Линейный сельсин
LINEAR SELSYN

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к микромашинам типа сельсинов, и может быть использовано для дистанционной передачи линейных перемещений контролируемых объектов, а также для измерения объектов, перемещающихся на большие длины.
Известен бесконтактный, прямолинейный сельсин - датчик по авторскому свидетельству СССР №175246. Известный сельсин - датчик с трехфазным выходным сигналом, близким к синусоидальному сигналу, содержит зубчатую шкалу и магнитопровод со стержнями, на которых размещены возбуждающая и фазовые обмотки. Для повышения точности измерения при прохождении датчика над стыками зубчатой шкалы, согласно данному устройству, расстояние между стержнями датчика выбрано равным 5/6 шага зубчатой шкалы, умноженное на число не кратное 2 и 3 при числе стержней в фазе не менее четырех или кратным четырем. Однако данное устройство обладает целым рядом недостатков. В частности, наличие в данном устройстве сложной и трудоемкой при изготовлении зубчатой шкалы с обмотками будет вносить дополнительную погрешность в результаты измерений. Кроме того, в данном случае необходимо проводить юстировку стыков зубчатой шкалы непосредственно на объекте ее установки и в дальнейшем учитывать зависимость зазора в стыках от колебаний температуры. Все это не позволяет получить необходимую точность и стабильность сигнала на выходе данного устройства.
Известен линейный сельсин (авторское свидетельство СССР №160445, G08C), содержащий одну первичную и три вторичных фазных обмотки. Известный линейный сельсин характеризуется тем, что каждая из трех вторичных фаз выполнена в виде встречно включенных обмоток, сдвинутых по высоте катушки на половину ее длины, а начало каждой фазы сдвинуто относительно другой фазы на одну треть длины катушки. Такое соединение обмоток обеспечивает синусоидальную зависимость фазных напряжений при перемещении сердечника сельсина и обеспечивает его эффективное использование для передачи больших перемещений с использованием многообходной системы дистанционной передачи.
К недостаткам данного технического решения следует отнести большое количество катушек, намотанных на каркасе в виде соленоида, что вынуждает крепить магнитопровод по концам его длины и не позволяет вследствие этого использовать данную конструкцию для измерений достаточно длинных перемещений контролируемых объектов.
Известен линейный сельсин с трехфазной обмоткой синхронизации, каждая из фаз которой выполнена в виде двух раздельных встречно включенных катушек (авторское свидетельство СССР №182026, G08C). С целью устранения взаимоиндуктивного влияния фаз, катушки каждой фазы смещены одна относительно другой на  шага, а катушки соседних фаз - на 5/12 шага. Сельсин, выполненный согласно данному техническому решению, позволяет получить высокую точность синхронной передачи поступательного движения. Недостатком данного технического решения является конструктивная сложность и ограниченная область применения, что обусловлено тем, что магнитопровод в данном случае выполнен из отдельных элементов, а цилиндрическая катушка с обмотками имеет ограниченное перемещение по магнитопроводу.
Наиболее близким к заявляемому устройству является линейный сельсин, содержащий неподвижный магнитопровод из ферромагнитного материала с размещенными на нем тремя обмотками синхронизации и обмоткой возбуждения (авторское свидетельство СССР №304562, G08C 19|08, прототип). При этом неподвижный магнитопровод выполнен в виде цилиндра с равномерно чередующими пазами, в которые укладываются обмотки синхронизации с изменяющимся числом витков по пазам. Обмотка возбуждения размещена на подвижном, полом цилиндре, охватывающим неподвижный магнитопровод с небольшим зазором, так, что ширина полюсов перекрывает одновременно два зубца неподвижного магнитопровода. Благодаря укладке обмоток в пазы по определенному закону изменения количества витков, каждая фаза сдвинута на 1/3 периода намотки и по форме близка к синусоидальному закону. Подвижным элементом служит ферромагнитный сердечник в виде кольца с П-образным радиальным сечением. Обмотка возбуждения расположена между подвижным кольцом и неподвижным цилиндром, внутри полости подвижного кольца и перемещается последним. При подаче однофазного напряжения на обмотку возбуждения создается магнитный поток, который, пронизывая обмотки синхронизации, наводит ЭДС в этих обмотках, модуль которой изменяется практически по синусоидальному закону при перемещении подвижной части. При этом, так как площадь зазора по пути рабочего потока не меняется в любом положении подвижной части, магнитное сопротивление, а значит модуль и фаза потока, также не изменяются при любой длине неподвижной части.
