[0001] 本发明涉及美国专利申请No.___________，(代理人案卷号No.242588-1，题名为“Method and Apparatus for Sectional Magnetic Encoding of A Shaft and for Measuring Rotational Angle，Rotational Speed and Torque”，其被共同转让给本发明的相同受让人，与本文同时提交并通过引用而整体结合在本文中)。

[0002] 本发明总体涉及轴的磁编码，且尤其涉及用于轴的分段编码的装置和方法，以用于确定尤其是大型轴上的旋转角度、旋转速度、弯矩和转矩的其中一个或多个。

[0003] 例如风力涡轮机的可持续的能源由于增加的能量需求和期望减少自然资源的消耗而正获得广泛的普及。

[0004] 典型的风力涡轮机包括多个转子叶片，它们定位在高塔的顶上，用于将风能转换成旋转能量以驱动主轴。主轴直接或通过齿轮箱(变速器)而联接在发电机上。齿轮箱根据需要将低速风力驱动的旋转转换成高速旋转，以驱动发电机产生电力。风力涡轮机还包括结构支撑构件，例如塔架，和转子指向机构。

[0005] 风力涡轮机的控制随着风速在强度和方向两者上的波动而倾向于变得复杂。水平和垂直的风切变、机械振荡和偏航失准与自然风湍流以及塔架运动一起还会在转子叶片上引起动态且非对称的负载。这些负载被传递给旋转的主涡轮轴，此处它们表现为作用力或弯矩/扭矩/转矩。具体而言，这些负载产生大的转矩、弯矩、扭矩、应力和应变力。对于风力涡轮机，轴的转矩还可能具有由在电网和涡轮控制系统上流动的电流所引起的动态分量。这些动态分量从设计、控制和可靠性的观点来看也是要关注的。

[0006] 有时被称为负载的由这些操作条件施加的作用力也增加了由风力涡轮机所累积的疲劳循环的数量。此类负载和疲劳循环可能导致过早的系统故障、操作低效以及对风力涡轮机构件的损伤。

[0007] 为了确保可靠且有效的操作，风力涡轮机控制系统应精确地测量作用在轴上的作用力和弯矩/扭矩/转矩，并且控制风力涡轮机系统的一个或多个操作参数，例如叶片桨距、每秒钟转数和/或偏航角度，以限制这些作用力。轴的旋转速度和轴位置(即，轴上的固定点与轴外部的固定点构成的角度)的精确测量对于风力涡轮机的恰当且安全的操作也是必须的。这些测量的精度必须在相对较长的周期期间保持。风力涡轮机的控制随着风力涡轮机尺寸和能量输出的增加而变得更加复杂。除了利用这些测量值来控制风力涡轮机之外，测量值可用于风力涡轮机设计。

[0008] 为了解决利用旋转轴的任何设备的设计与操作问题，需要测量轴表面上任何外力引起的变形。这些测量值可用于数字化地确定施加于轴上的弯矩/扭矩/转矩以及其它作用力。

[0009] 传统的轴控制技术采用了许多不同的传感器和/或系统，以感测或测量这些作用力和轴操作参数。这些传感器包括，但不局限于应变仪系统、编码器/齿系统、声波系统、弹性系统、磁致伸缩系统和磁致弹性系统。这些系统各具有某些特征和应用，以及特定的优点和缺点。

[0010] 埋置或连接在轴上的应变仪提供了局部的轴应变测量。这些仪器需要电联接到旋转轴上，即，物理连接(例如滑动环)或无线连接，并且产生的信号具有相对低的信噪比。应变仪还遭受低稳定性，有限带宽的影响以及倾向于需要频繁校准。有限的应变仪的操作温度范围限制了它们在苛刻环境中的使用。另外，在大功率应用中具有大直径轴的应用中，应变仪可能在很短的使用周期之后由于施加于轴上的大应力而失效。因而应变仪很少用于商业传动系设备中。

[0011] 编码器/齿-轮转矩传感器需要例如通过磁性齿-轮而与旋转轴发生一些机械的相互作用。但齿-轮的设计对于许多应用倾向于是昂贵且不实用的。此类设计对于较高速度的应用是不实用的，其在苛刻环境中引起可靠性问题，且尽管是稳定的但缺乏高分辨率。

[0012] 声波系统利用传感器，例如表面声波(SAW)和体声波(BAW)传感器，其安装在轴上用于测量轴应变。滑动环或无线系统需要携带为外部传感器指示轴变形和施加于轴上的作用力的信号。

[0013] 弹性转矩系统通过测量跨越轴长度设置的标记的角度位移而测量轴的扭转。此系统对于大直径轴可能不够精确，并且可能具有实际的实施问题。

[0014] 近程传感器也被采用来测量轴的弯矩。这些传感器需要刚性基准(即，刚性支撑结构)，并且容易受到支撑结构的偏转和传感器漂移的影响，从而导致测量值上的误差。因为主轴系统是刚性的，所以测量上小的偏移误差，例如0.1mm，对应于弯矩分析中的高误差，例如200kNm的误差。这些误差可能造成轴控制系统的不正确的操作。

[0015] 轴的位置可通过采用光栅的角度编码器来确定。轴在安装之前进行编码，并且检测编码区域以确定轴位置。但这些传感器在肮脏的环境中容易被污染并失效。

[0016] 由于对轴进行编码需要大功率，磁性的轴力传感器，如NCT Engineering GmbH.(Erlenhof-Park.Inselkammerstr.10，82008Unterhaching，Germany)所述以及其它传感器不能以成本有效的方式应用于大型轴中，例如超过大约200mm的轴径。

[0017] 测量施加于轴上的作用力的另一方法基于应用于或形成于轴中的铁磁轴材料或铁磁材料区域上的磁致伸缩效应。磁致伸缩的测量基于材料在磁化时改变尺寸的现象。对于某些材料，磁致伸缩效应非常小。

[0018] 传统的磁致伸缩的转矩传感器包括产生高频磁场的初级线圈，和测量合成场的磁通量的次级线圈。来自所有次级线圈的总的测量磁通量指示是否存在转矩。此方法不需要对轴进行编码。

