Paires de pôles magnétiques : un trop grand nombre est un gaspillage, trop peu est insuffisant : où sont les limites de sélection des disques en ferrite moulés par injection ?

Lors de la sélection disques codeurs magnétiques , une intuition courante est la suivante : plus le nombre de paires de pôles est élevé, plus la résolution est élevée et meilleures sont les performances. Au niveau des capteurs, ce jugement est largement valable. Mais une fois que le matériau de l’aimant est fixé sous forme de ferrite moulée par injection, la situation devient plus nuancée. Le plafond de performances magnétiques de la ferrite moulée par injection, les limites du processus de magnétisation multipolaire et le fait facilement négligé que « résolution ≠ précision » dessinent ensemble une courbe de sélection qui n'est pas simplement « plus elle est élevée, mieux c'est ».

Tout d’abord, clarifiez une prémisse : la résolution n’est pas égale à la précision

La littérature d'application de TI donne une relation concise : lors de l'utilisation d'un seul verrou à effet Hall, les impulsions par tour sont égales au nombre de paires de pôles de l'aimant ; lors de l'utilisation de deux verrous Hall pour le décodage en quadrature, les comptes par tour sont le double du nombre de pôles. Du point de vue des « graduations », les paires de pôles déterminent directement le plus petit pas angulaire que le système peut résoudre.

Mais un rappel d'un projet d'encodeur magnétique open source mérite l'attention de chaque sélecteur : 'Résolution ! = Précision' : vous pouvez obtenir une résolution théorique de 0,017°/pas à un pas polaire de 2,4 mm, mais ces pas ne sont pas uniformément cartographiés autour de la circonférence. En d'autres termes,  les paires de pôles déterminent « la finesse des graduations », et non « la précision avec laquelle les graduations sont tracées ».  L'erreur angulaire provient de la cohérence du pas des pôles, de la clarté des limites de magnétisation, de l'excentricité de l'installation du capteur et de l'uniformité du matériau de l'aimant lui-même. Les paires de pôles elles-mêmes n’éliminent pas ces erreurs ; au lieu de cela, ils peuvent les amplifier à mesure que le nombre de paires de pôles augmente.

Le « plafond de performances magnétiques » de la ferrite moulée par injection

Le positionnement de la ferrite moulée par injection est clair : elle est moulée par injection à partir de poudre de ferrite (généralement de ferrite de strontium) combinée à une matrice polymère telle que le nylon PA12/PA6. Ses avantages résident dans le moulage intégré de formes complexes, une bonne cohérence dimensionnelle, une résistance à la corrosion et un faible coût, mais ses performances magnétiques se situent dans le bas de gamme parmi les matériaux magnétiques de codeur couramment utilisés.

En termes de données spécifiques, l'induction résiduelle Br de la ferrite moulée par injection est d'environ  1,7 à 3,0 kGs , la coercivité intrinsèque Hci est d'environ  2,3 à 4,0 kOe et le produit énergétique maximal BHmax est d'environ  1 à 2,2 MGOe . À titre de référence, le Br du NdFeB lié est généralement  de 4,5 à 7,5 kG et le BHmax peut atteindre  5 à 8 MGOe  ou même plus. Cela signifie que, sous le même entrefer du capteur et le même seuil de détection, la « force du signal » du champ magnétique que la ferrite moulée par injection peut fournir est clairement plus faible que celle des systèmes NdFeB.

Les données de champ magnétique de surface après magnétisation multipolaire illustrent davantage la contrainte : le champ magnétique de surface des anneaux magnétiques multipolaires en ferrite moulés par injection à paroi mince et à diamètre intérieur orientés est d'environ  600 à 1 100 Gs , tandis que la ferrite frittée anisotrope peut atteindre des valeurs plus élevées. À mesure que le nombre de paires de pôles augmente et que la largeur de l'arc de chaque pôle individuel se rétrécit, la « zone » disponible pour établir le champ magnétique diminue, les effets de bord et la superposition du champ magnétique interpolaire deviennent plus importants et le rapport signal/bruit se détériore davantage.  Ce n’est pas un problème qui peut être résolu en ajustant le courant du magnétiseur ; il s'agit plutôt d'une limite supérieure souple imposée par le produit énergétique du matériau sur le nombre de paires de pôles.

Contraintes géométriques entre le pas des pôles, l'épaisseur et les paires de pôles

Une relation empirique donnée dans un brevet européen est assez instructive : l'épaisseur de l'élément magnétisable doit être d'environ  1,25 fois le pas polaire  (± 25 %), ce qui correspond à une plage d'épaisseur d'environ 0,3 à 1,5 mm ; le pas des pôles lui-même est de l'ordre de  0,25 à 1,25 mm . Cette contrainte géométrique lie le nombre de paires de pôles au diamètre du disque : pour un diamètre donné, plus le nombre de paires de pôles est élevé, plus le pas polaire est petit et plus l'épaisseur requise de l'aimant est faible.

Pour la ferrite moulée par injection, l’amincissement de la paroi comprime davantage le flux magnétique effectif. Dans le même temps, une fois que le pas des pôles se réduit au niveau inférieur au millimètre, la fenêtre de tolérance pour la précision de la tête de pôle du luminaire magnétisé et la conception du circuit magnétique se rétrécit rapidement. Les matériaux industriels indiquent clairement que plus le nombre de pôles est élevé, plus la largeur de l'arc unipolaire est petite et plus les exigences en matière de précision de la tête de pôle du luminaire magnétisant et de conception du circuit magnétique sont élevées. Des problèmes tels qu’une  sous-saturation aux extrémités des pôles, une distorsion du champ magnétique et un décalage de la position zéro entre les pôles  apparaîtront alors.