К недостаткам данного технического решения следует отнести то, что обмотки синхронизации расположены непосредственно на неподвижном магнитопроводе, что ограничит длину использования магнитопровода. При этом в данном случае магнитопровод с обмотками будет играть роль антенны, которая будет улавливать все сигналы помех, что в свою очередь будет оказывать влияние на точность выходного сигнала. Кроме того, сложные узлы подвижного элемента не обеспечивают надежность предлагаемой конструкции.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение высокой точности синхронной передачи линейных перемещений контролируемых объектов, повышение точности линейных измерений, повышение надежности устройства, расширение области применения линейного сельсина.
Технический результат изобретения - повышение точности синхронной передачи поступательного движения контролируемого объекта, с получением высокоточного выходного управляющего сигнала в более широком диапазоне линейных перемещений контролируемого объекта.
Указанный технический результат достигается тем, что в линейном сельсине с трехфазным выходным сигналом, близким к синусоидальной форме, содержащем зубчатый магнитопровод, возбуждающую и трехфазные синхронизирующие обмотки, согласно изобретению, указанные возбуждающая и трехфазные синхронизирующие обмотки расположены по поверхности каркаса, выполненного в виде сегмента цилиндра, частично охватывающего указанный магнитопровод с углом охвата, достаточным для крепления к указанному магнитопроводу опорного элемента, обе указанные обмотки выполнены печатным способом в виде плоских катушек индуктивности, проводники которых выполнены в виде меандра и бифилярно, при этом шаги трехфазных синхронизирующих обмоток и шаги указанного зубчатого магнитопровода, смещены друг относительно друга в соответствии с соотношением:
CO
M
T=T×К, где
CO
T - шаг синхронизирующих обмоток, мм
M
T - шаг выступов магнитопровода, мм
, конструктивный коэффициент линейного сельсина;
Δα° - угол смещения шага синхронизирующих обмоток относительно шага магнитопровода, эл. град., определяется как , где n - любое целое число, выбираемое из конструктивных возможностей и требований к точности выходного сигнала.
Заявленный технический результат достигается также тем, что трехфазные синхронизирующие обмотки расположены на указанном каркасе секциями, каждая из которых включает, по меньшей мере, шесть обмоток.
Преимущественно, указанный зубчатый магнитопровод расположен внутри неподвижной защитной трубки, выполненной из немагнитного материала и снабженной опорным элементом для крепления к любой базе, а возбуждающая обмотка и трехфазные синхронизующие обмотки выполнены многослойной печатью.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 показана электрическая схема соединения обмоток линейного сельсина. На фиг. 2 показан линейный сельсин, вид сбоку и общий вид. Фиг. 3 условно иллюстрирует взаимное расположение шагов магнитопровода 3 и витков синхронизующих обмоток 2, согласно изобретению, на примере одной секции синхронизирующих обмоток, включающей двенадцать обмоток (по четыре обмотки в каждой фазе), при Δα=+30 эл. град.
Линейный сельсин, согласно изобретению, содержит обмотку возбуждения 1 и фазовые обмотки синхронизации 2 (фиг. 1). Обмотка фазы А включает параллельно или последовательно соединенные обмотки A1 А2…An, обмотка фазы В и фазы С выполнены аналогично. Магнитопровод 3 выполнен с заданным шагом чередования по его длине выступов и впадин (фиг. 2, фиг. 3), и установлен в защитную трубку 4, которая крепится с помощью опоры 5 к ложементу или другим базам (не показано). Один выступ и одна впадина, выполненные на магнитопроводе 3, образуют шаг магнитопровода, соответствующий 360-ти эл. градусам. На частично охватывающем немагнитную защитную трубку 4, с размещенным в ней магнитопроводом 3, подвижном каркасе 6 закреплены указанные возбуждающая обмотка 1 и синхронизирующие (фазовые) обмотки 2. Указанный подвижный каркас 6 выполнен в виде сегмента цилиндра, охватывающего трубку 4 с углом охвата, обеспечивающим доступ к трубке 4 и ее крепление к опоре 5. Преимущественно, каркас 6 выполнен из материала, имеющего низкий коэффициент трения и высокую износостойкость, что позволяет ему длительно и свободно двигаться по всей длине магнитопровода 3, преимущественно вставленного в немагнитную трубку 4. Возбуждающая обмотка 1 и синхронизирующие (фазовые) обмотки 2 представляют собой плоские катушки индуктивности, выполненные на гибкой основе с многослойными печатными проводниками (витками) в виде меандра. Обмотка возбуждения 1 расположена по всей длине каркаса 6. Синхронизирующие обмотки 2, выполнены в виде секций, включающих n число обмоток каждой фазы - А1-А2…An, В1-В2…Bn, С1-С2…Cn. При этом каждая секция включает определенное количество печатных витков в виде меандра, образующих плоские катушки, ширина которых примерно соответствует ширине выступов на магнитопроводе 3 (фиг. 3). Шаг указанных синхронизирующих обмоток 2, согласно изобретению, устанавливают большим или меньшим шага магнитопровода 3 на величину Δα эл. град., в соответствии с соотношением:
CO
M
T=T×К, где
CO
T - шаг синхронизирующих обмоток, мм;
M
T - шаг магнитопровода, мм;
, конструктивный коэффициент линейного сельсина;
Δα - смещение шага синхронизирующих обмоток относительно шага магнитопровода, эл. град.
