CN108398569A - 滚动式永磁旋转加速度传感器及其测量方法和装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了滚动式永磁旋转加速度传感器及其测量方法和装配方法。对接式及轴套式永磁旋转加速度传感器必须与待测转轴同轴同心安装。本发明滚动式永磁旋转加速度传感器，包括传感器主体。所述的传感器主体包括外转子铁心、转子绕组、输出绕组、定子铁心、永磁磁钢、固定轴、左端盖、右端盖。定子铁心上设置有2n个永磁磁钢和2n个输出绕组。2n个输出绕组的绕向一致，且依次串联成一个串联电路。串联电路的两个输出端与两根引出线的一端分别相连。外转子铁心与定子铁心之间存在气隙。外转子铁心内壁上设有转子绕组。本发明能够检测被测转轴只露出轴中间部位的局部的旋转机械系统旋转轴的旋转加速度信号，且不影响原旋转机械系统的运行。

Description

滚动式永磁旋转加速度传感器及其测量方法和装配方法

技术领域

本发明属于旋转加速度检测技术领域，具体涉及一种滚动式外转子式永磁旋转加速度传感器及其测量方法和装配方法。

背景技术

旋转速度瞬变即旋转加速度量是旋转机械系统中存在的最常见物理量之一，它使旋转轴产生扭振，从而使机械系统产生振动，影响机械加工的精度，而且易造成转轴疲劳和故障，但该物理量精确测量很难。公知的传感器有圆形光栅传感器和激光光栅传感器，这二种传感器所测到的信号是离散的，精度不高，此外，本申请人前期提出了有带杯形转子结构同轴相连的或有轴套型永磁式旋转加速度传感器，该传感器测得的旋转加速度信号是连续的变化量，但由于与被测轴的连接方法必须同轴同心直接连接或套于转轴上，无法适用于已经定型并正在使用的且不能直接同轴同心安装永磁旋转加速度传感器的场合，特别是只露出轴中间部位的局部又不影响原系统运行的场合。本申请人另有提出一种轴瓦式便携型永磁式旋转加速度传感器，不需要同轴同心安装在转轴的一端，但该传感器对于旋转轴的旋转加速度测量必须一轴一传感器配置，不具有通用性。因此，影响了使用的便利性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种滚动式永磁旋转加速度传感器及其测量方法和装配方法。

本发明滚动式永磁旋转加速度传感器，包括传感器主体。所述的传感器主体包括外转子铁心、转子绕组、输出绕组、定子铁心、永磁磁钢、固定轴、左端盖和右端盖。

所述的定子铁心与固定轴同轴固定。定子铁心上开设有沿固定轴周向均布的2n个长槽，1≤n≤8。定子铁心上还开设有沿固定轴周向均布的2n个绕组槽。2n个长槽内均嵌有永磁磁钢。2n个绕组槽内均嵌有输出绕组。所述的左端盖及右端盖均支承在固定轴上。定子铁心位于左端盖与右端盖之间。所述的外转子铁心呈圆筒状，且两端与左端盖、右端盖分别固定。外转子铁心与定子铁心之间存在气隙。外转子铁心的内壁上固定有圆筒状的转子绕组。2n个输出绕组的绕向一致，且依次串联成一个串联电路。串联电路的两个输出端与两根引出线的一端分别相连。

进一步地，本发明滚动式永磁旋转加速度传感器还包括辅助装置。所述的辅助装置包括传感器固定支撑臂、辅助轮、辅助轮固定支撑臂和手柄支撑杆。所述传感器主体内的固定轴与传感器固定支撑臂的外端固定。所述辅助轮支承在辅助轮固定支撑臂的外端。传感器固定支撑臂及辅助轮固定支撑臂的内端均与手柄支撑杆的内端铰接。所述辅助轮的轴线与外转子铁心的轴线相互平行。

进一步地，所述传感器固定支撑臂、辅助轮固定支撑臂及手柄支撑杆的内端通过公共铰接轴构成复合铰链。所述公共铰接轴两端的螺纹与两个螺母分别成螺纹连接。

进一步地，2n个绕组槽与2n个长槽分别错开360°/4n机械角设置。

进一步地，任意两个沿固定轴周向相邻的永磁磁钢的相邻侧面极性相同。

进一步地，所述的固定轴内开设有穿线通道。穿线通道由内端连接在一起的轴向孔和径向孔组成。径向孔的外端与固定轴的侧面连通。轴向孔的外端与固定轴的一端端面连通。两根引出线均穿过固定轴内的穿线通道。径向孔位于左端盖与右端盖之间；传感器定子固定轴的两端设置有固定螺纹。

