CN203323933U

CN203323933U - 基于霍尔效应的无刷式转矩传感器

Info

Publication number: CN203323933U
Application number: CN2013203756420U
Authority: CN
Inventors: 赵浩; 冯浩
Original assignee: Jiaxing University
Current assignee: Jiaxing University
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2023-06-21

Abstract

一种基于霍尔效应的转矩传感器，包括传感器转轴、机座、前后端盖、激磁套筒、激磁铁心、永磁磁钢、输出套筒、输出铁心、霍尔元件、环形变压器、紧固件和配套轴承。传感器转轴通过轴承与前后端盖固定，可相对机座转动，传感器转轴同心外设激磁套筒，激磁铁心和永磁磁钢固定在激磁套筒外侧，传感器转轴同心外另设输出套筒，输出铁心和霍尔元件固定在输出套筒内侧，激磁套筒和输出套筒通过紧固件分别固定在传感器转轴的两侧。霍尔元件的电源、输出引线经由过孔分别与环形变压器各内环绕组相连，环形变压器各外环绕组与接线盒连接。使用时传感器转轴两端分别同轴联接负载和动力源，传感器将负载转矩转换成对应的模拟电信号输出，具有较高测量精度。

Description

基于霍尔效应的无刷式转矩传感器

技术领域

本发明涉及一种转矩传感器，更具体的是涉及一种基于霍尔效应的无刷式转矩传感器。

背景技术

目前在转矩测量中，传递类转矩传感器应用十分广泛，传递类转矩传感器按转矩信号的产生方式可分为光学式、光电式、磁电式、应变式、电容式等等，其中市场上较成熟的转矩传感器主要是磁电式和应变式。磁电式转矩传感器通过磁电感应获取转矩信号，德国HBM公司、日本小野测器和中国湘西仪表厂均有生产，传感器输出信号的本质是两路具有相位差的角位移信号，需要对信号进行组合处理才能得到转矩信息。它是非接触式传感器，无磨损、无摩擦，可用于长期测量，不足之处是体积大，不易安装，不能测量静止扭矩；应变式转矩传感器以电阻应变片为敏感元件，如德国HBM公司的T1，T2，T4系列转矩传感器、北京三晶集团的JN338系列传感器等，它们在转轴或与转轴串接的弹性轴上安装四片精密电阻应变片，并连接成惠思顿电桥，转矩使轴的微小变形引起应变阻值发生变化，电桥输出的信号与转矩成比例。传感器可以测量静态和动态转矩、高频冲击和振动信息，具有体积小重量轻等优点，不足之处是信号的传输易受干扰且损耗较大，导致测量精度不是很高。

发明内容

本发明提供了一种基于霍尔效应的无刷式转矩传感器，使用时传感器转轴两端分别同轴联接负载和动力源，传感器将负载转矩转换成电信号输出，该电信号与负载转矩直接对应，精度较高，且可测量旋转系统的静态扭矩或动态转矩。

本发明的目的采取下述技术方案实现：

一种基于霍尔效应的转矩传感器，包括机座，位于机座前端的前端盖，位于机座后端的后端盖，穿过前端盖和后端盖中心的传感器转轴，传感器转轴通过轴承分别与前后端盖固定，可相对与机座做旋转运动，此外，还包括：

激磁套筒，与传感器转轴同轴心的置于机座内，激磁套筒外侧设有凸键，激磁铁心固定于凸键上，激磁铁心之间存在间隙，永磁磁钢安装在间隙中，采用厌氧胶将永磁磁钢与激磁铁心黏连，永磁磁钢与激磁铁心随传感器转轴同时转动；

输出套筒，与传感器转轴、激磁铁心同轴心的置于机座内，输出套筒内侧设有凹槽，输出铁心固定于凹槽中，输出铁心之间存在间隙，霍尔元件安装在间隙中，采用厌氧胶将霍尔元件与输出铁心黏连，霍尔元件与输出铁心随传感器转轴同时转动，且输出套筒设有过孔；

