CN112729650B - 一种自供电扭矩监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自供电扭矩监测装置，属新能源与监测技术领域。主体的轴套装在主轴上、筒底上装有电路板，电路板主轴上的传感器相连；端盖的内环装在主体的轴套上、环板将定盘压接在主体的筒底上；动盘套在定盘上，定盘外缘底部设有惯性块；动盘里外层之间嵌有动电极组，动电极组由梳状的左右电极构成，左右电极均由极环和左极构成；左右极指交叉安装，左右电极经导线与电路板相连；定盘的里层外层之间嵌有定电极组；动定盘相对转动时其接触面间产生异种摩擦电荷，左右电极与定电极上产生感应电荷及电势差，定动盘间的连续转动使左右电极间的电势差交替地增加和减小并将动能转换成电能，电能经处理后供给传感器及信息经发射单元。
Description
技术领域
本发明属于新能源与监测技术领域，具体涉及一种自供电扭矩监测装置，机床、发电机及车辆等传动轴的扭矩监测。
背景技术
扭矩是机床、发电机及车辆等动力系统轴系故障监测与诊断的重要指标。针对旋转机械工况恶劣和健康监测的市场需求，目前已有多种形式的扭矩监测与故障诊断技术被成功开发应用，测量方法主要分为接触和非接触式。接触式扭矩监测方法是通过直接测量旋转体的应变变化获得扭矩的，故测量精度远远优于非接触测量，但实际应用中一个难以解决的关键问题是监测系统的供电问题。采用压电或电磁的方法构造的旋转发电机可在一定程度上解决这一问题，但现有两种发电方法都存在一定的局限性：电磁发电时存在电磁干扰，且仅在较高转速时发电效果较好，并不适用于风力发电机等转速低、监测信号需要长距离传输的场合；压电发电时仅在有限的激励频率范围内及共振频率附近发电能力较强，高温环境下压电陶瓷会因退极化而丧失发电能力，故不适于机床变速箱等转速范围变化大、温度高等场合。因此，一种耐高温、供电电压受转速影响较小甚至无影响的微小型发电装置及其轴系监测系统依然是各领域所急需的。
发明内容
本发明提出一种自供电扭矩监测装置，本发明采用的实施方案是：所提出一种自供电扭矩监测装置主要包括主体、端盖、动盘和定盘，动盘和定盘的材料为绝缘的非金属，所述非金属材料为聚酰胺、聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺等。
主体由轴套、圆筒和筒底构成，筒底将轴套和圆筒连接在一起，轴套和圆筒同轴且位于筒底的同侧，轴套经螺钉安装在被监测的主轴上，主轴上安装有传感器，传感器为应变片；筒底上设有导线孔，筒底上经螺钉安装有电路板，电路板经导线与传感器相连，导线经筒底上的导线孔穿过。
端盖由内环、外环和连接内外环的环板构成，内外环位于环板的左右两侧；内环经螺钉安装在主体的轴套上；定盘经端盖的环板压接在主体的筒底上，动盘套在定盘上，动盘左右两端经端盖的外环和主体的圆筒限位；定盘外缘的底部设有惯性块，惯性块经定位销与主轴的支架相连；动盘随主体转动，定盘与动盘相对滑动。
动盘为环形结构，动盘的里外层之间镶嵌有动电极组，动电极组由梳状的左电极和右电极构成，左电极由左极环和左极指构成，右电极由右极环和右极指构成，左右极指均沿圆周方向均布，左右极指与动盘的轴线平行；左右电极的结构尺寸相同，但其极指与极环的配置方向相反：左极指位于左极环的右侧、右极指位于右极环的左侧；左右极指交叉安装且左右电极互不接触，左右极环分别与动盘的左右两个端面平齐，左右电极材料为铜或铝；动盘为分体结构或整体结构，所谓分体结构是指动盘的里外层分别加工制作后组装在一起，所谓整体结构是指动盘是通过注塑方法制作的含有动电极组的整体结构；动盘上设有走线孔，左右电极经导线与电路板相连。
定盘为环形结构，定盘的里层外层之间镶嵌有定电极组，定电极组由指状的定电极构成，定电极沿圆周方向均布，定电极与定盘的轴线平行；定盘为分体结构或整体结构，所谓分体结构是指定盘的里外层分别加工制作后组装在一起，所谓整体结构是指定盘是通过注塑方法制作的含有定电极组的整体结构；定电极在轴向上位于左右极环之间，定电极的长度小于左右极环间的距离，且定电极和左极环及右极环在同一个经过定盘的轴线的平面上的投影不重叠；定电极的数量是左极指数量的1/2倍。
