RU178708U1

RU178708U1 - Non-contact precision shaft angle encoder

Info

Publication number: RU178708U1
Application number: RU2017137172U
Authority: RU
Inventors: Павел Петрович Моисеев; Иван Иванович Нечушкин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "АСТРОН ЭЛЕКТРОНИКА"
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2018-04-17

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике, приборостроению, а именно к датчикам углового положения вращающегося вала или ротора. Сущность полезной модели заключается в том, что бесконтактный прецизионный датчик углового положения вала содержит магнитопроводы, выполненные в форме колец с выступающими секторными зубцами, ориентированными в паре магнитопроводов навстречу друг к другу, при этом они сдвинуты в них по окружности относительно друг друга на расстояние полушага своих зубцов, а охватывающее магнит немагнитное упрочняющее кольцо выполнено с выступом, в который упираются края зубцов магнитопроводов, при этом магниточувствительные элементы Холла установлены парами на статоре в радиальном отверстии и размещены радиально с интервалом между холловскими плоскостями магниточувствительных элементов в паре, на расстоянии, зависящем от количества зубцов магнитопровода, причем на статоре симметрично установлено несколько пар элементов Холла. Технический результат – повышение точности измерения положения вала в широком диапазоне рабочей температуры окружающей среды. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.The utility model relates to measuring equipment, instrumentation, and in particular to sensors of the angular position of a rotating shaft or rotor. The essence of the utility model lies in the fact that the non-contacting precision sensor for the angular position of the shaft contains magnetic cores made in the form of rings with protruding sector teeth oriented in a pair of magnetic cores towards each other, while they are shifted in circumference relative to each other by a half-step of their teeth, and a non-magnetic reinforcing ring enclosing the magnet is made with a protrusion in which the edges of the teeth of the magnetic cores abut, while the magnetically sensitive Hall elements They are placed in pairs on a stator in a radial hole and placed radially with an interval between the Hall planes of magnetically sensitive elements in a pair, at a distance depending on the number of teeth of the magnetic circuit, and several pairs of Hall elements are symmetrically installed on the stator. The technical result is an increase in the accuracy of measuring the position of the shaft in a wide range of operating ambient temperature. 1 s.p. f-ly, 6 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, приборостроению, а именно к датчикам углового положения вращающегося вала или ротора, применяемым в автомобильной технике, станкостроении, авиационной и космической технике, а также в других областях, в частности, к магниточувствительным датчикам, преимущественно на эффекте Холла.The utility model relates to measuring technique, instrument making, namely to the angular position sensors of a rotating shaft or rotor used in automotive engineering, machine tool building, aviation and space technology, as well as in other fields, in particular, magnetically sensitive sensors, mainly based on the Hall effect.

Известен бесконтактный датчик скорости автомобиля, состоящий из зубчатого ротора, совокупности механических и электронных компонентов датчика, магниточувствительного элемента, состоящего из интегральной схемы магниторезистора, постоянного магнита для обратного смещения и стабилизации магниторезистивного эффекта, предназначенный для измерения угловой скорости ферромагнитного зубчатого ротора, который формирует импульсный выходной сигнал при прохождении зубца ротора над магниточувствительным элементом (патент RU №2260188, МПК G01P 3/488 от 10.09.2005).Known non-contact speed sensor of a car, consisting of a gear rotor, a combination of mechanical and electronic components of the sensor, a magnetically sensitive element, consisting of an integrated circuit of a magnetoresistor, a permanent magnet for reverse bias and stabilization of the magnetoresistive effect, designed to measure the angular velocity of a ferromagnetic gear rotor, which forms a pulse output signal when the rotor tooth passes over the magnetically sensitive element (patent RU No. 2260188, IPC G01P 3/488 t 10.09.2005).

Известен преобразователь угла поворота вала в последовательность электрических импульсов, состоящий из корпуса, двух магниторезистивных преобразователей со встроенными постоянными магнитами, источником сигналов у которого служит подвижный модуль, механически сопряженный с контролируемым объектом и состоящий из двух штампованных зубчатых колес, соединенных методом контактной сварки так, что зубья одного колеса смещены по отношению к зубьям другого колеса на половину ширины зуба, преобразователь формирует последовательность из двух выходных импульсных сигналов, которые возникают от прохождения зубцов роторов над своими магниточувствительными элементами (патент на полезную модель RU №80550, МПК G01B 7/00 от 10.02.2009).A known converter of the angle of rotation of the shaft into a sequence of electrical pulses, consisting of a housing, two magnetoresistive converters with built-in permanent magnets, the signal source of which is a movable module mechanically coupled to a controlled object and consisting of two stamped gears connected by contact welding so that the teeth of one wheel are offset relative to the teeth of the other wheel by half the width of the tooth, the transducer forms a sequence of two output pulse signals which emerge from passing rotor teeth over their magnetosensitive elements (utility model patent RU №80550, IPC G01B 7/00 from 10.02.2009).

