ИНДУКТИВНЫЙ ДАТЧИК, ПРЕЖДЕ ВСЕГО ДАТЧИК ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01P3/44 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к индуктивному датчику, прежде всего к датчику частоты вращения, согласно ограничительной части главного пункта формулы изобретения.

Индуктивные датчики используются, например, для измерения частоты вращения колес транспортного средства в качестве датчиков частоты вращения в антиблокировочных системах. При этом речь идет о пассивном индуктивном датчике, работа которого основана на принципе электромагнитной индукции. Жестко смонтированный на оси колеса ферромагнитный зубчатый диск датчика импульсов индуцирует в катушке этого датчика, закрепленного на некотором постоянном от зубчатого колеса расстоянии, зависящее от частоты вращения напряжение благодаря тому, что направление силовых линий магнитного поля изменяется в моменты прохождения перед датчиком передних, если смотреть в направлении вращения зубчатого колеса, и задних боковых сторон его зубцов.

Подобный датчик показан на фиг.4 и 5. Этот индуктивный датчик имеет корпус 4, в котором расположен постоянный магнит 2 с полюсным штырем 3. Магнит 2 состоит из ферритового сердечника (выполненного из сплава альнико) и изготовленного холодной ковкой полюсного сердечника для передачи и концентрирования магнитного потока. Как показано на фиг.4, изготовленный холодной ковкой полюсный сердечник выполнен по технологическим причинам частично коническим. Корпус 4 датчика состоит из основной части 5 и несущей катушку части, образующей каркас 6 катушки.

Как показано далее на фиг.4, каркас 6 катушки имеет конический участок 6а и цилиндрический участок 6b. Кроме того, на каркасе 6 катушки выполнены углубления 9, 9а и 9b для укладки провода.

При изготовлении катушки провод наматывают на каркас 6. При этом после соединения с токопроводящей шиной заведенный по входному каналу провод укладывают в углубление 9 вдоль верхнего, большего основания конуса и через три четверти оборота вводят в диагональное углубление, а затем укладывают в углубление, проходящее вдоль нижнего, меньшего основания конуса (см. фиг.5). В нижнем углублении каркаса катушки провод наматывают в четыре витка, а затем после вывода из этого углубления используют для намотки катушки. При этом провод сначала наматывают на имеющий меньший диаметр цилиндрический участок 6b каркаса 6 катушки, расположенный между первым фланцем 7 этого каркаса и его коническим участком 6а, и на сам этот конический участок до тех пор, пока диаметр катушки не достигнет диаметра большего основания конического участка 6а. Для намотки на эти цилиндрический участок 6b меньшего диаметра и конический участок 6а требуется сделать приблизительно 4200 витков провода при общем количестве витков, равном примерно 7200. После этого катушку можно наматывать в виде цилиндра от первого фланца 7 до второго фланца 8 ее каркаса.

После заключения всей конструкции в отливаемую под давлением пластмассовую оболочку на наружной боковой поверхности извлеченной из формы катушки в месте расположения углублений 9, 9а и 9b часто также образуются углубления. Кроме того, при намотке провода между первым фланцем 7 и коническим участком 6а каркаса часто наблюдается набегание провода в сторону большего основания этого конического участка 6а. В результате витки провода в катушке не удается располагать в определенном строго заданном положении. При этом при намотке провода часто образуются петли.

Для защиты катушки ее после намотки дополнительно заключают в пластмассовую оболочку, отливаемую непосредственно литьем под давлением (экструзией). Обычно каркас катушки изготавливают из полиамида-6, а пластмассовую оболочку из полиамида-6.6. Благодаря этому более низкую температуру плавления полиамида-6 (примерно 214°С) можно использовать для того, чтобы в процессе экструзии полиамида-6.6 (с температурой плавления примерно 228°С) при рабочей температуре обогреваемых каналов в головке экструдера, равной примерно 305°С, обеспечить оплавление кольцевых вершин на фланце каркаса катушки и их сплавление с оболочкой из полиамида-6.6 с получением в результате герметичного соединения между ними.

