RU2069367C1

RU2069367C1 - Multichannel prm and turning angle transducer

Info

Publication number: RU2069367C1
Authority: RU
Original assignee: Золотарев Анатолий Александрович
Priority date: 1992-06-22
Filing date: 1992-06-22
Publication date: 1996-11-20

Abstract

FIELD: measuring equipment, in rotation parameters monitoring devices and diagnostic devices of control systems of steam, hydraulic and gas turbines. SUBSTANCE: in the shaft rmp and turning angle transducer, using a toothed rotor, stator consisting of a magnetic core with a winding and permanent magnet, the stator is supplemented with "n" magnetic cores with independent windings and "m" permanent magnets combined in a common magnetic core; the magnets are positioned between the inactive ends of the magnetic cores, and the magnet poles are oriented in such a manner that in each magnetic core, except for the first and n-th ones, magnetic fluxes are summed up, which enhances the level of the output signal. Besides, an increase of the output signal frequency at low epms of the shaft is attained by the fact that every three adjacent magnetic cores of "n" magnetic cores are combined in groups; at a coincidence of the ends plane of the middle magnetic core with the end plane of the rotor tooth the end plane of the previous magnetic core gets shifted relative to the external surface of the respective rotor tooth through angle $$$, and the end plane of the subsequent magnetic core gets shifted relative to the surface of the respective tooth through angle $$$. Besides, an increase of the level and frequency of the output signal at low rpms of the shaft are attained by the fact that a series and/or parallel connection of windings of "n" magnetic cores is accomplished. EFFECT: enhanced truth and accuracy of measurement of shaft rpm and turning angle, expanded functional capacities due to the increase of the level of output signal at nominal rpm and due to the increase of the output signal frequency at low rpm, as well as due to the increase of the resolving power at measurement of the shaft turning angle at nominal rpm and enhanced reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах контроля параметров вращения и диагностики системы регулирования паровых турбин. The invention relates to measuring technique and can be used in devices for monitoring rotation parameters and diagnostics of a steam turbine control system.

Известно устройство для контроля частоты вращения, содержащее асинхронную машину с короткозамкнутым ротором, двумя трехфазными обмотками, включенными последовательно (1). A device for controlling the rotational speed, comprising an asynchronous machine with a squirrel-cage rotor, two three-phase windings connected in series (1).

Однако, данное устройство имеет недостаточную точность, ограниченные функциональные возможности и ненадежно в эксплуатации. However, this device has insufficient accuracy, limited functionality and is unreliable in operation.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является датчик скорости, содержащий зубчатый ротор, статор, имеющий магнитопровод с выступами, на которых размещены обмотки. Варианты выполнения датчика отличаются размещением магнитов (2). Closest to the invention in technical essence is a speed sensor containing a gear rotor, a stator having a magnetic circuit with protrusions on which the windings are placed. Embodiments of the sensor are distinguished by the placement of magnets (2).

Основным недостатком такого датчика является недостаточная величина ЭДС в каждой обмотке из-за разделения общего магнитного потока между выступами. Это сужает функциональные возможности датчика, в частности, не позволяет использование его с аналоговыми вторичными приборами. Для решения такой задачи с известным датчиком необходимо использование усилителя в схеме измерения, что существенно снижает надежность и помехоустойчивость. The main disadvantage of this sensor is the insufficient value of the EMF in each winding due to the separation of the total magnetic flux between the protrusions. This limits the functionality of the sensor, in particular, does not allow its use with analog secondary devices. To solve this problem with a known sensor, it is necessary to use an amplifier in the measurement circuit, which significantly reduces the reliability and noise immunity.

Увеличение выходного сигнала датчика частоты вращения и угла поворота вала возможно следующими путями:
1) увеличением магнитного потока, создаваемого постоянными магнитами;
2) уменьшением потоков рассеивания;
3) уменьшением сопротивления магнитной цепи.The increase in the output signal of the speed sensor and the angle of rotation of the shaft is possible in the following ways:
1) an increase in magnetic flux generated by permanent magnets;
2) a decrease in dispersion fluxes;
3) a decrease in the resistance of the magnetic circuit.

Повышение магнитного потока за счет использования более "сильного" магнита является решением тривиальным. Техническое решение по п. 2 используется в прототипе. Наиболее эффективным решением является уменьшение сопротивления магнитной цепи. Это используется, в частности, в предлагаемом изобретении. Increasing the magnetic flux through the use of a stronger magnet is a trivial solution. The technical solution according to claim 2 is used in the prototype. The most effective solution is to reduce the resistance of the magnetic circuit. This is used, in particular, in the present invention.

