Pary biegunów magnetycznych: zbyt wiele jest marnotrawstwem, zbyt mało to za mało — gdzie leżą granice wyboru formowanych wtryskowo dysków ferrytowych?

Przy wyborze dyski magnetyczne , powszechnie uważa się, że im większa liczba par biegunów, tym wyższa rozdzielczość i lepsza wydajność. Na poziomie czujnika ocena ta jest zasadniczo słuszna. Jednak gdy materiał magnesu zostanie utrwalony w postaci ferrytu formowanego wtryskowo, sytuacja staje się bardziej zniuansowana. Pułap magnetyczny ferrytu formowanego wtryskowo, ograniczenia procesu namagnesowania wielobiegunowego i łatwo przeoczony fakt, że „rozdzielczość ≠ dokładność” razem tworzą krzywą wyboru, która nie jest po prostu „im wyższa, tym lepiej”.

Najpierw wyjaśnij założenie: rozdzielczość nie jest równa dokładności

Literatura dotycząca zastosowań TI podaje zwięzłą zależność: przy zastosowaniu pojedynczego zatrzasku Halla, impulsy na obrót są równe liczbie par biegunów magnesu; w przypadku użycia dwóch zatrzasków Halla do dekodowania kwadraturowego zliczenia na obrót są dwukrotnie większe od liczby biegunów. Z punktu widzenia „podziałki” pary biegunów bezpośrednio określają najmniejszy krok kątowy, jaki system może rozwiązać.

Jednak przypomnienie z projektu kodera magnetycznego typu open source zasługuje na uwagę każdego selektora: „Rozdzielczość! = Dokładność” — teoretyczną rozdzielczość można uzyskać 0,017°/krok przy skoku biegunów 2,4 mm, ale kroki te nie są równomiernie odwzorowane na obwodzie. Innymi słowy,  pary biegunów określają „jak drobna jest podziałka”, a nie „jak dokładnie jest narysowana podziałka”.  Błąd kątowy wynika ze spójności podziałki biegunów, przejrzystości granic magnesowania, mimośrodu instalacji czujnika i jednorodności materiału samego magnesu. Same pary biegunów nie eliminują tych błędów; zamiast tego mogą je wzmacniać w miarę wzrostu liczby par biegunów.

„Pułap wydajności magnetycznej” ferrytu formowanego wtryskowo

Położenie ferrytu formowanego wtryskowo jest jasne: jest on formowany wtryskowo z proszku ferrytowego (zwykle ferrytu strontu) połączonego z matrycą polimerową, taką jak nylon PA12/PA6. Jego zalety polegają na zintegrowanym formowaniu złożonych kształtów, dobrej spójności wymiarowej, odporności na korozję i niskim koszcie, ale jego właściwości magnetyczne są na najniższym poziomie wśród powszechnie stosowanych materiałów magnesów enkodera.

Jeśli chodzi o konkretne dane, indukcja resztkowa Br ferrytu formowanego wtryskowo wynosi w przybliżeniu  1,7–3,0 kGs , koercja wewnętrzna Hci wynosi około  2,3–4,0 kOe , a maksymalny produkt energetyczny BHmax wynosi około  1–2,2 MGOe . Dla porównania, Br związanego NdFeB wynosi zazwyczaj  4,5–7,5 kG , a BHmax może osiągnąć  5–8 MGOe  lub nawet więcej. Oznacza to, że przy tej samej szczelinie powietrznej czujnika i progu detekcji pole magnetyczne „siła sygnału”, jakie może zapewnić ferryt formowany wtryskowo, jest wyraźnie słabsze niż w przypadku systemów NdFeB.

