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自補償無刷差動式轉矩傳感器的制造方法
【專利摘要】一種自補償無刷差動式轉矩傳感器，包括機座、前后端蓋、傳感器轉軸、激磁套筒、激磁鐵心、激磁繞組、補償繞組、輸出套筒、輸出鐵心、輸出繞組、環形變壓器、緊固件、磁場屏蔽片、配套軸承和接線盒。傳感器轉軸通過軸承與前后端蓋固定，可相對機座轉動，傳感器轉軸同心外設輸出套筒，輸出鐵心固定在輸出套筒外側，兩相輸出繞組以正交式分布嵌放在輸出鐵心凹槽中，以差動方式連接，傳感器轉軸同心外另設激磁套筒，激磁鐵心固定在激磁套筒內側，激磁繞組和補償繞組以正交式分布嵌放在激磁鐵心中，激磁繞組和輸出繞組的引出線經由緊固件過孔分別與一對環形變壓器各內環繞組相連，一對環形變壓器各外環繞租與接線盒連接。
【專利說明】自補償無刷差動式轉矩傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種轉矩傳感器，更具體的是涉及一種基于磁電感應原理的新結構自補償無刷差動式轉矩傳感器。
【背景技術】
[0002]目前在轉矩測量中，傳遞類轉矩傳感器應用十分廣泛，傳遞類轉矩傳感器按轉矩信號的產生方式可分為光學式、光電式、磁電式、應變式、電容式等等，其中市場上較成熟的轉矩傳感器主要是磁電式和應變式。磁電式轉矩傳感器通過磁電感應獲取轉矩信號，德國HBM公司、日本小野測器和中國湘西儀表廠均有生產，傳感器輸出信號的本質是兩路具有相位差的角位移信號，需要對信號進行組合處理才能得到轉矩信息。它是非接觸式傳感器，無磨損、無摩擦，可用于長期測量，不足之處是體積大，不易安裝，不能測量靜止扭矩；應變式轉矩傳感器以電阻應變片為敏感元件，如德國HBM公司的Tl，T2，T4系列轉矩傳感器、北京三晶集團的JN338系列傳感器等，它們在轉軸或與轉軸串接的彈性軸上安裝四片精密電阻應變片，并連接成惠思頓電橋，轉矩使軸的微小變形引起應變阻值發生變化，電橋輸出的信號與轉矩成比例。傳感器可以測量靜態和動態轉矩、高頻沖擊和振動信息，具有體積小重量輕等優點，不足之處是信號的傳輸易受干擾且損耗較大，導致測量精度不是很高。

【發明內容】

[0003]本發明提供了一種新結構自補償無刷差動式轉矩傳感器，使用時傳感器轉軸兩端分別同軸聯接負載和動力源，傳感器將負載轉矩轉換成電信號輸出，該電信號與負載轉矩直接對應，精度較高，且可測量靜態扭矩或旋轉系統的動態轉矩。
[0004]本發明的目的采取下述技術方案實現:
[0005]一種新結構自補償無刷差動式轉矩傳感器，包括機座，位于機座前端的前端蓋，位于機座后端的后端蓋，穿過前端蓋和后端蓋中心的傳感器轉軸，傳感器轉軸通過軸承分別與前后端蓋固定，可相對與機座做旋轉運動，此外，還包括:
[0006]激磁套筒,與傳感器轉軸同軸心的置于機座內，激磁鐵心固定在激磁套筒的內側，且激磁鐵心設有繞組槽，激磁繞組和補償繞組嵌放在繞組槽中，并用絕緣竹片壓緊；
[0007]輸出套筒,與傳感器轉軸、激磁套筒同軸心的置于機座內，輸出鐵心固定在輸出套筒的外側，且輸出鐵心設有繞組槽，兩相輸出繞組嵌放在繞組槽中，并用絕緣竹片壓緊；
[0008]環形變壓器，其內環鐵心與傳感器轉軸固定，一起與傳感器轉軸做旋轉運動，設有繞組槽，其外環鐵心與機座固定，設有繞組槽；
[0009]緊固件，用于分別將激磁套筒和輸出套筒與傳感器轉軸的兩端固定；
