CN105634235A - 一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机 - Google Patents

Abstract

一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机，包括端盖及轴承、机壳、隔磁枕套、定子铁心、永磁磁钢、输出绕组、霍尔元件、转子绕组和铁磁轴套。其中铁磁轴套两端分别穿过端盖轴承后，通过端盖与机壳固定；转子绕组为圆筒形整体绕组，同心固定在铁磁轴套外侧，为短路连接；隔磁枕套同心固定在机壳内侧；定子铁心为环扇形分体结构，固定在隔磁枕套内侧，分体之间存在夹槽，部分分体设有绕组槽；永磁磁钢和霍尔元件固定在定子铁心分体之间夹槽中；输出绕组嵌放在定子铁心分体绕组槽中。本发明的同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机，安装方便，使用时套在旋转装置转轴外侧即可；结构简单，成本低，无换向装置，线性误差小，灵敏度高。

Description

一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机

技术领域

本发明涉及一种同时测量旋转角速度、角加速度的发电机，更具体的是涉及一种同时测量瞬时旋转角速度、角加速度的轴套型发电机。

背景技术

旋转角速度和角加速度是两个非常重要的动态角参量，通过对角速度和角加速度的测量，就可以分析旋转系统转轴对各种激励的响应情况。因此，旋转角速度和角加速度测量在汽车、军事、航空航天、工业、电子等多个领域得到了广泛的应用。

目前常用的测量瞬时角速度的发电机主要分为直流测速发电机和交流异步测速发电机两大类：直流测速发电机在负载运行时，输出电压与转速并不能保持严格的正比关系，存在误差，主要是由于电枢反应的去磁作用、电刷接触电阻的非线性、以及温度的影响，此外由于铁心齿槽的存在，会产生一定的齿谐波电动势；交流异步测速发电机运行时，输出特性同样存在非线性误差，主要原因是转子旋转时产生的脉振磁场，以及杯型转子存在漏抗，除此之外，由于交流异步测速发电机的两相定子绕组不完全垂直，或是气隙不均，磁路不对称，亦或是空心杯转子的壁厚不均以及制造杯型转子的材料不均，都会造成一定的剩余电压。

关于旋转角加速度的测量方法，可以分为直接测量法和间接测量法。直接测量法一般是使用特殊敏感元件直接测量；间接测量法一般采用多个方位的直线加速度传感器的输出进行合成(是目前的主流方法)，以及采用微分电路或微分计算算法对角速度信号进行微分处理来获取角加速度。对于直接测量法，多数检测装置的结构设计较复杂，且受频率等因素影响精度不高；间接测量法对信号的处理比较麻烦，特别是延迟特性和噪声放大问题不易解决。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种同时测量瞬时旋转角速度、角加速度的轴套型发电机。

本发明的目的采取下述技术方案实现：

一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机，包括左端盖及轴承、机壳、隔磁枕套、定子铁心、永磁磁钢、输出绕组、霍尔元件、转子绕组、铁磁轴套、右端盖及轴承；

所述铁磁轴套一端穿过左端盖轴承后，通过左端盖与机壳固定，另一端穿过右端盖轴承后，通过右端盖与机壳固定；所述转子绕组为圆筒形整体绕组，同心地固定在铁磁轴套的外侧，且转子绕组为短路连接；所述隔磁枕套同心地固定在机壳的内侧；所述定子铁心为环扇形分体结构，固定在隔磁枕套的内侧，各分体之间存在夹槽，且部分分体另设有绕组槽；所述永磁磁钢和霍尔元件固定在定子铁心各分体之间的夹槽中；所述输出绕组为两组单相绕组，分别嵌放在定子铁心分体的绕组槽中；

所述定子铁心的分体数为八个，对应的定子铁心夹槽数为八个，八个夹槽在空间上为非均匀分布；

所述永磁磁钢为六块，霍尔元件为两个，分别固定在定子铁心分体之间的夹槽中，且排放顺序为霍尔元件-永磁磁钢-永磁磁钢-永磁磁钢-霍尔元件-永磁磁钢-永磁磁钢-永磁磁钢；

所述固定在定子铁心分体夹槽中的永磁磁钢，磁极顺序依次为SN-NS-SN-NS-SN-NS；

所述两个霍尔元件相邻的四个定子铁心分体不设有绕组槽，另外四个定子铁心设有绕组槽；

所述定子铁心采用硅钢片叠制而成，输出绕组和转子绕组采用电磁漆包线绕制而成，隔磁枕套采用非铁磁材料制成。

本发明的有益效果：本发明的一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机，安装方便，使用时套在旋转装置转轴的外侧即可使用；无需换向装置，不存在电刷接触电阻造成的非线性误差；结构简单，不使用杯形转子，加工成本更低；无剩余电压，能在低速时精确的测量旋转角速度和角加速度，无失灵区；采用强磁场的永磁磁钢和整体圆筒形固化的转子绕组，灵敏度更高。

