Датчик положения ротора вентильного электродвигателя

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ РОТОРА ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Анищик Виктор Михайлович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Датчик положения ротора вентильного электродвигателя, содержащий закрепленный на роторе целостный кольцевой многополюсный постоянный магнит, армированный упрочняющим кольцом, выполненный в виде секторов с чередующимися полярностями полюсов, намагниченных противоположно, и функционально с ним связанные магниточувствительные элементы, расположенные по окружности и фиксируемые относительно указанного постоянного кольцевого магнита закрепленной на статоре выдвижной печатной платой, при этом каждый магниточувствительный элемент расположен в зазоре между двумя соответствующими ферромагнитными стержнями, отличающийся тем, что сектора указанного постоянного магнита намагничены в радиальном направлении, а стержни выполнены из магнитомягкого феррита и ориентированы своими осями также радиально, при этом магниточувствительный элемент выполнен в виде отрезка проволоки или микропровода, содержащего магнитожесткую оболочку с большей коэрцитивной силой и магнитомягкую сердцевину с меньшей коэрцитивной силой, например, из викаллоя или другого материала с возможностью функционирования на эффекте Виганда, причем магниточувствительный элемент расположен внутри миниатюрной измерительной катушки, находящейся в магнитной связи с указанной проволокой, ось которой параллельна оси катушки. 90522013.02.28 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что толщина магнита в радиальном направлении равна или превышает длину магниточувствительного элемента с установленными по его краям двумя ферритовыми стержнями.(56) 1. Патент 2115208, МПК 02 29/08,01 33/06, 1998. 2. Патент 2357348, МПК 02 29/08,02 29/06, 2009. 3. Патент 4567, МПК 702 29/08, 2002 (прототип). 4. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М. ДМК Пресс, 2001. - 544 с. Предлагаемая полезная модель относится к вентильным электродвигателям, а именно к датчикам положения ротора, преимущественно миниатюрных вентильных электродвигателей и может быть использована для прецизионного определения положения ротора и управления электродвигателем. Известен датчик положения ротора (ДПР) 1 электрического двигателя, содержащий неподвижный статор в виде диска, на котором размещены магниточувствительные элементы по линии окружности, подвижный ротор, на валу которого закреплены магнитопроводящий диск и намагниченные в аксиальном направлении постоянные магниты,которые размещены в пазу магнитопроводящего диска в виде кольца напротив магниточувствительных элементов, количество пар полюсов кольца из постоянных магнитов совпадает с количеством пар полюсов постоянных магнитов ротора электрического двигателя. Недостатками этого датчика положения ротора являются сложность конструкции и недостаточная точность, обусловленная высокой чувствительностью датчика к смещениям чувствительных элементов друг относительно друга и относительно задающего диска,которые возникают при биениях ротора электрического двигателя. При использовании в качестве чувствительных элементов датчиков Холла со встроенными постоянными магнитами возникает погрешность измерения положения из-за разнородности постоянных магнитов, а также из-за вибрации задающего диска вследствие притяжения его к магнитам. Известен датчик положения ротора 2, который содержит неподвижный статор, жестко соединенный со статором электрического двигателя, три магниточувствительных элемента, в качестве которых используются, например, датчики Холла или магниторезисторы, ротор, выполненный из магнитоизолирующего материала и кинематически соединенный с ротором электрического двигателя, ферромагнитный диск с прорезями и кольцевые постоянные магниты, намагниченные аксиально. В данной конструкции датчика используются два общих для всех чувствительных элементов постоянных магнита, жестко закрепленные на валу ротора вместе с магнитопроводящим диском. При этом два постоянных магнита выполнены в виде колец и закреплены на валу ротора с разных сторон магнитопроводящего диска, который имеет четыре прорези, выполненные по линии окружности на расстоянии друг от друга, соответствующем углу /2, и шириной, соответствующей углу /4, магниточувствительные элементы расположены вдоль этой окружности на равном расстоянии, соответствующем углу/3, а кольцевые магниты размещены таким образом, что они плотно прилегают к поверхностям магнитопроводящего диска разноименными полюсами. Поле постоянных магнитов распространяется до чувствительных элементов Холла через магнитопроводящий диск и воздушный зазор, в результате чего снижается чувствительность датчика к смещениям чувствительных элементов относительно магнитов, а также к неоднородности постоянных магнитов. Датчик 2 не обладает достаточной прецизионностью определения положения ротора в зоне перехода от наличия магнитного поля между ферромагнитным диском к полю рассеяния аксиальных магнитов. Эта зона изменения величины магнитной индукции является плавной и достаточно широкой, в связи с этим возникает неопределенный интервал (зона 2 90522013.02.28 нечувствительности) в определении положения ротора, а именно в это время должны происходить процессы коммутации в обмотках электродвигателя. Уменьшить ширину перехода величины магнитной индукции соответствующей логической единицы к величине соответствующей логическому нулю можно использовав переход ее через нуль в магнитных системах, состоящих из противоположно намагниченных полюсов, т.