一种永磁式直流伺服测角振动机组的制作方法

本发明涉及一种直流伺服机组，更具体的是涉及一种可以测量直流伺服电动机旋转角振动信息的永磁式一体化机组。

背景技术：

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件，将输入的电压信号变换为转轴的角位移或者角速度输出。伺服电动机按照电源性质的不同，可以分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。其中角振动信息，包括旋转角速度和角加速度，是伺服电动机的重要参数，通过对角振动信息的测量，可以实现伺服电动机运行状态的监测，并根据生产要求对伺服电动机进行控制。

目前常用的直流伺服机组，其制作工艺一般为直流伺服电动机和测速机共用同一个转轴，但定子和转子(或无槽转子的杯体)为两段式结构，因此，测速机组的整体形状多为细长型，体积较大，且机组中采用的测速发电机多为有刷直流测速发电机，其电枢电路包括电刷和换向片，会产生相应的接触电阻，导致测速发电机的输出特性存在线性误差和低速失灵区。此外，常用的伺服机组为检测伺服电动机的旋转角速度信息，无法同时获取机组的旋转角加速度信息。

测量伺服电动机旋转角加速度常用的方法可分为间接法和直接法，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，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，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；直接测量法一般是使用特殊敏感元件直接测量，工作时采用联轴器将伺服电动机的转轴和旋转角加速度传感器的转轴同心连接，由于联轴器的加工以及系统在装配过程中不可避免的存在误差，容易造成转轴的不同心，影响了系统运转的稳定性和瞬时旋转角加速度测量的精确性，此外，多数旋转角加速度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。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种永磁式直流伺服测角振动机组，能够同时检测伺服电动机的旋转角速度和角加速度信息。

本发明的目的采取下述技术方案实现：

一种永磁式直流伺服测角振动机组，包括转轴、电刷及支架、换向器、绝缘套筒、无槽转子、第一定子铁心、永磁磁钢、隔磁枕套、霍尔元件、杯形转子、第二定子铁心、输出绕组、铜套、机壳、前、后端盖及配套轴承；

其特征在于：所述转轴依次穿过前端盖轴承、绝缘套筒、无槽转子、杯形转子、铜套中心孔和后端盖轴承，并通过前、后端盖与机壳固定；

所述换向器固定在绝缘套筒外侧；

所述无槽转子、杯形转子和绝缘套筒固定在转轴上，跟随转轴一同旋转；

所述无槽转子的电枢和铁心采用固化一体式设计，整体形状为杯形；

所述无槽转子的绕组通过换向器与电刷相连；

所述第一定子铁心与后端盖固定，整体为圆环形结构，置于无槽转子杯体的内部，且设有凹槽；

所述永磁磁钢嵌放在第一定子铁心的凹槽中；

所述隔磁枕套将第一定子铁心分成内、外两层；

所述第一定子铁心的内层设有凹槽，霍尔元件嵌放在凹槽中；

所述铜套与后端盖固定，设有中心通孔；

所述第二定子铁心同心地固定在铜套的外侧，设有绕组槽；

所述输出绕组嵌放在第二定子铁心的绕组槽中；

所述第二定子铁心和输出绕组置于杯形转子的杯体内部；

所述杯形转子的杯体置于第一定子铁心和第二定子铁心之间的空气隙中；

所述无槽转子的杯体置于第一定子铁心和机壳之间的空气隙中；

所述嵌放在第一定子铁心凹槽中的永磁磁钢为四片，在空间上均匀分布；

所述电刷数目为四个，在空间上均匀分布；

所述四个电刷和四片永磁磁钢在空间上的安装位置对齐；

所述隔磁枕套为瓦片状，共四片，在空间上均匀分布；

所述霍尔元件的数目为四个，在空间上均匀分布；

所述四个霍尔元件与四片永磁磁钢的位置在空间上错开45°角；

所述霍尔元件和输出绕组的位置在空间上对齐。

本发明的有益效果：一种永磁式直流伺服测角振动机组，伺服电动机和角振动检测装置共用同一磁场和转轴，无需其他传动部件，结构紧凑、体积小、噪声低、运行平稳；机组中的角振动检测装置测量精度高、动态特性好，且无需滑环等信号引出装置，能够直接、同时将伺服电动机的瞬时旋转角速度和角加速度信号输出，无需微分电路对信号进行处理，具有较好的抗干扰能力和较高的信噪比。

附图说明

图1为本发明的一种永磁式直流伺服测角振动机组的结构图；

图2为本发明的一种永磁式直流伺服测角振动机组的A-A截面图；

图3为本发明的一种永磁式直流伺服测角振动机组的工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图进一步描述本发明的一种永磁式直流伺服测角振动机组的实施。

如图1、图2所示，一种永磁式直流伺服测角加速度机组，包括转轴1、前端盖轴承2、前端盖3、绝缘套筒4、换向器5、电刷6、电刷支架7、机壳8、无槽转子9、永磁磁钢10、第一定子铁心11、后端盖12、杯形转子13、输出绕组14、第二定子铁心15、铜套16、后端盖轴承17、隔磁枕套18和霍尔元件19；

