CC BY
130
УДК 681.586.785
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ Н.А.Колесников, Р.В.Петров MAGNETOELECTRIC SENSOR FOR AUTOMOBILE
N.A.Kolesnikov, R.V.Petrov
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected]
Рассматриваются вопросы создания и внедрения на рынок автомобилестроения магнитоэлектрических датчиков положения коленчатого вала. Приведена конструкция датчика и методика его изготовления. Представлены результаты эксперимента — выходные характеристики, полученные с магнитоэлектрического и индукционного датчика. Магнитоэлектрический датчик положения коленчатого вала (МЭ ДПКВ) предлагается как более дешевая и простая при изготовлении альтернатива индукционным ДПКВ. В качестве пьезоэлектрика была использована тонкая пластина пьезокерамики ЦТС-19. В качестве магнитострикционных обкладок использовался аморфный магнитомягкий сплав на основе железа—метгласа. Измерения показали, что выходные характеристики МЭ и индукционного датчиков качественно повторяют друг друга, а МЭ ДПКВ — хорошая альтернатива индукционным ДПКВ.
Ключевые слова: магнитоэлектрический датчик, датчик положения коленчатого вала (ДПКВ)
In this paper, the questions of creation and introduction of magnetoelectric crankshaft position sensors in automotive market is discussed. Sensor design and method of manufacture are presented. The experimental results (output characteristics of magnetoelectric and inductive sensors) are shown. The magnetoelectric crankshaft position sensor is available as a cheap and simple alternative to the induction crankshaft position sensor. Magnetoelectric material is a layered composite of piezoelectric and magnetostrictive material. Piezoelectric material PZT-19 is the ceramic thin plate. Magnetostrictive material is metglas. Measurements shown that output characteristics of the magnetoelectric and induction sensors repeat qualitatively each other. That means that the magnetoelectric crankshaft position sensor is a good alternative for replacement of the induction crankshaft sensor. Keywords: magnetoelectric sensor, crankshaft position sensor (CKP sensor)
Введение
На мировом рынке в последние годы наблюдается тенденция по переходу на магнитные датчики, которые являются более простыми конструктивно, более дешевыми и точными. Датчик положения коленчатого вала (ДПКВ) служит для определения углового положения коленчатого вала двигателя, синхронизации работы блока управления с рабочим процессом двигателя и определения частоты его вращения [1]. В современном автомобилестроении также используются датчики положения распределительного вала или, иначе, датчики фаз (ДФ), которые в целом выполняют ту же функцию, но отличаются принципом действия. Работа ДПКВ основана на явлении электромагнитной индукции, а ДФ являются датчиками Холла.
Магнитоэлектрический датчик положения коленчатого вала (МЭ ДПКВ) предлагается как более дешевая и простая при изготовлении альтернатива индукционным ДПКВ. Датчики на магнитоэлектрических материалах предназначены для работы в цепях постоянного переменного тока и фиксируют наличие как переменного электромагнитного поля, так и постоянного магнитного поля [2]. Достаточно широкое распространение получили аналоги МЭ датчиков: датчики Холла, индукционные катушки (катушки Гельмгольца).
Конструкция датчика и принцип действия
Чувствительный элемент датчика является композитной структурой, состоящей из пьезострик-ционного материала и двух магнитострикционных обкладок, находящихся по краям.
Принцип действия: магнитострикционный материал датчика, помещенный в магнитное поле (переменное), вызванное вращением синхродиска на шкиве коленчатого вала двигателя, претерпевает изменение линейных размеров и воздействует на пьезоэлектрический материал. Пьезоэлектрик в свою очередь индуцирует электрический заряд. На обкладках МЭ элемента возникает разность потенциалов. Импульсы напряжения, снимаемые с датчика, синхронны с частотой изменения магнитного поля. Для получения необходимой характеристики датчика в конструкцию может включаться постоянный подмагничи-вающий магнит.
Опытный образец
В лабораторных условиях был создан образец датчика по методике, приведенной в [2]. В качестве пьезоэлектрика была использована тонкая пластина пьезокерамики ЦТС-19. В качестве обкладок использовался аморфный магнитомягкий сплав на основе железа — метгласа. Причем в одной обкладке было склеено 4 слоя метгласа.
