ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК H02K29/08 H01L43/04 

Настоящее изобретение относится к измерительному преобразователю согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.

Измерительные преобразователи такого типа используются, например, в электродвигателях для определения различных величин, зависящих от вращательного движения вала якоря электродвигателя, таких, например, как частота вращения, направление вращения и угол поворота, и известны, например, из DE 19525292 А1. Согласно этой публикации на печатной плате в электронном блоке электродвигателя расположен постоянный магнит. Оба полюса магнита соединены с магнитопроводами, проходящими к расположенному на некотором расстоянии от электронного блока валу якоря электродвигателя, при этом один из концевых участков каждого магнитопровода отделен небольшим воздушным зазором от перемещающегося вместе с валом якоря преобразователем магнитного потока. Этот подвижный преобразователь магнитного потока имеет расположенные на теле вращения ферромагнитные и диамагнитные участки. При вращении вала якоря во вращение приводится и преобразователь магнитного потока, в результате чего изменяется магнитный поток в магнитной цепи, образуемой постоянным магнитом, магнитопроводами и преобразователем магнитного потока. Расположенный на печатной плате над постоянным магнитом датчик Холла регистрирует изменение меняющегося магнитного поля рассеяния и в зависимости от этого изменения генерирует электрический выходной сигнал, подаваемый на соединенную с этим датчиком Холла схему управления двигателем.

Кроме того, известны применяемые в электродвигателях измерительные преобразователи, у которых перемещающийся вместе с валом двигателя преобразователь магнитного потока имеет выполненный в виде кольцевого магнита постоянный магнит, жестко соединенный с валом якоря двигателя, вращающийся вместе с валом и являющийся одновременно источником магнитного поля. Неподвижно закрепленные магнитопроводы обращены своими служащими в качестве контактов концами в сторону кольцевого магнита. Другой, обратный валу якоря с преобразователем магнитного потока конец магнитопровода соединен с холловской интегральной схемой (т.е. с ИС на элементах Холла), выполненной в виде компонента поверхностного монтажа (ПМ-компонента), монтируемого на поверхности печатной платы, установленной в электронном блоке электродвигателя. И в этом случае вращение вала якоря электродвигателя приводит к изменению индуцируемого в магнитопроводе магнитного потока, а следовательно, и к изменению регистрируемого холловской ИС характеризующего магнитное поле сигнала. Этот сигнал преобразуется холловской ИС в цифровой электрический сигнал, обрабатываемый расположенной на печатной плате схемой электронного управления двигателем и используемый для управления указанным электродвигателем.

Преимущество предлагаемого в изобретении измерительного преобразователя с отличительными признаками п.1 в сравнении с известным состоит в возможности значительного более компактного размещения датчиков Холла и электронной схемы управления на используемом для этой цели основании, например на печатной плате. Благодаря этому отдельные компоненты, входящие в электронную схему управления, такие, например, как память программ, микропроцессор или стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (СППЗУ), можно объединить вместе с холловской ИС в специализированную интегральную схему (СИС), монтируемую на печатной плате в виде отдельного схемного элемента. Такое решение позволяет значительно сократить затраты на установку навесных элементов на печатную плату, снижая всю ее стоимость в целом. Экономия затрат обеспечивается также благодаря тому, что изготовление отдельного элемента в виде СИС (СИС-элемента) значительно дешевле изготовления печатной платы, на которую по отдельности устанавливаются все необходимые в электронной схеме навесные компоненты. Достигаемое при этом преимущество состоит в непосредственной передаче магнитных сигналов по магнитопроводу на датчик Холла, являющийся частью специализированной ИС. Это позволяет устанавливать СИС-элемент на некотором удалении от подвижных механических деталей типа, например, вала якоря электродвигателя, в защищенном от загрязнений и влаги месте. Кроме того, небольшой СИС-элемент проще защитить от влаги и загрязнений, чем всю размещенную на печатной плате электронную схему, благодаря чему в целом повышается и надежность работы всего измерительного преобразователя.

