Энергонезависимый датчик углового положения вала Российский патент 2024 года по МПК G01P3/44 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в различных областях промышленности в качестве источника электропитания, в частности для определения параметров вращения вала: углового положения, скорости и направления вращения вала.

Из патента РФ № 2455617 (опубл. 10.07.2012) известно энергонезависимое устройство для определения движения и/или положении объекта. Устройство содержит катушку с магнитопроводом и магнитную пару, в которой полюса магнитов ориентированы в противоположные стороны относительно друг друга. Магниты расположены один за другим и выполняют движение относительно катушки. Магнитропровод закреплен на оси, установленной в пазах катушки, таким образом, что ось проходит сквозь отверстие, расположенное на одном конце магнитопровода, а противоположный конец магнитопровода свободен и способен отклоняться, совершая колебательное движение, создавая импульсы напряжения при пересечении магнитной оси магнитной пары.

К недостатку устройства относится относительно небольшая величина формируемого напряжения. При этом, в устройстве не предусмотрено формирование разных величин напряжений.

Из патента РФ № 2488122 (опубл. 20.07.2013) известен датчик скорости вращения и положения ротора. Датчик содержит статор, внутри которого соосно на подшипнике установлен ротор с постоянными магнитами. Статор выполнен в виде кольцевого магнитопровода с двумя кольцевыми полуобмотками. Магнитный ротор выполнен явнополюсным с одной парой полюсов.

В датчике предусмотрено получение разных величин напряжений на выходе. Однако величина этих напряжений невелика. Это обусловлено тем, что величина формируемого напряжения зависит от скорости движения магнитов мимо катушек. И непрерывное (плавное) движение магнитов относительно полуобмоток не позволяет значительно увеличить создаваемую в полуобмотках ЭДС.

Из патента РФ № 55991 (опубл. 27.08.2006) известен энергонезависимый датчик углового положения вала. Датчик содержит корпус с крышкой, в которых на подшипниках установлен вращающийся вал. На валу установлены ротор и статор с обмоткой возбуждения. Вал и ротор снабжены многополюсными магнитными кольцами, постоянные магниты которых находятся в зацеплении и образуют магнитную муфту.

Ротор дополнительно снабжен многополюсной магнитной системой, внутри которой концентрически расположен статор. Многополюсная магнитная система ротора, магнитопровод статора и обмотки возбуждения статора образуют генератор с возбуждением от постоянных магнитов. Напряжение, снимаемое с обмотки статора, поступает на электронную схему печатной платы.

Недостатком датчика является относительно небольшая величина напряжения, формируемого генератором. Это обусловлено тем, что магнитная муфта не участвует в создании рабочего магнитного потока, что снижает величину ЭДС генератора. При этом выходное напряжение имеет одну определенную величину. В результате, генератор снабжает питанием только маломощные элементы электронной схемы. В целом это снижает эффективность датчика и ограничивает его функциональные возможности.

Другим недостатком является сложная конструкция датчика. Это обусловлено наличием дополнительной магнитной системы ротора, сложной чашечной формой магнитопровода;

наличием собственного корпуса с крышкой и собственного вала; необходимостью установки вала в корпусе и крышке на подшипниках.

Кроме того, статор и магнитная муфта расположены последовательно на оси датчика, что увеличивает осевой размер датчика.

Из патента РФ № 2807016 (опубл. 08.11.2023) известен энергонезависимый датчик углового положения вала, выбранный за ближайший аналог. Датчик содержит ротор, включающий в себя магнитопровод, внутреннюю и внешнюю полумуфты-индукторы, выполненные в виде многополюсных магнитных колец, соединенные через подшипник и образующие магнитную муфту-индуктор; статор, включающий в себя магнитопровод и обмотки возбуждения, размещенные на радиально установленных сердечниках статора; печатную плату с электронной схемой и магниточувствительные элементы, выполненные с возможностью измерения параметров магнитного поля постоянных магнитов, вращающихся совместно с контролируемым валом.

