Автономный датчик вращения

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Анищик Виктор Михайлович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Автономный датчик вращения, содержащий немагнитный ротор с закрепленным на нем первым постоянным магнитом насыщения и магниточувствительный преобразователь Виганда, установленный неподвижно в непосредственной близости от ротора, с магнитом гашения, создающим меньшую индукцию магнитного поля, чем магнит насыщения, отличающийся тем, что введен второй идентичный постоянный магнит, установленный на роторе диаметрально противоположно первому и ориентированный полюсами сонаправленно первому магниту для создания квазиоднородного двухмерного магнитного поля между ними, при этом введен еще (-1) магниточувствительный преобразователь Виганда с магнитами гашения соответственно, по крайней мере где 6, а оси всех катушек и одноименные полюса магнитов гашения направлены к центру ротора одинаково и радиально, при этом преобразователи Виганда установлены равномерно по окружности, причем ротор выполнен в виде кольца, внутри которого размещены катушки с проволокой Виганда и магнитами гашения, и катушки соединены в электрическую цепь последовательно друг с другом и выполнены с разным количеством витков, например дискретно увеличивающимся с номером . 86582012.10.30 2. Автономный датчик вращения по п. 1, отличающийся тем, что в цепи катушек,электрически соединенных последовательно, введен диод. 3. Автономный датчик вращения по п. 1, отличающийся тем, что первый и второй магниты с тыльной стороны охвачены магнитопроводом. 4. Автономный датчик вращения по п. 1, отличающийся тем, что количество магниточувствительных преобразователей Виганда выбирается из условия 62/( ), где- максимальная угловая скорость ротора,- длительность электрического импульса. Заявляемая полезная модель относится к приборостроению и может использоваться для определения скорости и направления вращения, а также числа оборотов, дискретных углов поворота в системах управления вентильными и шаговыми электродвигателями, в металлорежущих станках и т.д. Известно устройство определения углового положения вращающегося объекта 1, которое включает немагнитный вращающийся диск с расположенным на нем магнитопроводом, содержащим две пластины, изогнутые по дуге окружности, элемент Холла,источник магнитного поля и измерительный блок. При этом обе пластины магнитопровода выполнены тонкими, параллельными, изогнутыми по дуге окружности с центральным углом , превышающим 180, в зазоре между пластинами расположен источник магнитного поля, состоящий из двух основных постоянных магнитов, намагниченных противоположно, и по крайней мере двух дополнительных, меньшей интенсивности, выполненных с возможностью смещения относительно основных, а также содержит дополнительно два элемента Холла, причем эти два элемента расположены диаметрально противоположно в зазоре магнитопровода, а третий находится вне магнитопровода, между установленным на диске магнитом, выполненным из двух полуколец, намагниченных в аксиальном направлении противоположно друг другу, и неподвижным миниатюрным стержнем, изготовленным из феррита, обладающего прямоугольной петлей гистерезиса при перемагничивании(ППГ). Устройство работает следующим образом. На вход измерительного блока поступают сигналы с трех элементов Холла соответственно. При этом ЭДС одного из элементов Холла от угла поворота представляет собой чередование импульсов прямоугольной формы двух полярностей с угловой длительностью импульсов в 180 каждая, что обеспечивается резким скачком величины аксиальной составляющей индукции магнитного поля,созданного полюсами магнита при взаимодействии с миниатюрным стержнем с ППГ. Каждой полярности импульсов приписывается свой диапазон измерений углов 0-180 и 180-360 соответственно. С каждым из диапазонов связано линейное изменение индукции магнитного поля в зазоре магнитопровода, которое фиксируется двумя другими элементами Холла. Таким образом, с помощью элемента Холла с ППГ происходит автоматическое переключение измерений на указанные ранее элементы Холла. Аналоговый сигнал, поступающий в измерительный блок, представляет собой отрезки двух линейных функций угла поворота, сшитых искусственным образом. Основным недостатком 1 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, где вся 2 86582012.10.30 электроника питается от аккумуляторных батарей. Кроме того, аналоговый сигнал требует усиления и тщательного электромагнитного экранирования. Из уровня техники известно устройство определения угла поворота на эффекте Холла 2, которое включает закрепленный на роторе источник постоянного магнитного поля,неподвижный магнитопровод, содержащий две пластины, в зазоре между которыми