[0019] 呈Δ1/1形式的典型磁致伸缩系数大约为1x10-6至25x10-6。直接(即没有铁磁材料的编码)使用磁致伸缩效应来测量铁磁材料的大型轴上的转矩是昂贵的，需要复杂的传感器布置，困难的校准程序，并且典型地导致具有有限精度的测量。

[0020] 然而，通过将磁致伸缩效应与磁编码的轴或与应用于轴上的磁编码区域进行结合，磁致伸缩效应可有利地以改进的精度和减少的安装成本而实用。通过在轴制造期间或轴的安装之后使电流穿过轴或材料区域，对轴的材料或材料区域进行编码。当应用于合适的材料时，以及当由具有足够高的电流密度的电流产生时，编码是永久性的。

[0021] 编码电极电联接在轴上，以支撑电流从一个或多个输入电极穿过轴的区域而流向一个或多个输出电极。电流引起磁场，磁场在轴内产生磁极化的编码区域。当编码电流和合成的编码磁场应用于铁磁材料时，磁畴之间的边界移动，并且磁畴旋转。这些效应都会改变材料沿着磁轴线的尺寸。编码电极优选设置为在轴上产生多个均匀的磁性区域。

[0022] 相反，材料的一个或多个磁性参数在受到机械作用力或弯矩/扭矩/转矩时会变化。具体地说，这些作用力改变了材料属性，并且又造成磁场的外部组成上的变化。这些磁场上的变化可通过磁致伸缩传感器例如磁通量闸门传感器进行检测。

[0023] 在沿着轴的轴向电流所产生的磁化作用下，典型的磁致伸缩的转矩传感器采用总的轴编码。该编码是周向均匀的，因为磁编码需要整个横截面的磁化。为了产生这些均匀的周向磁性区域，将多个电极以环状矩阵形式设置在轴周围，并使电流同时应用于所有电极上。通过在轴向方向上引导电流沿着轴从输入电极流向输出电极，产生了磁化作用(即，轴被编码)。

[0024] 然而，如上面所述，大直径轴，例如风力涡轮机轴(和燃气涡轮机轴)典型地并不遵循传统的磁编码技术。这些技术适合于相对较小直径的轴，但随着轴直径的增加，需要对轴进行磁编码的电极的数量增加，并且由各个电极携带的所需要的电流也增加。例如，对于各个电极对(一对电极包括输入电极和输出电极)可能需要几百安培的电流。对于精确的转矩检测(或施加于轴上的任何作用力的检测)，该编码必须产生周向均匀的磁场；必须做出相当困难且昂贵的努力以在大直径轴上实施。不利的是，不能从周向均匀的磁场确定轴的旋转速度。

[0025] 不均匀的磁场是由轴的电气和磁属性的非同质性造成的。此外，电流典型地作为经过特别整形的电流脉冲来供给，从而需要复杂的电子电路来支持高电流。出于所有这些原因，应用于大直径轴的周向均匀编码的方案倾向于难以实施且非常昂贵。

[0026] 参照图1-4描述现有技术的磁致伸缩的编码和感测的示例。参照图1，轴5包括铁磁材料。间隔开的环状电极10和15围绕轴的圆周进行设置，以便在电极10和15之间对轴向区域20进行编码。电极10和15连着均与轴成电接触。电极分开的间距倾向于促进区域20内均匀的磁通量密度，从而产生周向均匀的编码区域。通量密度的均匀性还依赖于若干其它因素，包括轴直径。沿着轴轴向地设置了补充的电极对(未显示)，例如电极10和15，以便对补充的区域进行编码，从而用于检测施加于其它轴分段上的作用力。

[0027] 在编码过程中，电流脉冲25应用于电极15上，以便沿着轴5的纵向轴线并在区域20内建立电流30。在沿着区域20流动之后，电流被电极10所接收，以产生输出电流35。
流过编码区域20的电流产生与磁畴对准的磁场。轴区域的永久磁化需要该区域内的高电流密度。

[0028] 采用轴的永久磁化的所有磁场传感器技术，例如上面所述的那些，均检测由永久磁化造成的外部可测量的磁场。这些场传感器还检测由弯矩/扭矩/转矩以及其它作用力造成的磁场的变化。这些作用力改变材料的磁导率，从而改变材料中磁场的一些方面，并且还改变了外部磁场。取决于未变化的场的几何形状和所施加作用力的性质，作用力可改变场的方向或场的强度(即，场强度或通量密度方面的变化)或两者。

[0029] 现有技术中通常将变化的磁场指为包括场强或磁通量方面的变化的磁场。扭曲的场典型地只是指磁场方向上的变化。

[0030] 当轴5在操作中时，靠近旋转轴5安装的传感器线圈45(图2中只显示了一个)感测磁场，并产生代表该场的信号。在没有施加应力或转矩的条件下，传感器不会检测到任何磁场扭曲或变化。此类传感器典型地展现出方向特性，因为单轴传感器不能区分在方向和强度方面的变化。

[0031] 传感器线圈45包括磁通量闸门传感器，或其它磁场传感器，例如线圈传感器、电感传感器或霍耳效应传感器。

[0032] 当转矩施加于轴5或轴5的区域上时，从编码区域20显露出的变化的磁场由传感器线圈45检测。传感器线圈45典型地联接在电子处理构件上，用于分析和显示磁场扭曲和变化，并用于指示所施加的作用力，尤其包括转矩。

[0033] 如上所述且如图1和图2中所示的现有技术系统采用轴向电流产生周向均匀的均匀轴磁化。此技术需要整个轴圆周的磁化，并因而对大直径轴是不实用的，因为这些轴需要大的编码电流来产生足够的通量密度，从而在轴中产生永久且均匀的磁性区域。虽然在技术上可行且可能，但是对这些大电流的需求使得在圆周方向上对于大直径轴实现均匀的电流分布和密度变得昂贵。因而此编码方案典型地限于直径大约200mm以下的较小的轴。

[0034] 为了减轻与大直径轴相关联的问题的和对于大电流的附带需求，一种已知的技术使用到轴5的多个电连接，如图3中所示。间隔开的环50和55靠近轴5设置，并与轴5隔离，且各个环50/55均具有连接在轴5上的多个电导线60。供给环50的输入电流65流过导线60，然后穿过区域80，并通过环55流出。流过区域80的电流产生多个磁化区域75(图3中只显示了一个)。

