Dvojice magnetických pólů: Příliš mnoho je plýtvání, příliš málo je nedostačujících – kde jsou limity výběru vstřikovaných feritových disků?

Při výběru magnetický kodér disků , běžná intuice je: čím vyšší počet pólových párů, tím vyšší rozlišení a lepší výkon. Na úrovni senzorů je tento úsudek obecně platný. Ale jakmile je materiál magnetu fixován jako vstřikovaný ferit, situace se stává jemnější. Strop magnetického výkonu vstřikovaného feritu, procesní limity vícepólové magnetizace a snadno přehlédnutelný fakt, že 'rozlišení ≠ přesnost' dohromady kreslí selekční křivku, která není jednoduše 'čím vyšší, tím lepší'.

Nejprve si ujasněte premisu: rozlišení se nerovná přesnosti

Aplikační literatura TI poskytuje stručný vztah: při použití jediné Hallovy západky se impulsy na otáčku rovnají počtu pólových párů magnetu; při použití dvou Hallových západek pro kvadraturní dekódování jsou počty na otáčku dvojnásobkem počtu pólů. Z pohledu 'gradace' pólové páry přímo určují nejmenší úhlový krok, který systém dokáže vyřešit.

Ale připomínka z open source projektu magnetického kodéru si zaslouží pozornost každého voliče: 'Rozlišení != Přesnost'—můžete získat teoretické rozlišení 0,017°/krok při rozteči pólů 2,4 mm, ale tyto kroky nejsou po obvodu jednotně mapovány. Jinými slovy,  pólové páry určují 'jak jemná jsou dělení' ne 'jak přesně jsou dělení nakreslena'  Úhlová chyba pochází z konzistence rozteče pólů, jasnosti magnetizačních hranic, excentricity instalace senzoru a stejnoměrnosti materiálu samotného magnetu. Samotné pólové páry tyto chyby neodstraňují; místo toho je mohou zesílit se zvyšujícím se počtem pólových párů.

'Strop magnetického výkonu' vstřikovaného feritu

Umístění vstřikovaného feritu je jasné: je vstřikován z feritového prášku (obvykle feritu stroncia) kombinovaného s polymerní matricí, jako je nylon PA12/PA6. Jeho výhody spočívají v integrovaném lisování složitých tvarů, dobré rozměrové konzistenci, odolnosti proti korozi a nízké ceně, ale jeho magnetický výkon je na nízké úrovni mezi běžně používanými materiály kodérových magnetů.

Pokud jde o konkrétní údaje, zbytková indukce Br u vstřikovaného feritu je zhruba  1,7–3,0 kgs , vnitřní koercivita Hci je asi  2,3–4,0 kOe a maximální energetický produkt BHmax je asi  1–2,2 MGOe . Pro srovnání, Br vázaného NdFeB je typicky  4,5–7,5 kgs a BHmax může dosáhnout  5–8 MGOe  nebo dokonce vyšší. To znamená, že při stejné vzduchové mezeře senzoru a prahu detekce je 'síla signálu' magnetického pole, kterou může poskytnout vstřikovaný ferit, jasně slabší než u systémů NdFeB.

Data povrchového magnetického pole po vícepólové magnetizaci dále ilustrují omezení: povrchové magnetické pole tenkostěnných vstřikovaných vstřikovaných feritových vícepólových magnetických prstenců s vnitřním průměrem je asi  600–1100 Gs , zatímco anizotropní slinutý ferit může dosáhnout vyšších hodnot. Se zvyšujícím se počtem pólových párů a zužováním šířky oblouku každého jednotlivého pólu se 'plocha' dostupná pro vytvoření magnetického pole zmenšuje, okrajové efekty a superpozice mezipólového magnetického pole se stávají významnějšími a dále se zhoršuje poměr signálu k šumu.  Toto není problém, který lze vyřešit úpravou proudu magnetizéru; spíše se jedná o měkkou horní hranici stanovenou energetickým produktem materiálu na počet pólových párů.

Geometrické vazby mezi roztečí pólů, tloušťkou a páry pólů

Empirický vztah uvedený v evropském patentu je docela instruktivní: tloušťka magnetizovatelného prvku by měla být přibližně  1,25násobek rozteče pólů  (±25 %), což odpovídá rozsahu tloušťky přibližně 0,3–1,5 mm; samotná rozteč pólů je řádově  0,25–1,25 mm . Toto geometrické omezení váže počet pólových párů k průměru disku: pro daný průměr platí, že čím vyšší je počet pólových párů, tím menší je rozteč pólů a tím tenčí je požadovaná tloušťka magnetu.

U vstřikovaného feritu se ztenčení stěny dále stlačuje efektivní magnetický tok. Současně, jakmile se rozteč pólů zmenší na submilimetrovou úroveň, toleranční okno pro přesnost pólové hlavy magnetizačního přípravku a konstrukci magnetického obvodu se rychle zúží. Průmyslové materiály jasně poukazují na to, že čím vyšší je počet pólů, tím menší je šířka jednopólového oblouku a tím vyšší jsou požadavky na přesnost pólové hlavy magnetizačního přípravku a konstrukci magnetického obvodu. problémy, jako je  podsycení na špičkách pólů, zkreslení magnetického pole a posun nulové polohy mezi póly . Objeví se

To vysvětluje, proč se běžné specifikace vstřikovaných magnetických kroužků feritových kodérů na trhu soustředí na pozice, jako jsou  62/64 póly a 126/128 póly , spíše než aby byly naskládány do nekonečna. Tyto pozice jsou body rovnováhy, které již prošly inženýrskou konvergencí mezi výkonem materiálu, procesem magnetizace a cenou.