[0010]磁場屏蔽片，與機座固定，置于環形變壓器與緊固件之間，用于屏蔽環形變壓器磁場對激磁磁場的干擾。
[0011]如上述的結構，本發明的自補償無刷差動式轉矩傳感器，其工作原理為:
[0012]1.靜態扭矩的測量:環形變壓器一的外環繞組通入交流電，經過磁電感應其內環繞組產生感應電勢，由于激磁繞組通過緊固件的過孔與環形變壓器一的內環繞組相連構成閉合回路，則激磁繞組中存在交變電流，進而產生磁勢幅值隨時間變化的脈振磁場，經由激磁鐵心、空氣隙和輸出鐵心形成閉合回路。傳感器轉軸伸出的一端固定，另一端加載靜態扭矩。當靜態扭矩為零時，傳感器轉軸不發生形變，分別與傳感器轉軸兩端固定的激磁鐵心和輸出鐵心的初始位置保持不變，嵌放在激磁鐵心的激磁繞組和嵌放在輸出鐵心的兩相輸出繞組，其軸線的初始位置在空間上互差45°，激磁磁場與兩相輸出繞組交鏈，兩相輸出繞組產生的感應電動勢相等，由于兩相輸出繞組采用差動式連接，則總的輸出感應電勢為零；當靜態扭矩不為零時，傳感器轉軸發生形變，激磁繞組和兩相輸出繞組的相對位置發生改變，激磁磁場與兩相輸出繞組交鏈，兩相輸出繞組產生的感應電勢不相等，再經差動后輸出，由于輸出繞組與環形變壓器二的內環繞組構成閉合回路，則環形變壓器二的內環繞組存在交變電流，再經磁電感應環形變壓器二的外環側繞組產生感應電勢，該感應電勢與傳感器轉軸加載的靜態扭矩相對應。
[0013]2.動態轉矩的測量:環形變壓器一的外環繞組通入交流電，經過磁電感應其內環繞組產生感應電勢，由于激磁繞組通過緊固件的過孔與環形變壓器一的內環繞組相連構成閉合回路，則激磁繞組中存在交變電流，進而產生磁勢幅值隨時間變化的脈振磁場，經由激磁鐵心、空氣隙和輸出鐵心形成閉合回路。傳感器轉軸伸出的一端接動力裝置，另一端加載動態轉矩。當動態轉矩矩為零時，傳感器轉軸不發生形變，分別與傳感器轉軸兩端固定的激磁鐵心和輸出鐵心，以及環形變壓器一的內環鐵心與傳感器轉軸一起轉動，固定于激磁鐵心的激磁繞組和固定于輸出鐵心的兩相輸出繞組，其軸線的初始位置在空間上互差45°，激磁磁場與兩相輸出繞組交鏈，兩相輸出繞組的感應電勢相等，由于兩相輸出繞組采用差動式連接，則總的輸出感應電勢為零；當動態轉矩不為零時，傳感器轉軸發生形變，激磁繞組和兩相輸出繞組的相對位置發生改變，激磁磁場與兩相輸出繞組交鏈，兩相輸出繞組產生的感應電勢不相等，再經差動后輸出，由于輸出繞組與環形變壓器二的內環繞組構成閉合回路，且環形變壓器二的內環繞組與傳感器轉軸一同旋轉，則環形變壓器二的內環繞組存在交變電流，再經磁電感應環形變壓器二的外環繞組產生感應電勢，該感應電勢與傳感器轉軸加載的動態轉矩相對應。
[0014]3.自補償功能的實現:在上述靜態扭矩和動態轉矩的測量過程中，由于傳感器輸出繞組中存在交變電流，則交變電流會產生脈振磁場，該脈振磁場會對激磁繞組產生的脈振磁場進行作用，類似電機中的電樞反應，會導致激磁脈振磁場產生畸變，進而影響傳感器的輸出特性。本發明設計的轉矩傳感器激磁鐵心中嵌放補償繞組，補償繞組采用短接方式連接，直接形成閉合回路。當靜態扭矩或者動態轉矩為零時，輸出繞組內交變電流產生脈振磁場的軸線與激磁磁場的軸線一致，其效果類似于變壓器二次側繞組電流對一次側繞組形成的激磁磁場的作用，根據交流磁路的磁動勢守恒定律，此時激磁繞組的電流會自動增加，用于抵消輸出繞組產生脈振磁場的去磁作用，由于此時補償繞組與激磁繞組在空間上互相垂直，即輸出繞組產生脈振磁場不與補償繞組匝鏈，補償繞組不起作用。