Известен датчик положения ротора электрического двигателя, содержащий неподвижный статор в виде диска, на котором по линии окружности размещены магниточувствительные элементы, в качестве которых используются, например, датчики Холла или магниторезисторы, подвижный ротор, на валу которого закреплены магнитопроводящий диск с прорезями и намагниченные в аксиальном направлении два кольцевых постоянных магнита, установленные с разных сторон магнитопроводящего диска и прилегающие к его поверхностям разноименными полюсами. Поле постоянных магнитов распространяется до чувствительных элементов Холла через магнитопроводящий диск и воздушный зазор. При вращении ротора происходит срабатывание магниточувствительных элементов при попадании их в зоны действия магнитного поля (при прохождении магнитопроводящего участка диска над магниточувствительным элементом) и их выключение при прохождении над датчиком прорези (патент RU №2357348, МПК H02K 29/08, H02K 29/06 от 27.05.2009).A known rotor position sensor of an electric motor containing a fixed stator in the form of a disk, on which magnetically sensitive elements are placed along the circumference line, for example, Hall sensors or magnetoresistors, a movable rotor, on whose shaft a magnetically conductive disk with slots and magnetized in the axial axis are mounted direction, two annular permanent magnets mounted on opposite sides of the magnetically conducting disk and adjacent to its surfaces with opposite poles. The field of permanent magnets extends to the Hall sensitive elements through a magnetic disk and an air gap. When the rotor rotates, the magnetically sensitive elements are triggered when they fall into the magnetic field (when the magnetic portion of the disk passes over the magnetically sensitive element) and they turn off when passing over the slot sensor (patent RU No. 2357348, IPC H02K 29/08, H02K 29/06 from 05/27/2009).

Недостатком приведенных выше датчиков является то, что выходные сигналы магниточувствительных элементов изменяются однополярно относительно постоянного уровня, соответствующего величине магнитного поля при прохождении над магниточувствительными элементами впадин или прорезей между зубцами роторов, что не позволяет обеспечить высокую точность измерения углового положения вала.The disadvantage of the above sensors is that the output signals of the magnetically sensitive elements change unipolar relative to a constant level corresponding to the magnitude of the magnetic field when passing over the magnetically sensitive elements of the depressions or slots between the teeth of the rotors, which does not allow for high accuracy of measuring the angular position of the shaft.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является датчик положения ротора электрической машины, содержащий ротор с аксиально намагниченным кольцевым магнитом, примыкающие к его торцевым поверхностям магнитопроводы с Р секторными зубцами с угловым размером α (где Р - число пар полюсов электрической машины), охватывающее магнит упрочняющее немагнитное кольцо, и статор с магниточувствительными элементами, расположенными в зазоре между зубцами магнитопроводов. В качестве чувствительных элементов могут быть взяты любые магниточувствительные элементы, например, элементы Холла. При вращении ротора каждый из магниточувствительных элементов поочередно находится либо в аксиальном поле между зубцами магнитопроводов, либо в зоне отсутствия этого поля, в поле рассеяния кольцевого магнита. Это устройство принято за прототип (патент SU №1617553, Н02К 29/08 от 30.12.1990).Closest to the proposed utility model is the position sensor of the rotor of an electric machine, containing a rotor with an axially magnetized ring magnet, magnetic circuits with P sector teeth with an angular size α (where P is the number of pairs of poles of the electric machine) encompassing a magnet strengthening non-magnetic, adjacent to its end surfaces a ring, and a stator with magnetically sensitive elements located in the gap between the teeth of the magnetic cores. Any magnetically sensitive elements, for example, Hall elements, can be taken as sensitive elements. When the rotor rotates, each of the magnetically sensitive elements is alternately located either in the axial field between the teeth of the magnetic cores, or in the zone of absence of this field, in the scattering field of the ring magnet. This device is taken as a prototype (patent SU No. 1617553, Н02К 29/08 from 12/30/1990).

