一种抗干扰无接触式的电机转子速度检测装置及方法

1.本发明属于电气制造领域，具体涉及一种抗干扰无接触式的电机转子速度检测装置及方法。


背景技术：

2.电机作为一种将电能转换成机械能的设备，是现代工业体系中必不可少的核心设备之一。电机的工作原理是利用电磁感应或电磁力作用于导体中的电流，产生旋转力矩，从而驱动机械装置运转。随着工业科技不断发展，电机的种类也变得多样，常见的有直流电机、交流电机、步进电机，还有特殊领域的防爆电机、特种电机、微型电机等。电机的应用范围非常广泛，主要用于家用电器、工业制造、交通运输、航空航天、机械设备、风力发电等领域。
3.一款电机的性能主要由三个电机参数决定的，分别是转速、功率、效率等指标。其中，转速作为电机运行时最基本的参数之一，其对于电机的稳定性和性能具有着重要的影响。因此，检测电机转子速度是电机运行过程中必不可少的一项工作。在电机的运行过程中，若电机的转子速度过高或过低，都会对电机的正常运行产生影响。如果转速过高，会导致电机受力过大，从而加速电机的磨损和老化，甚至会引起电机的故障。如果转速过低，则会导致电机输出功率不足，影响电机的工作效率。因此，及时检测电机转子速度，调整电机的运行状态，对于保证电机的正常运行和延长电机的使用寿命非常重要。目前，检测电机转子速度的方法比较多，包括机械测速、电磁测速、光电测速等。但当前的技术手段都有其不可避免的缺陷，比如传统的机械转速计需要与电机转子表面接触，容易磨损或被污染，而霍尔传感器的磁场容易受到外界干扰从而对其精度产生影响，对于某些特殊应用场景，如高温、高压、强电磁干扰等环境，传统的检测方法可能无法正常工作。因此对于电机转子速度检测装置急需改进优化。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提出了一种抗干扰无接触式的电机转子速度检测装置及方法，旨在解决当前的电机转子速度检测装置在全工作周期实时检测转速时存在的精确度不高、抗干扰能力差、增加系统复杂度的问题，本发明的装置将机械装置与电磁感应原理相结合，通过磁场间的电磁力对机械装置进行推动，使得霍尔元件与磁场发生器之间产生距离变化，从而改变霍尔元件接收到的磁场信号的强弱，并通过本发明提出的标定查表法确定不同磁场强度所代表的电机转速。本发明还使用隔磁套筒对霍尔检测装置进行隔磁保护，保证检测磁场不受外界的干扰，提高了装置的抗干扰能力。
5.本发明公布了一种抗干扰无接触式的电机转子速度检测装置，包括：
6.环形永磁体，随电机主轴转动，产生独立的激励磁场；
7.感应线圈a，通过感应环形永磁体的激励磁场产生激励电流；
8.感应线圈b，通过感应线圈a传输的激励电流产生感应磁场，与磁场发生器a之间形
成电磁力，推动装置进行位移；
9.磁场发生器b，持续产生一定强度的磁场信号；
10.霍尔元件，持续接收磁场发生器b产生的磁场信号；
11.抗干扰伸缩隔磁套筒，由隔磁材料制作成的可伸缩式的套筒，在磁场发生器b和霍尔元件与外界环境之间产生屏蔽效果，避免外界环境的干扰；
12.本发明公布了一种抗干扰无接触式的电机转子速度检测方法，具体实施过程如下：
13.步骤一：电机通电，电机转子旋转，胶接在电机转子上的环形永磁体在电机转子的带动下随之旋转，并产生激励磁场；感应线圈a在环形永磁体的激励磁场的激励下产生感应电流，并通过导线将感应电流传输给与感应线圈a串联的感应线圈b，使得感应线圈b产生感应磁场；通过调节感应线圈的绕线方式使得感应线圈b产生的感应磁场的n极与胶接在支撑板上的磁场发生器a产生的固定磁场的n极相对应，并形成电磁斥力，滑动板在电磁斥力的作用下会发生位移；胶接在滑动板上的磁场发生器b持续产生固定强度磁场，锡焊焊接在固定板上的霍尔元件接收磁场发生器b的磁场信号；电机转子转速不同时，感应线圈a产生感应电流强弱不同，感应线圈b产生的感应磁场强度也不同，与磁场发生器a之间的电磁斥力也不同，导致滑动板的位移大小不同，此时霍尔元件接收到的磁场发生器b的磁场信号的强度将会发生变化，电机转子转速越快，滑动板位移越大，滑动板与固定板之间距离越近，霍尔元件接收到的磁场信号越强；电机转子转速越慢，滑动板位移越小，滑动板与固定板之间距离越远，霍尔元件接收到的磁场信号越弱；