當靜態扭矩或者動態轉矩不為零時，輸出繞組內交變電流產生脈振磁場的軸線與激磁磁場的軸線將不再一致，輸出繞組內交變電流產生脈振磁場可以分解為兩個互相垂直磁場分量，其中磁場分量一與激磁磁場的方向相反，不與補償繞組匝鏈，根據交流磁路的磁動勢守恒定律，此時激磁繞組的電流會自動增加，用于抵消磁場分量一的去磁作用，而磁場分量二則與補償繞組全部匝鏈，由于補償繞組直接短接，通過磁電感應原理，補償繞組中產生感應電勢，進而產生短路電流，根據楞次定律，補償繞組中的短路電流產生的磁場與磁場分量二進行對抗，最終達到抑制傳感器輸出特性畸變的目的。
[0015]如上述的結構，本發明利用電磁感應原理構成的自補償無刷差動式轉矩傳感器，傳感器與負載和動力源(旋轉機械)同軸安裝，把負載轉矩轉換成電信號輸出，輸出的電信號與負載轉矩直接對應。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明自補償無刷差動式轉矩傳感器的結構示意圖；
[0017]圖2為圖1實施的A-A面的剖視圖；
[0018]圖3為本發明自補償無刷差動式轉矩傳感器的工作原理圖；
[0019]圖4為圖2中補償繞組的工作原理圖。
【具體實施方式】
[0020]以下結合附圖進一步描述本發明轉矩傳感器的結構特征。
[0021]圖1為本發明轉矩傳感器的結構示意圖，包括傳感器轉軸1、軸承2、前端蓋3、環形變壓器一的內環鐵心及繞組4、環形變壓器一的外環鐵心及繞組5、磁場屏蔽片6、緊固件
7、機座8、激磁套筒9、激磁鐵心10、激磁繞組11、軸承12、輸出套筒13、輸出鐵心14、輸出繞組15、緊固件16、環形變壓器二內環鐵心及繞組17、環形變壓器二外環鐵心及繞組18、軸承19、接線盒20、后端蓋21。
[0022]前端蓋3位于機座8的前端,后端蓋21位于機座8的后端,傳感器轉軸I穿過前端蓋3和后端蓋21的中心,軸承2分別置于傳感器轉軸I與前端蓋3和后端蓋21之間。
[0023]傳感器轉軸I的兩側分別與環形變壓器一 5和環形變壓器二 18的內環鐵心固定，可同時做旋轉運動。
[0024]環形變壓器一 5和環形變壓器二 18的外環鐵心與機座8固定，且位置分別于各內環鐵心對齊。
[0025]傳感器轉軸I同心外設輸出套筒13，輸出鐵心14固定在輸出套筒13的外側，輸出套筒13 —端與緊固件16固定，再用固定螺栓與傳感器轉軸I固定，另一端通過軸承12與傳感器轉軸I接觸且可以相對傳感器轉軸I轉動。
[0026]輸出鐵心14設有繞組槽,兩相輸出繞組15置于槽內，兩相輸出繞組15的軸線互相垂直，且以差動式連接。
[0027]傳感器轉軸I同心外設激磁套筒9，激磁鐵心10固定于激磁套筒9的內側，激磁套筒9 一端與緊固件7固定，再用固定螺栓與傳感器轉軸I固定，另一端通過軸承19與輸出套筒13接觸且可以相對輸出套筒13轉動。
[0028]激磁鐵心10設有繞組槽，激磁繞組11和補償繞組22置于槽內，激磁繞組11的軸線與補償繞組22的軸線互相垂直，激磁繞組11的軸線與兩相輸出繞組15的軸線初始夾角同為45° ο
[0029]磁場屏蔽片6固定于機座8上,分別與緊固件7和16存在間隙。
[0030]激磁繞組11的引出線首先通過緊固件7的過孔，再經過磁場屏蔽片6和緊固件7的間隙，與環形變壓器一的內環鐵心繞組4相連，輸出繞組15的引出線首先通過激磁鐵心套筒9的過孔，再經過磁場屏蔽片6和緊固件16的間隙，與環形變壓器二的內環鐵心繞組17相連，環形變壓器一外鐵心繞組5和環形變壓器二外鐵心繞組18與固定在機座8上的接線盒20連接。
