CC BY
24
УДК 681.586.785
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА В.С.Леонтьев, Р.В.Петров, Н.А.Колесников, С.Т.Божков* MAGNETOELECTRIC CRANKSHAFT POSITION SENSOR
V.S.Leont'ev, R.V.Petrov, N.A.Kolesnikov, S.T.Bozhkov*
Институт электронных и информационных систем НовГУ, viktorsergeevich.novsu@gmail.com * Высшее транспортное училище «Тодор Каблешков», София, Болгария, slavcho_bozhkov@yahoo.com
Приведены результаты исследований датчика положения коленчатого вала и конструкции синхродиска. Рассмотрено два варианта конструкции синхродиска. Конструкция шкива с постоянными магнитами, полюса которых сонаправлены, имеет явно выраженные импульсные пики. Амплитуда выходного импульса составляла ипик = 488 мВ, при f = 17,3 Гц. В качестве чувствительного элемента магнитоэлектрического датчика положения коленчатого вала использовался магнитоэлектрический композит, состоящий из пластины пьезоэлектрика ЦТС-19 и обкладок из магнитострикционного материала метглас. Проведено исследование симметричных и асимметричных структур, структур с медной пластиной в качестве подложки. Представлены зависимости выходных характеристик датчика и проведен сравнительный анализ выходных характеристик. Ключевые слова: магнитоэлектрический эффект, магнитоэлектрическая структура, магнитоэлектрический датчик, датчик положения коленчатого вала, автомобильный датчик
This paper is devoted to the discussion of study results concerning the crankshaft position sensor and the sync disk design. Two versions of the sync disk design are considered. The pulley design with permanent magnets which poles are co-directed has pronounced pulse peaks. The amplitude of the output pulse was Upeak = 488 mV, at f = 17.3 Hz. The magnetoelectric composite consisting of piezoelectric PZT-19 and plates of magnetostrictive material Metglas was used as a sensitive element of the magnetoelectric crankshaft position sensor. The study of symmetric and asymmetric structures and the structures with a copper plate as substrates are presented. The dependences of the output characteristics of the sensor and a comparative analysis of the output characteristics are also presented.
Keywords: magnetoelectric effect, magnetoelectric structure, magnetoelectric sensor, crankshaft position sensor, automotive sensor
Введение
В настоящее время как за рубежом, так и в России большое внимание уделяется исследованию физических свойств материалов, характеризующихся несколькими типами упорядочения (сегнетоэлектри-ческим, ферромагнитным, упругим и т.п.), т.е. муль-тиферроиков [1-3]. Это обусловлено возможностью использования мультиферроиков для создания многофункциональных электронных устройств. Взаимодействие между различными параметрами упорядочений в мультиферроиках может приводить к новым эффектам, например к магнитоэлектрическому (МЭ) эффекту.
Датчик положения коленчатого вала (ДПКВ) предназначен для синхронизации управления системой впрыска и системой зажигания, поэтому другое его название — датчик синхронизации. В некоторых источниках информации он называется датчиком начала отсчета. Сигналы от датчика используются системой управления двигателем для установления:
— момента впрыска топлива;
— количества впрыскиваемого топлива;
— момента зажигания (бензиновые двигатели);
— угла поворота распределительного вала при работе системы изменения фаз газораспределения;
— времени включения клапана адсорбера при работе системы улавливания паров бензина.
Применяется на практике три типа датчиков положения коленчатого вала: 1) магнитные (индуктивного типа); 2) датчики на эффекте Холла; 3) оптические датчики.
Датчики индуктивного типа не требуют для себя отдельного источника питания. Для сигнала электронного блока управления (ЭБУ) напряжение индуцируется в тот момент, когда зуб синхронизации проходит сквозь магнитное поле, образованное вокруг датчика. Помимо контроля за оборотами колен-вала, датчик коленвала используется и как датчик скорости.
В датчиках на эффекте Холла движение тока начинается в момент приближения к датчику изменяющегося магнитного поля. Диск синхронизации перекрывает магнитное поле, и его зубья взаимодействуют с магнитным полем датчика. Датчик оборотов коленвала этого типа применяется еще и как датчик распределителя зажигания.
