Бесконтактный прецизионный датчик углового положения вала

Полезная модель относится к измерительной технике, приборостроению, а именно к датчикам углового положения вращающегося вала или ротора, применяемым в автомобильной технике, станкостроении, авиационной и космической технике, а также в других областях, в частности, к магниточувствительным датчикам, преимущественно на эффекте Холла.
Известен бесконтактный датчик скорости автомобиля, состоящий из зубчатого ротора, совокупности механических и электронных компонентов датчика, магниточувствительного элемента, состоящего из интегральной схемы магниторезистора, постоянного магнита для обратного смещения и стабилизации магниторезистивного эффекта, предназначенный для измерения угловой скорости ферромагнитного зубчатого ротора, который формирует импульсный выходной сигнал при прохождении зубца ротора над магниточувствительным элементом (патент RU №2260188, МПК G01P 3/488 от 10.09.2005).
Известен преобразователь угла поворота вала в последовательность электрических импульсов, состоящий из корпуса, двух магниторезистивных преобразователей со встроенными постоянными магнитами, источником сигналов у которого служит подвижный модуль, механически сопряженный с контролируемым объектом и состоящий из двух штампованных зубчатых колес, соединенных методом контактной сварки так, что зубья одного колеса смещены по отношению к зубьям другого колеса на половину ширины зуба, преобразователь формирует последовательность из двух выходных импульсных сигналов, которые возникают от прохождения зубцов роторов над своими магниточувствительными элементами (патент на полезную модель RU №80550, МПК G01B 7/00 от 10.02.2009).
Известен датчик положения ротора электрического двигателя, содержащий неподвижный статор в виде диска, на котором по линии окружности размещены магниточувствительные элементы, в качестве которых используются, например, датчики Холла или магниторезисторы, подвижный ротор, на валу которого закреплены магнитопроводящий диск с прорезями и намагниченные в аксиальном направлении два кольцевых постоянных магнита, установленные с разных сторон магнитопроводящего диска и прилегающие к его поверхностям разноименными полюсами. Поле постоянных магнитов распространяется до чувствительных элементов Холла через магнитопроводящий диск и воздушный зазор. При вращении ротора происходит срабатывание магниточувствительных элементов при попадании их в зоны действия магнитного поля (при прохождении магнитопроводящего участка диска над магниточувствительным элементом) и их выключение при прохождении над датчиком прорези (патент RU №2357348, МПК H02K 29/08, H02K 29/06 от 27.05.2009).
Недостатком приведенных выше датчиков является то, что выходные сигналы магниточувствительных элементов изменяются однополярно относительно постоянного уровня, соответствующего величине магнитного поля при прохождении над магниточувствительными элементами впадин или прорезей между зубцами роторов, что не позволяет обеспечить высокую точность измерения углового положения вала.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является датчик положения ротора электрической машины, содержащий ротор с аксиально намагниченным кольцевым магнитом, примыкающие к его торцевым поверхностям магнитопроводы с Р секторными зубцами с угловым размером α (где Р - число пар полюсов электрической машины), охватывающее магнит упрочняющее немагнитное кольцо, и статор с магниточувствительными элементами, расположенными в зазоре между зубцами магнитопроводов. В качестве чувствительных элементов могут быть взяты любые магниточувствительные элементы, например, элементы Холла. При вращении ротора каждый из магниточувствительных элементов поочередно находится либо в аксиальном поле между зубцами магнитопроводов, либо в зоне отсутствия этого поля, в поле рассеяния кольцевого магнита. Это устройство принято за прототип (патент SU №1617553, Н02К 29/08 от 30.12.1990).
Недостатком данного датчика положения ротора электрической машины, как и в предыдущих случаях, является то, что выходной сигнал магниточувствительного элемента изменяется однополярно относительно постоянного уровня, соответствующего величине магнитного поля рассеяния кольцевого магнита при прохождении магниточувствительным элементом прорези между зубцами, а также то, что датчик может быть чувствительным к внешним магнитным полям от других источников, что не позволяет обеспечить высокую точность измерения углового положения вала.
Задача, решаемая в полезной модели, заключается в создании знакопеременного магнитного поля в воздушном зазоре между зубцами двух магнитопроводов, радиальную составляющую которого измеряют магниточувствительные элементы при вращении ротора, и в получении на выходе двух или в количестве кратном двум магниточувствительных элементов двуполярных выходных сигналов, соответственно приближенных по форме к синусу и косинусу с многократным их повторением при повороте вала на 360°.
