преобразователь линейных перемещений

Формула изобретения

1. Преобразователь линейного перемещения, содержащий установленные с возможностью относительного линейного перемещения два магнитопроводящих элемента, один из которых выполнен в виде цилиндрического штока, а второй в виде коаксиально охватывающей его втулки, на сопрягаемой цилиндрической поверхности одного из магнитопроводящих элементов выполнены два продольных паза, расположенных диаметрально противоположно, и несколько кольцевых поперечных пазов, пересекающихся с продольными пазами и разделяющих цилиндрическую поверхность на ряды поперечных выступов, а также обмотку возбуждения, уложенную в продольных пазах, и выходную обмотку, секции которой размещены в поперечных пазах и соединены встречно последовательно, отличающийся тем, что он снабжен второй или несколькими идентичными выходными обмотками, секции каждой из которых охватывают не менее двух смежных поперечных выступов и смещены относительно секций других обмоток в осевом направлении на равные расстояния.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что осевая длина L второго магнитопроводящего элемента выбирается по формуле

L=na + (n+1)b,

где n число поперечных выступов, охватываемых одной секцией выходной обмотки;

a и b ширина соответственно поперечного выступа и поперечного паза на цилиндрической поверхности в осевом направлении,

причем угол между продольными и поперечными пазами составляет угол 90^o.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что угол между продольными и поперечными пазами определяется формулой



где d диаметр цилиндрической поверхности, в которой выполнены пазы,

а осевая длина L второго магнитопроводящего элемента выбирается по формуле

L n(a + b).

4. Преобразователь по пп.1 3, отличающийся тем, что он снабжен еще одной или несколькими магнитопроводящими втулками, середины которых смещены относительно середин соседних втулок на расстояние, равное или кратное 2n(a+b) или отличающееся от этого расстояния на величину, не превышающую

5. Преобразователь по пп.1 3, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными одной или несколькими выходными обмотками для образования канала грубого отсчета перемещения, секции каждой из которых занимают в осевом направлении длину, равную или превышающую половину диапазона перемещения одного магнитопроводящего элемента относительно другого.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам автоматического контроля и регулирования и может быть применено в станкостроении, робототехнике и в других отраслях.

Известен преобразователь линейных перемещений [1] содержащий два магнитопроводящих элемента цилиндрический шток и втулку, коаксиально охватывающую цилиндрический шток. На одном из магнитопроводящих элементов, например на цилиндрическом штоке, выполнены два продольных диаметрально расположенных паза и пересекающих их ряд поперечных пазов, разделяющих цилиндрическую поверхность вдоль оси на ряд поперечных выступов. В продольных пазах уложена обмотка возбуждения, на которую подается переменное напряжение, а в поперечных пазах выходная обмотка, отдельные секции которой охватывают по одному поперечному выступу и соединены последовательно встречно. При осевом перемещении втулки относительно цилиндрического штока в выходной обмотке индуцируется сигнал, амплитуда которого является периодической функцией линейного перемещения втулки.

Недостатком такого преобразователя является его низкая точность из-за наличия двух зон нечувствительности в пределах периода изменения выходной ЭДС. Это обусловлено выбором осевой длины втулки, равной шагу измерительной обмотки.

Известны также преобразователи [2] у которых осевая длина втулки равна 3l, где l ширина поперечного выступа в осевом направлении, равная ширине поперечного паза. В таких преобразователях точность выходного сигнала повышена, так как в выходной функции не содержатся зоны нечувствительности в пределах периода ее изменения. Однако такому преобразователю также присущи следующие недостатки:

1) неоднозначность определения величины линейного перемещения в пределах полупериода, так как любому положению втулки в пределах одной четверти периода соответствует положение головки в другой четверти периода, в которых выходные ЭДС равны (эти точки расположены симметрично относительно точки с максимальной величиной ЭДС);

2) потеря информации о линейном положении в случае перерыва питания преобразователя;

3) недостаточная точность из-за наличия высших гармоник в выходной функции первичного датчика;

4) малая величина выходного сигнала;

5) большая трудоемкость выполнения сложной выходной обмотки;

6) невозможность выбора ширины поперечных пазов, исходя из условия оптимального заполнения пазов секциями выходных обмоток из-за ограничения - необходимости равенства ширины поперечных пазов и поперечных выступов.

