MagAlphaセンサに適した磁石の選択

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概要

MPSのMagAlphaファミリは、センサの上または側面で回転する磁石の位置を感知するロータリーホール効果磁気センサを提供しています。適用要件と目標コストに応じて、正確な磁石のサイズ、形状、および材料を選択する必要があります。この寄稿文では、トレードオフと、アプリケーションに最適な磁石を選択する方法について説明します。

はじめに

MPSのMagAlphaセンサは、ICの中央にある回転磁石からの磁界を感知する一連のホール素子を使用します。この磁界は、通常、センサの上または側面に位置する正反対偏光磁石である単純なダイポールから生じます (図1を参照)。

End and Side of Shaft Modes of the MagAlpha Sensor

図1: MagAlphaセンサを使用したシャフトのエンドモードとサイドモード

ホール配列は、ICの表面に平行な磁場ベクトルを感知します。MagAlphaセンサでは、この水平成分の磁場強度が30mTから150mT (ミリテスラ) の間でなければなりません。磁場が正しい範囲に収まるように、磁石の種類、磁石のサイズ、センサまでの距離を考慮する必要があります。

磁石の材料とコスト

磁石は、磁性元素と化合物の組み合わせであるさまざまな形態で製造されます。これらの化合物は、2通りの方法で磁石となることができます: 固体磁石に焼結 (高温で融合) することも、プラスチックポリマーキャリア化合物を使用して磁性材料が粒状に懸濁するモールド構造から製造することもできます。焼結磁石は、結合されたポリマー磁石よりも磁性材料がより密に詰め込まれているため、磁界強度が高くなります。

磁石のコストは、磁石の体積、製造に使用される材料の種類、および製造プロセスに基づいています。焼結磁石は、磁場強度が大きく、磁性材料の密度が高いため、一般に同じ大きさと体積の結合磁石よりも高価です。

フェライト磁石は、鉄化合物ベースの材料の幅広い入手可能性により、最も安価です。ネオジム、鉄、ホウ素またはサマリウムコバルト合金から作られた「希土類」タイプの磁石は、原料の不足のためにより高価です。

フェライトまたは希土類化合物から作られた低密度の結合ポリマー磁石は、より大きな磁石サイズが必要なときにコストを制御できます。また、マグネットの形状をカスタマイズする際の柔軟性が向上します。しかし、結合されたポリマー磁石は、存在する磁性体の密度が低いため、電界強度が弱くなります。

焼結希土類磁石は、小さなディスクサイズ (直径約10mmまで) で費用対効果が高く、シャフトの端部およびシャフトの側面トポロジに使用できます。用途によって、より大きな回転軸に取り付ける場合は、より大きなリング (直径20mmまたは40mmなど) が必要です。コストを削減するために、これらの大きなリングは、使用される磁性材料の総量を減らすために、結合されたポリマー希土類磁石を使用して作られることが多いです。

磁場強度 対 材料タイプ

特定の磁石タイプの磁場強度 (または磁束密度) の尺度は、その残留磁界によって与えられ、通常「Br」と表記されます。これは、磁化プロセスの後に残るフィールドです。

磁場強度はテスラまたはガウスで表されます。1テスラ (1T) は10,000ガウスに相当します。テスラはキログラム/アンペア秒二乗のSI単位、または T = kg/As2で測定されます。

磁性材料の最も一般的な形態は、酸化鉄系フェライトです。これは、バリウムや炭酸ストロンチウムなどの他の化合物と融合して、硬質フェライト磁石 (焼結) を作ります。これらの磁石は、200mTから400mTの間で最もコストが低く、磁場強度が低いものです。接着ポリマーフェライト構造または「プラストフェライト」は、電界強度をさらに低下させます。焼結タイプと同じ大きさと体積を持つ結合ポリマーフェライト磁石は、100mTから200mTの間の電界強度を有します。

「希土類」ネオジムまたはサマリウムコバルト磁石は、より小さな体積の磁石で高い磁場強度を達成するため、人気があります。焼結磁石は、グレードに応じて900mTから1400mTの間の残留磁場を提供します。等級は「N」の数で表され、大きい数字は高い残留磁場 (Br) を示します。例えば、N35のBrは1.2T程度で、N48はBrが約1.4Tです。これらのBr値は、磁石が結合されたポリマーを介して構築されている場合、一般に半分になります。 表1に、最も一般的な磁石のタイプとそれに関連する特性をまとめます。

