Датчик положения объекта из магнитного материала

Область техники
Техническое решение относится к двигателям внутреннего сгорания, более конкретно к конструкции датчика для определения положения объекта из магнитного материала.
Уровень техники
Аналогом является датчик положения распредвала, который может служить датчиком положения объекта из магнитного материала. Данный аналог описан в заявке на изобретение РФ №20001014 62, дата публикации 10.11.2001.
Известное устройство содержит: корпус, микросхему Холла, постоянный магнит. Корпус выполнен цилиндрическим из немагнитного материала, например из пластика. Микросхема Холла выполнена магниточувствительной. Иными словами, микросхема Холла составлена из электронных компонентов, соединенных требуемым образом, с обеспечением изменения выходного напряжения в соответствии с изменением магнитного поля, в котором находится датчик положения распредвала. Микросхема Холла расположена на внутренней поверхности корпуса. Постоянный магнит имеет форму кольца с прямоугольным профилем поперечного сечения и расположен в корпусе.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является датчик положения зуба зубчатого колеса, который может служить датчиком положения распредвала. Указанный прототип описан в патенте РФ 2207575, дата публикации 27.06.2003.
Известное устройство содержит: корпус, выполненный немагнитным в виде втулки с внутренней резьбой, магниточувствительный преобразователь, кольцевой постоянный магнит, магнитопровод, выполненный магнитомягким в виде цилиндра с резьбой. Постоянный магнит намагничен аксиально. Магнитопровод расположен внутри кольцеобразного постоянного магнита. Магниточувствительный преобразователь установлен со стороны торца магнитопровода. Магнитопровод может перемещаться внутри постоянного магнита вдоль его оси.
Все устройство располагается со стороны венца зубчатого колеса таким образом, что между полюсом постоянного магнита и преобразователем имеется зазор, в который входит зуб зубчатого колеса из магнитомягкого материала.
Недостатком известных технических решений является использование постоянного магнита кольцеобразной формы, изготовленного из редкоземельных металлов (Gd, Tb, Dy, Но, Er) или других ферромагнетиков (Fe, Со, Ni) и занимающего значительную часть полости корпуса, как следствие, имеющего значительный вес.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является уменьшение веса устройства, а также затрат на изготовление устройства за счет формирования постоянного магнитного поля из нескольких, небольших постоянных магнитов, расположенных должным образом на магнитопроводе, изготовленного из менее ценного магнитного материала.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в датчике положения объекта из магнитного материала, содержащем корпус с внутренней полостью, который выполнен из немагнитного материала, и чувствительный модуль, причем чувствительный модуль содержит первую часть и вторую часть, держатель, которые выполнены из немагнитного материала, первого магнитопровода и второго магнитопровода, выполненных из магнитомягкого материала, по крайней мере один магнит, датчик Холла, при этом первый магнитопровод размещен, по крайней мере частично, в держателе с возможностью перемещения в нем, держатель прикреплен к первой части, с противоположной от держателя стороны первой части размещен второй магнитопровод, с противоположной от первой части стороны второго магнитопровода размещена вторая часть, с противоположной от второго магнитопровода стороны второй части размещен датчик Холла, а соответствующий магнит размещен в первой части с обеспечением касания им второго магнитопровода, чувствительный модуль размещен во внутренней полости датчиком Холла в сторону ее дна, в частном случае вторая часть с одной стороны снабжена пазом, в котором расположен датчик Холла, а с другой стороны - четвертым отверстием, в котором размещен второй магнитопровод, в другом частном случае полюса соответствующего магнита расположены один - со стороны второго магнитопровода, а другой - со стороны магнита, противоположной второму магнитопроводу, в третьем частном случае полюса соответствующих магнитов расположены подобно.
Краткое описание чертежей
Датчик положения объекта из магнитного материала поясняется чертежами (фиг. 1, 2, 3, 4), где на фиг. 1 показан сборочный чертеж устройства с наглядным представлением расположения элементов в нем; фиг. 2 показан изометрический вид с вырезом четверти корпуса и колпачка устройства, на фиг. 3 показан изометрический вид сборки чувствительного модуля и электрической платы, на фиг. 4 изображен изометрический вид сборки чувствительного модуля и электрической платы с простым разрезом.
Раскрытие полезной модели
На фигурах обозначены: корпус 1, первый магнитопровод 2, магнит 3, первая часть 4, срез 5, второй магнитопровод 6, вторая часть 7, паз 8, колпачок 9, первое отверстие 10, первая фаска 11, чувствительный модуль 12, шлиц 13, крепежное отверстие 14, разъем 15, второе отверстие 16, выемка 17, уступ 18, внутренняя полость 19, дно 20, электрическая плата 21, третье отверстие 22, вторая фаска 23, держатель 24, второй конец 25, первый конец 26, датчик Холла 27, четвертое отверстие 28.
