RU232943U1

RU232943U1 - INDUCTION ANGULAR DISPLACEMENT SENSOR

Info

Publication number: RU232943U1
Application number: RU2024136340U
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Евгеньевич Вавилов; Александр Александрович Подгузов; Михаил Валерьевич Охотников; Оксана Алексеевна Юшкова
Filing date: 2024-12-04
Publication date: 2025-03-28

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в системах управления различных объектов, в том числе летательных аппаратов. Технический результат - повышение точности измерения при применении в высокоскоростных электрических машинах. Индукционный датчик углового перемещения содержит зубчатый статор с обмоткой возбуждения и измерительными обмотками и ротор, имеющий цилиндрическую форму, обеспечивающую равномерный воздушный зазор между статором и ротором. Для достижения технического результата ротор изготовлен из двухфазного магнитного материала с немагнитными зонами в виде спирали Архимеда и в виде N радиальных участков, формирующих полюса ротора. Величина N определяется как где R - радиус ротора, τ - полюсное деление измерительной обмотки на статоре. 1 ил. The utility model relates to the field of electrical engineering and can be used in control systems of various objects, including aircraft. The technical result is an increase in the measurement accuracy when used in high-speed electric machines. The induction angular displacement sensor contains a toothed stator with an excitation winding and measuring windings and a rotor having a cylindrical shape, providing a uniform air gap between the stator and the rotor. To achieve the technical result, the rotor is made of a two-phase magnetic material with non-magnetic zones in the form of an Archimedes spiral and in the form of N radial sections forming the rotor poles. The value of N is determined as where R is the rotor radius, τ is the pole division of the measuring winding on the stator. 1 fig.

Description

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована в системах управления различных объектов, в том числе летательных аппаратов.The utility model relates to the field of instrument engineering and can be used in control systems of various objects, including aircraft.

Известен трансформаторный преобразователь угловых перемещений [патент РФ №2480710 С2, кл. G01B 7/30, G01D 5/22, опубликовано 27.04.2013 г.], содержащий цилиндрический корпус, ферромагнитный статор с размещенными в нем обмоткой возбуждения и двумя секциями измерительной обмотки, расположенными вокруг двух полюсов статора, имеющих форму секторов и соединенных последовательно встречно, и ферромагнитный ротор, выполненный в виде полудиска и расположенный соосно со статором, причем обмотка возбуждения выполнена в виде кольца и размещена в кольцевом пазу статора, обращенном к ротору, между секциями измерительной обмотки коаксиально кольцевым ее участкам.A known angular displacement transformer transducer [RU Patent No. 2480710 C2, class G01B 7/30, G01D 5/22, published on 27.04.2013] comprises a cylindrical housing, a ferromagnetic stator with an excitation winding placed therein and two sections of a measuring winding located around two stator poles shaped as sectors and connected in series in opposite directions, and a ferromagnetic rotor made in the form of a half-disk and located coaxially with the stator, wherein the excitation winding is made in the form of a ring and placed in an annular groove of the stator facing the rotor, between the sections of the measuring winding coaxially with its annular sections.

Недостатком аналога является сложность конструкции и технологии изготовления, повышенные потери на трение ротора и дисбаланс ротора ввиду неравномерности воздушного зазора между статором и ротором, невозможность достижения высоких частот вращения ротора.The disadvantage of the analogue is the complexity of the design and manufacturing technology, increased friction losses of the rotor and rotor imbalance due to the unevenness of the air gap between the stator and the rotor, and the impossibility of achieving high rotor speeds.

Известен индукционный датчик углового перемещения электромашинного типа [патент РФ №122165 U1, кл. G01B 7/30, опубликовано 20.11.2012 г.], содержащий статор с обмотками и безобмоточный ротор с явно выраженными полюсами, причем для настройки чувствительности между полюсами ротора через изолирующие прокладки размещены ферромагнитные пластины-шунты.An induction angular displacement sensor of an electric machine type is known [RU Patent No. 122165 U1, class G01B 7/30, published on 20.11.2012], containing a stator with windings and a windless rotor with clearly defined poles, and for adjusting the sensitivity between the rotor poles, ferromagnetic shunt plates are placed through insulating gaskets.

Недостатком аналога является сложность технологии изготовления, значительные потери на трение ротора и дисбаланс ротора ввиду неравномерности воздушного зазора между статором и ротором, невозможность достижения высоких частот вращения ротора.The disadvantage of the analogue is the complexity of the manufacturing technology, significant losses due to rotor friction and rotor imbalance due to the unevenness of the air gap between the stator and the rotor, and the impossibility of achieving high rotor rotation frequencies.

Известен трансформаторный датчик угла [Авторское свидетельство SU №1610246 А1, кл. G01B 7/30, опубликовано 30.11.1990 г.], содержащий неявнополюсный статор с равномерно распределенными по его внутренней поверхности пазами, в которые определенным образом уложены обмотка возбуждения и измерительная обмотка, безобмоточный зубчатый ротор, при этом промежутки между зубцами ротора заполнены компаундом с наполнителем в виде магнитного порошка.A transformer angle sensor is known [Author's certificate SU No. 1610246 A1, class G01B 7/30, published on November 30, 1990], containing a non-salient-pole stator with slots uniformly distributed over its inner surface, into which the excitation winding and measuring winding are laid in a certain way, a windingless toothed rotor, while the gaps between the rotor teeth are filled with a compound with a filler in the form of magnetic powder.

