CARATTERIZZAZIONE DI MATERIALE FERROMAGNETICO DOLCE Tassi.pdf · Tipologia Principio...

Applicazioni Magnetiche Srl

Progettazione e simulazione al calcolatore di

sensori elettromagnetici per l’industria

Via della Chiesa 16 , 29011 Borgonovo Val Tidone (Piacenza) Tel. +39 0523 997490

info@spinmag.it

Alessandro Tassi

Spin Applicazioni Magnetiche Srl

• Progettazione di dispositivi elettromagnetici

• Software per l’analisi elettromagnetica, termica e

per la meccatronica

• Caratterizzazione di materiali magnetici

Attività di Spin Applicazioni

Magnetiche Srl

ENGINEERING PROTOTYPING TRAINING MEASURING

FLUX 2D – 3D PORTUNUS MOTOR-CAD SPEED BCS

w w w . s p i n m a g . i t

Design of electromechanical devices and mechatronics - characterization of magnetic materials

Attività di Spin Applicazioni

Magnetiche Srl

Il campo magnetico

Ambito di questo contributo:

sensori elettromagnetici in bassa frequenza

Cenno storico

• Il campo magnetico è utilizzato come

elemento sensibile sin dall’antichità: prima

in Cina, poi importato in Europa attraverso

gli arabi.

Cenno storico

• Anni 60-oggi : Sviluppo dell’industria dei semiconduttori

• 1983 : Nuovi magneti permanenti (NdFeB)

• Anni 80-90 : Nuovi materiali ferromagnetici dolci

(amorfi, leghe Fe-Ni)

• Anni 80-oggi : richieste dall’industria dell’automazione e

automobilistica.

Principio generale di funzionamento

• L’intensità di campo magnetico (H) e l’induzione magnetica (B)

NON sono la stessa cosa.

• H si misura in A/m (Oersted), B in Tesla (Gauss)

• La grandezza che si vuole caratterizzare , o una sua variazione,

genera una perturbazione nel campo magnetico e di

conseguenza una variazione temporanea di stato in un elemento

sensibile al campo magnetico. L’elemento sensibile può essere :

semiconduttore

spira conduttrice di corrente

materiali non magnetici (acqua)

materiale ferromagnetico

Sensore Reed

Effetto Hall

Utilizzo di sensori magnetici

Perché utilizzare il campo magnetico in

ambito sensoristico ?

1. Consente la misura indiretta di altre grandezze.

2. Lavora a distanza.

3. Possono essere sfruttate diverse dinamiche,

geometrie, sensibilità, accuratezze.

4. E’ semplice da usare.

5. E’ economico.

Utilizzo di sensori magnetici

Possibili problematiche:

1. Interazioni con materiali ferromagnetici o altri

campi magnetici.

2. La distribuzione del campo magnetico può rivelarsi

complessa.

Tipologie di sensori magnetici (1a)

Tipologia Principio Caratteristiche

Hall Effetto Hall Ridotte dimensioni, da economici a

sofisticati, programmabili, ampio range

Reed Effetto magneto-

meccanico

Economico, consente iniezioni dirette di

corrente.

Range molto limitato, fluttuazioni di

sensibilità.

Induttivo Faraday Neumann

Solo con campi variabili, dimensioni

legate alle dimensioni del conduttore e al

numero di spire, limitato in frequenza da

correnti indotte

Tipologie di sensori magnetici (1b)

Magnetoresistenza Effetto

magnetoresistivo in

seminconduttori.

Ridotte dimensioni, da economici a

sofisticati, buona sensibilità,

programmabili, range limitato,

integrabili

AMR (1856) Anisotropic

Magnetoresistive

(ferromagnetic on

semiconductor layer)

Buona integrazione in circuiti elettronici,

anche per misura di direzione.