Устройство состоит из корпуса 1 с колпачком 9, чувствительного модуля 12, электрической платы 21. Чувствительный модуль 12 представляет собой сборку из первой части 4, магнитов 3, первого магнитопровода 2, второго магнитопровода 6, второй части 7 и датчика Холла 27.
Корпус 1 датчика положения объекта из магнитного материала выполнен за одно с разъемом 15 или иначе. Корпус 1 изготовлен из пластика или другого немагнитного материала и имеет форму, образованную пересечением поверхностей первого или второго порядка. Корпус снабжен вторым отверстием 16 и крепежным отверстием 14, выполненным сквозным. Корпус 1 может быть снабжен стенками на своей поверхности для защиты проводников, подводимых к разъему 15, а также ребрами жесткости, обеспечивающими надежное крепление таких стенок к корпусу 1 (к торцевой стороне пластины). Корпус 1 и все устройство в целом обладает плоскостью симметрии - плоскостью, делящей объект на две равные зеркально симметричные половины. Корпус 1 имеет выемку 17, концентричную второму отверстию 16.
Колпачок 9 выполнен, например, в форме цилиндра из того же материала, что и корпус 1 (под цилиндром понимают геометрическое тело круглого поперечного сечения, ограниченное цилиндрической поверхностью и двумя параллельными плоскостями, пересекающими ее перпендикулярно). На внешней цилиндрической поверхности колпачка 9, вблизи открытого края, выполнен уступ 18. В собранном виде открытый край колпачка 9 расположен в выемке 17 корпуса 1, уступ 18 упирается в край выемки 17. При этом второе отверстие 16 корпуса 1 и колпачок 9 образуют внутреннюю полость 19, ограниченную с одной стороны дном 20 колпачка 9. Крепление колпачка 9 осуществляют в расчете на силу трения соприкасающихся поверхностей в процессе сборки или иначе (защелки, дополнительная резьба, крепежные элементы, клей).
Разъем 15 выполнен с обеспечением совместимости с принимающей частью, расположенной в транспортном средстве. Разъем 15 имеет, например, три штыревых контакта (вход электрического сигнала на датчик положения объекта из магнитного материала, выход электрического сигнала с датчика положения объекта из магнитного материала при его срабатывании на реле и логическое заземление или общий отрицательный потенциал "минус").
Во внутренней полости 19 размещен чувствительный модуль 12. Чувствительный модуль 12 представляет собой сборку из датчика Холла 27, второй части 7, имеющей жесткое соединение с первой частью 4, второго магнитопровода 6, магнитов 3 и держателя 24, в котором расположен первый магнитопровод 2.
Вторая часть 7 выполнена в форме диска из немагнитного материала, например из пластика. С одной стороны такого диска, в его центре, выполнено четвертое отверстие 28. Четвертое отверстие 28 может быть выполнено глухим. Диаметр четвертого отверстия 28 равен, например, двенадцати миллиметрам. С другой стороны второй части 7 выполнен паз 8, предназначенный для фиксации датчика Холла произвольной формы. Толщина второй части 7 может составлять три миллиметра, глубина четвертого отверстия 28 один миллиметр и глубина паза 8 - один миллиметр. С боковой стороны второй части 7 выполнен срез 5 по форме сегмента, в том числе снабженного выступами. Плоскость среза 5 перпендикулярна плоскости симметрии датчика положения объекта из магнитного материала. Паз 8 одной из своих меньших сторон обращен к срезу 5 или выходит в него. Размер и форма среза 5 соответствуют размеру электрической платы 21 (при ее наличии в устройстве). Диаметр второй части 7 может составлять пятнадцать миллиметров.
В четвертом отверстии 28 размещен второй магнитопровод 6. Второй магнитопровод 6 изготовлен из магнитного материала, в частном случае из магнитомягкого материала, и может иметь форму шайбы с внешним диаметром двенадцать миллиметров и толщиной в один миллиметр. Магнитный материал - ферромагнитный материал, обладающий магнитной проницаемостью, значительно большей единицы, сильно притягиваемый магнитном и существенно изменяющий магнитное поле вокруг себя (определение магнитного материала - Большая политехническая энциклопедия, см. http://polytechnic_dictionary.academic.ru/1220/МАГНИТНЫЕ, дата обращения 18.04.2016) Магнитомягкий материал - материал с коэрцитивной силой по индукции не более 4 кА/м (определение приведено из ГОСТ 19693-74). К магнитомягким материалам относится пермаллой - сплав никеля и железа (Ni+Fe), кремнистая электротехническая сталь и др. В частности, для изготовления первого магнитопровода 2 и второго магнитопровода 6 применим материал Ст3 (сталь 3).
