專利名稱：用于軸的分區(qū)磁編碼及用于測量旋轉(zhuǎn)角、旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)矩的方法和設備的制作方法
用于軸的分區(qū)磁編碼及用于測量旋轉(zhuǎn)角、旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)矩的方法和設備
相關申請
本發(fā)明和與此同時提交并通過引用全部結(jié)合于本文的共同轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明同一受 it人白勺IS為“Method and Apparatus for Continuous Sectional Magnetic Encodingto Measure Torque on Large Shafts"的美國專利申請No._(代理人檔案號No. 242587-1)相關。技術領域
本發(fā)明一般涉及軸的磁編碼，并且更具體地說，涉及用于確定特別是大軸上的旋轉(zhuǎn)角、旋轉(zhuǎn)速度、彎曲力矩和轉(zhuǎn)矩中一項或多項的軸分區(qū)編碼的設備和方法。
背景技術：
由于不斷增長的能量需求和降低自然資源消耗的期望，可持續(xù)能源(例如，風力渦輪機)正在得到廣泛普及。
典型的風力渦輪機包括位于高塔架的頂上的多個轉(zhuǎn)子葉片，用于將風能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)能以便驅(qū)動主軸。主軸直接地或通過齒輪箱(變速箱)耦合到發(fā)電機。齒輪箱將低速風驅(qū)動旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電所需的高速旋轉(zhuǎn)。風力渦輪機還包含諸如塔架的結(jié)構(gòu)支撐組件以及轉(zhuǎn)子指向機構(gòu)。
風力渦輪機控制傾向于是復雜的，因為風速在強度和方向上都有波動。水平和垂直風切變、機械振蕩和橫偏連同自然風渦流和塔架移動也引起轉(zhuǎn)子葉片上的動態(tài)且不對稱的負荷。這些負荷被轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)的主渦輪機軸，在此它們表現(xiàn)為力或彎曲/扭轉(zhuǎn)/轉(zhuǎn)矩力矩。特別是，這些負荷生成大轉(zhuǎn)矩、彎曲力矩、扭轉(zhuǎn)力矩、應力和應變力。對于風力渦輪機， 軸轉(zhuǎn)矩還可具有由在電網(wǎng)和渦輪機控制系統(tǒng)上流動的電流引起的動態(tài)分量。這些動態(tài)分量從設計、控制和可靠性角度看也是所關注的。
由這些操作條件施加的力有時稱為負荷，還增加了由風力渦輪機累積的疲勞循環(huán)數(shù)。這種負荷和疲勞循環(huán)可導致過早的系統(tǒng)失效、操作無效率，并且損壞風力渦輪機組件。
為了確?？煽慷行实牟僮?，風力渦輪機控制系統(tǒng)應該準確測量作用在軸上的力和彎曲/扭轉(zhuǎn)/轉(zhuǎn)矩力矩，并控制風力渦輪機系統(tǒng)的一個或多個操作參數(shù)，諸如葉片節(jié)距、每秒轉(zhuǎn)數(shù)和/或偏轉(zhuǎn)角，以限制這些力。為了恰當而安全地操作風力渦輪機，還需要準確測量軸的旋轉(zhuǎn)速度和軸位置(即，軸上固定點與軸外固定點的角度)。在比較長的周期上必須保持這些測量的準確性。風力渦輪機控制也變得更復雜了，因為風力渦輪機大小和能量輸出增大了。除了使用這些測量值控制風力渦輪機之外，測量值還可用在風力渦輪機設計中。
為了解決使用旋轉(zhuǎn)軸的任何設備的設計和操作，期望測量在軸表面的任何外部力引起的變形。這些測量可用于在數(shù)字上確定彎曲/扭轉(zhuǎn)/轉(zhuǎn)矩和力矩以及施加在軸上的其它力。
常規(guī)軸控制技術采用若干不同的傳感器和/或系統(tǒng)來感測或測量這些力和軸操作參數(shù)。這些傳感器包含但不限于應變計系統(tǒng)、編碼器/齒(tooth)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)中的每個都具有某些特性和應用以及特定優(yōu)點和缺點。嵌入在軸中或附連到軸上的應變計提供局部軸應變測量。這些應變計需要電耦合到旋轉(zhuǎn)軸，即物理連接(例如，滑環(huán))或無線連接，并且產(chǎn)生的信號具有比較低的信噪比。應變計還遭受低穩(wěn)定性、受限帶寬，并且傾向于需要經(jīng)常校準。應變計的受限操作溫度范圍將它們的使用限制在嚴酷環(huán)境中。還有，在高功率應用中具有大直徑軸的應用中，應變計在短期使用后可能由于施加在軸上的大應力而失效。由此，應變計很少用在商業(yè)動力系設備中。編碼器/齒輪轉(zhuǎn)矩傳感器需要諸如通過磁齒輪與旋轉(zhuǎn)軸進行一些機械交互。但是齒輪設計傾向于成本高，并且對于許多應用是不實際的。這種設計對于較高速應用是不實際的，在嚴酷環(huán)境下有可靠性問題，并且即便穩(wěn)定，也缺乏高分辨率。聲波系統(tǒng)利用安裝在軸上用于測量軸應變的傳感器，諸如表面聲波(SAW)和體聲波(BAW)傳感器?；h(huán)或無線系統(tǒng)需要攜帶向外部檢測器指示軸變形和施加在軸上的力的信號。彈性轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)通過測量部署在軸長上的標記的角位移來測量軸的扭轉(zhuǎn)。這個系統(tǒng)對于大直徑軸可能不夠準確，并且可能具有實際實現(xiàn)問題。還采用靠近傳感器測量軸彎曲力矩。這些傳感器需要剛性參考(即，剛性支撐結(jié)構(gòu))，并且對于支撐結(jié)構(gòu)變形和傳感器漂移是脆弱的，導致測量值的誤差。由于主軸系統(tǒng)是剛性的，因此在測量上的、諸如0. Imm的小偏移誤差對應于彎曲力矩分析上的高誤差，例如 200kNm的誤差。這些誤差可引起軸控制系統(tǒng)的不正確操作。軸位置可通過采用光柵的角編碼器確定。軸在安裝前被編碼，并且編碼區(qū)域被檢測以確定軸位置。但是這些傳感器在臟環(huán)境下易于污染和失效。如 NCT Engineering GmbH. (Erlenhof-Park. Inselkammerstr. 10，82008Unterha ching，德國)所描述的磁軸力傳感器及其它都不能以成本有效方式施加到大軸，例如在軸直徑大于大約200mm的情況下，因為對軸進行編碼需要高功率。測量施加在軸上的力的另一種方法基于鐵磁軸材料上或施加到或形成在軸中的鐵磁材料區(qū)域上的磁致伸縮效應。磁致伸縮測量基于材料被磁化時改變尺寸的現(xiàn)象。對于某些材料，磁致伸縮效應是非常小的。常規(guī)磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器包括生成高頻磁場的初級線圈和測量所得到場的磁通量的次級線圈。從所有次級線圈測量的總通量指示是否存在轉(zhuǎn)矩。這種方法不需要對軸進行編碼。典型的磁致伸縮系數(shù)形式為Δ1/1，在1X10_6到25X10_6左右。使用直接(即， 沒對鐵磁材料編碼)的磁致伸縮效應測量鐵磁材料大軸上的轉(zhuǎn)矩是昂貴的，需要復雜的傳感器布置、困難的校準程序，并且通常導致測量具有受限的準確性。然而，通過將磁致伸縮效應與磁編碼軸或施加到軸的磁編碼區(qū)域組合，磁致伸縮效應可有利地用于改進準確性并降低安裝成本。通過在軸制造期間或在軸安裝之后讓電流通過軸或材料區(qū)域，對軸材料或材料區(qū)域編碼。當施加到適當材料時以及當由具有足夠高的電流密度的電流創(chuàng)建時，編碼是永久的。
