基于Maxwell软件的齿轮测速传感器的磁路分析

　　一、齿轮测速原理

　　磁路设计是相对于电路设计提出的概念。磁路设计是对永磁体或电流产生的磁通量、软磁体的磁导、气隙的磁导进行分析和设计，以满足特定的磁通要求。

　　然而磁路设计也有不同于电路的地方，主要因为良导磁体的相对磁导率要比良导电体的相对电导率小，相差约五个数量级，因此相比较于电路的优良的约束，磁路中的漏磁现象比较严重，尤其是在无损的非接触测量中，漏磁的分析与磁路磁阻分析同等重要。

        磁敏感芯片对通过其表面磁通量的大小可以感应相应的输出。磁敏感效应主要包括磁阻效应和霍尔效应，磁阻芯片对磁场反映的电阻的变化，霍尔芯片对磁场反映的是电压的变化[1]。如图 1 所示，在有励磁的情况下，齿轮的凸凹会感应出高低不同的磁通分布，磁敏感芯片的输出随着齿轮的转动出现周期的波动，经过后续的调理电路进行处理可以得到标准的方波，从而可以实现转速的测量，公式如下：

　　二、Maxwell 有限元模拟软件

　　1、有限元磁仿真软件 Maxwell 简介

　　工程电磁场的应用是以 Maxwell 方程组为基础，简单的电磁场分析可以通过解析的方法给出一个准确的解，实际工程中的电磁场理论上也可以通过解 Maxwell 方程组得出，然而由于计算的复杂性，几乎不可能给出一个解析的答案。通过磁荷法或有限元等数学的方法可以给出一个数值近似的解，然而调节这个解的容差度，完全可以满足现实的需求。电磁场模拟软件 Maxwell[2]是 Ansoft 公司的电磁仿真软件，在实际中有着广泛的应用。此软件把复杂的数学计算放到后台进行处理，使用者可以直接面向需要解决的问题，建立模型，设置材料属性，参数及其他相关的求解设置，然后进入后处理可以得到相关电磁场和参数的详细信息。

     　2、Maxwell 二维静磁场参数化分析过程

　　(1)求解器和坐标系设定

　　齿轮测速传感器的磁路仿真从物理实体分析是三维磁分布，然而由于静磁场在空气中近似负指数的迅速衰减，磁通的分布主要体现在永磁体周围的局域范围内;齿轮和传感器敏感芯片都是规则的分布，因此可以近似采用二维静磁场求解器来计算;为了计算建模的方便，把齿轮的轴向旋转转换成直线运动进行等效分析，坐标系也就相应的采用直角坐标系。

　　(2)几何建模及变量约束

　　几何建模主要有永磁磁铁、齿轮和参考位置等几个几何体，变量约束分为几何体内部和外部两种，外部变量只要施加一个约束即可，而内部变量必须在直线的两个端点同时施加相同的变量才能保证几何体平行变化。