动磁式机芯回差问题分析及解决方案

刘赞民

（成都天兴仪表股份有限公司技术中心，四川 成都 610106）

1 动磁式机芯仪表概述

随着我国汽车工业的飞速发展，大量的新技术被应用于汽车上。汽车组合仪表已由机械式、电气式向全电子式仪表转换，并最终使用全液晶屏显示的仪表。从目前的使用情况看，由于价格因素，仍有部分仪表采用电气式或电子式和动磁式混合的机芯结构。在这些结构的仪表中，除车速里程表可能采用电子式的步进电机式机芯，而转速表、油量表和水温表则采用动磁式机芯。采用动磁式机芯制作的油量表，按日本标准和我国汽车行业标准，仅要求控制E点、F点和1／2点，并且指示公差允许达到仪表刻度全弧长的±8%［1－2］。

按上述标准，假设仪表总张角是80°，则各点的指示误差应为±6.8°。另外，在这些标准中并未对仪表规定回差要求，这样在仪表生产时，就可以根据用户的验收要求，采用单向调试的方法检测仪表精度。目前油量表的技术要求中有这么一条：以E点为基准，然后按F→1／2→E的顺序调试。按这一要求，油量表就不用考虑回差，只需在设计时保证按技术要求验收合格就可以了。

而随着步进电机的广泛使用，用户针对动磁式机芯也提出了更高的要求。步进电机工作时，由单片机程序给电机每加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得仪表精度大大提高［3］。步进电机每接到一个脉冲信号，针轴转动0.045°， 因此它的理论精度可以达到0.045°。去除齿隙回程误差，机芯精度可以达到2°以内。另外步进电机也可以通过程序修正的方式以减小误差。

步进电机结构的仪表可以控制5～6个点的精度（空油位E、 满油位F、 3／4点、 中点1／2、 1／4点和报警点），并且每个点的指示误差为±2.5°。由于两种结构同时存在，用户要求动磁式机芯结构的油量表也可以控制E、 1／4、 1／2、 3／4和F点， 并要求1／4、1／2、 3／4三点的回差控制在±3°。 由于输入的油位传感器信号与由机芯线圈产生的磁场力不是一一对应的线性关系，既要保证各点的精度，又要求回差也符合要求，这个难度是相当大的。但如果动磁式机芯不能有效减小回差，就会失去市场，因此，如何减小回差是我们必须解决的课题。

在机器人、伺服系统等需要精密传动的机构中，回差是指输入轴反向转动时，输出轴在运动上滞后于输入轴的现象，也称 “回程间隙”［4］。而在仪表中，回差指相同的输入信号量，从量程始点至该值与由量程终点减至该值时表的读数之差，也称“返回差”。

为了更好地解释回差，在此通过图示进行说明。指针从空油位走向中点的示意图如图1所示，指针从满油位走向中点的示意图如图2所示。图1和图2中的 “E”、 “1／2点” 和 “F” 分别代表该处对应的刻度是：空油位 （量程始点）、1／2油位和满油位（量程终点），箭头方向表示仪表指针的运动方向。假设油量表在1／2油位时的输入信号阻值是θ Ω。图1表示指针在空油位 （E点）状态下，仪表输入θ Ω阻值时指示的位置，这时指针到中点还差α°角，即从量程始点计量，指针走了a1°角。图2表示指针在满油位 （F点）状态下，仪表输入θ Ω阻值时指示的位置，这时指针到中点还差β°角，即从量程始点计量，指针走了a2°角。这时仪表的回差就等于a2-a1的差值（也等于α+β）。

2 动磁式机芯结构

动磁式机芯结构如图3所示。

从图3中看出，整个机芯的构架是上、下骨架，在骨架的内部是针轴部件、钢珠和阻尼油，钢珠与针轴部件底部的针轴接触，起到支承针轴的作用（相当于机芯的下轴承）。针轴部件上端通过针轴与上骨架的口部接触 （相当于机芯的上轴承）。机芯的外部绕有交叉的线圈 （十字线圈）。线圈绕完后，在机芯上焊接2个电阻。图3中标有A、B、C和D四个点，与图4所示的动磁式机芯电气原理图中各点相对应。电阻R1、R2也与图4中的电阻相对应。图3中标有双箭头和E、F字母，表示机芯的针轴可以正反方向运动。

