Датчик положения зуба зубчатого колеса

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ ЗУБА ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Датчик положения зуба зубчатого колеса, содержащий корпус с внутренней резьбой,постоянный магнит, намагниченный аксиально, цилиндрический магнитопровод с резьбой, способный перемещаться вдоль оси магнита, элемент Холла, размещенный со стороны венца зубчатого колеса, отличающийся тем, что постоянный магнит выполнен цилиндрической формы и размещен на торце цилиндрического магнитопровода с возможностью совместного с ним перемещения, элемент Холла установлен на торце постоянного магнита на его оси также с возможностью совместного перемещения с магнитом и магнитопроводом, корпус выполнен ферромагнитным из магнитомягкого материала в виде стакана с цилиндрическим отверстием вдоль его оси под размер цилиндрического магнитопровода, а также на корпус нанесен многослойный пленочный экран с чередующимися немагнитными и ферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью, причем внешний слой экрана заземлен, а плата с электрическими элементами размещена на корпусе под металлической крышкой.(56) 1. Патент 2265226. Датчик положения ферромагнитного элемента. МПК 701 3/487 / В.Б. Урусов. - Опубл. 2005.11.27. 2. Патент 2207575. Датчик положения зуба зубчатого колеса. МПК 701 3/487, 01 7/30,01 7/14 / Е.Н. Тарасов Ю.Ф. Башков А.В. Зинин О.А. Миляев А.А. Шахмин. - Опубл. 2003.06.27 (прототип). 3. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - 224 с. Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в устройствах для определения скорости вращения и угла поворота элементов машин и механизмов, в том числе специальных зубчатых колес и шестерней редукторов, преимущественно в автомобилестроении. Известен датчик положения ферромагнитного элемента 1, функционирующий на эффекте Холла. Он содержит постоянный магнит и элемент Холла. Постоянный магнит имеет сквозное отверстие, при этом ось отверстия совпадает с направлением намагничивания магнита. У отверстия с одной стороны магнита расположен элемент Холла, а отверстие с другой стороны магнита располагают в области перемещения ферромагнитного элемента. Регулируют параметры выходного сигнала перемещением элемента Холла относительно отверстия с изменением величины рабочей индукции в чувствительной области. Основным недостатком этого датчика является слабая помехозащищенность от внешних электромагнитных полей, обусловленная отсутствием электромагнитных экранов и значительной разнесенностью в пространстве источников магнитного поля и чувствительного к магнитному полю элемента Холла. Также известен датчик положения зуба зубчатого колеса, функционирующий на эффекте Холла и наиболее близкий по конструкции к предлагаемому 2 (прототип). Данный датчик содержит немагнитный корпус с внутренней резьбой, постоянный кольцевой магнит. Внутри магнита на корпусе расположен магнитопровод, способный перемещаться вдоль оси магнита. Со стороны торца магнитопровода на корпусе установлен магниточувствительный преобразователь (элемент Холла). Датчик положения размещается со стороны венца зубчатого колеса и индицирует положение зуба в зоне элемента Холла. Кольцевая конструкция постоянного магнита позволяет создать в зоне элемента Холла достаточно высокий градиент магнитного поля при смене положения зуба и впадины. За счет наличия резьбы на магнитопроводе и его перемещения возможна настройка датчика на различные зазоры и геометрию зуба независимо от чувствительности элемента Холла. Существенными недостатками этого датчика являются также слабая помехозащищенность от внешних электромагнитных полей, обусловленная отсутствием электромагнитных экранов, и высокий уровень магнитных полей рассеяния, обусловленных наличием мощного кольцевого магнита и полностью разомкнутого магнитопровода. Задачей, решаемой в настоящей предложенной полезной модели, является защита от помех внешних электрических и магнитных полей при обеспечении высокой чувствительности и относительно малых габаритах датчика, работающего с ферромагнитным зубчатым колесом. Решение поставленной задачи достигается тем, что датчик положения зуба зубчатого колеса содержит корпус с внутренней резьбой, постоянный магнит, намагниченный аксиально, цилиндрический магнитопровод с резьбой, способный перемещаться