进一步地，所述外转子铁心的外壁上涂有防滑薄膜。

进一步地，本发明滚动式永磁旋转加速度传感器还包括传感器固定支撑臂。传感器内的固定轴与传感器固定支撑臂的一端固定。

该滚动式永磁旋转加速度传感器的旋转加速度测量方法如下：

步骤一、根据被测转轴的轴径调节传感器固定支撑臂、辅助轮固定支撑臂之间的夹角，使得辅助轮及外转子铁心的间距小于被测转轴的轴径。之后将传感器固定支撑臂、辅助轮固定支撑臂及手柄支撑杆固定。

步骤二、工作人员握住手柄支撑杆，并将辅助轮及外转子铁心紧靠在被测转轴上，使得外转子铁心随被测转轴转动。此时，外转子铁心与被测转轴的转向相反，被测转轴的转速与外转子铁心的转速之比为f＝B/C，被测转轴的旋转加速度与外转子铁心的旋转加速度之比为K＝B/C，其中，B为外转子铁心的外径，C为被测转轴的轴径。

在传感器主体的内部，永磁磁钢N极—定子铁心—气隙—转子绕组—转子铁心—转子绕组—气隙—定子铁心—永磁磁钢S极—永磁磁钢构成闭合磁路，其产生的磁通为Φ₁；被测转轴旋转，带动外转子铁心及转子绕组旋转切割永磁磁钢产生的磁场，产生切割电势，进而产生感应电流。转子绕组在感应电流的作用下产生磁通为Φ₂的磁场，磁通Φ₂与输出绕组相交链。

若被测转轴旋转速度稳定，则转子绕组无旋转加速度，转子绕组上产生的切割电势恒定，产生的感应电流恒定，与输出绕组相交链的磁场磁通Φ₂恒定，输出绕组中不产生感应电势。

若被测转轴旋转速度不稳定，则转子绕组存在旋转加速度，转子绕组切割磁通为Φ₁的磁场时，切割速度存在变化分量，转子绕组上产生的切割电势存在变化分量，产生的感应电流存在变化分量，与输出绕组相交链的磁场磁通Φ₂也存在变化分量。磁通Φ₂的变化分量与输出绕组相交链，在各个输出绕组中产生感应电势。各输出绕组中的感应电动势叠加后从两根引出线中输出。被测转轴的旋转加速度越大，则两根引出线输出的电压值越大。两根引出线输出的电压值的变化情况反映了外转子铁心的旋转加速度a₁的变化情况。根据两根引出线输出的电压值大小求出外转子铁心的旋转加速度a₁的大小。被测转轴的旋转加速度a₂＝Ka₁。

该传感器的装配方法如下：

步骤一、将2n个永磁磁钢分别嵌入定子铁心的2n个长槽内。

步骤二、将串联在一起的2n个输出绕组分别嵌入定子铁心的2n个绕组槽内。

步骤三、将定子铁心固定在固定轴上，并将两根引出线的一端与四个输出绕组连成的串联电路的两个输出端分别连接。

步骤四、将转子绕组固定在外转子铁心的内侧后，将外转子铁心套置到定子铁心的外侧。

步骤五、将左端盖、右端盖放置到定子铁心两侧，分别通过轴承支承在固定轴上，并与外转子铁心的两端分别固定。

步骤六、将固定轴与传感器固定支撑臂的外端固定。

步骤七、将辅助轮支承到辅助轮固定支撑臂的外端。

步骤八、将传感器固定支撑臂、辅助轮固定支撑臂、手柄支撑杆的外端端通过公共铰接轴构成复合铰链，并在公共铰接轴的两端装上螺母。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明能够检测被测转轴只露出轴中间部位的局部的旋转机械系统中被测转轴上的旋转加速度信号，且不影响原旋转机械系统的运行。

2、本发明在对现有旋转机械系统不改动的情况下，只需要将外转子铁心与被测转轴相接触，使得外转子铁心跟随被测转轴一起旋转，被测转轴上的旋转加速度信号就会以电压信号的形式表现出来，操作十分方便。

3、本发明通过设置辅助轮，保证了外转子铁心的轴线平行于被测转轴的轴线，从而保证被测转轴的旋转加速度量的变化情况可靠的转化为外转子的旋转加速度变化情况，提高了旋转加速度测量的准确性。

