一种具有变速功能的非接触式转矩测量装置的制作方法

本发明涉及转矩测量装置领域，特别是涉及一种具有变速功能的非接触式转矩测量装置。

背景技术：

目前，大部分的转矩测量装置都是通过测量应变片的应变来进行转矩的测量，因此测量设备都是安装至主动端和从动端之间的，在很多狭小的场合难以安装；另一方面需要很好的机械对中，否则，在高速旋转时容易造成被测设备或者测量设备的损坏，机械对中繁琐且耗时。同时转矩测量使用的应变片受到外力或者恶劣环境下容易损坏，修复困难。在很多测量实验台中，需要变速箱进行变速，而机械变速箱需要润滑和冷却，长期使用需要维护，而且容易疲劳损坏。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够快速柔性联轴功能，能够通过机械转速的测量计算传递转矩的具有变速功能的非接触式转矩测量装置。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种具有变速功能的非接触式转矩测量装置，所述测量装置包括：永磁转子、鼠笼转子、磁场调制环、主动端和从动端；

所述永磁转子和所述鼠笼转子与所述主动端和从动端连接，所述主动端的转矩传递到所述从动端；

所述永磁转子、所述磁场调制环和所述鼠笼转子从外到内依次嵌套且同轴心安装；

所述磁场调制环包括多段调制铁芯，多段所述调制铁芯并列放置，多段所述调制铁芯均设置有开槽，多段所述调制铁芯每段的开槽数量均不同；每段所述调制铁芯设置在所述永磁转子与所述鼠笼转子之间，所述主动端和所述从动端具有不同的转矩传递倍率和调速比，实现一种具有变速功能的非接触式联轴器装置。

可选的，所述测量装置还包括：测量模块；

所述测量模块分别与所述永磁转子和所述鼠笼转子连接，所述测量模块用于测量所述永磁转子和所述鼠笼转子的转速，并根据所述永磁转子和所述鼠笼转子的转速和所述永磁转子和所述鼠笼转子的转矩传递倍率计算所述永磁转子与所述鼠笼转子之间传递的转矩。

可选的，多段所述调制铁芯的宽度均大于或等于所述永磁转子和所述鼠笼转子的宽度。

可选的，所述永磁转子、所述鼠笼转子和所述磁场调制环均为圆柱筒形结构；

所述永磁转子的内径大于所述磁场调制环的外径；

所述磁场调制环的内径大于所述鼠笼转子的外径；

所述磁场调制环设置有开槽，每段所述磁场调制环的开槽的大小相同，每两个所述开槽的间隔距离相同。

可选的，所述永磁转子包括：永磁转子铁芯和永磁体；

所述永磁转子铁芯为软磁材料叠压形成圆柱筒形结构；

所述永磁体按照n极、s极交替的顺序沿圆周方向排列在所述永磁转子铁芯的内壁。

可选的，所述鼠笼转子包括鼠笼转子铁芯、鼠笼条和导电端环；

所述鼠笼转子铁芯为软磁材料叠压形成的圆柱形结构；

所述鼠笼转子铁芯的外圆设置有导体槽，所述鼠笼条设置在所述导体槽内；

所述鼠笼条的两端分别由所述导电端环连接。

可选的，所述测量模块包括：转速测量单元、转矩计算单元、通讯单元；

所述转速测量单元分别与所述永磁转子和所述鼠笼转子连接，所述转速测量单元用于测量所述永磁转子的转速和所述鼠笼转子的转速；

所述转矩计算单元与所述转速测量单元连接，所述转矩计算单元用于根据所述永磁转子的转速、所述鼠笼转子的转速和转矩传递倍率计算所述永磁转子与所述鼠笼转子之间传递的转矩；