动定盘的材料为摩擦起电序列相隔较远的材料对，如由聚酰胺与聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺构成的材料对；定电极直接与动盘表面接触时，即定电极内测不被定盘的盘体材料覆盖时，动盘材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺，定盘材料为聚酰胺、定电极材料为铜，各定电极的两端分别经电极环相连接，进而提高定电极在定盘上的结合强度。
工作中，主轴带动动盘转动，定盘在惯性块或定位销的作用下保持相对静止，无定位销时惯性块的质量需足够大；动定盘相对转动过程中其接触面间会产生摩擦电荷，左右电极与定电极上产生感应电荷，因不同材料吸引电子的能力不同，定盘和动盘表面间滑动接触所生成的电荷属性不同，如：动盘的材料为聚酰胺、定盘材料为聚四氟乙烯，则动盘摩擦表面带正电荷、定盘摩擦表面带负电荷；反之，动盘摩擦面带负电荷、定盘摩擦面带正电荷；在定动盘的摩擦面上存在异种电荷的情况下，定电极与动盘间的相对转动会使左右电极之间产生电势差，定动盘间的连续转动使定电极与左右电极交替地接触与分离，从而使左右电极间的电势差交替地增加和减小，所述两个电极经负载连接后即有电流流过和功率输出；动定盘相对转动所生成的电能经电路板上整流电路处理后供给传感器，传感器所获得的实时的扭矩信息经电路板上的发射单元发射出去，至此完成主轴扭矩的自供电监测。
上述工作中，定电极和左电极或右电极的重叠是指定电极和左电极或右电极的圆心角有重叠，定电极和左电极或右电极的分离是指定电极和左电极或右电极的圆心角无重叠；为确保所有的定电极同时与左极指或右极指接触或分离，定电极的圆心角和左电极的圆心角及右电极的圆心角相等；定电极的圆心角是指定电极两个圆周方向的侧边与定盘的圆心连线间的夹角，左电极的圆心角或右电极的圆心角是指左极指或右极指的两个圆周方向的侧边与动盘的圆心连线间的夹角；定电极的圆心角小于两个定电极之间的极间角。
本发明中，定动盘相对转动时，单位时间内所产生的电能为：
，其中，
为定电极数量，n为动盘转速，w为定电极圆周方向的宽度，l为定电极的长度，
为真空介电常数，
为动电极与左极指或右极指重叠时其表面的电荷密度，
为有效厚度系数，
，
、
分别为动盘和定盘的材料的介电常数，
和
分别为左右极指和定电极到动定盘接触面间的距离，
为和左右极指与定电极圆周方向重叠度相关的系数。
优势与特色：能量自给、无需电池和连接导线、免维护；总体结构简单、体积小、可靠性高，无电磁干扰、耐高温；发电单元输出电压受转速影响小或无影响、发电与供电能力强，可作为独立部件用于旋转体状态监测。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中监测装置的结构剖面图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是本发明一个较佳实施例中壳体的结构剖视图；
图4 是本发明一个较佳实施例中定盘结构剖视图；
图5是图4的B-B剖视图；
图6 是本发明一个较佳实施例中动盘结构剖视图；
图7是图6的C-C剖视图；
图8是本发明一个较佳实施例中左电极和右电极组合后的展开示意图。
具体实施方式
本发明提出一种自供电扭矩监测装置，主要包括主体a、端盖b、动盘c和定盘d，动盘c和定盘d的材料为绝缘的非金属，所述非金属材料为聚酰胺、聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺等。
