CN106895856A - 径向位置传感器 - Google Patents

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Abstract

用于测量转子(4)在定子(2)内的径向位置的径向位置传感器，包含用于测量所述转子沿第一轴线(X)和垂直于第一轴(X)的第二轴线(Y)在径向上相对于旋转轴线(Z‑Z’)所处位置的测量装置(Z1‑Z4；Z1‑Z8)。所述测量装置包括四个磁极，其中两个磁极(Z1，Z3)沿第一轴线(X)在径向上相对，另外两个磁极(Z2，Z4)沿第二轴线(Y)在径向上相对，被分布于所述定子的内表面的所述四个磁极具有围绕定子整个圆周交替的磁极性(N，S)。作为一种选择，所述测量装置包括八个磁极，其被布置于所述定子的内表面，具有围绕定子整个圆周交替的磁极性(N，S)，所述八个磁极的排布方式使得第一轴线和第二轴线之间的每个磁极偏离最近轴线的角度(A”6)约为30°。

Description

径向位置传感器
技术领域
本发明涉及一种用于测量转子在定子内的径向位置的径向位置传感器。尤其是，该传感器可以集成在电动旋转机器(electrical rotary machine)上或者磁浮轴承，两者都包括固定部分(也就是定子)和旋转部分，也就是转子。
背景技术
图1展示了现有技术中的8极的径向位置传感器。该传感器能够祛除代表转子缺陷中的偶次谐波(even harmonics)。事实上，转子从来都不是完美的圆柱形状。所述传感器包括八个布置在定子内表面的磁极(magnetic pole)。每个磁极由电磁铁形成。所述电磁铁被分成四对。每对电磁铁具有相反的磁极性(magnetic polarity)，并且串联连接。一对电磁铁于是形成偶极子(dipole)。电磁铁的所述磁极性对应于所产生的磁场的方向。在图1中由字母“N”或者“S”表示，各自代表“北”或者“南”。每个电磁铁产生的磁场在空气间隙(airgap)中相对于转子的旋转轴线而言是径向的。
如图1中所见的，磁力线相对于偶极子来说是固有的(intrinsic)。所述磁力线为环线，途径偶极子的第一电磁铁、转子的一部分、偶极子的第二电磁铁、以及连接两个电磁铁的定子的一部分。所述磁力线在图1中以箭头表示。四组偶极子由D1、D2、D3和D4表示并线连接为如图2中展示的桥式电路(bridge circuit)。结果，偶极子D1和D3串联并沿第一轴线X在径向上相对。偶极子D2和D4串联并沿垂直于轴线X的第二轴线Y在径向上相对。所述桥式电路包括偶极子D1到D4两两之间的四个节点A、B、C和D，且在节点A和C之间施以输入电压。E+表示节点A处的电压，E-表示节点C处的电压。Vx和Vy分别表示节点B和D处的电压。
转子在X方向上的位移导致偶极子D1和D3的电磁铁产生的磁场的改变。结果，偶极子D1和D3的电磁铁的自感(self-inductance)发生变化，偶极子D1和D3的阻抗也相应地发生变化。这种变化可以根据表征转子沿X轴位移幅度的Vx信号检测到。以同样的方式，Vy信号的测量表征转子沿Y轴位移的幅度。
图3展示了一种更为复杂的传感器。该传感器为16极径向位置传感器，包括排列在定子内表面的八对电磁铁。如图1中的径向位置传感器，所述16极径向位置传感器具有两个彼此垂直的测量轴线X和Y，每对电磁铁具有交替的磁极性，一起形成偶极子。D1至D8表示八个偶极子。标记7表示偶极子D1至D8的对称轴线。任何一个偶极子D1至D8的对称轴线7与最近的轴线X或Y限定30°的夹角A7。结果，偶极子D1与D4、D2与D7、D3与D6以及D5与D8的所述对称轴线7之间的夹角都等于120°。与图1中的8极径向位置传感器相比，16极径向位置传感器除了偶次谐波之外，还可以剔除奇次谐波(odd harmonic)，其除以6的欧几里得除法(Euclidean division)余数为3(3模6次谐波)。该传感器适于大型电气机械。这些谐波代表了转子的表面缺陷。