4、本发明采用外转子结构，使得本发明能够适用于不同直径规格转轴的旋转加速度测量。

附图说明

图1为本发明中传感器主体的轴向结构示意图；

图2为本发明中传感器主体的径向结构示意图；

图3为本发明与被测转轴的配合示意图；

图4为本发明中辅助轮的径向结构示意图；

图5为本发明的工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2和3所示，滚动式永磁旋转加速度传感器，包括辅助装置和传感器主体Ⅰ。传感器主体包括外转子铁心1、转子绕组2、输出绕组3、定子铁心4、永磁磁钢5、固定轴6、左端盖7、左轴承8、右端盖9、右轴承10和穿线通道11。

定子铁心4与固定轴6同轴固定。定子铁心4上开设有沿固定轴6周向均布的四个长槽。定子铁心4上还开设有沿固定轴6周向均布的四个绕组槽。四个绕组槽与四个长槽分分别错开45°角设置。四个长槽内均嵌有永磁磁钢5。四个永磁磁钢5的磁极朝向均沿固定轴6的周向设置。相邻的两个永磁磁钢5的相邻侧面极性相同。四个绕组槽内均嵌有输出绕组3。左端盖7、右端盖9分别通过左轴承8、右轴承10支承在固定轴6上。定子铁心4位于左端盖7与右端盖9之间。外转子铁心1呈圆筒状，且内壁的两端与左端盖7、右端盖9的外边缘分别固定。外转子铁心1与定子铁心4之间存在气隙。圆筒状的转子绕组2固定在外转子铁心1的内壁。转子绕组2的轴线与外转子铁心1的轴线共线。固定轴内开设有穿线通道11。穿线通道11由内端连接在一起的轴向孔和径向孔组成。径向孔的外端与固定轴的侧面连通。轴向孔的外端与固定轴的一端端面连通。固定轴的两端设置有用于安装固定轴的固定螺纹12。

四个输出绕组的绕向一致，按图5感应电势方向(十字为进去，点为出来)，按“+”端连“-”端的方式依次串联成一个串联电路。使得各输出绕组中的感应电势能够在串联电路中叠加输出。串联电路的两个输出端与两根引出线的一端分别相连。两根引出线均穿过固定轴内的穿线通道11，并从轴向孔的外端穿出。

如图3和4所示，辅助装置包括手柄支撑杆13、辅助轮固定支撑臂14、辅助轮15、内导轴20、辅助轴承19和传感器固定支撑臂16。辅助轮固定支撑臂14、传感器固定支撑臂16及手柄支撑杆13的内端通过公共铰接轴构成复合铰链。公共铰接轴的两端与两个螺母17分别螺纹连接。在拧紧两个螺母17的情况下，辅助轮固定支撑臂14、传感器固定支撑臂16及手柄支撑杆13相互固定，无法转动。传感器主体内固定轴6两端的螺纹与传感器固定支撑臂的外端固定。辅助轮15通过辅助轴承19支承在内导轴20上。内导轴20两端的螺纹与辅助轮固定支撑臂的外端固定。辅助轮15的轴线与外转子铁心1的轴线相互平行。

该滚动式永磁旋转加速度传感器的旋转加速度测量方法如下：

步骤一、松开公共铰接轴两端的螺母17，并根据被测转轴18的轴径调节辅助轮固定支撑臂14与传感器固定支撑臂16之间的夹角，使得辅助轮15及外转子铁心1的间距小于被测转轴18的轴径(即辅助轮15及外转子铁心1能够同时与被测转轴18接触)。之后拧紧铰接轴两端的螺母17。

步骤二、如图3所示，工作人员握住手柄支撑杆13，并将辅助轮15及外转子铁心1抵在被测转轴18上，使得外转子铁心1随被测转轴18转动。由于轴线相互平行的辅助轮15与外转子铁心1同时与被测转轴18接触，故能够保证外转子铁心1与被测转轴18可靠接触，以同一线速度旋转。此时，外转子铁心1与被测转轴18的转向相反，被测转轴18的转速与外转子铁心1的转速之比为f＝B/C，被测转轴18的旋转加速度与外转子铁心1的旋转加速度之比为K＝B/C，B为外转子铁心1的外径，C为被测转轴18的轴径。这样，被测转轴18上的旋转加速度信号就变成了外转子铁心1上的旋转加速度信号。

如图5所示，在传感器主体内部，永磁磁钢N极—定子铁心4—气隙—转子绕组2—转子铁心1—转子绕组2—气隙—定子铁心4—永磁磁钢S极—永磁磁钢构成闭合磁路，其产生的磁通为Φ₁；