е. -и -. Другим недостатком 2 является повышенное энергопотребление, обусловленное тем, что каждый элемент Холла и схема электроники потребляют ток в непрерывном режиме свыше 50 мА, что затрудняет его использование в автономных устройствах (в вентильных микродвигателях), где вся электроника питается от аккумуляторных батарей. Кроме того,аналоговый сигнал требует усиления и тщательного электромагнитного экранирования. Наиболее близким по технической реализации к предлагаемому решению является датчик 3 (прототип). Это техническое решение содержит закрепленный на роторе кольцевой многополюсный постоянный магнит с чередующимися полярностями полюсов и функционально с ним связанные магниточувствительные элементы Холла, фиксируемые относительно постоянного кольцевого магнита закрепленной на статоре выдвижной печатной платой, и отличается от 2 тем, что содержит магнитопровод, выполненный в виде ферромагнитных стержней с прямоугольной петлей гистерезиса, которые зафиксированы на выдвижной печатной плате в зоне функционирования магниточувствительных элементов Холла, при этом каждый магниточувствительный элемент Холла расположен на соответствующем ферромагнитном стержне или в узком зазоре между двумя соответствующими ферромагнитными стержнями, а кольцевой многополюсный магнит выполнен целостным, намагниченным сегментарно в аксиальном направлении. Дополнительно целостный кольцевой магнит армирован упрочняющим кольцом. Тем не менее описанное устройство (прототип) обладает следующим недостатком повышенное энергопотребление, обусловленное тем, что каждый элемент Холла и схема электроники потребляют ток в непрерывном режиме свыше 50 мА (обычно используется 6 или 12 магниточувствительных элементов Холла), что затрудняет его использование в автономных устройствах (в вентильных микродвигателях), где вся электроника питается от аккумуляторных батарей. Кроме того, аналоговый сигнал небольшой по амплитуде, следовательно требуется усиление сигнала. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является увеличение точности позиционирования ротора вентильного электродвигателя за счет повышения уровня сигналов с магниточувствительных элементов и значительное снижение датчиком электропотребления (энергопотребление используется электронной схемой только для обработки импульсных сигналов с магниточувствительных элементов, что относится к устройству управления вентильным электродвигателем). Для решения поставленной комплексной задачи датчик положения ротора вентильного электродвигателя содержит закрепленный на роторе целостный кольцевой многополюсный постоянный магнит, армированный упрочняющим кольцом, выполненный в виде секторов с чередующимися полярностями полюсов, намагниченных противоположно, и функционально с ним связанные магниточувствительные элементы, расположенные по окружности и фиксируемые относительно указанного постоянного кольцевого магнита закрепленной на статоре выдвижной печатной платой, при этом каждый магниточувствительный элемент расположен в зазоре между двумя соответствующими ферромагнитными стержнями. Датчик отличается тем, что сектора указанного постоянного магнита намагничены в радиальном направлении, при этом стержни выполнены из магнитомягкого феррита и ориентированы своими осями также радиально, а магниточувствительный элемент выполнен в виде отрезка проволоки или микропровода, содержащего магнитожесткую оболочку с большей коэрцитивной силой и магнитомягкую сердцевину с меньшей коэрцитивной силой, например, из викаллоя или другого материала с возможностью функционирования на эффекте Виганда, причем магниточувствительный элемент распо 3 90522013.02.28 ложен внутри миниатюрной измерительной катушки, находящейся в магнитной связи с указанной проволокой, ось которой параллельна оси катушки. Датчик отличается тем, что толщина магнита в радиальном направлении равна или превышает длину магниточувствительного элемента с установленными по его краям двумя ферритовыми стержнями. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявляемого устройства, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле полезной модели. По мнению авторов, устройство содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных элементов. Таким образом, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции датчика показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной задачи в заявляемой полезной модели, следовательно можно сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности новизна. Заявляемая полезная модель поясняется фигурой. На фигуре изображена конструкция датчика положения вентильного электродвигателя. Датчик положения ротора вентильного электродвигателя содержит закрепленный на роторе 1 целостный кольцевой многополюсный постоянный магнит 2, армированный упрочняющим кольцом 3, выполненный в виде секторов с чередующимися полярностями полюсов -и , намагниченных радиально противоположно, и функционально с ним связанные магниточувствительные элементы 4, расположенные по окружности (например, с углом 60 или 30 и т.