RU2378613C2 - Contactless transducer of shaft angular position - Google Patents
Contactless transducer of shaft angular position Download PDFInfo
- Publication number
- RU2378613C2 RU2378613C2 RU2005120100/28A RU2005120100A RU2378613C2 RU 2378613 C2 RU2378613 C2 RU 2378613C2 RU 2005120100/28 A RU2005120100/28 A RU 2005120100/28A RU 2005120100 A RU2005120100 A RU 2005120100A RU 2378613 C2 RU2378613 C2 RU 2378613C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnet
- rotor
- magnetic
- sensor
- sensitive element
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Данное изобретение относится к линейным электронным устройствам преобразования углового положения вала в электрический сигнал и может быть использовано в различных системах измерения угловых величин, например в измерительных системах автомобиля.This invention relates to linear electronic devices for converting the angular position of the shaft into an electrical signal and can be used in various systems for measuring angular values, for example, in measuring systems of a car.
Известно простое линейное устройство преобразования углового положения вала в выходное напряжение, представляющее собой потенциометр, на который подано постоянное напряжение, а выходной сигнал снимается с движка потенциометра [1]. Подобный датчик обладает высокой линейностью преобразования, но из-за износа трущихся подвижной и неподвижной частей недолговечен. Кроме того, непостоянство контакта этих частей при повороте вала приводит к появлению шума в выходном сигнале.A simple linear device for converting the angular position of the shaft into the output voltage is known, which is a potentiometer, to which a constant voltage is applied, and the output signal is removed from the potentiometer engine [1]. Such a sensor has a high linearity of conversion, but due to wear of the rubbing moving and stationary parts is short-lived. In addition, the inconsistency of the contact of these parts during rotation of the shaft leads to noise in the output signal.
Известен бесконтактный датчик углового положения вала [1], содержащий намагниченный радиально цилиндрический ротор-магнит и расположенный снаружи, рядом с его цилиндрической стенкой, неподвижный магниточувствительный элемент, направление чувствительности которого перпендикулярно оси вращения ротора-магнита и пересекает ее. Кроме того, собственная ось ротора-магнита и ось его вращения рассовмещены, но параллельны друг другу, что позволяет получить зависимую от угла поворота величину зазора между ротором-магнитом и чувствительным элементом. При соответствующем выборе размеров деталей конструкции здесь можно достичь нелинейности выходной характеристики датчика менее 1%. Однако из-за малого расстояния между ротором-магнитом и магниточувствительным элементом, обеспечивающего достаточную для работы магниточувствительного элемента крутизну изменения магнитного поля в точке его расположения, погрешности изготовления деталей и нестабильность закона изменения зазора между магниточувствительным элементом и ротором-магнитом приводят к нестабильности выходной характеристики. Так, например, при зазоре 5 мм и смещении оси вращения ротора-магнита вследствие неточности изготовления и/или износа деталей датчика на величину 0,1 мм относительное отклонение выходного сигнала от исходного значения составит 0,1/5·100=2%. Таким образом, срок службы такого датчика существенно ограничен естественным процессом износа деталей.Known non-contact sensor of the angular position of the shaft [1], containing a magnetized radially cylindrical rotor magnet and located outside, next to its cylindrical wall, a stationary magnetically sensitive element, the sensitivity direction of which is perpendicular to the axis of rotation of the rotor magnet and crosses it. In addition, the intrinsic axis of the magnet rotor and its axis of rotation are aligned, but parallel to each other, which makes it possible to obtain a gap between the rotor magnet and the sensing element dependent on the angle of rotation. With the appropriate choice of sizes of structural parts, here you can achieve non-linearity of the output characteristic of the sensor less than 1%. However, due to the small distance between the magnet rotor and the magnetosensitive element, which provides a steepness of change in the magnetic field at the point of its location sufficient for the operation of the magnetically sensitive element, manufacturing error of parts, and the instability of the law of variation of the gap between the magnetically sensitive element and the magnet rotor leads to instability of the output characteristic. So, for example, with a gap of 5 mm and a shift of the axis of rotation of the magnet rotor due to inaccurate manufacturing and / or wear of the sensor parts by 0.1 mm, the relative deviation of the output signal from the original value will be 0.1 / 5 · 100 = 2%. Thus, the service life of such a sensor is significantly limited by the natural process of wear of parts.
