本發(fā)明涉及一種用于測量轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)的徑向位置的徑向位置傳感器。尤其是，該傳感器可以集成在電動旋轉(zhuǎn)機器(electrical rotary machine)上或者磁浮軸承，兩者都包括固定部分(也就是定子)和旋轉(zhuǎn)部分，也就是轉(zhuǎn)子。

背景技術(shù)：

圖1展示了現(xiàn)有技術(shù)中的8極的徑向位置傳感器。該傳感器能夠祛除代表轉(zhuǎn)子缺陷中的偶次諧波(even harmonics)。事實上，轉(zhuǎn)子從來都不是完美的圓柱形狀。所述傳感器包括八個布置在定子內(nèi)表面的磁極(magnetic pole)。每個磁極由電磁鐵形成。所述電磁鐵被分成四對。每對電磁鐵具有相反的磁極性(magnetic polarity)，并且串聯(lián)連接。一對電磁鐵于是形成偶極子(dipole)。電磁鐵的所述磁極性對應(yīng)于所產(chǎn)生的磁場的方向。在圖1中由字母“N”或者“S”表示，各自代表“北”或者“南”。每個電磁鐵產(chǎn)生的磁場在空氣間隙(air gap)中相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線而言是徑向的。

如圖1中所見的，磁力線相對于偶極子來說是固有的(intrinsic)。所述磁力線為環(huán)線，途徑偶極子的第一電磁鐵、轉(zhuǎn)子的一部分、偶極子的第二電磁鐵、以及連接兩個電磁鐵的定子的一部分。所述磁力線在圖1中以箭頭表示。四組偶極子由D1、D2、D3和D4表示并線連接為如圖2中展示的橋式電路(bridge circuit)。結(jié)果，偶極子D1和D3串聯(lián)并沿第一軸線X在徑向上相對。偶極子D2和D4串聯(lián)并沿垂直于軸線X的第二軸線Y在徑向上相對。所述橋式電路包括偶極子D1到D4兩兩之間的四個節(jié)點A、B、C和D，且在節(jié)點A和C之間施以輸入電壓。E+表示節(jié)點A處的電壓，E-表示節(jié)點C處的電壓。Vx和Vy分別表示節(jié)點B和D處的電壓。

轉(zhuǎn)子在X方向上的位移導(dǎo)致偶極子D1和D3的電磁鐵產(chǎn)生的磁場的改變。結(jié)果，偶極子D1和D3的電磁鐵的自感(self-inductance)發(fā)生變化，偶極子D1和D3的阻抗也相應(yīng)地發(fā)生變化。這種變化可以根據(jù)表征轉(zhuǎn)子沿X軸位移幅度的Vx信號檢測到。以同樣的方式，Vy信號的測量表征轉(zhuǎn)子沿Y軸位移的幅度。

圖3展示了一種更為復(fù)雜的傳感器。該傳感器為16極徑向位置傳感器，包括排列在定子內(nèi)表面的八對電磁鐵。如圖1中的徑向位置傳感器，所述16極徑向位置傳感器具有兩個彼此垂直的測量軸線X和Y，每對電磁鐵具有交替的磁極性，一起形成偶極子。D1至D8表示八個偶極子。標記7表示偶極子D1至D8的對稱軸線。任何一個偶極子D1至D8的對稱軸線7與最近的軸線X或Y限定30°的夾角A7。結(jié)果，偶極子D1與D4、D2與D7、D3與D6以及D5與D8的所述對稱軸線7之間的夾角都等于120°。與圖1中的8極徑向位置傳感器相比，16極徑向位置傳感器除了偶次諧波之外，還可以剔除奇次諧波(odd harmonic)，其除以6的歐幾里得除法(Euclidean division)余數(shù)為3(3模6次諧波)。該傳感器適于大型電氣機械。這些諧波代表了轉(zhuǎn)子的表面缺陷。