主体a由轴套a1、圆筒a2和筒底a3构成，筒底a3将轴套a1和圆筒a2连接在一起，轴套a1和圆筒a2同轴且位于筒底a3的同一侧，轴套a1经螺钉安装在被监测的主轴h上，主轴h上安装有传感器s，传感器s为应变片；筒底a3上设有导线孔，筒底a3上经螺钉安装有电路板p，电路板p经导线与传感器s相连，导线经筒底上的导线孔穿过。
端盖b由内环b1、外环b2和连接内环b1和外环b2的环板b3构成，内环b1和外环b2位于环板b3的左右两侧；内环b1经螺钉安装在主体a的轴套a1上；定盘d经端盖b的环板b3压接在主体a的筒底a3上，动盘c套在定盘d上，动盘c左右两端经端盖b的外环b2和主体a的圆筒a2限位；定盘d外缘的底部设有惯性块e，惯性块e经定位销f与主轴h的支架i相连；动盘c随主体a转动，定盘d与动盘c相对滑动。
动盘c为环形结构，动盘c的里层c1和外层c2之间镶嵌有动电极组，动电极组由梳状的左电极x和右电极y构成，左电极x由左极环x1和左极指x2构成，右电极y由右极环y1和右极指y2构成，左极指x2和右极指y2均沿圆周方向均布，左极指x2和右极指y2与动盘c的轴线平行；左电极x和右电极y的结构尺寸相同，但其极指与极环的配置方向相反：左极指x2位于左极环x1的右侧、右极指y2位于右极环y1的左侧；左极指x2和右极指y2交叉安装且左电极x和右电极y互不接触，左极环x1和右极环y1分别与动盘c的左右两个端面平齐，左电极x和右电极y的材料为铜或铝；动盘c为分体结构或整体结构，所谓分体结构是指动盘c的里层c1和外层c2分别加工制作后组装在一起，所谓整体结构是指动盘c是通过注塑方法制作的含有动电极组的整体结构；动盘c上设有走线孔c3，左电极x和右电极y经导线与电路板p相连。
定盘d为环形结构，定盘d的里层d1和外层d2之间镶嵌有定电极组，定电极组由指状的定电极z构成，定电极z沿圆周方向均布，定电极z与定盘d的轴线平行；定盘d为分体结构或整体结构，所谓分体结构是指定盘d的里层d1和外层d2分别加工制作后组装在一起，所谓整体结构是指定盘d是通过注塑方法制作的含有定电极组的整体结构；定电极z位于左极环x1和右极环y1之间，定电极z的长度小于左极环x1和右极环y1间的距离，且定电极z和左极环x1及右极环y1在同一个经过定盘d的轴线的平面上的投影不重叠；定电极z的数量是左极指x2数量的1/2倍。
动盘c材料和定盘d的材料为摩擦起电序列相隔较远的材料对，如由聚酰胺与聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺构成的材料对；定电极z直接与动盘c的表面接触时，即定电极z的内测不被定盘d的盘体材料覆盖时，动盘c的材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺，定盘d的材料为聚酰胺、定电极z的材料为铜，各定电极z的两端分别经电极环相连接，进而提高定电极z在定盘d上的结合强度。
工作中，主轴h带动动盘c转动，定盘d在惯性块e或定位销f的作用下保持相对静止；动盘c和定盘d相对转动过程中其接触面间会产生摩擦电荷，左电极x和右电极y与定电极z上产生感应电荷，因不同材料吸引电子的能力不同，定盘d和动盘c表面间滑动接触所生成的电荷属性不同，如：动盘c的材料为聚酰胺、定盘d材料为聚四氟乙烯，则动盘c的摩擦表面带正电荷、定盘d摩擦表面带负电荷；反之，动盘c的摩擦面带负电荷、定盘d的摩擦面带正电荷；在定盘d和动盘c的摩擦面上存在异种电荷的情况下，定电极z与动盘c间的相对转动会使左电极x和右电极y之间产生电势差，定盘d与动盘c间的连续转动使定电极z与左电极x和右电极y交替地接触与分离，从而使左电极x和右电极y间的电势差交替地增加和减小，所述两个电极经负载连接后即有电流流过和功率输出；动盘c和定盘d相对转动所生成的电能经电路板p上整流电路处理后供给传感器s，传感器s所获得的实时的扭矩信息经电路板p上的发射单元发射出去，至此完成主轴h扭矩的自供电监测。