Disturbato da campi magnetici (alcune

decine di mT)

GMR (1988) Giant

magnetorestitive

(ferromagnetic on

non magnetic

metallic layer)

Buona integrazione in circuiti elettronici,

anche per misura di direzione, poco

disturbato da elevati campi magnetici ,

elevati guadagni

Tipologie di sensori

magnetici (2)

Squid Effetti quantistici Ampissimo range, lavorano a 4K,

misure statiche

Fluxgate Induzione

elettromagnetica + 2a

armonica in cores

Preciso, dimensioni rilevanti,

limitato in frequenza a 1 kHz

Magnetoinduttivi Permeabilità + frequenza

in oscillatore LR

Limiti termici

NMR Effetti quantistici Elevata precisione, campi elevati.

Costoso, range molto limtato

Grandezze misurabili

Grandezza Principio

Intensità di campo magnetico Hall, MR, Reed

Velocità Hall, induttivi, MR

Presenza Hall, MR, Reed

Corrente Hall, MR

Orientamento, direzione Hall, MR

Modalità di utilizzo

• Sensing indiretto di altre grandezze fisiche.

• Risposta on-off o lineare

• Unipolare - bipolare

• Con «biasing» di magnete permanente

• Con schermatura da materiali magnetici dolci

• Combinazione di più sensori

• Programmazione finalizzata a:

• calibrazione

• uniformizzazione

• compensazione temperatura

Dove vengono utilizzati i sensori magnetici ?

1. Sensori di posizione:

• bussole

• encoder per macchine rotanti o lineari

• commutazione motori brushless

2. Sensori di presenza :

• fine corsa

• sicurezza

3. Sensori di velocità:

• movimento rotante

• movimento lineare

4. Sensori di corrente

5. Sensori di campo magnetico. Spin Applicazioni Magnetiche Srl

Esempio: sensore di velocità

Voltage detecting

Permanent magnet + iron steel

Esempio: sensore di velocità

OTT_1A

(E-3) s.

(E-3) Volt

CURVE C2D_1Circuit / VoltageTime: 0,0052 - 0,02Resis2 ;

Effetti di campo assiale disperso

Esempio: encoder magnetici

Obiettivo: magnetizzazione in linea

mantenendo elevata accuratezza.

Esempio: encoder magnetici

• Mesh regolare

Sensore di presenza in campo zero

• Mesh regolare

Qualche annotazione

• Ampia scelta di sensori magnetici.

• Materiali strategici: • Terre rare – magneti permanenti passaggio ad altri magneti

quali ferrite o Alnico

• Cobalto: presente in alcuni substrati di sensori integrabili

• Semiconduttori e loro droganti.

• Aspetti … secondari:

• dimensioni area attiva

• posizione esatta area attiva

• isteresi sensore

• variabilità produzione

Grazie per l’attenzione

Esempi di progettazione di MOTORE ELETTRICO

Motore sincrono a magneti permanenti senza azionamento per

pompa carburante

Motore a MP interni , senza driver: la coppia resistente sale quadraticamente con la velocità.

Risultati cliente

Progettazione di MOTORE ELETTRICO

Progettazione di motore brushless a magneti permanenti superficiali con

rotore interno per elevatore

Progettazione dell’azionamento di macchine

elettriche rotanti.

Progettazione , ottimizzazione e simulazione di sistemi di controllo

per macchine elettriche rotanti.

inver ter

Scalar

Control

N_radsec

SpeedController

Source G(s )

Reference speed

TORQUE

FLUXph1

Kirchoff / Signal flowInterface

Induction MachineFlux model

t/s20 m 40 m 60 m 80 m 100 m 120 m 140 m 160 m 180 m 200 m 220 m 240 m 260 m 280 m 300 m 320 m 340 m 360 m 380 m 400 m 420 m 440 m 460 m 480 m

FLUXCPL1.I1

FLUXCPL1.I2

FLUXCPL1.I3• Corrente di fase

Progettazione di MOTORE ELETTRICO

Ottimizzazione finalizzata alla riduzione della rumorosità di motore

brushless per elettroventola a magneti permanenti e rotore esterno

Progettazione di ATTUATORE LINEARE

Motore lineare a magneti permanenti per applicazione in ambito tessile

-100,00

-50,00

100,00

150,00

200,00

0,0000 0,0010 0,0020 0,0030 0,0040 0,0050

time [s]

Velocità

0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050

time [s]

Velocità

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