В оптических датчиках диск синхронизации выполнен с пазами (зубьями) или отверстиями. Диск прерывает световой поток между приемником и све-тодиодом. Приемник, перерабатывая полученный световой поток в импульс напряжения, передает его в ЭБУ.
Электронный блок управления, принимая сигналы, которые генерирует датчик частоты вращения коленчатого вала, определяет положение коленвала
относительно верхней мертвой точки (ВМТ) в 1-м и 4-м цилиндрах двигателя, частоту вращения коленва-ла и направление его вращения.
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 [4,5].
Данная работа посвящена улучшению характеристик магнитоэлектрического датчика положения коленчатого вала, нахождению оптимальной структуры чувствительного элемента датчика и конструкции зубчатого шкива коленвала.
Описание эксперимента
Измерительный стенд (рис.1) представляет собой установку, жестко закрепленную на плоскости, состоящую из двигателя, на валу которого установлен шкив коленчатого вала автомобиля. Чувствительный элемент устанавливается непосредственно около торца шкива. Оптимальный вариант закрепления чувствительного элемента и измерительный стенд подробно описан в [6,7].
Рис.1. Измерительный стенд: 1) синхродиск; 2) чувствительный элемент МЭ ДПКВ; 3) осциллограф
В качестве исследуемых образцов использовались зубчатые шкивы коленвала, между зубцами которых установлены постоянные магниты (NdFeB). Габаритные размеры магнитов 6*4*1 мм, сила сцепления — 0,24 кг. В первом случае полюса постоянных магнитов сонаправлены (рис.2а), в другом случае чередуются (рис.2б). Шкив выполнен с использованием
а)
б)
с)
Рис.2. Синхродиск коленвала: а) полюса постоянных магнитов между зубцами сонаправлены; б) полюса постоянных магнитов между зубцами чередуются; ^ постоянные магниты установлены в зубчатое колесо коленвала
а)
б)
в)
Рис.3. Расположение силовых линий магнитных полей постоянных магнитов: а, в) силовые линии поля двух одноименных магнитных полюсов; б) силовые линии поля разноименных полюсов
Рис.4. Конструкции магнитоэлектрических элементов: а) симметричная структура метглас(2)—ЦТС—метглас(2); б) асимметричная структура метглас(4)—ЦТС; с) асимметричная структура метглас(4)—цТс—медь(1). 1 — обкладки метгласа, 2 — пье-зоэлектрик ЦТС-19, 3 — медная обкладка
3D технологий в виде зубчатого колеса с зубьями, расположенными на его краю с шагом 6 в количестве 60 штук. Два зуба на шкиве отсутствуют, что служит для генерации импульса синхронизации. В данный промежуток постоянные магниты не устанавливаются (рис.2с).
Рассмотрим расположение силовых линий магнитных полей постоянных магнитов, установленных в зубчатом колесе коленвала (рис.3).
В качестве чувствительного элемента ДПКВ использовался МЭ элемент, состоящий из пьезоэлек-трика ЦТС-19 с размерами 30*10*0,5 мм и обкладок метгласа (FeBSiC) соответствующего размера, которые одновременно служат электродами. Пластины метгласа соединялись с пьезокерамикой ЦТС-19 посредством клея, толщина клеевого слоя не превышает 10 мкм.
Результаты эксперимента
Результатами эксперимента являются осциллограммы, представленные ниже.
Из полученных осциллограмм отчетливо видно влияние расположения постоянных магнитов в зубчатом шкиве и поля подмагничивания.
Для оценки выходных характеристик использовалась формула магнитоэлектрического эффекта:
V
амэ " ,
где V — ЭДС между электродами чувствительного элемента; ё — толщина образца, см; И — напряженность магнитного поля, Э.
Более подробный расчет магнитоэлектрических структур и их параметров рассмотрен в [8].
