Side 4

SENSORER/TRANSDUCERE Magnetdesign til GMR multiturn positionssensorer 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 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 sen- sorer baseret på GMR-sensor- teknologien (Giant Magneto Resistance) er ved at vende op og ned på hele markedet for positionssensorer inden for såvel industrielle som auto- motive bruger-cases på grund af den reducerede samlede sy- stemkompleksitet og de vedli- geholdskrav, som tidligere løs- ninger har givet. En multiturn sensor er grund- læggende en magnetisk write- og elektronisk read- memory kombineret med en konventionel magnetisk vin- kelsensor, der giver en yderst præcis absolut positionsde- tektering. Den magnetiske write-proces kræver oprethol- delse af det basale magnetfelt inden for et specifikt vindue. Magnetiske write-fejl vil of- test opstå, hvis magnetfeltet enten er for højt eller for lavt. Det er derfor vitalt at designe systemets magnet meget om- hyggeligt og overveje, om va- gabonderende magnetfelter Figur 1: Sammenligning af termiske koefficienter for en magnets driftsvindue i forhold til en typisk SmCo-magnet. kan forstyrre sensoren, lige- som de mekaniske tolerancer kan øges over et produkts le- vetid. Små omstrejfende mag- netfelter kan forårsage fejl i den målte vinkel, mens større vagabonderende magnetfel- ter kan generere magnetiske write-fejl, hvilket fører til vold- somt store fejl i optællingen af omdrejninger. Mål for det magnetiske referencedesign En nøje forståelse for system- kravene er nødvendige for at designe såvel den optimale magnet som skærm. Gene- relt gælder det, at jo løsere systemkrav, desto større og dyrere bliver den endelige magnetløsning, hvis den skal kunne opfylde målet for spe- cifikationerne. Analog Devices udvikler en serie af magneti- ske referencedesigns, der har til formål at imødekomme de forskellige mekaniske forhold, varierende felter og tempera- turkrav, som kunder kan for- ventes at stille til ADMT4000, der er markedets nok første ægte power-on multiturn sensor. Det første design ud- viklet af ADI dækker systemer med ret store tolerancer – som sensor til magnet-placering på 2,45mm ±1mm, en total mis- placering af sensoren og en drejeaksel på op til ±0,6mm, et driftstemperaturområde på –40˚C og +150˚C samt dæmp- ning med en skærm af vaga- bonderende 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 para- metre, 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- af variationer i produktionen, så kan man beregne/estimere den magnetiske feltstyrke ved stuetemperatur (25°C). De- signsimuleringer kan så blive udført ved stuetemperatur med et ganske højt niveau af sikkerhed for, at systemet vil fungere som forventet over hele det ønskede temperatur- område. I figur 1 repræsente- rer de fuldt optrukne grønne linjer den magnetiske feltstyr- ke, som en magnet skal desig- nes til for at levere det aktive område i GMR-sensoren. Det- te vindue bliver reduceret fra maksimums- og minimums- grænserne for driftsvinduet i GMR-sensoren som følge af variationerne i produktions- processerne af det magneti- ske materiale. De grønne, stip- lede linjer viser maksimum og minimum for det forventede magnetfelt med en typisk va- riation 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 DANSK ELEKTRONIKMONTAGE i DD h AA ø NN j k SS v KK ali EE te LL t EE o KK g TT m RR ed OO s NN to II r KK f MM lek OO si NN bi TT li AA te GG t EE P ii r hh o øø t jj o kk t vv y