ДАТЧИК ВРАЩЕНИЯ ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА

Полезная модель относится к преобразователям неэлектрических величин в электрические и может быть использована, в частности, в устройствах для определения скорости вращения и/или угла поворота зубчатых колес механизмов транспортных средств.
Известны датчики вращения зубчатого колеса, содержащие магнитоэлектрически преобразователь в виде конструктивно объединенных в узел магниточувствительного элемента и магнитной системы (1, 2).
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является датчик положения зуба зубчатого колеса (2), содержащий немагнитный корпус, магнитоэлектрический преобразователь в виде магниточувствительного элемента на эффекте Холла и постоянного магнита, выполненного в виде кольца, намагниченного аксиально, внутри которого на корпусе расположен магнитопровод в виде винта из магнитомягкого материала, а со стороны торца магнитопровода на корпусе установлен магниточувствительный элемент на эффекте Холла.
Конструкция датчика-прототипа обладает недостатком, состоящим в следующем.
Применение в магнитной системе магнитоэлектрического преобразователя постоянного магнита, выполненного в виде кольца правильной геометрической формы, не позволяет получить достаточно высокую точность преобразования угла поворота зуба зубчатого колеса в электрический сигнал. Объясняется это следующим.
Согласно фиг.3 преобразование угла поворота в электрический сигнал осуществляется путем:
- изменения воздушного зазора Δl между магниточувствтельным элементом и зубом зубчатого колеса в зонах срабатывания и отпускания (фиг.3, а);
- изменения магнитной индукции В в промежутке между зубчатым колесом и магнитной системой (фиг.3, б);
- изменения напряжения Uвых на выходных выводах магнитоэлектрического преобразователя под воздействием изменяющейся магнитной индукции (фиг.3, в).
Как следует из графика (фиг.3, в) импульсы выходного напряжения Uвых магнитоэлектрического преобразователя не симметричны относительно оси симметрии зуба и импульсов магнитной индукции (фиг.3, б). Это обусловлено тем, что магниточувствительный элемент на эффекте Холла обладает гистерезисом, благодаря которому магнитная индукция срабатывания Вср превышает магнитную индукцию отпускания Вотп. Учитывая, что индукции срабатывания Вср соответствует малый воздушный зазор между магниточувствительным элементом и зубчатым колесом, а индукции отпускания Вотп - большой (фиг.3, а), угол α, образованный осью симметрии зуба зубчатого колеса и осью симметрии магниточувствительного элемента при входе зуба в зону срабатывания, всегда меньше угла β, образованного осью симметрии магниточувствительного элемента и осью симметрии зуба зубчатого колеса при выходе зуба из зоны отпускания. Так как формирование переднего фронта импульса выходного напряжения происходит при входе зуба в зону срабатывания, а формирование заднего фронта - при выходе зуба из зоны отпускания, указанная асимметрия носит устойчивый характер и является причиной отставания по фазе импульсов выходного напряжения датчика относительно моментов совпадения оси симметрии зуба зубчатого колеса с осью симметрии магниточувствительного элемента. Данное обстоятельство снижает точность преобразования датчика и сужает область его применения.
Кроме указанного недостатка точность преобразования существенно снижается в аномальных режимах эксплуатации датчика при отключении аккумуляторной батареи от бортовой сети электропитания транспортного средства. В этом случае снижение точности обусловливается как воздействием на магниточувствительный элемент на эффекте Холла перенапряжений и импульсов напряжения обратной полярности, так кратковременными понижениями напряжения в бортовой сети практически до нуля при внезапных включениях мощных потребителей.
Заявляемая полезная модель направлена на повышение точности и расширение области применения устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный датчик вращения зубчатого колеса, содержащий магнитоэлектрический преобразователь в виде конструктивно объединенных в узел магниточувствительного элемента на эффекте Холла и магнитной системы с винтом для регулирования магнитной индукции, введен стабилизатор напряжения, подключенный выходным и общим выводами к выводам питания магниточувствительного элемента, входным выводом через прямо включенный диод и общим выводом непосредственно - к первому и второму выводам питания датчика, при этом выход датчика связан с выходом магниточувствительного элемента, а упомянутая магнитная система выполнена с возможностью компенсации гистерезиса магниточувствтельного элемента для одного из двух направлений вращения зубчатого колеса.
На фиг.1, представлена схема датчика вращения зубчатого колеса; на фиг.2 - вид кольцевого магнита. На фиг.3, фиг.4 представлены диаграммы временных соотношений.
