Датчик перемещений - индуктокор

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскик

Социалистически к.Республик.

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 221176 (21) 2421440/24-07 (51)М. Кл з

G 08 С 9/04! с присоединением заявки ¹

Государственный комитет

СССР но дедам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 30,03.81,, Бюллетеиь Н912

Дата опубликования описания 3 0Р 381 (53) УДК 621. 313. .17(088.8) (72) Автор изобретения

«j

Г. И. Алкин (71) Заявитель (S4) ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ вЂ” ИНДУКТОКОР

Изобретение относится к приборостроению и электротехнике и может быть использовано в устройствах измерения перемещений подвижных узлов станков, измерительных машин и приборов.

В современном машиностроении и ,приборостроении .для определения точного взаимного положения перемещаемых узлов станков, машин или приборов широко используются датчики с печатными обмотками, получившее название "индуктосин" 1).

Недостатки данных датчиков состоят в малой надежности и сложности 15 съема выходного сигнала с ротора из-за необходимости применения контактного токосъема.

Наиболее близким к предлагаемому является датчик перемещения, содер- 20 жащий неподвижный и подвижный элементы с плоскими противолежащими поверхностями, снабженными печатными обмотками с равномерным шагом Т, на неподвижном элементе расположены две секционированные обмотки, сдвинутые одна относительно другой на угол, кратный 1/4 Т, а обмотка подвижного элемента образована из радиально .расположенных проводников. Съем 30 сигнала ротора осуществляется с помощью кольцевого воздушного трансформатора 21.

Однако использование кольцевого трансформатора для съема сигнала уменьшает точность и надежность устройства. Точность данного датчика невелика также из-за наличия высших гармоник в кривой поля, из-эа контурных токов в обмотках, а также из-за емкостной связи между обмотками различных элементов датчика.

Цель изобретения - повышение на-! нежности и точности,цатчика.

Для реализации поставленной цели неподвижный элемент снабжен дополнительной обмоткой с шагом Т, смещенной радиальной относительно основных обмоток я расположенной напротив обмот" ки подвижного элемента, которая выполнена короткозамкнутой.

Дополнительная обмотка неподвижного элемента выполнена несекционированной, состоящей из последовательно соединенных радиальных проводников, которые сдвинуты на 1/4 Т относительно проводников основных обмоток, а проводники обмотки подвижного элемента соединены между собой параллельно с помощью короткозамыкаю"

817739 rrrax шин, расположенных по торцам указанной обмотки.

Неподвижный элемент снабжен втоpoN дополнительной обмоткой с шагом

Т, первая и вторая дополнительные обмотки неподвижного элемента выполне- ны секционированными и смещены отно-, .сительно основных обмоток, а проводники обмотки подвижного элемента соединены последовательно.

Подвижный элемент снабжен второй дополнительной короткозамкнутой Oб» ® моткой, аналогичной первой и смещенной относительно нее по радиусу, указанные обмотки выполнены секционированными из последовательно соединенных проводников первой и второй об- 3S моток, число секций обмоток подвижного элемента в К раз меньше числа секций основных обмоток неподвижного элемента (где К - целое четное число), дополнительные обмотки подвиж- З) ного элемента в зоне, расположенной напротив дополнительной обмотки неподвижного элемента, смещены между собой на величину Т T(n 1- :), ГДЕ n1 — ЦЕЛОЕ ЧИСЛО, а В ЗОНЕ, расположенной напротив основных обмоток, эти секции смещены на Т (я„ 1 «< 4 1), а дополнительная

1 обмотка неподвижного элемента. выполнена несекционированной.

На фиг. 1 изображен предлагаемый З0 датчик, первый вариант выполнения;

«а фкг. 2 - схема расположения его обмоток; на фкг. 3 - датчик, второй вариант выполнения; на фиг. 4 — cxeaia соединения его обмоток; на фиг.5 — З5 датчик, третий вариант выполнения; на фкг. б — схема расположения его обмоток.

Датчик содержит подвижный элемент (ротор) 1 к неподвижный элемент (ста- 40 тор) 2. Этк элементы выполнены в виде дисков, на плоской поверхности которых укреплены печатные обмотки.

Мороткозааескутая обмотка 3 ротора, которая состоит из печатных проводников, расположенных перпендикулярно перемещению ко радиусу ротора, с равномерна шагом Т расположена между двумя соседними проводниками.

Проводники соединены между собой параллельно с помощью двух кольS0 цевых печатных шин 4 и 5.

