Magnetische poolparen: te veel is verspillend, te weinig is onvoldoende: waar liggen de selectiegrenzen van spuitgegoten ferrietschijven?

Bij het selecteren magnetische encoderschijven is een algemene intuïtie: hoe hoger het aantal poolparen, hoe hoger de resolutie en hoe beter de prestaties. Op sensorniveau is dit oordeel in grote lijnen geldig. Maar zodra het magneetmateriaal als spuitgegoten ferriet is gefixeerd, wordt de situatie genuanceerder. Het magnetische prestatieplafond van spuitgegoten ferriet, de proceslimieten van meerpolige magnetisatie en het gemakkelijk over het hoofd geziene feit dat 'resolutie ≠ nauwkeurigheid' samen een selectiecurve opleveren die niet simpelweg 'hoe hoger, hoe beter' is.

Verduidelijk eerst een uitgangspunt: resolutie is niet gelijk aan nauwkeurigheid

De TI-toepassingsliteratuur geeft een beknopte relatie: bij gebruik van een enkele Hall-grendel zijn de pulsen per omwenteling gelijk aan het aantal poolparen van de magneet; bij gebruik van twee Hall-grendels voor kwadratuurdecodering zijn de tellingen per omwenteling tweemaal het aantal polen. Vanuit het perspectief van 'gradaties' bepalen poolparen rechtstreeks de kleinste hoekstap die het systeem kan oplossen.

Maar een herinnering uit een open-source project voor magnetische encoders verdient de aandacht van elke selector: 'Resolutie != Nauwkeurigheid' - je kunt een theoretische resolutie van 0,017°/stap verkrijgen bij een poolafstand van 2,4 mm, maar deze stappen zijn niet uniform in kaart gebracht rond de omtrek. Met andere woorden,  poolparen bepalen 'hoe fijn de schaalverdeling is', niet 'hoe nauwkeurig de schaalverdeling is getekend.'  Hoekfout komt voort uit de consistentie van de poolsteek, de duidelijkheid van de magnetisatiegrenzen, de excentriciteit van de sensorinstallatie en de materiaaluniformiteit van de magneet zelf. Poolparen zelf elimineren deze fouten niet; in plaats daarvan kunnen ze deze versterken naarmate het aantal poolparen toeneemt.

Het 'magnetische prestatieplafond' van spuitgegoten ferriet

De positionering van spuitgegoten ferriet is duidelijk: het wordt spuitgegoten uit ferrietpoeder (meestal strontiumferriet) gecombineerd met een polymeermatrix zoals nylon PA12/PA6. De voordelen liggen in het geïntegreerd gieten van complexe vormen, goede maatconsistentie, corrosieweerstand en lage kosten, maar de magnetische prestaties liggen aan de lage kant van de veelgebruikte encodermagneetmaterialen.

In termen van specifieke gegevens is de resterende inductie Br van spuitgegoten ferriet ongeveer  1,7–3,0 kGs , de intrinsieke coërciviteit Hci ongeveer  2,3–4,0 kOe en het maximale energieproduct BHmax ongeveer  1–2,2 MGOe . Ter referentie: de Br van gebonden NdFeB is doorgaans  4,5–7,5 kGs en BHmax kan  5–8 MGOe  of zelfs hoger bereiken. Dit betekent dat, onder dezelfde luchtspleet en detectiedrempel van de sensor, het magnetische veld 'signaalsterkte' dat spuitgegoten ferriet kan leveren duidelijk zwakker is dan dat van NdFeB-systemen.

Gegevens van het oppervlaktemagnetisch veld na meerpolige magnetisatie illustreren de beperking verder: het magnetische oppervlak van dunwandige, georiënteerde spuitgegoten ferriet meerpolige magnetische ringen met binnendiameter is ongeveer  600-1100 Gs , terwijl anisotropisch gesinterd ferriet hogere waarden kan bereiken. Naarmate het aantal poolparen toeneemt en de boogbreedte van elke individuele pool kleiner wordt, wordt het 'gebied' dat beschikbaar is voor het tot stand brengen van het magnetische veld kleiner, worden randeffecten en superpositie van magnetische velden tussen de polen belangrijker, en verslechtert de signaal-ruisverhouding verder.  Dit is geen probleem dat kan worden opgelost door de stroom van de magnetiseur aan te passen; het is eerder een zachte bovengrens die door het energieproduct van het materiaal wordt opgelegd aan het aantal poolparen.

Geometrische beperkingen tussen poolafstand, dikte en poolparen

Een empirische relatie die in een Europees patent wordt gegeven, is behoorlijk leerzaam: de dikte van het magnetiseerbare element moet ongeveer  1,25 keer de poolsteek  (±25%) zijn, wat overeenkomt met een diktebereik van ongeveer 0,3–1,5 mm; de poolsteek zelf ligt in de orde van  0,25–1,25 mm . Deze geometrische beperking koppelt het aantal poolparen aan de schijfdiameter: voor een gegeven diameter geldt: hoe hoger het aantal poolparen, hoe kleiner de poolsteek en hoe dunner de vereiste magneetdikte.

Bij spuitgegoten ferriet zorgt het dunner worden van de wand ervoor dat de effectieve magnetische flux verder wordt gecomprimeerd. Tegelijkertijd wordt, zodra de poolsteek kleiner wordt tot op het submillimeterniveau, het tolerantievenster voor het magnetiseren van de poolkopprecisie van de armatuur en het magnetische circuitontwerp snel smaller. Materialen uit de industrie wijzen er duidelijk op dat hoe hoger het aantal polen, hoe kleiner de enkelpolige boogbreedte, en hoe hoger de vereisten voor de nauwkeurigheid van de poolkop van het magnetiserende armatuur en het ontwerp van de magnetische circuits. Problemen zoals  onderverzadiging aan de poolpunten, magnetische veldvervorming en nulpositieverschuiving tussen de polen  zullen dan optreden.

