Пары магнитных полюсов: слишком много — расточительно, слишком мало — недостаточно. Каковы пределы выбора ферритовых дисков, отлитых под давлением?

При выборе Магнитные энкодеры , общая интуиция такова: чем больше количество пар полюсов, тем выше разрешение и тем лучше производительность. На сенсорном уровне это суждение в целом справедливо. Но как только материал магнита представляет собой отлитый под давлением феррит, ситуация становится более сложной. Потолок магнитных характеристик феррита, отлитого под давлением, технологические пределы многополюсного намагничивания и легко упускаемый из виду факт, что «разрешение ≠ точность» вместе составляют кривую выбора, которая не просто «чем выше, тем лучше».

Во-первых, проясните предпосылку: разрешение не равно точности.

В литературе по применению TI даны краткие соотношения: при использовании одной защелки Холла количество импульсов на оборот равно числу пар полюсов магнита; при использовании двух защелок Холла для квадратурного декодирования количество отсчетов за оборот в два раза превышает количество полюсов. С точки зрения «градуации» пары полюсов непосредственно определяют наименьший угловой шаг, который может разрешить система.

Но напоминание из проекта магнитного энкодера с открытым исходным кодом заслуживает внимания каждого, кто выбирает: «Разрешение! = Точность» — вы можете получить теоретическое разрешение 0,017 °/шаг при шаге полюсов 2,4 мм, но эти шаги не равномерно распределены по окружности. Другими словами,  пары полюсов определяют, «насколько точны градуировки», а не «насколько точно они нарисованы».  Угловая погрешность возникает из-за постоянства шага полюсов, четкости границ намагничивания, эксцентриситета установки датчика и однородности материала самого магнита. Сами по себе пары полюсов не устраняют этих ошибок; вместо этого они могут усиливать их по мере увеличения числа пар полюсов.

«Потолок магнитных характеристик» феррита, отлитого под давлением

Позиционирование феррита, полученного литьем под давлением, ясно: он отливается из ферритового порошка (обычно феррита стронция) в сочетании с полимерной матрицей, такой как нейлон PA12/PA6. Его преимущества заключаются в комплексном формовании сложных форм, хорошей размерной стабильности, коррозионной стойкости и низкой стоимости, но его магнитные характеристики находятся на нижнем уровне среди широко используемых магнитных материалов энкодера.

По конкретным данным остаточная индукция Br литого феррита составляет примерно  1,7–3,0 кГс , собственная коэрцитивная сила Hci – около  2,3–4,0 кЭ , а максимальное энергетическое произведение BHmax – около  1–2,2 МГОэ . Для справки: Br связанного NdFeB обычно составляет  4,5–7,5 кГс , а BHmax может достигать  5–8 MGOe  или даже выше. Это означает, что при одинаковом воздушном зазоре датчика и пороге обнаружения «сила сигнала» магнитного поля, которую может обеспечить феррит, отлитый под давлением, явно слабее, чем у систем NdFeB.

Данные о поверхностном магнитном поле после многополюсного намагничивания дополнительно иллюстрируют ограничение: поверхностное магнитное поле тонкостенных, ориентированных по внутреннему диаметру, отлитых под давлением ферритовых многополюсных магнитных колец составляет около  600–1100 Гс , в то время как анизотропный спеченный феррит может достигать более высоких значений. По мере увеличения количества пар полюсов и сужения ширины дуги каждого отдельного полюса «площадь», доступная для установления магнитного поля, сужается, краевые эффекты и суперпозиция межполюсного магнитного поля становятся более значительными, а соотношение сигнал/шум ухудшается еще больше.  Это не проблема, которую можно решить, регулируя ток намагничивателя; скорее, это мягкий верхний предел, налагаемый энергетическим произведением материала на количество пар полюсов.

Геометрические ограничения между шагом полюсов, толщиной и парами полюсов

Весьма поучительна эмпирическая зависимость, приведенная в европейском патенте: толщина намагничивающегося элемента должна быть примерно в  1,25 раза больше шага полюсов  (±25%), что соответствует диапазону толщин примерно 0,3–1,5 мм; сам шаг полюсов составляет порядка  0,25–1,25 мм . Это геометрическое ограничение связывает количество пар полюсов с диаметром диска: для данного диаметра, чем больше количество пар полюсов, тем меньше шаг полюсов и тем тоньше необходимая толщина магнита.

Для феррита, отлитого под давлением, утончение стенки еще больше сжимает эффективный магнитный поток. В то же время, как только шаг полюсов уменьшается до субмиллиметрового уровня, окно допусков для точности головки полюса намагничивания и конструкции магнитной цепи быстро сужается. Промышленные материалы ясно указывают на то, что чем больше количество полюсов, тем меньше ширина однополюсной дуги и тем выше требования к точности головки полюса намагничивания и конструкции магнитной цепи. такие проблемы, как  недостаточное насыщение на концах полюсов, искажение магнитного поля и сдвиг нулевого положения между полюсами . Тогда возникнут

Это объясняет, почему общие характеристики магнитных колец ферритовых энкодеров, полученных методом литья под давлением, представленных на рынке, сосредоточены в таких положениях, как  62/64 полюса и 126/128 полюсов , а не сложены бесконечно вверх. Эти позиции являются точками баланса, которые уже подверглись инженерному сближению характеристик материалов, процесса намагничивания и стоимости.

