无源磁脉冲转速传感器设计 毕业设计

1、无源磁脉冲转速传感器无源磁脉冲转速传感器 摘摘 要要 无源磁脉冲转速传感器作为感知速度的触角，可在无源感知被测对象的运动 信息，并按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的 传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。因此，目前被广泛应用于机械、 化工、交通、自控、军用、汽车 abs、车轮转速和发动机转速控制等各个领域。 无源磁脉冲转速传感器是一种磁电式转速传感器，基于电磁感应原理实现测 速。当被测物体齿轮或齿盘旋转时，导致传感器内部磁场和磁通量发生变化，从 而在传感器内部线圈中产生周期性变化的感应电动势，该电压信号经过整形调理 以脉冲信号形式输出；通过对脉冲信号进行运算处理

2、即可测出被测物体的转速。 本文详细讨论了无源磁脉冲转速传感器的工作原理和系统设计问题。设计内 容主要包括整体设计方案制定、磁路设计、结构设计、加工工艺编制、信号调理， 电路设计等，并使用 ansoft 电磁场仿真软件进行了仿真分析和参数优化，在此 基础上加工出一套样机。 本课题设计的脉冲输出式转速传感器的新颖之处在于：（1）内置信号整形 电路，可直接输出大幅值脉冲信号，具有很强的抗干扰性能；（2）采用无源设 计技术，无需外部供电。因此，相信该产品将具有很好的市场前景。 关 键 词：传感器，脉冲，转速，磁路 pulse-output speed sensor abstract speed sen

3、sor is the antenna of sensing speed. it can perceive the motion information of measured object, and convert the information to electrical signals or other information to meet the requests of transmission, processing, storage, display, record and control. so it is widely used in mechanical, chemical,

4、 transportation, automatic control, military, automotive abs, wheel speed and engine speed control. pulse-output speed sensor is a magnetic-electric speed sensor, based on the principle of electromagnetic induction to achieve the velocity measurement. when measured object gear or gear plate rotates,

5、 the magnetic field and magnetic flux inside the sensors will change, which can induce electromotive force inside the sensor coils. the induced voltage signal is output in pulse form. by handling the pulse signal, the speed of measured object can be got. this paper discusses the working principle an

6、d system design of the pulse-output speed sensor in detail. the design includes the overall design, circuit design, structural design, preparation process, signal conditioning circuit design, the simulation analysis and parameter optimization by ansoft and so on. based on the above research, three p

7、rototypes been processed. pulse output speed sensor has two novelties: (1) built-in signal shaping circuit can be directly output large magnitude pulse signal, which improves the anti-interference performance; (2) the passive design leads to no need for an external power supply. therefore, the produ

8、ct must be of sunshine market prospects. key words：sensor, pulse, speed, magnetic circuit 目 录 前前 言言.1 第第 1 1 章章 无源磁脉冲转速传感器的测量原理无源磁脉冲转速传感器的测量原理.5 1.1 转速传感器测量原理.5 1.2 无源磁脉冲转速传感器原理.5 第第 2 2 章章 磁路设计与计算磁路设计与计算.8 2.1 工作气隙设计.9 2.2 永久磁铁设计.10 2.3 软磁铁设计.13 2.4 线圈参数设计.13 第第 3 3 章章 磁场仿真优化磁场仿真优化.15 3.1 ansoft 软件

9、.15 3.2 磁路仿真.15 第第 4 4 章章 传感器结构设计传感器结构设计.18 4.1 传感器外壳的结构与工艺.19 4.2 传感器固定件的结构与工艺.20 4.3 永磁铁固定件的结构与工艺.21 4.4 线圈骨架的结构与工艺.23 4.5 永久磁铁的结构与工艺.24 4.6 软磁铁的结构与工艺.25 第第 5 5 章章 转速信号处理转速信号处理.27 5.1 转速信号的拾取.27 5.2 脉冲信号的获得.28 结结 论论.31 参考文献参考文献.32 致致 谢谢.33 前 言 背景介绍 在信息化时代发展过程中，高科技的快速发展是重要标志。作为当今高科技 的重要组成部分，电脑、各类智能

10、仪器、机器人技术得到了越来越广泛的应用， 在电子信息工程应用中，各种信息的感知、采集、转换、传输和处理都需要必不 可少的“感知器官” ，这就是传感器，也被称为“电五官” 。人体为从外界获取信 息，必须借助于感觉器官，但是单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规 律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。 。在当今社会，可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复 杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见， 要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。国 家标准 gb7665-87 对传感器下的定义是

11、：“能感受规定的被测量并按照一定的规 律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成” 。传感器是 一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律 变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、 显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。当今世界 已进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信 息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 我的定义是：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应 关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。这一定义包含了以下几方面的意思：