Ротор и статор выполнены в виде генератора с возбуждением от постоянных магнитов, включающего в себя магнитопровод ротора, постоянные магниты внутренней и внешней полумуфт-индукторов, магнитопровод статора и обмотки возбуждения. Постоянные магниты внутренней и внешней полумуфт-индукторов имеют цилиндрическую форму.

Известный датчик имеет небольшие габаритные размеры, в нем предусмотрена возможность кратного увеличения напряжений на выходе генератора без увеличения габаритов датчика.

Величина ЭДС генератора повышена за счет того, что магнитная муфта-индуктор и статор совместно участвуют в создании рабочего магнитного потока, который возникает при скачкообразных перемещениях магнитов муфты-индуктора относительно сердечников статора. Однако дальнейшее увеличение ЭДС обмоток генератора ограничено. Это обусловлено небольшим перепадом магнитного потока (ΔФ) и длительным временем его изменения (Δt). В результате скорость изменения магнитного потока (ΔФ/Δt), определяющая величину ЭДС, ограничена, и ограничена мощность генератора, прямо пропорциональная величине ЭДС, при заданных параметрах обмоток (числе витков и их сопротивлении), т.к. для увеличения мощности генератора потребуется увеличить размеры катушек, что увеличит габариты датчика и снизит его эффективность.

Технической задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков аналогов.

Технический результат – увеличение эффективности датчика за счет повышения величины ЭДС и мощности генератора, без увеличения габаритных размеров датчика.

Технический результат достигается в энергонезависимом датчике углового положения вала, содержащем ротор, включающий в себя магнитопровод, внутреннюю и внешнюю полумуфты-индукторы, выполненные в виде многополюсных магнитных колец, соединенные через подшипник и образующие магнитную муфту-индуктор; статор, включающий в себя магнитопровод и обмотки возбуждения, размещенные на радиально установленных сердечниках статора; печатную плату с электронной схемой и магниточувствительные элементы, выполненные с возможностью измерения параметров магнитного поля постоянных магнитов, вращающихся совместно с контролируемым валом. Внутренняя и внешняя полумуфты-индукторы образованы постоянными магнитами в форме секторов колец, линии стыков которых расположены на продолжении осей сердечников статора, и датчик снабжен магнитной муфтой-ускорителем, включающей в себя внутреннюю и внешнюю полумуфты-ускорители, выполненные в виде многополюсных магнитных колец, из которых внешняя полумуфта-ускоритель установлена неподвижно внутри статора, внутренняя полумуфта-ускоритель выполнена с возможностью совместного вращения с внешней полумуфтой-индуктором.

Кроме того, внутренняя полумуфта-ускоритель жестко установлена на внешнем кольце подшипника.

Кроме того, ротор и статор выполнены в виде импульсного генератора с возбуждением от постоянных магнитов, включающего в себя магнитопровод ротора, постоянные магниты внутренней и внешней полумуфт-индукторов, постоянные магниты внутренней и внешней полумуфт-ускорителей, магнитопровод статора и обмотки возбуждения.

Кроме того, сила и размеры постоянных магнитов муфты-индуктора и муфты-ускорителя рассчитаны таким образом, что магнитная связь постоянных магнитов муфты-индуктора более сильная по сравнению с магнитной связью постоянных магнитов муфты-ускорителя.

Кроме того, обмотки возбуждения гальванически развязаны и выполнены с возможностью формирования напряжения разной величины.

Кроме того, обмотка возбуждения содержит катушки, соединенные последовательно, для кратного увеличения формируемого напряжения.

Кроме того, по меньшей мере одна обмотка возбуждения соединена с микроконтроллером печатной платы датчика положения.

Кроме того, по меньшей мере одна обмотка возбуждения соединена с элементами электрической схемы датчика и/или внешней цепи.

Кроме того, магниты, вращающиеся совместно с контролируемым валом, выполнены в виде по меньшей мере одной пары постоянных магнитов разной полярности и закреплены с магнитопроводом ротора.

Кроме того, магниточувствительные элементы установлены на печатной плате, закрепленной со статором.

Сущность предлагаемого датчика поясняют графические материалы.

На фиг. 1 показано конкретное исполнение датчика в поперечном разрезе, разрез А-А на фиг. 2. На фиг. 2 показан продольный разрез датчика.

