專利名稱：旋轉機械的直接軸功率測量的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及旋轉機械的直接軸功率測量。
技術背景有許多應用和行業(yè)是基于轉軸來實現(xiàn)某種形式的工作或能量轉 換。轉軸功能的早期示例包括數(shù)千年前用于研磨谷物的水車和風車。 在今天的風車和水電廠上仍在使用轉軸，但是它們與高級技術和處理 結合。在小轉軸用于例如計算機磁盤驅動器、媒體記錄器/播放器和家 用電器等電子設備中時，這些軸一般長度和寬度較小，使得扭矩相對 較小。較大的轉軸經(jīng)歷較大扭矩，并在包括火車頭、飛機、輪船和能 量轉換等等的應用中部署。采用較大轉軸的設備的現(xiàn)代使用結合了傳 感和處理能力以實現(xiàn)安全和有效率操作。解決使用轉軸的設備的設計和操作的途經(jīng)之一是通過測量軸表 面處的應力或應變，可以利用軸表面的應力或應變來測量因外部施加 的力所致的扭矩、彎曲和扭轉。常規(guī)j支術采用多種不同的傳感或測量 扭矩的系統(tǒng)，例如應變儀系統(tǒng)、編碼器/齒系統(tǒng)、聲波系統(tǒng)、彈性系統(tǒng)、 磁致伸縮系統(tǒng)和磁致彈性系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的每一個具有某些特征和 應用。應變儀提供對軸的局部應變測量，并且通常需要至轉軸的某種形 式的耦合，該耦合可以通過物理連接(例如滑動環(huán))或遙測。該儀器一 般受到低穩(wěn)定性的影響，具有帶寬上的限制，并往往有校準和環(huán)境校 正要求。應變儀的有限工作溫度范圍限制了它們在苛刻環(huán)境中的應 用。編碼器/齒輪拾取類型的扭矩傳感常常具有與轉軸的至少某個部分聯(lián)接，例如通過磁性齒輪。齒輪設計對于許多實施而言往往是成本 昂貴且不現(xiàn)實。此類設計對于較高速度的應用是不現(xiàn)實的，并且雖然 穩(wěn)定，但是缺乏高分辨率，且可能在苛刻環(huán)境中導致可靠性問題。聲波系統(tǒng)利用例如表面聲波(SAW)和體聲波(BAW)裝置等傳感 器，它們使用聲波以通過連接到軸的換能器的遙測來檢測對軸的應變 引起的改變。將聲波技術應用于扭矩傳感是相對新的，且當前的系統(tǒng) 是正用于具有高制造容差的更小軸。彈性扭矩系統(tǒng)通過使用在軸的長度上的標記并測量角位移來測 量軸的扭轉。當應用于大直徑的軸時，此系統(tǒng)有精確度問題，并且存 在現(xiàn)實的實施問題。在石茲致彈性系統(tǒng)中，應力通過它在初-料中產(chǎn)生的應變感生-茲化的 "易磁化軸"。此效應通常用在將軸區(qū)域周向磁化，并使用磁場傳感 器來拾取所得到的磁場。如果沒有扭轉應力，則在傳感區(qū)域內包含所 有-茲通量，并且沒有外部場^皮檢測到。如果有扭轉應力，則磁疇纟皮重 新排列，并且外部場^皮改變，其極性和強度對應于軸上的扭矩的方向 和量值。磁致伸縮測量方法利用材料在^支磁化時改變尺寸的現(xiàn)象。磁致伸 縮傳感器與鐵磁軸(例如工業(yè)鋼)以及施加于軸的鐵-茲材料部分一起使 用。在此類材料的情況中，磁致伸縮效應非常小。典型磁致伸縮系數(shù) A〃/處于1至25 x 10《的量級。直接將磁致伸縮效應應用于測量鐵磁 材料中的扭矩需要復雜的傳感器排列(arrangement)，困難的校準程序 并且通常導致精確度有限。一種常規(guī)磁致伸縮扭矩傳感器設計釆用在測量頭的中心處的主 線圈和沿著特定朝向布置在外圍周圍的測量線圈。傳感器通過主線圈 生成恒定的高頻磁場，其中通過測量磁通量的測量線圈來測量所得到 的磁場。當來自所有測量線圈的所得到的磁場等于零時，軸上沒有扭 矩，并且同樣地，非零的任何所得到的磁場指示存在某個扭矩。此方法無需對軸進行任何編碼或其他修改，并且確實具有長期的穩(wěn)定性。但是，精確度是有限的，安裝過程繁瑣，且校準往往困難。 而且， 一般存在對軸與傳感器之間保持小的間隙有很嚴的容差要求， 這難以在溫度變化的環(huán)境中實現(xiàn)。這些測量的精確度在某些要求中是 可接受的，例如監(jiān)視動態(tài)扭矩分量和扭轉振動，但是需要后續(xù)信號處
理以將軸跳動(run-out)的問題減到最小。
可以將》茲致伸縮效應與軸的；茲編碼或應用于軸的編碼部分進行 結合來實現(xiàn)改進磁致伸縮測量系統(tǒng)的精確度。在此類傳感器設計中， 鐵磁材料中磁疇的調整給予(impart)材料尺寸沿著磁軸的某種改變。反 效應是由于機械應力導致鐵》茲材料的》茲化的改變。磁編碼實質上將軸 變成傳感系統(tǒng)的組成部分。當將^L械:扭矩施加于軸時，可靠近軸的編 碼區(qū)域測量扭矩相關的磁場。
一種典型的》茲致伸縮扭矩傳感器設計采用完全軸編碼，并且通過 沿著軸的軸向方向流過的電流發(fā)生磁化。出于說明的目的，這在常規(guī) 方式中使用電流脈沖來產(chǎn)生繞著軸的"磁化環(huán)"。編碼沿著圓周是均 勻的，因為磁編碼需要整個橫截面被磁化，并因此對于較大直徑的軸 變得困難且成本昂貴的。此外，由于軸的電和磁特性的不均一性，對 于此方法存在電流變化方面的限制。當施加:^丑矩時，可以在外部(例如 通過磁通門傳感器)測量扭矩相關的磁場。
有一些可在例如自動化工業(yè)中4吏用的》茲致伸縮編碼的/>知實現(xiàn)。 軸通常沿著軸的軸向部分進行軸向編碼，以產(chǎn)生(establish)磁編碼的區(qū) 域。磁場傳感器在磁編碼的區(qū)域外部署，并然后處理對扭矩測得的響 應。雖然有許多種的其他實施例，但是本文的描述說明基本操作。
參考圖la，軸5由鐵磁材料構成。為了對軸5編碼，沿著軸的周 邊布置電極10、 15,以便形成編碼的區(qū)域20。在本示例中，電極由 一對外環(huán)10、 15組成，并間隔分開以在才艮據(jù)例如軸直徑等多種因素 的編碼期間提供滿意的均勻磁通量密度。
編碼過程通常包括向笫一環(huán)15發(fā)送電流脈沖25,由此產(chǎn)生沿著 軸5的縱向軸的電流30,該電流30在對應的笫二環(huán)10處以輸出返回電流信號35來》丈電。在編碼的區(qū)域20中流過軸5的電流30感生磁 流。各種實施例實現(xiàn)了此基本概念，包括使用多個電極和利用各種編 碼技術。
在操作中，使用傳感器來測量反映施加于軸的扭矩的輸出磁場信 號。在沒有施加應力的情況中，沒有》全測到相關的磁場，^f旦是當對軸 施加扭矩時，傳感器測量到從編碼區(qū)域中出現(xiàn)的磁場的變化。傳感器 通常耦合到一些處理電子裝置。
參考圖1 a-b ，在編碼區(qū)域20中流過軸5的電流30產(chǎn)生磁流40 ， ^茲流40是位于軸5的中心處的磁場。