Увеличение магнитного потока достигается объединением нескольких магнитопроводов с обмотками и постоянными магнитами в общий магнитопровод. Это позволяет суммировать магнитные потоки от смежных магнитов и организовать путь магнитного потока между полюсами в основном через магнитопроводы, что уменьшает величину потоков рассеивания. Кроме того, часть магнитопроводов с обмотками могут быть использованы как резервные, что повышает надежность датчика. Повышение достоверности и точности измерений в области низких частот вращения вала может быть достигнуто за счет увеличения числа импульсов датчика, приходящихся на один оборот вала или на определенный угол поворота, а также за счет одновременного увеличения амплитуды выходного сигнала. The increase in magnetic flux is achieved by combining several magnetic cores with windings and permanent magnets into a common magnetic circuit. This allows you to summarize the magnetic flux from adjacent magnets and organize the path of the magnetic flux between the poles mainly through the magnetic cores, which reduces the magnitude of the scattering fluxes. In addition, part of the magnetic cores with windings can be used as backup, which increases the reliability of the sensor. Improving the reliability and accuracy of measurements in the field of low shaft rotation frequencies can be achieved by increasing the number of sensor pulses per one revolution of the shaft or by a certain angle of rotation, as well as by simultaneously increasing the amplitude of the output signal.

Цель изобретения повышение достоверности и точности измерения частоты вращения и угла поворота вала при номинальной частоте и в области низких частот вращения, расширение функциональных возможностей и повышения надежности и помехоустойчивости схемы измерений. The purpose of the invention is to increase the reliability and accuracy of measuring the rotational speed and angle of rotation of the shaft at the nominal frequency and in the region of low rotational speeds, expanding the functionality and increasing the reliability and noise immunity of the measuring circuit.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом многоканальном датчике частоты вращения и угла поворота вала, содержащим зубчатый ротор, статор, состоящий из "n" автономных магнитопроводов с обмоткой и "m" постоянных магнитов, магнитопроводы с обмотками объединяются в общий магнитопровод путем размещения между нерабочими концами магнитопроводов "m" магнитов так, что в каждом магнитопроводе (кроме первого и "n") магнитные потоки суммируются. This goal is achieved by the fact that in the proposed multichannel sensor of speed and angle of rotation of the shaft, containing a gear rotor, a stator, consisting of "n" autonomous magnetic circuits with a winding and "m" permanent magnets, magnetic circuits with windings are combined into a common magnetic circuit by placing between non-working the ends of the magnetic cores of the "m" magnets so that in each magnetic circuit (except the first and the "n") the magnetic fluxes are added up.

Кроме того, с целью повышения достоверности и точности измерений в области низких частот вращения каждые три смежные из "n" магнитопроводов конструктивно объединяются в группы так, чтобы при точном совпадении торцевой плоскости среднего магнитопровода с наpужной поверхностью зуба ротора торцевая плоскость предшествующего магнитопровода была смещена относительно наружной поверхности соответствующего зуба ротора на угол "-Φ",, а торцевая плоскость последующего магнитопровода относительно поверхности своего зуба на угол "+Φ".. In addition, in order to increase the reliability and accuracy of measurements in the low-speed region, every three adjacent “n” magnetic cores are structurally combined into groups so that, with the exact coincidence of the end plane of the middle magnetic circuit with the outer surface of the rotor tooth, the end plane of the previous magnetic circuit is shifted relative to the outer the surface of the corresponding rotor tooth at an angle "-Φ", and the end plane of the subsequent magnetic circuit relative to the surface of its tooth at an angle of "+ Φ" ..

Кроме того, с целью повышения точности измерений угла поворота вала при номинальной частоте вращения и повышения достоверности и точности измерений в области низких частот вращения обмотки всех "n" магнитопроводов средней, предшествующей и последующей групп выполняются так, чтобы обеспечить возможность параллельного или последовательного соединения соответствующих обмоток между группами. In addition, in order to increase the accuracy of measuring the angle of rotation of the shaft at the nominal speed and to increase the reliability and accuracy of measurements in the low-frequency region of rotation, the windings of all the "n" magnetic circuits of the middle, previous and subsequent groups are made so as to allow parallel or serial connection of the corresponding windings between groups.

