Magnetische Polpaare: Zu viele sind verschwenderisch, zu wenige sind nicht ausreichend – wo liegen die Auswahlgrenzen bei spritzgegossenen Ferritscheiben?

Bei der Auswahl Bei magnetischen Encoderscheiben ist eine weitverbreitete Annahme: Je höher die Anzahl der Polpaare, desto höher die Auflösung und desto besser die Leistung. Auf der Sensorebene ist dieses Urteil weitgehend gültig. Doch sobald das Magnetmaterial als spritzgegossener Ferrit fixiert ist, wird die Situation nuancierter. Die magnetische Leistungsobergrenze von spritzgegossenem Ferrit, die Prozessgrenzen der mehrpoligen Magnetisierung und die leicht übersehene Tatsache, dass „Auflösung ≠ Genauigkeit“ zusammen eine Auswahlkurve ergeben, die nicht einfach „je höher, desto besser“ lautet.

Klären Sie zunächst eine Prämisse: Auflösung ist nicht gleich Genauigkeit

Die TI-Anwendungsliteratur gibt eine prägnante Beziehung: Bei Verwendung eines einzelnen Hall-Latches entsprechen die Impulse pro Umdrehung der Anzahl der Polpaare des Magneten; Bei Verwendung von zwei Hall-Latches für die Quadraturdecodierung betragen die Zählungen pro Umdrehung das Doppelte der Anzahl der Pole. Aus der Perspektive der „Abstufungen“ bestimmen Polpaare direkt den kleinsten Winkelschritt, den das System auflösen kann.

Aber eine Erinnerung an ein Open-Source-Projekt für magnetische Encoder verdient Aufmerksamkeit von jedem Selektor: „Auflösung! = Genauigkeit“ – Sie können eine theoretische Auflösung von 0,017°/Schritt bei einer Polteilung von 2,4 mm erhalten, aber diese Schritte werden nicht gleichmäßig über den Umfang abgebildet. Mit anderen Worten,  Polpaare bestimmen, „wie fein die Abstufungen sind“, nicht „wie genau die Abstufungen gezeichnet werden“.  Winkelfehler ergeben sich aus der Konsistenz der Polteilung, der Klarheit der Magnetisierungsgrenzen, der Exzentrizität der Sensorinstallation und der Materialgleichmäßigkeit des Magneten selbst. Polpaare selbst beseitigen diese Fehler nicht; Stattdessen können sie sie verstärken, wenn die Anzahl der Polpaare zunimmt.

Die „magnetische Leistungsgrenze“ von spritzgegossenem Ferrit

Die Positionierung von spritzgegossenem Ferrit ist klar: Es wird aus Ferritpulver (normalerweise Strontiumferrit) in Kombination mit einer Polymermatrix wie Nylon PA12/PA6 spritzgegossen. Seine Vorteile liegen in der integrierten Formung komplexer Formen, der guten Maßhaltigkeit, der Korrosionsbeständigkeit und den niedrigen Kosten, aber seine magnetische Leistung liegt am unteren Ende der häufig verwendeten Encoder-Magnetmaterialien.

In Bezug auf spezifische Daten beträgt die Restinduktion Br von spritzgegossenem Ferrit etwa  1,7–3,0 kGs , die intrinsische Koerzitivfeldstärke Hci etwa  2,3–4,0 kOe und das maximale Energieprodukt BHmax etwa  1–2,2 MGOe . Als Referenz: Der Br von gebundenem NdFeB beträgt typischerweise  4,5–7,5 kGs und BHmax kann  5–8 MGOe  oder sogar mehr erreichen. Dies bedeutet, dass bei gleichem Sensorluftspalt und gleicher Erkennungsschwelle die Magnetfeld-„Signalstärke“, die spritzgegossenes Ferrit liefern kann, deutlich schwächer ist als die von NdFeB-Systemen.