所述八個偶極子線連接成圖4中展示的橋式電路。所述橋式電路包括四個在偶極子D1至D8之間的節(jié)點A、B、C和D，所述橋式電路由施加在節(jié)點A和C之間的輸入電壓。E+表示節(jié)點A處的電壓，E-表示節(jié)點C處的電壓。Vx和Vy分別表示節(jié)點B和D處的電壓。偶極子D4和D5串聯(lián)在節(jié)點A和B之間，偶極子D1和D8串聯(lián)在節(jié)點B和C之間，節(jié)點D3和D2串聯(lián)在節(jié)點C和D之間，偶極子D7和D6串聯(lián)在節(jié)點D和A之間。

節(jié)點B處的電壓Vx的測量可以推算出沿X軸的轉(zhuǎn)子位移，節(jié)點D處的電壓Vy的測量可以推算出沿Y軸的轉(zhuǎn)子位移。

因為需要繞卷的線圈數(shù)量，這些已知的徑向位置傳感器難以制造。進一步的，線圈距離彼此太近，以致難以進行自動化的繞卷。結(jié)果，繞卷過程很費時。例如，需要花費約兩天來繞卷8極徑向位置傳感器的全部線圈。另外，這還引起相互連接的可靠性問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在通過提出一種提供相同的測量精度卻更容易制造的徑向位置傳感器來解決上述缺點。

了這個目的，本發(fā)明涉及一種按照權(quán)利要求1所述的徑向位置傳感器。

得益于本發(fā)明，為獲得類似的測量精度，所述傳感器具有比現(xiàn)有技術(shù)的徑向位置傳感器要少兩倍的電磁鐵。從而也就少繞卷兩倍的線圈以及使用更少的銅。進一步的，線圈與彼此之間的間隔更大，從而繞卷工作可以自動化地執(zhí)行。此外，所述傳感器對于轉(zhuǎn)子表面缺陷的敏感性更低。所述傳感器在線性、敏感性和耗能方面相比于現(xiàn)有技術(shù)相應(yīng)的傳感器具有相同的性能。換句話說，按照本發(fā)明的8極徑向位置傳感器可以代替現(xiàn)有技術(shù)中的16極徑向位置傳感器而按照本發(fā)明的4極徑向位置傳感器可以代替現(xiàn)有技術(shù)中的8極徑向位置傳感器。

本發(fā)明有利的而非必要的進一步的方面在權(quán)利要求2至9中詳細說明。

本發(fā)明還涉及一種如權(quán)利要求10中限定的電氣旋轉(zhuǎn)機械。

本發(fā)明還涉及一種如權(quán)利要求11中限定的磁浮軸承(magnetic bearing)。

附圖說明

下面對照圖1至8對本發(fā)明進行解釋，在圖中：

-圖1展示了第一個現(xiàn)有技術(shù)中的徑向位置傳感器，

-圖2展示了與圖1中的徑向位置傳感器相關(guān)的橋式電路，

-圖3展示了第二個現(xiàn)有技術(shù)中的徑向位置傳感器，

-圖4展示了與圖3中的徑向位置傳感器相關(guān)的橋式電路，

-圖5展示了按照本發(fā)明的徑向位置傳感器的第一實施例，

-圖6展示了與圖5中傳感器相關(guān)的橋式電路，

-圖7展示了按照本發(fā)明的徑向位置傳感器的第二實施例，

-圖8展示了與圖7中傳感器相關(guān)的橋式電路。

具體實施方式

圖5展示了測量轉(zhuǎn)子4在定子2中的徑向位置的徑向位置傳感器。所述轉(zhuǎn)子4由鐵磁材料制成。所述傳感器包括四極。每個極由電磁鐵Z1、Z2、Z3或者Z4形成。所述電磁鐵Z1、Z2、Z3和Z4排列在定子2內(nèi)表面。所述傳感器也就是一種四極徑向位置傳感器。如圖1中的傳感器，本傳感器能夠排除轉(zhuǎn)子缺陷中的偶諧波典型。事實上，轉(zhuǎn)子不會是完全的圓柱形。