14.步骤二：在电机控制系统中，调节电机以不同转速进行运转，当电机转子以v0的速度旋转时，记录下此时霍尔元件检测到的磁场强度并经过a/d转换器后将其数值记为b0；
15.改变电机转子的旋转速度，记为v1，此时感应线圈b与磁场发生器a之间的电磁斥力会发生变化，滑动板和固定板间的距离会发生变化，霍尔元件检测到的磁场强度随之发生变化，记录下此时霍尔元件检测到的磁场强度并经过a/d转换器后将其数值记为b1；按上述方法记录下电机转子在正常工作转速区间[v0，v
rate
]所对应的磁场强度[b0，b
rate
]，并将两项数据值制成b-v数据表格，表1为b-v数据表格；
[0016]
表1
[0017]
磁场强度电机转速b
1v1b2v2b3v3
......b
ivi
[0018]
步骤三：在实际工作中，当霍尔元件输出的磁场强度值为bk时，若bk值为b-v数据表格中存在的数值时，在b-v数据表格中直接查找与磁场强度bk对应的电机转速的数值vk；
[0019]
若bk值为b-v数据表格中不存在的数值时，则采用插值拟合公式进行数据插值，其公式为：
[0020][0021]
式中，vk为所求的电机转速；bk为霍尔元件输出的磁场强度值；b
i+1
为b-v数据表格中存在的数值，且是距离bk最近的大于bk的数值；v
i+1
为在b-v数据表中b
i+1
对应的电机转速数值；bi为b-v数据表格中存在的数值，且是距离bk最近的小于bk的数值；vi为b-v数据表中bi对应的电机转速数值；依据此公式得到此时的电机转子的实际转速。
[0022]
本发明的有益效果为：
[0023]
1.本发明所述的电机转子速度检测装置为非接触式装置，安装在电机外部，不与电机转子产生直接接触，不会改变电机的机械特性。
[0024]
2.本发明通过电磁感应原理，当电机转子转速不同时，检测装置中所产生的感应磁场强度随之变化，在电磁力的推动下使得检测装置发生位移。该装置结构可靠、检测精度高、稳定性强。
[0025]
3.本发明所述的电机转子速度检测装置中通过隔磁伸缩套筒将霍尔元件与检测磁场与外界磁场隔绝，保证检测磁场不受外界干扰，使得检测结果更可靠，装置的抗干扰能力强，可在高温、高压、强电磁环境下进行工作。
[0026]
4.本发明所述的速度-磁场强度标定法的速度检测方法，将电机转子的速度与所对应的磁场强度的关系制表并存储，该方法使得检测结果更加直观、检测速度更加迅速，可用于一些高动态响应的系统中。
附图说明
[0027]
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述：
[0028]
图1为本发明所述装置总体结构示意图；
[0029]
图2为本发明所述装置内部结构图；
[0030]
图3为本发明所述检测装置结构图；
[0031]
图4为本发明所述霍尔检测装置结构图；
[0032]
图5为本发明所述装置不同工作状态示意图；
[0033]
图6为本发明所述方法中感应电流随时间变化图像；
[0034]
图7为本发明所述方法中霍尔元件输出的磁场强度与转速关系图。
[0035]