所述转轴1依次穿过前端盖轴承2、绝缘套筒4、无槽转子9、杯形转子13、铜套16的中心孔和后端盖轴承17，并通过前端盖3和后端盖12与机壳8固定；

所述换向器5固定在绝缘套筒4的外侧；

所述无槽转子9、杯形转子13和绝缘套筒4固定在转轴1上，跟随转轴1一同旋转；

所述无槽转子9的电枢和铁心采用固化一体式设计，整体形状为杯形；

所述无槽转子9的绕组通过换向器5与电刷6相连；

所述第一定子铁心11与后端盖12固定，整体为圆环形结构，置于无槽转子9的杯体内部，且设有凹槽；

所述永磁磁钢10嵌放在第一定子铁心11的凹槽中；

所述隔磁枕套18将第一定子铁心11分成内、外两层；

所述第一定子铁心11的内层设有凹槽，霍尔元件19嵌放在凹槽中；

所述铜套16与后端盖12固定，设有中心通孔；

所述第二定子铁心15同心地固定在铜套16的外侧，设有绕组槽；

所述输出绕组14嵌放在第二定子铁心15的绕组槽中；

所述第二定子铁心15和输出绕组14置于杯形转子13的杯体内部；

所述杯形转子13的杯体置于第一定子铁心11和第二定子铁心15之间的空气隙中；

所述无槽转子9的杯体置于第一定子铁心11和机壳8之间的空气隙中；

所述嵌放在第一定子铁心11凹槽中的永磁磁钢10为四片，分别为101、102、103和104，在空间上均匀分布；

所述电刷6的数目为四个，分别为601、602、603和604，在空间上均匀分布；

所述四个电刷601-604和四片永磁磁钢101-104在空间上的安装位置对齐；

所述隔磁枕套18为瓦片状，共四片，在空间上均匀分布；

所述霍尔元件19的数目为四个，在空间上均匀分布；

所述四个霍尔元件与四片永磁磁钢的位置在空间上错开45°角；

所述霍尔元件19和输出绕组14的位置在空间上对齐。

图3为本发明的一种永磁式直流伺服测角振动机组的工作原理图：

直流电流I通过电刷和换向器后，接入到无槽转子的绕组中形成闭合回路，电流I的方向如图所示。永磁磁钢形成的磁场分布情况如图3所示，一部分经过第一定子铁心的外层、空气隙、无槽转子的绕组及其铁心后形成闭合回路，假设该部分恒定磁通为Φ₁，根据直流电动机的电磁转矩公式可知，无槽转子绕组产生的驱动转矩为：

T＝C_TΦ₁I (1)，

式中C_T为与无槽转子绕组结构相关的常数。

根据左手定则，无槽转子受到的电磁转矩为顺时针方向，即此时无槽转子为顺时针旋转。

此外，永磁磁钢形成的磁场，还有一部分经过第一定子铁心内层、空气隙、杯形转子及第二定子铁心后形成闭合回路，假设该部分恒定磁通为Φ₂。由于磁钢的位置和霍尔元件、输出绕组错开45°角，可知磁通Φ₂与霍尔元件、输出绕组没有匝链。

当无槽转子为顺时针旋转时，带动转轴和杯形转子一同转动，假设角速度为Ω，杯形转子的杯体可以看做是很多根导条，如图3所示。则根据法拉第电磁感应定律，杯形转子导条切割磁通Φ₂产生的感应电动势为：

e＝C_eΦ₂Ω (2)，

式中C_e为与杯形转子结构相关的常数。

根据右手定则，感应电动势e的方向如图3所示，对应电流产生的磁通为Φ₃，其方向与感应电流符合右手螺旋定则，且与感应电动势成正比，即：

Φ₃∝e∝Ω (3)。

由于磁通Φ₃穿过第一定子铁心内层、霍尔元件、空气隙、杯形转子、第二定子铁心和输出绕组后形成闭合回路，即磁通Φ₃与霍尔元件、输出绕组同时匝链。

根据霍尔效应，霍尔元件会产生霍尔电势：

E_H∝Φ₃ (4)。

联立公式(4)和(3)可知，霍尔电势与机组的瞬时旋转角速度Ω成正比。

同时根据变压器原理，输出绕组产生的感应电动势为：

$e_o=-N\frac{{\mathrm{d\Φ}}_3}{dt}---\left(5\right).$

联立公式(5)和(3)可知：

$e_o\∝\frac{d\mathrm{\Ω}}{dt}---\left(6\right),$

即输出绕组的感应电动势与系统的瞬时旋转角加速度成正比。

本发明的一种永磁式直流伺服测角振动机组，伺服电动机和角振动检测装置共用同一磁场和转轴，无需其他传动部件，结构紧凑、体积小、噪声低、运行平稳；机组中的角振动检测装置测量精度高、动态特性好，且无需滑环等信号引出装置，能够直接、同时将伺服电动机的瞬时旋转角速度和角加速度信号输出，无需微分电路对信号进行处理，具有较好的抗干扰能力和较高的信噪比。

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。