Pares de polos magnéticos: demasiados son un desperdicio, muy pocos son insuficientes. ¿Dónde están los límites de selección de los discos de ferrita moldeados por inyección?

Al seleccionar Discos codificadores magnéticos , una intuición común es: cuanto mayor es el número de pares de polos, mayor es la resolución y mejor es el rendimiento. A nivel de sensores, este juicio es ampliamente válido. Pero una vez que el material del imán se fija como ferrita moldeada por inyección, la situación se vuelve más matizada. El techo de rendimiento magnético de la ferrita moldeada por inyección, los límites del proceso de magnetización multipolar y el hecho fácilmente pasado por alto de que 'resolución ≠ precisión' dibujan juntos una curva de selección que no es simplemente 'cuanto más alta, mejor'.

Primero, aclare una premisa: resolución no es igual a precisión

La literatura de aplicaciones de TI ofrece una relación concisa: cuando se utiliza un solo pestillo Hall, los pulsos por revolución equivalen al número de pares de polos del imán; cuando se utilizan dos pestillos Hall para la decodificación en cuadratura, los recuentos por revolución son el doble del número de polos. Desde la perspectiva de las 'graduaciones', los pares de polos determinan directamente el paso angular más pequeño que el sistema puede resolver.

Pero un recordatorio de un proyecto de codificador magnético de código abierto merece la atención de todos los selectores: '¡Resolución! = Precisión': se puede obtener una resolución teórica de 0,017°/paso con un paso de polo de 2,4 mm, pero estos pasos no están mapeados uniformemente alrededor de la circunferencia. En otras palabras,  los pares de polos determinan 'qué tan finas son las graduaciones', no 'con qué precisión se dibujan las graduaciones'.  El error angular proviene de la consistencia del paso de los polos, la claridad de los límites de magnetización, la excentricidad de la instalación del sensor y la uniformidad del material del imán mismo. Los pares de polos por sí solos no eliminan estos errores; en cambio, pueden amplificarlos a medida que aumenta el número de pares de polos.

El 'techo de rendimiento magnético' de la ferrita moldeada por inyección

El posicionamiento de la ferrita moldeada por inyección es claro: se moldea por inyección a partir de polvo de ferrita (normalmente ferrita de estroncio) combinado con una matriz polimérica como el nailon PA12/PA6. Sus ventajas radican en el moldeado integrado de formas complejas, buena consistencia dimensional, resistencia a la corrosión y bajo costo, pero su rendimiento magnético se encuentra en el extremo inferior entre los materiales magnéticos de codificador comúnmente utilizados.

En términos de datos específicos, la inducción residual Br de la ferrita moldeada por inyección es aproximadamente de  1,7 a 3,0 kG , la coercitividad intrínseca Hci es de aproximadamente  2,3 a 4,0 kOe y el producto energético máximo BHmax es de aproximadamente  1 a 2,2 MGOe . Como referencia, el Br del NdFeB unido suele ser  de 4,5 a 7,5 kG y el BHmax puede alcanzar  de 5 a 8 MGOe  o incluso más. Esto significa que, bajo el mismo entrehierro del sensor y umbral de detección, la 'intensidad de la señal' del campo magnético que puede proporcionar la ferrita moldeada por inyección es claramente más débil que la de los sistemas NdFeB.

Los datos del campo magnético de la superficie después de la magnetización multipolar ilustran aún más la restricción: el campo magnético de la superficie de los anillos magnéticos multipolares de ferrita moldeados por inyección orientados y de diámetro interior de pared delgada es de aproximadamente  600 a 1100 Gs , mientras que la ferrita sinterizada anisotrópica puede alcanzar valores más altos. A medida que aumenta el número de pares de polos y se estrecha el ancho del arco de cada polo individual, el 'área' disponible para establecer el campo magnético se reduce, los efectos de borde y la superposición del campo magnético entre polos se vuelven más significativos y la relación señal-ruido se deteriora aún más.  Este no es un problema que pueda solucionarse ajustando la corriente del magnetizador; más bien, es un límite superior suave impuesto por el producto energético del material sobre el número de pares de polos.

Restricciones geométricas entre paso de polos, espesor y pares de polos.

Una relación empírica dada en una patente europea es bastante instructiva: el espesor del elemento magnetizable debe ser aproximadamente  1,25 veces el paso polar  (±25%), correspondiente a un rango de espesor de aproximadamente 0,3 a 1,5 mm; el paso del polo en sí es del orden de  0,25 a 1,25 mm . Esta restricción geométrica vincula el número de pares de polos con el diámetro del disco: para un diámetro dado, cuanto mayor es el número de pares de polos, menor es el paso de los polos y más delgado es el espesor del imán requerido.