為了說明的目的， 一個實施例使用單電流脈沖以在軸內產(chǎn)生"磁 化環(huán)，，，由此就有了反映特定時間瞬間軸的特征的關聯(lián)的》丈電曲線。 備選，可以利用具有不同極性和不同時間常量的連續(xù)脈沖，從而可以 編碼兩個/f茲化環(huán)。除了編碼脈沖外，還可以有多個編碼電才及。
這種常規(guī)系統(tǒng)采用軸表面的均勻編碼并且通過沿著軸的軸向流 過的電流發(fā)生磁化。該磁編碼在周向上是均勻的并且需要將軸的整個 斗黃截面石茲化。此類編碼^使得沿著圓周方向實現(xiàn)均勻的電流分布困難， 尤其是在大直徑的軸的情況中。
在沒有施加應力的情況中，基本沒有檢測到磁場，但是當對軸施 加扭矩時，編碼區(qū)域發(fā)出的磁場被傳感器45測量到。在操作中，當 施加扭矩時，在外部(例如通過傳感器線圈45)測量該磁場。傳感器45 通常耦合到一些處理電子裝置(未示出)，并且通常用于測量反映施加 于軸5的扭矩的輸出磁場信號。用于扭矩傳感的傳感器45的一個示 例是靠近軸表面安裝的磁通門傳感器。
本文描述的常規(guī)磁軸編碼一般適用于小直徑的軸，其編碼基于沿 著圓周方向上的均勻(恒定)的通量密度。這對于4交大的軸是不現(xiàn)實的， 因為編碼電流隨著軸直徑增加，并且將需要大的電流強度，以便在大 直徑軸中獲得足夠的通量密度。
為了嘗試緩解這些大直徑軸的問題， 一種常規(guī)方法使用圖lc所示的多通道電連接。在此示例中，將一對環(huán)50、 55布置在軸5的鄰 近處，而多個電連4妄60電耦合到軸5,使得輸入電流信號65沿著軸 5的磁編碼部分長度80傳播，具有返回輸出信號70,從而編碼定義 了軸中的磁化區(qū)域75。
這種復雜的編碼安排需要相對于軸直徑，各個沿著周向布置的電 流進入點之間的間距小。否則，無法實現(xiàn)沿著圓周方向的足夠均勻的 磁化。較大的間距要求該部分長度80更大，這導致許多應用中的實 施問題。此外，必須將施加于電連接的各個電流控制為全部具有相同 的振幅，這樣對于較大直徑的軸來說成本昂貴。
參考圖ld和圖le,圖示了對扭矩90的常規(guī)J茲致彈性傳感，其中 有極化環(huán)92、 93，極化環(huán)92、 93繞著軸94耦合以使環(huán)92、 93磁化 地劃分相反極化區(qū)域。在此示例中，疇壁98分開極化環(huán)92、 93。磁 場傳感器95位于環(huán)92、 93的鄰近處，并傳感磁通量密度96。處理來 自傳感器95的結果，以使環(huán)92、 93中的應力對應于傳送到軸94上 的扭矩。通常，將這些結果傳送到例如用于后期處理的計算機等計算 裝置99。同樣地，應用這種類型的傳感通常對于大直徑的軸是無效率 的。
例如圖la-e所示的常失見傳感系統(tǒng)一詢殳基于稱為逆焦耳效應、 Matteucci效應、Wertheim效應、Villari效應和逆Wiedemann效應(例 如在"對圓形剩磁的逆Wiedemann效應的研究，，("A Study of the Inverse Wiedemann Effect on Circular Remanence " by I. J. Garshelis and J. Ivan, 正EE Transactions on Magnetics, Vol. 10, No. 2, June 1974)中有詳細描 述)的原理來操作。這些效應與磁致伸縮相關，這解釋當施加扭矩時》茲 化材料的體積中的改變，因此解釋力學與磁學之間的聯(lián)系。
已經(jīng)使用各種過程和系統(tǒng)來提供用于轉軸的精確且可靠測量能 力，但是尤其針對較大直徑軸以及工作效率的增強而言仍需要繼續(xù)改 進
發(fā)明內容
本文描述的系統(tǒng)和方法一^:涉及編碼和測量方法和系統(tǒng)，并且更
具體來說涉及具有磁化軸部分的鐵磁軸中的扭矩、功率和撓矩的測量。
一個實施例是，軸的磁編碼系統(tǒng)，包括具有第一端和第二端的至 少一個導電構件，至少一個導電構件布置在軸鄰近處，在構件與軸之 間有間隙。在導電構件的每一端鄰近處有一對電極，該對電極電耦合 到軸，其中電極的其中之一電耦合到導電構件的第二端。編碼源電耦 合到導電構件的第一端，并且電耦合到另一個電極。編碼源使用施加 到電極和導電構件的單極電流脈沖，從而在軸中產(chǎn)生部分編碼區(qū)域。
一個示例中的系統(tǒng)包括布置在軸的至少 一 部分的周圍的不導電 編碼部件，其中導電構件布置在編碼部件內。 一個方面中的導電構件 包括使導電構件沿著軸的至少 一 部分軸向、對角向或圓周向設置朝向。
還有 一個特征包括在編碼期間使電極臨時耦合到軸以及在旋轉 操作期間移除電極。
根據(jù)一個實施例，將至少兩個導電構件圍繞軸設成彼此相鄰，而 軸具有相反極性的部分編碼區(qū)域。 一個附加的特征包括疇邊界在相鄰 部分編碼區(qū)域之間形成。在一個示例中，將相鄰的導電構件設成彼此 緊密地靠近。根據(jù)一個特征，有多個導電構件圍繞軸的至少一部分設 置朝向。
一個方面中的軸由鐵磁材料制成，并且在一個示例中，鐵磁材料 是鋼。根據(jù)另一個實施例，軸具有圍繞軸表面施加的鐵磁材料層。
根據(jù)一個方面的導電構件基本是直線或圓形的，并且沿著軸的一 部分l從向或周向延伸。
一個實施例是用于測量轉軸的特性的系統(tǒng)，它具有圍繞軸布置的 多個先前編碼的磁部分，其中相鄰磁部分具有相反的極性以及相鄰磁 部分之間的疇邊界。有至少一個傳感器布置在編碼的-茲部分鄰近處， 它們之間有間隙。處理部分耦合到傳感器以便處理軸旋轉期間展開的AC場分量，從而基于磁致伸縮效應測量轉軸的特性。
一個方面中的傳感器是空芯電感線圈或磁場傳感器(MFS)的至少 其中之一。磁場傳感器可以包括霍爾效應傳感器、巨磁阻(GMR)傳感 器、磁通門傳感器或磁阻抗傳感器的至少其中之一。
這些特性的一個方面包括基于傳感軸中的磁場分量對軸功率、扭 矩、速度或撓矩的至少其中之一進行的非接觸測量。
一個實施例是， 一種用于對軸編碼的方法，包括在圍繞軸的部分 緊鄰處布置至少一個導電構件，且導電構件具有第一端和第二端。這 包括在第一端和第二端鄰近處將電極布置到軸，其中第二端電極耦合 到導電構件的第二端，將第 一端電極電耦合到電流源并將電流源耦合 到導電構件的第一端，并對導電構件施加單極電流脈沖，從而產(chǎn)生部 分編;馬區(qū)i或。
根據(jù)一個方面，將至少兩個導電構件彼此相鄰地設置朝向，其中 編碼是具有相反極性的，以使所得到的極化i"茲通道具有疇邊界。
本發(fā)明系統(tǒng)和方法的一個技術效果是，磁編碼實質上將軸變成傳 感系統(tǒng)的組成部分，從而當將機械扭矩施加到軸時，扭矩相關磁通量 分量出現(xiàn)在軸的編碼區(qū)域的直接環(huán)境中。