На статоре 2 расположены две сек.ционнрованные печатные обмотки 6 и 7, .состоящие из радиальных проводников, соеднненных последовательно печатными перемычками. Секции различных обмоток между. собой чередуются, причем секции одной к той же обмотки соединены между собой последовательно с помощью проводного монта- 60 жа, проходящего по тыльной стороне элемента. Шаг расположения проводников внутри секций равен Т, в то время как секции разноименных обмоток смеМены между собой на величину, равную 4$.1 (п + < )T, где n — целое число, которое равно или на 1-2 единицы больше числа проводников в одной секции.

Число и так же, как и приводимые ниже числа n„ a n>, выбирается таким образом, чтобы секции различных обмоток располагались рядом, но не перекрывали друг друга. Это число обычно колеблется в пределах 2 (n (40.

Ъ

Обмотки б и 7 имеют выводы 8 и 9.

Третья дополнительная обмотка 10 статора состоит as последовательно соединенных радиальных проводников, которые расположены на радиальных прямых, проходящих посередине между двумя соседними проводниками обмото б и 7. Обмотка 10 имеет выводы 11.

В датчике сделаны также крепежные отверстия .12 статора и ротора.

Статор 2 крепится на неподвижной части поворотного устройства, например станине поворотного стола, а ротор 1 - на подвижной его части. таким образом, что ocb вращения стола совпадает с осями вращения элементов 1 и 2, причем печатные обмотки различных элементов располагаются непосредственно друг против друга с зазором между ними, который в зависимости от размеров датчика выбирается равным 0,05-0,5 мм.

В целях простоты иллюстрации (фиг. 2) кольцевые обмотки 3 ротора б, 7 и 10 статора развернуты в линейные, печатные проводники изображены в виде линий, проведенных по их осям.

В датчике имеются проводники 13-

20 обмотки 3, соединительные шины

4 и 5, печатные соединительные перемычки 21 между проводниками, провод-. ные соединения 22 между секциями обмоток. Направление перемещения обмотки 3 показано буквой х. Стрелками обозначено направление тока в обмотках, принятое за положительное.

Короткозамкнутая обмотка 23 ротора второго варианта датчика (фиг. 3) состоит из радиальных печатных проводников, соединенных- в отличие от первого варианта последовательно с равномерным шагом Т между двумя соседними проводниками. Шаг расположения проводников внутри секции равен Т, в то время как секции различных обмоток смещены между собой на величину (и + к Т, где n - целое число, равное

Ф илк несколько больше числа проводников в одной секции.

На статоре 2 в.отличие от первого варианта расположены две дополнительные обмотки 24 и 25 с выводами 26 и 27, которые также выполнены секционированнымк с чередованием секций различных обмоток и последовательным соединением секцйй одной и той же обмотки с помощью проводного монтажа.

IrJar расположения проводников внутри секций также равен Т, а секции раз817739 личных обмоток смещены между собой на Т{ {n<+ )Т, где n - целое чисf ло, равное или несколько больше числа проводников одной секции обмоток .24 или 25.

Стрелками на обмотках (фиг. 4) обозначено направление тока, приня- . тое за положительное, а полоаительное направление перемещения обвеЖки 23 ротора показано буквой х.

Для третьего варианта датчика шаг расположения, проводников внутри сек- ций равен Т, однако в отличие oz eepвого варианта секции различных обмо.ток смещены между собой на Т (пфЦТ,. где n — целое число, равное нли бблв- ше числа проводников в одной секции. tS

Третья обмотка статора, состоящая, как и в первом варианте, мз ра» диальных проводников, соедмиенмых последовательно, имеет равномерный.

liar Т между соседнимн проводниками. - Е

В отличие от предыдущих вариантов на роторе 1 расположены две короткозамкнутые обмотки 28 и 29, которые выполнены секцмонмровамными с чере- дованием секций различных обмоток н шагом между соседмммн проводниками внутри секции. Количествб секций одной обмотки (28 илн 29) в целое число раз меньше числа секций одной из: обмоток статора (данная обмотка аналогична обмотке 6 илм 7 на фнг.1). +

В части обмоток 28 и 29, расположенной напротив третьей обмотки статора, секции различных обмоток 28 смещены межд собой на величину

Т T(nl ), где я - целое число, равное и м больше числа провод« ников в одной секция, а в части обмоток 28 и 29, расположенной напротив секционмровамных обмоток статора, эти секции дополнительно смеще- ф) ны на Т, т.е. ммеют смещение

Т (n, g $ g 1). Секцмм одной и той же 6бмоткн соединены между собой последовательно с помощью проводного монтажа. Коэффициент взаимоиндукции

И между системой проводников, аналогичной обмотке 10 или секциям обмо ток б и 7, и проводником обмотки 3, находящимся в непосредственной связи с проводниками такой системы, может быть определен по 4юрмуле

В

» Ю»

gag f з Э ФОЬГъ1 Х) ..(1) ев1,Ъ,Э... где К - коэффициент пропорциональности, О

m - номер пространственной гармонии коэффициента взаимоиндукции;

h - -зазор между обмотками по осям ироводников1 у

x - текущее расстояние проводника обмотки 3 от провод» ника соответствующей обмотки, принятого начальным.