[0035] 图3的复杂编码布置需要在环50和55之间相对于轴直径较小的间距。否则不可能实现在圆周方向上足够均匀的磁化。在环50和55之间更大的间距增加了区域80的长度，其在许多应用中造成实施问题和额外费用。另外，应用于电导线60上的单独的电流必须都具有相同的幅度，从而需要精确的控制和相当大的费用，以便在大直径轴中实施。

[0036] 共同拥有的专利申请出版物2009/0301223(申请号12/134,689)描述并要求保护用于与大直径轴一起使用的另一编码方案。该专利申请出版物通过引用而结合在本文中。图4描绘了轴205，其具有磁极化的编码区域或由编码结构210形成的通道。轴205的材料包括铁磁材料或附在轴205上的铁磁材料。交替的传导部件215和217沿着轴205的一部分轴向地定位，并由非传导框架212支撑。部件215和217靠近轴205设置，且在各个部件
215和217与轴205的表面之间具有间隙。正编码传导部件215与负编码传导部件217交替。

[0037] 各个传导部件215的第一端联接在编码源或电流源250的正端子上(图4中只显示了一个)，并且第二端通过导线242而在电极218处联接在轴205上。编码源250的负端子联接在设置于轴205上的电极247上。

[0038] 各个传导部件217的第一端联接在编码源或电流源252的负端子上(图4中只显示了一个)，并且第二端通过导线243而在电极220处联接在轴205上。编码源252的正端子联接在设置于轴205上的电极248上。

[0039] 来自各个传导部件215的电流在沿着路径245所示的方向上穿过轴205，从而在轴205上产生正的磁极化通道260(图4中只显示了一个)。类似地，来自各个传导部件217的电信号在沿着路径249所示的方向上穿过轴205，从而在轴205上产生负的磁极化通道
262(图4中只显示了一个)。在磁化的通道260和262内，对于路径245和249电流方向处于相反方向上，并且因而磁畴是相反极化的(正的或负的)。

[0040] 当轴205处于操作中时，由正的和负的磁极化通道260和262产生的磁场具有预期的形状，并由传感器(图4中未显示)来检测。当转矩或另一作用力作用在轴205上时，由通道260和262产生的磁场变化或扭曲。传感器检测这些变化，并对其做出响应以指示在轴205的编码区域(即，包括通道260和262的区域)内作用力的存在。

[0041] 参照图4所述的技术可被认为是分段磁编码的一种形式，因为只有区域(分段)或通道260和262被编码。取决于轴上的编码分段的定向，此技术能够测量旋转角度、旋转速度和施加于轴上的作用力，包括弯力/扭力/转矩力。但此技术限于只测量或检测轴上单个转矩敏感区域即编码区域上的这些参数。当轴进行分段编码时，只能通过将磁场传感器安装在轴上使得传感器随轴旋转才可实现连续的转矩测量。随着传感器旋转，其连续地测量所关注的参数。但要求传感器随轴旋转增加了系统的复杂性，需要滑动环或无线数据传输系统和无线功率供给或蓄电池。

[0042] 已经使用了各种过程和系统为旋转轴提供精确且可靠的测量能力，其中一些已经在上文中进行了描述。然而继续改进是需要的，尤其相对于更大直径的轴，并且操作效率上的增强是期望的。本发明提出了一种用于对轴进行分段编码的新的且非显而易见的技术和分段编码区域的图案，以便测量施加于轴尤其大直径轴上的作用力。该编码区域的图案还可允许同时确定轴的旋转角度和旋转速度。

[0231] 在详细地描述与轴的分段磁编码相关的用以测量轴的操作参数和施加于轴上的作用力的具体方法和装置之前，应该观察到本发明主要在于一种新颖的且非明显的元件和过程步骤的组合。为了不使本公开被本领域中的技术人员将很容易明白的细节所混淆，某些传统的元件和步骤用较少的细节来展现，而附图和说明书更详细地描述与理解本发明相关的其它元件和步骤。

[0232] 所展现的实施例并不意图限制本发明的结构、元件或方法的范围，而只是提供示例性结构。这些实施例是容许的，而非强制性的，并且是说明性的，而非穷尽性的。

[0233] 本发明的各种实施例可检测应用于轴上的转矩、弯矩以及其它作用力中的一个或多个。各种实施例还可确定轴的角度位置和轴的速度。

[0234] 磁致伸缩的测量系统的精度可通过利用轴中所产生的或在应用于轴的磁编码材料上所产生的独特的磁编码区域进行改进。磁编码本质上将轴转变成感测系统的构件，并在轴内产生强的磁路，且在轴的外部产生磁场分量。检测外部磁场中的变化或扭曲将指示轴上转矩或另一作用力的存在。磁场的检测还可用于确定轴的角度位置、轴的旋转速度。

[0235] 在图5中描绘了轴271上的磁编码区域270。编码区域270包括围绕轴271的圆周设置成两个带或环的四个磁编码轨道或磁编码区域272，274，276和278。第一轨道带或环包括交替的轨道272和276，并且第二轨道带或环包括交替的轨道274和278。轨道272和276在交替的轨道272和276之间形成有间隙或死区280。轨道274和278在交替的轨道274和278之间形成有间隙或死区282。间隙273设置在轴向对准的轨道272和274之间，并且间隙277设置在轴向对准的轨道276和278之间。间隙273和277限定了如下所述的转矩敏感的区域(其对于具有一个或多个穿过这些区域的力矢量分量的其它作用力也是敏感的)。

[0236] 轴271的典型材料包括标准合金钢，例如34CrNiMo8。其它适合于使用的材料包括：1.2721 50NiCr13，1.4313X4 CrNi13-4，1.4542X5CrNiCuNb16-4和30CrNiMo8。

[0237] 如图6的示例性轨道中所示，轨道272，274，276和278各包括多个磁编码区域A，B，C，D等等。

[0238] 四个轨道或编码区域272，274，276和278和它们磁编码组成区域由电极矩阵形成，电极矩阵包括如图7中所示的四个间隔开电极300，302，306和308。电极300和302轴向对准，并且电极306和308轴向对准；电极300和302(其形成编码区域272和276)周向偏离电极306和308(其形成编码区域274和278)。所有电极300，302，304和306间隔开固定的距离，并作为一个整体而移动。此电极矩阵或另一恰当间隔开且定向的电极矩阵可根据本发明的教导而用于对任何所需形状的磁极化区域/轨道进行编码。

