ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА Российский патент 2003 года по МПК G01K13/02 

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры воздуха и может быть использовано, в частности, в качестве датчика температуры воздуха в системах кондиционирования бытовой техники, салонов автомобиля и т.п.

Известен датчик температуры воздуха [1] , содержащий коллекторный электродвигатель, установленный в кожухе из эластичного материала, выполненном в виде стакана с расположенными на внешней стороне ребрами жесткости, имеющими сквозные отверстия для крепления кожуха к основанию датчика, крыльчатку на оси электродвигателя. Кожух закрывается прокладкой из эластичного материала и крышкой и закрепляется на опорах основания с колодцами и пазами для установки контактного узла. В основании датчика, напротив крыльчатки, выполнено отверстие, в котором установлен колодец из теплоизолирующего материала, в котором размещен термочувствительный элемент. Основание датчика закрывается декоративной панелью, имеющей сквозные отверстия.

Недостатком известного датчика является низкая надежность коллекторного электродвигателя из-за износа и окисления контактов коллектора под действием окружающей среды, высокого уровня излучаемых радиопомех, акустических шумов из-за жесткого крепления кожуха с электродвигателем на основании датчика посредством резиновой прокладки и жесткой крышки (текстолит), винтами.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является датчик температуры воздуха [2] , содержащий корпус с декоративной решеткой (панелью) и основанием, преобразователь постоянного тока в переменный (система управления), термочувствительный элемент, вентилятор, выполненный в виде плоского токопроводящего кольца, внутри которого соосно установлена жестко скрепленная с ним крыльчатка, выполненная из изоляционного материала, ось крыльчатки опирается на подшипники, при этом кольцо установлено с возможностью взаимодействия по крайней мере с двумя введенными, радиально установленными и охватывающими кольцо по толщине С-образными индукторами с частично экранированным полюсом, обмотки которых соединены с выходом преобразователя.

Недостатком указанного датчика является невысокий КПД двигателя, который не позволяет эффективно использовать источник питания, а конструктивное объединение корпуса датчика с корпусом двигателя не обеспечивает требуемый уровень шума и усложняет серийное производство, повышенная трудоемкость изготовления С-образных индукторов, низкая инерционность, недостаточная точность регулирования температуры, обусловленная конструктивным решением по установке терморегулятора.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение КПД двигателя, снижение трудоемкости изготовления, уровней радиопомех и акустического шума.

Указанный технический результат достигается тем, что в датчике температуры воздуха, содержащем корпус с декоративной панелью и основанием, вентилятор, содержащий двигатель и крыльчатку, систему управления, термочувствительный элемент, двигатель выполнен в собственном корпусе и размещен в кожухе из эластичного материала, по внешнему и внутреннему диаметру которого выполнены ребра, двигатель выполнен бесколлекторным и содержит статор, выполненный с двумя бифилярными обмотками, каждая из которых состоит из четырех секций с поочередно чередующимися направлениями обмоток, ротор выполнен в виде кольцевого постоянного магнита с четырьмя полюсами, обращенными к обмоткам статора, с опрессованной в нем осью, на которой соосно размещены крыльчатка и регулятор положения полюсов ротора, система управления содержит два транзисторных ключа, четыре резистора, три конденсатора, причем к коллекторам транзисторных ключей подсоединены выводы обмоток статора электродвигателя, выводы блокировочного конденсатора и положительные выводы конденсаторов, а их отрицательные выводы подсоединены через токоограничивающие резисторы к базам транзисторных ключей и через резисторы начального смещения к общей плюсовой шине, эмиттеры транзисторных ключей подсоединены к общей минусовой шине, на основании корпуса датчика выполнен элемент крепления кожуха (вентилятора), причем регулятор положения полюсов ротора выполнен в виде язычков, расположенных по наружному диаметру шайбы под углом 90^o относительно друг друга, а элемент крепления кожуха выполнен на основании датчика в виде выступа с пазом.