電磁鐵Z1、Z2、Z3和Z4各自包括圖中未標識的線圈，所述線圈繞卷在鐵芯6上，相對于定子2的內(nèi)表面向內(nèi)突出。每個線圈具有相同的匝數(shù)。這個匝數(shù)與現(xiàn)有技術(shù)的傳感器的線圈匝數(shù)相同。電磁鐵Z1至Z4具有圍繞定子2整個圓周交替的磁極性N、S且相互之間夾角為90°。這意味著在沿圓周方向(peripheral direction)首尾相連的任何連續(xù)的磁極(pole)具有相反的極性，分別是北(North)和南(South)。所述圓周方向由圖中未標示的轉(zhuǎn)子4旋轉(zhuǎn)軸線Z-Z’的直輻射方向矢量(orientation vector orthoradial to a rotation axis Z-Z’，即以Z-Z’為旋轉(zhuǎn)軸線的圓所代表的方向)限定。電磁鐵的所述磁極性由經(jīng)過電磁鐵的線圈中的電流的方向確定。

在圖5的實施例中，磁極Z1至Z4在圓周方向上均勻地分布。磁極Z1和Z3沿軸線X在徑向上相對，磁極Z2和Z4沿垂直于軸線X的軸線Y在徑向上相對。軸線X和Y均垂直于軸線Z-Z’。

電磁鐵Z1至Z4線連接為如圖6所示的橋式電路。正如該圖中所見的，電磁鐵Z1和Z3串聯(lián)，電磁鐵Z2和Z4串聯(lián)。所述橋式電路包括在磁極Z1至Z4之間的四個節(jié)點A、B、C和D并由在節(jié)點A和C之間施以輸入電壓。E+表示節(jié)點A處的電壓，E-表示節(jié)點C處的電壓。所述輸入電壓為節(jié)點A和C之間的電壓差。該輸入電壓為具有約等于20kHz的頻率的正弦信號。

Vx和Vy分別表示節(jié)點B和D出的電壓。Vx信號對應(yīng)于電磁鐵Z1和Z3之間的電壓，Vy信號對應(yīng)于電磁鐵Z2和Z4之間的電壓。所述轉(zhuǎn)子4在X方向上的位移牽涉到由偶極子Z1和Z3的電磁鐵產(chǎn)生的磁場的改變。例如，如果轉(zhuǎn)子4沿圖5中的X軸線向右移動，電磁鐵Z1的阻抗提高，而電磁鐵Z3的阻抗降低。然后所述橋式電路失去平衡。Vx和Vy信號為與沿軸線X和Y的轉(zhuǎn)子位移成比例的輸出信號。從而，任何徑向方向上的所述轉(zhuǎn)子位移都被分解為沿X軸線的位移和沿Y軸線的位移，后兩者獨立地測量。所述傳感器包括沒有展示出的用于測量輸出信號Vx和Vy的裝置以及沒有展示出的用于推算所述轉(zhuǎn)子4相對于其初始位置的徑向位移的裝置。

因此，第一組磁極Z1、Z3用于測量沿X軸線的轉(zhuǎn)子位移，第二組磁極Z2、Z4用于測量沿Y軸線的轉(zhuǎn)子位移。

如圖5中所見，圖中用箭頭表示的所述傳感器的磁力線，與圖1中的磁力線是完全不同的。的確，每個磁力線為環(huán)線，途徑第一磁體、轉(zhuǎn)子的一部分、毗鄰所述第一電磁鐵的第二電磁鐵、以及連接兩個連續(xù)電磁鐵的定子的一部分。結(jié)果，每個磁力線為兩個連續(xù)的電磁鐵共有。這使得磁極如此地排列以使沿圓周方向的任何連續(xù)的磁極通過互感(mutual inductance)耦合，意味著在任何連續(xù)的電磁鐵之間存在磁性的相互作用。這與圖1中的傳感器的布置是不同的，在圖1中，磁極D1至D4沒有磁性的相互作用。也就意味著在一些連續(xù)的磁極之間不存在互感。

