CN112379117A

CN112379117A - 磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器

Info

Publication number: CN112379117A
Application number: CN202011278385.XA
Authority: CN
Inventors: 刘辉; 张伟; 韩立金; 徐丽丽; 王珍
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT; Advanced Technology Research Institute of Beijing Institute of Technology
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT; Advanced Technology Research Institute of Beijing Institute of Technology
Priority date: 2020-11-16
Filing date: 2020-11-16
Publication date: 2021-02-19
Anticipated expiration: 2040-11-16
Also published as: CN112379117B

Abstract

本发明提供了一种磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器,包括电机组件、电感组件、第一感应电压输出线路和第二感应电压输出线路；转子轴与被测轴同转速传动连接；转子基体固定在转子轴上，且转子基体上开设有环槽，定子固定在电机外壳内，且定子的内圈套设在环槽内；磁体安装在转子基体上，且位于环槽的两侧；定子的外圈上的第一电极与电感组件的输入端电连接，定子的内圈上的第二电极与电感组件的输出端电连接；第一感应电压输出线路与第一电极电连接，用于输出切割磁力线产生的第一感应电压，进而得到被测轴的角速度值。第二感应电压输出线路与电感组件的输出端电连接，用于输出电感组件感应出的第二感应电压，进而得到被测轴的角加速度。

Description

磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器

技术领域

本发明涉及旋转角速度和旋转角加速度测量装置技术领域，特别是涉及一种磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器。

背景技术

角速度和角加速度信息是物体机械运动中常见的状态量，在物体的运动控制、监测、导航中经常使用。高性能的旋转机械传动系统中，角加速度和角速度往往需要同时获得。

在工程应用中，角速度的测量比较容易，应用场景广泛，尤其是在旋转机械系统中，角速度是一个基本状态量，关于角速度的测量通常采用角速度传感器测量，但是现有角速度传感器不能同时测得角加速度。

角加速度通常采用角速度传感器间接测量，即角位移量对时间的二次微分，或是角速度量对时间的一次微分；由于角速度和角位移的测量值是离散的数值，导致精度不高，灵敏度低、动态性能有限。

因此，如何同时得到角速度和角加速度，且提高角加速度的精确度为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明目的是提供一种磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器，能够同时得到角速度和角加速度，且提高角加速度的精确度。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器，包括电机组件、电感组件、第一感应电压输出线路和第二感应电压输出线路；

所述电机组件包括电机外壳和位于所述电机外壳内的转子基体、磁体、定子、转子轴，所述转子轴可转动安装在所述电机外壳内，其两端延伸出所述电机外壳，且与被测轴同转速传动连接；

所述转子基体固定在所述转子轴上，且所述转子基体上开设有环槽，所述定子固定在所述电机外壳内，且所述定子的内圈套设在所述环槽内；

所述磁体安装在所述转子基体上，且位于所述环槽的两侧；

所述定子的外圈上的第一电极与所述电感组件的输入端电连接，所述定子的内圈上的第二电极与所述电感组件的输出端电连接；

第一感应电压输出线路与所述第一电极电连接，用于输出切割磁力线产生的第一感应电压；

所述第二感应电压输出线路与所述电感组件的输出端电连接，用于输出所述电感组件感应出的第二感应电压。

在一个具体实施方案中，所述电机组件还包括导磁环；

所述导磁环安装在所述电机外壳的内腔，且位于所述磁体的两端。

在另一个具体实施方案中，所述电机组件还包括集流环；

所述集流环安装在所述转子轴上，且与所述定子的内圈及所述第二电极电连接。

在另一个具体实施方案中，所述定子呈环形辐射状。

在另一个具体实施方案中，所述转子基体为非磁导材料制成。

在另一个具体实施方案中，所述电机外壳采用非导磁材料制成。

在另一个具体实施方案中，所述磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器还包括驱动轮；

所述驱动轮与所述转子轴可拆卸连接；

当被测点位于被测轴的端部时，所述被测轴与所述转子轴直接连接；

当被测点位于所述被测轴的外周时，所述驱动轮安装在所述转子轴的输入端，且所述驱动轮与所述被测轴上的被测点接触，通过摩擦力实现与所述被测点同转速。

在另一个具体实施方案中，所述电感组件包括互感铁芯、第一线圈和第二线圈；

所述第一线圈与所述第二线圈通过所述互感铁芯耦合，所述第一线圈的高压端与所述第一电极电连接，所述第一线圈的低压端与所述第二电极电连接；

所述第一感应电压输出线路与所述第一线圈的高压端电连接，所述第二感应电压输出线路与所述第二线圈的高压端电连接。

在另一个具体实施方案中，所述第一感应电压输出线路包括低转速输出线路和高转速输出线路；

所述第一线圈的高压端和所述第一电极之间依次串联设置有第一电阻和第二电阻，所述低转速输出线路的输入端分别与所述第一电阻的输入端及所述第一电极导通连接，所述高转速输出线路的输入端分别与所述第一电阻的输出端及所述第二电阻的输入端导通连接。