所述通讯单元分别与所述转矩计算单元和用户端连接，所述通讯单元用于将所述永磁转子与所述鼠笼转子之间传递的转矩发送至所述用户端。

可选的，所述转矩测量装置包括：永磁转子、磁场调制环和鼠笼转子；

所述鼠笼转子为圆柱筒形结构，所述鼠笼转子的内径大于所述磁场调制环的外径；

所述磁场调制环的内径大于所述永磁转子的外径；

所述永磁转子、所述磁场调制环和所述鼠笼转子三层依次嵌套且同轴心安装。

可选的，所述永磁转子包括永磁转子铁芯和永磁体；

所述永磁转子铁芯为软磁材料叠压形成圆柱形结构；

所述永磁体3按照n极和s极交替的顺序沿圆周方向排列在圆柱筒形结构的所述永磁转子铁芯的外表面；

所述鼠笼转子包括鼠笼转子铁心和鼠笼条；

所述鼠笼转子铁心为软磁材料叠压形成圆柱形结构，

所述鼠笼转子铁心内圆周均设置有导体槽；

所述鼠笼条设置在所述导体槽内，所述鼠笼条的两端分别由所述导电端环连接。

可选的，所述磁场调制环为至少一段圆周方向开槽不同的圆柱筒形调制铁心并列组成，每段所述调制铁心具有开槽数量不同，每段所述磁场调制铁心的宽度大于和/或等于所述永磁转子和所述鼠笼转子的宽度；

所述磁场调制环为圆柱形结构，所述磁场调制环的材质为硅钢片、非晶导磁材料等软磁材料中的任意一者。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开了具有变速功能的非接触式转矩测量装置，所述测量装置包括：测量模块、永磁转子、鼠笼转子、磁场调制环、主动端和从动端；所述永磁转子与所述主动端连接，所述鼠笼转子与所述从动端连接，所述永磁转子的转矩变化传递到所述鼠笼转子；所述永磁转子、所述磁场调制环和所述鼠笼转子从外到内依次嵌套且同轴心固定；所述测量模块分别与所述永磁转子和所述鼠笼转子连接，所述测量模块用于测量所述永磁转子和所述鼠笼转子的转速，并根据所述永磁转子和所述鼠笼转子的转速和转矩传递比率计算所述永磁转子与所述鼠笼转子之间的转矩。能够实现联轴功能，无须精确对中，安装维护简单方便，能够实现有级调速，且无须润滑和冷却，无须维护，使用方便，具有自我保护功能，防止机械损坏，将变速功能、联轴功能与转矩测量集成在一起，节省空间、体积和成本，无最高转速制约，在机械性能允许的情况下能够实现高速运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的具有变速功能非接触式转矩测量装置的主视图；

图2为本发明实施例1提供的具有变速功能非接触式转矩测量装置的剖面图；

图3为本发明实施例1提供的具有变速功能非接触式转矩测量装置的磁场调制环的结构示意图；

图4为本发明实施例1提供的具有变速功能非接触式转矩测量装置的磁场调制环的结构示意图；

图5为本发明实施例1提供的具有变速功能非接触式转矩测量装置的磁场调制环中间开槽的结构示意图；

图6为本发明实施例1提供的具有变速功能非接触式转矩测量装置的磁场调制环向右移动后的示意图；

图7为本发明实施例1提供的具有变速功能非接触式转矩测量装置的磁场调制环向右移动后的剖面图；

图8为本发明实施例2提供的具有变速功能非接触式转矩测量装置的剖面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种能够快速柔性联轴功能，能够通过机械转速的测量计算传递转矩的具有变速功能的非接触式转矩测量装置。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1、图2、图6和图7所示，一种具有变速功能的非接触式转矩测量装置，所述测量装置包括：测量模块7、永磁转子、鼠笼转子、磁场调制环8、主动端5和从动端6；

所述永磁转子与所述主动端5连接，所述鼠笼转子与所述从动端6连接，所述永磁转子的转矩变化传递到所述鼠笼转子；

所述永磁转子、所述磁场调制环8和所述鼠笼转子从外到内依次嵌套且同轴心固定；

所述磁场调制环包括多段调制铁芯，多段所述调制铁芯并列放置，多段所述调制铁芯均设置有开槽，多段所述调制铁芯的开槽数量均不同；

多段所述调制铁芯的宽度均大于或等于所述永磁转子和所述鼠笼转子的宽度；每段所述调制铁芯设置在所述永磁转子与所述鼠笼转子之间，通过每段所述调制铁芯实现所述主动端与所述从动端之间的无级变速；

所述测量模块7分别与所述永磁转子和所述鼠笼转子连接，所述测量模块7用于测量所述永磁转子和所述鼠笼转子的转速，并根据所述永磁转子和所述鼠笼转子的转速计算所述永磁转子与所述鼠笼转子之间的转矩比。

