巨磁阻多圈位置傳感器的磁體設(shè)計
2024-02-09
作者:Stephen Bradshaw,,產(chǎn)品應(yīng)用工程師,;Christian Nau,,產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理,;Enda Nicholl,,戰(zhàn)略營銷經(jīng)理
來源:ADI公司
摘要
基于巨磁阻(GMR)傳感技術(shù)的真正上電多圈傳感器必將徹底改變工業(yè)和汽車用例中的位置傳感市場,,因為與現(xiàn)有解決方案相比,,其系統(tǒng)復(fù)雜性和維護要求更低,。本文說明了設(shè)計磁性系統(tǒng)時必須考慮的一些關(guān)鍵因素,以確保在要求嚴(yán)苛的應(yīng)用中也能可靠運行,。其中還介紹了一種磁性參考設(shè)計,,方便早期采用該技術(shù)。在上一篇文章中,,我們介紹了多圈傳感技術(shù)以及一些關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域,,例如機器人、編碼器和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng),。
引言
多圈傳感器本質(zhì)上是將磁寫入和電子讀取存儲器與傳統(tǒng)的磁性角度傳感器相結(jié)合,,以提供高精度的絕對位置?!熬哂姓嬲想娔芰εc零功耗的多圈位置傳感器(TPO)”中描述的磁寫入過程需要使用特定的操作窗口來維持入射磁場,。如果磁場過高或過低,可能會出現(xiàn)磁寫入錯誤,。在設(shè)計系統(tǒng)磁體時必須小心仔細(xì),,并考慮可能干擾傳感器的任何雜散磁場以及產(chǎn)品使用壽命內(nèi)的機械公差。較小的雜散磁場可能會導(dǎo)致測量角度出現(xiàn)誤差,,而較大的雜散磁場可能會導(dǎo)致磁寫入錯誤,,從而引起總?cè)?shù)錯誤。
磁性參考設(shè)計目標(biāo)
設(shè)計出理想的磁體和屏蔽需要仔細(xì)了解系統(tǒng)要求,。一般來說,,系統(tǒng)要求越寬松,達到目標(biāo)規(guī)格所需的磁體解決方案尺寸越大,、成本越高,。ADI正在開發(fā)一系列滿足各種機械、雜散場和溫度要求的磁性參考設(shè)計,,可供ADMT4000真正上電多圈傳感器的客戶使用。ADI開發(fā)的第一個設(shè)計涵蓋了公差相對寬松的系統(tǒng):傳感器到磁鐵的距離為2.45 mm ± 1 mm,,傳感器到旋轉(zhuǎn)軸的總位移為±0.6 mm,,工作溫度范圍為–40?C至+150?C,雜散磁場屏蔽衰減大于90%,。
磁性元件注意事項
設(shè)計磁體時,,需要考慮一些關(guān)鍵注意事項,下一節(jié)內(nèi)容概述了在為GMR傳感器進行設(shè)計時需要考慮的主要方面,。
磁體材料
GMR傳感器在定義的磁窗口(16 mT至31 mT)1內(nèi)運行,;此外,最大和最小工作范圍具有熱系數(shù)(TC),,如圖1中的紅色跡線所示,。選擇TC與GMR傳感器匹配的磁體材料最大限度地提高工作磁場的允許變化范圍。這有助于增大磁體強度的變化和/或磁體相對于傳感器的距離公差變化。鐵氧體等低成本磁性材料的TC遠遠高于GMR傳感器,,與釤鈷(SmCo)或釹鐵硼(NeFeB)等材料相比,,其工作溫度范圍有限。
了解所選磁性材料的TC以及由于制造差異而導(dǎo)致的磁場強度變化后,,即可確定室溫(25°C)下所需的磁場強度,。然后可以在室溫下進行設(shè)計仿真,同時系統(tǒng)將在整個溫度范圍內(nèi)按預(yù)期運行的可信度高,。在圖1中,,綠色實線代表磁體根據(jù)設(shè)計應(yīng)在GMR傳感器的活動區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)生的磁場強度窗口。由于磁性材料制造工藝的差異,,該窗口小于GMR傳感器的最大和最小操作窗口,。綠色虛線表示由于>5%的典型制造差異而產(chǎn)生的最大和最小預(yù)期磁場。
1 ADMT4000發(fā)布之前,,操作窗口可能會發(fā)生變化,。
磁體仿真
機械操作環(huán)境中磁體的仿真可以采取不同的形式。通常用于設(shè)計磁體的仿真有兩種類型:解析仿真或有限元分析(FEA),。解析仿真使用被仿真磁體的整體參數(shù)(尺寸,、材料)求解出磁場,除了假設(shè)磁體在空氣中運行之外,,不考慮周圍環(huán)境,。這是一種快速的計算,在沒有相鄰鐵磁材料時非常有用,。FEA可以對較大磁性系統(tǒng)中含鐵材料的影響進行建模,,在將磁體與雜散磁場屏蔽或靠近磁體或傳感器的鐵磁材料組合時,此操作至關(guān)重要,。FEA是一個耗時的過程,,因此其通常將解析分析中的基本磁體設(shè)計作為起點。FEA用于對磁體和雜散場屏蔽的參考設(shè)計進行仿真,。
磁鐵設(shè)計特性
仿真產(chǎn)生的參考設(shè)計磁體由一個帶有集成鋼雜散場屏蔽的SmCo磁體組成,,如圖2所示。該磁體采用注塑成型設(shè)計,,因此能夠批量生產(chǎn),。SmCo磁體的注塑成型因能夠生產(chǎn)復(fù)雜的形狀而很常見,并且廣泛用于汽車和工業(yè)應(yīng)用,。該組件根據(jù)設(shè)計可與直徑為9毫米的軸形成過盈配合,;然而,可以對襯套進行修改,,以便連接到不同尺寸的軸,。
磁體表征
我們對磁體組件進行了仔細(xì)的表征,,以展示GMR傳感器的強大磁性解決方案。表征的關(guān)鍵是能夠繪制在擴展的磁鐵到傳感器距離窗口范圍內(nèi)磁場強度在受控環(huán)境中的詳細(xì)圖,。表征成功的關(guān)鍵在于充分了解和校準(zhǔn)所用的磁場探頭,。圖3顯示了在兩個不同氣隙下測量的磁場強度的示例,在整個工作溫度范圍和氣隙范圍內(nèi)重復(fù)這些測量非常耗時,,但此操作對于了解磁體性能以確保其在所需條件下正常運行至關(guān)重要,。
結(jié)語
總之,參考設(shè)計磁體已被證明能夠滿足在–40°C至+150°C溫度下工作的要求,,氣隙為2.45 mm ±1 mm,,與傳感器軸向距離公差為±0.6 mm。雜散場屏蔽的詳細(xì)信息將在后續(xù)文章中介紹,。
ADMT4000是首款集成式真正上電多圈位置傳感器,,必將顯著降低系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜性和工作量,最終實現(xiàn)體積更小,、重量更輕和成本更低的解決方案,。該參考設(shè)計將提供給ADI的客戶,無論設(shè)計人員是否具備磁性設(shè)計能力,,均能借此為當(dāng)前應(yīng)用添加或改進現(xiàn)有功能,,并為許多新應(yīng)用打開大門。
圖1.工作窗口與典型SmCo磁體的熱系數(shù)比較,。
圖2.參考設(shè)計磁體,。
圖3.氣隙為1.42 mm和2.45 mm的磁場分布。
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