Ζεύγη μαγνητικών πόλων: Πάρα πολλοί είναι σπάταλοι, πολύ λίγοι είναι ανεπαρκείς—Πού είναι τα όρια επιλογής δίσκων φερρίτη με χύτευση με έγχυση;

Κατά την επιλογή Δίσκοι μαγνητικού κωδικοποιητή , μια κοινή διαίσθηση είναι: όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των ζευγών πόλων, τόσο μεγαλύτερη είναι η ανάλυση και τόσο καλύτερη η απόδοση. Σε επίπεδο αισθητήρα, αυτή η κρίση είναι γενικά έγκυρη. Αλλά μόλις το υλικό μαγνήτη στερεωθεί ως φερρίτης χυτευμένος με έγχυση, η κατάσταση γίνεται πιο λεπτή. Το ανώτατο όριο μαγνητικής απόδοσης του χυτευμένου με έγχυση φερρίτη, τα όρια διεργασίας της πολυπολικής μαγνήτισης και το γεγονός που εύκολα παραβλέπεται ότι 'ανάλυση ≠ ακρίβεια' σχεδιάζουν μαζί μια καμπύλη επιλογής που δεν είναι απλώς 'όσο υψηλότερη, τόσο το καλύτερο'.

Αρχικά, διευκρινίστε μια υπόθεση: η ανάλυση δεν είναι ίση με την ακρίβεια

Η βιβλιογραφία εφαρμογών TI δίνει μια συνοπτική σχέση: όταν χρησιμοποιείται ένα μόνο μάνδαλο Hall, οι παλμοί ανά περιστροφή ισούνται με τον αριθμό των ζευγών πόλων του μαγνήτη. όταν χρησιμοποιείτε δύο μάνδαλα Hall για αποκωδικοποίηση τετραγωνισμού, οι μετρήσεις ανά περιστροφή είναι διπλάσιες από τον αριθμό των πόλων. Από την προοπτική των 'βαθμολογήσεων', τα ζεύγη πόλων καθορίζουν άμεσα το μικρότερο γωνιακό βήμα που μπορεί να επιλύσει το σύστημα.

Ωστόσο, μια υπενθύμιση από ένα έργο μαγνητικού κωδικοποιητή ανοιχτού κώδικα αξίζει την προσοχή από κάθε επιλογέα: 'Ανάλυση != Ακρίβεια'—μπορείτε να αποκτήσετε μια θεωρητική ανάλυση 0,017°/βήμα σε βήμα πόλου 2,4 mm, αλλά αυτά τα βήματα δεν αντιστοιχίζονται ομοιόμορφα γύρω από την περιφέρεια. Με άλλα λόγια,  τα ζεύγη πόλων καθορίζουν 'πόσο λεπτές είναι οι διαβαθμίσεις' όχι 'πόση ακρίβεια σχεδιάζονται οι διαβαθμίσεις'. Το  γωνιακό σφάλμα προέρχεται από τη συνοχή του βήματος των πόλων, τη σαφήνεια των ορίων μαγνήτισης, την εκκεντρότητα εγκατάστασης του αισθητήρα και την ομοιομορφία υλικού του ίδιου του μαγνήτη. Τα ίδια τα ζεύγη πόλων δεν εξαλείφουν αυτά τα σφάλματα. Αντίθετα, μπορεί να τα ενισχύουν καθώς αυξάνεται ο αριθμός των ζευγών πόλων.

Η 'μαγνητική οροφή απόδοσης' του φερρίτη χυτευμένου με έγχυση

Η τοποθέτηση του χυτευμένου με έγχυση φερρίτη είναι σαφής: είναι χυτευμένος με έγχυση από σκόνη φερρίτη (συνήθως φερρίτης στροντίου) σε συνδυασμό με μια πολυμερή μήτρα όπως το νάιλον PA12/PA6. Τα πλεονεκτήματά του έγκεινται στην ενσωματωμένη χύτευση πολύπλοκων σχημάτων, την καλή διαστασιακή συνέπεια, την αντίσταση στη διάβρωση και το χαμηλό κόστος, αλλά η μαγνητική του απόδοση βρίσκεται στο χαμηλό άκρο μεταξύ των κοινώς χρησιμοποιούμενων υλικών μαγνητών κωδικοποιητή.

