布，相互错开90度空间角。
所述定子铁心5的封闭槽和凹槽相互错开45度空间角。
所述永磁转子8表面气隙的磁场按照正弦规律分布。
所述四片霍尔元件701、702、703和704的输出端按照电势叠加的形式，进行相应的正向串联或反向串联。
如图3、图4所示，一种无刷式直流测速发电机，永磁转子8的初始位置如图3所示，永磁转子8不转时，定子线圈401、402、403和404中无感应电动势，由于定子线圈401、402、403和404分别与四片霍尔元件704、701、702和703的控制端相连，如图4所示，所以霍尔元件704、701、702和703中无霍尔电势输出，即不存在剩余电压；当永磁转子8顺时针，以旋转角速度Ω转动时，如图3所示，永磁转子8表面的气隙磁场为
B＝BmsinΩt (1)，
式中Bm为气隙磁场的幅值。
所述定子线圈401、402、403和404的气隙磁场分别为
所述线圈401、402、403和404的轴线分别与霍尔元件701、702、703和704的平面法线对齐，如图3所示，则穿过霍尔元件701、702、703和704的磁场分别为B1、B2、B3和B4。
根据变压器原理，定子线圈401、402、403和404中分别产生感应电动势为
式中K1、K2、K3和K4分别为与定子线圈401、402、403和404的结构相关的常数。
线圈401与霍尔元件704的控制端相连，线圈402与霍尔元件701的控制端相连，线圈403与霍尔元件702的控制端相连，线圈404与霍尔元件703的控制端相连，如图4所示，则霍尔元件704、701、702和703控制回路中的电流分别为
式中R4、R1、R2和R3分别为霍尔元件704、701、702和703的控制回路中的附加电阻，如图4所示，根据霍尔元件的工作原理，则霍尔元件704、701、702和703输出的霍尔电势分别为
式中KH4、KH2、KH3和KH1分别为霍尔元件704、701、702和703的灵敏度。调节霍尔元件704、701、702和703的控制回路中的附加电阻R4、R1、R2、和R3，如图4所示，使得
所述霍尔元件704、701、702和703输出的霍尔电势叠加后为
EH＝EH1+EH2+EH3+EH4＝KΩ+HΩ (7)，
根据式(7)可知，总输出的霍尔电势与转子角速度Ω成正比。
所述的无刷式直流测速发电机，无电刷和换向片，不存在电刷和换向片的接触电阻，其输出特性的线性误差小，结构简单，且在低速时也能够精确的测量转速，不存在失灵区。
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 (6)

1.一种无刷式直流测速发电机，包括转轴、前端盖及轴承、机座、定子铁心、定子线圈、霍尔元件、永磁转子、后端盖及轴承；
其特征在于：所述定子铁心固定在机座内侧，定子铁心设有封闭槽，霍尔元件嵌放在封闭槽中，定子铁心另设有凹槽，定子线圈嵌放在凹槽中；所述定子线圈的两个有效边排放在相邻的两个凹槽中，定子线圈的轴线位置与霍尔元件的平面法线位置对齐，且定子线圈的两端分别与对应的霍尔元件的控制端相连；所述转子为两极的永久磁钢，转子中心设有通孔；所述转轴一端穿过前端盖的轴承后与机座固定，另一端穿过永磁转子中心通孔后与永磁转子固定，再穿过后端盖的轴承后与机座固定；
永磁转子不转时，定子线圈中无感应电动势，定子线圈与霍尔元件的控制端相连，霍尔元件中无霍尔电势输出；当永磁转子以旋转角速度Ω转动时，永磁转子表面的气隙磁场为
B＝Bm sinΩt (1)，
式(1)中的Bm为气隙磁场的幅值；
定子线圈的气隙磁场分别为
线圈的轴线与霍尔元件的平面法线对齐，根据变压器原理，定子线圈中分别产生感应电动势为
式(3)中K1、K2、K3和K4为与定子线圈结构相关的常数；
定子线圈与霍尔元件的控制端相连，则霍尔元件控制回路中的电流分别为
式(4)中R4、R1、R2和R3分别为霍尔元件控制回路中的附加电阻，根据霍尔元件的工作原理，则霍尔元件输出的霍尔电势分别为
式(5)中KH4、KH2、KH3和KH1分别为霍尔元件的灵敏度，调节霍尔元件控制回路中的附加电阻R4、R1、R2、和R3，使得
霍尔元件输出的霍尔电势叠加后为
EH＝EH1+EH2+EH3+EH4＝KΩ+HΩ (7)，
根据式(7)可知，总输出的霍尔电势与转子角速度Ω成正比。
2.根据权利要求1所述的一种无刷式直流测速发电机，其特征在于：定子铁心的封闭槽数为四个，在空间平均分布，相互错开90度空间角。
3.根据权利要求1所述的一种无刷式直流测速发电机，其特征在于：定子铁心的凹槽数为四个，在空间平均分布，相互错开90度空间角。
4.根据权利要求1所述的一种无刷式直流测速发电机，其特征在于：定子铁心的封闭槽和凹槽相互错开45度空间角。
5.根据权利要求1所述的一种无刷式直流测速发电机，其特征在于：永磁转子表面气隙的磁场按照正弦规律分布。
6.根据权利要求1所述的一种无刷式直流测速发电机，其特征在于：四片霍尔元件的输出端按照电势叠加的形式，进行相应的正向串联或反向串联。
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