CC BY
10
УДК 681.586.67:621.313-181.48 ББК З965-044.3:З261
В.А. НЕСТЕРИН, Р.А. РОМАНОВ, АН. МАТЮНИН, ТВ. МЯСНИКОВА
БЕСКОНТАКТНЫЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ДАТЧИКИ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ НА БАЗЕ СВЕРХМИНИАТЮРНОЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
Ключевые слова: бесконтактный датчик, датчик углового положения, электрическая машина, сверхминиатюрная электрическая машина (СМЭМ).
В настоящее время вместе с микроэлектроникой, телекоммуникацией и т.п. в области современной электротехники отчетливо выражена потребность в миниатюризации (а часто и в сверхминиатюаризации) структур электромеханических преобразователей энергии и систем. В статье предлагается конструкция датчика положения дроссельной заслонки с использованием сверхминиатюрной электрической машины (СМЭМ). Проведены испытания работоспособности опытного образца СМЭМ в температурном диапазоне от -65°С до 160°С. Предложена конструкция СМЭМ при использовании высокотемпературных марок редкоземельных магнитов в системе возбуждения. Предложены конструктивные решения датчиков углового положения на базе СМЭМ.
Развитие систем контроля и мониторинга интеллектуальных систем управления газотурбинных двигателей и двигателей внутреннего сгорания напрямую зависит от эксплуатационных и функциональных возможностей вновь разрабатываемых датчиков. Наряду с расширением возможностей дат-чиковых систем повышаются и требования по надёжности и точности измерений, что в первую очередь затрагивает такие отрасли, как авиация, космические аппараты и нефтедобывающее оборудование. Воздействие широкого диапазона температур в области действия теплового поля двигателя ограничивает возможности применения большинства известных типов датчиков либо требует внесения изменений в конструкцию двигателя для защиты датчиков от воздействия высоких и низких температур. В статье предлагается конструкция датчика положения дроссельной заслонки с использованием сверхминиатюрной электрической машины (СМЭМ) [3].
Наибольшее распространение в сфере транспорта получили датчики двух типов: потенциометрические и бесконтактные [5]. Существенным недостатком потенциометрического датчика является наличие механического контакта ползуна с резистивными дорожками (рис. 1), что приводит к частому выходу датчика из строя и небольшому сроку службы.
С повышением требований к надёжности и условиям эксплуатации технические решения всё больше смещаются в сторону бесконтактных методов измерения углового положения [4]. Большинство бесконтактных датчиков разрабатываются на основе интегральных микросхем, использующих в своей работе эффект Холла или Гаусса. На вращающийся элемент датчика, соединённый с валом дроссельной заслонки, устанавливается постоянный магнит, а в неподвижном корпусе на минимальном расстоянии от магнита - интегральная микросхема, реагирующая на изменение магнитного поля (рис. 2).
Рис. 1. Потенциометрический датчик положения дроссельной заслонки
Рис. 2. Принцип работы датчика углового положения на интегральных микросхемах: 1 - интегральная микросхема датчика Холла 2 - постоянный магнит
Бесконтактные магнитоуправляемые интегральные схемы Холла повышают надёжность датчиков и позволяют использовать их в жёстких условиях эксплуатации (вибрация, загрязнения) при температурах от -40°С до +150°С. При измерении углового положения дроссельной заслонки в диапазоне от 0° до 180° точность измерений датчика с одним элементом Холла составляет порядка 2%. Для получения более высокой точности в конструкции используют несколько чувствительных элементов.
Недостатками датчиков с интегральными микросхемами являются:
- необходимость усиления сигнала из-за низкой чувствительности элементов Холла (порядка 0,4-0,7 мВ при напряжённости магнитного поля 1 кА/м);
- наличие в конструкции платы печатного монтажа, имеющей более низкую рабочую температуру до 130 °С и контактирующей непосредственно с датчиком, что не позволяет размещать датчик непосредственно в зоне действия теплового поля источника.
Указанных характеристик датчиков на основе элементов Холла достаточно для большинства автомобильных систем, однако применение их в более высокотемпературных системах (нефтедобывающая и авиационная отрасли) невозможно из-за физических ограничений:
- зависимости ширины запрещённой зоны полупроводников от температуры;
- уменьшения подвижности носителей заряда;
- уменьшения удельного сопротивления;
- электромиграции.
