【導(dǎo)讀】MPS MagAlpha系列提供了旋轉(zhuǎn)霍爾效應(yīng)磁傳感器，當(dāng)磁體在傳感器上方或側(cè)方旋轉(zhuǎn)時(shí)，它可以感應(yīng)磁體的位置。磁體的準(zhǔn)確尺寸、形狀和材料應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求和目標(biāo)成本進(jìn)行選擇。本文討論了各種選擇的利弊，以及如何為一個(gè)應(yīng)用選擇最佳磁體。
簡(jiǎn)介
MPS MagAlpha傳感器在芯片中心采用了霍爾元件陣列，用于感測(cè)旋轉(zhuǎn)磁體的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)來(lái)自位于傳感器上方或側(cè)方徑向極化磁體形成的簡(jiǎn)單偶極子場(chǎng)（請(qǐng)參見(jiàn)圖1）。
圖1: MagAlpha傳感器的同軸和側(cè)軸模式
霍爾陣列感應(yīng)平行于芯片表面的場(chǎng)矢量。通常，MagAlpha傳感器要求此水平分量的磁場(chǎng)強(qiáng)度在30mT至150mT（millitesla）之間。要確保磁場(chǎng)落在所要求的正確范圍之內(nèi)，磁性材料的類型、磁體尺寸以及與傳感器之間的距離，都是要考慮的因素。
磁性材料及其成本
磁體形式多樣，通常由磁性元素與化合物組合而成。這些化合物可以通過(guò)兩種方式制成磁體：燒結(jié)（在高溫下熔化）成固體磁體；或通過(guò)模制結(jié)構(gòu)制成，其中的磁性材料利用塑料聚合物載體化合物以顆粒形式懸浮。燒結(jié)磁體具有更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，因?yàn)榕c粘結(jié)聚合物磁體相比，其磁性材料堆積地更加緊密。
磁體成本取決于磁體的體積、構(gòu)造中使用的材料類型以及制造過(guò)程。燒結(jié)磁體通常比相同尺寸和體積的粘結(jié)磁體昂貴，這是因?yàn)樗鼈兙哂懈蟮拇艌?chǎng)強(qiáng)度和磁性材料密度。
由于鐵化合物基材廣泛存在，因此鐵氧體磁體成本最為低廉。而由釹鐵硼或釤鈷合金制成的“稀土”型磁體則由于原材料的稀缺而昂貴很多。
當(dāng)需要較大尺寸的磁體時(shí)，由鐵氧體或稀土化合物制成的粘結(jié)聚合物磁體由于密度較低，因此可以控制成本。在磁體形狀定制方面，它們也具有更大的靈活性。但由于所含磁性材料密度較低，因此粘結(jié)聚合物磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度也較弱。
燒結(jié)稀土磁體用于小尺寸磁盤（直徑最大約10mm）時(shí)效益較高，而且可用于同軸和側(cè)軸拓?fù)?。在有些?yīng)用中，磁體要安裝在較大的旋轉(zhuǎn)軸上，此時(shí)會(huì)需要使用較大的磁環(huán)（例如直徑為20mm或40mm）。為了降低成本，這些大磁環(huán)通常使用粘結(jié)聚合物稀土磁體制成，以減小所含磁性材料的總體積。
磁場(chǎng)強(qiáng)度vs.材料類型
特定磁體類型的磁場(chǎng)強(qiáng)度（或磁通密度）由其剩余磁場(chǎng)來(lái)度量，通常表示為“ Br”。它是磁化過(guò)程之后的剩余磁場(chǎng)。
磁場(chǎng)強(qiáng)度用特斯拉（T）或高斯（S）表示。1特斯拉（1T）等于10,000高斯。Tesla也可以用SI千克單位/安培秒平方表示，即T = kg/As2. 磁性材料最常見(jiàn)的形式是氧化鐵基鐵氧體。將它與其他化合物（例如鋇或碳酸鍶）燒結(jié)在一起就可以制成硬質(zhì)鐵氧體磁體。這種磁體成本最低，并且具有200mT至400mT的較低場(chǎng)強(qiáng)。而粘結(jié)聚合物鐵氧體結(jié)構(gòu)或“塑性鐵氧體”則進(jìn)一步降低了場(chǎng)強(qiáng)。與燒結(jié)類型具有相同尺寸和體積的粘結(jié)聚合物鐵氧體磁體，其場(chǎng)強(qiáng)在100mT至200mT之間。
