أزواج الأقطاب المغناطيسية: الكثير منها يعد إهدارًا، والقليل جدًا غير كافٍ - ما هي حدود اختيار أقراص الفريت المقولبة بالحقن؟

عند الاختيار أقراص التشفير المغناطيسي ، هناك حدس شائع: كلما زاد عدد أزواج الأقطاب، زادت الدقة وكان الأداء أفضل. على مستوى أجهزة الاستشعار، هذا الحكم صالح على نطاق واسع. ولكن بمجرد تثبيت المادة المغناطيسية على شكل فريت مصبوب بالحقن، يصبح الوضع أكثر دقة. إن سقف الأداء المغناطيسي للفريت المصبوب بالحقن، وحدود عملية المغنطة متعددة الأقطاب، والحقيقة التي يتم التغاضي عنها بسهولة وهي أن 'الدقة ≠ الدقة' معًا ترسم منحنى اختيار ليس ببساطة 'كلما كان أعلى، كلما كان ذلك أفضل'.

أولاً، قم بتوضيح فرضية: الدقة لا تساوي الدقة

تعطي أدبيات تطبيق TI علاقة موجزة: عند استخدام مزلاج Hall واحد، فإن النبضات في كل دورة تساوي عدد أزواج أقطاب المغناطيس؛ عند استخدام مزلاجي Hall لفك التشفير التربيعي، يكون عدد الأقطاب في كل دورة ضعف عدد الأقطاب. من منظور 'التخرجات'، تحدد أزواج الأقطاب بشكل مباشر أصغر خطوة زاوية يمكن للنظام حلها.

لكن هناك تذكير من مشروع تشفير مغناطيسي مفتوح المصدر يستحق الاهتمام من كل محدد: 'الدقة ! = الدقة' - يمكنك الحصول على دقة نظرية تبلغ 0.017 درجة/خطوة عند مسافة قطب تبلغ 2.4 مم، ولكن لم يتم تعيين هذه الخطوات بشكل موحد حول المحيط. بمعنى آخر،  تحدد أزواج الأقطاب 'مدى دقة التدريجات'، وليس 'مدى دقة رسم التدريجات'.  ويأتي الخطأ الزاوي من اتساق درجة القطب، ووضوح حدود المغنطة، وانحراف تركيب المستشعر، وتوحيد المادة للمغناطيس نفسه. أزواج القطب نفسها لا تزيل هذه الأخطاء؛ وبدلاً من ذلك، قد تقوم بتضخيمها مع زيادة عدد أزواج الأقطاب.

'سقف الأداء المغناطيسي' للفريت المصبوب بالحقن

إن موضع الفريت المصبوب بالحقن واضح: فهو مصبوب بالحقن من مسحوق الفريت (عادة السترونتيوم الفريت) مدمج مع مصفوفة بوليمر مثل النايلون PA12/PA6. تكمن مزاياها في القولبة المتكاملة للأشكال المعقدة، واتساق الأبعاد الجيد، ومقاومة التآكل، والتكلفة المنخفضة، ولكن أدائها المغناطيسي عند الحد الأدنى بين المواد المغناطيسية المشفرة شائعة الاستخدام.

فيما يتعلق بالبيانات المحددة، فإن الحث المتبقي Br للفريت المصبوب بالحقن يبلغ حوالي  1.7-3.0 كيلو جرام ، والإكراه الجوهري Hci حوالي  2.3-4.0 كيلو أوي ، والحد الأقصى لمنتج الطاقة BHmax حوالي  1-2.2 MGOe . كمرجع، يكون Br من NdFeB المستعبد عادةً  4.5-7.5 كيلو جرام ، ويمكن أن يصل BHmax إلى  5-8 MGOe  أو أعلى. وهذا يعني أنه، في ظل نفس الفجوة الهوائية للمستشعر وعتبة الكشف، يكون المجال المغناطيسي ''قوة الإشارة'' الذي يمكن أن يوفره الفريت المصبوب بالحقن أضعف بشكل واضح من أنظمة NdFeB.

