CN115452222B - 应用于轴系扭矩测量的交变聚焦磁场激励装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于轴系扭矩测量的交变聚焦磁场激励装置，属于旋转轴系扭矩测量技术领域，包括：两对聚焦磁场激励组件、一个交变聚焦磁场控制电路和激励装置固定支座，其中，激励装置固定支座包括方形底座和四个带孔支座板，四个带孔支座板垂直安装在底座上，且四个垂直交线分别与方形底座的四个外边缘平行；交变聚焦磁场控制电路安装在方形底座上；每对聚焦磁场激励组件中的每个组件一端呈锥形、另一端呈圆柱形，两对聚焦磁场激励组件为沿对称轴线旋转90°布置，且每个组件的锥形端均与水平面成60°角穿过四个带孔支座板。该装置分别产生交变磁场的正负半周，避免了因导磁芯磁滞而出现的信号失真现象，并可消除因磁滞导致的能量损耗。
Description
技术领域
本发明涉及旋转轴系扭矩测量技术领域，特别涉及一种应用于轴系扭矩测量的交变聚焦磁场激励装置。
背景技术
旋转轴系运转过程中的载荷可用扭矩这个指标来表示；并且可以通过对轴系扭矩的实时监测来判断轴系的工作状态，及时对轴系可能出现的各种异常做出判断与处理。所以设计出有效、便捷的旋转轴系扭矩测量方法极为重要。
现有技术中，旋转轴系扭矩的方式可分为串联式测量与并联式测量；其中并联式测量又可分为接触式测量与非接触式测量。磁电式扭矩传感器属于并联非接触式扭矩传感器，此种传感器通过对比输入、输出端接收线圈因通过激励磁场区域而产生的感应电压来得出扭矩值。此种类型的传感器安装时不需要断开轴系且传感器定子部分与转子部分不需要直接接触，对被测轴系运动的影响很小；并且此种传感器能够适应灰尘油污等恶劣的工作环境且对环境温度的变化不敏感。但磁电式扭矩传感器也存在激励磁场发散严重、精度和灵敏度较低以及无法应用于低速轴扭矩的测量等问题。
目前常用交变电流来产生交变磁场；但使用交变电流产生激励磁场会使得激励磁场为了改变磁场方向而不得不对抗磁芯中由磁滞现象引起的剩磁，这会导致大量的能量损耗以及聚焦磁场的频率和幅值发生失真，而聚焦磁场的频率和幅值发生失真会导致信号失真。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种应用于轴系扭矩测量的交变聚焦磁场激励装置，以解决传统磁电式扭矩传感器激励磁场强度太小、发散严重的问题及无法应用于低速轴的测量等问题。
为达到上述目的，本发明实施例提出了应用于轴系扭矩测量的交变聚焦磁场激励装置，包括：两对聚焦磁场激励组件、一个交变聚焦磁场控制电路和激励装置固定支座，其中，所述激励装置固定支座包括方形底座和四个带孔支座板，所述四个带孔支座板垂直安装在所述方形底座上，且四个垂直交线分别与所述方形底座的四个外边缘平行；所述交变聚焦磁场控制电路安装在所述方形底座上；每对聚焦磁场激励组件中的每个组件一端呈锥形、另一端呈圆柱形，所述两对聚焦磁场激励组件为沿对称轴线旋转90°布置，且每个组件的锥形端均与水平面成60°角穿过所述四个带孔支座板。
本发明实施例的应用于轴系扭矩测量的交变聚焦磁场激励装置，可产生交变聚焦磁场且受磁滞现象影响很小的磁场激励装置来代替传统磁电式扭矩传感器中只能产生严重发散的恒稳磁场的磁场激励装置，由于此种激励装置产生的是交变磁场，所以使用本发明实施例时可以对传统磁电式扭矩传感器无法测量的低速旋转轴进行测量，同时产生的高度聚焦的磁场还能够使接收线圈产生相较于传统扭矩传感器大得多的感应电压，在很大程度上提升了扭矩传感器的精度和灵敏度；且还可以根据轴的转速调节磁场强度及交变频率，避免了因磁饱和导致的能量浪费并使传感器转子接收线圈产生的电压信号始终保持易于被采集与处理的范围之内，除此之外，此种扭矩传感器分别使用两对激励组件分别产生交变磁场的正负半周，相较于传统的交变磁场产生方式，能够大幅度降低磁滞导致的能量损耗以及信号失真。
