Haptische HMIs mit magnetischen Sensoren
Zuverlässige Designs mit langer Lebensdauer
Beim Einsatz von Magnetsensoren zur Umsetzung von HMI-Drehreglern und -Tasten gilt es verschiedenes zu beachten, die Entkopplung der haptischen Elemente und der Elektronik sowie die Gewährung von Freiraum für die Mechanik. MPS stellt dazu einen vielfältig einsetzbaren magnetischen Winkelsensor vor.
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Entwerfen für Zuverlässigkeit und Einhaltung von Fertigungstoleranzen
Magnetische Sensoren sind aufgrund ihres berührungslosen Prinzips sehr zuverlässig. Dies steht in scharfem Gegensatz zu ihren herkömmlichen Gegenstücken – Schleifringpotenziometern –, die für ihre Kontaktprobleme berüchtigt sind, die zu einer typischen Lebensdauer von etwa 250.000 Zyklen führen. Allerdings sind auch magnetische Sensoren in gewisser Weise eingeschränkt. Wo liegen diese Grenzen und Verzerrungen und wie können sie vermieden werden?
Eine erste mögliche Ursache für Verzerrungen sind seitliche Verschiebungen des Sensors gegenüber der Rotationsachse (Bild 4). Sie können durch Ungenauigkeiten während der Produktion entstehen oder durch den Verschleiß der Komponente während ihrer gesamten Lebensdauer. Dies führt zu einer magnetischen Nichtlinearität, die vom Sensor erfasst würde.
Bei Verwendung des in Bild 3 gezeigten Aufbaus bedeutet beispielsweise eine zulässige magnetische Fehlanpassung von 0,5° oder weniger, dass die seitliche Toleranz auf ±0,2 mm begrenzt ist – was deutlich innerhalb typischer Fertigungstoleranzen liegt. Wenn aus irgendeinem Grund eine größere Toleranz erforderlich ist, kann ein größerer Magnetdurchmesser oder ein Ringmagnet verwendet werden, um eine robuste Konstruktion zu erreichen. Beispielsweise erhöht die Vergrößerung des Magnetdurchmessers von 5 mm auf 8 mm die seitliche Toleranz auf ±0,4 mm.
Bild 5 zeigt den Zusammenhang zwischen der magnetischen Fehlanpassung und unterschiedlichen Magnetdurchmessern. Konstrukteure können diese Beziehung nutzen, um einen magnetischen Durchmesser auszuwählen, der den erwarteten mechanischen Toleranzen in ihrer Anwendung Rechnung trägt.
Wichtig sind die Abmessungen des Magneten auch, um eventuelle Schwankungen des Luftspalts zwischen Magnet und Sensor zu bewältigen. Es ist wichtig, dass solche Abweichungen nicht dazu führen, dass die Flussdichte am Standort des Sensors außerhalb der erforderlichen Bedingungen liegt. In Bild 3 könnte der Luftspalt zwischen 0,0 mm und 3,1 mm variieren, ohne die Spezifikationen des MA800 zu überschreiten. Bild 6 zeigt diesen Effekt für mehrere Magnetdurchmesser. Diese mechanische Designflexibilität kann genutzt werden, um Fertigungstoleranzanforderungen durch einen Kompromiss zwischen Luftspalt und Magnetgröße zu erfüllen. Beispielsweise ermöglicht ein breiterer Zielmagnet einen größeren Luftspalt.
Für diesen Artikel wurden alle magnetischen Analysen mit einem öffentlich verfügbaren magnetischen Simulationstool durchgeführt. Mit diesem Simulator können Konstrukteure eine schnelle Überprüfung spezifischer magnetischer Konfigurationen durchführen und eingehende Untersuchungen zu den Auswirkungen von Toleranzen oder Fehlausrichtungen durchführen.
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