[0239] 电极300和302与轴271在相应的接触点300A和302A上成物理接触。电极306和308各包括三个部段：竖直部段306A/308A、切向部段306B/308B和竖直部段306C/306C。竖直部段306A/308A不与轴271接触；切向部段306B和308B不与轴271接触；只有竖直部段306C/308C的端子末端上的接触点306D/308D与轴271相接触或至少紧密接近轴271。

[0240] 为了形成轨道272和276，即，为了对轴271进行编码，将电流脉冲从编码电流源309的正端子中供给电极300，电流在接触点300A处离开电极300，流过轴271的区域271A，进入并流过竖直部段306C，流过切向部段306B，通过竖直部段306A并流向编码源309的负端子。如图5中所示，该电流在各个轨道272和276中形成了其中一个磁极化或编码区域A，B，C，D等。通过与轴材料的磁畴对准的电流形成一区域，即，磁化了轴的材料。

[0241] 包括轨道274和278的磁极化区域与包括轨道272和276的区域的形成而同时形成。轨道274和278的磁极化区域由电流脉冲形成，该电流脉冲从编码电流源310的正端子流向竖直部段308A，穿过切向部段308B，穿过竖直部段308C，穿过轴区域271B而流向接触点302B，向上穿过电极302并流向编码源310的负端子。在与从编码源310应用脉冲的同时而从编码源309中供给脉冲。

[0242] 在形成各个区域(例如，区域A)之后，受到支撑结构矩阵的机械支撑并作为一个整体而移动的电极300，302，306和308作为一个整体而周向步进至另一位置，并再次应用电流脉冲。这个过程产生另一磁编码区域，例如用于各个磁道272，274，276和278的区域B。因而系列电流脉冲的应用和电极在各个电流脉冲之后的周向步进将产生单独的区域A，B，C，D等。这些区域被间隔开大约0.5mm。因为磁性区域略大于步长，所以磁性区域融合或合并以形成磁道或编码区域272，274，276和278。轨道272，274，276和278也被称为分段轨道或分段编码区域，因为其各包围轴271的一段。

[0243] 流过轴271(即，从一个电极进入轴并在另一电极处轴流出)的电流方向确定了编码区域的磁极化(即，磁场力线的方向)、由那些区域形成的轨道以及轴周围区域的磁极化。

[0244] 最大切向(或轴向)正磁场强度的位置由图5中开口或空心的椭圆形指定。最大切向(或轴向)负磁场强度的位置由涂黑的椭圆形来描绘。在各种展现的实施例中，最大正磁场强度的区域可在不脱离本发明的范围的情况下与最大负场强的区域交换。词语“正和负磁场强度”反映了磁场力线的方向，例如正磁场强度表示指向沿着轴271右边的场力线，并且负磁场强度表示指向沿着轴271左边的场力线。然而，这种定义对于本发明的正确操作不是必须的。

[0245] 轨道272和其单独区域A，B，C，D等形成于电流脉冲进入轴271处，并且轨道276和其组成区域A，B，C，D等形成于电流脉冲离开轴271处。类似地，轨道274和其单独区域A，B，C，D等形成于电流脉冲离开轴271处，并且轨道278和其组成区域A，B，C，D等形成于电流脉冲进入轴271处。

[0246] 在一个实施例中，电极300，302，304和308的矩阵在大约20至50步之间移动大约30mm，形成相同数量的编码区域A，B，C，D等。另外，轴的圆周确定部段306B和308B是否是线性的或弯曲的。对于更大直径(并因此更大圆周)的轴，例如大约730mm的直径，大约30mm长度的线性部段306B和308B是令人满意的。但具有大约60mm直径的轴需要使用切向弯曲的部段306B和308B。

[0247] 图8是穿过轴271、形成于轴中的磁极化轨道272和274的一部分以及两个轴向对准的电极300和302的轴向横截面图。因而图8中所示的视图由穿过轨道272和274以及轴271的轴线的平面来限定。图中描绘了轨道272和274和包围各个轨道的磁场力线279。图中还包含了磁极(北(N)和南(S))的标号。具有相同特征的磁场在各个磁极化轨道或区域上重复，即，轨道或区域具有正磁极化区域位于左边且负极化区域位于右边的定向。如本领域中的技术人员已知的那样，磁场是三维的，而图8中只显示了两维。

[0248] 轨道276和278在另一视图(未显示)中看起来似乎从图8的平面中周向偏移出来。然而，对于轨道276(左边)和轨道278(右边)，场方向箭头相对图8所示是反向的。

[0249] 除了轴向方向上的分量之外，与本发明一起使用的磁场传感器(或磁场扫描器或传感器或扫描器的矩阵)对于所有磁场分量都是“盲的”。因而场传感器对于由图8中的标号303所标识的轴向或切向场分量是最敏感的。供本发明使用的非限制性的传感器的示例可包括霍耳效应传感器、磁场传感器、具有空心磁芯的传感器线圈、磁通量闸门传感器、各向异性的磁致伸缩的传感器、大型磁电阻(GMR)传感器。补充的非限制性的磁场传感器示例包括磁通量闸门磁力计、探测线圈、光纤磁力计、光学泵磁力计、SQUIDS和核旋进磁力计。

[0250] 测量磁场的过程通常由处理器(未显示)来执行。处理器进一步设置为可基于所感测的磁场而计算各种轴参数，例如角速度、角加速度、角度位置、转矩、弯矩、扭矩以及其它施加于轴上的作用力。本发明的实施例并不局限于任何用于执行与本发明相关联的处理任务的特殊的处理器。作为本文使用的术语，词语“处理器”意图表示能够执行必要的计算或估算以执行与本发明相关联的任务的任何机器。该词语还意图表示能够接受结构化输入并根据指定的规则处理该输入以产生输出的任何机器。应该注意的是，本文使用的短语“设置为”意味着处理器装备了本领域中的技术人员所理解的用于执行本发明任务的硬件和软件要素的组合