另外，根据本发明上述实施例的应用于轴系扭矩测量的交变聚焦磁场激励装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述两对聚焦磁场激励组件包括N极对聚焦磁场激励组件和S极对聚焦磁场激励组件，其中，所述N极对聚焦磁场激励组件包括两个一端呈锥形、另一端呈圆柱形的铁磁芯、铜制励磁线圈和屏蔽装罩，且两个锥形端为N极；所述S极对聚焦磁场激励组件包括两个一端呈锥形、另一端呈圆柱形的铁磁芯、铜制励磁线圈和屏蔽装罩，且两个锥形端为S极。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在交变聚焦磁场正半周时，所述N极对聚焦磁场激励组件通电工作，在聚焦区域产生竖直向下的聚焦磁场。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当交变聚焦磁场在负半周时，所述S极对聚焦磁场激励组件通电工作，在聚焦区域产生竖直向上的聚焦磁场。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述屏蔽罩分为三层第一层材料为铁，第二层材料为铝，第三层材料为铁，三层厚度均为1mm，依次和铁磁芯贴合在一起并使用石墨碳素填充间隙。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述铜制励磁线圈缠绕至所述铁磁芯的圆柱形端处，置于所述屏蔽罩内部。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述N极对聚焦磁场激励组件和所述S极对聚焦磁场激励组件中的各部件尺寸均相同，且每个组件穿过所述四个带孔支座板时，四个锥形端与所述方形底座的正中心的距离为10mm。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的应用于轴系扭矩测量的交变聚焦磁场激励装置的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的两对聚焦磁场激励组件的布置示意图，(a)为N极对和S极对聚焦磁场激励组件布置方式，(b)为两对聚焦磁场激励组件布置方式俯视图；
图3是本发明一个实施例的两对聚焦磁场激励组件的磁力线分布示意图，(a)为N极对聚焦磁场激励组件的磁力线分布示意图，(b)为S极对聚焦磁场激励组件的磁力分布示意图；
图4是本发明一个实施例的单个聚焦磁场激励组件的结构示意图；
图5是本发明一个实施例的单个激励组件和激励组件对仿真结果示意图，(a)为单个聚焦磁场激励组件和聚焦磁场激励组件对仿真接收平面，(b)为聚焦磁场激励组件和聚焦磁场激励组件对仿真结果参数，(c)为单个聚焦磁场激励组件和聚焦磁场激励组件对磁感应强度的云图分布；
图6是本发明一个实施例的激励组件磁路示意图。
附图标记说明：
10-应用于轴系扭矩测量的交变聚焦磁场激励装置、100-两对聚焦磁场激励组件、101-N极对聚焦磁场激励组件、102-S极对聚焦磁场激励组件、200-交变聚焦磁场控制电路、300-激励装置固定支座、301-方形底座和302-四个带孔支座板。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的应用于轴系扭矩测量的交变聚焦磁场激励装置。
图1是本发明一个实施例的应用于轴系扭矩测量的交变聚焦磁场激励装置的结构示意图。
如图1所示，该装置10包括：两对聚焦磁场激励组件100、一个交变聚焦磁场控制电路200和激励装置固定支座300。
