Modélisation d'un couplemètre magnétoélastique pour évaluer l'impact de ses paramètres de conception

Un modèle numérique est développé pour évaluer l'impact des paramètres de conception sur le gain et l'uniformité du signal d'un couplemètre magnétoélastique passif. Ce type de couplemètre est particulièrement intéressant pour des applications automobiles comme la direction assistée grâce à sa grande sensibilité, son intégration facile dans l'architecture de l'automobile et la possibilité de mesures sans contact. Il consiste en un cylindre avec une ou plusieurs bandes magnétiques ayant une aimantation circonférentielle. Ces bandes magnétiques réagissent aux couples appliquées en modifiant l'orientation de leur aimantation, qui devient alors mesurable avec des magnétomètres près de la surface du cylindre. Le fonctionnement du couplemètre magnétoélastique met en évidence quelques paramètres importants comme la taille des bandes magnétiques, la distance des magnétomètres de la surface du cylindre ainsi que leur orientation. L'étude de ces paramètres peut être difficile dans un contexte expérimental, car plusieurs contributions au signal total sont difficilement contrôlables. Il y a par exemple les contraintes résiduelles dans le cylindre, la variation des propriétés du matériau, la non-uniformité de l'aimantation, et l'interaction des bandes magnétiques avec le reste du dispositif. Pour éliminer ces contributions et extraire l'impact des paramètres de conception, un modèle numérique du dispositif est approprié car il permet de l'étudier dans des conditions idéales. En effet, des différences significatives dans le gain du dispositif ont été observées en modifiant les paramètres de conception listés plus tôt. Par exemple, une configuration radiale des magnétomètres profite d'un gain supérieur qu'une configuration axiale malgré sa sensibilité accrue aux déplacements des capteurs. Puis, l'impact des fluctuations dans la configuration magnétique du couplemètre sur ses performances est évalué. De telles fluctuations peuvent être présentes dans un matériau réel à cause des contraintes résiduelles, des défauts, et de la nature polycristalline du matériau. Le cas spécifique d'une maille cristallographique cubique est étudié, montrant que cette dernière limite le gain à 0.73 fois sa valeur maximale. En effet, les fluctuations dans la configuration magnétique du couplemètre diminuent le gain du dispositif. En plus de cela, elles ajoutent un signal résiduel qui peut causer des problèmes lors du fonctionnement du couplemètre. Finalement, le modèle est utilisé pour calculer le champ magnétique résiduel d'un couplemètre magnétoélastique défini par des configurations magnétiques non idéales. Ces dernières consistent en des variations spatiales des propriétés du matériau qui peuvent apparaître à cause de l'usinage de la pièce, des traitements thermiques de la pièce ou encore de la procédure de magnétisation qui a été utilisée pour définir les bandes magnétiques.

Abstract

A numerical model is developed to evaluate the impact of various design parameters on the gain and the signal uniformity of a passive magnetoelastic torquemeter. This type of torquemeter is particularly interesting for automotive applications such as power steering due to its high sensitivity, its versatility and the possibility of contactless measurements. The device consists of a ferromagnetic cylinder with one or many artificially defined magnetic bands of circumferential magnetization. Those magnetized bands react to the applied torque by modifying the orientation of their magnetization due to the magnetoelastic coupling. The resulting magnetization then becomes measurable with magnetometers close to the cylinder surface. The model is useful to study and optimize a magnetoelastic torquemeter because it allows us to measure the impact of different parameters under ideal conditions. This study uses the model first to study the width of the magnetized bands, the distance of the magnetometers from the surface and their orientation. The effects of those parameters are significant on the torquemeter gain. For example, regarding the orientation of the magnetometers, a radial configuration offers a larger gain but tends to be more sensitive to position errors. Another test consisted in adding fluctuations to the initial magnetization of the torquemeter to measure its effect on the gain. Such fluctuations simulate the real tendencies of a material to have non-ideal magnetization due to residual stresses, defects and its polycristalline nature. The specific case of a polycrystal with cubic lattices shows that crystallinity can decrease the gain to 0.73 times its theoretical maximum. The decreasing gain is expected because fluctuations tend to decrease the azimuthal magnetization that reacts to the applied torque. Furthermore, increasing the fluctuations potentially increases the offset of the signal that leads to further practical problems. The last test was to compute the residual magnetic field of various torquemeters in order to identify possible origins of problematic signal offsets. Those torquemeters had non-uniform spatial distributions of the material properties that can appear from the sample machining, its heat treatment and the magnetization procedure used to define the magnetic bands. Knowing that the residual magnetic field can be detrimental to the torquemeter performance, it is useful to know its origin in order to correct it. However, it is difficult to probe the interior of the cylinder without destroying it. The numerical model is then used as an alternative. The test consisted in reproducing the trends of the measured residual field with the results from a model torquemeter with non-uniform magnetized bands.