CN109540360A - 一种基于磁性联轴器的转矩测量装置 - Google Patents

一种基于磁性联轴器的转矩测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁性联轴器的转矩测量装置，本装置利用磁场的相互作用的原理，实现了两个转轴之间转矩的传递，同时利用磁场中磁力线的扭曲程度，通过两个转子磁极之间的角位置差来衡量转矩的大小，即实现了无接触联轴器和转矩传感器功能的组合，简化了系统的结构，消除了系统的摩擦损耗；同时还避免了现有转矩传感器由于机械式的连接结构经过多次测量后造成应变片发生位移形变，进而导致转矩测量不准确的问题，从而提高了系统的可靠性和转矩检测的方便性。

Description

一种基于磁性联轴器的转矩测量装置
技术领域
本发明涉及转矩传递与测量技术领域，特别是涉及一种基于磁性联轴器的转矩测量装置。
背景技术
传统的转矩传递与测量方法是采用有机械接触的联轴器和转矩传感器联合使用。而转矩传感器的普遍原理是将应变位移检测量转化为电信号，即将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥，若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号。缺点是在旋转动力传递系统中，旋转体上应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出需要通过导电滑环才能在旋转部分与静止部分之间传递，这不可避免地存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。最重要的是目前的联轴器不具备检测转矩值这一功能，故在转矩传递与测量中需要安装联轴器和转矩传感器，增加了装置的复杂性和安装难度。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于磁性联轴器的转矩测量装置。简化系统结构，提高测量准确性和方便性。
为达到上述目的，本发明的构思是：本发明是一种基于磁性联轴器的转矩测量装置，包括主动轴，主动转子及装于其表面的永磁体，从动转子及装于其表面的永磁体，从动轴以及连接从动轴、角位移测量装置和标记以及外转子的机壳部分。主动轴作为该装置的输入轴，与联轴器主动转子固定连接；从动轴作为转矩输出轴，与从动转子固定连接。主从动转子上的磁极交替分布排列，可以采用粘结胶将永磁体粘结在装置从动转子内表面和主动转子外表面上也可以在主从动转子上设计固定机械结构，固定永磁体。当传递转矩一定时，装置中构成由主从动转子上永磁体产生的静态磁场，其磁场分布随传递转矩不同而不同。主动轴与从动轴并无特别定义，可以互换。永磁体的排列也可以设计为产生径向磁场或轴向磁场。
作为对本发明的进一步限定，所述装置的主动转子和从动转子均使用导磁材料制作而成，考虑到降低铁芯损耗，也可采用硅钢片叠压的方式制作，同时可根据实际转矩和转速需求可选用永磁体的材料。
作为对本发明的进一步限定，所述的装置机壳可以一体成型，也可以由零件通过加工组装形成完整的装置。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种基于磁性联轴器的转矩测量装置，包括一根主动轴经一个磁性联轴器联接一根从动轴，主动轴固定连接磁性联轴器的主动转子，从动轴固定连接磁性联轴器的从动转子，主动转子和从动转子上分别装有永磁体，其特征在于：所述主动轴或主动转子和从动轴或从动转子上装有角度测量装置，角度测量装置附近设有固定的角度传感器；磁性联轴器利用磁场的相互作用实现两个独立轴的联结以及转矩在轴上的传递；由于传递不同转矩时两个轴上磁场之间存在不同的角度差，通过角位移检测装置检测出该角度差，然后通过计算或标定得出角度差值和转矩值的关系，即可根据检测到确定的转矩值。
所述角度测量装置的安装步骤是：在主动轴上安装一个角度测量装置，同时在从动轴上设置一个标记，通过测量从动轴上标记相对于主动轴的角位移确定转矩的大小。基于磁性联轴器的转矩测量装置均可用于所述联轴器主动转子和从动转子的永磁铁分布为径向磁场和横向磁场中。
所述角度测量装置的安装结构是：在非旋转的基础上安装两个角位移检测装置，同时在主动轴和从动轴上各设置一个标记，通过测量两个标记相对于非旋转的基础角位移信号的相位差，来确定主动轴相对于从动轴的角位移，并据此推断出当时传递的转矩值。
所述角度测量装置的安装结构是：更为精确的测量角位移偏移量是在一个转子上设置零位标记和一组均匀标记刻度，记为信号A；在另一个转子上设置零位标记和一组均匀标记刻度，记为信号Z；在装置一侧非旋转的固定基础上放置两个传感器分别检测信号A和信号Z。当传递转矩为零时记录信号A和Z的角位移A0，当传递转矩不为零时记录信号A和Z的角位移A1，根据A0-A1即可计算出两个转子之间的角位移偏移量。
