Comparaison des disques d'encodeur magnétique à une et deux pistes

Dans l'automatisation industrielle, le contrôle conjoint des robots et les systèmes moteurs de véhicules à énergies nouvelles, les codeurs magnétiques jouent un rôle de plus en plus critique. Grâce à la détection de champ magnétique sans contact, ils convertissent le mouvement rotatif ou linéaire en signaux électriques précis, fournissant au système des informations sur la position, la vitesse et la direction. Le 'cœur' d'un L'encodeur magnétique est précisément ce disque magnétique apparemment simple (anneau magnétique).

Lorsque les ingénieurs commencent à sélectionner des composants, ils sont souvent confrontés à plusieurs questions inévitables : quelle est exactement la différence entre une voie simple et une voie double ? À quels scénarios les aimants en caoutchouc et les ferrites moulées par injection sont-ils respectivement adaptés ?

1. Disques monopiste : suffisants, mais pas assez « intelligents »

Un disque magnétique monopiste ne possède qu’une seule piste aimantée et fonctionne avec un seul capteur. Il calcule l'angle de rotation en émettant des signaux d'impulsion ; Essentiellement, il s'agit d'un encodeur incrémental : il peut uniquement vous indiquer « à quel point il a tourné », mais ne peut pas déterminer directement « dans quelle direction il tourne » ou « dans quelle position absolue il se trouve actuellement ».

C'est pour cette raison que le point zéro de référence d'un système monovoie doit être rétabli à chaque mise sous tension. Si l'appareil est éteint et redémarré, toutes les informations de position précédente sont perdues.

Cependant, les disques monopiste ont également une valeur irremplaçable : structure simple, coût extrêmement faible et chaîne de traitement du signal courte. Ils conviennent parfaitement aux applications qui nécessitent uniquement une mesure de vitesse et ne nécessitent pas de direction ou de position absolue, telles que la détection de la vitesse du ventilateur, les systèmes de mouvement unidirectionnel et la commande de moteur ordinaire sensible au coût.

2. Disques à double piste : mesure de la position absolue avec « deux règles »

L'idée principale d'un disque à double piste est d'intégrer deux pistes magnétisées sur le même aimant - une piste principale et une piste secondaire (généralement appelée piste vernier) - avec leurs nombres de paires de pôles magnétiques différant d'une unité, par exemple 64 paires de pôles associées à 63 paires de pôles, ou 32 paires de pôles associées à 31 paires de pôles.

L'ingéniosité de cette conception réside dans le fait que, comme les deux pistes ont un nombre différent de paires de pôles, quelle que soit la position angulaire, la combinaison des champs magnétiques générés par les deux pistes est unique. La puce d'encodeur lit la différence de phase entre les deux canaux de signal et, grâce au principe du vernier (similaire à la logique de lecture d'un pied à coulisse), peut calculer la position angulaire absolue actuelle dans un rayon de 360°. Même après un redémarrage après une mise hors tension, la position exacte peut être connue au moment où l'alimentation est rétablie, sans avoir besoin de « revenir à zéro ».

Les améliorations de performances apportées par les doubles pistes sont multidimensionnelles :

• Saut de résolution : Avec le décodage en quadrature, les signaux double canal peuvent augmenter la résolution effective d'un facteur 4. Pour un anneau magnétique à 50 paires de pôles, un système monopiste ne peut obtenir que 50 comptes par tour, tandis qu'un système double piste avec décodage en quadrature peut atteindre 200 comptes.

• Capacité de détection de direction : la séquence de phases des deux canaux de signal reflète directement le sens de rotation, sans nécessiter d'inférence logique supplémentaire.

• Redondance résistante aux interférences : les signaux à double canal peuvent se vérifier mutuellement, ce qui facilite le filtrage des impulsions erronées dans des environnements de vibrations ou d'interférences électromagnétiques, améliorant ainsi considérablement la stabilité du système.

• Efficacité de l'espace : par rapport à l'utilisation de deux anneaux magnétiques à voie unique côte à côte, une structure à double voie intégrée peut réduire l'occupation de l'espace axial d'environ 30 à 40 %, ce qui est crucial pour les applications sensibles au volume telles que les articulations de robots.

Bien entendu, une solution à double voie nécessite deux capteurs et des circuits de traitement du signal plus complexes, de sorte que le coût matériel est relativement plus élevé. Cependant, dans les scénarios exigeant une précision de positionnement stricte, tels que les systèmes d'asservissement, les articulations de robots et le contrôle de précision des moteurs sans balais, cet investissement en vaut la peine.

3. Le débat sur les matériaux : aimants en caoutchouc ou ferrite moulée par injection

Qu'il soit à piste unique ou à double piste, le choix du matériau de substrat du disque est tout aussi critique. À l'heure actuelle, les deux matériaux les plus couramment utilisés pour les anneaux magnétiques des codeurs sont les aimants en caoutchouc et la ferrite moulée par injection, chacun ayant un caractère distinct.

Aimants en caoutchouc : le « polyvalent » flexible

Les aimants en caoutchouc sont fabriqués en mélangeant de la poudre magnétique de ferrite avec des élastomères tels que le caoutchouc nitrile, suivi d'un mélange, d'un calandrage et d'un moulage par vulcanisation. Leur plus grand avantage réside dans  la flexibilité et la facilité de traitement : ils peuvent être transformés en feuilles ou en rouleaux minces et adaptés aux exigences d'installation incurvées ou de forme spéciale, ce qui les rend particulièrement adaptés aux scénarios légers et restreints en espace.

