Der Multiturn-Sensor ist im Wesentlichen ein magnetischer Schreib- und elektronischer Lesespeicher, der mit einem konventionellen magnetischen Winkelgeber kombiniert wird, um eine hochgenaue absolute Position über mehrere Umdrehungen zu ermitteln. Der in unserem vorherigen Artikel „Multiturn Position Sensor Provides True Power-On Capabilities with Zero Power“ beschriebene magnetische Schreibprozess erfordert die Aufrechterhaltung des Magnetfelds am Sensor in einem bestimmten Betriebsfenster. Wenn das Magnetfeld zu hoch oder zu niedrig ist, können magnetische Schreibfehler auftreten. Es ist von entscheidender Bedeutung, den Systemmagneten sorgfältig zu konzipieren und alle magnetischen Streufelder, die den Sensor stören könnten, sowie die mechanischen Toleranzen während der Lebensdauer des Produkts zu berücksichtigen. Kleine magnetische Streufelder könnten den gemessenen Winkel verfälschen, während größere magnetische Streufelder einen magnetischen Schreibfehler verursachen könnten, der zu einem Fehler bei der gemessenen Anzahl der Umdrehungen führt.
Magnetisches Referenzdesigns
Um den passenden Magneten und eine gute Abschirmung zu entwerfen, ist ein sorgfältiges Verständnis der Systemanforderungen erforderlich. Im Allgemeinen gilt: Je weiter die Systemanforderungen gefasst sind, desto größer und teurer muss das Magnetsystem sein, um die Zielvorgaben zu erfüllen. ADI entwickelt eine Reihe von magnetischen Referenzdesigns für verschiedene mechanische, Streufeld- und Temperaturanforderungen, die von den Nutzern des True Power-on Multiturn-Sensors ADMT4000 verwendet werden können. Das erste von ADI entwickelte Design deckt Systeme mit relativ weiten Toleranzen ab: Ein Sensor-zu-Magnet-Abstand von 2,45 mm ±1 mm, ein Versatz des Sensors gegenüber der Drehachse von ±0,6 mm, einen Betriebstemperaturbereich von -40 ˚C bis 150 ˚C sowie eine Streumagnetfeldabschirmung von mehr als 90 Prozent.
Überlegungen zum Magneten
Beim Design des Magneten sind einige wichtige Überlegungen zu berücksichtigen. Im Folgenden werden die wichtigsten Aspekte, die bei der Magnetauslegung für den GMR-Sensors mit einzubeziehen sind, in einer Übersicht dargestellt.
Magnetwerkstoff
Der GMR-Sensor arbeitet in einem definierten magnetischen Fenster (16 mT bis 31 mT)1. Darüber hinaus hat der maximale und minimale Magnetfeld-Betriebsbereich einen Temperaturkoeffizienten (TC). Die Auswahl eines Magnetwerkstoffs mit einem TC, der dem des GMR-Sensors entspricht, maximiert die zulässige Variation des Betriebsmagnetfelds. Dies ermöglicht eine größere Variation der Stärke des Magneten und/oder der Platzierungstoleranz des Magneten in Bezug auf den Sensor. Kostengünstige magnetische Materialien wie Ferrite haben einen viel höheren TC als der GMR-Sensor, was den Betriebstemperaturbereich im Vergleich zu Materialien wie Samarium-Kobalt (SmCo) oder Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) einschränken würde.
Die Kenntnis des TC des gewählten Magnetmaterials sowie der Schwankungen der Magnetfeldstärke aufgrund von Fertigungstoleranzen bei der Magnetherstellung ermöglicht die Bestimmung der erforderlichen Magnetfeldstärke bei Raumtemperatur (25 °C). Designsimulationen können anschließend bei Raumtemperatur mit einem hohen Maß an Sicherheit durchgeführt werden, dass das System über den gesamten Temperaturbereich wie erwartet funktioniert.
