Parovi magnetskih polova: previše je rasipno, premalo je nedovoljno — gdje su granice odabira feritnih diskova lijevanih ubrizgavanjem?

Prilikom odabira diskovi magnetskog kodera , uobičajena intuicija je: što je veći broj pari polova, to je veća razlučivost i bolja izvedba. Na razini senzora, ova je prosudba općenito važeća. Ali nakon što je magnetski materijal fiksiran kao injekcijski prešani ferit, situacija postaje nijansiranija. Gornja granica magnetskih performansi injekcijski prešanog ferita, ograničenja procesa višepolnog magnetiziranja i lako zanemarena činjenica da 'razlučivost ≠ točnost' zajedno crtaju krivulju odabira koja nije jednostavno 'što više, to bolje'.

Prvo, pojasnite premisu: rezolucija nije jednaka točnosti

Literatura o primjeni TI daje sažeti odnos: kada se koristi jedan Hallov zasun, impulsi po okretaju jednaki su broju pari polova magneta; kada se koriste dva Hallova zasuna za kvadraturno dekodiranje, brojevi po okretaju su dvostruki od broja polova. Iz perspektive 'gradacija', parovi polova izravno određuju najmanji kutni korak koji sustav može razriješiti.

Ali podsjetnik iz projekta magnetskog kodera otvorenog koda zaslužuje pažnju svakog selektora: 'Rezolucija != Točnost'—možete dobiti teoretsku rezoluciju od 0,017°/korak pri razmaku polova od 2,4 mm, ali ti koraci nisu ravnomjerno mapirani po obodu. Drugim riječima,  parovi polova određuju 'koliko su fine podjele', a ne 'koliko su točne podjele iscrtane'.  Kutna pogreška dolazi od dosljednosti nagiba polova, jasnoće granice magnetizacije, ekscentričnosti instalacije senzora i ujednačenosti materijala samog magneta. Sami parovi polova ne otklanjaju ove pogreške; umjesto toga, mogu ih pojačati kako se broj pari polova povećava.

'Strop magnetske izvedbe' od ferita lijevanog injekcijskim putem

Pozicioniranje injekcijski lijevanog ferita je jasno: injekcijski je lijevan od feritnog praha (obično stroncijev ferit) u kombinaciji s polimernom matricom kao što je najlon PA12/PA6. Njegove prednosti leže u integriranom oblikovanju složenih oblika, dobroj konzistentnosti dimenzija, otpornosti na koroziju i niskoj cijeni, ali njegova magnetska izvedba je na nižem nivou među uobičajeno korištenim materijalima magneta kodera.

Što se tiče specifičnih podataka, rezidualna indukcija Br injekcijski prešanog ferita je otprilike  1,7–3,0 kGs , intrinzična koercitivnost Hci je oko  2,3–4,0 kOe , a maksimalni produkt energije BHmax je oko  1–2,2 MGOe . Za referencu, Br vezanog NdFeB je obično  4,5–7,5 kGs , a BHmax može doseći  5–8 MGOe  ili čak i više. To znači da je, pod istim zračnim rasporom senzora i pragom detekcije, magnetsko polje 'snage signala' koje može pružiti injekcijski lijevani ferit očito slabije od one kod NdFeB sustava.

Podaci o površinskom magnetskom polju nakon višepolnog magnetiziranja dalje ilustriraju ograničenje: površinsko magnetsko polje višepolnih feritnih prstenova s ​​tankim stijenkama orijentiranih unutarnjim promjerom iznosi oko  600–1100 Gs , dok anizotropni sinterirani ferit može postići više vrijednosti. Kako se broj pari polova povećava i širina luka svakog pojedinog pola sužava, 'područje' dostupno za uspostavljanje magnetskog polja se smanjuje, rubni efekti i međupolna superpozicija magnetskog polja postaju značajniji, a omjer signala i šuma dodatno se pogoršava.  Ovo nije problem koji se može riješiti podešavanjem struje magnetizatora; radije, to je meka gornja granica koju nameće energetski proizvod materijala na broj pari polova.

Geometrijska ograničenja između polova, debljine i parova polova

Empirijski odnos dan u europskom patentu prilično je poučan: debljina elementa koji se može magnetizirati trebala bi biti oko  1,25 puta veća od stupnja polova  (±25%), što odgovara rasponu debljine od oko 0,3-1,5 mm; sam korak polova je reda veličine  0,25–1,25 mm . Ovo geometrijsko ograničenje povezuje broj pari polova s ​​promjerom diska: za dati promjer, što je veći broj pari polova, manji je korak polova i tanja je potrebna debljina magneta.

Za injekcijski lijevani ferit, stanjivanje stijenke dodatno komprimira efektivni magnetski tok. U isto vrijeme, nakon što se razmak polova smanji na razinu ispod milimetra, prozor tolerancije za preciznost glave pola magnetizirajućeg učvršćenja i dizajn magnetskog kruga brzo se sužava. Industrijski materijali jasno ističu da što je veći broj polova, to je manja širina jednopolnog luka i veći su zahtjevi za preciznost glave pola magnetizirajućeg učvršćenja i dizajn magnetskog kruga. problemi kao što su  podzasićenost na vrhovima polova, izobličenje magnetskog polja i pomak nulte pozicije između polova . Tada će se pojaviti

Ovo objašnjava zašto su uobičajene specifikacije magnetskih prstenova feritnih enkodera na tržištu koncentrirane na položajima kao što su  62/64 polova i 126/128 polova , umjesto da se beskonačno slažu prema gore. Ove pozicije su točke ravnoteže koje su već prošle inženjersku konvergenciju između izvedbe materijala, procesa magnetizacije i cijene.

