CN110221093B - 一种浸没式磁流体转速测量装置及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浸没式磁流体转速测量装置及其制作方法，所述浸没式磁流体转速测量装置包括：壳体、设置在所述壳体内壁的若干个输入电极以及位于所述壳体内的磁性转子；所述磁性转子上设置有感应电极，所述感应电极与所述输入电极相对并与所述输入电极之间具有间隙；所述壳体与所述磁性转子之间填充有磁流体。由于非磁性导电粒子在磁场中可以快速自组装，提高了测速的检测效率，磁性转子形成的磁场的范围较大，预先形成较短的链状结构，可以快速形成较长的链状结构，进一步提高测速的检测效率，缩短测试时间。
Description
技术领域
本发明涉及转速测量装置技术领域，尤其涉及的是一种浸没式磁流体转速测量装置及其制作方法。
背景技术
常用的转速测量装置有光电式、电容式、变磁阻式以及测速发电机等。现有技术中通过直接传递转动状态来进行转速测量，但这种直接传递转动状态测量转速的测量时间长。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种浸没式磁流体转速测量装置及其制作方法，旨在解决现有技术中转速测量装置测量时间长的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种浸没式磁流体转速测量装置，其中，其包括：壳体、设置在所述壳体内壁的若干个输入电极以及位于所述壳体内的磁性转子；所述磁性转子可在所述壳体内转动，若干个所述输入电极沿所述磁性转子的转动方向间隔设置，所述磁性转子上设置有感应电极，所述感应电极与所述输入电极相对并与所述输入电极之间具有间隙；所述壳体与所述磁性转子之间填充有磁流体。
所述的浸没式磁流体转速测量装置，其中，所述磁性转子包括：转子本体以及套设在所述转子本体外的磁性筒。
所述的浸没式磁流体转速测量装置，其中，所述壳体上设置有轴孔，所述轴孔内设置有用于带动所述磁性转子转动的测速轴；所述测速轴一端与所述转子本体连接，另一端穿过所述轴孔并伸出所述壳体外。
所述的浸没式磁流体转速测量装置，其中，所述壳体内壁上设置有两个挡板，两个所述挡板分别位于所述磁性转子的轴向两端。
所述的浸没式磁流体转速测量装置，其中，所述轴孔边缘设置有密封磁体，所述密封磁体围绕所述测速轴。
所述的浸没式磁流体转速测量装置，其中，所述测速轴不具有磁性且不导电。
所述的浸没式磁流体转速测量装置，其中，所述磁流体包括若干个非磁性导电粒子，所述若干个非磁性导电粒子用于在所述磁性转子的磁场中自组装而连接所述感应电极与所述输入电极，所述间隙的宽度为10-600μm。
所述的浸没式磁流体转速测量装置，其中，所述非磁性导电粒子为纳米级铜粉、纳米级铝粉、纳米级银粉、纳米级铜线、纳米级铝线、纳米级银线、富勒烯中的一种或多种，所述磁场的强度大于0.1特斯拉。
一种基于上述任意一项所述的浸没式磁流体转速测量装置的制作方法，其中，其包括步骤：
根据非磁性导电粒子制备磁流体；
根据磁性转子的转速设置输入电极的位置、输入电极的个数、间隙的宽度、磁场的强度。
所述的浸没式磁流体转速测量装置的制作方法，其中，所述根据磁性转子的转速设置输入电极的位置、输入电极的个数、间隙的宽度、磁场的强度步骤具体包括：
根据测速输入端的条件和转速测量需求来制作测速轴、键和带感应电极的磁性转子；
制作腔体的尺寸，并根据测速腔体的尺寸和转速测量需求来制作基座内表面的输入电极个数；
根据安装环境和位置尺寸制作基座，通过基座内径尺寸来获得测速腔体间隙大小，在基座内表面安装感应电极，通过轴肩挡板的厚度调节基座内表面输入电极和磁性转子上感应电极之间的相对位置。
有益效果：由于非磁性导电粒子在磁场中可以快速自组装，提高了测速的检测效率，节省了时间，而且，磁性转子形成的磁场的范围较大，磁流体可以预先形成较短的链状结构，当感应电极和输入电极相对时，短的链状结构可以快速形成较长的链状结构，从而实现感应电极和输入电极的导通，进一步提高测速的检测效率，缩短测试时间。
附图说明
图1是本发明中浸没式磁流体转速测量装置的剖视图。
