Yksiraitaisten ja kaksiraitaisten magneettisten kooderilevyjen vertailu

Teollisuusautomaatiossa, robottien nivelohjauksessa ja uusissa energiaajoneuvojen moottorijärjestelmissä magneettienkoodeilla on yhä tärkeämpi rooli. Kosketuksettoman magneettikentän tunnistuksen avulla ne muuntavat pyörivän tai lineaarisen liikkeen tarkiksi sähköisiksi signaaleiksi, jotka tarjoavat järjestelmälle sijainti-, nopeus- ja suuntatietoja. A:n 'sydän'. magneettinen kooderi on juuri se näennäisesti yksinkertainen magneettilevy (magneettirengas).

Kun insinöörit alkavat valita komponentteja, he kohtaavat usein useita väistämättömiä kysymyksiä: Mitä eroa yksiraiteisen ja kaksiraitaisen välillä on? Mihin skenaarioihin kumimagneetit ja ruiskuvaletut ferriitit sopivat?

1. Yksiraitaiset levyt: riittävät, mutta eivät tarpeeksi 'älykkäät'

Yksiraitaisella magneettilevyllä on vain yksi magnetoitu raita ja se toimii yhden anturin kanssa. Se laskee kiertokulman lähettämällä pulssisignaaleja; pohjimmiltaan se on inkrementaalinen kooderi – se voi vain kertoa 'kuinka paljon se on pyörinyt', mutta ei voi suoraan määrittää 'kumpaan suuntaan se pyörii' tai 'missä absoluuttisessa asennossa se on tällä hetkellä.'

Tästä syystä yksiraitaisen järjestelmän vertailunollapiste on määritettävä uudelleen aina, kun se käynnistetään. Jos laite sammutetaan ja käynnistetään uudelleen, kaikki aiemmat sijaintitiedot menetetään.

Yksiraitaisilla levyillä on kuitenkin myös korvaamatonta arvoa: yksinkertainen rakenne, erittäin alhaiset kustannukset ja lyhyt signaalinkäsittelyketju. Ne soveltuvat erittäin hyvin sovelluksiin, jotka tarvitsevat vain nopeuden mittausta eivätkä vaadi suuntaa tai absoluuttista sijaintia, kuten tuulettimen nopeuden tunnistus, yksisuuntaiset liikejärjestelmät ja kustannusherkkä tavallinen moottorin ohjaus.

2. Kaksiraitaiset levyt: absoluuttisen sijainnin mittaaminen 'kahdella viivaimella'

Kaksiraitaisen levyn ydinideana on integroida kaksi magnetoitua raitaa samalle magneetille – pääraita ja toissijainen raita (kutsutaan tavallisesti vernier-raitaksi) – joiden magneettisten napaparien lukumäärä eroaa yhdellä, esimerkiksi 64 napaparia ja 63 napaparia tai 32 napaparia 31 napaparin kanssa.

Tämän suunnittelun kekseliäisyys piilee siinä, että koska kahdella radalla on eri määrä napapareja, kummassa tahansa kulma-asennossa näiden kahden raidan synnyttämien magneettikenttien yhdistelmä on ainutlaatuinen. Kooderisiru lukee kahden signaalikanavan välisen vaihe-eron ja voi nonier-periaatteen avulla (samanlainen kuin nonierisatulan lukulogiikka) laskea nykyisen absoluuttisen kulma-asennon 360°:n sisällä – jopa virrankatkaisun uudelleenkäynnistyksen jälkeen tarkka sijainti voidaan tietää, kun virta palautuu, ilman, että tarvitsee 'palata nollaan'.

Kahden kappaleen tuomat suorituskyvyn parannukset ovat moniulotteisia:

• Resoluutiohyppy : Kvadratuuridekoodauksella kaksikanavaiset signaalit voivat lisätä tehollista resoluutiota kertoimella 4. Magneettirenkaalla, jossa on 50 napaparia, yksiraitainen järjestelmä voi saada vain 50 laskua kierrosta kohden, kun taas kaksiraitajärjestelmä kvadratuuridekoodauksella voi saavuttaa 200 laskua.

• Suunnantunnistuskyky : Kahden signaalikanavan vaihejärjestys heijastaa suoraan pyörimissuuntaa ilman ylimääräisiä loogisia päätelmiä.

