جفت‌های قطب مغناطیسی: تعداد زیاد آن ضایع‌کننده است، تعداد بسیار کمی ناکافی است - محدودیت‌های انتخاب دیسک‌های فریت قالب‌گیری شده با تزریق کجاست؟

هنگام انتخاب دیسک های رمزگذار مغناطیسی ، یک شهود رایج این است: هر چه تعداد جفت قطب ها بیشتر باشد، وضوح بالاتر و عملکرد بهتری دارد. در سطح حسگر، این قضاوت به طور کلی معتبر است. اما هنگامی که ماده آهنربا به عنوان فریت قالب گیری تزریقی ثابت می شود، وضعیت ظریف تر می شود. سقف عملکرد مغناطیسی فریت قالب‌گیری تزریقی، محدودیت‌های فرآیند مغناطیسی چند قطبی، و این واقعیت که به راحتی نادیده گرفته می‌شود که 'رزولوشن ≠ دقت' با هم یک منحنی انتخاب ترسیم می‌کنند که به سادگی 'هر چه بالاتر، بهتر' نیست.

اول، یک فرض را روشن کنید: وضوح برابر با دقت نیست

ادبیات کاربرد TI یک رابطه مختصر ارائه می دهد: هنگام استفاده از یک قفل هال واحد، پالس در هر دور برابر با تعداد جفت قطب آهنربا است. هنگام استفاده از دو چفت هال برای رمزگشایی مربعی، تعداد در هر دور دو برابر تعداد قطب ها است. از منظر 'فارغ التحصیلی'، جفت قطب ها به طور مستقیم کوچکترین گام زاویه ای را که سیستم می تواند حل کند، تعیین می کند.

اما یک یادآوری از پروژه رمزگذار مغناطیسی منبع باز مستحق توجه هر انتخابگر است: 'رزولوشن != دقت'—شما می توانید وضوح نظری 0.017 درجه/گام را در گام قطب 2.4 میلی متری بدست آورید، اما این مراحل به طور یکنواخت در اطراف محیط ترسیم نشده اند. به عبارت دیگر،  جفت‌های قطب تعیین می‌کنند که «میزان درجه‌بندی‌ها چقدر خوب هستند»، نه «دقت درجه‌بندی‌ها».  خطای زاویه‌ای ناشی از سازگاری گام قطب، وضوح مرز مغناطیسی، خروج از مرکز نصب حسگر، و یکنواختی مواد خود آهنربا است. خود جفت‌های قطب این خطاها را از بین نمی‌برند. در عوض، ممکن است با افزایش تعداد جفت‌های قطب، آنها را تقویت کنند.

'سقف عملکرد مغناطیسی' فریت قالب گیری تزریقی

موقعیت فریت قالب گیری تزریقی مشخص است: این فریت از پودر فریت (معمولا فریت استرانسیوم) که با یک ماتریس پلیمری مانند نایلون PA12/PA6 ترکیب شده است، قالب گیری تزریقی می شود. مزایای آن در قالب‌گیری یکپارچه اشکال پیچیده، سازگاری ابعادی خوب، مقاومت در برابر خوردگی و هزینه کم نهفته است، اما عملکرد مغناطیسی آن در میان مواد مغناطیسی رمزگذار رایج در پایین‌ترین حد است.

از نظر داده‌های خاص، Br القایی باقی‌مانده فریت قالب‌گیری تزریقی تقریباً  1.7-3.0 کیلو گرم است ، نیروی اجباری ذاتی Hci حدود  2.3-4.0 kOe است و حداکثر محصول انرژی BHmax حدود  1-2.2 MGOe است . برای مرجع، Br NdFeB پیوند شده معمولاً  4.5-7.5 کیلوگرم است و BHmax می تواند به  5-8 MGOe  یا حتی بیشتر برسد. این بدان معنی است که، تحت همان فاصله هوای حسگر و آستانه تشخیص، میدان مغناطیسی 'قدرت سیگنال' که فریت قالب‌گیری شده با تزریق می‌تواند ارائه کند به وضوح ضعیف‌تر از سیستم‌های NdFeB است.