Сущность изобретения заключается в том, что за счет выполнения электродвигателя в собственном корпусе и дополнительном кожухе, а также оригинального выполнения элемента крепления кожуха - обеспечивается стойкость к воздействию механических нагрузок и акустического шума, а за счет выполнения двигателя бесколлекторным с оригинальной системой управления повышается надежность работы датчика, снижается трудоемкость изготовления и уровень радиопомех, обеспечивается решение дополнительных задач - устраняются ВЧ колебания, отслеживается текущая частота ротора.

На фиг. 1, 2 приведена конструкция предлагаемого датчика, на фиг.3, 4 - электродвигатель с регулятором положения полюсов ротора, на фиг.5 - принципиальная схема системы управления, где приняты следующие обозначения.

1 - электродвигатель с собственным корпусом 20,
2 - кожух из эластичного материала,
3 - ребро жесткости по внутреннему диаметру кожуха 2,
4 - внешняя поверхность кожуха 2, оформленная в виде фланца
3 - ребро жесткости по внутреннему диаметру кожуха 2,
4 - внешняя поверхность кожуха 2, оформленная в виде фланца,
5 - выемки по внешней поверхности 4 кожуха 2,
6 - крыльчатка,
7 - контакты,
8 - термочувствительный элемент с нормирующим устройством,
9 - корпус с декоративной решеткой,
10 - воздухозаборные отверстия,
11 - основание датчика,
12 - элементы крепления датчика к изделию,
13 - элементы крепления панели 9,
14 - элементы крепления кожуха 2 на основании,
15 - контактный узел,
16 - колодцы с пазами для установки контактов 7,
17 - отверстие на основании 11 датчика,
18 - печатная плата,
19 - опоры для установки печатной платы 18,
20 - корпус электродвигателя 1,
21 - статор электродвигателя 1,
22 - ротор электродвигателя 1,
23 - ось электродвигателя 1,
24 - подшипник оси 23 электродвигателя 1,
25 - шайба фигурная (регулятор положения полюсов ротора 22),
26.1 и 26.2 - выводы обмоток статора,
27 - конденсатор,
28 - транзисторный ключ,
29 - резистор начального смещения,
30 - токоограничивающий резистор,
31 - блокировочный конденсатор,
32 - резистор начального смещения,
33 - токоограничивающий резистор,
34 - конденсатор,
35 - транзисторный ключ,
36 - система управления,
37 - вентилятор.

Датчик температуры воздуха (фиг.1, 2) содержит электродвигатель 1 малой мощности с напряжением питания 1,2 В и током потребления не более 30 мА в собственном корпусе 20, установленный в кожух 2 из эластичного материала с ребрами 3 по внутреннему диаметру для фиксации корпуса электродвигателя 1 и по внешнему 4 кожуха 2, на котором имеются выемки 5 для фиксации кожуха, с размещенным в нем электродвигателем 1 с собственным корпусом 20 на основании датчика элементом крепления 14, крыльчатку 6, закрепленную на оси электродвигателя 1, контактный узел 15, термочувствительный элемент 8 с нормирующим устройством, корпус с декоративной панелью 9, воздухозаборные отверстия 10, основание датчика 11, имеющего на поверхности элементы крепления 12 датчика, элементы крепления 13 панели 9, элементы крепления 14 кожуха 2 на основании для фиксации которого выполнены пазы 5, контактный узел 15 с двумя колодцами 16 и с пазами в них для установки контактов 7, причем два из которых подключены к системе управления 36, а два других контакта - к термочувствительному элементу 8 с нормирующим устройством, отверстие 17 на основании датчика 11, в котором крыльчатка 6, термочувствительный элемент 8 с нормирующим устройством размещены на печатной плате 18, закрепленной на опорах 19 основания 11 датчика, причем электродвигатель решает функции бесколлекторного электродвигателя.

