CN109307783A - 一种磁悬浮风杯式风速仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁悬浮风杯式风速仪，包括位于转轴和壳体上的永磁环、调节线圈组成的磁悬浮系统、测量元件、圆锥形风杯组成。本发明能够解决现有技术中风杯式风速仪的支持轴承因长时间的机械动作造成的轴承老化，摩擦力变大，影响仪器灵敏度和精确度的问题，能延长其使用寿命，实现微小的风速下即可测量的方法。
Description
技术领域
本发明涉及风杯式风速仪，具体的说，涉及一种竖直轴内转子的磁悬浮技术。
背景技术
风杯式风速仪在我们的日常生活中有着广泛的应用，是一种常用的气象仪器设备，随着经济社会的发展，风杯式风速仪在环境监测、智能管理、现代农业安全防护等领域有着广泛的应用。
但现有的风杯式风速仪，由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都顺向一个方向。整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。
风杯通过轴承与支撑架连接，工作时一直有机械动作。随着轴承的老化和灰尘的干扰，轴承间的摩擦力会变大，灵敏度和精准度大大降低，风越小摩擦阻力就越大，风越大摩擦阻力就越小，故在测量比较小的风速时其误差相对较大。轴承的机械特性决定了机械旋转式风杯风速计使用寿命比较短。
发明内容
本发明提供了一种磁悬浮风杯式风速仪，能够解决现有技术中风杯式风速仪的支持轴承因长时间的机械动作造成的轴承老化，摩擦力变大，影响仪器灵敏度和精确度的问题，能延长其使用寿命，实现微小的风速下即可测量的方法。
本发明的上述目的通过以下的技术方案来实现：一种磁悬浮风杯式风速仪，包括由位于转轴和壳体上的永磁环、调节线圈组成的磁悬浮系统、测量元件、圆锥形风杯组成，其特征在于：所述转轴上固连有三个圆锥形风杯，所述转轴上设有保护轴承挡环。
所述转轴上部设有上转轴铁芯，所述上转轴铁芯上方设有上保护轴环，所述上转轴铁芯下方设有转轴上径向磁化永磁环阵列，所述转轴下部设有下转轴铁芯，所述下转轴铁芯上方设有转轴下径向磁化永磁环阵列，所述下转轴铁芯下方设有下保护轴环，所述传感元件设在转轴的中部，位于转轴下径向磁化永磁环阵列和转轴上径向磁化永磁环阵列之间，所诉转轴底部设有转轴轴向磁化永磁铁，
所诉壳体顶端设有保护轴承，所述保护轴承上方设有密封垫圈，所述密封垫圈上方设有防护罩。所述壳体内壁上部设有上径向调节线圈，所述上径向调节线圈下方设有上径向磁化永磁环阵列，所述壳体内壁下部设有下径向磁化永磁环阵列，所述下径向磁化永磁环阵列下方设有下径向调节线圈，所述壳体内壁设有识别传感器位于上径向磁化永磁环阵列和下径向磁化永磁环阵列之间。所述壳体底端设有底部轴向磁化永磁体。
本发明磁悬浮系统的工作原理进一步描述为：转轴上径向磁化永磁阵列1位于上径向磁化永磁环阵列偏下位置，同极相对，进而可产生径向永磁斥力，又因二者位置未在同一平面，故产生向下的轴向永磁斥力。转轴下径向磁化永磁环阵列位于下径向磁化永磁环阵列偏下位置，同极相对，进而可产生径向永磁斥力，又因二者位置未在同一平面，故产生向下的轴向永磁斥力。转轴轴向磁化永磁铁和底部轴向磁化永磁体呈圆形，同极相对，在转轴上产生向上的永磁斥力，所述轴向永磁斥力可克服转轴及风杯重力，产生的径向永磁斥力合力可减轻轴在转动过程中的径向摆动，可实现转轴在轴向和径向上的无接触悬浮，特别的，上径向调节线圈与上转轴铁芯产生的吸引力，以及下径向调节线圈与下转轴铁芯产生的吸引力，可以微调转轴相对于壳体的径向位置，实现在五自由度上的悬浮。
