Pares de pólos magnéticos: muitos são um desperdício, poucos são insuficientes - onde estão os limites de seleção dos discos de ferrite moldados por injeção?

Ao selecionar discos codificadores magnéticos , uma intuição comum é: quanto maior o número de pares de pólos, maior a resolução e melhor o desempenho. No nível do sensor, este julgamento é amplamente válido. Mas uma vez que o material magnético é fixado como ferrita moldada por injeção, a situação se torna mais sutil. O teto de desempenho magnético da ferrita moldada por injeção, os limites do processo de magnetização multipolar e o fato facilmente esquecido de que “resolução ≠ precisão” juntos desenham uma curva de seleção que não é simplesmente “quanto maior, melhor”.

Primeiro, esclareça uma premissa: resolução não é igual a precisão

A literatura de aplicação da TI fornece uma relação concisa: ao usar uma única trava Hall, os pulsos por revolução são iguais ao número de pares de pólos do ímã; ao usar duas travas Hall para decodificação em quadratura, as contagens por revolução são o dobro do número de pólos. Da perspectiva das “graduações”, os pares de pólos determinam diretamente o menor passo angular que o sistema pode resolver.

Mas um lembrete de um projeto de codificador magnético de código aberto merece atenção de todos os seletores: 'Resolução! = Precisão' — você pode obter uma resolução teórica de 0,017°/passo em um passo de pólo de 2,4 mm, mas essas etapas não são mapeadas uniformemente ao redor da circunferência. Em outras palavras,  os pares de pólos determinam 'quão finas são as graduações', e não 'com que precisão as graduações são desenhadas'.  O erro angular vem da consistência do passo dos pólos, da clareza do limite de magnetização, da excentricidade da instalação do sensor e da uniformidade do material do próprio ímã. Os próprios pares de pólos não eliminam esses erros; em vez disso, eles podem amplificá-los à medida que o número de pares de pólos aumenta.

O “teto de desempenho magnético” da ferrite moldada por injeção

O posicionamento da ferrita moldada por injeção é claro: ela é moldada por injeção a partir de pó de ferrita (geralmente ferrita de estrôncio) combinado com uma matriz polimérica como o náilon PA12/PA6. Suas vantagens residem na moldagem integrada de formas complexas, boa consistência dimensional, resistência à corrosão e baixo custo, mas seu desempenho magnético está no limite inferior entre os materiais magnéticos de codificador comumente usados.

Em termos de dados específicos, a indução residual Br da ferrita moldada por injeção é de aproximadamente  1,7–3,0 kGs , a coercividade intrínseca Hci é de cerca de  2,3–4,0 kOe , e o produto energético máximo BHmax é de cerca de  1–2,2 MGOe . Para referência, o Br do NdFeB ligado é normalmente  4,5–7,5 kGs , e o BHmax pode atingir  5–8 MGOe  ou até mais. Isso significa que, sob o mesmo entreferro do sensor e limite de detecção, a “intensidade do sinal” do campo magnético que a ferrite moldada por injeção pode fornecer é claramente mais fraca do que a dos sistemas NdFeB.

Os dados do campo magnético de superfície após a magnetização multipolar ilustram ainda mais a restrição: o campo magnético de superfície de anéis magnéticos multipolares de ferrite moldados por injeção orientados por diâmetro interno de parede fina é de cerca de  600-1100 Gs , enquanto a ferrita sinterizada anisotrópica pode atingir valores mais altos. À medida que o número de pares de pólos aumenta e a largura do arco de cada pólo individual se estreita, a 'área' disponível para estabelecer o campo magnético diminui, os efeitos de borda e a superposição do campo magnético interpolar tornam-se mais significativos e a relação sinal-ruído deteriora-se ainda mais.  Este não é um problema que possa ser resolvido ajustando a corrente do magnetizador; em vez disso, é um limite superior imposto pelo produto energético do material ao número de pares de pólos.

Restrições geométricas entre passo de pólo, espessura e pares de pólos

Uma relação empírica dada numa patente Europeia é bastante instrutiva: a espessura do elemento magnetizável deve ser cerca de  1,25 vezes o passo do pólo  (±25%), correspondendo a uma gama de espessura de cerca de 0,3–1,5 mm; o passo do pólo em si é da ordem de  0,25–1,25 mm . Esta restrição geométrica vincula o número de pares de pólos ao diâmetro do disco: para um determinado diâmetro, quanto maior o número de pares de pólos, menor será o passo dos pólos e mais fina será a espessura necessária do ímã.

Para ferrita moldada por injeção, o afinamento da parede comprime ainda mais o fluxo magnético efetivo. Ao mesmo tempo, uma vez que o passo do pólo diminui para o nível submilimétrico, a janela de tolerância para a precisão da cabeça do pólo do dispositivo de magnetização e o design do circuito magnético se estreitam rapidamente. Os materiais da indústria apontam claramente que quanto maior a contagem de pólos, menor a largura do arco unipolar e maiores os requisitos para a precisão da cabeça do pólo do dispositivo de magnetização e o design do circuito magnético. Problemas como  subsaturação nas pontas dos pólos, distorção do campo magnético e mudança de posição zero entre pólos  aparecerão então.