В состав датчика вращения зубчатого колеса (фиг.1) входят следующие элементы. Магнитоэлектрический преобразователь 1 в виде конструктивно объединенных в узел магниточувствительного элемента 2 на эффекте Холла и магнитной системы 3, образованной кольцевым магнитом 4, имеющим аксальный боковой срез в виде грани, и винтом 5 из магнитомягкого материала, стабилизатор напряжения 6 на транзсторах п-р-п и р-п-р проводимости, подключенный выходным и общим выводами к выводам питания магниточувствительного элемента 2, входным выводом через прямо включенный диод 7 и общим выводом непосредственно - соответственно к первому 8 и второму 9 выводам питания датчика. Выходной вывод 10 датчика соединен с выходным выводом магниточувствительного элемента 2 на эффекте Холла.
1
2
3
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии, когда зуб зубчатого колеса 11, совершая вращательное движение, находится вне зоны срабатывания магниточувствительного элемента 2 на эффекте Холла, последний находится в пассивном состоянии и его выходное напряжение (фиг.4, в, интервал времени 0-t) имеет высокий уровень. При входе зуба зубчатого колеса 11 в зону срабатывания магниточувствительного элемента 2 указанный элемент вырабатывает низкий уровень напряжения, который удерживается неизменным до момента выхода зуба зубчатого колеса 11 из зоны отпускания (фиг.4, в; интервал времени t-t). При непрерывном вращательном движении зубчатого колеса 11 его зубья периодически входят в зону срабатывания и выходят из зоны отпускания магниточувствительного элемента 2, в результате чего на выходе магниточувствительного элемента 2 и соответственно на выходе датчика вырабатывается последовательность импульсов напряжения (фиг.4, в), частота следования которых пропорциональна угловой скорости зубчатого колеса. Точность преобразования при этом обеспечивается за счет того, что:
- кольцевой постоянный магнит магнитной системы выполнен с аксиальным боковым срезом в виде грани;
- датчик снабжен стабилизатором напряжения, вход которого подключен к выводам питания датчика, а выход - к выводам питания магниточувствительного элемента.
2
3
Выполнение кольцевого постоянного магнита с аксиальным боковым срезом в виде грани (фиг.2) позволяет уменьшить угол β отпускания магниточувствительного элемента до значения угла срабатывания α за счет уменьшения времени снижения магнитной индукции В до значения индукции отпускания Вотп (фиг.4, б; отрезок времени t-t). При равенстве углов α и β обеспечивается симметрия импульсов выходного напряжения Uвых. Фазовый сдвиг при этом уменьшается до необходимо малого
значения, а в результате существенно повышается точность преобразования угла поворота зубчатого колеса в электрический сигнал.
Полученный результат фактически достигается за счет компенсации гистерезиса магниточувствительного элемента на эффекте Холла при направлении вращения зубчатого колеса 11 согласно стрелке, показанной на фиг.1. Для обратного направления вращения зубчатого колеса аналогичный результат может быть получен, если кольцевой магнит повернуть на 180° вокруг его продольной оси.
Для исключения влияния на точность преобразования импульсов напряжения обратной полярности в схему датчика введен диод 7. Сохранение работоспособности датчика при кратковременных понижениях напряжения бортовой сети в результате коммутации мощных потребителей осуществляется путем включения между выходными выводами стабилизатора 6 конденсатора большой емкости.
Таким образом, введение стабилизатора напряжения, подключенного выходным и общим выводами к выводам питания магниточувствительного элемента, входным выводом через прямо включенный диод и общим выводом непосредственно - к первому и второму выводам питания датчика, подключение выхода датчика к выходу магниточувствительного элемента, а также выполнение магнитной системы с возможностью компенсации гистерезиса магниточувствительного элемента выгодно отличает заявляемое устройство от прототипа, так как позволяет существенно повысить точность преобразования и расширить область применения полезной модели.
Лабораторные и эксплуатационные испытания, проведенные ОАО «Автоэлектроника» и ОАО «АВТОВАЗ», показали приемлемость использования заявляемой полезной модели в качестве датчика фаз для автомобилей ВАЗ с 16-ти клапанными двигателями, оборудованными системой впрыска топлива.
Источники информации:
1. Свидетельство RU №19921, кл. G 01 Р 3/00, 2001, бюл. №28
2. Патент RU №2207575, кл. G 01 Р 3/488, 2003.