На фиг. 1 показан многоканальный датчик частоты вращения и угла поворота вала (эскиз). In FIG. 1 shows a multi-channel speed sensor and shaft rotation angle (sketch).

Датчик содержит изготовленный из ферромагнитного материала и соединенный с контролируемым валом зубчатый ротор 1 с выступами 2 и статор, являющийся собственно чувствительным элементом датчика, закрепленный на каком-либо неподвижном кронштейне (не показан). The sensor contains a gear rotor 1 with protrusions 2 made of ferromagnetic material and connected to a controlled shaft, and a stator, which is the sensor itself, is mounted on some fixed bracket (not shown).

Статор содержит "n" радиально расположенных магнитопроводов 3, поперечное сечение каждого из которых соответствует конфигурации и сечению выступа 2. На каждом из магнитопроводов закреплена катушка 4 с обмоткой 5. На нерабочих концах каждого магнитопровода устанавливаются кольцевые магниты 6, поляризованные в осевом направлении, при этом они располагаются так, что в каждом магнитопроводе (кроме первого и последнего) магнитные потоки суммируются. Магнитопроводы размещаются в общем корпусе 7 и закрепляются так, чтобы обеспечить определенное положение каждой группы, состоящей из трех магнитопроводов (среднего, предшествующего и последующего) относительно выступов 2 ротора. Это положение такого: когда торцевая поверхность среднего в группе магнитопровода совпадает точно с торцевой поверхностью выступа, торцевая поверхность предшествующего магнитопровода смещена относительно оси соответствующего выступа на угол "-Φ",, а последующего на угол "+Φ".. The stator contains "n" radially arranged magnetic cores 3, the cross-section of each of which corresponds to the configuration and section of the protrusion 2. A coil 4 with a winding 5 is fixed on each of the magnetic cores. Ring magnets 6 are mounted on the non-working ends of each magnetic circuit, axially polarized, they are arranged so that in each magnetic circuit (except the first and last) magnetic fluxes are added up. Magnetic cores are placed in a common housing 7 and are fixed so as to provide a certain position for each group consisting of three magnetic cores (middle, previous and subsequent) relative to the protrusions 2 of the rotor. This position is this: when the end surface of the middle in the group of magnetic cores coincides exactly with the end surface of the protrusion, the end surface of the previous magnetic circuit is shifted relative to the axis of the corresponding protrusion by the angle "-Φ", and the next by the angle "+ Φ" ..

Многоканальный датчик частоты вращения и угла поворота вала работает следующим образом:
Магнитные потоки, создаваемые постоянными магнитами 6, проходят по цепи: магнитопровод "n" воздушный зазор между рабочим концом магнитопровода "n" и выступом 2 ротора 1 выступы 2 против магнитопроводов "n-1" и "n-1" - воздушные зазоры между выступами 2 и рабочими концами магнитопроводов "n-1" и "n-1" магнитопроводы "n-1" и "n-1". Такой путь магнитного потока существенно снижает потоки рассеивания.A multichannel sensor for speed and angle of rotation of the shaft operates as follows:
The magnetic flux generated by the permanent magnets 6 passes through the circuit: the magnetic circuit "n" the air gap between the working end of the magnetic circuit "n" and the protrusion 2 of the rotor 1 protrusions 2 against the magnetic circuits "n-1" and "n-1" - the air gaps between the protrusions 2 and the working ends of the magnetic cores "n-1" and "n-1" magnetic cores "n-1" and "n-1". This magnetic flux path substantially reduces diffusion fluxes.

Магнитное сопротивление этой цепи от величины воздушного зазора между рабочими концами магнитопроводов "n", "n-1" и"n-1" и ротора 1, которое изменяется в зависимости от того находится ли напротив рабочих концов магнитопроводов "n", "n-1" и "n-1" и ротором 1 выступы 2 или впадины. The magnetic resistance of this circuit from the size of the air gap between the working ends of the magnetic cores "n", "n-1" and "n-1" and the rotor 1, which varies depending on whether the opposite ends of the magnetic cores "n", "n- 1 "and" n-1 "and rotor 1 ledges 2 or hollows.