タイプ 原料 残留磁場範囲 動作温度範囲 利点 欠点
セラミックフェライト 焼結酸化鉄 (Fe2O2) およびバリウム、マンガン、ニッケル、亜鉛などの追加の金属元素 0.2から0.45テスラ 最大300-400℃ 低コストで最も広く使用されている材料 低い電界強度。センサに非常に近い必要がある
焼結ネオジム ネオジム、鉄、ホウ素を焼結。「レアアース」磁石としても知られる 1.0から1.4テスラ 最大120-150℃ 非常に高い電界強度 対サイズ比 最高動作温度を下げる。フェライトよりコストが高い。ショックに対するいくつかの消磁感受性
焼結サマリウムコバルト サマリウムとコバルトを焼結したもの。別のタイプの「希土類」磁石  0.9から1.2テスラ 最大260- 350 ℃ 高い電界強度対サイズ比。ネオジムよりも最高動作温度が高い。高い耐衝撃消磁性 NdFeB焼結よりもコストが高い
ポリマー結合フェライト 「プラストフェライト」モールドポリマー中の鉄フェライト材料 0.1から0.25テスラ 最大120-150℃ 低コスト 非常に低い電界強度。センサへの非常に小さなエアギャップが必要
ポリマー結合ネオジム モールドポリマー中のNdFeB材料 0.5から0.75テスラ 最大120-150℃ 焼結ネオジムよりも低コスト。より大きな直径のリングや多極リングに便利 焼結ネオジムよりも電界強度が低い。センサに近づける必要があり

表1: マグネット材料タイプと特性

「シャフトの端」モードでの電界強度と距離

磁場強度は、おおよその逆立方体の法則に従って、距離とともに減衰します。磁石の初期残留磁界値 (Br) は、動作に十分強い磁場を検出するために、センサが磁石の表面にどの程度近くなければならないかを決定します。シャフト終端モードでは、MagAlphaセンサは磁石の下側の極間に直接存在する接線磁場 (Bt) のみを検出します。

例えば、残留磁界がBr = 1.0T、直径5mm、高さ3mmの直径を持つ直径磁化された円盤磁石を考えます。図2は、磁石の表面で200mTのすぐ下から、10mmの距離で5mT以下まで、接線方向のBt磁界がどのように減衰するかを示しています。 図3は、側面から見たときの磁石を示しています。

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図2: 磁場 対 距離 - 5mm x 3mm ネオジム磁石 1Tの残留磁界

MagAlphaセンサは通常、最小磁界30mTが必要です。磁界はZ = 5mmで30mTの下限に達します。zの値は、磁石の高さの半分からセンサIC内の内部ホールアレイ素子の表面までの距離です。したがって、磁石とセンサの間の最大エアギャップは3mmです (z = 5mmと計算し、高さの半分を減算し、H = 1.5mmを減算し、MagAlphaパッケージとホールアレイの表面との間の距離である0.5mmを減算します) 。 図3を参照してください。

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図3: 「Z」の寸法を示すマグネットとセンサの側面図

推奨される目標電界強度は40mT~60mTです。上記の例では、Z = 4.3mmから3.7mm、物理エアギャップは2.3mmから1.7mmです。

Br = 300mTの低い残界を持つ焼結フェライト磁石に同じ解析を適用すると、最小30mT電界位置の「z」値は2.8mmに減少するため、センサのエアギャップは0.8mm以下にする必要があります (2.8mm、磁石の高さの半分をマイナス1.5mmと計算し、内部ICパッケージからホールアレイまでの距離の0.5mmを引いた値)。 図4は、この関係を示しています。

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図4: 磁場 対 距離 - 0.3Tの残留磁界を備えた5mm x 3mmのフェライトマグネット

40mTのターゲットフィールドでのマージンを可能にするのが理想的ですが、0.3mm (2.3mm - 1.5mm - 0.5mm) のエアギャップをさらに小さくする必要があります。残界が弱い磁石を使用すると、コストは少なくなりますが、設計で使用できるエアギャップの最大範囲が制限されます。

シャフト端部の取り付けに適したマグネットサイズと位置の選択方法の詳細については、アプリケーションノート「シャフト先端実装でMagAlpha用に正しい磁石を選択する」を参照してください。

上記の例で使用されている MagAlphaファミリの磁気シミュレーションツールはここにあります。このシミュレータツールは、MagAlpha ファミリが提供するすべての可能な磁石タイプとセンサから磁石へのトポロジをサポートします。異なる磁石タイプと位置が異なるセンサの性能を評価する効果的な方法を提供し、試行錯誤の必要性を排除します。このツールを使用して、さまざまな機械的および磁気公差レベルに基づいて、センサ性能への影響を測定することもできます。

MagAlphaセンサの範囲の詳細については、こちらをクリックしてください。このシリーズの次の記事では、シミュレータツールを使用してMagAlphaをサイドシャフトのマグネットトポロジで構成する方法の例を示します。