Недостатком данного датчика положения ротора электрической машины, как и в предыдущих случаях, является то, что выходной сигнал магниточувствительного элемента изменяется однополярно относительно постоянного уровня, соответствующего величине магнитного поля рассеяния кольцевого магнита при прохождении магниточувствительным элементом прорези между зубцами, а также то, что датчик может быть чувствительным к внешним магнитным полям от других источников, что не позволяет обеспечить высокую точность измерения углового положения вала.The disadvantage of this rotor position sensor of an electric machine, as in previous cases, is that the output signal of the magnetically sensitive element changes unipolar relative to a constant level corresponding to the magnitude of the scattering magnetic field of the ring magnet when the magnetically sensitive element passes through the slots between the teeth, and the sensor can be sensitive to external magnetic fields from other sources, which does not allow for high accuracy of measuring the angular position of the shaft.

Задача, решаемая в полезной модели, заключается в создании знакопеременного магнитного поля в воздушном зазоре между зубцами двух магнитопроводов, радиальную составляющую которого измеряют магниточувствительные элементы при вращении ротора, и в получении на выходе двух или в количестве кратном двум магниточувствительных элементов двуполярных выходных сигналов, соответственно приближенных по форме к синусу и косинусу с многократным их повторением при повороте вала на 360°.The problem to be solved in the utility model is to create an alternating magnetic field in the air gap between the teeth of two magnetic cores, the radial component of which is measured by magnetically sensitive elements during rotation of the rotor, and to obtain two or in multiples of two magnetically sensitive elements of bipolar output signals, respectively approximate, at the output in shape to the sine and cosine with their repeated repetition when the shaft rotates 360 °.

Решение задачи достигается тем, что в бесконтактном прецизионном датчике углового положения вала, содержащем подвижный ротор, на немагнитном валу которого установлены аксиально намагниченный кольцевой магнит с примыкающими к его торцевым поверхностям магнитопроводами с количеством Z секторных зубцов, охватывающее магнит упрочняющее немагнитное кольцо, и неподвижный статор с магниточувствительными элементами, например, элементами Холла, расположенными в зазоре между зубцами магнитопроводов, согласно полезной модели, магнитопроводы выполнены в форме колец с выступающими секторными зубцами встречно друг к другу и сдвинутыми по окружности относительно друг друга на расстояние полушага своих зубцов Р/2, охватывающее магнит упрочняющее немагнитное кольцо выполнено с выступом, в который упираются края зубцов магнитопроводов, два миниатюрных элемента Холла установлены на одном зонде радиально на расстоянии А друг от друга, зависящем от количества зубцов Z магнитопровода, зонд с двумя элементами Холла на статоре расположен в радиальном отверстии, на статоре установлено несколько зондов с элементами Холла.The solution is achieved by the fact that in a non-contact precision shaft angular position sensor containing a movable rotor, on a non-magnetic shaft of which there is an axially magnetized ring magnet with magnetic circuits adjacent to its end surfaces with the number Z of sector teeth, a reinforcing non-magnetic ring enclosing the magnet, and a fixed stator with magnetically sensitive elements, for example, Hall elements located in the gap between the teeth of the magnetic cores, according to a utility model, magnetic cores made in the form of rings with protruding sector teeth opposite to each other and shifted around the circumference relative to each other by the half-pitch of their P / 2 teeth, a magnet-strengthening non-magnetic ring is made with a protrusion in which the edges of the magnetic circuit teeth abut, two miniature Hall elements are mounted on one probe radially at a distance A from each other, depending on the number of teeth Z of the magnetic circuit, the probe with two Hall elements on the stator is located in the radial hole, the stator is installed several probes with Hall elements.

В воздушном зазоре между зубцами магнитопроводов создано знакопеременное магнитное поле, радиальную составляющую которого при вращении ротора измеряют миниатюрные элементы Холла, установленные попарно на зондах неподвижного статора, на выходе которых, за счет их взаимного расположения, формируются выходные двуполярные сигналы соответственно в форме синуса и косинуса.An alternating magnetic field is created in the air gap between the teeth of the magnetic cores, the radial component of which, when the rotor rotates, measures miniature Hall elements mounted in pairs on probes of a fixed stator, at the output of which, due to their mutual arrangement, output bipolar signals are formed in the form of sine and cosine, respectively.