Нижеуказанными позициями обозначены следующие элементы:

1 – вал; 2 – внутренняя полумуфта-индуктор; 3 – внешняя полумуфта-индуктор; 4 – магнитопровод ротора; 5 – постоянные магниты внутренней полумуфты-индуктора; 6 – постоянные магниты внешней полумуфты-индуктора; 7 – подшипник; 8 – статор; 9 – ярмо статора; 10 – сердечники; 11 – обмотки возбуждения; 12 – катушки обмоток возбуждения, 13 – магниточувствительные элементы; 14 – печатная плата датчика положения; 15 – постоянные магниты; 16 – внутренняя полумуфта-ускоритель; 17 – внешняя полумуфта-ускоритель; 18 – постоянные магниты внутренней полумуфты-ускорителя; 19 – постоянные магниты внешней полумуфты-ускорителя; 20 – каркас внешней полумуфты-ускорителя.

Датчик углового положения вала 1 содержит статор 8 и ротор, расположенный концентрически внутри статора 8.

Ротор включает в себя магнитопровод 4, внутреннюю полумуфту-индуктор 2 и внешнюю полумуфту-индуктор 3, выполненные в виде многополюсных магнитных колец. Внутренняя полумуфта-индуктор 2 находится в магнитном зацеплении с внешней полумуфтой-индуктором 3 посредством постоянных магнитов 5 внутренней полумуфты-индуктора 2 и постоянных магнитов 6 внешней полумуфты-индуктора 3, образующих магнитную муфту-индуктор, работающую за счет сил магнитного взаимодействия – притяжения и отталкивания магнитов 5 и 6. Внутренняя полумуфта-индуктор 2 образована постоянными магнитами 5 в форме секторов кольца. Аналогично, внешняя полумуфта-индуктор 3 образована постоянными магнитами 6 в форме секторов кольца. Линии стыков разноименных магнитов 5 и 6 расположены на продолжении осей сердечников 10 статора. В конкретном исполнении на фиг. 1 внутренняя и внешняя полумуфты-индукторы 2 и 3 образованы четырьмя постоянными магнитами 5 и 6 соответственно.

Внутренняя полумуфта-индуктор 2 соединена с внешней полумуфтой-индуктором 3 через подшипник 7.

Внутренняя полумуфта-ускоритель 16 установлена на внешнем кольце подшипника 7 с возможностью совместного вращения с указанным внешним кольцом и с внешней полумуфтой-индуктором 3. Внутренняя полумуфта-ускоритель 16 выполнена в виде многополюсного магнитного кольца, на котором размещены постоянные магниты 18 с чередующейся полярностью.

Внутренняя полумуфта-индуктор 2 и магнитопровод 4 ротора закреплены на контролируемом приводном валу 1, в качестве которого может быть использован вал электродвигателя. Приводной вал 1 не входит в состав конструкции датчика.

Статор 8 содержит магнитопровод, включающий в себя ярмо 9 и радиально установленные сердечники 10 с размещенными на них обмотками возбуждения 11. Каждая обмотка возбуждения 11 содержит по меньшей мере одну катушку 12. Обмотки возбуждения 11 расположены в кольцевом пространстве между ярмом 9 статора и внешней полумуфтой-индуктором 3 ротора. В конкретном исполнении на фиг. 1 количество сердечников 10 равно четырем.

Внутри статора 8 неподвижно установлена внешняя полумуфта-ускоритель 17, выполненная в виде многополюсного магнитного кольца, на котором размещены постоянные магниты с чередующейся полярностью. Внешняя полумуфта-ускоритель 17 содержит постоянные магниты 19 и каркас 20 из немагнитного материала. Внешняя полумуфта-ускоритель 17 находится в магнитном зацеплении с внутренней полумуфтой-ускорителем 16 посредством постоянных магнитов 19 внешней полумуфты-ускорителя и постоянных магнитов 18 внутренней полумуфты-ускорителя, образующих магнитную муфту-ускоритель, работающую за счет сил магнитного взаимодействия – притяжения и отталкивания постоянных магнитов 18 и 19. Постоянные магниты 18 и 19 расположены на продолжении осей сердечников 10 и посередине между продолжениями осей сердечников 10.

