CN220356300U - 一种具有冗余结构的差动变压器式位移传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有冗余结构的差动变压器式位移传感器，包括基座，基座外侧设有主模组和副模组，主模组和副模组结构相同，主模组和副模组以基座的轴心为基准相差45度设置；主模组和副模组均包括四个径向传感器组件和一个轴向传感器组件，四个径向传感器组件沿基座的周向均匀分布设置，轴向传感器组件沿着基座的轴向设置；主模组和副模组均可采集转子在X轴、Y轴和Z轴的偏移，输出对应的初始差动信号；在主模组失效时，启用副模组。可见，本实用新型通过设置两个差动变压器式位移传感器，来对转子部分位移进行高精度持续地检测，使得转子持续稳定的运行，保证了磁悬浮高速电机的性能。

Description

一种具有冗余结构的差动变压器式位移传感器

技术领域

本实用新型涉及位移传感器技术领域，尤其涉及一种具有冗余结构的差动变压器式位移传感器。

背景技术

随着科学技术的发展和生产的需求，磁悬浮高速电机已成为国际电工领域研究的热点之一。由于磁悬浮高速电机具有能量密度高、结构尺寸小、效率高、无需润滑等优点，目前已经广泛应用于高速离心式鼓风机、微型燃气轮机、高速离心压缩机、真空泵、有机朗肯循环发电、高速加工中心、飞轮储能等工业领域，并且其应用领域仍在不断扩大。磁悬浮高速电机的市场需求也迎来了爆发式的增长。

磁悬浮技术的系统，是由转子、传感器、控制器和执行器四部分组成，其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。假设在参考位置上，转子受到一个向下的扰动，就会偏离其参考位置，这时传感器检测出转子偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号，然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此，不论转子受到向下或向上的扰动，转子始终能处于稳定的平衡状态。

位移传感器作为磁悬浮技术系统闭环控制的关键部分，是磁悬浮高速电机的核心零部件，其可靠性直接决定了磁悬浮高速电机转子悬浮的稳定性。目前用的比较的多的有电涡流传感器、电容式位移传感器、磁位移传感器等，其中电涡流传感器应用比较广泛，但是在同一个系统中同时运行几个传感器，保持他们的调制频率同步是不可能的。电容式传感器对被测间隙之间的污物非常敏感，因为他们的存在改变了介电常数，并且非接触转子上的静电电荷也可能会引起干扰，从而影响检测精度。磁位移传感器需要额外的加装场板或霍尔传感器，用于测量磁通密度，制作工艺复杂。

实用新型内容

针对上述不足，本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种具有冗余结构的差动变压器式位移传感器，通过设置两个差动变压器式位移传感器，来对转子部分位移的高精度地、持续地检测，从而使得转子持续稳定的运行。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：