Известны бесконтактные датчики углового положения вала, содержащие линейный (например, в виде параллелепипеда) или кольцевой ротор-магнит и неподвижный магниточувствительный элемент, реагирующий на угловое положение вектора магнитной индукции в плоскости, совпадающей с направлением чувствительности магниточувствительного элемента [2]. В этих датчиках используется совместная обработка синусоидального и косинусоидального сигнала магниточувствительного элемента, а зависимость выходного сигнала от величины магнитной индукции устранена. Благодаря этому линейность характеристики датчиков и ее стабильность высокие. Но из-за сложной процедуры математической обработки сигналов магниточувствительного элемента стоимость таких датчиков относительно высокая.Known proximity sensors of the angular position of the shaft, containing a linear (for example, in the form of a parallelepiped) or ring rotor magnet and a stationary magnetically sensitive element that responds to the angular position of the magnetic induction vector in a plane that coincides with the direction of sensitivity of the magnetically sensitive element [2]. These sensors use joint processing of the sinusoidal and cosine signals of the magnetically sensitive element, and the dependence of the output signal on the magnitude of the magnetic induction is eliminated. Due to this linearity of the characteristics of the sensors and its stability are high. But due to the complicated mathematical processing of the signals of the magnetically sensitive element, the cost of such sensors is relatively high.
Известен также наиболее близкий к заявляемому и принятый в качестве прототипа бесконтактный датчик углового положения вала, имеющий следующие общие с заявляемым датчиком существенные признаки, а именно: соосный с валом кольцевой ротор-магнит, намагниченный поперек оси так, что у одного его полукольца векторы индукции направлены наружу, а у другого - вовнутрь, а также расположенный неподвижно в центре его внутренней полости магниточувствительный элемент, направление чувствительности которого лежит в плоскости ротора-магнита [1]. Эти признаки являются также достаточными признаками для полного описания прототипа. Этот датчик мало чувствителен к смещению оси ротора-магнита, поскольку магнитное поле в центральной его области однородно. К недостаткам данного датчика следует отнести наличие синусоидальной зависимости выходного сигнала от угла поворота вала. Нелинейность характеристики такого датчика обычно не лучше 6% в диапазоне углов поворота вала ~90 градусов. Для доказательства этого ниже приведен расчет нелинейности датчика-прототипа, преобразующего значения проекции вектора магнитной индукции на направление чувствительности магниточувствительного элемента в выходное напряжение, изменяющееся в диапазоне от 0,52 до 4,4 вольта при изменении углов поворота вала от -45 до +45 градусов относительно направления, перпендикулярного направлению чувствительности. Для идеально линейной характеристики справедлива формула:Also known is the proximity sensor of the shaft angular position closest to the claimed one and adopted as a prototype, having the following essential features common with the claimed sensor, namely: an annular rotor magnet coaxial with the shaft magnetized across the axis so that one of its half rings has induction vectors outward, and in the other, inwardly, as well as a magnetically sensitive element located motionless in the center of its internal cavity, the direction of sensitivity of which lies in the plane of the magnet rotor [1]. These features are also sufficient features to fully describe the prototype. This sensor is slightly sensitive to the displacement of the axis of the rotor-magnet, since the magnetic field in its central region is uniform. The disadvantages of this sensor include the presence of a sinusoidal dependence of the output signal on the angle of rotation of the shaft. The non-linearity of the characteristics of such a sensor is usually not better than 6% in the range of shaft rotation angles of ~ 90 degrees. To prove this, the following is a calculation of the non-linearity of the prototype sensor, which converts the projection values of the magnetic induction vector on the direction of sensitivity of the magnetically sensitive element into the output voltage, varying in the range from 0.52 to 4.4 volts when changing the angle of rotation of the shaft from -45 to +45 degrees relative to the direction perpendicular to the direction of sensitivity. For a perfectly linear characteristic, the following formula is true:
где U - текущее значение выходного напряжения датчика;where U is the current value of the output voltage of the sensor;
U1=0,52 В;U 1 = 0.52 V;
U2=4,4 В;U 2 = 4.4 V;
φ1=-45°;φ 1 = -45 °;
φ2=+45°;φ 2 = + 45 °;
φ - текущее значение угла поворота вала.φ is the current value of the angle of rotation of the shaft.
Реальные значения выходного напряжения датчика, при условии такой его калибровки, когда начальные и конечные значения его выходного напряжения совпадают с соответствующими значениями выходного напряжения идеально линейного датчика, определяются по формуле:The actual values of the output voltage of the sensor, provided that it is calibrated when the initial and final values of its output voltage coincide with the corresponding values of the output voltage of an ideally linear sensor, are determined by the formula:
где Ur - реальное напряжение на выходе датчика;where U r is the actual voltage at the output of the sensor;
Br - текущее значение проекции индукции в точке расположения магниточувствительного элемента на его направление чувствительности;B r is the current value of the projection of induction at the location of the magnetically sensitive element on its direction of sensitivity;
B1 - то же при φ=φ1;B 1 - the same for φ = φ 1 ;
В2 - то же при φ=φ2.In 2 - the same for φ = φ 2 .
