材料应变测量系统旋转磁耦合器电磁性能研究.pdf

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

摘要

材料应变测量系统测量扭矩一直是工业产品的研发过程、故障检测、数据采集分析

中的重要测试。近年来随着技术的不断进步，人们在工业生产领域的创新需求不断深入，

同时随着扭矩传感器的应用领域越来越广、理论研究日趋成熟，对传感器的使用与计量

提出了更高要求，其面临的工作环境也丰富多样起来，其中不乏一些相当恶劣的外部环

境。这使得扭矩传感器必须不断提升其适应性和可靠性，解决其转子高速转动时的供电

需求，以满足对其日益增长的高精度需求。采用材料应变测量系统的扭矩传感器，通常

由转子和上位机两部分组成，转子部分随转轴高速旋转，因此其供电问题成为限制扭矩

传感器应用的关键技术挑战。无线电能传输技术具有非接触、无电极磨损等优点，是扭

矩传感器供电问题的最佳解决方案之一。

针对扭矩传感器降低金属环境问题影响、小体积磁耦合器适配封装舱体狭小、简易

装配等主要需求，本文将采用理论分析、有限元仿真和实验验证等方法研究磁耦合器的

电磁屏蔽方案、设计小型化和轻量化的高性能磁耦合器，以及整个系统的控制方案。

为解决旋转无线电能传输系统在金属环境中的涡流发热问题，研制了一款新型的、

适用于扭矩传感器的复合屏蔽结构方案，该复合屏蔽结构采用柔性Mn-Zn铁氧体软磁

材料和金属铝箔，有效降低了接收端铁芯内部的磁通分布，减小了转子上的涡流损耗，

提高了扭矩传感器测试系统精度。

针对扭矩传感器封装舱体狭小，需要磁耦合器的小型化和轻量化的问题，采用有限

元仿真分析了磁耦合机构的磁场分布，然后采用参数扫描的方法获得了磁耦合机构结构

参数对其电磁传输性能的影响规律。通过对比设计的单极性旋转磁耦合器与双极性磁耦

合器电磁性能后，本文提出了一种创新型的串联U型双极性磁耦合器结构，该方案具有

传输能力强、体积小、便于安装的特点，可以满足扭矩传感器狭小舱体的限制，并且可

以满足企业批量生产的要求。此外，材料应变测量系统功耗较低，对无线电能传输

（WirelessPowerTransfer，WPT）系统简易装配的需求高于能量传输效率的需求，因此

对解决耦合角度减少造成的效率下降问题不做重点研究。

最后，搭建了旋转无线电能传输系统硬件验证平台，并进行了初步静态实验、多角

度静态试验、转台实验、最终的集成系统转台实验，完成了系统工作可靠性的各项验证，

最终结果显示该WPT系统能够集成到扭矩传感器系统中，可以保障扭矩传感器系统稳

定工作。系统性能实验结果表明，旋转WPT系统能够与扭矩传感器系统集成，输出端

材料应变测量系统旋转磁耦合器电磁性能研究

稳定输出12V电压，最大传输效率达到58%左右，接收端转子铁芯温升在3℃以内，满

足设计需求。

关键词：材料应变测量；磁耦合器；无线电能传输；电磁屏蔽

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

Abstract

Thematerialstrainmeasurementsystemhasalwaysbeenessentialintheresearchand

developmentprocessesofindustrialproducts,faultdetection,anddatacollectionanalysisfor

measuringtorque.Torquesensorsusingthissystemtypicallyconsistofarotorandasupervisory

computer.Therotorpartrotatesathighspeedwiththeshaft,makingitspowersupplyakey

technicalchallengelimitingtheapplicationoftorquesensors.Wirelesspowertransmission

technology,whichofferscontactlessoperationandno