Comparação de discos codificadores magnéticos de pista única e pista dupla

Na automação industrial, no controle conjunto de robôs e nos novos sistemas de motores de veículos de energia, os codificadores magnéticos estão desempenhando um papel cada vez mais crítico. Através da detecção de campo magnético sem contato, eles convertem movimentos rotativos ou lineares em sinais elétricos precisos, fornecendo ao sistema informações de posição, velocidade e direção. O “coração” de um O codificador magnético é precisamente aquele disco magnético aparentemente simples (anel magnético).

Quando os engenheiros começam a selecionar componentes, muitas vezes enfrentam diversas questões inevitáveis: Qual é exatamente a diferença entre pista única e pista dupla? Para quais cenários os ímãs de borracha e as ferritas moldadas por injeção são adequados, respectivamente?

1. Discos de trilha única: suficientes, mas não 'inteligentes' o suficiente

Um disco magnético de trilha única possui apenas uma trilha magnetizada e funciona com um único sensor. Calcula o ângulo de rotação emitindo sinais de pulso; em essência, é um codificador incremental – ele só pode dizer “quanto girou”, mas não pode determinar diretamente “em que direção está girando” ou “em que posição absoluta está atualmente”.

Por esta razão, o ponto zero de referência de um sistema monovia deve ser restabelecido toda vez que ele for ligado. Se o dispositivo for desligado e reiniciado, todas as informações de posição anterior serão perdidas.

No entanto, os discos de pista única também têm um valor insubstituível: estrutura simples, custo extremamente baixo e cadeia curta de processamento de sinal. Eles são muito adequados para aplicações que necessitam apenas de medição de velocidade e não exigem direção ou posição absoluta, como detecção de velocidade de ventilador, sistemas de movimento unidirecional e controle de motor comum sensível ao custo.

2. Discos de pista dupla: medindo a posição absoluta com “duas réguas”

A ideia central de um disco de trilha dupla é integrar duas trilhas magnetizadas no mesmo ímã - uma trilha principal e uma trilha secundária (geralmente chamada de trilha vernier) - com seus números de pares de pólos magnéticos diferindo em um, por exemplo, 64 pares de pólos emparelhados com 63 pares de pólos, ou 32 pares de pólos emparelhados com 31 pares de pólos.

A engenhosidade deste projeto reside no fato de que, como as duas trilhas possuem números diferentes de pares de pólos, em qualquer posição angular a combinação de campos magnéticos gerados pelas duas trilhas é única. O chip codificador lê a diferença de fase entre os dois canais de sinal e, através do princípio vernier (semelhante à lógica de leitura de um paquímetro), pode calcular a posição angular absoluta atual dentro de 360° - mesmo após uma reinicialização desligada, a posição exata pode ser conhecida no momento em que a energia é restaurada, sem a necessidade de 'retornar a zero'.

As melhorias de desempenho trazidas pelas pistas duplas são multidimensionais:

• Salto de resolução : Com a decodificação em quadratura, os sinais de canal duplo podem aumentar a resolução efetiva por um fator de 4. Para um anel magnético com 50 pares de pólos, um sistema de trilha única pode obter apenas 50 contagens por revolução, enquanto um sistema de trilha dupla com decodificação em quadratura pode atingir 200 contagens.

• Capacidade de detecção de direção : A sequência de fases dos dois canais de sinal reflete diretamente a direção de rotação, sem a necessidade de inferência lógica adicional.

• Redundância resistente a interferências : Os sinais de canal duplo podem verificar-se mutuamente, facilitando a filtragem de pulsos errados em ambientes de vibração ou interferência eletromagnética, melhorando significativamente a estabilidade do sistema.

• Eficiência de espaço : Em comparação com o uso de dois anéis magnéticos de via única lado a lado, uma estrutura integrada de via dupla pode reduzir a ocupação do espaço axial em cerca de 30% a 40%, o que é crucial para aplicações sensíveis ao volume, como juntas de robôs.

É claro que uma solução de pista dupla requer dois sensores e circuitos de processamento de sinal mais complexos, de modo que o custo do hardware é relativamente mais alto. Porém, em cenários com requisitos rígidos de precisão de posicionamento, como servossistemas, juntas de robôs e controle de precisão de motores sem escovas, esse investimento vale a pena.

3. O debate sobre materiais: ímãs de borracha versus ferrita moldada por injeção

Seja de trilha única ou de trilha dupla, a escolha do material do substrato para o disco é igualmente crítica. Atualmente, os dois materiais mais comumente usados ​​para anéis magnéticos de codificadores são ímãs de borracha e ferrita moldada por injeção, cada um com um caráter distinto.

Ímãs de borracha: o 'versátil' flexível

Os ímãs de borracha são feitos misturando pó magnético de ferrita com elastômeros como borracha nitrílica, seguido de composição, calandragem e moldagem por vulcanização. Sua maior vantagem reside na  flexibilidade e facilidade de processamento – eles podem ser feitos em folhas finas ou rolos e adaptados a requisitos de instalação curvados ou com formatos especiais, tornando-os especialmente adequados para cenários leves e com espaço limitado.