На поверхности второй части 7, со стороны размещения второго магнитопровода 6, размещена первая часть 4. Первая часть 4 выполнена произвольной формы из немагнитного материала. При этом первая часть 4 размещена соосно второй части 7 и может быть вписана в круг того же диаметра, что и вторая часть 7 или иной. В первой части 4 выполнены сквозные первые отверстия 10. Первые отверстия 10 могут быть расположены круговым массивом в количестве нескольких, например, трех. Иными словами, центры таких первых отверстий 10 лежат на окружности, концентричной кромке диска (первой части 4), и составляют, например сто двадцать градусов между собой относительно центра первой части 4. Первые отверстия 10 могут быть смещены к боковой поверхности первой части 4 таким образом, что их внутренние поверхности будут пересекаться с боковой поверхностью первой части 4. На поверхности первой части 4, со стороны противоположной второй части 7, между первых отверстий 10 жестко прикреплен первым концом 26 держатель 24. Толщина первой части 4 может составлять три миллиметра, а ее диаметр пятнадцать миллиметров. На боковой поверхности первой части 4 выполнен срез 5, положение, форма и размер которого соответствует срезу 5 второй части 7.
В первых отверстиях 10 размещены магниты 3. Магниты 3 изготовлены из ферромагнетиков или из редкоземельных металлов. Магниты 3 выполнены в форме диска или цилиндра и намагничены аксиально. Размер магнитов 3 соответствует размеру первых отверстий 10. Магниты 3 в первых отверстиях 10 касаются второго магнитопровода 6.
Держатель 24 имеет цилиндрическую или иную форму. Держатель 24 выполнен, например, в виде втулки и прикреплен к первой части 4 указанным выше образом в целом соосно с первой частью 4. В центре держателя 24, со стороны его второго конца 25, выполнено глухое или сквозное осевое третье отверстие 22 с резьбой, например, М 4,0×0,6. Третье отверстие 22 снабжено второй фаской 23. Третье отверстие 22 может быть выполнено сквозным (насквозь через держатель 24 и первую часть 4).
Первый магнитопровод 2 представляет собой цилиндрический элемент из магнитного материала, в частном случае - магнитомягкого материала. На боковой поверхности выполнена резьба, например, М 4,0×0,6. Первый магнитопровод 2 с одного конца снабжен шлицом и с другого конца первой фаской 11.
Датчик Холла 27 представляет собой транзистор, выполненный с возможностью изменения управляющего тока базы в зависимости от изменения магнитного поля и тем самым осуществления коллекторо-эмиттерной связи. Датчик Холла 27 расположен в пазе 8 второй части 7. Датчик Холла 27 имеет электрическое соединение с разъемом 15 (его штыревыми контактами).
Электрическое соединение датчика Холла 27 могут осуществлять посредством плоских проводников, расположенных на электрической плате 21. Электрическая плата 21 может быть изготовлена из стеклотекстолита и содержать электронные компоненты для корректной работы датчика Холла 27, например резистор для нормализации управляющего тока базы. Электрическая плата 21 одним концом может быть жестко прикреплена к корпусу 1, а другим концом быть размещенной в срезе 5 первой части 4 и второй части 7.
Осуществление полезной модели
В случае использования указанных выше элементов и средств полезная модель реализуется следующим образом. Формируют корпус 1 с разъемом 15, крепежным отверстием 14 и вторым отверстием 16. Примером реализации может служить изготовление литьем двух частей корпуса 1 из пластика и соединение их воедино в нагретом состоянии вместе с размещенными в требуемом месте разъема 15 штыревыми металлическими контактами. Штыревые контакты при этом своими концами размещены не только в разъеме 15, но и во втором отверстии 16 для возможности электромонтажа.
Из пластика формируют первую часть 4 с первыми отверстиями 10, срезом 5 и держателем 24 и вторую часть 7 с пазом 8, срезом 5 и четвертым отверстием 28. Применим метод литья, используя пластик с последующей шлифовкой поверхностей полученных деталей. Требуемые отверстия, фаски и срезы могут быть выполнены сверлением и фрезерованием. Резьба держателя 24 может быть изготовлена с применением метчика - инструмента для нарезания внутренних резьб.
Колпачок 9 вместе с уступом 18 может быть изготовлен из пластика аналогично методом литья. Допустим вариант изготовления корпуса 1 и колпачка 9 как одного целого с предварительным помещением чувствительного модуля 12 во внутреннюю полость 19.
