ABS-SENZORJI NA OSNOVI ALNiCO-MAGNETOV Franc Koplan Magneti Ljubljana, d.d., Ljubljana, Slovenija Ključne besede: magneti, trajni magnetni materiali, AINiCo-magneti, senzorji, sistem ABS (Anti - Lock Braicing System ), ABS-senzorji, Hail-senzorji, magnetouporovni senzorji, zobnil<, merjenje tiitrosti vrtenja, magnetni pretohc, oprema za l^ontroliranje in preskušanje Izvleček: Predstavljamo fizikalne osnove in princip delovanja ABS-sistema, zahteve za vgrajene AINiCo-magnete, ki so ključni element senzorja, ilustriramo izdelavo samega ABS-senzorja, najpomembnejše značilne elektromagnetne lastnosti senzorja kot osnovo za nadaljnji razvoj elektronskega krmilnega modula ali alternativnih rešitev ter sprememb samega senzorja. Predstavljena je tudi možnost podjetja, da ponudi proizvode z večjo stopnjo integracije za nove potrebe trga ter izsledke razvojno raziskovalnega dela na področju razvoja opreme za kontroliranje in preskušanje magnetov za potrebe drugih področij raziskovalnega dela, proizvodnje elektronskih komponent ter izdelovanja magnetnih sistemov. ABS Sensor Applications Based on AINiCo Magnets Keywords; magnets, permanent magnetic materials, AINiCo magnets, sensors, Anti - Lock Braking System , ABS sensors, Hail sensors, magnetore-sistive sensors, gearwheel, rotational speed measurement, magnetic flux, measuring and control equipment Abstract: Organization Magneti Ljubljana presented the AOS - sensor application of its main production programme of AINiCo magnets and its potential for the production of the sensors. The article is intended both to domestic organizations for further joint technological development and to successfuli producers, which already produce sensors, and are looking for a reliable and capable partner to supply them with parts with higher degree of integration. The company has over 50 years of tradition, is sucessful in the world market and has the quality management system certified according to most important standards, including the automotive specification ISO / TS 16949. According to its policy the company develops new production programmes, including new materials, magnetic systems and equipment for production and control of magnetic products and similar electronic components for the new demands and expectations of the market. The key sensors in the automotive applications and a scheme of the brake system of a vehicle are presented. The history, the benefits and the behaviour of the Anti-Lock Braking System are briefly described. The system usually contains 4 sensors and a common electronic unit, that handles the data from the sensors and controls the braking process, which is also appropriately described. It is emphasized, that organization Magneti Ljubljana produces magnets, which are the key element of the ABS sensors. The company has the basic knowledge for the manufacturing processes of ABS sensors, it has already in 1999 taken part in the tender for the production of sensors for its largest customer. The physical principles of the operation of the sensor, its construction and the behaviour of the induced voltage is described together with the typical requirements for used AINiCo magnets. The most important typical electromagnetic properties of the sensor are illustrated and this illustration enables further development of the electronic control unit as well as the development of the alternative solutions or modifications of the sensor itself. Some more contemporary and cheaper solutions for rotational speed measurements, offering important potential for further development and applications, were also mentioned and briefly described. Since the magnetic, dimensional and visual properties of the magnets