在另一个具体实施方案中，所述低转速输出线路上串联设置有低转速电阻，所述高转速输出线路上串联设置有高转速电阻，所述第二感应电压输出线路上串联设置有角加速度输出电阻。

根据本发明的各个实施方案可以根据需要任意组合，这些组合之后所得的实施方案也在本发明范围内，是本发明具体实施方式的一部分。

根据上述技术方案可知，本发明提供的磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器，将被测轴与转子轴同转速传动连接，被测轴转动，带动转子轴跟着转动，进而转子基体转动，带动磁体转动，磁体上的环形磁场跟着旋转，磁感线切割定子上的导线，根据电磁感应原理，定子的导线被磁感线切割会使定子内圈及定子外圈产生电势差，即产生第一感应电压，第一感应电压输出线路输出第一感应电压值，而第一感应电压值与转速呈线性比例关系，因此，根据第一感应电压值能够得到被测轴的转速，即角速度值。由于定子的外圈上的第一电极与电感组件的输入端电连接，定子的内圈上的第二电极与电感组件的输出端电连接，因此，当被测轴的转速波动时，定子的感应电流也会跟着产生波动，进而电感组件感应出第二感应电压，并通过第二感应电压输出线路输出第二感应电压，而第二感应电压正比于被测轴转速变化的快慢，因此，根据第二感应电压值能够得到被测轴转速变化的快慢，即被测轴的角加速度。综上所述，本发明实现了角速度和角加速度的同时测量，且测量出的角速度及角加速度均为连续值，提高了角加速度的测量精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器的主视结构示意图；

图2是本发明提供的电机组件的结构示意图；

图3是本发明提供的电磁组件的主视结构示意图；

图4为本发明提供的转子和定子安装在一起时的结构示意图；

图5是图4的主视结构示意图；

图6为图4的右视结构示意图；

图7是本发明提供的定子的结构示意图；

图8是本发明提供的定子的主视结构示意图；

图9是本发明提供的转子的局部结构示意图；

图10是本发明提供的转子基体的结构示意图。

其中，图1-10中：

电机组件1、电感组件2、第一感应电压输出线路3、第二感应电压输出线路4、电机外壳101、转子基体102、磁体103、定子104、转子轴105、环槽1021、第一电极1041、第二电极1042、导磁环106、集流环107、驱动轮5、互感铁芯201、第一线圈202、第二线圈203、低转速输出线路301、高转速输出线路302、第一电阻6、第二电阻7、低转速电阻8、高转速电阻9、角加速度输出电阻10。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1-10所示，本发明公开了一种磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器，用于被测对象的角速度及角加速度的同时测量。

具体地，磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器包括电机组件1、电感组件2、第一感应电压输出线路3和第二感应电压输出线路4。

电机组件1包括电机外壳101、转子、定子104和转子轴105，转子包括转子轴105、转子基体102和磁体103。

转子轴105可转动安装在电机外壳101内，其两端延伸出电机外壳101，且与被测轴同转速传动连接。

转子基体102、磁体103、定子104均位于电机外壳101内。转子基体102固定在转子轴105上，且转子基体102上开设有环槽1021，定子104固定在电机外壳101内，且定子104的内圈套设在环槽1021内。需要说明的是，电机外壳101与定子104绝缘设置。

磁体103安装在转子基体102上，且位于环槽1021的两侧，具体地，转子基体102呈圆柱状，磁体103呈筒状，套设在转子基体102上。平衡了整个转子，两个筒状的磁体103构成了圆环状气隙磁场。

定子104外圈上的第一电极1041与电感组件2的输入端电连接，定子104内圈上的第二电极1042与电感组件2的输出端电连接。

第一感应电压输出线路3与第一电极1041电连接，用于输出切割磁力线产生的第一感应电压；第二感应电压输出线路4与电感组件2的输出端电连接，用于输出电感组件2感应出的第二感应电压。

本发明提供的磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器，将被测轴与转子轴105同转速传动连接，被测轴转动，带动转子轴105跟着转动，进而转子基体102转动，带动磁体103转动，磁体103上的环形磁场跟着旋转，磁感线切割定子104上的导线，根据电磁感应原理，定子104的导线被磁感线切割会使定子104内圈及定子104外圈产生电势差，即产生第一感应电压，第一感应电压输出线路3输出第一感应电压值，而第一感应电压值与转速呈线性比例关系，因此，根据第一感应电压值能够得到被测轴的转速，即角速度值。由于定子104的外圈上的第一电极1041与电感组件2的输入端电连接，定子104的内圈上的第二电极1042与电感组件2的输出端电连接，因此，当被测轴的转速波动时，定子104的感应电流也会跟着产生波动，进而电感组件2感应出第二感应电压，并通过第二感应电压输出线路4输出第二感应电压，而第二感应电压正比于被测轴转速变化的快慢，因此，根据第二感应电压值能够得到被测轴转速变化的快慢，即被测轴的角加速度。综上，本发明实现了角速度和角加速度的同时测量，且测量出的角速度及角加速度均为连续值，提高了角加速度的测量精确度。