Dane powierzchniowego pola magnetycznego po namagnesowaniu wielobiegunowym dodatkowo ilustrują to ograniczenie: powierzchniowe pole magnetyczne cienkościennych, formowanych wtryskowo wielobiegunowych ferrytowych pierścieni magnetycznych o zorientowanej średnicy wewnętrznej wynosi około  600–1100 Gs , podczas gdy anizotropowy ferryt spiekany może osiągać wyższe wartości. W miarę wzrostu liczby par biegunów i zmniejszania się szerokości łuku każdego pojedynczego bieguna, „obszar” dostępny do ustalenia pola magnetycznego kurczy się, efekty krawędziowe i superpozycja międzybiegunowego pola magnetycznego stają się coraz bardziej znaczące, a stosunek sygnału do szumu ulega dalszemu pogorszeniu.  Nie jest to problem, który można rozwiązać regulując prąd magnetyzera; jest to raczej miękka górna granica narzucona przez produkt energetyczny materiału na liczbę par biegunów.

Więzy geometryczne między podziałką, grubością i parami biegunów

Zależność empiryczna podana w patencie europejskim jest dość pouczająca: grubość elementu magnesowalnego powinna wynosić około  1,25-krotność podziałki biegunów  (±25%), co odpowiada zakresowi grubości około 0,3–1,5 mm; sam podział biegunów jest rzędu  0,25–1,25 mm . To ograniczenie geometryczne wiąże liczbę par biegunów ze średnicą dysku: dla danej średnicy im większa liczba par biegunów, tym mniejszy odstęp biegunów i tym cieńsza wymagana grubość magnesu.

W przypadku ferrytu formowanego wtryskowo pocienienie ścianki dodatkowo kompresuje efektywny strumień magnetyczny. Jednocześnie, gdy podziałka biegunów zmniejszy się do poziomu submilimetrowego, okno tolerancji dla precyzji głowicy bieguna uchwytu magnesującego i konstrukcji obwodu magnetycznego szybko się zawęża. Materiały branżowe wyraźnie wskazują, że im większa liczba biegunów, tym mniejsza szerokość łuku jednobiegunowego i tym wyższe wymagania dotyczące precyzji głowicy bieguna uchwytu magnesującego i konstrukcji obwodu magnetycznego. problemy, takie jak  niedosycenie końcówek biegunów, zniekształcenie pola magnetycznego i międzybiegunowe przesunięcie położenia zerowego . Pojawią się wtedy

To wyjaśnia, dlaczego typowe specyfikacje dostępnych na rynku pierścieni magnetycznych enkodera ferrytowego formowanych wtryskowo są skoncentrowane w pozycjach takich jak  62/64 bieguny i 126/128 biegunów , a nie są ułożone w górę w nieskończoność. Pozycje te to punkty równowagi, które przeszły już inżynieryjną konwergencję pod względem wydajności materiału, procesu magnesowania i kosztów.

Logika wyboru: cofnij się od „jak dobrze jest potrzebne” do „jak wysoko można uzyskać”

Praktyczną ścieżkę wyboru należy odwrócić:  najpierw określ rozdzielczość, jakiej naprawdę potrzebuje system, a następnie oceń, czy formowany wtryskowo ferryt może zapewnić użyteczną jakość sygnału przy tej liczbie par biegunów.

Niski zakres par biegunów (4–12 biegunów):  Długość łuku pojedynczego bieguna jest duża, a strumień magnetyczny jest wystarczający, więc wada słabego pola magnetycznego ferrytu formowanego wtryskowo jest kompensowana przez wymiary geometryczne. Ten zakres jest odpowiedni do scenariuszy, które nie wymagają rygorystycznej rozdzielczości, ale wymagają niskiego kosztu i dobrej spójności, takich jak silniki wentylatorów, inteligentne wodomierze i BLDC urządzeń. W tych zastosowaniach rola par biegunów polega bardziej na zapewnieniu odniesienia komutacyjnego niż na precyzyjnej skali kątowej.

Średni zakres par biegunów (16–32 biegunów):  Jest to próg umożliwiający wejście do zastosowań na poziomie enkodera. Formowany wtryskowo ferryt może nadal utrzymywać użyteczny stosunek sygnału do szumu w tym zakresie, dzięki czemu nadaje się do sprzężenia zwrotnego kąta o średniej rozdzielczości, takiego jak przegubowe enkodery humanoidalnych robotów i niektóre pomocnicze sprzężenia zwrotne serwo. Podczas selekcji kluczowym elementem weryfikacji jest  zgodność podziałki biegunów  , a nie po prostu dążenie do większej liczby par biegunów — 32-biegunowy pierścień magnetyczny z równomiernym rozkładem podziałki biegunów może osiągnąć lepszą dokładność kątową niż 64-biegunowy pierścień magnetyczny z niewyraźnymi granicami namagnesowania.