一种具有冗余结构的差动变压器式位移传感器，包括圆筒状的基座，所述基座的外侧设置有主模组和副模组，所述主模组和所述副模组结构相同，所述主模组和所述副模组以所述基座的轴心为基准相差45度设置，且所述副模组作为所述主模组的后备模组；所述主模组和所述副模组均包括四个径向传感器组件和一个轴向传感器组件，四个所述径向传感器组件沿所述基座的周向均匀分布设置，所述轴向传感器组件沿着所述基座的轴向设置；每个所述径向传感器组件均包括径向铁芯、及间隔设在所述径向铁芯端面的径向初级线圈和径向次级线圈；四个所述径向传感器按照设置位置依次定义为X轴正向传感器组件，Y轴负向传感器组件、X轴负向传感器组件和Y轴正向传感器组件；所述轴向传感器组件包括轴向铁芯固定块、设在所述轴向铁芯固定块上的轴向铁芯、设在所述轴向铁芯端部中间的轴向初级线圈、及两个设在所述轴向铁芯端部两侧的轴向次级线圈，按照所述轴向传感器组件设置位置，两个所述轴向次级线圈分别定义为Z轴负向次级线圈和Z轴正向次级线圈，所述轴向初级线圈定义为Z轴初级线圈；所述X轴负向传感器组件的X负径向初级线圈的一端与所述X轴正向传感器组件的X正径向初级线圈的一端串联，所述X负径向初级线圈的另一端和所述X正径向初级线圈的另一端接驱动电源；所述X轴负向传感器组件的X负径向次级线圈的一端与所述X轴正向传感器组件的X正径向次级线圈的一端按感应电动势反相串联，所述X负径向次级线圈的另一端和所述X正径向次级线圈的另一端用于输出初始差动信号Vpx；所述Y轴负向传感器组件的Y负径向初级线圈的一端与所述Y轴正向传感器组件的Y正径向初级线圈的一端串联，所述Y负径向初级线圈的另一端和所述Y正径向初级线圈的另一端接驱动电源；所述Y轴负向传感器组件的Y负径向次级线圈的一端与所述Y轴正向传感器组件的Y正径向次级线圈的一端按感应电动势反相串联，所述Y负径向次级线圈的另一端和所述Y正径向次级线圈的另一端用于输出初始差动信号Vpy；所述Z轴初级线圈的两端接驱动电源，所述Z轴负向次级线圈的一端与所述Z轴正向次级线圈的一端按感应电动势反相串联，所述Z轴负向次级线圈的另一端与所述Z轴正向次级线圈的另一端用于输出初始差动信号Vpz；所述输出初始差动信号Vpx与转子X轴偏移对应，所述输出初始差动信号Vpy与转子Y轴偏移对应，所述输出初始差动信号Vpz与转子Z轴偏移对应。

优选方式为，所述径向初级线圈、所述径向次级线圈、两个所述轴向次级线圈和/或所述轴向初级线圈的电感值和电阻值偏差率不超过10％。

优选方式为，所述径向铁芯和/或所述轴向铁芯均由若干片规格和形状相同的导磁薄片叠压而成。

优选方式为，应用于磁悬浮高速电机，所述磁悬浮高速电机包括转子，所述转子穿过所述基座，且所述转子的外侧设置有导磁环、及设在所述导磁环两侧的隔磁环，所述导磁环与所述轴向传感器组件的所述轴向初级线圈正对设置。

优选方式为，所述径向初级线圈和所述径向次级线圈分别通过过盈配合嵌套在所述径向铁芯的端面上；和/或；所述径向初级线圈和所述径向次级线圈对称设在所述径向铁芯的端面上。

优选方式为，两个所述轴向次级线圈和所述轴向初级线圈分别通过过盈配合嵌套在所述轴向铁芯的端面上；和/或；两个所述轴向次级线圈对称设在所述轴向铁芯的端面上。

采用上述技术方案后，本实用新型的有益效果是：

由于本实用新型的具有冗余结构的差动变压器式位移传感器，包括圆筒状的基座，基座的外侧设置有主模组和副模组，主模组和副模组结构相同，且主模组和副模组以基座的轴心为基准相差45度设置；主模组和副模组均包括四个径向传感器组件和一个轴向传感器组件，四个径向传感器组件沿基座的周向均匀分布设置，轴向传感器组件沿着基座的轴向设置；主模组和副模组均可采集转子在X轴、Y轴和Z轴的偏移，输出对应的初始差动信号；当主模组的径向传感器组件和轴向传感器组件失效时，立即启用副模组的径向传感器和轴向传感器组件。可见，本实用新型的具有冗余结构的差动变压器式位移传感器，通过设置两个差动变压器式位移传感器，来对转子部分位移的高精度地、持续地检测，为控制部分实现对转子部分的稳定控制提供了精确且稳定的信号源，使得转子持续稳定的运行，从而保证磁悬浮高速电机的性能；同时解决了现有技术中转子上因设置多个不同类型位移传感器，导致无法保持所有位移传感器的调制频率同步的技术问题；具有结构简单、制作方便、灵敏度高、抗干扰能力强等优势的同时大大的提高了传感器的可靠性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是径向位移传感器组件的结构示意图；