所述角度测量装置的安装结构是：为进一步提高检测精度，采用游标卡尺测量原理，即分别在两个转子上刻有不同宽度的均匀标记，分别记为信号A和信号B；其中信号B的每一刻度间的宽度都比信号A的小10％，当传递转矩为零时，信号A和信号B的零刻度线对齐；有转矩使得信号A和信号B的第一根刻度对齐时，测得的角位移相当于信号A刻度宽度的十分之一；有转矩使得信号A和信号B的第二根刻度对齐时，测得的角位移相当于信号A刻度宽度的十分之二；以此类推，如此两个转子间角位移的测量精度可以提高到标记刻度宽度的十分之一，从而可以提高转矩测量精度；两组转子上标记的宽度差不必局限于10％，可以是任何数值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是将磁性联轴器和转矩传感器结合在一起，简化了系统的结构，便于安装，提高了系统的可靠性；其次，转矩测量原理也不再是传统的采用应变片测量位移形变的方法，而是利用磁场相互作用产生力的大小与两组永磁体的角位置差一一对应的原理，即转矩大小的变化会引起永磁体组的相对角位置发生单调变化，通过检测到的两组永磁体的角位置差，即可得到传递的电磁转矩，实现转矩检测的功能，避免了系统的机械接触，在多次使用后仍能保持较高的精度，改善了转矩传感功能的可靠性，提高了转矩传感的使用寿命；第三，不需要装置中两组永磁体磁场进行精准校对，可以通过标定的方法确定转矩与位置差的关系。使用时通过主从动转子上永磁体的位置差即可得到从动轴上输出的转矩值。并且当联轴器稳态工作的稳定状态时，即主从动轴的转速保持一致时，由装置本身产生的输出转矩没有转矩脉动，从动轴上的转矩脉动均是来自于主动轴的转矩脉动。
附图说明
图1为本发明的采用径向磁场磁性联轴器的转矩测量装置的结构示意图。
图2是采用轴向磁场磁性联轴器的转矩测量装置的结构示意图。
图3是转矩值与主动转子和从动转子之间相对角位移关系曲线图。
图4是采用径向磁场，传感器固定于轴的一侧，即正对于永磁体和转子的端部，同时在主从动转子的端部处均匀的标记信号A、信号Z及各自的零位信号的转矩测量装置的结构示意图。
图5是高精度测量角位移偏移量的径向磁场的转矩测量装置的结构示意图。
图6是高精度测量角位移偏移量装置的结构示意图。
图7与图5相同，为高精度测量角位移偏移量的径向磁场的转矩测量装置的结构示意图。
图8与图6相同，是高精度测量角位移偏移量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面优选实施例结合附图对本发明进一步说明。
实施例一：
参见图1—图8，本基于磁性联轴器的转矩测量装置，包括一根主动轴(8)经一个磁性联轴器联接一根从动轴(1)，主动轴(8)固定连接磁性联轴器的主动转子(6)，从动轴(1)固定连接磁性联轴器的从动转子(4)，主动转子(8)和从动转子(1)上分别装有永磁体(5)，其特征在于：所述主动轴(8)或主动转子(6)和从动轴(1)或从动转子(4)上装有角度测量装置(7,2)，角度测量装置附近设有固定的角度传感器(10,9)；磁性联轴器利用磁场的相互作用实现两个独立轴(8,1)的联结以及转矩在轴上的传递；由于传递不同转矩时两个轴 (8,1)上磁场之间存在不同的角度差，通过角位移检测装置(7,2)检测出该角度差，然后通过计算或标定得出角度差值和转矩值的关系，即可根据检测到确定的转矩值。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述角度测量装置的安装步骤是：在主动轴上安装一个角度测量装置，同时在从动轴上设置一个标记，通过测量从动轴上标记相对于主动轴的角位移确定转矩的大小。所述联轴器主动转子和从动转子的永磁铁分布为径向磁场和横向磁场。
所述角度测量装置的安装结构是：在非旋转的基础上安装两个角位移检测装置，同时在主动轴和从动轴上各设置一个标记，通过测量两个标记相对于非旋转的基础角位移信号的相位差，来确定主动轴相对于从动轴的角位移，并据此推断出当时传递的转矩值。
所述角度测量装置的安装结构是：更为精确的测量角位移偏移量是在一个转子上设置零位标记和一组均匀标记刻度，记为信号A；在另一个转子上设置零位标记和一组均匀标记刻度，记为信号Z；在装置一侧非旋转的固定基础上放置两个传感器分别检测信号A和信号Z。当传递转矩为零时记录信号A和Z的角位移A0，当传递转矩不为零时记录信号A和Z的角位移A1，根据A0-A1即可计算出两个转子之间的角位移偏移量。
所述角度测量装置的安装结构是：为进一步提高检测精度，采用游标卡尺测量原理，即分别在两个转子上刻有不同宽度的均匀标记，分别记为信号A和信号B；其中信号B的每一刻度间的宽度都比信号A的小10％，当传递转矩为零时，信号A和信号B的零刻度线对齐；有转矩使得信号A和信号B的第一根刻度对齐时，测得的角位移相当于信号A刻度宽度的十分之一；有转矩使得信号A和信号B的第二根刻度对齐时，测得的角位移相当于信号A刻度宽度的十分之二；以此类推，如此两个转子间角位移的测量精度可以提高到标记刻度宽度的十分之一，从而可以提高转矩测量精度；两组转子上标记的宽度差不必局限于10％，可以是任何数值。