Первый магнитопровод 2 с первой фаской 11 и второй магнитопровод 6 изготавливают из подходящего магнитного материала (Ст3), например, литьем с последующей шлифовкой. С одного торца первого магнитопровода 2 делают неглубокий шлиц 13 под отвертку, например, дисковой пилой по металлу. На боковой поверхности первого магнитопровода 2 формируют наружную резьбу плашкой - инструментом для нарезания наружных резьб.
Из фольгированного стеклотекстолита (или другого подходящего материала) изготавливают электрическую плату 21. При этом форму электрической платы 21 выбирают таким образом, чтобы иметь возможность расположить ее во втором отверстии 16, в колпачке 9 и в срезе 5 чувствительного модуля 12. Формируют плоские проводники на поверхности электрической платы 21 для последующего соединения электронных компонентов с разъемом 15. Применим метод вытравливания хлорным железом лишнего проводящего материала (медной фольги) с поверхности электрической платы 21, предварительно защитив рисунок платы (будущие плоские проводники) лаком. Размещают электронные компоненты, включая датчик Холла 27, на электрической плате 21, осуществляют их крепление и электрическое соединение требуемым образом со штыревыми контактами разъема 15 методом пайки.
Допустимым методом (штамповкой или другим) изготавливают магниты 3 из подходящего материала (Ст3). При этом магниты 3 намагничивают аксиально - формируя два полюса с двух торцевых сторон каждого магнита 3.
Выполняют сборку изготовленных элементов в строго установленном порядке (см. фиг. 1). Собирают чувствительный модуль 12, помещая второй магнитопровод 6 в четвертое отверстие 28, магниты 3 - в первые отверстия 10 и затем выполняя соосное соединение первой части 4 и второй части 7. Полученную промежуточную сборку чувствительного модуля 12 срезом 5 помещают на электрическую плату 21 таким образом, чтобы датчик Холла 27 оказался в пазе 8 и этот паз 8 был обращен в противоположную от второго отверстия 16 сторону.
Выполняют осевое совмещение первого магнитопровода 2 и держателя 24 с помощью первой фаски 11 и второй фаски 23 соответственно и ввинчивают первый магнитопровод 2 в держатель 24 шлицом 13 кверху. Закрывают чувствительный модуль 12 колпачком 9.
Датчик положения объекта из магнитного материала может служить для определения положения распредвала с целью регулировки угла опережения зажигания. В этом случае в процессе работы датчика положения объекта из магнитного материала, датчик Холла 27 расположен в непосредственной близости от принимающей части распределительного вала. Принимающая часть может быть выполнена в виде зубчатого колеса с отсутствующим зубом в ряду зубьев или иной особенностью, влияющей на значение напряженности магнитного поля в месте расположения датчика Холла 27. В общем случае принимающая часть выполнена со специальной впадиной или со специальным выступом, и определяет положение (угол поворота относительно оси) этого распределительного вала. Датчик положения объекта из магнитного материала может быть закреплен на двигателе автомобиля с помощью крепежного отверстия 14 в своем корпусе 1 и соединительных элементов (болтов или другого типа). Разъем 15 датчика положения распредвала соединяют с блоком управления двигателем, расположенным в автомобиле, с целью управления его характеристиками, например моментом впрыска топлива, моментами открытия или закрытия клапанов и т.п.
За счет наличия резьбы на первом магнитопроводе 2 и возможности его перемещения в держателе 24 возможна настройка датчика положения распредвала на различные зазоры (расстояние до принимающей части распределительного вала) и геометрию принимающей части. Регулировка возможна без разбора датчика положения распредвала - с помощью подходящей отвертки через второе отверстие 16 в корпусе 1.
При вращении принимающей части распределительного вала в зоне чувствительного модуля 12, периодически появляется специальный выступ или специальная впадина. Чувствительный модуль 12 реагирует на обусловленное появлением вблизи него выступа или впадины изменение величины магнитного поля, создаваемого магнитами 3 чувствительного модуля 12. При этом, например, в момент попадания специального выступа в зону под чувствительным модулем 12 напряжение на выходе датчика становится равным входному напряжению. Далее такой электрический сигнал поступает на реле или на АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) микроконтроллера, находящегося в блоке управления двигателем для дальнейшего регулирования угла опережения зажигания.
Таким образом, выполнение устройства описанным выше образом обеспечивает возможность изготовления датчика положения объекта из магнитного материала с применением меньшего количества дорогостоящих редкоземельных металлов (Gd, Tb, Dy, Но, Er) или других ферромагнетиков (Fe, Со, Ni) за счет использования магнитов 3 цилиндрической формы и небольшого размера (как следствие, имеющих уменьшенную массу), расположенных круговым массивом с касанием второго магнитопровода 6. Иными словами, выполнение устройства описанным выше образом обеспечивает уменьшение стоимости изготовления датчика положения объекта из магнитного материала без потерь его функциональности.