12、传感器是测量装置，能完成检测任务；它的输出量是某一被测量，可能是物 理量，也可能是化学量、生物量等；它的输出量是某种物理量，这种量要便于 传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，组成框图如 下。 敏感 元件 转换 元件 转换 电路 被测量电量 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生 产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的 质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在 基础学科研究中

13、，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多 新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm 的粒 子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s 的瞬间反应。此外，还 出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研 究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然， 要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许 多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和 高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展， 往往是一些边缘学科开发的先驱

14、。当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、 智能化、多功能化和网络化的方向发展。今后，随着 cad 技术、mems 技术、信息 理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更加微型化、 综合化、多功能化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的 当今社会，作为现代科学“耳目”的传感器系统，作为人们快速获取、分析和利 用有效信息的基础，必将进一步得到社会各界的普遍关注。 常见的转速传感器及研究现状 在现代化工业生产中，随着科学技术水平的提高，对机电设备的转速检测及 自动调节日益显出其重要性转速传感器属于间接式测量装置，可用机械、电气、 磁、光和混合式等方法制造。按信号

15、形式的不同，转速传感器可分为模拟式和数 字式两种。前者的输出信号值是转速的线性函数,后者的输出信号频率与转速成 正比,或其信号峰值间隔与转速成反比。转速传感器的种类繁多、应用极广，其 原因是在自动控制系统和自动化仪表中大量使用各种电机，在不少场合下对低速 （如每小时一转以下） 、高速（如每分钟数十万转） 、稳速（如误差仅为万分之几） 和瞬时速度的精确测量有严格的要求。常用的转速传感器有以下几种： 转矩转速传感器 根据磁电转换和相位差原理，将转矩，转速机械量转换成 两路有一定相位电压讯号的一种精密仪器，它一般与转矩转速(简称测量仪)配套 使用，能直接测量各种动力机械的转矩与转速(即机械功率)，具

16、有测量精度高， 操作简便，显示直观，测量范围广等优点，可以测量轴静止状态至额定转速范围 的转矩。但其结构复杂且成本较高。 光电式转速传感器 它分为投射式和反射式两类。投射式光电转速传感器的 读数盘和测量盘有间隔相同的缝隙。测量盘随被测物体转动，每转过一条缝隙， 从光源投射到光敏元件上的光线产生一次明暗变化,光敏元件即输出电流脉冲信 号。反射式光电传感器在被测转轴上设有反射记号，由光源发出的光线通过透镜 和半透膜入射到被测转轴上。转轴转动时，反射记号对投射光点的反射率发生变 化。反射率变大时，反射光线经透镜投射到光敏元件上即发出一个脉冲信号；反 射率变小时，光敏元件无信号。在一定时间内对信号计数

17、便可测出转轴的转速值。 变磁阻式转速传感器 它属于变磁阻式传感器。变磁阻式传感器的三种基本 类型，电感式传感器、变压器式传感器和电涡流式传感器都可制成转速传感器。 电感式转速传感器应用较广，它利用磁通变化而产生感应电势，其电势大小取决 于磁通变化的速率。这类传感器按结构不同又分为开磁路式和闭磁路式两种。开 磁路式转速传感器结构比较简单，输出信号较小，不宜在振动剧烈的场合使用。 闭磁路式转速传感器由装在转轴上的外齿轮、内齿轮、线圈和永久磁铁构成。内、 外齿轮有相同的齿数。当转轴连接到被测轴上一起转动时，由于内、外齿轮的相 对运动，产生磁阻变化，在线圈中产生交流感应电势。测出电势的大小便可测出 相

18、应转速值。交流和直流测速发电机、光电转换组件、可变电容、霍尔元件、频 闪管等都在测速领域中发挥过作用。由于生产现场粉尘、油雾、水汽、振动等因 素的影响，使某些传感器的应用受到一定限制。 转速传感器普遍存在的问题 现在的转速传感器普遍存在以下问题： 低速性能较差。一般在 3000 转左右才能检测到转速且测量的转速不稳定， 不利于平稳启动控制和低速测速。内阻较大。内阻较大，容易对外来的电磁信号 产生反映，造成干扰信号，出现突发性的转速变化，造成停机事故。绝缘性能较 差。由于传统的测速传感器是非密闭结构，在恶劣的工作环境下，受油水灰尘的 影响造成对地线的绝缘系数下降，使地线上的干扰传到传感器的线圈上