Предлагаемый электродвигатель (фиг. 3) содержит корпус 20, статор 21 с двумя бифилярными обмотками, каждая из которых состоит из четырех секций, уложенных в пазы корпуса 20 поочередно чередующимися направлениями намотки, ротор 22 в виде кольцевого постоянного магнита с опрессованной в нем осью 23 с четырьмя полюсами чередующейся полярности, обращенными к обмоткам статора 21 и регулятора 25 положения полюсов ротора 22, служащие для начальной ориентации ротора 22 в пространстве так, чтобы в исходном положении при обесточенном электродвигателе любой из четырех полюсов ротора 22 располагался посередине между любыми двумя полюсами обмоток статора 21, подшипники 24 оси 23 верхний и нижний. Применение бифилярных обмоток статора 21 позволяет существенно увеличить срок службы электродвигателя, т.к. устраняется торцевое биение ротора 22, вследствие чего подшипники электродвигателя не разбиваются осью ротора 23.

Вращающий момент в двигателе создается в результате взаимодействия магнитных потоков в промежутке между полюсами магнита ротора и обмоток статора, по которым протекает электрический ток. Управление коммутацией обмоток статора осуществляется системой управления 36, принципиальная схема которой изображена на фиг.5, состоящей из двух транзисторных ключей 28 и 35 с малыми падениями напряжения в режиме насыщения и с низкими пороговыми уровнями входных напряжений, и большими коэффициентами передачи по току, к коллекторам которых подсоединены выводы обмоток статора 26.1 и 26.2 электродвигателя, блокировочный конденсатор 31 и положительные выводы конденсаторов 27 и 34, подсоединенные своими отрицательными выводами через токоограничивающие резисторы 30 и 33 к базам транзисторных ключей 28 и 35 и через резисторы начального смещения 29 и 32 - к общей плюсовой шине, а эмиттеры транзисторных ключей 28 и 35 подсоединены к общей минусовой шине. Такой преобразователь способен обеспечивать эффективную коммутацию обмоток статора электродвигателя при малом уровне напряжения питания вплоть до 0,8 В и токе потребления не более 30 мА в условиях окружающей среды от минус 40^oС до 65^oС.

Работает датчик температуры воздуха с предлагаемым бесколлекторным электродвигателем следующим образом: при подаче питающего напряжения через ножевые контакты 7 на вход системы управления начинают протекать токи, отпирающие транзисторные ключи 28 и 35, по цепям, соответственно: положительная клемма питания, резисторы начального смещения 29 и 32, токоограничивающие резисторы 30 и 33, база-эмиттерные переходы транзисторных ключей 28 и 35, отрицательная шина питания, что приводит к одновременному снижению потенциалов коллекторов. Конденсаторы 27 и 34 совместно с токоограничивающими резисторами 30 и 33 образуют симметричную положительную обратную связь по переменному току. Из-за незначительного разброса параметров один из транзисторных ключей отпирается чуть раньше, что является толчком для лавинообразного перехода схемы в одно из условно-устойчивых состояний. Так, например, если транзисторный ключ 28 насыщен, то транзисторный ключ 35 находится в отсечке, в этот момент через транзисторный ключ 32 протекает отпирающий ток по цепи: положительная шина питания, обмотка статора электродвигателя 26.2, конденсатор 34, токоограничивающий резистор 30, база-эмиттерный переход транзисторного ключа 35; прикладывается отрицательное запирающее напряжение конденсатора 27. По мере заряда конденсатора 34 ток базы спадает до I_отк, транзисторный ключ 28 выходит из насыщения, и схема в этот момент переходит в другое условно-устойчивое состояние: транзисторный ключ насыщен, а транзисторный ключ 28 находится в отсечке. Таким образом, при заторможенном роторе схема будет переходить из одного состояния в другое с периодом Т=0,3 с, вызывая на валу ротора вращающие моменты поочередно противоположных направлений. Под воздействием запускающего импульса ротор приходит в движение, при этом в обмотках статора 26.1 и 26.2 наводятся ЭДС, которые прикладываются через конденсаторы соответственно 27 и 34 к базо-эмиттерным переходам транзисторных ключей. Под воздействием ЭДС самоиндукции время пребывания транзисторного ключа в открытом состоянии сокращается на величину t, т.к. синусоида спадает быстрее экспоненты. Поскольку амплитуда ЭДС прямо пропорциональна частоте вращения, то происходит "захват" собственной частоты и ротор электродвигателя и крыльчатка будут набирать обороты до тех пор, пока средний ток через обмотки электродвигателя не станет равным току потерь на трение и управление ключами, т.е.