紧固件，用于分别将激磁铁心套筒和输出铁心套筒与传感器转轴两端固定，且紧固件中设有过孔；

环形变压器，为一对，各内环铁心与传感器转轴固定，一起与传感器转轴做旋转运动，设有绕组槽，各外环铁心与机座固定，设有绕组槽；

霍尔元件的电源、输出引线分别经由输出套筒过孔、紧固件过孔与一对环形变压器的各内环绕组相连，一对环形变压器各外环绕组与接线盒连接。

如上述的结构，本发明的基于霍尔效应的转矩传感器，其工作原理为：

1.静态扭矩的测量：环形变压器一的外环绕组通入交流电，经过磁电感应其内环绕组产生感应电势，由于霍尔元件的电源引线通过输出套筒的过孔与环形变压器一的内环绕组相连构成闭合回路，则霍尔元件中通入交变电流。嵌放在激磁铁芯中的永磁磁钢产生恒定磁场，经由激磁铁心、空气隙和输出铁心形成闭合回路。传感器转轴伸出的一端固定，另一端加载静态扭矩。当静态扭矩为零时，传感器转轴不发生形变，分别与传感器转轴两端固定的激磁套筒和输出套筒的初始位置保持不变，固定于激磁套筒的永磁磁钢和固定于输出铁套筒的霍尔元件，其初始位置在空间上互差45°机械角，永磁磁钢形成的激磁磁场方向与通入霍尔元件中的电流方向平行，因此各霍尔元件的输出电压为零；当静态扭矩不为零时，传感器转轴发生形变，永磁磁钢和霍尔元件的初始相对位置发生改变，激磁磁场方向与各霍尔元件中的电流方向存在夹角，则各霍尔元件的输出电压不为零，且为交流电压，由于霍尔元件的输出引线通过紧固件的过孔，与环形变压器二的内环绕组构成闭合回路，则环形变压器二的内环绕组存在交变电流，再经磁电感应环形变压器二的外环绕组产生感应电势，该感应电势与传感器转轴加载的静态扭矩相对应。

2.动态转矩的测量：环形变压器一的外环绕组通入交流电，经过磁电感应其内环绕组产生感应电势，由于霍尔元件的电源引线通过输出套筒的过孔与环形变压器一的内环绕组相连构成闭合回路，则霍尔元件中通入交变电流。嵌放在激磁铁芯中的永磁磁钢产生恒定磁场，经由激磁铁心、空气隙和输出铁心形成闭合回路。传感器转轴伸出的一端接动力装置，另一端加载动态转矩。当动态转矩矩为零时，传感器转轴不发生形变，分别与传感器转轴两端固定的激磁套筒和输出套筒，以及环形变压器的内环铁心与传感器转轴一起转动，固定于激磁套筒的永磁磁钢和固定于输出套筒的霍尔元件，其初始位置在空间上互差45°机械角，激磁磁场方向与通入各霍尔元件中的电流方向平行，因此各霍尔元件的输出电压为零；当动态转矩不为零时，传感器转轴发生形变，永磁磁钢和各霍尔元件的初始相对位置发生改变，激磁磁场方向与各霍尔元件的电流方向存在夹角，则各霍尔元件的输出电压不为零，且为交流电压，由于霍尔元件的输出引线通过紧固件的过孔，与环形变压器二的内环绕组构成闭合回路，则环形变压器二的内环绕组存在交变电流，再经磁电感应环形变压器二的外环绕组产生感应电势，该感应电势与传感器转轴加载的动态转矩相对应。

如上述的结构，本发明利用霍尔效应构成的新型转矩传感器，传感器与负载和动力源(旋转机械)同轴安装，把负载转矩转换成霍尔元件的电信号输出，输出的电信号与负载转矩直接对应。因此，该传感器使用方便，可用于各种测量静态扭矩和动态转矩的场合。