Повышение температуры приводит к нарушению герметизации, разрыву соединений и другим отказам интегральных микросхем.
Существует ряд технических решений в области электроники (металло-керамические корпуса, политетрафлуор-этиленовые монтажные платы со стеклом и керамикой и т.д.), которые позволяют расширить температурный диапазон эксплуатации микросхем от -60°С до +155°С [1], отдельных компонентов до +550°С (постоянные высококоэрцитивные магниты из сплава 8ш-Со-Бе-Си-2г с повышенным содержанием меди) без существенного снижения остальных технических характеристик [6]. Однако использование
большинства их них приводит к значительному удорожанию конструкции и сокращению области их применения.
В качестве одного из решений вопроса разработки высокотемпературных датчиков авторами предлагается использовать для определения углового положения вместо интегральных микросхем сверхминиатюрную магнитоэлектрическую машину СМЭМ. Опытный образец СМЭМ представлен на рис. 3.
Корпус СМЭМ с поликапиллярной структурой получен многократной перетяжкой из преформ методом подобия. Особенностью технологического процесса являются низкая себестоимость изготовления и возможность получения микроструктур с уменьшением поперечных размеров, измеряемых сотнями и десятками микрон. Использование некоторых видов стекла позволяет применять статор при воздействии от сверхнизких температур до 1200°С. Проводники обмотки 1 СМЭМ (рис. 4) свободно размещаются в поликапиллярных отверстиях статора 2, что исключает возникновение деформаций и внутренних напряжений из-за разности температурных коэффициентов линейного расширения.
Рис. 3. Опытный образец СМЭМ 4 - вал; 5 - постоянный магнит ротора
в объективе микроскопа
В качестве обмоточных проводников можно использовать как изолированные медные провода с температурой рекристаллизации до 240°С, так и изолированные: эмалевые провода марок ПЭАИ 1-200 и ПТЭ 200 (с рабочей температурой +200°С); монтажные МК 26-191 и МС 26-15 (+200°С). Использование в качестве материала жил хромеля и алюмеля наряду с высокотемпературными стеклонитями в качестве изоляции (провода, аналогичные ПТКК ХА) позволяет повысить температуру используемого провода до 1200°С.
Применение стеклянных втулок 3 в качестве подшипников скольжения лишает конструкцию СМЭМ такого недостатка классических машин, как использование подшипников с ограниченными диапазонами эксплуатации (от -60 до +85°С и от -20 до +240°С) из-за температуры каплеобразования смазок. Испытания СМЭМ, проведенные в режиме датчика скорости [2], указали на верность принятого технического решения и работоспособность конструкции при высоких скоростях (более 10000 об/мин).
При изготовлении опытного образца СМЭМ для системы возбуждения использовался высококоэрцитивный магнит типа NdFeB с рабочей темпера-
турой от -60 до + 180°С1. Однако, по утверждению западных разработчиков, имеющиеся в свободной продаже магниты марки №3АЫ11.3-11.7 способны работать без потери рабочих свойств до +240°С, обеспечивая величину магнитной индукции до 1,17 Тл при коэрцитивной силе 812 кА/м. В то же время современные технологии позволяют получить редкоземельные магниты типа 8ш-Со-Бе-Си-7г с рабочей температурой до +550°С и +610°С [6].
Таким образом, предложенная авторами конструкция СМЭМ может успешно функционировать в качестве исполнительного механизма датчика углового положения, работающего непосредственно в области воздействия высоких температур (рис. 5).
Подобный режим работы характерен для систем настройки объёмных расходов горячего воздуха и дымовых газов в различных газовых установках (системы газоснабжения котельных, тепловых электростанций, технологических газовых печей и т.д.). Для усиления сигнала и повышения точности СМЭМ достаточно использовать редукторную систему (рис. 6). Обмотка СМЭМ выводится на жгут необходимой длины, достаточный для размещения низкотемпературной системы управления и обработки сигналов (микроконтроллер, цифровую плату обработки сигнала) на безопасном расстоянии от источника теплового поля. Регулируя редукторную систему по величине получаемой электродвижущей силы, можно определить угол поворота оси дроссельной заслонки.