19、，造成转 速小范围忽高忽低往复变化，使测量准确度下降。连接可靠性差。有些型号传感 器的接出信号线使用单股线，且采用包裹法固定，使传感器连接强度差，容易折 断或损伤，造成信号时有时无，或无信号。 研究方法及设计内容 针对这样的情况和需求，依据磁电式转速传感器的基本原理设计了脉冲输出 式转速传感器，该设计主要包括：整体设计方案制定、磁路设计、结构设计、加 工工艺编制、信号调理电路设计等，并使用 ansoft 电磁场仿真软件进行了仿真 分析和参数优化。本设计响应频率较好的线性输出特性传感器由安装在转轴上 的齿盘和安装在机座上的磁脉冲传感器及信号处理电路成该传感器可检测齿轮、 曲轴、轮辐、等转动且有缝

20、隙的表面、输出信号强、抗干扰性能力强、无需供电、 无需控制装置提供任何激励电路且安装使用方便，可在烟雾、油气、水气等无机 械磨损，使用寿命长，能适应环境条件较恶劣的生产现场。 第 1 章 脉冲转速传感器的测量原理 1.1 转速传感器测量原理 当前转速测量的两种原理有： 1.对于较高的转速，记录单位时间内的转数，或角度。 2.对于较低的转速，记录每转所用的时间，或每特定角度所用的时间。 测量转速的传感器有是多种多样，介绍以下三种典型传感器作为设计参考： 1.霍尔元件传感器。霍尔元件能够感应磁场的变化，将其近距离的安装在可 随轴旋转的磁极旁，磁极旋转时磁极产生的变动磁场使霍尔元件发出电脉冲。将 电

21、脉冲放大，用电子计数器计数，并换算为转速。 2.发电传感器。其原理就是一个小型发电机。发电机旋转时将发出电压，电 压的大小与转速成正比（非线性） ，用一个具有与转速对应刻度的电压表测量这 个电压（必要时可以用电子放大器放大发电机的电压） 。 3.离心传感器。其成对配置的离心重块在离心力的作用下克服向心的弹力偏 离转轴的中心，用一个指针机构指示重块偏离中心的程度，根据指针的刻度读出 转速。 4.磁电转速传感器。磁电式转速传感器常用于发动机速度测量，当齿轮旋转 时，通过传感器线圈的磁力线发生变化，在传感器线圈中产生周期性的电压，通 过对该电压处理计数，测出齿轮的转速。 1.2 脉冲输出式转速传感器

22、原理 脉冲输出式转速传感器是采用磁电感应原理实现测速，即当齿轮旋转时，通 过传感器线圈的磁场磁力线发生变化，在传感器线圈中产生周期性的电压，其幅 度与转速有关，转速越高输出电压越高，输出频率与转速成正比。转速进一步增 高，磁路损耗增大，输出电势已趋饱和，当转速超过一定值时，磁路损耗加剧， 电势锐减。通过对该电压处理计数，测出齿轮的转速。 输出电压的变化：输出电压随转速增加而增加，输出电压随气隙增大而减小， 输出电压波形取决于齿轮相对于敏感头的尺寸和形状。 1永久磁铁 2软铁 3感应线圈 4齿轮 图 1-1 转速传感器原理图 脉冲输出式转速传感器中线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体 上

23、，随被测体一起转动，如图 1-1 所示。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻 变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速 与测量齿轮上齿数的乘积，磁场变化及动作原理如图 1-2 所示。这种传感器结构 简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合， 然而通过设计优化，这些问题可得到解决。这种传感器构造简单，不要电源，体 积小、不占地方，不需维修保养，测量的可靠性高，因此被大量地应用在各种工 业场所。 图 1-2 动作原理图 第 2 章 磁路设计与计算 采用永久磁铁提供一个磁势源，另外应用了软铁增强这个磁场，并与导磁外 壳等构成一个磁路。线圈和磁

24、铁部分都是静止的，与被测物连接而运动的部分是 用导磁材料制成的，在轮齿的运动中，它们磁路的磁阻因空气气隙的改变而改变， 因而贯穿线圈的磁通量发生周期性变化，在线圈中产生感应电动势。该设计的磁 路由永磁铁、软磁铁及工作气隙组成。 设为永久磁铁的长度；为磁场强度；为工作气隙长度；为气隙内mlmhh 的磁场强度。 磁路第一方程 磁路第二方程 1 0 n i 11 mk ii i ii fnl 由磁场理论的全电流定律有： indlh 以和的形式表示为 inlhii 对于有到此提和空气隙组合的永磁磁路有 0mmlhh 所以 mmlhh （2-1） 考虑到费工作气隙的影响，上式中的气隙磁压降应乘以修正系数