S6表示鐵芯6徑向地面向轉(zhuǎn)子4的徑向表面。該表面S6比圖1的現(xiàn)有技術(shù)傳感器中相對應(yīng)的鐵芯的表面S’6大兩倍。結(jié)果，按照本發(fā)明的傳感器的電磁鐵對于轉(zhuǎn)子的表面缺陷的敏感性更低。另一個優(yōu)點在于，在其周圍繞卷線圈的鐵芯6具有比圖1的傳感器中的鐵芯大兩倍的直徑。結(jié)果，線圈的彎曲半徑(bending radius)也要大兩倍。這使得繞卷過程更加容易。

圖5的傳感器在線性度、敏感性和能耗方面提供了與圖1的現(xiàn)有技術(shù)中的傳感器相同的性能，然而具有比其少兩倍的電磁鐵。

圖7展示了按照本發(fā)明第二個實施例的徑向位置傳感器。為了簡明的目的，下面僅描述相對于第一個實施例的區(qū)別技術(shù)特征。此外，按照第二個實施例的徑向位置傳感器產(chǎn)生與圖5的4極徑向位置傳感器同類的益處。這些益處在上面與所述4極徑向位置傳感器相關(guān)處描述。

圖7中展示的傳感器為8極徑向位置傳感器，其具有由電磁鐵Z1至Z8形成的8個磁極，電磁鐵Z1至Z8圍繞定子2的整個圓周分布有交替的磁極N、S。在圖7的例子中，電磁鐵Z1、Z8、Z4和Z5所在磁極用于測量沿第一軸線X的轉(zhuǎn)子位移，電磁鐵Z2、Z3、Z6和Z7所在磁極用于測量沿第二軸線Y的轉(zhuǎn)子位移。

電磁鐵Z1至Z8沿圓周方向不均勻地分布。沿圓周方向兩個連續(xù)的磁極之間的夾角交替為30°和60°。在圖7中，A6表示30°夾角，A’6表示60°夾角。夾角A6和A’6以測量兩個連續(xù)的形成磁極的電磁鐵的中心軸線8得到。任何一個所述電磁鐵Z1至Z8的所述中心軸線8與最近的軸線X或Y限定出30°的夾角A”6。該夾角A”6對應(yīng)于所述夾角A’6的一半。換句話說，由電磁鐵Z1至Z8形成的所述八個磁極的排布方式使得第一軸線和第二軸線之間的每個磁極偏離最近軸線的角度A”6約為30°。結(jié)果，電磁鐵Z1和Z4的軸線8之間、Z2和Z7的軸線8之間、Z3和Z6的軸線8之間以及Z5和Z8的軸線8之間的夾角都等于120°。于是該傳感器除了偶次諧波以外，還能夠排除奇次諧波，其除以6的歐幾里得除法的余數(shù)為3(3模6次諧波)。在該例子中，夾角A”6等于30°，但是在實踐中，所述夾角A”6為約等于30°，具有+/-5°的公差。

所述電磁鐵Z1至Z8線連接成如圖8中描述橋式電路。所述橋式電路包括四個節(jié)點A、B、C和D并由施加在節(jié)點A和C之間輸入電壓激勵。E+表示節(jié)點A處的電壓，E-表示節(jié)點C處的電壓。所述輸入點差為節(jié)點A和C之間的電壓差。電磁鐵Z4、Z5、Z1和Z8串聯(lián)在節(jié)點A和C之間，電磁鐵Z6、Z7、Z2和Z3串聯(lián)在節(jié)點A和C之間。尤其是，電磁鐵Z4和Z6連接至節(jié)點A，電磁鐵Z8和Z3連接至節(jié)點C。

分別表示節(jié)點B和D出的電壓。節(jié)點B為電磁鐵Z5和Z1之間的節(jié)點，節(jié)點D為電磁鐵Z2和Z7之間的節(jié)點。Vx為代表沿X軸線的轉(zhuǎn)子位移的信號，Vy為代表沿Y軸線的轉(zhuǎn)子位移信號。

圖7的傳感器在線性、敏感性和耗能方面具有與圖3的現(xiàn)有技術(shù)中傳感器相同的性能，然而具有少兩倍的電磁鐵。

圖5和圖7的傳感器可以集成于電氣旋轉(zhuǎn)機械中，尤其是電動機，或者磁浮軸承。