Магнитный датчик электрических импульсов

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано дгя измерения положения детали, ее скорости перемещения Цель изобретения повышение точности и уменьшение габаритов магнитного датчика электрических импульсов Магнитный датчик электрических импульсов содержит корпус 1, магнитный источник 2, воздушные зазоры - Зв, Зн, магниточувствительный элемент 4, магнитопровод 5, вал 6, спицу 7, магнитный шунт 8. Поставленная цель достигается тем, что в магнитном датчике импульсов верхний и нижний воздушные зазоры расположены диаметрально, так же как и магнитный источник и магниточувствительный элемент. Магнитный источник установлен с наклоном его радиально направленной поперечной плоскости симметрии и одноименной плоскости симметрии одного из зазоров, а модулятор выполнен в виде соосной магнитопроводу 5 крыльчатки из немагнитного материала с магнитными шунтами по периферии в виде лопастей. 2 ил. СО

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК е (я>s F 02 Р 3/04, Н 03 М 1/24

ГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4794319/24 (22) 20,02.90 (46) 23.06,92. Бюл, N 23 (71) Научно-и роизводствен ное объединение по автоэлектронике и автотракторному электрооборудованию "Автоэлектроника" (72) Ю.Д.Николаев, В.И.Пешель, С.А.Пого- жев и И.И.Смыслов (53) 681,325(088.8) (56) Заявка ФРГ М 3811671, кл. F 02 Р 7/07, опублик, 1983, Заявка ФРГ ¹ 2842386, кл. F 02 P 3/04, опублик. 17.04,80. (54) МАГНИТНЫЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ (57) Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано дгя измерения положения детали, ее скорости перемещения. Цель изобретения—

„„5U „„1742502 А1 повышение точности и уменьшение габаритов магнитного датчика электрических импульсов, Магнитный датчик электрических, импульсов содержит корпус 1, магнитный источник 2, воздушные зазоры — Зв, Зн, магниточувствительный элемент 4, магнитопровод 5, вал 6, спицу 7, магнитный шунт 8.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитном датчике импульсов верхний и нижний воздушные зазоры расположены диаметрально, так же как и магнитный источник и магниточувствительный элемент.

Магнитный источник установлен с наклоном его радиально направленной поперечной плоскости симметрии и одноименной плоскости симметрии одного из зазоров, а модулятор выполнен в виде соосной магнитопроводу 5 крыльчатки из немагнитного материала с магнитными шунтами по периферии в виде лопастей. 2 ил.

1742502

Изобретение относится к измерительной технике, к устройствам для измерения положения детали, ее скорости и ускорения, преимущественно угловых, с помощью импульсных датчиков, реагирующих на периодическое изменение (модуляцию) напряженности (индукции) магнитного потока при модуляции магнитного сопротивления магнитной цепи.

Известен магнитный датчик электрических импульсов, содержащий корпус, в ко. тором закреплен рабочий элемент в качестве магниточувствительного элемента в виде элемента Холла, на вале закреплен другой рабочий элемент в качестве вращаемого магнитного модулятора в виде магнитного кольца, в котором сформированы интегральные магниты, образующие разомкнутые магнитные цепи, силовые линии которых выходят из кольца и "обметают" элемент Холла.

Разомкнутая магнитная цепь — магнитная цепь, значительная длина которой находится вне магнитных материалов магнитов и магнитопроводов, которые сосредотачивают магнитное поле в поток заданной формы. Рабочий элемент — элемент магнитной цепи, в котором магнитное поле либо возникает либо изменяется под действием измеряемой величины, либо управляет электрической величиной.

