专利名称：一种径向位移传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种位移传感器，特别是检测旋转部件径向位移的传感器，它不带能量源，以磁感应方式取得位移信号，是能量转换型或称被动型磁电式传感器。
背景技术：
位移传感器已形成相当庞大的产业规模，通常为包含电涡流式传感器的电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器等。它们在信号变换过程中其能量靠外电源供给，属于能量控制型传感器。见《传感器技术》清华大学出版社、北京交通大学出版社，孙键民、杨清海编著2005年10月第I版，第4 页。也可称主动型传感器。磁电式传感器，是利用电磁感应原理，将被测对象的能量转换成线圈中的感应电势输出信号的一种传感器。例如《传感器技术》清华大学出版社、北京交通大学出版社，孙键民、杨清海编著2005年10月第I版，第6章介绍的恒定磁通磁电式传感器，是利用其感应电压与被测物体的运动速度的线性关系来获取该速度值。变磁阻磁电式传感器，一般都做成转速传感器，运动的铁磁性材料制成齿轮，转动中气隙厚度是不断以齿为周期改变的，即磁路中的磁阻以此周期波动，气隙中磁通波动使线圈中的感应电动势以一定的频率输出， 该频率和齿数决定了转速。它们是能量转换型或称被动型传感器。现有技术的位移传感器在用于旋转部件比如转子的径向位移测量时占用空间较大，假如需对转子的径向位移进行控制时，则测量点与执行力点距离难以设计成重合或很近。再则，比如普通的电感式位移传感器频率响应较低，不适合快速动态测量，《传感器技术》第81页，所以在超高转速的位移测量时较困难。而新型的超高振荡频率的电感式位移传感器的价格又很高，其感应的原始信号电压较低微伏至毫伏级，必须有高抗干扰的电磁屏蔽线引导。现有技术的普通磁电式传感器的构造仅用于转速测量不适用旋转部件的径向位移测量。退磁曲线可以表征磁路中永磁体的工作特性，当外磁路磁阻变大时，需要永磁体向外磁路提供的磁动势也要大，永磁体向外磁路提供的每极总磁通就变小。在通常温度范围内稀土永磁的退磁曲线是直线，如钕铁硼、钐钴等。见《现代永磁电机理论与设计》唐任远著，机械工业出版社2005年8月第I版第4次印刷，第38页至42页。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种被动型磁电式径向位移传感器。它成本要低、感应的原始信号电压高、抗干扰能力强，专门用于旋转部件的径向位移测量，当需要对转子的径向位移进行控制时，感应部件可以方便地与执行器设计成一体，使测量点与执行点距离重合或很近，以提高控制稳定性。为解决上述技术问题，本发明的基本构思是由电机原理，永磁体与转子同转，线圈在定子上静止，则线圈中感应出电动势。再结合永磁体的工作特性退磁曲线，在结构不变的情况下永磁体向外磁路提供的每极总磁通，主要由转子与定子间气隙的大小决定，当气隙变小时总磁通变大，气隙变大时总磁通变小，使得线圈中感应的交流电动势幅值变大或变小。含有永磁体的转子与含线圈的定子的结构，在转子转动并有径向晃动时，气隙将一边大而另一边小，在晃动方向的两对边的相同尺寸和匝数的线圈中，交流脉动感应电动势幅值，气隙小的边其值大，气隙大的边其值小，将两边的电动势相减便反映了径向位移量；若先整流，后取值之差，则可知位移量及其正负方向。在定子中心设立X、y直角坐标系，即坐标零点在定子中心，则，X方向的线圈或线圈组，反映X向径向位移量；y方向的线圈或线圈组，反映y向径向位移量。如此，便可知径向位移矢量的大小方向。