為MagAlpha傳感器選擇合適的磁鐵
發(fā)布時(shí)間：
2023-11-18 11:28
來源：
轉(zhuǎn)自MPS
概述
MagAlpha系列提供了旋轉(zhuǎn)霍爾效應(yīng)磁傳感器，當(dāng)磁鐵在傳感器上方或側(cè)方旋轉(zhuǎn)時(shí)，它可以感應(yīng)磁鐵的位置。磁鐵的尺寸、形狀和材質(zhì)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)用選擇合適的磁鐵。
簡介
MagAlpha傳感器在芯片中心采用了霍爾元件陣列，用于感測旋轉(zhuǎn)磁鐵的磁場。磁場來自位于傳感器上方或側(cè)方徑向極化磁體形成的簡單偶極子場（請參見圖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矢量。通常，MagAlpha傳感器要求此水平分量的磁場強(qiáng)度在30mT至150mT（millitesla）之間。要確保磁場落在所要求的正確范圍之內(nèi)，磁鐵的材質(zhì)、磁鐵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
永磁鐵材質(zhì)種類多樣，通常由磁性物質(zhì)與其他合金或樹脂粘結(jié)劑組合而成。這些化合物可以通過兩種方式制造永磁鐵：燒結(jié)（在高溫下熔化）成固態(tài)磁鐵；或通過混入樹脂粘結(jié)劑模具成型，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)磁鐵具有更高的磁場強(qiáng)度，因?yàn)榕c粘結(jié)磁鐵相比，高溫?zé)Y(jié)成的永磁體致密性更高。
磁鐵成本取決于磁鐵的體積大小、材質(zhì)元素構(gòu)成以及制造方法。燒結(jié)磁鐵通常比相同尺寸和體積的粘結(jié)磁鐵昂貴，這是因?yàn)樗鼈兙哂懈蟮拇艌鰪?qiáng)度和磁性材料密度。
由于鐵化合物基材廣泛存在，因此鐵氧體磁鐵成本最為低廉。而由釹鐵硼或釤鈷高溫?zé)Y(jié)的稀土永磁體則由于原材料的稀缺而昂貴很多。
當(dāng)需要較大尺寸的磁鐵時(shí)，由鐵氧體或稀土合金制成的粘結(jié)磁鐵由于密度較低，因此可以控制成本。在磁鐵形狀定制方面，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)聚合物磁鐵的磁場強(qiáng)度也較弱。
燒結(jié)稀土永磁鐵用于小尺寸磁盤（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)洹Ｔ谟行?yīng)用中，磁鐵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20或40mm）。為了降低成本，這些大磁環(huán)通常使用粘結(jié)磁鐵制成，以減小所含磁性材料的總體積。
磁場強(qiáng)度vs.材料類型
特定磁體類型的磁場強(qiáng)度（或磁通密度）由其剩余磁場來度量，通常表示為“ Br”。它是磁化過程之后的剩余磁場。
磁場強(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.
磁性材料最常見的形式是氧化鐵（鐵氧體）。將它與其他化合物（例如鋇或碳酸鍶）高溫?zé)Y(jié)在一起就可以制成硬質(zhì)鐵氧體。這種磁鐵成本最低，并且具有200mT至400mT的較低場強(qiáng)。而粘結(jié)鐵氧體或“注塑鐵氧體”則進(jìn)一步降低了場強(qiáng)。與燒結(jié)磁鐵具有相同尺寸和體積的粘結(jié)鐵氧體，其場強(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積提供了更高的場強(qiáng)。根據(jù)其等級的不同，這類燒結(jié)磁鐵可提供900mT至1400mT的剩磁。磁鐵材料牌號等級用數(shù)字“N“來表示，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。如果磁體通過粘結(jié)成型，則這些Br值通常減半。表1總結(jié)了最常見的磁鐵類型及其相關(guān)特性。
|
類型 |
磁性材料 |
剩磁范圍 |
工作溫度范圍 |
優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
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鐵氧體 |
將氧化鐵(Fe2O2)和其他金屬元素高溫?zé)Y(jié)在一起，例如鋇、錳、鎳和鋅 |
0.2至0.45T |
最高300-400℃（不適合-30℃以下低溫） |
因成本較低，應(yīng)用最為廣泛 |
磁場強(qiáng)度低；需緊靠傳感器 |
|
燒結(jié)釹鐵硼 |
鐠釹、鐵和硼燒結(jié)在一起。 也稱為“稀土”磁體。 |
1.0至1.4T |
最高120-150℃ |
極高的場強(qiáng)/尺寸比 |
高溫衰減明顯；比鐵氧體成本高；高溫狀態(tài)下退磁率大于鐵氧體。 |
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燒結(jié)釤鈷 |
釤和鈷燒結(jié)在一起。是另一種“稀土”磁體。 |
0.9至1.2T |
最高260-350℃ |
高場強(qiáng)與尺寸之比。 最高工作溫度高于釹，退磁沖擊強(qiáng)度更高 |
比燒結(jié)釹鐵硼成本高 |
|
粘結(jié)鐵氧體 |
“ 鐵氧體塑磁”。將鐵氧體粉末與粘結(jié)劑混合后通過模壓成型。 |
0.1至0.25T |
最高120-150℃ |
低成本 |
磁場強(qiáng)度極低；與傳感器之間需要極小的氣隙。 |
|
粘結(jié)釹鐵硼 |
將釹鐵硼粉末與粘結(jié)劑混合后通過模壓成型 |
0.3至0.75T |
最高120-150℃ |
成本低于燒結(jié)釹鐵硼；適用于較大直徑的磁環(huán)或多極磁環(huán)。 |
磁場強(qiáng)度低于燒結(jié)釹鐵硼但是大于鐵氧體；需靠近傳感器 |
表1：磁性材料的類型和特性
“同軸”模式下的場強(qiáng)和距離
根據(jù)近似逆立方定律，磁場強(qiáng)度隨距離而衰減。磁鐵的初始剩磁（Br）決定了傳感器應(yīng)與磁鐵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。
在同軸模式下，MagAlpha傳感器僅檢測直接存在于磁鐵底側(cè)兩極之間的切向磁場（Bt）。
例如，一個(gè)徑向磁化的盤狀磁鐵剩磁為1.0T，直徑為5mm，高度為3mm。圖2顯示了其切向剩磁場的衰減，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顯示了磁鐵的側(cè)視圖。
圖2：磁場與距離的關(guān)系–具有1T剩磁的5x3mm釹磁體
MagAlpha傳感器通常需要30mT的最小磁場。磁場在z = 5mm時(shí)達(dá)到30mT的下限。其中z值是從磁鐵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，磁鐵和傳感器之間的最大氣隙為3mm（計(jì)算方法為：z = 5mm，減去磁鐵高度的一半，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 。）請參見圖3。
圖3：通過磁鐵和傳感器的側(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。
對剩磁為300mT的燒結(jié)鐵氧體進(jìn)行同樣的分析，要達(dá)到最小30mT的磁場，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：磁場與距離的關(guān)系–具有0.3T剩磁的5x3mm鐵氧體磁鐵
具有一定裕量的40mT目標(biāo)磁場是最理想的，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）。使用剩磁較弱的磁鐵成本較低，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，請參見應(yīng)用說明“適用于同軸拓?fù)銶agAlpha的磁鐵”
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