Όσον αφορά τα συγκεκριμένα δεδομένα, η υπολειπόμενη επαγωγή Br του χυτευμένου με έγχυση φερρίτη είναι περίπου  1,7–3,0 kGs , η εγγενής καταναγκαστική ικανότητα Hci είναι περίπου  2,3–4,0 kOe και το μέγιστο ενεργειακό προϊόν BHmax είναι περίπου  1–2,2 MGOe . Για αναφορά, το Br του συνδεδεμένου NdFeB είναι τυπικά  4,5–7,5 kGs και το BHmax μπορεί να φτάσει  τα 5–8 MGOe  ή ακόμα και υψηλότερα. Αυτό σημαίνει ότι, κάτω από το ίδιο διάκενο αέρα αισθητήρα και το ίδιο κατώφλι ανίχνευσης, το μαγνητικό πεδίο 'ισχύς σήματος' που μπορεί να παρέχει ο φερρίτης με χύτευση με έγχυση είναι σαφώς ασθενέστερο από αυτό των συστημάτων NdFeB.

Τα δεδομένα επιφανειακού μαγνητικού πεδίου μετά από πολυπολική μαγνήτιση δείχνουν περαιτέρω τον περιορισμό: το επιφανειακό μαγνητικό πεδίο των πολυπολικών μαγνητικών δακτυλίων φερρίτη με προσανατολισμό εσωτερικής διαμέτρου λεπτού τοιχώματος είναι περίπου  600–1100 Gs , ενώ ο ανισότροπος πυροσυσσωματωμένος φερρίτης μπορεί να επιτύχει υψηλότερες τιμές. Καθώς ο αριθμός των ζευγών πόλων αυξάνεται και το πλάτος τόξου κάθε μεμονωμένου πόλου στενεύει, η 'περιοχή' που είναι διαθέσιμη για τον καθορισμό του μαγνητικού πεδίου συρρικνώνεται, τα φαινόμενα ακμών και η υπέρθεση μαγνητικού πεδίου μεταξύ των πόλων γίνονται πιο σημαντικά και η αναλογία σήματος προς θόρυβο χειροτερεύει περαιτέρω.  Αυτό δεν είναι ένα πρόβλημα που μπορεί να λυθεί ρυθμίζοντας το ρεύμα του μαγνητιστή. Μάλλον, είναι ένα μαλακό ανώτερο όριο που επιβάλλεται από το ενεργειακό προϊόν του υλικού στον αριθμό των ζευγών πόλων.

Γεωμετρικοί περιορισμοί μεταξύ του βήματος, του πάχους και των ζευγών πόλων

Μια εμπειρική σχέση που δίνεται σε ένα ευρωπαϊκό δίπλωμα ευρεσιτεχνίας είναι αρκετά διδακτική: το πάχος του μαγνητιζόμενου στοιχείου πρέπει να είναι περίπου  1,25 φορές το βήμα του πόλου  (±25%), που αντιστοιχεί σε ένα εύρος πάχους περίπου 0,3–1,5 mm. το ίδιο το βήμα του στύλου είναι της τάξης των  0,25–1,25 mm . Αυτός ο γεωμετρικός περιορισμός συνδέει τον αριθμό των ζευγών πόλων με τη διάμετρο του δίσκου: για μια δεδομένη διάμετρο, όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των ζευγών πόλων, τόσο μικρότερο είναι το βήμα των πόλων και τόσο πιο λεπτό είναι το απαιτούμενο πάχος μαγνήτη.

Για τον χυτευμένο με έγχυση φερρίτη, η λέπτυνση του τοιχώματος συμπιέζει περαιτέρω την αποτελεσματική μαγνητική ροή. Ταυτόχρονα, μόλις το βήμα του πόλου συρρικνωθεί στο επίπεδο κάτω του χιλιοστού, το παράθυρο ανοχής για μαγνητισμό του εξαρτήματος ακρίβειας κεφαλής πόλου και σχεδίασης μαγνητικού κυκλώματος στενεύει γρήγορα. Τα υλικά της βιομηχανίας επισημαίνουν ξεκάθαρα ότι όσο υψηλότερος είναι ο αριθμός πόλων, τόσο μικρότερο είναι το πλάτος τόξου ενός πόλου και τόσο υψηλότερες είναι οι απαιτήσεις για ακρίβεια κεφαλής πόλου μαγνητισμού και σχεδιασμό μαγνητικού κυκλώματος. προβλήματα όπως  ο υποκορεσμός στις άκρες των πόλων, η παραμόρφωση του μαγνητικού πεδίου και η μετατόπιση μηδενικής θέσης μεταξύ των πόλων . Στη συνέχεια θα εμφανιστούν

