CN212845448U - 用于断路器操作机构测试装置的磁电速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于断路器操作机构测试装置的磁电速度传感器，其包括线圈、永磁体、弹簧、壳体，线圈绕组、永磁体、弹簧均设置在壳体中，永磁体两端分别通过弹簧与壳体内顶部、内底部连接且永磁体位于壳体内中心处，2个线圈绕组通过线圈骨架设置在永磁体与壳体之间并位于永磁体周围；本装置能提高传感器对磁场的利用效率；采用了动铁式传感器，输出感应电动势与线圈匝数之间为正比例关系，提升了输出灵敏度及其特性；传感器采用了双线圈反串联结构，有利于输入特性中偶次项的消除，从而确保其具备较高的线性度。

Description

用于断路器操作机构测试装置的磁电速度传感器

技术领域

本实用新型属于传感器线圈结构领域,具体涉及一种用于断路器操作机构测试装置的磁电速度传感器。

背景技术

现有的磁电式转速传感器，其现款缠绕在磁钢或者软铁上，且线圈直接与导线焊接，制作工艺性较低。这种结构的传感器可靠性较低，在震动或者冲击条件下，其内部结构易损坏。另外现有的磁电式转速传感器的感应探头裸露在壳体外部，探头与壳体的结合处有缝隙。当被测体故障导致实际工作温度超出正常范围时，传感器灌封材料的状态会发生变化，由固态变为液态，液态的灌封材料会沿缝隙向外流出，滴落在被测体上，污染甚至损坏被测体；存在安全隐患；且传统的磁电式传感器多采用航空接头用于传感器与外部引线的衔接，不具备防水、防油、防爆等功能。

基于电磁感应原理可知，磁电式传感器的感应电压形成于空间磁场和线圈回路的相对运动过程中，我们将此类传感器纳入有源传感器的范畴。它有一个简单的电路，无需外接电源的辅助，不仅如此，它还具备了较大的输出功率和较小的输出阻抗，而自身合适的带宽范围，恰恰成了它广泛应用于当下诸多领域的一个重要原因。

根据磁场的变化形式将磁电式传感器细分为以下两类：其一为变磁通式，另一为恒磁通式，其中，前者主要用于汽车车速等角速度的测量，但就本文提及的真空断路器的分合闸速度而言，属于线速度的范畴，因此并不适用，而以其运动部分的差异为参考依据，我们又可将其细分为动铁式、动圈式这两种，就以后者而言，它在永磁体方面主要采用了轴向充磁的方式，并充分运用磁轭来促进磁路的形成，但值得我们注意的是，其间存在一定的磁场间隙，在极靴的作用之下，这一间隙的分布较为均匀。在线圈骨架之上，我们不难发现被置于均匀磁场中的缠绕线圈，在直线运动物体相接于骨架上部分的情况下，在物体上下运动的作用下，线圈将对磁力线进行切割，感应电动势也在这一过程中得以产生，而它的大小和运动速度v形成一定的正比例关系。而输出信号和外电路之间的相接，则需借助引线这一中介。但值得我们注意的是，因真空断路器的分合闸操作是非常频繁的，以至于输出引线的上下运动也变得异常频繁，此时，接线的磨损就变得在所难免了，随之受到影响的除了测试结果之外，更为重要的是传感器的可靠性。

发明内容

基于现有技术的不足，本实用新型提供了一种应用于断路器操作机构测试装置的磁电速度传感器，其包括线圈、永磁体、弹簧、壳体，线圈绕组、永磁体、弹簧均设置在壳体中，永磁体两端分别通过弹簧与壳体内顶部、内底部连接且永磁体位于壳体内中心处，2个线圈绕组通过线圈骨架设置在永磁体与壳体之间并位于永磁体周围。

所述磁电速度传感器为动铁式传感器，动铁式传感器的匝数越多，输出的感应电动势越大，该传感器为双线圈结构。

本实用新型磁电速度传感器中双线圈为反串联的连接方式，有利于输入特性中偶次项的消除。

本发明中断路器操作机构测试装置的磁电速度传感器采用有限元分析法分析所述永磁体磁场分布情况。

本发明的断路器操作机构测试装置的磁电速度传感器中永磁体和线圈两个表面之间存在相对运动。

与现有技术相比较，本发明应用于断路器操作机构测试装置的磁电速度传感器具有以下有益效果：

本实用新型传感器的线圈结构提高传感器对磁场的利用效率；采用了动铁式传感器，输出感应电动势与线圈匝数之间为正比例关系，提升了输出灵敏度及其特性；传感器采用了双线圈反串联结构，有利于输入特性中偶次项的消除，从而确保其具备较高的线性度。

