Magnetic Pole Pairs: Masyadong Marami ang Masayang, Masyadong Kaunti ang Hindi Sapat—Nasaan Ang Mga Limitasyon sa Pagpili ng Injection-Molded Ferrite Disks?

Kapag pumipili magnetic encoder disks , ang isang karaniwang intuwisyon ay: mas mataas ang bilang ng mga pares ng poste, mas mataas ang resolution at mas mahusay ang pagganap. Sa antas ng sensor, malawak na wasto ang paghatol na ito. Ngunit kapag ang magnet na materyal ay naayos na bilang injection-molded ferrite, ang sitwasyon ay nagiging mas nuanced. Ang magnetic performance ceiling ng injection-molded ferrite, ang mga limitasyon ng proseso ng multi-pole magnetization, at ang madaling makaligtaan na katotohanang ang 'resolution ≠ accuracy' ay magkasamang gumuhit ng curve ng pagpili na hindi lang 'mas mataas, mas mabuti.'

Una, linawin ang isang premise: ang resolusyon ay hindi katumbas ng katumpakan

Ang literatura ng aplikasyon ng TI ay nagbibigay ng isang maigsi na relasyon: kapag gumagamit ng isang solong Hall latch, ang mga pulso sa bawat rebolusyon ay katumbas ng bilang ng mga pares ng poste ng magnet; kapag gumagamit ng dalawang Hall latches para sa quadrature decoding, ang mga bilang sa bawat rebolusyon ay dalawang beses sa bilang ng mga pole. Mula sa pananaw ng 'mga pagtatapos,' direktang tinutukoy ng mga pares ng poste ang pinakamaliit na angular na hakbang na maaaring lutasin ng system.

Ngunit ang isang paalala mula sa isang open-source na proyektong magnetic encoder ay nararapat na bigyang pansin mula sa bawat tagapili: 'Resolution != Accuracy'—maaari kang makakuha ng teoretikal na resolusyon na 0.017°/step sa isang 2.4 mm pole pitch, ngunit ang mga hakbang na ito ay hindi pantay na nakamapa sa paligid ng circumference. Sa madaling salita,  tinutukoy ng mga pares ng poste ang 'kung gaano kahusay ang mga graduation,' hindi 'kung gaano katumpak ang pagguhit ng mga graduation.'  Ang angular na error ay nagmumula sa pagkakapare-pareho ng pole pitch, kalinawan ng hangganan ng magnetization, eccentricity ng pag-install ng sensor, at ang pagkakapareho ng materyal ng magnet mismo. Ang mga pares ng poste mismo ay hindi nag-aalis ng mga pagkakamaling ito; sa halip, maaari nilang palakihin ang mga ito habang tumataas ang bilang ng mga pares ng poste.

Ang 'magnetic performance ceiling' ng injection-molded ferrite

Ang pagpoposisyon ng injection-molded ferrite ay malinaw: ito ay injection-molded mula sa ferrite powder (karaniwan ay strontium ferrite) na pinagsama sa isang polymer matrix tulad ng nylon PA12/PA6. Ang mga bentahe nito ay nakasalalay sa pinagsama-samang paghuhulma ng mga kumplikadong hugis, magandang dimensional na pagkakapare-pareho, paglaban sa kaagnasan, at mababang gastos, ngunit ang magnetic performance nito ay nasa mababang dulo sa mga karaniwang ginagamit na materyales ng encoder magnet.

Sa mga tuntunin ng tiyak na data, ang natitirang induction Br ng injection-molded ferrite ay humigit-kumulang  1.7–3.0 kGs , ang intrinsic coercivity Hci ay humigit-kumulang  2.3–4.0 kOe , at ang maximum na energy product na BHmax ay humigit-kumulang  1–2.2 MGOe . Para sa sanggunian, ang Br ng bonded NdFeB ay karaniwang  4.5–7.5 kGs , at ang BHmax ay maaaring umabot sa  5–8 MGOe  o mas mataas pa. Nangangahulugan ito na, sa ilalim ng parehong sensor air gap at detection threshold, ang magnetic field na 'lakas ng signal' na maibibigay ng injection-molded ferrite ay malinaw na mas mahina kaysa sa mga NdFeB system.

