Кольцевой индукционный датчик угла

Содержание

      Введение                                                                                              3-4

       Теоретическая часть                                                                             4

1    Конструкция кольцевых датчиков угла:               

1.1 Кольцевые датчики угла с обмотками на статоре и роторе.        5

1.2 Датчики с короткозамкнутой обмоткой на роторе.                       6-7

1.3 Датчики угла без обмотофк на роторе.                                            7

2 Конструкция двухполюсного КИДУ                                                     7-8

3 Принцип действия КИДУ                                                                       8-13

4 Параметры  КИДУ                                                                                   13-17

5 Погрешности КИДУ                                                                               17-21

6 Расчетно-конструкторская  часть                                                          21-33

7 Заключение                                                                                             33-34

8 Список  используемой литературы                                                        34

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Перечисленные требования иногда оказываются противоречивыми; так, например, увеличение выходной мощности приводит к увеличению момента,

создаваемого  датчиком. Решение вопроса о том, какое из перечисленных требований является основным, зависит от типа гироскопической системы, ее назначения и требуемой точности. В качестве датчиков угла могут применяться  различного типа устройства: потенциометрические, индукционные, емкостные, фотоэлектрические, пневматические, электромашинные и  т. п. В настоящем курсовой работе рассматриваются кольцевые индукционные датчики угла (КИДУ).

Основными достоинствами КИДУ являются : отсутствие механического контакта между подвижной  и неподвижной частями датчика, вследствие чего при работе датчика  не возникают моменты сил сухого трения; возможность обеспечения  большого рабочего угла; достаточно высокая  разрешающая способность; простота конструкции датчика, обусловливающая  высокую надежность работы и малую  стоимость; удобство компоновки в приборе  вследствие симметричности конструкции; возможность использования в  различных режимах работы.

Основными недостатками КИДУ являются: наличие  остаточного сигнала и сравнительно большого обратного момента; небольшая  мощность выходного сигнала, что  требует применения усилителя; зависимость  выходного сигнала от нестабильности напряженияи частоты питания; необходимость  специальных токоподводов для обеспечения  безмоментной электрической связи  обмоток ротора с другими электроэлементами, расположенными на неподвижной части  гироприбора; сравнительно большая  масса и габариты. Вследствие указанных  недостатков КИДУ в настоящее  время не удовлетворяют жестким  требованиям, предъявляемым к датчикам углов для прецизионных гироприборов. Поэтому в качестве линейных датчиков углов КИДУ применяются только в  гироприборах средней и низкой точности. 1.

Конструкция кольцевых датчиков угла Кольцевые  датчики угла представляют собой  поворотные трансформаторы плоского типа с переменным коэффициентом трансформации, который изменяется в зависимости  от относительного углового положения  ротора и статора датчика . Основными  величинами, характеризующими работу датчика угла, являются: 1) потребляемые мощность и ток при номинальных  значениях напряжения возбуждения  и частоты сети; рабочий диапазон угла поворота; крутизна выходной характеристики; степень линейности выходного напряжения в зависимости от угла поворота ротора; симметрия выходного напряжения в зависимости от изменения знака  угла; остаточная э.д.с. в нулевом  положении; выходное сопротивление  датчика; значение реактивного момента, По принципу изменения коэффициента взаимоиндукции между первичной  и вторичной обмотками кольцевые  датчики делятся на три типа: датчики со сосредоточенными или распределенными обмотками на статоре и роторе; датчики с короткозамкнутой обмоткой на роторе; датчики без обмотки на роторе. Рассмотрим кратко особенности каждого из этих типов кольцевых датчиков угла.