Вращаемый магнитный модулятор (модулятор). часть датчика. периодически изменяющая магнитную индукцию в магниточувствительном элементе цепи под действием измеряемой вегичины, в данном устройстве модулятор с постоянными магнитами, полюсы которых проходят мимо элементов Холла, изменяя в них магнитную индукцию. Интегральный магнит — объем цельной магнитотвердой детали. в котором наведен остаточный магнитный поток. Магнитное кольцо — кольцо из магнитотвердого

I материала с интегральными магнитами, Недостатки известного устройства заключаются в том, что магнитная цепь разомкнута. поэтому ее индукция мала, следовательно, импульс датчика мал, крутизна его мала, что снижает точность датчика, Для повышения индукции магнит должен иметь значительный объем, а для повышения точности количество магнитов— как можно больше, а для повышения точности количество магнитов — как можно больше, что увеличивает габариты датчика и другие недостатки (затраты на материал, сложность технологии и т.д.), Известен также магнитный датчик электрических импульсов, содержащий корпус, в котором закреплены рабочий элемент в

45 виде магнита, магниточувствительный элемент в виде элемента Холла и установлен вращаемый магнитный модулятор в виде крыльчатки из ферромагнитного материала с магнитными переключателями в виде наружных и внутренних лопастей.

Магнитный переключатель (переключательь) — элемент модулятора, изменяющий непосредственно собой магнитный поток.

Эти элементы образуют разомкнутую магнитную цепь с изменяющейся длиной. Когда внутренние лопасти проходят между магнитом и элементом Холла, они экранируют элемент Холла от магнитного потока, а когда наружные лопасти проходят за элементом

Холла, они направляют заметную долю магнитного потока через элемент Холла, вызывая сигнал, Таким образом, модулятор выполняет роль легкого вращающегося магнитопровода, поэтому недостатки, связанные с вращением тяжелого магнита. устранены.

Однако в известном устройстве магнитная цепь разомкнута, поэтому датчик имеет малую точность, модулятор находится вне магнитной цепи, поэтому габариты датчика велики, Известен магнитный датчик электрических импульсов, содержащий корпус, в котором закреплена замыкаемая магнитная цепь из магнита, элемента Холла и магнитопроводов, установлен вращаемый, магнитный модулятор в виде диска с магнитным замыкателем в виде лопасти. проходящей в длинном зазоре между магнитопроводами, Замыкаемая магнитная цепь — магнитная цепь, зазор которой замыкается или шунтируется для получения сигнала датчика, Зазоры здесь двух видов: воздушный и немагнитный (участок магнитной цепи, заполненный немагнитным материалом). Магнитный замыкатель (замыкатель), — вид магнитного переключателя, входящего в воздушный зазор, Магнитный шунт (шунт)— вид магнитного переключателя, шунтирующего зазор. Замыкаемая магнитная цепь обеспечивает повышение точности датчика.

Однако зазоры в магнитной цепи велики, ак как лопасть входит в воздушный зазор, поэтому требуется двусторонний допуск на длину зазора, причем он определяется осевым люфтом подшипника модулятора, который (люфт) больше радиального, Кроме того, последовательно с воздушным зазором включены немагнитные зазоры, поскольку детали магнитной цепи утоплены в полимер, Большие зазоры уменьшают сигнал, крутизну импульсов, а следовательно, точность датчика. Модулятор установлен

1742502

20

40

50

55 вне магнитной цепи, что значительно увеличивает габариты датчика.

Известен магнитный датчик электрических импульсов, содержащий корпус из немагнитного материала, в котором размещены образующие замыкаемую магнитную рамку магнитный источник, магниточувствительный элемент и соединяющие их участки магнитопровода, имеющего первый зазор и вращаемый магнитный модулятор.

Магнитная цепь выполнена в виде прямоугольной плоской рамки, состоящей из трех рабочих элементов: магнитного источника в виде постоянного магнита простейшей формы (короткого параллелепипеда), магниточувствительного элемента в виде элемента Холла, зазора, Наибольшую длину магнитной цепи образуют части магнитопровода, соединяющие упомянутые рабочие элементы, поэтому между зазором и элементом Холла находится участок, магнитопровода, т.е. элемент Холла удален от зазара, причем даже на другую сторону рамки, Элемент Холла и магнит размещены в одной длинной стороне рамки. Вращаемый модулятор состоит из вала, длинной тонкой Г-образной спицы и магнитного замыкателя в виде лопасти переменного сечения (в направлении вращения), которая периодически замыкает зазор, На конце вала закреплен элемент, воспринимающий измеряемую величину, например шестерня.

