王 静 徐 松 李 松 朱 华

（广东美的制冷设备工程技术研究中心 佛山 519070）

引言

磁控开关是一种常用开关，一般用来检测水位到达一定位置的液面。浮子是一永磁体，随液面浮动，当浮子达到霍尔开关位置，霍尔在磁场的感应下由高电平切换为低电平，把信号传递给控制单元，控制单元给水泵信号，水泵抽水，从而实现开关的效果。由于浮子和霍尔通过磁场感应将结构位置转换成电信号，可以有效把电气元件与水隔开，在水位开关上应用效果很好，但浮子和霍尔的有效匹配是应用的关键。在实际应用中，由于磁控开关本身的特性，要求的使用环境苛刻，不能有影响霍尔元件的磁场，也不能影响浮子；浮子是永磁体，离金属近，会影响浮子在液面的浮力，从而导致磁控开关的失效。通过过去和近几年对磁控开关的一些研究文献分析表明，大多是针对磁控开关原理本身在不同的环境中的一些设计和应用，缺乏一些环境本身对磁控开关的影响，徐冬等提出一种多霍尔在锅炉液位传感器上的应用[3]。深圳万讯袁菲揭示了多霍尔传感技术在多圈传感技术的发展方向[6]。本文主要通过对一标准浮子永磁体的磁场空间分布进行仿真，在一定空间结构范围内得出浮子与霍尔元件电气特性匹配关系，并通过仿真分析磁控开关周围环境对其的影响，为磁控开关应用提供设计依据。

1 磁控开关工作原理

磁控开关控制系统包括：水箱，浮子，霍尔元件，控制器，显示器，水泵。浮子安装在水箱的水槽中，在水槽中有一定的行程；霍尔固定安装在整机外壳上，霍尔中心正对浮子在水槽中最底部位置，此位置为浮子的初始位置；霍尔中心与浮子的初始位置有一定装配公差，便于水箱加水或倒水。如图1，当浮子正对于与霍尔中心时，霍尔输出低电平，显示器显示 “缺水”；当浮子远离霍尔中心时，霍尔感应不到磁场或磁场较弱时，输出低电平，显示器显示 “满水”；从而实现对水箱满水识别情况；再通过控制器控制水泵从水箱抽水或吸水到水箱，从而实现磁控开关在水箱对液面的系统有效控制。

图1 磁控开关表达示意图

图2 浮子磁场分布

图3 浮子在计算域的磁场流线

图4 计算模型

图5 模型放大图

图6 空间点1 磁场分布云图

图7 空间点2 磁场分布云图

2 浮子磁场强度空间分布

2.1 浮子永磁体磁场强度仿真

ANSYS 有限元仿真是一款强大的静磁求解器软件，根据麦克斯韦方程组静磁方程求解。

通过浮子永磁体建模，计算域放大，对磁场强度进行仿真，分析浮子磁场的空间分布。仿真选取一标准浮子，先对浮子计算域内磁场分布仿真和计算域内的磁场流线图；再对浮子磁场源空间中的2 个点计算结果处理，空间位置1（水平距离6.8 mm，垂直距离8 mm）和空间位置2（水平距离4.3 mm，垂直距离11 mm），取空间点1 mm 直径范围内的磁场分布。

从磁场仿真分布云图可以看出，磁场源的磁场在空间范围内呈规律分布，从一极流回到另一极，与磁场理论分布一致。

在一定大小的钕铁硼浮子空间磁场内，在空间位置1，最大磁场强度为118 gauss，最小磁场强度为82 gauss，中间位置磁场强度100 gauss 左右；在空间位置2，最大磁场强度为81.6 gauss 最小磁场强度为67 gauss，中间位置磁场强度74 .8 gauss 左右。磁场的大小与距离有关，离浮子永磁体越远，磁场强度越弱。

在磁场源一定距离的某点直径1 mm 范围内，磁场变化小，分布较均匀。在磁控开关实际运用中，霍尔的装配存在装配公差，在较小范围内波动，磁场变化不大，有利于霍尔的应用。

2.2 检测浮子磁场强度空间分布

通过磁场强度测试仪，对浮子的空间不同距离测试。整理测试数据如表1。

表1 某浮子空间磁场分布测试数据

从浮子永磁体的实测磁场强度可以看出，磁场的大小与距离有关，离浮子永磁体越远，磁场强度越弱；不同的浮子，磁场强度有一定的差异；永磁体表磁磁场很强，表磁附近衰减很快，在（6 ～12）mm 磁场分布相对稳定，且磁场强度衰减较慢；由于霍尔装配公差和制造工艺差异以及霍尔元件本身的回差特性，磁场分布稳定对应的空间距离区段更有利于磁控开关的运用。

