Coppie di poli magnetici: troppe sono uno spreco, troppo poche sono insufficienti: dove sono i limiti di selezione dei dischi di ferrite stampati a iniezione?

Durante la selezione dischi encoder magnetici , un'intuizione comune è: maggiore è il numero di coppie polari, maggiore è la risoluzione e migliori sono le prestazioni. A livello di sensori, questo giudizio è ampiamente valido. Ma una volta fissato il materiale del magnete come ferrite stampata a iniezione, la situazione diventa più sfumata. Il limite massimo delle prestazioni magnetiche della ferrite stampata a iniezione, i limiti del processo di magnetizzazione multipolare e il fatto facilmente trascurato che 'risoluzione ≠ precisione' insieme disegnano una curva di selezione che non è semplicemente 'più alto, meglio è'.

Innanzitutto chiariamo una premessa: la risoluzione non è uguale alla precisione

La letteratura applicativa di TI fornisce una relazione concisa: quando si utilizza un singolo fermo Hall, gli impulsi per giro equivalgono al numero di coppie polari del magnete; quando si utilizzano due chiavistelli Hall per la decodifica in quadratura, i conteggi per giro sono il doppio del numero di poli. Dal punto di vista delle 'graduazioni', le coppie polari determinano direttamente il passo angolare più piccolo che il sistema può risolvere.

Ma un promemoria da un progetto di codificatore magnetico open source merita l'attenzione di ogni selezionatore: 'Risoluzione! = Precisione': puoi ottenere una risoluzione teorica di 0,017°/passo con un passo polare di 2,4 mm, ma questi passaggi non sono mappati uniformemente attorno alla circonferenza. In altre parole,  le coppie polari determinano 'quanto sono precise le graduazioni', non 'quanto accuratamente vengono disegnate le graduazioni'.  L'errore angolare deriva dalla coerenza del passo polare, dalla chiarezza dei confini della magnetizzazione, dall'eccentricità dell'installazione del sensore e dall'uniformità del materiale del magnete stesso. Le coppie polari stesse non eliminano questi errori; invece, possono amplificarli all'aumentare del numero di coppie polari.

Il 'soffitto prestazionale magnetico' in ferrite stampata ad iniezione

Il posizionamento della ferrite stampata a iniezione è chiaro: è stampata a iniezione da polvere di ferrite (solitamente ferrite di stronzio) combinata con una matrice polimerica come nylon PA12/PA6. I suoi vantaggi risiedono nello stampaggio integrato di forme complesse, buona consistenza dimensionale, resistenza alla corrosione e basso costo, ma le sue prestazioni magnetiche sono di fascia bassa tra i materiali magnetici per encoder comunemente usati.

In termini di dati specifici, l’induzione residua Br della ferrite stampata ad iniezione è di circa  1,7–3,0 kG , la coercività intrinseca Hci è di circa  2,3–4,0 kOe e il prodotto energetico massimo BHmax è di circa  1–2,2 MGOe . Per riferimento, il Br del NdFeB legato è tipicamente  4,5–7,5 kG e il BHmax può raggiungere  5–8 MGOe  o anche superiore. Ciò significa che, a parità di traferro e soglia di rilevamento del sensore, la 'potenza del segnale' del campo magnetico che la ferrite stampata a iniezione può fornire è chiaramente più debole di quella dei sistemi NdFeB.

I dati sul campo magnetico superficiale dopo la magnetizzazione multipolare illustrano ulteriormente il vincolo: il campo magnetico superficiale degli anelli magnetici multipolari in ferrite stampati a iniezione orientati con diametro interno a parete sottile è di circa  600-1100 G , mentre la ferrite sinterizzata anisotropa può raggiungere valori più elevati. Man mano che il numero di coppie polari aumenta e la larghezza dell'arco di ogni singolo polo si restringe, l''area' disponibile per stabilire il campo magnetico si restringe, gli effetti di bordo e la sovrapposizione del campo magnetico interpolare diventano più significativi e il rapporto segnale-rumore si deteriora ulteriormente.  Questo non è un problema risolvibile regolando la corrente del magnetizzatore; piuttosto, è un limite superiore morbido imposto dal prodotto energetico del materiale al numero di coppie polari.

Vincoli geometrici tra passo polare, spessore e coppie polari

Una relazione empirica fornita in un brevetto europeo è piuttosto istruttiva: lo spessore dell'elemento magnetizzabile dovrebbe essere circa  1,25 volte il passo polare  (±25%), corrispondente ad un intervallo di spessore di circa 0,3–1,5 mm; il passo polare stesso è dell'ordine di  0,25–1,25 mm . Questo vincolo geometrico lega il numero di coppie polari al diametro del disco: per un dato diametro, maggiore è il numero di coppie polari, minore è il passo polare e più sottile è lo spessore richiesto del magnete.

Per la ferrite stampata ad iniezione, l'assottigliamento della parete comprime ulteriormente il flusso magnetico effettivo. Allo stesso tempo, una volta che il passo polare si riduce al livello submillimetrico, la finestra di tolleranza per la precisione della testa polare dell'apparecchio magnetizzante e la progettazione del circuito magnetico si restringono rapidamente. I materiali del settore sottolineano chiaramente che maggiore è il numero di poli, minore è la larghezza dell'arco unipolare e maggiori sono i requisiti per la precisione della testa del polo dell'apparecchio magnetizzante e per la progettazione del circuito magnetico. problemi come  la sottosaturazione delle punte dei poli, la distorsione del campo magnetico e lo spostamento della posizione zero tra i poli . Appariranno quindi

Ciò spiega perché le specifiche comuni degli anelli magnetici degli encoder in ferrite stampati a iniezione sul mercato sono concentrate in posizioni come  62/64 poli e 126/128 poli , anziché essere impilati verso l'alto indefinitamente. Queste posizioni sono punti di equilibrio che hanno già subito una convergenza ingegneristica tra prestazioni dei materiali, processo di magnetizzazione e costi.