附图说明

图1为一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机的结构图；

图2为一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机的剖视图；

图3为一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机的组装图。

图4为一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机的工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图进一步描述本发明的一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机的实施。

如图1、图2所示，一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机，包括铁磁轴套1、左端盖轴承2、左端盖3、输出绕组4、隔磁枕套5、机壳6、永磁磁钢7、右端盖8、转子绕组9、右端盖轴承10、定子铁心11和霍尔元件12；

所述铁磁轴套1的一端穿过左端盖轴承2后，通过左端盖3与机壳6固定，另一端穿过右端盖轴承10后，通过右端盖8与机壳6固定；所述转子绕组9为圆筒形整体绕组，同心地固定在铁磁轴套1的外侧，且转子绕组9为短路连接；所述隔磁枕套5同心地固定在机壳6的内侧；所述定子铁心11为环扇形分体结构，固定在隔磁枕套5的内侧，各分体之间存在夹槽，且部分分体另设有绕组槽；所述永磁磁钢7和霍尔元件12固定在定子铁心11各分体之间的夹槽中；所述输出绕组4为两组单相绕组，分别嵌放在定子铁心11的分体的绕组槽中；

所述定子铁心11的分体数为八个，对应的定子铁心夹槽数为八个，八个夹槽在空间上为非均匀分布；

所述永磁磁钢7为六块，霍尔元件12为两个，分别固定在定子铁心11各分体之间的夹槽中，且排放顺序为霍尔元件-永磁磁钢-永磁磁钢-永磁磁钢-霍尔元件-永磁磁钢-永磁磁钢-永磁磁钢；

所述固定在定子铁心11的分体夹槽中的永磁磁钢，磁极顺序依次为SN-NS-SN-NS-SN-NS；

所述霍尔元件12相邻的四个定子铁心分体不设有绕组槽，另外四个定子铁心设有绕组槽；

所述定子铁心11采用硅钢片叠制而成，输出绕组4和转子绕组9采用电磁漆包线绕制而成，隔磁枕套5采用非铁磁材料制成。

图3为一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机的组装图：包括隔磁枕套5；定子铁心的各分体1101、1102、1103、1104、1105、1106、1107和1108；永磁磁钢701、702、703、704、705和706；霍尔元件1201和1202；输出绕组端子401、402、403和404，输出绕组401-402为一相，403-404为一相。

其中定子铁心分体1101、1108、1104和1105的尺寸相同，铁心分体1102、1103、1106和1107的尺寸相同，且铁心分体1102、1103、1106和1107设有绕组槽；输出绕组端子401嵌放在铁心分体1102的绕组槽中，输出绕组端子402嵌放在铁心分体1103的绕组槽中，输出绕组端子403嵌放在铁心分体1106的绕组槽中，输出绕组端子404嵌放在铁心分体1107的绕组槽中。

图4为一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机的工作原理图：将铁磁轴套与被测转轴固定后，霍尔元件通入工作电流，铁磁轴套静止时，永磁磁钢形成的磁场分布情况如图4(a)所示，磁场经由定子铁心、空气隙和铁磁轴套后形成闭合回路。此时永磁磁钢形成的磁场与霍尔元件无匝链，霍尔元件无霍尔电势输出；虽然永磁磁钢形成的磁场与输出绕组相互匝链，但由于该磁场为恒定磁场，所以输出绕组不会产生感应电动势。

当铁磁轴套顺时针转动时，如图4(b)所示，转子绕组开始切割永磁磁钢形成的磁场，会产生如图4(b)所示的切割电动势，方向通过右手定子判断，转子绕组中产生电流，该电流产生的磁场分布情况如图4(b)所示，其方向根据右手螺旋定则判断，此时转子绕组电流产生的磁场与霍尔元件匝链，霍尔元件输出与角速度对应的霍尔电势；若铁磁轴套匀速转动，则转子绕组的感应电流形成的磁场恒定，则输出绕组不会产生感应电动势，若铁磁轴套的旋转角速度发生变化，即存在旋转角加速度，则转子绕组产生的电流存在变化的分量，其形成的磁场同样存在变化的分量，使得输出绕组产生与角加速度对应的感应电动势。