两对边的线圈的尺寸和匝数不完全相同时，只需由测量电路将数据作简单矫正，便可使座标零点移至定子中心。输出电动势差与位移转速的关系为Δ ex = K Δ χ ωAex为输出电动势差；Λχ为χ向位移量；ω为角速度转速；K为构造系数。在永磁体为稀土永磁时为常量，它与永磁的种类、转子与定子间气隙厚度、线圈的匝数个数以及排列、结构尺寸等相关。y方向电动势差Aey，只需将上式χ替换为y即可。为实现本发明基本构思的技术方案是一种径向位移传感器，它包括永磁块，线圈，定子，转子，转子与定子间设气隙，它的线圈设在定子上，其特征在于永磁块固定在转子上，使磁极磁场在气隙处以N-S的顺序沿转子周向排列，在定子的中心建立χ、y直角坐标系，线圈在坐标轴上靠近气隙的两对边设置，每个坐标轴两对边的线圈出线对冲相连，转子转动时使它们的电动势相减从而取得信号。对冲相连是指连接后线圈的电动势为相减，总幅值变小。定子每个坐标轴两对边线圈出线的对冲相连可以是整流对冲相连或者不整流对冲相连，前者变成直流后电动势相减可辨别位移矢量的大小和方向，后者仅适用于辨别位移的大小。稀土永磁的退磁曲线是直线，永磁块以稀土永磁制造为佳。本发明的两对边是指位置，在坐标的正方为一边，负方为另一边。两对边的线圈可以单个也可以是多个。每边的线圈可以串联在一起以提高感应电动势；也可以并联在一起以获取更好的波形，并具备即使一组线圈断线也能工作的安全冗余。这种串并联可以先整流再进行，也可以串并联后再整流。线圈可以在定子上周向满布，但必须按x、y坐标分组。两对边的线圈具有相同的几何角度大小和总匝数，即两对边的完全对称为最佳， 线圈几何角度的大小也与磁极所占的几何角度大小相等为最佳。线圈可以嵌卡在硅钢片制成的定子铁芯线槽中以减少磁阻。同样永磁块也可吸合在转子的铁芯上。每个坐标轴的两对边线圈的个数可以是单个也可以多个。线圈嵌卡在定子铁芯上时，定子铁芯附属于定子也可以认为它就是定子；永磁块吸合在转子铁芯时，转子铁芯或者永磁块和转子铁芯的组合附属于转子也可以认为它们就是转子。本方案还可以没有定子铁芯，比如线圈固定在非金属材料的定子上；或者没有转子铁芯，永磁块固定在非铁磁性材料的转子上。本发明与永磁电机用途和领域不同，但是，永磁电机中转子的永磁块各种周向排布方式均适用于本发明，但并不是必须布满整周。本发明的线圈排列与联接则不同于电机。本发明的转子可以在定子外即外转子、内定子构造，也可以在定子内即内转子、外定子构造。转子磁极的轴向宽度可小于或者大于定子的轴向宽度，用于消除转子轴向窜动、 和侧转振动对测量精度的影响，从而实现轴向和侧转的解耦。本发明的转子磁极可以就是永磁体自身的磁极，也可以是独立的转子铁芯吸附在永磁体上而形成磁极。为了控制器数据采集和计算的便捷，永磁磁极的数量以2的整数次方倍为佳，比如2、4、8、16、32等。永磁块可以为32片，以永磁块的16对磁极面朝气隙周向排列在转子面上。本发明还具有转速传感器功能，信号变换电路读取单位时间的波峰数除以转子的磁极数便可得转子转速。对于固定转速的应用场合，ω转速角速度为常量，得到了输出电动势差Aex、Aey 便可知转子晃动的位移矢量的大小、方向。而对于变转速的场合，信号变换电路测得转子转速，然后将转速除电动势差得到转子晃动位移矢量的大小、方向。本发明所获得的电动势差电压值，通常可以是以伏为单位的量级，所以抗干扰能力强。在应用时，设定一系列的转子位移偏心量，测得对应的一系列电动势差来进行传感器的特性标定。本发明的技术方案列出了为解决本案技术问题相关的各必要技术特征及其主题名称，作为主题一种径向位移传感器，本发明的技术方案在用于具体产品中实施时，所需的现有技术可自行加入。本发明的有益效果原理结构简单，根据使用条件可设计体积的大小，原始信号电压相对高，故可靠性佳。尤其是在控制系统使用传感器场合，比如磁悬浮轴承系统中表现尤为突出，可方便使测量点与执行点重合，无动态频率响应问题，令控制系统稳定性大为提高。它不依靠外界电源供电故节省能源，很适合应用于飞轮储电装置，以提高效率。