Решение задачи достигается тем, что в бесконтактном прецизионном датчике углового положения вала, содержащем подвижный ротор, на немагнитном валу которого установлены аксиально намагниченный кольцевой магнит с примыкающими к его торцевым поверхностям магнитопроводами с количеством Z секторных зубцов, охватывающее магнит упрочняющее немагнитное кольцо, и неподвижный статор с магниточувствительными элементами, например, элементами Холла, расположенными в зазоре между зубцами магнитопроводов, согласно полезной модели, магнитопроводы выполнены в форме колец с выступающими секторными зубцами встречно друг к другу и сдвинутыми по окружности относительно друг друга на расстояние полушага своих зубцов Р/2, охватывающее магнит упрочняющее немагнитное кольцо выполнено с выступом, в который упираются края зубцов магнитопроводов, два миниатюрных элемента Холла установлены на одном зонде радиально на расстоянии А друг от друга, зависящем от количества зубцов Z магнитопровода, зонд с двумя элементами Холла на статоре расположен в радиальном отверстии, на статоре установлено несколько зондов с элементами Холла.
В воздушном зазоре между зубцами магнитопроводов создано знакопеременное магнитное поле, радиальную составляющую которого при вращении ротора измеряют миниатюрные элементы Холла, установленные попарно на зондах неподвижного статора, на выходе которых, за счет их взаимного расположения, формируются выходные двуполярные сигналы соответственно в форме синуса и косинуса.
Технический результат заключается в создании в воздушном зазоре между зубцами магнитопроводов знакопеременного магнитного поля, радиальную составляющую которого при вращении ротора измеряют элементы Холла, и получении на выходе бесконтактного прецизионного датчика углового положения вала двуполярных выходных сигналов, приближенных по форме к синусу и косинусу, с многократным их повторением при повороте вала на 360°, что способствует повышению точности измерения положения вала в широком диапазоне рабочей температуры окружающей среды.
Конструкция бесконтактного прецизионного датчика углового положения вала представлена на фиг. 1-3, общий вид составных частей датчика показан на фиг. 4, места расположения элементов Холла относительно зубцов магнитопроводов и линии магнитной индукции в зазоре между магнитопроводами показаны на фиг. 5, зависимость изменения магнитной индукции в месте установки элемента Холла при перемещении по окружности зубцов магнитопроводов поясняется фиг. 6.
Бесконтактный прецизионный датчик углового положения вала содержит подвижный ротор, на немагнитном валу 1 (фиг. 1) которого установлены аксиально намагниченный кольцевой магнит 2 с примыкающими к его торцевым поверхностям магнитопроводами 3 и 4, имеющими форму колец с Z секторными зубцами, выступающими встречно друг к другу и сдвинутыми по окружности относительно друг друга на расстояние полушага своих зубцов Р/2, охватывающее магнит 2 упрочняющее немагнитное кольцо 5 выполнено с выступом, в который упираются концы зубцов магнитопроводов 3 и 4, неподвижный статор 6, выполненный в виде кольца с радиальными отверстиями, в которые установлены зонды 7 (фиг. 2) с закрепленными на каждом из них двумя миниатюрными элементами Холла 8 и 9 (фиг. 3), установленными радиально на расстоянии А между холловскими плоскостями магниточувствительных элементов, которое зависит от количества зубцов Z магнитопровода:
где А - расстояние между холловскими плоскостями магниточувствительных элементов, установленных на зонде, мм;
R - радиус окружности магнитопровода, проходящей через центр места установки элементов Холла в датчике, мм;
Z - количество зубцов магнитопровода (где Z=16; 32; 64; 128; 256).
Внешний вид деталей датчика показан на фиг. 4.
Получаемое магнитное поле в воздушном зазоре между зубцами магнитопроводов 3 и 4 изображено на фиг. 5, где проекция окружного сечения зубцов линейно развернута, формы величин магнитной индукции, измеряемых элементами Холла 8 и 9 при их перемещении по оси X, соответствуют косинусу и синусу (фиг. 6).
Наиболее близкими к синусу и косинусу формы двуполярных выходных сигналов элементов Холла обеспечиваются при соблюдении зависимости:
где Q - отношение шага зубцов к ширине зубцов магнитопровода;
P=S+E - шаг зубцов магнитопровода, мм;
S - окружная ширина зубцов 10 (фиг. 3) относительно центра места установки элементов Холла в датчике, мм;
Е - окружная ширина впадин 11 относительно центра места установки элементов Холла в датчике, мм.
Упрочняющее немагнитное кольцо 5 (фиг. 1), охватывающее магнит и выполненное с выступом, в который упираются концы зубцов магнитопроводов 3 и 4, обеспечивает сохранение размеров воздушного зазора между секторными зубцами при высоких ударных механических воздействиях. Применение в статоре 6 нескольких зондов 7 с миниатюрными элементами Холла 8 и 9 (фиг. 2) позволяет дополнительно повысить точность измерения углового положения вала и обеспечить резервирование магниточувствительных элементов датчика, что, в свою очередь, повышает надежность датчика. Статор 6 может быть выполнен как часть конструкции корпуса электродвигателя, что приводит к уменьшению габаритов электродвигателя, упрощает его конструкцию и сборку. Выполнение магнитопроводов в форме колец с выступающими секторными зубцами встречно друг к другу без прорезей в кольцах уменьшает воздействие внешних магнитных полей на магниточувствительные элементы датчика, что дополнительно повышает точность измерения углового положения вала.