图2是本发明中浸没式磁流体转速测量装置的截面图。
图3是本发明中基座和输入电极的结构示意图。
图4是本发明中磁性转子的结构示意图。
图5是本发明中非磁性导电粒子在无外加磁场时的结构示意图。
图6是本发明中非磁性导电粒子在竖直磁场中的结构示意图。
图7是本发明中非磁性导电粒子在竖直磁场中的照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请同时参阅图1-图7，本发明提供了一种浸没式磁流体转速测量装置的一些较佳实施例。
如图1和图2所示，本发明的浸没式磁流体转速测量装置包括：壳体10、设置在所述壳体10内壁的若干个输入电极30以及位于所述壳体10内的磁性转子20；壳体10内形成用于测速的腔体，所述磁性转子20可在所述壳体10内（即腔体）转动，若干个所述输入电极30沿所述磁性转子20的转动方向间隔设置，所述磁性转子20上设置有感应电极21，所述感应电极21与所述输入电极30相对并与所述输入电极30之间具有间隙；所述壳体10与所述磁性转子20之间填充有磁流体，也就是说，腔体内填充有磁流体，磁性转子20浸没在磁流体中。
所述磁流体包括若干个非磁性导电粒子，所述若干个非磁性导电粒子用于在所述磁性转子20的磁场中自组装而连接所述感应电极21与所述输入电极30。
值得说明的是，本发明中需要测量磁性转子20的转速。由于磁流体中的非磁性导电粒子在一定的磁场作用下，会出现沿磁感线方向进行自组装从而形成链状结构，即非磁性导电粒子依次排列连接成链。磁性转子20包括：转子本体以及套设在所述转子本体外的磁性筒；具体地，感应电极21设置在磁性筒上。本实施例中感应电极21设置有一个，当然也可以设置有多个。
输入电极30贴附在壳体10的内壁上，输入电极30外接测试电路的输入电源端。若干个输入电极30是间隔设置的，当磁性转子20转动，且感应电极21与输入电极30相对时，感应电极21与输入电极30之间的距离较小，非磁性导电粒子连接成的链状结构的两端分别连接在输入电极30和感应电极21上，实现输入电极30和磁性转子20的导通。当磁性转子20转动，且感应电极21不与输入电极30相对（即感应电极21与两个相邻输入电极30之间的位置相对）时，感应电极21与输入电极30的距离较远，非磁性导电粒子连接成的链状结构的两端无法连接在感应电极21和输入电极30上，当然，也就无法实现感应电极21和输入电极30的导通（即感应电极21与输入电极30断开）。通过感应电极21和输入电极30电流脉冲的快慢可计算求得磁性转子20的转速。
由于非磁性导电粒子在磁场中可以快速自组装，提高了测速的检测效率，节省了时间，而且，磁性转子20形成的磁场的范围较大，非磁性导电粒子可以预先形成较短的链状结构，当感应电极21和输入电极30相对时，短的链状结构可以快速形成较长的链状结构，从而实现感应电极21和输入电极30的导通，进一步提高测速的检测效率，缩短测试时间。
磁流体是由纳米级磁性颗粒(magnetic particles，MPs，直径约10nm)、基载液和分散剂三者混合而成的一种稳定的溶液。与一般流体相比，磁流体不仅具有液体的流动性，而且具有磁化性能，利用磁流体的磁化特性，可以通过外加磁场实现对磁流体运动的操控。
含非磁性颗粒的磁流体被称为反磁流体(inverse magnetic fluid)。这是因为非磁性颗粒的尺寸远大于磁流体中的纳米级磁性颗粒，非磁性颗粒与磁流体之间的相互作用可以看作是固相颗粒与牛顿流体之间的流固耦合作用。请同时参阅图5-图7，有外加磁场时，非磁性颗粒被附近磁流体反向磁化并表现出各向异性。在磁流体中放置大量非磁性颗粒时，非磁性颗粒之间由于磁矩而具有偶极力，这种各向异性使得非磁性颗粒在磁场方向组装成链状结构。组装成链状结构后非磁性颗粒的能量更低，更加稳定。
此外，本发明中采用感温绝缘磁流体，常用的感温绝缘磁流体有水基、油基、酯基和氟醚油等磁流体，具体地，基载液可以选用水、机油、羟基油、氟醚油等，分散剂可以采用苯乙烯或磷酸盐缓冲液，用于保持非磁性导电粒子的均匀混合状态。由于感温绝缘磁流体通常具有良好的导热性，浸没式磁流体转速测量装置具有较好的散热性能。
