为MagAlpha传感器选择合适的磁体
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概述
2020年2月-MPS MagAlpha系列提供了旋转霍尔效应磁传感器，当磁体在传感器上方或侧方旋转时，它可以感应磁体的位置。磁体的准确尺寸、形状和材料应根据具体的应用需求和目标成本进行选择。本文讨论了各种选择的利弊，以及如何为一个应用选择合适的磁体。
简介
MPS MagAlpha传感器在芯片中心采用了霍尔元件阵列，用于感测旋转磁体的磁场。磁场来自位于传感器上方或侧方径向极化磁体形成的简单偶极子场（请参见图1）。
图1: MagAlpha传感器的同轴和侧轴模式
霍尔阵列感应平行于芯片表面的场矢量。通常，MagAlpha传感器要求此水平分量的磁场强度在30mT至150mT（millitesla）之间。要确保磁场落在所要求的正确范围之内，磁性材料的类型、磁体尺寸以及与传感器之间的距离，都是要考虑的因素。
磁性材料及其成本
磁体形式多样，通常由磁性元素与化合物组合而成。这些化合物可以通过两种方式制成磁体：烧结（在高温下熔化）成固体磁体；或通过模制结构制成，其中的磁性材料利用塑料聚合物载体化合物以颗粒形式悬浮。烧结磁体具有更高的磁场强度，因为与粘结聚合物磁体相比，其磁性材料堆积地更加紧密。
磁体成本取决于磁体的体积、构造中使用的材料类型以及制造过程。烧结磁体通常比相同尺寸和体积的粘结磁体昂贵，这是因为它们具有更大的磁场强度和磁性材料密度。
由于铁化合物基材广泛存在，因此铁氧体磁体成本最为低廉。而由钕铁硼或钐钴合金制成的“稀土”型磁体则由于原材料的稀缺而昂贵很多。
当需要较大尺寸的磁体时，由铁氧体或稀土化合物制成的粘结聚合物磁体由于密度较低，因此可以控制成本。在磁体形状定制方面，它们也具有更大的灵活性。但由于所含磁性材料密度较低，因此粘结聚合物磁体的磁场强度也较弱。
烧结稀土磁体用于小尺寸磁盘（直径最大约10mm）时效益较高，而且可用于同轴和侧轴拓扑。在有些应用中，磁体要安装在较大的旋转轴上，此时会需要使用较大的磁环（例如直径为20mm或40mm）。为了降低成本，这些大磁环通常使用粘结聚合物稀土磁体制成，以减小所含磁性材料的总体积。
磁场强度vs.材料类型
特定磁体类型的磁场强度（或磁通密度）由其剩余磁场来度量，通常表示为“ Br”。它是磁化过程之后的剩余磁场。
磁场强度用特斯拉（T）或高斯（S）表示。1特斯拉（1T）等于10,000高斯。Tesla也可以用SI千克单位/安培秒平方表示，即T = kg/As2.