25、 kl,则 mmlhhkl （2-2） 一般。1.2lk 另外，空气隙还存在边缘效应，常以漏磁参数表示。漏磁系数的定义为ak m ak 式中： m 永磁体中的总磁通； 空气隙中的磁通 因为 ， ， m m m u r u r m l r s 1 m g rf 并考虑到式（2-1） ，则有 g g ka （2-3） 一般取 ka=1.55，。 76 04101.257 10h m 式中：磁铁的磁压降；磁铁磁阻；气隙磁压降和磁阻；mumr,ur 磁路总磁导； 工作的气隙磁导。g g 又因为 ， ,mmmb sb s 所以 hb s bs kb m am0, ， 因此 a mm ks bs b ，

26、m am s hs kb 0 由式（2-2）有 l mm k lh h 代入上式，则 （2-4） 0()mm ma ml slh bk sk 2.1 工作气隙的设计 磁路中的工作气隙是利用磁能的地方，它是整个磁路磁阻最大的部分，所以 它的大小关系到输出电压信号的强弱。 传感器的输出电动势 8 10 60 znn e 在设计和使用中，要得到大的输出电势 e，当齿轮转速一定时，这就要求在 设计中必须有足够的磁阻变化，以使轮齿转过工作气隙磁场时磁通变化率很大， 才能保证有足够的匝数 n，同时使磁感应强度 b 也大。但是,又要求气bs 隙窗口面积小，这二者是矛盾的，而且大会造成漏磁增大，使磁场分布不均

27、匀，s 产生输出的非线性误差。为了解决上述矛盾，提出确定气隙的原则。在保证气隙 窗口有足够大的面积的前提下，减小气隙宽度，增大气隙的长度。这是因为 (为工作气隙的长度)，要使足够大，减小气隙宽度，就必须增加slls 气隙长度。l 工作气隙大小与永久磁铁的工作点有着密切的关系，为了使永久磁铁的工作 点尽量靠近具有最大磁能积点的位置，只要稍微改变工作气隙的结构参数（长度 、宽度）就可以取得较为明显的效果。但根据实际情况，我们确定工作气隙l 的长度为 25mm，宽度为 6mm，传感器距轮盘或齿轮齿顶的最小距离为 1mm。 2.2 永久磁铁的设计 永久磁铁是提供工作气隙磁能的能源，它是由永磁合金制成的

28、，不同永磁合 金的磁性能各异。选择磁性材料主要是根据材料的矫顽力 hc 和剩余磁感应强度 br 及最大磁能积（bh）m。 永久磁铁的磁路计算 在已知工作气隙的尺寸和气隙磁通量或气隙磁感应强度的情况下，计b 算永久磁铁的结构尺寸及确定永磁材料。 在设计中按照实际情况，在给定工作气隙尺寸的情况下磁感应强度 （=0.7）的情况下，确定永久磁铁的尺寸并选择永磁材料。bb 1.永磁铁材料的选择。 永久磁铁材料的选择是根据永磁体的尺寸参数来确定的。由式（2-6）可知： 当给定的气隙较小时，希望永久磁铁的长度大，必须减小，增大，所以mlmhb 要选择矫顽力小而磁感应强度大的材料；当给定气隙较大时，希望设计的

29、永久磁 铁小，必须增大，减小，所以要选择矫顽力大而磁感应强度小的材料。mlmhb 本设计空气隙较大为 6mm，永久磁铁若要较小，所以我们选择铝镍钴 32。 2.永磁铁尺寸的确定 确定永久磁铁的长度。ml 由式（2-2）得 （2-5） l m m k h l h 因 0 b h 则 （2-6） 0 l m m k b l h 将数据代入计算得，我们取 0 9.77 l m m k b lmm h 10mlmm 确定永久磁铁的面积。 因为 mmmsb 所以 m m m b s 而 amk 代入上式得 （2-7） aa m mm kk b s s bb 将数据代入计算得 ，我们取 2 95.00 a

30、a m mm kk b s smm bb 2 95msmm 确定永久磁铁的体积mv 由式（2-6） 、 （2-7）得永久磁铁的体积为 （2-8） 0 2 l a mmm mm k k b s vl s b h 设计中总是希望体积最小，由式（2-9）可知，若 mv 为最小必使磁能积 最大，这是设计永久磁铁的一个重要原则。工作点也是依次原则确定的。mmb h 计算得 0 2 3 950 l a mmm mm k k b s vl smm b h 3.永久磁铁工作点的确定 磁路设计主要取决于永磁材料的工作点，线圈通常被安装在永磁体的空气隙 中，因为气隙中的磁阻远远大于磁铁材料的磁阻，所以气隙起去磁作

31、用，工作点 通常是取在材料磁化曲线的去磁曲线段上的某一点。(,)mmhb 根据式（2-4）得 0 ml ma m m sk slk h b （2-9） 上式（2-9）表示和之间的关系式通过坐标原点的一条直线，称为磁mbmh 导线。因为横坐标为负值，所以此直线位于第二象限，mh 其斜率为 （2-10） 0 tan mam mlm bk ls hk s 其中 mm8 ， 2 150625mmls 3 05 10 1.257 10150 tan0.014 1.2 956 mam mlm bk ls hk s 根据所选材料铝镍钴 32 查表知，最大磁能积为 32；()mbh 3 kj ma 所以 0.