本文描述的特征和優(yōu)點并非涵蓋一切的，并且具體來說，本領域 技術人員根據(jù)附圖、說明書及權利要求將顯見到許多附加的特征和優(yōu) 點。而且，應該注意，選擇本說明書中使用的語言主要是出于可讀性 和說明的目的，而非要限制本發(fā)明主題的范圍。


圖la-c是用于軸扭矩傳感的磁編碼安排的現(xiàn)有技術說明。 圖ld-e是磁致彈性編碼的軸的現(xiàn)有技術表述。 圖2a是根據(jù)一個實施例配置的編碼系統(tǒng)的基本說明。 圖2b是根據(jù)另一個實施例配置的編碼系統(tǒng)的基本說明。 圖3是與一個實施例關聯(lián)的軸中磁通量密度的橫截面圖示。 圖4是根據(jù)一個實施例配置的磁部分的編碼的流程圖。圖5示出根據(jù)一個實施例配置的傳感系統(tǒng)。
圖6圖示根據(jù)一個實施例對軸編碼以生成沿著軸的部分以及;茲場
傳感器的朝向的磁極化區(qū)域。
圖7示出根據(jù)另一個實施例沿著圓周對軸編碼。
圖8示出根據(jù)一個實施例的一個測量系統(tǒng)。
圖9是根據(jù)一個實施例的部分編碼的軸的整體傳感系統(tǒng)。
圖lOa-f是根據(jù)一個實施例的部分編碼的軸的另 一個整體傳感系統(tǒng)。
具體實施例方式
根據(jù)一個實施例，用于軸及其測量特性的增強編碼系統(tǒng)通過部分 編碼來實現(xiàn)，其中沿著軸的軸向或周向生成編碼區(qū)或磁通道。對于大 直徑軸，采用這種磁編碼是有益的，其中可以利用較低的編碼電流來 實現(xiàn)相關的通量密度。
參考圖2，描述了根據(jù)一個編碼實施例對磁極化區(qū)域或通道進行 的編碼。如前文提到的，軸205可以是鐵磁材料或其上已布置附著于 軸的鐵磁材料的至少一部分?？梢圆捎枚喾N方式實現(xiàn)編碼，并且一種 操作方式布置導電構件215、 217，例如圍繞軸205設置的電纜或金屬 條。如所述的，導電構件215、 217沿著軸205縱向延伸，但是它們 也可以沿著周向或對角向延伸。
在本實施例的更具體細節(jié)中，圍繞軸205的至少一部分布置編碼 結構210。本示例中的編碼結構210是在編碼期間耦合在軸鄰近處以 使導電構件215、 217沿著軸205的至少一部分延伸的單元。此實施 例中的導電構件215、 217布置成有正編碼導電構件215和負編碼導 電構件217。編碼結構210的框212通常是不導電材料，由此將導電 構件215、 217絕緣。
編碼可以在制造軸期間或在后期安裝期間實現(xiàn)，并且當施加到適 合類型的材料且利用高電流密度來產(chǎn)生時，該編碼是永久性的。本示 例中的編碼結構描述為環(huán)繞軸205,并且可以包括附加的框部件(未示出)以便保持其圍繞軸的朝向和位置。這可以包括框支架(未示出)以確
保導電構件215、 217恰當?shù)卦O置且足夠用于編碼操作。
雖然圖示的單元210圍繞軸205,但是并沒有要求該單元以導電 構件環(huán)繞軸。在另一個實施例中，編碼結構210位于軸205的一部分 鄰近處，并可以有多個編碼結構圍繞軸而設置，以使每個編碼結構生 成磁極化區(qū)域。
導電構件215、 217布置在軸205鄰近處，在構件215、 217與軸 205的外表面之間有間隙。根據(jù)一個示例，導電構件215、 217是加固 的絕緣銅條，但是其他適合的導體也在該系統(tǒng)的范圍內。導電構件 215、 217可以是具有例如可以是圓形、橢圓形、正方形或矩形形狀的 條。長度可以根據(jù)設計標準有所不同。較長的導電構件215、 217可 以提供用于傳感的更大表面積。導電構件215、 217的直徑應該具有 足夠硬度，并提供所需的電流脈沖。在一個示例中，該條可以是小于 1英寸或幾英寸長并且具有范圍從1/16英寸到1/2英寸的直徑。
導電構件215、 217具有第一端和第二端，并且出于說明的目的， 第一端將耦合到編碼源250而笫二端將耦合到軸205。為了將導電構 件215、 217電耦合到編碼源250,在導電構件215、 217的第一端處 提供電連接240、 260、 280、 290。有用于建立從軸205到編碼源250 的電連接的第一端電極247。有用于建立從導電構件的第二端到軸205 的電連接的第二端電極242。第一和第二端電極247、 242是指至軸 205的電耦合，并在一個實施例中，第一端電極247是圍繞接觸軸205 的不導電框212來耦合的導電元件。 一個實施例中的第二端電極242 是指從導電構件215、 217的第二端延伸到軸205的導電元件。這些 電極還可以是與連接到軸205的跳線或電線的接觸點。
對于正導電構件215,編碼源250正極端沿著正電連4妄器240耦 合到正導電構件215的第一端。編碼源250負極端通過電連接器260 耦合到電極247和軸。
對于負導電構件217,編碼源250負極端沿著電連接290耦合到負導電構件217的第一端。編碼源250正極端通過電連接器280連接 到電極247和軸。
在一個實施例中，電信號245傳播通過軸205,從而在軸205上 生成磁化區(qū)域。此編碼系統(tǒng)的特征之一是能夠對軸中的通道或磁極化 區(qū)域進行磁編碼。具體來說，鋼軸具有高的相對導磁性并且傳播通過 鋼軸的電流產(chǎn)生不同的編碼通道。
部分磁編碼的一個示例使用間隔大約90度均勻地分布的四個導 電構件。正極性電流脈沖240耦合到導電構件215,并且該電流脈沖 沿著導電構件傳播到電極242，電極242圍繞第二端接觸軸205。電 極242釋;^t的電流沿著軸205傳播回到第一端電極247并經(jīng)電連接器 260傳播回編碼源的負極連接。沿著軸205流過的電流245在軸上產(chǎn) 生極化磁通道。結構210中的每個相鄰導電構件將具有交替的極性， 并且脈沖編碼可以同時一次全部、分組或單個地對導電構件編碼。例 如，可以同時對第一組正導電構件215編碼，然后對負導電構件組217 編碼。
編碼源通常可以生成從幾百A到幾kA的單極電流月永沖，脈沖長 度通常為1-100毫秒。編碼源的一個示例基于生成期望的單極電流波 形的電容器組或功率電子裝置。編碼源的另一個示例是脈沖發(fā)生器。 在一個實施例中，電流脈沖是短的，并且可以通過高頻內容來表征。
一個示例中的導電構件包括定義沿著軸按縱向、周向或對角向的 電流的相對直的路徑的剛性或半剛性條。根據(jù)一個實施例，利用框架 部件來以緊固的方式圍繞軸定位導電構件以用于編碼過程。在一個實 施例中，具有導電構件的框架附于(affix)軸周圍，以使軸和框架處于 彼此固定的關系，直到編碼完成為止。