为便于计算，令输入电极30的个数为n，磁性转子20的转速的计算有多种方式：第一、当设置一个感应电极21时，检测感应电极21与输入电极30电流脉冲n次的时间为t1秒，则磁性转子20的转速为n/t1转/秒。第二、当设置一个感应电极21时，检测感应电极21与输入电极30相邻两次电流脉冲的时间为t2秒，则磁性转子20的转速为1/t2转/秒。第三、当设置两个感应电极21时，需要考虑两个感应电极21所对的圆心角为α，检测某一个输入电极30依次与这两个感应电极21相对的时间为t3秒，则磁性转子20的转速为t3×360°/α转/秒。
请同时参阅图1、图2，本发明的较佳实施例中，所述磁性转子20包括：转子本体以及套设在所述转子本体外的磁性筒（图中未示出）。磁性筒采用永磁体或电磁铁。为了更好地提供磁场，感应电极21与输入电极30的连线与磁场线平行，即磁场线的方向是沿着磁性转子20的径向的，便于非磁性导电粒子沿磁场线分布而连接感应电极21与输入电极30。
壳体10包括：基座11和与基座11连接的盖体12；基座11上设置有凸缘13和底板14，凸缘13底板14垂直，底板14上设置有螺孔，螺孔可供螺钉穿过并固定转速测量装置。
在本发明的一个较佳实施例中，所述壳体10上设置有轴孔111，轴孔111设置在基座11底部，所述轴孔111内设置有用于带动所述磁性转子20转动的测速轴；所述测速轴一端与所述转子本体连接，另一端穿过所述轴孔111并伸出所述壳体外。测速轴用于与被测物连接，测速轴可以采用联轴器与被测物连接。
如图4所示，转子本体上设置有供测速轴穿过的通孔201，测速轴通过键23与转子本体连接。键23主要用于连接并传递测速轴与磁性转子之间的回转运动。具体地，通孔201内壁上设置有第一半槽202，测速轴外壁上设置有第二半槽，第一半槽202与第二半槽组合成键槽，键23位于键槽内。将转子本体通过键23与测速轴连接，方便更换测速轴，也就是说，被测物的转轴也可以作为测速轴，与转子本体连接。
在本发明的一个较佳实施例中，所述壳体10内壁上设置有挡板40，所述挡板40分为两块，分别位于所述磁性转子20的轴向两端。挡板40主要用于调整感应电极21和输入电极30相对位置，确保感应电极21和输入电极30对准。具体地，两个分别为轴肩挡板41、轴端挡板42，轴肩挡板41呈圆环形，并套设在测速轴上，轴端挡板42位于测速轴的端部，呈圆形。
在本发明的一个较佳实施例中，请同时参阅图1、图2以及图3，为了避免磁流体的泄露，所述轴孔111边缘设置有密封磁体50，所述密封磁体50围绕所述测速轴，当然，密封磁体50设置在壳体10内壁上。更进一步地，壳体10内壁上设置有凹槽，具体地，凹槽设置在基座11上；密封磁体50位于凹槽内，密封磁体50与凹槽的开口的距离为0.02至0.2mm。密封磁体50利用了磁流体的流变性，使磁流体在密封处形成具有固相性质的密封膜从而隔绝外部环境并防止转速测量装置的内部泄漏。密封磁铁50采用永磁铁，常用的永磁铁有钕铁硼永磁铁、铁氧体永磁铁。永磁铁应在径向方向上充磁。
在本发明的一个较佳实施例中，所述非磁性导电粒子为纳米级铜粉、纳米级铝粉、纳米级银粉、纳米级铜线、纳米级铝线、纳米级银线、富勒烯中的一种或多种。具体地，当然，非磁性导电粒子不限于以上材料，这里的非磁性导电粒子的非磁性是指，相对于含铁、钴、镍等物质的非磁性。
在本发明的一个较佳实施例中，所述间隙的宽度为10-600μm。较佳的，间隙的宽度为50-100μm。具体地，需要根据转速测量需求设置间隙的宽度，由于非磁性导电粒子连接成的链状结构的长度与时间有关，随着时间的推移，链状结构的长度增加，当然，链状结构也会断裂，链状结构的连接和断裂是一个可逆过程，到达一定时间后，链状结构的连接和断裂达到平衡。因此，在磁性转子20的齿端与感应电极21相对的时间内，链状结构需要连接到一定长度，足以超过间隙的宽度以连接感应电极21和磁性转子20的齿端。当然需要测量的转速越高，则间隙的宽度越小；当需要测量的转速越低，则间隙的宽度可以增大。当然，也需要根据感应时间确定间隙的宽度，需要感应快时，则间隙的宽度越小，不需要感应快时，则间隙的宽度可以增大。
