石英机擒电纵调速器的制作方法
专利名称石英机擒电纵调速器的制作方法
技术领域本实用新型涉及一种计时器中的擒纵调速器。
现有的石油井下用计时器多用摆轮游丝擒纵调速器。它以发条或弹簧等弹性元件做为能源，通过轮系将力矩传递到擒纵机构，由擒纵机构向摆轮游丝振动系统补充能量。于此同时，摆轮的周期性摆动再由擒纵机构转换成轮系或记录机构的转动。这种机械计时器的发条力矩除了用于带动记录机构转动外，还得消耗在轮系的转动和摆轮的摆动上。一种工作100小时的机械计时器，用于前者的输出力矩不足发条力矩的40％，而后者则超过60％。如果继续延长计时器的工作时间，就会给设计制造带来很大困难。
其次，摆轮游丝振动系统的周期(或频率)的稳定度低，计时器的走时误差达1％左右。再者，摆轮游丝振动系统的等时性差，随着发条力矩下降，记录机构负载力矩变化，轮系传动质量改变等因素的影响，带来走时误差的波动。
近几年出现了石英电子钟表，它是以电池做为能源，以石英振荡器的振荡频率作为计时信号，经分频器等电子电路的处理产生时间脉冲驱动步进电机转子单方向转动，同时带动轮系、指针或记录机构转动。这种时钟的优点是走时精度高，相对误差小于0.001％。但是若把它应用于井下计时器，则由于步进电机输出力矩小，难于带动记录机构转动。虽然通过增加电机输出力矩，加大电池容量等途径可以克服上述不足，可是会造成整体尺寸膨胀，结构所不允许。所以，石英钟表尚未应用于井下测量仪器的计时器中。
本实用新型的目的是创造一种新型的调速器——石英机擒电纵调速器。利用该调速器设计的计时器用发条带动记录机构转动，以石英振荡器作为计时信号源，转换后驱动摆动电机摆动，摆动转子通过擒纵机构控制加有机械力矩ML的擒纵轮单向转动，从而达到控制轮系发条及输出轴精确的转动速度。这种石英计时器除了即具有机械计时器的输出力矩大，又具有石英钟表的走时精度高的优点外，还具有可以长时间运行(大于380小时)，工作可靠，停钟率小，计时器外径细(φ20mm)等显著优点。从而使得与该计时器相配套的井下测量仪器的测量精度提高，工作可靠性增高，一次测量时间延长，满足油井测量的需要。
石英机擒电纵调速器由石英谐振器、钟用CMOS集成电路(CMOS
IC)，摆动电机，擒纵机构，电池等组成，见图1虚线框。配有轮系和发条后则组成石英计时器。
石英机擒电纵调速器结构图如图2所示。它是由擒纵轮部件6，擒纵叉部件7，转子部件8，定子9，线圈11，转子限位块14，线路板组件10，电池盒部件12，电池13，上夹板部件2，下夹板部件1等另部件组成。其中线路板组件焊接有石英谐振器，CMOS IC，电容等元器件，它与电池正负极相接，CMOS IC的输出端与摆动电机线圈相接。转子部件，定子，线圈和转子限位挡块组成摆动电机。转子部件含有转子轴8－1，转子8－2，双圆盘8－3，圆盘钉8－4构成。擒纵轮，擒纵叉，双圆盘等组成擒纵机构。擒纵轮轴齿作用着由发条经轮系传递来的力矩，用ML表示。
线路板组件上的石英谐振器，电容和CMOS
IC中反相器等元器件构成石英振荡器，目前经常选用32，768Hz和4.194304MHz的石英谐振器。石英振荡频率经过CMOS
IC中的分频电路，窄脉冲形成电路和驱动电路处理后形成正负脉冲相互交替的窄脉冲时间信号。其周期为to，正负脉冲的间隔为To／2，正负脉冲宽度为Tu，正负脉冲幅值接近电池电压。波形为图3所示。
摆动电机见图4，转子是径向充磁的一对极永久磁体，定子可采用一片插入式(图4(a))，凹坑式(图4(b))，偏心式(图4(c))。当线圈无电流时，转子NS磁极方向停止位置有两种可能一是在磁定位力矩的作用下停在磁阻最小的位置(在转子磁极与定子片空气隙最小的位置附近)为图4中的A－A方向上。该位置称为磁平衡位置。二是转子受转子限位块14阻挡，磁极方向处在B－B方向。该位置称为限制位置。A－A平衡位置由电极磁定位完成，B－B限制位置由转子部件的圆盘钉受转子限位块阻挡实现。限制位置B－B与中心线夹角约为45°。