值得说明的是，该发明采用了以下方式作为保护措施，防止转轴与风杯组成的旋转部分与壳体内壁碰撞，具体的：所诉保护轴承挡环在轴向上可防止转轴和圆锥形风杯构成的旋转部分向下的移动，配合保护轴承的使用，防止在意外情况出现时转轴与壳体内壁碰撞，造成磨损。所述上保护轴环和下保护轴环与壳体内壁的间隙小于转轴上径向磁化永磁环阵列、上转轴铁芯、下转轴铁芯、转轴下径向磁化永磁环阵列与壳体内壁的间隙，防止转轴与壳体内壁之间接触碰撞。上保护轴环在轴向上可防止转轴和圆锥形风杯构成的旋转部分向上弹出。
所述密封垫圈覆盖在保护轴承上方，配合防护罩的使用可以防止灰尘，雨水等进入装置内部。
所述转轴上安装有传感元件，识别传感器固设在壳体内壁上，其中传感元件与识别传感器配合实现对风速的测定。在本实例中，传感元件为感光片，而与之配合的识别传感器为红外光电传感器。转轴上的感光片为有缺口的感光片，当旋转架在随风旋转时，转轴带动着感光片旋转，红外光电传感器接收到间断的脉冲信号，从而将风速线性地变换成光电开关的输出脉冲频率。仪器内的单片机对传感器的输出频率进行采样，计算，最后仪器输出瞬时风速，一分钟风速，瞬时风级，一分钟风级，平均风级。测得的参数在仪器的液晶显示器上用数字直接显示出来。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详述。
如图1，一种磁悬浮风杯式风速仪，其工作原理为：所述转轴上径向磁化永磁阵列17位于上径向磁化永磁环阵列6偏下位置，同极相对，进而可产生径向永磁斥力，又因二者位置未在同一平面，故产生向下的轴向永磁斥力。转轴下径向磁化永磁环阵列15位于下径向磁化永磁环阵列8偏下位置，同极相对，进而可产生径向永磁斥力，又因二者位置未在同一平面，故产生向下的轴向永磁斥力。转轴轴向磁化永磁铁11和底部轴向磁化永磁体12呈圆形，同极相对，在转轴1上产生向上的永磁斥力，所述轴向永磁斥力可克服转轴1及风杯2重力，产生的径向永磁斥力合力可减轻轴在转动过程中的径向摆动，可实现转轴在轴向和径向上的无接触悬浮，特别的，上径向调节线圈5与上转轴铁芯18产生的吸引力，以及下径向调节线圈9与下转轴铁芯14产生的吸引力，可以微调转轴1相对于壳体13的径向位置，实现在五自由度上的悬浮。
上保护轴环19可在径向和轴向起保护作用，下保护轴环10在径向上起保护作用。上保护轴环19和下保护轴环10与壳体内壁的间隙小于转轴上径向磁化永磁环阵列17、上转轴铁芯18、下转轴铁芯14、转轴下径向磁化永磁环阵列15与壳体内壁的间隙，防止转轴1与壳体内壁之间接触碰撞。上保护轴环19在轴向上可防止转轴1和圆锥形风杯2构成的旋转部分向上弹出。保护轴承挡环3在轴向上可防止转轴1和圆锥形风杯2构成的旋转部分向下的移动，配合保护轴承4的使用，防止在意外情况出现时转轴1与壳体内壁碰撞，造成磨损。
密封垫圈20覆盖在保护轴承4上方，配合防护罩21的使用可以防止灰尘，雨水等进入装置内部。
转轴1上安装有传感元件16，识别传感器7固设在壳体内壁上，其中传感元件16与识别传感器7配合实现对风速的测定。在本实例中，传感元件16为感光片，而与之配合的识别传感器7可以为红外光电传感器。在其他实施例中，转轴上固定有一个齿状的叶片，当旋转架在随风旋转时，转轴带动着叶片旋转，齿状叶片在光电开关的光路中不断切割光束，从而将风速线性地变换成光电开关的输出脉冲频率。仪器内的单片机对风传感器的输出频率进行采样，计算，最后仪器输出瞬时风速，一分钟风速，瞬时风级，一分钟风级，平均风级。测得的参数在仪器的液晶显示器上用数字直接显示出来。当然，传感元件16与识别元件7并不限于本实施例的元件，只要能够测定风速的传感器组合都可以。