附图说明

图1为本实用新型磁电速度传感器示意图；

图2为现有技术的动圈式传感器示意图；

图3为本实用新型磁电速度传感器局部结构示意图；

图4为磁电速度传感器的单线圈轴向考察路径磁感应强度分布图；

图5为磁电速度传感器的单线圈径向考察路径磁感应强度分布图；

图6为本实用新型磁电速度传感器的双线圈结构示意图；

图7为磁电速度传感器的单线圈结构3D 模型；

图8为本实用新型磁电速度传感器的双线圈结构 3D 模型；

图9为磁电速度传感器的单线圈结构输出感应电动势曲线；

图10为本实用新型磁电速度传感器的双线圈结构输出感应电动势曲线；

图中：1-线圈绕组；2-永磁体；3-弹簧；4-壳体；5-线圈骨架；6-磁轭；7-补偿线圈。

具体实施方式

下面通过实施例对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型保护范围不局限于所述内容。

实施例1：如图1所示，本用于断路器操作机构测试装置的磁电速度传感器包括线圈绕组1、永磁体2、弹簧3、壳体4，线圈绕组1、永磁体2、弹簧3均设置在壳体1中，永磁体2两端分别通过弹簧3与壳体4内顶部、内底部连接且永磁体2位于壳体1内中心处，2个线圈绕组1通过线圈骨架5设置在永磁体2与壳体1之间并位于永磁体2周围；所述磁电速度传感器为动铁式传感器，所述动铁式传感器的匝数越多，输出的感应电动势越大，所述传感器的结构为双线圈结构，此类结构输出引线的绕组是相对固定的，虽说永磁体会在物体运动的情况下产生纵向运动，但对整个引线而言，它并不会在频繁分合闸操作的影响下发生断裂。

而从上图3中，我们也不难看出，对处于永磁体外围的线圈而言，它并不受限于其空间大小，我们可根据实际需要，对线圈的缠绕匝数进行必要的调整。从电磁感应定理中不难看出，对输出感应电动势而言，它和线圈匝数之间呈现为一定的正比例关系，也就是说，在线圈匝数较多的情况下，传感器输出的感应电动势也就相对较大，如此便提升了输出灵敏度及其特性。因动铁式传感器在结构上所具备的灵活特性，以至于其在当下的诸多领域都得以广泛应用。

现有技术的动圈式传感器见图2（包括弹簧3、线圈绕组1、磁轭6、补偿线圈7、永磁铁2），它在永磁体方面主要采用了轴向充磁的方式，并充分运用磁轭来促进磁路的形成，但值得我们注意的是，其间存在一定的磁场间隙，在极靴的作用之下，这一间隙的分布较为均匀。在线圈骨架之上，我们不难发现被置于均匀磁场中的缠绕线圈。在直线运动物体相接于骨架上部分的情况下，在物体上下运动的作用下，线圈将对磁力线进行切割，感应电动势也在这一过程中得以产生，而它的大小和运动速度v形成一定的正比例关系。而输出信号和外电路之间的相接，则需借助引线这一中介。但值得我们注意的是，因真空断路器的分合闸操作是非常频繁的，以至于输出引线的上下运动也变得异常频繁，此时，接线的磨损就变得在所难免了，随之受到影响的除了测试结果之外，更为重要的是传感器的可靠性。在动圈式传感器的应用过程中，我们应切实考虑到间隙磁场的均匀特性，如此才能确保其具备较高的输出线性度。基于此，传感器也将明显受到诸多因素的限制，如重量、体积等，此时就要考虑到传感器的选材，乃至各个部分的尺寸要求了。

本磁电速度传感器的双线圈结构 3D 模型见图8，在本实施例中，本实用新型应用于断路器操作机构测试装置的磁电速度传感器线圈结构的所述双线圈结构传感器为反串联的连接方式，有利于输入特性中偶次项的消除。