Другие предпочтительные варианты выполнения изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения. Так, например, СИС-элемент предпочтительно располагать на основании на некотором удалении от преобразователя магнитного потока между концами двух магнитопроводов, поскольку при такой компоновке обеспечивается оптимальное измерение магнитного поля датчиком Холла, являющимся частью СИС-элемента.

Эффективность измерения магнитного поля датчиком Холла, являющимся частью СИС-элемента, можно дополнительно повысить, если предусмотренный на магнитопроводе выступ вставить в отверстие или углубление основания таким образом, чтобы он доходил до монтажной поверхности СИС-элемента.

Особое преимущество заключается в том, что магнитопроводы могут служить не только проводниками передачи сигналов, но еще и теплоотводами, служащими для отвода выделяемого при работе СИС-элементом тепла в случае, если магнитопроводы находятся в теплопроводном контакте с этим СИС-элементом.

Ниже изобретение более подробно поясняется на примере одного из вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - схематичное изображение принципиальной конструкции части предназначенного для электродвигателя известного измерительного преобразователя, имеющего преобразователь магнитного потока, магнитопроводы и печатную плату,
на фиг.2 - изображение части измерительного преобразователя в поперечном сечении.

На фиг.1 показана принципиальная конструкция части известного измерительного преобразователя, установленного, например, в электродвигателе. Не показанный на чертеже привод, служащий для преобразования вращательного движения электродвигателя в прямолинейное поступательное движение исполнительного органа, через вал 2 якоря двигателя соединен с также не показанным на чертеже редуктором электродвигателя. На валу 2 в качестве преобразователя магнитного потока расположено магнитное полюсное кольцо 3, одна половина которого образует отрицательный, а другая - положительный полюс. Это магнитное полюсное кольцо служит одновременно и источником, и преобразователем магнитного потока. Кроме того, измерительный преобразователь имеет три неподвижно закрепленных магнитопровода 11, 12, 13, выполненных из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью. Контур обращенных к валу якоря двигателя концевых участков 11а, 12а и 13а магнитопроводов согласован с формой полюсного кольца 3, от которого они отделены небольшим воздушным зазором. Магнитопроводы 11, 12, 13 расположены в зоне не показанного на фиг.1 щеткодержателя, находящегося между приводом, преобразующим вращательное движение в прямолинейное поступательное, и редуктором электродвигателя. Щеткодержатель служит для крепления угольных щеток, электрически контактирующих с расположенным на валу якоря двигателя коллектором и предназначенных для обеспечения соответствующего электрического контакта в цепи тока электродвигателя. С щеткодержателем соединен корпус электронного блока, в котором расположена печатная плата 10 с электронной схемой управления двигателем. Магнитопроводы 11, 12, 13 доходят в щеткодержателе до корпуса электронного блока с печатной платой 10, на которой расположены две холловских ИС 20, 21. Конец магнитопровода 11 раздваивается над печатной платой на два концевых участка 11b и 11с. Обратные валу двигателя концевые участки 11b и 12b магнитопроводов 11 и 12 оканчиваются выше и ниже холловской ИС 20, а концевые участки 11с и 13b магнитопроводов 11 и 13 оканчиваются выше и ниже холловской ИС 21. Вращение вала 2 приводит к изменению магнитного потока, индуцируемого в магнитной цепи, которую образуют магнитопровод 3, неподвижно закрепленные магнитопроводы 11 и 12 и холловская ИС 20. То же самое относится и ко второй магнитной цепи, образуемой магнитопроводами 11 и 13 и холловской ИС 21. Холловские ИС 20, 21 преобразуют изменение магнитного поля в цифровой электрический сигнал, который поступает в имеющуюся на печатной плате 10 электронную схему управления. Этот сигнал обрабатывается логической частью указанной схемы в микропроцессоре или микроконтроллере с программным управлением, после чего с выхода этой схемы выдается управляющий сигнал на имеющиеся на печатной плате реле, регулирующие подачу тока на электродвигатель. Ток подается по соединенным с валом 2 с помощью угольных щеток проводникам, которые могут, например, образовывать токопроводящее покрытие магнитопроводов 11, 12, 13.