磁性材料最常见的形式是氧化铁基铁氧体。将它与其他化合物（例如钡或碳酸锶）烧结在一起就可以制成硬质铁氧体磁体。这种磁体成本最低，并且具有200mT至400mT的较低场强。而粘结聚合物铁氧体结构或“塑性铁氧体”则进一步降低了场强。与烧结类型具有相同尺寸和体积的粘结聚合物铁氧体磁体，其场强在100mT至200mT之间。
“稀土“钕或钐钴磁体之所以受欢迎，是因为它们以更小的体积提供了更高的场强。根据其等级的不同，这类烧结磁体可提供900mT至1400mT的剩磁。磁体等级用数字“N“来表示，N越高表示剩磁（Br）越高。例如，N35具有约1.2T的Br，而N48具有约1.4T的Br。如果磁体通过粘结聚合物制成，则这些Br值通常减半。表1总结了最常见的磁体类型及其相关特性。
| 类型 | 磁体材料 | 剩磁范围 | 工作温度范围 | 优点 | 缺点 |
| 陶瓷铁氧体 | 将氧化铁(Fe2O2)和其他金属元素烧结在一起，例如钡、锰、镍和锌 | 0.2至0.45特斯拉 | 最高300-400摄氏度 | 因成本较低，应用最为广泛 | 场强低；需紧靠传感器 |
| 烧结钕 | N钕、铁和硼烧结在一起。 也称为“稀土”磁体。 | 1.0至1.4特斯拉 | 最高120-150摄氏度 | 极高的场强/尺寸比 | 最高工作温度较低；比铁氧体成本高；局部退磁率非常高。 |
| 烧结钐钴 | 钐和钴烧结在一起。是另一种“稀土”磁体。 | 0.9至1.2特斯拉 | 最高260-350摄氏度 | 高场强与尺寸之比。 最高工作温度高于钕，退磁冲击强度更高 | 比烧结钕铁硼磁体成本高 |
| 粘结聚合物铁氧体 | “ 塑性铁氧体”。将铁氧体材料放入模制聚合物中。 | 0.1至0.25特斯拉 | 最高120-150摄氏度 | 低成本 | 场强极低；与传感器之间需要极小的气隙。 |
| 粘结聚合物钕 | 将钕铁硼材料放入模制聚合物中 | 0.5至0.75特斯拉 | 最高120-150摄氏度 | 成本低于烧结钕；适用于较大直径的磁环或多极磁环。 | 场强低于烧结钕磁体；需靠近传感器 |
表1：磁体材料的类型和特性
“同轴”模式下的场强和距离
根据近似逆立方定律，磁场强度随距离而衰减。磁体的初始剩磁（Br）决定了传感器应与磁体表面保持多近的距离才能感应出足以进行操作的磁场。
在同轴模式下，MagAlpha传感器仅检测直接存在于磁体底侧两极之间的切向磁场（Bt）。
例如，一个径向磁化的盘状磁体剩磁为1.0T，直径为5mm，高度为3mm。图2显示了其切向剩磁场的衰减，其磁体表面之下低于200mT的剩磁在10mm的距离内衰减到低于5mT。图3显示了磁体的侧视图。
图2：磁场与距离的关系–具有1T剩磁的5mmx3mm钕磁体
MagAlpha传感器通常需要30mT的最小磁场。磁场在z = 5mm时达到30mT的下限。其中z值是从磁体高度的一半到传感器芯片内部霍尔阵列元件表面的距离。因此，磁体和传感器之间的最大气隙为3mm（计算方法为：z = 5mm，减去磁体高度的一半，即H = 1.5mm；然后再减去0.5mm，即MagAlpha封装与霍尔阵列表面之间的距离 。）请参见图3。
图3：通过磁体和传感器的侧视图显示“ z”的尺寸
通常我们推荐的目标场强为40mT至60mT。在上面的示例中，等效于z 等于4.3mm至3.7mm，而物理气隙为2.3mm至1.7mm。
对剩磁为300mT的烧结铁氧体磁体进行同样的分析，要达到最小30mT的磁场，z值将减小至2.8mm，而与传感器之间的气隙应减小至不大于0.8mm（计算方法：z=2.8mm，减去磁体高度的一半1.5mm，再减去内部芯片封装到霍尔阵列的距离0.5mm）。如图4所示。
图4：磁场与距离的关系–具有0.3T剩磁的5mmx3mm铁氧体磁体
具有一定裕量的40mT目标磁场是最理想的，但它需要的气隙也更小，仅为0.3mm（计算方法：2.3mm-1.5mm-0.5mm）。使用剩磁较弱的磁体成本较低，但也会限制设计中的最大可用气隙范围。
要了解如何为同轴MagAlpha选择合适的磁体尺寸和位置，请参见应用说明“适用于同轴拓扑MagAlpha的磁体”
上述示例中用到的MagAlpha系列磁性仿真工具可以在 这里找到。该工具支持MagAlpha系列提供的所有可能磁体类型和传感器-磁体拓扑。它提供了一种有效的方法，来评估在不同磁体类型和位置条件下传感器的性能，无需进行反复试验。 该工具还可根据各种机械和磁公差等级来评估对传感器性能的影响。
单击此处可以获取有关MagAlpha传感器范围的更多信息。本系列的下一篇文章将举例说明如何使用仿真工具配置侧轴拓扑中的MagAlpha。
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