داده های میدان مغناطیسی سطحی پس از مغناطش چند قطبی محدودیت را بیشتر نشان می دهد: میدان مغناطیسی سطح حلقه های مغناطیسی چند قطبی فریت قالب گیری تزریقی با قطر داخلی دیواره نازک حدود  600-1100 Gs است ، در حالی که فریت متخلخل ناهمسانگرد می تواند به مقادیر بالاتری دست یابد. با افزایش تعداد جفت قطب ها و باریک شدن عرض قوس هر قطب، 'منطقه' موجود برای ایجاد میدان مغناطیسی کوچک می شود، اثرات لبه و برهم نهی میدان مغناطیسی بین قطبی مهم تر می شود و نسبت سیگنال به نویز بیشتر بدتر می شود.  این مشکلی نیست که بتوان آن را با تنظیم جریان مغناطیس حل کرد. بلکه یک حد بالایی نرم است که توسط محصول انرژی ماده بر تعداد جفت قطب ها تحمیل می شود.

محدودیت‌های هندسی بین گام، ضخامت و جفت قطب‌ها

یک رابطه تجربی ارائه شده در یک پتنت اروپایی کاملاً آموزنده است: ضخامت عنصر قابل مغناطیسی باید حدود  1.25 برابر گام قطب  (± 25٪) باشد، که مربوط به محدوده ضخامت حدود 0.3-1.5 میلی متر است. گام قطب خود حدود  0.25-1.25 میلی متر است . این محدودیت هندسی تعداد جفت‌های قطب را به قطر دیسک مرتبط می‌کند: برای یک قطر معین، هرچه تعداد جفت‌های قطب بیشتر باشد، گام قطب کوچک‌تر و ضخامت آهنربا نازک‌تر می‌شود.

برای فریت قالب گیری تزریقی، نازک شدن دیواره شار مغناطیسی موثر را بیشتر فشرده می کند. در همان زمان، هنگامی که گام قطب تا سطح زیر میلی‌متری کوچک می‌شود، پنجره تحمل برای دقت سر قطب ثابت و طراحی مدار مغناطیسی به سرعت باریک می‌شود. مواد صنعتی به وضوح اشاره می کنند که هرچه تعداد قطب ها بیشتر باشد، عرض قوس تک قطبی کوچکتر است و الزامات برای دقت سر قطب و طراحی مدار مغناطیسی اتصالات مغناطیسی بالاتر است. مشکلاتی مانند  اشباع کمتر در نوک قطب ها، اعوجاج میدان مغناطیسی و جابجایی موقعیت صفر بین قطبی  ظاهر می شوند.

این توضیح می دهد که چرا مشخصات رایج حلقه های مغناطیسی رمزگذار فریت قالب گیری تزریقی در بازار در موقعیت هایی مانند  قطب های 62/64 و قطب های 126/128 متمرکز شده اند ، به جای اینکه به طور نامحدود به سمت بالا انباشته شوند. این موقعیت‌ها نقاط تعادلی هستند که قبلاً تحت همگرایی مهندسی بین عملکرد مواد، فرآیند مغناطیسی و هزینه قرار گرفته‌اند.

منطق انتخاب: از 'چقدر خوب است' تا 'چقدر می توان بالا برد' به عقب کار کنید

مسیر انتخاب عملی باید معکوس شود:  ابتدا وضوح مورد نیاز سیستم را مشخص کنید، سپس ارزیابی کنید که آیا فریت قالب‌گیری شده با تزریق می‌تواند کیفیت سیگنال قابل استفاده را در آن تعداد جفت قطب ارائه دهد یا خیر.

محدوده کم جفت قطب (4 تا 12 قطب):  طول قوس یک قطب بزرگ است و شار مغناطیسی کافی است، بنابراین کمبود میدان مغناطیسی ضعیف فریت قالب‌گیری تزریقی با ابعاد هندسی جبران می‌شود. این محدوده برای سناریوهایی مناسب است که به وضوح دقیق نیاز ندارند، اما به هزینه کم و سازگاری خوب نیاز دارند، مانند موتورهای فن، کنتورهای هوشمند آب و BLDC های لوازم خانگی. در این کاربردها، نقش جفت قطب ها بیشتر برای ارائه یک مرجع کموتاسیون است تا یک مقیاس زاویه ای دقیق.