Dit verklaart waarom de algemene specificaties van spuitgegoten magnetische ferrietencoderringen op de markt geconcentreerd zijn op posities zoals  62/64 polen en 126/128 polen , in plaats van voor onbepaalde tijd opwaarts te worden gestapeld. Deze posities zijn evenwichtspunten die al technische convergentie hebben ondergaan tussen materiaalprestaties, magnetisatieproces en kosten.

Selectielogica: werk terug van 'hoe fijn is nodig' naar 'hoe hoog kan gemaakt worden'

Een praktisch selectiepad zou omgekeerd moeten worden:  bepaal eerst de resolutie die het systeem werkelijk nodig heeft, en evalueer vervolgens of spuitgegoten ferriet een bruikbare signaalkwaliteit kan leveren bij dat aantal poolparen.

Laag poolpaarbereik (4–12 polen):  De booglengte van een enkele pool is groot en de magnetische flux is voldoende, dus de tekortkoming in het zwakke magnetische veld van spuitgegoten ferriet wordt gecompenseerd door geometrische afmetingen. Dit bereik is geschikt voor scenario's die geen stringente resolutie vereisen, maar wel lage kosten en goede consistentie vereisen, zoals ventilatormotoren, slimme watermeters en BLDC's voor apparaten. In deze toepassingen is de rol van poolparen meer het verschaffen van een commutatiereferentie dan het verschaffen van een nauwkeurige hoekschaal.

Middelgroot poolpaarbereik (16–32 polen):  Dit is de drempel voor toegang tot toepassingen op encoderniveau. Spuitgegoten ferriet kan in dit bereik nog steeds een bruikbare signaal-ruisverhouding behouden, waardoor het geschikt is voor hoekfeedback met gemiddelde resolutie, zoals mensachtige robotgewrichtencoders en sommige servo-hulpfeedback. Tijdens de selectie is het belangrijkste verificatie-item  de consistentie van de poolsteek,  in plaats van eenvoudigweg een hoger aantal poolparen na te streven; een 32-polige magnetische ring met uniforme poolsteekverdeling kan een betere hoeknauwkeurigheid bereiken dan een 64-polige magnetische ring met vage magnetisatiegrenzen.

Hoger poolpaarbereik (48-64 polen en hoger):  spuitgegoten ferriet begint de bovengrenzen van proces en materiaal te naderen. Dit bereik is beter geschikt voor  een ontwerp met twee sporen : het hoofdspoor is verantwoordelijk voor de incrementele of absolute positie met hoge resolutie, terwijl het secundaire spoor het aantal toerentallen of grove positiereferenties biedt met coprime-poolpaartellingen. De 62/64-polige en 126/128-polige tweesporige magnetische ringen die al op de markt verkrijgbaar zijn, zijn producten van deze aanpak. Er moet echter worden opgemerkt dat wanneer het aantal poolparen verder toeneemt, de verzwakking van het oppervlakteveld en de interpolaire interferentie van spuitgegoten ferriet de signaalkwaliteit zullen verslechteren. Op dit moment  is gebonden NdFeB meestal de redelijkere keuze , ondanks de hogere kosten.

Twee belangrijke herinneringen voor de technische implementatie

Neem eerst de magnetisatiecapaciteit mee in de selectiebeoordeling.  Het aantal poolparen op een magnetische ringtekening is een ontwerpwaarde. Of de werkelijke magnetische poolverdeling uniform is en of de nulposities tussen de polen duidelijk zijn, hangt af van de magnetiserende armatuur en het proces. Voordat het aantal poolparen wordt bepaald, moet de magneetleverancier worden gevraagd om de  gemeten oppervlakteveldverdelingscurve  en  de consistentiegegevens van de poolsteek  bij dat aantal poolparen te verstrekken, en niet slechts een schema van de magnetische poolopstelling.

Ten tweede is dual-track geen kortere weg voor 'stapelen van pooltellingen'.  De waarde van dual-track ligt in het gebruik van een combinatie van coprime-poolpaartellingen om tegelijkertijd een hoge resolutie en een absolute positiereferentie te verkrijgen. Het stelt echter hogere eisen aan de fase-uitlijning tussen de twee magnetische sporen en aan de beheersing van magnetisatie-overspraak. Als de poolpaartellingen van de hoofd- en secundaire sporen onjuist zijn geselecteerd (bijvoorbeeld te dicht bij elkaar), zal het positieoplossende voordeel van coprimaliteit worden gecompenseerd door signaaloverspraak. De poolpaarcombinatie van de dubbele sporen moet samen met het decoderingsalgoritme worden ontworpen, in plaats van dat deze eenzijdig door de magneetfabrikant wordt bepaald.

De essentie van selectie is het vinden van het snijpunt tussen  resolutievereisten, materiaalcapaciteit, procesvenster en kosten . Spuitgegoten ferriet is geen 'universeel magnetisch ringmateriaal'. Het biedt een zeer kosteneffectieve oplossing in het bereik van lage tot middelmatige poolparen; maar wanneer het aantal poolparen boven de 64 uitkomt, moeten selectors eerlijk het magnetische prestatieplafond onder ogen zien – ofwel een verlies aan signaalkwaliteit accepteren, ofwel overstappen op een materiaalsysteem met een hoger energieproduct.  Poolparen zijn een liniaal, maar of de schaalverdelingen op de liniaal nauwkeurig worden getekend, hangt af van de vraag of het materiaal en het proces deze kunnen ondersteunen.