編碼電極電耦合到軸以支持電流從一個或多個輸入電極通過軸區(qū)域流到一個或多個輸出電極。電流感應在軸內(nèi)創(chuàng)建磁極化編碼區(qū)域的磁場。當編碼的電流和所得到的編碼磁場施加到鐵磁材料時，磁疇之間的邊界移位，并且磁疇旋轉(zhuǎn)。這兩個效應都沿磁軸線改變材料的尺寸。優(yōu)選地，放置編碼電極以在軸上創(chuàng)建多個均勻磁區(qū)域。相反地，當遭受機械力或彎曲/扭轉(zhuǎn)/轉(zhuǎn)矩力矩時，材料的一個或多個磁參數(shù)改變。特別是，這些力改變了材料屬性，并且又引起磁場外部組件的改變。磁場中的這些改變可由磁致伸縮傳感器(例如，磁門傳感器)檢測。典型的磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器采用總軸編碼，其中磁化由軸向電流沿軸流動創(chuàng)建。 編碼在周界上是均勻的(周界均勻)，因為磁編碼需要磁化整個橫截面。為了創(chuàng)建這些均勻周界磁區(qū)域，多個電極被部署在軸周圍的環(huán)狀陣列中，并且電流被同時施加到所有電極。通過將電流定向成在軸向方向中、沿軸從輸入電極流到輸出電極來創(chuàng)建磁化(即，對軸進行編碼)。然而，諸如風力渦輪機軸(以及燃氣渦輪機軸)的大直徑軸通常不服從上面剛剛描述的常規(guī)磁編碼技術。這些技術適合于比較小直徑的軸，但是隨著軸直徑的增大，對軸進行磁編碼所需的電極數(shù)增大，并且每個電極攜帶的所需電流也增大。例如，對于每個電極對 (一對包括輸入電極和輸出電極)可能需要幾百安培的電流。為了準確的轉(zhuǎn)矩檢測(或檢測施加在軸上的任何力)，編碼必須創(chuàng)建周界上均勻的磁場；在大直徑軸上實現(xiàn)是困難而高成本高的努力。不利的是，不能根據(jù)周界上均勻的磁場確定軸的旋轉(zhuǎn)速度。不均勻的磁場由軸的電屬性和磁屬性的非同質(zhì)性引起。另外，電流通常供給為特別成形的電流脈沖，需要復雜的電子電路來支持高電流。對于所有這些原因，施加到大直徑軸的周界上均勻的編碼方案傾向于實現(xiàn)起來困難并且非常昂貴。參考圖1-4描述了現(xiàn)有技術磁致伸縮編碼和感測的示例。參考圖1，軸5包括鐵磁材料。分隔開的環(huán)狀電極10和15繞軸周界部署，以對電極10與15之間的軸區(qū)域20編碼。電極10和15都與軸電接觸。將電極分隔開傾向于在區(qū)域20內(nèi)創(chuàng)立均勻磁通密度，由此創(chuàng)建周界均勻編碼的區(qū)域。磁通密度的均勻性還取決于幾個其它因素，包括軸直徑。諸如電極10和15的附加電極對(未示出)沿軸軸向部署以對附加區(qū)域編碼從而檢測施加在其它軸段的力。在編碼過程期間，電流脈沖25施加到電極15，以沿軸5的縱軸并在區(qū)域20內(nèi)建立電流流動30。在沿區(qū)域20流動之后，電流由電極10接收以產(chǎn)生輸出電流35。流過編碼區(qū)域20的電流感應對齊磁疇的磁場。軸區(qū)域的永久磁化需要那個區(qū)域內(nèi)的高電流密度。如上所述采用軸永久磁化的所有磁場傳感器技術都檢測由永久磁化引起的外部可測量磁場。這些磁場傳感器還檢測由彎曲/扭轉(zhuǎn)/轉(zhuǎn)矩和其它力引起的磁場的改變。這些力改變材料的磁導率，由此改變材料中磁場的某方面，并還改變外部磁場。根據(jù)未改變場的幾何形狀和施加的力的性質(zhì)，力可改變該場的方向或該場的強度(即，場強度或磁通密度中的改變之一)或二者。一般來說，在本技術中常見的是，改變的磁場是指包含磁場強度或磁通量改變的磁場。失真的磁場典型地是指僅在磁場的方向改變。當軸5在操作時，靠近旋轉(zhuǎn)軸5安裝的傳感器線圈45(圖2中僅示出一個)感測磁場，并產(chǎn)生表示那個場的信號。沒有施加應力或轉(zhuǎn)矩，傳感器不檢測任何磁場失真或改變。這種傳感器典型地呈現(xiàn)方向性特性，因為單軸傳感器不能區(qū)分方向和強度上的改變。傳感器線圈45包括磁門傳感器或其它磁場傳感器，諸如線圈傳感器、電感傳感器或霍爾效應傳感器。當轉(zhuǎn)矩施加在軸5或軸5的區(qū)域上時，從編碼區(qū)域20涌現(xiàn)的改變的磁場由傳感器線圈45檢測。傳感器線圈45典型地耦合到用于分析和顯示磁場失真和改變并用于指示施加的力(特別是包含轉(zhuǎn)矩)的電子處理組件。如上所述和圖1和2中例證的現(xiàn)有技術系統(tǒng)采用軸向電流流動來創(chuàng)建均勻的周界均勻的軸磁化。這個技術需要磁化整個軸周界，并因此對于較大直徑軸是不實際的，因為這些軸需要大編碼電流來產(chǎn)生足夠的磁通密度來在軸中創(chuàng)建永久且均勻的磁區(qū)域。雖然技術上可行且可能，但是對這些大電流的需要使得對于大直徑軸實現(xiàn)周向中的均勻電流分布和密度很昂貴。由此，這個編碼方案典型地局限于直徑在近似200mm以下的較小軸。為了減輕與大直徑軸相關聯(lián)的顧慮和隨之產(chǎn)生的對大電流的需要，一個已知技術使用到軸5的多個電連接，如圖3所示。分隔開的環(huán)50和55部署得靠近軸5，并且與軸5 絕緣，其中每個環(huán)50/55都具有附連到軸5的多個電導體60。供給到環(huán)50的輸入電流65 流過導體60，然后軸向通過區(qū)域80，并通過環(huán)55涌現(xiàn)。流過區(qū)域80的電流產(chǎn)生多個磁化區(qū)域75(圖3中僅示出一個)。圖3的復雜編碼布置相對軸直徑需要環(huán)50與55之間的間隔小。否則，周界方向的充分均勻的磁化不可實現(xiàn)。環(huán)50與55之間的較大間隔增大了區(qū)域80的長度，這在許多應用中引起實現(xiàn)問題和附加費用。此外，施加到電導體60的各個電流必須都具有相同的幅度，在較大直徑軸中需要精確控制和相當大的費用來實現(xiàn)。共同擁有的專利申請公布2009/0301223(申請?zhí)?2/134，689)描述了用于大直徑軸的又一編碼方案，并對其要求專利保護。這個專利申請公布通過參考結(jié)合于本文中。圖4 描繪了具有磁極化編碼區(qū)域或由編碼結(jié)構(gòu)210形成的通道的軸205。軸205的材料包括鐵磁材料或附到軸205上的鐵磁材料。交替的導電構(gòu)件215和217沿軸205的一部分軸向定位，并由不導電框架212支撐。構(gòu)件215和217部署得靠近軸205，在每個構(gòu)件215和217 與軸205的表面之間有間隙。正編碼導電構(gòu)件215與負編碼導電構(gòu)件217交替。每個導電構(gòu)件215的第一端耦合到編碼源或電流源250(圖4中僅例證一個)的正端子，并且第二端經(jīng)導體M2、在電極218處耦合到軸205。編碼源250的負端子耦合到部署在軸205上的電極對7。每個導電構(gòu)件217的第一端耦合到編碼源或電流源252(圖4中僅例證一個)的負端子，并且第二端經(jīng)導體M3、在電極220處耦合到軸205。編碼源252的正端子耦合到部署在軸205上的電極對8。來自每個導電構(gòu)件215的電流在沿路徑245所指示的方向穿過軸205，以在軸205 上生成正磁極化通道沈0(圖4中僅示出一個)。類似地，來自每個導電構(gòu)件217的電信號在沿路徑249所指示的方向穿過軸205，以在軸205上生成負磁極化通道沈2 (圖4中僅示出一個)。路徑245和M9的電流流動方向處于相反方向，并由此，在磁化通道260和沈2 內(nèi)磁疇被相反極化(正或負)。當軸205操作時，由正磁極化通道和負磁極化通道260和262產(chǎn)生的磁場具有期望的形狀，并且由傳感器(圖4中未示出)檢測。當轉(zhuǎn)矩或另一個力作用在軸205上時，由通道260和262產(chǎn)生的磁場被改變或失真。傳感器檢測這些改變并對其響應，指示在軸205 的編碼區(qū)域(即包含通道沈0和沈2的區(qū)域)內(nèi)存在力。參考圖4描述的技術可被認為是一種分區(qū)磁編碼形式，因為僅區(qū)域(分區(qū))或通道260和262被編碼。根據(jù)軸上編碼分區(qū)的定向，這個技術可能能夠測量旋轉(zhuǎn)角、旋轉(zhuǎn)速度和施加在軸上的力，包括彎曲/扭轉(zhuǎn)/轉(zhuǎn)矩力。但這個技術局限于僅測量或檢測軸上各個轉(zhuǎn)矩敏感區(qū)(即，編碼區(qū)域)上的這些參數(shù)。當軸被分區(qū)編碼時，連續(xù)轉(zhuǎn)矩測量僅可能通過在軸上安裝磁場傳感器使得傳感器同軸一起旋轉(zhuǎn)。隨著傳感器的旋轉(zhuǎn)，它連續(xù)測量所關注的參數(shù)。