По изобретению преобразователь снабжен второй или несколькими идентичными выходными обмотками, секции каждой из которых охватывают не менее двух соседних поперечных выступов со смещением обмоток в осевом направлении на равные расстояния. Осевая длина магнитопровода, не имеющего пазов и обмоток на сопрягаемой цилиндрической поверхности, устанавливается по результатам расчета по формуле:

L=na+(n+1)b

где n число поперечных выступов, охватываемых одной секцией выходной обмотки;

а и b ширина соответственно поперечного выступа и поперечного паза, измеренная в направлении, параллельном образующим цилиндрической поверхности;

при этом угол между поперечными и продольными пазами составляет 90^o.

Поперечные пазы по отношению к продольным пазам могут быть выполнены под углом v определяемым по формуле:



где d диаметр цилиндрической поверхности, в которой выполнены пазы;

а осевая длина L магнитопровода, не имеющего пазов и обмоток, определяется по формуле

L=n(a+b).

В преобразователе вместо одного магнитопроводящего элемента без пазов может быть применено два или больше идентичных магнитопроводящих элементов, при этом расстояние между их серединами устанавливается равным или кратным 2n(a+b), или может отличаться от него на величину не более, чем на .

В преобразователе дополнительно может быть применена одна или несколько обмоток грубого отсчета, секции каждой из которых занимают в осевом направлении длину, равную или превышающую половину диапазона перемещения одного магнитопроводящего элемента относительно другого.

На фиг. 1 и 4 показаны варианты конструктивного исполнения преобразователя; на фиг. 2,3 и 5 варианты выполнения схем обмоток.

Преобразователь (фиг.1) содержит магнитопроводящие цилиндрический шток 1 и расположенную соосно с ней с равномерным воздушным зазором втулку 2. Для линейного перемещения одного магнитопровода относительно другого с сохранением равномерного воздушного зазора между сопрягаемыми цилиндрическими поверхностями могут применяться направляющие конструктивные элементы. Например, цилиндрический шток может быть защищен от повреждений тонкостенной немагнитной трубкой, по которой со скольжением может перемещаться в осевом направлении одна или две немагнитные втулки из материала с малым коэффициентом трения. Эти втулки механически соединяются с магнитопроводящей втулкой. Для упрощения изображения эти элементы на фиг. 1 не показаны. Обмотка возбуждения, выходные обмотки и пазы для них могут быть расположены или на цилиндрическом штоке, или на магнитопроводящей втулке при определенном соотношении их осевых длин. В рассматриваемом примере приведен вариант расположения пазов и обмоток на цилиндрическим штоке при относительно малой длине втулки. Такая конструкция предпочтительна для применения в системах, где объект линейного перемещения механически сочленен с втулкой, а неподвижным является цилиндрический шток, что не требует применения скользящих контактов или гибких токоподводов для подключения выводов обмоток к внешней схеме. На поверхности цилиндрического штока 1 выполнены два диаметрально расположенных продольных паза 3 и 4 и под углом 90^o к ним ряд поперечных пазов 5. Поперечные пазы разделяют поверхность цилиндрического штока 1 в осевом направлении на ряд поперечных выступов 6. Ширина поперечных и продольных пазов выбирается минимальной из условия размещения в них заданного количества витков обмоток. Для упрощения обмотки на фиг. 1 показаны только на поперечном сечении А-А. В продольных пазах 3 и 4 параллельно образующим цилиндрической поверхности расположены витки двухполюсной обмотки 7. Витки обмотки 7 имеют направление укладки в одну сторону по одному пазу и в противоположную сторону по второму пазу, что условно показано точкой и крестиком на поперечном сечении А А фиг. 1. Осью данной обмотки является линия 8. В поперечных пазах 5 расположена выходная обмотка 9, состоящая из четного числа секций, включенных последовательно встречно. Число поперечных выступов n, охватываемых одной секцией обмотки 9, должно быть не менее 2. Осевую длину магнитопроводящего элемента без пазов (в рассматриваемом примере втулки) следует выбирать на основании расчета по формуле:

L=na+(n+1)

где а и b ширина соответственно поперечного выступа и поперечного паза, измеренная в направлении, параллельном образующим цилиндрического штока. В рассматриваемом примере число поперечных выступов n, охватываемых одной секцией выходной обмотки 9, принято равным n 2. Схема укладки такой обмотки на примере штока с девятью поперечными пазами приведена на фиг. 2, где поверхность цилиндрического штока условно разрезана вдоль по середине продольного паза 4, развернута и спроектирована на плоскость. При этом для наглядности контуры пазов изображены пунктирными линиями, а обмотка 9 в виде одного проводника выделена сплошной линией со стрелками, условно указывающими направление его укладки. Данная схема является одним из вариантов возможны и другие последовательно переходов из продольных пазов 3 и 4 в поперечные пазы 5, но при этом должны сохраняться указанные на схеме направления укладки проводника в поперечных пазах. Обмотка 9 образует вдоль цилиндрического штока охваченные секциями участки, каждый из которых включает в себя два соседних поперечных выступа. В правильно уложенной обмотке на каждой половине штока, разделенного продольными пазами, при переходе вдоль цилиндрического штока из одного поперечного паза, в котором лежат проводники одной их выходных обмоток, в следующий поперечный паз, в котором лежат проводники той же обмотки, направления укладки проводников должны меняться на противоположные. У таких обмоток величина, равная p=n(a+b), является полюсным делением. В середине каждого участка, охваченного секцией, имеется один поперечный паз, свободный от проводников отмотки 9. В этих пазах дополнительно уложена аналогичная выходная обмотка (на фиг. 1 и 2 не показана). Каждая секция второй выходной обмотки также охватывает чередующиеся участки, состоящие из двух соседних поперечных выступов. Секции обеих выходных обмоток смещены друг относительно друга в осевом направлении (вдоль цилиндрического штока) на одинаковую величину, равную на 1/2 полюсного деления.

В рассматриваемой конструкции преобразователь может иметь некоторые конструктивные особенности и отличия. Например:

1) число n поперечных пазов, охватываемых одной секцией выходных обмоток, может быть больше 2 и при этом может быть увеличено количество выходных обмоток;

2) продольные и поперечные пазы в цилиндрическом штоке могут быть выполнены не на сплошном магнитопроводе, как изображено на фиг.1, а получены в сборной конструкции, в которой короткие шайбообразные магнитопроводы поперечных выступов с двумя продольными пазами набираются в шток, чередуясь с немагнитными дистанционными шайбами, создающими поперечные пазы.

В преобразователе поперечные пазы могут быть выполнены по отношению к продольным пазам не под углом 90^o, а под углом , величина которого определяется по формуле:



где d диаметр цилиндрической поверхности, в которой выполнены пазы.

При указанных условиях поперечные выступы становятся винтовыми, отделенными друг от друга винтовыми пазами с числом заходов равным 2n. При укладке выходной обмотки в такие пазы исключаются переходы проводников по участкам продольных пазов на всей длине магнитопровода. Эти переходы могут сохраняться только на конечных участках. Технологически такие обмотки проще и менее трудоемки по сравнению с обмотками, приведенными на фиг. 2. Для данных обмоток обязательно выполнение следующего условия: числа проводников, их длина и направления укладки на участках винтовых пазов, расположенных по разные стороны от продольных пазов 3 и 4, должны быть равны. На фиг. 3 дана развертка магнитопровода с примером укладки одной выходной обмотки 9. Для наглядности пунктиром изображены два диаметрально расположенных паза 3 и 4 и только те поперечные винтовые пазы, в которые уложена данная обмотка. Она показана в виде одного проводника, выделенного сплошной линией со стрелками, условно указывающими направление укладки. Между изображенными на фиг. 3 поперечными пазами расположены винтовые пазы (для упрощения изображения не показаны), в которые аналогичным образом уложены проводники по крайней мере еще одной аналогичной выходной обмотки. При выполнении поперечных пазов винтовыми осевая длина магнитопровода без пазов определяется формулой:

L=n(a+b).