下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
图I永磁块沿外转子周向排列示意图2永磁块沿内转子周向一种排列示意图3线圈在内定子上的一种排布图4线圈在外定子上的一种排布图5线圈在定子上的另一种排布图6外转子内定子的一种实施例示意图7内转子外定子的一种实施例示意图8本发明实施例转子位移O. Imm时的信号波；
图9本发明实施的特性线。
具体实施方式
图I永磁块沿外转子周向排列示意图，永磁块2沿转子3的周向整圈排布，径向吸附在转子铁芯I的内壁上，永磁块2的磁极9面朝径向，它们以N-S极的顺序沿转子周向排列。图2永磁块沿内转子另一种周向排列示意图，永磁块2沿转子3的周向整圈排布， 周向吸附在转子铁芯I的侧壁上，在转子铁芯I的外径向形成磁极9，它们以N-S极的顺序沿转子周向排列。图3线圈在内定子上的一种排布图，定子6中心上建立x、y直角坐标系，线圈4设置在各坐标轴两对边，它们处在定子6即定子铁芯5外径边侧的位置上，两对边的线圈4完全对称。图4线圈在外定子上的一种排布图，它的线圈4以定子6上建立的X、y直角坐标为依据，沿各坐标轴在定子6即定子铁芯5内径边侧的位置，以xl，x2、x3, x4 ；yl, y2、y3， y4两对边成对,两对边的线圈4完全对称,线圈4在定子6上周向满布。图5线圈在定子上的另一种排布图，定子6中心上建立x、y直角坐标系,线圈4设置在各坐标轴两对边，位于定子6的定子铁芯5边侧的位置上，总匝数和角度尺寸相同显现两对边完全对称，两对边的线圈4均呈现内外两排每排多个，每个位置的线圈4可以各自全部串联在一起以提闻感应电动势；或者每排多个串联后，各自两排并联在一起以获取更好的波形，并具备即使一组线圈4断线也能工作的安全冗余。图6为外转子内定子的一种实施例示意图，它包括永磁块2，线圈4，内定子6，外转子3,外转子3与内定子6间设气隙7,内定子6固定不动,永磁块2固定在外转子3上, 使磁极9磁场在气隙7处以N-S的顺序沿外转子3周向排列，永磁块2为32片，以永磁块 2的16对磁极9面朝气隙7周向排列在转子3内面。它的线圈4在定子6上,定子6中心上建立x、y直角坐标系，线圈4处在各坐标轴的两对边并设在定子6的定子铁芯5外边上， 它们总匝数和几何角度尺寸相同显现两对边完全对称，线圈4所占的角度大小与磁极9相等为a，每个坐标轴的两对边线圈4的出线对冲相连8，转子3转动时使它们不经整流的电动势相减从而取得信号。图7为内转子外定子的一种实施例示意图，它包括永磁块2，线圈4，外定子6，内转子3,内转子3与外定子6间设气隙7,外定子6固定不动,永磁块2固定在内转子3上, 使磁极9磁场在气隙7处以N-S的顺序沿内转子3周向排列，它的线圈4在定子6上，定子 6中心上建立χ、y直角坐标系，线圈4在各坐标轴两对边成对地设直在定子6的定子铁芯 5边上，它们匝数和几何角度尺寸相同显现两对边完全对称，每个坐标轴的两对边线圈4的出线以直流整流对冲相连8-1，转子3转动时使它们的电动势相减从而取得信号。图8本发明实施例转子位移O. Imm时的信号波，它是线圈4直流整流对冲相连8-1 的电动势波形，这时转子3转速为每分钟1000转。图9本发明实施的特性线，可见径向位移与电压值的关系己乎是直线，灵敏度和精度都很高。