У известных из уровня техники индуктивных датчиков часто возникают обусловленные их описанной выше конструкцией и технологией изготовления проблемы при их работе в условиях переменных температур. При этом, например, фирмам-производителям автомобилей требуется, чтобы при термоциклических испытаниях (метод термического удара) со сменой температуры от -30°С до +100°С датчик выдерживал без появления сбоев в его работе по меньшей мере 1000 подобных циклов резкой смены температуры длительностью 30 мин каждый, при этом заданная температура должна достигаться в течение 5 мин. Описанные выше датчики известной из уровня техники конструкции выдерживают лишь примерно 200 циклов изменения температуры. В результате датчики выходят из строя из-за усталостного разрушения провода катушки, возникающего прежде всего в углублениях каркаса катушки, а также во входном канале, в который уложен этот провод.

Из ЕР-632897 известен далее индуктивный датчик, у которого участок контакта концов обмотки катушки с токопроводящими шинами закрыт со стороны отлитого под давлением корпуса силиконовой массой и лентой из полиимидного материала. Несмотря на то что такое решение хотя и позволяет несколько повысить стойкость датчика к резким изменениям температуры, тем не менее и такой индуктивный датчик также не выдерживает 1000 необходимых циклов резкой смены температуры.

Преимущества изобретения

Преимущество предлагаемого в изобретении индуктивного датчика с отличительными признаками главного пункта формулы изобретения по сравнению с известными заключается в том, что каркас катушки выполнен полностью коническим. Выполнение каркаса катушки коническим по всей его длине позволяет отказаться от использования в нем углублений под провод. Отсутствие подобных углублений позволяет прежде всего исключить в процессе намотки катушки и ее заливки в пластмассу повреждение провода в таких углублениях каркаса катушки, которое впоследствии при частой смене температуры приводит к разрушению этого провода. Кроме того, предлагаемая в изобретении конструкция позволяет повысить механическое сопротивление намотанной катушки давлению, действующему при ее заливке в пластмассовую оболочку, поскольку катушка после намотки имеет цилиндрическую или лишь слегка коническую наружную боковую поверхность. Еще одно преимущество, связанное с приданием каркасу катушки конической формы по всей его длине, состоит в возможности уменьшить количество витков обмотки, поскольку провод нет необходимости наматывать на имеющий небольшой диаметр цилиндрический участок, как это известно из уровня техники. Равным образом отпадает и необходимость в трудоемкой и сложной укладке провода в углубления каркаса катушки. В результате сокращается время намотки катушки, что позволяет снизить затраты на изготовление предлагаемого в изобретении индуктивного датчика. Кроме того, согласно изобретению создается возможность линеаризовать активное сопротивление R(n), приходящееся на один виток обмотки, что обеспечивает в итоге постоянство сопротивления. Помимо этого предлагаемый в изобретении индуктивный датчик выдерживает более 1750 циклов изменения температуры от -30°С до +100°С при термоциклических испытаниях методом термического удара.

Угол наклона наружной боковой поверхности конического каркаса катушки к центральной оси индуктивного датчика предпочтительно составляет примерно 2,85°. Такая слегка коническая форма каркаса катушки исключает прежде всего набегание провода катушки в сторону большего основания конуса. При этом прежде всего удается исключить образование петель при намотке провода. В результате удается обеспечить постоянство сопротивления и существенно сократить количество забраковываемых деталей.

Согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения катушка образована параллельно намотанными на ее каркас витками. Благодаря этому удается обеспечить намотку провода катушки по определенной схеме. При этом витки катушки предпочтительно располагать параллельно, т.е. рядом друг с другом, по всей длине катушки от первого ее фланца до второго фланца.

Катушку предпочтительно заключать в отливаемую под давлением оболочку, изготовленную из того же материала, что и каркас катушки. В этом случае исключается повреждение провода, идущего в углублениях от контактных шин к обмотке и в противоположном направлении, в результате напряжений, возникающих из-за различной степени расширения и сжатия материала. В качестве материала при этом предпочтительно использовать полиамид-6.12.