[0251] 例如，图9显示了两个磁极化编码轨道或区域272和274，以及代表磁场通量密度的波形，如图9的下面部分中所示，其与各个轨道272和274相关联。从图中可看出，通量密度从左边接近轨道272时处于零水平，并增加直至在轨道272的中间达到正的最大值。通量密度随着离开轨道272而下降，直至在轨道274的中间达到负的最大值。通量密度在离开轨道274去向右边时增加，并因为通量密度随着离轨道274的距离的增加而下降，从而返回零水平。轨道272的左边和轨道274的右边的正号表示通量密度在那些区域增加。在两个轨道272和274之间的负号表示通量密度在那个区域减少。因而轨道272和274(和未显示的轨道276和278)表示尤其在相对于轴271的轴向方向上最大磁场通量密度的区域。

[0252] 图9(以及本申请中的其它图)显示了由开口或空心椭圆形指定的最大切向(或轴向)正磁场强度的位置。最大切向(或轴向)负磁场强度的位置由涂黑的椭圆形来描绘。在各种展现的实施例中，最大正磁场强度的区域可在不脱离本发明的范围内与最大负场强的区域交换。如参照图7所示，词语“正”和“负”反映了磁场力线，的方向，即，正磁场强度表示指向右边的场力线，并且负磁场强度表示指向左边的场力线。

[0253] 返回图7的电极矩阵，编码电流源309可通常产生几百安培至几千安培的单极脉冲(或者正向或者负向)，其脉冲宽度大约为0.1-100毫秒。在通常典型的应用中，脉冲持续时间在大约500A的电流和大约730mm的轴直径下大约为1毫秒。电流穿透的深度和轴271中的电流密度受到电流脉冲的持续时间的控制。

[0254] 编码源309和310可包括电容器组(即，电容器通过电阻器进行放电)、脉冲发生器或功率电子装置，其产生单极电流脉冲波形。因为电流脉冲是短的，其特征在于它们高的频率含量。

[0255] 在一个实施例中，在轨道272和274之间以及在轨道276和278之间的轴向距离是几毫米至大约一厘米。在相应的轨道272/274和276/278之间的区域273和277对于施加于该区域中的转矩是敏感的。

[0256] 在电极300和306之间的距离与在电极302和308之间的距离是相同的，其决定在由电极300和302产生的区域被电极306和308所产生的区域覆盖之前可形成的磁极化区域的数量。为了避免这种覆盖，在对用于各个轨道272和274的多个磁性区域进行编码之后，电极矩阵必须周向移动所跨越的距离，该轨道跨越与电极300和306之间的距离(或电极302和308之间的距离)大致相等的距离。这种运动防止了之前记录的轨道276和278在记录连续形成补充轨道272和274时免于被覆盖。

[0257] 例如，在一个实施例中，电极300和306(以及电极302和308)间隔开大约与轴的周长的一半相等的距离。然后该轴可在轴的旋转一半，即旋转180度期间进行编码。

[0258] 通过步进马达的协作激励以使电极矩阵支撑结构周向(或轴向)移动、轴271的旋转、和/或电极矩阵支撑结构的多轴向促动，从而可在轴271中产生电极几何形状范围内的任意的磁化图案。

[0259] 例如，如果步进马达在轴没有围绕其轴线旋转的条件下使电极对300/302和306/308在轴向方向上沿着轴271步进，则在轴271中形成了轴向磁化的轨道，如图10中所示。当电极轴向地沿着轴271步进时，由相应的电极300和302形成了轴向轨道321和
324。在形成轨道321和324的同时，由相应的电极306和308形成了轨道322和323。在形成四个轴向轨道321，322，323和324之后，使轴271旋转，并通过使电极300，302，306和
308再次于轴上轴向地步进，在轴中形成四个更轴向的轨道。如果轴旋转360度，则轴在其整个圆周上进行编码。

[0260] 如果电极对300/302和306/308周向步进以产生四个轨道(即产生形成四个轨道的区域)，则在此之后，使轴旋转，或使电极矩阵周向移动，可形成四个补充轨道。该过程可继续以形成完全包围轴271的圆周的轨道。参见图5。

[0261] 在又一实施例中，步进马达可使电极矩阵支撑结构沿着其多个轴线的任何轴线移动，而轴271保持固定，或者可使步进马达移动，并使轴271旋转，以产生任何所需被磁极化或被编码的轨道图案。

[0262] 如果步进马达被激励，并在形成各个轨道之后使轴旋转，则轨道相对于轴271的旋转轴线会形成角度。因而轨道形成了螺旋图案，如图11和图12中所示，包括轨道326，327，328和329。这些轨道可通过图7中所示的四电极矩阵的合适的运动结合轴271的旋转来形成。通过四电极矩阵的恰当操作可在轴上形成轨道和带的其它定向。

[0263] 图11中的轴271下面的波形显示了各种操作参数，其可由图11的编码轨道图案来确定。磁场的正和负的峰值350A和350B的位置分别由固定(即，它们不随轴271旋转)磁场传感器352的矩阵来确定，其指示轴的角度位置。峰值350A和350B移动的速度指示了轴271的旋转速度。在场峰值350A和350B之间(即，在轴271的区域353中)所检测的磁场与施加于该轴区域中的转矩成比例。波形355A指示区域353中不存在转矩；波形355B通过在无转矩波形355A和转矩波形355B之间的分叉指示转矩的存在。当机械转矩应用于轴区域353上时，该区域的磁导率发生变化，磁场(通量)发生变化，并且磁场传感器
352检测到变化的磁场。

[0264] 图13指示磁场传感器365相对于轴271的周向磁极化轨道272，274，276和278的定位。传感器365与轴271设置为间隔开的关系，并且对于该区域277中的磁场的轴向分力是敏感的。这些轴向分力在图8中由标号303标出。传感器367设置在轨道272和274之间(区域273中)，并且对于区域273中的轴向场分量是敏感的。

[0265] 第一轴向方向上的作用力具有从磁极化轨道274延伸至轨道272的力矢量，该作用力增加了间隙区域273中的磁场。在与第一轴向方向相反的第二轴向方向上的作用力具有相反的效果，其减少了间隙区域273内的场强。