O desempenho magnético dos modernos codificadores magnéticos de borracha também está melhorando continuamente. Ao otimizar a formulação da borracha, a taxa de enchimento do pó de ferrite pode ser aumentada ainda mais, e fabricantes como a NTN alcançaram um aumento de 25% na força magnética em comparação com os codificadores de borracha tradicionais. Os anéis magnéticos da série Elasto-Ferrite da Hutchinson podem atingir uma remanência de até 3.500 G, uma largura de pólo tão pequena quanto 2 mm e uma tolerância de período controlada dentro de 0,05°.

No entanto, os ímãs de borracha também apresentam deficiências óbvias:  resistência limitada à temperatura , geralmente entre 60°C e 80°C, e desempenho magnético relativamente fraco. Eles são mais adequados para motores de pequeno e médio porte, sensores ABS automotivos e outras ocasiões com requisitos de temperatura menos exigentes.

Ferrita moldada por injeção: a rígida 'facção de precisão'

A ferrita moldada por injeção é feita misturando pó magnético de ferrita de estrôncio ou bário com plásticos de engenharia como náilon (PA66) ou PPS e depois formando-a por moldagem por injeção. Suas principais vantagens residem na  consistência dimensional e na liberdade de moldagem – formas geométricas complexas podem ser moldadas por injeção em uma única etapa e as dimensões são altamente estáveis ​​de lote para lote, o que é crucial para o alinhamento preciso das duas trilhas em um disco de pista dupla.

A ferrita moldada por injeção tem  resistência à temperatura significativamente melhor do que os ímãs de borracha . A resistência ao calor dos ímãs moldados por injeção à base de náilon pode atingir 120–150°C, muito superior aos 60–80°C dos ímãs de borracha. Em termos de durabilidade mecânica, a ferrita moldada por injeção tem maior dureza superficial, maior resistência ao desgaste e ao impacto, e é menos propensa a desenvolver rachaduras ou danos durante o uso a longo prazo. Além disso, como material óxido, a própria ferrita possui excelente resistência à corrosão e não requer proteção adicional de revestimento.

Comparação dos principais parâmetros dos dois materiais

A lógica de seleção é bastante clara: se a aplicação busca  alta precisão, alta durabilidade e ampla faixa de temperatura , a ferrita moldada por injeção é mais adequada; se houver requisitos mais elevados de  flexibilidade, leveza e controle de custos , os ímãs de borracha são a escolha mais pragmática.

4. Estratégia de combinação: correspondência de contagem de trilhas com material

Uma vez compreendida a estrutura da pista e as características do material, a seleção torna-se uma decisão de estilo matricial:

• Trilha única + ímã de borracha : A solução mais econômica, adequada para medição simples de velocidade, detecção de velocidade do ventilador e cenários semelhantes.

• Ferrite de via única + moldada por injeção : Melhora a durabilidade e a adaptabilidade à temperatura, mantendo os custos controláveis; adequado para aplicações incrementais em ambientes relativamente severos, como sensores de velocidade de rodas automotivas.

• Dual-track + ímã de borracha : Equilibra capacidade de posicionamento absoluto e leveza. O sensor de ângulo de alta precisão da NTN usa uma estrutura de pista dupla feita de material magnético de borracha, alcançando uma precisão angular de ±0,1° e uma redução de peso de 27%.

• Ferrite de trilha dupla + moldada por injeção : Destinado aos cenários industriais mais exigentes - servo motores, juntas de robôs e mesas rotativas de máquinas-ferramenta CNC - que exigem posicionamento absoluto de alta precisão, ampla estabilidade de temperatura e confiabilidade de longo prazo.

Vale a pena notar que a precisão de um disco de pista dupla depende não apenas do material, mas também, mais importante, da  precisão da magnetização . O espaçamento entre as duas trilhas é extremamente pequeno e os métodos tradicionais de magnetização em lote são propensos a diafonia magnética, causando deformação dos pólos magnéticos nas trilhas adjacentes. A abordagem líder do setor é a magnetização de 'gravação de dados unipolar' - como a gravação de dados em um disco rígido, as cabeças micromagnéticas magnetizam pólo por pólo em sequência, melhorando assim a precisão do alinhamento de fase entre as trilhas até o nível submícron.

Em última análise, selecionar um disco codificador magnético é um processo de “correspondência de requisitos”. Os discos de trilha única resolvem a questão de “quanto ele girou” da maneira mais simples, enquanto os discos de trilha dupla usam duas “réguas” com escalas diferentes para responder à questão mais fundamental de “onde está agora”. Os ímãs de borracha são conhecidos por sua flexibilidade e economia, enquanto a ferrite moldada por injeção vence com rigidez e precisão. Quando a estrutura do trilho e as características do material são combinadas adequadamente, os codificadores magnéticos podem oferecer desempenho máximo em automação industrial e equipamentos inteligentes.