磁電式轉速傳感器的優化設計*

徐光衛，宋春華

(西華大學機械工程與自動化學院，四川成都610039)

0 引言

轉速傳感器按照工作原理的不同可以分為:磁電式、光電式、離心式、電渦流式和霍爾式等。其中磁電式轉速傳感器是一種機—電能量轉換型傳感器，不需供電電源、電路簡單、性能穩定、輸出信號強，因此，在實際工程中具有廣泛的應用［1］。

磁電式轉速傳感器基于電磁感應原理，通過磁電相互作用把轉軸的轉速轉換成相對應的感應電動勢，再經過對輸出感應電動勢信號進行處理和分析就可以得到轉軸的實際轉速。在實際應用中，當轉軸啟動的速度過快時，會產生一個瞬時高電壓對信號處理電路產生較大的危害。因此，本文對磁電式轉速傳感器的永磁體結構進行了研究，設計了一種啟動時無瞬時高電壓的磁電式轉速傳感器。同時，設計了磁電式轉速傳感器的信號處理電路。

1 電式轉速傳感器設計

1.1 磁電式轉速傳感器的結構與原理

圖1所示為磁電式轉速傳感器的結構圖，它由裝在軸上的內齒輪和外齒路、感應線圈、永久磁鐵等部分組成。當內齒輪和外齒輪的齒凸相對時，氣隙最小，磁阻最小，磁通最大;當內齒輪和外齒輪的齒凹相對時，氣隙最大，磁阻最大，磁通最小。這樣當內齒輪與外齒輪相對運動時，傳感器的磁通就發生周期性變化，從而在線圈中感應出電動勢信號［2］。

圖1 磁電式轉速傳感器結構圖Fig 1 Structure diagram of magnetoelectric rotational speed sensor

1.2 電磁場分析理論基礎

Maxwell方程組是電磁場理論的基礎，它由4個定律組成:安培環路定律、法拉第電磁感應定律、高斯電通定律和高斯磁通定律。

Maxwell方程組有2種表示形式，即積分形式和微分形式。其中微分形式用于有限元分析處理電磁問題，即電磁場的分析和計算化為求微分方程的解。

有限元的思想最早由Courant在1943年提出，有限元法(finite-element method)這個名稱由Clough于1960年在其著作中首先提出。多年來，以變分原理為基礎建立起來的有限元法廣泛地應用于各種結構工程。所謂有限元法，就是將整個區域分割成許多很小的子區域，這些子區域被稱為“單元”或“有限元”，將求解邊界問題的原理應用于這些小區域中，求解每個小區域，然后將小區域的結果總和起來得到整個區域的解［3］。

1.3 磁電式轉速傳感器永磁體設計

Ansoft Maxwell為一種低頻電磁場有限元軟件，可以對電磁機構進行數值分析，本文使用其對磁電式轉速傳感器進行仿真實驗。

本文以一種量程為20 N·m的磁電式轉速傳感器為研究對象。首先在Ansoft Maxwell中建立整體圓環結構永磁體磁電式轉速傳感器的三維模型如圖2所示，對其進行運動仿真得到感應電動勢的波形圖如圖3所示。

圖2 整體圓環永磁體結構磁電式轉速傳感器模型Fig 2 Model of magnetoelectric rotational speed sensor with whole ring structure of permanent magnet

從圖3的感應電動勢圖可以看到，傳感器在啟動瞬間由于磁通瞬時變化而產生瞬時高電壓大小為14.4 V，而信號處理電路的安全電壓一般都在5 V左右，因此，這種傳感器的信號處理電路的使用壽命通常較短。針對上述問題，本文對磁電式轉速傳感器的永磁體結構進行了研究。永磁體產生的磁場充斥著整個空間，當空間中具有多個永磁體的時候它們之間的磁場就會相互影響，進而影響到磁電式轉速傳感器的輸出感應電動勢特性。

經過仿真實驗，發現一種8片瓦型永磁體結構磁電式轉速傳感器如圖4所示，8片瓦型永磁體的體積為原來整體結構永磁體的1/2，8片瓦型永磁體之間為氣隙。其感應電動勢圖如圖5所示。從圖5可以看出:這種8片瓦型永磁體結構磁電式轉速傳感器沒有瞬時的高電壓，消除了對后續信號處理電路的影響，可以提高后續信號處理電路的使用壽命。

圖3 整體圓環結構永磁體磁電式轉速傳感器感應電動勢圖Fig 3 Induced electromotive force diagram of magnetoelectric rotational speed sensor with whole ring structure of permanent magnet

圖4 8片瓦型永磁體結構磁電式轉速傳感器模型Fig 4 Model of magnetoelectric rotational speed sensor with 8 tile permanent magnet structure

圖5 8片瓦型永磁體磁電式轉速傳感器感應電動勢圖Fig 5 Induced electromotive force diagram of magnetoelectric rotational speed sensor with 8 tile permanent magnet structure

1.4 輸出信號波形處理電路的設計

圖6 輸出信號波形處理電路圖Fig 6 Circuit diagram of output signal waveform processing

圖7為輸出信號波形處理仿真圖，由圖可以看出:近似正弦波信號Vin經過濾波、鉗位后振幅變為0.7 V的Vin1，再經過反向放大器LM358后變成振幅為3.5 V的Vin2，Vin2再經過集成電壓比較器LM393變成峰值為5V的單極方波信號Vout。

圖7 輸出信號波形處理仿真圖Fig 7 Simulation diagram of output signal wave processing

2 結束語

本文介紹了磁電式轉速傳感器的結構原理，針對磁電式轉速傳感器啟動時會產生瞬時高電壓的問題，通過使用有限元分析軟件Ansoft Maxwell建立一種具有8片瓦型永磁體結構的20 N·m磁電式轉速傳感器的模型并進行仿真，得出一種可以消除啟動瞬時高電壓的永磁體結構設計方案，同時設計了傳感器輸出信號的波形處理電路，并通過Protel對信號波形處理電路進行仿真證實其是切實可行的。

［1］何道清，張 禾，諶海云.傳感器與傳感器技術［M］.北京:北京科學出版社，2008:6.

［2］胡向東，劉京誠，余成波，等.傳感器與檢測技術［M］.北京:機械工業出版社，2009:2.

［3］趙 博，張洪亮.Ansoft 12在工程電磁場中的應用［M］.北京:中國水利水電出版社，2010:1.

［4］張世英，于璽興，朱杰堂，等.智能轉速傳感器設計［J］.傳感技術學報，2011，24(2):313-316.

［5］徐 科，黃金泉，張天宏，等.基于DSP的航空發動機轉速傳感器設計［J］.推進技術，2004，25(2):180-182，186.

［6］何秀然，謝壽生，錢 坤.航空發動機智能轉速傳感器的設計［J］.傳感技術學報，2005，18(3):496-499.

［7］Masayuki K，Hiroyuki O.Running torque of ball bearings with polymer lubricant［J］.Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers C，2005，71(1):272-279.

［8］王文成，李 健.基于單片機的點擊轉速測量系統的設計［J］.儀表技術與傳感器，2011(8):70-72.