本發(fā)明涉及一種直流伺服機(jī)組，更具體的是涉及一種可以測量直流伺服電動機(jī)旋轉(zhuǎn)角振動信息的永磁式一體化機(jī)組。

背景技術(shù)：

伺服電動機(jī)又稱執(zhí)行電動機(jī)，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，將輸入的電壓信號變換為轉(zhuǎn)軸的角位移或者角速度輸出。伺服電動機(jī)按照電源性質(zhì)的不同，可以分為直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)。其中角振動信息，包括旋轉(zhuǎn)角速度和角加速度，是伺服電動機(jī)的重要參數(shù)，通過對角振動信息的測量，可以實現(xiàn)伺服電動機(jī)運行狀態(tài)的監(jiān)測，并根據(jù)生產(chǎn)要求對伺服電動機(jī)進(jìn)行控制。

目前常用的直流伺服機(jī)組，其制作工藝一般為直流伺服電動機(jī)和測速機(jī)共用同一個轉(zhuǎn)軸，但定子和轉(zhuǎn)子(或無槽轉(zhuǎn)子的杯體)為兩段式結(jié)構(gòu)，因此，測速機(jī)組的整體形狀多為細(xì)長型，體積較大，且機(jī)組中采用的測速發(fā)電機(jī)多為有刷直流測速發(fā)電機(jī)，其電樞電路包括電刷和換向片，會產(chǎn)生相應(yīng)的接觸電阻，導(dǎo)致測速發(fā)電機(jī)的輸出特性存在線性誤差和低速失靈區(qū)。此外，常用的伺服機(jī)組為檢測伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度信息，無法同時獲取機(jī)組的旋轉(zhuǎn)角加速度信息。

測量伺服電動機(jī)旋轉(zhuǎn)角加速度常用的方法可分為間接法和直接法，間接測量法一般采用多個方位的直線加速度傳感器的輸出進(jìn)行合成，以及采用微分電路或微分計算算法對角速度信號進(jìn)行微分處理來獲取角加速度，間接測量法對信號的處理比較麻煩，特別是延遲特性和噪聲放大問題不易解決；直接測量法一般是使用特殊敏感元件直接測量，工作時采用聯(lián)軸器將伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器的轉(zhuǎn)軸同心連接，由于聯(lián)軸器的加工以及系統(tǒng)在裝配過程中不可避免的存在誤差，容易造成轉(zhuǎn)軸的不同心，影響了系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和瞬時旋轉(zhuǎn)角加速度測量的精確性，此外，多數(shù)旋轉(zhuǎn)角加速度檢測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計較復(fù)雜，且受頻率等因素影響精度不高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種永磁式直流伺服測角振動機(jī)組，能夠同時檢測伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度和角加速度信息。

本發(fā)明的目的采取下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種永磁式直流伺服測角振動機(jī)組，包括轉(zhuǎn)軸、電刷及支架、換向器、絕緣套筒、無槽轉(zhuǎn)子、第一定子鐵心、永磁磁鋼、隔磁枕套、霍爾元件、杯形轉(zhuǎn)子、第二定子鐵心、輸出繞組、銅套、機(jī)殼、前、后端蓋及配套軸承；

其特征在于：所述轉(zhuǎn)軸依次穿過前端蓋軸承、絕緣套筒、無槽轉(zhuǎn)子、杯形轉(zhuǎn)子、銅套中心孔和后端蓋軸承，并通過前、后端蓋與機(jī)殼固定；

所述換向器固定在絕緣套筒外側(cè)；

所述無槽轉(zhuǎn)子、杯形轉(zhuǎn)子和絕緣套筒固定在轉(zhuǎn)軸上，跟隨轉(zhuǎn)軸一同旋轉(zhuǎn)；

所述無槽轉(zhuǎn)子的電樞和鐵心采用固化一體式設(shè)計，整體形狀為杯形；

所述無槽轉(zhuǎn)子的繞組通過換向器與電刷相連；

所述第一定子鐵心與后端蓋固定，整體為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，置于無槽轉(zhuǎn)子杯體的內(nèi)部，且設(shè)有凹槽；