Αυτό εξηγεί γιατί οι κοινές προδιαγραφές των μαγνητικών δακτυλίων κωδικοποιητή φερρίτη χυτευμένων με έγχυση στην αγορά συγκεντρώνονται σε θέσεις όπως  62/64 πόλους και 126/128 πόλους , αντί να στοιβάζονται προς τα πάνω επ' αόριστον. Αυτές οι θέσεις είναι σημεία ισορροπίας που έχουν ήδη υποστεί μηχανική σύγκλιση μεταξύ της απόδοσης του υλικού, της διαδικασίας μαγνήτισης και του κόστους.

Λογική επιλογής: εργαστείτε προς τα πίσω από το 'πόσο καλό είναι απαραίτητο' στο 'πόσο ψηλά μπορεί να γίνει'

Μια πρακτική διαδρομή επιλογής πρέπει να αντιστραφεί:  πρώτα προσδιορίστε την ανάλυση που χρειάζεται πραγματικά το σύστημα και, στη συνέχεια, αξιολογήστε εάν ο φερρίτης χυτευμένος με έγχυση μπορεί να παρέχει χρησιμοποιήσιμη ποιότητα σήματος σε αυτόν τον αριθμό ζευγών πόλων.

Εύρος χαμηλού ζεύγους πόλων (4–12 πόλοι):  Το μήκος τόξου ενός μόνο πόλου είναι μεγάλο και η μαγνητική ροή είναι επαρκής, επομένως η έλλειψη ασθενούς μαγνητικού πεδίου του χυτευμένου με έγχυση φερρίτη αντισταθμίζεται από γεωμετρικές διαστάσεις. Αυτή η σειρά είναι κατάλληλη για σενάρια που δεν απαιτούν αυστηρή ανάλυση αλλά απαιτούν χαμηλό κόστος και καλή συνέπεια, όπως κινητήρες ανεμιστήρα, έξυπνοι μετρητές νερού και BLDC συσκευών. Σε αυτές τις εφαρμογές, ο ρόλος των ζευγών πόλων είναι περισσότερο να παρέχουν μια αναφορά εναλλαγής παρά μια ακριβή γωνιακή κλίμακα.

Εύρος μεσαίου ζεύγους πόλων (16–32 πόλοι):  Αυτό είναι το όριο για την είσοδο σε εφαρμογές σε επίπεδο κωδικοποιητή. Ο φερρίτης χυτευμένος με έγχυση μπορεί ακόμα να διατηρήσει μια χρησιμοποιήσιμη αναλογία σήματος προς θόρυβο σε αυτό το εύρος, καθιστώντας τον κατάλληλο για ανάδραση γωνίας μέσης ανάλυσης, όπως κωδικοποιητές αρθρώσεων ρομπότ ανθρωποειδών και κάποια βοηθητική ανάδραση σερβομηχανισμού. Κατά την επιλογή, το βασικό στοιχείο επαλήθευσης είναι  η συνέπεια του βήματος των πόλων  και όχι απλώς η επιδίωξη υψηλότερου αριθμού ζευγών πόλων—ένας μαγνητικός δακτύλιος 32 πόλων με ομοιόμορφη κατανομή βήματος πόλων μπορεί να επιτύχει καλύτερη γωνιακή ακρίβεια από έναν μαγνητικό δακτύλιο 64 πόλων με θολά όρια μαγνήτισης.