对比浮子永磁铁仿真结果和实测空间磁场分布数据可以看出，磁场的大小与距离有关，离浮子永磁体越远，磁场强度越弱；空间点的磁场仿真结果与实测磁场强度结果基本一致。

3 磁控开关空间距离工装检测

3.1 霍尔开关选取

根据浮子永磁体的空间磁场强度分布情况，选用水平距离（9 ～12）mm 范围，对应磁场强度范围（48 ～105）gauss。选取引发传感器状态改变（操作和释放）所需的磁场强度（高斯）在（48 ～105）gauss范围内某典型值。

霍尔元件上电时，若施加磁场处于回差段（施加的磁场> Brp（动作阈值） 及< Bop（释放阈值）），传感器在 ON 或 OFF 状态下均可能存在初始输出。在输入电压到达额定值后等待 10 微秒，让输出电压达到稳定状态。

3.2 磁控开关工装检测

模拟磁控开关实际运用，通过工装对某款霍尔元件和某浮子永磁体在空间的不同位置进行检测，测试数据如表2 。

表2 某浮子与某款霍尔的空间距离匹配关系

表3 主要建模参数

从某浮子与某款霍尔的空间距离匹配测试数据可以看出：在一定的水平距离，浮子在竖直方向移动，霍尔开关的动作和释放点不一样，有一定的回差，回差在（6 ～8）mm 距离时比较稳定。不同霍尔开关在同一水平距离的竖直动作距离和释放距离有差异，在（0 ～8） mm 段一致性相对较好。通过磁场的空间分布，针对不同的霍尔元件的电气特性，选择合适的结构空间，实现浮子和霍尔的使用匹配空间距离，从而实现浮子与霍尔开关的有效应用。

4 周围环境对磁控开关的影响

磁控开关由浮子（永磁体）和霍尔元件构成，根据磁控开关的工作原理，霍尔元件是随磁场大小变化转化为电信号从而实现通断，外界的磁场会影响霍尔元件的使用。因此，在磁控开关的使用环境中不能有影响其使用的磁场。浮子（永磁体）在液面中上下浮动工作，浮子是经过设计使用的，浮子也不能受外界影响，由于浮子是一磁体，周边的金属和其他永磁体会对浮子形成一磁力（引力或斥力），可能会造成浮子卡滞或液面行程点变化，从而导致磁控开关的失效。

4.1 周围环境对磁控开关浮子的影响

根据磁控开关的使用环境，模拟门吸磁体与浮子磁体的空间位置关系，建立电磁仿真模型，

模型简化与设置如图8，计算域边界放大50 倍模型尺寸。

图8 浮子与门吸磁体建模图

4.2 仿真结果与分析

通过有限元仿真，对浮子磁体周边磁场空间分布有直观分析。

如图9，磁体附近的磁场分布，磁体表面磁场强度最大，以磁体表面为中心，距离磁体越远磁场强度越弱，最大的磁场强度为1.6 T。磁体表面0.7 T 左右。

图9 浮子磁体与门吸磁体磁场分布图

如表4，浮子磁体与门吸磁体受力Z 方向最大为5.3 mN。由于两块磁体距离较远，相互之间磁场几乎不干扰。浮子磁体在XYZ 三个方向上受力为（3 ～6）mN级别，浮子磁体受门吸磁体的受力影响几乎可以忽略。

表4 浮子磁体与门吸磁体受力影响

通过对磁控开关周围最大可能有影响的门吸磁体建模仿真分析，可以排除周围环境对磁控开关的影响，为磁控开关的应用提供了理论设计支持。

5 结论

本文根据磁控开关工作原理，随着浮子永磁体在竖直方向上移动，与霍尔开关的相对位置发生变化，浮子对霍尔元件的磁场强度也发生变化，当磁场强度达到霍尔元件感应值，霍尔元件动作或释放，电平也发生变化，输出高电平或低电平，从而转化为电信号，通过显示器显示水箱“水满”或 “缺水”，实现对液面水位的检测。

本文通过浮子永磁铁建模，对空间结构磁场强度进行仿真，得出浮子在空间结构上的磁场强度分布情况；并对浮子永磁体磁场强度不同距离检测，对比验证了磁场强度分布仿真结果有效性，为磁控开关的设计提供依据。磁场的大小与距离有关，离浮子永磁体越远，磁场强度越弱。不同浮子有一定的磁场强度差异，在（4 ～10） mm 的磁场部分较稳定，是磁控开关可运用的稳定距离段。结构空间点1 mm 范围的磁场强度稳定性覆盖了霍尔元件自身的差异性，为磁控开关的有效运用提供保证。

本文根据磁场强度分布，选用稳定的磁场强度段，选择匹配的霍尔传感器，通过工装校核浮子永磁铁和霍尔元件的实际空间结构距离匹配情况，并对不同霍尔元件做差异性匹配测试。数据结果发现：水平距离（0 ～8）mm 段，浮子与霍尔元件匹配的一致性较好，是产品应用较好的空间结构距离，也能满足一定的装配公差。

本文通过有限元对浮子磁体和门吸磁体的磁场仿真，排除了周围环境对磁控开关的影响，为磁控开关的应用提供了理论设计支持。