[0266] 如同上面结合图11所示的实施例中那样，磁场传感器365所感测的变化的场强与未变化的场(在施加转矩之前已经获得的未变化的场图)相比较，以揭示转矩或作用力引起的磁场变化。

[0267] 转矩大致的数字测量值可通过首先校准磁场传感器365来确定，这种校准用以确定在各种变化的磁场和各种已知的施加转矩之间的关系。当在操作期间检测转矩时，转矩的值可根据在所检测的磁场变化和转矩之间的单一关系(传递函数)来确定。

[0268] 在一个实施例中，减去来自传感器365和367的信号，以消除任何共模效应，例如外部磁场。因为来自传感器365和367的应力相关的信号具有相反的符号，所以这些信号免于减法操作。

[0269] 图14描绘了代表所测量的外部磁场的分量的波形或信号轨迹，例如图5或图1的轨道图案的磁场分量。信号轨迹可通过使图13的磁场传感器365在轴向方向上穿过图5的区域272/273/274(或备选地穿过图5的区域276/277/278)而进行记录。备选地，信号轨迹可通过利用单独传感器的矩阵，例如图11的传感器矩阵352进行记录。图14的轨迹包括曲线368(实线)，其代表在扫描期间，当传感器在没有转矩存在的条件下在轴271上进行轴向扫描时穿过感测区域的磁场幅度。正峰值369代表在第一轴向方向上具有最高磁场强度的轴271上的区域，并且负峰值370代表在第二轴向方向上具有最高磁场强度的轴271上的区域，其中第一轴向方向与第二轴向方向相反。

[0270] 曲线372(虚线)代表跨越区域272/273/274的场。曲线372在轴的转矩敏感区域，例如图5的区域273和277中具有与曲线368明显的差异。此转矩敏感区域在图14中由圆和标号374来表示。在这两个波形之间的差异代表由于轴向(即，图5轴的水平定向)分力，例如轴区域273中的轴向扭转分力的存在而造成的变化的磁场。指向第一方向的轴向扭转分力造成曲线372(指示扭力的存在)下降至所关注区域374中的曲线368的左边；在与第一方向相反的第二方向上的扭转分力造成曲线354下降至所关注区域358中的曲线
346的右边。

[0271] 如果编码区域的定向从图5中所示的周向-定向区域变化至轴向-定向区域，例如图16中的磁编码区域400，则编码区域中的力感测方向性应相应地进行变化。在这后一设置中，如果传感器没有从其图13的定向(即，从图13中用于检测轴向分力的定向)中重新定向时，传感器检测到磁场变化，其在轨道400A和400B之间的区域400C中具有轴向方向上的分量。因为轨道400A和400B是轴向定向的，所以轴向分力的存在可能与施加于轴上的转矩没有关联。

[0272] 图16显示了施加于箭头404的方向上的示例性作用力。施加于图16的XY坐标系统的任何方向上的任何作用力可被分解成X-方向的作用力和Y-方向的作用力。如图16中所描绘的坐标系统所示，当磁极化区域如图所示进行定向时，传感器展现了对沿着Y轴的分力的低敏感度和对沿着X轴的分力的高敏感度。

[0273] 返回到图15，其显示了形成于或应用于轴410上的磁-编码轨道的若干种不同的定向。区域400包括如图所示定位的交替的正和负的磁极化轨道400A，400B，400C和400D。转矩敏感区域403设置在轨道400A和400B之间，并且转矩敏感区域405设置在轨道400C和400D之间。如图所示，轨道400A和400C轴向对准，并且轨道400B和400D在轴410上轴向对准。

[0274] 图15还显示了典型的轨道418A，418B，418C和418D，其包括交替的正和负的磁极化区域；轨道418A和418C周向对准，就如轨道418B和418D一样。根据图16的力方向性敏感度图谱，区域419和421对于轴向分力是高敏感度的。

[0275] 轨道424A，424B，424C和424D与描绘的坐标系统的正X轴形成了135度的角。力敏感区域425和426定位在如图所示位置。

[0276] 轨道427A，427B，427C和427D设置在相对X轴225度的角度上，其中力敏感区域431和432如图所示。

[0277] 通过图7电极对300/302和306/308的恰当操作和轴410的旋转还可在轴410上形成其它定向上的其它轨道。

[0278] 图15中的箭头440和448指示了由应用于轴410上的一个或多个转矩(或其它作用力)而引起的示例性作用力方向。应用于轴410上的拉伸的、压缩的、扭转的和弯曲的负载通过来自磁场传感器(或传感器矩阵)的相对应的信号进行检测，其指示了相应地被这些作用力所修改的感测磁场。因而各种所示的编码轨道的定向容许从许多不同的方向检测施加于轴410上的作用力。

[0279] 通常，需要两个周向带(例如包括轨道418A和418C的第一带和包括轨道418B和418D的第二带)和两个轴向带(例如包括轨道400A和400C的第三带和包括轨道400B和
400D的第四带)来检测以任何方向施加于轴410上的所有作用力，如果第一带和第二带垂直于第三带和第四带的话。

[0280] 四个带的三组围绕轴圆周间隔开120度的间隔可分解弯矩和转矩。

[0281] 轨道400A，400B，400C和400D平行于轴410的旋转轴线411。如果转矩矢量分量在不平行于磁极化区域(并因此不平行于旋转轴线411)的任何方向上穿过区域403或405，这些轨道可检测应用于轴410上的转矩。这些矢量分量改变了由区域403和405中的磁畴产生的磁场，并因而改变了轴410上方可测量的外部磁场。此外，穿过区域403和405中间(其中“中间”被限定为在平行的磁极化区域之间的中途位置)的任何转矩分量都会产生最大的磁场变化。

[0282] 对于轨道400A，400B，400C和400D的定向，弯矩不能被检测到，因为由弯矩施加的作用力平行于这些磁极化轨道的方向。参照图16，这种弯矩具有平行于Y轴的分力(并因此平行于磁极化轨道的方向)，其中磁极化轨道具有对作用力最低的敏感度。

