CN106644224A - 磁悬浮轴承动态扭矩传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种磁悬浮轴承动态扭矩传感器，包括框架结构部分、电驱动部分、转轴传感部分、磁悬浮轴承部分和信号处理部分，转轴传感部分包括弹性体轴和电阻应变片，弹性体轴的中段设有安装电阻应变片的环状凹槽，电驱动部分包括两组变压电磁感应单元，每组均包括定子和转子，两个转子隔着环状凹槽对称地固定在弹性体轴上，两个定子分别在与各自的转子对应的位置固定在框架结构部分上，磁悬浮轴承部分包括两套磁悬浮轴承，对称地分别安装在两组变压电磁感应单元外侧，每组的转子均固定在弹性体轴上，每组的定子均固定在所述框架结构部分上，该结构易于拆装，能简易的测量转速和扭矩，减少事故发生。

Description

磁悬浮轴承动态扭矩传感器
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮轴承动态扭矩传感器，属于传感测量技术领域，适用于旋转机械设备中功率及传递效率的测定，可以完成电动以及手动的校验测试。本发明的实际应用对于提高扭矩测量的准确性以及扭矩异常分析的可靠性有着较大的意义。
背景技术
磁悬浮轴承动态扭矩传感器将磁悬浮技术应用于动态扭矩测量传感器中，一方面保证了旋转时的平稳，利用了磁悬浮无机械接触为磁力支撑，实现了无摩擦、使用寿命长、噪声小、无磨损、不需要润滑等优点；另一方面极大的提高了动态扭矩传感器的旋转转速，对于高速旋转场合的扭矩测量是一次有开拓性的尝试。
国内生产的动态扭矩传感器性能不稳定，转速也是一个较大的应用瓶颈；进口的动态扭矩传感器价格昂贵、维修复杂、订货周期长，大范围推广存在难点。
因此，如何提高动态扭矩传感器的使用速度、提高传感器的使用精度及其长期稳定性，设计一款高速的动态扭矩传感器，是本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对国内市场现存动态扭矩传感器的不足，设计出一款结构紧凑的高速磁悬浮扭矩传感器。
本发明的磁悬浮轴承动态扭矩传感器包括框架结构部分、电驱动部分、转轴传感部分、磁悬浮轴承部分和信号处理部分，所述转轴传感部分包括弹性体轴和电阻应变片，弹性体轴两端对称地设有用于外部扭矩传导的键槽，弹性体轴的中段设有安装电阻应变片的环状凹槽，电驱动部分包括两组变压电磁感应单元，每组均包括定子和转子，两个转子隔着环状凹槽对称地固定在弹性体轴上，两个定子分别在与各自的转子对应的位置固定在框架结构部分上，磁悬浮轴承部分包括两套磁悬浮轴承，对称地分别安装在两组变压电磁感应单元外侧，每组的转子均固定在弹性体轴上，每组的定子均固定在所述框架结构部分上，所述框架结构部分作为安装传感器的定子框架，并承担安装连接基座的功用。
优选所述框架结构部分主体采用旋转柱环，上下部分为矩形方体，上下通过螺钉紧定于旋转柱环之上。
优选所述电驱动部分定子线圈绕扎在绕线柱上，转子线圈绕扎在转子上，转子材质为DT4C，绕线柱材质为聚四氟乙烯。
优选所述转轴传感部分为阶梯轴结构，传感轴为了磁悬浮轴承的转子需要内嵌0.2-0.4mm的硅钢片叠压而成、外形为圆环形的卡箍。
优选所述磁悬浮轴承部分的定子铁芯采用0.2-0.4mm的硅钢片叠压而成，铁芯上边固定绕线框，该线框可以固化绕线的形状。
优选信号处理部分为传感器的电子处理PCB板子，安装于所述框架结构部分上，用于实现不同幅度电压的转化、稳压、滤波、信号放大、信号采集、AD转换、信号处理、无线发射和无线接收功能。
优选所述磁悬浮轴承部分中轴承转子和定子之间的间隙为0.5mm。
优选所述电驱动部分的定子与转子的间隙为0.4mm。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明将磁悬浮轴承技术应用于动态扭矩传感器，极大地提高了扭矩传感器的动态旋转速度，极大地扩展了动态扭矩传感器的应用场合。