Как показано на фиг.1 и 4, полюсный штырь 3 выполнен коническим и имеет участки с различным диаметром. В целях сокращения монтажного пространства обращенная к полюсному штырю 3 стенка каркаса катушки, прежде всего несущей катушку части корпуса, соответствует по форме полюсному сердечнику. При сравнении показанных на фиг.1 и 4 датчиков можно сделать вывод о том, что при выполнении каркаса катушки слегка конической формы стенка этого каркаса имеет большую толщину. Поэтому для придания каркасу катушки слегка конической формы по всей его длине необходимо большее количество материала. В результате при тех же, что и в известных датчиках, пропорциях катушки ее габариты должны были бы увеличиться. Однако предпочтительная форма каркаса катушки обеспечивает более рациональное распределение витков обмотки. При этом увеличивается так называемая плотность намотки в пересчете на длину и объем каркаса катушки. При той же, что и у известных датчиков, мощности катушки ее обмотка имеет меньшее количество витков, и поэтому радиальные размеры такой катушки по сравнению с известными датчиками несмотря на увеличение толщины стенки ее каркаса не увеличиваются. Особое преимущество состоит также в том, что активное сопротивление в пределах одной серии остается постоянным.

Чертежи

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - разрез предлагаемого в изобретении индуктивного датчика,

на фиг.2 - вид сбоку индуктивного датчика, показанного на фиг.1,

на фиг.3 - вид спереди индуктивного датчика, показанного на фиг.1 и 2,

на фиг.4 - разрез известного индуктивного датчика и

на фиг.5 - вид сбоку известного индуктивного датчика, показанного на фиг.4.

Описание варианта выполнения изобретения

На фиг.1-3 показан выполненный согласно изобретению индуктивный датчик. Как показано, в частности, на фиг.1, этот индуктивный датчик 1 имеет изготовленный из сплава альнико магнит 2 с расположенным на одном конце полюсным штырем 3. Магнит 2 полностью заключен в изготовленный из пластмассы корпус 4, при этом полюсный штырь 3 выступает из этого корпуса 4. Корпус 4 выполнен цельным и состоит из основной части 5 и несущей катушку части, образующей каркас 6 катушки. Помимо этого, за одно целое с корпусом 4 выполнены также первый 7 и второй 8 фланцы каркаса катушки. В качестве материала для изготовления корпуса можно использовать, например, полиамид-6.12.

Каркас 6 катушки расположен, как показано на фиг.1 и 2, между первым 7 и вторым 8 его фланцами. Кроме того, каркас 6 катушки выполнен слегка коническим, при этом больший диаметр D1 конуса каркаса 6 катушки расположен у второго фланца 8, а меньший диаметр D2 конуса расположен у первого фланца 7. Как показано далее на фиг.1 и 2, каркас катушки выполнен по своей осевой длине в направлении оси 0-0 полностью коническим и в местах его соединения с фланцами 7 и 8 также не имеет цилиндрических участков. Как показано на фиг.1, угол α, измеренный между прямой, проходящей параллельно оси 0-0, и образующей конуса каркаса 6 катушки составляет при этом 2,85°. При этом предпочтительно, чтобы указанный угол лежал в пределах 2,5°<α<3,2°, причем нижний предел при необходимости может быть уменьшен до 1,0°.

Кроме того, на корпусе 4 предусмотрен крепежный фланец 10 (см. фиг.2 и 3), на котором закреплен соединительный провод индуктивного датчика.

После соединения провода катушки с токопроводящей шиной 11 этот провод непосредственно наматывают на конический каркас 6 катушки. При этом слегка коническая форма каркаса 6 катушки позволяет обеспечить параллельное расположение витков провода при его намотке в катушку (на чертежах не показана). Иными словами, витки провода, намотанного на каркас 6 катушки, располагаются рядом друг с другом. В результате намотка провода обеспечивается по заранее заданной схеме. Благодаря этому, во-первых, удается обеспечить постоянное сопротивление или по крайней мере снизить его разброс, а во-вторых, избежать других проблем, возникающих в результате заключения катушки в отливаемую под давлением оболочку, таких, например, как повреждение провода из-за перекрещивания его витков или образования петель. Помимо этого создается возможность значительно сократить время намотки, поскольку провод не требуется укладывать в соответствующие углубления каркаса катушки и осуществлять аналогичные операции, и уменьшить общее количество витков. Благодаря тому, что диаметр D2 каркаса 6 катушки лишь незначительно меньше диаметра D1 (ср. фиг.1), при тех же критериях мощности можно также значительно уменьшить по сравнению с уровнем техники количество витков в обмотке. В результате удается также снизить материальные и производственные затраты.