所述永磁磁鋼嵌放在第一定子鐵心的凹槽中；

所述隔磁枕套將第一定子鐵心分成內(nèi)、外兩層；

所述第一定子鐵心的內(nèi)層設(shè)有凹槽，霍爾元件嵌放在凹槽中；

所述銅套與后端蓋固定，設(shè)有中心通孔；

所述第二定子鐵心同心地固定在銅套的外側(cè)，設(shè)有繞組槽；

所述輸出繞組嵌放在第二定子鐵心的繞組槽中；

所述第二定子鐵心和輸出繞組置于杯形轉(zhuǎn)子的杯體內(nèi)部；

所述杯形轉(zhuǎn)子的杯體置于第一定子鐵心和第二定子鐵心之間的空氣隙中；

所述無槽轉(zhuǎn)子的杯體置于第一定子鐵心和機(jī)殼之間的空氣隙中；

所述嵌放在第一定子鐵心凹槽中的永磁磁鋼為四片，在空間上均勻分布；

所述電刷數(shù)目為四個，在空間上均勻分布；

所述四個電刷和四片永磁磁鋼在空間上的安裝位置對齊；

所述隔磁枕套為瓦片狀，共四片，在空間上均勻分布；

所述霍爾元件的數(shù)目為四個，在空間上均勻分布；

所述四個霍爾元件與四片永磁磁鋼的位置在空間上錯開45°角；

所述霍爾元件和輸出繞組的位置在空間上對齊。

本發(fā)明的有益效果：一種永磁式直流伺服測角振動機(jī)組，伺服電動機(jī)和角振動檢測裝置共用同一磁場和轉(zhuǎn)軸，無需其他傳動部件，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、噪聲低、運行平穩(wěn)；機(jī)組中的角振動檢測裝置測量精度高、動態(tài)特性好，且無需滑環(huán)等信號引出裝置，能夠直接、同時將伺服電動機(jī)的瞬時旋轉(zhuǎn)角速度和角加速度信號輸出，無需微分電路對信號進(jìn)行處理，具有較好的抗干擾能力和較高的信噪比。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種永磁式直流伺服測角振動機(jī)組的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的一種永磁式直流伺服測角振動機(jī)組的A-A截面圖；

圖3為本發(fā)明的一種永磁式直流伺服測角振動機(jī)組的工作原理圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明的一種永磁式直流伺服測角振動機(jī)組的實施。

如圖1、圖2所示，一種永磁式直流伺服測角加速度機(jī)組，包括轉(zhuǎn)軸1、前端蓋軸承2、前端蓋3、絕緣套筒4、換向器5、電刷6、電刷支架7、機(jī)殼8、無槽轉(zhuǎn)子9、永磁磁鋼10、第一定子鐵心11、后端蓋12、杯形轉(zhuǎn)子13、輸出繞組14、第二定子鐵心15、銅套16、后端蓋軸承17、隔磁枕套18和霍爾元件19；

所述轉(zhuǎn)軸1依次穿過前端蓋軸承2、絕緣套筒4、無槽轉(zhuǎn)子9、杯形轉(zhuǎn)子13、銅套16的中心孔和后端蓋軸承17，并通過前端蓋3和后端蓋12與機(jī)殼8固定；

所述換向器5固定在絕緣套筒4的外側(cè)；

所述無槽轉(zhuǎn)子9、杯形轉(zhuǎn)子13和絕緣套筒4固定在轉(zhuǎn)軸1上，跟隨轉(zhuǎn)軸1一同旋轉(zhuǎn)；

所述無槽轉(zhuǎn)子9的電樞和鐵心采用固化一體式設(shè)計，整體形狀為杯形；

所述無槽轉(zhuǎn)子9的繞組通過換向器5與電刷6相連；

所述第一定子鐵心11與后端蓋12固定，整體為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，置于無槽轉(zhuǎn)子9的杯體內(nèi)部，且設(shè)有凹槽；