根据磁路的欧姆定理，永磁磁钢产生的磁通量为：

${\mathrm{\Φ}}_P=\frac{F_P}{R_{mP}}---\left(1\right),$

式中F_p为永磁磁钢的磁势，R_mp为永磁磁钢产生的磁通经过磁路的磁阻。

根据法拉第电磁感应定律，转子绕组顺时针以瞬时角速度ω切割永磁磁钢的磁通，所产生的切割电动势为：

e_R＝C_eΦ_Pω(2)，

式中C_e为与转子绕组结构相关的常数。

根据欧姆定律，转子绕组产生的电流为：

$i_R=\frac{e_R}{r_R}---\left(3\right),$

式中r_R为转子绕组的等效电阻。

根据磁路的欧姆定理，转子绕组电流产生的磁通量为：

${\mathrm{\Φ}}_R=\frac{N_R{i}_R}{R_{mR}}---\left(4\right),$

式中N_R为转子绕组的有效匝数，R_mR为转子绕组电流产生的磁通经过磁路的磁阻。

根据霍尔效应可知，霍尔元件产生的霍尔电势为：

E_H＝K_H/Φ_R(5)，

式中K_H为与霍尔元件结构和性质相关的常数，I为霍尔元件的控制电流。

联立式(1)～式(5)，可得：

$E_H=\frac{C_e{F}_P{N}_R{K}_{H}I}{R_{mR}{R}_{mR}{r}_R}\mathrm{\ω}---\left(6\right),$

根据所述式(6)可知，若霍尔元件的控制电流为直流电，则发电机输出与角速度成正比的直流霍尔电势，若霍尔元件的控制电流为交流电，则发电机输出幅值与角速度成正比的交流霍尔电势，频率与控制电流频率相同。

当转子绕组的角速度恒定时，产生的切割电动势e_R恒定，电流i_R恒定，产生的磁通量Φ_R恒定，与输出绕组8匝链后不会产生感应电动势；当转子绕组的角速度变化时，即存在旋转角加速度则转子绕组产生的磁通量存在变化分量根据变压器工作原理，输出绕组中产生的感应电动势为：

$e_o=-N\frac{{\mathrm{d\Φ}}_R}{dt}\∝\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}---\left(7\right),$

式中N为输出绕组的有效匝数。

根据所述式(7)可知，输出绕组会产生与瞬时旋转角加速度成正比的感应电动势。

所述的一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机，安装方便，使用时套在旋转装置转轴的外侧即可使用；无需换向装置，不存在电刷接触电阻造成的非线性误差；结构简单，不使用杯形转子，加工成本更低；无剩余电压，能在低速时精确的测量旋转角速度和角加速度，无失灵区；采用强磁场的永磁磁钢和整体圆筒形固化的转子绕组，灵敏度更高。

实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机，包括左端盖及轴承、机壳、隔磁枕套、定子铁心、永磁磁钢、输出绕组、霍尔元件、转子绕组、铁磁轴套、右端盖及轴承；

其特征在于：所述铁磁轴套一端穿过左端盖轴承后，通过左端盖与机壳固定，另一端穿过右端盖轴承后，通过右端盖与机壳固定；所述转子绕组为圆筒形整体绕组，同心地固定在铁磁轴套的外侧，且转子绕组为短路连接；所述隔磁枕套同心地固定在机壳的内侧；所述定子铁心为环扇形分体结构，固定在隔磁枕套的内侧，各分体之间存在夹槽，且部分分体另设有绕组槽；所述永磁磁钢和霍尔元件固定在定子铁心各分体之间的夹槽中；所述输出绕组为两组单相绕组，分别嵌放在定子铁心分体的绕组槽中。

2.根据权利要求1所述的一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机，其特征在于：所述定子铁心的分体数为八个，对应的定子铁心夹槽数为八个，八个夹槽在空间上为非均匀分布。

3.根据权利要求1所述的一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机，其特征在于：所述永磁磁钢为六块，霍尔元件为两个，分别固定在定子铁心分体之间的夹槽中，且排放顺序为霍尔元件-永磁磁钢-永磁磁钢-永磁磁钢-霍尔元件-永磁磁钢-永磁磁钢-永磁磁钢。

4.根据权利要求1所述的一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机，其特征在于：所述固定在定子铁心分体夹槽中的永磁磁钢，磁极顺序依次为SN-NS-SN-NS-SN-NS。

5.根据权利要求1所述的一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机，其特征在于：所述两个霍尔元件相邻的四个定子铁心分体不设有绕组槽，另外四个定子铁心设有绕组槽。

6.根据权利要求1所述的一种同时测量旋转角速度、角加速度的轴套型发电机，其特征在于：定子铁心采用硅钢片叠制而成，输出绕组和转子绕组采用电磁漆包线绕制而成，隔磁枕套采用非铁磁材料制成。