磁控開關的研究與應用

王 靜 徐 松 李 松 朱 華

（廣東美的制冷設備工程技術(shù)研究中心 佛山 519070）

引言

磁控開關是一種常用開關，一般用來檢測水位到達一定位置的液面。浮子是一永磁體，隨液面浮動，當浮子達到霍爾開關位置，霍爾在磁場的感應下由高電平切換為低電平，把信號傳遞給控制單元，控制單元給水泵信號，水泵抽水，從而實現(xiàn)開關的效果。由于浮子和霍爾通過磁場感應將結(jié)構(gòu)位置轉(zhuǎn)換成電信號，可以有效把電氣元件與水隔開，在水位開關上應用效果很好，但浮子和霍爾的有效匹配是應用的關鍵。在實際應用中，由于磁控開關本身的特性，要求的使用環(huán)境苛刻，不能有影響霍爾元件的磁場，也不能影響浮子；浮子是永磁體，離金屬近，會影響浮子在液面的浮力，從而導致磁控開關的失效。通過過去和近幾年對磁控開關的一些研究文獻分析表明，大多是針對磁控開關原理本身在不同的環(huán)境中的一些設計和應用，缺乏一些環(huán)境本身對磁控開關的影響，徐冬等提出一種多霍爾在鍋爐液位傳感器上的應用[3]。深圳萬訊袁菲揭示了多霍爾傳感技術(shù)在多圈傳感技術(shù)的發(fā)展方向[6]。本文主要通過對一標準浮子永磁體的磁場空間分布進行仿真，在一定空間結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)得出浮子與霍爾元件電氣特性匹配關系，并通過仿真分析磁控開關周圍環(huán)境對其的影響，為磁控開關應用提供設計依據(jù)。

1 磁控開關工作原理

磁控開關控制系統(tǒng)包括：水箱，浮子，霍爾元件，控制器，顯示器，水泵。浮子安裝在水箱的水槽中，在水槽中有一定的行程；霍爾固定安裝在整機外殼上，霍爾中心正對浮子在水槽中最底部位置，此位置為浮子的初始位置；霍爾中心與浮子的初始位置有一定裝配公差，便于水箱加水或倒水。如圖1，當浮子正對于與霍爾中心時，霍爾輸出低電平，顯示器顯示 “缺水”；當浮子遠離霍爾中心時，霍爾感應不到磁場或磁場較弱時，輸出低電平，顯示器顯示 “滿水”；從而實現(xiàn)對水箱滿水識別情況；再通過控制器控制水泵從水箱抽水或吸水到水箱，從而實現(xiàn)磁控開關在水箱對液面的系統(tǒng)有效控制。

圖1 磁控開關表達示意圖

圖2 浮子磁場分布

圖3 浮子在計算域的磁場流線

圖4 計算模型

圖5 模型放大圖

圖6 空間點1 磁場分布云圖

圖7 空間點2 磁場分布云圖

2 浮子磁場強度空間分布

2.1 浮子永磁體磁場強度仿真

ANSYS 有限元仿真是一款強大的靜磁求解器軟件，根據(jù)麥克斯韋方程組靜磁方程求解。

通過浮子永磁體建模，計算域放大，對磁場強度進行仿真，分析浮子磁場的空間分布。仿真選取一標準浮子，先對浮子計算域內(nèi)磁場分布仿真和計算域內(nèi)的磁場流線圖；再對浮子磁場源空間中的2 個點計算結(jié)果處理，空間位置1（水平距離6.8 mm，垂直距離8 mm）和空間位置2（水平距離4.3 mm，垂直距離11 mm），取空間點1 mm 直徑范圍內(nèi)的磁場分布。

從磁場仿真分布云圖可以看出，磁場源的磁場在空間范圍內(nèi)呈規(guī)律分布，從一極流回到另一極，與磁場理論分布一致。

在一定大小的釹鐵硼浮子空間磁場內(nèi)，在空間位置1，最大磁場強度為118 gauss，最小磁場強度為82 gauss，中間位置磁場強度100 gauss 左右；在空間位置2，最大磁場強度為81.6 gauss 最小磁場強度為67 gauss，中間位置磁場強度74 .8 gauss 左右。磁場的大小與距離有關，離浮子永磁體越遠，磁場強度越弱。

在磁場源一定距離的某點直徑1 mm 范圍內(nèi)，磁場變化小，分布較均勻。在磁控開關實際運用中，霍爾的裝配存在裝配公差，在較小范圍內(nèi)波動，磁場變化不大，有利于霍爾的應用。

2.2 檢測浮子磁場強度空間分布

通過磁場強度測試儀，對浮子的空間不同距離測試。整理測試數(shù)據(jù)如表1。

表1 某浮子空間磁場分布測試數(shù)據(jù)

從浮子永磁體的實測磁場強度可以看出，磁場的大小與距離有關，離浮子永磁體越遠，磁場強度越弱；不同的浮子，磁場強度有一定的差異；永磁體表磁磁場很強，表磁附近衰減很快，在（6 ～12）mm 磁場分布相對穩(wěn)定，且磁場強度衰減較慢；由于霍爾裝配公差和制造工藝差異以及霍爾元件本身的回差特性，磁場分布穩(wěn)定對應的空間距離區(qū)段更有利于磁控開關的運用。

對比浮子永磁鐵仿真結(jié)果和實測空間磁場分布數(shù)據(jù)可以看出，磁場的大小與距離有關，離浮子永磁體越遠，磁場強度越弱；空間點的磁場仿真結(jié)果與實測磁場強度結(jié)果基本一致。