Для проекции вектора индукции с модулем В0 на направлении чувствительности магниточувствительного элемента справедливы выражения:For the projection of the induction vector with module B 0 on the sensitivity direction of the magnetically sensitive element, the following expressions are valid:
Br=B0sinφB r = B 0 sinφ
B1=B0sinφl B 1 = B 0 sinφ l
B2=B0sinφ2 B 2 = B 0 sinφ 2
Формула для расчета относительной нелинейности датчика-прототипа:The formula for calculating the relative non-linearity of the prototype sensor:
Результаты расчета нелинейности датчика-прототипа представлены в виде графика на фиг.1, откуда видно, что максимум нелинейности характеристики датчика составляет около 7%. В случае радиальной намагниченности ротора магнита суммарная составляющая индукции в направлении чувствительности чувствительного элемента определяется по формуле:The results of calculating the non-linearity of the prototype sensor are presented in the form of a graph in figure 1, which shows that the maximum non-linearity of the sensor characteristics is about 7%. In the case of the radial magnetization of the magnet rotor, the total induction component in the direction of sensitivity of the sensing element is determined by the formula:
Отсюда видно, что закон изменения полезной составляющей индукции магнитного поля в точке расположения чувствительного элемента - синусоидальный, независимо от того, как намагничен ротор-магнит - диаметрально или радиально. То есть нелинейность датчика-прототипа имеет одинаковые значения при радиальном и диаметральном намагничивании ротора-магнита.This shows that the law of variation of the useful component of the magnetic field induction at the point of location of the sensing element is sinusoidal, regardless of how the rotor magnet is magnetized - diametrically or radially. That is, the non-linearity of the prototype sensor has the same values for radial and diametral magnetization of the rotor magnet.
Следует также отметить, что, вследствие зависимости магнитного потока внутри кольцевого ротора-магнита от магнитного сопротивления наружной по отношению к нему среды, на характеристику датчика-прототипа оказывают влияние внешние предметы из ферромагнитных материалов.It should also be noted that, due to the dependence of the magnetic flux inside the annular rotor-magnet on the magnetic resistance of the environment external to it, the characteristics of the prototype sensor are influenced by external objects made of ferromagnetic materials.
Чувствительность прототипа к углу поворота вала невысокая ввиду значительной протяженности пути силовых линий магнитного поля по воздуху.The sensitivity of the prototype to the angle of rotation of the shaft is low due to the significant length of the path of the lines of force of the magnetic field through the air.
Каждый из приведенных выше аналогов не удовлетворяет одновременно высоким требованиям к линейности характеристики и к ее устойчивости по отношению к производственным дефектам и естественному износу.Each of the above analogues does not simultaneously satisfy the high requirements for the linearity of the characteristic and its stability with respect to manufacturing defects and natural wear.
Основная задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в соединении полезных свойств известных устройств в едином датчике углового положения вала. К этим свойствам относятся: линейность и стабильность характеристики датчика независимо от неточности изготовления и износа его деталей, а также защищенность от влияния близкорасположенных предметов из ферромагнитных материалов и внешних магнитных полей. Кроме того, перед изобретением ставится задача повышения чувствительности датчика к углу поворота вала, что позволило бы снизить требование к величине индукции поля ротора-магнита.The main task that the invention solves is to combine the useful properties of known devices in a single shaft angular position sensor. These properties include: linearity and stability of the sensor’s characteristics regardless of manufacturing inaccuracies and wear of its parts, as well as protection against the influence of closely spaced objects from ferromagnetic materials and external magnetic fields. In addition, the invention aims at increasing the sensitivity of the sensor to the angle of rotation of the shaft, which would reduce the requirement for the magnitude of the induction of the field of the rotor magnet.
