Perechi de poli magnetici: Prea mulți sunt risipitori, Prea puțini sunt insuficienti — Unde sunt limitele de selecție ale discurilor de ferită turnate prin injecție?

La selectare discurile de codificator magnetic , o intuiție comună este: cu cât numărul de perechi de poli este mai mare, cu atât rezoluția este mai mare și performanța este mai bună. La nivelul senzorului, această judecată este valabilă în linii mari. Dar odată ce materialul magnetului este fixat ca ferită turnată prin injecție, situația devine mai nuanțată. Plafonul de performanță magnetic al feritei turnate prin injecție, limitele procesului de magnetizare multipolară și faptul ușor de trecut cu vederea că „rezoluția ≠ acuratețe” desenează împreună o curbă de selecție care nu este pur și simplu „cu cât mai mare, cu atât mai bine”.

În primul rând, clarificați o premisă: rezoluția nu este egală cu acuratețea

Literatura de aplicare a TI oferă o relație concisă: atunci când se utilizează un singur blocaj Hall, impulsurile pe rotație sunt egale cu numărul de perechi de poli ale magnetului; când se utilizează două dispozitive de blocare Hall pentru decodarea în cuadratură, numărul pe rotație este de două ori mai mare decât numărul de poli. Din perspectiva „gradațiilor”, perechile de poli determină în mod direct cel mai mic pas unghiular pe care sistemul îl poate rezolva.

Dar un memento dintr-un proiect de codificator magnetic open-source merită atenție din partea fiecărui selector: „Rezoluție != Precizie” — puteți obține o rezoluție teoretică de 0,017°/pas la un pas de polar de 2,4 mm, dar acești pași nu sunt mapați uniform în jurul circumferinței. Cu alte cuvinte,  perechile de poli determină „cât de fine sunt gradațiile”, nu „cât de precis sunt desenate gradațiile”.  Eroarea unghiulară provine din consistența pasului polilor, claritatea limitei de magnetizare, excentricitatea instalării senzorului și uniformitatea materialului magnetului în sine. Perechile de poli în sine nu elimină aceste erori; în schimb, le pot amplifica pe măsură ce numărul de perechi de poli crește.

„Plafonul de performanță magnetică” al feritei turnate prin injecție

Poziționarea feritei turnate prin injecție este clară: este turnată prin injecție din pulbere de ferită (de obicei ferită de stronțiu) combinată cu o matrice polimerică, cum ar fi nailonul PA12/PA6. Avantajele sale constau în turnarea integrată a formelor complexe, consistența dimensională bună, rezistența la coroziune și costul scăzut, dar performanța sa magnetică este la nivelul de jos printre materialele de magnet pentru codificatori utilizate în mod obișnuit.

În ceea ce privește datele specifice, inducția reziduală Br a feritei turnate prin injecție este de aproximativ  1,7–3,0 kGs , coercivitate intrinsecă Hci este de aproximativ  2,3–4,0 kOe , iar produsul energetic maxim BHmax este de aproximativ  1–2,2 MGOe . Pentru referință, Br-ul NdFeB legat este de obicei  de 4,5–7,5 kg , iar BHmax poate ajunge la  5–8 MGOe  sau chiar mai mare. Aceasta înseamnă că, sub același spațiu de aer al senzorului și prag de detecție, câmpul magnetic „puterea semnalului” pe care o poate furniza ferita turnată prin injecție este în mod clar mai slab decât cel al sistemelor NdFeB.

Datele câmpului magnetic de suprafață după magnetizarea multipolară ilustrează în continuare constrângerea: câmpul magnetic de suprafață al inelelor magnetice multipolare din ferită turnată prin injecție cu perete subțire și diametrul interior este de aproximativ  600-1100 Gs , în timp ce ferita sinterizată anizotropă poate atinge valori mai mari. Pe măsură ce numărul de perechi de poli crește și lățimea arcului fiecărui pol individual se îngustează, „zona” disponibilă pentru stabilirea câmpului magnetic se micșorează, efectele marginilor și suprapunerea câmpului magnetic între poli devin mai semnificative, iar raportul semnal-zgomot se deteriorează și mai mult.  Aceasta nu este o problemă care poate fi rezolvată prin reglarea curentului magnetizatorului; mai degrabă, este o limită superioară moale impusă de produsul energetic al materialului asupra numărului de perechi de poli.

Constrângeri geometrice între pasul polilor, grosimea și perechile de poli

O relație empirică dată într-un brevet european este destul de instructivă: grosimea elementului magnetizabil ar trebui să fie de aproximativ  1,25 ori pasul polar  (±25%), corespunzător unui interval de grosime de aproximativ 0,3–1,5 mm; pasul polar în sine este de ordinul  0,25–1,25 mm . Această constrângere geometrică leagă numărul de perechi de poli de diametrul discului: pentru un diametru dat, cu cât este mai mare numărul de perechi de poli, cu atât este mai mic pasul de poli și cu atât grosimea necesară a magnetului este mai subțire.

