Компактная электронная педаль

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(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) 1. Компактная электронная педаль, содержащая неподвижный корпус, роторный узел с диаметрально намагниченным постоянным кольцевым магнитом, закрепленным на валу,который механически связан с вращающимся детектируемым объектом и имеет возможность поворота в основании корпуса, механические ограничительные и упорные поверхности для механического ограничения осевого перемещения ротора, расположенные в корпусе, печатную плату, содержащую схемы защиты от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода, импульсных помех по цепи питания и выхода,линейный магниточувствительный элемент Холла, детектирующий круговое вращательное движение магнита, в котором вышеуказанный элемент Холла располагается с внешней поверхности магнита таким образом, что плоскость его лицевой поверхности параллельна оси вращения магнита и перпендикулярна любой плоскости, содержащей диаметральную ось магнита, а с обратной стороны элемента Холла в рабочей части установлен аксиальный ферромагнитный концентратор нормальных составляющих силовых линий магнитного 47202008.10.30 поля, причем элемент Холла установлен на постоянном расстоянии от магнита с возможностью программирования его выходной характеристики после сборки, включая чувствительность и среднеквадратическое напряжение, отличающаяся тем, что с внешней стороны указанного постоянного кольцевого магнита с зазором размещены два плоских постоянных магнита, намагниченные сонаправлено и закрепленные неподвижно в корпусе с помощью охватывающего их магнитомягкого ярма так, что намагниченности этих магнитов и кольцевого магнита повернуты относительно друг друга на небольшой угол 0,составляющий 5-7, таким образом, что возвратное движение роторного узла педали из-за силового взаимодействия постоянных магнитов ограничено упорной поверхностью, расположенной в корпусе, причем роторный узел содержит два подшипника, внешние кольца которых имеют жесткую посадку на корпусе, а внутренние установлены с возможностью вращения совместно с опорной пластиной педали и валом, проходящим через кольцевой магнит. 2. Компактная электронная педаль по п. 1, отличающаяся тем, что механические ограничители осевого перемещения ротора установлены на максимальный угол поворота, не превышающий (180-0). 3. Компактная электронная педаль по п. 1, отличающаяся тем, что постоянные магниты выполнены из редкоземельных материалов с максимальной для используемого состава магнитов удельной объемной магнитной энергией, например из 5 или . 4. Компактная электронная педаль по п. 1, отличающаяся тем, что два плоских постоянных магнита снабжены полюсными наконечниками, выполненными из магнитомягкого материала и охватывающими по дуге окружности в 90 диаметрально намагниченный кольцевой магнит.(56) 1. Патент США 2007103148, МПК 017/30, 2007. 2 Патент США 4695819, МПК 01 10/00, 1987. 3. Патент США 5133225, МПК 05 1/14, 1992. 4. Патент США 7119264, МПК 01 13/02, 2006. 5. Патент 2298148, МПК 01 7/30, 2007(прототип). Предлагаемое устройство (полезная модель) относится к автомобильному электронному приборостроению и может быть преимущественно использовано в электронных системах управления автомобилем для определения степени нажатия педали акселератора и,например, для детектирования угла открытия дроссельной заслонки, положения клапана рециркуляции отработавших газов, в других автомобильных системах, требующих получения аналогового сигнала об абсолютном угловом положении вращающегося объекта, а также для бесконтактного детектирования абсолютного углового положения вращающихся объектов в других отраслях легкой и тяжелой промышленности. Известно устройство 1 - педаль акселератора с сенсором движения, содержащее пластину педали, с возможностью вращения при ее нажатии, постоянный магнит, взаимодействующий с сенсором, функционирующим на эффекте Холла при движении педали, и передающий информацию о угловом положении на трансмиссию, упругий элемент, выполненный в виде возвратной цилиндрической пружины кручения, и другие узлы. Недостатком описанного аналога 1 является низкая надежность и долговечность устройства, что обуславливается использованием движущегося механического упругого элемента - пружины. Причем этот недостаток характерен для подавляющего числа аналогов,где в конструкции используются различного рода возвратные пружины плоские 2, конические, цилиндрические, сложнонавитые и различного рода комбинированные, например с роликами 3. 