Ang data ng magnetic field sa ibabaw pagkatapos ng multi-pole magnetization ay higit na naglalarawan ng hadlang: ang surface magnetic field ng thin-wall inner-diameter oriented injection-molded ferrite multi-pole magnetic rings ay humigit-kumulang  600–1100 Gs , habang ang anisotropic sintered ferrite ay maaaring makamit ang mas mataas na halaga. Habang tumataas ang bilang ng mga pares ng poste at lumiliit ang lapad ng arko ng bawat indibidwal na poste, ang 'lugar' na magagamit para sa pagtatatag ng magnetic field ay lumiliit, nagiging mas makabuluhan ang mga epekto sa gilid at inter-pole magnetic field superposition, at lalong lumalala ang ratio ng signal-to-noise.  Ito ay hindi isang problema na maaaring malutas sa pamamagitan ng pagsasaayos ng kasalukuyang ng magnetizer; sa halip, ito ay isang malambot na itaas na limitasyon na ipinataw ng produkto ng enerhiya ng materyal sa bilang ng mga pares ng poste.

Mga geometric na hadlang sa pagitan ng pole pitch, kapal, at mga pares ng pole

Ang isang empirical na relasyon na ibinigay sa isang European patent ay lubos na nakapagtuturo: ang kapal ng magnetizable na elemento ay dapat na humigit-kumulang  1.25 beses sa pole pitch  (±25%), na tumutugma sa isang hanay ng kapal na humigit-kumulang 0.3–1.5 mm; ang pole pitch mismo ay nasa order na  0.25–1.25 mm . Ang geometric na hadlang na ito ay nag-uugnay sa bilang ng mga pares ng poste sa diameter ng disk: para sa isang partikular na diameter, mas mataas ang bilang ng mga pares ng poste, mas maliit ang pole pitch, at mas manipis ang kinakailangang kapal ng magnet.

Para sa injection-molded ferrite, ang pagnipis ng pader ay higit na pinipiga ang epektibong magnetic flux. Kasabay nito, kapag ang pole pitch ay lumiit sa sub-millimeter level, ang tolerance window para sa magnetizing fixture na katumpakan ng pole-head at magnetic circuit na disenyo ay mabilis na lumiliit. Malinaw na itinuturo ng mga materyales sa industriya na mas mataas ang bilang ng poste, mas maliit ang lapad ng single-pole arc, at mas mataas ang mga kinakailangan para sa pag-magnetize ng katumpakan ng poste-head at disenyo ng magnetic circuit. Ang mga problema tulad ng  under-saturation sa mga tip ng pole, magnetic field distortion, at inter-pole zero-position shift  ay lilitaw.

Ito ay nagpapaliwanag kung bakit ang mga karaniwang detalye ng injection-molded ferrite encoder magnetic rings sa merkado ay puro sa mga posisyon tulad ng  62/64 pole at 126/128 pole , sa halip na i-stack pataas nang walang katiyakan. Ang mga posisyon na ito ay mga punto ng balanse na sumailalim na sa engineering convergence sa pagganap ng materyal, proseso ng magnetization, at gastos.

Lohika ng pagpili: magtrabaho pabalik mula sa 'gaano kahusay ang kailangan' hanggang sa 'gaano kataas ang maaaring gawin'

Ang isang praktikal na landas sa pagpili ay dapat na baligtarin:  tukuyin muna ang resolusyon na talagang kailangan ng system, pagkatapos ay suriin kung ang injection-molded ferrite ay maaaring magbigay ng magagamit na kalidad ng signal sa bilang ng pares ng poste.

Mababang hanay ng pares ng poste (4–12 pole):  Malaki ang haba ng arko ng isang poste, at sapat ang magnetic flux, kaya ang mahinang magnetic-field na pagkukulang ng injection-molded ferrite ay nabayaran ng mga geometric na sukat. Angkop ang hanay na ito para sa mga sitwasyong hindi nangangailangan ng mahigpit na resolution ngunit nangangailangan ng mababang gastos at magandang pagkakapare-pareho, gaya ng mga fan motor, smart water meter, at mga BLDC ng appliance. Sa mga application na ito, ang papel ng mga pares ng poste ay higit na nagbibigay ng commutation reference kaysa sa isang tumpak na angular scale.

