Magnetiske polpar: For mange er spild, for få er utilstrækkelige – hvor er udvælgelsesgrænserne for sprøjtestøbte ferritskiver?

Ved valg magnetiske encoder diske , en almindelig intuition er: jo højere antallet af polpar, jo højere opløsning og jo bedre ydeevne. På sensorniveau er denne vurdering i store træk gyldig. Men når først magnetmaterialet er fikseret som sprøjtestøbt ferrit, bliver situationen mere nuanceret. Det magnetiske ydeevneloft for sprøjtestøbt ferrit, procesgrænserne for flerpolet magnetisering og det let oversete faktum, at 'opløsning ≠ nøjagtighed' tilsammen tegner en udvælgelseskurve, der ikke blot er 'jo højere, jo bedre'.

For det første skal du afklare en præmis: opløsning er ikke lig med nøjagtighed

TI-anvendelseslitteraturen giver et kortfattet forhold: når der bruges en enkelt Hall-lås, er impulserne pr. omdrejning lig med antallet af polpar af magneten; ved brug af to Hall-låse til kvadraturafkodning, er tællingerne pr. omdrejning det dobbelte af antallet af poler. Fra perspektivet af 'gradueringer', bestemmer polpar direkte det mindste vinkeltrin, som systemet kan løse.

Men en påmindelse fra et open source-magnetisk indkoderprojekt fortjener opmærksomhed fra enhver vælger: 'Opløsning != Nøjagtighed' - du kan opnå en teoretisk opløsning på 0,017°/trin ved en 2,4 mm polafstand, men disse trin er ikke ensartet kortlagt rundt om omkredsen. Med andre ord  bestemmer polpar 'hvor fine gradueringerne er,' ikke 'hvor nøjagtigt gradueringerne tegnes.'  Vinkelfejl kommer fra polpitch-konsistens, magnetiseringsgrænsens klarhed, sensorinstallationsexcentricitet og materialets ensartethed af selve magneten. Polpar eliminerer ikke selv disse fejl; i stedet kan de forstærke dem, efterhånden som antallet af polpar stiger.

Det 'magnetiske ydeevneloft' af sprøjtestøbt ferrit

Placeringen af ​​sprøjtestøbt ferrit er klar: det er sprøjtestøbt af ferritpulver (normalt strontiumferrit) kombineret med en polymermatrix såsom nylon PA12/PA6. Dens fordele ligger i integreret støbning af komplekse former, god dimensionel konsistens, korrosionsbestandighed og lave omkostninger, men dens magnetiske ydeevne er i den lave ende blandt almindeligt anvendte encodermagnetmaterialer.

Med hensyn til specifikke data er den resterende induktion Br af sprøjtestøbt ferrit omtrent  1,7-3,0 kGs , den iboende koercivitet Hci er omkring  2,3-4,0 kOe , og det maksimale energiprodukt BHmax er omkring  1-2,2 MGOe . Til reference er Br for bundet NdFeB typisk  4,5-7,5 kGs , og BHmax kan nå  5-8 MGOe  eller endnu højere. Det betyder, at under samme sensorluftgab og detektionstærskel er magnetfeltets 'signalstyrke', som sprøjtestøbt ferrit kan give, klart svagere end NdFeB-systemernes.

Overflademagnetiske feltdata efter multipol magnetisering illustrerer yderligere begrænsningen: overflademagnetfeltet af tyndvæggede indvendige diameter orienterede sprøjtestøbte ferrit multipol magnetiske ringe er omkring  600-1100 Gs , mens anisotropisk sintret ferrit kan opnå højere værdier. Efterhånden som antallet af polpar stiger, og buebredden af ​​hver enkelt pol indsnævres, krymper 'området' til rådighed for etablering af magnetfeltet, kanteffekter og inter-pol magnetfeltsoverlejring bliver mere signifikant, og signal-til-støj-forholdet forringes yderligere.  Dette er ikke et problem, der kan løses ved at justere magnetisatorens strøm; det er snarere en blød øvre grænse, som materialets energiprodukt pålægger antallet af polpar.

Geometriske begrænsninger blandt polpitch, tykkelse og polpar

Et empirisk forhold givet i et europæisk patent er ret lærerigt: Tykkelsen af ​​det magnetiserbare element skal være omkring  1,25 gange polstigningen  (±25%), svarende til et tykkelsesområde på omkring 0,3–1,5 mm; selve stangstigningen er i størrelsesordenen  0,25–1,25 mm . Denne geometriske begrænsning binder antallet af polpar til skivediameteren: for en given diameter, jo højere antallet af polpar, jo mindre er polstigningen, og jo tyndere er den nødvendige magnettykkelse.

For sprøjtestøbt ferrit komprimerer udtynding af væggen yderligere den effektive magnetiske flux. På samme tid, når polstigningen krymper til sub-millimeter-niveauet, indsnævres tolerancevinduet for magnetisering af armaturets polhovedpræcision og magnetiske kredsløbsdesign hurtigt. Industrimaterialer påpeger tydeligt, at jo højere polantallet er, jo mindre er den enpolede lysbuebredde, og jo højere krav er der til magnetisering af armaturets polhovedpræcision og magnetiske kredsløbsdesign. Problemer såsom  undermætning ved polspidser, magnetfeltforvrængning og interpol nulstillingsforskydning  vil derefter dukke op.