размещен элемент Холла, изогнутые по дуге окружности, и измерительный блок. Источник магнитного поля выполнен в виде диска с одним немагнитным и двумя намагниченными в аксиальном направлении противоположно друг другу участками, имеющими границу раздела разноименных полюсов, проходящую через диаметр диска, выполненными в форме полукруга и полукруга с выступами соответственно, а магнитопровод содержит дополнительно две пластины, в зазоре между которыми расположен второй элемент Холла, изогнутые по дуге окружности с центральным углом(190220) и внешним радиусом, равным радиусу диска, причем пластины расположены соответственно сверху и снизу диска параллельно его основанию, а полупроводниковые пластины элементов Холла, размещенных в зазорах магнитопровода, лежат в одной плоскости, которая перпендикулярна основанию диска и проходит через его ось вращения. У одного из оснований диска расположен неподвижно третий элемент Холла параллельно его поверхности таким образом, что плоскость раздела противоположно намагниченных участков диска проходит около него через каждые 180 поворота ротора, что соответствует чередованию разнополярных прямоугольных импульсов его ЭДС в зависимости от угла поворота. Таким образом, в зависимости от полярности импульса весь диапазон углов оказывается разбитым на два поддиапазона с длительностью 180. В каждом из поддиапазонов аналоговые сигналы от двух других элементов имеют линейную зависимость от угла поворота. Поскольку пластины магнитопровода расположены параллельно основанию диска, то они выполняют роль концентраторов индукции магнитного поля в плоскости, перпендикулярной оси вращения. То есть они усиливают тангенциальную составляющую индукции и почти не влияют на составляющую, параллельную оси диска. Таким образом, при симметричном расположении пластин относительно намагниченного участка вследствие вычитания магнитных потоков ЭДС одного из элементов Холла проходит через нуль. При асимметрии компенсация магнитных потоков нарушается, и элемент один Холла выдает аналоговый сигнал, который линеен в диапазоне углов поворота более 180. При дальнейшем смещении намагниченного полюса относительно элемента Холла происходит переключение аналогового сигнала на другой аналоговый сигнал от другого элемента Холла. Таким образом, процесс переключения на аналоговые сигналы повторяется. Следовательно, устройство 2 обеспечивает однозначное определение угла поворота ротора без использования микропроцессора. Основным недостатком 2 аналогично, как и в 1, является повышенное энергопотребление, обусловленное тем, что используются три элемента Холла и схема электроники, которые потребляют ток в непрерывном режиме свыше 50 мА, что затрудняет его использование в автономных устройствах, где вся электроника питается от аккумуляторных батарей. Один сбой в переключении аналоговых сигналов может привести к неправильному функционированию устройства в дальнейшем, поэтому отказ от использования микропроцессора не является глубоко оправданным. Наиболее близким по технической реализации к предлагаемому решению является датчик восприятия вращательного движения 3 (прототип), который функционирует на эффекте Виганда и не требует электропотребления. Он содержит немагнитный ротор,обычно изготавливаемый из алюминия, с закрепленным на нем постоянным магнитом насыщения и магниточувствительный преобразователь Виганда, установленный неподвижно в непосредственной близости от ротора, с магнитом гашения, создающим меньшую индукцию магнитного поля, чем магнит насыщения. Магнит насыщения и магнит гашения намагничены противоположно. Магниточувствительный преобразователь Виган 3 86582012.10.30 да содержит миниатюрную катушку из медной проволоки и размещенную в ней вдоль оси ферромагнитную проволоку Виганда, состоящую из магнитомягкой сердцевины с небольшой коэрцитивной силой и магнитожесткой оболочки, причем магнит гашения установлен параллельно оси катушки. Преобразователь Виганда представляет собой двухполюсник, реагирующий на магнитные поля и вырабатывающий сигналы в диапазоне нескольких вольт при условии, что напряженность управляющего (изменяющегося) магнитного поля превышает величину напряженности (индукции Вз) поля зажигания. Тем не менее описанное устройство (прототип) обладает пониженной точностью определения параметров вращения в связи с одним-единственным вырабатываемым электрическим импульсом на полный оборот ротора, что особенно неприемлемо при низких скоростях вращения ротора, а также его остановках и изменении направления вращения. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является увеличение точности определения параметров вращения и их числа без использования электропотребления. Автономный датчик вращения содержит немагнитный ротор с закрепленным на нем первым постоянным магнитом насыщения и магниточувствительный преобразователь Виганда, установленный неподвижно в непосредственной близости от ротора, с магнитом гашения, создающим меньшую индукцию магнитного поля, чем магнит насыщения. По мнению авторов, он отличается тем, что введен второй идентичный постоянный магнит, установленный на роторе диаметрально противоположно первому и ориентированный полюсами сонаправленно первому магниту для создания квазиоднородного двухмерного магнитного поля между ними, при этом введен еще (-1) магниточувствительный преобразователь Виганда с магнитами гашения соответственно, по крайней мере где 6,а оси всех катушек и одноименные полюса магнитов гашения направлены к центру ротора одинаково и радиально, а преобразователи Виганда установлены равномерно по окружности, причем ротор выполнен в виде кольца, внутри которого размещены катушки с проволокой Виганда и магнитами гашения, при этом катушки соединены в электрическую цепь последовательно друг с другом и выполнены с разным количеством витков, например дискретно увеличивающимся с номером . Автономный датчик вращения отличается тем, что в цепи катушек, электрически соединенных последовательно, введен диод. Автономный датчик вращения отличается тем, что первый и второй магниты с тыльной стороны охвачены магнитопроводом. Автономный датчик вращения отличается тем, что количество магниточувствительных преобразователей Виганда выбирается из условия 62/( ), где - максимальная угловая скорость ротора,- длительность электрического импульса. 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 заявляемого изобретения условию патентоспособности новизна. Заявляемое изобретение поясняется фиг. 1-5. На фиг. 1 изображена конструкция автономного датчика вращения. 4 86582012.10.30 На фиг. 2 представлена конструкция магниточувствительного преобразователя Виганда с электрической схемой его подключения. На фиг. 3 представлена схема перемагничивания проволоки Виганда как функция временипри изменении индукции внешнего магнитного поля . 1 - выходной сигнал с первого датчика, а 1 - его магнитная чувствительность (выходной сигнал на один виток катушки). На фиг. 4 приведен выходной сигнал устройстваот всехпреобразователей Виганда (например, когда 6), катушки которых подключены последовательно друг с другом,как функция временипри вращении по часовой стрелке. Количество витков катушек 1250 2500 3750 41000 51250 61500. Амплитуды соответствуют дискретным углам поворота , 2, 3, и т.д. (-1) ,360. На фиг. 5 приведен выходной сигнал устройстваот всех преобразователей Виганда,катушки которых подключены последовательно друг с другом, как функция временипри вращении против часовой стрелки. Устройство содержит немагнитный ротор 1 (выполнен в виде кольца) с закрепленным на нем первым постоянным магнитом насыщения 2, вторым постоянным магнитом насыщения 3, установленным на роторе 1 диаметрально противоположно первому магниту 2(магниты 2 и 3 ориентированы полюсами сонаправленно для создания квазиоднородного двухмерного магнитного поля между ними), и магниточувствительные преобразователи Виганда 4 количеством Р единиц, установленные неподвижно в непосредственной близости от ротора 1 с идентичными постоянными магнитами гашения 5, меньшей интенсивности, чем магниты насыщения. Количество магниточувствительных преобразователей Виганда 4 (их число ) выбрано из условия 6 из соображений достаточного количества импульсов ЭДС при полном повороте ротора (по крайней мере в 6 раз более, чем в прототипе). Каждый магниточувствительный преобразователь Виганда 4 содержит миниатюрную катушку 6 из медной проволоки и размещенную в ней ферромагнитную проволоку Виганда, состоящую из магнитомягкой сердцевины 7 с небольшой коэрцитивной силой и магнитожесткой оболочки 8. Оси всех катушек 6 и одноименные полюса магнитов гашения 5 направлены к центру ротора одинаково и радиально (как на фиг. 1). Угол между осями соседних катушек равен 360/. Катушки соединены в электрическую цепь последовательно друг с другом с помощью электрических проводов 9 и выполнены с разным количеством витков , например дискретно увеличивающимся с номером . Например,при 6 количество витков в катушках может быть следующим 1250 2500 3750 41000 51250 61500 (дискрет 250). Преобразователи Виганда установлены равномерно по окружности. В цепи катушек, электрически соединенных последовательно друг с другом может быть введен диод 10 (как на фиг. 2) для отсекания импульсов отрицательной полярности. Магниты 2 и 3 с тыльной стороны могут быть охвачены магнитопроводом 11. Устройство работает следующим образом. При вращении ротора 1 с линейной скоростьювращаются постоянные магниты 2, создающие вращающееся квазиоднородное магнитное поле , индукция магнитного поля которого есть гармоническая функция времени , т.