Значение Δα зависит от конструкции катушки и требований к точности выходного сигнала и определяется как: , где n - любое целое число.
CO
M
CO
СО
На фиг. 3. показан сдвиг шага T катушки синхронизирующих обмоток 2 относительно шага T магнитопровода 3 на 30 эл. градусов. Как видно из фиг. 3, значение Δα влияет на количество шагов T в секции синхронизирующих обмоток 2, участвующих в формировании трехфазного выходного сигнала сельсина, близкого к синусоиде. Чем большее количество шагов Т будет участвовать в этом процессе, тем стабильнее по амплитуде и точнее к синусоидальной форме будет трехфазное напряжение на выходе сельсина.
На фиг. 2 показано расположение возбуждающей обмотки 1 и синхронизующих трехфазных обмоток 2 на каркасе 6. Как сказано выше, каркас 6 выполнен в виде разрезанного цилиндра, охватывающего магнитопровод 3 через защитную, немагнитную трубку 4 на определенный угол обхвата, достаточный для крепления к ней опоры 5, обеспечивающей неподвижное закрепление магнитопровода 3 на ложементе или на любой другой базе (не показано). Вследствие такой конструкции каркаса 6 трехфазные синхронизующие обмотки 2 и возбуждающая обмотка 1 выполнены многослойной печатью на гибкой основе, в виде бифилярных витков. Последовательность расположения обмоток 1, 2 на каркасе 6 может меняться в зависимости от выполняемой задачи линейного сельсина.
Если линейный сельсин используется в индикаторном или трансформаторном режимах, то обмотка 2 синхронизации должна накладываться на каркас 6 первой, а затем, на нее, накладывается обмотка 1 возбуждения. Если линейный сельсин должен использоваться, как фазовращатель, как линейный, индуктивный измеритель, то первой обмоткой, на поверхности каркаса 6, должна укладываться обмотка возбуждения 1, а трехфазная обмотка 2 синхронизации накладывается сверху обмотки возбуждения 1. В последнем случае источником магнитного потока будет трехфазная обмотка 2, а в обмотке 1 возбуждения, при перемещении каркаса 6 по магнитопроводу 3, будет наводиться ЭДС, постоянная по амплитуде и смещаемая по фазе, линейно с перемещением каркаса 6 с обмотками 1, 2 по магнитопроводу 3.
Линейный сельсин, согласно изобретению, на примере сельсина - датчика, работает следующим образом.
Магнитопровод 3, находящийся в защитной трубке 4 или без нее, крепится к какой либо базе, каркас 6, с расположенными на нем возбуждающей обмоткой 1 и трехфазной синхронизирующей обмоткой 2, крепится к подвижному рабочему органу измеряемого объекта (не показан). На возбуждающую обмотку 1 подается однофазное питающее напряжение. При перемещении рабочего органа (не показан) подвижный каркас 6, с расположенными на нем возбуждающей обмоткой 1 и трехфазной синхронизирующей обмоткой 2, перемещается вдоль магнитопровода 3. Одновременно в указанных синхронизующих обмотках 2 наводится высокостабильное трехфазное синусоидальное напряжение, которое известным образом передается на сельсин - приемник (не показан), который соответственно и с высокой точностью отрабатывает перемещение контролируемого рабочего органа. При этом за счет того, что в техническом решении, согласно изобретению, рабочие обмотки сельсина расположены на каркасе с возможностью, практически неограниченного их перемещения по длине, решается задача по измерению (в фазовращательном режиме) линейных размеров подвижных узлов контролируемых объектов на достаточно большие расстояния.
Таким образом, линейный сельсин, охарактеризованный совокупностью существенных признаков, приведенных в формуле изобретения, обеспечивает высокую точность выходного, трехфазного синусоидального сигнала сельсина при линейном движении контролируемых объектов на достаточно большие расстояния. Это в свою очередь обуславливает расширение функциональных возможностей и области применения сельсинов. Кроме того, данная конструкция обладает высокой надежностью, является высоко технологичной при изготовлении и эксплуатации, в том числе за счет того, что не требует дополнительной юстировки на месте эксплуатации.