 

Теоретическая часть

1 Конструкция кольцевых  датчиков угла

 

Кольцевые датчики угла представляют собой  поворотные трансформаторы плоского типа с переменным коэффициентом трансформации, который изменяется в зависимости  от относительного углового положения  ротора и статора датчика [2]. Основными  величинами, характеризующими работу датчика угла, являются:

1) потребляемые мощность и ток при номинальных значениях напряжения возбуждения и частоты сети;

2. рабочий диапазон угла поворота;
3. крутизна выходной характеристики;
4. степень линейности выходного напряжения в зависимости от угла поворота ротора;
5. симметрия выходного напряжения в зависимости от изменения знака угла;
6. остаточная э.д.с. в нулевом положении;
7. выходное сопротивление датчика;
8. значение реактивного момента,

По принципу изменения коэффициента взаимоиндукции между первичной и вторичной  обмотками кольцевые датчики  делятся на три типа:

1. датчики со сосредоточенными или распределенными обмотками на статоре и роторе;
2. датчики с короткозамкнутой обмоткой на роторе;
3. датчики без обмотки на роторе.

Рассмотрим  кратко особенности каждого из этих типов кольцевых датчиков угла.

1) Кольцевые датчики угла с обмотками на статоре и роторе. В настоящее время этот тип кольцевого датчика является наиболее распространенным в гироскопических приборах. Магнитопровод датчика состоит из двух колец (рисунок 1.1), в пазы которых уложены по две электрически взаимно перпендикулярные сосредоточенные или распределенные обмотки. С целью исключения влияния эксцентриситета на работу датчика угла обмотки выполняются многополюсными. Для уменьшения реактивных моментов производится скос пазов внешнего и внутреннего магнитопроводов на одно зубцовое деление. У большинства датчиков угла коэффициенты взаимоиндукции между обмотками статора и ротора изменяются по синусоидальному закону от электрического угла поворота ротора а_э = ра. В этом случае удовлетворительная линейность выходной характеристики (до 1%) достигается в диапазоне изменения угла поворота ротора ±15°.

 

Рисунок 1.1 Принципиальная схема кольцевого датчика угла.

 

Принципиально для работы датчика угла достаточно по одной обмотке на статоре и  роторе. Применение двух электрически взаимно перпендикулярных обмоток  на статоре и роторе позволяет  датчик сделать более универсальным  и использовать его для синхронной передачи угла.

2) Датчики с короткозамкнутой обмоткой на роторе. Недостатком датчиков, имеющих первичную или вторичную обмотку на роторе, является необходимость осуществления токоподвода к ротору. Это увеличивает момент, необходимый для поворота ротора, что приводит к снижению точности датчика и уменьшению надежности его работы. Чтобы исключить этот недостаток ротор выполняют с короткозамкнутой обмоткой, а статор – с двумя сдвинутыми на 90° обмотками. Одна из обмоток статора – обмотка возбуждения, а другая – выходная обмотка. Выходная э. д. с. датчика создается поперечной составляющей магнитного потока ротора.

 

Рисунок 1.2 Датчик угла с короткозамкнутым витком на роторе

 

Рисунок 1.3 Датчик углас явнополюсным ротором

 

Датчик  с короткозамкнутой обмоткой на роторе имеет сравнительно простую конструкцию, однако наличие на роторе контура  с током приводит к появлению  момента обратного воздействия, который превышает соответствующую  величину момента для датчиков угла с обмотками на роторе и статоре.

3) Датчики угла без обмоток на роторе. Принципиальная схема датчика приведена на рисунке 1.3. На статоре датчика укладываются две обмотки (обычно распределенные), оси которых смещены на 90 электрических градусов. Одна из обмоток – обмотка возбуждения, другая – выходная. Ротор явнополюсный и имеет такое же число пар полюсов, как и обмотка статора. При совпадении осей полюсов с осями обмоток э.д.с. на выходной обмотке датчика равна нулю. Э.д.с. достигает максимального значения, когда этот угол составляет 45 электрических градусов.

Недостатки  датчиков этого типа – наличие  реактивного момента и большая  степень нелинейности в зависимости  выходной э.д.с. от угла поворота ротора.

Указанные недостатки можно устранить за счет применения явнополюсной конструкции  статора и ротора и дифференциальной схемы включения обмоток.