Техническим результатом решения поставленной задачи с помощью предлагаемого изобретения является снижение нелинейности выходной характеристики датчика, повышение ее устойчивости к производственным погрешностям изготовления деталей и их износу в процессе эксплуатации датчика, к влиянию внешних магнитных полей и близкорасположенных предметов из ферромагнитных материалов, а также повышение чувствительности датчика к углу поворота вала.The technical result of solving the problem using the present invention is to reduce the non-linearity of the output characteristic of the sensor, increase its stability to manufacturing errors in the manufacture of parts and their wear during operation of the sensor, to the influence of external magnetic fields and nearby objects made of ferromagnetic materials, as well as to increase the sensitivity of the sensor to angle of rotation of the shaft.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в известном устройстве датчика углового положения вала, содержащем соосный с валом кольцевой ротор-магнит, намагниченный поперек оси так, что у одного его полукольца векторы индукции направлены наружу, а у другого вовнутрь, а также расположенный неподвижно в центре его внутренней полости магниточувствительный элемент, направление чувствительности которого лежит в плоскости ротора-магнита, ротор-магнит намагничен радиально со спаданием поля от центра к краям каждого полукольца, а в его внутренней полости неподвижно и симметрично размещены два одинаковых сегмента-магнитопровода, образующие немагнитные зазоры с ротором-магнитом, а также эквидистантную немагнитную щель между собой, поперечную направлению чувствительности магниточувствительного элемента, причем вся конструкция помещена соосно в цилиндрический магнитный экран.The essence of the invention lies in the fact that in the known device of the sensor of the angular position of the shaft, containing an annular rotor magnet coaxial with the shaft, magnetized across the axis so that one of its half rings has the induction vectors outward and the other inward, and also located motionless in the center of its inner cavity is a magnetically sensitive element whose sensitivity direction lies in the plane of the rotor-magnet, the rotor-magnet is magnetized radially with the field decreasing from the center to the edges of each half-ring, and in th inner cavity fixedly and two identical segment-magnetic symmetrically arranged forming nonmagnetic clearance with the rotor-magnet and nonmagnetic equidistant gap between a transverse direction of sensitivity magnetosensitive element, wherein the whole structure is placed coaxially in the cylindrical magnetic shield.
К существенным признакам данного изобретения относятся:The essential features of this invention include:
- наличие соосного с валом кольцевого ротора-магнита с такой поперечной оси радиальной намагниченностью, при которой векторы индукции одного его полукольца направлены наружу, а другого вовнутрь, причем полукольца намагничены со спаданием поля от их центров к краям;- the presence of an annular rotor magnet coaxial with the shaft with a transverse axis of radial magnetization, in which the induction vectors of one of its half rings are directed outward and the other inward, and the half rings are magnetized with the field dropping from their centers to the edges;
- наличие неподвижно расположенного в центре ротора-магнита магниточувствительного элемента, чувствительность которого ориентирована в направлении, лежащем в плоскости ротора-магнита;- the presence of a magnetically sensitive element fixedly located in the center of the magnet rotor, the sensitivity of which is oriented in the direction lying in the plane of the magnet rotor;
- наличие пары одинаковых сегментов-магнитопроводов, расположенных неподвижно и симметрично во внутренней полости ротора-магнита и образующих немагнитные зазоры с ротором-магнитом, а также эквидистантную немагнитную щель между собой;- the presence of a pair of identical segments of the magnetic circuits, which are stationary and symmetrical in the inner cavity of the magnet rotor and form non-magnetic gaps with the magnet rotor, as well as an equidistant non-magnetic gap between themselves;
- наличие соосного с датчиком цилиндрического магнитного экрана, охватывающего всю конструкцию датчика.- the presence of a cylindrical magnetic screen coaxial with the sensor, covering the entire design of the sensor.
К существенным отличительным признакам предлагаемого изобретения относятся:The essential distinguishing features of the invention include:
- ротор-магнит намагничен радиально, причем его полукольца намагничены со спаданием намагничивающего поля от их центров к краям;- the rotor magnet is magnetized radially, and its semicircles are magnetized with a decrease in the magnetizing field from their centers to the edges;
- наличие пары сегментов-магнитопроводов, размещенных неподвижно, симметрично и соосно во внутренней полости ротора-магнита и образующих немагнитные зазоры с ротором-магнитом, а также эквидистантную немагнитную щель между собой;- the presence of a pair of segments of magnetic circuits, which are stationary, symmetrical and coaxial in the inner cavity of the magnet rotor and form non-magnetic gaps with the magnet rotor, as well as an equidistant non-magnetic gap between them;
- наличие соосного с датчиком цилиндрического магнитного экрана, охватывающего всю конструкцию датчика.- the presence of a cylindrical magnetic screen coaxial with the sensor, covering the entire design of the sensor.