在本发明的一个较佳实施例中，所述磁场的强度大于0.1特斯拉。具体地，对于水基磁流体来讲，永磁铁的磁场强度应大于0.2T（特斯拉），对于油基磁流体来讲，永磁铁的磁场强度应大于0.1T（特斯拉）。磁场的强度可以控制链状结构的长度，磁场越强，链状结构越长；磁场越弱，链状结构的长度越短。可以根据转速测量需求设置磁场的强度。
在本发明的一个较佳实施例中，测速轴不具有磁性且不导电。具体地，测速轴采用非磁性不导电材料制成，不能使用铁磁性材料，以免影响磁流体转速测量装置的磁场分布状况；或虽然采用导电材料，但在测速轴表面镀有铅层。当被测物的转轴的轴径合适且无磁性时，可以直接通过键23连接转子本体进行测速；当被测轴具有弱磁性、轴径较细或者较粗时，则需要联轴器连接到测速轴上。
本发明具有以下优点：（1）由于非磁性导电粒子在磁场中可以快速自组装，提高了测速的检测效率，节省了时间，而且，磁性转子20形成的磁场的范围较大，非磁性导电粒子可以预先形成较短的链状结构，当感应电极21和输入电极30相对时，短的链状结构可以快速形成较长的链状结构，从而实现感应电极21和输入电极30的导通，进一步提高测速的检测效率，缩短测试时间。（2）本发明的浸没式磁流体转速测量装置结构简单，紧凑，各部分相对独立，方便维护和检修；（3）本发明的浸没式磁流体转速测量装置具有良好互换性、可以实现模块化、系列化和快速制作；（4）本发明的浸没式磁流体转速测量装置对工作环境无特殊要求，能够适应各种特殊环境；（5）本发明利用磁性流体自身特性，可以适应高速旋转状况下的转速测量。（6）本转速测量装置对测速区域的长度尺寸无特殊要求，可以做的很小，在技术允许的条件下，转速测量装置腔体的缝隙可以小于50μm。
本发明还提供了一种基于上述任意一项所述的浸没式磁流体转速测量装置的制作方法，包括如下步骤：
步骤S100、根据非磁性导电粒子制备磁流体。
具体地，根据非磁性微导电粒子的物理化学性质选用不同基载液的磁流体进行悬浮溶解，由于感温绝缘磁流体具有良好的散热性，一般常用感温绝缘磁流体，常用的感温绝缘磁流体有水基、油基、酯基和氟醚油等磁流体，基载液可以选用水、机油、羟基油等溶剂进行配制，配制后需进行实验测量，要求在设计磁场强度下自组装成链长度为L的自组装效率达到80%。
选用时综合考虑实验流体粘度、压力和经济性来选择不同磁化强度的磁流体，磁化强度越高，磁流体固体特性越明显，自组装的效率也会大幅度提升，同时磁粘性引起的阻力也会大幅度增加，在制作时需要综合考量磁粘性引起的阻力和自组装效率的因素。
步骤S200、根据磁性转子20的转速设置输入电极30的位置、输入电极30的个数、间隙的宽度、磁场的强度。
具体地，步骤S200包括如下步骤：
步骤S210、根据测速输入端的条件（如：是否带有磁性，轴径状况如何）和转速测量需求来制作测速轴、键23和带感应电极21的磁性转子。
步骤S220、根据S100中的自组装实验制作腔体的尺寸，并根据测速腔体的尺寸和转速测量需求来制作基座11内表面的输入电极30个数N。
步骤S230、根据安装环境和位置尺寸制作基座11，通过基座11内径尺寸来获得测速腔体间隙大小δ，在基座11内表面安装感应电极21，通过轴肩挡板41的厚度调节基座11内表面输入电极30和磁性转子上感应电极21之间的相对位置。
间隙的宽度应由步骤S100中的自组装实验进行确定，同时也应当考虑转动的因素，所以间隙的宽度应略小于实验测得自组装链状结构长度L，常用的取值范围为L/4<δ<L。
在确定尺寸后，应进行初步的静平衡和动平衡计算，以平衡轴上负载不均匀带来的附加扰动。
步骤S240、根据磁性转子上的输入电极30与感应电极21对应的测试位置，将键23、轴肩挡板41、轴端挡板42和带输入电极30的磁性转子安装在测速轴上。
通常对匀速转速测量采用对称布置输入电极30，对转速存在变加速、只关注部分转角或者往复转动时常常根据实际需求采用非对称布置输入电极30。
步骤S250、根据基座11尺寸制作盖体12和密封永磁铁，依次在基座11上安装密封应磁铁、步骤S240中配合好的磁性转子和测速轴，将制备好的混有非磁性导电颗粒的铁磁流体充入到测速腔体中，安装盖体12并测试其防泄漏特性。