Преобразователи рассмотренных конструкций могут иметь не один, а несколько магнитопроводящих элементов без пазов. В качестве примера на продольном сечении фиг.1 в качестве такого элемента пунктиром изображена еще одна втулка 10, идентичная втулке 2. Эти втулки соединены между собой механически на расстоянии между их серединами, равном или кратном двойному полюсному делению 2р 2n(a+b). При наличии в выходных сигналах высших гармонических составляющих возможно подавление некоторых из них. Для этого расстояние между серединами двух магнитопроводов уменьшают или увеличивают на величину где n порядок подавляемой гармоники. Для подавления не одной, а, например, двух гармонических составляющих порядков n₁ и ₂, применяют две пары магнитопроводящих элементов без пазов. Расстояние между элементами в каждой паре изменяют на величину , а расстояние между этими парами изменяют на величину .

Возможно также применение изображенной на фиг. 4 конструкции преобразователя, у которого поперечные 5 и продольные 3 и 4 пазы с обмотками расположены на втулке 2. Поперечные пазы выполнены под углом 90^oC к продольным пазам. Выходные обмотки (для упрощения изображена только одна из них обмотка 9) с числом поперечных выступов, охватываемых одной секцией n=2, имеют только по две секции. Обмотка возбуждения 7 расположена в продольных пазах 3 и 4.

В преобразователе с диапазоном линейного перемещения, не превышающем величину полюсного деления, на цилиндрическом штоке 1 может располагаться один магнитопроводящий элемент 11, осевая длина которого равна L na+(n+1)b. Если диапазон больше, тогда на цилиндрической линейке, как показано на фиг. 4, располагается несколько таких магнитопроводящих элементов без пазов на расстоянии между серединами соседних элементов, равном 2р 2n(a+b).

Если диапазон линейного перемещения одного магнитопроводящего элемента относительно другого большой и превышает величину двойного полюсного деления 2р у выходных обмоток, последние становятся обмотками точного отсчета. В этом случае в поперечных пазах дополнительно размещают одну или больше выходных обмоток грубого отсчета, имеющих величину двойного полюсного деления 2р_г, равную или несколько больше рабочего диапазона перемещения одного магнитопроводящего элемента относительно другого. На фиг. 5 показана в качестве примера развертка цилиндрического штока с четырехзаходными винтовыми пазами, пересекающими продольные пазы 3 и 4 под некоторым углом, не равным 90^o. Контуры пазов изображены пунктирной линией, для упрощения обмотка возбуждения и выходные обмотки точного отсчета, уложенные по принципу фиг.3, не показаны. На одной из половин цилиндрической поверхности штока, разделенной продольными пазами и расположенной на развертке выше продольного паза 3, размещена одна обмотка 12 грубого отсчета. Для данной обмотки число поперечных выступов, приходящихся на одно полюсное деление, равно n_г 6. В пределах каждого полюсного деления обмотки 12 расположено по три концентрических секции. Суммарная длина, занимаемая в осевом направлении двумя наибольшими секциями обмотки 12, определяет диапазон линейного перемещения. Направление укладки проводников обмотки 12 условно показано стрелками на сплошных линиях, обозначающих концентрические секции. Двумя осями полюсов обмотки 12 являются обозначенные штрих-пунктирными линиями 13 и 14 середины поперечных выступов, расположенных между парами поперечных пазов 15, 16 и 17, 18. Расстояние между осями равно полюсному делению грубого отсчета p_г n_г(a+b). Числа проводников в концентрических секциях наиболее целесообразно принимать пропорциональными синусной функции, аргумент которой определяется отношением ширины катушки к ширине полюсного деления. Такие обмотки имеют формальное сходство с известными из теории электрических машин синусоидально-распределенными обмотками [3] Возможно заимствование из электрических машин и других, более простых типов обмоток, например, двухслойных распределенных обмоток с укороченным шагом [3] На второй половине цилиндрической линейки, изображенной на развертке ниже продольного паза 3, размещена вторая выходная обмотка 19 грубого отсчета. Она выполнена аналогично, но со сдвигом осей относительно обмотки 12 на величину Одной осью 20 обмотки 19 является середина поперечного выступа, расположенного между парой пазов 21 и 22. Все три секции, концентрически расположенные вокруг оси 20, составляют половину обмотки 19. По обе стороны от группы этих секций расположены разделенные на две части укороченные секции второй половины обмотки 19. Приведенные схемы укладки обмоток грубого отсчета не являются единственными, возможны, например, варианты размещения секций каждой из обмоток на обеих частях цилиндрического штока, расположенных как выше, так и ниже продольного паза 3 на развертке фиг. 5. Сохраняется принцип построения схем обмоток и в том случае, когда поперечные пазы выполнены под углом 90^oC к продольным пазам. Число обмоток грубого отсчета также может отличаться от приведенного в примере. Возможны схемы укладки с пропуском части пазов, и не с синусным, а с линейным законом распределения числа проводников по пазам.

