Vergleich von einspurigen und zweispurigen magnetischen Encoderscheiben

In der industriellen Automatisierung, der Gelenksteuerung von Robotern und den Motorsystemen neuer Energiefahrzeuge spielen magnetische Encoder eine immer wichtigere Rolle. Durch berührungslose Magnetfelderfassung wandeln sie Dreh- oder Linearbewegungen in präzise elektrische Signale um und versorgen das System mit Positions-, Geschwindigkeits- und Richtungsinformationen. Das „Herz“ eines Ein magnetischer Encoder ist genau die scheinbar einfache Magnetscheibe (Magnetring).

Wenn Ingenieure mit der Auswahl von Komponenten beginnen, stehen sie häufig vor mehreren unvermeidbaren Fragen: Was genau ist der Unterschied zwischen einspuriger und zweispuriger Ausführung? Für welche Einsatzszenarien eignen sich Gummimagnete bzw. spritzgegossene Ferrite?

1. Einspurige Festplatten: Ausreichend, aber nicht „intelligent“ genug

Eine einspurige Magnetplatte hat nur eine magnetisierte Spur und arbeitet mit einem einzigen Sensor. Es berechnet den Drehwinkel durch die Ausgabe von Impulssignalen; Im Wesentlichen handelt es sich um einen Inkrementalgeber – er kann Ihnen nur sagen, „um wie viel er sich gedreht hat“, kann aber nicht direkt bestimmen, „in welche Richtung er sich dreht“ oder „in welcher absoluten Position er sich gerade befindet“.

Aus diesem Grund muss der Referenznullpunkt einer eingleisigen Anlage bei jedem Einschalten neu ermittelt werden. Wenn das Gerät ausgeschaltet und neu gestartet wird, gehen alle vorherigen Positionsinformationen verloren.

Einspurige Platten haben jedoch auch einen unersetzlichen Wert: einfache Struktur, extrem niedrige Kosten und eine kurze Signalverarbeitungskette. Sie eignen sich sehr gut für Anwendungen, die nur eine Geschwindigkeitsmessung erfordern und keine Richtung oder absolute Position erfordern – wie z. B. die Erkennung der Lüftergeschwindigkeit, unidirektionale Bewegungssysteme und kostenempfindliche normale Motorsteuerung.

2. Dual-Track-Scheiben: Messung der absoluten Position mit „zwei Linealen“

Die Kernidee einer Doppelspurscheibe besteht darin, zwei magnetisierte Spuren auf demselben Magneten zu integrieren – eine Hauptspur und eine Nebenspur (üblicherweise Noniusspur genannt) –, wobei sich die Anzahl der magnetischen Polpaare um eins unterscheidet, zum Beispiel 64 Polpaare gepaart mit 63 Polpaaren oder 32 Polpaare gepaart mit 31 Polpaaren.

Die Genialität dieses Entwurfs liegt darin, dass die Kombination der von den beiden Spuren erzeugten Magnetfelder in jeder Winkelposition einzigartig ist, da die beiden Spuren eine unterschiedliche Anzahl von Polpaaren haben. Der Encoder-Chip liest die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalkanälen und kann durch das Noniusprinzip (ähnlich der Leselogik eines Messschiebers) die aktuelle absolute Winkelposition innerhalb von 360° berechnen – selbst nach einem Neustart nach dem Ausschalten der Stromversorgung kann die genaue Position sofort ermittelt werden, sobald die Stromversorgung wiederhergestellt ist, ohne dass eine „Rückkehr auf Null“ erforderlich ist.

Die durch Dual-Tracks erzielten Leistungsverbesserungen sind mehrdimensional:

• Auflösungssprung : Mit Quadraturdekodierung können die Zweikanalsignale die effektive Auflösung um den Faktor 4 erhöhen. Bei einem Magnetring mit 50 Polpaaren kann ein einspuriges System nur 50 Zählimpulse pro Umdrehung erreichen, während ein zweispuriges System mit Quadraturdekodierung 200 Zählimpulse erreichen kann.