Pentru ferita turnată prin injecție, subțierea peretelui comprimă și mai mult fluxul magnetic efectiv. În același timp, odată ce pasul polului se micșorează la nivelul submilimetrului, fereastra de toleranță pentru precizia capului de stâlp a dispozitivului de magnetizare și designul circuitului magnetic se îngustează rapid. Materialele din industrie subliniază în mod clar că, cu cât numărul de poli este mai mare, cu atât lățimea arcului unipolar este mai mică și cu atât sunt mai mari cerințele pentru precizia capului stâlpului și proiectarea circuitului magnetic al dispozitivului de magnetizare. probleme precum  subsaturarea la vârfurile polilor, distorsiunea câmpului magnetic și schimbarea poziției zero între poli . Vor apărea

Acest lucru explică de ce specificațiile comune ale inelelor magnetice pentru codificatoare de ferită turnate prin injecție de pe piață sunt concentrate în poziții precum  62/64 poli și 126/128 poli , în loc să fie stivuite în sus la infinit. Aceste poziții sunt puncte de echilibru care au suferit deja o convergență inginerească între performanța materialului, procesul de magnetizare și cost.

Logica de selecție: lucrați înapoi de la „cât de bine este necesar” la „cât de sus poate fi făcut”

O cale de selecție practică ar trebui inversată:  mai întâi determinați rezoluția de care sistemul are cu adevărat nevoie, apoi evaluați dacă ferita turnată prin injecție poate oferi o calitate utilizabilă a semnalului la acel număr de perechi de poli.

Interval scăzut de perechi de poli (4–12 poli):  lungimea arcului unui singur pol este mare, iar fluxul magnetic este suficient, astfel încât deficiența câmpului magnetic slab al feritei turnate prin injecție este compensată de dimensiuni geometrice. Această gamă este potrivită pentru scenarii care nu necesită o rezoluție strictă, dar necesită un cost scăzut și o consistență bună, cum ar fi motoarele ventilatoarelor, contoarele inteligente de apă și BLDC-urile pentru aparate. În aceste aplicații, rolul perechilor de poli este mai mult de a oferi o referință de comutare decât o scară unghiulară precisă.

Interval mediu de pereche de poli (16–32 de poli):  Acesta este pragul de intrare în aplicații la nivel de codificator. Ferita turnată prin injecție poate menține în continuare un raport semnal-zgomot utilizabil în acest interval, făcându-l potrivit pentru feedback-ul cu unghi de rezoluție medie, cum ar fi codificatoarele de articulații robot umanoizi și unele feedback-uri auxiliare servo. În timpul selecției, elementul cheie de verificare este  consistența pasului polilor,  mai degrabă decât pur și simplu urmărirea unui număr mai mare de perechi de poli - un inel magnetic cu 32 de poli cu distribuție uniformă a pasului polilor poate obține o precizie unghiulară mai bună decât un inel magnetic cu 64 de poli cu limite de magnetizare neclare.

Interval mai mare de perechi de poli (48–64 de poli și mai sus):  Ferita turnată prin injecție începe să se apropie de limitele superioare ale procesului și ale materialului. Această gamă este mai potrivită pentru  designul cu două șine : șina principală este responsabilă pentru poziția incrementală sau absolută de înaltă rezoluție, în timp ce șina secundară oferă numărătoare de rotații sau referință de poziție grosieră cu numărătoarea perechilor de poli coprime. Inelele magnetice cu două căi de 62/64 de poli și 126/128 de poli deja disponibile pe piață sunt produse ale acestei abordări. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că, atunci când numărul de perechi de poli crește și mai mult, atenuarea câmpului de suprafață și interferența interpolară a feritei turnate prin injecție vor degrada calitatea semnalului. În acest moment,  NdFeB legat este de obicei alegerea mai rezonabilă , în ciuda costului său mai mare.

Două memento-uri cheie pentru implementarea ingineriei

În primul rând, includeți capacitatea de magnetizare în evaluarea selecției.  Numărul de perechi de poli pe desenul unui inel magnetic este o valoare de proiectare. Dacă distribuția reală a polului magnetic este uniformă și dacă pozițiile zero între poli sunt clare depind de dispozitivul de magnetizare și de proces. Înainte de a determina numărul de perechi de poli, furnizorul de magnet ar trebui să fie rugat să furnizeze  curba de distribuție a câmpului de suprafață măsurat  și  datele de consistență a pasului de poli  la acel număr de perechi de poli, nu doar o schemă a aranjamentului polilor magnetici.

În al doilea rând, dual-track nu este o scurtătură pentru „stivuirea numărului de poli”.  Valoarea dual-track constă în utilizarea unei combinații de numărătoare de perechi de poli coprime pentru a obține simultan o rezoluție ridicată și o referință de poziție absolută. Cu toate acestea, impune cerințe mai mari privind alinierea de fază între cele două piste magnetice și controlul magnetizării diafoniei. Dacă numărul de perechi de poli ale pistelor principale și secundare sunt selectate necorespunzător (de exemplu, prea aproape unul de celălalt), avantajul de rezolvare a poziției adus de coprimalitate va fi compensat de diafonia semnalului. Combinația de poli-pereche a pistelor duale trebuie să fie proiectată împreună cu algoritmul de decodare, mai degrabă decât să fie decisă unilateral de producătorul magnetului.

Esența selecției este de a găsi intersecția dintre  cerințele de rezoluție, capacitatea materialului, fereastra de proces și cost . Ferita turnată prin injecție nu este un „material universal pentru inele magnetice”. Oferă o soluție extrem de rentabilă în intervalul de perechi de poli de la joasă la medie; dar atunci când numărul de perechi de poli avansează dincolo de 64, selectorii trebuie să înfrunte cu onestitate plafonul de performanță magnetică – fie să accepte o pierdere a calității semnalului, fie să apeleze la un sistem de materiale cu un produs energetic mai mare.  Perechile de stâlpi sunt o riglă, dar dacă gradările de pe riglă sunt desenate cu precizie depinde dacă materialul și procesul le pot susține.