Denne artikel beskriver nogle af de nøglefaktorer, man skal tage med i betragtning, når man designer et magnetisk system til at sikre en pålidelig drift i selv de mest krævende GMR-applikationer (Giant Magneto Resistance). Vi skal også introducere et magnetisk referencedesign, der er til rådighed i de tidligste anvendelser af teknologien
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 3 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Stephen Bradshaw, product applications engineer, Christian Nau, product applications manager,
og Enda Nicholl, strategic marketing manager – alle Analog Devices Inc.
Ægte power-on multiturn sensorer baseret på GMR-sensorteknologien (Giant Magneto Resistance) er ved at vende op og ned på hele markedet for positionssensorer inden for såvel industrielle som automotive bruger-cases på grund af den reducerede samlede systemkompleksitet og de vedligeholdskrav, som tidligere løsninger har givet.
En multiturn sensor er grundlæggende en magnetisk write- og elektronisk read-memory kombineret med en konventionel magnetisk vinkelsensor, der giver en yderst præcis absolut positionsdetektering. Den magnetiske write-proces kræver opretholdelse af det basale magnetfelt inden for et specifikt vindue. Magnetiske write-fejl vil oftest opstå, hvis magnetfeltet enten er for højt eller for lavt. Det er derfor vitalt at designe systemets magnet meget omhyggeligt og overveje, om vagabonderende magnetfelter kan forstyrre sensoren, ligesom de mekaniske tolerancer kan øges over et produkts levetid. Små omstrejfende magnetfelter kan forårsage fejl i den målte vinkel, mens større vagabonderende magnetfelter kan generere magnetiske write-fejl, hvilket fører til voldsomt store fejl i optællingen af omdrejninger.
Mål for det magnetiske referencedesign
En nøje forståelse for systemkravene er nødvendige for at designe såvel den optimale magnet som skærm. Generelt gælder det, at jo løsere systemkrav, desto større og dyrere bliver den endelige magnetløsning, hvis den skal kunne opfylde målet for specifikationerne. Analog Devices udvikler en serie af magnetiske referencedesigns, der har til formål at imødekomme de forskellige mekaniske forhold, varierende felter og temperaturkrav, som kunder kan forventes at stille til ADMT4000, der er markedets nok første ægte power-on multiturn sensor. Det første design udviklet af ADI dækker systemer med ret store tolerancer – som sensor til magnet-placering på 2,45mm ±1mm, en total misplacering af sensoren og en drejeaksel på op til ±0,6mm, et driftstemperaturområde på –40˚C og +150˚C samt dæmpning med en skærm af vagabonderende magnetiske felter på mere end 90 procent.
I designet af magneten er der en række væsentlige forhold at tage hensyn til – og i det følgende skal vi se nærmere på det store omfang af parametre, der skal tænkes ind i designet af en GMR-sensor som ADMT4000.
Magnetiske materialer og simulering
GMR-sensoren fungerer inden for et defineret magnetisk vindue (16mT til 31mT som vist i figur 1) – driftsvinduet kan dog muligvis ændre sig med den endelige lancering af ADMT4000. Figur 1 viser desuden det maksimale og minimale driftsområde, hvor den termiske koefficient (TC) kan aflæses som røde linjer. Valget af magnetisk materiale med en TC, der matcher GMR-sensorens, vil maksimere den tilladte variation i det funktionelle magnetfelt. Det giver plads til et større udsving i magnetens styrke og/eller tolerancen for placeringen af magneten i forhold til sensoren. Prisbillige magnetiske materialer som ferritter har en langt højere TC end GMR-sensoren, hvilket vil kunne begrænse spændvidden for driftstemperatur sammenlignet med materialer som samarium-kobolt (SmCo) eller neodym-jern-bor (NeFeB).
Når man kender TC for det valgte magnetiske materiale samt variationen i den magnetiske feltstyrke som følge af variationer i produktionen, så kan man beregne/estimere den magnetiske feltstyrke ved stuetemperatur (25°C). Designsimuleringer kan så blive udført ved stuetemperatur med et ganske højt niveau af sikkerhed for, at systemet vil fungere som forventet over hele det ønskede temperaturområde. I figur 1 repræsenterer de fuldt optrukne grønne linjer den magnetiske feltstyrke, som en magnet skal designes til for at levere det aktive område i GMR-sensoren. Dette vindue bliver reduceret fra maksimums- og minimumsgrænserne for driftsvinduet i GMR-sensoren som følge af variationerne i produktionsprocesserne af det magnetiske materiale. De grønne, stiplede linjer viser maksimum og minimum for det forventede magnetfelt med en typisk variation i fremstillingen på >5 procent.