Рис. 5. Применение СМЭМ в высокотемпературной дроссельной заслонке диаметром 450 мм:
1 - датчик на базе СМЭМ;
2 - дроссельная заслонка;
3 - ось дроссельной заслонки
Рис. 6. Редукторная система высокотемпературного датчика положения дроссельной заслонки:
1 - СМЭМ; 2 - зубчатые передачи; 3 - ось дроссельной заслонки
Конструкция микромашины позволяет разместить СМЭМ непосредственно в пределах действия теплового поля источника, а плату обработки сигнала вынести за его пределы. Функциональная схема датчика, построенного на базе интеграции СМЭМ с электронной системой обработки сигнал, представлена на рис. 7.
1 Магниты постоянные из сплава типа неодим-железо-бор. ТУ 4229-007-18413402-2003.
+5В
Ш
СМЭМ
Вход да
Вход гпя
Источник опорного напряжения
ТактоВый генератор
Приемник — Входных данных
йыходные данные
для интеллектуальной-
системы управления
Буфер Выходных донных
Массив памяти
Рис. 7. Структурная схема микросхемы обработки данных углового положения СМЭМ
Преимуществом данного решения является возможность формирования информационного сигнала даже в отсутствии внешнего питающего напряжения при условии использования энергонезависимой памяти ЕЕРЯОМ. При вращении оси дроссельной заслонки на обмотках СМЭМ генерируется электродвижущая сила, амплитуда и частота которой сигнализируют об изменении углового положения.
Основным недостатком системы, указанной выше системы, является наличие механического контакта редуктора, необходимого для формирования необходимого уровня ЭДС.
Поэтому авторами предлагается второй вариант использования СМЭМ в качестве чувствительного элемента датчика углового положения с определением угла методом ШИМ-возбуждения (рис. 8).
Рис. 8. СМЭМ в датчике положения дроссельной заслонки: 1 - СМЭМ; 2 - плата обработки сигнала; 3 - дроссельная заслонка
При вращении оси дроссельной заслонки происходит изменение положения вала ротора СМЭМ и, соответственно, расположения полюсов постоянного магнита. Текущее угловое положение ротора СМЭМ определяется на основе уравнений электрического равновесия обмоток по осям d-q роторной системы координат.
Приняв при преобразовании трехфазного тока в обмотках статора СМЭМ в токи двухфазной неподвижной системы координат следующие допущения: амплитуда вращающегося вектора тока в неподвижной системе координат равна амплитуде тока в фазе; начало вектора тока совпадает с началом координат; вектор вращается на плоскости вокруг начала координат с угловой скоростью, соответствующей частоте переменного тока ю = 2nf получим выражение токов для неподвижной системы координат:
!а =!А>
1в-1с
V3 '
или, учитывая, что 1А +1В + 1С = 0,
где /А, /в и 1С - фазные токи в обмотках статора СМЭМ, а /а и /р эквивалентные токи в двухфазной неподвижной системе координат (рис. 9).
h /4S
} *
А Л А
/ \ j
/ \
Рис. 9. Фазные преобразования токов СМЭМ
Переход от неподвижной системы координат к вращающейся вместе с ротором подвижной системе координат осуществляется по формуле
(ld =/acos0 + ZpsinG; \lq =7pcos0 — 7asin0,
где 0 - угол между осью d, вращающейся вместе с ротором системой координат, и неподвижной осью а статорной системы координат; Iq и Id - токи статора во вращающейся системе координат.
Взаимная индуктивность МАВс и собственные индуктивности Ld и Lq СМЭМ изменяются в функции угла отклонения 0. Таким образом, угловое положение ротора оценивается при подаче на обмотку статора СМЭМ высокочастотных сигналов с помощью математической модели
d^dq _
dt
udq ~r 'ldq dq +
1 dw _ 3 T , ф ч ML ,
p2 dt d&
- = Ш
dt
где - вектор потокосцепления статора в системе координат 0-д; ийч, Тйч -векторы напряжения и тока в системе координат 0-д; - потокосцепление постоянного магнита; ] - момент инерции; г - сопротивление обмоток статора; Мь - момент нагрузки; р - число пар полюсов; к - матрица коэффициентов.