Medium pole-pair range (16–32 pole):  Ito ang threshold para sa pagpasok ng mga application sa antas ng encoder. Mapapanatili pa rin ng injection-molded ferrite ang isang magagamit na signal-to-noise ratio sa hanay na ito, na ginagawa itong angkop para sa medium-resolution na angle na feedback, gaya ng humanoid robot joint encoder at ilang servo auxiliary feedback. Sa panahon ng pagpili, ang pangunahing item sa pag-verify ay  pole pitch consistency  sa halip na maghabol lang ng mas mataas na pole-pair count—isang 32-pole magnetic ring na may pare-parehong pole pitch distribution ay maaaring makakuha ng mas mahusay na angular accuracy kaysa sa 64-pole magnetic ring na may blur na mga hangganan ng magnetization.

Mas mataas na hanay ng pares ng poste (48–64 pole at pataas):  Nagsisimulang lapitan ang injection-molded ferrite sa itaas na mga limitasyon ng proseso at materyal. Ang hanay na ito ay mas angkop sa  dual-track na disenyo : ang pangunahing track ay responsable para sa mataas na resolution na incremental o absolute na posisyon, habang ang pangalawang track ay nagbibigay ng revolution count o coarse position reference na may mga bilang ng coprime pole-pair. Ang 62/64-pole at 126/128-pole na dual-track na magnetic ring na magagamit na sa merkado ay mga produkto ng diskarteng ito. Gayunpaman, dapat tandaan na kapag ang bilang ng mga pares ng poste ay tumaas pa, ang surface field attenuation at inter-pole interference ng injection-molded ferrite ay magpapababa sa kalidad ng signal. Sa puntong ito,  ang bonded NdFeB ay karaniwang ang mas makatwirang pagpipilian , sa kabila ng mas mataas na halaga nito.

Dalawang pangunahing paalala para sa pagpapatupad ng engineering

Una, isama ang kakayahan ng magnetization sa pagsusuri sa pagpili.  Ang bilang ng pole-pair sa isang magnetic ring drawing ay isang halaga ng disenyo. Kung ang aktwal na pamamahagi ng magnetic pole ay pare-pareho at kung ang mga inter-pole zero na posisyon ay malinaw ay nakasalalay sa magnetizing fixture at proseso. Bago tukuyin ang bilang ng mga pares ng poste, dapat hilingin sa supplier ng magnet na ibigay ang  sinusukat na surface field distribution curve  at  data ng pagkakapare-pareho ng pole pitch  sa bilang ng pole-pair na iyon, hindi lamang isang schematic ng magnetic pole arrangement.

Pangalawa, ang dual-track ay hindi isang shortcut para sa 'stacking pole counts.'  Ang halaga ng dual-track ay nakasalalay sa paggamit ng kumbinasyon ng mga coprime pole-pair na bilang upang sabay na makakuha ng mataas na resolution at isang absolute position reference. Gayunpaman, ito ay naglalagay ng mas mataas na mga pangangailangan sa phase alignment sa pagitan ng dalawang magnetic track at sa magnetization crosstalk control. Kung ang mga bilang ng pole-pair ng pangunahin at pangalawang track ay hindi wastong napili (halimbawa, masyadong malapit sa isa't isa), ang position-solving advantage na dala ng coprimality ay ma-offset ng signal crosstalk. Ang kumbinasyon ng pole-pair ng dalawahang track ay kailangang idisenyo kasama ng algorithm ng pag-decode, sa halip na mapagpasyahan nang unilateral ng tagagawa ng magnet.

Ang kakanyahan ng pagpili ay upang mahanap ang intersection sa pagitan ng  mga kinakailangan sa paglutas, kakayahan ng materyal, window ng proseso, at gastos . Ang injection-molded ferrite ay hindi isang 'unibersal na magnetic ring material.' Nagbibigay ito ng isang napakahusay na cost-effective na solusyon sa low-to-medium pole-pair range; ngunit kapag ang bilang ng pole-pair ay lumampas sa 64, kailangang tapat na harapin ng mga pumipili ang magnetic performance ceiling nito—alinman sa tumanggap ng pagkawala sa kalidad ng signal o lumipat sa isang materyal na sistema na may mas mataas na produkto ng enerhiya.  Ang mga pares ng poste ay isang ruler, ngunit kung ang mga graduation sa ruler ay tumpak na iguguhit ay depende sa kung ang materyal at proseso ay maaaring suportahan ang mga ito.