ТВ: 20 ГШ Т: 0 5
СН1: 160 тУ /А1_ 25кЭа
ТВ: 20 т5 Т:0 5
СН1: -11б1лУ/А1_ 25кБа
Л Л Л
1 ¿О
УоНа VI: -9 де: (СН: 2.00 тУ ) У2: 164.ОС тУ ДУ: 256 00 тУ
СН1: 200тУ£ f: 17.36Нг Урр: 4ВВ.00тУ
Р РЧ**-, Г-*-
!
— II < > •Г-
УоНа VI: -9 зе: (СН: 2.00тУ ) У2 164.ОС тУ ¿V: 256 .00 тУ
СН1: 200тУ^ Г. 15.43 Нг Урр: 336.00 тУ
а)
б)
Рис.5. Шкив с магнитами, полюса которых сонаправлены, МЭ элемент 2-2: а) без постоянного поля подмагничивания; б) с постоянным полем подмагничивания
Рис.6. Шкив с магнитами, полюса которых сонаправлены, МЭ элемент 4-0: а) без постоянного поля подмагничивания; б) с постоянным полем подмагничивания
ТВ: 20 г™ Т: О Э
СН1: 52 ГПУ /А1_
-----IV- --А
Л ./О 1,/ 4
»—-
УоНа VI: -9 зе: сен: 2.00 тУ ) У2 164.ОС тУ ¿V. 256 00 тУ
сн1 гоотУй; М4.ВЗНг Урр: 28В.00 тУ
б)
Рис.7. Шкив с магнитами, полюса которых сонаправлены, МЭ элемент 4-1: а) без постоянного поля подмагничивания; б) с постоянным полем подмагничивания
Рис.8. Шкив с магнитами, полюса которых чередуются, МЭ элемент 2-2: а) без постоянного поля подмагничивания; б) с постоянным полем подмагничивания
Рис.9. Шкив с магнитами, полюса которых чередуются, МЭ элемент 4-0: а) без постоянного поля подмагничивания; б) с постоянным полем подмагничивания
а)
б)
Рис.10. Шкив с магнитами, полюса которых чередуются, МЭ элемент 4-1: а) без постоянного поля подмагничивания; б) с постоянным полем подмагничивания
6000
5000
4000
2 3000
2000
1000
О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
f, Гц
—-— Структура Метглас{4)-ЦТС —»—Структура Метглас(4)-ЦТС-Медь(1)
—*— Структура Метглас(2)-ЦТС-Метглас(2)
Рис.11. График зависимости выходного напряжения от частоты в исследуемых структурах
Выбор оптимального варианта конструкции шкива и чувствительного элемента ДПКВ зависит от стоящих перед датчиком задач. В данном случае возможно применение двух конструкций:
1) шкив с магнитами, полюса которых сона-правлены, МЭ элемент 2-2, без постоянного поля подмагничивания, Uпик при этом составляет 488 мВ;
2) шкив с магнитами, полюса которых чередуются, МЭ элемент 2-2, с постоянным полем подмаг-ничивания, Цик при этом составляет 332 мВ.
Исходя из рис.11, видно, что максимальное значение выходного напряжения имеет структура метглас(4)-ЦТС-медь(1), и составляет ивых = 5,64 В на частоте изгибного резонанса ^,ез = 450 Гц. Анализируя данные кривых, представленных на рис.11, можно сделать вывод, что наиболее эффективным будем использование датчика на резонансной частоте 7рез=450 Гц для асимметричных структур. Исходя из этого, предлагается использование повышающего редуктора на диапазон частот 450 Гц, что позволит использовать максимальный МЭ коэффициент для увеличения выходного напряжения МЭ датчика положения коленчатого вала.
Заключение
Рассмотрено два варианта конструкции син-хродиска: полюса постоянных магнитов между зубцами синхродиска чередуются; полюса постоянных магнитов между зубцами синхродиска сонаправлены. В результате проведенных исследований видно, что конструкция шкива с постоянными магнитами, полюса которых сонаправлены, имеет явно выраженные импульсные пики. Амплитуда выходного импульса составляла ипик = 488 мВ, при f = 17,3 Гц. В качестве чувствительного элемента магнитоэлектрического датчика положения коленчатого вала использовался магнитоэлектрический композит, состоящий из пластины пьезоэлектрика ЦТС-19 и обкладок из магни-тострикционного материала метглас. Проведено исследование симметричных и асимметричных структур, структур с медной пластиной в качестве подложки.