Рис.1. Конструкция МЭ элемента: 1 — ЦТС-19, 2 — метглас
Обкладки соединялись с помощью клея БФ-2. К слоям метгласа были припаяны контакты припоем ПОС-61. На рис.2 представлен внешний вид готового элемента. Измерения МЭ эффекта проводились по методике, приведенной в [2]. Измерительная установка включала в себя катушки Гельм-гольца для создания переменного и постоянного магнитного полей, генератор низкочастотных колебаний, двухлучевой осциллограф, источник постоянного тока. Величина переменного электромагнитного поля составляла около 1 Э, постоянного магнитного поля — около 10 Э. Датчик помещался в центр между катушками. Результаты измерений регистрировались на осциллографе. Измерения показали, что данный элемент обладает МЭ коэффициентом аБ величиной около 0,2 В • см 1 • Э 1 на частоте около 50 Гц.
Рис.2. Внешний вид МЭ элемента
МЭ элемент был установлен в пластиковый корпус. Внешний вид готового датчика представлен на рис.3.
Рис.3.Внешний вид МЭ ДПКВ Экспериментальные данные
Целью проведения эксперимента было измерение и сравнение выходных характеристик изготовленного образца и индукционного датчика положения коленчатого вала.
В качестве индукционного датчика использовался датчик положения коленчатого вала VC-CS 0112. Внешний вид датчика представлен на рисунке 4.
Рис.4. Индукционный датчик VC-CS 0112
Для проведения эксперимента была собрана макетная установка. Макет состоит из платформы с зафиксированным ротором с диском, на котором закреплены постоянные магниты разной силы. Он имитирует диск синхронизации коленчатого вала. В непосредственной близости от него были помещены оба датчика. Данные снимались с помощью двухканаль-ного осциллографа. Внешний вид макетной установки представлен на рис.5.
Рис.5. Макетная установка
Результаты измерений представлены на рис. 6,7 для индукционного и магнитоэлектрического датчика соответственно.
V, Ом
•втЗ-
Рис.6. Выходные характеристики индукционного ДПКВ
V, Ом
—-
-9т5—
---
■втЗ—
•втЗ-
Рис.7. Выходные характеристики МЭ ДПКВ
Как видно из графиков, выходные характеристики качественно повторяют друг друга. Для электронного блока управления необходимо лишь различать появление импульса для синхронизации системы зажигания и впрыска топлива. Таким образом, магнитоэлектрический датчик можно использовать в качестве датчика положения коленчатого вала.
Заключение
В работе было наглядно показано, что МЭ датчик может быть использован как альтернатива индукционным датчикам положения коленчатого вала. К тому же на мировом рынке в последние годы наблюдается тенденция по переходу на магнитные датчики, которые конструктивно являются более простыми, более дешевыми и более точными. Создание обмоток для индукционных датчиков с нужными воспроизводимыми параметрами является очень сложной и затратной задачей, в то время как материалы для магнитных датчиков изначально имеют все необходимые и легко воспроизводимые для дальнейшей работы характеристики.
Исследования рынка показывают, что продажи датчиков магнитного поля на 2015 г. составляют около 2,5 млрд. долларов [3]. Автомобильный сегмент потребляет до 50% от общего объема продаж магнитных датчиков. Таким образом, разработка датчика положения коленчатого вала на основе магнитного датчика, на сегодняшний день, является актуальной задачей.
В перспективе данный датчик может занять лидирующее положение на рынке благодаря дешевизне материала, простоте конструкции и высокой чувствительности.
Работа выполнена при поддержке проектной части государственного задания в сфере научной деятельности по проекту №3.1639.2014/К.
1. Литвиненко В.В., Майструк А.П. Автомобильные датчики, реле и переключатели. Краткий справочник. М.: За рулем, 2004. 176 с.
2. Бичурин М.И., Петров Р.В., Соловьев И.Н., Соловьев А.Н. Исследование магнитоэлектрических сенсоров на основе пьезокерамики ЦТС и метгласа [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. 2012. №1. URL: http://www.science-education.ru/101-r5367.
3. Датчики магнитного поля. Обзор состояния рынка и продукции датчиков магнитного поля. IHS iSuppli. URL: www.isuppli.com.
References
1. Litvinenko V.V., Maistruk A.P. Avtomobil'nye datchiki, rele i perekliuchateli. Kratkii spravochnik [Sensors, relay, and switches for automobiles. Brief handbook]. Moscow, "Za rulem" Publ., 2004. 176 p.
2. Bichurin M.I., Petrov R.V., Solov'ev I.N., Solov'ev A.N. Issledovanie magnitoelektricheskikh sensorov na osnove p'ezokeramiki TsTS i metglasa [Magnetoelectric microwave
devices for phased array]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniia - Modern problems of science and education, 2012, no. 1. Available at: http://www.science-education.ru/101-r5367.
3. Datchiki magnitnogo polia. Obzor sostoianiia rynka i produktsii datchikov magnitnogo polia [Magnetic field sensors. Market report]. IHS iSuppli. Available at: www.isuppli.com.