• Fähigkeit zur Richtungserkennung : Die Phasenfolge der beiden Signalkanäle spiegelt direkt die Drehrichtung wider, ohne dass eine zusätzliche logische Schlussfolgerung erforderlich ist.

• Störsichere Redundanz : Die zweikanaligen Signale können sich gegenseitig verifizieren, wodurch fehlerhafte Impulse in Umgebungen mit Vibrationen oder elektromagnetischen Störungen leichter herausgefiltert werden können, was die Systemstabilität deutlich verbessert.

• Platzeffizienz : Im Vergleich zur Verwendung von zwei einspurigen Magnetringen nebeneinander kann eine integrierte Doppelspurstruktur den axialen Platzbedarf um etwa 30–40 % reduzieren, was für volumenempfindliche Anwendungen wie Robotergelenke von entscheidender Bedeutung ist.

Natürlich erfordert eine Dual-Track-Lösung zwei Sensoren und eine komplexere Signalverarbeitungsschaltung, sodass die Hardwarekosten relativ höher sind. In Szenarien mit strengen Anforderungen an die Positionierungsgenauigkeit, wie Servosysteme, Robotergelenke und Präzisionssteuerung bürstenloser Motoren, lohnt sich diese Investition jedoch.

3. Die Materialdebatte: Gummimagnete vs. spritzgegossener Ferrit

Ob einspurig oder zweispurig, die Wahl des Substratmaterials für die Platte ist gleichermaßen entscheidend. Derzeit sind Gummimagnete und spritzgegossener Ferrit die beiden am häufigsten verwendeten Materialien für Encoder-Magnetringe, die jeweils einen eigenen Charakter haben.

Gummimagnete: Die flexiblen „Alleskönner“

Gummimagnete werden durch Mischen von magnetischem Ferritpulver mit Elastomeren wie Nitrilkautschuk und anschließendem Compoundieren, Kalandrieren und Vulkanisieren hergestellt. Ihr größter Vorteil liegt in der  Flexibilität und einfachen Verarbeitung – sie können in dünnen Blechen oder Rollen hergestellt und an gebogene oder speziell geformte Installationsanforderungen angepasst werden, wodurch sie sich besonders für platzbeschränkte, leichte Szenarien eignen.

Auch die magnetische Leistung moderner Gummi-Magnet-Encoder verbessert sich kontinuierlich. Durch die Optimierung der Gummiformulierung kann der Füllgrad des Ferritpulvers weiter erhöht werden, und Hersteller wie NTN haben im Vergleich zu herkömmlichen Gummi-Encodern eine Steigerung der Magnetkraft um 25 % erreicht. Die Magnetringe der Elasto-Ferrite-Serie von Hutchinson können eine Remanenz von bis zu 3500 G, eine Polbreite von nur 2 mm und eine Periodentoleranz von 0,05° erreichen.

Allerdings haben Gummimagnete auch offensichtliche Nachteile:  begrenzte Temperaturbeständigkeit , normalerweise zwischen 60 °C und 80 °C, und relativ schwache magnetische Leistung. Sie eignen sich besser für kleine und mittelgroße Motoren, ABS-Sensoren für Kraftfahrzeuge und andere Anwendungen mit weniger anspruchsvollen Temperaturanforderungen.

Spritzgegossener Ferrit: Die starre „Präzisionsfraktion“

Spritzgegossener Ferrit wird hergestellt, indem Strontium- oder Bariumferrit-Magnetpulver mit technischen Kunststoffen wie Nylon (PA66) oder PPS gemischt und anschließend durch Spritzgießen geformt wird. Seine Hauptvorteile liegen in  der Maßhaltigkeit und Formfreiheit – komplexe geometrische Formen können in einem Schritt spritzgegossen werden und die Abmessungen sind von Charge zu Charge äußerst stabil, was für die präzise Ausrichtung der beiden Spuren in einer Doppelspurplatte von entscheidender Bedeutung ist.

