ИМПУЛЬСНЫЙ ДАТЧИК УГЛА ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 1995 года по МПК F02P7/07 

Изобретение относится к транспортным средствам, точнее к устройствам для получения электрических импульсов, зависящих от поворота валов агрегатов транспортного средства, и может быть использовано в прерывателях систем зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Известен генератор импульсов прерывателя, являющийся частью распределителя и содержащий корпус, установленный в корпусе ротор с интегральными магнитами, соединенными встречно, полюсы которого образуют полюсные поясы на боковой поверхности ротора, и закрепленные в корпусе против полюсных поясов магнитные датчики с элементами Холла, включенными в электроцепь прерывателя. "Полюсный пояс" - это часть боковой поверхности ротора в виде круглой цилиндрической полосы, на которой размещены полюсы магнитов. Этот термин позволяет сократить в ряде случаев последующее описание. "Интегральный магнит" - это часть однородной детали, в которой намагничиванием сформирована область, магнитные свойства которой равноценны отдельному магниту. "Встречное соединение магнитов" - это такое последовательное соединение магнитов, при котором они стыкуются одноименными полюсами. При непрерывной цепи встречно соединенных магнитов каждый полюс на самом деле является двойным полюсом, ибо он составлен полюсами состыкованных магнитов. "Магнитный датчик" - датчик, дающий электрический сигнал в цепь прерывателя, управляемый магнитным потоком.

Недостатки аналога:
сложность изготовления, ибо установка платы с магнитными датчиками между ротором и датчиками внутри корпуса затруднительна;
недостаточная механическая надежность, ибо винт, крепящий плату, имеет свойство самоотвинчивания, что может вызвать изменение воздушного зазора, следовательно, ухудшение характеристики датчика, а затем выход его из строя;
недостаточная надежность из-за химических воздействий на датчики, ибо полость корпуса дышит: при повышении наружного давления относительно внутреннего в полость вдавливается загрязненный воздух с влагой, пылью и другими вредными парами и газами, которые входят в химические соединения с материалами магнитного датчика и электроцепи, выводя их из строя, и наоборот, при повышении внутреннего давления (по разным причинам, например, из-за более высокой температуры) относительно наружного давления воздух выдавливается из полости, освобождая место для новой порции загрязненного воздуха при следующем повышении давления;
недостаточная надежность из-за слабого сигнала датчика, ибо нет магнитопровода, который увеличивает магнитную индукцию, пронизывающую элемент Холла, и увеличивает выходной сигнал элемента Холла.

В качестве прототипа принят импульсный датчик угла для транспортного средства, содержащий корпус с полостью, часть которого по меньшей мере выполнена из немагнитного материала, размещенные в полости корпуса вал и магнитопровод с магнитным датчиком, закрепленные на внешней поверхности корпуса напротив полосного пояса. Корпус 52 выполнен в виде невысокого цилиндра сложной формы из полимера и прикреплен к головке блока цилиндров непосредственно, а к нему прикреплена крышка. Внутри корпуса выполнен полый прилив, образующий гнездо (позиция не обозначена), в котором размещены магнитопровод в виде концентратора и магнитный датчик с элементом Холла. Гнездо имеет узкий канал, выходящий на наружную поверхность корпуса, поэтому можно считать, что датчик и магнитопровод в принципе закреплены на внешней поверхности корпуса. Ротор с полюсным поясом интегральных магнитов (как у аналога) закреплен на вале в виде полого цилиндра, закрепленного непосредственно на конце распредвала.

Преимущество прототипа по сравнению с аналогом в том, что исключена юстировка зазора между магнитным датчиком и ротором.

Недостатки прототипа:
сложность изготовления. Корпус, вал изготавливаются на двигателе с помощью специально разработанного технологического оборудования методом экструзии. Ротор намагничивается (после его закрепления на вале) также с помощью специального оборудования;
недостаточная надежность, вызванная различными причинами:
1. Причина химического характера. Гнездо всасывает вредные вещества;
2. Магнитный датчик размещен в гнезде с полимерными стенками, имеющими плохую теплопроводность, причем само гнездо размещено внутри корпуса, поэтому датчик работает в условиях плохого охлаждения;
3. Увеличение магнитного зазора в магнитной цепи между ротором и магнитопроводом за счет стенки гнезда (магнитный зазор - это часть магнитной цепи без магнитного вещества; он может быть образован или воздушным зазором, или немагнитной стенкой, или их сочетанием, как в прототипе). Увеличение магнитного зазора снижает магнитную индукцию, пронизывающую элемент Холла, это вызывает снижение сигнала датчика и надежность его обработки.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. упрощение изготовления и повышение надежности датчика, благодаря простой форме корпуса, размещению магнитопровода и магнитного датчика снаружи корпуса и уменьшению магнитного зазора.

Указанная цель достигается тем, что в импульсном датчике угла для транспортного средства, содержащем корпус с полостью, часть которого по меньшей мере выполнена из немагнитного материала, размещенные в полости корпуса вал и ротор с круглым полюсным поясом, закрепленный на вале, и магнитопровод с магнитным датчиком, закрепленные на внешней поверхности корпуса напротив полюсного пояса, в корпусе выполнено по меньшей мере одно сквозное отверстие, магнитопровод выполнен по меньшей мере из частей в виде башмака и спинки, причем башмак магнитопровода закреплен в отверстии корпуса.