• Häiriönkestävä redundanssi : Kaksikanavaiset signaalit voivat vahvistaa toisensa, mikä helpottaa virheellisten pulssien suodattamista tärinä- tai sähkömagneettisissa häiriöympäristöissä, mikä parantaa merkittävästi järjestelmän vakautta.

• Tilatehokkuus : Verrattuna kahden yksiuraisen magneettirenkaan käyttämiseen vierekkäin, integroitu kaksiraiteinen rakenne voi vähentää aksiaalista tilankäyttöä noin 30–40 %, mikä on ratkaisevan tärkeää tilavuusherkissä sovelluksissa, kuten robottiliitoksissa.

Tietysti kaksiraitainen ratkaisu vaatii kaksi anturia ja monimutkaisemman signaalinkäsittelypiirin, joten laitteistokustannukset ovat suhteellisen korkeammat. Tämä investointi kannattaa kuitenkin skenaarioissa, joissa on tiukat paikannustarkkuusvaatimukset, kuten servojärjestelmät, robottiliitokset ja harjattomien moottoreiden tarkkuusohjaus.

3. Materiaalikeskustelu: Kumimagneetit vs. ruiskupuristettu ferriitti

Olipa kyseessä yksiraitainen tai kaksiraitainen, levyn substraattimateriaalin valinta on yhtä kriittinen. Tällä hetkellä kaksi yleisimmin käytettyä materiaalia kooderin magneettirenkaissa ovat kumimagneetit ja ruiskupuristettu ferriitti, joilla kullakin on omat luonteensa.

Kumimagneetit: Joustava 'Monipuolinen'

Kumimagneetit valmistetaan sekoittamalla ferriittimagneettista jauhetta elastomeerien, kuten nitriilikumin, kanssa, mitä seuraa seostus, kalanterointi ja vulkanointimuovaus. Niiden suurin etu on  joustavuus ja helppo käsittely – niistä voidaan valmistaa ohuita levyjä tai rullia ja mukauttaa kaarevia tai erikoismuotoiltuja asennusvaatimuksia, mikä tekee niistä erityisen sopivia ahtaisiin ja kevyisiin skenaarioihin.

Myös nykyaikaisten kumisten magneettienkooderien magneettinen suorituskyky paranee jatkuvasti. Kumikoostumusta optimoimalla ferriittijauheen täyttösuhdetta voidaan edelleen kasvattaa, ja valmistajat, kuten NTN, ovat saavuttaneet 25 %:n lisäyksen magneettisessa voimassa perinteisiin kumikoodereihin verrattuna. Hutchinsonin Elasto-Ferrite-sarjan magneettirenkaat voivat saavuttaa jopa 3500 G:n remanenssin, 2 mm:n napaleveyden ja 0,05°:n jaksotoleranssin.

Kumimagneeteilla on kuitenkin myös ilmeisiä puutteita:  rajoitettu lämpötilankestävyys , yleensä välillä 60 °C - 80 °C, ja suhteellisen heikko magneettinen suorituskyky. Ne sopivat paremmin pienille ja keskikokoisille moottoreille, autojen ABS-antureille ja muihin tilanteisiin, joissa lämpötilavaatimukset ovat vähemmän vaativia.

Ruiskupuristettu ferriitti: jäykkä 'tarkkuusryhmä'

Ruiskupuristettu ferriitti valmistetaan sekoittamalla strontium- tai bariumferriitin magneettijauhetta teknisten muovien, kuten nailonin (PA66) tai PPS:n kanssa ja muodostamalla se sitten ruiskuvalulla. Sen tärkeimmät edut ovat  mittojen yhtenäisyydessä ja muovausvapaus – monimutkaiset geometriset muodot voidaan ruiskupuristaa yhdessä vaiheessa, ja mitat ovat erittäin vakaat erästä toiseen, mikä on ratkaisevan tärkeää kaksiraitaisen levyn kahden raiteen tarkan kohdistamisen kannalta.