Cela explique pourquoi les spécifications courantes des anneaux magnétiques des codeurs en ferrite moulés par injection sur le marché sont concentrées à des positions telles que  62/64 pôles et 126/128 pôles , plutôt que d'être empilées indéfiniment vers le haut. Ces positions sont des points d’équilibre qui ont déjà fait l’objet d’une convergence technique entre les performances des matériaux, le processus de magnétisation et le coût.

Logique de sélection : revenir en arrière depuis « la finesse nécessaire » jusqu'à « la hauteur pouvant être atteinte »

Une voie de sélection pratique doit être inversée :  déterminez d'abord la résolution dont le système a réellement besoin, puis évaluez si la ferrite moulée par injection peut fournir une qualité de signal utilisable pour ce nombre de paires de pôles.

Faible plage de paires de pôles (4 à 12 pôles) :  la longueur de l'arc d'un seul pôle est grande et le flux magnétique est suffisant, de sorte que le défaut de faible champ magnétique de la ferrite moulée par injection est compensé par les dimensions géométriques. Cette gamme convient aux scénarios qui ne nécessitent pas de résolution stricte mais nécessitent un faible coût et une bonne cohérence, tels que les moteurs de ventilateur, les compteurs d'eau intelligents et les BLDC d'appareils. Dans ces applications, le rôle des paires de pôles est davantage de fournir une référence de commutation qu'une échelle angulaire précise.

Plage de paires de pôles moyenne (16 à 32 pôles) :  il s'agit du seuil pour accéder aux applications au niveau du codeur. La ferrite moulée par injection peut toujours maintenir un rapport signal/bruit utilisable dans cette plage, ce qui la rend adaptée au retour d'angle à moyenne résolution, comme les encodeurs d'articulations de robots humanoïdes et certains retours auxiliaires d'asservissement. Lors de la sélection, l'élément clé de vérification est  la cohérence du pas des pôles  plutôt que de simplement rechercher un nombre de paires de pôles plus élevé : un anneau magnétique à 32 pôles avec une distribution uniforme du pas des pôles peut atteindre une meilleure précision angulaire qu'un anneau magnétique à 64 pôles avec des limites de magnétisation floues.

Plage de paires de pôles plus élevée (48 à 64 pôles et plus) :  la ferrite moulée par injection commence à s'approcher des limites supérieures du processus et du matériau. Cette gamme est mieux adaptée à  la conception à double piste : la piste principale est responsable de la position incrémentielle ou absolue haute résolution, tandis que la piste secondaire fournit un compte de tours ou une référence de position grossière avec un nombre de paires de pôles coprimes. Les anneaux magnétiques double piste 62/64 pôles et 126/128 pôles déjà disponibles sur le marché sont issus de cette démarche. Cependant, il convient de noter que lorsque le nombre de paires de pôles augmente encore, l'atténuation du champ de surface et les interférences interpolaires de la ferrite moulée par injection dégraderont la qualité du signal. À ce stade,  le NdFeB lié constitue généralement le choix le plus raisonnable , malgré son coût plus élevé.

Deux rappels clés pour la mise en œuvre de l'ingénierie

Tout d’abord, incluez la capacité de magnétisation dans l’examen de sélection.  Le nombre de paires de pôles sur un dessin d'anneau magnétique est une valeur de conception. Le fait que la distribution réelle des pôles magnétiques soit uniforme et que les positions zéro interpolaires soient claires dépend du dispositif et du processus de magnétisation. Avant de déterminer le nombre de paires de pôles, il convient de demander au fournisseur d'aimants de fournir la  courbe de distribution du champ de surface mesurée  et  les données de cohérence du pas des pôles  pour ce nombre de paires de pôles, et pas simplement un schéma de la disposition des pôles magnétiques.

Deuxièmement, la double piste n'est pas un raccourci pour « empiler le nombre de pôles ».  La valeur de la double piste réside dans l'utilisation d'une combinaison de comptes de paires de pôles coprimes pour obtenir simultanément une haute résolution et une référence de position absolue. Cependant, cela impose des exigences plus élevées en matière d'alignement de phase entre les deux pistes magnétiques et de contrôle de la diaphonie de magnétisation. Si le nombre de paires de pôles des pistes principale et secondaire est mal sélectionné (par exemple, trop proche l'un de l'autre), l'avantage de résolution de position apporté par la coprimalité sera compensé par la diaphonie du signal. La combinaison de paires de pôles des doubles pistes doit être conçue en même temps que l'algorithme de décodage, plutôt que d'être décidée unilatéralement par le fabricant de l'aimant.

L'essence de la sélection est de trouver l'intersection entre  les exigences de résolution, la capacité matérielle, la fenêtre de processus et le coût . La ferrite moulée par injection n'est pas un « matériau d'anneau magnétique universel ». Elle constitue une solution très rentable dans la gamme de paires de pôles faibles à moyennes ; mais lorsque le nombre de paires de pôles dépasse 64, les sélecteurs doivent honnêtement faire face à son plafond de performances magnétiques : soit accepter une perte de qualité du signal, soit se tourner vers un système matériel avec un produit énergétique plus élevé.  Les paires de pôles sont une règle, mais la précision des graduations sur la règle dépend de la capacité du matériau et du processus à les supporter.