图3是轴向位移传感器组件的结构示意图；

图4是轴向位移传感器组件与转子的位置关系示意图；

图5是本实用新型中主模组的接线示意图；

图中：1-基座，2-主X轴正向传感器组件，3-主Y轴负向传感器组件，4-主X轴负向传感器组件，5-主Y轴正向传感器组件，6-主轴向传感器组件，61-轴向铁芯固定块，62-轴向铁芯，63-Z轴负向次级线圈，64-Z轴正向次级线圈，65-轴向初级线圈，621-轴向第一紧固螺栓，611-轴向第二紧固螺栓,7-转子，71-隔磁环，72-导磁环，8-副X轴正向传感器组件，9-副Y轴负向传感器组件，10-副X轴负向传感器组件，11-副Y轴正向传感器组件，12-副轴向传感器组件，a-径向铁芯，b-径向初级线圈，c-径向次级线圈，d-径向紧固螺栓，2b-X正径向初级线圈，2c-X正径向次级线圈，4b-X负径向初级线圈，4c-X负径向次级线圈。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合副图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，且不用于限定本实用新型。

如图1至图4所示，一种具有冗余结构的差动变压器式位移传感器，包括圆筒状的基座1，基座1的外侧设置有主模组和副模组，主模组和副模组结构相同，且主模组和副模组以基座1的轴心为基准相差45度设置，副模组作为主模组备用模组使用，即当主模组失效时，副模组会无缝切换，继续为控制器输出转子7的位移信号，从而使得转子7持续稳定的运行。

如图1所示，主模组和副模组均包括四个径向传感器组件和一个轴向传感器组件，四个径向传感器组件沿基座1的周向均匀分布设置，轴向传感器组件沿着基座1的轴向设置。

本实用新型的具有冗余结构的差动变压器式位移传感器，以基座1的径向端面构建主XY坐标和副XY坐标，主XY坐标和副XY坐标相差45度，同时以基座1的轴向为Z轴；通过各位置的径向传感器组件，去采集转子7在X轴和Y轴的偏移，通过轴向传感器组件去采集转子在Z轴的偏移，解决了现有技术中转子上因设置多个不同类型位移传感器，导致无法保持所有位移传感器的调制频率同步的技术问题；并且对转子部分位移的高精度检测，为控制部分实现对转子部分的稳定控制提供了精确且稳定的信号源。

如图1所示，当主模组的径向传感器组件和轴向传感器组件失效时，立即启用副模组的径向传感器和轴向传感器组件。因副模组在位置上与主模组相差45度，在控制电磁轴承的时候，可以对电磁力进行分解，使得电磁力与位移传感器的坐标一致，可以理解为控制坐标变换，根据实际位移传感器和磁轴承的设计制作而定。

可见，本实用新型的具有冗余结构的差动变压器式位移传感器，通过设置两个差动变压器式位移传感器，来对转子部分位移的高精度地、持续地检测，为控制部分实现对转子部分的稳定控制提供了精确且稳定的信号源，确保控制转子在原位置，从而保证磁悬浮高速电机的性能；同时解决了现有技术中转子上因设置多个不同类型位移传感器，导致无法保持所有位移传感器的调制频率同步的技术问题。

如图1所示，为了清楚地描述，按照四个径向传感器组件在主XY坐标系中的位置，分别定义主模组的四个径向传感器组件为：主X轴正向传感器组件2，主Y轴负向传感器组件3、主X轴负向传感器组件4和主Y轴正向传感器组件5；轴向传感器组件定义为主轴向传感器组件6。

按照四个径向传感器组件在副XY坐标系中的位置，定义副模组的四个径向传感器组件为：副X轴正向传感器组件8，副Y轴负向传感器组件9、副X轴负向传感器组件10和副Y轴正向传感器组件11；轴向传感器组件定义为副轴向传感器组件12。