但需要傳感器與軸一起旋轉(zhuǎn)對系統(tǒng)增加了復雜性，需要滑環(huán)或無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和無線電源或電池。對于旋轉(zhuǎn)軸已經(jīng)使用多種過程和系統(tǒng)來提供準確而可靠的測量能力，其中一些已經(jīng)在上面描述了。然而，需要不斷改進，特別是對于較大直徑軸，并且期望在操作效率上增強。本發(fā)明給出用于分區(qū)編碼軸的新且非顯而易見的技術以及分區(qū)編碼區(qū)域的模式，以測量施加在軸上特別是大直徑軸上的力。編碼區(qū)域的模式可還允許同時確定軸的旋轉(zhuǎn)角和旋轉(zhuǎn)速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一實施例包括磁螺旋編碼軸。該軸包括第一帶，包括與具有第二磁極性的第二磁編碼區(qū)域交替的、具有第一磁極性的第一磁編碼區(qū)域；第二帶，包括與第一磁編碼區(qū)域交替的第二磁編碼區(qū)域，其中，第一帶與第二帶分隔開，以使得第一帶中的第一磁編碼區(qū)域與第二帶中的第二磁編碼區(qū)域相對，并且第一帶中的第二磁編碼區(qū)域與第二帶中的第一磁編碼區(qū)域相對，磁場存在于第一磁編碼區(qū)域與第二磁編碼區(qū)域之間的每個力敏感區(qū)域之上；其中，第一帶和第二帶以螺旋形狀部署在軸的周界周圍；以及軸與用于檢測力敏感區(qū)域中的磁場的第一固定磁場傳感器一起使用，其中，可響應于檢測的磁場確定旋轉(zhuǎn)速度、軸旋轉(zhuǎn)位置、彎曲力矩和轉(zhuǎn)矩中的一個或多個。另一個實施例包括一種磁螺旋編碼軸和磁場檢測系統(tǒng)讀出系統(tǒng)。這個實施例包括螺旋環(huán)繞軸的第一磁編碼帶、第二磁編碼帶、第三磁編碼帶和第四磁編碼帶，每個帶包括與具有第二磁極性的第二磁編碼區(qū)域交替的、具有第一磁極性的第一磁編碼區(qū)域；定義在相繼第一磁編碼區(qū)域與第二磁編碼區(qū)域之間的每個帶中的第一死區(qū)、第二死區(qū)、第三死區(qū)和第四死區(qū)；第一帶和第二帶由第一距離分隔開，并且第三帶和第四帶由第一距離分隔開，在第一帶與第三帶之間以及第二帶與第四帶之間的第二距離大于第一距離；在第一帶和第二帶中第一磁編碼區(qū)域與第二磁編碼區(qū)域相對，并在其間定義第一力敏感區(qū)域；在第三帶和第四帶中第一磁編碼區(qū)域與第二磁編碼區(qū)域相對，并在其間定義第二力敏感區(qū)域。在本發(fā)明的這個實施例中，在第三帶和第四帶中第一力敏感區(qū)域相對第一死區(qū)和第二死區(qū)分隔開，而在第一帶和第二帶中第二力敏感區(qū)域相對第三死區(qū)和第四死區(qū)分隔開?？拷S安裝的傳感器檢測圍繞第一力敏感區(qū)域和第二力敏感區(qū)域的磁場，其中，施加在第一力敏感區(qū)域和第二力敏感區(qū)域之一上或二者上的力改變圍繞相應第一力敏感區(qū)域和第二力敏感區(qū)域的磁場，該改變指示所施加的力。


當結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明的下面具體描述時，本發(fā)明可能更容易理解，并且其優(yōu)點和用途更容易明白，附圖中圖1-4例證了用于軸轉(zhuǎn)矩感測的現(xiàn)有技術磁致伸縮編碼和感測系統(tǒng)。圖5例證了具有編碼其上的磁道用于確定轉(zhuǎn)矩和施加在軸上的其它力的軸。圖6例證了圖5的磁道之一的磁區(qū)。圖7例證了用于形成圖6磁區(qū)的設備。圖8例證了靠近編碼軸的磁場的場線。圖9例證了兩個磁道和指示與該磁道相關聯(lián)的磁場的波形。圖10例證了在軸上編碼的多個軸向磁道。圖11例證在軸上編碼的多個磁道和與磁道的磁場相關聯(lián)的波形。圖12例證了螺旋磁編碼的帶。圖13例證了軸上的多個磁道和用于測量磁道的磁場的傳感器。圖14例證了指示來自由圖13的傳感器所感測的磁道的磁場幅度的波形。圖15例證了其上編碼有多個不同定向的磁道的軸。圖16指示軸上磁道的敏感度相對于力敏感區(qū)域的定向。圖17和18例證了其上編碼有螺旋偏移軌道的軸。圖19和20例證了幾個磁編碼軌道簇。圖21例證了軸和圖19和20的磁編碼軌道相對軸的位置。圖22例證了軸和靠近其安裝的傳感器。根據(jù)慣例，多種描述的特征未按比例繪制，而是繪制以強調(diào)與本發(fā)明有關的特定特征。在附圖和文本的通篇，相似的附圖標記表示相似元素。
具體實施例方式在詳細描述與分區(qū)磁編碼軸以測量軸操作參數(shù)和施加在軸上的力有關的具體方法和設備之前，應該觀察到，本發(fā)明主要在于元素和過程步驟的新穎而非顯而易見性組合。 為了不用本領域技術人員容易明白的細節(jié)模糊本公開，已經(jīng)不太詳細地給出了某些常規(guī)元素和步驟，同時附圖和說明書更詳細描述了與理解本發(fā)明有關的其它元素和步驟。給出的實施例不打算定義本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、元素或方法的限制，而是只提供示范構(gòu)造。實施例是自由的而不是強制的，并且是例證性的而不是無遺漏的。本發(fā)明的多種實施例可檢測轉(zhuǎn)矩、彎曲力矩以及施加到軸的其它力中的一個或多個。多種實施例還可確定軸角位置和軸速度?？赏ㄟ^使用在軸中或在施加到軸的磁編碼材料上創(chuàng)建的唯一磁編碼區(qū)域來改進磁致伸縮測量系統(tǒng)的準確性。磁編碼實質(zhì)上將軸轉(zhuǎn)變成感測系統(tǒng)組件，并在軸內(nèi)和軸外部的磁場分量產(chǎn)生強磁電路。在外部磁場檢測到改變或失真指示在軸上存在轉(zhuǎn)矩或另一個力。檢測磁場還可用于確定軸角位置、軸旋轉(zhuǎn)速度。圖5中描繪了軸271上的磁編碼區(qū)域270。編碼區(qū)域270包括在兩個帶或環(huán)中部署在軸271周界周圍的四個磁編碼軌道或磁編碼區(qū)域272、274、276和278。軌道的第一帶或環(huán)包括交替的軌道272和276，并且軌道的第二帶或環(huán)包括交替的軌道274和278。軌道 272和276用交替軌道272與276之間的間隙或死區(qū)280形成。軌道274和278用交替軌道274與278之間的間隙或死區(qū)282形成。間隙273部署在軸向?qū)R的軌道272與274之間，并且間隙277部署在軸向?qū)R的軌道276與278之間。間隙273和277定義轉(zhuǎn)矩敏感 (以及對具有通過這些區(qū)域的一個或多個力矢量分量的其它力敏感)的區(qū)域，如下所述。軸271的典型材料包括標準的鋼合金，諸如34CrNiMo8。適合使用的其它材料包括1. 272150NiCrl3、l. 4313X 4CrNil3_4、l. 4542X5CrNiCuNbl6_4 和 30CrNiMo8。每一個軌道272、274、276和278都包括多個磁編碼區(qū)A、B、C、D等，如在圖6的示范性軌道中所例證的。四個軌道或編碼區(qū)域272、274、276和278以及它們的構(gòu)成的磁編碼區(qū)由包括四個分隔開的電極300、302、306和308的電極陣列形成，如圖7中所例證的。電極300和302 軸向?qū)R，并且電極306和308軸向?qū)R；電極300和302 (其形成編碼區(qū)域272和276)在周界上與電極306和308(其形成編碼區(qū)域274和278)有位移。所有電極300、302、304和 306都分開固定距離，并且作為單元移動。根據(jù)本發(fā)明的教導，這個電極陣列或另一個近似隔開和定向的電極陣列可用于編碼任何期望形狀的磁極化區(qū)/軌道。電極300和302在相應接觸點300A和302A與軸271物理接觸。電極306和308 各包括三個分段直立分段306A/308A、切向分段306B/308B和直立分段306C/308C。直立分段306A/308A不與軸271接觸；切向分段306B和308B不與軸271接觸；只有在直立分段 306C/308C的端子端的接觸點306D/308D與軸271接觸，或者至少緊密靠近軸271。