所述永磁转子、所述鼠笼转子和所述磁场调制环8均为圆柱筒形结构；所述永磁转子的内径大于所述磁场调制环8的外径；所述磁场调制环8的内径大于所述鼠笼转子的外径。

所述永磁转子包括：永磁转子铁芯1和永磁体3；所述永磁转子铁芯1为软磁材料叠压形成圆柱筒形结构；所述永磁体3按照n极、s极交替的顺序沿圆周方向排列在所述永磁转子铁芯的内壁。

所述鼠笼转子包括鼠笼转子铁芯2、鼠笼条4和导电端环；所述鼠笼转子铁芯2为软磁材料叠压形成的圆柱形结构；所述鼠笼转子铁芯2的外圆设置有导体槽，所述鼠笼条4设置在所述导体槽内；所述鼠笼条4的两端分别由所述导电端环连接。

导体槽和导体的宽度能够变化，当导体在圆周方向加宽，多个导体相连可成为一个导体圆环，不影响本发明的效果。

所述磁场调制环8包括：磁场调制环第一调制铁芯801、磁场调制环第二调制铁芯802、磁场调制环第三调制铁芯803；所述磁场调制环第一调制铁芯801、所述磁场调制环第二调制铁芯802和所述磁场调制环第三调制铁芯803并列放置；所述磁场调制环第一调制铁芯801、所述磁场调制环第二调制铁芯802和所述磁场调制环第三调制铁芯803的开槽的数量均不同；所述磁场调制环第一调制铁芯801、所述磁场调制环第二调制铁芯802和所述磁场调制环第三调制铁芯803的宽度均大于或等于所述永磁转子和所述鼠笼转子的宽度。

所述磁场调制环8设置有开槽，每段所述磁场调制环8的开槽的大小相同，每两个所述开槽的间隔距离相同。

所述测量模块7包括：转速测量单元、转矩计算单元、通讯单元；所述转速测量单元分别与所述永磁转子和所述鼠笼转子连接，所述转速测量单元用于测量所述永磁转子的转速和所述鼠笼转子的转速；所述转矩计算单元与所述转速测量单元连接，所述转矩计算单元用于根据所述永磁转子的转速、所述鼠笼转子的转速和转矩传递倍率计算所述永磁转子与所述鼠笼转子之间传递的转矩；所述通讯单元分别与所述转矩计算单元和用户端连接，所述通讯单元用于将所述永磁转子与所述鼠笼转子之间传递的转矩发送至所述用户端。

所述转速测量单元为霍尔传感器、旋转变压器测速传感器、码盘中的任意一者。

永磁转子、磁场调制环8和鼠笼转子为圆柱筒形结构且永磁转子的内径大于磁场调制环8的外径，磁场调制环8的内径大于鼠笼转子的外径；永磁转子由永磁转子铁心1和永磁体3组成，永磁子铁心1由软磁材料叠压形成圆柱筒形结构，也可以是非晶等导磁材料构成，永磁体3的n、s极面对着圆心，永磁体3按照n、s极交替的顺序沿圆周方向排列在圆柱筒形结构的永磁转子铁心1内壁；鼠笼转子由鼠笼转子铁心2和鼠笼条4组成，鼠笼转子铁心2由软磁材料叠压形成圆柱形结构，或者由非晶等导磁材料构成，圆柱形结构的鼠笼转子铁心2外圆周均布有导体槽，导体槽内有鼠笼条4，鼠笼条4为铜或者铝导体，鼠笼条4的两端分别由导电端环连接在一起；如果导体周向变宽，鼠笼转子的导体槽消失，最终可以形成一个圆环形的导体面，同样适用。磁场调制环8为由磁场调制环第一调制铁心801、磁场调制环第二调制铁心802、磁场调制环第三调制铁心803并列组成。磁场调制环8可由软磁材料叠压形成圆柱形结构，也可以由非晶等导磁材料构成。永磁转子、磁场调制环8和鼠笼转子三层依次嵌套且同轴心安装，确保永磁转子的永磁体3、鼠笼转子的鼠笼条4和磁场调制环8相对。