Недостатком аналога является сложность технологии изготовления, ухудшение линейности выходной характеристики датчика вследствие неравномерности магнитной проводимости по ширине пазов, невозможность достижения высоких частот вращения ротора.The disadvantage of the analogue is the complexity of the manufacturing technology, deterioration of the linearity of the output characteristic of the sensor due to the unevenness of the magnetic conductivity across the width of the grooves, and the impossibility of achieving high rotor rotation frequencies.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является конструкция резольвера [JP 2020094987 А, кл. G01D 5/20, H02K 24/00, опубликовано 18.06.2020 г.], содержащий зубчатый статор с обмотками, ротор, имеющий эллиптическую форму, причем ротор дополнительно покрыт пористой поддающейся механической обработке пленкой из Известен трансформаторный датчик угла [Авторское свидетельство SU №1610246 A1, кл. G01B 7/30, опубликовано 30.11.1990 г.], содержащий неявнополюсный статор с равномерно распределенными по его внутренней поверхности пазами, в которые определенным образом уложены обмотка возбуждения и измерительная обмотка, безобмоточный зубчатый ротор, при этом промежутки между зубцами ротора заполнены компаундом с наполнителем в виде магнитного порошка.The closest in technical essence and the achieved result is the design of a resolver [JP 2020094987 A, cl. G01D 5/20, H02K 24/00, published on 18.06.2020], comprising a toothed stator with windings, a rotor having an elliptical shape, wherein the rotor is additionally covered with a porous film amenable to mechanical processing made of A transformer angle sensor is known [Copyright Certificate SU No. 1610246 A1, cl. G01B 7/30, published on 30.11.1990], comprising a non-salient-pole stator with grooves uniformly distributed over its inner surface, into which the excitation winding and the measuring winding are laid in a certain way, a windingless toothed rotor, while the gaps between the rotor teeth are filled with a compound with a filler in the form of magnetic powder.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является конструкция резольвера [JP 2020094987 А, кл. G01D 5/20, H02K 24/00, опубликовано 18.06.2020 г.], содержащий зубчатый статор с обмотками, ротор, имеющий эллиптическую форму, причем ротор дополнительно покрыт пористой поддающейся механической обработке пленкой из магнитного материала.The closest in technical essence and achieved result is the design of a resolver [JP 2020094987 A, class G01D 5/20, H02K 24/00, published on 18.06.2020], containing a toothed stator with windings, a rotor having an elliptical shape, and the rotor is additionally covered with a porous mechanically processable film made of magnetic material.

Недостатками аналога являются значительные потери на трение ротора и дисбаланс ротора ввиду неравномерности воздушного зазора между статором и ротором, невозможность достижения высоких частот вращения ротора.The disadvantages of the analogue are significant losses due to rotor friction and rotor imbalance due to the uneven air gap between the stator and the rotor, and the impossibility of achieving high rotor rotation frequencies.

Задача полезной модели - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности применения индукционного датчика углового перемещения в высокоскоростных электрических машинах.The objective of the utility model is to expand functional capabilities by providing the possibility of using an inductive angular displacement sensor in high-speed electrical machines.

Техническим результатом является повышение точности измерения при применении в высокоскоростных электрических машинах.The technical result is an increase in measurement accuracy when used in high-speed electrical machines.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в индукционном датчике углового перемещения, содержащем зубчатый статор с обмоткой возбуждения и измерительными обмотками и ротор, согласно полезной модели, ротор имеет цилиндрическую форму, обеспечивающую равномерный воздушный зазор между статором и ротором, и изготовлен из двухфазного магнитного материала с немагнитными зонами в виде спирали Архимеда и в виде N радиальных участков, формирующих полюса ротора, причем величина N определяется как:The stated problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in an induction angular displacement sensor containing a toothed stator with an excitation winding and measuring windings and a rotor, according to the utility model, the rotor has a cylindrical shape, providing a uniform air gap between the stator and the rotor, and is made of a two-phase magnetic material with non-magnetic zones in the form of an Archimedes spiral and in the form of N radial sections forming the rotor poles, wherein the value of N is determined as:

где R - радиус ротора, τ - полюсное деление измерительной обмотки на статоре.where R is the rotor radius, τ is the pole division of the measuring winding on the stator.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором показано конструктивное исполнение индукционного датчика углового перемещения.The essence of the utility model is explained by a drawing, which shows the design of an inductive angular displacement sensor.

Предложенное устройство содержит зубчатый статор 1 с обмотками (на чертеже не показаны) и цилиндрический ротор 2, изготовленный из двухфазного магнитного материала с немагнитными зонами в форме спирали Архимеда 3 и N радиальных участков 4 по окружности ротора 2, создающих полюсную структуру ротора 2.The proposed device contains a toothed stator 1 with windings (not shown in the drawing) and a cylindrical rotor 2 made of a two-phase magnetic material with non-magnetic zones in the form of an Archimedes spiral 3 and N radial sections 4 along the circumference of the rotor 2, creating a pole structure of the rotor 2.