在一個實施例中，通過電流脈沖的時長來控制電流穿透，即在軸 中電流密度的深度。在本示例中，電流脈沖是單極的，并且是正電流 脈沖而無負半波，或如果施加負電流脈沖，則無正半波。在一個實施 例中，通過對電容器組放電來生成電流脈沖，其中放電電阻器的大小確定放電時間常數(shù)，并因此確定電流穿透的深度。通過說明方式，一 個示例中的部分編碼方法使用脈沖長度各約為5毫秒的5個連續(xù)的
500A電流脈沖，以生成約5高斯的永久磁通量密度，用于對具有60 mm直徑的工業(yè)鋼軸編碼。
根據(jù)一個簡單的編碼方法， 一次一個電^各地對》茲化部分編碼。例 如，可以施加正極性電流脈沖以對第一編碼部分編碼，接著是通過施 加具有負極性的第二電路而磁化的另 一部分。使用交替的極性電流脈 沖對后續(xù)部分編碼。
利用交替極性電流脈沖的這種連續(xù)編碼過程產(chǎn)生多個幾乎相同 的編碼部分。如果僅將一個電流脈沖施加到要磁化的每個部分，則這 些部分一般不相同，因為磁化第二個部分也會影響笫一個磁化部分。 這種非期望的相互作用在編碼工具的中部比其開始處和結束處更高， 其中電極接觸軸。在執(zhí)行連續(xù)電流脈沖、磁化的同時使這些部分交替， 并通過執(zhí)行靠近電極接觸軸處區(qū)域的磁場測量時可以實現(xiàn)幾乎相同 的編碼部分。在軸中連續(xù)產(chǎn)生磁化區(qū)的另一個示例測量在每個分段或 區(qū)中產(chǎn)生的場強，并調整電流脈沖的振幅以便用于后續(xù)編碼步驟。
為了避免一個部分的連續(xù)磁化受到下一個磁化的影響，另一個編 碼實施例是對所有導電構件施加相同的電流振幅并立即，十所有部分 編碼。在一個實施例中，導電構件將^f吏用單獨或分開的編碼源來適應 多個導電構件。在一個實施例中，對每個導電構件將使用單獨的電容 器組。
例如，如果有四個分段，則可以使用一個編碼源以交替極性對四 個電流編碼源中的每一個施加相同的電流脈沖。在另一個示例中，有 四個單獨的編碼源，從而避免編碼過程期間不同編碼電流之間的短 路。在另一個示例中，可以采用開關方案來施加具有交替極性的電流 脈沖信號。
雖然常規(guī)技術依賴于軸整個周緣磁化，本文中的一個系統(tǒng)實施例 使用返回電流對軸中的磁通道編碼。部分磁編碼利用非對稱表面效應(asymmetrical skin effect)以及電流總是取道最d、阻抗的路徑的事實。 如果電流的頻率足夠高，則阻抗主要取決于電感。在短電流脈沖的情 況中，軸中流動的返回電流將比較長脈沖的情況中更為局部化，從而 能夠實現(xiàn)極化且良好定義的/窄的磁性圖。這種效應用于以更局部化的 通道》茲化軸部分，這促成傳感期間磁場中更快速的改變。因此，編碼 期間的脈沖長度影響傳感應用期間觀察到的信號頻率。
參考圖2b,圖示另一個編碼配置，其中在軸205鄰近處有成對的 導電構件294、 295。在此實施例中，成對的導電構件294、 295圍繞 不導電框292耦合，其中可以圍繞框292放置多個成對的導電構件。 導電構件294、 295位于彼此附近、近似平行并^支間隙296分開。
與圖2a的描述相似，將導電構件耦合到編碼源，以使這些構件 以相反極性耦合。存在連接，將導電構件的一端電耦合到編碼源，同 時將另一端電耦合到軸205。編碼在功能上與對圖2a詳細描述的類似， 但是所得到的部分磁編碼部分是成對的，并產(chǎn)生彼此相對的隔離的疇 邊界，正如本文例如在圖6中7十此進一步詳細描述。
參考圖3，示出編碼軸的一個示例的橫截面圖。根據(jù)一個實施例， 編碼包括在軸鄰近處的導電構件，該導電構件施加編碼力永沖，并且編 碼^f吏用流經(jīng)軸的返回電流來對軸編碼。
在本示例中，有四個導電構件310、 312、 314、 316，它們圍繞軸 350間隔約90度。導電構件310、 312、 314、 316與軸350之間的間 隙375通常小，因為導電構件越靠近軸表面，生成的磁場越強或所需 的能量越少。在一個實施例中，間隙375小于1 mm,并且可以在導 電構件與軸表面之間包括絕緣片(未示出)。容差一般不是問題，因為 僅在編碼過程期間使用，而在軸操作期間不使用。
導電構件310、 312、 314、 316圖示在通過編碼源(未示出)進行編 碼過程期間使用的交替相反^t及性，從而有了正極性構件312、 316和 負極性構件310、 314。編碼生成部分極化-茲區(qū)域330、 332、 334、 336。 為了更好地說明，圖3所示的磁場線屬于利用DC電流的磁化。當利用DC電流脈沖執(zhí)行磁編碼時，表面效應阻止磁場線穿過整個軸4黃截 面。相反，它們聚集在軸表面附近。DC電流脈沖長度越短，軸表面 附近的電流和磁通量密度越高。這對于基于磁場測量來測量扭矩是有 利的，因為靠近軸表面產(chǎn)生最高的磁通量密度，距離磁場傳感器僅幾
個毫米的徑向距離。此編碼的獨特屬性之一是產(chǎn)生具有疇邊界380的 ^茲極化區(qū)域330、 332、 334、 336。當對軸施加扭矩時，在疇邊界380 處出現(xiàn)磁通量密度上的最大改變。
因此，^茲極化區(qū)域330、 332、 334、 336顯示當以短電流》;K沖編 碼時，這些磁場是良好定義的分別極化磁區(qū)域通道，并且定義彼此相 對的磁疇邊界380。當軸承受扭轉力矩時，邊界380往往是呈示靠近 軸表面可測量的最高磁通量密度的區(qū)域。這些疇邊界380因此表示傳 感的最佳位置。
參考圖4，詳細描述用于處理編碼部分的一個實施例，此編碼部 分具有含疇邊界的磁極化區(qū)域?？梢栽谥圃爝^程期間、制造后或安裝 后對軸進行編碼，隨需求而定。如前文提到的，軸應該是鐵磁材料的 或具有附著軸的鐵磁材料以用于編碼。
將某種形式的編碼部件圍繞軸部分安裝或定位410，其中該部件 幫助將導電構件維持在彼此間適合的關系并且也維持對軸的適合的 關系。導電構件通常彼此按空間關系設置，并且部件幫助維持該關系。 安裝的部件可以具有例如本領域中公知的多種類型，包括蛘殼設計和 兩片部件。定位的部件可以是圍繞軸的 一部分定位的更具整體性的殼 體。
在一個實施例中，該部件相對于導電構件具有兩個或兩個以上自 由度，并且使導電構件能夠建立彼此的空間關系，例如基于軸直徑的 相^f立間足巨。
在編碼過程期間可以有多個部件耦合到軸，或者可以有單個部件 在沿著軸的不同部分位置處多次使用。
導電構件電耦合到編碼源，并且還電耦合到軸415。在一個實施例中，電極將導電構件和編碼源與軸耦合，并且也可以使用電引線或 跳線來耦合以提供電耦合。可以將電極大約垂直地放置在導電構件的 端部使電極大致剛好對齊于導電構件的端部下方。
可以根據(jù)設計標準以多種方式來實現(xiàn)電連4妄。例如，可以通過足 夠厚度以適應編碼信號的電跳線或導線將導電構件的一端上的電極 連接到編碼源。在一個示例中，將導電構件耦合到編碼源，以便以交 替的極性耦合交替的導電構件。