图5是将机芯装上刻度盘和指针后的油量表组件图，其中的B、C和D点与图3中的各点相对应。

3 动磁式仪表工作原理

以油量表为例，说明动磁式机芯的工作原理。油量表的动磁式机芯电气原理图如图4所示，S代表信号输入端，直接与机芯上B端连接，外接传感器阻值信号。

图4中RL1代表最内层两匝电阻，用N1和N2表示；RL2代表外层两匝电阻，用N3和N4表示。其中N1和N3绕线方向相反，N2和N4绕线方向相反 （图6），绕线按N1→N2→N3→N4的顺序进行。当机芯接通电源，并输入不同的阻值信号，在线圈中将产生不同方向的合磁场。图7表示仪表分别输入E、1／2和F三点的阻值信号时对应的磁场力方向，通过线圈的磁场驱动针轴部件中的磁石转动，并带动指针转动，以实现仪表的指示功能。

4 仪表指示精度检测方法

先将标度盘和指针装在动磁式机芯上，然后按图4所示电路接入13.5V直流电源，再接入相应传感器阻值信号。仪表输入不同的阻值信号，指针就指示在不同位置，记录下各给定信号与指针对应点的位置偏差，就得到某一点的指示精度。如果要检测某一点的回差，还应记录指针从另一方向到达该点时的示值偏差。

5 影响动磁式仪表精度的因素

用户总是希望仪表精度越高越好，但实际上任何仪表都存在一定的误差，尤其是动磁式仪表，其误差比步进电机式仪表要大。影响动磁式仪表精度的因素包括：阻尼油的加入量和浓度，上骨架口部轴孔的精度，下骨架处支承的结构，针轴的表面粗糙度，磁石的剩磁强度，磁石圆周面充磁对称性，针轴部件的的端跳、径跳，铜线的电阻率，外接电阻的精度，指针部件的平衡性和屏蔽罩的材料等。现对以上影响因素进行逐一分析，说明各要素对其产生的影响。

5.1 阻尼油的加入量和浓度

阻尼油的浓度越浓，加入量越多，仪表移动克服的阻力越大，因此仪表产生的回差越大。而阻尼油的浓度越稀，在运输过程中产生的阻尼油泄漏现象越严重。根据对退货及三包件的分析，我们已不采用降低阻尼油浓度提高仪表精度的方法。

5.2 上骨架口部轴孔精度

上骨架口部起着机芯定位的作用，相当于轴承的一个支点。因此表面必须光洁，不允许有任何毛刺。

5.3 下骨架处支承的结构

最初下支承处指针和针轴部件的力直接由下骨架的孔底承担，由于指针和针轴部件自身质量较大，且在工作时还受到冲力，将导致下骨架的尼龙材料发生变形，影响仪表精度，故现在的仪表全部采用钢球做为支承。钢与钢有润滑时的摩擦系数是0.05～0.10， 而钢与尼龙在有润滑时的摩擦系数是0.023［5］， 因此高精度仪表必须使用钢球结构的支承。钢球在此起到轴承的支承作用，同时，由于针轴部件的质量全部集中在此处，因此钢球精度等级一定要高。

5.4 针轴的表面品质

针轴表面粗糙度越小，与其配合产生的摩擦力越少，因此对仪表的回差影响越小。作为动磁式机芯用的针轴，要求其表面粗糙度达到或接近镜面，因此材料的选择非常重要。一般选择高碳银亮钢丝Y75，这便于保证零件的外形尺寸和精度，易于加工，同时在热处理后有较好的冲击韧度。

5.5 磁石的剩磁强度

磁石的剩磁强度越大，理论上克服阻力的能力越强，但剩磁强度大也将带来成本的大幅上升，因为磁石材料以稀土为主。经实际分析，剩磁强度在80～120mT较好。

5.6 磁石圆周面充磁对称性

磁石采用二极充磁，如果充磁不对称，磁场在机芯中产生不对称作用力，必将影响仪表的精度。

5.7 针轴部件的端跳、径跳

针轴部件的端跳、径跳将导致机芯的动磁体重心不居中，也将影响仪表的精度。

5.8 铜线的电阻率

铜线的电阻率不能控制在一个良好的范围内，由于机芯的线圈匝数一般在2 000匝左右，而φ0.1的铜导线每匝的平均电阻率为0.14Ω，如果每匝误差为±5%， 2 000匝时的误差为2 000×0.14×10%=28 Ω，这个误差相当于油量表中点与F点的输入电阻之差！由于铜线的加工工艺限制，目前提高铜线的品质存在困难。

5.9 外接电阻的精度

从图4可以看出，外接电阻有2个，R1为限流电阻，R2为限压电阻，它们的精度变化直接影响各层线圈的电流，进而影响机芯的磁场，最终影响仪表的指示精度。

5.10 指针部件的平衡性

由于汽车仪表装车后标度盘与水平面成一定角度，并且车辆行驶中针轴受到振动，因此指针部件的平衡性好坏直接影响到仪表的指示精度。

5.11 屏蔽罩的材料

屏蔽罩是通过软磁材料的磁屏蔽作用，用以阻挡外界磁场的干扰。软磁材料 （soft magnetic materia1）是具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。特点是不易磁化，也不易失磁，磁滞回线较宽。