В одном из приведенных аналогов ротор-магнит тоже намагничен радиально, причем эта намагниченность так же, как и в предлагаемом датчике, служит для улучшения линейности характеристики. Однако вся совокупность признаков датчика-аналога, включая радиальную намагниченность ротора-магнита, не обеспечивает получение высокой стабильности характеристики. В предлагаемом же датчике обе проблемы решены положительно. В датчике-прототипе возможно применение радиальной намагниченности. Но линейность характеристики датчика-прототипа не зависит от характера намагниченности. Для него существенным признаком является только намагниченность в плоскости магнита, обеспечивающая наличие ненулевого поля в центре, где расположен магниточувствительный элемент.In one of the above analogues, the rotor magnet is also magnetized radially, and this magnetization, as in the proposed sensor, serves to improve the linearity of the characteristic. However, the entire set of features of the analog sensor, including the radial magnetization of the rotor magnet, does not provide high stability characteristics. In the proposed sensor, both problems are solved positively. In the prototype sensor, the use of radial magnetization is possible. But the linearity of the characteristics of the prototype sensor does not depend on the nature of the magnetization. An important sign for him is only magnetization in the plane of the magnet, which ensures the presence of a nonzero field in the center where the magnetically sensitive element is located.
Магнитный экран в предлагаемом датчике выполняет несколько функций: во-первых, компенсацию нелинейности характеристики датчика, во-вторых, снижение влияния на характеристику датчика внешних полей и предметов из ферромагнитных материалов, в-третьих, повышение чувствительности датчика к углу поворота вала. Сегменты-магнитопроводы участвуют в линеаризации характеристики датчика и повышении его чувствительности к углу поворота вала.The magnetic screen in the proposed sensor performs several functions: firstly, compensating for the non-linearity of the sensor’s characteristics, secondly, reducing the influence of external fields and objects from ferromagnetic materials on the sensor’s characteristics, thirdly, increasing the sensor’s sensitivity to the angle of rotation of the shaft. Segments-magnetic cores are involved in linearizing the characteristics of the sensor and increasing its sensitivity to the angle of rotation of the shaft.
На фиг.1 показана зависимость относительной нелинейности датчика-прототипа от углового положения вала. Нелинейность обусловлена синусоидальной зависимостью величины проекции вектора магнитной индукции на направление чувствительности магниточувствительного элемента и превышает 6%.Figure 1 shows the dependence of the relative nonlinearity of the prototype sensor from the angular position of the shaft. The nonlinearity is due to the sinusoidal dependence of the magnitude of the projection of the magnetic induction vector on the direction of sensitivity of the magnetically sensitive element and exceeds 6%.
На фиг.2 приведено поперечное сечение предлагаемого датчика, содержащего магниточувствительный элемент 1, ротор-магнит 2, сегменты-магнитопроводы 3 и магнитный экран 4. Примечание: показанное на чертеже деление ротора-магнита на секторы использовалось при моделировании его магнитного поля для случая радиального намагничивания.Figure 2 shows the cross section of the proposed sensor containing a magnetically sensitive element 1, a rotor magnet 2, segments of the magnetic circuit 3 and a magnetic screen 4. Note: the division of the rotor magnet into sectors shown in the drawing was used to model its magnetic field for the case of radial magnetization .
На фиг.3, 4 показан ход силовых линий в элементах датчика при среднем положении ротора-магнита и при его повороте на угол 45 градусов.Figure 3, 4 shows the course of the lines of force in the sensor elements with the average position of the rotor magnet and when it is rotated through an angle of 45 degrees.
На фиг.5, 6 приводится распределение векторов магнитной индукции в элементах датчика при среднем положении ротора-магнита и при его повороте на угол 45 градусов. Если ротор-магнит повернуть на угол -45 градусов относительно среднего положения, то направление векторов индукции в щели между сегментами изменится на противоположное.Figure 5, 6 shows the distribution of the magnetic induction vectors in the sensor elements with the average position of the magnet rotor and when it is rotated through an angle of 45 degrees. If the rotor magnet is rotated by an angle of -45 degrees relative to the middle position, then the direction of the induction vectors in the gap between the segments will change to the opposite.
На фиг.7 приводится расчетная характеристика нелинейности предлагаемого датчика.Figure 7 shows the calculated characteristic nonlinearity of the proposed sensor.
На фиг.8 схематически показана зависимость относительного изменения индукции от направления отклонения оси ротора-магнита на величину, равную 0,1 миллиметра, при фиксированном угле поворота ротора-магнита 45 градусов.On Fig schematically shows the dependence of the relative change in induction on the direction of deviation of the axis of the rotor magnet by an amount equal to 0.1 mm, with a fixed angle of rotation of the rotor magnet of 45 degrees.