[0031]傳感器轉軸I的材料為碳鋼或合金鋼等材料；前端蓋3、機座8、激磁鐵心套筒9、輸出鐵心套筒13、后端蓋21可用鋁合金等金屬材料制作；環形變壓器內、外環鐵心、激磁鐵心10和輸出鐵心14是由高磁導率的鐵鎳軟磁合金片或高導磁性硅鋼片沖剪疊壓構成；激磁繞組11、補償繞組22和輸出繞組15為直焊性聚氨酯漆包圓銅線。
[0032]圖2為轉矩傳感器結構示意圖1的A-A面的剖視圖，激磁繞組11和補償繞組22置于激磁鐵心10的繞組槽中，激磁繞組11通過緊固件過孔與環形變壓器一的內環繞組相連，補償繞組為短路連接，兩相輸出繞組15置于輸出鐵心14的繞組槽中，兩相輸出繞組15在空間上互相垂直，且為差動式連接，兩相輸出繞組15的引出線通過緊固件過孔與環形變壓器二的內環繞組相連，激磁鐵心10、輸出鐵心14和氣隙構成激磁磁場的磁路，激磁鐵心10和輸出鐵心14與傳感器轉軸I同軸心。
[0033]本發明自補償無刷差動式轉矩傳感器的工作原理圖如圖3所示:當靜態扭矩或者動態轉矩為零時，激磁繞組11形成的脈振磁場為A1，如圖3(a)所示，磁場Ct1的軸線與兩相輸出繞組15的夾角同為45°，兩相輸出繞組15中的感應電動勢相同，由于兩相輸出繞組15采用差動式連接，所以兩相輸出繞組15中總的感應電動勢為零。
[0034]當靜態扭矩或者動態轉矩不為零時，激磁繞組11形成的脈振磁場為Φ i，兩相輸出繞組15的位置相對圖3(a)中的初始位置發生改變，如圖3(b)所示，磁場Ct1的軸線與兩相輸出繞組15的夾角不相同，兩相輸出繞組15中的感應電動勢不相同，由于兩相輸出繞組15采用差動式連接，所以兩相輸出繞組15中總的感應電動勢不為零，此感應電動勢與負載扭矩或者轉矩存在對用關系。由于輸出繞組15與環形變壓器二的內環繞組17連接形成閉合回路，此時會有相應的電流產生，即環形變壓器二的內環繞組17的感應電流與被測負載扭矩或者轉矩存在對應關系，經由環形變壓器二的變壓后其外環繞組18輸出與被測負載轉矩存在對應關系的感應電勢。
[0035]本發明的圖2中的補償繞組工作原理如圖4所示:傳感器轉軸未受到負載扭矩或者轉矩作用時，初始位置如圖4(a)所示，假設某瞬間激磁繞組11中的激磁電流如圖4(a)所示，此時激磁電流產生的脈振磁場為A1，可以根據右手螺旋定則判斷脈振磁場為小^勺方向。由于脈振磁場與輸出繞組15阻鏈,輸出繞組15中產生感應電動勢,進而產生感應電流，輸出繞組15中的感應電流方向可以根據楞次定律來判斷，如圖4(a)所示，輸出繞組15中的感應電流產生磁場，磁場對磁場小1進行去磁，類似變壓器二次側繞組電流產生的磁場對一次側激磁磁場的效果，根據交流磁路的磁勢守恒原則，激磁繞組11中的電流會自動增加。由于磁場對磁場不和補償繞組22匝鏈，補償繞組22此時不起作用。
[0036]當 傳感器轉軸受到負載扭矩或轉矩作用時，兩相輸出繞組15相對初始位置轉過一定角度，如圖4(b)所示，假設激磁繞組11某瞬間激磁電流如圖4(b)所示，產生的激磁磁通與兩相差動式輸出繞組15匝鏈，根據楞次定律，兩相差動式輸出繞組15中的感應電流如圖4(b)所示，輸出繞組15中感應電流產生磁通Φ3，(^分解為直軸分量Φ3(1和交軸分量Φμ，根據變壓器原理，此時激磁繞組11中電流增加，用以抵消直軸分量Φμ，但無法抵消交軸分量由于補償繞組22的存在，且補償繞組22為短路相連，根據楞次定律，補償繞組22中會產生如圖4(b)所示感應電流，此感應電流產生磁通,用于抵消交軸分量Φ3(1,從而達到抑制傳感器輸出特性發生畸變的目的。