所述八个偶极子线连接成图4中展示的桥式电路。所述桥式电路包括四个在偶极子D1至D8之间的节点A、B、C和D，所述桥式电路由施加在节点A和C之间的输入电压。E+表示节点A处的电压，E-表示节点C处的电压。Vx和Vy分别表示节点B和D处的电压。偶极子D4和D5串联在节点A和B之间，偶极子D1和D8串联在节点B和C之间，节点D3和D2串联在节点C和D之间，偶极子D7和D6串联在节点D和A之间。
节点B处的电压Vx的测量可以推算出沿X轴的转子位移，节点D处的电压Vy的测量可以推算出沿Y轴的转子位移。
因为需要绕卷的线圈数量，这些已知的径向位置传感器难以制造。进一步的，线圈距离彼此太近，以致难以进行自动化的绕卷。结果，绕卷过程很费时。例如，需要花费约两天来绕卷8极径向位置传感器的全部线圈。另外，这还引起相互连接的可靠性问题。
发明内容
本发明旨在通过提出一种提供相同的测量精度却更容易制造的径向位置传感器来解决上述缺点。
了这个目的，本发明涉及一种按照权利要求1所述的径向位置传感器。
得益于本发明，为获得类似的测量精度，所述传感器具有比现有技术的径向位置传感器要少两倍的电磁铁。从而也就少绕卷两倍的线圈以及使用更少的铜。进一步的，线圈与彼此之间的间隔更大，从而绕卷工作可以自动化地执行。此外，所述传感器对于转子表面缺陷的敏感性更低。所述传感器在线性、敏感性和耗能方面相比于现有技术相应的传感器具有相同的性能。换句话说，按照本发明的8极径向位置传感器可以代替现有技术中的16极径向位置传感器而按照本发明的4极径向位置传感器可以代替现有技术中的8极径向位置传感器。
本发明有利的而非必要的进一步的方面在权利要求2至9中详细说明。
本发明还涉及一种如权利要求10中限定的电气旋转机械。
本发明还涉及一种如权利要求11中限定的磁浮轴承(magnetic bearing)。
附图说明
下面对照图1至8对本发明进行解释，在图中：
-图1展示了第一个现有技术中的径向位置传感器，
-图2展示了与图1中的径向位置传感器相关的桥式电路，
-图3展示了第二个现有技术中的径向位置传感器，
-图4展示了与图3中的径向位置传感器相关的桥式电路，
-图5展示了按照本发明的径向位置传感器的第一实施例，
-图6展示了与图5中传感器相关的桥式电路，
-图7展示了按照本发明的径向位置传感器的第二实施例，
-图8展示了与图7中传感器相关的桥式电路。
具体实施方式
图5展示了测量转子4在定子2中的径向位置的径向位置传感器。所述转子4由铁磁材料制成。所述传感器包括四极。每个极由电磁铁Z1、Z2、Z3或者Z4形成。所述电磁铁Z1、Z2、Z3和Z4排列在定子2内表面。所述传感器也就是一种四极径向位置传感器。如图1中的传感器，本传感器能够排除转子缺陷中的偶谐波典型。事实上，转子不会是完全的圆柱形。
电磁铁Z1、Z2、Z3和Z4各自包括图中未标识的线圈，所述线圈绕卷在铁芯6上，相对于定子2的内表面向内突出。每个线圈具有相同的匝数。这个匝数与现有技术的传感器的线圈匝数相同。电磁铁Z1至Z4具有围绕定子2整个圆周交替的磁极性N、S且相互之间夹角为90°。这意味着在沿圆周方向(peripheral direction)首尾相连的任何连续的磁极(pole)具有相反的极性，分别是北(North)和南(South)。所述圆周方向由图中未标示的转子4旋转轴线Z-Z’的直辐射方向矢量(orientation vector orthoradial to a rotation axis Z-Z’，即以Z-Z’为旋转轴线的圆所代表的方向)限定。电磁铁的所述磁极性由经过电磁铁的线圈中的电流的方向确定。