В конструкции предлагаемого датчика, схематически представленной на фиг.2 в виде его поперечного оси сечения, между сегментами-магнитопроводами 3, ротором-магнитом 2 и магнитным экраном 4 имеются эквидистантные немагнитные зазоры. Вращающейся частью датчика является только ротор-магнит. Сегменты-магнитопроводы расположены симметрично во внутренней полости ротора-магнита. Причем щель между ними ориентирована в направлении среднего углового положения ротора-магнита, при котором середины его полуколец совпадают с линией продольной симметрии щели. Направление чувствительности магниточувствительного элемента поперечно щели.In the design of the proposed sensor, schematically shown in figure 2 in the form of its transverse axis of the section, between the segments-magnetic circuits 3, the rotor-magnet 2 and the magnetic screen 4 there are equidistant non-magnetic gaps. The rotating part of the sensor is only the rotor magnet. Segments-magnetic circuits are located symmetrically in the inner cavity of the rotor-magnet. Moreover, the gap between them is oriented in the direction of the average angular position of the rotor magnet, at which the midpoints of its half rings coincide with the line of longitudinal symmetry of the gap. The direction of sensitivity of the magnetically sensitive element is transverse to the gap.
В данной конструкции силовые линии магнитного поля кольцевого ротора-магнита (фиг.3, 4) замыкаются через наружные и внутренние немагнитные зазоры и щель, а также через сегменты-магнитопроводы и магнитный экран, выполненные из ферромагнитного материала. Путь каждой силовой линии в общем случае может быть описан следующей последовательностью: наружная цилиндрическая поверхность ротора-магнита - немагнитный зазор между ротором-магнитом и магнитным экраном - магнитный экран - немагнитный зазор между магнитным экраном и ротором-магнитом - наружная поверхность ротора-магнита - внутренняя поверхность ротора-магнита - немагнитный зазор между ротором-магнитом и первым сегментом-магнитопроводом - первый сегмент-магнитопровод - немагнитная щель между первым и вторым сегментами-магнитопроводами - второй сегмент-магнитопровод - немагнитный зазор между вторым сегментом-магнитопроводом и внутренней цилиндрической поверхностью ротора-магнита - наружная цилиндрическая поверхность ротора-магнита. Часть силовых линий замыкается, минуя немагнитную щель между сегментами-магнитопроводами. При вращении ротора-магнита происходит перераспределение магнитных потоков между каналами, проходящими через немагнитную щель и минуя ее. Внутри щели векторы магнитной индукции имеют только одну поперечную щели составляющую, совпадающую с направлением чувствительности магниточувствительного элемента (фиг.5, 6).In this design, the magnetic field lines of the annular rotor-magnet (Figs. 3, 4) are closed through external and internal non-magnetic gaps and slits, as well as through magnetic segments and a magnetic screen made of ferromagnetic material. The path of each power line in the general case can be described by the following sequence: the outer cylindrical surface of the magnet rotor — the nonmagnetic gap between the rotor magnet and the magnetic screen — the magnetic screen — the nonmagnetic gap between the magnetic screen and the magnet rotor — the outer surface of the magnet rotor — inner surface of the rotor-magnet - non-magnetic gap between the rotor-magnet and the first segment-magnetic circuit - the first segment-magnetic circuit - non-magnetic gap between the first and second segments-magnetic circuits - the second segment-magnetic - nonmagnetic gap between the second segment of the yoke, and the inner cylindrical surface of the magnet rotor - the outer cylindrical surface of the rotor magnet. Part of the lines of force closes, bypassing the non-magnetic gap between the segments of the magnetic circuits. When the rotor magnet rotates, redistribution of magnetic fluxes occurs between the channels passing through the non-magnetic gap and bypassing it. Inside the slit, the magnetic induction vectors have only one transverse slit component, which coincides with the direction of sensitivity of the magnetically sensitive element (Figs. 5, 6).
При такой конструкции характеристика датчика однозначна в диапазоне углов поворота ротора-магнита ±90 градусов относительно среднего положения. При повороте ротора-магнита в указанном диапазоне углов происходит изменение вектора индукции в щели между сегментами-магнитопроводами как по модулю, так и по направлению. Причем возможны только два взаимно противоположных направления этого вектора, которые, кроме того, поперечны щели.With this design, the characteristic of the sensor is unique in the range of angles of rotation of the rotor magnet ± 90 degrees relative to the average position. When the rotor-magnet is rotated in the indicated range of angles, the induction vector changes in the gap between the segments of the magnetic circuits, both modulo and in direction. Moreover, only two mutually opposite directions of this vector are possible, which, in addition, are transverse to the slits.