Для подтверждения теоретических утверждений о работоспособности СМЭМ в широком диапазоне температур были проведены испытания на стойкость к климатическим внешним воздействующим факторам1.
Испытания проводились посредством измерительно-вычислительного комплекса КТХ-74-65/165 методом 201-1.1 на воздействие верхнего значения температуры среды при эксплуатации (до 160,5°С) и методом 204-1 на воздействие нижнего значения температуры воздуха при транспортировании и хранении (рис. 10).
СМЭМ (без преобразователя) был помещен в камеру, после чего в камере была установлена температура, соответствующая нижнему значению температуры -65°С. Средняя скорость изменения температуры воздуха в камере составила 1,5°С/мин. Выдержка времени для установления теплового равновесия составных частей с учётом сверхмалой массы СМЭМ (0,14 г) составила 30 мин. По истечении указанного времени значение температуры воздуха в камере поднималось до 160,5°С с той же скоростью, как и изменения температуры. Выдержка СМЭМ на воздействие верхнего значения температуры составила 10 мин. При достижении комнатной температуры в камере (24°С) были проведены осмотр внешнего вида и запуск СМЭМ. Проведенные испытания подтвердили работоспособность сверхминиатюрной машины в условиях воздействия широкого диапазона температур.
б
Рис. 10. Проведение испытаний СМЭМ на стойкость к воздействию сверхнизких и высоких температур: а - испытания на воздействие
повышенной температуры; б - испытания на воздействие пониженной температуры; в - подключение СМЭМ к плате управления
в
1 ГОСТ Р 51368-99. Методы испытаний на стойкость к климатическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Испытания на устойчивость к воздействию температуры. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200113362.
Выводы. 1. Проведенные испытания подтвердили работоспособность опытного образца СМЭМ в температурном диапазоне от -65 до 160°С.
2. Предложенная конструкция СМЭМ при использовании более высокотемпературных марок редкоземельных магнитов в системе возбуждения позволяет увеличить рабочую температуру микромашины до +200°С без заметного повышения себестоимости и рабочих характеристик СМЭМ.
3. Разработка на базе СМЭМ высокотемпературных датчиков с температурой эксплуатации до +550°С требует дальнейших теоретических и экспериментальных исследований магнитной системы СМЭМ.
4. Предложенные конструктивные решения датчиков углового положения на базе СМЭМ позволяют существенно расширить их эксплуатационные и функциональные возможности.
Литература
1. Максимов А. Многослойные металлокерамические корпуса: преимущества и особенности // Электроника. 2011. № 3. С. 56-59.
2. Нестерин В.А., Генин В.С., Романов Р.А., Нестерин А.В., Матюнин А.Н. Исследование сверхминиатюрной магнитоэлектрической машины с возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов в режиме датчика скорости // Проблемы и перспективы развития энергетики, электротехники и энергоэффективност: материалы II Междунар. науч.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2018. С. 243-248.
3. Пат. 180945 РФ, МПК Н02К 29/00. Магнитоэлектрический микродвигатель / Нестерин В.А., Романов Р.А., Матюнин А.Н. 2018101517; заявл. 16.01.18; опубл. 02.07.18, Бюл. № 19.
4. Семыкина И.Ю., Тарнецкая А.В. Современные бездатчиковые методы оценивания положения неподвижного ротора синхронного двигателя с постоянными магнитами // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2017. № 2. С. 126-132.
5. Сысоева С. Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Ч. 1. Потенциометры и датчики Холла // Компоненты и технологии. 2005. № 2 С. 52-59.
6. Jinfang Liu, PayalVora, Peter Dent and Michael WalmerThermal stability and a radiation résistance of SmCo based permanent magnets. Proc. of Space Nuclear Conf., 2007, p. 2036.