(2)本发明应用的磁悬浮轴承，具备噪声小、无摩擦、使用寿命长、无磨损、不需要润滑等优点。
(3)本发明结构小巧灵敏，拆卸简单，简单的实现了工况条件下的大多数扭矩测量场合；于此同时还能测得转速参数，间接求得功率信息，对于转轴系统的运行状况监测有极大意义。
(4)本发明的供电采用变压器的电磁感应原理，实现了定转子间的非接触供电。
(5)本发明的信号传输采用无线24L01芯片进行无线传播信号原理，实现了定转子间的信息传输。
附图说明
图1为本发明的动态扭矩传感器结构示意图。
图2为本发明动态扭矩传感器中框架结构部分示意图。
图3为本发明动态扭矩传感器中电驱动部分示意图。
图4(1)、(2)为本发明动态扭矩传感器中转轴传感部分和惠斯通电桥结构示意图。
图5为本发明动态扭矩传感器中磁悬浮轴承部分示意图。
图6为本发明动态扭矩传感器中转速测量部分转子示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种磁悬浮轴承动态扭矩传感器，其特征在于包括：框架结构部分1、电驱动部分2、转轴传感部分3、磁悬浮轴承部分4、信号处理部分5、转速测量部分6六部分组成。
如图2所示，所述框体结构部分1是动态扭矩传感器的机架，承担和外部机架的固定连接功用，框架结构为了便于加工和装配，采用框架肢解方式，分为三部分：107柱形壳体、108上侧方壳体、102安装底座，并用螺钉101以及螺钉109连接起来。框体结构部分承担安装机架的功用，由102安装底座实现。框体结构大多采用不锈钢材质，为了最大限度的降低电驱动部分的磁路干扰。106为磁悬浮轴承端盖，起到磁悬浮轴承的轴向定位与固定，通过螺钉103固定在107柱形壳体上面。105为轴外伸端盖，通过螺钉104固定在106磁悬浮轴承端盖上。110上端盖通过螺钉111固定在108上侧方壳体上。框体结构部分1是左右侧对称结构，右侧未述部分同理于左侧。
如图3所示，所述电驱动部分2包含变压电磁感应定子205和转子207：转子207通过螺钉211固定于转轴传感部分3，定子205通过绕线盖201、203经由106磁悬浮轴承端盖固定在框体结构部分1，210为磁悬浮轴承端盖定位台阶。202为定子线圈，缠绕在定子205上；206为转子线圈，缠绕在转子207上。通过改变202定子线圈、206转子线圈的绕线匝数比，可以调节电路的供电电压。205、212为定子走线孔，将外侧电源引入电驱动部分2内部。208为转子走线孔，将电驱动部分2电压引入转轴传感部分3。为了保证定子205和转子207直接磁路的更好传导，必须保证旋转间隙209为0.4mm。
如图4(1)、(2)所示，转轴传感部分4采用轴及扭矩传感一体设计，设计为电阻应变式传感器进行惠斯通组桥传感。301为双侧对称键槽，为外部扭矩传导结构。为了提高扭矩测量的精度，由R1-R8组成的惠斯通电桥内部设置弹性模量补偿电阻Rm、零点补偿电阻Ro、温度补偿电阻Rot以及灵敏度补偿电阻Rs。
如图5所示，磁悬浮轴承部分4为动态扭矩传感器的旋转支撑部分，401为定子铁芯，由厚度为0.2-0.4mm的硅钢片叠压而成，铁芯上边固定绕线框402，该线框可以固化绕线线包的形状，403即为线包。405为转子，形状为圆环形，也是由0.2-0.4mm的硅钢片叠压而成。结构406以及结构407为定子铁芯的轴向定位及紧固结构。为了保证磁悬浮轴承的磁路以及运转的平稳性，必须严明装配，保证定转子之间的气隙为0.4mm。
如图6所示，转速测量部分6扩充了该动态扭矩传感器的应用范围，测量转速参数后，根据先前的扭矩信息，可以求得传感器的功率信息。该转速测量部分通过旋转码盘原理采集通断的光电信息，光电信息由光电码盘通过边缘的齿形结构实现光路的一通一段，采集了相应的频率信息，通过公式转换可以算出旋转的速度。转子齿轮的结构如图6所示。