編碼源將電流脈沖引入到導電構件420。通常，對每個導電構件
施加多于一個電流脈沖，并且通常施加多個電流脈沖。在一個實施例 中，順序地將這些電流脈沖施加到每個導電構件。這可以通過首先對 每一個正極性導電構件施加電流脈沖(具有耦合到負極性的對應電極) 或通過對每個導電構件順序地施加電流脈沖并按需要交替極性來實 現(xiàn)。并聯(lián)連接導電構件的一個缺點是每個導體中電流振幅降低，并且 實現(xiàn)并聯(lián)導體上相等的電流分布困難。
舉例說明順序編碼，對第一導電構件施加第一電流脈沖，并施加 具有相同極性的多個電流脈沖。因為框架通常圍繞固定軸部署，所以 編碼分段的位置是已知的。這使通過將軸旋轉固定的量或將容納導電 構件的部件旋轉固定的量來對附加的分段施加編碼脈沖變得容易。
在一個實施例中，通過對電容器組;故電來生成電流脈沖，其中可 以由放電電阻器來修改電流脈沖的脈沖長度。在一個示例中，下落時 間約為10毫秒。備選，電流脈沖的時長可以由開關裝置來調整，可 以將開關裝置從不導電狀態(tài)切換到導電狀態(tài)，并且在某個時間之后返 回到不導電狀態(tài)。
通常使用短電流脈沖，因為較高頻率降低軸穿透深度。本示例中 的電流脈沖是單極脈沖，并且足夠短以致于僅穿透表面區(qū)域并生成靠 近軸表面的相同的部分磁極化區(qū)域330、 332、 334、 336(如圖3所示) 以實現(xiàn)DC電流編碼。
電流密度的深度由表面深度5表征，表面深度5可根據(jù)如下關系計算
~ ;r x / x //。 x /々x cr 其中
軸的導電率 f-頻率
//。-真空的磁導率
A -軸材料的相對磁導率
假定電容器放電生成的電流脈沖，其中電流的上升時間遠小于電 流衰變時間(下落時間)，則上面關系中的頻率與編碼期間施加的電流 脈沖的下落時間相關。 一般來說，上面關系中的頻率與施加的電流廚t 沖的基頻(第 一諧頻)相關。因為對高相對磁導率的鐵磁材料進行編碼， 所以表面深度甚至在中頻處仍變得相對較小。
無論如何施加電流脈沖，電流脈沖均在軸430中感生生成磁極化 區(qū)i或的f茲場。應該理解，電流月永沖的施加可以對所有導電構件同時進 行、對每個構件順序進行或對某個分組的構件進行。
根據(jù)一個實施例的磁軸編碼引入沿周向方向的規(guī)則磁化圖，可以 按足夠的周向間距設置這些規(guī)則磁化圖。在本示例中，通過旋轉磁化 軸獲得的磁場是AC場，并且AC場的頻率耦合到軸的旋轉頻率。中 頻使得能夠使用標準磁場傳感器(例如霍爾效應或磁通門傳感器)來測 量由旋轉軸引起的所產(chǎn)生的磁場。在另一個實施例中，使用耐高溫空 芯電感線圈來執(zhí)行場檢測。可以在軸中實現(xiàn)足夠多數(shù)量的編碼部分， 以使得甚至在高旋轉速度下，可檢測到足夠高頻率的信號。
根據(jù)一個實施例， 一種簡單的編碼排列使用附接于軸表面鄰近處 的至少一個孤立導體，其具有第一端和笫二端。在軸上可以有接近導 電構件的輸入側和輸入端的電極，以便建立電流和返回路徑。
另 一個實施例-使用圍繞軸的至少 一部分布置的四個或四個以上導電構件，它們具有交替極性使得導電構件的交替極性為負極、正極、 負極和正極并依此類推。在另一個實施例中，導電構件是成對的且以 交替極性彼此靠近，并且可以有圍繞軸的多對導電構件。
在一個方面中，在導電構件上傳送信號，以使第一組編碼灌注在 軸的部分上。 一個附加的方面是，同時將第一組編碼進行編碼，以使 所有通道同時被編碼。可以從不同源對導電構件供給，以避免軸中流 過的返回電流之間的短3各。在又一個方面中， 一次在一個導電構件中 #1行編碼。
可以將一組附加的編碼布置在位于圍繞軸的部分的一組局部通 量密度最小值鄰近處。局部最小值布置在與第一組編碼偏移的位置 處，并且居中于具有不同極性的導電構件之間，如圖3所示。
作為說明，編碼系統(tǒng)可以通過包圍軸的部分的殼體結構來實現(xiàn)。 殼體通常包含位于軸鄰近處但不與軸直接接觸的多個導電構件。這些 導電構件可以是圍繞軸朝向的孤立導體，僅有所需數(shù)量的構件，例如 用于第一編碼的四個或/v個構件以及用于第二編碼的四個或八個構 件。備選，可以有附加的構件，從而僅一些構件被利用，隨應用而定。 這種實現(xiàn)提供冗余性，并允許更大量的導體用于其他應用。
在某些情況中，軸直徑是確定順序編碼是否可接受的因素，因為 在編碼構件之間應該有足夠的分隔，以使個體編碼不會干擾其他編 碼。
在一個方面中，系統(tǒng)產(chǎn)生在軸附近周向改變的磁場，并且隨著軸
旋轉，這將產(chǎn)生AC場分量。所得到的AC場分量可由搜索線圈來測 量。這種系統(tǒng)對于DC場干擾不敏感，并對于例如磁通門傳感器等其 他傳感器而言，可應用于較高溫度范圍。在另一方面，包括以低速或 中等速度旋轉的大直徑軸，可以通過磁場傳感器(MFS)來4丸行;磁場傳 感。磁場傳感器一般用于測量;茲通量和/或^茲場的強度和方向，并且可 以基于多種類型的傳感器，包括磁致伸縮裝置、磁通門或線圈傳感器、 霍爾效應傳感器、磁阻抗傳感器。選擇特定磁場傳感器取決于設計標準，并且包括例如通量密度、分辨率、精確度和軸的數(shù)量等某些方面。 就軸而言，可以將傳感器布置為將測量的響應最大化，由此可以將傳
感器設置朝向為例如0度、45度和/或90度?？梢岳貌煌愋偷膫?感器來從軸獲取各種數(shù)據(jù)。
部分編碼可以采用多種方式來執(zhí)行，包括沿著周向僅對一個或多 個軸部分編碼并沿著周向多次編碼以便生成周期性交替的通量分量， 從而可以使用電感傳感器來傳感磁通量密度。根據(jù)預計的應用需求， 多個編碼能夠在軸的旋轉期間提取更多的數(shù)據(jù)，這可以提供更精確且 及時的處理。舉例來說，具有400匝、1000 f2電阻和0.9mm2面積的 線圈對于正弦AC磁場具有范圍為2/ZTxV^的噪聲電平。在1000 rpm 的轉軸且測量帶寬為50 Hz的情況中，這導致0.8#的噪聲電平。因 此，可以由小空芯線圈精確測量范圍在幾十或幾百微特斯拉的磁場。
參考圖5,示出另一個編碼實施例。在本示例中，在圍繞軸的一 個或多個部分處形成》茲4及化部分。這種實現(xiàn)對于大直徑軸的部分^茲編 碼特別有用，其中對整個周緣編碼是極其昂貴且耗時的。
圖5中示出編碼過程之后所產(chǎn)生的磁場線。在本示例中，有四個 編碼部分510、 520、 530、 540,它們各具有位于軸表面鄰近處的相應 磁場515、 525、 535、 545，其磁通量密度具有基于編碼的特性。磁場 線的穿透深度取決于例如編碼過程中所使用的電流脈沖的長度等因 素。在一個實施例中，通過對不同才及性和長度的界p中進行編碼產(chǎn)生編 碼部分之間的良好定義的疇邊界580,這些脈沖被施加于每個磁極化 部分處。因此，可以靠近軸表面產(chǎn)生具有不同極性的,茲極化部分之間 的疇邊界580。