Та же цель достигается тем, что в том же датчике башмак закреплен в сквозном отверстии корпуса заподлицо с его внутренней поверхностью с возможностью герметизации зазора между башмаком и корпусом.

Достижение этих целей обеспечивается размещением магнитного датчика с магнитопроводом на наружной поверхности корпуса, причем торцы башмаков магнитопровода приближены к полюсному поясу ротора, ибо башмаки расположены в отверстиях, выполненных в стенках корпуса.

На фиг.1 изображен импульсный датчик угла в осевом разрезе; на фиг.2 - то же, поперечный разрез. В металлическом немагнитном прочном и жестком корпусе 1 простейшей формы в виде стакана размещен ротор 2, закрепленный на вале 3, установленном в подшипниках 4 и 5, закрепленных в корпусе 1 и крышке 6 корпуса. Под боковой поверхностью ротора 2 сформированы интегральные магниты 7, полюсы 8 которых образуют полюсный пояс 9 на боковой поверхности ротора 2, причем максимумы индукции северных полюсов сформированы на одном, а южных - на противоположном краях боковой поверхности ротора 2, поэтому на фиг. 1 пунктир, обозначающий границу интегрального магнита 7, не параллелен образующей боковой поверхности ротора 2. Магниты 7 расположены встречно одноименными полюсами, поэтому каждый полюс 8 представляет собой двойной полюс, состоящий из полюсов двух магнитов 7. Так сформированную цепь магнитов можно представить в виде зигзаговой линии с заданным шагом, в углах которой расположены максимумы индукции двойных полюсов 8. В боковой стенке корпуса 1 против одного края боковой поверхности ротора 2 выполнено сквозное радиальное отверстие 10, а против другого - отверстия 11 и 12, параллельные отверстию 10 и смещенные по дуге соответствующей боковой поверхности ротора 2 на полшага упомянутой зигзаговой линии в обе стороны от отверстия 10. В отверстии 10 прочно и герметично закреплен средний башмак 13, не выступающий в плоскость корпуса 1, но несколько выступающий над наружной поверхностью корпуса 1. В отверстиях 11 и 12 так же закреплены крайние башмаки 14 и 15, чтобы обеспечить гарантийный зазор спинки 16 от корпуса 1. Сверху к башмакам 13, 14, 15 прижата V-образная плоская спинка 16, образующая с этими башмаками магнитопровод. Спинка 16 прижата пружинным немагнитным кожухом 17, край которого прикреплен к корпусу 1. Между средним башмаком 13 и спинкой 16 зажат магнитный датчик 18, выводы которого припаяны к кабелю 19 измерительной системы (не показана). Кабель 19 фиксирован кожухом 17 и проходит сквозь отверстие в кожухе 17. Все эти выступающие над поверхностью корпуса 1 детали залиты затвердевшим диэлектрическим немагнитным компаундом 20. Такая конструкция обеспечивает достижение поставленной цели благодаря минимальному магнитному зазору между ротором 2 и магнитопроводом, поскольку из зазора исключена толщина стенки корпуса 1 (по сравнению с прототипом). Концы башмаков 13...15 выполнены заподлицо с внутренней поверхностью корпуса, что уменьшает магнитное сопротивление воздушного зазора без риска механических ударов боковой поверхности ротора 2 при вращении о выступающие концы башмаков. Отверстия 10...12 могут быть не параллельными, например, радиальными, чтобы уменьшить магнитный поток рассеяния, а следовательно, увеличить поток через магнитный датчик 18, кроме того, сверлением получить качественные радиальные отверстия, т. е. перпендикулярные цилиндрической поверхности, проще, чем наклонные к ней.

Отверстия 10. . .12 могут быть глухими, тогда не требуется их герметизация, однако индукция в магнитном датчике будет меньше, ибо под каждым башмаком 13...15 магнитный зазор будет увеличен на толщину дна глухого отверстия, кроме того, плотного прилегания торца башмака ко дну отверстия не будет, т.е. образуется воздушный зазор, что также увеличит магнитное сопротивление цепи. Толщина дна отверстия определяется тем условием, чтобы дно не прогибалось при упоре в него башмака (без силового замыкания будет неконтролируемый воздушный зазор между торцом башмака и дном отверстия и потребуется применять стопорные башмака).

В магнитном датчике может быть другой известный магниточувствительный элемент, например, магниторезистор и т.д. Магнитопровод должен иметь форму, соответствующую расположению полюсов 8 на роторе; если их середины расположены на одной окружности, нужны только два башмака с прямой (не V-образной) спинкой 16. Полюсы 8 могут быть на торце ротора 2, однако это нецелесообразно в общем случае, ибо осевая игра подшипников 4 и 5 больше чем радиальная, поэтому осевой воздушный зазор будет больше чем радиальный. Спинка 16 может быть не плоской, а повторяющей поверхность корпуса 1.

