本發(fā)明涉及一種磁懸浮軸承動態(tài)扭矩傳感器，屬于傳感測量技術(shù)領(lǐng)域，適用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中功率及傳遞效率的測定，可以完成電動以及手動的校驗(yàn)測試。本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用對于提高扭矩測量的準(zhǔn)確性以及扭矩異常分析的可靠性有著較大的意義。

背景技術(shù)：

磁懸浮軸承動態(tài)扭矩傳感器將磁懸浮技術(shù)應(yīng)用于動態(tài)扭矩測量傳感器中，一方面保證了旋轉(zhuǎn)時的平穩(wěn)，利用了磁懸浮無機(jī)械接觸為磁力支撐，實(shí)現(xiàn)了無摩擦、使用壽命長、噪聲小、無磨損、不需要潤滑等優(yōu)點(diǎn)；另一方面極大的提高了動態(tài)扭矩傳感器的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，對于高速旋轉(zhuǎn)場合的扭矩測量是一次有開拓性的嘗試。

國內(nèi)生產(chǎn)的動態(tài)扭矩傳感器性能不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速也是一個較大的應(yīng)用瓶頸；進(jìn)口的動態(tài)扭矩傳感器價格昂貴、維修復(fù)雜、訂貨周期長，大范圍推廣存在難點(diǎn)。

因此，如何提高動態(tài)扭矩傳感器的使用速度、提高傳感器的使用精度及其長期穩(wěn)定性，設(shè)計一款高速的動態(tài)扭矩傳感器，是本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：針對國內(nèi)市場現(xiàn)存動態(tài)扭矩傳感器的不足，設(shè)計出一款結(jié)構(gòu)緊湊的高速磁懸浮扭矩傳感器。

本發(fā)明的磁懸浮軸承動態(tài)扭矩傳感器包括框架結(jié)構(gòu)部分、電驅(qū)動部分、轉(zhuǎn)軸傳感部分、磁懸浮軸承部分和信號處理部分，所述轉(zhuǎn)軸傳感部分包括彈性體軸和電阻應(yīng)變片，彈性體軸兩端對稱地設(shè)有用于外部扭矩傳導(dǎo)的鍵槽，彈性體軸的中段設(shè)有安裝電阻應(yīng)變片的環(huán)狀凹槽，電驅(qū)動部分包括兩組變壓電磁感應(yīng)單元，每組均包括定子和轉(zhuǎn)子，兩個轉(zhuǎn)子隔著環(huán)狀凹槽對稱地固定在彈性體軸上，兩個定子分別在與各自的轉(zhuǎn)子對應(yīng)的位置固定在框架結(jié)構(gòu)部分上，磁懸浮軸承部分包括兩套磁懸浮軸承，對稱地分別安裝在兩組變壓電磁感應(yīng)單元外側(cè)，每組的轉(zhuǎn)子均固定在彈性體軸上，每組的定子均固定在所述框架結(jié)構(gòu)部分上，所述框架結(jié)構(gòu)部分作為安裝傳感器的定子框架，并承擔(dān)安裝連接基座的功用。

優(yōu)選所述框架結(jié)構(gòu)部分主體采用旋轉(zhuǎn)柱環(huán)，上下部分為矩形方體，上下通過螺釘緊定于旋轉(zhuǎn)柱環(huán)之上。

優(yōu)選所述電驅(qū)動部分定子線圈繞扎在繞線柱上，轉(zhuǎn)子線圈繞扎在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子材質(zhì)為DT4C，繞線柱材質(zhì)為聚四氟乙烯。

優(yōu)選所述轉(zhuǎn)軸傳感部分為階梯軸結(jié)構(gòu)，傳感軸為了磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子需要內(nèi)嵌0.2-0.4mm的硅鋼片疊壓而成、外形為圓環(huán)形的卡箍。

優(yōu)選所述磁懸浮軸承部分的定子鐵芯采用0.2-0.4mm的硅鋼片疊壓而成，鐵芯上邊固定繞線框，該線框可以固化繞線的形狀。

優(yōu)選信號處理部分為傳感器的電子處理PCB板子，安裝于所述框架結(jié)構(gòu)部分上，用于實(shí)現(xiàn)不同幅度電壓的轉(zhuǎn)化、穩(wěn)壓、濾波、信號放大、信號采集、AD轉(zhuǎn)換、信號處理、無線發(fā)射和無線接收功能。

優(yōu)選所述磁懸浮軸承部分中軸承轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙為0.5mm。

優(yōu)選所述電驅(qū)動部分的定子與轉(zhuǎn)子的間隙為0.4mm。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明將磁懸浮軸承技術(shù)應(yīng)用于動態(tài)扭矩傳感器，極大地提高了扭矩傳感器的動態(tài)旋轉(zhuǎn)速度，極大地擴(kuò)展了動態(tài)扭矩傳感器的應(yīng)用場合。