توضح بيانات المجال المغناطيسي السطحي بعد مغنطة متعددة الأقطاب القيد أيضًا: يبلغ المجال المغناطيسي السطحي للحلقات المغناطيسية متعددة الأقطاب من الفريت ذات القطر الداخلي الرقيق والموجهة بالحقن حوالي  600-1100 جيجا جرام ، في حين أن الفريت الملبد متباين الخواص يمكنه تحقيق قيم أعلى. مع زيادة عدد أزواج الأقطاب وتضييق عرض القوس لكل قطب على حدة، تتقلص 'المساحة' المتاحة لإنشاء المجال المغناطيسي، وتصبح تأثيرات الحافة وتراكب المجال المغناطيسي بين الأقطاب أكثر أهمية، وتتدهور نسبة الإشارة إلى الضوضاء بشكل أكبر.  هذه ليست مشكلة يمكن حلها عن طريق ضبط تيار الممغنط؛ بل هو حد أعلى ناعم يفرضه منتج طاقة المادة على عدد أزواج الأقطاب.

القيود الهندسية بين ميل القطب والسمك وأزواج القطب

تعتبر العلاقة التجريبية الواردة في براءة اختراع أوروبية مفيدة للغاية: يجب أن يكون سمك العنصر القابل للمغنطة حوالي  1.25 مرة من خطوة القطب  (±25%)، وهو ما يتوافق مع نطاق سمك يبلغ حوالي 0.3-1.5 مم؛ تبلغ درجة ميل القطب نفسه  0.25-1.25 ملم . يربط هذا القيد الهندسي عدد أزواج الأقطاب بقطر القرص: بالنسبة لقطر معين، كلما زاد عدد أزواج الأقطاب، قلت درجة ميل القطب، وقل سمك المغناطيس المطلوب.

بالنسبة للفريت المصبوب بالحقن، يؤدي ترقق الجدار إلى زيادة ضغط التدفق المغناطيسي الفعال. في الوقت نفسه، بمجرد أن تتقلص درجة القطب إلى مستوى أقل من المليمتر، فإن نافذة التسامح لمغناطيس دقة رأس عمود التثبيت وتصميم الدائرة المغناطيسية تضيق بسرعة. تشير المواد الصناعية بوضوح إلى أنه كلما زاد عدد الأعمدة، قل عرض القوس أحادي القطب، وارتفعت متطلبات مغنطة دقة رأس عمود التثبيت وتصميم الدوائر المغناطيسية. مشاكل مثل  نقص التشبع عند أطراف القطب، وتشويه المجال المغناطيسي، وتحول الموضع الصفري بين القطبين . سوف تظهر بعد ذلك

وهذا ما يفسر سبب تركيز المواصفات الشائعة للحلقات المغناطيسية لتشفير الفريت المصبوبة بالحقن في السوق في مواضع مثل  62/64 قطبًا و126/128 قطبًا ، بدلاً من تكديسها لأعلى إلى أجل غير مسمى. هذه المواضع هي نقاط توازن خضعت بالفعل لتقارب هندسي بين أداء المواد، وعملية المغنطة، والتكلفة.

منطق الاختيار: العمل بشكل عكسي من 'مدى الدقة المطلوبة' إلى 'مدى الارتفاع الذي يمكن تحقيقه'

يجب عكس مسار الاختيار العملي:  أولاً تحديد الدقة التي يحتاجها النظام حقًا، ثم تقييم ما إذا كان الفريت المصبوب بالحقن يمكنه توفير جودة إشارة قابلة للاستخدام عند عدد أزواج القطب.

نطاق زوج القطب المنخفض (4-12 قطبًا):  طول قوس القطب الواحد كبير، والتدفق المغناطيسي كافٍ، لذلك يتم تعويض النقص في المجال المغناطيسي الضعيف للفريت المصبوب بالحقن بأبعاد هندسية. هذا النطاق مناسب للسيناريوهات التي لا تتطلب دقة صارمة ولكنها تتطلب تكلفة منخفضة واتساقًا جيدًا، مثل محركات المروحة، وعدادات المياه الذكية، وأجهزة BLDC. في هذه التطبيقات، يتمثل دور أزواج القطب في توفير مرجع تخفيف أكثر من مجرد مقياس زاوي دقيق.

