本發(fā)明涉及一種磁懸浮軸承動態(tài)扭矩傳感器，屬于傳感測量技術領域，適用于旋轉機械設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測試。本發(fā)明的實際應用對于提高扭矩測量的準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：

磁懸浮軸承動態(tài)扭矩傳感器將磁懸浮技術應用于動態(tài)扭矩測量傳感器中，一方面保證了旋轉時的平穩(wěn)，利用了磁懸浮無機械接觸為磁力支撐，實現(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；另一方面極大的提高了動態(tài)扭矩傳感器的旋轉轉速，對于高速旋轉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，轉速也是一個較大的應用瓶頸；進口的動態(tài)扭矩傳感器價格昂貴、維修復雜、訂貨周期長，大范圍推廣存在難點。

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，設計一款高速的動態(tài)扭矩傳感器，是本領域技術人員急需解決的技術問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術解決問題是：針對國內(nèi)市場現(xiàn)存動態(tài)扭矩傳感器的不足，設計出一款結構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構部分、電驅動部分、轉軸傳感部分、磁懸浮軸承部分和信號處理部分，所述轉軸傳感部分包括彈性體軸和電阻應變片，彈性體軸兩端對稱地設有用于外部扭矩傳導的鍵槽，彈性體軸的中段設有安裝電阻應變片的環(huán)狀凹槽，電驅動部分包括兩組變壓電磁感應單元，每組均包括定子和轉子，兩個轉子隔著環(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子對應的位置固定在框架結構部分上，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單元外側，每組的轉子均固定在彈性體軸上，每組的定子均固定在所述框架結構部分上，所述框架結構部分作為安裝傳感器的定子框架，并承擔安裝連接基座的功用。

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

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

優(yōu)選所述轉軸傳感部分為階梯軸結構，傳感軸為了磁懸浮軸承的轉子需要內(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，安裝于所述框架結構部分上，用于實現(xiàn)不同幅度電壓的轉化、穩(wěn)壓、濾波、信號放大、信號采集、AD轉換、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子和定子之間的間隙為0.5mm。

優(yōu)選所述電驅動部分的定子與轉子的間隙為0.4mm。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：

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

(2)本發(fā)明應用的磁懸浮軸承，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。

(3)本發(fā)明結構小巧靈敏，拆卸簡單，簡單的實現(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速參數(shù)，間接求得功率信息，對于轉軸系統(tǒng)的運行狀況監(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原理，實現(xiàn)了定轉子間的非接觸供電。

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

附圖說明

圖1為本發(fā)明的動態(tài)扭矩傳感器結構示意圖。

圖2為本發(fā)明動態(tài)扭矩傳感器中框架結構部分示意圖。

圖3為本發(fā)明動態(tài)扭矩傳感器中電驅動部分示意圖。

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

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)扭矩傳感器中轉速測量部分轉子示意圖。

具體實施方式

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：框架結構部分1、電驅動部分2、轉軸傳感部分3、磁懸浮軸承部分4、信號處理部分5、轉速測量部分6六部分組成。

如圖2所示，所述框體結構部分1是動態(tài)扭矩傳感器的機架，承擔和外部機架的固定連接功用，框架結構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上側方殼體、102安裝底座，并用螺釘101以及螺釘109連接起來?？蝮w結構部分承擔安裝機架的功用，由102安裝底座實現(xiàn)?？蝮w結構大多采用不銹鋼材質(zhì)，為了最大限度的降低電驅動部分的磁路干擾。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上側方殼體上?？蝮w結構部分1是左右側對稱結構，右側未述部分同理于左側。

如圖3所示，所述電驅動部分2包含變壓電磁感應定子205和轉子207：轉子207通過螺釘211固定于轉軸傳感部分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構部分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為轉子線圈，纏繞在轉子207上。通過改變202定子線圈、206轉子線圈的繞線匝數(shù)比，可以調(diào)節(jié)電路的供電電壓。205、212為定子走線孔，將外側電源引入電驅動部分2內(nèi)部。208為轉子走線孔，將電驅動部分2電壓引入轉軸傳感部分3。為了保證定子205和轉子207直接磁路的更好傳導，必須保證旋轉間隙209為0.4mm。

如圖4(1)、(2)所示，轉軸傳感部分4采用軸及扭矩傳感一體設計，設計為電阻應變式傳感器進行惠斯通組橋傳感。301為雙側對稱鍵槽，為外部扭矩傳導結構。為了提高扭矩測量的精度，由R₁-R₈組成的惠斯通電橋內(nèi)部設置彈性模量補償電阻Rm、零點補償電阻Ro、溫度補償電阻Rot以及靈敏度補償電阻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為轉子，形狀為圓環(huán)形，也是由0.2-0.4mm的硅鋼片疊壓而成。結構406以及結構407為定子鐵芯的軸向定位及緊固結構。為了保證磁懸浮軸承的磁路以及運轉的平穩(wěn)性，必須嚴明裝配，保證定轉子之間的氣隙為0.4mm。

如圖6所示，轉速測量部分6擴充了該動態(tài)扭矩傳感器的應用范圍，測量轉速參數(shù)后，根據(jù)先前的扭矩信息，可以求得傳感器的功率信息。該轉速測量部分通過旋轉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構實現(xiàn)光路的一通一段，采集了相應的頻率信息，通過公式轉換可以算出旋轉的速度。轉子齒輪的結構如圖6所示。

本發(fā)明的框體結構部分是動態(tài)扭矩傳感器的機架，承擔和外部機架的固定連接功用，框架結構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。電驅動部分包含變壓電磁感應定子和轉子，轉子固定于轉軸傳感部分，定子通過繞線蓋經(jīng)由磁懸浮軸承固定在框體結構部分。轉軸傳感部分和電驅動部分轉子固聯(lián)，轉子通過電磁感應的電壓直接供給轉軸傳感的惠斯通電橋，惠斯通電橋有電阻應變計組成平衡電橋，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子信號處理以及定子信號處理，轉子的信號處理板子固定在轉子上，供電也直接取自轉子的變壓后電壓；定子的信號處理板子固定在框體結構部分，將外接直流信號通過振蕩電路變?yōu)榻涣麟妷?，交流電壓通過電驅動部分向轉子間接不接觸供電。轉速測量部分通過旋轉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構實現(xiàn)光路的一通一段，采集了相應的頻率信息，通過公式轉換可以算出旋轉的速度。

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械結構設計、硬件電氣設計、軟件算法設計三大部分支撐動扭傳感器的精確、穩(wěn)定應用?？蚣芙Y構部分為傳感器的基座殼體支撐組成；磁懸浮軸承結構的轉子和定子鑲嵌于機械框架結構內(nèi)部；電驅動為整個傳感器的電力供給基礎；轉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?；轉速測量部分擴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變計組成惠斯通電橋，通過橋路將扭矩信息轉化為電壓信息。動轉子之間的電源傳輸采用傳統(tǒng)的變壓器電磁感應原理傳導。磁懸浮軸承技術的應用極大地提高了動態(tài)傳感器的旋轉速度，也保證了旋轉時候的動態(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描述的內(nèi)容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。