НЕСТЕРИН ВАЛЕРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры электротехнологий, электрооборудования и автоматизированных производства, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected])
РОМАНОВ РОМАН АРТЕМЬЕВИЧ - старший преподаватель кафедры электротехнологий, электрооборудования и автоматизированных производств, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
МАТЮНИН АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ - старший преподаватель кафедры электротехнологий, электрооборудования и автоматизированных производств, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
МЯСНИКОВА ТАТЬЯНА ВЯЧЕСЛАВОВНА - кандидат педагогических наук, доцент кафедры электротехнологий, электрооборудования и автоматизированных производства, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
V. NESTERIN, R. ROMANOV, A. MATYUNIN, T. MYASNIKOVA NON-CONTACT HIGH-TEMPERATURE ANGULAR SENSORS ON THE BASIS OF SUPERMINIATURE MAGNETIC ELECTRIC MACHINE Key words: proximity sensor, angle position sensor, electric machine, superminiature electric machine (SMEM).
Currently, in the field of modern electrical engineering, together with microelectronics, telecommunications, etc. there is a clear need for miniaturization (and often superminiization) of electromechanical energy converters and systems. The article proposes the design of a throttle position sensor using a subminiature electric machine (SMEM). Testing of the performance of the prototype SMEM in the temperature range from minus 65°C to 160°C was made. The design of SMEM using high-temperature grades of rare-earth magnets in the excitation system was developed. The constructive solutions of the angular position sensors based on the SMEM are proposed.
References
1. Maksimov A. Mnogosloinye metallokeramicheskie korpusa: preimushchestva i osobennosti [Multilayer metal-ceramic shells: advantages and features]. Elektronika, 2011, no. 3, pp. 56-59.
2. Nesterin V.A., Genin V.S., Romanov R.A., Nesterin A.V., Matyunin A.N. Issledovanie sverkhminiatyurnoi magnitoelektricheskoi mashiny s vozbuzhdeniem ot vysokoenergeticheskikh posto-yannykh magnitov v rezhime datchika skorosti [Study of a subminiature magnetoelectric machine with excitation from high-energy permanent magnets in the speed sensor mode]. Problemy i perspektivy razvitiya energetiki, elektrotekhniki i energoeffektivnosti: materialy II Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. [Proc. of 2nd Int. Conf. «Problems and prospects for the development of energy, electrical engineering and energy efficiency»]. Cheboksary, 2018, pp. 243-248.
3. Nesterin V.A., Romanov R.A., Matyunin A.N. Magnitoelektricheskii mikrodvigatel' [Magneto-electric micromotor]. Patent RF, no. 180945, 2018.
7. Semykina I.Yu., Tarnetskaya A.V. Sovremennye bezdatchikovye metody otsenivaniya polo-zheniya nepodvizhnogo rotora sinkhronnogo dvigatelya s postoyannymi magnitami [Modern sen-sorless methods for estimating the position of a fixed rotor of a permanent magnet synchronous motor]. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2017, no. 2, pp. 126-132.
8. Sysoeva S. Avtomobil'nye datchiki polozheniya. Sovremennye tekhnologii i novye perspektivy. Chast' 1. Potentsiometry i datchiki Kholla [Automotive position sensors. Modern technologies and new perspectives. Part 1. Potentiometers and Hall sensors]. Komponenty i tekhnologii [Components and technologies], 2005, no. 2, pp. 52-59.
9. Jinfang Liu, PayalVora, Peter Dent and Michael WalmerThermal stability and a radiation resistance of SmCo based permanent magnets. Proc. of Space Nuclear Conf., 2007, p. 2036.
NESTERIN VALERIY - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Automated Electrotechnological Installations and Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
ROMANOV ROMAN - Senior Lecturer, Department of Automated Electrotechnological Installations and Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
MATYUNIN ALEKSEY - Senior Lecturer, Department of Automated Electrotechno-logical Installations and Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected])
MYASNIKOVA TATYANA - Candidate of Pedagogical Sciences, Assistant Professor, Department of Automated Electrotechnological Installations and Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
Формат цитирования: Нестерин В.А., Романов Р.А., Матюнин А.Н., Мясникова Т.В. Бесконтактные высокотемпературные датчики углового положения на базе сверхминиатюрной магнитоэлектрической машины // Вестник Чувашского университета. - 2019. - № 3. -С. 176-184.