Μεγαλύτερο εύρος ζευγών πόλων (48–64 πόλοι και άνω):  Ο φερρίτης με έγχυση αρχίζει να πλησιάζει τα ανώτερα όρια διεργασίας και υλικού. Αυτή η σειρά ταιριάζει καλύτερα στη  σχεδίαση διπλής τροχιάς : η κύρια πίστα είναι υπεύθυνη για αυξητική ή απόλυτη θέση υψηλής ανάλυσης, ενώ η δευτερεύουσα πίστα παρέχει μέτρηση στροφών ή αναφορά χονδρικής θέσης με μετρήσεις ζευγών πόλων coprime. Οι μαγνητικοί δακτύλιοι διπλής τροχιάς 62/64 και 126/128 πόλων που είναι ήδη διαθέσιμοι στην αγορά είναι προϊόντα αυτής της προσέγγισης. Ωστόσο, θα πρέπει να σημειωθεί ότι όταν ο αριθμός των ζευγών πόλων αυξάνεται περαιτέρω, η εξασθένηση του επιφανειακού πεδίου και η παρεμβολή μεταξύ των πόλων του φερρίτη με έγχυση θα υποβαθμίσουν την ποιότητα του σήματος. Σε αυτό το σημείο,  το δεσμευμένο NdFeB είναι συνήθως η πιο λογική επιλογή , παρά το υψηλότερο κόστος του.

Δύο βασικές υπενθυμίσεις για την υλοποίηση μηχανικής

Πρώτον, συμπεριλάβετε τη δυνατότητα μαγνήτισης στην ανασκόπηση επιλογής.  Η μέτρηση ζεύγους πόλων σε ένα σχέδιο μαγνητικού δακτυλίου είναι μια τιμή σχεδιασμού. Το αν η πραγματική κατανομή του μαγνητικού πόλου είναι ομοιόμορφη και εάν οι μηδενικές θέσεις μεταξύ των πόλων είναι σαφείς εξαρτώνται από το εξάρτημα μαγνήτισης και τη διαδικασία. Πριν από τον προσδιορισμό του αριθμού των ζευγών πόλων, θα πρέπει να ζητηθεί από τον προμηθευτή μαγνήτη να παράσχει τη  μετρούμενη καμπύλη κατανομής επιφανειακού πεδίου  και  τα δεδομένα συνοχής του βήματος των πόλων  σε αυτόν τον αριθμό ζευγών πόλων, όχι απλώς μια σχηματική απεικόνιση της διάταξης των μαγνητικών πόλων.

Δεύτερον, το dual-track δεν είναι μια συντόμευση για το 'stacking pole counts'.  Η αξία του dual-track έγκειται στη χρήση ενός συνδυασμού μετρήσεων ζευγών πόλων coprime για την ταυτόχρονη λήψη υψηλής ανάλυσης και απόλυτης αναφοράς θέσης. Ωστόσο, θέτει υψηλότερες απαιτήσεις για την ευθυγράμμιση φάσης μεταξύ των δύο μαγνητικών τροχιών και για τον έλεγχο αλληλεπιδράσεων μαγνήτισης. Εάν οι μετρήσεις ζευγών πόλων του κύριου και του δευτερεύοντος κομματιού δεν έχουν επιλεγεί σωστά (για παράδειγμα, πολύ κοντά το ένα στο άλλο), το πλεονέκτημα επίλυσης θέσης που προκαλείται από τη συμπρωτογένεια θα αντισταθμιστεί από την αλληλεπίδραση σήματος. Ο συνδυασμός ζεύγους πόλων των διπλών τροχιών πρέπει να σχεδιαστεί μαζί με τον αλγόριθμο αποκωδικοποίησης, αντί να αποφασίζεται μονομερώς από τον κατασκευαστή του μαγνήτη.

Η ουσία της επιλογής είναι να βρεθεί η τομή μεταξύ  των απαιτήσεων ανάλυσης, της ικανότητας υλικού, του παραθύρου διεργασίας και του κόστους . Ο φερρίτης με χύτευση με έγχυση δεν είναι ένα «καθολικό υλικό μαγνητικού δακτυλίου». αλλά όταν το πλήθος των ζευγών πόλων ξεπερνά το 64, οι επιλογείς πρέπει να αντιμετωπίσουν με ειλικρίνεια το μαγνητικό ανώτατο όριο απόδοσης — είτε να αποδεχτούν την απώλεια ποιότητας σήματος είτε να στραφούν σε ένα σύστημα υλικού με προϊόν υψηλότερης ενέργειας.  Τα ζεύγη πόλων είναι χάρακας, αλλά εάν οι διαβαθμίσεις στον χάρακα σχεδιάζονται με ακρίβεια εξαρτάται από το αν το υλικό και η διαδικασία μπορούν να τις υποστηρίξουν.