32、014 bm hm 故解之得，.即其工作点位（-26.7，1.2）26.7/,1.2mhka m bmt .在给定磁路系统的结构尺寸及永久磁铁的尺寸和材料的条件下，验证气隙 磁感应强度。 有式（2-10） 0 tan mam mlm bk ls hk s 可由去磁曲线 确定的工作点，(,)mmhb 及， 2 95smmm1.27mbt 2 150smm 代入公式 得 mm a s b b s k 95 1.27 0.67 150 1.2 mm a s b b s k 2.3 软磁铁设计 软磁材料是指剩磁和矫顽力均很小的铁磁材料，其特点在于有高的饱和磁感 应强度大的磁导率和小的矫顽力，易磁化、易

33、去磁且磁滞回线较窄，在存在外磁 场时有尽可能大的磁感应强度 b 和磁化强度 m，当去除外磁场时，磁感应强度 b 和磁化强度 m 尽可能完全消失，它是磁路不可缺少的部分。软磁材料常用来制 作电机、变压器、电磁铁等电器的铁心。应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以 及各种软磁铁氧体等。我们选用工业纯铁。工业纯铁含碳量小于 0.04%的铁。这 种材料具有高的饱和磁感应强度、小的矫顽力、价格较低、冶炼方便、加工性能 好。该设计软铁长度。mmlr19 2.4 线圈参数设计 线圈组件是由线圈和骨架组成。线圈骨架的作用有：一是支撑线圈，二是起 电磁阻尼的作用。在这种情况下，其材料一般采用铜、铝及不锈钢等。

34、但对于精 度要求较高的传感器，为了减小电磁阻尼带来的非线性，骨架材料则采用非金属 有机玻璃等，为了减小尺寸也有不用骨架的。在这里我们采用了骨架，其材料为 非金属有机玻璃。根据实际情况和设计方案，确定线圈参数。 1.线圈组件厚度 线圈厚度，骨架厚度。mmh3mmt1 2.线圈长度确定 线圈长度 mml15 3.线圈匝数的确定 设为每层的匝数；n 为线圈总匝数；为导线直径。0nnd 根据实际情况，我们选用=0.05mm，当选定后，设均匀密绕制，则线圈ndnd 总长度 ndnl0 当考虑绕制工艺的利用系数时，有1f ndnlf01 则每层匝数 nd lf n 1 0 因 l=15mm，取，所以得10

35、.96f 1 0288 n f l n d 匝 设线圈公绕制层，则 n2nhnf d 式中;线圈厚度；填充系数。h2f 层数为 2fd h n n 因 h=3mm， nd =0.05mm，取 2f =1，所以得 2 60() n h n d f 层 线圈总匝数为 0nnn =17280（匝） 。 第 3 章 磁场仿真与优化 3.1 ansoft 软件 maxwell 2d：工业应用中的电磁元件，如传感器，调节器，电动机，变 压器，以及其他工业控制系统比以往任何时候都使用得更加广泛。由于设计者对 性能与体积设计封装的希望，因而先进而便于使用的数字场仿真技术的需求也显 著的增长。在工程人员所关心的

36、实用性及数字化功能方面，maxwell 的产品遥遥 领先其他的一流公司。maxwell 2d 包括交流/ 直流磁场、静电场以及瞬态电磁场、 温度场分析，参数化分极；以及优化功能。此外，maxwel2d 还可产生高精度的 等效电路模型以供 ansoft 的 simplorer 模块和其它电路分析工具调用。 maxwell 3d：向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的 后处理器时的 maxwell 3d 成为业界最佳的高性能三维电磁设计软件。可以分析 涡流、位移电流、集肤效应和邻近效应具有不可忽视作用的系统，得到电机、母 线、变压器、线圈等电磁部件的整体特性。功率损耗、线圈损耗、某一频

