Sensoren
Sind seltene Erden vermeidbar?
Knappheit bei Seltenerdmagneten treibt die Suche nach Alternativen voran. Hochempfindliche magnetoresistive Sensoren ermöglichen den Einsatz von Ferritmagneten – und damit kostengünstigere sowie besser verfügbare Lösungen für zahlreiche Sensoranwendungen.
Die jüngste Verknappung von Seltenerdmagneten wie Neodym hat Entwickler dazu veranlasst, Alternativen sowohl bei Magnetmaterialien als auch bei der Sensortechnik zu suchen. Ziel ist es, Abhängigkeiten von seltenen Rohstoffen zu reduzieren, ohne Einbußen bei Funktionalität oder Zuverlässigkeit hinnehmen zu müssen.
NVE Corporation bietet hierfür eine Reihe hochempfindlicher magnetoresistiver Sensoren an, die speziell für den Einsatz mit leicht verfügbaren Ferritmagneten geeignet sind. In vielen Anwendungen zeichnen sich diese Sensoren durch eine hohe Luftspalttoleranz bei der Aktivierung aus, was Integration und Montage vereinfacht. Zudem arbeiten sie omnipolar, sodass die Magnetpolarität keine entscheidende Rolle spielt.
Warum Ferritmagnete eine Alternative sind
Ferritmagnete bestehen aus einer keramischen Verbindung, die hauptsächlich Eisen und Sauerstoff enthält – zwei der häufigsten Elemente der Erde. Seltenerdmaterialien wie Neodym kommen dagegen nur in sehr geringen Konzentrationen vor.
Magnetoresistive Sensoren mit Schaltausgang bieten unterschiedliche Betriebspunkte, darunter Varianten mit Aktivierungsschwellen von etwa 1 mT. Diese hohe Empfindlichkeit macht sie besonders geeignet für Ferritmagnete, deren Magnetfeld schwächer ist als das von Seltenerdmagneten.
Die entsprechende Sensorfamilie kombiniert GMR- und TMR-Sensorelemente mit integrierter Signalverarbeitung, Open-Collector- oder Open-Drain-Ausgängen sowie einfachen Drei-Pin-Schnittstellen. Niedrige Betriebspunkte, omnipolarer Betrieb und kompakte Gehäusegrößen bis etwa 0,65 mm unterstützen eine flexible Integration in unterschiedlichste Anwendungen.
Vergleich: Seltenerdmagnet gegen Ferrit
Ein Vergleich zeigt, wie sich Ferritmagnete mithilfe besonders empfindlicher Sensorik als Alternative einsetzen lassen. In einem Beispiel wird ein magnetoresistiver Sensor mit einem NdFeB-Magneten (Grad N45, Br 13500 G) betrieben. Der Sensor soll bei etwa 7 mm Abstand einschalten und mit einer Hysterese von 1 mm wieder ausschalten. Daraus ergibt sich für den Seltenerdmagneten eine Größe von etwa 2 mm Durchmesser und 2 mm Dicke. Simulationen bestätigen die geforderte Schaltcharakteristik.
Wird dieselbe Anwendung mit einem Ferritmaterial berechnet, lässt sich eine vergleichbare Schaltleistung erzielen. Bei einer Ferritkeramik C5/Y25 mit Br 3800 G ergibt sich ein Magnet mit etwa 3,5 mm Durchmesser und 3 mm Dicke. Der Sensor schaltet dabei mit nur geringfügiger Abweichung – beispielsweise bei rund 8,1 mm Abstand.
Ein anderes Ferritmaterial wie C1/Y10T (2175 G) würde einen Magneten von etwa 5 mm Durchmesser und 3 mm Länge erfordern.
Der Wechsel von Seltenerdmagneten zu ferritbasierten Lösungen ist mit hochempfindlicher GMR- und TMR-Sensortechnologie realisierbar. Durch die Kombination aus gut verfügbaren Magnetmaterialien und moderner Sensorik lassen sich wirtschaftliche und robuste Alternativen entwickeln. Auch On- und Off-Axis-Sensoranwendungen können mit diesem Ansatz simuliert und umgesetzt werden.
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