其工作原理为：当磁感线从空气进入软磁材料时，磁感线对法线的偏离很大，因此强烈地收缩。磁屏蔽示意图如图8所示。图8中A为一磁导率很大的软磁材料（如纯铁、低碳钢或坡莫合金）做成的罩，放在外磁场中。由于罩壳磁导率μ比空气磁导率μ0大得多，所以绝大部分磁场线从罩壳的壁内通过，而罩壳内的空腔中，磁感线是很少的。这就达到了磁屏蔽的目的。

屏蔽罩常用的材料有低碳钢、纯铁和坡莫合金。低碳钢成本低，加工性能好，能满足一般要求的动磁式机芯的要求。纯铁具有高的磁导率和低的矫顽力，无磁时效，屏蔽性能好，屏蔽系数比低碳钢好2倍。坡莫合金的磁导率是硅钢的10～20倍，而磁滞损失极小［6］，是制作屏蔽罩的理想材料，但其价格是低碳钢或纯铁的4～5倍。

6 改善动磁式机芯精度的措施

动磁式机芯成本低，在目前的汽车仪表中仍占有相当大的市场。为满足用户的要求，必须作出对策。根据上文提出的各影响因素，我们排除了影响较小或暂时无法实现的因素 （阻尼油的浓度、下骨架处支承的结构、磁石的剩磁强度、针轴的表面粗糙度、铜线的电阻率），对影响较大的因素进行有针对性的分析。以下是我们采取的措施。

1）上骨架注塑成型后进行整形处理，以提高孔部的圆度和粗糙度。

2）控制针轴部件中磁石表面的端跳、径跳，让其波动在一个合理的范围，可极大地改善机芯的平衡性。原有针轴部件端跳、径跳是0.15，现提高到0.1。

3）减小指针的不平衡量。指针的不平衡量≤0.2 g·mm时，仪表在工作时指针精度不受指针的影响，因此，必须将指针的不平衡量控制在0.2 g·mm以内。经试验，这一方案对仪表精度有较大影响，但对回差影响不明显。

4）选择屏蔽罩的材料。我们分别用3种不同的软磁材料：纯铁DT4E、低碳钢ST12和坡莫合金1J79进行试验。

先使用的是纯铁带DT4E（t0.3），在其他条件不变的情况下，纯铁带材料制作的屏蔽罩对指针精度的影响如表1所示。从表1看出，1／4点和1／2点部分回差达到10°，不能满足要求。

表1 纯铁屏蔽罩对精度的影响 （°）

接着，我们又换成低碳钢材料ST12（t0.5），在其他条件不变的情况下，ST12铁带材料制作的屏蔽罩对指针精度的影响如表2所示。从表2看出，1／4点和1／2点部分回差达到6°，不能满足要求。

表2 低碳钢屏蔽罩对精度的影响 （°）

最后，我们将材料改为1J79（t0.5），在其他条件不变的情况下，1J79制作的屏蔽罩对指针精度的影响如表3所示。从表3看出，1／4点和1／2点回差都控制在3°以内，满足了使用要求。

表3 1J79屏蔽罩对精度的影响 （°）

7 总结

通过试验得出，影响油量表精度的主要因素是上骨架口部品质、指针部件的平衡性、针轴部件的端跳和径跳及屏蔽罩材料的选择。尤其是屏蔽罩材料的选择，选用坡莫合金1J79对仪表的回差起到最重要的作用。根据表3的数据，机芯精度已能满足用户的要求。从2008年到2010年的两年中，采用1J79作为屏蔽罩的仪表再未接到用户投诉。而从表1、表2看出，纯铁屏蔽罩机芯的精度反而低于低碳钢屏蔽罩机芯的精度，这是因为纯铁屏蔽罩的厚度是0.3 mm，而ST12屏蔽罩的厚度是0.5 mm，由于材料变形导致精度受到较大影响所致。由于1J79的价格数倍于纯铁的价格，故在要求不高的仪表中，尽量通过控制其他因素来保证仪表精度，而对于要求高的仪表，就必须使用1J79。

［1］JIS D 5606， 汽车用油量表［S］.

［2］QC／T 727， 汽车、 摩托车用仪表［S］.

［3］骆涵秀，李世伦，朱 捷，等.机电控制［M］.杭州：浙江大学出版社，1994.

［4］周建慧，杨晓亮，任士杰.渐开线圆柱齿轮传动的回差［J］. 金属加工 （冷加工）， 2008， （19）： 58-59.

［5］初允绵.仪表结构设计基础［M］.北京：机械工业出版社，1979.

［6］韩克筠.机械制造基础学习指导［M］.北京：中国广播电视大学出版社，1991.