д., что необходимо в зависимости от числа фаз и числа секторов магнита), фиксируемые относительно указанного постоянного кольцевого магнита 2 закрепленной на статоре выдвижной печатной платой 5, причем каждый магниточувствительный элемент 4 расположен в зазоре ферромагнитных стержней 6, выполненных из магнитомягкого феррита и ориентированых своими осями радиально. Все ферромагнитные стержни 6 выполнены идентичными, например, из магнитомягкого феррита с высокой начальной магнитной проницаемостью, например марки 3000 НМ, а магниточувствительный элемент 4 выполнен в виде отрезка проволоки или микропровода, содержащего магнитожесткую оболочку с большей коэрцитивной силой и магнитомягкую сердцевину с меньшей коэрцитивной силой, например,из викаллоя или другого материала с возможностью функционирования на эффекте Виганда,причем магниточувствительный элемент 4 расположен внутри миниатюрной измерительной катушки 7 (рекомендованное число витков 2000-3000), находящейся в магнитной связи с указанной проволокой 4, ось которой параллельна оси катушки 7. Выдвижная печатная плата 5 содержит электронные компоненты 8 для управления ротором 1 вентильного электродвигателя и элементы механического крепления ферритовых стержней 6 и измерительной катушки 7 к плате 5 (не изображены). Магниточуствительный элемент 4 целесообразно изготавливать в виде проволоки Виганда или аналогичного аморфного микропровода (Бисер-3, разработка Ижевского государственного технического университета РФ) или из аморфной проволоки сплава 77,57,515 с положительной магнитострикцией, изготавливаемой фирмой(Япония). Проволока должна быть выполнена диаметром менее 0,25 мм и длиной, превышающей 5 мм. Указанные геометрические соотношения необходимы для проявления бистабильных магнитных, т.е. для ее перемагничивания большими скачками Баркгаузена. При длине менее 5 мм вследствие большого размагничивающего фактора в некоторых образцах проволоки исчезает эффект Виганда. 4 90522013.02.28 Следует отметить, что толщина магнита в радиальном направлении равна или превышает длину магниточувствительного элемента с установленными по его краям двумя ферритовыми стержнями. Последнее необходимо, чтобы ферритовые стержни 6 функционировали как концентраторы магнитного потока и вся конструкция 4 и 6 полностью находилась в поле одного из секторов магнита 2. Датчик работает следующим образом. При вращении кольцевого магнита 2 к выделенному магниточувствительному элементу 4 приближается граница одного из секторов с противоположно намагниченными участками по обе ее стороны. Радиальная составляющая индукции магнитного поля вблизи границы секторов переходит через нуль (меняет знак) и имеетвид. Магниточувствительный преобразователь 4 (отрезок проволоки Виганда) намагничен до насыщения в одном из направлений. По мере передвижения границы секторов вследствие вращения магнита 2 магниточувствительный преобразователь 4 перемагничивается симметричным способом, и при этом генерируется в катушке 7 один импульс с большой амплитудой сигнала (полезный сигнал величиной 5-7 В, в зависимости от числа витков в измерительной катушке 7), длительность которогопорядка 10 мкс, и один с маленькой (на полтора порядка меньше, который обычно не используется). В основе генерирования ЭДС лежит перемагничивание проволоки Виганда большими скачками намагниченности Баркгаузена. Проволока обладает бистабильными магнитными свойствами и характеризуется двумя скачками намагниченности за один цикл перемагничивания. Проволока Виганда 4 состоит из двух областей магнитожесткой оболочки с высокой коэрцитивной силой и магнитомягкой сердцевины с низким значением коэрцитивной силы 4. В дальнейшем при вращении магнита 2 к магниточувствительному элементу 4 приближается следующая граница секторов, и происходит процесс перемагничивания 4 только в обратном направлении, и генерируется полезный сигнал большой амплитуды противоположной полярности. ЭДС, возникающие в катушках 7 при перемагничивании 4 подаются в схему формирования управляющих сигналов, которая обеспечивает правильное подключение обмоток в соответствии с положением ротора 1. Таким образом, решение поставленной задачи, а именно увеличение точности позиционирования ротора вентильного электродвигателя, достигается за счет повышения уровня сигналов с магниточувствительных элементов (амплитуда в импульсе 5-7 В без использования усиления), а также достигается значительное снижение электропотребления (энергопотребление используется электронной схемой только для обработки импульсных сигналов с магниточувствительных элементов, что относится к устройству управления вентильным электродвигателем). Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемая полезная модель соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5