Páry magnetických pólov: Príliš veľa je plytvanie, príliš málo je nedostatočných – kde sú limity výberu vstrekovaných feritových diskov?

Pri výbere magnetické kódovacie disky , bežná intuícia je: čím vyšší je počet pólových párov, tým vyššie je rozlíšenie a tým lepší výkon. Na úrovni senzorov je tento úsudok všeobecne platný. Ale akonáhle je materiál magnetu fixovaný ako vstrekovaný ferit, situácia sa stáva jemnejšou. Strop magnetického výkonu vstrekovaného feritu, procesné limity viacpólovej magnetizácie a ľahko prehliadnuteľná skutočnosť, že 'rozlíšenie ≠ presnosť' spolu vykresľuje výberovú krivku, ktorá nie je jednoducho 'čím vyššia, tým lepšia'.

Najprv si ujasnite predpoklad: rozlíšenie sa nerovná presnosti

Aplikačná literatúra TI poskytuje stručný vzťah: pri použití jednej Hallovej západky sa impulzy na otáčku rovnajú počtu pólových párov magnetu; pri použití dvoch Hallových západiek na kvadratúrne dekódovanie sú počty na otáčku dvojnásobkom počtu pólov. Z pohľadu 'gradácie' páry pólov priamo určujú najmenší uhlový krok, ktorý systém dokáže vyriešiť.

Ale pripomienka z open source projektu magnetického kódovača si zaslúži pozornosť každého voliča: 'Rozlíšenie != Presnosť' – môžete získať teoretické rozlíšenie 0,017°/krok pri 2,4 mm rozteči pólov, ale tieto kroky nie sú po obvode rovnomerne zmapované. Inými slovami,  pólové páry určujú, 'ako jemná je stupnica,' nie 'ako presne je nakreslená stupnica'.  Uhlová chyba pochádza z konzistencie rozstupu pólov, jasnosti hraníc magnetizácie, excentricity inštalácie snímača a rovnomernosti materiálu samotného magnetu. Samotné pólové páry tieto chyby neodstraňujú; namiesto toho ich môžu zosilniť so zvyšujúcim sa počtom pólových párov.

'Strop magnetického výkonu' vstrekovaného feritu

Umiestnenie vstrekovaného feritu je jasné: je vyrobený vstrekovaním z feritového prášku (zvyčajne feritu strontnatého) kombinovaného s polymérnou matricou, ako je nylon PA12/PA6. Jeho výhody spočívajú v integrovanom lisovaní zložitých tvarov, dobrej rozmerovej konzistencii, odolnosti proti korózii a nízkej cene, ale jeho magnetický výkon je na nízkej úrovni medzi bežne používanými materiálmi kódovacích magnetov.

Pokiaľ ide o špecifické údaje, zvyšková indukcia Br vstrekovaného feritu je približne  1,7–3,0 kgs , vnútorná koercivita Hci je asi  2,3–4,0 kOe a maximálny energetický produkt BHmax je asi  1–2,2 MGOe . Pre porovnanie, Br viazaného NdFeB je zvyčajne  4, 5 až 7, 5 kg a BHmax môže dosiahnuť  5 až 8 MGOe  alebo dokonca vyššie. To znamená, že pri rovnakej vzduchovej medzere snímača a prahu detekcie je „sila signálu“ magnetického poľa, ktorú môže poskytnúť vstrekovaný ferit, zreteľne slabšia ako u systémov NdFeB.

Údaje o povrchovom magnetickom poli po viacpólovej magnetizácii ďalej ilustrujú obmedzenie: povrchové magnetické pole tenkostenných feritových viacpólových magnetických krúžkov s vnútorným priemerom orientovaných vstrekovaním je asi  600–1100 Gs , zatiaľ čo anizotropný spekaný ferit môže dosiahnuť vyššie hodnoty. So zvyšujúcim sa počtom pólových párov a zužovaním šírky oblúka každého jednotlivého pólu sa „plocha“ dostupná na vytvorenie magnetického poľa zmenšuje, okrajové efekty a superpozícia medzipólového magnetického poľa sa stávajú výraznejšími a pomer signálu k šumu sa ďalej zhoršuje.  Toto nie je problém, ktorý sa dá vyriešiť úpravou prúdu magnetizéra; skôr ide o mäkkú hornú hranicu stanovenú energetickým produktom materiálu na počet pólových párov.

Geometrické obmedzenia medzi rozstupom pólov, hrúbkou a pármi pólov

Empirický vzťah uvedený v európskom patente je celkom poučný: hrúbka magnetizovateľného prvku by mala byť približne  1,25-násobok rozstupu pólov  (±25 %), čo zodpovedá rozsahu hrúbok približne 0,3–1,5 mm; samotná rozteč pólov je rádovo  0,25–1,25 mm . Toto geometrické obmedzenie spája počet pólových párov s priemerom disku: pre daný priemer platí, že čím vyšší je počet pólových párov, tým menšie je rozstup pólov a tým tenšia je požadovaná hrúbka magnetu.

V prípade vstrekovaného feritu stenčenie steny ďalej stláča efektívny magnetický tok. Súčasne, akonáhle sa rozstup pólov zmenší na submilimetrovú úroveň, tolerančné okno pre presnosť pólovej hlavy magnetizačného upínadla a dizajn magnetického obvodu sa rýchlo zúži. Priemyselné materiály jasne poukazujú na to, že čím vyšší je počet pólov, tým menšia je šírka jednopólového oblúka a tým vyššie sú požiadavky na presnosť pólovej hlavy magnetizačného upínadla a dizajn magnetického obvodu. problémy, ako je  nedostatočné nasýtenie na špičkách pólov, skreslenie magnetického poľa a posun nulovej polohy medzi pólmi . Potom sa objavia

To vysvetľuje, prečo sa bežné špecifikácie vstrekovaných magnetických krúžkov feritových kódovačov na trhu sústreďujú na pozície, ako sú  62/64 póly a 126/128 póly , namiesto toho, aby boli naskladané donekonečna. Tieto pozície sú rovnovážnymi bodmi, ktoré už prešli inžinierskou konvergenciou medzi výkonom materiálu, procesom magnetizácie a nákladmi.