Линеаризация характеристики датчика достигается совместным применением сегментов-магнитопроводов, магнитного экрана и специального намагничивания ротора-магнита, заключающегося в том, что радиальное поле ротора-магнита должно спадать от центров полуколец к их краям. В отличие от датчика-прототипа упрощенный расчет характеристики предлагаемого датчика невозможен в силу сложного распределения магнитных полей. Поэтому для расчета характеристики датчика применялся метод конечных элементов. В процессе расчетов была произведена оптимизация размеров магнитного экрана при заданных диаметрах ротора-магнита и блока сегментов-магнитопроводов, а также распределения намагничивающего поля для ротора-магнита с точки зрения улучшения линейности характеристики датчика. Для оптимизации распределения поля ротора-магнита применялась весовая функция cos(φ/k), где значение k зависит от геометрических размеров компонентов датчика, а φ есть угол относительно середины полукольца ротора-магнита. Результаты расчета нелинейности характеристики предлагаемого датчика приведены на фиг.7 в виде графика.The linearization of the characteristic of the sensor is achieved by the combined use of segments of magnetic circuits, a magnetic screen and special magnetization of the rotor magnet, which consists in the fact that the radial field of the rotor magnet should fall from the centers of the half rings to their edges. Unlike the prototype sensor, a simplified calculation of the characteristics of the proposed sensor is impossible due to the complex distribution of magnetic fields. Therefore, to calculate the characteristics of the sensor, the finite element method was used. In the process of calculations, the dimensions of the magnetic screen were optimized for the given diameters of the rotor magnet and the block of segments of the magnetic circuits, as well as the distribution of the magnetizing field for the rotor magnet in terms of improving the linearity of the sensor characteristics. To optimize the field distribution of the rotor magnet, the weight function cos (φ / k) was used, where the value of k depends on the geometric dimensions of the sensor components, and φ is the angle relative to the middle of the half ring of the rotor magnet. The results of calculating the non-linearity of the characteristics of the proposed sensor are shown in Fig.7 in the form of a graph.
Ввиду симметрии конструкции датчика и значительной разницы в величинах зазоров и допусков на них при производстве датчиков или их отклонений в результате износа можно считать, что небольшие смещения оси ротора-магнита приводят к примерно одинаковым по абсолютной величине и противоположным по знаку изменениям двух эквивалентных магнитных сопротивлений, составляющих последовательную цепь с немагнитной щелью между сегментами-магнитопроводами и ротором-магнитом. При этом магнитный поток через щель практически не изменяется, а значит, датчик становится малочувствительным к смещениям оси ротора-магнита.Due to the symmetry of the design of the sensor and the significant difference in the gaps and tolerances on them in the manufacture of sensors or their deviations as a result of wear, it can be considered that small displacements of the axis of the rotor-magnet lead to approximately the same absolute values and opposite in sign changes of two equivalent magnetic resistances, constituting a series circuit with a non-magnetic gap between the segments-magnetic circuits and the rotor-magnet. In this case, the magnetic flux through the gap practically does not change, which means that the sensor becomes insensitive to displacements of the axis of the magnet rotor.
Результаты расчетов, отраженные на фиг.7, 8, показывают, что нелинейность предлагаемого датчика более чем на порядок меньше нелинейности прототипа, а зависимость характеристики от смещения оси ротора меньше, чем у датчика с наружным размещением магниточувствительного элемента по отношению к ротору-магниту. С точки зрения влияния смещения оси ротора-магнита на выходную характеристику предлагаемый датчик сравним с прототипом, имеющим аналогичную с предлагаемым датчиком эквивалентную схему. Однако при прочих равных условиях предлагаемый датчик обладает из-за наличия внешнего экрана и внутренних сегментов-магнитопроводов значительно большей чувствительностью к углу поворота вала.The calculation results, reflected in Figs. 7, 8, show that the non-linearity of the proposed sensor is more than an order of magnitude less than the non-linearity of the prototype, and the dependence of the characteristic on the displacement of the axis of the rotor is less than that of a sensor with an external arrangement of a magnetically sensitive element with respect to the magnet rotor. From the point of view of the effect of the displacement of the axis of the rotor magnet on the output characteristic, the proposed sensor is comparable to the prototype, which has an equivalent circuit similar to the proposed sensor. However, ceteris paribus, the proposed sensor has, due to the presence of an external screen and internal segments, magnetic circuits, a much greater sensitivity to the angle of rotation of the shaft.
Наличие магнитного экрана уменьшает наружное по отношению к нему магнитное поле, создаваемое ротором-магнитом. Это приводит к уменьшению влияния на характеристику датчика внешних предметов из ферромагнитных материалов. Магнитный экран ослабляет также влияние сторонних магнитных полей на эту характеристику.The presence of a magnetic screen reduces the external magnetic field generated by the rotor-magnet. This leads to a decrease in the influence on the characteristic of the sensor of external objects made of ferromagnetic materials. The magnetic screen also attenuates the influence of external magnetic fields on this characteristic.