Para la ferrita moldeada por inyección, adelgazar la pared comprime aún más el flujo magnético efectivo. Al mismo tiempo, una vez que el paso de los polos se reduce al nivel submilimétrico, la ventana de tolerancia para la precisión del cabezal del polo del dispositivo magnetizador y el diseño del circuito magnético se estrecha rápidamente. Los materiales de la industria señalan claramente que cuanto mayor es el número de polos, menor es el ancho del arco unipolar y mayores son los requisitos para la precisión del cabezal del polo del dispositivo magnetizador y el diseño del circuito magnético. problemas como  la subsaturación en las puntas de los polos, la distorsión del campo magnético y el desplazamiento de la posición cero entre polos . Entonces aparecerán

Esto explica por qué las especificaciones comunes de los anillos magnéticos de codificador de ferrita moldeados por inyección en el mercado se concentran en posiciones como  62/64 polos y 126/128 polos , en lugar de apilarse hacia arriba indefinidamente. Estas posiciones son puntos de equilibrio que ya han experimentado una convergencia de ingeniería entre el rendimiento del material, el proceso de magnetización y el costo.

Lógica de selección: trabaje hacia atrás desde 'qué tan fino se necesita' hasta 'qué tan alto se puede hacer'

Se debe invertir un camino de selección práctico:  primero determinar la resolución que el sistema realmente necesita y luego evaluar si la ferrita moldeada por inyección puede proporcionar una calidad de señal utilizable en ese recuento de pares de polos.

Rango bajo de pares de polos (4 a 12 polos):  la longitud del arco de un solo polo es grande y el flujo magnético es suficiente, por lo que la deficiencia del campo magnético débil de la ferrita moldeada por inyección se compensa con dimensiones geométricas. Esta gama es adecuada para escenarios que no requieren una resolución estricta pero sí bajo costo y buena consistencia, como motores de ventilador, medidores de agua inteligentes y BLDC para electrodomésticos. En estas aplicaciones, la función de los pares de polos es más proporcionar una referencia de conmutación que una escala angular precisa.

Rango de pares de polos medio (16 a 32 polos):  este es el umbral para ingresar a aplicaciones de nivel de codificador. La ferrita moldeada por inyección aún puede mantener una relación señal-ruido utilizable en este rango, lo que la hace adecuada para retroalimentación de ángulo de resolución media, como codificadores de articulaciones de robots humanoides y cierta retroalimentación servo auxiliar. Durante la selección, el elemento clave de verificación es  la coherencia del paso de los polos  en lugar de simplemente buscar un mayor recuento de pares de polos: un anillo magnético de 32 polos con una distribución uniforme del paso de los polos puede lograr una mejor precisión angular que un anillo magnético de 64 polos con límites de magnetización borrosos.

Rango de pares de polos más alto (48 a 64 polos y más):  la ferrita moldeada por inyección comienza a acercarse a los límites superiores de proceso y material. Este rango se adapta mejor al  diseño de doble vía : la vía principal es responsable de la posición incremental o absoluta de alta resolución, mientras que la vía secundaria proporciona un recuento de revoluciones o una referencia de posición aproximada con recuentos de pares de polos coprimos. Los anillos magnéticos de doble vía de 62/64 polos y 126/128 polos que ya están disponibles en el mercado son productos de este enfoque. Sin embargo, cabe señalar que cuando el número de pares de polos aumenta aún más, la atenuación del campo superficial y la interferencia entre polos de la ferrita moldeada por inyección degradarán la calidad de la señal. En este punto,  el NdFeB adherido suele ser la opción más razonable , a pesar de su mayor coste.

Dos recordatorios clave para la implementación de ingeniería

Primero, incluya la capacidad de magnetización en la revisión de selección.  El recuento de pares de polos en un dibujo de anillo magnético es un valor de diseño. Que la distribución real de los polos magnéticos sea uniforme y que las posiciones cero entre polos sean claras depende del dispositivo y del proceso de magnetización. Antes de determinar el número de pares de polos, se debe pedir al proveedor del imán que proporcione la  curva de distribución del campo de superficie medida  y  los datos de consistencia del paso de los polos  en ese recuento de pares de polos, no simplemente un esquema de la disposición de los polos magnéticos.

En segundo lugar, la doble vía no es un atajo para 'apilar recuentos de polos'.  El valor de la doble vía reside en utilizar una combinación de recuentos de pares de polos coprimos para obtener simultáneamente una alta resolución y una referencia de posición absoluta. Sin embargo, impone mayores exigencias en cuanto a la alineación de fases entre las dos pistas magnéticas y al control de la diafonía de magnetización. Si los recuentos de pares de polos de las pistas principal y secundaria se seleccionan incorrectamente (por ejemplo, demasiado cerca entre sí), la ventaja de resolución de posición que aporta la coprimalidad se verá compensada por la diafonía de la señal. La combinación de pares de polos de las pistas duales debe diseñarse junto con el algoritmo de decodificación, en lugar de ser decidida unilateralmente por el fabricante del imán.

La esencia de la selección es encontrar la intersección entre  los requisitos de resolución, la capacidad del material, la ventana del proceso y el costo . La ferrita moldeada por inyección no es un 'material de anillo magnético universal'. Proporciona una solución muy rentable en el rango de pares de polos de bajo a medio; pero cuando el número de pares de polos supera los 64, los seleccionadores deben enfrentar honestamente su techo de rendimiento magnético: aceptar una pérdida en la calidad de la señal o recurrir a un sistema material con un producto de mayor energía.  Los pares de polos son una regla, pero que las graduaciones de la regla se dibujen con precisión depende de si el material y el proceso pueden soportarlos.