所述永磁磁鋼10嵌放在第一定子鐵心11的凹槽中；

所述隔磁枕套18將第一定子鐵心11分成內(nèi)、外兩層；

所述第一定子鐵心11的內(nèi)層設(shè)有凹槽，霍爾元件19嵌放在凹槽中；

所述銅套16與后端蓋12固定，設(shè)有中心通孔；

所述第二定子鐵心15同心地固定在銅套16的外側(cè)，設(shè)有繞組槽；

所述輸出繞組14嵌放在第二定子鐵心15的繞組槽中；

所述第二定子鐵心15和輸出繞組14置于杯形轉(zhuǎn)子13的杯體內(nèi)部；

所述杯形轉(zhuǎn)子13的杯體置于第一定子鐵心11和第二定子鐵心15之間的空氣隙中；

所述無槽轉(zhuǎn)子9的杯體置于第一定子鐵心11和機(jī)殼8之間的空氣隙中；

所述嵌放在第一定子鐵心11凹槽中的永磁磁鋼10為四片，分別為101、102、103和104，在空間上均勻分布；

所述電刷6的數(shù)目為四個，分別為601、602、603和604，在空間上均勻分布；

所述四個電刷601-604和四片永磁磁鋼101-104在空間上的安裝位置對齊；

所述隔磁枕套18為瓦片狀，共四片，在空間上均勻分布；

所述霍爾元件19的數(shù)目為四個，在空間上均勻分布；

所述四個霍爾元件與四片永磁磁鋼的位置在空間上錯開45°角；

所述霍爾元件19和輸出繞組14的位置在空間上對齊。

圖3為本發(fā)明的一種永磁式直流伺服測角振動機(jī)組的工作原理圖：

直流電流I通過電刷和換向器后，接入到無槽轉(zhuǎn)子的繞組中形成閉合回路，電流I的方向如圖所示。永磁磁鋼形成的磁場分布情況如圖3所示，一部分經(jīng)過第一定子鐵心的外層、空氣隙、無槽轉(zhuǎn)子的繞組及其鐵心后形成閉合回路，假設(shè)該部分恒定磁通為Φ₁，根據(jù)直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式可知，無槽轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為：

T＝C_TΦ₁I (1)，

式中C_T為與無槽轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)。

根據(jù)左手定則，無槽轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩為順時針方向，即此時無槽轉(zhuǎn)子為順時針旋轉(zhuǎn)。

此外，永磁磁鋼形成的磁場，還有一部分經(jīng)過第一定子鐵心內(nèi)層、空氣隙、杯形轉(zhuǎn)子及第二定子鐵心后形成閉合回路，假設(shè)該部分恒定磁通為Φ₂。由于磁鋼的位置和霍爾元件、輸出繞組錯開45°角，可知磁通Φ₂與霍爾元件、輸出繞組沒有匝鏈。

當(dāng)無槽轉(zhuǎn)子為順時針旋轉(zhuǎn)時，帶動轉(zhuǎn)軸和杯形轉(zhuǎn)子一同轉(zhuǎn)動，假設(shè)角速度為Ω，杯形轉(zhuǎn)子的杯體可以看做是很多根導(dǎo)條，如圖3所示。則根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，杯形轉(zhuǎn)子導(dǎo)條切割磁通Φ₂產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：

e＝C_eΦ₂Ω (2)，

式中C_e為與杯形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)。

根據(jù)右手定則，感應(yīng)電動勢e的方向如圖3所示，對應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通為Φ₃，其方向與感應(yīng)電流符合右手螺旋定則，且與感應(yīng)電動勢成正比，即：

Φ₃∝e∝Ω (3)。

由于磁通Φ₃穿過第一定子鐵心內(nèi)層、霍爾元件、空氣隙、杯形轉(zhuǎn)子、第二定子鐵心和輸出繞組后形成閉合回路，即磁通Φ₃與霍爾元件、輸出繞組同時匝鏈。

根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾元件會產(chǎn)生霍爾電勢：

E_H∝Φ₃ (4)。

聯(lián)立公式(4)和(3)可知，霍爾電勢與機(jī)組的瞬時旋轉(zhuǎn)角速度Ω成正比。

同時根據(jù)變壓器原理，輸出繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：

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

聯(lián)立公式(5)和(3)可知：

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

即輸出繞組的感應(yīng)電動勢與系統(tǒng)的瞬時旋轉(zhuǎn)角加速度成正比。

本發(fā)明的一種永磁式直流伺服測角振動機(jī)組，伺服電動機(jī)和角振動檢測裝置共用同一磁場和轉(zhuǎn)軸，無需其他傳動部件，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、噪聲低、運行平穩(wěn)；機(jī)組中的角振動檢測裝置測量精度高、動態(tài)特性好，且無需滑環(huán)等信號引出裝置，能夠直接、同時將伺服電動機(jī)的瞬時旋轉(zhuǎn)角速度和角加速度信號輸出，無需微分電路對信號進(jìn)行處理，具有較好的抗干擾能力和較高的信噪比。

實施例不應(yīng)視為對本發(fā)明的限制，但任何基于本發(fā)明的精神所作的改進(jìn)，都應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。