Логика выбора: действуйте в обратном порядке от «насколько хорошо нужно» к «насколько высоко можно сделать».

Практический путь выбора следует изменить:  сначала определить разрешение, которое действительно необходимо системе, а затем оценить, может ли отлитый под давлением феррит обеспечить приемлемое качество сигнала при таком количестве пар полюсов.

Малый диапазон пар полюсов (4–12 полюсов):  длина дуги одного полюса велика, а магнитный поток достаточен, поэтому недостаток слабого магнитного поля феррита, отлитого под давлением, компенсируется геометрическими размерами. Этот диапазон подходит для сценариев, которые не требуют строгого разрешения, но требуют низкой стоимости и хорошей согласованности, таких как двигатели вентиляторов, интеллектуальные счетчики воды и устройства BLDC. В этих приложениях роль пар полюсов заключается скорее в обеспечении эталона коммутации, чем в точном угловом масштабе.

Средний диапазон пар полюсов (16–32 полюса):  это порог для входа в приложения уровня энкодера. Феррит, отлитый под давлением, по-прежнему может поддерживать приемлемое соотношение сигнал/шум в этом диапазоне, что делает его пригодным для обратной связи по углу среднего разрешения, например, для энкодеров суставов гуманоидных роботов и некоторых вспомогательных сервоприводов обратной связи. Во время выбора ключевым моментом проверки является  согласованность шага полюсов,  а не просто стремление к большему количеству пар полюсов: 32-полюсное магнитное кольцо с равномерным распределением шага полюсов может обеспечить лучшую угловую точность, чем 64-полюсное магнитное кольцо с размытыми границами намагничивания.

Более высокий диапазон пар полюсов (48–64 полюса и выше):  феррит, отлитый под давлением, начинает приближаться к верхним пределам процесса и материала. Этот диапазон лучше подходит для  двухпутевой конструкции : основная дорожка отвечает за инкрементальное или абсолютное положение с высоким разрешением, а вторичная дорожка обеспечивает подсчет оборотов или грубую привязку положения с подсчетом пар взаимно простых полюсов. Продуктом этого подхода являются уже доступные на рынке двухдорожечные магнитные кольца с 62/64 и 126/128 полюсами. Однако следует отметить, что при дальнейшем увеличении количества пар полюсов затухание поверхностного поля и межполюсные помехи отлитого под давлением феррита будут ухудшать качество сигнала. На этом этапе  обычно более разумным выбором является связанный NdFeB , несмотря на его более высокую стоимость.

Два ключевых напоминания для инженерной реализации

Во-первых, включите возможность намагничивания в обзор выбора.  Число пар полюсов на чертеже магнитного кольца является расчетным значением. Является ли фактическое распределение магнитных полюсов равномерным и четкими ли нулевые положения между полюсами, зависит от намагничивающего приспособления и процесса. Прежде чем определить количество пар полюсов, поставщика магнитов следует попросить предоставить  измеренную кривую распределения поверхностного поля  и  данные о постоянстве шага полюсов  при этом количестве пар полюсов, а не просто схему расположения магнитных полюсов.

Во-вторых, двойной путь не является сокращением для «совмещения подсчетов полюсов».  Ценность двухпутевого метода заключается в использовании комбинации подсчета пар взаимно простых полюсов для одновременного получения высокого разрешения и абсолютного определения местоположения. Однако это предъявляет более высокие требования к выравниванию фаз между двумя магнитными дорожками и к контролю перекрестных помех намагничивания. Если количество пар полюсов главной и вторичной дорожек выбрано неправильно (например, слишком близко друг к другу), преимущество определения местоположения, обеспечиваемое взаимной простотой, будет сведено на нет перекрестными помехами в сигнале. Комбинация пар полюсов двойных дорожек должна разрабатываться вместе с алгоритмом декодирования, а не решаться производителем магнита в одностороннем порядке.

Суть отбора состоит в том, чтобы найти пересечение между  требованиями к разрешению, материальным возможностями, окном процесса и стоимостью . Феррит, отлитый под давлением, не является «универсальным материалом для магнитных колец». Он обеспечивает весьма экономичное решение в диапазоне пар полюсов с низким и средним значением; но когда количество пар полюсов превышает 64, селекторам необходимо честно признать потолок его магнитных характеристик — либо смириться с потерей качества сигнала, либо обратиться к материальной системе с более высоким энергетическим продуктом.  Пары полюсов являются линейкой, но точность нанесения делений на линейке зависит от того, могут ли материал и процесс выдержать их.