Vergelijking van magnetische encoderschijven met één spoor en twee sporen

In de industriële automatisering, gezamenlijke robotbesturing en nieuwe motorsystemen voor energievoertuigen spelen magnetische encoders een steeds crucialere rol. Door middel van contactloze magnetische velddetectie zetten ze roterende of lineaire bewegingen om in nauwkeurige elektrische signalen, waardoor het systeem informatie over positie, snelheid en richting krijgt. Het 'hart' van een magnetische encoder is precies die ogenschijnlijk eenvoudige magnetische schijf (magnetische ring).

Wanneer ingenieurs componenten beginnen te selecteren, worden ze vaak geconfronteerd met een aantal onvermijdelijke vragen: wat is precies het verschil tussen enkelsporig en dubbelsporig? Voor welke scenario's zijn rubberen magneten en spuitgegoten ferrieten geschikt?

1. Single-Track-schijven: voldoende, maar niet 'slim' genoeg

Een enkelsporige magnetische schijf heeft slechts één gemagnetiseerd spoor en werkt met een enkele sensor. Het berekent de rotatiehoek door pulssignalen uit te voeren; in wezen is het een incrementele encoder: hij kan je alleen vertellen 'hoeveel hij is geroteerd', maar kan niet direct bepalen 'in welke richting hij draait' of 'in welke absolute positie hij zich momenteel bevindt.'

Om deze reden moet het referentienulpunt van een enkelsporig systeem elke keer dat het wordt ingeschakeld opnieuw worden vastgesteld. Als het apparaat wordt uitgeschakeld en opnieuw wordt opgestart, gaat alle eerdere positie-informatie verloren.

Enkelsporige schijven hebben echter ook een onvervangbare waarde: eenvoudige structuur, extreem lage kosten en een korte signaalverwerkingsketen. Ze zijn zeer geschikt voor toepassingen die alleen snelheidsmeting nodig hebben en geen richting of absolute positie vereisen, zoals ventilatorsnelheidsdetectie, unidirectionele bewegingssystemen en kostengevoelige gewone motorbesturing.

2. Dual-Track-schijven: absolute positie meten met 'Twee linialen'

Het kernidee van een dubbelsporige schijf is om twee gemagnetiseerde sporen op dezelfde magneet te integreren - een hoofdspoor en een secundair spoor (gewoonlijk een noniusspoor genoemd) - waarbij het aantal magnetische poolparen één verschilt, bijvoorbeeld 64 poolparen gecombineerd met 63 poolparen, of 32 poolparen gecombineerd met 31 poolparen.

Het vernuft van dit ontwerp ligt in het feit dat, omdat de twee sporen een verschillend aantal poolparen hebben, op elke hoekpositie de combinatie van magnetische velden die door de twee sporen worden gegenereerd uniek is. De encoderchip leest het faseverschil tussen de twee signaalkanalen en kan, via het noniusprincipe (vergelijkbaar met de leeslogica van een schuifmaat), de huidige absolute hoekpositie binnen 360° berekenen. Zelfs na het opnieuw opstarten van de stroom kan de exacte positie bekend zijn op het moment dat de stroom wordt hersteld, zonder de noodzaak om 'terug te keren naar nul'.

De prestatieverbeteringen die dual tracks met zich meebrengen, zijn multidimensionaal:

• Resolutiesprong : Met kwadratuurdecodering kunnen de tweekanaalssignalen de effectieve resolutie met een factor 4 verhogen. Voor een magnetische ring met 50 poolparen kan een enkelsporig systeem slechts 50 tellingen per omwenteling verkrijgen, terwijl een tweesporig systeem met kwadratuurdecodering 200 tellingen kan bereiken.

• Richtingsdetectievermogen : De fasevolgorde van de twee signaalkanalen weerspiegelt direct de rotatierichting, zonder de noodzaak van aanvullende logische gevolgtrekking.

• Interferentiebestendige redundantie : de tweekanaalssignalen kunnen elkaar verifiëren, waardoor het gemakkelijker wordt om foutieve pulsen in trillings- of elektromagnetische interferentieomgevingen uit te filteren, waardoor de systeemstabiliteit aanzienlijk wordt verbeterd.

• Ruimte-efficiëntie : Vergeleken met het gebruik van twee enkelsporige magnetische ringen naast elkaar, kan een geïntegreerde tweesporige structuur de axiale ruimtebeslag met ongeveer 30%-40% verminderen, wat cruciaal is voor volumegevoelige toepassingen zoals robotgewrichten.

Uiteraard vereist een tweesporige oplossing twee sensoren en complexere signaalverwerkingscircuits, waardoor de hardwarekosten relatief hoger zijn. In scenario's met strikte vereisten voor positioneringsnauwkeurigheid, zoals servosystemen, robotgewrichten en precisiecontrole van borstelloze motoren, is deze investering echter de moeite waard.

3. Het materiële debat: rubberen magneten versus spuitgegoten ferriet

Of het nu enkelsporig of dubbelsporig is, de keuze van het substraatmateriaal voor de schijf is even cruciaal. Momenteel zijn de twee meest gebruikte materialen voor magnetische encoderringen rubberen magneten en spuitgegoten ferriet, elk met een eigen karakter.

Rubberen magneten: de flexibele 'alleskunner'

Rubbermagneten worden gemaakt door ferrietmagnetisch poeder te mengen met elastomeren zoals nitrilrubber, gevolgd door compounderen, kalanderen en vulkaniseren. Hun grootste voordeel ligt in  de flexibiliteit en het verwerkingsgemak : ze kunnen tot dunne platen of rollen worden gemaakt en worden aangepast aan gebogen of speciaal gevormde installatievereisten, waardoor ze vooral geschikt zijn voor lichtgewichtscenario's met beperkte ruimte.