Logika výberu: pracujte späť od 'ako je potrebné jemné' po 'ako vysoko sa dá dosiahnuť'

Praktická cesta výberu by sa mala obrátiť:  najprv určite rozlíšenie, ktoré systém skutočne potrebuje, a potom zhodnoťte, či vstrekovaný ferit môže poskytnúť použiteľnú kvalitu signálu pri tomto počte párov pólov.

Nízky rozsah párov pólov (4–12 pólov):  Dĺžka oblúka jedného pólu je veľká a magnetický tok je dostatočný, takže nedostatok slabého magnetického poľa vstrekovaného feritu je kompenzovaný geometrickými rozmermi. Tento rad je vhodný pre scenáre, ktoré nevyžadujú prísne rozlíšenie, ale vyžadujú nízke náklady a dobrú konzistenciu, ako sú motory ventilátorov, inteligentné vodomery a zariadenia BLDC. V týchto aplikáciách je úlohou pólových párov viac poskytnúť komutačný odkaz ako presnú uhlovú stupnicu.

Stredný rozsah párov pólov (16–32 pólov):  Toto je prahová hodnota pre vstup do aplikácií na úrovni kódovača. Vstrekovaný ferit môže stále udržiavať použiteľný pomer signálu k šumu v tomto rozsahu, vďaka čomu je vhodný pre spätnú väzbu uhlov so stredným rozlíšením, ako sú kódovače kĺbov humanoidných robotov a niektoré pomocné servo spätné väzby. Počas výberu je kľúčovou overovacou položkou  konzistencia rozstupu pólov,  a nie jednoduché sledovanie vyššieho počtu párov pólov – 32-pólový magnetický krúžok s rovnomerným rozložením rozstupu pólov môže dosiahnuť lepšiu uhlovú presnosť ako 64-pólový magnetický krúžok s rozmazanými hranicami magnetizácie.

Vyšší rozsah párov pólov (48–64 pólov a viac):  Vstrekovaný ferit sa začína približovať k horným hraniciam procesu a materiálu. Tento rozsah je vhodnejší pre  dizajn s dvoma stopami : hlavná stopa je zodpovedná za prírastkovú alebo absolútnu polohu s vysokým rozlíšením, zatiaľ čo sekundárna stopa poskytuje počet otáčok alebo hrubú referenciu polohy s počtom pólov. 62/64-pólové a 126/128-pólové dvojkoľajové magnetické krúžky, ktoré sú už dostupné na trhu, sú produktmi tohto prístupu. Treba však poznamenať, že keď sa počet pólových párov ďalej zvyšuje, útlm povrchového poľa a medzipólová interferencia vstrekovaného feritu zhorší kvalitu signálu. V tomto bode  je viazaný NdFeB zvyčajne rozumnejšou voľbou , napriek jeho vyšším nákladom.

Dve kľúčové pripomienky pre implementáciu inžinierstva

Po prvé, zahrňte do kontroly výberu schopnosť magnetizácie.  Počet pólových párov na výkrese magnetického prstenca je konštrukčná hodnota. Či je skutočné rozloženie magnetických pólov rovnomerné a či sú medzipólové nulové polohy jasné, závisí od magnetizačného prípravku a procesu. Pred určením počtu párov pólov by mal byť dodávateľ magnetu požiadaný, aby poskytol  nameranú krivku rozloženia povrchového poľa  a  údaje o konzistencii rozstupu pólov  pri tomto počte párov pólov, nielen schému usporiadania magnetických pólov.

Po druhé, dvojitá stopa nie je skratkou pre 'hromadenie počtov pólov'.  Hodnota dvojstopy spočíva v použití kombinácie počítaní pólov z páru na súčasné získanie vysokého rozlíšenia a absolútnej referencie polohy. Kladie však vyššie nároky na fázové vyrovnanie medzi dvoma magnetickými stopami a na riadenie magnetizačných presluchov. Ak sú počty pólových párov hlavnej a sekundárnej stopy nesprávne zvolené (napríklad príliš blízko pri sebe), výhoda riešenia polohy, ktorú prináša koprimalita, bude kompenzovaná presluchom signálu. Kombinácia pólových párov duálnych stôp musí byť navrhnutá spolu s dekódovacím algoritmom, a nie jednostranne rozhodovať výrobca magnetov.

Podstatou výberu je nájsť priesečník medzi  požiadavkami na rozlíšenie, materiálovou kapacitou, procesným oknom a nákladmi . Vstrekovaný ferit nie je 'univerzálny magnetický prstencový materiál'. Poskytuje vysoko nákladovo efektívne riešenie v rozsahu nízkych až stredných pólových párov; ale keď počet pólových párov prekročí 64, selektory musia čestne čeliť svojmu stropu magnetického výkonu – buď akceptujú stratu kvality signálu, alebo sa obrátia na materiálový systém s vyšším energetickým produktom.  Pólové páry sú pravítko, ale to, či sú stupnice na pravítku nakreslené presne, závisí od toho, či ich môže podporiť materiál a proces.