Logika odabira: radite unatrag od 'koliko je fino potrebno' do 'koliko se visoko može napraviti'

Praktični put odabira trebao bi biti obrnut:  prvo odredite razlučivost koju sustav uistinu treba, a zatim procijenite može li ferit lijevani injekcijom pružiti upotrebljivu kvalitetu signala pri tom broju pari polova.

Nizak raspon parova polova (4–12 polova):  Duljina luka jednog pola je velika, a magnetski tok je dovoljan, tako da je nedostatak slabog magnetskog polja ferita lijevanog injekcijom nadoknađen geometrijskim dimenzijama. Ovaj raspon je prikladan za scenarije koji ne zahtijevaju strogu rezoluciju, ali zahtijevaju niske troškove i dobru konzistentnost, kao što su motori ventilatora, pametni vodomjeri i BLDC uređaji. U ovim primjenama uloga parova polova je više pružiti komutacijsku referencu nego preciznu kutnu skalu.

Srednji raspon para polova (16–32 pola):  Ovo je prag za ulazak u aplikacije na razini kodera. Injekcijski lijevani ferit još uvijek može održavati upotrebljiv omjer signala i šuma u ovom rasponu, što ga čini prikladnim za kutnu povratnu informaciju srednje razlučivosti, kao što su humanoidni robotski spojni koderi i neke servo pomoćne povratne informacije. Tijekom odabira, ključna stavka provjere je  dosljednost koraka polova  , a ne jednostavno traženje većeg broja parova polova - 32-polni magnetski prsten s ravnomjernom raspodjelom koraka polova može postići bolju kutnu točnost od 64-polnog magnetskog prstena s zamućenim granicama magnetizacije.

Viši raspon parova polova (48–64 pola i više):  injekcijski lijevani ferit počinje se približavati gornjim granicama procesa i materijala. Ovaj raspon je prikladniji za  dvotračni dizajn : glavna staza odgovorna je za inkrementalni ili apsolutni položaj visoke rezolucije, dok sekundarna staza pruža brojanje okretaja ili grubu referencu položaja s istoprostornim brojevima parova polova. 62/64-polni i 126/128-polni dvotračni magnetski prstenovi koji su već dostupni na tržištu proizvodi su ovog pristupa. Međutim, treba imati na umu da će, kada se broj pari polova dodatno poveća, prigušenje površinskog polja i međupolna interferencija ferita lijevanog injekcijom degradirati kvalitetu signala. U ovom trenutku  vezani NdFeB obično je razumniji izbor , unatoč višoj cijeni.

Dva ključna podsjetnika za inženjersku implementaciju

Prvo, uključite mogućnost magnetizacije u pregled odabira.  Broj pari polova na crtežu magnetskog prstena projektirana je vrijednost. Je li stvarna distribucija magnetskih polova ujednačena i jesu li međupolne nulte pozicije jasne ovisi o uređaju za magnetiziranje i postupku. Prije određivanja broja pari polova, od dobavljača magneta treba zatražiti da dostavi  izmjerenu krivulju distribucije površinskog polja  i  podatke o dosljednosti koraka polova  pri tom broju pari polova, a ne samo shemu rasporeda magnetskih polova.

Drugo, dvostruki trag nije prečac za 'slaganje brojeva polova'.  Vrijednost dvostrukog traga leži u korištenju kombinacije brojanja parova polova za istovremeno dobivanje visoke rezolucije i apsolutne reference položaja. Međutim, postavlja veće zahtjeve za usklađivanje faza između dviju magnetskih staza i kontrolu preslušavanja magnetizacije. Ako su brojevi parova polova glavne i sekundarne staze nepravilno odabrani (na primjer, preblizu jedna drugoj), prednost u rješavanju položaja koju donosi koprimalnost bit će neutralizirana preslušavanjem signala. Kombinacija para polova dvostrukih staza mora biti dizajnirana zajedno s algoritmom za dekodiranje, umjesto da o njoj jednostrano odlučuje proizvođač magneta.

Bit odabira je pronaći sjecište između  zahtjeva razlučivosti, mogućnosti materijala, prozora procesa i cijene . Injekcijski lijevani ferit nije 'univerzalni materijal za magnetski prsten'. On pruža visoko isplativo rješenje u rasponu niskih do srednjih parova polova; ali kada broj pari polova napreduje iznad 64, selektori se moraju iskreno suočiti s gornjom granicom magnetske izvedbe - ili prihvatiti gubitak u kvaliteti signala ili se okrenuti materijalnom sustavu s proizvodom više energije.  Parovi stupova su ravnalo, ali hoće li stupnjevanje na ravnalu biti točno nacrtano ovisi o tome mogu li ih materijal i proces podržati.