图中，1、环形永磁体；2、外壳a；3、螺钉a；4、外壳b；5、检测装置；6、螺钉b；7、电机主轴；8、电机法兰盘；9、电机；5-1、伸缩弹簧；5-2、滑动板；5-3、固定板；5-4、感应线圈a；5-5、感应线圈b；5-6、磁场发生器a；5-7、支撑板；5-8、滑轨；5-9、抗干扰伸缩隔磁套筒；5-10、伸缩支架；5-2-1、磁场发生器b；5-2-2、滑动支架；5-3-1、霍尔元件；5-3-2、单片机。
具体实施方式
[0036]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0037]
本发明的结构组成如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，结合附图进一步说明
本发明的具体结构及具体实施方式：
[0038]
一种抗干扰无接触式的电机转子速度检测装置及方法，该装置的结构包括环形永磁体1、外壳a 2、螺钉a 3、外壳b 4、检测装置5、螺钉b 6、电机主轴7、电机法兰盘8、电机9；
[0039]
所述的检测装置5，包括伸缩弹簧5-1、滑动板5-2、固定板5-3、感应线圈a 5-4、感应线圈b 5-5、磁场发生器a 5-6、支撑板5-7、滑轨5-8、抗干扰伸缩隔磁套筒5-9、伸缩支架5-10、磁场发生器b 5-2-1、滑动支架5-2-2、霍尔元件5-3-1、单片机5-3-2；
[0040]
其中环形永磁体1与电机主轴7胶接；外壳a 2与电机法兰盘8螺钉连接；外壳b 4与检测装置5胶接为一个整体后与外壳a 2螺钉连接；伸缩弹簧5-1前端与滑动板5-2焊接，伸缩弹簧5-1后端与固定板5-3焊接；感应线圈a 5-4与滑动板5-2前端面胶接，感应线圈b 5-5与滑动板5-2前端面胶接，感应线圈a5-4与感应线圈b 5-5通过导线串联为一个整体；磁场发生器a 5-6与支撑板5-7胶接；抗干扰伸缩隔磁套筒5-9前端与滑动板5-2螺钉连接，抗干扰伸缩隔磁套筒5-9后端与固定板5-3螺钉连接；伸缩支架5-10前端与滑动板5-2螺纹连接，伸缩支架5-10后端与固定板5-3螺纹连接；磁场发生器b 5-2-1与滑动板5-2胶接；霍尔元件5-3-1与固定板5-3锡焊焊接，单片机5-3-2与固定板5-3锡焊焊接；
[0041]
电机主轴7旋转，带动环形永磁体1旋转，感应线圈a 5-4产生感应电流并通过导线使得感应线圈b 5-5产生同样的感应电流，感应线圈b 5-5在感应电流的作用下再次产生感应磁场并与磁场发生器a 5-6之间形成电磁斥力，推动滑动板5-2移动，使得霍尔元件5-3-1接收到磁场发生器b 5-2-1产生的磁场信号发生变化。
[0042]
一种抗干扰无接触式的电机转子速度检测方法，该方法的具体实现过程为：
[0043]
步骤一：电机通电，电机转子旋转，胶接在电机转子上的环形永磁体在电机转子的带动下随之旋转，并产生激励磁场；感应线圈a在环形永磁体的激励磁场的激励下产生感应电流，并通过导线将感应电流传输给与感应线圈a串联的感应线圈b，使得感应线圈b产生感应磁场；通过调节感应线圈的绕线方式使得感应线圈b产生的感应磁场的n极与胶接在支撑板上的磁场发生器a产生的固定磁场的n极相对应，并形成电磁斥力，滑动板在电磁斥力的作用下会发生位移；胶接在滑动板上的磁场发生器b持续产生固定强度磁场，锡焊焊接在固定板上的霍尔元件接收磁场发生器b的磁场信号；电机转子转速不同时，感应线圈a产生感应电流强弱不同，感应线圈b产生的感应磁场强度也不同，与磁场发生器a之间的电磁斥力也不同，导致滑动板的位移大小不同，此时霍尔元件接收到的磁场发生器b的磁场信号的强度将会发生变化，电机转子转速越快，滑动板位移越大，滑动板与固定板之间距离越近，霍尔元件接收到的磁场信号越强；电机转子转速越慢，滑动板位移越小，滑动板与固定板之间距离越远，霍尔元件接收到的磁场信号越弱；