2 47202008.10.30 Повысить надежность и долговечность электронных педалей можно за счет отказа от использования в устройстве каких-либо движущихся упругих элементов или пружин. Например, возвратное движение роторного узла педали должно осуществляется из-за силового взаимодействия постоянных магнитов. Связь по магнитному полю значительно повышает надежность и долговечность устройств. Технические решения такого рода известны. Например, в аналоге 4 используется педаль для музыкальных инструментов, не содержащая подвижных упругих элементов. Возвратное движение роторного узла педали осуществляется из-за взаимного отталкивания двух плоских высокоэнергетичных магнитов,намагниченных противоположно. Недостатком устройства 4 является использование принципа отталкивания двух магнитов, а не притяжения. При магнитном отталкивании возникают значительные силы, действующие в поперечном движению педали направлении, которые необходимо тщательно компенсировать с помощью других узлов. Такой конструкции характерна неустойчивость системы магнитов. В то же время при использовании притяжения магнитов они самоцентрируются. Для электронных педалей необходимо обеспечить педаль сенсором угла поворота. При этом наиболее часто используется сенсор, функционирующий на эффекте Холла, который реагирует на перемещение (вращение) постоянного магнита, связанного с роторным узлом педали, например, как описано в устройствах 1, 5. Хотя в устройстве 5 используется цилиндрическая или коническая пружина кручения, а не силовое воздействие магнитов, но по большинству используемых узлов функционирования в предлагаемом устройстве и устройстве 5 следует, что 5 целесообразно выбрать в качестве прототипа. Устройство 5 (прототип) содержит ротор из материала, не проводящего магнитное поле, с расположенным на поддерживающем основании ротора цилиндрическим или кольцевым с круговым основанием диаметрально намагниченным постоянным магнитом и статор, представляющий собой линейный магниточувствительный элемент Холла, детектирующий круговое (вращательное) движение магнита, в котором вышеуказанный элемент Холла располагается симметрично с внешней поверхностью магнита таким образом, что плоскость его лицевой поверхности параллельна оси вращения магнита и перпендикулярна любой плоскости, содержащей диаметральную ось магнита. Причем элемент Холла установлен на постоянном расстоянии от магнита с возможностью программирования его выходной характеристики после сборки всего устройства, включая чувствительность, среднеквадратическое напряжение. При этом в состав устройства дополнительно введены механические ограничители максимально измеряемого угла, расположенные в корпусе и роторной части, с обратной стороны элемента Холла в рабочей части установлен аксиальный ферромагнитный концентратор нормальных составляющих силовых линий магнитного поля - магнитопровод, вне рабочей зоны бесконтактного взаимодействия вращающегося магнита и элемента Холла установлена цилиндрическая или коническая возвратная пружина кручения для противодействия вращательному движению вала управляющего привода. Дополнительно в устройство введены ограничительные и упорные поверхности для механического ограничения осевого перемещения ротора, а общая схема устройства, расположенная на плате, содержит схемы защиты от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода, импульсных помех по цепи питания и выхода. Недостатком описанного прототипа 5 является низкая надежность и долговечность устройства, что обуславливается использованием движущегося механического упругого элемента - цилиндрической или конической возвратной пружины. Задачей, решаемой в предлагаемой полезной модели, является повышение надежности и долговечности электронной педали. Решение указанной задачи достигается за счет отказа от использования в устройстве каких-либо упругих элементов или пружин, а использованием силового воздействия магнитов. Предлагается следующее устройство. 3 47202008.10.30 1. Компактная электронная педаль, содержащая неподвижный корпус, роторный узел с диаметрально намагниченным постоянным кольцевым магнитом, закрепленным на валу,который механически связан с вращающимся детектируемым объектом и имеет возможность поворота в основании корпуса, механические ограничительные и упорные поверхности для механического ограничения осевого перемещения ротора, расположенные в корпусе, печатную плату, содержащую схемы защиты от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода, импульсных помех по цепи питания и выхода,линейный магниточувствительный элемент Холла, детектирующий круговое вращательное движение магнита, в котором вышеуказанный элемент Холла располагается с внешней поверхности магнита таким образом, что плоскость его лицевой поверхности параллельна оси вращения магнита и перпендикулярна любой плоскости, содержащей диаметральную ось магнита, а с обратной стороны элемента Холла в рабочей части установлен аксиальный ферромагнитный концентратор нормальных составляющих силовых линий магнитного поля, причем элемент Холла установлен на постоянном расстоянии от магнита с возможностью программирования его выходной характеристики после сборки, включая чувствительность и среднеквадратическое напряжение, отличающаяся тем, что