aa p ll e iitt r eett oogg mmeedd ssttoorr fflleekkssiibbiilliitteett SPPPerrrooorittteooopttt ryyyopppdeeeurrr k tion TSSSeeeHrrrTiiieeeppprrroooddduuukkk tttiiiooonnn 3TTTHHHD TTT- AOI D333DDDes--- AAAigOOOnIII for produk tion IDDDneeedssskiiigggønnnb fffooorrr ppprrroooddduuukkk tttiiiooonnn TIIInnnedddskkkt øøøbbb BTTTeeeosssxttt build RBBBeooowxxx obbbruuukiiilllddd RRR eee www ooo rrr kkk VORES VIDEN – DIN TRYGHED VVOORREESS VVIIDDEENN –– DDIINN TTRRYYGGHHEEDD WWW.EUROTECHNIC.DK SALG@EUROTECHNIC.DK E W W W u W W W ro W W W Te . c EEE h UUU n RRR ic OOO A TTT / EEE S CCCHHHNNN H III a CCC g . e DDD n KKK s vej SSS 9 AAA -1 LLL 1 GGG@@@ 9 EEE 5 UUU 3 RRR 0 OOO S TTT t EEE ø CCC v HHH ri NNN ng IIICCC . DDD + KKK 45 98373722 EEEuuurrroooTTTeeeccchhhnnniiiccc AAA ///SSS HHHaaagggeeennnsss vvveeejjj 999 ---111111 999555333000 SSStttøøø vvv rrriiinnnggg +++444555 999888333777333777222222 4 nr. 3 | marts 2025 - ISO 9001:2015 ISO 13485:2016 III SSS OOO 999 000 000 111::: 222 000 111555 III SSS OOO 111333 444 888 555 ::: 222 000 111666 Figur 2: Det faktiske referencedesign for en magnet til en GMR multiturn sensor. sensorens, vil maksimere den tilladte variation i det funk- tionelle magnetfelt. Det gi- ver plads til et større udsving i magnetens styrke og/eller tolerancen for placeringen af magneten i forhold til sen- soren. Prisbillige magnetiske materialer som ferritter har en langt højere TC end GMR- sensoren, hvilket vil kunne begrænse spændvidden for driftstemperatur sammen- lignet med materialer som samarium-kobolt (SmCo) eller neodym-jern-bor (NeFeB). Når man kender TC for det valgte magnetiske materiale samt variationen i den mag- netiske feltstyrke som følge (Finite Element Analysis). Den analytiske simulering finder det magnetiske felt med en række simulerede parametre for magneten (størrelse, mate- riale og lignende) uden andre hensyn til omgivelserne end forventningen om, at mag- neten fungerer i atmosfærisk luft. Det er en hurtig bereg- ning 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 af- skærmning mod vagabonde- rende magnetfelter eller fer-

Side 5

SENSORER/TRANSDUCERE Figur 3: Magnetisk feltfordeling for air gaps mellem 1,42mm og 2,45mm. romagnetiske materialer tæt på magnet eller sensor. FEA er en tidskrævende proces, så udgangspunktet ville normalt være et helt grundlæggende magnetdesign ud fra en analy- tisk proces. FEA er dog blevet anvendt ved simulering af re- ferencedesignet for den aktu- elle magnet og skærmningen mod de omgivende felter. Magnetdesign-funktion og -karakteristik Magneten i reference-design- et er simuleret ud fra en SmCo-magnet med en inte- greret 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 modifi- kationer i form af bøsninger er en mulighed for at tilpasse magneten aksler af forskellige diametre. En omhyggelig karakteristik af magneten til GMR-sen- soren er blevet udført for at demonstrere, hvordan man industrielt udformer den ro- buste magnetiske løsning til en GMR-sensor. Nøglekrite- rier 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 kalibre- ring af – de magnetiske felt- prober, man anvender. Figur 3 viser eksempler på de målte feltstyrker ved to forskellige afstande i luften mellem mag- net og sensor (air gaps). Flere gentagelser af disse målinger over det samlede driftstem- peraturområde og forskellige air gaps er tidskrævende, men omvendt også ganske afgø- rende for forståelse af ydelsen af magneten og for at sikre, at