(2)本發(fā)明應(yīng)用的磁懸浮軸承，具備噪聲小、無摩擦、使用壽命長、無磨損、不需要潤滑等優(yōu)點(diǎn)。

(3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)小巧靈敏，拆卸簡單，簡單的實(shí)現(xiàn)了工況條件下的大多數(shù)扭矩測量場合；于此同時還能測得轉(zhuǎn)速參數(shù)，間接求得功率信息，對于轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的運(yùn)行狀況監(jiān)測有極大意義。

(4)本發(fā)明的供電采用變壓器的電磁感應(yīng)原理，實(shí)現(xiàn)了定轉(zhuǎn)子間的非接觸供電。

(5)本發(fā)明的信號傳輸采用無線24L01芯片進(jìn)行無線傳播信號原理，實(shí)現(xiàn)了定轉(zhuǎn)子間的信息傳輸。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的動態(tài)扭矩傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明動態(tài)扭矩傳感器中框架結(jié)構(gòu)部分示意圖。

圖3為本發(fā)明動態(tài)扭矩傳感器中電驅(qū)動部分示意圖。

圖4(1)、(2)為本發(fā)明動態(tài)扭矩傳感器中轉(zhuǎn)軸傳感部分和惠斯通電橋結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明動態(tài)扭矩傳感器中磁懸浮軸承部分示意圖。

圖6為本發(fā)明動態(tài)扭矩傳感器中轉(zhuǎn)速測量部分轉(zhuǎn)子示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明一種磁懸浮軸承動態(tài)扭矩傳感器，其特征在于包括：框架結(jié)構(gòu)部分1、電驅(qū)動部分2、轉(zhuǎn)軸傳感部分3、磁懸浮軸承部分4、信號處理部分5、轉(zhuǎn)速測量部分6六部分組成。

如圖2所示，所述框體結(jié)構(gòu)部分1是動態(tài)扭矩傳感器的機(jī)架，承擔(dān)和外部機(jī)架的固定連接功用，框架結(jié)構(gòu)為了便于加工和裝配，采用框架肢解方式，分為三部分：107柱形殼體、108上側(cè)方殼體、102安裝底座，并用螺釘101以及螺釘109連接起來。框體結(jié)構(gòu)部分承擔(dān)安裝機(jī)架的功用，由102安裝底座實(shí)現(xiàn)?？蝮w結(jié)構(gòu)大多采用不銹鋼材質(zhì)，為了最大限度的降低電驅(qū)動部分的磁路干擾。106為磁懸浮軸承端蓋，起到磁懸浮軸承的軸向定位與固定，通過螺釘103固定在107柱形殼體上面。105為軸外伸端蓋，通過螺釘104固定在106磁懸浮軸承端蓋上。110上端蓋通過螺釘111固定在108上側(cè)方殼體上?？蝮w結(jié)構(gòu)部分1是左右側(cè)對稱結(jié)構(gòu)，右側(cè)未述部分同理于左側(cè)。

如圖3所示，所述電驅(qū)動部分2包含變壓電磁感應(yīng)定子205和轉(zhuǎn)子207：轉(zhuǎn)子207通過螺釘211固定于轉(zhuǎn)軸傳感部分3，定子205通過繞線蓋201、203經(jīng)由106磁懸浮軸承端蓋固定在框體結(jié)構(gòu)部分1，210為磁懸浮軸承端蓋定位臺階。202為定子線圈，纏繞在定子205上；206為轉(zhuǎn)子線圈，纏繞在轉(zhuǎn)子207上。通過改變202定子線圈、206轉(zhuǎn)子線圈的繞線匝數(shù)比，可以調(diào)節(jié)電路的供電電壓。205、212為定子走線孔，將外側(cè)電源引入電驅(qū)動部分2內(nèi)部。208為轉(zhuǎn)子走線孔，將電驅(qū)動部分2電壓引入轉(zhuǎn)軸傳感部分3。為了保證定子205和轉(zhuǎn)子207直接磁路的更好傳導(dǎo)，必須保證旋轉(zhuǎn)間隙209為0.4mm。

如圖4(1)、(2)所示，轉(zhuǎn)軸傳感部分4采用軸及扭矩傳感一體設(shè)計，設(shè)計為電阻應(yīng)變式傳感器進(jìn)行惠斯通組橋傳感。301為雙側(cè)對稱鍵槽，為外部扭矩傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。為了提高扭矩測量的精度，由R₁-R₈組成的惠斯通電橋內(nèi)部設(shè)置彈性模量補(bǔ)償電阻Rm、零點(diǎn)補(bǔ)償電阻Ro、溫度補(bǔ)償電阻Rot以及靈敏度補(bǔ)償電阻Rs。