如图2所示，每个径向传感器组件均包括径向铁芯a、及间隔设在径向铁芯a端面的径向初级线圈b和径向次级线圈c；每个径向传感器组件均通过若干个径向紧固螺栓d或其他连接方式固定到基座1上，安装方便，固定可靠。

需要说明的是：径向铁芯a均由若干片规格和形状相同的导磁薄片叠压而成，多片叠压能够减小涡流损耗，降低其他干扰因素对电信号的影响。径向初级线圈b的规格参数要求一致，电感值和电阻值偏差率不超过10％，径向次级线圈c的规格参数亦要求一致，电感值和电阻值偏差率不超过10％。

一种优选方案，径向初级线圈b和径向次级线圈c分别通过过盈配合嵌套在径向铁芯a的端面上，使固定可靠，间接地保证了本实用新型差动变压器式位移传感器的性能；和/或；径向初级线圈b和径向次级线圈c对称设在径向铁芯a的端面上，提升了信号采集的准确性。

如图3所示，轴向传感器组件包括轴向铁芯固定块61、设在轴向铁芯固定块61上的轴向铁芯62、设在轴向铁芯62端部中间的轴向初级线圈65、及两个设在轴向铁芯62端部两侧的轴向次级线圈，根据设置位置两个轴向次级线圈分别定义为：Z轴负向次级线圈63和Z轴正向次级线圈64。具体地，轴向铁芯固定块61为T型块，T型块沿基座1的轴向延伸设置，T型块的底端面通过两个轴向第二紧固螺栓621或其他连接方式连接轴向铁芯62，T型块的顶端两侧通过轴向第一紧固螺栓611或其他连接方式固定到基座1上。

需要说明的是：轴向铁芯62均由若干片规格和形状相同的导磁薄片叠压而成，多片叠压能够减小涡流损耗，降低其他干扰因素对电信号的影响。Z轴负向次级线圈63和Z轴正向次级线圈64的规格参数要求一致，电感值和电阻值偏差率不超过10％，轴向初级线圈65的规格参数要求一致，电感值和电阻值偏差率不超过10％。

一种优选方案，Z轴负向次级线圈63、Z轴正向次级线圈64和轴向初级线圈65分别通过过盈配合嵌套在轴向铁芯62的端面上，使固定可靠，间接地保证了本实用新型差动变压器式位移传感器的性能；和/或；两个轴向次级线圈即Z轴负向次级线圈63和Z轴正向次级线圈64，对称设在轴向铁芯62的端面上，提升了信号采集的准确性。

如图4所示，本实用新型可应用于磁悬浮高速电机，磁悬浮高速电机包括转子7，转子7穿过基座1，且转子7的外侧设置有导磁环72、及设在导磁环72两侧的隔磁环71，导磁环72与轴向传感器组件的轴向初级线圈即轴向初级线圈65正对设置。

需要说明的是：导磁环72可以采用软磁材料的薄片叠压，以减少涡流损耗，减小磁阻，隔磁环71采用非导磁金属材料，用来增大磁阻。

一种优选方案，两个隔磁环71和导磁环72可通过热装的方式过盈配合到转子7上，安装方便，工作效率高。

如图5所示，本实用新型中的主模组和副模组的接线方式相同，下面以主模组的接线方式为例：

主X轴负向传感器组件4的X负径向初级线圈4b的一端与主X轴正向传感器组件2的X正径向初级线圈2b的一端串联，X负径向初级线圈4b的另一端和X正径向初级线圈2b的另一端接驱动电源V。需要说明的是：驱动电源V为交流电压，驱动频率可以在10KHz到200KHz之间。交流波形可以是正玄波、方波、三角波、锯齿波等。

主X轴负向传感器组件4的X负径向次级线圈4c的一端与主X轴正向传感器组件2的X正径向次级线圈2c的一端按感应电动势反相串联，构成差动信号连接，X负径向次级线圈4c的另一端和X正径向次级线圈2c的另一端作为输出端，用于输出初始差动信号Vpx。