Технический результат заключается в создании в воздушном зазоре между зубцами магнитопроводов знакопеременного магнитного поля, радиальную составляющую которого при вращении ротора измеряют элементы Холла, и получении на выходе бесконтактного прецизионного датчика углового положения вала двуполярных выходных сигналов, приближенных по форме к синусу и косинусу, с многократным их повторением при повороте вала на 360°, что способствует повышению точности измерения положения вала в широком диапазоне рабочей температуры окружающей среды.The technical result consists in creating an alternating magnetic field in the air gap between the teeth of the magnetic cores, the radial component of which is measured by the Hall elements when the rotor rotates, and receiving at the output of the non-contact precision encoder of the shaft angular position of the bipolar output signals, similar in shape to the sine and cosine, with multiple repetition when rotating the shaft 360 °, which improves the accuracy of measuring the position of the shaft in a wide range of operating ambient temperature .

Конструкция бесконтактного прецизионного датчика углового положения вала представлена на фиг. 1-3, общий вид составных частей датчика показан на фиг. 4, места расположения элементов Холла относительно зубцов магнитопроводов и линии магнитной индукции в зазоре между магнитопроводами показаны на фиг. 5, зависимость изменения магнитной индукции в месте установки элемента Холла при перемещении по окружности зубцов магнитопроводов поясняется фиг. 6.The design of the non-contact precision shaft angle encoder is shown in FIG. 1-3, a general view of the sensor components is shown in FIG. 4, the locations of the Hall elements relative to the teeth of the magnetic cores and the magnetic induction line in the gap between the magnetic cores are shown in FIG. 5, the dependence of the change in magnetic induction at the installation site of the Hall element when moving around the circumference of the teeth of the magnetic circuits is illustrated in FIG. 6.

Бесконтактный прецизионный датчик углового положения вала содержит подвижный ротор, на немагнитном валу 1 (фиг. 1) которого установлены аксиально намагниченный кольцевой магнит 2 с примыкающими к его торцевым поверхностям магнитопроводами 3 и 4, имеющими форму колец с Z секторными зубцами, выступающими встречно друг к другу и сдвинутыми по окружности относительно друг друга на расстояние полушага своих зубцов Р/2, охватывающее магнит 2 упрочняющее немагнитное кольцо 5 выполнено с выступом, в который упираются концы зубцов магнитопроводов 3 и 4, неподвижный статор 6, выполненный в виде кольца с радиальными отверстиями, в которые установлены зонды 7 (фиг. 2) с закрепленными на каждом из них двумя миниатюрными элементами Холла 8 и 9 (фиг. 3), установленными радиально на расстоянии А между холловскими плоскостями магниточувствительных элементов, которое зависит от количества зубцов Z магнитопровода:The non-contacting precision sensor for the angular position of the shaft contains a movable rotor, on a non-magnetic shaft 1 (Fig. 1) which has an axially magnetized ring magnet 2 with magnetic circuits 3 and 4 adjacent to its end surfaces, having ring shapes with Z sector teeth protruding counter to each other and shifted around the circumference relative to each other by a half-step distance of their teeth P / 2, a magnet 2 strengthening the magnet 2 is made with a protrusion in which the ends of the teeth of the magnetic cores 3 abut 4, a fixed stator 6, made in the form of a ring with radial holes in which the probes 7 (Fig. 2) are mounted with two miniature Hall elements 8 and 9 (Fig. 3) fixed on each of them, mounted radially at a distance A between the Hall planes of magnetically sensitive elements, which depends on the number of teeth Z of the magnetic circuit:

где А - расстояние между холловскими плоскостями магниточувствительных элементов, установленных на зонде, мм;where A is the distance between the Hall planes of magnetically sensitive elements mounted on the probe, mm;

R - радиус окружности магнитопровода, проходящей через центр места установки элементов Холла в датчике, мм;R is the radius of the circumference of the magnetic circuit passing through the center of the installation site of the Hall elements in the sensor, mm;

Z - количество зубцов магнитопровода (где Z=16; 32; 64; 128; 256).Z is the number of teeth of the magnetic circuit (where Z = 16; 32; 64; 128; 256).

Внешний вид деталей датчика показан на фиг. 4.The appearance of the sensor parts is shown in FIG. four.

Получаемое магнитное поле в воздушном зазоре между зубцами магнитопроводов 3 и 4 изображено на фиг. 5, где проекция окружного сечения зубцов линейно развернута, формы величин магнитной индукции, измеряемых элементами Холла 8 и 9 при их перемещении по оси X, соответствуют косинусу и синусу (фиг. 6).The resulting magnetic field in the air gap between the teeth of the magnetic cores 3 and 4 is shown in FIG. 5, where the projection of the circumferential section of the teeth is linearly rotated, the shapes of the magnetic induction measured by the Hall elements 8 and 9 when they are moved along the X axis correspond to the cosine and sine (Fig. 6).