Для дальнейшего улучшения магнитоэлектрического датчика положения коленчатого вала предлагается использовать повышающий редуктор.
Bichurin M.I., Petrov V.M. and Srinivasan G. Modeling of magnetoelectric effect in ferromagnetic/piezoelectric multilayer composites // Ferroelectrics. 2002. Vol.280. P.165-175.
2. Bichurin M.I., Petrov V.M., and Srinivasan G. Theory of low-frequency magnetoelectric effects in ferromagnetic-ferroelectric layered composites // Journal of Applied Physics. 2002. Vol.92. №12. P.7681-7683.
3. Magnetoelectricity in Composites // Eds. M.Bichurin and D.Viehland. Singapore: Pan Stanford Publishing, 2011. 286 р.
4. Литвиненко В.В., Майструк А.П. Автомобильные датчики, реле и переключатели. Краткий справочник. М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2004. 176 с.
5. Bozhkov S.T., Milenov I.K., Bozhkov P.T. Application and analyzing the signals of the automobile sensors for diagnostics and control of automobile technical condition // 11th International Conference on Applied Electromagnetics PEC-2013. Nis, Serbia, 2013. Р.87-88.
6. Kolesnikov N., Zhiglinsky S., Petrov R. et al. Magnetoelectric Position Sensors for Automotive Application // Proc. of 15th International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems (ELMA), 1-3 June 2017. Sofia, Bulgaria, 2017. Р.329-333.
7. Колесников Н.А., Леонтьев В.С., Bozhkov S.T. Исследование характеристик магнитоэлектрического датчика положения коленчатого вала // Вестн. Новг. гос. ун-та. Сер.: Техн. науки. 2016. №4 (95). С.26-28.
8. Bichurin M.I., Petrov V.M., Petrov R.V., Tatarenko A.S. Magnetoelectric magnetometers. In High Sensitivity Magnetometers / Eds. A. Grosz et al. Switzerland: Springer International Publishing, 2016. P.127-166.
References
1. Bichurin M.I., Petrov V.M., Srinivasan G. Modeling of mag-netoelectric effect in ferromagnetic/piezoelectric multilayer composites. Ferroelectrics, 2002, vol. 280, pp. 165-175.
2. Bichurin M.I., Petrov V.M., Srinivasan G. Theory of low-frequency magnetoelectric effects in ferromagnetic-ferroelectric layered composites. Journal of Applied Physics, 2002, vol. 92, no. 12, pp. 7681-7683.
3. Bichurin M., Viehland D., eds. Magnetoelectricity in Composites. Pan Stanford Publishing, Singapore, 2011. 286 p.
4. 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.
5. Bozhkov S.T., Milenov I.K., Bozhkov P.T. Application and analyzing the signals of the automobile sensors for diagnostics and control of automobile technical condition. Proc. of the 11th Int. Conf. on Applied Electromagnetics (PEC 2013). Nis, Serbia, 2013, pp. 87-88.
6. Nikolay Kolesnikov, Sergey Zhiglinsky, Roman Petrov, Mirza Bichurin, Slavcho Bozhkov, Ivan Milenov, Penko Bozhkov. Magnetoelectric position densors for automotive application. Proc. 15th Int. Conf. on Electrical Machines, Drives and Power Systems (ELMA). Sofia, 2017, p.329-333.
7. Kolesnikov N.A., Leont'ev V.S., Bozhkov S.T. Issledovanie kharakteristik magnitoelektricheskogo datchika polozheniia kolenchatogo vala [Studying the characteristics of a magnetoelectric crankshaft position sensor]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2016, no. 4(95), pp. 26-28.
8. Bichurin M.I., Petrov V.M., Petrov R.V., Tatarenko A.S.; Grosz A. et al., eds. Magnetoelectric magnetometers. High Sensitivity Magnetometers. Springer International Publishing, 2016, pp. 127-166.
1.