вдоль оси магнита, элемент Холла, размещенный со стороны венца зубчатого колеса, и отличается тем, что постоянный магнит выполнен цилиндрической формы и размещен на торце цилиндрического магнитопровода с возможностью совместного с ним перемещения, эле 2 50052009.02.28 мент Холла установлен на торце постоянного магнита на его оси также с возможностью совместного перемещения с магнитом и магнитопроводом, корпус выполнен ферромагнитным из магнитомягкого материала в виде стакана с цилиндрическим отверстием вдоль его оси под размер цилиндрического магнитопровода, а также на корпус нанесен многослойный пленочный экран с чередующимися немагнитными и ферромагнитными слоями,обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью, причем внешний слой экрана заземлен, а плата с электрическими элементами размещена на корпусе под металлической крышкой. Анализ элементов датчика, приведенных в отличительной части, показывает, что некоторые из них могут встречаться по отдельности в различных аналогах технических решений. Однако в совокупности набор этих элементов не известен, поэтому является новым. Кроме того, совокупность этих элементов придает устройству новое качество функционирования и обеспечивает полное решение поставленной задачи. Поэтому заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. На фигуре представлено сечение датчика вдоль оси симметрии. Датчик положения зуба зубчатого колеса содержит корпус, выполненный ферромагнитным из магнитомягкого материала (например железа) в виде стакана, состоящего из двух частей 1 и 2. Толщина стенки корпусадетали 2 может варьироваться для различных модификаций датчика. 1 содержит цилиндрическое отверстие с внутренней резьбой, выполненной под размер цилиндрического магнитопровода 3 с внешней резьбой. Постоянный магнит 4 (предпочтительно 5) намагничен аксиально, выполнен цилиндрической формы и размещен на торце цилиндрического магнитопровода 3 с возможностью совместного с ним перемещения вдоль оси магнита 4 при вращении 3. Элемент Холла 5 установлен на торце постоянного магнита 4 на его оси также с возможностью совместного перемещения с магнитом 4 и магнитопроводом 3. Элемент Холла 5 размещен со стороны венца зубчатого колеса 6 и залит защитной оболочкой компаунда 7. На корпус (детали 1 и 2) нанесен многослойный пленочный экран с чередующимися немагнитным 8 и ферромагнитным 9 слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью. На фигуре изображено только два слоя 8 и 9, хотя их число может быть значительно больше и ограничивается только технологией нанесения. Внутренний слой экрана 8 является каркасом экрана, поэтому его целесообразно изготавливать из медной фольги или тонкой пластины. Остальные чередующиеся слои легко изготавливаются электролитическим осаждением, например, из пермаллоя состава 80-20(слой 9) и- следующий слой (на фигуре не показан) и т.д. толщиной не менее 0,1 мм. Выбор материалов чередующихся слоев магнитный - немагнитный может быть и другим, но он ограничивается требованием гальванической совместимости материалов и их адгезионной прочностью. Внешний слой экрана заземлен. Плата 10 с электрическими элементами размещена на корпусе детали 1 под металлической крышкой 11 с магнитомягким слоем 12. Датчик работает следующим образом. Ферромагнитный зуб зубчатого колеса 6, приближаясь к магниту 4, замыкает магнитный поток и резко меняет величину рабочей индукции магнитного поля в чувствительной области элемента Холла 5. Минимальное расстояниезависит от формы зуба и ограничивается 1 мм исходя из соображений безопасности. Максимальное расстояние зависит от марки магнита, формы зуба и магнитных свойств материала зубчатого колеса, а также количества зубьев и, как показал опыт, не превышает 5-6 мм. Расстояние между двумя соседними зубьями определяет выбор толщиныстенки корпуса детали 2 ( может варьироваться для различных модификаций датчика). За счет наличия резьбы на магнитопроводе и его перемещения возможна настройка датчика на различные зазоры и геометрию зуба независимо от чувствительности элемента Холла. Для регулировки величины рабочей индукции в чувствительной области элемента Холла 5 его перемещают относительно 3 50052009.02.28 отверстия при вращении отверткой магнитопровода 3. Когда элемент Холла находится между соседними зубьями, индукция минимальна. Датчик обладает высокой чувствительностью (при зазоре 2,5 мм изменение величины индукции превышает 30 мТл) и компактностью. За один оборот элемент Холла регистрируетпериодических импульсов колокообразной формы, где- число зубьев зубчатого колеса. Плата 10 с электронными компонентами обрабатывает сигнал с элемента Холла 5 в соответствии с заложенной программой (или функциями электронной схемы). Возможна регистрация таких параметров,как положения зуба зубчатого колеса, частоты вращения, ускорения и т.