Зазор является радиальным по отношению к валу, поэтому "игра" модулятора и лопасти уменьш на, магнит имеет простейшую форму и небольшое отношение длины к поперечным размерам, а также занимает небольшую длину магнитной цепи, лопасть несимметрична, поэтому можно определить направление вращения по разной крутизне передней и задней частей импульса датчика, Однако в рамке имеется только один зазор, у модулятора — одна лопасть, поэтому за оборот получается один короткий импульс, а как изменяется скорость измеряемой детали в течение большой части оборота установить невозможно, поэтому датчик имеет небольшую точность. Модулятор размещен вне рамки, поэтому датчик имеет большие габариты.

Целью изобретения является повышение точности благодаря увеличению числа зазоров и магнитных переключателей, а также увеличению максимальной высоты импульса, а следовательно, и его крутизны, из-за уменьшения длины зазора между переключателями и концами частей магнитопровода у магнитных зазоров, при уменьшении габаритов, благодаря размещению модулятора внутри рамки.

Указанная цель достигается тем, что в магнитном датчике электрических импульсов, содержащем корпус из немагнитного материала, в котором размещены образующие замыкаемую магнитную рамку магнитный источник, магниточувствительный элемент и соединяющие их участки магнитопровода, имеющего первый зазор, и вращаемый магнитный модулятор, в нем магнитная рамка выполнена преимущественно в виде кольца, перпендикулярного оси модулятора, в магнитопроводе диаметрально первому выполнен второй зазор, магнитный источник и магниточувствительный элемент расположены диаметрально, причем магнитный источник установлен с наклоном его радиально направленной поперечной плоскости симметрии к одноименной плоскости симметрии одного из зазоров, а модулятор выполнен в виде соосной магнитной рамке крыльчатки из немагнитного материала с магнитными шунтами по перифериии в виде лопастей.

На фиг,1 изображен датчик, поперечный разрез; на фиг.2 — сечение А — А на фиг,1, В корпусе 1 из немагнитного, преимущественно диэлектрического материала закреплена замыкаемая магнитная цепь в виде плоского круглого кольца, включающего рабочие элементы: магнитный источник, преимущественно магнит 2, воздушные зазоры 3 (Зв — условно, верхний, Зн — нижний зазор), магниточувствительный элемент 4, например элемент Холла. и соединяющий их магнитопровод, состоящий из нескольких участков (5а, 56, 5в и 5г). Элемент Холла

4 закреплен в магнитном зазоре между учаcTKGMN магнитопровода 5б и 5в и защищен от действия окружающей среды, например залит полимером. Узлы обозначены набором цифр (с запятыми), которые являются номерами позиций деталей, входящих в этот узел, например: магнитная цепь 2,4,5.

Осесимметричная крыльчатка 6,7,8 состоит из вала 6, двух спиц 7 из немагнитного металла (7в — верхняя, 7н — нижняя), к которым прикреплены, например приварены, лопасти 8 (8в — верхняя, 8н — нижняя), что упрощает балансировку крыльчатки 6, 7, 8.

Крыльчатка 6,7,8 является магнитным модулятором, а лопасти 8 — магнитными переключателями в виде шунтов. Внутренняя поверхность магнитной цепи 2,4,5 — цилиндрическая, наружная поверхность лопастей

8 — участок соответствующей. цилиндрической поверхности с минимальным радиальным зазором между ними, значение которого определяется технологическими

1742502 возможностями и экономической целесообразностью.

Вал 6 установлен в подшипниках: один конец в корпусе 1, другой в съемной крышке

9 корпуса 1. Длина (дл) лопасти 8 превышает длину (дм) магнита 2, тем более, длину (дз) зазора 3. Ширина (шл) лопасти 8 превышает ширину (шц) магнитной цепи 2,4,5 на осевую

"игру" вала 6 в подшипниках, Целесообразно, чтобы площадь лопасти 8 была не менее поперечного сечения зазора 3, чтобы магнитное сопротивление радиального зазора (р) было меньше, чем зазора 3. Рабочие элементы 2, 3 и 4 могут быть расположены вдоль кольца 2,4,5 любым образом друг относительно друга, однако для повышения надежности определения направления вращения крыльчатки по различной последовательности импульсов середины магнита 2 и элемента Холла 4 должны быть расположены вдоль кольца 2,4,5 относительно воздушного зазора 3 со смещением в направлении поворота крыльчатки 6,7,8 на непрямой угол, т.е. на острый или тупой.