為了形成軌道272和276，即為了對軸271編碼，將電流脈沖從編碼源309的正端子供給到電極300，電流在接觸點300A退出電極300，流過軸271的區(qū)域271A，進入并流過直立分段306C，流過切向分段306B，通過直立分段306A，并到編碼源309的負端子。這個電流流動在每一個軌道272和276中形成磁極化或編碼區(qū)A、B、C、D等之一，如圖5中所例證的。區(qū)由對齊軸材料的磁疇即磁化軸材料的電流形成。形成包括軌道274和278的磁極化區(qū)與形成包括軌道272和276的區(qū)同時進行。 由電流脈沖從編碼電流源310的正端子流到直立分段308A，通過切向分段308B，通過直立分段308C，通過軸區(qū)域271B到接觸點302B，向上通過電極302并到編碼源310的負端子， 形成軌道274和278的磁極化區(qū)。從編碼源309供給脈沖與從編碼源310施加脈沖同時進行。在形成每個區(qū)(例如，區(qū)A)之后，由陣列支撐結(jié)構(gòu)機械支撐并作為單元移動的電極300、302、306和308作為單元在周界上步進到另一個位置，并且再次施加電流脈沖。這個過程創(chuàng)建另一個磁編碼區(qū)，例如用于每一個磁道272、274、276和278的區(qū)B。由此，在每個電流脈沖創(chuàng)建各個區(qū)A、B、C、D等之后，施加一系列電流脈沖，并在周界上步進電極。區(qū)相隔大約0. 5mm。由于磁區(qū)略大于步大小，因此磁區(qū)融合或歸并以形成磁道或編碼區(qū)域272、 274,276和278。軌道272、274、276和278也稱為分區(qū)軌道或分區(qū)編碼區(qū)域，因為每個都包含軸271的分區(qū)。流過軸271的電流方向(即，從一個電極進入軸并在另一個電極從軸出去)確定編碼區(qū)的磁極化(即，磁場線的方向)、由那些區(qū)形成的軌道以及軸周圍區(qū)域的磁極化。最大切向(或軸向)正磁場強度的位置在圖5中由空著的或空白的橢圓形指示。 最大切向(或軸向)負磁場強度的位置由加黑的橢圓形描繪。在多種給出的實施例中，最大正磁場強度的區(qū)域可與最大負磁場強度的區(qū)域交換，而不脫離本發(fā)明的范圍。術語正/負磁場強度反映磁場線的方向，例如，正磁場強度是指沿軸271指向右邊的場線，而負磁場強度是指沿軸271指向左邊的場線。然而，這個定義對于恰當操作本發(fā)明并不需要。軌道272及其各個區(qū)A、B、C、D等形成在電流脈沖進入軸271的地方，并且軌道276 及其構(gòu)成的區(qū)A、B、C、D等形成在電流脈沖退出軸271的地方。同樣，編碼區(qū)域274及其各個區(qū)A、B、C、D等形成在電流脈沖退出軸271的地方，并且軌道278及其構(gòu)成的區(qū)A、B、C、D 等形成在電流脈沖進入軸271的地方。在一個實施例中，電極300、302、304和308的陣列在大約20到50步之間移動大約30mm，形成類似數(shù)量的編碼區(qū)A、B、C、D等。還有，軸的周長確定分段306B和308B是直線的還是彎曲的。對于較大直徑(并且因此是較大周長)軸，例如大約730mm的直徑，長度大約30mm的直線分段306B和308B是滿意的。但是具有大約60mm直徑的軸需要使用切向彎曲的分段306B和308B。圖8是通過軸271軸向橫截面視圖、其中形成了磁極化軌道272和274的部分以及兩個軸向?qū)R的電極300和302。由此，圖8中例證的視圖由通過軌道272和274的平面和軸271的軸線定義。描繪了軌道272和274以及圍繞每個軌道的磁場線279。還包含了磁極(北(N)和南(S))的參考。具有相同特性的磁場在每個磁極化軌道或區(qū)域(即，具有在左邊是正磁極化區(qū)域而在右邊是負磁極化區(qū)域的定向的軌道或區(qū)域)進行重復。這是本領域技術人員已知的，磁場是三維的，圖8中只例證了二個維度。軌道276和278出現(xiàn)在周界上與圖8的平面移位的另一視圖(未例證)中。然而， 對于軌道276(在左邊)和軌道278(在右邊)，場有向箭頭與圖8描繪的相反。與本發(fā)明一起使用的磁場傳感器(或磁場掃描器或者傳感器或掃碼器陣列)對于除軸向方向的分量以外的所有磁場分量都是“盲的”。由此，場傳感器對于由圖8中的附圖標記303標識的軸向或切向場分量最敏感。與本發(fā)明一起使用的傳感器的非限制性示例可包含霍爾效應傳感器、磁場傳感器、具有空芯的傳感器線圈、磁門傳感器、各向異性磁致伸縮傳感器、巨磁電阻(GMR)傳感器。磁場傳感器的附加非限制性示例包含磁門磁力計、搜索線圈、光纖磁力計、光泵磁力計、SQUIDS和核旋進磁力計。處理測量的磁場典型地由處理器(未示出)執(zhí)行。處理器還配置成基于感測的磁場計算多種軸參數(shù)，諸如角速度、角加速度、角位置、轉(zhuǎn)矩、彎曲力矩、扭轉(zhuǎn)力矩和施加在軸上的其它力。本發(fā)明的實施例不限于用于執(zhí)行與本發(fā)明相關聯(lián)的處理任務的任何具體處理器。術語“處理器”作為本文使用的術語打算指能夠運行執(zhí)行與本發(fā)明相關聯(lián)的任務所必需的核算或計算的任何機器。該術語還打算指能夠接受結(jié)構(gòu)化輸入并根據(jù)規(guī)定規(guī)則處理那個輸入以產(chǎn)生輸出的任何機器。應該注意，本文所用的短語“配置成”意思是處理器配備有用于執(zhí)行本發(fā)明任務的硬件和軟件元素的組合，如本領域技術人員所理解的。圖9例證了兩個磁極化編碼軌道或區(qū)域例如272和274以及表示與每一個軌道 272和274相關聯(lián)的磁場磁通密度的波形，如在圖9下部分所例證的。如所看到的，磁通密度在0電平從左邊靠近軌道272并且增大，直到在軌道272的中間達到正最大。磁通密度下降，退出軌道272，直到在軌道274的中間達到負最大。磁通密度在向右退出軌道274時增大，并且返回到0電平，因為磁通密度隨著距軌道274的距離的增大而下降。軌道272左邊和軌道274右邊的正號指示磁通密度在那些區(qū)域增大。兩個軌道272與274之間的負號指示磁通密度在那個區(qū)域下降。由此，軌道272和274(以及未例證的軌道276和278)指示最大磁場磁通密度的區(qū)域，具體地說是在相對于軸271的軸向方向中。在圖9(以及本申請中的其它圖)中，最大切向(或軸向)正磁場強度的位置由空著的或空白的橢圓形指示。最大切向(或軸向)負磁場強度的位置由加黑的橢圓形描繪。 在多種給出的實施例中，最大正磁場強度的區(qū)域可與最大負磁場強度的區(qū)域交換，而不脫離本發(fā)明的范圍。如參考圖7所例證的，術語正和負反映磁場線的方向，也就是說，正磁場強度指的是指向右邊的場線，而負磁場強度指的是指向左邊的場線。返回圖7的電極陣列，編碼電流源309典型地可生成從幾百安培到幾千安培的單極脈沖(正向的或負向的)，其中脈沖長度大約0.1-100毫秒。在典型的示范性應用中，脈沖持續(xù)時間為大約1毫秒，其中電流大約500A，并且軸直徑大約730mm。電流滲透的深度和軸271中的電流密度由電流脈沖的持續(xù)時間控制。編碼源309和310可包括電容器組(即，通過電阻器給電容器放電)、脈沖發(fā)生器或生成單極電流脈沖波形的功率電子裝置。因為電流脈沖是短的，因此它們的特征在于它們的高頻內(nèi)容。在一個實施例中，軌道272與274之間和軌道276與278之間的軸向距離為幾毫米到大約1厘米。相應軌道272/274與276/278之間的區(qū)域273和277對施加在那個區(qū)域的轉(zhuǎn)矩是敏感的。電極300與306之間的距離，其與電極302與308之間的距離相同，確定可在由電極300和302創(chuàng)建的區(qū)被由電極306和308創(chuàng)建的區(qū)改寫之前形成的磁極化區(qū)的數(shù)量。為了避免這種改寫，在編碼跨越近似等于電極300與306之間距離(或電極302與308之間距離)的距離的每一個軌道272和274的多個磁區(qū)之后，電極陣列必須在周界上移動跨越的距離。這種移動防止在寫繼續(xù)以形成附加軌道272和274時改寫之前寫的軌道276和278。例如，在一個實施例中，電極300和306(以及電極302和308)分隔開大約等于軸周長一半的距離。這個軸然后可在軸半旋轉(zhuǎn)即旋轉(zhuǎn)180度期間被編碼。