На фиг. 2 показан вид части предлагаемого в изобретении измерительного преобразователя в поперечном сечении. В данном случае этот измерительный преобразователь также установлен в электродвигателе. Однако такой измерительный преобразователь можно также использовать, например, в редукторе, имеющем поступательно перемещающийся, а не вращающийся преобразователь магнитного потока. На чертеже показан частичный разрез выполненного из пластмассы щеткодержателя 6 электродвигателя, в котором расположен магнитопровод 11. На щеткодержателе 6 установлена еще одна пластмассовая деталь 5 с двумя магнитопроводами 12 и 13, из которых на фиг.2 показан только магнитопровод 12. С щеткодержателем 6 соединено основание 10, которое может быть выполнено в виде небольшой печатной платы или вырубленной из листа решетки с пластмассовым покрытием, нанесенным литьем под давлением. Щеткодержатель 6 установлен в электродвигателе таким образом, что основание 10 располагается в электронном блоке на некотором удалении от вала якоря двигателя. Электронный блок имеет не показанный на чертеже штекер с контакт-деталями, электрически соединенными со схемой управления на печатной плате 10 и подключаемыми с помощью внешнего кабеля к центральному блоку управления, например, транспортного средства.

Как и на фиг. 1, в показанном на фиг.2 измерительном преобразователе магнитопроводы расположены в щеткодержателе 6 и детали 5 таким образом, что их концевые участки 11b, 12b расположены со стороны печатной платы 10, а противоположные концы 11а, 12а обращены к валу якоря двигателя. На фиг.2 концы 11а и 12а магнитопроводов в поперечном сечении не видны, поскольку эти магнитопроводы в щеткодержателе 6 и детали 5 отогнуты из плоскости чертежа вперед, соответственно назад, и расположены, как и на фиг.1, вокруг служащего преобразователем магнитного потока подвижного магнитного полюсного кольца.

Как показано далее на фиг.2, на печатной плате 10 предусмотрен схемный элемент 7, содержащий специализированную интегральную схему (СИС). В схеме этого элемента 7 в единую интегральную схему объединены две холловских ИС и необходимая для управления двигателем схема управления со всей логической частью. Микропроцессор или микроконтроллер, а также схемные компоненты памяти интегрированы в СИС, и поэтому нет необходимости монтировать их на печатной плате 10 в качестве отдельных элементов. СИС-элемент 7 известным методом припаян к печатной плате 10. Как далее показано на фиг.2, под монтажной поверхностью СИС-элемента 7 в печатной плате 10 предусмотрено отверстие или углубление 9, сквозь которое проходит выступ 15 концевого участка 12b магнитопровода 12, доходя почти до монтажной поверхности СИС-элемента 7. Соответствующий выступ и на втором магнитопроводе 13 проходит сквозь второе не показанное на чертеже отверстие или углубление в сторону к СИС-элементу 7. Конец третьего магнитопровода 11 раздваивается на два концевых участка 11b и 11с, огибающих противоположную монтажной поверхности СИС-элемента 7 поверхность и отогнутых в сторону печатной платы 10. Каждый из отогнутых концов 11' для крепления печатной платы 10 проходит сквозь еще одно отверстие в печатной плате. Как показано на фиг.2, концевые участки 11b и 12b, соответственно концевые участки 11с и 13b, магнитопроводов с обеих сторон по типу клещевого захвата охватывают СИС-элемент 7. При этом оба входящих в схему датчика Холла расположены в СИС-элементе 7 в таком положении, в котором обеспечивается оптимальное измерение этими датчиками магнитного потока между выступами 15 магнитопроводов 12 и 13 и концами 11b, соответственно 11с, магнитопровода 11.