在一些实施例中，电机组件1还包括导磁环106，导磁环106安装在电机外壳101的内腔，且位于磁体103的两端，避免了对磁体103形成的磁场产生干扰。

在一些实施例中，电机组件1还包括集流环107，集流环107安装在转子轴105上，且与定子104的内圈及第二电极1042电连接。集流环107的设置避免了导线在旋转过程中造成扭伤。

具体地，本发明公开了定子104呈环形辐射状，更具体地，定子104由环形辐射状漆包线组成，定子104的内圈和外圈分别连在一起，外圈用导线引到电机外壳101外面，形成第一电极1041，内圈通过转子轴105上的集流环107与第二电极1042电连接，如图2。

进一步地，本发明公开了转子基体102为非磁导材料制成，具体地，可以为铝合金材质等。

更进一步地，本发明公开了电机外壳101也采用非导磁材料制成，避免对磁体103形成的磁场产生影响。

在一些实施例中，磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器还包括驱动轮5，驱动轮5与转子轴105可拆卸连接，以便于驱动轮5的更换。

当被测点位于被测轴的端部时，被测轴与转子轴105直接连接；当被测点位于被测轴的外周时，驱动轮5安装在转子轴105的输入端，且驱动轮5与被测轴上的被测点接触，通过摩擦力实现与被测点同转速。

即本发明可与被测轴同轴安装也可平行安装在被测轴旁边，可在不改变动现有运行系统的情况下，把角速度和角加速度信号以电压的形式表现出来。

在一些实施例中，电感组件2包括互感铁芯201、第一线圈202和第二线圈203，第一线圈202与第二线圈203通过互感铁芯201耦合，二者磁路相同。第一线圈202的高压端与第一电极1041电连接，第一线圈202的低压端与第二电极1042电连接。

第一感应电压输出线路3与第一线圈202的高压端电连接，第二感应电压输出线路4与第二线圈203的高压端电连接。

第一线圈202与定子104线圈串联连接，形成闭合回路，闭合回路中的电流i正比于定子104线圈上的第一电压，同样也正比于被测轴的转速ω；当被测轴的转速ω波动时，电流i产生波动，导致第一线圈202中的磁通量改变，使第一线圈202两端感应出电压u₁，同时，第二线圈203的两端感应出第二电压u₂(u₂＝n*u₁，其中，n为第一线圈202和第二线圈203的互感系数)，电压u₂正比于电流变化快慢(

其中，

为电流的微分，即变化快慢，L₁为第一线圈202的电感系数)，由于上述线性比例关系，u₂同样也正比于转速变化的快慢

而转速变化的快慢就是所要测量的角加速度值α。

此外，本发明公开的装置不需要外部供电，节省能量。

在一些实施例中，第一感应电压输出线路3包括低转速输出线路301和高转速输出线路302；第一线圈202的高压端和第一电极1041之间依次串联设置有第一电阻6和第二电阻7，低转速输出线路301的输入端分别与第一电阻6的输入端及第一电极1041导通连接，高转速输出线路302的输入端分别与第一电阻6的输出端及第二电阻7的输入端导通连接。通过设置低转速输出线路301和高转速输出线路302这两条测量线路，分别用于测量高速及低速的转速，高转速输出端电压比低速端小，避免了测速范围比较大时低转速输出线路301输出信号输出电压范围也比较大，可能会超出采集卡量程的问题，一旦低转速输出线路301输出信号超量程，就以高转速输出线路302输出端信号为采集量。

进一步地，本发明公开了低转速输出线路301上串联设置有低转速电阻8，高转速输出线路302上串联设置有高转速电阻9，第二感应电压输出线路4上串联设置有角加速度输出电阻10。通过在低转速输出线路301、高转速输出线路302及第二感应电压输出线路4上串联电阻，以确保测量精准度。第一线圈202和第二线圈203的共地端对外接地线，第二线圈203的输出端为角加速度信号。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创造特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器，其特征在于，包括电机组件、电感组件、第一感应电压输出线路和第二感应电压输出线路；

所述磁体安装在所述转子基体上，且位于所述环槽的两侧；

2.根据权利要求1所述的磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器，其特征在于，所述电机组件还包括导磁环；

3.根据权利要求2所述的磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器，其特征在于，所述电机组件还包括集流环；

4.根据权利要求1所述的磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器，其特征在于，所述定子呈环形辐射状。

5.根据权利要求1所述的磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器，其特征在于，所述转子基体为非磁导材料制成。

6.根据权利要求1所述的磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器，其特征在于，所述电机外壳采用非导磁材料制成。

7.根据权利要求1所述的磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器，其特征在于，还包括驱动轮；

所述驱动轮与所述转子轴可拆卸连接；

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器，其特征在于，所述电感组件包括互感铁芯、第一线圈和第二线圈；

9.根据权利要求8所述的磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器，其特征在于，所述第一感应电压输出线路包括低转速输出线路和高转速输出线路；

10.根据权利要求9所述的磁电式旋转角速度和角加速度一体化传感器，其特征在于，所述低转速输出线路上串联设置有低转速电阻，所述高转速输出线路上串联设置有高转速电阻，所述第二感应电压输出线路上串联设置有角加速度输出电阻。