[0044]
步骤二：在电机控制系统中，调节电机以不同转速进行运转，当电机转子以v0的速度旋转时，记录下此时霍尔元件检测到的磁场强度并经过a/d转换器后将其数值记为b0；
[0045]
改变电机转子的旋转速度，记为v1，此时感应线圈b与磁场发生器a之间的电磁斥力会发生变化，滑动板和固定板间的距离会发生变化，霍尔元件检测到的磁场强度随之发生变化，记录下此时霍尔元件检测到的磁场强度并经过a/d转换器后将其数值记为b1；按上述方法记录下电机转子在正常工作转速区间[v0，v
rate
]所对应的磁场强度[b0，b
rate
]，并将两项数据值制成b-v数据表格，表1为b-v数据表格；
[0046]
表1
[0047]
磁场强度电机转速b
1v1b2v2b3v3
......b
ivi
[0048]
步骤三：在实际工作中，当霍尔元件输出的磁场强度值为bk时，若bk值为b-v数据表格中存在的数值时，在b-v数据表格中直接查找与磁场强度bk对应的电机转速的数值vk；
[0049]
若bk值为b-v数据表格中不存在的数值时，则采用插值拟合公式进行数据插值，其公式为：
[0050][0051]
式中，vk为所求的电机转速；bk为霍尔元件输出的磁场强度值；b
i+1
为b-v数据表格中存在的数值，且是距离bk最近的大于bk的数值；v
i+1
为在b-v数据表中b
i+1
对应的电机转速数值；bi为b-v数据表格中存在的数值，且是距离bk最近的小于bk的数值；vi为b-v数据表中bi对应的电机转速数值；依据此公式得到此时的电机转子的实际转速；
[0052]
在本实例中，v
i+1
取450rad/min，vi取420rad/min，b
i+1
取0.675t，bi取0.630t，bk取0.660t，带入公式中得到此时电机转速vk的值为440rad/min。
[0053]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种抗干扰无接触式的电机转子速度检测装置，其特征在于：包括环形永磁体(1)、外壳a(2)、螺钉a(3)、外壳b(4)、检测装置(5)、螺钉b(6)、电机主轴(7)、电机法兰盘(8)、电机(9)；其中所述检测装置(5)，包括伸缩弹簧(5-1)、滑动板(5-2)、固定板(5-3)、感应线圈a(5-4)、感应线圈b(5-5)、磁场发生器a(5-6)、支撑板(5-7)、滑轨(5-8)、抗干扰伸缩隔磁套筒(5-9)、伸缩支架(5-10)、磁场发生器b(5-2-1)、滑动支架(5-2-2)、霍尔元件(5-3-1)、单片机(5-3-2)；其中所述环形永磁体(1)与电机主轴(7)胶接；外壳a(2)与电机法兰盘(8)螺钉连接；外壳b(4)与检测装置(5)胶接为一个整体后与外壳a(2)螺钉连接；伸缩弹簧(5-1)前端与滑动板(5-2)焊接，伸缩弹簧(5-1)后端与固定板(5-3)焊接；感应线圈a(5-4)与滑动板(5-2)前端面胶接，感应线圈b(5-5)与滑动板(5-2)前端面胶接，感应线圈a(5-4)与感应线圈b(5-5)通过导线串联为一个整体；磁场发生器a(5-6)与支撑板(5-7)胶接；抗干扰伸缩隔磁套筒(5-9)前端与滑动板(5-2)螺钉连接，抗干扰伸缩隔磁套筒(5-9)后端与固定板(5-3)螺钉连接；伸缩支架(5-10)前端与滑动板(5-2)螺纹连接，伸缩支架(5-10)后端与固定板(5-3)螺纹连接；磁场发生器b(5-2-1)与滑动板(5-2)胶接；霍尔元件(5-3-1)与固定板(5-3)锡焊焊接，单片机(5-3-2)与固定板(5-3)锡焊焊接；电机主轴(7)旋转，带动环形永磁体(1)旋转，感应线圈a(5-4)产生感应电流并通过导线使得感应线圈b(5-5)产生同样的感应电流，感应线圈b(5-5)在感应电流的作用下再次产生感应磁场并与磁场发生器a(5-6)之间形成电磁斥力，推动滑动板(5-2)移动，使得霍尔元件(5-3-1)接收到磁场发生器b(5-2-1)产生的磁场信号发生变化。