实施例三：
结合图1所示，本基于磁性联轴器的转矩测量装置是一种无接触式转矩传递与测量装置，包括主动轴(8)、主动转子(6)及装于其表面的永磁体(5)、从动转子(4)及装于其表面的永磁体(5)、从动轴(1)和连接从动轴(1)、角位移传感装置(2，7)以及从动转子的机壳部分(3)。主动转子(6)和从动转子(4)的轭部厚度是根据实际的磁场情况而定，在保证主动转子(6)和从动转子(4)磁路上不会出现大部分的磁场饱和区域前提下，允许有较小部分的饱和磁场区域存在；永磁体(5)的厚度则是根据实际需要转矩的大小以及实际的尺寸来进行选取，至少保证达到主动轴(8)上的输入转矩最大值；从动转子(4)内表面上的永磁体(5)和主动转子(6)外表面上的永磁体(5)之间要形成一定的空隙，可根据实际的工艺情况以及转矩大小进行选取。
结合图2所示，装置的主动轴(8)和主动转子(6)固定连接，从动轴(1)通过机壳和从动转子(4)固定连接。
本实施例的工作原理如下：将转矩产生端的输出轴与主动轴(8)固定连接，将转矩接收端的输入轴和从动轴(1)固定连接。当主动轴(8)开始旋转，则装置内部一侧永磁体(5)旋转，通过气隙磁场带动另一侧永磁体(5)旋转，从而带动从动转子(4)、机壳(3)和从动轴(1)开始旋转。实现了主动轴(8)和从动轴(1)的无机械接触的磁性连接。角位置差和转矩对应值的关系可以预先计算或标定，实际使用中根据测得的角位置差和预先得到的角位置差与转矩的关系确定当前的实际转矩值。
本发明取消了传统联轴器和转矩传感器组合安装的结构，简化了系统结构的同时也提高了转矩检测的精确度以及系统的可靠性和使用寿命。
以上实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其进行局部改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于磁性联轴器的转矩测量装置，包括一根主动轴（8）经一个磁性联轴器联接一根从动轴（1），主动轴（8）固定连接磁性联轴器的主动转子（6），从动轴（1）固定连接磁性联轴器的从动转子（4），主动转子（8）和从动转子（1）上分别装有永磁体（5），其特征在于：所述主动轴（8）或主动转子（6）和从动轴（1）或从动转子（4）上装有角度测量装置（7,2），角度测量装置附近设有固定的角度传感器（10,9）；磁性联轴器利用磁场的相互作用实现两个独立轴（8,1）的联结以及转矩在轴上的传递；由于传递不同转矩时两个轴（8,1）上磁场之间存在不同的角度差，通过角位移检测装置（7,2）检测出该角度差，然后通过计算或标定得出角度差值和转矩值的关系，即可根据检测到确定的转矩值。
2.根据权利要求1所述的基于磁性联轴器的转矩测量装置，其特征在于：所述角度测量装置的安装步骤是：在主动轴（8）上安装一个角度测量装置（7），同时在从动轴上设置一个标记，通过测量从动轴（1）上标记相对于主动轴（8）的角位移确定转矩的大小，所述联轴器主动转子（6）和从动转子（4）的永磁铁分布为径向磁场和横向磁场。
3.根据权利要求1所述的基于磁性联轴器的转矩测量装置，其特征在于：所述角度测量装置（7,2）的安装结构是：在非旋转的基础上安装两个角位移检测装置（7,2），同时在主动轴（8）和从动轴（1）上各设置一个标记，通过测量两个标记相对于非旋转的基础角位移信号的相位差，来确定主动轴相对于从动轴的角位移，并据此推断出当时传递的转矩值。
4.根据权利要求1所述的基于磁性联轴器的转矩测量装置，其特征在于：所述角度测量装置（7,2）的安装结构是：更为精确的测量角位移偏移量是在一个转子上设置零位标记和一组均匀标记刻度，记为信号A；在另一个转子上设置零位标记和一组均匀标记刻度，记为信号Z；在装置一侧非旋转的固定基础上放置两个传感器分别检测信号A和信号Z，当传递转矩为零时记录信号A和Z的角位移A0，当传递转矩不为零时记录信号A和Z的角位移A1，根据A0-A1即可计算出两个转子之间的角位移偏移量。
5.根据权利要求1所述的基于磁性联轴器的转矩测量装置，其特征在于：所述角度测量装置（7,2）的安装结构是：为进一步提高检测精度，采用游标卡尺测量原理，即分别在两个转子上刻有不同宽度的均匀标记，分别记为信号A和信号B；其中信号B的每一刻度间的宽度都比信号A 的小10%，当传递转矩为零时，信号A和信号B 的零刻度线对齐；有转矩使得信号A和信号B的第一根刻度对齐时，测得的角位移相当于信号A刻度宽度的十分之一；有转矩使得信号A和信号B的第二根刻度对齐时，测得的角位移相当于信号A刻度宽度的十分之二；以此类推，如此两个转子间角位移的测量精度可以提高到标记刻度宽度的十分之一，从而可以提高转矩测量精度；两组转子上标记的宽度差也不必局限于10%，可以是任何数值。
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