磁疇邊界580的朝向幫助確定磁場傳感器560用于測量4丑矩相關 的場改變的最佳朝向。不導電傳感器560設成檢測轉軸的;茲場，可以 處理該磁場以提供圍繞軸的某些特性。
傳感框部件550可以是軸的周緣的一部分或圍繞整個周緣布置。在某些實施例中，將傳感器560集成到現(xiàn)有的軸殼體中，從而無需單 獨的傳感器部件，并且集成的結構執(zhí)行傳感器部件的功能。殼體可以 提供多個傳感器插槽570,從而可以部署任何數(shù)量的傳感器560。金 屬殼體的一個優(yōu)點在于，它提供對外部AC磁場分量的屏蔽。
高功率應用需要可靠的扭矩監(jiān)視。根據(jù)一個實施例，系統(tǒng)部署更 多的傳感線圈，并因此獲得更大的讀數(shù)頻率和更大的可靠性。傳感線 圈相對便宜，且可以容易地在傳感器容器中部署多個線圈。在一個示 例中，有多個傳感器560布置在傳感器部件內。根據(jù)一個實施例，使 用多個傳感器560以通過允許更頻繁的測量而提供更大的可靠性。多 個傳感器560還可以用于提供冗余性，以便甚至在一些傳感器故障的 情況下傳感功能仍可工作。在另一個示例中，部署不同類型的傳感器， 以便可以測量不同類型的數(shù)據(jù)。多個傳感器類型可以利用特定傳感器 的傳感特性或在其他方面能夠獲得強化的傳感功能。在又一個實施例 中，部分編碼過程包括具有不同編碼特性的不同編碼部分，從而傳感 器可以獲得多種形式的數(shù)據(jù)。
通過舉例，如圖3所示四個編碼部分的4吏用可用于例如60 mm的 軸。對于更大直徑軸或對于更精確的測量，可以采用附加的編碼以添 加另外的磁極化區(qū)域和對應的邊界。為了將扭矩無需高采樣率的應用 中對大軸進行磁編碼的時間工作量和成本減到最小，可以4叉沿著周向 部分i也^H匕軸，例如圖6所示。
生成磁編碼極化區(qū)域及其之間的中性區(qū)使得能夠在轉軸周圍生 成扭矩相關的AC場分量，從而可以通過測量放置在軸附近的線圈中 的感生電壓來直接測量軸功率。
使用搜索線圈中的感生電壓直接測量軸功率(或速度和扭矩)可在 高于500。C的溫度下適用，并且僅受線圈材料特性所限。當4叉測量 AC場分量時，該系統(tǒng)還對始發(fā)于周圍的恒定磁場不敏感。
參考圖6,示出用于部分磁編碼的一個實施例。在本示例中，導 電構件對610、 612; 620、 622; 630、 632;以及640、 642位于軸605周圍。使用每對來產(chǎn)生磁-歐化區(qū)域，這些磁極化區(qū)域具有成對導電構
件的對應磁場614、 616; 624、 626; 634、 636;以及644、 646的疇 邊界?？梢詫щ姌嫾?10、 612; 620、 622; 630、 632; 640、 642 中的每一對耦合到編碼源(未示出)，編碼源對每對中的構件提供不同 的極性以便生成交替極化的磁場。
例如，導電構件612采用正極性編碼，而成對的導電構件610使 用負極性編碼。從編碼得到的極化磁區(qū)域616、 614具有疇邊界區(qū)域 650，該邊界區(qū)域650表示來自軸605的扭轉力矩的最佳響應的位置。 不同于圖3的疇邊界，成對極化磁區(qū)域相距遠，并且每個相應區(qū)域之 間有空隙間隔660。
在圖6圖示的示例中，在軸605上有由四對導電構件610、 612; 620、 622; 630、 632; 640、 642生成的八個編碼區(qū)域614、 616; 624、 626; 634、 636;以及644、 646。因此，可以無需磁化整個軸而實現(xiàn) 具有四個磁疇邊界650、 652、 654、 656的良好定義的磁極化區(qū)域。 可以將本示例中使用的磁場傳感器沿著周向設置朝向以^更測量與軸 表面相切且垂直于磁疇邊界的磁場分量。在理想狀況下，il^f于磁場 傳感器來說是最佳朝向。如果場傳感器安裝在編碼工具電接觸軸表面 所在的位置附近，則磁場傳感器的其他朝向可能會是有利的。
參考圖7，示出編碼的另一個實施例，用于沿著軸705的徑向周 緣進行磁編碼并在軸上產(chǎn)生磁疇邊界。在此示例中，有圍繞軸705的 分段定位的弧段720、 740。將一個導電弧段720耦合到正極端710上 的正極性編碼源(未示出)，以使編碼電流沿著從正極端并且沿著弧720 流過。在本示例中，通過與軸705接觸的電極725將導電孤段720的 另一端耦合到軸705。因此，編碼電流脈沖沿著導電構件720流過， 返回電流沿著軸705流到返回端715處的返回電極，該返回端715電 耦合到編碼源(未示出)。
將其他導電弧段740在返回端730上耦合到編碼源(未示出)。編 碼信號經(jīng)由與軸705接觸的電極沿著軸表面并通過電極745 /人編碼源(未示出)傳播到正極端735。編碼電流沿著弧段740流過并經(jīng)由返回端 730返回到編碼源(未示出)。同樣地，此編碼生成圍繞軸705的周緣的 部分磁區(qū)域。產(chǎn)生極化磁區(qū)域的導電弧段對720、 740的組合還產(chǎn)生 位于其之間的疇邊界750,這是最佳傳感區(qū)域。
在本示例中，有兩個極化區(qū)域沿著軸的軸向設置朝向。磁場測量 比其他實施例更簡單，因為軸快速旋轉，而在周向上有更長長度的傳 感區(qū)域。
應該顯見到，雖然示為大約半圓的弧段，但是這些弧段可以是軸 的小部分或圓形周緣的較大部分。而且，雖然示出為周向的，但是編 碼通道可以沿著軸的任何方向，例如沿著磁極化通道的對角線。
參考圖8,示出簡化的測量系統(tǒng)的一個實施例。在本示例中，磁 編碼的軸805包括由在這些部分中的每一個具有交替極性的編碼脈沖 導致的多個極化磁區(qū)域810,其之間具有磁疇邊界。磁編碼極化區(qū)域 的數(shù)量取決于編碼和i殳計標準，例如軸的直徑。應該i人識到，為了方 便，極化磁通道的形狀示出為直線。在本示例中，使用傳感器820、 825、 830、 835來測量才喿作期間的轉軸的多個方面。
再次參考圖8，當軸805沒有承受扭矩或彎曲時，磁通量路徑主 要靠近在軸材料內。當對軸805施加一些扭矩或撓矩時，在磁疇邊界 處的通量分量的不連續(xù)在空間中(在軸材料外)產(chǎn)生一個或多個傳感器 820、 825、 830、 835可測量到的附加的^茲場。
