CN115169202A - 一种旋转部件的等效磁场模拟器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转部件的等效磁场模拟器及其设计方法。本发明公开的旋转部件的等效磁场模拟器，分为旋转部件的等效磁场模拟器本体和等效磁场模拟器控制电路两个部分；设计方法为根据旋转部件的外形初步设计磁场模拟器本体，根据测量旋转部件磁场的传感器得到的磁场特征设计等效磁场模拟器控制电路，进行旋转部件等效磁场模拟器的电磁特征仿真计算；将仿真计算结果与和旋转部件电磁特征数据进行对比，如果误差达到要求，则完成设计；基本原理为通过控制等效磁场模拟器中的线圈，模拟器发出响应的受控的磁场波形，使得原本用于测量旋转部件磁场的传感器感受到与真实旋转部件转动几乎完全相同的磁场变化。

Description

一种旋转部件的等效磁场模拟器及其设计方法

技术领域

本发明公开了一种旋转部件的等效磁场模拟器及其设计方法，涉及磁场仿真技术，属于传感、测速的电变量和磁变量调节的技术领域。

背景技术

在当前许多工业领域，一般都采用内燃机、电动机等带有高速旋转机构的部件为系统提供动力。这些旋转部件运行范围变化大、运行环境恶劣，为保证系统运行时的安全性和稳定性，必须对其转速进行实施严密监控。因此，转速测量是如今工业生产的基本且重要需求。然而，由于这些旋转部件存在高转速、高功率的特点，在研发转速测量系统的过程中，需要建设具有高速旋转能力的转速传感器测试平台。高速测试平台对旋转部件的转速、机械强度、安全性能要求极高。因此，目前电磁转速传感测量系统存在实验系统构建周期较长、成本较高等问题，而且在研发过程中旋转部件的高速运行存在一定安全隐患，人力、时间、材料成本高昂。

综上所述，针对上述问题，亟需对现有转速传感系统的研发方案进行改善，从而为转速传感系统性能及其研发效益的提高提供有效支撑。

本项目的研究正是基于上述出发点，拟通过无机械转动结构的受控磁场发生器来模拟旋转部件转动时对传感器的影响，使转速传感器探头无法区分等效磁场模拟器和实际的旋转部件发出的磁场，从而实现对真实旋转部件及其驱动系统的替代，最终降低研发成本、消除安全隐患，并提高研发和检测的灵活性。

发明内容

技术问题：本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供一种旋转部件的等效磁场模拟器及其设计方法，依据磁场仿真原理在不需要旋转实物的前提下通过电变量和磁变量调节即可减少实验成本也可达成实验要求，解决现有旋转测速装置的技术问题。

技术方案：本发明的一种旋转部件的等效磁场模拟器包含等效磁场模拟器本体和控制电路两个部分，其中等效磁场模拟器本体包括模拟器铁芯、控制线圈和线圈夹具三个部分；所述模拟器本体以模拟器固定支架为基体，在模拟器固定支架上设有锥形模拟器铁芯，该模拟器铁芯的上半部分为圆锥形，在锥形模拟器铁芯的顶部为模拟器端部，在锥形模拟器铁芯的中部设有线圈槽，在线圈槽中设有线圈夹具，在线圈夹具中设有控制线圈，所述锥形模拟器铁芯下半部分为圆柱体的模拟器底部；

等效磁场模拟器控制电路主要包括DSP芯片开发板，通过数字信号输出端口输入到数模转换器中，转变为模拟信号，再串联一个功率放大器中，将模拟信号放大到想要输出信号的幅值大小，最后输入到等效磁场模拟器当中。

所述模拟器端部为半球形，半球体的直径为80mm±1mm。

所述线圈槽设在距离所述圆锥形圆台下截面65mm±5mm处向上环圆台开有30mm±0.5mm深，半径为20mm±0.5mm的环槽。

所述锥形模拟器铁芯圆锥形部分的上截面直径为80mm±1mm，下截面直径为150mm±2mm，下半部的圆柱体为直径150mm±5mm，长度150mm±5mm的圆柱体；锥形模拟器铁芯由铁磁性材料构成。