Магнитная муфта-индуктор и магнитная муфта-ускоритель расположены в разных поперечных плоскостях датчика (см. фиг. 2). Сила и размеры постоянных магнитов 5 и 6, а также постоянных магнитов 18 и 19 рассчитаны таким образом, что магнитная связь постоянных магнитов 5 и 6 муфты-индуктора более сильная по сравнению с магнитной связью постоянных магнитов 18 и 19 муфты-ускорителя.

Ротор и статор 8 выполнены в виде импульсного генератора с возбуждением от постоянных магнитов, включающего в себя магнитопровод 4 ротора, постоянные магниты 5 и 6 внутренней и внешней полумуфт-индукторов, постоянные магниты 18 и 19 внутренней и внешней полумуфт-ускорителей, магнитопровод статора 8 и обмотки возбуждения 11. Радиальное намагничивание постоянных магнитов 5 и 6 муфты-индуктора и постоянных магнитов 18 и 19 муфты-ускорителя показано на фиг. 1 и 2 стрелками.

Для определения параметров вращения вала 1 датчик снабжен магниточувствительными элементами 13, выполненными с возможностью измерения параметров магнитного поля магнитов 15, вращающихся совместно с контролируемым валом 1. Магниты 15 выполнены в виде по меньшей мере одной пары постоянных магнитов разной полярности и закреплены с магнитопроводом 4 ротора. Магниточувствительные элементы 13 установлены на печатной плате 14, которая закреплена на статоре 8. В качестве магниточувствительных элементов 13 могут быть использованы датчики Холла или магниторезисторы.

В случае исполнения статора 8 с одной обмоткой возбуждения 11, обмотка 11 рассчитана на обеспечение передачи сигнала синхронизации о положении вала в микроконтроллер печатной платы 14.

В случае исполнения статора 8 с двумя и более обмотками возбуждения 11, обмотки 11 могут быть гальванически развязаны и изготовлены с разными параметрами (сопротивлениями и числом витков), для формирования напряжения разной величины. Например, одна из обмоток 11 рассчитана на обеспечение передачи сигнала о положении вала, а другие – на питание более мощных элементов электрической схемы датчика и/или электрических элементов привода, в котором установлен датчик.

При этом электропитание элементов электрической схемы может осуществляться постоянным током, через выпрямитель, или переменным током.

Для кратного увеличения выходного напряжения обмотка возбуждения 11 может содержать две и более последовательно соединенные катушки 12. Например, каждая из обмоток 11 может содержать по две последовательно соединенные катушки 12, что обеспечит удвоение величин выходных напряжений, снимаемых с обмоток 11, без увеличения габаритных размеров датчика.

В конкретном исполнении на фиг. 1 одна из обмоток 11 содержит три последовательно соединенные катушки 12, что обеспечивает трехкратное увеличение выходного напряжения (U2), без увеличения габаритных размеров датчика.

Датчик работает следующим образом.

В исходном положении полюсы постоянных магнитов 5 внутренней полумуфты-индуктора притянуты к полюсам постоянных магнитов 6 внешней полумуфты-индуктора, линии стыков постоянных магнитов 5 и 6 расположены на продолжении осей сердечников 10 статора, полюсы постоянных магнитов 18 внутренней полумуфты-ускорителя притянуты к полюсам постоянных магнитов 19 внешней полумуфты-ускорителя, постоянные магниты 18 и 19 расположены на продолжении осей сердечников 10 и посередине между продолжениями осей сердечников 10 (см. фиг. 1).

При вращении приводного вала 1 вращается закрепленная с валом 1 внутренняя полумуфта-индуктор 2. Сначала внешняя полумуфта-индуктор 3 вращается совместно с внутренней полумуфтой-индуктором 2 за счет притяжения разноименных магнитов 5 и 6. При этом магнитный поток проходит по замкнутой магнитной цепи последовательно через постоянный магнит 5, постоянный магнит 6, сердечник 10, ярмо 9, соседний сердечник 10, постоянный магнит 6, постоянный магнит 5, магнитопровод 4 ротора, постоянный магнит 5. Совместно с вращающейся внешней полумуфтой-индуктором 3 вращается закрепленная с ней внутренняя полумуфта-ускоритель 16, т.к. магнитная связь постоянных магнитов 5 и 6 муфты-индуктора более сильная по сравнению с магнитной связью постоянных магнитов 18 и 19 муфты-ускорителя.