在本示例中，傳感器單元820、 825、 830、 835處在距離軸805 某個小距離處，并使其朝向可檢測磁場。傳感器820、 825、 830、 835 可以是相同或相似類型的傳感器，并將朝向設置為相對于軸在相同或 相似平面中。在另一個實施例中，以不同方式將這些傳感器的朝向i殳 置為，例如使之能夠檢測到不同測量的不同角度。而在又一個實施例 中，傳感器820、 825、 830、 835屬于配置成^r測不同特性的不同類 型。測量的數(shù)據(jù)通常經(jīng)過后續(xù)處理以基于測量的磁場來確定與軸關聯(lián) 的特征。常規(guī)磁致伸縮傳感器系統(tǒng)的高溫工作受限于需要能夠傳感DC磁 場的傳感器。例如在磁通門傳感器中，高溫工作受限于磁通門傳感器 中使用的芯材料的居里溫度。部分磁編碼提供測量因軸的旋轉部分引 起的AC磁場所導致的感生電流的能力。在一個示例中，傳感器是具 有空芯的傳感器線圏。但是，其他傳感器是可能的，包括磁通門、霍
爾效應、各向異性磁致伸縮和巨磁阻抗(GMR)。
在一個實施例中，期望傳感器成對(820、 825和830、 835)地工作 并以不同的操作才莫式工作，因為這使其針對常見干擾;溪式類型(例如環(huán) 境溫度或外部磁場)更魯棒，并提供對相反方向的扭矩的對稱響應。在 一個示例中，第一傳感器對820、 825相對于軸按不同于第二傳感器 對830、 835的角度設置朝向。
該系統(tǒng)的 一個實施例提供用于磁致伸縮測量的磁編碼系統(tǒng)和方 法。與常規(guī)方案相比，軸具有編碼成生成交替磁通量分量的磁極化區(qū) 域，從而可以使用電感傳感器來傳感直接與施加的扭矩成比例的磁通 量密度。
在某些應用中，當施加部分^茲編碼時，難以精確地在所有軸部分 中實現(xiàn)相同的通量分布和/或》茲化。部分之間缺乏一致性有多種原因， 例如》茲編碼工具相繼地施加于不同的部分，才才才牛不均一性和施加于軸 部分的磁化電流密度不同。在磁化工具無法同時并以串聯(lián)方式與該部 分連接時，這尤其相關。由于編碼通道之間的磁特性上的差異，所以 在不同的f茲編碼軸部分上以相同的傳感器傳感相同的4丑矩或功率可 能導致不精確的結果。
因此， 一個實施例中的磁場傳感是基于一種方法和系統(tǒng)，其中測 量值是基于積分方法。該積分通常包括用于積分處理的多個因素。該 積分通常包括軸的至少 一個完整旋轉。
在圖9中，出于說明目的提供一個測量系統(tǒng)示例以解釋操作，其 中編碼的軸905具有軸上的多個才及化磁區(qū)域907。標記A和A，的第一 對傳感器910布置在軸905鄰近處，其之間有小間隙。傳感器910基于對磁場907測量的改變來測量軸的特性。作為說明處理的一個示例， 將傳感器A和A，的朝向設置為測量與軸的軸向垂直的切線磁場分量。 為了更好理解，假定在軸旋轉時，傳感器測量理想的正弦波信號。傳 感器A，接收正弦信號920，在減法器925中將其與來自傳感器A的信 號930組合以產(chǎn)生結果信號935。此信號935纟皮積分器940積分，產(chǎn) 生第一積分信號945。
標記B和B，的第二^f傳感器915也布置在軸905鄰近處，其之 間有小間隙。傳感器915也基于對磁場907測量的改變來測量軸的特 性。傳感器B接收正弦信號950，在減法器960中將其與來自傳感器 B，的信號955組合以產(chǎn)生結果信號965。此信號965 一支積分器970積 分，產(chǎn)生第二積分信號975。在加法器985處，將第一積分信號945 與笫二積分信號975組合成組合信號980,以產(chǎn)生組合的輸出信號 990。
在一個實施例中，有八個編碼部分和八個電感線圈，其中在一個 旋轉期間實現(xiàn)八個測量值。例如，對以3000rpm旋轉的軸，每2.5毫 秒取一個新樣本，這通常對于例如大軸等大多數(shù)高功率應用是足夠 的。如果此采樣率不夠，則可以增加編碼部分的數(shù)量或傳感線圈的數(shù)量。
如果需要測量扭矩的更高采樣率，則可以利用更高級的信號處理 算法以便能夠實時輸出測量信號而不積分。
參考圖10a-10f,詳細描述用于部分編碼的軸1005的高級信號處 理的傳感實施例，并包括兩個測量情況，即斜坡扭矩改變(圖10c-d) 和階梯函數(shù)扭矩改變(圖iOe-f)。此實施例可以用于使用正弦函數(shù)的測 量的扭矩的更高采樣率，其中通常對編碼和解碼采用正弦函數(shù)。更高 的釆樣率能夠實時輸出測量信號，因為無需積分。
參考圖10a和10b，有四個編碼部分1015,其分別具有相應的疇 邊界和六個傳感器單元1010。在接收線圈處以串聯(lián)方式耦合相距180° 的兩個傳感器1010的相應輸出。然后將三個結果輸出組合以形成三相信號1020,并且在一個示例中相位一 1022由來自傳感器1和4的 輸出組成；相位二 1024包括來自傳感器3和6的輸出；以及最后一 個相位1026包括傳感器輸出5和2。在某個時間，軸承受到某個扭矩， 然后處理測量。
圖10c和圖10d以圖表形式圖示經(jīng)過dq變換的扭矩改變的斜坡 函凄t的處理。斜i皮函數(shù)1030包括相位'a' 1032、相位'b' 1034和相位'c' 1036，并示出輸出斜坡如何以線性方式隨著時間向下斜。dq變換輸出 1040示出d輸出1042和q輸出1044。
圖10e和圖10f以圖表形式圖示經(jīng)過dq變換的扭矩改變的階梯函 數(shù)的處理。階梯函數(shù)圖1050示出相位'a' 1052、相位'b' 1054和相位'c' 1056，并包括由于一些軸改變所致的輸出之間的差1058。
以圖表形式示出變換的輸出1060,示出d輸出1062和q輸出 1064，其中扭矩表示為電平的改變1066。
在一個實施例中，有如下的傳感的信號的dq0變換
V =g(V^cos《購+ V^cosi。卜2jT/3) + VcCos,.w《"2jr.鄰)
才艮據(jù)一個實施例的編碼方法和系統(tǒng)能夠高度精確地測量旋轉枳i 械的直接功率、扭矩和/或撓矩。根據(jù)傳感線圈的數(shù)量和傳感線圈處理， 電信號直接與軸功率、扭矩或撓矩成正比。傳感器積分容易是使用小 線圈實現(xiàn)的該系統(tǒng)的又一個特征。將傳感器電子元件放置在距離傳感 器某個距離以及遠離傳感器安裝多達數(shù)米以便能夠在苛刻環(huán)境中測 量也是可能的。
本文詳細描述的系統(tǒng)的特征之一是，基于相對于軸傳感AC場分 量的軸功率、扭矩、速度的非接觸測量?？梢院唵蔚卦诟咚傩D的軸 (例如高速電機械或噴氣發(fā)動機)中實現(xiàn)高采樣率。軸功率、扭矩和速 度的測量可以基 較小、成本低且允許在包括溫度范圍高于220攝氏度的環(huán)境中操作的空芯電感線圈。
此系統(tǒng)還提供不接觸測量系統(tǒng)，因為在操作期間沒有任何東西附 接到轉軸。這種不接觸系統(tǒng)能夠直接監(jiān)視軸功率，這對于例如大渦輪 火車的軸系統(tǒng)的不同部分中片企測歲文率下降是極適合的。
可以從本文詳細描述的測量系統(tǒng)中獲益的 一個應用示例涉及風 力渦輪的傳動系統(tǒng)。具有磁化構件的框可以在制造過程期間快速安 裝，從而滿足主軸的磁編碼需求。風力渦輪主軸中的高度關注點 _