Isso explica por que as especificações comuns de anéis magnéticos de codificadores de ferrite moldados por injeção no mercado estão concentradas em posições como  62/64 pólos e 126/128 pólos , em vez de serem empilhadas indefinidamente. Essas posições são pontos de equilíbrio que já passaram por convergência de engenharia entre desempenho do material, processo de magnetização e custo.

Lógica de seleção: retroceda de “quão fino é necessário” até “quão alto pode ser feito”

Um caminho prático de seleção deve ser invertido:  primeiro determine a resolução que o sistema realmente precisa e depois avalie se a ferrita moldada por injeção pode fornecer qualidade de sinal utilizável naquela contagem de pares de pólos.

Faixa de pares de pólos baixos (4–12 pólos):  O comprimento do arco de um único pólo é grande e o fluxo magnético é suficiente, de modo que a deficiência do campo magnético fraco da ferrita moldada por injeção é compensada pelas dimensões geométricas. Essa faixa é adequada para cenários que não exigem resolução rigorosa, mas exigem baixo custo e boa consistência, como motores de ventiladores, hidrômetros inteligentes e BLDCs de eletrodomésticos. Nestas aplicações, o papel dos pares de pólos é mais fornecer uma referência de comutação do que uma escala angular precisa.

Faixa média de pares de pólos (16–32 pólos):  Este é o limite para entrar em aplicações de nível de encoder. A ferrite moldada por injeção ainda pode manter uma relação sinal-ruído utilizável nesta faixa, tornando-a adequada para feedback de ângulo de média resolução, como codificadores de juntas de robôs humanóides e alguns feedbacks servo-auxiliares. Durante a seleção, o principal item de verificação é  a consistência do passo dos pólos,  em vez de simplesmente buscar uma contagem maior de pares de pólos - um anel magnético de 32 pólos com distribuição uniforme do passo dos pólos pode alcançar melhor precisão angular do que um anel magnético de 64 pólos com limites de magnetização borrados.

Faixa de pares de pólos mais alta (48–64 pólos e acima):  A ferrita moldada por injeção começa a se aproximar dos limites superiores do processo e do material. Esta faixa é mais adequada para  projetos de trilha dupla : a trilha principal é responsável pela posição incremental ou absoluta de alta resolução, enquanto a trilha secundária fornece contagem de revoluções ou referência de posição grosseira com contagens de pares de pólos coprimos. Os anéis magnéticos de pista dupla de 62/64 pólos e 126/128 pólos já disponíveis no mercado são produtos desta abordagem. No entanto, deve-se notar que quando o número de pares de pólos aumenta ainda mais, a atenuação do campo de superfície e a interferência interpolar da ferrita moldada por injeção degradarão a qualidade do sinal. Neste ponto,  o NdFeB ligado é geralmente a escolha mais razoável , apesar do seu custo mais elevado.

Dois lembretes importantes para implementação de engenharia

Primeiro, inclua a capacidade de magnetização na revisão da seleção.  A contagem de pares de pólos em um desenho de anel magnético é um valor de projeto. Se a distribuição real dos pólos magnéticos é uniforme e se as posições zero entre pólos são claras, depende do dispositivo e do processo de magnetização. Antes de determinar o número de pares de pólos, o fornecedor do ímã deve ser solicitado a fornecer a  curva de distribuição do campo de superfície medida  e  os dados de consistência do passo dos pólos  nessa contagem de pares de pólos, e não apenas um esquema do arranjo dos pólos magnéticos.

Em segundo lugar, a pista dupla não é um atalho para 'empilhar contagens de pólos'.  O valor da pista dupla reside no uso de uma combinação de contagens de pares de pólos coprimos para obter simultaneamente alta resolução e uma referência de posição absoluta. No entanto, impõe maiores exigências ao alinhamento de fase entre as duas trilhas magnéticas e ao controle de diafonia de magnetização. Se as contagens de pares de pólos das trilhas principal e secundária forem selecionadas incorretamente (por exemplo, muito próximas uma da outra), a vantagem de resolução de posição trazida pela coprimalidade será compensada pela diafonia do sinal. A combinação de pares de pólos das pistas duplas precisa ser projetada em conjunto com o algoritmo de decodificação, em vez de ser decidida unilateralmente pelo fabricante do ímã.

A essência da seleção é encontrar a interseção entre  requisitos de resolução, capacidade de material, janela de processo e custo . A ferrita moldada por injeção não é um “material de anel magnético universal”. Ela fornece uma solução altamente econômica na faixa de pares de pólos baixos a médios; mas quando a contagem de pares de pólos avança além de 64, os seletores precisam encarar honestamente seu teto de desempenho magnético – ou aceitar uma perda na qualidade do sinal ou recorrer a um sistema material com um produto de energia mais alto.  Os pares de pólos são uma régua, mas se as graduações na régua são desenhadas com precisão depende se o material e o processo podem suportá-las.