В рассматриваемых вариантах исполнения преобразователь может иметь некоторые конструктивные особенности. Например, магнитопроводящие элементы с пазами или цилиндрический шток или втулка могут быть сборными, имея продольные разрезы. Отдельные их фрагменты могут собираться в целое встык в месте соединения или с некоторым промежутком. Такая конструкция может оказаться технологичнее, облегчит укладку обмоток в пазы.

Рассмотрим работу преобразователя на примере конструкции, приведенной на фиг. 1 и 2, при условии, что диапазон линейного перемещения не превышает 2р.

На обмотку 7, являющуюся обмоткой возбуждения, подается переменное напряжение U, которое при начальном фазовом сдвиге, равном нулю, опишется формулой:

U = U_msin(2ft),

где U_m амплитудное значение напряжения;

f частота питающего напряжения;

t текущее время.

Протекающий по обмотке 7 ток создает вокруг цилиндрического штока переменное магнитное поле. Осью магнитного потока будет линия 8. При этом в проводниках выходных обмоток, содержащих четное число соединенных последовательно встречно секций, будут наводится ЭДС, результирующие величины которых при отсутствии втулки 2 будут равны нулю. При наличии втулки, пренебрегая потоками рассеяния по воздуху, можно считать, что весь магнитный поток проходит в зоне перекрытия поверхностей, образующих воздушный зазор между цилиндрическим штоком 1 и втулкой 2. В этом случае магнитный поток проходит внутри цилиндрического штока 1 (см.фиг.1) вдоль оси 8 обмотки возбуждения 7 и через воздушный зазор входит во втулку 2, где разветвляется на две части, обходит по магнитопроводящей втулке и через воздушный зазор с противоположной стороны по направлению оси 8 возвращается в цилиндрический поток. При прохождении магнитного потока по указанному пути в выходных обмотках наводятся переменные ЭДС. Амплитуды этих ЭДС являются функциями линейного перемещения втулки 2 вдоль цилиндрического штока 1. Если втулка перекроет всю площадь, охваченную какой-либо секцией, ЭДС соответствующей обмотки будет максимальной. При сдвиге втулки с этого положения площадь, перекрываемая ею в пределах данной секции, начнет уменьшаться и будет нарастать площадь перекрытия в соседней секции. В результате ЭДС будет уменьшаться, а при достижении равенства перекрываемых площадей двух соседних секций станет равной нулю. При дальнейшем перемещении втулки амплитуда ЭДС начнет возрастать с изменением фазы на 180 электрических градусов. Величина ЭДС и ее фаза при изменении координаты будут периодически повторяться через промежутки, равные 2n(a+b). Так как обе выходные обмотки размещены на цилиндрической штоке со сдвигом на величину следовательно и зависимости их ЭДС от координаты также будут смещены на эту величину. Такая зависимость с определенной степенью точности может быть описана следующими синусной и косинусной функциями:





где U_a, U_b амплитуды ЭДС в выходных обмотках;

U напряжение возбуждения, изменяющееся во времени в соответствии с формулой (1);

К конструктивный коэффициент пропорциональности;

р полюсное деление, определяемое зависимостью р n(a+b);

координата линейного перемещения втулки;

l_н начальный сдвиг по координате c, зависящий от выбора начального положения втулки.

Наличие сигналов двух выходных обмоток обеспечивает однозначную характеристику линейного положения без неопределенности в пределах полупериода.

Преобразование линейного перемещения в два синусно-косинусных сигнала производится по этому же принципу, если преобразователь выполнен в конструктивном варианте с винтовыми пазами и выходными обмотками, уложенными согласно фиг. 3 или с расположением обмоток на сигнальной головке согласно фиг.4 или с применением нескольких магнитопроводящих элементов без пазов 11, как показано на фиг. 4, или со второй сигнальной головкой 10 согласно фиг.1.

Особенностями работы этих преобразователей является некоторое снижение уровня выходных сигналов у датчиков с винтовыми пазами, а при применении нескольких втулок 2 и 10 выходные сигналы увеличиваются пропорционально их числу, если расстояние между их серединами равно двойному полюсному делению 2р, или увеличиваются в пределах от до 2 раз, если расстояние между парой втулок изменено на величину . Два магнитопроводящих элемента без пазов с измененным на величину расстоянием между ними создадут в выходных обмотках суммирующиеся сигналы, у которых гармоники n-го порядка будут в противофазе и поэтому скомпенсируются. Применение двух пар таких элементов с изменением расстояний между ними на обеспечивает компенсацию двух гармоник ₁-го и ₂-го порядков. Возможно также применение преобразователя по обращенной схеме с использованием двух обмоток, уложенных в поперечные пазы для возбуждения двухфазным напряжением, а уложенную в продольные пазы в качестве выходной обмотки, в которой фаза ЭДС будет функцией координаты . Если преобразователь содержит более двух выходных обмоток, то увеличивается число выходных сигналов с соответствующим изменением сдвига фазы между ними. В некоторых случаях это позволяет повысить точность преобразователя в процессе обработки сигналов схемами применения.

При работе преобразователя с грубым и точным отсчетами описанным по фиг. 1, 5 и по 2 или 3, на общую обмотку возбуждения 7 подается переменное напряжение в соответствии с формулой (1). При этом в зависимости от положения магнитопроводящей втулки с обмоток точного отсчета снимаются сигналы, как было описано в предыдущих конструктивных вариантах преобразователя. Одновременно с обмоток 12 и 19 также снимаются сигналы, имеющие следующую зависимость от координаты линейного перемещения втулки:





где K_г конструктивный коэффициент пропорциональности для обмоток грубого отсчета;

р_г полюсное деление обмоток грубого отсчета;

l_г начальный сдвиг по координате , зависящий от выбора начального положения втулки.

Так как период изменения сигналов по формулам (4) и (5) составляет 2р_г, что соответствует диапазону изменения координаты c, то при обработке этих сигналов вместе с сигналами точного отсчета исключается неоднозначность характеристики линейного положения при переходе втулки 2 с одного периода точного отсчета на другой. В таком преобразователе даже после перерыва питания полностью восстанавливается информация о линейном перемещении c объекта, связанного с магнитопроводящей втулкой 2.

Если в грубом отсчете применена только одна выходная обмотка с линейной зависимостью выходного сигнала от координаты c, тогда в схеме системы, где применен преобразователь, сигнал грубого отсчета должен сравниваться с опорным напряжением U, в качестве которого может использоваться напряжение возбуждения преобразователя.