由电机电磁理论可知，永磁转子的永磁体3会在永磁转子和磁场调制环8之间的气隙形成一个磁场，这个磁场经过磁场调制环8调制后在磁场调制环8和鼠笼转子之间形成一个调制后的磁场，当永磁转子旋转时，这个磁场跟着永磁转子旋转，旋转磁场在鼠笼转子的鼠笼条4中产生感应电流，感应电流在旋转磁场中切割磁力线从而受到力，带动鼠笼转子旋转，因此永磁转子的转矩按照一定的转矩传递倍率传递到鼠笼转子。根据运动相对性的原理，如果鼠笼转子主动旋转也会带动永磁转子旋转，将鼠笼转子的转矩按照一定的转矩传递倍率传递到永磁转子。根据理论分析，永磁转子转速n1、鼠笼转子转速n2和永磁转子极对数p1、鼠笼转子极对数p2的关系为：n1/n2＝-p2/p1。可以看到，永磁转子与鼠笼转子转速比，即传动比与极对数的比值直接相关。改变极对数的比值就可以改变速比，即传动比。

如图3、图4、图5所示，磁场调制环8为圆筒形结构，能够在圆周内表面开槽，如图4所示；也可以在圆周外表面开槽，如图5所示；或者在磁场调制环中间开槽，如图3所示；同样也可以在圆周的内外表面同时开槽，也可以上述三种方案的组合形式，具有相同的效果。每段磁场调制环所有开槽几何尺寸相同，间隔距离相同。为了确保调制磁场的效果，一般的开槽部分与不开槽部分在圆周方向尺寸相同或者相近，开槽几何尺寸与不开槽部分相近，开槽的形状没有明确的限制，实现了预期的磁场调制效果即可。考虑到磁场调制环8的机械强度，可以适当调整开槽形状，在磁场调制环8的圆周未开槽部分打孔，并通过穿长螺栓进行紧固。一般称一个开槽和相邻的不开槽部分为磁场调制环8一对极，因此磁场调制环8的极对数和开槽数相同。

而且根据理论分析可以知道，永磁转子的极对数p1与鼠笼转子极对数p2之和为磁场调制环8的开槽数，即调制铁心极对数p3。三者约束关系应该为p3＝p1+p2。由于鼠笼转子的磁场是由其外部磁场感应出来的，因此鼠笼转子的极对数p2由外部磁场的极对数决定，即p2＝p1-p3。因此在永磁转子极对数p1固定不变的情况下，改变磁场调制环8的极对数p3就可以实现鼠笼转子的极对数p2的变化。从而实现转矩和转速的变传动比传递。本实施例中磁场调制环8分围三段，磁场调制环第一调制铁心801、磁场调制环第二调制铁心802、磁场调制环第三调制铁心803，每段具有不同的开槽数，即不同的调制铁心极对数p3。

图1所示的磁场调制环8分为三段，每段调制铁心极对数p3不同。图6、图7所示保持永磁转子和鼠笼转子的轴向位置不动，磁场调制环8轴向向右运动，永磁转子和鼠笼转子之间的磁场调制环第二调制铁心802起作用，转矩和转速传递倍率同时也发生变化。

根据本发明的一方面，磁场调制环8和鼠笼转子之间形成的磁场由永磁转子磁场和磁场调制环8的参数决定。磁场的极对数由永磁转子极对数和磁场调制环8的开槽数量决定。转矩传递倍率由永磁转子极对数和磁场调制环8的开槽数量决定。有多个开槽数量不同的磁场调制铁心轴向并列分布，每个磁场调制铁心的宽度不小于永磁转子和鼠笼转子宽度，不同开槽数量的磁场调制铁心对应不同的转矩传递倍率。磁场调制环8可以沿轴向运动，通过改变作用在永磁转子和鼠笼转子之间的磁场调制铁心改变转矩传递的倍率，达到调速的效果。