Simulation des Magneten
Die Simulation des Magneten in der mechanischen Betriebsumgebung kann in verschiedener Weise erfolgen. Für die Auslegung eines Magneten werden in der Regel zwei Arten von Simulationen verwendet: eine analytische Simulation oder die Finite-Elemente-Analyse (FEA). Bei der analytischen Simulation wird das Magnetfeld anhand der Masseparameter des simulierten Magneten (Größe, Material) berechnet, ohne die Umgebung zu berücksichtigen, abgesehen von der Annahme, dass der Magnet in Luft betrieben wird. Dies ist eine schnelle Berechnung und nützlich, wenn keine angrenzenden ferromagnetischen Materialien vorhanden sind.
Die FEA kann die Auswirkungen von eisenhaltigem Material in einem größeren Magnetsystem modellieren, was wesentlich ist, wenn der Magnet zusammen mit einer Abschirmung des magnetischen Streufelds oder ferromagnetischen Materialien in der Nähe des Magneten oder Sensors eingesetzt wird. Die FEA ist ein zeitaufwändiger Prozess, so dass der Ausgangspunkt hierfür in der Regel ein einfaches Magnetdesign auf der Grundlage einer analytischen Berechnung ist. Bei der Simulation des Referenzdesigns für den Magneten und die Streufeldabschirmung wurde die FEA eingesetzt.
Merkmale des Magnetdesigns
Das aus der Simulation resultierende Referenzmagnetsystem besteht aus einem SmCo-Magneten mit integrierter Streufeldabschirmung aus Stahl. Der Magnet ist so konzipiert, dass er im Spritzgussverfahren hergestellt werden kann, sodass er für die Massenproduktion geeignet ist. Das Spritzgießen von SmCo-Magneten ist aufgrund der Möglichkeit, komplexe Formen herzustellen, weit verbreitet und wird in der Automobilindustrie und in industriellen Anwendungen häufig eingesetzt. Die Baugruppe ist als Presspassung für eine Welle mit einem Durchmesser von 9 mm ausgelegt, es sind jedoch Änderungen möglich, um die mechanische Befestigung an Wellen anderer Durchmesser zu ermöglichen.
Magnet-Charakterisierung
Es wurde eine sorgfältige Charakterisierung der Magnetbaugruppen durchgeführt, um die robuste magnetische Lösung für den GMR-Sensor ausführlich zu demonstrieren. Der Schlüssel zur Charakterisierung ist die Fähigkeit, eine detaillierte Verteilung der Magnetfeldstärke in Abhängigkeit der Platzierung des Magneten zum Sensor in einer kontrollierten und reproduzierbaren Umgebung zu erstellen.
Entscheidend für den Erfolg der Charakterisierung ist eine gute Kenntnis und Kalibrierung der verwendeten Magnetfeldsonden. Die Wiederholung dieser Messungen über den gesamten Betriebstemperatur- und Luftspaltbereich ist zeitaufwändig, jedoch für das Verständnis der Performance des Magneten unerlässlich, um in jedem Fall sicherzustellen, dass dieser unter den erforderlichen Betriebsbedingungen arbeitet.
Schlussfolgerung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Referenzmagnet die Anforderungen für den Betrieb bei Temperaturen von 40 ° C bis 150 °C mit einem Luftspalt von 2,45 mm ±1 mm und einer Toleranz von ±0,6 mm zwischen Sensorposition und Rotationsachse erfüllt.
Der ADMT4000 ist der erste integrierte True-Power-On-Multiturn-Positionssensor, der die Komplexität und den Aufwand des Systemdesigns erheblich reduziert, was letztlich zu kleineren, leichteren und kostengünstigeren Lösungen führt. Das Referenzdesign wird den Kunden zur Verfügung gestellt, um Entwicklern mit und ohne Erfahrung im Magnetdesign die Möglichkeit zu geben, Anwendungen mit neuen und verbesserten Funktionen auszustatten und die Tür für neue Anwendungen zu öffnen.