通過合作激活步進電機以在周界上(或軸向)移動電極陣列支撐結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)軸 271，和/或多軸向激勵電極陣列支撐結(jié)構(gòu)，可在軸271中創(chuàng)建電極幾何形狀極限內(nèi)的任意磁化圖案。例如，如果步進電機沿軸271在軸向方向步進電極對300/302和306/308，沒有繞其軸線旋轉(zhuǎn)軸，則在軸271中形成軸向磁化的軌道，如圖10中所示。軸向軌道321和324 由相應電極300和302形成，因為電極沿軸271軸向步進。與形成軌道321和324同時進行，由相應電極306和308形成軌道322和323。在形成四個軸向軌道321、322、323和324 之后，軸271旋轉(zhuǎn)，并且通過再次在軸上軸向步進電極300、302、306和308再在軸中形成四個軸向軌道。如果軸旋轉(zhuǎn)360度，則在其整個周界上對該軸進行編碼。如果電極對300/302和306/308在周界上步進以創(chuàng)建四個軌道(也就是說創(chuàng)建形成四個軌道的區(qū))，之后軸旋轉(zhuǎn)或者電極陣列在周界上移動，則可形成四個附加軌道。過程可繼續(xù)以形成完全圍繞軸271周界的軌道。參見圖5。在又一實施例中，步進電機可沿其多個軸線中的任一個移動電極陣列支撐結(jié)構(gòu)， 同時軸271保持固定不動，或者步進電機可移動，并且軸271旋轉(zhuǎn)以創(chuàng)建任何期望的磁極化或編碼圖案的軌道。如果在每個磁道形成之后步進電機被激活并且軸旋轉(zhuǎn)，則軌道相對于軸271的旋轉(zhuǎn)軸線形成一個角度。由此，軌道形成螺旋圖案，如圖11和12中所例證的，包括軌道326、 327、3觀和329。這些軌道可通過圖7中例證的四個電極陣列的適當運動連同軸271的旋轉(zhuǎn)形成。圖11中軸271下面的波形例證了可根據(jù)圖11的編碼軌道圖案確定的多種操作參數(shù)。分別由固定(即，它們不和軸271 —起旋轉(zhuǎn))磁場傳感器352所確定的磁場正峰值和負峰值350A和350B的位置指示軸角位置。峰值350A和350B移動的速度指示軸271的旋轉(zhuǎn)速度。在場峰值350A與350B之間(即在軸271上的區(qū)域353內(nèi))檢測的磁場與施加在那個軸區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)矩成比例。波形355A指示在區(qū)域353中不存在轉(zhuǎn)矩；波形355B通過非轉(zhuǎn)矩波形355A與轉(zhuǎn)矩波形355B之間的分散而指示存在轉(zhuǎn)矩。當機械轉(zhuǎn)矩被施加到軸區(qū)域 353時，那個區(qū)域的磁導率改變，磁場(磁通)改變，并且改變的磁場由磁場傳感器352檢測。圖13指示磁場傳感器365相對于軸271的周界磁極化軌道272、274、276和278 的放置。傳感器365部署成與軸271分隔開的關系，并且對區(qū)域277中的磁場的軸向分量敏感。這些軸向分量在圖8中由附圖標記303標識。傳感器367部署在軌道272與274之間(區(qū)域273之內(nèi))，并且對區(qū)域273內(nèi)的軸向場分量敏感。在第一軸向方向具有從磁極化軌道274向軌道272延伸的力矢量的力增大了間隙區(qū)域273內(nèi)的磁場。在與第一軸向方向相反的第二軸向方向的力具有相反效應，減小了間隙區(qū)域273內(nèi)的場強度。與在上面結(jié)合圖11例證的實施例一樣，由磁場傳感器365感測的改變的場強度與未改變的場(在施加轉(zhuǎn)矩之前已經(jīng)獲取的未改變場的地圖)進行比較，以揭示磁場中轉(zhuǎn)矩或力引起的改變。通過首先校準磁場傳感器365來確定轉(zhuǎn)矩的適當數(shù)字測量以確定多種改變的磁場與多種已知施加的轉(zhuǎn)矩之間的關系。當在操作期間檢測到轉(zhuǎn)矩時，根據(jù)磁場中檢測的改變與轉(zhuǎn)矩之間的單調(diào)關系(傳遞函數(shù))來確定轉(zhuǎn)矩的值。在一個實施例中，減去來自傳感器365和367的信號以消除任何公模效應，諸如外部磁場。由于來自傳感器365和367的應力相關信號具有相反符號，因此這些信號維持了減法運算。圖14描繪了表示在外部測量的磁場的分量(例如，圖5或圖11的軌道圖案的磁場分量)的波形或信號軌跡?？赏ㄟ^在軸向方向?qū)D13的磁場傳感器365移動通過圖5 的區(qū)域272/273/274(或備選地通過圖5的區(qū)域276/277/278)來記錄信號軌跡。備選地， 可通過使用各個傳感器的陣列(例如，圖11的傳感器陣列352)來記錄信號軌跡。圖14軌跡包含表示通過感測區(qū)域的磁場的幅度的曲線368(實線)，因為在軸271上軸向掃描傳感器，在掃描期間不存在轉(zhuǎn)矩。正峰值369表示在第一軸向方向具有最高磁場強度的軸271 上的區(qū)域，并且負峰值370表示在第二軸向方向具有最高磁場強度的軸271上的區(qū)域，第一軸向方向與第二軸向方向相反。曲線372(虛線)表示區(qū)域272/273/274上的場。曲線372與曲線368在軸的轉(zhuǎn)矩敏感區(qū)域(例如，圖5中的區(qū)域273和277)上具有看得出的差異。這個轉(zhuǎn)矩敏感區(qū)域在圖14中由圓圈和附圖標記374指示。兩個波形之間的差異表示由在軸區(qū)域273中存在軸向(即平行于圖5的軸定向)力分量(例如，轉(zhuǎn)矩的軸向力分量)引起的改變的磁場。指向第一方向的軸向轉(zhuǎn)矩力分量使曲線372(指示存在轉(zhuǎn)矩力)落到所關注區(qū)域374中的曲線368的左邊；在與第一方向相反的第二方向中的轉(zhuǎn)矩力分量使曲線3M落到所關注區(qū)域 358中的曲線346的右邊。如果編碼區(qū)域的定向從圖5中例證的周界定向的區(qū)域改變到軸向定向的區(qū)域(例如，圖16中的磁編碼區(qū)域400)，則相應地改變編碼區(qū)域內(nèi)的力感測方向性。在這個后一配置中，如果傳感器尚未從圖13中的其定向(即，用檢測軸向力分量的圖13定向)重新定向， 則傳感器檢測在軌道400A與400B之間的區(qū)域400C中具有軸向方向的分量的磁場中的改變。由于軌道400A和400B軸向定向，因此存在軸向力分量可能與施加在軸上的轉(zhuǎn)矩不相關聯(lián)。圖16例證了施加在箭頭404方向的示范性力。施加在圖16的XY坐標系上任何方向的任何力都可分解成X方向的力和Y方向的力。如圖16中描繪的坐標系所指示的，當如所示定向磁極化區(qū)域時，傳感器對沿Y軸的力分量呈現(xiàn)低敏感度，并且對沿X軸的力分量呈現(xiàn)高敏感度。返回到圖15，它例證了在軸410中形成或施加到軸410的磁編碼軌道的幾個不同定向。區(qū)域400包括如所示定位的交替的正磁極化軌道和負磁極化軌道400A、400B、400C 和400D。轉(zhuǎn)矩敏感區(qū)域403被部署在軌道400A與400B之間，并且轉(zhuǎn)矩敏感區(qū)域405被部署在軌道400C與400D之間。如所示，在軸410上，軌道400A和400C軸向?qū)R，并且軌道 400B和400D軸向?qū)R。圖15還例證了包括交替的正磁極化區(qū)域和負磁極化區(qū)域的示范軌道418A、418B、 418C和418D ；軌道418A和418C在周界上對齊，軌道418B和418D也一樣。根據(jù)圖16的力方向性敏感度地圖，區(qū)域419和421對軸向力分量是高度敏感的。軌道424A、4MB、424C和424D與描繪的坐標系的正X軸形成135度角。力敏感區(qū)域425和似6如所示定位。軌道427A、427B、427C和427D設置成與χ軸成225度角，具有所指示的力敏感區(qū)域 431 和 432。通過適當?shù)夭倏貓D7的電極對300/302和306/308以及軸410的旋轉(zhuǎn)，也可在軸 410上形成在其它定向的其它軌道。圖15中的箭頭440和448指示由施加到軸410的一個或多個轉(zhuǎn)矩力矩(或其它力)感應的示范力方向。施加到軸410的張力、壓縮力、轉(zhuǎn)矩和彎曲載荷由來自磁場傳感器 (或傳感器陣列)指示由這些力所對應修改的感測的磁場的對應信號檢測。由此，編碼軌道的多種例證的定向允許檢測從許多不同方向施加在軸410上的力。一般而言，需要兩個周界帶(例如包括軌道418Α和418C的第一帶和包括軌道 418Β和418D的第二帶)和兩個軸向帶(例如包括軌道400Α和400C的第三帶和包括軌道 400Β和400D的第四帶)來檢測在任何方向施加在軸410上的所有力(如果第一和第二帶垂直于第三和第四帶的話)。三組四個帶，每組繞軸在周界上間隔120度，可解析彎曲和轉(zhuǎn)矩力矩。軌道400A、400B、400C和400D平行于軸410的旋轉(zhuǎn)軸411。如果轉(zhuǎn)矩矢量分量在不平行于磁極化區(qū)域(并因此不平行于旋轉(zhuǎn)軸411)的任何方向通過區(qū)域403或405，則這些軌道可檢測施加到軸410的轉(zhuǎn)矩。這些矢量分量改變了由區(qū)域403和405中的磁疇生成