2.一种抗干扰无接触式的电机转子速度检测方法，其特征在于：所述方法的具体实施过程为：步骤一：电机通电，电机转子旋转，胶接在电机转子上的环形永磁体在电机转子的带动下随之旋转，并产生激励磁场；感应线圈a在环形永磁体的激励磁场的激励下产生感应电流，并通过导线将感应电流传输给与感应线圈a串联的感应线圈b，使得感应线圈b产生感应磁场；通过调节感应线圈的绕线方式使得感应线圈b产生的感应磁场的n极与胶接在支撑板上的磁场发生器a产生的固定磁场的n极相对应，并形成电磁斥力，滑动板在电磁斥力的作用下会发生位移；胶接在滑动板上的磁场发生器b持续产生固定强度磁场，锡焊焊接在固定板上的霍尔元件接收磁场发生器b的磁场信号；电机转子转速不同时，感应线圈a产生感应电流强弱不同，感应线圈b产生的感应磁场强度也不同，与磁场发生器a之间的电磁斥力也不同，导致滑动板的位移大小不同，此时霍尔元件接收到的磁场发生器b的磁场信号的强度将会发生变化，电机转子转速越快，滑动板位移越大，滑动板与固定板之间距离越近，霍尔元件接收到的磁场信号越强；电机转子转速越慢，滑动板位移越小，滑动板与固定板之间距离越远，霍尔元件接收到的磁场信号越弱；步骤二：在电机控制系统中，调节电机以不同转速进行运转，当电机转子以v0的速度旋转时，记录下此时霍尔元件检测到的磁场强度并经过a/d转换器后将其数值记为b0；改变电机转子的旋转速度，记为v1，此时感应线圈b与磁场发生器a之间的电磁斥力会发生变化，滑动板和固定板间的距离会发生变化，霍尔元件检测到的磁场强度随之发生变化，记录下此时霍尔元件检测到的磁场强度并经过a/d转换器后将其数值记为b1；按上述方法
记录下电机转子在正常工作转速区间[v0，v
rate
]所对应的磁场强度[b0，b
rate
]，并将两项数据值制成b-v数据表格；步骤三：在实际工作中，当霍尔元件输出的磁场强度值为b
k
时，若b
k
值为b-v数据表格中存在的数值时，在b-v数据表格中直接查找与磁场强度b
k
对应的电机转速的数值v
k
；若b
k
值为b-v数据表格中不存在的数值时，则采用插值拟合公式进行数据插值，其公式为：式中，v
k
为所求的电机转速；b
k
为霍尔元件输出的磁场强度值；b
i+1
为b-v数据表格中存在的数值，且是距离b
k
最近的大于b
k
的数值；v
i+1
为在b-v数据表中b
i+1
对应的电机转速数值；b
i
为b-v数据表格中存在的数值，且是距离b
k
最近的小于b
k
的数值；v
i
为b-v数据表中b
i
对应的电机转速数值；依据此公式得到此时的电机转子的实际转速。

技术总结
本发明提出了一种抗干扰无接触式的电机转子速度检测装置及方法，旨在解决当前的电机转子速度检测装置在全工作周期实时检测转速时存在的精确度不高、抗干扰能力差、增加系统复杂度的问题，本发明的装置将机械装置与电磁感应原理相结合，通过磁场间的电磁力对机械装置进行推动，使得霍尔元件与磁场发生器之间产生距离变化，从而改变霍尔元件接收到的磁场信号的强弱，并通过本发明提出的标定查表法确定不同磁场强度所代表的电机转速。本发明还使用隔磁套筒对霍尔检测装置进行隔磁保护，保证检测磁场不受外界的干扰，提高了装置的抗干扰能力。力。


技术研发人员：王磊 梁鹏博 李占斌
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/1