е., например, для магниточувствительного преобразователя Виганда с номером 1 имеем(2/), где- амплитуда квазиоднородного магнитного поля,период обращения ротора 1. Для остальных магниточувствительных преобразователей Виганда это выражение будет отличаться наличием фазы соответственно , 2, 3,(-1),2 радиан, где- угол сдвига магниточувствительных преобразователей в радианах. Без ограничения общности можно рассмотреть формирование выходного сигнала 1 с преобразователя с номером 1, когда ось его катушки параллельна , а сигналы с других магниточувствительных преобразователей 4 будут аддитивно суммироваться 5 86582012.10.30 по времени, когда полюса магнитов 2 и 3 окажутся на одной линии с осями соответствующих катушек. Схема генерирования сигнала преобразователем Виганда приведена на фиг. 3. В основе функционирования магниточувствительного преобразователя Виганда лежит перемагничивание проволоки Виганда большими скачками намагниченности Баркгаузена. Проволока обладает бистабильными магнитными свойствами и характеризуется двумя скачками намагниченности за один цикл перемагничивания. Необходимым условием правильного функционирования преобразователя Виганда (или перемагничивания проволоки Виганда) является требование асимметричности перемагничивающего внешнего магнитного поля, которое создается совокупным воздействием магнитов насыщения и гашения соответственно. При этом электропотребление преобразователем Виганда отсутствует, а он сам генерирует один рабочий импульс положительной полярности за каждый поворот ротора на 360. Амплитуда выходного сигнала 1 (условно для первого преобразователя, для остальных аналогично) зависит от магнитной чувствительности проволоки Виганда(от ее химического состава и способа получения, геометрических размеров) и прямо пропорциональна числу витков катушки 1, т.е. 11. Обычно диапазон(3-3,5) мВ/виток. Асимметричность перемагничивающего внешнего магнитного поля создается суперпозицией двух магнитных полей, а именно системой магнитов 2, 3 с индукцией(2/) и магнитом гашения 5 с индукцией магнитного поля г. Результирующее магнитное поле, с учетом намагниченности магнитов, будетг - с(2/Т). Если проволока Виганда находится в сильном магнитном поле (г), то ее оболочка и сердцевина намагничены в одном направлении, а размагничивающее поле проволоки проходит через внешнее пространство. Когда на проволоку действует магнитное поле противоположного знака (г) по величине, достаточной для перемагничивания магнитомягкой сердцевины, намагниченность сердцевины меняет направление, а размагничивающее поле замыкается через проволоку. Процесс отрыва намагниченности сердцевины от намагниченности оболочки достаточно медленный, поэтому импульс ЭДС,возникающий в катушке 6, имеет маленькую отрицательную амплитуду, которую легко отсечь современными пассивными элементами электроники, например диодом 10. Процесс притягивания намагниченности сердцевины к оболочке проходит скачком (длительность не превышает 20-50 мкс) при достижении индукции величины зажигания з,при этом размагничивающее поле проволоки замыкается через внешнее пространство и в катушке 6 наводится импульс положительной полярности величиной , равной (3-3,5) мВ на один виток катушки. При полном обороте ротора 1 на выходе устройства формируется ряд импульсов положительной полярности амплитудой(импульсы отрицательной полярности отсекаются диодом 10) и длительностью(20-50) мкс от каждой катушки датчика Виганда. На фиг. 4 приведен выходной сигнал устройстваот всехпреобразователей Виганда (например, когда 6) как функция временипри вращении ротора 1 по часовой стрелке, а на фиг. 5 - при вращении ротора 1 против часовой стрелке. Таким образом, по количеству импульсов, их амплитудам и формам изменения амплитуд (убывание или возрастание) можно определять следующие параметры вращения скорость и направление вращения, число оборотов, дискретный угол поворота. Чтобы импульсы ни в коей мере не перекрывались, необходимо выполнение условия. Если учесть, что линейная скорость вращения ротора, где максимальная угловая скорость,- радиус ротора, то периодопределяется как 2/, следовательно,2/( ). Таким образом, количество преобразователей Виганда выбирается из условия 62/( ). Оценка величины наводимой гармонической ЭДС помехи Е из-за вращения магнитов 2 и 3 по формуле/, гдепоперечная площадь катушки 6, а- изменение индукции магнитного поля за период, не превышает нескольких мВ, то ни усиления сигнала, ни фильтров не требуется. 6 86582012.10.30 Таким образом, решение поставленной задачи достигается без использования электропотребления датчиком. 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. 8