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铁磁体目标相对磁导率对背磁传感器输出的影响

关键词:铁磁体 磁传感器

时间:2020-10-28 14:58:44      来源:Allegro MicroSystems

传感器性能很大程度上取决于目标机械几何参数。在速度测量等应用情况下,齿轮的几何形状至关重要,但这些机械特性不是本文讨论的主题。在这里,我们假设目标是针对客户应用而设计,本文的侧重点是目标铁磁材料属性,特别是磁导率。我们将讨论如何确定目标材料的最小相对磁导率,以保证应用具备最优的传感器性能。这些讨论适用于任何与铁磁目标相关的背偏置传感器的应用,包括速度传感器(凸轮、曲轴、变速器等)、位置传感器(如线

作者:Allegro MicroSystems(欧洲)有限公司 Yannick Vuillermet

前言

传感器性能很大程度上取决于目标机械几何参数。在速度测量等应用情况下,齿轮的几何形状至关重要,但这些机械特性不是本文讨论的主题。在这里,我们假设目标是针对客户应用而设计,本文的侧重点是目标铁磁材料属性,特别是磁导率。我们将讨论如何确定目标材料的最小相对磁导率,以保证应用具备最优的传感器性能。这些讨论适用于任何与铁磁目标相关的背偏置传感器的应用,包括速度传感器(凸轮、曲轴、变速器等)、位置传感器(如线性、角度)等。

铁磁材料性能

将材料置于外部磁场(如永磁体、线圈中的电流、地磁场等),如果其易于磁化,则此材料具有铁磁性。在铁磁材料中,材料磁化与产生的内部磁场一致。与永磁体不同,如果不施加外部磁场,则铁磁体材料的剩余磁性非常小。图 1 所示为描述上述特性的简化方法。

图 1:铁磁材料的简化磁特性。

 

磁导率与形状因子

铁磁材料的磁化由两个主要参数推动:磁导率和物体的形状(形状因子)。以下通过简单示例显示这两个参数如何影响磁化。如果是椭球体,无论对物体施加什么样的均匀外部磁场,材料内部的磁化都会均匀。注意,该椭球体可被视为大致近似速度目标齿。图2 显示沿 x 置于均匀磁场 Ho 的椭圆体和均匀的磁化强度 J。

图2:均匀外部磁场的椭圆体。


在这种情况下,假设没有材料磁饱和,磁化强度由下式给出:

 

在该等式中,Nx 是沿着 x 的椭球的形状因子。该参数取决于椭圆形状,并始终小于 1。沿 x 方向伸长的对象具有小 Nx(例如 Nx = 0.1)。具体情况是具有 Nx = 1/3 的球体。图3显示了一些形状因子的物体极化与相对磁导率的关系。很明显,沿外磁场方向伸长的物体更容易磁化。更有趣的是,可以注意到,在超出给定磁导率的水平上,物体极化仅取决于物体的形状。与形状因子 Nx 相比,1 / (μr – 1) 忽略不计时,肯定会出现这种情况。

图 4 是相同的曲线图,但采用归一化极化,以更好地显是磁导率水平。无论物体形状如何,一旦相对磁导率大于 300,至少能达到最大磁化强度的 95%。此数字将在下面的真实应用中确认。

图3:在 1000A / m 磁场中椭圆极化与相对磁导率的关系。

 

图4:椭圆归一化磁化强度与相对磁导率的关系。

 

典型应用示例

现在我们以ATS699LSN 速度传感器为例来加以说明。考虑典型的速度应用,并使用置于 Allegro 60X 参考目标前面的 ATS699LSN 变速箱部件(图5)。ATS699LSN 是具有三个霍尔效应板的差分部件(左、中和右)以及两个差分通道(左中和右中)。以下仅考虑一个通道的输出。此部件的典型工作气隙是1mm和2mm,即由传感器印记面和轮齿顶部之间距离定义的气隙。

 

图5:在 Allegro 60X 参考目标前的 ATS699LSN。

 

图6 是目标在传感器前面经过一个半周期时的一个通道的归一化输出。该图显示差分场波形几乎不依赖于相对磁导率。可以观察到,对于 3° 左右的位置,当 μr= 10 时,波形之间只有(小)差别。0° 附近的位置具有类似的表现,而与相对磁导率无关,这是因为这些位置对应目标的谷。

图6:不同相对磁导率的差分传感器输出与目标位置关系。

 

图7和图8分别给出了在 1 mm和 2 mm 气隙条件下,通道的峰-峰差分磁场与相对磁导率的关系。这些数字证实了前文所述:要确保最优性能,目标材料相对磁导率至少应为300。进一步提高相对磁导率对传感器测量磁信号的影响不大。

如果铁磁性目标材料的相对磁导率小于 300,则不意味着背向偏置装置不起作用。与具有大磁导率的目标相比,该材料只能降低性能使用。例如,应用的最大工作气隙可能减少。

 

图7:1 mm气隙条件下,峰 - 峰磁场与相对磁导率关系。

图8:2mm气隙条件下,峰 - 峰磁场与相对磁导率关系。

结论

对于“我的目标材料是否适合背磁应用吗?”等此类的问题,本文给出了简单的回答。但为了获得最优性能,目标材料的相对导磁率至少为300(H 场 < 2000 A/m)。然而,这是一个必要但不充分的条件,目标具有适当的物理设计也是获得应用所需性能的必须要求。Allegro 工程师可以帮助评估目标材料是否适合于背磁应用,如果材料的相对磁导率较低,Allegro 还可以提供技术支持来估计对应用性能的影响。

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