[0283] 轨道418A，418B，418C和418D垂直于旋转轴线410，并且参照图16，其指示这是用于检测带有X轴分量的弯矩的最佳定向。

[0284] 轨道424A，424B，424C和424D和轨道427A，427B，427C和427D处于用于检测转矩和弯力的最佳定向上。沿着轴线450的单向转矩改变了区域425和426中的磁畴，其对于沿着轴线450的作用力具有高的敏感度。此转矩不会改变或只是轻微地改变区域431和432中的磁畴，因为该区域中的磁畴对于沿着轴线450的作用力具有低的敏感度。

[0285] 沿着轴线455的单向转矩改变了区域431和432中的磁场，并从而在磁场传感器中产生相对应的信号。沿着轴线455的转矩不会改变由区域425和426中的磁畴产生的磁场。通常，沿着第一轴线(要么轴线450或455)的任何作用力会改变沿着第一轴线的磁场，而不会(或只是轻微地)改变沿着垂直于第一轴线的第二轴线的磁场。

[0286] 在图17中显示了另一编码轨道或带的图案。步进马达和电极矩阵具有如图7中所示设置的四个电极，其在轴508中形成轨道500，502，504和506。轨道之间的区域509对于施加于轴508上的作用力是敏感的，该作用力具有穿过区域509的分力。图16指示了区域509的方向性的力敏感度。在相应的轨道500/504和轨道502/506之间存在间隙510和511。力敏感区域509还具有非连续性或与间隙510和511对准的间隙。也就是说，在力敏感区域509之间存在间隙512。当其中一个间隙512面向磁场传感器时，传感器不能感测磁场，并因此不能检测施加于轴上的作用力，其在间隙512中具有分力。

[0287] 为了克服这个缺点并提供对转矩以及其它作用力的连续检测，形成了补充磁极化区域500A，502A，504A和506A，其轴向偏离区域500，502，504和506，并且周向偏移大约一半轨道长度，如图17中所示。因而当在磁性传感器的感测范围内存在间隙512时，其中一个力敏感区域509A由磁场传感器来读取，以克服感测间隙512中的磁场的能力缺失。类似地，当在磁性传感器的感测范围内存在间隙512A时，力敏感区域509由磁性传感器来读取，以克服感测间隙512A中的磁场的能力缺失。

[0288] 来自偏移区域509和509A的组合的磁场信号提供了对施加于轴508上的转矩或其它作用力的连续监测。

[0289] 图18显示了一个实施例，其中轨道长度接近180度长，即，跨越轴600的圆周的一半。正磁极化区域604和平行的负磁极化区域608成形或埋置于轴600中。轨道604和608周向被相应的间隙612和614所追随，该间隙周向被正和负磁极化区域624和620所追随。区域604/608和区域620/624围绕轴600跨越大约180度。

[0290] 补充的磁极化区域轴向偏离轨道604，608，620和624而形成。这些轨道包括正磁极化轨道634和638，和负磁极化区域642和650。在相应的轨道630/638之间和在轨道634/642之间的间隙650和652偏离间隙612和614。这种偏离值在一个实施例中大约为
90度，其提供了对施加于轴600上的任何力矢量分量的连续(即，围绕整个圆周)监测(除了与轨道604，608，620，624，630，638，634和652平行的分量之外(即，周向分量))。通常，对于大直径的轴，轨道的角度跨度将小于180度，但这需要对轴上的补充轨道进行编码，以形成周向完全包围轴的闭环。

[0291] 应该注意，轨道604/620，608/624，630/638和634/642中的补充间隙在图18中是看不见的。

[0292] 使用四个轨道跨越360度(第一正和负的磁极化轨道跨越180度，并且第二正和负的磁极化轨道跨越180度)如图18中所示仅仅是示范性的。轨道可由任意长度形成，以跨越任何所需的角度段。轨道中的间隙描画了从一个极性至另一极性的过渡，该间隙是偏离的，从而确保可在轴的任何圆周区域确定施加于轴上的任何作用力。

[0293] 为了产生图18的轨道，需要两个轨道成形电极组件，其中图7中显示了一个这样的组件。这两个组件(包括八个电极)轴向间隔开，并且被同时激励，以便同时产生四个轨道，其如这里所述用于同时产生两个轨道的四个电极组件。

[0294] 通常在操作过程中，磁性传感器从轴中编码的轨道中感测磁场。在一个实施例中，传感器相对于旋转轴是固定的，并且固定地安装在轴附近的结构上。

[0295] 在只有一个传感器安装在轴的一侧的条件下，各种展现的实施例中的施加于任何转矩敏感区域中的扭力不能与弯矩区别开来，弯矩也在相同的区域施加了相似的力(方向)。另外，当只采用一个传感器时，力感测系统不能将施加的作用力与周围磁场中的变化区别开来。

[0296] 图19显示了轨道簇702，其包括与相应的轨道712和713对准的相反极性的轨道706和707。力敏感区域定位在轨道706和707之间，并且另一力敏感区域定位在轨道712和713之间。未显示的两个传感器感测各个这些区域中的磁场。图20显示了轨道簇704，其包括如图所示设置的相似的轨道708，709，710和711。力敏感区域定位在轨道708和709之间，并且另一力敏感区域定位在轨道710和711之间。未显示的两个传感器感测各个这些力敏感区域中的磁场。

[0297] 在一个实施例中，轨道矩阵702和704设置在轴724的相对侧面上，如图21中大致所示。在操作过程中，由磁场传感器产生代表轨道706和707之间、轨道713和713之间、轨道708和709之间以及轨道710和711之间的磁场(即，切向磁场)的信号。然后将信号进行如下减法：从信号712/713中减去信号706/707以产生第一合成信号，并从信号710/711中减去信号708/709以产生第二合成信号。第一和第二合成信号之和代表施加于轴724上的转矩。在第一和第二合成信号之间的差代表施加于轴724上的弯矩。

[0298] 应该注意的是，由轨道706和707之间的磁场产生的信号与由轨道712和713之间的磁场产生的信号始终是互补的，假定应力矢量以相同的方向穿过两个力敏感区域。

[0299] 在另一实施例中，轨道706/707定位在与轨道712/713相反的轴的侧面上。在这个实施例中，来自力敏感区域的信号具有相同的弯矩符号，因为应力矢量在轴的两侧具有相反的符号。信号具有相同的扭力符号。

