Магнитоэлектрический датчик момента

 

Социалистических

ЙЗОБРЕТЕНИЯ

<щ892592

Ф

К АВТОРСКОМУ СВ ТИЗЬСТВУ (б1) Дополнительное к авт. сеид-ву(51)М. Кл З

Н 02 К 26/00 (22) Заявлено 060478 (21)2600275/24-07 с присоединением заявки HP— (23)Приоритет—

Государственный комитет

СССР но делам изобретений н открытий

Опубликовано 23,1281 Бюллетень ЙЯ47

Дата опубликования описания 231281

М) М< 621.З1З (088. 8) A.A. Сочивко, Г.В. Сладков, P.Ê. Ев

Е.М. Панаргин и Ю.A. Л (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК МОМЕНТА

Изобретение относится к специальным электрическим машинам, конкретно к моментным устройствам постоянного тока с ограниченным углом поворота выходной оси °

Магнитоэлектрнческие датчики момен-. тов (ДМ) отличаются простотой и находят применение в измерительных приборах, использующих принцип компенсации измеряемых снл и моментов, в ги" роскопических системах и других об" ластях техники (1).

Известны магнитоэлектрические датчики момента, содержащие магнитную систему с tIocTQHHHbIM магнитом и размещенную на металлическом каркасе обмотку управления (2), Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является магнитоэлектрический датчик момента с ограниченным углом поворота выходной оси, содержащий статор с магнитопроводом и распределенными по ниМ кольцевыми обмоткамир и РОТОРУ полненный на постоянных магнитах.

Равномерно распределенные витки статорной обмотки образуют две секции, каждая из которых занимает половину ,окружности кольцевого магнитопровода, внутри которого находится намагничен- 30 ный в радиальном направлении магнит ротора. Вследствие независимости магнитного сопротивления и потокосцепления от углового положения магнита датчик развивает момент, пропорциональный току обмоток в рабочем угле, немного меньшем 90 (3).

Недостатком этого датчика является. отсутствие в нем позиционного момента, создающего отрицательную жесткость подвеса. Вследствие этого при увели" чении угла поворота датчика возрастает потребление электроэнергии, расходуемой на компенсацию упругости подвеса. Недостатком датчика является также большое значение веса магнитной. системы, приходящиеся на единицу создаваемого момента.

Цель изобретения — увеличение удельного момента.

Поставленная цель достигается тем, что магнитопровод выполнен в виде двух параллельно расположенных частей, между которыми размещен магнит, связанный при помощи рычага с выходной осью.

Между концами частей магнитопровода могут быть установлены ферромагнитные перемычки, которые могут бить снабжены подвижными магнитными шун892592 тами. При этом магнит может быть снабжен полюсными наконечниками, охватывающими параллельно расположенные части магнитопровода. Кроме того, между двумя параллельно расположенными частями магнитопровода может быть помещен дополнительный магнит с противоположным основному магниту на,правлением намагниченности, связан ный с помощью рычага с выходной осью.

На фиг. 1 изображен датчик с плоским магнитопроводом и магнитом; на фиг. 2 — датчик с полюсными каконечниками; на фиг. 3 — датчик с плоским магнитопроводом, между параллель.но расположенными частями которого размещены два магнита; на фиг. 4— датчик с полюсными наконечниками, частично или полностью охватывающими магнитопровод.

Датчик содержит параллельно расположенные части магнитопровода 1 и 2 с концевыми перемычками, распределенные обмотки (катушки) 3 и 4 статора, магнит 5 ротора, намагниченный в осевом направлении, рычаг б, ось 7 вра-! щения. В качестве рычага б можно использовать достаточно удаленные от оси 7 вращения детали устройства, к которому прилагается момент датчика.

Датчик с полюсными наконечниками

8 (фиг.2) снабжен, кроме того, концевыми поворотными перемычками 9 и 10.

В датчике с плоским магнитопроводом (фиг. 3) секции статорных обмоток 3 и 4 снабжены выводами от средних токов.

Сила, действующая в датчике, определяется по формуле

F = В Ь 1Ф, где  — индукция в рабочем зазоре (Т);

6 — активная длина проводника (м) у

Х вЂ” сила тока в обмотке якоря датчика (A) W — - число витков в катушке 3 и

4 датчика; р — электромагнитная .сила взаимодействия проводника с током и поля ротора.

Направление силы зависит от направления поля магнита 5 и направления тока в обмотке 3 и 4 датчика.

При изменении полярности питающего обмотку 3 и 4. напряжения направление силы изменяется на противоположное.

Обмотки 3 и 4 должны быть включены таким образом, чтобы момент, создаваемый обеими обмотками, совпадал.