Logika výběru: pracujte zpětně od 'jak jemné je potřeba' po 'jak vysoko lze dosáhnout'

Praktická cesta výběru by měla být obrácená:  nejprve určete rozlišení, které systém skutečně potřebuje, a poté vyhodnoťte, zda vstřikovaný ferit může poskytnout použitelnou kvalitu signálu při tomto počtu pólových párů.

Nízký rozsah párů pólů (4–12 pólů):  Délka oblouku jednoho pólu je velká a magnetický tok je dostatečný, takže nedostatek slabého magnetického pole u vstřikovaného feritu je kompenzován geometrickými rozměry. Tato řada je vhodná pro scénáře, které nevyžadují přísné rozlišení, ale vyžadují nízkou cenu a dobrou konzistenci, jako jsou motory ventilátorů, chytré vodoměry a zařízení BLDC. V těchto aplikacích je úlohou pólových párů spíše poskytovat komutační referenci než přesné úhlové měřítko.

Střední rozsah párů pólů (16–32 pólů):  Toto je práh pro vstup do aplikací na úrovni kodéru. Vstřikovaný ferit může v tomto rozsahu stále udržovat použitelný poměr signálu k šumu, takže je vhodný pro úhlovou zpětnou vazbu se středním rozlišením, jako jsou kodéry kloubů humanoidních robotů a některé pomocné servo zpětné vazby. Při výběru je klíčovou položkou ověření  konzistence rozteče pólů  spíše než pouhé sledování vyššího počtu párů pólů – 32pólový magnetický prstenec s rovnoměrným rozložením rozteče pólů může dosáhnout lepší úhlové přesnosti než 64pólový magnetický prstenec s rozmazanými hranicemi magnetizace.

Vyšší rozsah pólových párů (48–64 pólů a více):  Vstřikovaný ferit se začíná přibližovat k horním limitům procesu a materiálu. Tato řada je vhodnější pro  dvoukolejný design : hlavní dráha je zodpovědná za přírůstkovou nebo absolutní polohu s vysokým rozlišením, zatímco sekundární dráha poskytuje počet otáček nebo hrubou referenci polohy s coprime počty párů pólů. Produkty tohoto přístupu jsou již dostupné na trhu 62/64pólové a 126/128pólové dvoustopé magnetické kroužky. Je však třeba poznamenat, že když se počet pólových párů dále zvyšuje, útlum povrchového pole a mezipólová interference vstřikovaného feritu zhorší kvalitu signálu. V tomto bodě  je lepený NdFeB obvykle rozumnější volbou , navzdory jeho vyšším nákladům.

Dvě klíčové připomínky pro technickou implementaci

Nejprve zahrňte do kontroly výběru schopnost magnetizace.  Počet pólových párů na výkresu magnetického prstence je návrhová hodnota. Zda je skutečné rozložení magnetických pólů rovnoměrné a zda jsou mezipólové nulové polohy jasné, závisí na magnetizačním přípravku a procesu. Před určením počtu párů pólů by měl být dodavatel magnetu požádán, aby poskytl  naměřenou křivku rozložení povrchového pole  a  údaje o konzistenci rozteče pólů  při tomto počtu párů pólů, nikoli pouze schéma uspořádání magnetických pólů.

Za druhé, duální stopa není zkratkou pro 'skládání počtů pólů'.  Hodnota dvoustopé spočívá v použití kombinace coprime počtů pólů párů k současnému získání vysokého rozlišení a absolutní reference polohy. Klade však vyšší nároky na fázové vyrovnání mezi dvěma magnetickými stopami a na řízení magnetizačního přeslechu. Pokud jsou počty pólových párů hlavní a vedlejší stopy zvoleny nesprávně (například příliš blízko u sebe), výhoda řešení polohy, kterou přináší koprimalita, bude kompenzována přeslechy signálu. Kombinace pól-pár dvou stop musí být navržena společně s dekódovacím algoritmem, spíše než jednostranně rozhodovat výrobce magnetu.

Podstatou výběru je najít průsečík mezi  požadavky na rozlišení, materiálovými schopnostmi, procesním oknem a náklady . Vstřikovaný ferit není 'univerzálním magnetickým prstencovým materiálem'. Poskytuje vysoce nákladově efektivní řešení v rozsahu nízkých až středních pólových párů; ale když počet pólových párů překročí 64, selektory musí poctivě čelit svému stropu magnetického výkonu – buď akceptovat ztrátu kvality signálu, nebo se obrátit na materiálový systém s vyšším energetickým produktem.  Pólové páry jsou pravítko, ale to, zda jsou stupnice na pravítku nakresleny přesně, závisí na tom, zda je materiál a proces mohou podporovat.