所述模拟器固定支架的中间固定锥形模拟器铁芯，周边设有固定孔。

所述线圈夹具设置在环槽内部，每隔90°有一个线圈夹具，共四个。

所述线圈夹具是外径40mm、内径30mm、高度10mm的弹性圆环，用于固定控制线圈。

所述控制线圈采用10mH、20A大功率铜线电感优质磁环EMI滤波线圈。

本发明的一种旋转部件的等效磁场模拟器的设计方法为，首先通过DSP编程，产生一个初始直流电流信号，再通过逆变器整流输出对应交流电压，最后通过一个功率放大器输入到磁场模拟器中的控制线圈；总体流程采用闭环设计，需要根据与真实旋转部件电磁特征的差别不断调整模型以达到设计要求，具体如下：

步骤1，首先在maxwell软件中完成等效磁场模拟器建模，其中初始激励输入正弦电流，得到等效磁场模拟器的转速、磁场分布和电流波形；

步骤2，根据步骤1得到的电流波形，通过DSP编程，产生一个初始直流电流信号，再经过数模转换器把数字信号转换为模拟信号；

步骤3，然后步骤2得到的模拟信号通过一个功率放大器输入到等效磁场模拟器中的控制线圈；最后探头测到等效磁场模拟器的磁场分布；

步骤4，经过处理电路进行对比，如果相同，则设计完成；如果不同，则根据对比结果，返回步骤1更改激励输入参数，如此循环，直至满足要求。

所述的DSP芯片开发板为一块型号为TMS320F28377的DSP芯片。

有益效果：本发明采用上述技术方案，具有以下优点，

（1）本发明公开的等效磁场模拟器结构简单，取代了的旋转部件实物和发动机实物，通过控制铁芯上线圈电流变化，产生特定磁场，完美取代真实旋转部件转动时传感器收到的信号。通过电变量和磁变量调节改变了传统测速系统，大大降低人力、财力，且满足测速要求。

（2）铁芯线圈电流连接控制电路，该电路通过电力电子开关控制，在线圈

（负载）上产生指定的电流波形，从而使等效磁场模拟器产生特定磁场，模拟多种转速下旋转部件的实际工作环境。相比之下，等效磁场模拟器测速系统更加方便有效。

（3）本发明公开的等效磁场模拟器设计方法采用闭环设计，设计过程、调整过程科学合理，且百分之八十的过程通过参数化仿真完成，节省了大量人力、财力，不但节约时间且满足要求。

附图说明

图1为基于等效磁场模拟器转速测量系统。

图2为等效磁场模拟器本体结构。

图3为等效磁场模拟器设计流程。

图4为等效磁场模拟器设计方法。

图中有：模拟器底部1、模拟器端部2.1、线圈槽2.2、锥形模拟器铁芯2.3、模拟器固定支架2.4、线圈夹具2.5、控制线圈2.6。

具体实施方式

本发明的一种旋转部件的等效磁场模拟器包含等效磁场模拟器本体和控制电路两个部分, 其中等效磁场模拟器本体包括铁芯、线圈和夹具三个部分。转速传感器子系统等效磁场模拟器的铁芯由磁导率较高的材料构成，控制线圈缠绕在铁芯上。

铁芯分为四个部分：底部是直径150mm的圆柱体；圆柱体上部套有边长为200mm，厚度为10mm的长方体，四角各开有直径4mm 的螺丝通孔，用于固定整个模拟器本体；圆柱体上部为上截面直径80mm、下截面直径150mm的圆台，圆台顶部通过焊锡，形成光滑球面端部，而距圆台下截面65mm处向上环圆台开有40mm深的环槽，用于安放控制线圈；环槽内部每隔90°有一个夹具，共四个，夹具是外径40mm、内径30mm、高度10mm的弹性圆环，夹具工作范围为半径10-15mm。

由于会在高频工况下工作，考虑到控制电流集肤效应，控制线圈则采用管状结构。

铁芯的球面端部靠近所要进行研发或检测的转速传感系统的测量探头，使其感受到与真实旋转部件转动几乎完全相同的磁场变化。

其中等效磁场模拟器本体的选材和结构需要测试材料特性、电磁特性以及输出信号畸变等，测量转速传感器转速范围和相应电频率。根据真实旋转部件在传感器处形成的电磁场分布进行设计，使得传感器载对应速度和对应距离下能感受到与真实旋转部件转动时相同的转速信号和阻抗。基于材料参数建模，建立传感系统电磁有限元仿真，对比真实旋转部件的转速、真实旋转部件与传感器的距离进行调整。