Spritzgegossener Ferrit hat  eine deutlich bessere Temperaturbeständigkeit als Gummimagnete . Die Hitzebeständigkeit von spritzgegossenen Magneten auf Nylonbasis kann 120–150 °C erreichen und liegt damit weit über den 60–80 °C von Gummimagneten. Im Hinblick auf die mechanische Haltbarkeit weist spritzgegossenes Ferrit eine höhere Oberflächenhärte, eine stärkere Verschleißfestigkeit und Schlagfestigkeit auf und ist bei längerem Gebrauch weniger anfällig für Risse oder Beschädigungen. Darüber hinaus weist Ferrit selbst als Oxidmaterial eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf und erfordert keinen zusätzlichen Beschichtungsschutz.

Vergleich der Schlüsselparameter der beiden Materialien

Die Auswahllogik ist eigentlich ganz klar: Wenn die Anwendung  hohe Präzision, hohe Haltbarkeit und einen großen Temperaturbereich anstrebt , ist spritzgegossener Ferrit besser geeignet; Wenn höhere Anforderungen an  Flexibilität, geringes Gewicht und Kostenkontrolle gestellt werden , sind Gummimagnete die pragmatischere Wahl.

4. Kombinationsstrategie: Gleisanzahl an Material anpassen

Sobald die Gleisstruktur und die Materialeigenschaften verstanden sind, wird die Auswahl zu einer Entscheidung im Matrixstil:

• Einspurig + Gummimagnet : Die wirtschaftlichste Lösung, geeignet für einfache Geschwindigkeitsmessung, Lüftergeschwindigkeitserkennung und ähnliche Szenarien.

• Einspurig + spritzgegossener Ferrit : Verbessert die Haltbarkeit und Temperaturanpassungsfähigkeit und hält gleichzeitig die Kosten kontrollierbar; Geeignet für inkrementelle Anwendungen in relativ rauen Umgebungen, wie z. B. Raddrehzahlsensoren in Kraftfahrzeugen.

• Doppelspur + Gummimagnet : Gleicht absolute Positionierungsfähigkeit und geringes Gewicht aus. Der hochpräzise Winkelsensor von NTN nutzt eine Doppelspurstruktur aus Gummimagnetmaterial und erreicht eine Winkelgenauigkeit von ±0,1° und eine Gewichtsreduzierung von 27 %.

• Doppelspur + spritzgegossener Ferrit : Für die anspruchsvollsten Industrieszenarien konzipiert – Servomotoren, Robotergelenke und Drehtische von CNC-Werkzeugmaschinen – die eine hochpräzise absolute Positionierung, Stabilität bei weiten Temperaturen und langfristige Zuverlässigkeit erfordern.

Es ist erwähnenswert, dass die Genauigkeit einer Doppelspurplatte nicht nur vom Material, sondern vor allem auch von  der Magnetisierungsgenauigkeit abhängt . Der Abstand zwischen den beiden Spuren ist extrem klein und herkömmliche Batch-Magnetisierungsverfahren neigen zu magnetischem Übersprechen, was zu einer Verformung der Magnetpole in benachbarten Spuren führt. Der branchenführende Ansatz ist die „einpolige Datenschreib“-Magnetisierung – wie beim Schreiben von Daten auf eine Festplatte magnetisieren Mikromagnetköpfe Pol für Pol nacheinander und verbessern so die Phasenausrichtungsgenauigkeit zwischen Spuren auf den Submikrometerbereich.

Letztendlich ist die Auswahl einer magnetischen Encoderscheibe ein Prozess der „Anforderungsanpassung“. Einspurige Scheiben lösen die Frage, „um wie viel sie sich gedreht hat“, auf einfachste Weise, während zweispurige Scheiben zwei „Lineale“ mit unterschiedlichen Maßstäben verwenden, um die grundlegendere Frage zu beantworten, „wo sie sich jetzt befindet“. Gummimagnete sind für Flexibilität und Wirtschaftlichkeit bekannt, während spritzgegossenes Ferrit durch Steifigkeit und Präzision überzeugt. Wenn Schienenstruktur und Materialeigenschaften richtig aufeinander abgestimmt sind, können magnetische Encoder maximale Leistung in der industriellen Automatisierung und in intelligenten Geräten liefern.