被测转轴18转动，带动外转子铁心1及转子绕组2转动切割永磁磁钢产生的磁场，产生切割电势e₁，进而产生感应电流。转子绕组2在感应电流的作用下产生磁通为Φ₂的磁场，磁通Φ₂与输出绕组相交链。

若被测转轴18旋转速度稳定，即外转子铁心旋转速度稳定，则转子绕组2无旋转加速度，转子绕组2上产生的切割电势e₁恒定，产生的感应电流恒定，与输出绕组相交链的磁场磁通Φ₂恒定，输出绕组中不产生感应电势。

若被测转轴18旋转速度不稳定，即外转子铁心旋转速度不稳定，则转子绕组2存在旋转加速度，转子绕组2切割磁通为Φ₁的磁场时，切割速度存在变化分量，转子绕组2上产生的切割电势e₁存在变化分量，产生的感应电流存在变化分量，与输出绕组相交链的磁场磁通Φ₂也存在变化分量。磁通Φ₂的变化分量与各个输出绕组相交链，在各个输出绕组中产生感应电势。由于各输出绕组串联，故输出绕组中的感应电动势叠加后从两根引出线中输出。被测转轴18的旋转加速度越大，则两根引出线输出的电压值越大，即旋转加速度越大。

可见，两根引出线输出的电压值的变化情况反映了外转子铁心的旋转加速度a₁的变化情况，进而可求出外转子铁心的旋转加速度a₁的大小。由于被测转轴18的旋转加速度与外转子铁心1的旋转加速度之比为K。故被测转轴18的旋转加速度a₂＝Ka₁。

该传感器的装配方法如下：

步骤一、将四个永磁磁钢分别嵌入定子铁心的四个长槽内。

步骤二、将串联在一起的四个输出绕组分别嵌入定子铁心的四个绕组槽内。

步骤三、将定子铁心固定在固定轴上，并将两根引出线的一端与四个输出绕组连成的串联电路的两个输出端分别连接，另一端均经过穿线通道穿出固定轴。

步骤四、将转子绕组固定在外转子铁心的内侧后，将外转子铁心套置到定子铁心的外侧。

步骤五、将左端盖、右端盖位于定子铁心两侧，分别通过左轴承、右轴承支承于固定轴上，并与外转子铁心两端固定。

步骤六、将固定轴与传感器固定支撑臂的外端固定。

步骤七、将辅助轮15通过辅助轴承19支承于内导轴20上。将内导轴20与辅助轮固定支撑臂14的外端固定。

步骤八、将传感器固定支撑臂、辅助轮固定支撑臂及手柄支撑杆的外端通过公共铰接轴构成复合铰链。调节好传感器主体与辅助轮的间距，并在公共铰接轴的两端装上螺母。

Claims (10)

1.滚动式永磁旋转加速度传感器，包括传感器主体；其特征在于：所述的传感器主体包括外转子铁心、转子绕组、输出绕组、定子铁心、永磁磁钢、固定轴、左端盖和右端盖；所述的定子铁心与固定轴同轴固定；定子铁心上开设有沿固定轴周向均布的2n个长槽，1≤n≤8；定子铁心上还开设有沿固定轴周向均布的2n个绕组槽；2n个长槽内均嵌有永磁磁钢；2n个绕组槽内均嵌有输出绕组；所述的左端盖及右端盖均支承在固定轴上；定子铁心位于左端盖与右端盖之间；所述的外转子铁心呈圆筒状，且两端与左端盖、右端盖分别固定；外转子铁心与定子铁心之间存在气隙；外转子铁心的内壁上固定有圆筒状的转子绕组；2n个输出绕组的绕向一致，且依次串联成一个串联电路；串联电路的两个输出端与两根引出线的一端分别相连。

2.根据权利要求1所述的滚动式永磁旋转加速度传感器，其特征在于：还包括辅助装置；所述的辅助装置包括传感器固定支撑臂、辅助轮、辅助轮固定支撑臂和手柄支撑杆；所述传感器主体内的固定轴与传感器固定支撑臂的外端固定；所述辅助轮支承在辅助轮固定支撑臂的外端；传感器固定支撑臂及辅助轮固定支撑臂的内端均与手柄支撑杆的内端铰接；所述辅助轮的轴线与外转子铁心的轴线相互平行。

3.根据权利要求2所述的滚动式永磁旋转加速度传感器，其特征在于：所述传感器固定支撑臂、辅助轮固定支撑臂及手柄支撑杆的内端通过公共铰接轴构成复合铰链；所述公共铰接轴两端的螺纹与两个螺母分别成螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的滚洞式永磁旋转加速度传感器，其特征在于：2n个绕组槽与2n个长槽分别错开360°/4n机械角设置。