I_ср.=I_тр.+I_упр.
Необходимое число оборотов ротора электродвигателя и крыльчатки для обеспечения требуемого времени реагирования термочувствительного элемента посредством принудительного его обдува воздухом, при изменении температуры окружающей среды, достигается степенью намагниченности ротора. Термочувствительный элемент с нормирующим устройством реагирует на соответствующее изменение температуры воздуха и преобразует среднее значение изменения температуры воздуха в электрическое сопротивление в составе системы управления.

Как показали опытные испытания заявляемого датчика температуры воздуха, он обладает улучшенными характеристиками как по стойкости к воздействию механических нагрузок, так и акустическому шуму и радиопомехам по сравнению с используемыми в настоящее время в автомобилях ВАЗ датчиками температуры, серийно выпускаемыми ОАО "Автоэлектроника" г. Калуга. Заявляемый датчик температуры воздуха может найти применение в бытовой технике (магнитофоне, пылесосе и др.).

Источники информации
1. Патент 2087332, кл. 6 В 60 Н 1/12, БИ 20, 1997.

2. Патент 2071698, кл. 6 G 01 К 13/02, БИ 34, 1995.

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры воздуха и может быть использовано в качестве датчика температуры воздуха салонов автомобиля. Датчик температуры воздуха содержит декоративную панель с воздухозаборными отверстиями, кожух с выполненными на внешней стороне ребрами жесткости, с расположенным в нем электродвигателем, на оси которого установлена крыльчатка, контактный узел, термочувствительный элемент с нормирующим устройством. По внутреннему диаметру кожуха выполнено ребро жесткости, а электродвигатель выполнен бесколлекторным с системой управления, в котором статор выполнен с двумя обмотками, ротор - с осью и четырьмя полюсами, обращенными к обмоткам статора, и регулятором положения полюсов ротора. Система управления содержит два транзисторных ключа, четыре резистора, три конденсатора. К коллекторам транзисторных ключей подсоединены выводы обмоток статора электродвигателя. Технический результат изобретения - повышение надежности работы датчика, стойкости к воздействию механических нагрузок, снижение трудоемкости изготовления, уровней радиопомех и акустического шума. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Датчик температуры воздуха, содержащий корпус с декоративной панелью и основанием, вентилятор, содержащий двигатель и крыльчатку, систему управления, термочувствительный элемент, отличающийся тем, что двигатель выполнен в собственном корпусе и размещен в кожухе из эластичного материала, по внешнему и внутреннему диаметрам которого выполнены ребра, двигатель выполнен бесколлекторным и содержит статор, выполненный с двумя бифилярными обмотками, каждая из которых состоит из четырех секций с поочередно чередующимися направлениями обмоток, ротор выполнен в виде кольцевого постоянного магнита с четырьмя полюсами, обращенными к обмоткам статора, с опрессованной в нем осью, на которой соосно размещены крыльчатка и регулятор положения полюсов ротора, система управления содержит два транзисторных ключа, четыре резистора, три конденсатора, причем к коллекторам транзисторных ключей подсоединены выводы обмоток статора электродвигателя, выводы блокировочного конденсатора и положительные выводы конденсаторов, а их отрицательные выводы подсоединены через токоограничивающие резисторы к базам транзисторных ключей и через резисторы начального смещения - к общей плюсовой шине, эмиттеры транзисторных ключей подсоединены к общей минусовой шине, на основании корпуса датчика выполнен элемент крепления кожуха (вентилятора). 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что регулятор положения полюсов ротора выполнен в виде язычков, расположенных по наружному диаметру шайбы под углом 90^o относительно друг друга. 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что элемент крепления кожуха выполнен на основании датчика в виде выступа с пазом.