Les performances magnétiques des codeurs magnétiques modernes en caoutchouc s’améliorent également continuellement. En optimisant la formulation du caoutchouc, le taux de remplissage de la poudre de ferrite peut être encore augmenté, et des fabricants tels que NTN ont obtenu une augmentation de 25 % de la force magnétique par rapport aux codeurs en caoutchouc traditionnels. Les anneaux magnétiques de la série Elasto-Ferrite de Hutchinson peuvent atteindre une rémanence allant jusqu'à 3 500 G, une largeur de pôle aussi petite que 2 mm et une tolérance de période contrôlée à 0,05° près.

Cependant, les aimants en caoutchouc présentent également des inconvénients évidents :  une résistance limitée à la température , généralement entre 60°C et 80°C, et des performances magnétiques relativement faibles. Ils sont plus adaptés aux moteurs de petite et moyenne taille, aux capteurs ABS automobiles et à d'autres occasions avec des exigences de température moins exigeantes.

Ferrite moulée par injection : la « faction de précision » rigide

La ferrite moulée par injection est fabriquée en mélangeant de la poudre magnétique de ferrite de strontium ou de baryum avec des plastiques techniques tels que le nylon (PA66) ou le PPS, puis en la formant par moulage par injection. Ses principaux avantages résident dans  la cohérence dimensionnelle et la liberté de moulage : des formes géométriques complexes peuvent être moulées par injection en une seule étape et les dimensions sont très stables d'un lot à l'autre, ce qui est crucial pour l'alignement précis des deux pistes dans un disque à double piste.

La ferrite moulée par injection a  une résistance à la température nettement meilleure que les aimants en caoutchouc . La résistance thermique des aimants moulés par injection à base de nylon peut atteindre 120 à 150 °C, bien supérieure aux 60 à 80 °C des aimants en caoutchouc. En termes de durabilité mécanique, la ferrite moulée par injection a une dureté de surface plus élevée, une plus grande résistance à l'usure et aux chocs, et est moins susceptible de développer des fissures ou des dommages lors d'une utilisation à long terme. De plus, en tant que matériau oxyde, la ferrite elle-même présente une excellente résistance à la corrosion et ne nécessite aucune protection supplémentaire par revêtement.

Comparaison des paramètres clés des deux matériaux

La logique de sélection est en fait assez claire : si l'application recherche  une haute précision, une haute durabilité et une large plage de températures , la ferrite moulée par injection est plus adaptée ; S'il existe des exigences plus élevées en matière de  flexibilité, d'allègement et de contrôle des coûts , les aimants en caoutchouc constituent le choix le plus pragmatique.

4. Stratégie de combinaison : faire correspondre le nombre de pistes avec le matériau

Une fois la structure de la piste et les caractéristiques des matériaux comprises, la sélection devient une décision matricielle :

• Monopiste + aimant en caoutchouc : La solution la plus économique, adaptée à la mesure simple de la vitesse, à la détection de la vitesse du ventilateur et à des scénarios similaires.

• Ferrite à voie unique + moulée par injection : améliore la durabilité et l'adaptabilité à la température tout en gardant les coûts contrôlables ; adapté aux applications incrémentielles dans des environnements relativement difficiles, tels que les capteurs de vitesse de roue automobile.

• Double piste + aimant en caoutchouc : équilibre la capacité de positionnement absolue et la légèreté. Le capteur d'angle de haute précision de NTN utilise une structure à double piste en matériau magnétique en caoutchouc, atteignant une précision angulaire de ±0,1° et une réduction de poids de 27 %.

• Ferrite à double piste + moulée par injection : destinée aux scénarios industriels les plus exigeants (servomoteurs, joints de robots et tables rotatives de machines-outils CNC) nécessitant un positionnement absolu de haute précision, une grande stabilité en température et une fiabilité à long terme.

Il convient de noter que la précision d’un disque à double piste dépend non seulement du matériau mais aussi, plus important encore, de la  précision de la magnétisation . L'espacement entre les deux pistes est extrêmement petit et les méthodes traditionnelles de magnétisation par lots sont sujettes à la diaphonie magnétique, provoquant une déformation des pôles magnétiques des pistes adjacentes. L'approche de pointe de l'industrie est la magnétisation « écriture de données unipolaire » : comme pour l'écriture de données sur un disque dur, les micro-têtes magnétiques magnétisent pôle par pôle en séquence, améliorant ainsi la précision de l'alignement de phase entre les pistes jusqu'au niveau submicronique.

En dernière analyse, la sélection d'un disque d'encodeur magnétique est un processus de « correspondance aux exigences ». Les disques à piste unique résolvent la question de « combien il a tourné » de la manière la plus simple, tandis que les disques à double piste utilisent deux « règles » avec des échelles différentes pour répondre à la question plus fondamentale de « où il se trouve actuellement ». Les aimants en caoutchouc sont connus pour leur flexibilité et leur économie, tandis que la ferrite moulée par injection gagne en rigidité et en précision. Lorsque la structure de la piste et les caractéristiques des matériaux correspondent correctement, les codeurs magnétiques peuvent offrir des performances maximales dans l'automatisation industrielle et les équipements intelligents.