При вращении контролиpуемого вала и соединенного с ним зубчатого ротора 1 периодическое изменение воздушного зазора между рабочими концами магнитопроводов "n", "n-1" и "n-1" и ротором 1 и связанное с этим изменение полного магнитного сопротивления пропорциональные изменения магнитного потока, который в каждой обмотке 5 датчика наводит ЭДС в "n-1" и "n-1" обмотках сдвинуты по фазе на угол "-Φ" и "+Φ" соответственно. When the controlled shaft and the gear rotor 1 connected to it rotate, a periodic change in the air gap between the working ends of the magnetic cores "n", "n-1" and "n-1" and the rotor 1 and the associated change in the total magnetic resistance are proportional to the changes in the magnetic flux, which in each winding 5 of the sensor induces EMF in the "n-1" and "n-1" windings are phase-shifted by an angle of "-Φ" and "+ Φ" respectively.

Многоканальный датчик частоты вращения и угла поворота вала работает в следующих режимах:
1) режим измерения частоты вращения вала в области номинальных частот (режим 1).The multichannel sensor of speed and angle of rotation of the shaft operates in the following modes:
1) the mode of measuring the shaft speed in the range of rated frequencies (mode 1).

2) режим измерения частоты вращения при малых частотах вращения (режим 2). 2) the mode of measuring the speed at low speeds (mode 2).

3) режим измерения угла поворота вала при номинальной частоте вращения вала (режим 3). 3) the mode of measuring the angle of rotation of the shaft at the nominal frequency of rotation of the shaft (mode 3).

При работе в режиме 1 обмотки катушек первой группы непосредственно соединены с входами аналоговых и частотных вторичных приборов. Обмотки всех остальных групп находятся в разомкнутом состоянии. При отказе какой-либо из обмоток первой группы имеется возможность подключить соответствующую обмотку второй группы и т.д. When operating in mode 1, the windings of the coils of the first group are directly connected to the inputs of analog and frequency secondary devices. The windings of all other groups are in the open state. In case of failure of any of the windings of the first group, it is possible to connect the corresponding winding of the second group, etc.

При снижении частоты вращения вала номинальной на 90% и более, существенно снижается амплитуда выходного сигнала и возрастает период, что не обеспечивает требуемую достоверность измерений. Для увеличения амплитуды выходного сигнала все соответствующие обмотки групп можно включить последовательно. На выходе каждой из групп амплитуда (напряжение) выходного сигнала увеличивается в "n" раз. When reducing the nominal shaft speed by 90% or more, the amplitude of the output signal decreases significantly and the period increases, which does not provide the required reliability of the measurements. To increase the amplitude of the output signal, all the corresponding windings of the groups can be switched on in series. At the output of each group, the amplitude (voltage) of the output signal increases "n" times.

При необходимости может быть увеличена также и частота выходного сигнала. Для этого необходимо обеспечить одновременно параллельное включение соответствующих обмоток всех групп. Поскольку фаза выходного сигнала каждой из обмоток внутри группы сдвинута на угол "Φ",, то к прибору будет поступать сигнал утроенной частоты. If necessary, the output frequency can also be increased. To do this, it is necessary to ensure simultaneous parallel connection of the corresponding windings of all groups. Since the phase of the output signal of each of the windings within the group is shifted by the angle "Φ", a signal of triple frequency will be supplied to the device.

При измерении угла поворота вала (режим 3), в частности при номинальной частоте вращения (крутильные колебания) для повышения разрешающей способности датчика необходимо увеличить частоту сигнала. Это может быть достигнуто за счет параллельно включения двух или трех катушек, находящихся в работе. When measuring the angle of rotation of the shaft (mode 3), in particular at the nominal speed (torsional vibrations), to increase the resolution of the sensor, it is necessary to increase the signal frequency. This can be achieved by simultaneously turning on two or three coils in operation.

Claims

A multichannel sensor of rotational speed and angle of rotation of the shaft, comprising a gear rotor, a stator, consisting of a magnetic circuit with windings and a permanent magnet, characterized in that the stator is additionally equipped with n magnetic circuits with autonomous windings and m permanent magnets integrated into a common magnetic circuit, while the magnets are placed between the non-working ends of the magnetic cores, and the orientation of the poles of the magnets corresponds to the condition of ensuring the summation of magnetic fluxes in each magnetic circuit, except the first and nth, every three adjacent from n magnetic cores are combined into groups, and when the end plane of the middle magnetic circuit coincides with the end surface of the rotor tooth, the end plane of the previous magnetic circuit is offset relative to the outer surface of the corresponding rotor tooth by -Φ, and the end surface of the subsequent magnetic circuit relative to the surface of the corresponding tooth by + Φ, while the corresponding windings between the groups are connected in parallel and (or) in series.