Claims (5)
1.一种磁悬浮风杯式风速仪，包括由位于转轴和壳体上的永磁环、调节线圈组成的磁悬浮系统，测量元件，圆锥形风杯组成，其特征在于：所述转轴上固连有三个圆锥形风杯，所述转轴上部设有上转轴铁芯，所述上转轴铁芯上方设有上保护轴环，所述上转轴铁芯下方设有转轴上径向磁化永磁环阵列，所述转轴下部设有下转轴铁芯，所述下转轴铁芯上方设有转轴下径向磁化永磁环阵列，所述下转轴铁芯下方设有下保护轴环，所述传感元件设在转轴的中部，位于转轴下径向磁化永磁环阵列和转轴上径向磁化永磁环阵列之间，所诉转轴底部设有转轴轴向磁化永磁铁，所诉壳体顶端设有保护轴承，所述保护轴承上方设有密封垫圈，所述密封垫圈上方设有防护罩，所述壳体内壁上部设有上径向调节线圈，所述上径向调节线圈下方设有上径向磁化永磁环阵列，所述壳体内壁下部设有下径向磁化永磁环阵列，所述下径向磁化永磁环阵列下方设有下径向调节线圈，所述壳体内壁设有识别传感器位于上径向磁化永磁环阵列和下径向磁化永磁环阵列之间。所述壳体底端设有底部轴向磁化永磁体。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮风杯式风速仪，其特征在于：转轴上径向磁化永磁阵列1位于上径向磁化永磁环阵列偏下位置，同极相对，进而可产生径向永磁斥力，又因二者位置未在同一平面，故产生向下的轴向永磁斥力，转轴下径向磁化永磁环阵列位于下径向磁化永磁环阵列偏下位置，同极相对，进而可产生径向永磁斥力，又因二者位置未在同一平面，故产生向下的轴向永磁斥力。转轴轴向磁化永磁铁和底部轴向磁化永磁体呈圆形，同极相对，在转轴上产生向上的永磁斥力，所述轴向永磁斥力可克服转轴及风杯重力，产生的径向永磁斥力合力可减轻轴在转动过程中的径向摆动，可实现转轴在轴向和径向上的无接触悬浮，特别的，上径向调节线圈与上转轴铁芯产生的吸引力，以及下径向调节线圈与下转轴铁芯产生的吸引力，可以微调转轴相对于壳体的径向位置，实现在五自由度上的悬浮。
3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮风杯式风速仪，其特征在于：所诉保护轴承挡环在轴向上可防止转轴和圆锥形风杯构成的旋转部分向下的移动，配合保护轴承的使用，防止在意外情况出现时转轴与壳体内壁碰撞，造成磨损，所述上保护轴环和下保护轴环与壳体内壁的间隙小于转轴上径向磁化永磁环阵列、上转轴铁芯、下转轴铁芯、转轴下径向磁化永磁环阵列与壳体内壁的间隙，防止转轴与壳体内壁之间接触碰撞。上保护轴环在轴向上可防止转轴和圆锥形风杯构成的旋转部分向上弹出。
4.根据权利要求1所述的一种磁悬浮风杯式风速仪，其特征在于：所述密封垫圈覆盖在保护轴承上方，配合防护罩的使用可以防止灰尘，雨水等进入装置内部。
5.根据权利要求1所述的一种磁悬浮风杯式风速仪，其特征在于：传感元件为感光片，而与之配合的识别传感器为红外光电传感器，转轴上的感光片为有缺口的感光片，当旋转架在随风旋转时，转轴带动着感光片旋转，红外光电传感器接收到间断的脉冲信号，从而将风速线性地变换成光电开关的输出脉冲频率，仪器内的单片机对传感器的输出频率进行采样，计算，最后仪器输出瞬时风速，一分钟风速，瞬时风级，一分钟风级，平均风级。测得的参数在仪器的液晶显示器上用数字直接显示出来。
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