5.根据权利要求1所述的滚动式永磁旋转加速度传感器，其特征在于：任意两个沿固定轴周向相邻的永磁磁钢的相邻侧面极性相同。

6.根据权利要求1所述的滚动式永磁旋转加速度传感器，其特征在于：所述的固定轴内开设有穿线通道；所述的穿线通道由内端连接在一起的轴向孔和径向孔组成；径向孔的外端与固定轴的侧面连通；轴向孔的外端与固定轴的一端端面连通；两根引出线均穿过固定轴内的穿线通道；径向孔位于左端盖与右端盖之间；传感器定子固定轴的两端设置有固定螺纹。

7.根据权利要求1所述的滚动式永磁旋转加速度传感器，其特征在于：所述外转子铁心的外壁上涂有防滑薄膜。

8.根据权利要求1所述的滚动式永磁旋转加速度传感器，其特征在于：还包括传感器固定支撑臂；传感器内的固定轴与传感器固定支撑臂的一端固定。

9.如权利要求2所述的滚动式永磁旋转加速度传感器的旋转加速度测量方法，其特征在于：

步骤一、根据被测转轴的轴径调节传感器固定支撑臂、辅助轮固定支撑臂之间的夹角，使得辅助轮及外转子铁心的间距小于被测转轴的轴径；之后将传感器固定支撑臂、辅助轮固定支撑臂及手柄支撑杆固定；

步骤二、工作人员握住手柄支撑杆，并将辅助轮及外转子铁心紧靠在被测转轴上，使得外转子铁心随被测转轴转动；此时，外转子铁心与被测转轴的转向相反，被测转轴的转速与外转子铁心的转速之比为f＝B/C，被测转轴的旋转加速度与外转子铁心的旋转加速度之比为K＝B/C，其中，B为外转子铁心的外径，C为被测转轴的轴径；

在传感器主体的内部，永磁磁钢N极—定子铁心—气隙—转子绕组—转子铁心—转子绕组—气隙—定子铁心—永磁磁钢S极—永磁磁钢构成闭合磁路，其产生的磁通为Φ₁；被测转轴旋转，带动外转子铁心及转子绕组旋转切割永磁磁钢产生的磁场，产生切割电势，进而产生感应电流；转子绕组在感应电流的作用下产生磁通为Φ₂的磁场，磁通Φ₂与输出绕组相交链；

若被测转轴旋转速度稳定，则转子绕组无旋转加速度，转子绕组上产生的切割电势恒定，产生的感应电流恒定，与输出绕组相交链的磁场磁通Φ₂恒定，输出绕组中不产生感应电势；

若被测转轴旋转速度不稳定，则转子绕组存在旋转加速度，转子绕组切割磁通为Φ₁的磁场时，切割速度存在变化分量，转子绕组上产生的切割电势存在变化分量，产生的感应电流存在变化分量，与输出绕组相交链的磁场磁通Φ₂也存在变化分量；磁通Φ₂的变化分量与输出绕组相交链，在各个输出绕组中产生感应电势；各输出绕组中的感应电动势叠加后从两根引出线中输出；被测转轴的旋转加速度越大，则两根引出线输出的电压值越大；两根引出线输出的电压值的变化情况反映了外转子铁心的旋转加速度a₁的变化情况；根据两根引出线输出的电压值大小求出外转子铁心的旋转加速度a₁的大小；被测转轴的旋转加速度a₂＝Ka₁。

10.如权利要求3所述的滚动式永磁旋转加速度传感器的装配方法，其特征在于：

步骤一、将2n个永磁磁钢分别嵌入定子铁心的2n个长槽内；

步骤二、将串联在一起的2n个输出绕组分别嵌入定子铁心的2n个绕组槽内；

步骤三、将定子铁心固定在固定轴上，并将两根引出线的一端与四个输出绕组连成的串联电路的两个输出端分别连接；

步骤四、将转子绕组固定在外转子铁心的内侧后，将外转子铁心套置到定子铁心的外侧；

步骤五、将左端盖、右端盖放置到定子铁心两侧，分别支承在固定轴上，并与外转子铁心的两端分别固定；

步骤六、将固定轴与传感器固定支撑臂的外端固定；

步骤七、将辅助轮支承到辅助轮固定支撑臂的外端；

步骤八、将传感器固定支撑臂、辅助轮固定支撑臂、手柄支撑杆的外端端通过公共铰接轴构成复合铰链，并在公共铰接轴的两端装上螺母。