in the sensor are critical, the quality assurance in the company obtains the 0-ppm level by 100% sorting processes. These processes are supported by specially developped electronic measuring systems enabling high productivity. The organization has developed its own high speed magnetizing and demagnetizing equipment, fluxmeters and equipment for visual control including optical measurement of dimensions and geometry. This equipment could be of interest also to organizations, which develop magnetic materials, assemble magnets and produce magnetic systems or other similar electronic components. 1 Uvod V prispevku želi podjetje Magneti Ljubljana, d.d. /1 / predstaviti uporabo in delovanje AINiCo-magnetov, vgrajenih v ABS-senzorje, ter svoje možnosti za proizvodnjo tovrstnih senzorjev. Članek je namenjen tako domačim podjetjem za morebiten skupen nadaljnji razvoj in nastop na svetovnem trgu kot tudi podjetjem, ki že proizvajajo senzorje in iščejo zanesljivega in sposobnega partnerja za dobavljanje sestavnih delov z višjo stopnjo integracije. Podjetje ima 50-letno tradicijo, v zadnjem desetletju ima nenehno in relativno visoko stopnjo rasti fizičnega obsega proizvodnje in se ponaša z zavidljivimi poslovnimi uspehi ter certifikati najzahtevnejših sistemov vodenja kakovosti avtomobilske industrije, z ISO / TS 16949 vred. Kupci so renomirani svetovni proizvajalci, predvsem s področja senzorskih aplikacij v avtomobilski industriji, pa tudi električnih merilnih instrumentov, elektromotorjev, tahogeneratorjev itd. Skladno s svojo poslovno politiko podjetje razvija nove programe, kamor spada poleg razvoja materialov in samih magnetov tudi razvoj magnetnih sistemov in procesne proizvodne opreme ter opreme za magnetenje, preskušanje, delno ali popolno razmagnetenje in kalibriranje magnetnih sistemov /5/. Raznovrstni trajni magneti so v avtomobilski industriji našli številna področja uporabe /4/, razvoj pa se še nadaljuje, še posebej v smeri nenehnega izboljševanja varnosti, za- nesljivosti, ekonomičnosti in prijaznosti do uporabnika ter okolja. Ključni senzorji /2/ v avtomobilu so povezani s pozicijo (obese, pedal / plin, krmilje), hitrostjo gibanja vozila (ABS), temperaturo (notranja, regulacija klime, armatura, motor, prenos), hitrostjo gibajočih se delov (gredi, prenosi, avtomatska sklopka), z vibracijami in udarci (motor, varovanje pred požarom). Na sliki 1 so shematsko prikazani sklopi senzorjev v avtomobilu. Slika 1: Senzorski sklopi v avtomobilu /2/ Slika 2: Shema zavornega sistema avtomobila /3/ Na sliki 2 je shematsko prikazan zavorni sistem avtomobila /3/, ki ga sestavljajo: senzor hitrosti vrtenja koles (ABS-senzor), elektronska krmilna enota, hidravlična enota, senzor odklona od smeri, senzor krmilnega kota (volana), ak-tuatorji in zavorni diski / bobni. ABS je kratica za Anti - Lock Braking System, to je sistem, ki preprečuje blokiranje vrtenja koles med zaviranjem, s čimer zagotavlja večji zavorni učinek ter lažje vodenje vozila, povečano stabilnost vozila in ohranjanje varnostne razdalje. Navadno sistem sestavljajo skupno 4 senzorji na posameznih kolesih ter skupna elektronska enota, ki signale iz senzorjev obdela in vodi proces zaviranja. Elektronska enota pravilno deluje nad minimalno mejno hitrostjo, pri čemer z moduliranjem pritiska v zavorah, torej z zaviranjem in sproščanjem zavor, regulira zmanjševanje hitrosti vozila na ta način, da se hitrost kolesa obvladovano zmanjšuje, kolo pa se pri tem ne sme popolnoma zaustaviti, dokler je hitrost večja od mejne. V večini primerov se na ta način zagotovi najkrajša možna zavorna pot. Sistem ABS je bil razvit že leta 1930 za letala ter patentiran tudi za avtomobile. Zaradi izboljšanega