[0300] 理想地，为了获得代表转矩和弯矩的最佳信号，优选如上所述减去这两个信号，但这不是必须的。然而，这种减法不会有利地减少任何共模信号的影响，并因此提供了更精确的结果。例如，利用这种差分分析取消了外部磁场的影响。

[0301] 虽然在图19和图20中相对于轴724的旋转轴线包含轨道706，707，708，709，710，711，712和713，但这种定向不是必须的。

[0302] 在图19和图20中显示了相对较短的磁道。然而，在另一实施例中，这些轨道可被制成更长，并可跨越大约轴圆周的180度，如图18中所示。

[0303] 图22描绘了轴803和两个相反设置的传感器805和807。在跨越于这两个传感器805和807之间并包括轴的轴线的平面中的弯矩，其在各个传感器上产生了信号，但该信号具有相反的极性。因而有效地组合/增加这两个信号之后减去这信号，结果为零。对于转矩，来自轴相对侧面上的这两个信号在级数上有所增加或减少(依赖于转矩的方向)，并且这两个信号的组合/增加产生了正的(或负的)总值。组合的信号可被平均以确定施加于轴上的平均转矩。因而需要至少两个传感器来区别弯力和扭力。如本领域中的技术人员已知的那样，这些相同的方法可供应变仪传感器所采用。

[0304] 一个实施例采用了三个固定的传感器，在围绕轴圆周的0，120和240度处各一个传感器。优选，轴被编码为三个轨道簇，各簇包括四个轨道，如图19和图20中所示。这个实施例可分解弯力和扭力。

[0305] 在另一实施例中，采用了四个传感器，并安装在0，90，120和270度处，和四个轨道分段，各个分段同样包括四个轨道，如图19和图20中所示。这个实施例简化了信号至笛卡儿坐标系统的分解，提供了对任何外部磁场更好的消除，并且改进了区分弯矩和转矩的能力。在不能沿着轴的全长施加弯矩的应用中(例如，因为驱动轴支架被牢固地锚定)，一个磁场矩阵或扫描器就足够了。

[0306] 对于传感器安装在轴上并随轴旋转的一个实施例，必须确定轴相对于固定安装系统的定向，以便将旋转轴的X和Y坐标变换到固定系统的X轴和Y轴上。

[0307] 通常，轴的角度位置可通过这两个磁道的其中一个磁道的轴向位置来确定，这两个磁道围绕轴跨越180度。在利用图11的螺旋形轨道图案和固定传感器的一个实施例中，当磁场中的峰值(设置在螺旋形轨道上的预定的标记位置上)经过磁场传感器时，可确定轴旋转位置的检测。

[0308] 通过明显的轨道特征(例如磁场标记)的周向运动的速度或在这些特征连续经过传感器之间的时间可确定旋转速度。通过利用在周向方向上垂直于轴线的第三非倾斜的参照轨道，也可确定轴的轴向位置，以消除由于轴的轴向位移所造成的任何人为因素。这些操作参数均可同时且在静态和动态操作条件下，即在旋转轴或非旋转轴的条件下进行确定。

[0309] 本发明用一种仪器替代了通常应用于旋转机械的若干个监测仪器。因为本发明不需要对轴的机械变化，所以本发明的实施是相对较低成本的。此外，本发明提供了分段磁编码方案的某些优点，同时还提供了轴的位置和轴的旋转速度信息。

[0310] 如上所述，在由第二螺旋形编码图案所覆盖的第一螺旋形编码图案中利用带间隙的两个螺旋形磁编码区域，借助于以这两个编码轨道为目标的两个磁场传感器可实现对转矩的连续读取，第二图案相对于第一图案有所偏移。

[0311] 由于本发明的分段编码方案的原因，用于编码过程所需要的电流、功率和电压不依赖于轴的直径。本发明的方法因此适合于例如60mm的小直径轴和大直径轴，例如具有大约750mm直径的风力涡轮机的低速轴。

[0312] 通过对轴周围的轴向对准或轴向倾斜的编码分段的紧密间隔开的图案进行编码，虚拟的磁齿轮可被编码于轴上，从而容许旋转速度的测量。如果两个这样的虚拟磁齿轮经过编码而间隔开某一距离，那么所获得的信号的相位差代表这两个齿轮之间的轴的扭转，其代表转矩。

[0313] 各种所述实施例具有现有技术的分段磁编码方案所有优点，但重要的是容许对大直径轴的转矩的连续读取而不依赖于轴的直径。连续的方案可实现从DC至高频率的转矩的连续读取。相反，现有技术的分段编码方案只有当传感器安装在轴上并随轴旋转时才提供了连续转矩的读取。但不同于本发明所述的改进之处，这种现有技术需要非接触的无线数据和功率传输系统或滑动环。没有这些非接触的读取方案，现有技术系统只是在每次轴的分段经过固定传感器时提供转矩读取。这种方案不被认为是连续的转矩读取，并且对于低速轴系统具有使用限制，其受到较高频率的动态因素的影响。

[0314] 虽然轴上的磁性区域由本申请附图中的伸长的区域来代表，但实际上，根据本发明可在电极设计和物理定律的限制范围内形成任意形状的磁性区域。区域的形状依赖于电极矩阵的形状、轴或电极矩阵在对轴进行编码的电流脉冲之间的旋转运动、以及其它影响轴材料磁化的因素。

[0315] 虽然已经通过目前被认为是优选的实施例描述了本发明的各种实施例，但是许多变化和修改对于本领域中的技术人员将是明显的。因此，本发明意图并不局限于特定的说明性的实施例，而应该在所附权利要求的精神和范围内进行理解。

[0316] 虽然主要参照风力涡轮机中的用途进行描述，但是本发明的编码技术和编码区域还可供用于任何大型旋转机械中的轴所采用，例如电力涡轮、电动发电机、涡轮机械、大型电动机、压缩机、运输驱动器、船舶驱动器等等。

[0317] 本发明实施例的书面说明书使用示例来揭示本发明，包括最佳模式，并且还使本领域中的任何技术人员能够制作和使用本发明。本发明可获得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有与权利要求字面语言并无不同的结构元件或过程步骤，或者如果其包括与权利要求字面语言无实质差异的等效的结构元件或过程步骤，则这些其它示例都属于权利要求的范围内。