д. В отличие от прототипа и известных аналогов предлагаемая конструкция датчика тока обладает повышенной помехозащищенностью от внешних магнитных и электромагнитных полей. Рассмотрим причины, лежащие в основе решения поставленной задачи. В отличие от прототипа магнитная цепь почти замкнута. Она не замкнута только со стороны венца зубчатого колеса и имеет небольшие воздушные зазоры. Следовательно,конструкция в целом имеет значительно меньший уровень полей рассеяния по сравнению с прототипом, что обуславливает увеличение помехозащищенности. В соответствии с известными рекомендациями по проектированию экранирующих оболочек и конструкций 3 их необходимо заземлять, что и предусмотрено в предложенной полезной модели, особенно в устройствах с транспортными энергоустановками, так как в противном случае сама оболочка может явиться источником помехонесущего электромагнитного поля нежелательного частотного диапазона (при невозможности заземления осуществляется электрическое соединение с корпусом транспортного средства). Кроме того, высокая помехозащищенность датчика обеспечивается применением многослойного экрана. Известно 3, что при экранировании магнитной напряженности низкочастотных электромагнитных полей большой интенсивности применяются многослойные экраны как с целью повышения эффективности экранирования, так и с целью более рационального их конструирования (уменьшения массы и габаритов экрана). Слои из ферромагнитного и немагнитного материалов выполнены чередующимися, поскольку чередование слоев с разными волновыми сопротивлениями приводит к многократному отражению напряженности помехонесущих магнитных полей и интенсивному поглощению энергии поля в поперечном сечении стенок. В экране датчика используются немагнитные слои с высокой электрической проводимостью, что обеспечивает высокую эффективность экранирования электромагнитных полей с увеличением их частоты, когда возрастает роль вихревых токов и происходит вытеснение магнитных силовых линий к поверхностному слою, и экран превращается в электромагнитный. Следует отметить, что форма экрана сравнительно мало влияет на его экранирующие функции. Таким образом,применение в датчике положения зуба зубчатого колеса многослойного экрана, содержащего чередующиеся ферромагнитный и немагнитный слои, обладающие соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью, обеспечивает решение поставленной задачи по значительному повышению его помехозащищенности от внешних источников в широком диапазоне помехонесущих частот, включая и постоянные магнитные поля. Из литературных источников известно, что многослойный пленочный экран обеспечивает коэффициент экранирования постоянного магнитного поля напряженностью 1000 А/м не менее 8-10 коэффициент экранирования электромагнитного поля в диапазоне частот 100-1000 000 Гц не менее 30-40. Следовательно, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий 4 50052009.02.28 средство, воплощающее заявленную полезную модель, при ее осуществлении относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для определения скорости вращения и угла поворота элементов машин и механизмов, в том числе специальных зубчатых колес и шестерней редукторов, преимущественно в автомобилестроении для заявленного датчика в том виде, как он охарактеризован в нижеизложенной формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому заявляемый датчик соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству средство, воплощающее заявленное, в совокупности своих признаков обладает новизной и при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно защиты от помех внешних электрических и магнитных полей при обеспечении высокой чувствительности и относительно малых габаритах датчика, работающего с ферромагнитным зубчатым колесом. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5