上述工作中，定电极z和左电极x或右电极y的重叠是指定电极z和左电极x或右电极y的圆心角有重叠，定电极z和左电极x或右电极y的分离是指定电极z和左电极x或右电极y的圆心角无重叠；为确保所有的定电极z同时与左极指x2或右极指y2接触或分离，定电极z的圆心角Q3和左电极x的圆心角Q1及右电极y的圆心角Q2相等；定电极z的圆心角Q3是指定电极z两个圆周方向的侧边与定盘d的圆心o连线间的夹角，左电极x的圆心角Q1或右电极y的圆心角Q2是指左极指x2或右极指y2的两个圆周方向的侧边与动盘c的圆心o连线间的夹角；定电极z的圆心角Q3小于两个定电极z之间的极间角Q4；图2所示为定电极z与左极指x2完全重叠的情况。
本发明中，定盘d和动盘c相对转动时，单位时间内所产生的电能为：
，其中，
为定电极z的数量，n为动盘c的转速，w为定电极d圆周方向的宽度，l为定电极d的长度，
为真空介电常数，
为动电极d与左极指x2或右极指y2重叠时其表面的电荷密度，
为有效厚度系数，
，
、
分别为动盘c和定盘d的材料的介电常数，
和
分别为左右极指和定电极z到动盘c与定盘d接触面间的距离，
为和左右极指与定电极z圆周方向重叠度相关的系数。
Claims (5)
1.一种自供电扭矩监测装置，主要包括主体、端盖、动盘和定盘，其特征在于：主体由轴套、圆筒和筒底构成，轴套装在主轴上；筒底上装有电路板，电路板经导线与主轴上的传感器相连；端盖由内环、外环和环板构成，内环装在主体的轴套上，环板将定盘压接在主体的筒底上；动盘套在定盘上，动盘左右两端经端盖的外环和主体的圆筒限位；定盘外缘底部设有惯性块；动盘的里外层之间嵌有动电极组，动电极组由梳状的左电极和右电极构成，左电极由左极环和左极指构成，右电极由右极环和右极指构成；左右极指交叉安装且左右电极互不接触，左右极环分别与动盘的左右两个端面平齐，左右电极经导线与电路板相连；定盘的里层外层之间嵌有由指状的定电极构成定电极组，定电极在轴向上位于左右极环之间，定电极和左极环及右极环在同一个经过定盘的轴线的平面上的投影不重叠，定电极的数量是左极指数量的1/2倍，定电极的圆心角小于两个定电极之间的极间角；动定盘相对转动时其接触面间产生异种摩擦电荷，左右电极与定电极上产生感应电荷及电势差，定动盘间的连续转动使左右电极间的电势差交替地增加和减小并将动能转换成电能，单位时间内所产生的电能为：
其中，N为定电极数量，n为动盘转速，l、w分别为定电极的长度和圆周方向的宽度，ε0为真空介电常数，σ为动电极与左极指或右极指重叠时其表面的电荷密度，λh为有效厚度系数，λh＝hw/εw+hn/εn，εw、εn分别为动盘和定盘的材料的介电常数，hw、hn分别为左右极指和定电极到动定盘接触面间的距离，λl为和左右极指与定电极圆周方向重叠度相关的系数；电能经处理后供给传感器及信息经发射单元。
2.根据权利要求1所述的一种自供电扭矩监测装置，其特征在于：定电极及左右极指均沿圆周方向均布，定电极的圆心角和左电极的圆心角及右电极的圆心角相等；左右极指与动盘的轴线平行，定电极与定盘的轴线平行，动盘及定盘为分体结构或整体结构。
3.根据权利要求1所述的一种自供电扭矩监测装置，其特征在于：动定盘的材料为摩擦起电序列相隔较远的材料对。
4.根据权利要求3所述的一种自供电扭矩监测装置，其特征在于：动定盘的材料为聚酰胺与聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺构成的材料对。
5.根据权利要求3所述的一种自供电扭矩监测装置，其特征在于：定电极直接与动盘表面接触时，动盘材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺，定盘材料为聚酰胺， 定电极材料为铜，各定电极的两端分别经电极环相连接。
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2021
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