在图5的实施例中，磁极Z1至Z4在圆周方向上均匀地分布。磁极Z1和Z3沿轴线X在径向上相对，磁极Z2和Z4沿垂直于轴线X的轴线Y在径向上相对。轴线X和Y均垂直于轴线Z-Z’。
电磁铁Z1至Z4线连接为如图6所示的桥式电路。正如该图中所见的，电磁铁Z1和Z3串联，电磁铁Z2和Z4串联。所述桥式电路包括在磁极Z1至Z4之间的四个节点A、B、C和D并由在节点A和C之间施以输入电压。E+表示节点A处的电压，E-表示节点C处的电压。所述输入电压为节点A和C之间的电压差。该输入电压为具有约等于20kHz的频率的正弦信号。
Vx和Vy分别表示节点B和D出的电压。Vx信号对应于电磁铁Z1和Z3之间的电压，Vy信号对应于电磁铁Z2和Z4之间的电压。所述转子4在X方向上的位移牵涉到由偶极子Z1和Z3的电磁铁产生的磁场的改变。例如，如果转子4沿图5中的X轴线向右移动，电磁铁Z1的阻抗提高，而电磁铁Z3的阻抗降低。然后所述桥式电路失去平衡。Vx和Vy信号为与沿轴线X和Y的转子位移成比例的输出信号。从而，任何径向方向上的所述转子位移都被分解为沿X轴线的位移和沿Y轴线的位移，后两者独立地测量。所述传感器包括没有展示出的用于测量输出信号Vx和Vy的装置以及没有展示出的用于推算所述转子4相对于其初始位置的径向位移的装置。
因此，第一组磁极Z1、Z3用于测量沿X轴线的转子位移，第二组磁极Z2、Z4用于测量沿Y轴线的转子位移。
如图5中所见，图中用箭头表示的所述传感器的磁力线，与图1中的磁力线是完全不同的。的确，每个磁力线为环线，途径第一磁体、转子的一部分、毗邻所述第一电磁铁的第二电磁铁、以及连接两个连续电磁铁的定子的一部分。结果，每个磁力线为两个连续的电磁铁共有。这使得磁极如此地排列以使沿圆周方向的任何连续的磁极通过互感(mutualinductance)耦合，意味着在任何连续的电磁铁之间存在磁性的相互作用。这与图1中的传感器的布置是不同的，在图1中，磁极D1至D4没有磁性的相互作用。也就意味着在一些连续的磁极之间不存在互感。
S6表示铁芯6径向地面向转子4的径向表面。该表面S6比图1的现有技术传感器中相对应的铁芯的表面S’6大两倍。结果，按照本发明的传感器的电磁铁对于转子的表面缺陷的敏感性更低。另一个优点在于，在其周围绕卷线圈的铁芯6具有比图1的传感器中的铁芯大两倍的直径。结果，线圈的弯曲半径(bending radius)也要大两倍。这使得绕卷过程更加容易。
图5的传感器在线性度、敏感性和能耗方面提供了与图1的现有技术中的传感器相同的性能，然而具有比其少两倍的电磁铁。
图7展示了按照本发明第二个实施例的径向位置传感器。为了简明的目的，下面仅描述相对于第一个实施例的区别技术特征。此外，按照第二个实施例的径向位置传感器产生与图5的4极径向位置传感器同类的益处。这些益处在上面与所述4极径向位置传感器相关处描述。
图7中展示的传感器为8极径向位置传感器，其具有由电磁铁Z1至Z8形成的8个磁极，电磁铁Z1至Z8围绕定子2的整个圆周分布有交替的磁极N、S。在图7的例子中，电磁铁Z1、Z8、Z4和Z5所在磁极用于测量沿第一轴线X的转子位移，电磁铁Z2、Z3、Z6和Z7所在磁极用于测量沿第二轴线Y的转子位移。
电磁铁Z1至Z8沿圆周方向不均匀地分布。沿圆周方向两个连续的磁极之间的夹角交替为30°和60°。在图7中，A6表示30°夹角，A’6表示60°夹角。夹角A6和A’6以测量两个连续的形成磁极的电磁铁的中心轴线8得到。任何一个所述电磁铁Z1至Z8的所述中心轴线8与最近的轴线X或Y限定出30°的夹角A”6。该夹角A”6对应于所述夹角A’6的一半。换句话说，由电磁铁Z1至Z8形成的所述八个磁极的排布方式使得第一轴线和第二轴线之间的每个磁极偏离最近轴线的角度A”6约为30°。结果，电磁铁Z1和Z4的轴线8之间、Z2和Z7的轴线8之间、Z3和Z6的轴线8之间以及Z5和Z8的轴线8之间的夹角都等于120°。于是该传感器除了偶次谐波以外，还能够排除奇次谐波，其除以6的欧几里得除法的余数为3(3模6次谐波)。在该例子中，夹角A”6等于30°，但是在实践中，所述夹角A”6为约等于30°，具有+/-5°的公差。