14的磁場，并由此改變了軸410上面的可測量外部場。另外，通過區(qū)域403和405中間(其中 “中間”定義為平行磁極化區(qū)域之間的一半)的任何轉(zhuǎn)矩分量產(chǎn)生磁場的最大改變。不能用軌道400A、400B、400C和400D的定向檢測彎曲力矩，因為通過彎曲力矩施加的力平行于這些磁極化軌道的方向。參考圖16，這種彎曲力矩具有平行于y軸(并因此平行于磁極化軌道的方向)的力分量，其中磁極化軌道對力具有最低敏感度。軌道418A、418B、418C和418D正交于旋轉(zhuǎn)軸410，并且參考圖16，指示這是用于檢測具有X軸分量的彎曲力矩的最優(yōu)定向。軌道424A、424B、4MC和424D和軌道427A、427B、427C和427D被最優(yōu)定向以便檢測轉(zhuǎn)矩和彎曲力。沿軸線450的單向轉(zhuǎn)矩改變了區(qū)域425和426中的磁疇，它們對沿軸線 450的力具有高敏感度。這個轉(zhuǎn)矩未改變或僅稍微改變區(qū)域431和432中的磁疇(domain)， 因為這個區(qū)域中的磁疇對沿軸線450的力具有低敏感度。沿軸線455的單向轉(zhuǎn)矩改變了區(qū)域431和432中的磁場，并因此在磁場傳感器中生成對應信號。沿軸線455的轉(zhuǎn)矩未改變由區(qū)域425和426中的磁疇產(chǎn)生的磁場。一般而言，沿第一軸線(軸線450或455)的任何力都改變沿第一軸線的磁場，同時沿垂直于第一軸線的第二軸線的磁場沒有(或僅稍微)改變。圖17中例證了另一個編碼軌道或帶圖案。步進電機和具有如圖7中所例證布置的四個電極的電極陣列形成軸508中的軌道500、502、504和506。軌道之間的區(qū)域509對施加在軸508上具有通過區(qū)域509的力分量的力敏感。圖16指示區(qū)域509的有向力敏感度。間隙510和511存在于相應軌道500/504與軌道502/506之間。力敏感區(qū)域509還具有與間隙510和511對齊的間斷或間隙。也就是說，間隙512存在于力敏感區(qū)域509之間。 當間隙512之一面對磁場傳感器時，傳感器不能感測磁場，并且因此不能檢測施加在軸上具有間隙512內(nèi)力分量的力。為了克服這個缺點并提供轉(zhuǎn)矩和其它力的連續(xù)檢測，與區(qū)域500、502、504和506 軸向移位并在周界上位移大約一半的軌道長度，形成附加磁極化區(qū)域500A、502A、504A和 506A，如圖17中所例證的。由此，當間隙512存在于磁傳感器的感測范圍中時，磁場傳感器讀出力敏感區(qū)域509A之一，以克服無法感測間隙512內(nèi)的磁場。同樣，當間隙512A存在于磁傳感器的感測范圍中時，磁場傳感器讀出力敏感區(qū)域509以克服無法感測間隙512A內(nèi)的磁場。來自偏移區(qū)域509和509A的組合磁場信號提供了轉(zhuǎn)矩或施加在軸508上的其它力的連續(xù)監(jiān)控。圖18例證了軌道長度接近180度長(即，跨越軸600 —半周長)的實施例。正磁極化區(qū)域604和平行的負磁極化區(qū)域608形成或嵌入在軸600中。軌道604和608在周界上跟隨有相應的間隙612和614，間隙612和614在周界上跟隨有正磁極化區(qū)域和負磁極化區(qū)域6 和620。區(qū)域604/608和區(qū)域620/6 繞軸600跨越大約180度。與軌道604、608、620和6M軸向移位形成附加的磁極化區(qū)域。這些軌道包括正磁極化軌道634和638以及負磁極化區(qū)域642和650。相應軌道630/638之間和軌道634/642 之間的間隙650和652與間隙612和614偏移。這個偏移值，在一個實施例中其大約90度， 提供了施加在軸600上的任何矢量力分量(除平行于軌道604、608、620、624、630、638、634 和652的分量(即，周界分量以外)的連續(xù)(即，繞整個周界)監(jiān)控。一般而言，對于大直徑軸，軌道的角跨越將小于180度，但是這需要對軸上的附加軌道進行編碼以形成在周界上完全環(huán)繞軸的閉環(huán)。要注意，從圖18中的視圖，隱藏了軌道604/620、608/624、630/638和634/642中的附加間隙。圖18中所例證的使用四個軌道跨越360度(第一正磁極化軌道和負磁極化軌道跨越180度并且第二正磁極化軌道和負磁極化軌道跨越180度)只是示范性的。軌道可由任何任意長度形成以跨越所期望的任何角分段。軌道中的間隙，其刻畫了從一個極性到另一個極性的轉(zhuǎn)變，是確?？稍谳S的任何周界區(qū)域確定施加在軸上的任何力的偏移。為了創(chuàng)建圖18的軌道需要兩個軌道形成電極組裝件，圖7中例證了一個此類組裝件。兩個組裝件(包括八個電極)軸向分隔開，并且同時激活以同時創(chuàng)建四個軌道，如本文描述的用于同時創(chuàng)建兩個軌道的四個電極組裝件。一般而言，在操作時，磁傳感器感測來自在軸中編碼的軌道的磁場。在一個實施例中，傳感器相對于旋轉(zhuǎn)軸固定不動，并且固定地安裝到靠近軸的結(jié)構(gòu)。僅一個傳感器安裝在軸的一側(cè)上，施加在多種給出的實施例的任何轉(zhuǎn)矩敏感區(qū)域中的轉(zhuǎn)矩力不能與也將類似力(在方向上)施加在那個相同區(qū)域中的彎曲力矩區(qū)分開。還有，當僅采用一個傳感器時，力感測系統(tǒng)不能將施加的力與環(huán)境磁場的改變區(qū)分開。圖19例證了軌道簇702，包括與相應軌道712和713對齊的相反極性軌道706和 707。力敏感區(qū)域位于軌道706與707之間，而另一個力敏感區(qū)域位于軌道712與713之間。 未例證的兩個傳感器感測這些區(qū)域中每個中的磁場。圖20例證了軌道簇704，包括如所示布置的類似軌道708、709、710和711。力敏感區(qū)域位于軌道708與709之間，而另一個力敏感區(qū)域位于軌道710與711之間。未例證的兩個傳感器感測這些力敏感區(qū)域中每個中的磁場。在一個實施例中，軌道陣列702和704部署在一般在圖21中所例證的軸7M的相對側(cè)上。在操作中，磁場傳感器生成表示軌道706與707之間、軌道712與713之間、軌道 708與709之間和軌道710與711之間的磁場(即切向磁場)的信號。然后，信號作減法如下從信號712/713減去信號706/707以生成第一合成信號，并且從信號710/711減去信號 708/709以生成第二合成信號。第一合成信號和第二合成信號的和表示施加在軸7M上的轉(zhuǎn)矩。第一合成信號與第二合成信號之間的差表示施加在軸7M上的彎曲力矩。應該注意，由軌道706與707之間的磁場生成的信號總是與由軌道712與713之間的磁場生成的信號互補，給定應力矢量在同一方向通過兩個力敏感區(qū)域。在另一個實施例中，軌道706/707位于與軌道712/713的、軸的相對側(cè)上。在這個實施例中，來自力敏感區(qū)域的信號具有與彎曲力矩相同的符號，因為應力矢量在軸的兩側(cè)上具有相反符號。信號具有相同的轉(zhuǎn)矩力符號。理想上，為了獲得表示轉(zhuǎn)矩和彎曲力矩的最佳信號，優(yōu)選為減去如上指示的兩個信號，但這不是必須的。