Размер и форма немагнитных зон 3, 4 рассчитываются аналитически и подтверждаются конечно-элементным моделированием исходя из условий линейности выходной характеристики индукционного датчика углового перемещения, а также обеспечения необходимого коэффициента запаса прочности материала ротора более 1,4 (согласно Ицкович Г.М. Сопротивление материалов: Учебник для учащихся машиностроит. техникумов. 7-е изд., испр. М.: Высш. шк., 1986. с. 69).The size and shape of non-magnetic zones 3, 4 are calculated analytically and confirmed by finite element modeling based on the conditions of linearity of the output characteristic of the induction angular displacement sensor, as well as ensuring the required safety factor of the rotor material of more than 1.4 (according to Itskovich G.M. Strength of Materials: Textbook for students of mechanical engineering technical schools. 7th ed., corrected. Moscow: Higher School, 1986. p. 69).

Количество N радиальных участков 4 по окружности ротора 2 определяется дискретностью измерительной обмотки статора и рассчитывается как:The number N of radial sections 4 around the circumference of the rotor 2 is determined by the discreteness of the measuring winding of the stator and is calculated as:

Точность выходной характеристики предлагаемого индукционного датчика углового перемещения достигается дискретностью измерительной обмотки статора, обеспечиваемой немагнитными радиальными участками 4 ротора 2. С увеличением количества немагнитных радиальных участков 4, равномерно распределенных по всей окружности ротора 2, увеличивается точность выходной характеристики индукционного датчика углового перемещения. Линейность выходной характеристики индукционного датчика углового перемещения при этом достигается выполнением ротора 2 цилиндрической формы, обеспечивающей равномерный воздушный зазор между статором 1 и ротором 2. При этом за счет наличия немагнитной зоны 3 в виде спирали Архимеда обеспечивается необходимая для функционирования индукционного датчика углового перемещения переменная магнитная проводимость воздушного зазора между статором 1 и ротором 2.The accuracy of the output characteristic of the proposed induction angular displacement sensor is achieved by the discreteness of the measuring winding of the stator, provided by the non-magnetic radial sections 4 of the rotor 2. With an increase in the number of non-magnetic radial sections 4, uniformly distributed over the entire circumference of the rotor 2, the accuracy of the output characteristic of the induction angular displacement sensor increases. The linearity of the output characteristic of the induction angular displacement sensor is achieved by making the rotor 2 cylindrical, providing a uniform air gap between the stator 1 and the rotor 2. At the same time, due to the presence of the non-magnetic zone 3 in the form of the Archimedes spiral, the variable magnetic conductivity of the air gap between the stator 1 and the rotor 2, necessary for the operation of the induction angular displacement sensor, is provided.

Устройство работает следующим образом. На обмотку возбуждения (на фигуре не показана) статора подается переменное напряжение в результате чего создается переменное магнитное поле. В измерительных обмотках (на фигуре не показана) статора, электромагнитно связанных с обмоткой возбуждения, индуцируются напряжения, амплитуда которых линейно меняется при изменении углового положения ротора 2 и магнитной проводимости воздушного зазора по оси измерительной обмотки. Дискретность сигнала датчика достигается за счет наличия на роторе 2 магнитных полюсов, обеспечиваемых радиальными немагнитными участками 4. При вращении ротора 2 радиальные немагнитные участки 4 пересекают магнитный поток, создаваемый статорными обмотками, что приводит к изменению взаимной индуктивности и, соответственно, к изменению выходного напряжения. Количество радиальных немагнитных участков 4 определяет разрешающую способность индукционного датчика углового перемещения. Чем больше участков, тем выше разрешение, то есть тем меньше угол, который может быть измерен.The device operates as follows. An alternating voltage is applied to the excitation winding (not shown in the figure) of the stator, which results in an alternating magnetic field. In the measuring windings (not shown in the figure) of the stator, electromagnetically connected to the excitation winding, voltages are induced, the amplitude of which linearly changes with a change in the angular position of the rotor 2 and the magnetic conductivity of the air gap along the axis of the measuring winding. The discreteness of the sensor signal is achieved due to the presence of magnetic poles on the rotor 2, provided by radial non-magnetic sections 4. When the rotor 2 rotates, the radial non-magnetic sections 4 intersect the magnetic flux created by the stator windings, which leads to a change in the mutual inductance and, accordingly, to a change in the output voltage. The number of radial non-magnetic sections 4 determines the resolution of the inductive angular displacement sensor. The more sections, the higher the resolution, i.e. the smaller the angle that can be measured.

Claims

An inductive angular displacement sensor comprising a toothed stator with an excitation winding and measuring windings and a rotor, characterized in that the rotor has a cylindrical shape, providing a uniform air gap between the stator and the rotor, and is made of a two-phase magnetic material with non-magnetic zones in the form of an Archimedes spiral and in the form of N radial sections forming the rotor poles, wherein the value of N is determined as:

where R is the rotor radius, τ is the pole division of the measuring winding on the stator.