Магнитопроводы можно также располагать и иным образом, отличным от показанного на чертеже примера. Можно также использовать только два магнитопровода, например магнитопроводы 11 и 12 по фиг.2, и интегрировать в СИС-элемент только одну холловскую ИС. Однако при необходимости в СИС-элемент можно интегрировать и более двух холловских ИС и использовать четыре или пять магнитопроводов. Основополагающим является лишь то, что датчик Холла, образующий часть СИС-элемента, должен регистрировать изменение магнитного потока и преобразовывать это изменение в цифровой сигнал, который обрабатывается внутри этого элемента 7 интегральной схемой. Выходной сигнал СИС-элемента используют для управления реле.

В другом варианте выполнения изобретения вместо реле, используемых для коммутации токов в электродвигателе, с этой целью можно использовать мощные транзисторы, интегрировав их непосредственно в СИС-элемент. Такое решение позволяет дополнительно повысить компактность размещения схемы управляющей двигателем электроники на печатной плате 10.

Выделяемое при работе СИС-элементом 7 тепло предпочтительно отводить по магнитопроводам 11, 12, 13, если они находятся в теплопроводном контакте с этим СИС-элементом 7. Такую возможность в варианте по фиг.2 можно обеспечить, например, путем введения в узкий воздушный зазор между концевыми участками магнитопроводов и СИС-элементом теплопроводящего клея либо путем соединения магнитопроводов напрямую с корпусом СИС-элемента.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения частоты вращения и угла поворота якоря электродвигателя. Измерительный преобразователь имеет выполненный в виде датчика Холла и неподвижно расположенный датчик магнитного поля. Датчик Холла индуктивно связан по меньшей мере с одним неподвижным магнитопроводом, воспринимающим изменение переменного магнитного поля и передающим его датчику Холла, при этом датчик Холла подводит к электронной схеме управления зависящий от этого изменения магнитного поля электрический сигнал. Для более компактного размещения электронной схемы управления и датчиков Холла согласно изобретению датчик Холла по меньшей мере с частью электронной схемы объединены в виде специализированной интегральной схемы, размещенной в электронном схемном элементе. Технический результат заключается в обеспечении компактности устройства, упрощении конструкции и повышении надежности работы. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Измерительный преобразователь, имеющий выполненный в виде датчика Холла и неподвижно расположенный датчик (20, 21) магнитного поля, индуктивно связанный по меньшей мере с одним неподвижным магнитопроводом (11, 12, 13), воспринимающим изменение магнитного поля и передающим его датчику (20, 21) Холла, при этом датчик Холла выдает в электронную схему управления зависящий от этого изменения магнитного поля электрический сигнал, отличающийся тем, что по меньшей мере один датчик (20, 21) Холла по меньшей мере с одной частью электронной схемы управления объединены в виде специализированной интегральной схемы (СИС), размещенной в электронном схемном элементе (7), а по меньшей мере один из магнитопроводов (11, 12) находится для отвода выделяемого при работе схемным элементом (7) тепла в теплопроводном контакте с ним. 2. Измерительный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что схемный элемент (7), содержащий специализированную интегральную схему по меньшей мере с одним датчиком Холла, расположен между концевыми участками (11b, 12b) по меньшей мере двух магнитопроводов (11, 12), обращенными в противоположную от создающего переменное магнитное поле преобразователя (3) магнитного потока сторону, на основании (10), размещенном на некотором удалении от преобразователя (3) магнитного потока. 3. Измерительный преобразователь по п. 2, отличающийся тем, что под монтажной поверхностью схемного элемента (7), содержащего специализированную интегральную схему по меньшей мере с одним датчиком Холла, в основании (10) предусмотрено отверстие или углубление (9), в которое входит имеющийся у магнитопровода (12) выступ (15), а другой магнитопровод (11) расположен на поверхности указанного схемного элемента (7), противоположной монтажной поверхности. 4. Измерительный преобразователь по п. 2, отличающийся тем, что он предназначен для использования в электродвигателе, имеющем вал (2) якоря, на котором расположен преобразователь (3) магнитного потока.