نطاق زوج القطب المتوسط ​​(16-32 قطبًا):  هذا هو الحد الأدنى لدخول التطبيقات على مستوى التشفير. لا يزال بإمكان الفريت المصبوب بالحقن الحفاظ على نسبة الإشارة إلى الضوضاء القابلة للاستخدام في هذا النطاق، مما يجعله مناسبًا لردود الفعل الزاوية متوسطة الدقة، مثل أجهزة تشفير المفاصل الروبوتية البشرية وبعض ردود الفعل المساعدة المؤازرة. أثناء الاختيار، عنصر التحقق الرئيسي هو  اتساق ميل القطب  بدلاً من مجرد السعي وراء عدد أعلى من أزواج القطب - حلقة مغناطيسية ذات 32 قطبًا مع توزيع موحد لخطوة القطب قد تحقق دقة زاويّة أفضل من الحلقة المغناطيسية ذات 64 قطبًا مع حدود مغنطة غير واضحة.

نطاق زوج القطب الأعلى (48-64 قطبًا وما فوق):  يبدأ الفريت المصبوب بالحقن في الاقتراب من الحدود العليا للعملية والمواد. يعد هذا النطاق أكثر ملاءمة  لتصميم المسار المزدوج : المسار الرئيسي مسؤول عن الموضع التزايدي أو المطلق عالي الدقة، في حين يوفر المسار الثانوي عد الثورات أو مرجع الموضع الخشن مع تعداد أزواج القطب coprime. تعد الحلقات المغناطيسية ثنائية المسار ذات 62/64 قطبًا و126/128 قطبًا المتوفرة بالفعل في السوق من منتجات هذا النهج. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه عندما يزيد عدد أزواج القطب بشكل أكبر، فإن توهين المجال السطحي والتداخل بين الأقطاب للفريت المصبوب بالحقن سيؤدي إلى انخفاض جودة الإشارة. في هذه المرحلة،  عادةً ما يكون NdFeB المستعبد هو الخيار الأكثر منطقية ، على الرغم من تكلفته المرتفعة.

تذكيران رئيسيان للتنفيذ الهندسي

أولاً، قم بتضمين القدرة على المغنطة في مراجعة الاختيار.  يعد عدد أزواج القطب على رسم الحلقة المغناطيسية بمثابة قيمة تصميمية. يعتمد ما إذا كان توزيع القطب المغناطيسي الفعلي موحدًا وما إذا كانت المواضع الصفرية بين الأقطاب واضحة على عملية التثبيت وعملية المغنطة. قبل تحديد عدد أزواج الأقطاب، يجب أن يُطلب من مورد المغناطيس توفير  منحنى توزيع المجال السطحي المُقاس  وبيانات  اتساق ميل القطب  عند عدد أزواج الأقطاب، وليس مجرد رسم تخطيطي لترتيب القطب المغناطيسي.

ثانيًا، المسار المزدوج ليس اختصارًا لـ 'تكديس أعداد الأعمدة'.  تكمن قيمة المسار المزدوج في استخدام مجموعة من أعداد أزواج الأعمدة coprime للحصول في الوقت نفسه على دقة عالية ومرجع مطلق للموضع. ومع ذلك، فإنه يضع متطلبات أعلى على محاذاة الطور بين المسارين المغناطيسيين وعلى التحكم في الحديث المتبادل للمغنطة. إذا تم تحديد أعداد زوج القطب للمسارات الرئيسية والثانوية بشكل غير صحيح (على سبيل المثال، قريبة جدًا من بعضها البعض)، فإن ميزة حل الموضع التي توفرها البدائية المشتركة سيتم تعويضها عن طريق الحديث المتبادل للإشارة. يجب تصميم مجموعة زوج القطب من المسارات المزدوجة مع خوارزمية فك التشفير، بدلاً من أن يتم تحديدها من جانب واحد من قبل الشركة المصنعة للمغناطيس.

جوهر الاختيار هو إيجاد التقاطع بين  متطلبات القرار، والقدرة المادية، ونافذة العملية، والتكلفة . إن الفريت المصبوب بالحقن ليس 'مادة حلقة مغناطيسية عالمية'. فهو يوفر حلاً فعالاً للغاية من حيث التكلفة في نطاق زوج الأعمدة المنخفض إلى المتوسط؛ ولكن عندما يتقدم عدد أزواج الأقطاب إلى ما بعد 64، يحتاج المحددون إلى مواجهة سقف الأداء المغناطيسي بصدق - إما قبول الخسارة في جودة الإشارة أو التحول إلى نظام مادي بمنتج طاقة أعلى.  أزواج الأعمدة هي مسطرة، ولكن ما إذا كانت التدرجات الموجودة على المسطرة قد تم رسمها بدقة أم لا، فهذا يعتمد على ما إذا كانت المادة والعملية يمكن أن تدعمها.