Ruiskupuristetulla ferriitillä on  huomattavasti parempi lämmönkestävyys kuin kumimagneeteilla . Nailonpohjaisten ruiskupuristettujen magneettien lämmönkestävyys voi olla 120–150 °C, mikä on paljon korkeampi kuin kumimagneettien 60–80 °C. Mitä tulee mekaaniseen kestävyyteen, ruiskuvaletulla ferriitillä on korkeampi pinnan kovuus, vahvempi kulutuskestävyys ja iskunkestävyys, ja se ei todennäköisesti synny halkeamia tai vaurioita pitkäaikaisessa käytössä. Lisäksi ferriitillä itsessään on oksidimateriaalina erinomainen korroosionkestävyys, eikä se vaadi ylimääräistä pinnoitussuojaa.

Kahden materiaalin avainparametrien vertailu

Valintalogiikka on itse asiassa varsin selkeä: jos sovelluksella tavoitellaan  suurta tarkkuutta, suurta kestävyyttä ja laajaa lämpötila-aluetta , ruiskupuristettu ferriitti on sopivampi; Jos vaatimukset ovat korkeammat  joustavuuden, keveyden ja kustannusten hallinnan , kumimagneetit ovat pragmaattisempi valinta.

4. Yhdistelmästrategia: Kappaleiden lukumäärän sovittaminen materiaaliin

Kun radan rakenne ja materiaaliominaisuudet on ymmärretty, valinnasta tulee matriisityyppinen päätös:

• Yksiratainen + kumimagneetti : Taloudellisin ratkaisu, joka sopii yksinkertaiseen nopeuden mittaukseen, tuulettimen nopeuden havaitsemiseen ja vastaaviin skenaarioihin.

• Yksiratainen + ruiskupuristettu ferriitti : Parantaa kestävyyttä ja lämpötilan mukautumiskykyä pitäen samalla kustannukset hallinnassa; sopii inkrementaalisiin sovelluksiin suhteellisen ankarissa ympäristöissä, kuten autojen pyörien nopeusanturit.

• Kaksiurainen + kumimagneetti : Tasapainottaa absoluuttisen paikannuskyvyn ja keveyden. NTN:n erittäin tarkka kulma-anturi käyttää kaksiuraista rakennetta, joka on valmistettu kumimagneettimateriaalista, mikä saavuttaa ±0,1°:n kulmatarkkuuden ja 27 %:n painonpudotuksen.

• Kaksiurainen + ruiskupuristettu ferriitti : Tarkoitettu vaativimpiin teollisuusskenaarioihin – servomoottorit, robottiliitokset ja CNC-työstökoneiden pyörivät pöydät – jotka edellyttävät erittäin tarkkaa absoluuttista paikannusta, vakautta laajassa lämpötilassa ja pitkäaikaista luotettavuutta.

On syytä huomata, että kaksiraitaisen levyn tarkkuus ei riipu pelkästään materiaalista vaan myös, mikä vielä tärkeämpää,  magnetoinnin tarkkuudesta . Kahden raidan välinen etäisyys on erittäin pieni, ja perinteiset erämagnetointimenetelmät ovat alttiita magneettiselle ylikuulumiselle, mikä aiheuttaa vierekkäisten raitojen magneettinapojen muodonmuutoksia. Alan johtava lähestymistapa on 'yksinapainen tietojen kirjoittaminen' -magnetointi – kuten tietojen kirjoittaminen kiintolevylle, mikromagneettipäät magnetoivat napa kerrallaan peräkkäin, mikä parantaa raitojen välisen vaiheen kohdistustarkkuutta alle mikronin tasolle.

Magneettisen enkooderilevyn valinta on loppujen lopuksi 'vaatimussovitus' prosessi. Yksiraitaiset levyt ratkaisevat kysymyksen 'kuinka paljon se on pyörinyt' yksinkertaisimmalla tavalla, kun taas kaksiraitaiset levyt käyttävät kahta eri mittakaavaa olevaa 'viivainta' vastaamaan perustavanlaatuisempaan kysymykseen 'missä se on magneettisuus, joustavuus ja joustavuus nyt. ruiskupuristettu ferriitti voittaa jäykkyydellä ja tarkkuudella. Kun radan rakenne ja materiaaliominaisuudet sovitetaan oikein, magneettiset kooderit voivat tarjota parhaan mahdollisen suorituskyvyn teollisuusautomaatiossa ja älykkäissä laitteissa.