Magnetiske polpar: For mange er sløsing, for få er utilstrekkelig – hvor er utvalgsgrensene for sprøytestøpte ferrittskiver?

Når du velger magnetiske encoder disker , en vanlig intuisjon er: jo høyere antall polpar, jo høyere oppløsning og bedre ytelse. På sensornivå er denne dommen i det store og hele gyldig. Men når magnetmaterialet er fiksert som sprøytestøpt ferritt, blir situasjonen mer nyansert. Det magnetiske ytelsestaket til sprøytestøpt ferritt, prosessgrensene for flerpolet magnetisering og det lett oversett faktum at 'oppløsning ≠ nøyaktighet' sammen tegner en seleksjonskurve som ikke bare er 'jo høyere, jo bedre'.

Først klargjør en premiss: oppløsning er ikke lik nøyaktighet

TI-applikasjonslitteraturen gir et kortfattet forhold: når du bruker en enkelt Hall-lås, er pulsene per omdreining lik antallet polpar av magneten; ved bruk av to Hall-låser for kvadraturdekoding, er tellingene per omdreining dobbelt så mange poler. Fra perspektivet til «graderinger», bestemmer polpar direkte det minste vinkeltrinn systemet kan løse.

Men en påminnelse fra et magnetisk koderprosjekt med åpen kildekode fortjener oppmerksomhet fra hver velger: 'Oppløsning != Nøyaktighet' – du kan oppnå en teoretisk oppløsning på 0,017°/trinn ved en 2,4 mm polstigning, men disse trinnene er ikke jevnt kartlagt rundt omkretsen. Med andre ord  bestemmer polparene 'hvor fine graderingene er' ikke 'hvor nøyaktig graderingene tegnes.'  Vinkelfeil kommer fra polstigningskonsistens, magnetiseringsgrenseklarhet, sensorinstallasjonseksentrisitet og materialets jevnhet til selve magneten. Polparene i seg selv eliminerer ikke disse feilene; i stedet kan de forsterke dem etter hvert som antall polpar øker.

Det 'magnetiske ytelsestaket' av sprøytestøpt ferritt

Plasseringen av sprøytestøpt ferritt er tydelig: det er sprøytestøpt av ferrittpulver (vanligvis strontiumferritt) kombinert med en polymermatrise som nylon PA12/PA6. Dens fordeler ligger i integrert støping av komplekse former, god dimensjonskonsistens, korrosjonsmotstand og lave kostnader, men dens magnetiske ytelse er i den lave enden blant ofte brukte kodermagnetmaterialer.

Når det gjelder spesifikke data, er den gjenværende induksjonen Br av sprøytestøpt ferritt omtrent  1,7–3,0 kGs , den indre koerciviteten Hci er omtrent  2,3–4,0 kOe , og det maksimale energiproduktet BHmax er omtrent  1–2,2 MGOe . For referanse er Br av bundet NdFeB typisk  4,5–7,5 kGs , og BHmax kan nå  5–8 MGOe  eller enda høyere. Dette betyr at under samme sensorluftgap og deteksjonsterskel, er magnetfeltets 'signalstyrke' som sprøytestøpt ferritt kan gi klart svakere enn NdFeB-systemer.

Overflatemagnetiske feltdata etter multipol magnetisering illustrerer begrensningen ytterligere: overflatemagnetfeltet til tynnvegget indre diameter orienterte sprøytestøpte ferritt multipol magnetiske ringer er omtrent  600–1100 Gs , mens anisotropisk sintret ferritt kan oppnå høyere verdier. Etter hvert som antallet polpar øker og buebredden til hver enkelt pol smalner, krymper 'området' som er tilgjengelig for å etablere magnetfeltet, kanteffekter og interpols magnetfeltsuperposisjon mer signifikant, og signal-til-støy-forholdet forverres ytterligere.  Dette er ikke et problem som kan løses ved å justere strømmen til magnetisatoren; snarere er det en myk øvre grense som pålegges av materialets energiprodukt på antall polpar.

Geometriske begrensninger blant polstigning, tykkelse og polpar

Et empirisk forhold gitt i et europeisk patent er ganske lærerikt: tykkelsen på det magnetiserbare elementet bør være omtrent  1,25 ganger polstigningen  (±25%), tilsvarende et tykkelsesområde på omtrent 0,3–1,5 mm; selve polstigningen er i størrelsesorden  0,25–1,25 mm . Denne geometriske begrensningen knytter antall polpar til skivediameteren: for en gitt diameter, jo høyere antall polpar, jo mindre er polstigningen, og jo tynnere er den nødvendige magnettykkelsen.

For sprøytestøpt ferritt vil tynning av veggen ytterligere komprimere den effektive magnetiske fluksen. Samtidig, når polstigningen krymper til sub-millimeternivå, smalner toleransevinduet for magnetisering av armaturens polhodepresisjon og magnetisk kretsdesign raskt. Industrimaterialer påpeker tydelig at jo høyere polantallet er, desto mindre er den enpolede buebredden, og desto høyere er kravene til magnetisering av armaturets polhodepresisjon og magnetisk kretsdesign. Problemer som  undermetning ved polspisser, magnetfeltforvrengning og nullposisjonsforskyvning mellom poler  vil da dukke opp.