محدوده جفت قطب متوسط ​​(16-32 قطب):  این آستانه برای ورود به برنامه های کاربردی در سطح رمزگذار است. فریت قالب‌گیری تزریقی همچنان می‌تواند نسبت سیگنال به نویز قابل استفاده را در این محدوده حفظ کند، و آن را برای بازخورد زاویه‌ای با وضوح متوسط، مانند رمزگذارهای مشترک روبات انسان‌نما و برخی بازخوردهای کمکی سروو مناسب می‌سازد. در طول انتخاب، آیتم کلیدی تأیید،  سازگاری گام قطب است  نه صرفاً دنبال کردن تعداد جفت قطب‌های بالاتر - یک حلقه مغناطیسی 32 قطبی با توزیع گام قطبی یکنواخت ممکن است به دقت زاویه‌ای بهتری نسبت به یک حلقه مغناطیسی 64 قطبی با مرزهای مغناطیسی تار دست یابد.

محدوده جفت قطب بالاتر (48-64 قطب و بالاتر):  فریت قالب گیری تزریقی شروع به نزدیک شدن به مرزهای بالایی فرآیند و مواد می کند. این محدوده برای مناسب تر است  طراحی دو مسیره : مسیر اصلی مسئول موقعیت افزایشی یا مطلق با وضوح بالا است، در حالی که مسیر ثانویه تعداد چرخش یا مرجع موقعیت درشت را با شمارش جفت قطب های coprime ارائه می دهد. حلقه های مغناطیسی 62/64 قطبی و 126/128 قطبی دو مسیره مغناطیسی که در حال حاضر در بازار موجود است محصولات این رویکرد هستند. با این حال، باید توجه داشت که وقتی تعداد جفت‌های قطب بیشتر افزایش می‌یابد، تضعیف میدان سطحی و تداخل بین قطبی فریت قالب‌گیری شده با تزریق، کیفیت سیگنال را کاهش می‌دهد. در این مرحله، NdFeB پیوندی  معمولاً انتخاب معقول‌تری است .، با وجود هزینه بالاتر،

دو یادآور کلیدی برای پیاده سازی مهندسی

اول، قابلیت مغناطیسی را در بررسی انتخاب لحاظ کنید.  تعداد جفت قطب در نقاشی حلقه مغناطیسی یک مقدار طراحی است. اینکه آیا توزیع قطب مغناطیسی واقعی یکنواخت است و اینکه آیا موقعیت های صفر بین قطبی مشخص است یا خیر، به تجهیزات و فرآیند مغناطیسی بستگی دارد. قبل از تعیین تعداد جفت‌های قطب، باید از تامین‌کننده آهن‌ربا خواسته شود که  منحنی توزیع میدان سطحی اندازه‌گیری شده  و  داده‌های قوام گام قطب را  در آن تعداد جفت قطب ارائه دهد، نه صرفاً یک شماتیک از آرایش قطب مغناطیسی.

ثانیاً، دو مسیر میانبری برای 'تعدادی تعداد قطب ها' نیست.  ارزش مسیر دوگانه در استفاده از ترکیبی از شمارش جفت قطب های coprime برای به دست آوردن همزمان وضوح بالا و مرجع موقعیت مطلق نهفته است. با این حال، تقاضاهای بالاتری را برای تراز فاز بین دو مسیر مغناطیسی و کنترل تداخل مغناطیسی ایجاد می کند. اگر تعداد زوج‌های قطبی مسیرهای اصلی و فرعی به‌طور نامناسب انتخاب شوند (مثلاً خیلی نزدیک به یکدیگر)، مزیت حل موقعیت ناشی از هم‌اصل با تداخل سیگنال جبران می‌شود. ترکیب زوج قطبی مسیرهای دوتایی باید همراه با الگوریتم رمزگشایی طراحی شود، نه اینکه به طور یک طرفه توسط سازنده آهنربا تصمیم گیری شود.

ماهیت انتخاب یافتن نقطه تلاقی بین  الزامات وضوح، قابلیت مواد، پنجره فرآیند و هزینه است . فریت قالب‌گیری تزریقی یک 'مواد حلقه مغناطیسی جهانی' نیست. این یک راه حل بسیار مقرون به صرفه در محدوده جفت قطبی کم تا متوسط ​​ارائه می‌کند. اما وقتی تعداد جفت قطب ها از 64 فراتر می رود، انتخاب کنندگان باید صادقانه با سقف عملکرد مغناطیسی آن روبرو شوند - یا کاهش کیفیت سیگنال را بپذیرند یا به سیستم مواد با محصول انرژی بالاتر روی آورند.  جفت‌های قطب یک خط‌کش هستند، اما اینکه آیا درجه‌بندی‌های روی خط‌کش دقیقاً ترسیم می‌شوند به این بستگی دارد که آیا مواد و فرآیند می‌توانند از آنها پشتیبانی کنند یا خیر.