37、率下的 阻抗（r 和 l） 、力、转矩、电感、储能等参数可以自动计算。同时也可以给出整 个相位的磁力线、b 和 h 分布图、能量密度、温度分布等图形结果。 3.2 磁路仿真 本设计所用磁场是由永久磁铁产生的空间恒定磁场，磁场不随时间变化。脉 冲输出式转速传感器设计的磁路可用 ansoft 进行模拟仿真其磁场分布情况，对设 计的传感器进一步优化。ansoft maxwell 2d 是一个功能强大、结果精确、易于使 用的二维电磁场有限元分析软件，一般在电磁物体满足轴向均匀或 rz 对称的条 件下采用。由于二维静磁场分析只能静态磁场，且仿真内容有限故而排除用二维 仿真的方案。然而，其 maxwell

38、 3d 静磁场模块可准确地仿真直流电压和电流源、 永磁体及外加磁场激励引起的磁场，典型的应用包括激励器、传感器及永磁铁。 它可直接计算出磁场（h）和电流分布（j） ，再由磁场强度 h 得到磁感线强度。 故通过三维静磁场仿真可得出静态下的磁场分布情况。 但由于资料和知识的欠缺，在仿真过程中遇到了很多难题，在时间仓促的情 况下经过多次试验未能解决，只得出了简单的 maxwell 2d 仿真的一部分。在二 维仿真的过程中，其主要问题是永磁体的磁场分布出现了两个点，一个是磁场强 点，另一个是弱点，这根本不符合磁场的分布理论，故而是错的。然而经过多番 改正 r 轴方向，其磁场分布又其中出现在永磁铁的一外

39、边，所以最终问题未能解 决。 以下为在磁路仿真过程中的各个模型： 图 3-1 2d modeler 图 3-2 maxwell 2d executive commands 图 3-3 maxwell 2d post processor 第 4 章 转速传感器结构设计 脉冲输出式转速传感器，也称为磁电式转速传感器。主要由永久磁铁、软磁 铁、感应线圈和外壳等其结构的。为了完成其传感器的测量转速的作用，设计了 这样一种结构，其总设计图如图 4-1 所示，包括传感器外壳、传感器固定件、永 磁铁固定件、线圈骨架、永久磁铁、软磁铁、铜线圈等。 传感器外壳保护作用，磁路的一部分； 传感器固定件将传感器工作部

40、分固定在机架上； 永磁铁固定件用于永久磁铁的定位安装； 线圈骨架用于线圈的缠绕、固定； 永久磁铁建立磁场其作用是提供磁场源； 软磁铁磁路不可或缺的部分； 铜线圈传输获得的电压信号。 由于脉冲输出式转速传感器工作环境复杂，为了使此传感器工作地环境不受 限制，故对其环氧封装且表面材料进行必要的防水，防锈处理，如氧化处理等。 图 4-1 转速传感器总体设计图 4.1 传感器外壳的结构与工艺 传感器外壳结构如图 4-2 所示。 图 4-2 传感器外壳 1.零件分析 .零件的作用：此传感器外壳为导磁材料，它不仅是起保护作用，而且还是 构成磁路的一部分。另外其左端空腔可信号处理电路板。 .零件的工艺分析：

41、 a.、的内孔 b.，的外圆。 1.03 0 17mm 0.03 0 21mm 0.03 0.03 25mm 29mm 需保证以右端面为基准的和的长度要求。 0.05 0.05 29mm 0.05 0.05 33mm 2.确定毛坯的制造形式 零件材料为 45#钢。由于该零件在结构上仅起到保护作用，不承受什么冲击， 故而采用一般的管型材即可满足加工要求。 3.基准面的选择 以传感器外壳的右端面为粗基准，然后以此为准加工其他部分即可。 4.制定工艺路线 由于此零件形状简单，且易加工，故其工序为 工序 粗铣端面保证 mm56 ； 工序 粗车外圆 mm25 、 mm29 ；半精车保证， mm 05 .

42、 0 05 . 0 29 ； 0.03 0.03 25mm 工序 钻、孔；保证；17mm21mm 0.05 0.05 33mm 工序 铰削、，保证，并倒角。 1.03 0 17mm 0.03 0 21mm 0.05 0.05 33mm 工序 终检。 5.加工设备的选择 由于结构相对简单，故采用一般常规机床即可 工序 铣床 工序 车床 工序 工序 钻床 6.机械加工余量的确定 根据原始材料和加工工艺，可确定直径方向加工余量 2mm，长度方向加工余 量 1mm。 4.2 传感器固定件的结构与工艺 传感器固定件结构如图 4-3 所示。 图 4-3 传感器固定件 1.零件分析 .零件的作用：此为传感器