假设线圈无电流时转子磁极停在磁平衡位置A－A处。当有正脉冲电流I＋作用时，线圈磁场与转子磁场相作用，推动转子顺时针方向旋转，直到转子部件的圆盘钉被转子限位块阻挡时为止。此时转子磁极处在B－B方向。转子转过角度－φo。此后作用负脉冲电流I－，线圈磁场推动转子反方向(逆时针方向)旋转。断电后转子仍回到磁平衡位置A－A。此时转子转过角度为＋φo。如此反复作用脉冲信号实现转子摆动。
石英机擒电纵调速器的工作过程如图5所示。
(1)脉冲信号为0时，线圈电流为0，转子8的磁极停在磁平衡位置A－A处。圆盘钉8－4与擒纵叉7的叉口脱开。在擒纵轮力矩ML的作用下，擒纵轮齿牵引进销钉(进瓦)7－1，叉身7停靠在左限位钉1－1上。见图5(a)。
(2)当作用正脉冲信号时，线圈正向电流I＋产生的磁场与转子磁场相互作用，转子磁极由A－A处按逆时针转动，如图5(b)空心箭头所示。与此同时，圆盘钉进入叉口带动叉身顺时针方向转动，如图实心箭头所示。进销钉7－1抬起，开始释放擒纵轮。随着转子继续旋转，进销钉随之上升。当叉身转过全销角，擒纵叉完全释放开擒纵轮，在ML的作用下，擒纵轮按顺时针方向转动，如图5所示，图中阴影箭头为擒纵轮旋转方向。
(3)脉冲信号再次为O，圆盘钉被转子右限位块14－2阻挡，转子磁极停在B－B处。此时擒纵轮的另一个齿被落下的出销钉(出瓦)7－2所卡并牵引叉身靠在右限位钉1－2处。与(1)相比，当作用正脉冲后，转子逆时针转过摆动角φo，擒纵叉逆时针转过大约半个齿距。见图5(d)。(4)作用负脉冲信号，线圈负向电流I－产生的磁场推动转子与(2)相反方向(顺时针方向)转动。此时圆盘钉带动叉身逆时针转动，出销钉抬起，释放擒纵轮，擒纵轮继续顺时针转动。见图5(e)。
(5)脉冲信号为O，转子和擒纵叉恢复初始状态(1)。与(3)相比，在负脉冲作用后，转子沿顺时针摆过－φo摆动角。擒纵轮仍以顺时针方向转过大约半个齿距。
由上可以得出，每来一次脉冲信号，摆动电机转子释放一次擒纵转过约半个齿距。在一个周期To内，转子往返摆动各一次，擒纵轮单方向转过一个齿距角。
左限位块14－1用来防止转子转动时产生过冲现象，限制摆动范围，也可用来控制电机起动角。
本调速器还可以选用卡瓦式擒纵机构或后退式擒纵机构。卡瓦和擒纵轮带冲角或不带冲角都能可靠地正常工作。
电路和摆动电机耗电在100～350μA。根据计时器工作时间和耗电确定选择电池规格型号。
石英机擒电纵调速器可达到下述技术指标走时误差小于±0.01％。
作用于擒纵轮力距范围7×10－7～7×10－4Nm。
可设计成计时器的走时范围。工作时间在几个小时范围内主要取决于摆动电机带负载的能力，在几百小时范围内主要取决于电池容量，一般情况下4～400小时。
工作温度范围－30～＋80℃。
横截面尺寸可放入内径为φ18mm的圆筒内。
耐振动冲击能力优于同类型机械计时器。
该调速器擒纵轮力矩可以在7×10－7Nm的情况下工作，故可以减少发条力矩和发条尺寸。从而延长了计时器的使用寿命，提高了计时器的工作可靠性。
对生产机械计时器的产家，只需将机械计时器的摆轮游丝改为摆动电机和电路板，轮系作个别调整便可将产品更新换代成为石英计时器。原工装设备变动小。
本调速器可用于压力计时器，流量计计时器，气象仪表计时器等需时间座标的计录机构中。
采用该调速器不仅提高计时器的性能指标，而且可设计成小口径(φ20mm)长时间(180或360小时)计时器，按这种计时器每支比机械计时器高出250～500元售出，生产400支，经济效益可增加10～20万元。
图1为本实用新型的工作原理方框图。