При совпадающем направлении намотки полярность. питающего обмотки 3 и 4 напряжения противоположна„ а при противоположном направлении намотки она совпадает. Обмотки 3 и 4.можно соединять как последовательно, так и параллельно (в зависимости от напряжения источника питания, требования к технологии намотки, надежности! и т. д.) . Для создания электромагнитных усилий при одной и той же мощности питания обе схемы равноценны (хотя при последовательном типе соединений несколько лучше коэффициент заполнения. меди за счет увеличения ее сечения, однако надежность датчика ниже) .

Особенностью предлагаемого магии" тоэлектрического датчика момента яв ляется наличие концевых перемычек 9 и 10, замыкающих основной поток и поток обмоток 3 и 4 таким образом, что одна часть магнитопровода 1 и 2 находится при суммарном потоке, а другая — при разностном. При этом, 15 если магнит 5 под действием электромагнитных сил сдвигается, например вправо (фиг. 1), то дополнительно к электромагнитным силам добавляются силы от магнитной асимметрии за счет щ увеличения основного потока (правого края) и его уменьшения с другого края (хотя суммарный поток ротора остается примерно постоянным) . Эта дополнительная составляющая сила (сила тяжения), действующая на ротор (обычно подвижной частью является индуктор), компенсирует упругие силы, приложенные к оси ротора, что необходимо для увеличения точности отработки датчиком требуемых усилий, а также для уменьшения потребления электроэнергии, расходуемой на компенсацию упругости подвеса. Поток якоря не зависит от положения индуктора. увеличивающийся поток индуктора.

З5 создает дополнительное усилие (позиционная составляющая этого усилия эквивалентна отрицательной жесткости).

Эти силы противоположны по знаку упругим силам, приложенным к оси 7 датчика, компенсируя их частично или полностью. Магнитные силы тяжения, существующие независимо от тога, включены обмотки 3 и 4 или нет, определяются только положением магнита

5 и могут быть меньше или равны упругим силам, действующим на ось 7.

В измерительной технике часто возникают задачи уменьшить или ликвидировать позиционную связь, возникающую при действии упругих сил, увеличив тем самым точностные характерис-, тики прибора. С этой целью введены концевые перемычки 9 и 10, которые и создают позиционную составляющую дополнительного усилия (противоположного знака с упругими силами), которые частично и полностью компенсируют эти силы. Так как в рабочем состоянии (обмотки 3 и 4 под током) моментный датчик по сигналам извне обеспечивает

69 равенство моментов (или сил) входных и отрабатывающих, то такое создание дополнительного позиционного момента не только увеличивает точность прибора за счет компенсации упругих моg5 ментой, но и уменьшает общий потреб892592 ляемый датчиком ток, улучшая его коэффициент преобразования. Нескомпен-. сированная часть упругих моментов отрабатывается sa счет сигнала управления, поступающего на обмотки 3 и 4, причем ток управления возрастает до . тех пор, пока не наступит равновесие между внешним и отрабатываемым датчиком моментами.

Разница в принципе действия датчика (фиг. 2) заключается в том, что поток пронизывает все витки обмоток 3 и 4 якоря, в то время как поток (фиг. 1) пронизывает только витки, обращенные к полюсам магнита 5, так как витки, расположенные выше или ни-, же магнитопровода 1 и 2 им экранируются и не участвуют в образовании электромагнитного момента, снижая этим коэффициент использования датчика (отношение момента к потребляемой мощности), кроме того, увеличи- 20 ваются вес и габариты ДМ.

Для уменьшения весогабаритных показателей и увеличения коэффициента использования датчика (фиг.2 и 4) использовались полюсные наконечники д5

8, охватывающие магнитопроводы 1 и 2 статора.

Перемычки 9 и 10 существуют для замыкания потока ротора и потока статора. Угол поворота полюсных наконечников 8 относительно обмоток 3 и 4 ограничивается требованиями к датчику и может быть спроектирован в пределах от минимально возможного (510 эл. град.) до максимально возможного (300-320 эл. град.) .

Датчики (фиг. 3 и 4) отличаются от предыдущих (фиг. 1 и 2) тем, что путь основного потока индуктора проходит через два магнита 5, включенных в магнитную цепь последовательно, 40 создающих общий суммарный поток. Для создания силы схема соединений катушек 3 и 4 (последовательно, параллельно, последовательно-параллельно) может быть любой, количество магнитов 5 выбирается исходя из Необходимого угла поворота и суммарного момента, для чего необходимо увеличить число электромагнитных датчиков, замкнув магнитопроводы 1 и 2 в два 50 параллельно расположенных тороида (при ограничении габаритов) .Если нет жесткого ограничения габаритов, то выгоднее применять не круговой, а сегментный вариант (фиг. 1-4). Подвижные магнитньв шунты — поворотные перемычки 9 и 10 могут быть конструктивно выполнены по-разному (в зависимости от требований к конкретному датчику). Обычно бывают заданы величина и характер изменения упругих бО сил на валу датчика,.требование к точности установки и компенсации этих сил, величина и характер нагрузки на валу, климатические и механические факторы и др. Концевые перемычки 9 и 65