根据电机的电磁理论可知，外转子传递到内转子的转矩大小与外转子和内转子的转速差、转矩传递的倍率有关，知道外转子和内转子之间的转速差和转矩传递的倍率就可以获取传递的转矩。测量模块7由转速测量单元、转矩计算单元、通讯单元构成，测量单元测量外转子和内转子的速度，转矩计算单元通过外转子和内转子的速度差和转矩传递倍率计算出外转子和内转子之间传递的转矩大小，通讯单元将转矩测量结果传递到客户终端。可以在所述具有变速功能非接触式转矩测量装置设计时，通过仿真的手段获得不同磁场调制环8作用时外转子和内转子传递转矩大小和转速差的关系，并将此关系存贮在转矩计算单元，在正常使用过程中，转矩计算单元可以通过此关系查表获得传递的转矩。但是仿真结果与真实的传递转矩之间有一定的误差，这部分误差是损耗造成的。根据内转子和外转子的转速可以计算得到转矩损耗，对转矩测量结果进行补偿和修正，使测量结果更加准确。也可以在具有变速功能非接触式转矩测量装置加工制造完成后通过实验获得不同磁场调制环8作用时传递转矩大小和转速差的关系，并将此关系存贮在转矩计算单元，在正常使用过程中，转矩计算单元可以通过此关系查表获得准确的传递转矩，可以避免转矩损耗补偿的问题。

测量模块7固定在静止部件上不动，或者固定在外转子或者内转子上；当测量模块7固定在静止部件上不动时，测量模块7包含至少两个速度测量装置，分别测量内转子和外转子的绝对速度，通讯单元将根据测量信号计算的转矩结果通过总线或者无线通讯传递到客户终端；当测量模块7固定在内转子或者外转子上时，测量模块7包含至少一个速度传感器测量装置，测量内转子和外转子的速度差，通讯单元将根据测量信号计算的转矩结果通过无线通讯传递到客户终端。

根据本发明的一方面，测量模块7的转速测量单元通过霍尔测速、旋转变压器测速、码盘测速中的至少一种方式测量所述外转子和所述内转子的转速。测量模块7的转速测量单元需要同时测量外转子和内转子的速度，或者测量内转子和外转子的速度差，以及外转子或者内转子其中一个的速度。

根据本发明的一方面，测量模块7的转矩计算单元根据内转子和外转子的转速差计算的转矩不包含转矩损耗，根据内转子和外转子的转速计算得到转矩损耗，对转矩测量结果进行补偿和修正，使测量结果更加准确。

根据本发明的一方面，当主动端5的转矩超过设计值时，外转子和内转子不再进行转矩传递，可以有效保护被测试设备，此时转矩测量停止。

实施例2

图8示出了根据本发明第二实施例的具有变速功能非接触式转矩测量装置，该转矩测量装置包括永磁转子、磁场调制环8和鼠笼转子，鼠笼转子为圆柱筒形结构且鼠笼转子的内径大于磁场调制环8的外径，磁场调制环8的内径大于永磁转子的外径；永磁转子由永磁转子铁心1和永磁体3组成，永磁子铁心1可以由硅钢片或其他软磁材料叠压形成圆柱筒形结构，也可以是非晶等导磁材料构成，永磁体3的n、s极面对着圆心，永磁体3按照n、s极交替的顺序沿圆周方向排列在圆柱筒形结构的永磁转子铁心1外壁；鼠笼转子由鼠笼转子铁心2和鼠笼条4组成，鼠笼转子铁心2可由硅钢片或其他软磁材料叠压形成圆柱形结构，也可以由非晶等导磁材料构成，圆柱形结构的鼠笼转子铁心2内圆周均布有导体槽，导体槽内有鼠笼条4，鼠笼条4为铜或者铝导体，鼠笼条4的两端分别由导电端环连接在一起；导体周向变宽，鼠笼转子的导体槽消失，最终可以形成一个圆环形的导体面，同样适用。磁场调制环8由一段或者多段圆周方向开槽不同的圆柱筒形调制铁心并列组成，每段调制铁心具有不同的开槽数量，每段磁场调制铁心的宽度不小于永磁转子和鼠笼转子宽度。磁场调制环8由软磁材料叠压形成圆柱形结构，也可以由非晶等导磁材料构成。永磁转子、磁场调制环8和鼠笼转子三层依次嵌套且同轴心安装，确保永磁转子的永磁体3、鼠笼转子的鼠笼条4和磁场调制环8相对。

所述磁场调制环、永磁转子铁心、鼠笼转子铁心的材质为硅钢片、非晶导磁材料等软磁材料中的任意一者。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。