Oberflächenmagnetfelddaten nach der Multipolmagnetisierung verdeutlichen die Einschränkung weiter: Das Oberflächenmagnetfeld von dünnwandigen, innendurchmesserorientierten, spritzgegossenen Ferrit-Multipolmagnetringen beträgt etwa  600–1100 Gs , während anisotropes gesintertes Ferrit höhere Werte erreichen kann. Wenn die Anzahl der Polpaare zunimmt und die Bogenbreite jedes einzelnen Pols kleiner wird, schrumpft die „Fläche“, die zum Aufbau des Magnetfelds zur Verfügung steht, Kanteneffekte und Überlagerung des Magnetfelds zwischen den Polen werden bedeutender und das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert sich weiter.  Dies ist kein Problem, das durch Anpassen des Stroms des Magnetisierers gelöst werden kann. Vielmehr handelt es sich um eine weiche Obergrenze, die durch das Energieprodukt des Materials auf die Anzahl der Polpaare vorgegeben wird.

Geometrische Einschränkungen hinsichtlich Polteilung, Dicke und Polpaaren

Eine in einem europäischen Patent angegebene empirische Beziehung ist recht aufschlussreich: Die Dicke des magnetisierbaren Elements sollte etwa das  1,25-fache der Polteilung  (±25 %) betragen, was einem Dickenbereich von etwa 0,3–1,5 mm entspricht; die Polteilung selbst liegt in der Größenordnung von  0,25–1,25 mm . Diese geometrische Einschränkung verknüpft die Anzahl der Polpaare mit dem Scheibendurchmesser: Bei einem gegebenen Durchmesser gilt: Je höher die Anzahl der Polpaare, desto kleiner die Polteilung und desto geringer die erforderliche Magnetdicke.

Bei spritzgegossenem Ferrit führt eine Verdünnung der Wand zu einer weiteren Komprimierung des effektiven magnetischen Flusses. Gleichzeitig verkleinert sich das Toleranzfenster für die Präzision des Polkopfes der Magnetisierungsvorrichtung und das Design des Magnetkreises schnell, sobald die Polteilung auf das Submillimeter-Niveau schrumpft. Branchenmaterialien weisen deutlich darauf hin, dass je höher die Polzahl, desto kleiner die Breite des Einzelpolbogens und desto höher die Anforderungen an die Präzision des Polkopfes der Magnetisierungsvorrichtung und das Design des Magnetkreises. Probleme wie  Untersättigung an den Polspitzen, Magnetfeldverzerrung und Verschiebung der Nullposition zwischen den Polen auf. Dann treten

Dies erklärt, warum gängige Spezifikationen von spritzgegossenen Ferrit-Encoder-Magnetringen auf dem Markt auf Positionen wie  62/64 Pole und 126/128 Pole konzentriert sind , anstatt auf unbestimmte Zeit nach oben gestapelt zu werden. Bei diesen Positionen handelt es sich um Gleichgewichtspunkte, die bereits einer technischen Konvergenz zwischen Materialleistung, Magnetisierungsprozess und Kosten unterzogen wurden.

Auswahllogik: Rückwärts arbeiten von „wie fein benötigt wird“ bis „wie hoch gemacht werden kann“

Der praktische Auswahlweg sollte umgekehrt werden:  Bestimmen Sie zunächst die Auflösung, die das System wirklich benötigt, und bewerten Sie dann, ob spritzgegossener Ferrit bei dieser Polpaarzahl eine brauchbare Signalqualität liefern kann.

Niedriger Polpaarbereich (4–12 Pole):  Die Bogenlänge eines einzelnen Pols ist groß und der magnetische Fluss ist ausreichend, sodass der Mangel an schwachem Magnetfeld bei spritzgegossenem Ferrit durch geometrische Abmessungen ausgeglichen wird. Dieser Bereich eignet sich für Szenarien, die keine strenge Auflösung erfordern, aber niedrige Kosten und eine gute Konsistenz erfordern, wie z. B. Lüftermotoren, intelligente Wasserzähler und Geräte-BLDCs. In diesen Anwendungen besteht die Rolle von Polpaaren eher darin, eine Kommutierungsreferenz bereitzustellen, als in einer präzisen Winkelskala.