【權利要求】
1.一種新結構自補償無刷差動式轉矩傳感器，包括機座，位于機座前端的前端蓋，位于機座后端的后端蓋，穿過前端蓋和后端蓋中心的傳感器轉軸，傳感器轉軸通過軸承分別于前后端蓋固定，可相對機座做旋轉運動，此外，還包括: 激磁套筒，與傳感器轉軸同軸心的置于機座內，激磁鐵心固定在激磁套筒的內側，且激磁鐵心設有繞組槽，激磁繞組和補償繞組嵌放在繞組槽中，并用絕緣竹片壓緊； 輸出套筒，與傳感器轉軸、激磁套筒同軸心的置于機座內，輸出鐵心固定在輸出套筒的外側，且輸出鐵心設有繞組槽，兩相輸出繞組嵌放在繞組槽中，并用絕緣竹片壓緊； 環形變壓器，其內環鐵心與傳感器轉軸固定，一起與傳感器轉軸做旋轉運動，設有繞組槽，其外環鐵心與機座固定，設有繞組槽； 緊固件，用于分別將激磁套筒和輸出套筒與傳感器轉軸的兩端固定； 磁場屏蔽片，與機座固定，置于環形變壓器與緊固件之間，用于屏蔽環形變壓器磁場對激磁繞組產生的激磁磁場的干擾。
2.根據權利要求1所述的轉矩傳感器，其特征在于:傳感器轉軸的兩端露出端蓋，一端連接動力源，另一端連接被測負載，且傳感器轉軸的兩端比中間部分粗。
3.根據權利要求1所述的轉矩傳感器，其特征在于:輸出套筒一端與緊固件連接，再通過固定螺栓與傳感器轉軸固定，另一端通過軸承與傳感器轉軸接觸且可以相對傳感器轉軸轉動。
4.根據權利要求1所述的轉矩傳感器，其特征在于:輸出繞組為兩組單相繞組，且以正交式分布，即互相垂直，空間上互差90°，嵌放在輸出鐵心中，并采用差動式連接，兩相輸出繞組與輸出套筒可隨傳感器轉軸同時轉動。
5.根據權利要求1所述的轉矩傳感器，其特征在于:激磁套筒一端與緊固件連接，再通過固定螺栓與傳感器轉軸固定，另一端通過軸承與輸出套筒接觸且可以相對輸出套筒轉動。
6.根據權利要求1所述的轉矩傳感器，其特征在于:激磁繞組內為交流電，形成的激磁磁場為脈振磁場，且激磁繞組和補償繞組以正交式分布，即互相垂直，空間上互差90°，嵌放在激磁鐵心中，兩繞組與激磁套筒可隨傳感器轉軸同時轉動。
7.根據權利要求1所述的轉矩傳感器，其特征在于:環形變壓器為一對，分別位于傳感器轉軸的兩側，內、外環繞組分別固定于內環鐵心和外環鐵心的繞組槽中，內環鐵心分別固定在傳感器轉軸的兩側，可隨傳感器轉軸同時旋轉，外環鐵心分別固定在機殼的兩側，且與內環鐵心的位置對齊。
8.根據權利要求1所述的轉矩傳感器，其特征在于:緊固件中設有左右過孔，左過孔用于連接環形變壓器一的內環繞組和激磁繞組，右過孔用于連接環形變壓器二的內環繞組和輸出繞組，各外環繞組的引出線接在與機座固定的接線盒中，分別用以連接交流電源和輸出電信號。
9.根據權利要求1所述的轉矩傳感器，其特征在于:磁場屏蔽片采用高磁導率的坡莫合金制成。
10.根據權利要求1所述的轉矩傳感器，其特征在于:激磁鐵心、輸出鐵心和環形變壓器內外環鐵心均采用高磁導率的鐵鎳軟磁合金片或高導磁性硅鋼片沖剪疊壓構成，激磁繞組、輸出繞組和環形變壓器內外環繞組均采用直焊性聚氨酯漆包圓銅線。
【文檔編號】G01L3/10GK103968984SQ201410211446
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月13日 優先權日:2014年5月13日
【發明者】趙浩, 馮浩, 吳曉陽 申請人:嘉興學院