Таким образом, технический результат, заключающийся в снижении нелинейности характеристики датчика и повышении ее помехоустойчивости в условиях наличия неточности изготовления деталей и их износа в процессе эксплуатации, а также в повышении чувствительности датчика к углу поворота вала, данным изобретением достигается.Thus, the technical result, which consists in reducing the non-linearity of the characteristics of the sensor and increasing its noise immunity in the presence of inaccuracies in the manufacture of parts and their wear during operation, as well as in increasing the sensitivity of the sensor to the angle of rotation of the shaft, is achieved by this invention.
Источники информацииInformation sources
1. Сысоева С. Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 1. Потенциометры и датчики Холла - лидеры современного рынка. // Компоненты и технологии, 2005. - №2. - С.52-59.1. Sysoeva S. Automotive position sensors. Modern technologies and new perspectives. Part 1. Potentiometers and Hall sensors are the leaders of the modern market. // Components and technologies, 2005. - No. 2. - S. 52-59.
2. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. - М.: ДМК Пресс, 2001. - С.272-276.2. Baranochnikov M.L. Micromagnetoelectronics. - M .: DMK Press, 2001 .-- S.272-276.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005120100/28A RU2378613C2 (en) | 2005-06-28 | 2005-06-28 | Contactless transducer of shaft angular position |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005120100/28A RU2378613C2 (en) | 2005-06-28 | 2005-06-28 | Contactless transducer of shaft angular position |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005120100A RU2005120100A (en) | 2007-01-10 |
| RU2378613C2 true RU2378613C2 (en) | 2010-01-10 |
Family
ID=37760870
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005120100/28A RU2378613C2 (en) | 2005-06-28 | 2005-06-28 | Contactless transducer of shaft angular position |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2378613C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2629691C1 (en) * | 2016-03-17 | 2017-08-31 | Виктор Андреевич Павлов | Method of autonomous determining angular object positions with six degrees of spatial movement freedom |
-
2005
- 2005-06-28 RU RU2005120100/28A patent/RU2378613C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| С.СЫСОЕВА, Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы, Компоненты и технологии, 2005, №2 с.52-59. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2629691C1 (en) * | 2016-03-17 | 2017-08-31 | Виктор Андреевич Павлов | Method of autonomous determining angular object positions with six degrees of spatial movement freedom |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005120100A (en) | 2007-01-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5079816B2 (en) | Preferably a magnetic position sensor having a magnet shape that varies pseudo-sinusoidally. | |
| KR101331182B1 (en) | Magnetic Angular Position Sensor for a Course up to 360° | |
| US9810551B2 (en) | On-axis magnetic field angle sensors, systems and method | |
| US5159268A (en) | Rotational position sensor with a Hall effect device and shaped magnet | |
| US9389099B2 (en) | Multi-turn absolute magnetic encoder | |
| US10732009B2 (en) | Angle sensing in an off-axis configuration | |
| JP6043721B2 (en) | Improved position sensor | |
| US10670425B2 (en) | System for measuring angular position and method of stray field cancellation | |
| JP5613839B2 (en) | Method and apparatus for absolute positioning of a moving object | |
| JP4853496B2 (en) | Position detection sensor | |
| US7548060B2 (en) | Magnetic sensor system | |
| EP2713140A1 (en) | Magnetic field sensor system with a biasing magnet producing a spatially symmetric magnetic field within a plane being defined by magnetoresistive sensor elements | |
| US10816363B2 (en) | Angular sensor system and method of stray field cancellation | |
| US20120262162A1 (en) | Bidirectional Magnetic Position Sensor Having Field Rotation | |
| EP3151017B1 (en) | Amr speed and direction sensor for use with magnetic targets | |
| CN109256905A (en) | Toroidal magnet for rotor position estimate | |
| US10078094B2 (en) | Sensor system for rotational speed measurement having a pole wheel with a linearized magnetic field | |
| RU2378613C2 (en) | Contactless transducer of shaft angular position | |
| US20100176803A1 (en) | Angle sensor with flux guides, rotatable magnet and magnetic sensor | |
| JP5151958B2 (en) | POSITION DETECTION DEVICE AND ROTARY LINEAR MOTOR HAVING THE SAME | |
| JP2001091298A (en) | Noncontact magnetic type measuring device | |
| US9488461B2 (en) | Rotation angle detection device | |
| CN110260890A (en) | System for determining at least one rotation parameter of rotating member | |
| US20240068840A1 (en) | Contactless position sensor comprising a permanent magnet | |
| JP2556851B2 (en) | Magnetoresistive element |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140629 |