3 磁控開關空間距離工裝檢測

3.1 霍爾開關選取

根據(jù)浮子永磁體的空間磁場強度分布情況，選用水平距離（9 ～12）mm 范圍，對應磁場強度范圍（48 ～105）gauss。選取引發(fā)傳感器狀態(tài)改變（操作和釋放）所需的磁場強度（高斯）在（48 ～105）gauss范圍內(nèi)某典型值。

霍爾元件上電時，若施加磁場處于回差段（施加的磁場> Brp（動作閾值） 及< Bop（釋放閾值）），傳感器在 ON 或 OFF 狀態(tài)下均可能存在初始輸出。在輸入電壓到達額定值后等待 10 微秒，讓輸出電壓達到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 磁控開關工裝檢測

模擬磁控開關實際運用，通過工裝對某款霍爾元件和某浮子永磁體在空間的不同位置進行檢測，測試數(shù)據(jù)如表2 。

表2 某浮子與某款霍爾的空間距離匹配關系

表3 主要建模參數(shù)

從某浮子與某款霍爾的空間距離匹配測試數(shù)據(jù)可以看出：在一定的水平距離，浮子在豎直方向移動，霍爾開關的動作和釋放點不一樣，有一定的回差，回差在（6 ～8）mm 距離時比較穩(wěn)定。不同霍爾開關在同一水平距離的豎直動作距離和釋放距離有差異，在（0 ～8） mm 段一致性相對較好。通過磁場的空間分布，針對不同的霍爾元件的電氣特性，選擇合適的結(jié)構(gòu)空間，實現(xiàn)浮子和霍爾的使用匹配空間距離，從而實現(xiàn)浮子與霍爾開關的有效應用。

4 周圍環(huán)境對磁控開關的影響

磁控開關由浮子（永磁體）和霍爾元件構(gòu)成，根據(jù)磁控開關的工作原理，霍爾元件是隨磁場大小變化轉(zhuǎn)化為電信號從而實現(xiàn)通斷，外界的磁場會影響霍爾元件的使用。因此，在磁控開關的使用環(huán)境中不能有影響其使用的磁場。浮子（永磁體）在液面中上下浮動工作，浮子是經(jīng)過設計使用的，浮子也不能受外界影響，由于浮子是一磁體，周邊的金屬和其他永磁體會對浮子形成一磁力（引力或斥力），可能會造成浮子卡滯或液面行程點變化，從而導致磁控開關的失效。

4.1 周圍環(huán)境對磁控開關浮子的影響

根據(jù)磁控開關的使用環(huán)境，模擬門吸磁體與浮子磁體的空間位置關系，建立電磁仿真模型，

模型簡化與設置如圖8，計算域邊界放大50 倍模型尺寸。

圖8 浮子與門吸磁體建模圖

4.2 仿真結(jié)果與分析

通過有限元仿真，對浮子磁體周邊磁場空間分布有直觀分析。

如圖9，磁體附近的磁場分布，磁體表面磁場強度最大，以磁體表面為中心，距離磁體越遠磁場強度越弱，最大的磁場強度為1.6 T。磁體表面0.7 T 左右。

圖9 浮子磁體與門吸磁體磁場分布圖

如表4，浮子磁體與門吸磁體受力Z 方向最大為5.3 mN。由于兩塊磁體距離較遠，相互之間磁場幾乎不干擾。浮子磁體在XYZ 三個方向上受力為（3 ～6）mN級別，浮子磁體受門吸磁體的受力影響幾乎可以忽略。

表4 浮子磁體與門吸磁體受力影響

通過對磁控開關周圍最大可能有影響的門吸磁體建模仿真分析，可以排除周圍環(huán)境對磁控開關的影響，為磁控開關的應用提供了理論設計支持。

5 結(jié)論

本文根據(jù)磁控開關工作原理，隨著浮子永磁體在豎直方向上移動，與霍爾開關的相對位置發(fā)生變化，浮子對霍爾元件的磁場強度也發(fā)生變化，當磁場強度達到霍爾元件感應值，霍爾元件動作或釋放，電平也發(fā)生變化，輸出高電平或低電平，從而轉(zhuǎn)化為電信號，通過顯示器顯示水箱“水滿”或 “缺水”，實現(xiàn)對液面水位的檢測。

本文通過浮子永磁鐵建模，對空間結(jié)構(gòu)磁場強度進行仿真，得出浮子在空間結(jié)構(gòu)上的磁場強度分布情況；并對浮子永磁體磁場強度不同距離檢測，對比驗證了磁場強度分布仿真結(jié)果有效性，為磁控開關的設計提供依據(jù)。磁場的大小與距離有關，離浮子永磁體越遠，磁場強度越弱。不同浮子有一定的磁場強度差異，在（4 ～10） mm 的磁場部分較穩(wěn)定，是磁控開關可運用的穩(wěn)定距離段。結(jié)構(gòu)空間點1 mm 范圍的磁場強度穩(wěn)定性覆蓋了霍爾元件自身的差異性，為磁控開關的有效運用提供保證。

本文根據(jù)磁場強度分布，選用穩(wěn)定的磁場強度段，選擇匹配的霍爾傳感器，通過工裝校核浮子永磁鐵和霍爾元件的實際空間結(jié)構(gòu)距離匹配情況，并對不同霍爾元件做差異性匹配測試。數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：水平距離（0 ～8）mm 段，浮子與霍爾元件匹配的一致性較好，是產(chǎn)品應用較好的空間結(jié)構(gòu)距離，也能滿足一定的裝配公差。

本文通過有限元對浮子磁體和門吸磁體的磁場仿真，排除了周圍環(huán)境對磁控開關的影響，為磁控開關的應用提供了理論設計支持。