Mittlerer Polpaarbereich (16–32 Pole):  Dies ist die Schwelle für den Einstieg in Anwendungen auf Encoder-Ebene. Spritzgegossener Ferrit kann in diesem Bereich immer noch ein brauchbares Signal-Rausch-Verhältnis aufrechterhalten, wodurch er für Winkelrückmeldungen mittlerer Auflösung geeignet ist, wie z. B. Gelenk-Encoder humanoider Roboter und einige Servo-Hilfsrückmeldungen. Bei der Auswahl kommt es vor allem auf  die Polteilungskonsistenz an  und nicht nur darauf, eine höhere Polpaarzahl anzustreben – ein 32-poliger Magnetring mit gleichmäßiger Polteilungsverteilung kann eine bessere Winkelgenauigkeit erzielen als ein 64-poliger Magnetring mit unscharfen Magnetisierungsgrenzen.

Höherer Polpaarbereich (48–64 Pole und mehr):  Spritzgegossener Ferrit beginnt, sich den oberen Grenzen von Prozess und Material zu nähern. Dieser Bereich eignet sich besser für das  Dual-Track-Design : Die Hauptspur ist für die hochauflösende Inkremental- oder Absolutposition verantwortlich, während die Sekundärspur die Umdrehungszählung oder grobe Positionsreferenz mit Coprime-Polpaarzählungen liefert. Die bereits auf dem Markt erhältlichen 62/64-poligen und 126/128-poligen Doppelspur-Magnetringe sind Produkte dieses Ansatzes. Es ist jedoch zu beachten, dass bei einer weiteren Erhöhung der Polpaarzahl die Oberflächenfelddämpfung und die Interpolinterferenz des spritzgegossenen Ferrits zu einer Verschlechterung der Signalqualität führen. Zu diesem Zeitpunkt  ist gebundenes NdFeB trotz seiner höheren Kosten normalerweise die vernünftigere Wahl .

Zwei wichtige Hinweise für die technische Implementierung

Berücksichtigen Sie zunächst die Magnetisierungsfähigkeit in der Auswahlprüfung.  Die Polpaarzahl auf einer Magnetringzeichnung ist ein Konstruktionswert. Ob die tatsächliche Magnetpolverteilung gleichmäßig ist und ob die Nullpositionen zwischen den Polen klar sind, hängt von der Magnetisierungsvorrichtung und dem Magnetisierungsprozess ab. Bevor die Anzahl der Polpaare bestimmt wird, sollte der Magnetlieferant gebeten werden, die  gemessene Oberflächenfeldverteilungskurve  und  die Polteilungskonsistenzdaten  bei dieser Polpaarzahl bereitzustellen, und nicht nur eine schematische Darstellung der Magnetpolanordnung.

Zweitens ist Dual-Track keine Abkürzung für das „Stapeln von Polzahlen“.  Der Wert von Dual-Track liegt in der Verwendung einer Kombination von Coprime-Polpaarzählungen, um gleichzeitig eine hohe Auflösung und eine absolute Positionsreferenz zu erhalten. Allerdings werden höhere Anforderungen an die Phasenausrichtung zwischen den beiden Magnetspuren und an die Kontrolle des Magnetisierungsübersprechens gestellt. Wenn die Polpaarzahlen der Haupt- und Nebenspur falsch gewählt sind (z. B. zu nahe beieinander), wird der durch die Koprimalität erzielte Positionslösungsvorteil durch Signalübersprechen zunichte gemacht. Die Polpaarkombination der Doppelspuren muss zusammen mit dem Decodierungsalgorithmus entworfen werden und darf nicht einseitig vom Magnethersteller festgelegt werden.

Der Kern der Auswahl besteht darin, den Schnittpunkt zwischen zu finden  Auflösungsanforderungen, Materialfähigkeit, Prozessfenster und Kosten . Spritzgegossener Ferrit ist kein „universelles Magnetringmaterial“. Er bietet eine äußerst kostengünstige Lösung im niedrigen bis mittleren Polpaarbereich; Aber wenn die Polpaarzahl über 64 steigt, müssen sich Selektoren ernsthaft mit der Obergrenze der magnetischen Leistung auseinandersetzen – entweder einen Verlust in der Signalqualität in Kauf nehmen oder sich einem Materialsystem mit einem höheren Energieprodukt zuwenden.  Polpaare sind ein Lineal, aber ob die Abstufungen auf dem Lineal genau gezeichnet werden, hängt davon ab, ob das Material und der Prozess sie unterstützen können.