10 должны быть сделаны подвижными с воэможностью фиксации в определенном положении .(Упором, винтом и др. средствами), при этом при повороте должна изменяться проводимость между перемычкой и остальным магнитопроводом

1 и 2 статора, а также проводимость между перемычкой 9.и 10 и подвижными магнитами 5 ротора, что решается эа счет эксцентричного закрепления пере- мычки 9 и 10 на магнитопроводе 1 и 2 статора. Иагнитные шунты должны быть установлены таким образом, чтобы они замыкали потоки, идущие от индуктора, а.также нри повороте давали бы

I изменение магнитной проводимости меж« ду перемычкой 9 и 10 магнитопроводом

1 и 2 статора и магнитом 5 ротора.

Иомент датчика пропорционален расстоянию от оси 7 вращения при постоянном весе магнитной системы. При отклонении магнита 5 относительно статора от среднего положения увеличивается магнитный поток, замыкающийся через одну, концевую перемычку, и уменьшается поток, замыкающийся через другую перемычку, возникают силы тяжения, направленные в сторону ближайшей перемычки. Эти силы противоположны по знаку. упругим силам, приложенным к оси 7, и полностью или частично их компенсируют, Величину момента сил тяжения можно регулировать изменением до оси вращения, а также за. счет установки нескольких датчиков, имеющих общую ось вращения. Точную регулировку отрицательной жесткости целесообразно производить изменением геометрии и магнитного сопротивления перемычек.

Магнитный поток, создаваемый двумя последовательно включенными магнитами 5 (фиг.3), проходит через воздушные зазоры и замыкается по обеим частям магнитопровода. Поворот магнитов 5 вдоль магнитопровода 1 и 2 в пределах полусекций не вызывает изменения магнитного сопротивления и потокосцепления, поэтому развиваемый момент линейным образом зависит от тока управления. Величина развиваемого момента пропорциональна расстоянию до оси вращения 7 при неизменном весе магнитной системы.

Недостатком датчика (фиг. 3) является неполное использование мдди обмоток. Этот недостаток устраняется применением полюсных наконечников 8, частично или полностью охватывающих магнитопровод 1 и 2.

Предлагаемый датчик целесообразно использовать в случаях, когда требуется значительная величина момента и допустимо большое плечО его приложения. При заданных габаритных размерах увеличение развиваемого момента достигается путем параллельного включения нескольких датчиков так, чтобы их магнитопроводы служили продолже892592 нием друг друга вплоть до эаьыкания их в два параллельно расположенные кольца.

Преимущество изобретения состоит в наличии позиционного момента, приложенного к оси .датчика, а также в низком значении веса магнитной системз, приходящегося на единицу развиваемого момента.

Формула изобретения

1. Магнитоэлектрический датчик момента с ограниченным углом поворота выходной оси, содержащий статор, с магнитопрбводом и распределенными на нем кольцевыми обмотками, и ротор, выполненный на постоянных маг-. нитах, отличающийся тем, что, с целью увеличения удельного момента, магнитопровод выполнен в виде двух параллельно расположенных частей, между которыми размещен магнит, связанный при помощи рычага с выходной осью.

2. ДатЧик по п.. 1, о т л и ч а юш и и с я тем, что, с целью снижения энергопотребления за счет, получения отрицательной жесткости, на концах магнитопровода установлены ферромагнитные перемычки.

3. Датчик по п. 1, отличаюшийся тем, что, с целью регулирования отрицательной жесткости, концевые перемычки снабжены подвижными

-магнитными шунтами.

4. Датчик по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что магнит снабжен полюсными наконечниками, охватывающими параллельно расположенные части магнитопровода.

5. Датчик по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что между параллельно расположенными частями магнитопровода помещен дополнительный магнит с противоположным основному магниту направлением намагниченности и связан с помощью рычага с выходной осью.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

20 1. Тирископические системы. Под ред. Пельнора Д.С. М., Высшая шко ла, 1972, ч. "3, g 16.

2, Авторское свидетельство СССР

263226, кл. H 02 К 26/00, 1968.

3. Куликовский Л.Ф. и Эаринов И.Ф.

Индуктивные преобразователи перемещения с распределенными параметраьи.

И.-Л., Энергия, 1966, с. 70, рис. 2,18.

892592

Составитель В. Никаноров

Редактор Л. Филиппова Техред Э,фанта Корректор,И. Демчик

Заказ 11274/79 ., Тираж 733 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4