主Y轴负向传感器组件3的Y负径向初级线圈的一端与主Y轴正向传感器组件5的Y正径向初级线圈的一端串联，Y负径向初级线圈的另一端和Y正径向初级线圈的另一端接驱动电源V。

主Y轴负向传感器组件3的Y负径向次级线圈的一端与主Y轴正向传感器组件5的Y正径向次级线圈的一端按感应电动势反相串联，构成差动信号连接，Y负径向次级线圈的另一端和Y正径向次级线圈的另一端作为输出端，用于输出初始差动信号Vpy。

主Z轴传感器组件的Z轴初级线圈的两端接驱动电源V，Z轴负向次级线圈63的一端与Z轴正向次级线圈64的一端按感应电动势反相串联，构成差动信号连接，Z轴负向次级线圈63的另一端与Z轴正向次级线圈64的另一端作为输出端，用于输出初始差动信号Vpz。

本实用新型输出的初始差动信号Vpx与转子X轴偏移对应，输出的初始差动信号Vpy与转子Y轴偏移对应，输出初始差动信号Vpz与转子Z轴偏移对应。

本实用新型的工作原理,以转子7在X轴的偏移为例：

X正径向初级线圈2b和X正径向次级线圈2c组成类似变压器的感应电路结构。当接入驱动电源V后，转子7保持在位移传感器的中心位置，X正径向初级线圈2b产生变化的磁场，X正径向次级线圈2c会相应的产生感应电动势ψ1。同样的，X负径向次级线圈4c也会相应的产生相同大小的感应电动势ψ2。因为X正径向次级线圈2c和X负径向次级线圈4c按感应按电势反相串接，因此此时的初态差动信号Vpx＝ψ1-ψ2＝0。但是由于X正径向次级线圈2c和X负径向次级线圈4c不可能完全一致，这就导致感应电动势ψ1和感应电动势ψ2不会完全相等。所以实际的初态差动信号Vpx是不等于0的，而是在零线波动的交变信号。实际应用过程中，会有一个标定过程，将转子7在位移传感器中心位置时的Vpx规定为零电压位。下面为了便于更好的理解其原理，假定X正径向次级线圈2c和X负径向次级线圈4c各项参数完全一致，那么转子7位于传感器中心位置时，初态差动信号Vpx＝ψ1-ψ2＝0。

如上所述，当转子7从位移传感器中心位置向X轴的正方向水平移动时，会导致主X轴正向传感器组件2磁场磁路的磁导率增大，磁阻减小，磁通量增加，感应电动势ψ1增大。与此同时，对于主X轴负向传感器组件4来说，其磁场磁路的磁导率减小，磁阻会增大，磁通量减小，所以感应电动势ψ2会减小。这时初态差动信号Vpx＝ψ1-ψ2＞0，这就表征了转子7向X轴正方向偏移，初态差动信号Vpx的大小代表了偏移量的大小。同样的原理，当转子7从位移传感器中心位置向X轴的负方向水平移动时，感应电动势ψ1减小，感应电动势ψ2会增大，初态差动信号Vpx＝ψ1-ψ2＜0，这是就表征了转子7向X轴负方向偏移，初态差动信号Vpx的绝对值的大小代表了偏移量的大小。

转子在Y轴和Z轴的位移检测与X轴相同，这里不再赘述。

本实用新型所检测的初态差动信号Vpx、初态差动信号Vpy和初态差动信号Vpz，是不规则的信号，不能直接用于控制转子7，经过处理后可得到直流形式的位移信号Vdx，位移信号Vdy和位移信号Vdz，实际的控制中，可直接将位移信号Vdx，位移信号Vdy和位移信号Vdz作为位移量。根据位移信号Vdx，位移信号Vdy和位移信号Vdz的值，调整相应的磁轴承电流，改变磁轴承的磁力大小，从而改变转子7的受力情况，控制转子7保持在中心位置附近，从而使得位移信号Vdx，位移信号Vdy和位移信号Vdz的值始终在Vd0附近波动。

