由于该磁场为恒定磁场，输出绕组8不会产生感应电动势；
[0031] 当杯形转子9逆时针转动时，如图3(b)所示，杯形转子9的杯壁可以看做是多根导 条，切割永磁磁钢6形成的磁场，会产生如图3(b)所示的切割电动势，方向通过右手定子判 断，杯形转子9中产生电流，该电流产生的磁场分布情况如图3(b)所示，其方向根据右手螺 旋定则判断，此时杯形转子电流产生的磁场与霍尔元件14匝链，霍尔元件14输出与角速度 对应的霍尔电势;若杯形转子9匀速转动，则其感应电流形成的磁场恒定，则输出绕组8不会 产生感应电动势，若杯形转子9的旋转角速度发生变化，即存在旋转角加速度，则杯形转子 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8产生与角 加速度对应的感应电动势。
[0032]根据磁路的欧姆定理，永磁磁钢6产生的磁通量为：
[0034] 式中Fp为永磁磁钢的磁势，Rmp为永磁磁钢产生的磁通经过磁路的磁阻。
[0035] 根据法拉第电磁感应定律，杯形转子9逆时针以瞬时角速度ω切割永磁磁钢6的磁 通，所产生的切割电动势为：
[0036] eR = Ce〇p ω ⑵，
[0037] 式中G3为与杯形转子结构相关的常数。
[0038] 根据欧姆定律，杯形转子9产生的电流为：
[0040]式中rR为杯形转子的等效电阻。
[0041]根据磁路的欧姆定理，杯形转子电流产生的磁通量为：
[0043]式中Nr为杯形转子的有效匝数，RmR为杯形转子电流产生的磁通经过磁路的磁阻。
[0044] 根据霍尔效应可知，霍尔元件14产生的霍尔电势为：
[0045] Eh=KhI Or (5)，
[0046] 式中Kh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。
[0047] 联立式（1)~式(5)，可得：
[0049] 根据所述式(6)可知，若霍尔元件14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8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。
[0050] 当杯形转子9的角速度恒定时，产生的切割电动势eR恒定，电流iR恒定，产生的磁通 量Or恒定，与输出绕组8匝链后不会产生感应电动势；当杯形转子9的角速度变化时，即存 在旋转角加速度
，则杯形转子9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8中产生的感应电动势为：
[0052]式中N为输出绕组8的有效匝数。
[0053]根据所述式（7)可知，输出绕组8会产生与瞬时旋转角加速度成正比的感应电动 势。
[0054]图4为一种可同时测量旋转角速度、角加速度的发电机的绕组接线图：801和802为 一组输出绕组的两端;803和804为一组输出绕组的两端;805和806为一组输出绕组的两端； 807和808为一组输出绕组的两端。杯形转子9逆时针切割永磁磁钢6后，其电流形成的磁场 方向如图4所示，与绕组801-802匝链的磁场方向竖直向上，与绕组803-804匝链的磁场方向 水平向右，与绕组805-806匝链的磁场方向竖直向下，与绕组807-808匝链的磁场方向水平 向左。根据楞次定律，绕组801-802、803-804、805-806和807-808产生的感应电势的方向如 图4所示。为了保证输出电动势为串联叠加，输出绕组的连接顺序为801-802-804-803-805-806-808-807。
[0055] 所述的一种可同时测量旋转角速度、角加速度的发电机，能够直接同时将被测瞬 时旋转角速度和角加速度转化成对应的电信号输出，且结构简单，输出信号引出方便，无需 换向装置，不存在电刷接触电阻造成的非线性误差;无剩余电压，能在低速时精确的同时测 量旋转角速度和角加速度，不存在失灵区；由于采用低转动惯量的杯形转子，发电机的响应 时间小，具有较好的动态特性。
[0056] 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。
【主权项】
1. 一种可同时测量旋转角速度、角加速度的发电机，包括机座、外隔磁套筒、外定子铁 心、永磁磁钢、输出绕组、空心杯形转子、内隔磁套筒、内定子铁心、霍尔元件、转轴、左端盖、 左端盖轴承、右端盖和右端盖轴承； 其特征在于:所述内定子铁心与内隔磁套筒固定，内隔磁套筒与右端盖固定;所述转轴 一端穿出左端盖轴承，另一端先穿过空心杯形转子的底部后与杯形转子固定，再穿过内隔 磁套筒和右端盖轴承;所述转轴与内隔磁套筒同轴心，且之间存在空气隙;所述左端盖轴承 和右端盖轴承分别通过左端盖和右端盖与机座固定;所述内定子铁心为分体式结构，各分 体之间存在夹槽;所述霍尔元件固定在内定子铁心分体之间的夹槽中； 所述外定子铁心与外隔磁套筒固定，外隔磁套筒与机座固定;所述外定子铁心与内定 子铁心同轴心，外定子铁心与内定子铁心之间存在空气隙，空心杯形转子的杯壁置于该空 气隙中；所述外定子铁心为分体式结构，各分体设有绕组槽，且各分体之间存在夹槽;所述 输出绕组嵌放在外定子铁心的绕组槽中；所述永磁磁钢固定在外定子铁心分体之间的夹槽 中。2. 根据权利要求1所述的一种可同时测量旋转角速度、角加速度的发电机，其特征在 于：内定子铁心的分体数为四个，对应的内定子铁心夹槽数为四个，四个夹槽在空间平均分 布，相互错开90度空间角。3. 根据权利要求1所述的一种可同时测量旋转角速度、角加速度的发电机，其特征在 于:外定子铁心的分体数为四个，对应的外定子铁心夹槽数为四个，四个夹槽在空间平均分 布，相互错开90度空间角。4. 根据权利要求1所述的一种可同时测量旋转角速度、角加速度的发电机，其特征在 于：内定子铁心分体之间的夹槽与外定子铁心分体之间的夹槽，相互错开45度空间角。5. 根据权利要求1所述的一种可同时测量旋转角速度、角加速度的发电机，其特征在 于:外定子铁心分体的绕组槽共计四个，位于四个外定子铁心分体的中间位置，与内定子铁 心分体之间的四个夹槽在空间上相互对齐。6. 根据权利要求1所述的一种可同时测量旋转角速度、角加速度的发电机，其特征在 于:输出绕组为四组集中式绕组，每组绕组的两个有效边分别嵌放在外定子铁心相邻的两 个分体的绕组槽中。
【专利摘要】一种可同时测量旋转角速度、角加速度的发电机，包括外隔磁套筒、外定子铁心、永磁磁钢、输出绕组、空心杯形转子、内隔磁套筒、内定子铁心和霍尔元件。内定子铁心与内隔磁套筒固定，内定子铁心为分体式结构，各分体之间存在夹槽，霍尔元件固定在各夹槽中；外定子铁心与外隔磁套筒固定，内、外定子铁心之间存在空气隙，空心杯形转子置于空气隙中；外定子铁心为分体式结构，各分体设有绕组槽，且各分体之间存在夹槽，输出绕组嵌放在绕组槽中，永磁磁钢固定在各夹槽中。本发明的可同时测量旋转角速度、角加速度的发电机，能够直接将输入的瞬时旋转角速度和角加速度同时转化为对应的电信号输出，测量精度高，线性误差小，无剩余电压，且动态特性好。
【IPC分类】H02K16/04, G01P3/46, G01P15/00
【公开号】CN105471211
【申请号】CN201511035346
【发明人】赵浩, 冯浩, 丁立军, 王璇
【申请人】赵浩
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年12月29日