Магнит 2 установлен с наклоном его радиально направленной поперечной плоскости симметрии к одноименной плоскости симметрии одного из зазоров 3, например на фиг.1 магнит 2 смещен от зазора Зв в направлении поворота крыльчатки 6,7,8 против часовой стрелки на острый угол, а элемент Холла 4 — по часовой стрелке на тупой угол, Для надежности считывания импульсов схемой, подсчитывающей импульсы благодаря увеличению экстремумов импульсов, наряду с зазорами 3, расположенными оппозитно, магнит 2 и элемент

Холла 5 расположены также оппозитно (фиг.1).

Магнитная цепь 2,4,5 может иметь любую форму (например, квадрата и;.д,), лишь бы внутренние поверхности ее рабочих элементов 2, 3 и 4 находились на равных радиусах от оси вращения крыльчатки 6,7,8.

Поверхности, как и наружная поверхность лопастей 8, могут иметь любую форму (например, коническую и т.д.), лишь бы она была поверхностью вращения крыльчатки

6,7,8, Количество рабочих элементов 2,3 и 4 может быть больше одного. Количество лопастей 8 целесообразно больше одной для уравновешен ности крыл ьчатки.

На фиг,1 и 2 показана крыльчатка с двумя лопастями 8, однако для увеличения количества импульсов на один оборот более целесообразно увеличивать количество лопастей 8, чем рабочих элементов 2, 3 и 4. Для определения направления вращения крыльчатки 6, 7, 8 лопасти 8 могут иметь уменьшающуюся площадь поперечного сечения по

55 дуге или увеличивающийся радиальный зазор под набегающим (или сбегающим) краем лопасти 8. Лопасти 8 скреплены со спицами 9 известным образом, например, с помощью соединения типа ласточкиного хвоста с предотвращением саморазборки путем пайки.

Элементом 2 может быть электромагнит, элементом 4 — магниторезистор, магнитодиод и т.д. Зазор 3 может быть заполнен твердым немагнитным веществом для предотвращения изменения магнитного сопротивления зазоров 3 в случае попадания в него частиц с магнитными свойствами, Датчик работает следующим образом.

Воздушные зазоры 3 максимально зашунтированы лопастями 8 (это эвивалентно замыканию воздушных зазоров 3 с точки зрения магнитного потока), поскольку лопасти 8 расположены своими серединами против середины зазоров 3, длина (дл) лопасти

8 больше длины (дз) зазора (р) между лопастями 8 и краями магнитопроводов 5а и 5б (и 5в и 5г) меньше длин (дз) воздушного зазора 3, а ширина (шл) лопасти 8 больше ширины (шз) зазора 3, В магнитной цепи существует максимальный магнитный поток (ибо воздушные зазоры 3 "замкнуты"), который пронизывает элемент Холла 4.

При повороте крыльчатки 6, 7, 8 по часовой стрелке шунтирование зазоров 3 уменьшается, их магнитное сопротивление увеличивается, магнитный поток, пронизывающий элемент Холла 4, уменьшается. При повороте крыльчатки приблизительно на

45 лопасти 8 уже никак не влияют на поток.

Примем, что это положение соответствует условно нулевому уровню колебаний магнитного потока в элементе Холла 4, При повороте крыльчатки приблизительно на

90 лопасть Bв начинает шунтировать элемент Холла 4, часть общего магнитного потока выходит из элемента Холла 4 и идет на части лопасти 8в, следовательно, поток, пронизывающий элемент Холла, падает ниже упомянутого нулевого уровня. Кроме того, лопасть Bн начинает шунтировать магнит

2, часть магнитного потока замыкается только по части лопасти Bн, следовательно, поток в элементе Холла 4 падает дополнительно.