Далее будем  рассматривать кольцевой индукционный датчик угла с обмотками на статоре  и роторе. В соответствии с техническим  заданием КИДУ является двухполюсным с двумя взаимно перпендикулярными обмотками на статоре и роторе.

2 Конструкция двухполюсного КИДУ

 

Двухполюсные КИДУ выполняются как неявнополюсные электрические машины [1], имеющие равномерно распределенные пазы на статоре и роторе (рисунок 2.1). Пакеты статора и ротора набираются из листовой электротехнической стали или пермаллоя. Для получения однородных магнитных свойств применяется веерная сборка листов и скос паза ротора на одно зубцовое деление. В пазы статора и ротора укладываются по две взаимно перпендикулярные обмотки; закон распределения витков по пазам подбирается таким образом, чтобы коэффициент взаимоиндукции между обмотками статора и ротора изменялся по синусоидальному (косинусоидальному) закону от угла поворота ротора. Напряжение к обмоткам ротора подводится (снимается) с помощью контактных колец и щеток или с помощью контактных пружин; во втором случае угол поворота ротора ограничен.

На рисунке 2.1. обозначены:

1 – пакет  статора; 2 – пакет ротора; 3 – корпус; 4 – крышки; 5 – подшипники; 6 – контактные кольца.

 

Рисунок 2.1 Принципиальная конструктивная схема КИДУ.

3 Принцип действия КИДУ

 

Датчик  угла преобразует угол поворота a в два переменных напряжения, амплитуды которых пропорциональны соответственно sina и cosa.

 

 

Рисунок 3.1 Электрическая схема

 

Рисунок 3.2 К принципу работы

 

Наиболее  просто это преобразование реализуется  с помощью двухполюсного четырехобмоточного ВТ.. Схема включения приведена на рисунок 3.1. Здесь f – обмотка возбуждения (field winding); k – квадратурная обмотка (killer winding); a – косинусная обмотка; б – синусная обмотка.

При рассмотрении основных режимов работы ВТ примем следующие допущения [3]:

1. коэффициенты взаимоиндукции между обмотками статора и ротора изменяются по синусоидальному (косинусоидальному) закону;
2. обмотки на статоре (роторе) электрически перпендикулярны;
3. потери в стали пренебрежимо малы;
4. собственные параметры обмоток статора и ротора попарноодинаковы и постоянны.

Такой ВТ называется идеализированным.

Наиболее  простым является режим холостого  хода Z_на=Z_нб=¥. При включении обмотки возбуждения в сеть переменного тока в расточке машины образуется переменный продольный магнитный поток Ф, ось которого совпадает с осью обмотки возбуждения. Этот поток индуктирует (рисунок 3.2):

э. д. с. в  обмотке возбуждения

 

;                                                                  (3.1)

 

э. д. с. в  косинусной и синусной обмотках

 

                                                 (3.2)

 

Здесь и – эффективные значения витков обмотки возбуждения и вторичных обмоток; Е – действующее значение вторичной э. д. с, когда оси обмоток совпадают (a = 0).

Отношение называется коэффициентом трансформации.

Уравнение э. д. с. для обмотки возбуждения  имеет вид

 

                    .                                                            (3.3)

 

Этому уравнению  соответствует схема замещения, приведенная на рисунке 3.3. Вторичная  обмотка показана для случая, когда  ее ось совпадает с осью обмотки  возбуждения.

Отношение

 

                                                            (3.4)

 

называется  коэффициентом передачи по напряжению

Э.д.с. квадратурной обмотки  в режиме холостого хода у идеализированного ВТ равна нулю. При нагрузке вторичных обмоток ВТ различными сопротивлениями электромагнитные процессы существенно усложняются. Во вторичных обмотках а и b появляются токи и , которые совместно с токами в обмотке возбуждения создают намагничивающие силы по продольной оси:

 

 (3.5)

 

по перечной оси

 

 (3.6)

 

Этим  намагничивающим силам будут  соответствовать продольный и поперечный магнитные потоки и можно представить себе как совокупность двух однофазных трехобмоточных трансформаторов, соединенных по схеме рисунка 3.3.