43、固定件，用于将传感器工作部分固定到机架上。 . 零件的工艺分析： a.固定件的两侧面，b.2、孔，需保证固定件厚度。14mm25mm3mm 2.确定毛坯的制造形式 零件材料为 45#钢。由于该零件在结构上仅起到固定传感器的作用，不承受 什么冲击，且整体厚度较小，故而采用一般的冲压件即可满足加工要求。 3.基准面的选择 以固定件的任意侧面为粗基准，进行钻削等加工。 4.制定工艺路线 由于此零件形状简单，且易加工，故其工序为 工序 粗铣端面保证厚度，且端面粗糙度；3mm0.0063mm 工序 钻、孔；14mm25mm 工序 终检。 5.加工设备的选择 由于结构相对简单，故采用一般常规机床即可 工序

44、 铣床 工序 钻床 6.机械加工余量的确定 根据原始材料和加工工艺，由于精度要求不高，所以设定加工余量 2mm。 4.3 永磁铁固定件的结构与工艺 永久磁铁固定件结构如图 4-4 所示。 图 4-4 永磁铁固定件 1.零件分析 .零件的作用：此为永磁铁固定件，用于将永磁铁固定在其位置上。 . 零件的工艺分析： a.、外圆面，b.内孔 ，宽、深的槽。21mm8.5rmm5.5rmm3mm2.5mm 2.确定毛坯的制造形式 零件材料为 45#钢。由于该零件在结构上仅起到固定永磁铁的作用，不承受 什么冲击，故而采用一般的型材即可满足加工要求。 3.基准面的选择 以固定件的右端面为粗基准。 4.制定工

45、艺路线 由于此零件形状简单，且易加工，故其工序为 工序 粗铣端面保证；11mm 工序 粗车外圆、保证和；半精车保证粗糙度为21mm8.5rmm3mm9mm ；0.0016mm 工序 钻孔，扩孔，保证孔深 5mm5.5rmm5.5rmm 工序 终检。 5.加工设备的选择 由于结构相对简单，故采用一般常规机床即可 工序 铣床 工序 车床 工序 钻床 6.机械加工余量的确定 根据原始材料和加工工艺，可确定直径方向加工余量 2mm，长度方向加工余 量 1mm。 4.4 线圈骨架的结构与工艺 线圈骨架结构如图 4-5 所示。 图 4-5 线圈骨架 1.零件分析 .零件的作用：此为线圈骨架，用于缠绕铜丝，

46、并将其固定在软铁上。 .零件的工艺分析： a.长度 17mm 的两端面，保证 15mm 圆截面，b. 的外圆，长度8.5rmm 15mm、的轮槽，c. 的孔。9mm9mm 2.确定毛坯的制造形式 零件材料要求能满足于以下条件: a.能耐受线圈的最高温度，b.有良好的绝缘性能，c.便于加工成型。 故我们选用玻璃纤维。由于该零件为缠绕线圈的骨架，故选用一般的型材加 工即可。 3.基准面的选择 以骨架的任意侧面为粗基准。 4.制定工艺路线 由于此零件形状简单，且易加工，故其工序为 工序 粗铣端面保证，圆截面；17mm15mm 工序 粗车和长度 15mm、的轮槽；8.5rmm9mm 工序 钻孔，铰孔；

47、9mm9mm 工序 终检。 5.加工设备的选择 由于结构相对简单，故采用一般常规机床即可 工序 铣床 工序 车床 工序 钻床 6.机械加工余量的确定 根据原始材料和加工工艺，由于精度要求不高，所以设定长度方向加工余量 2mm，直径方向加工余量 2mm。 4.5 永久磁铁的结构与工艺 永久磁铁结构如图 4-6 所示。 10 图 4-6 永久磁铁 1.零件分析 .零件的作用：它能在周围建立磁场而不消耗本身的能量，其作用是提供 磁场源。 . 零件的工艺分析：a.长度 10mm 的两端面，b. 的外圆面。11mm 2.确定毛坯的制造形式 毛坯采用铝镍钴 32，其矫顽力为 ma/16000040000

48、，温度系数低 029 . 0 a ， 20，最大磁能积可达 mta/101 6 。由于其结构简单所以毛坯采用铸造。 3.基准面的选择 以永磁铁外圆为粗基准。 4.制定工艺路线 由于此零件形状简单，且易加工，故其工序为 工序 粗铣端面保证 mm10 ； 工序 粗车车的外圆，半精车的外圆；11mm11mm 工序 终检。 5.加工设备的选择 由于结构相对简单，故采用一般常规机床即可 工序 铣床 工序 车床 6.机械加工余量的确定 根据原始材料和加工工艺，由于精度要求不高，所以设定长度方向加工余量 2mm，直径方向加工余量 1mm。 4.6 软磁铁的结构与工艺 软磁铁结构如图 4-7 所示。 图 4-