Принцип работы индуктивного датчика достаточно хорошо известен и поэтому не требует подробного рассмотрения. При протекании через катушку электрического тока формируется измерительный сигнал, зависящий от детали, на которой проводят измерения. Если в этом случае вращать перед полюсным штырем 3 ферромагнитное колесо или диск, например зубчатое колесо или зубчатый диск (в плоскости, перпендикулярной торцу штыря), то расстояние между зубчатым колесом, соответственно диском и полюсным штырем при вращении этого зубчатого колеса или диска будет периодически изменяться благодаря наличию у него зубцов и промежутков между зубцами. Это означает, что будет изменяться ширина воздушного зазора между полюсным штырем 3 и зубчатым колесом или диском. Указанное изменение влияет на магнитное поле, в результате чего и формируется измерительный сигнал.

Предлагаемый в изобретении индуктивный датчик для бесконтактного измерения определенных величин по изменению расстояния между ним и ферромагнитным предметом, таким, например, как зубчатое колесо или зубчатый диск, может использоваться прежде всего в антиблокировочных системах в качестве датчика частоты вращения колес транспортных средств или же в иных целях, когда его требуется использовать, например, в качестве датчика частоты вращения.

Таким образом, в изобретении предлагается индуктивный датчик для бесконтактного измерения определенных величин по изменению расстояния между ним и ферромагнитным предметом. Такой датчик имеет корпус 4, состоящий из основной части 5 и несущей катушку части, образующей каркас 6 катушки, и намотанную на этот каркас 6 катушку. Кроме того, датчик имеет расположенный в его корпусе магнит 2 с полюсным штырем 3. При этом каркас 6 катушки, являющийся частью корпуса 4, выполнен полностью коническим, прежде всего слегка коническим.

Настоящее изобретение не ограничено рассмотренным выше конкретным вариантом его выполнения, который предназначен лишь для иллюстративных целей. Более того, в изобретение можно вносить в пределах его объема различные изменения и модификации, а также использовать эквивалентные решения.

Изобретение относится к индуктивным датчикам, прежде всего к датчикам частоты вращения. Датчик включает корпус (4), состоящий из основной части (5) и несущей катушку части, образующей каркас (6) катушки, и намотанную на указанный каркас (6) катушку, а также расположенный в корпусе магнит (2) с полюсным штырем (3). При этом каркас (6) катушки выполнен полностью коническим, в частности слегка коническим. Техническим результатом является уменьшение трудоемкости изготовления датчика. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Индуктивный датчик, прежде всего датчик частоты вращения, имеющий корпус (4), состоящий из основной части (5) и несущей катушку части, образующей каркас (6) катушки с фланцами (7, 8), и намотанную на указанный каркас (6) катушку, а также расположенный в корпусе (4) магнит (2) с полюсным штырем (3), отличающийся тем, что каркас (6) катушки на участке между его фланцами (7, 8) выполнен полностью коническим.2. Индуктивный датчик по п.1, отличающийся тем, что угол конусности каркаса (6) катушки лежит в пределах 2,5°<α<3,2°.3. Индуктивный датчик по п.1 или 2, отличающийся тем, что угол (α) конусности каркаса (6) катушки составляет 2,85°.4. Индуктивный датчик по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что основная часть (5) корпуса и каркас (6) катушки выполнены за одно целое.5. Индуктивный датчик по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что катушка образована параллельно намотанными на ее каркас (6) витками.6. Индуктивный датчик по п.5, отличающийся тем, что катушка имеет параллельно намотанные на ее каркас (6) витки от первого фланца (7) до второго фланца (8).7. Индуктивный датчик по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что каркас (6) катушки изготовлен из полиамида-6.12.8. Индуктивный датчик по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что количество витков катушки составляет не более 6800.9. Индуктивный датчик по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что катушка заключена в отлитую под давлением оболочку, изготовленную из того же материала, что и каркас (6) катушки.