視撓矩，以及基于撓矩測量，在應用非對稱負載控制(ALC)時此類力
矩的減少。能夠進行撓矩測量的磁編碼的一個示例設計是用于風力渦 輪的大直徑軸。如果對此軸施加扭矩，則所有傳感器測量到相同的磁 場改變。在垂直或水平方向上有撓矩的情況下，兩個相反場傳感器測 量不同的場改變。在一個示例中，傳感器對應用于四個傳感器位置處， 以便能夠進行差分測量?？梢栽谥芟蛏咸砑痈嗟膫鞲衅鲗碓黾觽?感系統(tǒng)的精確度和可靠性。
因為風力渦輪主軸旋轉緩慢，并且通常具有能夠容易地從轉軸提 取信號的滑動環(huán)，所以能夠將磁場傳感器直接安裝在軸表面上，在磁 疇邊界附近，以便傳感器系統(tǒng)隨著主軸一起旋轉，從而能夠實現(xiàn)非常 精確的扭矩和撓矩輸出信號，因為傳感器在所有轉子位置處產(chǎn)生相同 的磁場輸出。因此，可以將此類輔助傳感器永久性地安裝在主傳動軸 中，磁場或撓矩信號經(jīng)由現(xiàn)有的滑動環(huán)或無線通信來傳送。
具有高分辨率和重復性的軸功率測量還能夠在早期階段檢測轉 子軸系統(tǒng)中的振動或技術問題，以用于高級維護計劃或用于疲勞診 斷。在所有工作條件下以及軸系統(tǒng)的使用壽命期內對軸功率進行高精 確度地監(jiān)視能夠實現(xiàn)更高的渦輪或噴氣發(fā)動機效率。
精確地測量蒸汽和燃氣渦輪或壓縮機的各個階段中間的軸扭矩 的能力對于測量和優(yōu)化性能是一個重要的工具。在常規(guī)渦輪和壓縮機 應用中，在系統(tǒng)試運轉之后，各個階段之間沒有直接軸扭矩或功率測 量可用。基于永久磁編碼的鋼部分的扭矩傳感系統(tǒng)能夠長期高穩(wěn)定性地 測量不同軸部分處的軸功率輸出和彎曲。這是非常適合于風力渦輪機 的，而且也非常適合于蒸汽渦輪機、燃氣渦輪機或大壓縮機，其中可 以容易地檢測各個渦輪階段之間的微小功率輸出下降，從而能夠執(zhí)行 預防性維護并在渦輪機或壓縮機的使用壽命期的所有時間保持高的 能量效率。
另 一方面涉及包括多個傳感線圏來實現(xiàn)冗余性。傳感元件的低成 本允許實踐中使用多個傳感線圈，從而即使在一個或多個個別傳感器 元件失效時，測量系統(tǒng)仍在工作。
出于說明和描述的目的，給出了本發(fā)明的實施例的前文描述。這 無意視為窮舉性的或將本發(fā)明限于所公開的具體形式。根據(jù)本公開， 許多修改和變化是可能的。本發(fā)明的范圍不應受此詳細描述限制，而 是由在此附上的權利要求限制。
權利要求
1.一種軸的磁編碼系統(tǒng)，其特征在于至少一個導電構件，具有第一端和第二端，所述至少一個導電構件布置在所述軸的鄰近處，所述構件與所述軸之間有間隙；一對電極，在所述導電構件的每一端鄰近處并電耦合到所述軸，其中所述電極中的一個電耦合到所述導電構件的所述第二端；以及編碼源，電耦合到所述導電構件的所述第一端，并電耦合到所述電極中的另一個；其中將來自所述編碼源的單極電流脈沖施加到所述電極和所述導電構件，從而在所述軸中產(chǎn)生部分編碼區(qū)域。
2. —種對軸編碼的方法，其特征在于在圍繞所述軸的部分緊鄰處布置至少一個導電構件，所述導電構 件具有第一端和第二端；將電極布置在所述軸上鄰近所述笫一端和所述第二端，其中所述 第二端電極耦合到所述導電構件的所述笫二端；將所述第 一端電極電耦合到電流源，并將所迷電流源耦合到所述 導電構件的所述第一端；以及對所述導電構件施加單極電流》^沖，從而感生部分編碼區(qū)域。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的系統(tǒng)或方法，其特征還在于圍繞所 述軸的至少一部分布置的不導電編碼部件，其中所述導電構件布置在 所述編碼部件內。
4. 根據(jù)權利要求l、 2或3所述的系統(tǒng)或方法，其中所述導電構 件沿著所述軸的一部分軸向、周向或對角向設置朝向。
5. 根據(jù)權利要求1或2所述的系統(tǒng)或方法，其中將所述導電構件 中的至少兩個圍繞所述軸i殳成彼此相鄰，以用于產(chǎn)生相反極性的部分 編；馬區(qū)i或。2
6. 根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征還在于在所述相鄰部分編碼區(qū)域之間形成的磁疇邊界。
7. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述軸由鐵磁材料制成或具 有圍繞所述軸的表面施加的鐵磁材料層。
8. —種用于測量轉軸的特性的系統(tǒng)，其特征在于多個先前編碼的極化磁區(qū)域，所述多個先前編碼的極化磁區(qū)域圍 繞所述軸而布置，其中相鄰-茲區(qū)域具有相反極性并且其中在所述相鄰 磁區(qū)域之間有疇邊界；至少一個傳感器，所述至少一個傳感器布置在所述編碼的極化磁 區(qū)域鄰近處，其之間有間隙；以及處理部分，所述處理部分耦合到所述傳感器以用于處理場分量， 從而基于磁致伸縮效應來測量所述轉軸的特性。
9. 根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述先前編碼的極化^^茲區(qū)域 在所述軸旋轉時為交變磁場的生成作準備，其中所迷交變場測量軸功 率、扭矩、速度和撓矩中的至少一個。
10. 根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器是空芯電感線 圈或^f茲場傳感器(MFS)中的至少一個。
全文摘要
本發(fā)明的名稱為旋轉機械的直接軸功率測量。旋轉機械的直接軸功率測量包括軸的磁編碼系統(tǒng)，該磁編碼系統(tǒng)具有至少一個導電構件(215、217、294、295、720、725)，所述導電構件具有第一端和第二端，它布置在軸鄰近處，構件與軸之間有間隙。在所述導電構件的每一端鄰近處有一對電極(242、247、725、745)，其中這些電極電耦合到軸。這些電極的其中之一電耦合到導電構件的第二端。編碼源(250)電耦合到導電構件的第一端，并且電耦合到另一個電極，其中將來自所述編碼源的單極電流脈沖(245)施加到電極和導電構件，從而在軸中產(chǎn)生部分編碼極化磁區(qū)域(330、332、334、336、510、520、530、540、614、616、624、626、634、636、642、646)。
文檔編號G01M13/00GK101598573SQ200910148969
公開日2009年12月9日 申請日期2009年6月4日 優(yōu)先權日2008年6月6日
發(fā)明者C·M·西勒, K·F·O·勞姆, S·施拉姆, V·D·薩姆佩爾 申請人:通用電氣公司