49、7 软磁铁 1.零件分析 .零件的作用：软磁材料是磁力线的通路，使用软磁路材料可以减少磁阻， 在必要的空间建立均匀的强磁场，是磁路不可或缺的一部分。 . 零件的工艺分析： a.长度 19mm 的两端面，b.、的外圆面，保证长度 18mm。11mm7mm 2.确定毛坯的制造形式 毛坯采用工业纯铁，由于其结构简单所以毛坯型材。 3.基准面的选择 以软铁外圆为粗基准。 4.制定工艺路线 由于此零件形状简单，且易加工，故其工序为 工序 粗铣端面保证 mm19 ； 工序 粗车、的外圆，半精车，保证粗糙度11mm7mm7mm ；倒角 1mm；0.0016mm 工序 终检。 5.加工设备的选择 由于结构相对

50、简单，故采用一般常规机床即可 工序 铣床 工序 车床 6.机械加工余量的确定 根据原始材料和加工工艺，设定长度方向加工余量 2mm，直径方向加工余量 2mm。 第 5 章 转速信号处理 5.1 转速信号采集 转速信号是通过轮齿转动导致 磁场变化产生的感应电势。 依据法拉第电磁感应定律： （3-1） d ek dt k 为比例系数，e 为感应电势， 为磁通。当 e 的单位为伏特（v） ， 的单位 为韦伯（wb） ，t 的单位为秒（s）时，k1，这时感应电势为： （3-2） d e dt 磁通量 的变化实现办法: 磁铁与线圈之间做相对运动； 磁路中磁阻的变化； 恒定磁场中线圈面积的变化. 齿盘旋转

51、引起磁脉冲传感器线圈内磁通变化而产生感应电势的变化。感应电 势为 （3-3） 8 10 d en dt 式(3-3)中 n 为线圈匝数，为磁通变化率。若每齿转过引起的磁通变化dtd 率为，所需的时间为 t ，则 (3-4)60tzn 假设齿轮转速为 n，那么 （3-5） 2 (/ ) 6030 nn rad s 式(3-5)中 z 为齿数，n 为转速(r/nin)式(1)可改写为 （3-6） 8 10 60 nzn e 式(3-6)中与传感器和齿盘之间隙的太小有关，且受齿盘与转轴同心度及 轴承精密度等因素的影响。e 为毫伏级信号，较难用其幅值的变量来确定转速。 而 e 的频率取决于磁通的变化率

52、，仅与转速和齿盘的齿数直接相关 该频率可描述为 （3-7） 60 zn f 每当齿盘转过一个齿，e 发生一次周期变化。对于制成的齿盘，齿数为常数， 于是频率与转速有一一对应的确定关系；因此频率变量可准确地表达转速变量。 传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度，因而它是与被测速度成一定比例 关系的。当转速太低时，输出电势很小，以致无法测量。所以这种传感器有一个 下限工作频率，一般为 50hz 左右。 5.2 脉冲信号形成 通过转速传感器获得的信号是交变的感应电势信号，其中混淆有许多其他频 率信号的干扰。由于干扰的存在，有用的信号可能被淹没在干扰噪声中。为了突 出有用信号，抑制噪声干扰，就要对传

53、感器获得的信号进行滤波，从而获得一个 相对较为规则的类似正弦波的波形。为了测量转速的便利，我们把正弦波转换为 易于测量的脉冲信号并对其整形处理。 在设计中，将信号处理电路置于传感器中，电路不需外部供电，这样可以实 现传感器直接输出易于检测的脉冲信号。 图 5-1 转速信号处理电路 从转速传感器中拾取的感应电势信号，由于附带有一些其他频率的干扰信号， 所以首先要经过二极管 1n5189 进行整流，得到所需的频率信号，然后再经过比 较器 adcmp354 进行波形转换，得到易于量的脉冲信号。其波形变化如图 5-2 所 示。 图 5-2 波形变化图 1n5189 是一种肖特基（schottky）二极

54、管，它是一种低功耗、超高速半导体 器件，广泛应用于开关电源、变频器、驱动器等电路，作高频、低压、大电流整 流二极管、续流二极管、保护二极管使用，或在微波通信等电路中作整流二极管、 小信号检波二极管使用。在此电路中起到整流检波的作用。 adcmp354：内置 0.6v 基准电压源、开漏高电平有效输出比较器，采用 4- sc70 封装。内部电路如图 5-3 所示。其适合一般应用的比较器与基准电压源电路。 此器件在-40c 至+125c 温度范围内仍具有高性能，适合汽车及其它环境恶劣的 高温高热应用，而低功耗性和节省空间的 sc70 封装则使之成为电池供电便携式 设备的理想之选。在这里其作用是将正弦波信号转化为方波即脉冲信号。 图 5-3