с внешней стороны указанного постоянного кольцевого магнита с зазором размещены два плоских постоянных магнита, намагниченные сонаправлено и закрепленные неподвижно в корпусе с помощью охватывающего их магнитомягкого ярма так, что намагниченности этих магнитов и кольцевого магнита повернуты относительно друг друга на небольшой угол 0,составляющий 5-7, таким образом, что возвратное движение роторного узла педали из-за силового взаимодействия постоянных магнитов ограничено упорной поверхностью, расположенной в корпусе, причем роторный узел содержит два подшипника, внешние кольца которых имеют жесткую посадку на корпусе, а внутренние установлены с возможностью вращения совместно с опорной пластиной педали и валом, проходящим через кольцевой магнит. 2. Компактная электронная педаль по п. 1 отличается тем, что механические ограничители осевого перемещения ротора установлены на максимальный угол поворота, не превышающий (180-0). 3. Компактная электронная педаль по п. 1 отличается тем, постоянные магниты выполнены из редкоземельных материалов с максимальной для используемого состава магнитов удельной объемной магнитной энергией, например из 5 или . 4. Компактная электронная педаль по п. 1 отличается тем, что два плоских постоянных магнита снабжены полюсными наконечниками, выполненными из магнитомягкого материала и охватывающими по дуге окружности в 90 диаметрально намагниченный кольцевой магнит. Проведенный анализ новизны технического решения показывает на существенные новые признаки, обуславливающие получение указанного технического эффекта по повышению надежности и долговечности устройства. Он достигается за счет отказа от использования в устройстве каких-либо упругих элементов или пружин. Возвратное движение роторного узла педали осуществляется из-за силового взаимодействия постоянного кольцевого магнита, намагниченного диаметрально с системой двух плоских постоянных магнитов, образующих плоскопараллельное магнитное поле. Дополнительно следует заметить, что первоначально магниты устанавливаются во взаимноустойчивое положение друг относительно друга (намагниченности параллельны и сонаправлены) и затем фиксируются упорной поверхностью для механического ограничения осевого перемещения ротора таким образом, что намагниченности кольцевого магнита и плоских магнитов повернуты относительно друг друга на небольшой угол 0, составляющий 5-7. Осевое смещение ротора на угол 0 создает эффект как бы подпружинивания педали в ненагруженном состоянии за счет магнитного взаимодействия постоянных магнитов, стремящихся занять состояние с минимумом энергии взаимодействия. Вращение педали вызывает рост силы 4 47202008.10.30 магнитного взаимодействия магнитов и стремление ротора к возвращению в исходное состояние. Следовательно, предложенное техническое решение не встречается в литературе,поэтому обладает новизной по сравнению с известными. Вышеуказанный элемент Холла допускает программирование после сборки всего устройства выходной характеристики, в том числе ограничительных уровней напряжения на механических границах измеряемого угла, параметров чувствительности, среднеквадратического напряжения и т.д. Для защиты элемента Холла от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода, импульсных помех по цепи питания и выхода схема устройства, расположенная на плате датчика, содержит необходимые элементы защиты (стабилитрон, выпрямитель, конденсаторы фильтров и другие), аналогично, как описано в прототипе 5. Компактная электронная педаль изображена на фиг. 1-3. На фиг. 1 представлен разрез вдоль педали по оси ее геометрической симметрии, на фиг. 2 - разрез поперек педали по плоскости вдоль оси симметрии подшипников, на фиг. 3 - схема расположения магнитов при наличии полюсных наконечников. Устройство содержит неподвижный корпус 1, роторный узел с двумя подшипниками 2 и 3, внешние кольца которых имеют жесткую посадку на корпусе 1, а внутренние вращаются на валу 4, проходящем через кольцевой магнит 5 совместно с опорной пластиной педали 6, имеющей П-образный вид в разрезе, представленном на фиг. 2. С внешней стороны указанного постоянного кольцевого магнита 5 с зазором размещены два плоских постоянных магнита 7 и 8, намагниченные сонаправлено и закрепленные неподвижно в корпусе с помощью охватывающего их магнитомягкого ярма 9 так, что намагниченности этих магнитов и кольцевого магнита повернуты относительно друг друга на небольшой угол 0, составляющий 5-7, что представлено на фиг. 1. Стрелками изображены направления намагниченности магнита 5 и плоских магнитов 7, 8. Магниты 7, 8,охваченные ярмом 9, образуют магнитную систему с плоскопараллельным магнитным полем. Первоначально магниты устанавливаются во взаимноустойчивое положение друг относительно друга (намагниченности параллельны и сонаправлены), при этом упорная пластина 6 фиксируются упорной поверхностью 10 для механического ограничения