如圖5所示，磁懸浮軸承部分4為動態(tài)扭矩傳感器的旋轉(zhuǎn)支撐部分，401為定子鐵芯，由厚度為0.2-0.4mm的硅鋼片疊壓而成，鐵芯上邊固定繞線框402，該線框可以固化繞線線包的形狀，403即為線包。405為轉(zhuǎn)子，形狀為圓環(huán)形，也是由0.2-0.4mm的硅鋼片疊壓而成。結(jié)構(gòu)406以及結(jié)構(gòu)407為定子鐵芯的軸向定位及緊固結(jié)構(gòu)。為了保證磁懸浮軸承的磁路以及運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，必須嚴(yán)明裝配，保證定轉(zhuǎn)子之間的氣隙為0.4mm。

如圖6所示，轉(zhuǎn)速測量部分6擴(kuò)充了該動態(tài)扭矩傳感器的應(yīng)用范圍，測量轉(zhuǎn)速參數(shù)后，根據(jù)先前的扭矩信息，可以求得傳感器的功率信息。該轉(zhuǎn)速測量部分通過旋轉(zhuǎn)碼盤原理采集通斷的光電信息，光電信息由光電碼盤通過邊緣的齒形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光路的一通一段，采集了相應(yīng)的頻率信息，通過公式轉(zhuǎn)換可以算出旋轉(zhuǎn)的速度。轉(zhuǎn)子齒輪的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

本發(fā)明的框體結(jié)構(gòu)部分是動態(tài)扭矩傳感器的機(jī)架，承擔(dān)和外部機(jī)架的固定連接功用，框架結(jié)構(gòu)為了便于加工和裝配，采用框架肢解方式，分為三部分，并用螺釘連接起來。電驅(qū)動部分包含變壓電磁感應(yīng)定子和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子固定于轉(zhuǎn)軸傳感部分，定子通過繞線蓋經(jīng)由磁懸浮軸承固定在框體結(jié)構(gòu)部分。轉(zhuǎn)軸傳感部分和電驅(qū)動部分轉(zhuǎn)子固聯(lián)，轉(zhuǎn)子通過電磁感應(yīng)的電壓直接供給轉(zhuǎn)軸傳感的惠斯通電橋，惠斯通電橋有電阻應(yīng)變計組成平衡電橋，無外接扭矩輸入時，惠斯通電橋輸出為零，隨著外接扭矩的增加，橋路電壓輸出逐漸增加，輸出電壓和外接扭矩成正比。信號處理部分分成轉(zhuǎn)子信號處理以及定子信號處理，轉(zhuǎn)子的信號處理板子固定在轉(zhuǎn)子上，供電也直接取自轉(zhuǎn)子的變壓后電壓；定子的信號處理板子固定在框體結(jié)構(gòu)部分，將外接直流信號通過振蕩電路變?yōu)榻涣麟妷?，交流電壓通過電驅(qū)動部分向轉(zhuǎn)子間接不接觸供電。轉(zhuǎn)速測量部分通過旋轉(zhuǎn)碼盤原理采集通斷的光電信息，光電信息由光電碼盤通過邊緣的齒形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光路的一通一段，采集了相應(yīng)的頻率信息，通過公式轉(zhuǎn)換可以算出旋轉(zhuǎn)的速度。

本發(fā)明的磁懸浮軸承動態(tài)扭矩傳感器的六個組成部分分別從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件電氣設(shè)計、軟件算法設(shè)計三大部分支撐動扭傳感器的精確、穩(wěn)定應(yīng)用?？蚣芙Y(jié)構(gòu)部分為傳感器的基座殼體支撐組成；磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子和定子鑲嵌于機(jī)械框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部；電驅(qū)動為整個傳感器的電力供給基礎(chǔ)；轉(zhuǎn)軸傳感是傳感器的核心部件，精確感知外部扭矩，通由惠斯通電橋放大應(yīng)變?yōu)殡妷盒盘?；信號處理部分是信號采集并完成無線傳輸?shù)碾姎庥布?；轉(zhuǎn)速測量部分?jǐn)U充了該傳感器的測量參數(shù)，為傳感器的功率計算提供了數(shù)學(xué)依據(jù)。

總之，本發(fā)明為一個動態(tài)扭矩傳感器，基本測量原理是由電阻應(yīng)變計組成惠斯通電橋，通過橋路將扭矩信息轉(zhuǎn)化為電壓信息。動轉(zhuǎn)子之間的電源傳輸采用傳統(tǒng)的變壓器電磁感應(yīng)原理傳導(dǎo)。磁懸浮軸承技術(shù)的應(yīng)用極大地提高了動態(tài)傳感器的旋轉(zhuǎn)速度，也保證了旋轉(zhuǎn)時候的動態(tài)特性，是動扭測量的一次新嘗試。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。