Wyższy zakres par biegunów (48–64 biegunów i więcej):  Ferryt formowany wtryskowo zaczyna zbliżać się do górnych granic procesu i materiału. Ten zakres jest lepiej dostosowany do  konstrukcji dwutorowych : tor główny jest odpowiedzialny za położenie przyrostowe lub absolutne w wysokiej rozdzielczości, podczas gdy tor dodatkowy zapewnia zliczanie obrotów lub zgrubne odniesienie położenia z licznikiem par biegunów o względnie pierwszej kolejności. Produktem tego podejścia są już dostępne na rynku dwutorowe pierścienie magnetyczne 62/64-biegunowe i 126/128-biegunowe. Należy jednak zauważyć, że w miarę dalszego wzrostu liczby par biegunów tłumienie pola powierzchniowego i zakłócenia międzybiegunowe ferrytu formowanego wtryskowo spowodują pogorszenie jakości sygnału. W tym momencie  związany NdFeB jest zwykle rozsądniejszym wyborem , pomimo wyższego kosztu.

Dwa kluczowe przypomnienia dotyczące wdrażania inżynierii

Po pierwsze, w przeglądzie wyboru uwzględnij możliwość magnesowania.  Liczba par biegunów na rysunku pierścienia magnetycznego jest wartością projektową. To, czy rzeczywisty rozkład biegunów magnetycznych jest równomierny i czy międzybiegunowe pozycje zerowe są wyraźne, zależy od urządzenia i procesu magnesowania. Przed określeniem liczby par biegunów należy poprosić dostawcę magnesu o dostarczenie  zmierzonej krzywej rozkładu pola powierzchniowego  i  danych dotyczących konsystencji podziałki biegunów  przy tej liczbie par biegunów, a nie jedynie schematu rozmieszczenia biegunów magnetycznych.

Po drugie, tryb dwutorowy nie jest skrótem do „ułożenia w stosy liczników biegunów”.  Wartość dwutorowości polega na wykorzystaniu kombinacji zliczeń par biegunów o względnie pierwszej kolejności w celu jednoczesnego uzyskania wysokiej rozdzielczości i bezwzględnego odniesienia do położenia. Jednakże stawia wyższe wymagania w zakresie wyrównania fazowego pomiędzy dwiema ścieżkami magnetycznymi i kontroli przesłuchu magnetyzacyjnego. Jeśli liczba par biegunów ścieżki głównej i pomocniczej zostanie niewłaściwie dobrana (na przykład zbyt blisko siebie), przewaga w ustalaniu pozycji wynikająca z współpierwotności zostanie zniwelowana przez przesłuch sygnału. Kombinację par biegunów podwójnych ścieżek należy zaprojektować razem z algorytmem dekodowania, a nie decydować jednostronnie przez producenta magnesu.

Istotą selekcji jest znalezienie punktu przecięcia między  wymaganiami dotyczącymi rozdzielczości, możliwościami materiałowymi, oknem procesu i kosztem . Formowany wtryskowo ferryt nie jest „uniwersalnym materiałem na pierścień magnetyczny”. Zapewnia wysoce opłacalne rozwiązanie w zakresie par biegunów od niskiej do średniej; gdy jednak liczba par biegunów przekroczy 64, selektory muszą uczciwie stawić czoła pułapowi wydajności magnetycznej — albo zaakceptować utratę jakości sygnału, albo przejść na system materialny o produkcie o wyższej energii.  Pary biegunów są linijkami, ale to, czy podziałki na linijce zostaną narysowane dokładnie, zależy od tego, czy materiał i proces mogą je utrzymać.