Logica di selezione: lavorare a ritroso da 'quanto è necessario il taglio fine' a 'quanto è possibile arrivare in alto'

Un percorso di selezione pratico dovrebbe essere invertito:  determinare innanzitutto la risoluzione di cui il sistema ha realmente bisogno, quindi valutare se la ferrite stampata a iniezione può fornire una qualità del segnale utilizzabile con quel numero di coppie di poli.

Gamma bassa di coppie polari (4–12 poli):  la lunghezza dell'arco di un singolo polo è ampia e il flusso magnetico è sufficiente, quindi il difetto del campo magnetico debole della ferrite stampata a iniezione è compensato dalle dimensioni geometriche. Questa gamma è adatta per scenari che non richiedono una risoluzione rigorosa ma richiedono costi contenuti e buona coerenza, come motori di ventilatori, contatori dell'acqua intelligenti e BLDC per elettrodomestici. In queste applicazioni, il ruolo delle coppie polari è più quello di fornire un riferimento di commutazione che una scala angolare precisa.

Intervallo medio di coppie di poli (16–32 poli):  questa è la soglia per accedere alle applicazioni a livello di encoder. La ferrite stampata a iniezione può comunque mantenere un rapporto segnale-rumore utilizzabile in questo intervallo, rendendola adatta per feedback angolare a media risoluzione, come encoder per giunti di robot umanoidi e alcuni feedback servoausiliari. Durante la selezione, l'elemento chiave di verifica è  la coerenza del passo polare  piuttosto che semplicemente perseguire un numero maggiore di coppie polari: un anello magnetico a 32 poli con distribuzione uniforme del passo polare può ottenere una migliore precisione angolare rispetto a un anello magnetico a 64 poli con confini di magnetizzazione sfocati.

Intervallo di coppie di poli più elevato (48–64 poli e oltre):  la ferrite stampata a iniezione inizia ad avvicinarsi ai limiti superiori del processo e del materiale. Questa gamma è più adatta al  design a doppio binario : il binario principale è responsabile della posizione incrementale o assoluta ad alta risoluzione, mentre il binario secondario fornisce il conteggio dei giri o il riferimento di posizione grossolano con conteggi di coppie di poli coprimi. Gli anelli magnetici a doppio binario da 62/64 poli e 126/128 poli già disponibili sul mercato sono il prodotto di questo approccio. Tuttavia, va notato che quando il numero di coppie polari aumenta ulteriormente, l'attenuazione del campo superficiale e l'interferenza tra i poli della ferrite stampata a iniezione peggioreranno la qualità del segnale. A questo punto,  il NdFeB legato è solitamente la scelta più ragionevole , nonostante il suo costo più elevato.

Due promemoria chiave per l'implementazione tecnica

Innanzitutto, includere la capacità di magnetizzazione nella revisione della selezione.  Il conteggio delle coppie di poli su un disegno di anello magnetico è un valore di progettazione. Se la distribuzione effettiva dei poli magnetici è uniforme e se le posizioni zero tra i poli sono chiare dipende dal dispositivo e dal processo di magnetizzazione. Prima di determinare il numero di coppie polari, al fornitore del magnete dovrebbe essere chiesto di fornire la  curva di distribuzione del campo superficiale misurata  e  i dati sulla consistenza del passo polare  per quel conteggio di coppie polari, non semplicemente uno schema della disposizione dei poli magnetici.

In secondo luogo, il doppio binario non è una scorciatoia per 'impilare i conteggi dei poli'.  Il valore del doppio binario sta nell'utilizzare una combinazione di conteggi di coppie di poli coprimi per ottenere contemporaneamente un'alta risoluzione e un riferimento di posizione assoluto. Tuttavia, pone requisiti più elevati sull'allineamento di fase tra le due tracce magnetiche e sul controllo della diafonia della magnetizzazione. Se i conteggi delle coppie polari delle tracce principale e secondaria sono selezionati in modo errato (ad esempio, troppo vicini l'uno all'altro), il vantaggio nella risoluzione della posizione apportato dalla coprimalità sarà compensato dalla diafonia del segnale. La combinazione delle coppie polari delle doppie tracce deve essere progettata insieme all'algoritmo di decodifica, anziché essere decisa unilateralmente dal produttore del magnete.

L'essenza della selezione è trovare l'intersezione tra  requisiti di risoluzione, capacità del materiale, finestra del processo e costo . La ferrite stampata a iniezione non è un 'materiale universale per anelli magnetici'. Fornisce una soluzione altamente conveniente nella gamma di coppie polari da bassa a media; ma quando il numero di coppie polari supera 64, i selettori devono affrontare onestamente il limite massimo delle prestazioni magnetiche: accettare una perdita di qualità del segnale o rivolgersi a un sistema materiale con un prodotto energetico più elevato.  Le coppie polari sono un righello, ma il fatto che le graduazioni sul righello siano disegnate accuratamente dipende dalla capacità del materiale e del processo di supportarle.