然而，這個減法的確有利地減少了任何公模信號的效應，并因此提供了更準確的結(jié)果。例如，使用這個差分分析抵消了外部磁場效應。盡管在圖19和20中軌道706、707、708、709、710、711、712和713例證為相對于軸 724的旋轉(zhuǎn)軸包含，但是這個定向不是必須的。圖19和20例證了比較短的磁道。然而，在另一個實施例中，這些軌道可做得更長，并且可跨越一個大約180度的軸周界，如圖18中例證的。圖22描繪了軸803和兩個相對放置的傳感器805和807。在兩個傳感器805與 807之間跨越并包含軸的軸線的平面中的彎曲力矩在每個傳感器生成信號，但是信號具有相反極性。由此，組合/相加兩個信號有效地減去兩個信號得到零結(jié)果。對于轉(zhuǎn)矩，來自軸相對側(cè)的兩個信號都在幅度上增大或減小(取決于轉(zhuǎn)矩的方向)，并且組合/相加兩個信號得出正(或負)總值。組合信號可求平均以確定施加在軸上的平均轉(zhuǎn)矩。由此，需要至少兩個傳感器來區(qū)分彎曲力和轉(zhuǎn)矩力。如本領域技術人員已知的，對于應力計傳感器采用這些相同方法。一個實施例采用三個固定傳感器，傳感器繞軸的周界分別處于0、120和240度。優(yōu)選地，軸用三個軌道簇編碼，每個簇包括四個軌道，如圖19和20中所例證的。這個實施例可解析彎曲和轉(zhuǎn)矩力。在另一個實施例中，采用四個傳感器，并將它們安裝在0、90、120和270度，以及四個軌道分區(qū)，每個分區(qū)再次包括四個軌道，如圖19和20中所例證的。這個實施例簡化了將信號分解成笛卡爾坐標系，提供了更好地抵消任何外部磁場，并改進了區(qū)分彎曲力矩和轉(zhuǎn)矩的能力。在彎曲力矩不能沿軸的全長施加(例如，因為牢牢地錨定了驅(qū)動軸支撐)的應用中，一個磁場陣列或掃描儀足夠了。對于傳感器安裝在軸上并繞軸旋轉(zhuǎn)的實施例，必須確定軸相對于固定不動的安裝系統(tǒng)的定向以將旋轉(zhuǎn)軸的X坐標和Y坐標變換成固定不動系統(tǒng)的X軸和Y軸。一般而言，軸的角位置可由在軸的周圍跨越180度的兩個磁道之一的軸向位置確定。在采用如圖11的螺旋軌道圖案和固定傳感器的實施例中，當磁場(部署在螺旋軌道上預定標記位置)中的峰值通過磁場傳感器時，可確定軸旋轉(zhuǎn)位置的檢測。旋轉(zhuǎn)速度可由截然不同的軌道特征(例如，磁場標記)的周界移動的速度或這些特征相繼通過傳感器之間的時間確定。通過使用在周界方向正交于軸軸線的第三非傾斜參考軌道，還可確定軸的軸向位置，以消除由軸的軸向位移引起的任何偽像(artifact)?？赏瑫r并在靜態(tài)和動態(tài)操作條件(即，旋轉(zhuǎn)軸或非旋轉(zhuǎn)軸)下確定這些操作參數(shù)中的每個。本發(fā)明用一個儀器代替共同施加到旋轉(zhuǎn)機器的幾個監(jiān)控儀器。因為本發(fā)明不需要對軸進行機械改變，因此本發(fā)明的實現(xiàn)成本比較低。另外，本發(fā)明提供了分區(qū)磁編碼方案的某些優(yōu)點，同時還提供了軸位置和軸速度信息。如上所述，使用在相對于第一圖案位移的第二編碼螺旋圖案覆蓋的第一螺旋編碼圖案中具有間隙的兩個螺旋磁編碼區(qū)域，可獲得轉(zhuǎn)矩的連續(xù)讀出，其中兩個磁場傳感器以兩個編碼軌道為目標。因為本發(fā)明的分區(qū)編碼方案，編碼過程所需的電流、功率和電壓與軸的直徑無關。 本發(fā)明的方法因此既適合于小直徑軸(例如，60mm)，又適合于大直徑軸(例如，直徑大約 750mm的風力渦輪機低速軸)。通過繞軸對軸向?qū)R或傾斜編碼分區(qū)的緊密間隔的圖案編碼，可在軸上編碼虛擬磁齒輪，允許測量旋轉(zhuǎn)速度。如果兩個此類虛擬磁齒輪被分隔開某一距離編碼，則所獲取信號的相位差表示代表轉(zhuǎn)矩的兩個齒輪之間的軸的扭轉(zhuǎn)。描述的多種實施例具有現(xiàn)有技術分區(qū)磁編碼方案的所有優(yōu)點，但重要的是，允許連續(xù)讀出大直徑軸的轉(zhuǎn)矩，不管軸直徑如何。連續(xù)方案使得能夠連續(xù)讀出從DC到高頻的轉(zhuǎn)矩。相比之下，現(xiàn)有技術分區(qū)編碼方案僅當傳感器安裝在軸上并與軸一起旋轉(zhuǎn)時提供了連續(xù)轉(zhuǎn)矩讀出。但這個現(xiàn)有技術的技術，不像本發(fā)明中描述的改良，需要非接觸無線數(shù)據(jù)和功率傳輸系統(tǒng)或滑環(huán)。沒有這些非接觸讀出方案，現(xiàn)有技術系統(tǒng)僅每當軸的分區(qū)通過固定不動的傳感器時提供轉(zhuǎn)矩讀出。這種方案未考慮連續(xù)轉(zhuǎn)矩讀出，并且屬于受限用于受較高頻率動態(tài)影響而影響的低速軸系統(tǒng)。盡管軸上的磁區(qū)域已經(jīng)由本發(fā)明附圖中的延長區(qū)域表示，但實際上，根據(jù)本發(fā)明可形成在電極設計和物理法則限制內(nèi)的任意形狀的磁區(qū)域。區(qū)域的形狀取決于電極陣列的形狀、對軸進行編碼的電流脈沖流之間的軸或電極陣列的旋轉(zhuǎn)運動、以及影響軸材料磁化的其它因素。雖然已經(jīng)描述了目前認為是優(yōu)選實施例的本發(fā)明的多種實施例，但是許多改變或修改對本領域技術人員將變得顯而易見。從而，意圖是，本發(fā)明不限于特定例證性實施例， 而是在所附權利要求書的整個精神和范圍內(nèi)解釋。盡管主要是參考風力渦輪機中的使用描述的，但是還可將本發(fā)明的編碼技術和編碼區(qū)域用于在任何大旋轉(zhuǎn)機器中所用的軸，諸如電力渦輪機、電力發(fā)電機、渦輪機器、大電機、壓縮機、運輸驅(qū)動、船舶驅(qū)動等。本發(fā)明實施例的書面描述使用示例來公開包括最佳模式的本發(fā)明，以及還使本領域技術人員能制作和使用本發(fā)明。本發(fā)明可取得專利的范圍由權利要求確定，且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果此類其它示例具有與權利要求字面語言無不同的結(jié)構(gòu)要素或過程步驟，或者如果它們包括與權利要求文字語言無實質(zhì)不同的等效結(jié)構(gòu)要素或過程步驟，則它們規(guī)定為在權利要求的范圍之內(nèi)。部件列表5"軸10-電極15-電極20-軸區(qū)域25-電流脈沖30-電流流動35-輸出電流45-傳感器線圈50-環(huán)55-環(huán)60-導體65-輸入電流70-輸出電流75-磁化區(qū)域80-區(qū)域205-軸210-編碼結(jié)構(gòu)212-不導電框架
215-構(gòu)件217-構(gòu)件218-電極220-電極242-導體243-導體245-路徑247-電極248-電極M9-路徑250-編碼源252-電流源洸0_正磁極化通道洸2_負磁極化通道270-編碼區(qū)域217A-區(qū)域271B-區(qū)域271-車由272-軌道273-間隙274-軌道276-軌道277-間隙278-軌道279-磁場線280-282-死區(qū)300-電極300A-接觸點302-電極302A-接觸點302B-接觸點303-軸向場分量或切向場分量304-電極306-電極306A-直立分段306B-切向分段306C-直立分段306D-接觸點
308-電極308A-直立分段308B-切向分段308C-直立分段308D-接觸點309-編碼電流源309編碼源310-編碼電流源321-軸向軌道O)322-軸向軌道323-軸向軌道3 -軸向軌道O)326-軌道327-軌道328-軌道329-軌道346-曲線350A-場峰值350B-場峰值352-磁場傳感器353-區(qū)域354-曲線355A-無轉(zhuǎn)矩波形355B-轉(zhuǎn)矩波形358-區(qū)域365-磁場傳感器367-傳感器368-曲線369-正峰值370-負峰值372-曲線374-區(qū)域400-編碼區(qū)域400A-正磁極化軌道400B-負磁極化軌道400C-負磁極化軌道400D-負磁極化軌道403-轉(zhuǎn)矩敏感區(qū)域404-箭頭