Simulering af magneten inden for sit mekaniske driftsmiljø kan have mange forskellige former. To typer af simulering bruges almindeligvis til design af magneten: dels en analytisk simulering eller FEA-metoden (Finite Element Analysis). Den analytiske simulering finder det magnetiske felt med en række simulerede parametre for magneten (størrelse, materiale og lignende) uden andre hensyn til omgivelserne end forventningen om, at magneten fungerer i atmosfærisk luft. Det er en hurtig beregning og meget anvendelig, hvis der ikke er nogen nært placerede ferromagnetiske materialer. FEA kan modellere effekterne af ferritmaterialer i et større magnetisk system, hvilket er afgørende, når en magnet skal placeres med afskærmning mod vagabonderende magnetfelter eller ferromagnetiske materialer tæt på magnet eller sensor. FEA er en tidskrævende proces, så udgangspunktet ville normalt være et helt grundlæggende magnetdesign ud fra en analytisk proces. FEA er dog blevet anvendt ved simulering af referencedesignet for den aktuelle magnet og skærmningen mod de omgivende felter.
Magnetdesign-funktion og -karakteristik
Magneten i referencedesignet er simuleret ud fra en SmCo-magnet med en integreret stålskærm mod felter udenfor som vist i designet i figur 2. Magneten er designet til at blive injektionsstøbt, så den let kan masseproduceres. Injektionsstøbning af SmCo-magneter er normalt, da man på den måde kan fremstille komplekse former, der ofte vil blive brugt i både automotive og industrielle applikationer. Designet er skabt til at kunne monteres på en aksel med en 9mm diameter, men modifikationer i form af bøsninger er en mulighed for at tilpasse magneten aksler af forskellige diametre.
En omhyggelig karakteristik af magneten til GMR-sensoren er blevet udført for at demonstrere, hvordan man industrielt udformer den robuste magnetiske løsning til en GMR-sensor. Nøglekriterier i denne karakteristik er muligheden for at udføre en detaljeret mapping af den magnetiske feltstyrke over en udvidet spændvidde i magnet til sensor-placeringsvinduet i et styringsmiljø. Succes for denne karakteristik kræver en god forståelse for – og kalibrering af – de magnetiske feltprober, man anvender. Figur 3 viser eksempler på de målte feltstyrker ved to forskellige afstande i luften mellem magnet og sensor (air gaps). Flere gentagelser af disse målinger over det samlede driftstemperaturområde og forskellige air gaps er tidskrævende, men omvendt også ganske afgørende for forståelse af ydelsen af magneten og for at sikre, at den fungerer under de påkrævede forhold.
Konklusion
I det praktiske eksempel har magneten i referencedesignet vist sig at opfylde kravene for drift inden for et temperaturområde mellem –40°C og +150°C og med air gaps på 2,45mm ±1mm samt en aksial tolerance for sensorplaceringen på ±0,6mm. Hvis pladsen tillader det, vil vi følge op med detaljer om skærmning mod de vagabonderende magnetiske felter i en senere artikel.
ADMT4000 er markedets første integrerede ægte power-on multiturn positionssensor, og den vil i betydelig grad kunne reducere kompleksiteten i systemdesignet og de deraf følgende anstrengelser, hvad der ultimativt vil resultere i mindre, lettere og mere prisbillige løsninger. Referencedesignet er til rådighed for ADI’s kunder og vil kunne gøre designere med eller uden erfaring i magnetiske designs i stand til at tilføje nye og forbedrede funktioner til nuværende applikationer og dermed åbne døren til en række nye formål.
Billedtekster:
Figur 1: Sammenligning af termiske koefficienter for en magnets driftsvindue i forhold til en typisk SmCo-magnet.
Figur 2: Det faktiske referencedesign for en magnet til en GMR multiturn sensor.
Figur 3: Magnetisk feltfordeling for air gaps mellem 1,42mm og 2,45mm.