以上仅为所述本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同一种具有冗余结构的差动变压器式位移传感器的改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有冗余结构的差动变压器式位移传感器，其特征在于，包括圆筒状的基座，所述基座的外侧设置有主模组和副模组，所述主模组和所述副模组结构相同，所述主模组和所述副模组以所述基座的轴心为基准相差45度设置，且所述副模组作为所述主模组的后备模组；

所述主模组和所述副模组均包括四个径向传感器组件和一个轴向传感器组件，四个所述径向传感器组件沿所述基座的周向均匀分布设置，所述轴向传感器组件沿着所述基座的轴向设置；

每个所述径向传感器组件均包括径向铁芯、及间隔设在所述径向铁芯端面的径向初级线圈和径向次级线圈；四个所述径向传感器按照设置位置，依次定义为X轴正向传感器组件，Y轴负向传感器组件、X轴负向传感器组件和Y轴正向传感器组件；

所述轴向传感器组件包括轴向铁芯固定块、设在所述轴向铁芯固定块上的轴向铁芯、设在所述轴向铁芯端部中间的轴向初级线圈、及两个设在所述轴向铁芯端部两侧的轴向次级线圈，按照所述轴向传感器组件设置位置，两个所述轴向次级线圈分别定义为Z轴负向次级线圈和Z轴正向次级线圈，所述轴向初级线圈定义为Z轴初级线圈；

所述X轴负向传感器组件的X负径向初级线圈的一端与所述X轴正向传感器组件的X正径向初级线圈的一端串联，所述X负径向初级线圈的另一端和所述X正径向初级线圈的另一端接驱动电源；

所述X轴负向传感器组件的X负径向次级线圈的一端与所述X轴正向传感器组件的X正径向次级线圈的一端按感应电动势反相串联，所述X负径向次级线圈的另一端和所述X正径向次级线圈的另一端用于输出初始差动信号Vpx；

所述Y轴负向传感器组件的Y负径向初级线圈的一端与所述Y轴正向传感器组件的Y正径向初级线圈的一端串联，所述Y负径向初级线圈的另一端和所述Y正径向初级线圈的另一端接驱动电源；

所述Y轴负向传感器组件的Y负径向次级线圈的一端与所述Y轴正向传感器组件的Y正径向次级线圈的一端按感应电动势反相串联，所述Y负径向次级线圈的另一端和所述Y正径向次级线圈的另一端用于输出初始差动信号Vpy；

所述Z轴初级线圈的两端接驱动电源，所述Z轴负向次级线圈的一端与所述Z轴正向次级线圈的一端按感应电动势反相串联，所述Z轴负向次级线圈的另一端与所述Z轴正向次级线圈的另一端用于输出初始差动信号Vpz；

所述输出初始差动信号Vpx与转子X轴偏移对应，所述输出初始差动信号Vpy与转子Y轴偏移对应，所述输出初始差动信号Vpz与转子Z轴偏移对应。

2.根据权利要求1所述的具有冗余结构的差动变压器式位移传感器，其特征在于，所述径向初级线圈、所述径向次级线圈、两个所述轴向次级线圈和/或所述轴向初级线圈的电感值和电阻值偏差率不超过10％。

3.根据权利要求2所述的具有冗余结构的差动变压器式位移传感器，其特征在于，所述径向铁芯和/或所述轴向铁芯均由若干片规格和形状相同的导磁薄片叠压而成。

4.根据权利要求1至3任一项所述的具有冗余结构的差动变压器式位移传感器，其特征在于，所述径向初级线圈和所述径向次级线圈分别通过过盈配合嵌套在所述径向铁芯的端面上；和/或；所述径向初级线圈和所述径向次级线圈对称设在所述径向铁芯的端面上。

5.根据权利要求1至3任一项所述的具有冗余结构的差动变压器式位移传感器，其特征在于，两个所述轴向次级线圈和所述轴向初级线圈分别通过过盈配合嵌套在所述轴向铁芯的端面上；和/或；两个所述轴向次级线圈对称设在所述轴向铁芯的端面上。