Принимают в качестве начальнйх

Ьроводники обмоток б, 7 и 10 с током, направленным вверх, а в качестве начального Положения обмстки 3.ее же положение (фиг.. 2). Обозначают через И д коэффициент взанмоийдукцми между обмотками 6 и 7 или 1.0 (р б, 7 и 10) н проводниками 13-20 (q 13-20) обмотки 3. Согласно 4ор- . муле (1) для первой гармоники

И(в+ 1) имеем

IN И сов (х + y) -И sin +, Ф Т где И „ - аваыитудное значение первой гармоники.

Аналогично Могут быть записаны выражения и для взанмоиндуктивностей остальных проводников.

Запнтывают обмотки 6 и 7 соответственно токами

36 а 3 %1им t3

»)y 3 o std Й > где Э„, - амплитудное значение тока.

Находят ЭДС, наводимую в обмотке 10 током, протекающим в проводниках

13-20. В провсщнике 13 наводится

ЭДС

Я» ИЬ1Ъ 1 " M4 N s i n Т» О

4 ñ

1Ъ, д

Вследствие снюаетричности расположения секций обмоток 6 и 7, а также вследствие того, что в соседних проводниках обмотки 3 наводится ЭДС, противоположная по знаку, шины 4 и 5 находятся иод одинаковым потенциалом, который принят за нулевой. По этому в проводнике 13 протекает ток

Е ц Ъ r где r - сопротивление проводника.

Под действием этого тока в обмотке

10 наводится ЭДС

d3 3 àа- Йх

%x 3 В и . Жх хс09» s i ngpt - JHtns in s i ntdt, Т. 2r Т

Тот же результат получается при рассмотрении проводников 14, 17 и 18.

В проводнике 15 наводится ЭДС

6;1 . ф .-1I <Ì Т,Е et+2 "1 п14Ео08т(" 4 )@ .

В проводника 15 протекаЕт ток 3,З под действием которого в обмотке 10 наводится ЭДС

Sin-(Х -)аОЬМй.- Ы М CO@ — СОЬЫ1

Ж X:1 Я :,% 2ФХ

Т 4 Q,r т Т

Этот же результат получаем при рассмотрении проводников 16, 19 и 20. .ЭДС, наводимая в обмотке 10 токами Э, и 3 8 равна:

< +E -- -Ы W (сО8 r.osx-8! и — a и 2, ЯФХ . 2ьх еЕ Й1 Т Г

» ) Я„4ф (, 2ьх ) Суммарная ЭДС, наводимая в обмотке ,10 первой гармоникой поля, равна :

Е иУИИ сое йиа + ."„ ), (2) 817739 без изменения. Например, повернув

Е на -90О, получают

N3 я. Т х

Е . -- — 03 И CO S — S I A (lOt + — )

r, Сложив полученный сигнал с Е по26 лучают выходную ЭДС датчика, обусловленную первой гармоникой поля

Е| = -ф — иэ И„,5 | | | (0.>t + -Т-) . йзт rL 9. 2 х

Указанный поворот фазы сигнала одной о из секционированных обмоток и суммирование с сигналом другой обмотки применяется в индуктосине при его работе в фазовом режиме и питании со стороны обмотки шкалы.

Формула изобретения щ 1. Датчик-перемещения - индуктокор, содержащий неподвижный и подвижный элементы с плоскими противолежащими поверхностями, снабженными печатными обмо ;ками с равномерным шагом Т, на неподвижном элементе расположены две секционированные обмотки, сдвинутые одна относительно другой на угол, кратный 1/4 Т, а обмотка подвижного элемента образована из радиально расположенных проводников, ЬО отличающийся тем, что, с . целью повышения надежности и точности, неподвижньФ элемент снабжен дополнительной обмоткой с шагом Т, смещенной радиально относительно ос.новных обмоток и расположенной напрогде И - количество проводников обMOTlCH. 3, Для высших гармоник поля ЭДС выводится аналогично, общая ЭДС, наводимая в обмотке 10, представляется в виде:

ЬЫК а,ъ,5. где И„,щ - амплитуда m-ой гармоники поля, которая согласно (Й)) равна:

И,„-ф е т (4)

ЭДС для индуктосина с учетом высших гармоник поля представляется формулой, аналогичной (1), однако M

|Ъ || |

Входит в нее в первой степени. В !