所述电磁铁Z1至Z8线连接成如图8中描述桥式电路。所述桥式电路包括四个节点A、B、C和D并由施加在节点A和C之间输入电压激励。E+表示节点A处的电压，E-表示节点C处的电压。所述输入点差为节点A和C之间的电压差。电磁铁Z4、Z5、Z1和Z8串联在节点A和C之间，电磁铁Z6、Z7、Z2和Z3串联在节点A和C之间。尤其是，电磁铁Z4和Z6连接至节点A，电磁铁Z8和Z3连接至节点C。
分别表示节点B和D出的电压。节点B为电磁铁Z5和Z1之间的节点，节点D为电磁铁Z2和Z7之间的节点。Vx为代表沿X轴线的转子位移的信号，Vy为代表沿Y轴线的转子位移信号。
图7的传感器在线性、敏感性和耗能方面具有与图3的现有技术中传感器相同的性能，然而具有少两倍的电磁铁。
图5和图7的传感器可以集成于电气旋转机械中，尤其是电动机，或者磁浮轴承。

Claims (11)

1.用于测量转子(4)在定子(2)内径向位置的径向位置传感器，包含用于测量所述转子沿第一轴线(X)和垂直于第一轴(X)的第二轴线(Y)在径向上相对于旋转轴线(Z-Z’)所处位置的测量装置(Z1-Z4；Z1-Z8)，其特征在于，所述测量装置包括：
四个磁极(Z1-Z4)，其中两个磁极(Z1、Z3)沿第一轴线(X)在径向上相对，另外两个磁极(Z2、Z4)沿第二轴线(Y)在径向上相对，所述四个磁极分布于所述定子的内表面，具有围绕定子的整个圆周交替设置的磁极性(N、S)；或者
八个磁极(Z1-Z8)，分布于所述定子的内表面，具有围绕定子的整个圆周交替设置的磁极性(N、S)，所述八个磁极的排布方式使得第一轴线和第二轴线之间的每个磁极偏离最近轴线的角度(A”6)约为30°。
2.根据权利要求1所述的径向位置传感器，其特征在于，所述磁极的排列方式使得圆周方向上任何连续的磁极通过互感耦合。
3.根据权利要求1或2所述径向位置传感器，其特征在于，每个所述磁极均由电磁铁(Z1-Z4；Z1-Z8)形成。
4.根据权利要求3所述的径向位置传感器，其特征在于，所述偏离角度(A”6)是通过测量形成磁极的电磁铁的中心轴线(8)与第一轴线(X)或第二轴线(Y)之间的夹角得到的。
5.根据权利要求3或4所述的径向位置传感器，其特征在于，所述电磁铁(Z1-Z4；Z1-Z8)被接入桥式电路。
6.根据权利要求5所述的径向位置传感器，其特征在于，所述桥式电路包括间隔所述电磁铁的四个节点(A、B、C、D)，输入电压被施加于桥式电路的两个第一节点(A，C)之间。
7.根据权利要求6所述的径向位置传感器，其特征在于，所述径向位置传感器包括用于测量表示转子在定子内径向位移的桥式电路的输出信号(Vx，Vy)的装置，所述输出信号为桥式电路在两个第二节点(B，D)处的电压值。
8.根据权利要求7所述的径向位置传感器，其特征在于，第一输出信号(Vx)代表所述转子沿第一轴线(X)的位移，第二输出信号(Vy)代表所述转子沿垂直于第一轴线的第二轴线(Y)的位移。
9.根据前述权利要求中任意一项所述的径向位置传感器，其特征在于，所述电磁铁(Z1-Z4；Z1-Z8)各自包括绕卷在铁芯(6)上的线圈，每个线圈具有相同的匝数。
10.电气旋转机械，尤其是电动机，包括如前述权利要求中任一项所述的径向位置传感器。
11.磁浮轴承，包括如权利要求1-9中任一项所述的径向位置传感器。
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