其中，如图2所示，激励装置固定支座300包括方形底座301和四个带孔支座板302，四个带孔支座板302垂直安装在方形底座301上，且四个垂直交线分别与方形底座301的四个外边缘平行；交变聚焦磁场控制电路200安装在方形底座301上；每对聚焦磁场激励组件中的每个组件一端呈锥形、另一端呈圆柱形，两对聚焦磁场激励组件为沿对称轴线旋转90°布置，且每个组件的锥形端均与水平面成60°角穿过四个带孔支座板，四个锥形端与方形底座的正中心的距离为10mm。
进一步地，在本发明的一个实施例中，两对聚焦磁场激励组件100包括N极对聚焦磁场激励组件101和S极对聚焦磁场激励组件102，其中，N极对聚焦磁场激励组件101包括两个一端呈锥形、另一端呈圆柱形的铁磁芯、铜制励磁线圈和屏蔽装罩，且两个锥形端为N极；S极对聚焦磁场激励组件102包括两个一端呈锥形、另一端呈圆柱形的铁磁芯、铜制励磁线圈和屏蔽装罩，且两个锥形端为S极，其中，N极对聚焦磁场激励组件和S极对聚焦磁场激励组件中的各部件尺寸均相同。
具体地，N极对聚焦磁场激励组件101为产生聚焦磁场正半周的组件，S极对聚焦磁场激励组件102为产生聚焦磁场负半周的组件，当本发明实施例工作时，如图3(a)所示，在交变聚焦磁场正半周时，N极对聚焦磁场激励组件101通电工作，在聚焦区域产生竖直向下的聚焦磁场；如图3(b)所示，当交变聚焦磁场在负半周时，S极对聚焦磁场激励组件102通电工作，在聚焦区域产生竖直向上的聚焦磁场。因为相反方向的聚焦磁场是由不同的激励组件产生，这使得激励磁场不需要为了改变磁场方向而对抗由磁滞现象引起的剩磁，这避免了因磁滞而出现的信号失真和因磁滞导致的能量损耗。
进一步地，如图4所示，每个聚焦磁场激励组件由三部分构成，分别是铁磁芯，缠绕在磁芯上的铜制励磁线圈，将励磁线圈与磁芯包裹的屏蔽罩，其中屏蔽罩分为三层第一层材料为铁，第二层材料为铝，第三层材料为铁。这三层屏蔽罩厚度均为1mm，依次和铁芯贴合在一起并使用石墨碳素填充屏蔽罩之间的间隙。
如图3所示，本发明实施例产生的磁力线经过磁芯锥头汇聚在相应的聚焦磁场区域中心。而包裹在磁芯和励磁线圈外的多层屏蔽罩能够屏蔽大部分向外发散的磁场，帮助聚焦磁场形成；交变聚焦磁场控制电路可以根据轴的转速实时控制聚焦磁场激励电流的大小以及交变频率，以此实现聚焦磁场强度及频率随轴的转速实时变化。
下面通过一个具体实施例对本发明实施例提出的应用于轴系扭矩测量的交变聚焦磁场激励装置进一步说明。
此交变聚焦磁场激励装置中的励磁线圈匝数设置为200匝，励磁线圈使用的铜制导线直径为1mm，线圈电流为1A。激励组件的具体结构参数图4；两对激励组件的布置方式参照图2。
针对此交变聚焦磁场激励装置进行仿真，仿真取接收平面为距离锥顶3mm的水平面；得到单个激励组件和激励组件对的仿真结果如下图5所示。
采用磁路欧姆定律来分析此激励组件产生的聚焦磁场强度及分布；此激励组件的磁路如图6所示，图6中h表示锥顶到接收平面之间的空气隙高度，r表示截面为圆形磁路的半径，l表示锥形磁芯的高度。因为磁芯的磁阻远远小于空气，所以分析时只考虑锥头和锥头到接收平面之间的空气隙的磁阻。
已知磁路欧姆定律：
式中，Φ为磁路中的磁通量，Fm为磁路的磁动势，Rm为磁路的磁阻。
已知Fm可由公式：Fm＝NI求解，式中N为励磁线圈匝数，I为线圈电流。
故想要求得磁路的磁通量，就必须求得磁路的磁阻。
显然，在以锥尖在接收平面上的投影为圆心的同一个圆上的磁感应强度处处相等；所以求得接收平面上一条经过锥尖投影的直线上的磁感应强度即可求得接收平面上的磁感应强度的分布。设直线上某点距离锥尖投影的距离为r，并以该点和锥尖投影的连线做为磁路截面的半径；即可的磁路的磁阻Rm为：
式中，α为锥形磁芯的半角，dy为竖直方向上磁路长度的微元，为磁路截面同时存在空气和磁芯介质时截面的平均磁导率，μr为磁芯的相对磁导率，μ0为真空磁导率。