附图说明

图1为本发明基于霍尔效应的新型转矩传感器的结构示意图；

图2为图1实施的A-A面的剖视图；

图3(a)为传感器轴未受转矩时永磁磁钢与霍尔元件相对位置示意图；

图3(b)为图3(a)的等效接线示意图；

图3(c)为传感器轴受到转矩时永磁磁钢与霍尔元件相对位置示意图；

图3(d)为图3(c)的等效接线示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步描述本发明转矩传感器的结构特征。

图1为本发明转矩传感器的结构示意图，包括传感器转轴1、轴承2、前端盖3、接线盒4、环形变压器一的外环铁心及绕组5、环形变压器一的内环铁心及绕组6、紧固件7、轴承8、输出套筒9、输出铁心10、霍尔元件11、永磁磁钢12、激磁铁心13、激磁套筒14、轴承15、紧固件16、环形变压器二内环铁心及绕组17、环形变压器二外环铁心及绕组18、后端盖19、机座20。

前端盖3位于机座20的前端，后端盖19位于机座20的后端，传感器转轴1穿过前端盖3和后端盖19的中心，轴承2分别置于传感器转轴1与前端盖3和后端盖19之间。

传感器转轴1的两侧分别与环形变压器一的内环铁心6和环形变压器二的内环铁心17固定，可同时做旋转运动。

环形变压器一的外环铁心5和环形变压器二的外环铁心18与机座20固定。

传感器转轴1同心外设激磁套筒14，激磁铁心13固定在激磁套筒14外侧的凸键上，激磁铁心13之间存在间隙，永磁磁钢12固定在间隙中，并采用厌氧胶将激磁铁心13和永磁磁钢12黏连，激磁套筒14一端与紧固件7固定，再用固定螺栓与传感器转轴1固定，另一端通过轴承15与传感器转轴1接触且可以相对传感器转轴1转动。

传感器转轴1同心外设输出套筒9，输出铁心10固定于输出套筒9的内侧，输出铁心10之间存在间隙，霍尔元件11固定在间隙中，并采用厌氧胶将输出铁心10和霍尔元件11黏连，输出套筒9一端与紧固件16固定，再用固定螺栓与传感器转轴1固定，另一端通过轴承8与激磁套筒14接触且可以相对激磁套筒14转动，且输出套筒9设有过孔。

霍尔元件11的电源引出线首先通过输出套筒9的过孔，与环形变压器一的内环铁心绕组6相连，霍尔元件11的输出引线通过紧固件16的过孔，与环形变压器二的内环铁心绕组17相连，环形变压器一外铁心绕组5和环形变压器二外铁心绕组18与固定在机座20上的接线盒4连接。

本发明的具体实施如图2所示：图2为转矩传感器结构示意图1的A-A面的剖视图，永磁磁钢12和激磁铁心13固定于激磁套筒14上，采用厌氧胶相互黏连，霍尔元件11和输出铁心10固定在输出铁心9的内侧，采用厌氧胶相互黏连，激磁铁心10、输出铁心14和气隙构成激磁磁场的磁路，激磁套筒14和输出套筒9与传感器转轴1同轴心。

传感器转轴1两端分别与被测旋转系统和负载转矩同轴相连，霍尔元件11的输出电压与被测负载转矩存在对应关系，即环形变压器二的内环绕组的感应电流与被测负载转矩存在对应关系，经由环形变压器二的变压后其外环绕组输出与被测负载转矩存在对应关系的感应电势。

传感器转轴1的材料为碳钢或合金钢等材料；前端盖3、紧固件7、紧固件16、后端盖19、机座20采用硬质铝合金制成；激磁套筒14、输出套筒9采用黄铜制作；环形变压器内、外环铁心、激磁铁心13和输出铁心10是由高磁导率的铁镍软磁合金片或高导磁性硅钢片冲剪叠压构成；永磁磁钢12由稀土铷铁硼烧结制成。