本发明并不仅仅局限于上述的实施方式。与本发明属同一基本构思的其它形式， 也属于本发明的保护范围。本发明所述的技术方案是为解决本发明所要解决的技术问题而设，相对于所要解决的技术问题，它建立了其技术内容的完整性。将它实施于具体的径向位移传感器或其它产品中时，实现该产品所必需的技术特征，可以多于本发明技术方案解决技术问题的必要技术特征的总和。本发明各技术特征的含义按照说明书中各专有名词的定义；没有专门定义的，引入本技术领域的公知常识和技术，但该知识的范畴受限于本发明所要解决的技术问题、基本构思、技术方案，结合它在本发明所具备的功能、所起的作用和产生的效果，即参考说明书及其附图的内容进行理解，该特征名称的文字措辞不是其含义的限制，以免产生对本发明的歧义。本发明进一步作说明，本发明的说明书及其附图所表达的所有内容仅用作权利要求的解释和理解，它不得积极、主动地介入确定权利要求保护范围，即不可作为限制，尤其是跟本发明所要解决的技术问题无关联的内容部分，更是如此。本条为说明书之内容。
权利要求
1.一种径向位移传感器，它包括永磁块(2)，线圈(4)，定子￠)，转子(3)，转子(3)与定子(6)间设气隙(7)，它的线圈(4)在定子(6)上，其特征在于永磁块(2)固定在转子(3) 上，使磁极(9)磁场在气隙(7)处以N-S的顺序沿转子(3)周向排列，在定子(6)的中心建立x、y直角坐标系，线圈(4)在坐标轴上靠近气隙(7)的两对边设置，每个坐标轴两对边的线圈(4)出线对冲相连(8)，转子(3)转动时使感应的电动势相减从而取得信号。
2.如权利要求I所述的径向位移传感器，其特征还在于所述的对冲相连(8)是整流对冲相连(8-1)。
3.如权利要求I所述的径向位移传感器，其特征还在于所述的两对边的线圈(4)内外两排成组，每边的线圈(4)全部串联。
4.如权利要求I所述的径向位移传感器，其特征还在于所述的两对边的线圈(4)内外两排成组，每排线圈⑷串联后，每边的两排线圈⑷再并联在一起。
5.如权利要求I所述的径向位移传感器，其特征还在于所述的磁极(9)数量为2的整数次方倍。
6.如权利要求I所述的径向位移传感器，其特征还在于所述的线圈(4)两对边的完全对称。
7.如权利要求6所述的径向位移传感器，其特征还在于所述的线圈(4)所占的角度大小与磁极(9)相等。
8.如权利要求7所述的径向位移传感器，其特征还在于所述的对冲相连(8)是整流对冲相连(8-1)。
9.如权利要求8所述的径向位移传感器，其特征还在于所述的两对边的线圈(4)内外两排成组，每排线圈⑷串联后，每边的两排线圈⑷再并联在一起。
10.如权利要求9所述的径向位移传感器，其特征还在于所述的两对边的线圈(4)是单个。
全文摘要
本发明公开了一种径向位移传感器，是被动型磁电式，专门用于旋转部件的径向位移测量，原始信号电压较高，抗干扰能力强体积小，它的线圈(4)在定子(6)上，它的永磁块(2)固定在转子(3)上，使磁极(9)磁场在气隙(7)处以N-S极的顺序沿转子(3)周向排列，在定子(6)的中心建立x、y直角坐标系，线圈(4)设置在各坐标轴靠近气隙(7)的两对边，每个坐标轴两对边的线圈(4)出线对冲相连(8)，转子(3)转动时使感应的电动势相减从而取得信号。采用这种结构的径向位移传感器无动态频率响应问题，令测量精度、灵敏度，及用于控制时系统的稳定性大为提高。
文档编号G01B7/02GK102607396SQ201210101198
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月31日 优先权日2012年3月31日
发明者刘延风 申请人:刘延风