步骤S260、在初次装配后，需要进行通电测试实验，保证装配的有效性。
综上所述，本发明提供了一种浸没式磁流体转速测量装置及其制作方法，所述浸没式磁流体转速测量装置包括：壳体、设置在所述壳体内壁的若干个输入电极以及位于所述壳体内的磁性转子；所述磁性转子可在所述壳体内转动，若干个所述输入电极沿所述磁性转子的转动方向间隔设置，所述磁性转子上设置有感应电极，所述感应电极与所述输入电极相对并与所述输入电极之间具有间隙；所述壳体与所述磁性转子之间填充有磁流体，所述磁流体包括若干个非磁性导电粒子，所述若干个非磁性导电粒子用于在所述磁性转子的磁场中自组装而连接所述感应电极与所述输入电极。由于非磁性导电粒子在磁场中可以快速自组装，提高了测速的检测效率，节省了时间，而且，磁性转子形成的磁场的范围较大，非磁性导电粒子可以预先形成较短的链状结构，当感应电极和输入电极相对时，短的链状结构可以快速形成较长的链状结构，从而实现感应电极和输入电极的导通，进一步提高测速的检测效率，缩短测试时间。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种浸没式磁流体转速测量装置，其特征在于，其包括：壳体、设置在所述壳体内壁侧面的若干个输入电极以及位于所述壳体内的磁性转子；所述磁性转子可在所述壳体内转动，若干个所述输入电极沿所述磁性转子的转动方向间隔设置，所述磁性转子上设置有感应电极，所述感应电极与所述输入电极相对并与所述输入电极之间具有间隙；所述壳体与所述磁性转子之间填充有磁流体；所述磁流体包括若干个非磁性导电粒子，所述若干个非磁性导电粒子用于在所述磁性转子的磁场中自组装而连接所述感应电极与所述输入电极；当所述磁性转子转动，且所述感应电极与所述输入电极相对时，非磁性导电粒子连接成的链状结构的两端分别连接所述输入电极和所述感应电极；所述磁性转子的磁场中磁场线的方向是沿着所述磁性转子的径向的。
2.根据权利要求1所述的浸没式磁流体转速测量装置，其特征在于，所述磁性转子包括：转子本体以及套设在所述转子本体外的磁性筒。
3.根据权利要求2所述的浸没式磁流体转速测量装置，其特征在于，所述壳体上设置有轴孔，所述轴孔内设置有用于带动所述磁性转子转动的测速轴；所述测速轴一端与所述转子本体连接，另一端穿过所述轴孔并伸出所述壳体外。
4.根据权利要求3所述的浸没式磁流体转速测量装置，其特征在于，所述壳体内壁上设置有两个挡板，两个所述挡板分别位于所述磁性转子的轴向两端。
5.根据权利要求3所述的浸没式磁流体转速测量装置，其特征在于，所述轴孔边缘设置有密封磁体，所述密封磁体围绕所述测速轴。
6.根据权利要求5所述的浸没式磁流体转速测量装置，其特征在于，所述测速轴不具有磁性且不导电。
7.根据权利要求1所述的浸没式磁流体转速测量装置，其特征在于，所述间隙的宽度为10-600μm。
8.根据权利要求7所述的浸没式磁流体转速测量装置，其特征在于，所述非磁性导电粒子为纳米级铜粉、纳米级铝粉、纳米级银粉、纳米级铜线、纳米级铝线、纳米级银线、富勒烯中的一种或多种，所述磁场的强度大于0.1特斯拉。
9.一种基于权利要求1-8任意一项所述的浸没式磁流体转速测量装置的制作方法，其特征在于，其包括步骤：
根据非磁性导电粒子制备磁流体；
根据磁性转子的转速设置输入电极的位置、输入电极的个数、间隙的宽度、磁场的强度。
10.根据权利要求9所述的浸没式磁流体转速测量装置的制作方法，其特征在于，所述根据磁性转子的转速设置输入电极的位置、输入电极的个数、间隙的宽度、磁场的强度步骤具体包括：
根据测速输入端的条件和转速测量需求来制作测速轴、键和带感应电极的磁性转子；
制作腔体的尺寸，并根据测速腔体的尺寸和转速测量需求来制作基座内表面的输入电极个数；
根据安装环境和位置尺寸制作基座，通过基座内径尺寸来获得测速腔体间隙大小，在基座内表面安装输入电极，通过挡板的厚度调节基座内表面输入电极和磁性转子上感应电极之间的相对位置。
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