Dette forklarer hvorfor vanlige spesifikasjoner for sprøytestøpte ferrittkoder magnetiske ringer på markedet er konsentrert på posisjoner som  62/64 poler og 126/128 poler , i stedet for å stables oppover i det uendelige. Disse posisjonene er balansepunkter som allerede har gjennomgått teknisk konvergens mellom materialytelse, magnetiseringsprosess og kostnader.

Utvalgslogikk: arbeid bakover fra 'hvor fint det trengs' til 'hvor høyt kan gjøres'

En praktisk utvelgelsesvei bør reverseres:  Bestem først oppløsningen systemet virkelig trenger, og evaluer deretter om sprøytestøpt ferritt kan gi brukbar signalkvalitet ved det antallet polpar.

Lavt pol-par-område (4–12 poler):  Buelengden til en enkelt pol er stor, og den magnetiske fluksen er tilstrekkelig, slik at den svake magnetiske feltmangelen til sprøytestøpt ferritt kompenseres av geometriske dimensjoner. Denne serien er egnet for scenarier som ikke krever streng oppløsning, men krever lave kostnader og god konsistens, for eksempel viftemotorer, smarte vannmålere og BLDC-er. I disse applikasjonene er rollen til polpar mer å gi en kommuteringsreferanse enn en presis vinkelskala.

Middels pol-par-område (16–32 poler):  Dette er terskelen for å gå inn i applikasjoner på kodernivå. Sprøytestøpt ferritt kan fortsatt opprettholde et brukbart signal-til-støy-forhold i dette området, noe som gjør det egnet for vinkeltilbakemeldinger med middels oppløsning, for eksempel humanoide robotleddkodere og noen servo-hjelpe-tilbakemeldinger. Under valg er nøkkelverifiseringselementet  polstigningskonsistens  i stedet for bare å forfølge et høyere pol-parantall – en 32-polet magnetisk ring med jevn poldeling kan oppnå bedre vinkelnøyaktighet enn en 64-polet magnetisk ring med uskarpe magnetiseringsgrenser.

Høyere pol-par-område (48–64 poler og over):  Sprøytestøpt ferritt begynner å nærme seg de øvre grensene for prosess og materiale. Denne rekkevidden er bedre egnet for  tosporsdesign : hovedsporet er ansvarlig for høyoppløselig inkrementell eller absolutt posisjon, mens sekundærsporet gir omdreiningstelling eller grov posisjonsreferanse med coprime pol-par-tellinger. De 62/64-polede og 126/128-polede tosporede magnetringene som allerede er tilgjengelige på markedet er produkter av denne tilnærmingen. Det skal imidlertid bemerkes at når antallet polpar øker ytterligere, vil overflatefeltdempning og interpolinterferens av sprøytestøpt ferritt forringe signalkvaliteten. På dette tidspunktet  er bundet NdFeB vanligvis det mer fornuftige valget , til tross for den høyere kostnaden.

To viktige påminnelser for ingeniørimplementering

Ta først med magnetiseringsevnen i utvalgsgjennomgangen.  Antallet polpar på en magnetisk ringtegning er en designverdi. Hvorvidt den faktiske magnetiske polfordelingen er jevn og om nullposisjonene mellom polene er klare, avhenger av magnetiseringsarmaturen og prosessen. Før man bestemmer antall polpar, bør magnetleverandøren bli bedt om å gi den  målte overflatefeltfordelingskurven  og  polstigningskonsistensdata  ved det polpartallet, ikke bare et skjema over det magnetiske polarrangementet.

For det andre er dual-track ikke en snarvei for «stabling av poltellinger.»  Verdien av dual-track ligger i å bruke en kombinasjon av coprime pol-par teller for samtidig å oppnå høy oppløsning og en absolutt posisjonsreferanse. Det stiller imidlertid høyere krav til fasejustering mellom de to magnetiske sporene og til magnetiseringsovertalekontroll. Hvis pol-par-tellingene til hoved- og sekundærsporene er feil valgt (for eksempel for nær hverandre), vil posisjonsløsende fordelen som følge av coprimalitet bli oppveid av signalkrysstale. Pol-par-kombinasjonen av de doble sporene må utformes sammen med dekodingsalgoritmen, i stedet for å bestemmes ensidig av magnetprodusenten.

Essensen av utvalget er å finne skjæringspunktet mellom  oppløsningskrav, materialkapasitet, prosessvindu og kostnader . Sprøytestøpt ferritt er ikke et 'universelt magnetisk ringmateriale'. Det gir en svært kostnadseffektiv løsning i området med lavt til middels polpar; men når pol-par-antallet går over 64, må velgerne ærlig møte dets magnetiske ytelsestak – enten godta et tap i signalkvalitet eller vende seg til et materialsystem med et høyere energiprodukt.  Polpar er en linjal, men om graderingene på linjalen er tegnet nøyaktig avhenger av om materialet og prosessen kan støtte dem.