Наиболее близкими к синусу и косинусу формы двуполярных выходных сигналов элементов Холла обеспечиваются при соблюдении зависимости:The closest to the sine and cosine forms of the bipolar output signals of the Hall elements are provided subject to the dependence:

где Q - отношение шага зубцов к ширине зубцов магнитопровода;where Q is the ratio of the pitch of the teeth to the width of the teeth of the magnetic circuit;

P=S+E - шаг зубцов магнитопровода, мм;P = S + E is the pitch of the teeth of the magnetic circuit, mm;

S - окружная ширина зубцов 10 (фиг. 3) относительно центра места установки элементов Холла в датчике, мм;S is the circumferential width of the teeth 10 (Fig. 3) relative to the center of the installation site of the Hall elements in the sensor, mm;

Е - окружная ширина впадин 11 относительно центра места установки элементов Холла в датчике, мм.E is the circumferential width of the depressions 11 relative to the center of the installation site of the Hall elements in the sensor, mm

Упрочняющее немагнитное кольцо 5 (фиг. 1), охватывающее магнит и выполненное с выступом, в который упираются концы зубцов магнитопроводов 3 и 4, обеспечивает сохранение размеров воздушного зазора между секторными зубцами при высоких ударных механических воздействиях. Применение в статоре 6 нескольких зондов 7 с миниатюрными элементами Холла 8 и 9 (фиг. 2) позволяет дополнительно повысить точность измерения углового положения вала и обеспечить резервирование магниточувствительных элементов датчика, что, в свою очередь, повышает надежность датчика. Статор 6 может быть выполнен как часть конструкции корпуса электродвигателя, что приводит к уменьшению габаритов электродвигателя, упрощает его конструкцию и сборку. Выполнение магнитопроводов в форме колец с выступающими секторными зубцами встречно друг к другу без прорезей в кольцах уменьшает воздействие внешних магнитных полей на магниточувствительные элементы датчика, что дополнительно повышает точность измерения углового положения вала.Reinforcing non-magnetic ring 5 (Fig. 1), covering the magnet and made with a protrusion, in which the ends of the teeth of the magnetic cores 3 and 4 abut, ensures the preservation of the size of the air gap between the sector teeth with high impact mechanical stresses. The use in the stator 6 of several probes 7 with miniature Hall elements 8 and 9 (Fig. 2) can further improve the accuracy of measuring the angular position of the shaft and provide redundancy of magnetically sensitive sensor elements, which, in turn, increases the reliability of the sensor. The stator 6 can be made as part of the design of the motor housing, which leads to a decrease in the dimensions of the electric motor, simplifies its design and assembly. The implementation of magnetic cores in the form of rings with protruding sector teeth facing each other without slits in the rings reduces the effect of external magnetic fields on the magnetically sensitive elements of the sensor, which further increases the accuracy of measuring the angular position of the shaft.

Claims

1. A non-contact precision shaft angular position sensor containing a movable rotor, on a non-magnetic shaft of which an axially magnetized ring magnet with magnetic conductors with sector teeth adjacent to its end surfaces are mounted, a reinforcing non-magnetic ring enclosing the magnet, and a fixed stator with magnetically sensitive elements located in the gap between teeth of magnetic cores, characterized in that the magnetic cores are made in the form of rings with protruding sector teeth oriented in the area of the magnetic cores towards each other, while they are shifted in them circumferentially relative to each other by a half-step of their teeth, and the non-magnetic reinforcing ring enclosing the magnet is made with a protrusion in which the edges of the teeth of the magnetic cores abut, while the magnetically sensitive Hall elements are mounted in pairs on the stator in the radial hole and placed radially with an interval between the Hall planes of the magnetically sensitive elements in pairs, at a distance depending on the number of teeth of the magnetic circuit, Rich on the stator are symmetrically installed several pairs of Hall elements.

2. A non-contact precision shaft angle sensor according to claim 1, characterized in that the distance between the pairs of Hall elements is determined by the following relationship

where A is the distance between the Hall planes of magnetically sensitive elements installed by a pair, mm;

R is the radius of the circumference of the magnetic circuit passing through the center of the installation site of the Hall elements in the sensor, mm;

Z is the number of teeth of the magnetic circuit.