Магнитоупругие датчики крутящего момента

Точное измерение крутящего момента — одна из важнейших задач в автомобильной электронике. Сферы применения включают контроль крутящего момента выходного вала двигателя, входного и выходного валов автоматической коробки передач, типичные задачи рулевого управления (рис. 91).

Рис. 27. Примеры применения магнитостриктивных датчиков крутящего момента в автоэлектронике: а–ж— магнитоупругие датчики крутящего момента Magnetoelastic Devices: а— классический вариант датчика: 1— датчик крутящего момента; 2— магнитоупругий преобразователь; 3— датчик магнитного поля (датчик Холла); 4— вал, соединяемый с детектируемым объектом; A— ось вращения; M— крутящий момент; Hост — круговое тангенциальное направление остаточного намагничивания; 5— проводные выводы датчика; б— выходная характеристика датчика Холла; в— спиральное намагничивание магнитоупругого кольца; г— версия с поляризованным магнитоупругим кольцом с двумя противоположно намагничиваемыми областями: 1— конструкция датчика; 2, 3— два противоположно поляризованных кольца; 4, 5— один или два датчика магнитного поля; 6— вал; 7— непрерывная поверхность материала колец; Mr1(+), Mr2(–) — остаточная намагниченность колец; д— версия с зубчатым кольцом, модулирующим магнитное поле для измерения скорости вращения: 6— модулирующее кольцо; е— типичный внешний вид сенсорного модуля датчика, установленного на валу; ж— применение датчика MDI для детектирования крутящего момента вала коробки передач; з— магнитостриктивный датчик крутящего момента в системе рулевого управления Suzuki: 1— цилиндрическое прямозубое колесо; 2— шестерня; 3— выходной рулевой вал, управляемый двигателем; 4, 5— подшипники; 6— рулевая колонка; 7— датчик крутящего момента; 8— вал датчика; 9— рулевой вал; 10 — соединительная часть рулевого вала с валом датчика; 11 — двигатель; 12 — соединительная часть вала рулевого управления; 13 — корпус датчика; 14, 15 — шпоночные соединения; 16 — кабельный соединитель датчика 7; 17 — люк рулевой колонки для вывода соединителя; 18 — пространство для установки датчика; и— магнитостриктивный датчик крутящего момента Aisin Seiki: 1— магнитостриктивное устройство; 2— группа обмоток; 3, 4— подшипники; 5— корпус; 6— печатная плата; 7— вал; 8, 9— участки с магнитной анизотропией; 10 — бобина; 11, 12 — возбуждающие обмотки; 13, 14 — детектирующие обмотки; 15, 16 — проводные выводы; 17 — терминалы печатной платы; к, л— магнитоупругий датчик крутящего момента Siemens VDO с низким гистерезисом, производимый методом термического распыления: к— конструкция датчика: 1— магнитоупругий элемент; 2— немагнитный вал; A— продольная ось вращения; л— внешний вид; м, н— магнитостриктивный датчик крутящего момента для автоматической коробки передач: 1— входной вал коробки передач; 2— магнитостриктивный датчик; 3— статор; 4— цилиндрическая часть статора для установки датчика; 5— гильза, удерживающая датчик крутящего момента в статоре; 6— канавка для проводных выводов датчика; 7— цилиндрический полый корпус датчика; 8, 9 — части корпуса для вывода и прохода проводов; 10, 11, 12 — детектирующие обмотки; 13 — сегментированный магнитостриктивный материал; 14, 15 — шарикоподшипники; 16 — проводные выводы; о— устройство электрического рулевого управления с механизмом детектирования крутящего момента Honda: 1— вращающийся вал, соединяемый с рулевым колесом; 2, 3, 4— нижняя, верхняя, средняя части вала, соответственно; 5, 6— магнитостриктивные мембраны; 7— механизм шестерен; 8— ведущая шестерня; 9— зубчатая рейка; 10 — вал рейки; 11 — первый подшипник; 12 — второй подшипник; 13, 15 — схемы возбуждения переменным напряжением магнитостриктивных мембран; 14, 16 — схемы детектирования; 17 — двигатель; 18 — ведущий вал; 19 — механизм редуктора; 20 — ведущий червяк; 21 — червячное колесо; 22 — корпус; 23, 24 — верхняя и нижняя части корпуса устройcтва, соответственно

Выделяется две категории датчиков крутящего момента:

1. деформируемые датчики (пьезорезистивные strain gauge, емкостные) — с требованием беспроводного трансмиттера сигнала и ограничениями в прочности², повторямости и цене таких устройств;

2. недеформируемые датчики.

Помимо того датчики делятся на:

1. использующие электрические компоненты, закрепленные на валу (адгезивные, оптические, индуктивные), — более сложные и с ограничениями в прочности таких устройств,

2. датчики, которые обходятся без таких компонентов.

Еще одно классификационное деление:

1. датчики со стержнем кручения torsion bar, которые могут вычислять только дифференциальный или полудифференциальный угол закручивания одного вала относительно другого (оптические и индуктивные);

2. датчики, которые измеряют крутящий момент непосредственно (углы закручивания стальных валов очень малы — порядка 0,01°).

Магнитоупругие или магнитостриктивные преобразователи согласно всем классификациям относятся к датчикам второго типа.

Для создания магнитоупругих датчиков крутящего момента используется эффект Виллари — наведение изменений в магнитной проницаемости под действием момента, которые регистрируются бесконтактным датчиком магнитного поля, вырабатывающим пропорциональный моменту аналоговый сигнал.

Магнитостриктивный материал допускает высокую надежность и повторяемость измерения значения крутящего момента, поскольку магнитострикция — это свойство материала, которое не изменяется со временем.

Спектр разработок магнитостриктивных преобразователей проиллюстрирован рис. 28. Описания работы подобных устройств содержатся в патентной и технической литературе.

Типичный датчик крутящего момента показан на рис. 28а–в. В стандартной конфигурации используется поляризованное магнитоупругое кольцо, которое прочно прикрепляется к валу и намагничивается импульсным током через вал. Создается легкая ось намагниченности кольца в тангенциальном направлении.

В рабочих условиях под действием крутящего момента остаточная намагниченность в кольце переориентируется по спирали (рис. 28в), что создает магнитное поле, пропорциональное крутящему моменту. Величина и направление поля определяются бесконтактным магнитоуправляемым датчиком, линейный выходной сигнал которого обрабатывается в электронной схеме.

Для того чтобы избежать зависимости от магнитной проницаемости вала (зависимости от температурных эффектов, свойств материала, величины и частоты возбуждающего поля, а также поля Земли) и повысить чувствительность датчика, используется поляризованное кольцо с двумя областями с противоположными направлениями намагниченности, которые намагничиваются двумя идентичными постоянными магнитами при медленном вращении вала.

Чувствительность зависит от размера кольца и свойств материала. Насколько подходит конкретный материал для использования в датчиках крутящего момента — зависит от его насыщающей магнитострикции, определяемой как частичное изменение в длине при увеличении намагниченности до насыщающего значения. Наибольшее значение магнитострикция насыщения составляет для никеля (4×10^–5).