405-轉(zhuǎn)矩敏感區(qū)域410-車由411-旋轉(zhuǎn)軸418A-軌道418B-軌道418C-軌道418D-軌道419-力敏感區(qū)域421-力敏感區(qū)域424A-軌道424B-軌道424C-軌道424D-軌道425-力敏感區(qū)域426-力敏感區(qū)域427A-軌道427B-軌道427C-軌道427D-軌道431-力敏感區(qū)域432-力敏感區(qū)域440-箭頭448-箭頭450-軸線455-軸線500-極化區(qū)域500A-極化區(qū)域502-極化區(qū)域502A-極化區(qū)域504-極化區(qū)域504A-極化區(qū)域506-極化區(qū)域506A-極化區(qū)域508-車由509-力敏感區(qū)域509A-力敏感區(qū)域510-間隙511-間隙5 IlA-間隙
512-間隙512A-間隙600-軸604-正磁極化軌道608-負磁極化區(qū)域612-間隙614-間隙620-負磁極化區(qū)域624-正磁極化區(qū)域630-負磁極化區(qū)域634-正磁極化區(qū)域638-正磁極化區(qū)域642-負磁極化區(qū)域650-間隙652-間隙702-軌道陣列704-軌道陣列706-正極性軌道707-負極性軌道708-正極性軌道709-負極性軌道710-負極性軌道711-正極性軌道712-負極性軌道713-正極性軌道724-軸803-軸805-傳感器805-傳感器807-傳感器
2權利要求
1.一種磁螺旋編碼軸071)，包括第一帶，包括與具有第二磁極性的第二磁編碼區(qū)域(27 交替的、具有第一磁極性的第一磁編碼區(qū)域072)；第二帶，包括與所述第一磁編碼區(qū)域(27 交替的所述第二磁編碼區(qū)域072)，其中所述第一帶與所述第二帶分隔開，以使得所述第一帶中的第一磁編碼區(qū)域072)與所述第二帶中的第二磁編碼區(qū)域(27 相對，并且所述第一帶中的第二磁編碼區(qū)域072)與所述第二帶中的第一磁編碼區(qū)域(27 相對，力敏感區(qū)域(509)在所述第一磁編碼區(qū)域與所述第二磁編碼區(qū)域(27 之間，磁場存在于每個力敏感區(qū)域(509)之上；其中，所述第一帶和所述第二帶以螺旋形狀部署在軸071)的周界周圍；以及所述軸071)，與用于檢測所述力敏感區(qū)域072)中的磁場的第一固定磁場傳感器 (352) 一起使用，其中，可響應于檢測的磁場確定旋轉(zhuǎn)速度、軸(271)旋轉(zhuǎn)位置、彎曲力、轉(zhuǎn)矩力、應力和應變力中的一個或多個。
2.如權利要求1所述的磁螺旋編碼軸071)，用于響應于由所述第一傳感器(365)對所述磁場的相繼檢測之間的時間間隔和軸(271)直徑以及所述第一帶和所述第二帶在軸向或切向方向通過傳感器陣列(35 的速度中的一項確定所述軸071)的旋轉(zhuǎn)速度。
3.如權利要求1所述的磁螺旋編碼軸071)，用于響應于由所述第一傳感器(365)檢測的磁場標記確定軸(271)旋轉(zhuǎn)位置。
4.如權利要求1所述的磁螺旋編碼軸071)，其中，由所述第一傳感器和第二傳感器 (365)檢測的磁場區(qū)分施加在所述軸(271)上的彎曲力和轉(zhuǎn)矩力。
5.如權利要求1所述的磁螺旋編碼軸071)，還包括第二傳感器(365)，其中，所述第一磁編碼區(qū)域與所述第二磁編碼區(qū)域(27 之間的所述力敏感區(qū)域(509)包括由在所述第二磁編碼區(qū)域(270)左邊的所述第一磁編碼區(qū)域(270)定義的第一極性力敏感區(qū)域(509)， 并且定義由在所述第二磁編碼區(qū)域(270)右邊的所述第一磁編碼區(qū)域(270)定義的第二極性力敏感區(qū)域(509)；以及所述第一傳感器和所述第二傳感器(36 用于響應于相應所述第一極性力敏感區(qū)域和所述第二極性力敏感區(qū)域072)的磁場產(chǎn)生相應第一信號和第二信號，所述第一力敏感區(qū)域和所述第二力敏感區(qū)域(27 被相應通過所述第一極性力敏感區(qū)域(509)的第一力和通過所述第二極性力敏感區(qū)域(509)的第二力改變，所述第一信號在符號上與所述第二信號相反。
6.如權利要求5所述的磁螺旋編碼軸071)，其中，所述第一信號與所述第二信號組合，用于確定施加到所述軸071)的力，所述力包括轉(zhuǎn)矩力、彎曲力、應力和應變力。
7.如權利要求1所述的磁螺旋編碼軸071)，其中，所述第一帶與所述第二帶之間的所述力敏感區(qū)域(509)對垂直于所述第一帶和所述第二帶的所述第一磁編碼區(qū)域和所述第二磁編碼區(qū)域072)的力分量的敏感度最大，而對平行于所述第一帶和所述第二帶的所述第一磁編碼區(qū)域和所述第二磁編碼區(qū)域072)的力分量的敏感度最小。
8.如權利要求1所述的磁螺旋編碼軸071)，其中，所述軸(271)被部署在風力渦輪機中，并由與所述軸(271)機械通信的風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片驅(qū)動。
9.如權利要求1所述的磁螺旋編碼軸071)，其中，所述軸(271)被部署在電力渦輪機中或電力發(fā)電機中。
10. 一種磁螺旋編碼軸071)和磁場檢測系統(tǒng)，包括第一磁編碼帶、第二磁編碼帶、第三磁編碼帶和第四磁編碼帶，它們螺旋環(huán)繞所述軸 071)，每個帶包括與具有第二磁極性的第二磁編碼區(qū)域(27 交替的、具有第一磁極性的第一磁編碼區(qū)域072)；第一死區(qū)、第二死區(qū)、第三死區(qū)和第四死區(qū)，它們定義在相繼第一磁編碼區(qū)域與第二磁編碼區(qū)域(272)之間的每個帶中；所述第一帶和所述第二帶由第一距離分隔開，并且所述第三帶和所述第四帶由所述第一距離分隔開，在所述第一帶與所述第三帶之間以及所述第二帶與所述第四帶之間的第二距離大于所述第一距離；在所述第一帶和所述第二帶中第一磁編碼區(qū)域(27 與第二磁編碼區(qū)域(27 相對， 并在其間定義第一力敏感區(qū)域(509)；在所述第三帶和所述第四帶中第一磁編碼區(qū)域072)與第二磁編碼區(qū)域(27 相對， 并在其間定義第二力敏感區(qū)域(509)；在所述第三帶和所述第四帶中所述第一力敏感區(qū)域(27 相對第一死區(qū)和第二死區(qū)分隔開；在所述第一帶和所述第二帶中所述第二力敏感區(qū)域(27 相對第三死區(qū)和第四死區(qū)分隔開；以及靠近所述軸(271)安裝的傳感器(36 用于檢測圍繞所述第一力敏感區(qū)域和第二力敏感區(qū)域(27 的磁場，其中，施加在所述第一力敏感區(qū)域和所述第二力敏感區(qū)域(27 之一上或二者上的力改變圍繞所述相應第一力敏感區(qū)域和第二力敏感區(qū)域072)的所述磁場， 所述改變指示所施加的力。
全文摘要
本發(fā)明的名稱為“用于軸的分區(qū)磁編碼及用于測量旋轉(zhuǎn)角、旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)矩的方法和設備”。磁編碼軸用于檢測在操作期間施加在軸(271)上的力。磁編碼區(qū)域(271)布置在軌道(271)或帶中，環(huán)繞軸(271)，并形成在軸(271)內(nèi)或附到其上。磁編碼區(qū)域(272)在其間定義力敏感區(qū)域(272)。磁場圍繞力敏感區(qū)域(272)，并被通過力敏感區(qū)域(509)的力矢量改變。這些磁場由磁場傳感器(352)感測以確定多種軸(271)參數(shù)，例如包括軸(271)旋轉(zhuǎn)速度、軸(271)旋轉(zhuǎn)位置、以及施加在軸(271)上的力，例如轉(zhuǎn)矩、彎曲力、應力和應變力。為了提供軸(271)操作參數(shù)和力的連續(xù)檢測，磁編碼區(qū)域(272)之間的死區(qū)和與其它帶中的磁編碼區(qū)域(272)相關聯(lián)的力敏感區(qū)域(509)對齊。
文檔編號G01D5/244GK102538836SQ20111034496
公開日2012年7月4日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權日2010年10月28日
發(fā)明者C·施勒, M·鮑勒 申請人:通用電氣公司