5 яндуктосине отношение амплитуд составляющих ЭДС; обусловленных высщимн гармониками поля, равно:

@-+ ь (|| 1)

Е (5) щ тогда как в предлагаемом датчике согласно (,3) это отношение равно: е + "() (6)

Исходя из формул (5) и (6), в. датчике:высщие гармоники поля .ослабляются значительно интенсивнее чем

1 в индуктосине, и для их подавления

Ne требуется применения специальных мер. 30

Известно, что в фазовых датчиках

stpa измерении фазы сигнала вторичным нреобразователем (фазометром) возникает некоторая погрешность. Очевидно, что при одной и той же относитель 35 ной погрешности измерения абсолютная погрешность тем меньше, чем меньше йериод измерения фазы датчика. Учитывая формулу (2) при одном и том же шаге Т обмотки шкалы период изме-. нения фазы сигнала датчика в 2 раза 40 меньше, чем индуктосина, что приводит к уменьшению погрешности измерения фазы во вторичном преобразователе.

В первом варианте датчика меньше 4 погрешностей, обусловленных контурными токами и емкостной составляющей поля, чем в индуктосине. Это объясняется тем, что контурные токи и токи от емкостной составляющей поля замыкаются накоротко в кольцевых шинах 4 и 5 обмотки шкалы.

Для второго варианта датчика по аналогии с первым суммарная ЭДС, наводимая в обмотке 24 током 3, определяется

Е| 4 |*- 0J И|„сОЗ вЂ” co5(lOt + †) (7) й3 а..й Rx tx

Аналогично находится ЭДС, наводимая током З ь в обмотке 25

Е UJ И,„ь.lп -- - COS(L4t + -) (8)

N3 .: 2..Q.. .g x Ех

Для получения необходимого сигнала поворачивают один из сигналов (7) и (&) .на +90 и затем слагают получеиную ЭДС с той, которая остается

Полученный сигнал Е аналогичен сигналу для первого варианта датчика.

Аналогичны также преимущества датчика перед индуктосином по составу высших пространственных гармОник и по точности измерения фазы сигнала вторичным преобразователем.

ЭДС на выходе третьего варианта датчика

N3 а а. Их 8ых.= — -и> И„,з и (|.| " + Т

Таким образом, сигнал на выходе третьего варианта датчика аналогичен сигналам для первого и второго вариантов датчика. Аналогичны также преимущества третьего варианта по сравнению с индуктосином по составу высших пространственных гармоник и по точности измерения фазы вторичным преобразователем.

В предлагаемом датчике съем сигнала осуществляется проще, чем в индуктосине, так как входные и выходные обмотки датчика расположены на неподвижном .элементе, статоре, а в подвижном элементе, роторе токоподвод отсутствует, что снимает необходимость применения контактных колец и щеток. Предложенный датчик также может быть выполнен не только в круговом, но и в линейном вариантах.

817739

10 тив обмотки подвижного элемента, которая выполнена короткозамкнутой.

- 2. Датчик по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что дополнительная обмотка неподвижного элемента выполнена несекционированной, состоящей из .последовательно соединеных радиальных проводников, которые сдвинуты на 1/4 Т относительно провб ников основных обмоток, а проводники обмотки подвижного элемента соединЕны между собой параллельно с помощью короткозамякающих шин, расположенных по торцам указанной обмотки.

3. Датчик по п.1, о т л и ч а .юшийся тем, что неподвижный элемент снабжен второй дополнительной обмоткой с шагом Т, первая и вторая дополнительные обмотки неподвижного элемента выполнены секционированными и смещены относительно секций основных обмоток, а проводники ОбМот- Щ ки подвижного элемента соединены последовательно.

4. Датчик по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что подвнжнйй элемент снабжен второй дополнительной.короткозамкнутой обмоткой, аналогичной первой и смещенной относительно нее по радиусу, указанные обмотки выполнены секционированными из последовательно соединенных проводников первой и второй обмоток, число секций обмоток подвижного элемента в К раз меньше числа секций основных обмоток неподвижного элемента (где К - целое четное число), дополнительные обмотки подвижного элемента в зоне, расположенной напротив дополнительной обмотки неподвижного элемента, смещены между собой на величину Т„

T(n, + ),где n - целое число, а в зоне, расположенной напротив основных обмоток, эти секции смещены на Ч (n< +ф g l)T, а дополнительная обмотка неподвижного элемента выполнена несекционированной.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 392539, кл. G 08 С 9/04, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

9 155035, кл. 6 08 С 9/04, 1961.

817739

Составитель В. Никаноров

Редактор М. Митровка Техред M.ôåäîðíàê КорректорС- Шекмар

Заказ 1470/66 Тираж 691 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений .н открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4