Изготовление импульсного датчика угла. Корпус 1 и крышка 6 имеют простейшую форму, поэтому и радиальные размеры просто выполнить с большей точностью, например: размерная обработка внутренней и наружной цилиндрической поверхностей посадочной поверхности для крышки 6 и отверстий для подшипников 4 и 5, выполняются при одной установке корпуса 1, а затем крышки 6. Затем в корпус 1 вставляют сборочный цилиндр (не показано), выполненный по скользящей посадке, и в отверстия 10...12 вводят, например, ввинчивают, или вставляют на клее башмаки 13...15 до упора в сборочный цилиндр, что гарантирует расчетный минимальный воздушный зазор под башмаками 13. . . 15 и невыступание концов башмаков 13...15 за внутреннюю поверхность корпуса 1. Сам импульсный датчик крепится, например, хомутами (не показаны). Башмаки 13...15 выполнены отдельно из-за ряда причин. Цельный магнитопровод имеет сложную форму, такую деталь изготовить сложнее, а плотно вставить в 3 отверстия - практически невозможно, или башмаки должны иметь заметно меньший диаметр для компенсации суммы допусков на межосевые размеры отверстий 10...12 и башмаков 13...15. Кроме того, магнитопровод изготавливается из хрупкого труднообрабатываемого материала, что увеличивает сложность получения цельной детали. Если не все отверстия 10...12 параллельны, тогда некоторые из них должны быть расширяющимися наружу, чтобы вставить сходящиеся башмаки, выполненные заодно со спинкой, что значительно усложнит крепление и уплотнение башмаков в отверстиях. Сверлить радиальные отверстия в корпусе проще, ибо нет поперечной силы, действующей на сверло, как при сверлении нерадиальных отверстий, поэтому возможен вариант датчика угла с радиальными отверстиями 10. ..12, где цельный магнитопровод принципиально нецелесообразен по указанной причине. Для устранения боковой силы, действующей на сверло, можно выполнить на корпусе 1 площадки, перпендикулярные будущим нерадиальным отверстиям 10...12, однако это дополнительные операции. Гарантировать при этом отсутствие отколов и крупных заусенцев, возникающих при выходе сверла на внутреннюю поверхность корпуса при нерадиальном отверстии, нельзя.

Датчик с глухими отверстиями 10...12 проще в изготовлении (отпадает герметизация отверстий и обработка концов башмаков заподлицо с внутренней поверхностью корпуса 1), однако магнитный зазор в этом случае больше, а индукция в датчике 18 меньше.

Работа импульсного датчика угла принципиально не отличается от работы прототипа: при вращении вала 3 вращается ротор 2, полюсы 8 магнитов 7, расположенные на поясе 9, проходят мимо башмаков 13...15, изменяя магнитный поток, пронизывающий элемент Холла в датчике 18, и датчик 18 дает импульсные сигналы, превышающие сигналы прототипа из-за меньших магнитных зазоров, что повышает надежность работы датчика и всей измерительной системы. Кроме того, поскольку магнитные зазоры имеют небольшой разброс, характеристики датчика угла также имеют небольшой разброс, что облегчает унификацию всей измерительной цепи. Датчик 18 залит затвердевшим компаундом, поэтому датчик 18 герметично изолирован от окружающего пространства, что устраняет вредные химические влияния и повышает надежность. Датчик 18 зажат между металлическими деталями, поэтому тепло от энергии питания хорошо отводится от датчика 18 в стенку корпуса 1 как по башмаку 13, так и по магнитопроводу, а корпус 1 охлаждается окружающим воздухом, поэтому условия теплоотдачи от датчика 18 в заявленном генераторе лучше чем в прототипе, хотя датчик 18 залит компаундом, что также повышает надежность датчика.

Благодаря простоте изготовления и надежности предложенный датчик перспективен для применения в различных областях техники.

Использование: системы зажигания двигателей внутреннего сгорания. Сущность: импульсный датчик угла содержит корпус, часть которого выполнена на немагнитного материала, размещенный в полости корпуса ротор с круглым полюсным поясом, магнитопровод с магнитным датчиком, закрепленный на внешней поверхности корпуса напротив полюсного пояса. В корпусе выполнено по меньшей мере одно сквозное отверстие, а магнитопровод выполнен по меньшей мере из двух частей в виде башмака и спинки, причем башмак закреплен в отверстии корпуса. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. ИМПУЛЬСНЫЙ ДАТЧИК УГЛА ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, содержащий корпус с полостью, часть которого по меньшей мере выполнена из немагнитного материала, размещенные в полости корпуса вал и ротор с круглым полюсным поясом, закрепленный на валу, и магнитопровод с магнитным датчиком, закрепленные на внейшней поверхности корпуса напротив полюсного пояса, отличающийся тем, что в корпусе выполнено по меньшей мере одно сквозное отверстие, магнитопровод выполнен по меньшей мере из двух частей в виде башмака и спинки, причем башмак магнитопровода закреплен в отверстии корпуса. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что башмак закреплен в сквозном отверстии корпуса заподлицо с его внутренней поверхностью с возможностью герметизации зазора между башмаком и корпусом.