осевого перемещения ротора. Затем кольцевой магнит 5 поворачивается по часовой стрелке на угол 0 в диапазоне 5-7 и жестко фиксируется на валу 4 (не изображено). Таким образом,намагниченности этих магнитов повернуты относительно друг друга на угол 0. Осевое смещение ротора на угол 0 создает эффект как бы подпружинивания педали в ненагруженном состоянии за счет магнитного взаимодействия постоянных магнитов, стремящихся занять состояние с минимумом энергии взаимодействия. Упорная поверхность 10 расположена в корпусе 1 и ограничивает возвратное движение роторного узла педали из-за силового взаимодействия постоянных магнитов 7, 8 и 5, стремящихся выстроить свои намагниченности параллельно друг другу. Механические ограничительная 11 и упорная поверхность 10 для механического ограничения осевого перемещения ротора расположены в корпусе 1. Печатная плата 12 содержит широко известные схемы защиты от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода, импульсных помех по цепи питания и выхода (т.е. стабилитрон, выпрямитель, конденсаторы фильтров и другие элементы, аналогично, как описано в прототипе 5). Линейный магниточувствительный элемент Холла 13, детектирующий круговое вращательное движение магнита 5, располагается симметрично с внешней поверхностью магнита таким образом, что плоскость его лицевой поверхности параллельна оси вращения вала 4 и перпендикулярна любой плоскости, содержащей диаметральную ось магнита 5. Предпочтительное расположение элемента Холла изображено на фиг. 1. С обратной стороны элемента Холла 13 в рабочей части установлен аксиальный ферромагнитный концентратор нормальных составляющих силовых линий магнитного поля 14, причем элемент Холла установлен на постоянном расстоянии от магнита с возможностью программирования его выходной характеристики 5 47202008.10.30 после сборки, включая чувствительность и среднеквадратическое напряжение. Уступ 15 располагается на опорной пластине педали 6 и служит для удобства фиксации ноги при управлении скоростью движения транспортного средства. Полюсные наконечники 16, 17 уменьшают рассеяние магнитного потока и увеличивают силу взаимодействия магнитов. Предпочтительным в устройстве является применение постоянных магнитов из редкоземельных материалов с максимальной для используемого состава магнитов удельной объемной магнитной энергией, например из 5 или , что обеспечивает необходимую силу возврата роторной части устройства с сохранением компактности геометрических размеров педали. Для использования линейного участка выходной характеристики ЭДС элемента Холла предпочтительно, чтобы угол поворота педали не превышал 30. При необходимости измерений больших углов поворота целесообразно, чтобы механические ограничители осевого перемещения ротора были установлены на максимальный угол поворота, не превышающий (180-0). Устройство функционирует следующим образом. После монтажа и настройки опорная пластина 6 педали незначительно прижата к уступу 10 за счет магнитного взаимодействия постоянных плоских магнитов и диаметрально намагниченного магнита, поскольку их намагниченности повернуты на угол 0. Эффект начального подпружинивания необходим для исключения колебаний педали при езде транспортного средства и используется практически во всех аналогах устройства. Выходная ЭДС сигнала элемента Холла при его расположении, как на фиг. 1, - константа, пропорциональная (0). При воздействии силына педаль управления скоростью движения опорная пластина 6 поворачивается на уголпо сравнению с первоначальным состоянием, и функция, описывающая сигнал с элемента Холла, пропорциональна (0). При небольших углах отклонения 30 сигнал в достаточной мере линеен и может использоваться без процессорной обработки или дополнительно им лианеризован. Механические ограничители 11 осевого перемещения ротора могут быть установлены на любой угол поворота, не превышающий (180-0). Максимальный угол поворота, при котором еще существует самовозврат роторной части педали в исходное состояние, менее (180-0). Для увеличения силы взаимодействия магнитов, т.е. силы возврата опорной пластины 6 педали в исходное состояние, два плоских постоянных магнита 7 и 8 снабжаются полюсными наконечниками, выполненными из магнитомягкого материала, и охватывают по дуге окружности в 90 диаметрально намагниченный кольцевой магнит 5, как представлено на фиг. 3. Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий средство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, относится к автомобильному электронному приборостроению и может быть использовано в электронных системах управления автомобилем, преимущественно для определения степени нажатия педали акселератора для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в ниже изложенной формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов средство, воплощающее заявленное при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7