De magnetische prestaties van moderne rubberen magneet-encoders worden ook voortdurend verbeterd. Door de rubberformulering te optimaliseren kan de vulverhouding van ferrietpoeder verder worden verhoogd, en fabrikanten zoals NTN hebben een toename van 25% in magnetische kracht bereikt vergeleken met traditionele rubberen encoders. De magnetische ringen in de Elasto-Ferrite-serie van Hutchinson kunnen een remanentie tot 3500 G bereiken, een poolbreedte van slechts 2 mm en een periodetolerantie die binnen 0,05° wordt gecontroleerd.

Rubbermagneten hebben echter ook duidelijke tekortkomingen:  beperkte temperatuurbestendigheid , meestal tussen 60°C en 80°C, en relatief zwakke magnetische prestaties. Ze zijn meer geschikt voor kleine en middelgrote motoren, ABS-sensoren in auto's en andere gelegenheden met minder veeleisende temperatuurvereisten.

Spuitgegoten ferriet: de stijve 'precisiefractie'

Spuitgegoten ferriet wordt gemaakt door magnetisch strontium- of bariumferrietpoeder te mengen met technische kunststoffen zoals nylon (PA66) of PPS en het vervolgens te vormen door spuitgieten. De belangrijkste voordelen liggen in  dimensionale consistentie en vormvrijheid : complexe geometrische vormen kunnen in één stap worden spuitgegoten en de afmetingen zijn zeer stabiel van batch tot batch, wat cruciaal is voor de nauwkeurige uitlijning van de twee sporen in een dubbelsporige schijf.

Spuitgegoten ferriet heeft  een aanzienlijk betere temperatuurbestendigheid dan rubberen magneten . De hittebestendigheid van op nylon gebaseerde spuitgegoten magneten kan 120–150 °C bereiken, veel hoger dan de 60–80 °C van rubberen magneten. In termen van mechanische duurzaamheid heeft spuitgegoten ferriet een hogere oppervlaktehardheid, een sterkere slijtvastheid en slagvastheid, en is het minder waarschijnlijk dat er scheuren of schade ontstaan ​​tijdens langdurig gebruik. Bovendien heeft ferriet zelf, als oxidemateriaal, een uitstekende corrosieweerstand en vereist het geen extra coatingbescherming.

Vergelijking van de belangrijkste parameters van de twee materialen

De selectielogica is eigenlijk heel duidelijk: als de toepassing  hoge precisie, hoge duurzaamheid en een breed temperatuurbereik nastreeft , is spuitgegoten ferriet geschikter; als er hogere eisen worden gesteld aan  flexibiliteit, lichtgewicht en kostenbeheersing , zijn rubberen magneten de meer pragmatische keuze.

4. Combinatiestrategie: het aantal tracks matchen met materiaal

Zodra de trackstructuur en materiaalkenmerken worden begrepen, wordt selectie een beslissing in matrixstijl:

• Enkelsporig + rubberen magneet : de meest economische oplossing, geschikt voor eenvoudige snelheidsmeting, ventilatorsnelheidsdetectie en soortgelijke scenario's.

• Enkelsporig + spuitgegoten ferriet : Verbetert de duurzaamheid en het temperatuuraanpassingsvermogen terwijl de kosten beheersbaar blijven; geschikt voor incrementele toepassingen in relatief zware omgevingen, zoals wielsnelheidssensoren in auto's.

• Dual-track + rubberen magneet : balanceert absoluut positioneringsvermogen en lichtgewicht. De uiterst nauwkeurige hoeksensor van NTN maakt gebruik van een dubbelsporige structuur gemaakt van rubbermagneetmateriaal, waardoor een hoeknauwkeurigheid van ±0,1° en een gewichtsvermindering van 27% wordt bereikt.

• Dual-track + spuitgegoten ferriet : gericht op de meest veeleisende industriële scenario's - servomotoren, robotverbindingen en draaitafels van CNC-bewerkingsmachines - die uiterst nauwkeurige absolute positionering, stabiliteit bij grote temperaturen en betrouwbaarheid op lange termijn vereisen.

Het is vermeldenswaard dat de nauwkeurigheid van een dubbelsporige schijf niet alleen afhankelijk is van het materiaal, maar ook, nog belangrijker, van  de nauwkeurigheid van de magnetisatie . De afstand tussen de twee sporen is extreem klein, en traditionele batch-magnetisatiemethoden zijn gevoelig voor magnetische overspraak, waardoor vervorming van de magnetische polen in aangrenzende sporen ontstaat. De toonaangevende aanpak is 'single-pole data-writing'-magnetisatie. Dit is vergelijkbaar met het schrijven van gegevens naar een harde schijf; micromagneetkoppen magnetiseren pool voor pool achtereenvolgens, waardoor de nauwkeurigheid van de fase-uitlijning tussen sporen tot op submicronniveau wordt verbeterd.

Uiteindelijk is het selecteren van een magnetische encoderschijf een proces van 'matching van eisen'. Enkelsporige schijven lossen de vraag 'hoeveel deze is geroteerd' op de eenvoudigste manier op, terwijl dubbelsporige schijven twee 'linialen' met verschillende schalen gebruiken om de meer fundamentele vraag te beantwoorden van 'waar het nu is'. Rubberen magneten staan ​​bekend om hun flexibiliteit en zuinigheid, terwijl spuitgegoten ferriet wint met stijfheid en precisie. Wanneer spoorstructuur en materiaaleigenschappen goed op elkaar zijn afgestemd, kunnen magnetische encoders maximale prestaties leveren in industriële automatisering en intelligente apparatuur.