本发明的框体结构部分是动态扭矩传感器的机架，承担和外部机架的固定连接功用，框架结构为了便于加工和装配，采用框架肢解方式，分为三部分，并用螺钉连接起来。电驱动部分包含变压电磁感应定子和转子，转子固定于转轴传感部分，定子通过绕线盖经由磁悬浮轴承固定在框体结构部分。转轴传感部分和电驱动部分转子固联，转子通过电磁感应的电压直接供给转轴传感的惠斯通电桥，惠斯通电桥有电阻应变计组成平衡电桥，无外接扭矩输入时，惠斯通电桥输出为零，随着外接扭矩的增加，桥路电压输出逐渐增加，输出电压和外接扭矩成正比。信号处理部分分成转子信号处理以及定子信号处理，转子的信号处理板子固定在转子上，供电也直接取自转子的变压后电压；定子的信号处理板子固定在框体结构部分，将外接直流信号通过振荡电路变为交流电压，交流电压通过电驱动部分向转子间接不接触供电。转速测量部分通过旋转码盘原理采集通断的光电信息，光电信息由光电码盘通过边缘的齿形结构实现光路的一通一段，采集了相应的频率信息，通过公式转换可以算出旋转的速度。
本发明的磁悬浮轴承动态扭矩传感器的六个组成部分分别从机械结构设计、硬件电气设计、软件算法设计三大部分支撑动扭传感器的精确、稳定应用。框架结构部分为传感器的基座壳体支撑组成；磁悬浮轴承结构的转子和定子镶嵌于机械框架结构内部；电驱动为整个传感器的电力供给基础；转轴传感是传感器的核心部件，精确感知外部扭矩，通由惠斯通电桥放大应变为电压信号；信号处理部分是信号采集并完成无线传输的电气硬件；转速测量部分扩充了该传感器的测量参数，为传感器的功率计算提供了数学依据。
总之，本发明为一个动态扭矩传感器，基本测量原理是由电阻应变计组成惠斯通电桥，通过桥路将扭矩信息转化为电压信息。动转子之间的电源传输采用传统的变压器电磁感应原理传导。磁悬浮轴承技术的应用极大地提高了动态传感器的旋转速度，也保证了旋转时候的动态特性，是动扭测量的一次新尝试。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种磁悬浮轴承动态扭矩传感器，其特征在于：包括框架结构部分、电驱动部分、转轴传感部分、磁悬浮轴承部分和信号处理部分，所述转轴传感部分包括弹性体轴和电阻应变片，弹性体轴两端对称地设有用于外部扭矩传导的键槽，弹性体轴的中段设有安装电阻应变片的环状凹槽，电驱动部分包括两组变压电磁感应单元，每组均包括定子和转子，两个转子隔着环状凹槽对称地固定在弹性体轴上，两个定子分别在与各自的转子对应的位置固定在框架结构部分上，磁悬浮轴承部分包括两套磁悬浮轴承，对称地分别安装在两组变压电磁感应单元外侧，每组的转子均固定在弹性体轴上，每组的定子均固定在所述框架结构部分上，所述框架结构部分作为安装传感器的定子框架，并承担安装连接基座的功用。
2.根据权利要求1中所述的磁悬浮轴承动态扭矩传感器，其特征在于：所述框架结构部分主体采用旋转柱环，上下部分为矩形方体，上下通过螺钉紧定于旋转柱环之上。
3.根据权利要求1中所述的磁悬浮轴承动态扭矩传感器，其特征在于：所述电驱动部分定子线圈绕扎在绕线柱上，转子线圈绕扎在转子上，转子材质为DT4C，绕线柱材质为聚四氟乙烯。
4.根据权利要求1中所述的磁悬浮轴承动态扭矩传感器，其特征在于：所述转轴传感部分为阶梯轴结构，传感轴为了磁悬浮轴承的转子需要内嵌0.2-0.4mm的硅钢片叠压而成、外形为圆环形的卡箍。
5.根据权利要求1中所述的磁悬浮轴承动态扭矩传感器，其特征在于：所述磁悬浮轴承部分的定子铁芯采用0.2-0.4mm的硅钢片叠压而成，铁芯上边固定绕线框，该线框可以固化绕线的形状。
6.根据权利要求1中所述的磁悬浮轴承动态扭矩传感器，其特征在于：信号处理部分为传感器的电子处理PCB板子，安装于所述框架结构部分上，用于实现不同幅度电压的转化、稳压、滤波、信号放大、信号采集、AD转换、信号处理、无线发射和无线接收功能。
7.根据权利要求1中所述的磁悬浮轴承动态扭矩传感器，其特征在于：所述磁悬浮轴承部分中轴承转子和定子之间的间隙为0.5mm。
8.根据权利要求1中所述的磁悬浮轴承动态扭矩传感器，其特征在于：所述电驱动部分的定子与转子的间隙为0.4mm。
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