Dette forklarer, hvorfor gængse specifikationer for sprøjtestøbte ferrit-encoder-magnetiske ringe på markedet er koncentreret på positioner som  62/64 poler og 126/128 poler i stedet for at blive stablet opad i det uendelige. Disse positioner er balancepunkter, der allerede har gennemgået teknisk konvergens mellem materialeydelse, magnetiseringsproces og omkostninger.

Udvælgelseslogik: arbejd baglæns fra 'hvor fint er nødvendigt' til 'hvor højt kan gøres'

En praktisk udvælgelsesvej bør vendes:  Bestem først den opløsning, systemet virkelig har brug for, og evaluer derefter, om sprøjtestøbt ferrit kan give brugbar signalkvalitet ved det pol-par-antal.

Lavt pol-par område (4-12 poler):  Buelængden af ​​en enkelt pol er stor, og den magnetiske flux er tilstrækkelig, så den svage magnetiske feltmangel ved sprøjtestøbt ferrit kompenseres af geometriske dimensioner. Denne serie er velegnet til scenarier, der ikke kræver stringent opløsning, men kræver lave omkostninger og god konsistens, såsom ventilatormotorer, smarte vandmålere og apparat BLDC'er. I disse applikationer er polparrenes rolle mere at give en kommuteringsreference end en præcis vinkelskala.

Mellem pol-par område (16–32 poler):  Dette er tærsklen for at gå ind i encoder-niveau applikationer. Sprøjtestøbt ferrit kan stadig opretholde et brugbart signal-til-støj-forhold i dette område, hvilket gør den velegnet til vinkelfeedback med middel opløsning, såsom humanoide robotledkodere og noget servo-hjælpefedback. Under udvælgelsen er det vigtigste verifikationselement  polpitch-konsistens  snarere end blot at forfølge et højere pol-par-antal - en 32-polet magnetisk ring med ensartet polpitch-fordeling kan opnå bedre vinkelnøjagtighed end en 64-polet magnetisk ring med slørede magnetiseringsgrænser.

Højere pol-par rækkevidde (48–64 poler og derover):  Sprøjtestøbt ferrit begynder at nærme sig de øvre grænser for proces og materiale. Denne række er bedre egnet til  dobbeltsporsdesign : Hovedsporet er ansvarligt for trinvis eller absolut position i høj opløsning, mens det sekundære spor giver omdrejningstælling eller grov positionsreference med coprime pol-par tællinger. De 62/64-polede og 126/128-polede tosporede magnetiske ringe, der allerede er tilgængelige på markedet, er produkter af denne tilgang. Det skal dog bemærkes, at når antallet af polpar stiger yderligere, vil overfladefeltdæmpning og interpolinterferens af sprøjtestøbt ferrit forringe signalkvaliteten. På dette tidspunkt  er bundet NdFeB normalt det mere rimelige valg , på trods af dets højere omkostninger.

To vigtige påmindelser om ingeniørimplementering

Inkluder først magnetiseringsevne i udvælgelsesgennemgangen.  Pol-partallet på en magnetisk ringtegning er en designværdi. Hvorvidt den faktiske magnetiske polfordeling er ensartet, og om interpol-nulpositionerne er klare, afhænger af magnetiseringsarmaturen og processen. Inden antallet af polpar bestemmes, bør magnetleverandøren anmodes om at give den  målte overfladefeltfordelingskurve  og  polpitch-konsistensdata  ved dette polparantal, ikke blot et skematisk billede af det magnetiske polarrangement.

For det andet er dual-track ikke en genvej til 'stable pole counts.'  Værdien af ​​dual-track ligger i at bruge en kombination af coprime pol-par counts for samtidig at opnå høj opløsning og en absolut positionsreference. Det stiller dog højere krav til fasejustering mellem de to magnetiske spor og til magnetiseringskrydstalekontrol. Hvis polpartallet for hoved- og sekundærsporet er forkert valgt (for eksempel for tæt på hinanden), vil den positionsløsningsfordel, som coprimaliteten medfører, blive udlignet af signalkrydstale. Pol-par-kombinationen af ​​de dobbelte spor skal designes sammen med afkodningsalgoritmen i stedet for at blive besluttet ensidigt af magnetproducenten.

Essensen af ​​udvælgelse er at finde skæringspunktet mellem  opløsningskrav, materialekapacitet, procesvindue og omkostninger . Sprøjtestøbt ferrit er ikke et 'universelt magnetisk ringmateriale' Det giver en yderst omkostningseffektiv løsning i lav-til-mellem pol-par området; men når pol-partallet stiger ud over 64, skal vælgerne ærligt forholde sig til dets magnetiske ydeevneloft – enten acceptere et tab i signalkvalitet eller vende sig til et materialesystem med et højere energiprodukt.  Polpar er en lineal, men om gradueringerne på linealen er tegnet præcist afhænger af, om materialet og processen kan understøtte dem.