可求得平均磁导率的值为：
根据所求得的可进一步求得Rm；
根据求得的Rm可求出当以r为半径的磁路的磁通量；
为简化运算过程，可将公式(5)中的常数项简化，设：
NIμ0π＝A
可得磁通量公式为：
对磁通量Φ求r的导数，然后除于2πr即可求得接收平面距离锥尖投影为r的圆上的磁感应强度，磁感应强度公式为：
综上，根据本发明实施例提出的应用于轴系扭矩测量的交变聚焦磁场激励装置，具有以下有益效果：(1)可用小电流产生高度聚焦的交变磁场；即解决了传统磁电式扭矩传感器存在的磁场发散现象严重的问题，又使磁电式扭矩传感器能够正确测量低转速轴的扭矩；(2)产生的交变聚焦磁场能够大幅度提高磁电式扭矩传感器的精度和灵敏度；(3)采用多层磁场屏蔽罩结构，能够屏蔽大部分从磁芯向外发散的磁场，帮助聚焦磁场的形成；(4)采用交变聚焦磁场控制电路，能够实现交变聚焦磁场强度及频率随着轴转速实时变化，避免了因为磁饱和现场出现的能量浪费，保证了电压信号始终保持在易于被采集和处理的范围之内；(5)采用两对激励组件来分别生成交变聚焦磁场的正半周和负半周，能够避免由磁滞导致的信号失真及能量损耗；(6)搭载此激励装置的扭矩传感器除了可以测量中高速旋转的轴的扭矩外，还可以对低速旋转轴的扭矩进行有效测量。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种应用于轴系扭矩测量的交变聚焦磁场激励装置，其特征在于，包括：两对聚焦磁场激励组件、一个交变聚焦磁场控制电路和激励装置固定支座，其中，
所述激励装置固定支座包括方形底座和四个带孔支座板，所述四个带孔支座板垂直安装在所述方形底座上，且四个垂直交线分别与所述方形底座的四个外边缘平行；
所述交变聚焦磁场控制电路安装在所述方形底座上；
每对聚焦磁场激励组件中的每个组件一端呈锥形、另一端呈圆柱形，所述两对聚焦磁场激励组件为沿对称轴线旋转90°布置，且每个组件的锥形端均与水平面成60°角穿过所述四个带孔支座板；
所述两对聚焦磁场激励组件包括N极对聚焦磁场激励组件和S极对聚焦磁场激励组件，其中，
所述N极对聚焦磁场激励组件包括两个一端呈锥形、另一端呈圆柱形的铁磁芯、铜制励磁线圈和屏蔽装罩，且两个锥形端为N极；
所述S极对聚焦磁场激励组件包括两个一端呈锥形、另一端呈圆柱形的铁磁芯、铜制励磁线圈和屏蔽装罩，且两个锥形端为S极；
在交变聚焦磁场正半周时，所述N极对聚焦磁场激励组件通电工作，在聚焦区域产生竖直向下的聚焦磁场；
当交变聚焦磁场在负半周时，所述S极对聚焦磁场激励组件通电工作，在聚焦区域产生竖直向上的聚焦磁场。
2.根据权利要求1所述的应用于轴系扭矩测量的交变聚焦磁场激励装置，其特征在于，所述屏蔽罩分为三层第一层材料为铁，第二层材料为铝，第三层材料为铁，三层厚度均为1mm，依次和铁磁芯贴合在一起并使用石墨碳素填充间隙。
3.根据权利要求1所述的应用于轴系扭矩测量的交变聚焦磁场激励装置，其特征在于，所述铜制励磁线圈缠绕至所述铁磁芯的圆柱形端处，置于所述屏蔽罩内部。
4.根据权利要求1所述的应用于轴系扭矩测量的交变聚焦磁场激励装置，其特征在于，所述N极对聚焦磁场激励组件和所述S极对聚焦磁场激励组件中的各部件尺寸均相同，且每个组件穿过所述四个带孔支座板时，四个锥形端与所述方形底座的正中心的距离为10mm。
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| CN115452222A (zh) | 2022-12-09 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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