Produktnyt Expanded Beam Performance i nye konnektorkombinationer C ODU udvider porteføljen af Expanded Beam Performance- løsninger. Udvidelsen giver endnu flere muligheder med den højtydende kontaktløse fibertek- nologi. Som kontaktfri linsetek- nologi byder Expanded Beam Performance (EBP) på banebry- dende forbindelser med rigtig mange fordele: Lav dæmpning, nærmest intet behov for rensning eller vedligehold og lang levetid. Disse egenskaber gør EBP ideel i applikationer, der kræver maksi- mal pålidelighed og ydeevne. For et par år siden introducerede ODU EBP fiberoptik konnekteret med ODU AMC T. Nu gør ODU det muligt også at få den fiberoptiske løsning med Mini-Snap K, Medi- Snap- samt i ODU-Mac Silver-Li- ne- eller White-Line-konnektorer. Det er fremtidssikret EBP-tekno- logi med imponerende høj per- formance. EBP sikrer maksimal signalkvalitet og kort latenstid med en dæmp- ning, der er endnu lavere end ved de traditionelle Physical Contact- løsninger (PC). Linsefladerne skal kun renses, hvis de er ekstremt snavsede. Under normale omstændighe- der kræves intet vedligehold, og den maksimale levetid kan opnås uden en eneste afrensning. Den kontaktløse overførsel betyder, at der ikke er noget slid på ferru- lerne. Det gør det muligt at opnå en levetid på minimum 50.000 M mating cycles. Y ODU’s første EBP-løsning bød på robuste AMC T-konnektorer til CM hårde miljøer. Med et innovativt 3-til-1 låsesystem, en refleksfri MY overflade og høj resistens over for påvirkninger udefra har AMC CY T vist sit værd som konnekto- CMY rer til EBP. Nu fås EBP også med Mini-Snap-konnektor. Denne K klassiske metalkonnektor byder på sikkerhed og fleksibilitet samt en gennemtestet push-pull låse- mekanisme. Beskyttelsesklassen er IP68. Den nye forbindelses- løsning er samtidig den mindste 12-linse forbindelsesløsning på markedet. Medi-Snap-konnektoren er frem- stillet i plastmateriale af høj kva- litet og derfor op til 75 procent lettere end sammenlignelige produkter. Det gør konnektoren ideel til transportabelt udstyr som medicoteknik, der flyttes rundt mellem afdelinger. Se flere detaljer om Expanded Beam Performance på www.odu- connectors.com/da/technologies/ fiber-optic/expanded-beam-per- formance/. ODU Denmark ApS Tlf.: 22 33 53 35 den fungerer under de påkræ- for drift inden for et tempera- vede forhold. turområde mellem –40°C og +150°C og med air gaps på Konklusion I det praktiske eksempel har 2,45mm ±1mm samt en aksial tolerance for sensorplacerin- magneten i referencedesig- gen på ±0,6mm. Hvis pladsen net vist sig at opfylde kravene tillader det, vil vi følge op med mouser-discoverdesigndevelop-print-170x250mm-dk.pdf 1 detaljer om skærmning mod de vagabonderende magne- tiske felter i en senere artikel. ADMT4000 er markedets før- ste integrerede ægte power- on multiturn positionssensor, og den vil i betydelig grad 02.05.24 16:52 kunne reducere kompleksi- teten i systemdesignet og de deraf følgende anstrengelser, hvad der ultimativt vil resul- tere i mindre, lettere og mere prisbillige løsninger. Referen- cedesignet er til rådighed for ADI’s kunder og vil kunne gøre designere med eller uden er- faring i magnetiske designs i stand til at tilføje nye og for- bedrede funktioner til nuvæ- rende applikationer og der- med åbne døren til en række nye formål. Design mouser.dk 654-CL90555DT32412S 654-10-504637-008 340103211B 673-100B-1003XT A17251-09 CB5347-000 RSPST070856 11350 - nr. 3 | marts 2025 5

    ...