设计等效磁场模拟器的控制电路需要建立参数化等效磁场模拟器电磁有限元模型，选择最优拓扑结构，对铁芯进行优化，包括设计线圈匝数、尺寸、线径等。还需要计算多个转速下的电流波形、端部电压波形以及控制电路功率。在此基础上建立控制电路仿真模型，使得控制器本体产生的受控的磁场。最后把等效磁场模拟器得到的磁场分布和真实情况的磁场分布进行对比，总体采用闭环设计，根据与真实旋转部件电磁特征的差别不断调整模型以达到要求。

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

该模拟器包含等效磁场模拟器本体和控制电路两个部分，其中等效磁场模拟器本体包括模拟器铁芯、控制线圈和线圈夹具三个部分；所述模拟器本体以模拟器固定支架2.4为基体，在模拟器固定支2.4上设有锥形模拟器铁芯2.3，该锥形模拟器铁芯2.3的上半部分为圆锥形，在锥形模拟器铁芯2.3的顶部为模拟器端部2.1，在锥形模拟器铁芯2.3的中部设有线圈槽2.2，在线圈槽2.2中设有线圈夹具2.5，在线圈夹具2.5中设有控制线圈2.6，所述锥形模拟器铁芯2.3下半部分为圆柱体；

等效磁场模拟器控制电路主要包括DSP芯片开发板，通过数字信号输出端口输入到数模转换器中，转变为模拟信号，再串联一个功率放大器中，将模拟信号放大到想要输出信号的幅值大小，最后输入到等效磁场模拟器当中。

整个测速系统包括：等效磁场模拟器、测速传感器探头、信号处理电路构成。其中，等效磁场模拟器本体如图2所示，由铁芯和控制电路构成：铁芯形状为圆柱体和圆锥体结合体，其中圆锥体部分开有槽，用于放置控制线圈。圆锥体端部正对测速传感器探头，提升测量准确性。传感器探头接受信号后，把信号输入信号处理电路中，经过处理变成转速输出出来。

在maxwell中基于材料参数测量结果和系统建模，建立传感子系统的电磁有限元仿真模型和拟器控制线圈参数化有限元模型，对本体铁芯、线圈匝数、线圈尺寸等设计进行初步优化，选择最优拓扑结构。

初步给定正弦电流激流，进行仿真计算，得到等效磁场模拟器磁场分布、转速和电压波形。根据产生的电压波形，同DSP编程，使其输出相应直流电流，再通过逆变器得到上一步相同的电压波形。

电压信号通过功率放大器输入到等效磁场模拟器中，运行等效磁场模拟器。传感器探头测到等效磁场模拟器产生的磁场分布，经过处理电路，和真实情况的磁场分布进行对比。如果对比结果相同，则设计完成；如果对比结果不相同，则返回在maxwell中给定电流激励这一步，根据两者磁场分布的差异，改变激励电流，再按上述步骤对比最终磁场分布。

设计方法为，首先通过DSP编程，产生一个初始直流电流信号，再通过逆变器整流输出对应交流电压，最后通过一个功率放大器输入到磁场模拟器中的控制线圈；总体流程采用闭环设计，需要根据与真实旋转部件电磁特征的差别不断调整模型以达到设计要求，具体如下：

步骤1，首先在maxwell软件中完成等效磁场模拟器建模，其中初始激励输入正弦电流，得到等效磁场模拟器的转速、磁场分布和电流波形；

步骤2，根据步骤1得到的电流波形，通过DSP编程，产生一个初始直流电流信号，再经过数模转换器把数字信号转换为模拟信号；

步骤3，然后步骤2得到的模拟信号通过一个功率放大器输入到等效磁场模拟器中的控制线圈；最后探头测到等效磁场模拟器的磁场分布；

步骤4，经过处理电路进行对比，如果相同，则设计完成；如果不同，则根据对比结果，返回步骤1更改激励输入参数，如此循环，直至满足要求。

所述的DSP芯片开发板为一块型号为TMS320F28377的DSP芯片。

基于上述的等效磁场模拟器设计方案，制造等效磁场模拟器样机，并将其应用于实际传感子系统的性能测试。如果不符合预期，则多次循环反复，直至满足要求。如果符合预期，则完成研制目标。