本发明的图1中的转矩传感器工作原理如图3(a)、3(b)、3(c)、3(d)所示：传感器转轴未受到负载转矩或扭矩作用时，永磁磁钢12与霍尔元件11的相对位置如图3(a)所示，其中虚线代表永磁磁钢12形成的磁场线，图3(a)的等效接线图如图3(b)所示，永磁磁钢12形成的磁场方向与霍尔元件11通入交流电的方向平行，所以此时霍尔元件11的输出电压为零。

当传感器转轴受到负载转矩或扭矩作用时，永磁磁钢12与霍尔元件11的相对位置如图3(c)所示，其中虚线代表永磁磁钢12形成的磁场线，图3(c)的等效接线图如图3(d)所示，永磁磁钢12形成的磁场方向与霍尔元件11通入交流电的方向存在夹角，假设此瞬间交流电i的方向如图3(d)所示，根据通电导体在磁场中手里的法则，各霍尔元件11产生的电压方向如图3(d)所示，为使四个霍尔元件输出的电压最大，各霍尔元件11的连接线如图3(d)所示，霍尔元件的输出电压为e_ab，霍尔元件11的输出引线与环形变压器二的内环绕组形成闭合回路，回路中由于e_ab的存在而产生交变电流，根据磁电感应原理，环形变压器二的外环绕组产生对应的感应电势，由固定在传感器机座上的接线盒引出。

Claims

1.一种基于霍尔效应的无刷式转矩传感器，包括机座，位于机座前端的前端盖，位于机座后端的后端盖，穿过前端盖和后端盖中心的传感器转轴，传感器转轴通过轴承分别与前后端盖固定，可相对机座做旋转运动，此外，还包括：

激磁套筒，与传感器转轴同轴心的置于机座内，外侧设有凸键，永磁磁钢和激磁铁心固定在激磁套筒外侧；

输出套筒，与传感器转轴、激磁套筒同轴心的置于机座内，内侧设有嵌槽，霍尔元件和输出铁心固定在输出套筒内侧；

紧固件，用于分别将激磁套筒和输出套筒与传感器转轴的两端固定；

环形变压器，内环铁心与传感器转轴固定，一起与传感器转轴做旋转运动，设有绕组槽，其外环铁心与机座固定，设有绕组槽；

所述传感器转轴的两端露出端盖，一端连接动力源，另一端连接被测负载，且传感器转轴的两端比中间部分粗。

2.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：激磁套筒一端与紧固件连接，再通过固定螺栓与传感器转轴固定，另一端通过轴承与传感器转轴接触且可以相对传感器转轴转动。

3.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：激磁铁心之间存在间隙，永磁磁钢安装在间隙中，采用厌氧胶将永磁磁钢与激磁铁心黏连，永磁磁钢与激磁铁心随传感器转轴同时转动。

4.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：输出套筒一端与紧固件连接，再通过固定螺栓与传感器转轴固定，另一端通过轴承与激磁套筒接触且可以相对激磁套筒转动。

5.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：输出铁心之间存在间隙，霍尔元件安装在间隙中，采用厌氧胶将霍尔元件与输出铁心黏连，霍尔元件与输出铁心随传感器转轴同时转动。

6.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：环形变压器为一对，分别位于传感器转轴的两侧，内、外环绕组分别固定于内环铁心和外环铁心的绕组槽中，各外环绕组的引出线接在与机座固定的接线盒中，分别用以连接交流电源和输出电信号。

7.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：输出铁心和紧固件中设有过孔，输出铁心过孔用于连接环形变压器一的内环绕组和霍尔元件的电源引线，紧固件过孔用于连接环形变压器二的内环绕组和霍尔元件的输出引线。

8.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：霍尔元件中通入的电流为交流电。

9.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：激磁套筒和输出套筒采用黄铜制成，激磁铁心和输出铁心均采用高磁导率的铁镍软磁合金片或高导磁性硅钢片冲剪叠压构成。

10.根据权利要求1所述的转矩传感器，其特征在于：永磁磁钢由稀土铷铁硼烧结制成。