Затем одноименные полюсы постоянных магнитов 5 и 6 начинают приближаться друг к другу, между ними нарастают силы отталкивания, но в то же время они удерживаются от перескока силами притяжения разноименных полюсов постоянных магнитов 18 и 19 муфты-ускорителя. Как только полюсы постоянных магнитов 18 и 19 муфты-ускорителя перейдут в положение, когда между их одноименными полюсами возникают силы отталкивания, и одновременно полюсы магнитов 5 и 6 муфты-индуктора перейдут в положение, когда между их разноименными полюсами возросли силы притяжения, происходит резкое скачкообразное перемещение магнитов 6 относительно сердечников 10 статора. При этом скорость перемещения возрастает за счет согласного (суммирующего действия указанных двух сил.

В конкретном исполнении датчика с четырьмя сердечниками 10 внешняя полумуфта-индуктор 3 повернется относительно статора 8 на 90 градусов.

В момент перескока магнитов 6 относительно сердечников 10 статора в генераторе резко изменяется направление магнитного потока, в том числе потока, проходящего через витки обмоток 11, что вызывает создание ЭДС в обмотках 11, и в соответствии с законом электромагнитной индукции, в обмотках 11 индуцируется ток при изменении пересекающего их витки магнитного потока. Далее аналогичным образом происходит очередной перескок, и процесс формирования ЭДС повторяется.

Благодаря выполнению постоянных магнитов 5 и 6 муфты-индуктора в форме секторов колец, линии стыков которых расположены на продолжении осей сердечников 10 статора, увеличилось расстояние, проходимое магнитами 6 при их перемещениях относительно сердечников 10 статора, что позволило магнитам 6 увеличить скорость движения, т.е. позволило набрать значительную скорость. Кроме того, увеличение скорости движения магнитов 6 и увеличение их массы за счет дугообразной формы увеличило их кинетическую энергию, которая при последующем преобразовании в потенциальную энергию позволяет увеличить заряд конденсатора электронной схемы и обеспечить питанием более мощные элементы электрической схемы.

В конкретном исполнении статора 8 с двумя обмотками возбуждения 11, напряжение (U1) первой обмотки 11 обеспечивает формирование импульсов синхронизации для записи в микроконтроллере печатной платы 14 информации о положении вала. Напряжение другой величины (U2), снимаемое со второй обмотки 11, через выпрямитель и сглаживающий конденсатор поступает на более мощные элементы электрической схемы и обеспечивает их питание постоянным током.

Сила и размеры постоянных магнитов 5 и 6, постоянных магнитов 18 и 19 и обмоточные данные обмоток 11 рассчитаны таким образом, чтобы была возможность свободного хода внутренней и внешней полумуфт-индукторов 2 и 3 друг относительно друга, свободного хода внутренней и внешней полумуфт-ускорителей 16 и 17 друг относительно друга, и чтобы одного перескока было достаточно для передачи сигнала синхронизации о положении вала и питания более мощных элементов электрической схемы датчика и/или, например, электрических элементов привода, в котором установлен датчик.

Магниточувствительные элементы 13 измеряют параметры магнитного поля магнитов 15, вращающихся совместно с валом 1, и выдают сигнал на электронную схему печатной платы 14 датчика положения, для обработки и вычисления информации об угловом положении, скорости и направлении вращения контролируемого вала 1.

Таким образом, в предложенном датчике, по сравнению с ближайшим аналогом, повышены величина ЭДС и мощность генератора за счет согласного (суммирующего) действия тангенциальных сил притяжения-отталкивания постоянных магнитов 18 и 19 муфты-ускорителя и тангенциальных сил притяжения-отталкивания постоянных магнитов 5 и 6 муфты-индуктора, а также за счет увеличения расстояния, проходимого постоянными магнитами 6 при их перескоках, что в целом обеспечило значительное увеличение скорости перемещения постоянных магнитов 6 относительно сердечников 10 статора, и следовательно, значительное увеличение скорости изменения магнитного потока, определяющего величину ЭДС.