在本实施例中，本实用新型应用于断路器操作机构测试装置的磁电速度传感器采用有限元分析法分析所述永磁体磁场分布情况。

在本实施例中，本磁电速度传感器的永磁体和线圈两个表面之间存在的相对运动。

现有技术中，对单线圈结构传感器而言，其感应电动势和灵敏度之间是呈一定正比例关系的。而在现实生活中，影响单匝线圈的因素除了气隙中磁感应强度轴向分量对轴向位移的变化率、径向分量和线圈周长的大小之外，主要还包括：（1）磁感线穿过线圈的截面积的大小;（2）线圈与永磁体相对运动速度的大小。将线圈固定于支架之上，其中永磁体的运动速度其实属于相对运动速度的范畴，其实质等同于真空断路器的分合闸速度。在这一速度较快的情况下，感应电动势的增幅也相对较大，如此可促进传感器灵敏度的提升。但值得我们注意的是，传感器的分合闸速度被局限在0.8m/s-1.5m/s的范围内，正因如此，它对传感器灵敏度的影响将大大削弱。尤其是在其内安装的磁电速度传感器，它的空间大小是非常有限的。正因如此，无论是线圈的周长，还是其截面积，都将存在一定的局限性。与此同时，若磁感应强度的轴向分量随其高度变化率相对较大，那么，其感生电动势也将处于较高水平；而在其径向分量较大的情况下，传感器的动生电动势也将变大。接下来，本文将通过Ansoft/Maxwell有限元分析软件来分析图3中存在的磁场。如图4和图5所示，分别给出了磁感应强度在轴向与径向上不同位置的矢量大小及其分量分布。其中的Mag_B、Br和Bz分别表示总磁感应强度、磁感应强度的径向和轴向分量。众所周知，永磁体属于轴向充磁圆柱体的范畴，因此可将其磁感应强度的切向分量记为“0”。基于图3可知，不同位置磁感应强度的径向和轴向分量之间的数值是存在很大差异的，其中，数值最大的径向量存在于永磁体上下表面处的周围气隙之中，而且是反向的。数值最大的轴向分量出现在永磁体处于中心位置的情况下，但从变化率方面来看，却是相对较小的。基于图4可知，磁感应强度在径向考察路径上的衰减速度将随其与永磁体之间距离的增大而变快，即便是3mm的距离变化，也可使0.68Tesla的磁感应强度，直接降至0.1Tesla。由此可见，磁感应强度主要在永磁体的周围得以分布，因此对感应电动势而言，它会在很大程度上受到线圈和永磁体之间距离的影响。

在本实施例中，在分析永磁体磁场分布情况的时候，所采用的分析方法为有限元分析法。因此，要确保输出感应电动势较大的话，不仅要缩短线圈和永磁体之间的距离，还应尽可能考虑线圈对永磁体上下表面磁感线切割的充分性。若采取单线圈结构，与线圈发生相对运动的将是一个单面，要么是上表面，要么是下表面，如此便大大降低了磁感线的利用效率。若要确保这一利用率处于较高水平，则应使线圈同时与两个面接触，此时的输出感应电动势也将随之增大，从而有效提升传感器的灵敏度。如图6所示的双线圈结构；从图6可知，永磁体和线圈两个表面之间存在的相对运动有利于促进磁场利用效率的提升。就此类传感器而言，两段线圈具备了相同的绕向，但却采取了反串联的连接方式。从中不难发现，双线圈反串联结构的运用，有利于输入特性中偶次项的消除，从而确保其具备较高的线性度。与此同时，若输出特性曲线过零，那么，在输入为零的情况下，可确保其输出同样为零。接下来，本文将充分运用Ansoft/Maxwell三维瞬态模块有限元来分析仿真单线圈和双线圈反串联结构，详情可参考下图7和图8。

图7为单线圈结构的3D模型图详情；图8为双线圈反串联结构的3D模型图详情，两种结构在永磁体尺寸方面是一致的；从线圈匝数方面来看，前者为400匝，后者为两个200匝，且绕向相同。从运动位移和速度方面来看，分别为12mm和1m/s，停止时间及其步长分别为0.015s和0.001s；如下图9、10所示，为两种线圈结构的输出感应电动势曲线详情；从中不难看出，若二者的参数设置一致，那么二者产生的感应电动势幅值分别在1.05V和1.7V左右，相较于前者，后者有700mv的幅值提升。正因如此，若是选用双线圈反串联结构，那么，传感器不仅可以拥有更高的磁场利用率，而且在线性度、灵敏度方面的表现，也将更加突出。

Claims (3)

1.一种用于断路器操作机构测试装置的磁电速度传感器，其特征在于：包括线圈绕组（1）、永磁体（2）、弹簧（3）、壳体（4），线圈绕组（1）、永磁体（2）、弹簧（3）均设置在壳体（4）中，永磁体（2）两端分别通过弹簧（3）与壳体（4）内顶部、内底部连接且永磁体（2）位于壳体（4）内中心处，2个线圈绕组（1）通过线圈骨架（5）设置在永磁体（2）与壳体（4）之间并位于永磁体（2）周围。

2.根据权利要求1所述的用于断路器操作机构测试装置的磁电速度传感器，其特征在于：磁电速度传感器为动铁式传感器。

3.根据权利要求1所述的用于断路器操作机构测试装置的磁电速度传感器，其特征在于：2个线圈绕组为反串联的连接方式。

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