[发明专利]旋转机械的直接轴功率测量

说明书

技术领域

本发明涉及旋转机械的直接轴功率测量。

背景技术

有许多应用和行业是基于转轴来实现某种形式的工作或能量转 换。转轴功能的早期示例包括数千年前用于研磨谷物的水车和风车。 在今天的风车和水电厂上仍在使用转轴，但是它们与高级技术和处理 结合。在小转轴用于例如计算机磁盘驱动器、媒体记录器/播放器和家 用电器等电子设备中时，这些轴一般长度和宽度较小，使得扭矩相对 较小。较大的转轴经历较大扭矩，并在包括火车头、飞机、轮船和能 量转换等等的应用中部署。采用较大转轴的设备的现代使用结合了传 感和处理能力以实现安全和有效率操作。

解决使用转轴的设备的设计和操作的途经之一是通过测量轴表 面处的应力或应变，可以利用轴表面的应力或应变来测量因外部施加 的力所致的扭矩、弯曲和扭转。常规技术采用多种不同的传感或测量 扭矩的系统，例如应变仪系统、编码器/齿系统、声波系统、弹性系统、 磁致伸缩系统和磁致弹性系统。这些系统中的每一个具有某些特征和 应用。

应变仪提供对轴的局部应变测量，并且通常需要至转轴的某种形 式的耦合，该耦合可以通过物理连接(例如滑动环)或遥测。该仪器一 般受到低稳定性的影响，具有带宽上的限制，并往往有校准和环境校 正要求。应变仪的有限工作温度范围限制了它们在苛刻环境中的应 用。

编码器/齿轮拾取类型的扭矩传感常常具有与转轴的至少某个部 分联接，例如通过磁性齿轮。齿轮设计对于许多实施而言往往是成本 昂贵且不现实。此类设计对于较高速度的应用是不现实的，并且虽然 稳定，但是缺乏高分辨率，且可能在苛刻环境中导致可靠性问题。

声波系统利用例如表面声波(SAW)和体声波(BAW)装置等传感 器，它们使用声波以通过连接到轴的换能器的遥测来检测对轴的应变 引起的改变。将声波技术应用于扭矩传感是相对新的，且当前的系统 是正用于具有高制造容差的更小轴。

弹性扭矩系统通过使用在轴的长度上的标记并测量角位移来测 量轴的扭转。当应用于大直径的轴时，此系统有精确度问题，并且存 在现实的实施问题。

在磁致弹性系统中，应力通过它在材料中产生的应变感生磁化的 “易磁化轴”。此效应通常用在将轴区域周向磁化，并使用磁场传感 器来拾取所得到的磁场。如果没有扭转应力，则在传感区域内包含所 有磁通量，并且没有外部场被检测到。如果有扭转应力，则磁畴被重 新排列，并且外部场被改变，其极性和强度对应于轴上的扭矩的方向 和量值。

磁致伸缩测量方法利用材料在被磁化时改变尺寸的现象。磁致伸 缩传感器与铁磁轴(例如工业钢)以及施加于轴的铁磁材料部分一起使 用。在此类材料的情况中，磁致伸缩效应非常小。典型磁致伸缩系数 Δl/l处于1至25×10^-6的量级。直接将磁致伸缩效应应用于测量铁磁 材料中的扭矩需要复杂的传感器排列(arrangement)，困难的校准程序 并且通常导致精确度有限。

一种常规磁致伸缩扭矩传感器设计采用在测量头的中心处的主 线圈和沿着特定朝向布置在外围周围的测量线圈。传感器通过主线圈 生成恒定的高频磁场，其中通过测量磁通量的测量线圈来测量所得到 的磁场。当来自所有测量线圈的所得到的磁场等于零时，轴上没有扭 矩，并且同样地，非零的任何所得到的磁场指示存在某个扭矩。

此方法无需对轴进行任何编码或其他修改，并且确实具有长期的 稳定性。但是，精确度是有限的，安装过程繁琐，且校准往往困难。 而且，一般存在对轴与传感器之间保持小的间隙有很严的容差要求， 这难以在温度变化的环境中实现。这些测量的精确度在某些要求中是 可接受的，例如监视动态扭矩分量和扭转振动，但是需要后续信号处 理以将轴跳动(run-out)的问题减到最小。

可以将磁致伸缩效应与轴的磁编码或应用于轴的编码部分进行 结合来实现改进磁致伸缩测量系统的精确度。在此类传感器设计中， 铁磁材料中磁畴的调整给予(impart)材料尺寸沿着磁轴的某种改变。反 效应是由于机械应力导致铁磁材料的磁化的改变。磁编码实质上将轴 变成传感系统的组成部分。当将机械扭矩施加于轴时，可靠近轴的编 码区域测量扭矩相关的磁场。