Claims (10)

1.一种旋转部件的等效磁场模拟器，其特征在于，该模拟器包含等效磁场模拟器本体和控制电路两个部分，其中等效磁场模拟器本体包括模拟器铁芯、控制线圈和线圈夹具三个部分；所述模拟器本体以模拟器固定支架（2.4）为基体，在模拟器固定支架（2.4）上设有锥形模拟器铁芯（2.3），该锥形模拟器铁芯（2.3）的上半部分为圆锥形，在锥形模拟器铁芯（2.3）的顶部为模拟器端部（2.1），在锥形模拟器铁芯（2.3）的中部设有线圈槽（2.2），在线圈槽（2.2）中设有线圈夹具（2.5），在线圈夹具（2.5）中设有控制线圈（2.6），所述锥形模拟器铁芯（2.3）下半部分为圆柱体的模拟器底部（1）；

等效磁场模拟器控制电路主要包括DSP芯片开发板，通过数字信号输出端口输入到数模转换器中，转变为模拟信号，再串联到一个功率放大器中，将模拟信号放大到想要输出信号的幅值大小，最后输入到等效磁场模拟器当中。

2.根据权利要求1所述一种旋转部件的等效磁场模拟器，其特征在于，所述模拟器端部（2.1）为半球形，半球体的直径为80mm±1mm。

3.根据权利要求1所述一种旋转部件的等效磁场模拟器，其特征在于，所述线圈槽（2.2）设在距离所述圆锥形圆台下截面65mm±5mm处向上环圆台开有30mm±0.5mm深，半径为20mm±0.5mm的环槽。

4.根据权利要求1所述一种旋转部件的等效磁场模拟器，其特征在于，所述锥形模拟器铁芯（2.3）圆锥形部分的上截面直径为80mm±1mm，下截面直径为150mm±2mm，下半部的圆柱体为直径150mm±5mm，长度150mm±5mm的圆柱体；锥形模拟器铁芯（2.3）由铁磁性材料构成。

5.根据权利要求1所述一种旋转部件的等效磁场模拟器，其特征在于，所述模拟器固定支架（2.4）的中间固定锥形模拟器铁芯（2.3），周边设有固定孔。

6.根据权利要求1或3所述一种旋转部件的等效磁场模拟器，其特征在于，所述线圈夹具（2.5）设置在环槽内部，每隔90°有一个线圈夹具（2.5），共四个。

7.根据权利要求6所述一种旋转部件的等效磁场模拟器，其特征在于，所述线圈夹具（2.5）是外径40mm、内径30mm、高度10mm的弹性圆环，用于固定控制线圈。

8.根据权利要求1所述一种旋转部件的等效磁场模拟器，其特征在于，所述控制线圈（2.6）采用10mH、20A大功率铜线电感优质磁环EMI滤波线圈。

9.根据权利要求1所述一种旋转部件的等效磁场模拟器，其特征在于，所述的DSP芯片开发板为一块型号为TMS320F28377的DSP芯片。

10.一种如权利要求1所述一种旋转部件的等效磁场模拟器的设计方法，其特征在于，该设计方法具体如下：

步骤1，首先在maxwell软件中完成等效磁场模拟器建模，其中初始激励输入正弦电流，得到等效磁场模拟器的转速、磁场分布和电流波形；

步骤2，根据步骤1得到的电流波形，通过DSP编程，产生一个初始直流电流信号，再经过数模转换器把数字信号转换为模拟信号；

步骤3，然后将步骤2得到的模拟信号通过一个功率放大器输入到等效磁场模拟器中的控制线圈；最后探头测到等效磁场模拟器的磁场分布；

步骤4，经过处理电路进行对比，如果相同，则设计完成；如果不同，则根据对比结果，返回步骤1更改激励输入参数，如此循环，直至满足要求。

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