При этом магнитная муфта-ускоритель и постоянные магниты 5 и 6 в форме секторов колец компактно размещены в датчике без увеличения его габаритных размеров, что увеличило эффективность датчика и позволило компактно размещать датчик в электроприводах, в том числе в приводах с ограниченными габаритными размерами.

Кроме того, в датчике предусмотрены возможность кратного увеличения напряжений на выходе генератора без увеличения габаритов датчика и возможность электропитания нагрузок разной мощности напряжениями разной величины и вида.

Изобретение относится к области измерительной техники. Энергонезависимый датчик углового положения вала содержит ротор, включающий в себя магнитопровод, внутреннюю и внешнюю полумуфты-индукторы, выполненные в виде многополюсных магнитных колец, при этом внутренняя и внешняя полумуфты-индукторы образованы постоянными магнитами в форме секторов колец, линии стыков которых расположены на продолжении осей сердечников статора, и датчик снабжен магнитной муфтой-ускорителем, включающей в себя внутреннюю и внешнюю полумуфты-ускорители, выполненные в виде многополюсных магнитных колец, при этом внешняя полумуфта-ускоритель установлена неподвижно внутри статора, внутренняя полумуфта-ускоритель выполнена с возможностью совместного вращения с внешней полумуфтой-индуктором. Технический результат – повышение эффективности датчика. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Энергонезависимый датчик углового положения вала, содержащий ротор, включающий в себя магнитопровод, внутреннюю и внешнюю полумуфты-индукторы, выполненные в виде многополюсных магнитных колец, соединенные через подшипник и образующие магнитную муфту-индуктор; статор, включающий в себя магнитопровод и обмотки возбуждения, размещенные на радиально установленных сердечниках статора; печатную плату с электронной схемой и магниточувствительные элементы, выполненные с возможностью измерения параметров магнитного поля постоянных магнитов, вращающихся совместно с контролируемым валом, отличающийся тем, что внутренняя и внешняя полумуфты-индукторы образованы постоянными магнитами в форме секторов колец, линии стыков которых расположены на продолжении осей сердечников статора, и датчик снабжен магнитной муфтой-ускорителем, включающей в себя внутреннюю и внешнюю полумуфты-ускорители, выполненные в виде многополюсных магнитных колец, при этом внешняя полумуфта-ускоритель установлена неподвижно внутри статора, внутренняя полумуфта-ускоритель выполнена с возможностью совместного вращения с внешней полумуфтой-индуктором.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя полумуфта-ускоритель жестко установлена на внешнем кольце подшипника.

3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что ротор и статор выполнены в виде импульсного генератора с возбуждением от постоянных магнитов, включающего в себя магнитопровод ротора, постоянные магниты внутренней и внешней полумуфт-индукторов, постоянные магниты внутренней и внешней полумуфт-ускорителей, магнитопровод статора и обмотки возбуждения.

4. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что сила и размеры постоянных магнитов муфты-индуктора и муфты-ускорителя рассчитаны таким образом, что магнитная связь постоянных магнитов муфты-индуктора более сильная по сравнению с магнитной связью постоянных магнитов муфты-ускорителя.

5. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что обмотки возбуждения гальванически развязаны и выполнены с возможностью формирования напряжения разной величины.

6. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что обмотка возбуждения содержит катушки, соединенные последовательно, для кратного увеличения формируемого напряжения.

7. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна обмотка возбуждения соединена с микроконтроллером печатной платы датчика положения.

8. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна обмотка возбуждения соединена с элементами электрической схемы датчика и/или внешней цепи.

9. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что магниты, вращающиеся совместно с контролируемым валом, выполнены в виде по меньшей мере одной пары постоянных магнитов разной полярности и закреплены с магнитопроводом ротора.

10. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что магниточувствительные элементы установлены на печатной плате, закрепленной со статором.