При дальнейшем повороте крыльчатки

6,7,8 середины лопастей Be и Bн оказываются одновременно против плоскости элемента Холла 4 и магнита 2, соответственно, поток в элементе Холла достигает минимума, При дальнейшем повороте крыльчатки

6,7,8 поток в элементе Холла 4 увеличивается до нулевого уровня (примерно при пово1742502

50

3 роте на 135 ) и до максимума при повороте на 180, Далее цикл повторяется.

Определение направления вращения.

При повороте крыльчатки по часовой стрелки (как описано) получается следующий цикл описанных экстремумов и интервалов между ними: максимум — длинный интервал — минимум — краткий интервал — максимум, а при повороте против часовой стрелки, наоборот: максимум — краткий интервал — минимум — длинный интервал— максимум, При отсутствии нижнего зазора Зн будет один максимум и два минимума на кривой зависимости магнитного потока в элементе Холла от поворота крыльчатки

6,7,8, причем при прочих равных условиях максимум будет ниже, нулевой уровень и минимум — выше. то есть четкость в различии импульсов уменьшится, к тому же, цикл будет в 2 раза длиннее, т.е. он будет равен обороту крыл ьчатки 6,7,8.

Если элементы 2 и 4 расположены не оппозитно, то появятся 2 минимума. но меньших по высоте.

Определение направления вращения крыльчатки 6,7,8. Форма кривой каждого магнитного импульса в элементе Холла 4 в течение цикла индивидуальна, хотя бы за счет погрешностей изготовления деталей датчика (например, лопастей 8) и сборки датчика, Поэтому при изменении направления вращения крыльчатки 6,7,8 последовательность значений экстремумов импульсов изменяется и электрическая схема сможет определить направление вращения. Так работает датчик, у которого элементы 2 и 4 расположены оппозитно на горизонтальном (фиг,1) диаметре корпуса, Если обозначим максимум знаком "+", а минимум знаком "-", большее значение экстремума— буквой б, а меньшее — как м, тогда при повороте по часовой стрелке получится такое чередование экстремумов: +б, -м, +м. -б, +б (за оборот), очевидно, что при повороте против часовой стрелки получится обратная последовательность; +б, -б, +м, -м, +б, что и позволяет определить направление вращения, Однако разность высот максимумов (и

5 минимумов) невелика, это снижает надежность определения направления вращения.

Если расположить элементы 2 и 4 несимметрично ниже горизонтального (на фиг,1) диаметра, то появятся различные рас10 стояния между импульсами, а минимумов (разной высоты) станет вдвое боьлше (хотя их высота уменьшится), последовательность разных импульсов и расстояний между ними будет иной для каждого направления

15 вращения, что повысить надежность определения направления.

Если расположить элементы 2 и 4 по фиг.1, то, кроме появления различного расстояния между импуль "ами (как описано вы20 ше), увеличится пиковое значение минимума, так как два минимума сложатся, что увеличит надежность измерения, Формула изобретения

Магнитный датчик электрических им25 пульсов, содержащий корпус из немагнитного материала, в котором расположены образующие замкнутую рамку магнитный источ ни к, магниточувствител ьн ый элемент и соединяющие их участки магнитопровода, 30 имеющего первый зазор, вращаемый магнитный модулятор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и уменьшения габаритов датчика, в нем магнитная рамка выполнена в виде кольца, в магнито35 проводе диаметрально первому выполнен второй зазор, магнитный источник и магниточувствительный элемент расположены диаметрально, причем магнитный источник установлен с наклоном его радиально на40 правленной поперечной плоскости симметрии к одноименной плоскости симметрии одного из зазоров, а модулятор выполнен в виде соосной магнитной рамке крыльчатки из немагнитного материала с магнитными

45 шунтами по периферии в виде лопастей.

1742502

Фиг. Z

40

Составитель Г. Смыслов

Техред М.Моргентал Корректор М. Колодий

Редактор Н. Гунько

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2270 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5