“稀土“釹或釤鈷磁體之所以受歡迎，是因?yàn)樗鼈円愿〉捏w積提供了更高的場(chǎng)強(qiáng)。根據(jù)其等級(jí)的不同，這類燒結(jié)磁體可提供900mT至1400mT的剩磁。磁體等級(jí)用數(shù)字“N“來(lái)表示，N越高表示剩磁（Br）越高。例如，N35具有約1.2T的Br，而N48具有約1.4T的Br。如果磁體通過(guò)粘結(jié)聚合物制成，則這些Br值通常減半。表1總結(jié)了最常見(jiàn)的磁體類型及其相關(guān)特性。
表1：磁體材料的類型和特性
“同軸”模式下的場(chǎng)強(qiáng)和距離
根據(jù)近似逆立方定律，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨距離而衰減。磁體的初始剩磁（Br）決定了傳感器應(yīng)與磁體表面保持多近的距離才能感應(yīng)出足以進(jìn)行操作的磁場(chǎng)。
在同軸模式下，MagAlpha傳感器僅檢測(cè)直接存在于磁體底側(cè)兩極之間的切向磁場(chǎng)（Bt）。
例如，一個(gè)徑向磁化的盤狀磁體剩磁為1.0T，直徑為5mm，高度為3mm。圖2顯示了其切向剩磁場(chǎng)的衰減，其磁體表面之下低于200mT的剩磁在10mm的距離內(nèi)衰減到低于5mT。圖3顯示了磁體的側(cè)視圖。
圖2：磁場(chǎng)與距離的關(guān)系–具有1T剩磁的5mmx3mm釹磁體
MagAlpha傳感器通常需要30mT的最小磁場(chǎng)。磁場(chǎng)在z = 5mm時(shí)達(dá)到30mT的下限。其中z值是從磁體高度的一半到傳感器芯片內(nèi)部霍爾陣列元件表面的距離。因此，磁體和傳感器之間的最大氣隙為3mm（計(jì)算方法為：z = 5mm，減去磁體高度的一半，即H = 1.5mm；然后再減去0.5mm，即MagAlpha封裝與霍爾陣列表面之間的距離 。）請(qǐng)參見(jiàn)圖3。
圖3：通過(guò)磁體和傳感器的側(cè)視圖顯示“ z”的尺寸
通常我們推薦的目標(biāo)場(chǎng)強(qiáng)為40mT至60mT。在上面的示例中，等效于z 等于4.3mm至3.7mm，而物理氣隙為2.3mm至1.7mm。
對(duì)剩磁為300mT的燒結(jié)鐵氧體磁體進(jìn)行同樣的分析，要達(dá)到最小30mT的磁場(chǎng)，z值將減小至2.8mm，而與傳感器之間的氣隙應(yīng)減小至不大于0.8mm（計(jì)算方法：z=2.8mm，減去磁體高度的一半1.5mm，再減去內(nèi)部芯片封裝到霍爾陣列的距離0.5mm）。如圖4所示。
圖4：磁場(chǎng)與距離的關(guān)系–具有0.3T剩磁的5mmx3mm鐵氧體磁體
具有一定裕量的40mT目標(biāo)磁場(chǎng)是最理想的，但它需要的氣隙也更小，僅為0.3mm（計(jì)算方法：2.3mm-1.5mm-0.5mm）。使用剩磁較弱的磁體成本較低，但也會(huì)限制設(shè)計(jì)中的最大可用氣隙范圍。
要了解如何為同軸MagAlpha選擇合適的磁體尺寸和位置，請(qǐng)參見(jiàn)應(yīng)用說(shuō)明“適用于同軸拓?fù)銶agAlpha的磁體”
上述示例中用到的MagAlpha系列磁性仿真工具可以在 這里找到。該工具支持MagAlpha系列提供的所有可能磁體類型和傳感器-磁體拓?fù)洹Ｋ峁┝艘环N有效的方法，來(lái)評(píng)估在不同磁體類型和位置條件下傳感器的性能，無(wú)需進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)。 該工具還可根據(jù)各種機(jī)械和磁公差等級(jí)來(lái)評(píng)估對(duì)傳感器性能的影響。
本系列的下一篇文章將舉例說(shuō)明如何使用仿真工具配置側(cè)軸拓?fù)渲械腗agAlpha。
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