vidika varnosti je pričel doživljati širšo uporabo v obdobju od 1975 do 1979, ko je bil v Združenih državah Amerike uveden v tovorna vozila. Leta 1980 so ga pričeli avtomobilski proizvajalci vgrajevati v osebna vozila, najprej v višji cenovni razred, z nadaljnjim razvojem in nižanjem stroškov pa je hitro našel svoje mesto tudi v avtomobilih nižjega cenovnega razreda. ABS-sistem s 4 senzorji deluje na naslednji način: Ko elektronski modul na osnovi signala iz senzorja prepozna, da bo kolo blokiralo, s tuljavo zapre ventil, ki je navadno odprt, ter s tem prepreči nadaljnje dovajanje hidravlične tekočine in nadaljnje zaviranje kolesa. Elektronski modul nadaljuje opazovanje signala iz senzorja iz tega kolesa. Če se kolo ustavlja hitreje kot druga tri kolesa, odpre tuljavo ventila. Ujeta tlačna razlika se izravna v rezervoarju glavnega cilindra. Ko kolo znova dobi hitrost, modul vrne tuljavo v normalno stanje, ki omogoča dotok tekočine. Podjetje Magneti Ljubljana, d.d. izdeluje AlNiCo-magnete, ki so bistveni del ABS-senzorja, zato bo v nadaljevanju predstavljen samo tovrstni senzor, razpolaga pa tudi s ključnim znanjem za proizvajanje samih senzorjev. Tako je podjetje v letu 1999 že konkuriralo za kooperacijsko proizvodnjo nekaterih tipov senzorjev za svojega največjega kupca magnetov. 2 Senzor ABS z AINiCo-magnetom 2.1 Fizikalni princip delovanja Dajalni sistem sestavljata zobnik iz mehkomagnetnega materiala, ki se vrti skupaj s kolesom, in sam senzor, kjer se zaradi vrtenja zobnika spreminja magnetni pretok, kar ima za posledico inducirano napetost. V nadaljevanju bodo predstavljeni časovni poteki inducirane napetosti na senzorju, posneti pri laboratorijski postavitvi merilnega sistema, prikazani na sliki 3. SENZOR ZOBNIK Slika 3: Lega senzorja glede na zobnik /6/ I / I ''""N Ii r-- " 1 I ) ^^ ■ I MtWENJE HITROSTI \'RTn-:jA ZöliNIIU Z ITÜS.UiO SENZOSLlA SA MA0NE1>;| C«N0\1 S/ika 4: Spreminjanje magnetnega pretoka zaradi vrtenja zobnika ter potek inducirane napetosti /6/ 2.2 Izdelava senzorja Senzor sestavljajo: magnet polov nastavek spojni del za pritrditev polovega nastavka na magnet tuljavnik s kontakti tuljava priključni kabel z nosilcem, tesnili in mehansko zaščito. Ključni del senzorja je AINiCo-magnet valjaste oblike, ki je generator magnetnega polja. Po potrebi je ta magnet lahko tudi profilno brušen. Na sliki 5 je prikazan značilni magnet pred vgradnjo v senzor, na slikah 6 - 8 pa izdelan, nezalit senzor brez kabelskih povezav za priključitev na elektronsko enoto. Slika 5: Liti AINiCo-magnet za ABS-senzor Slika 6: Zabrizgan magnet s polovim nastavkom in kontakti za priključitev na kabel Slika 7: Polov nastavek za koncentracijo silnic Slika 8: Izdelan, nezalit senzor s tuljavo Značilni podatki za magnete so podani v tabeli 1. Navadno je uporabljen liti material, ki daje pri enakem volumnu nekoliko boljše magnetne lastnosti, in razmerje med premerom in dolžino 1:3, kar postavi delovno točko magneta nekoliko nad področje maksimalnega energijskega produkta. Tabela 1: Najpomembnejše karakteristike AINiCo-magneta Karakteristika Značilna vrednost Premer valja od 4 do 10 mm Dolžina valja od 15 do 40 mm Remanenca Br - minimalno od 1100 do 1250 mT Koercitivnost bHc od 45 do 60 kA/m Maksimalni energijski produkt BHma» od 32 do40kjW Ker so magnetne lastnosti za pravilno delovanje senzorja kritične, v podjetju zagotavljamo zanje nivo O ppm s 100-odstotnim kontroliranjem in preskušanjem. Z ozirom na funkcijo ter način vgradnje so za magnet postavljene relativno visoke zahteve glede toleranc dimenzij in druge geometrije, videza, t.j. okrušitev in livarskih napak, pa tudi nivoja razmagnetenja. Za izpolnjevanje teh zahtev je bilo tre- ba razviti visol