图2为传动展开图，图中，1－下夹板部件，2－上夹板部件，3－一轮部件，4－二轮部件，5－三轮部件，6－擒纵轮部件，7－擒纵叉部件，8－转子部件，8－1－转子轴，8－2－转子，8－3－双圆盘，8－4－圆盘钉，9－定子，10－线路板组件，11－线圈，12－电池盒部件，13－电池，14－转子限位块。
图3为摆动电机驱动信号波形图。图中To为信号周期，tu为脉冲宽度。
图4为本实用新型的摆动电机工作原理示意图。图中8－转子部件，9－定子，10－线圈，14－转子限位块。
图5为本实用新型的工作原理示意图。图中，1－1－左限位钉，1－2－右限位钉，6－擒纵轮部件，7－擒纵叉部件，7－1－进瓦(进销钉)，7－2－出瓦(出销钉)，8－转子，9－定子，11－线圈，14－1－转子左限位块，14－2－转子右限位块。
图6为实施例中外形图。
实施例利用石英机擒电纵调速器而设计的计时器机芯如图6和图2所示。图6为外形图，图2是传动展开图。
机芯外形尺寸72×17×13mm，横截面尺寸可控制在φ18mm之内。
定子采用一片插入式，外形尺寸41×14×1mm，定子磁极弧与转子之间的大间隙为2.0mm，小间隙为1.5mm，材料为1J50。
转子外径φ6.3mm，内孔1.6mm，厚度2.5mm，材料Y30。
线圈匝数，直流电阻400Ω，漆包铜线直径φ0.09mm。
转子限位块与中心夹角45°。
IC型号2744。
石英谐振器φ2×6或φ3×8，频率32，768KHz。
电容Cd＝18pF，Cg*＝5～20pF(该电容用于调整振荡器频率)。
驱动电机脉冲To／2＝1s，脉冲宽度tu＝46.8s。
电池SR44，外形尺寸φ11.6×5.4mm，电压为1.55V。
擒纵机构为销钉式。
擒纵轮齿数为15。外径φ9mm，内径φ7.7mm，引角为2°，齿形可为尖齿或带齿冲角两种均可。带冲角作用圆直径φ8.5mm，齿宽0.6mm。
擒纵叉销钉直径φ0.3mm。
圆盘钉直径φ0.8mm，作用圆R1.8mm。
可达技术指标走时误差小于±1秒／小时。
耗电小于150μA(电池电压1.50V时)。
工作电压范围1.40～3.50V。
擒纵轮承受力矩范围7×10－7～7×10－4Nm。
电池使用寿命400小时以上。
计时器走时时间可为10～400小时。
工作温度范围－30～＋80℃。
权利要求1.一种计时装置的擒纵调速器，包括擒纵轮部件(6)，擒纵叉部件(7)，转子部件(8)，定子(9)，线路板组件(10)，线圈(11)，电池盒(12)，电池(13)，转子限位块(14)，其特征在于采用线路板组件(10)上的石英谐振器，电容和CMOS IC中的反相器等元器件构成的石英振荡器作为计时信号源，该信号源驱动摆动电机的摆动，摆动的转子通过擒纵机构控制加有机械力矩ML的擒纵轮单向转动，从而达到控制轮系发条及输出轴的精确的转动速度。
2.权力要求1所述的调速器，其特征在于摆动电机的定子可采用一片插入式，亦可采用凹坑式或偏心式；擒纵机构可采用销钉式，亦可采用卡瓦式或后退式。
专利摘要“石英机擒电纵调速器”用石英谐振器作为计时信号源，以摆动电机作为机电转换机构，通过擒纵机构控制轮系发条，记录机构转动进行计时。利用该调速器设计的计时器具有走时精度高，工作轴输出力矩大，连续工作时间长，机芯外径细，工作可靠等优点。是石油井下用压力计计时器、流量计计时器更新换代产品。亦可用作为气象用时间记录机构中。
文档编号G04C5/00GK20511
公开日日 申请日期日 优先权日日
发明者王春林, 黄恒林 申请人:哈尔滨工业大学OKI ML 7150F 原装打印机色驱齿轮 色带驱动齿轮 双齿齿轮 摆轮
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