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巨磁阻多圈位置感测器的磁体设计
[作者 ADI]   2023年12月27日 星期三 浏览人次: [2093]

基於巨磁阻(GMR)感测技术的真正上电多圈感测器必将彻底改变工业和汽车用例中的位置感测市场,原因是相较於现有解决方案,其系统复杂性和维护要求更低。本文说明设计磁性系统时必须考虑的一些关键因素,以确保在要求严苛的应用中也能可靠运行;并且介绍一种磁性叁考设计,方便早期采用该技术。


多圈感测器本质上是将磁写入和电子读取记忆体与传统的磁性角度感测器相互结合,以提供高精度的绝对位置。在<具有真正上电能力与零功耗的多圈位置感测器(TPO)>文中描述的磁写入过程,需要使用特定的操作视窗来维持入射磁场。如果磁场过高或过低,可能会导致磁写入错误的出现。在设计系统磁体时必须小心仔细,并考虑可能干扰感测器的任何杂散磁场以及产品使用寿命内的机械公差。较小的杂散磁场可能会导致测量角度出现误差,而较大的杂散磁场可能会导致磁写入错误,进而引起总圈数错误。


磁性叁考设计目标

设计出理想的磁体和遮罩需要仔细了解系统要求。一般来说,系统要求越宽松,达到目标规格所需的磁体解决方案尺寸越大、成本越高。ADI正在开发一系列满足各种机械、杂散场和温度要求的磁性叁考设计,可供 ADMT4000 真正上电多圈感测器的客户使用。ADI开发的第一个设计涵盖了公差相对宽松的系统:感测器到磁铁的距离为2.45 mm+/-1 mm,感测器到旋转轴的总位移为+/-0.6 mm,工作温度范围为-40?C至+150?C,杂散磁场遮罩衰减大於90%。


磁性元件设计关键

设计磁体时,需要考虑一些关键注意事项,下一章节内容概述为GMR感测器进行设计时需要考虑的主要方面。


磁体材料

GMR感测器在定义的磁视窗1(6 mT至31 mT)内运行;此外,最大和最小工作范围具有热系数(TC),如图ㄧ中的红色迹线所示。选择TC与GMR感测器匹配的磁体材料大幅提高工作磁场的允许变化范围。这有助於增大磁体强度的变化和/或磁体相对於感测器的距离公差变化。铁氧体等低成本磁性材料的TC远远高於GMR感测器,相较於??钴(SmCo)或??铁硼(NeFeB)等材料,其工作温度范围有限。



图一 : 工作视窗与典型SmCo磁体的热系数比较
图一 : 工作视窗与典型SmCo磁体的热系数比较

了解所选磁性材料的TC以及由於制造差异而导致的磁场强度变化後,即可确定室温(25。C)下所需的磁场强度。然後可以在室温下进行设计模拟,同时系统将在整个温度范围内按预期运行的可信度高。如图一所示,绿色实线代表磁体根据设计应在GMR感测器的活动区域范围内产生的磁场强度视窗。由於磁性材料制造制程的差异,该视窗小於GMR感测器的最大和最小操作视窗。绿色虚线表示由於>5%的典型制造差异而产生的最大和最小预期磁场。


磁体模拟

机械操作环境中磁体的模拟可以采取不同的形式。通常用於设计磁体的模拟有两种类型:解析模拟或有限元分析(FEA)。解析模拟使用被模拟磁体的整体叁数(尺寸、材料)求解出磁场,除了假设磁体在空气中运行之外,不考虑周围环境。这是一种快速的计算,在没有相邻铁磁材料时非常有用。FEA可以对较大磁性系统中含铁材料的影响进行建模,在将磁体与杂散磁场遮罩或靠近磁体或感测器的铁磁材料组合时,此操作非常重要。


FEA是一个耗时的过程,因此,它通常将解析分析中的基本磁体设计作为起点,FEA用於对磁体和杂散场遮罩的叁考设计进行模拟。


磁体设计特性

模拟产生的叁考设计磁体由一个具备整合钢杂散场遮罩的SmCo磁体组成,该磁体采用注塑成型设计,因此能够量产。SmCo磁体的注塑成型因能够生产复杂的形状而很常见,并且广泛用於汽车和工业应用。该元件根据设计可与直径为9mm的轴形成过盈配合;然而,透过对衬套进行修改可连接不同尺寸的轴。


磁体表徵

我们对磁体元件进行详细的表徵,以展示GMR感测器的强大磁性解决方案。表徵的关键是能够绘制在扩展的磁铁到感测器距离视窗范围内磁场强度在受控环境中的详细图。表徵成功的关键在於充分了解和校准所用的磁场探头。图二显示在两个不同气隙下测量的磁场强度的示例,在整个工作温度范围和气隙范围内重复这些测量非常耗时,但此操作对於了解磁体性能以确保其在所需条件下正常运作至关重要。



图二 : 气隙为1.42 mm和2.45 mm的磁场分布
图二 : 气隙为1.42 mm和2.45 mm的磁场分布

结语

总而言之,叁考设计磁体已被证明能够满足在-40。C至+150。C温度下工作的要求,气隙为2.45 mm+/-1 mm,与感测器轴向距离公差为+/-0.6 mm。


ADMT4000为首款整合式真正上电多圈位置感测器,必将明显降低系统设计复杂性和工作量,最终实现体积更小、重量更轻和成本更低的解决方案。无论设计人员是否具备磁性设计能力,均能借助该叁考设计为目前应用增加或改善现有功能,并为许多新应用打开大门。


(本文作者为ADI产品应用工程师Stephen Bradshaw、产品应用经理Christian Nau及策略行销经理Enda Nicholl)


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