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[FAQ] 在为霍尔效应传感器选择磁体时,我应该考虑哪些因素?

Other Parts Discussed in Thread: DRV5057, DRV5055, TMAG5273, TMAG5170-Q1, TMAG5170, DRV5053, DRV5056, TMAG5110, TMAG5111, DRV5015, DRV5012, DRV5013, DRV5011, DRV5021, DRV5023, TMAG5123, DRV5032, DRV5033, TMAG5124

利用无接触位置检测是在许多系统中提供精确控制的有效方法,可以提高机械接触解决方案的可靠性和寿命。  鉴于以上优势,许多设计人员都在寻找将霍尔效应传感器融入其系统(以利用这些优势)的方法。  但是,下一步要确定解决方案所需的传感器类型。您可以使用:

线性霍尔效应传感器:

(TMAG5273、TMAG5170-Q1、TMAG5170、DRV5057、DRV5056、DRV5055、DRV5053)

霍尔效应锁存器:

(TMAG5110、TMAG5111、DRV5015、DRV5011、DRV5012、DRV5013)

或霍尔效应开关:

(TMAG5123、TMAG5124、DRV5021、DRV5032、DRV5023、DRV5033)。

位于以下链接的入门常见问题解答提供了有关 ti.com 所提供工具和资源的指南。

https://e2e.ti.com/support/sensors-group/sensors/f/sensors-forum/355909/faq-i-want-to-use-hall-effect-sensors---where-do-i-start

我们难免会遇到的下一个问题是:如何选择磁体?  由于我们无法直接观察磁场,因此通常很难想象最佳的磁体和位置。  应记住,标准的一维霍尔效应传感器仅对磁场矢量的单个分量敏感,并且磁场会随使用的磁体类型而变化,这一点很有用。  此外,磁场的强度将受到多种因素的影响,例如磁性材料、磁体尺寸以及传感器与磁体的接近程度。  这些变量都会促使我们考虑以下几个问题:

对于我的磁体而言,磁场是什么样子的?

考虑各种磁体的矢量图很有帮助。  我们会注意到一些一致的行为以及每种类型特有的一些特征。我们还将观察到磁场线不相交,这对于环形磁体或使用多个偶极子的任何系统而言是一个重要因素。

块状磁体

轴向圆柱磁体

径向圆柱磁体

球状磁体

环形磁体

我们可以立即发现,存在明显的锐角效应,这些锐角效应会导致磁体边沿和顶点附近的磁通密度(或 B 场)更高。  因为球体没有边沿,不会发生这种情况,磁场会更加均匀。  因此,在这些点附近,磁通密度的大小通常会达到峰值。  不过,这种效应会随着传感器与磁体之间距离的增大而减小。

此外,应记住 B 场矢量的方向将直接影响磁场对传感器的可见性,这一点很有用。  虽然某些位置会产生与检测元件平行的磁场,但有意简单地改变布置通常会改变矢量方向。  鉴于机械限制,经常改变布置是不现实的,务必记住,可以使用各种封装方向和选择 2D(TMAG5110、TMAG5111)和 3D 检测选项(TMAG5170-Q1、TMAG5273)。

空气间隙距离如何影响磁通密度?

磁通密度与到磁体的距离的平方成反比。  因此,由于最初的距离变化很小,磁场强度可能会发生非常显著的变化。  务必要记住这一点,因为我们经常会使用此输入来描述线性行程。

当以迎面方式直接接近磁体的任一极时,磁场将完全处于一个方向上,我们可能会观察到如下所示的变化

不过,可能存在涉及线性响应的路径。  考虑一个条形或圆柱形磁体以固定偏移量经过传感器产生的滑动方向。 

对于该运动,通常有一个平行于磁体表面、大部分为线性的区域。  不过,我们可以看到,该磁场会变为非线性,并且磁体与传感器的距离越近,边缘效应就越明显。例如,下图显示了磁体以与上方 Y 轴平行的方式移动时的水平运动。  各种线表示 z 方向的不同垂直间隙。

磁体材料如何影响磁通密度?

 材料越强,距离磁体越远,效应就越明显,从而产生更高的磁通密度。  在使用块状磁体迎面接近时,我们可以看到相同几何形状下各种磁性材料之间的差异。

下面表示绿色的 NdFeB 磁体、红色的 SmCo18 磁体、蓝色的 AlNiCo8 磁体和橙色的粘结铁氧体磁体。  每个磁体具有相同的物理尺寸 (3mm x 5mm x 10mm),仅磁性材料不同。 

磁体尺寸如何影响磁通密度?

请考虑下面显示在与磁体表面距离范围内的 B 场强度差异图。  在这里,我们将按照 1 到 5 的比例因子来改变上一仿真中 SmCo18 磁体的尺寸。所有尺寸均以相同的倍数进行缩放,我们可以观察到一些有趣的现象。 

最重要的是,我们可以观察到,磁体越大,磁场就越大,与距离无关。这正是我们凭直觉预期的结果。  作为通用指南,如果磁体产生的磁场不足以达到特定传感器的阈值,则使用较大的磁体通常有助于提供更强的 B 场作为输入。不过,请务必记住,磁场将围绕磁体发生弯曲,而尺寸的变化可能会导致矢量指向稍微不同的方向。矢量方向的任何变化都会影响任何霍尔效应传感器的测量。

此外,极化面中心的表面磁场几乎是恒定的。极化方向的增加会使表面磁场小幅增加,但通常改变磁体的形状会对表面磁场产生更大的影响。在本示例中,磁体的相对尺寸是固定的,我们具有恒定的剩余磁化强度 (BR) 和矫顽力 (HC),因此这种现象是正常的。

最后,对于所有尺寸同等缩放的情况,观察特定磁场所需的磁体距离也将按大致相同的系数缩放。  请注意,随着磁体每增加 1.69mm,磁通密度增加 150mT。

对于磁体,是否有任何其他需要考虑的因素?

在任何设计中成本都特别重要。  更高级和更大的磁体往往更昂贵。  此外,包含多个极的定制磁体需要粘接或烧结才能成为最终产品。  这些工艺可能很困难,可能会限制能够达到的最大强度。  因此,尽管可以在较远的距离观察较强的磁体,但此类磁体的费用过高。更理想的方法是改变磁体形状或方向,从而为传感器提供更大的输入。 

此外,磁体的温移也需注意。  对于任何磁性材料,磁体的强度都会随着其变热而减弱。  下表显示了每种磁体类型的典型漂移

有关霍尔效应传感器的更多指南,请访问我们的论坛和视频培训系列,链接如下:

e2e.ti.com/.../sensors-forum

training.ti.com/ti-precision-labs-magnetic-sensors