Primerjava enoslednih in dvoslednih diskov magnetnega kodirnika

V industrijski avtomatizaciji, krmiljenju robotskih zglobov in novih energetskih motornih sistemih vozil igrajo magnetni dajalniki vedno bolj kritično vlogo. Z brezkontaktnim zaznavanjem magnetnega polja pretvorijo rotacijsko ali linearno gibanje v natančne električne signale, ki sistemu zagotavljajo informacije o položaju, hitrosti in smeri. 'Srce' a magnetni kodirnik je prav ta na videz preprost magnetni disk (magnetni obroč).

Ko inženirji začnejo izbirati komponente, se pogosto soočijo z več neizogibnimi vprašanji: Kakšna je točno razlika med enoslednimi in dvotirnimi? Za katere scenarije so primerni gumijasti magneti oziroma brizgani feriti?

1. Enosledni diski: zadostuje, a ne dovolj 'pametno'.

Enosledni magnetni disk ima samo eno magnetizirano sled in deluje z enim senzorjem. Izračuna kot vrtenja z oddajanjem impulznih signalov; v bistvu je to inkrementalni kodirnik—lahko vam samo pove, 'koliko se je zavrtel', ne more pa neposredno določiti, 'v katero smer se vrti' ali 'v kakšnem absolutnem položaju je trenutno.'

Zato je treba referenčno ničelno točko enotirnega sistema znova vzpostaviti ob vsakem vklopu. Če napravo izklopite in znova zaženete, se izgubijo vse prejšnje informacije o položaju.

Vendar pa imajo enosledne plošče tudi nenadomestljivo vrednost: preprosto strukturo, izjemno nizko ceno in kratko verigo obdelave signala. Zelo so primerni za aplikacije, ki potrebujejo samo merjenje hitrosti in ne zahtevajo smeri ali absolutnega položaja, kot so zaznavanje hitrosti ventilatorja, enosmerni sistemi gibanja in stroškovno občutljivo običajno krmiljenje motorja.

2. Dvotirni diski: merjenje absolutnega položaja z 'dvema ravnilo'

Osrednja zamisel dvotirnega diska je integracija dveh magnetiziranih sledi na istem magnetu – glavne in sekundarne steze (običajno imenovane vernier tir) – pri čemer se njuno število parov magnetnih polov razlikuje za eno, na primer 64 parov polov v parih s 63 pari polov ali 32 parov polov v parih z 31 pari polov.

Iznajdljivost te zasnove je v dejstvu, da imata tiri različno število parov polov, zato je pri kateri koli kotni legi kombinacija magnetnih polj, ki jih ustvarjata tiri, edinstvena. Čip kodirnika bere fazno razliko med obema signalnima kanaloma in lahko prek principa vernierja (podobno logiki branja pri pomičnem merilu) izračuna trenutni absolutni kotni položaj znotraj 360°—tudi po ponovnem zagonu izklopa je natančen položaj znan v trenutku, ko je napajanje ponovno vzpostavljeno, ne da bi se bilo treba 'vrniti na ničlo'.

Izboljšave zmogljivosti, ki jih prinašata dvojni tiri, so večdimenzionalne:

• Preskok ločljivosti : s kvadraturnim dekodiranjem lahko dvokanalni signali povečajo učinkovito ločljivost za faktor 4. Za magnetni obroč s 50 pari polov lahko enosledni sistem doseže samo 50 štetij na obrat, medtem ko lahko dvotirni sistem s kvadraturnim dekodiranjem doseže 200 štetij.

• Zmožnost zaznavanja smeri : Fazno zaporedje dveh signalnih kanalov neposredno odraža smer vrtenja, brez potrebe po dodatnem logičnem sklepanju.

• Redundanca, odporna na motnje : Dvokanalni signali se lahko med seboj preverjajo, kar olajša filtriranje napačnih impulzov v okoljih z vibracijami ali elektromagnetnimi motnjami, kar znatno izboljša stabilnost sistema.

• Prostorska učinkovitost : V primerjavi z uporabo dveh enotirnih magnetnih obročev enega ob drugem lahko integrirana dvotirna struktura zmanjša aksialno zasedenost prostora za približno 30 %–40 %, kar je ključnega pomena za prostorninsko občutljive aplikacije, kot so spoji robotov.

Seveda dvotirna rešitev zahteva dva senzorja in bolj zapleteno vezje za obdelavo signalov, zato so stroški strojne opreme relativno višji. Vendar pa je v scenarijih s strogimi zahtevami glede natančnosti pozicioniranja, kot so servo sistemi, robotski spoji in natančen nadzor brezkrtačnih motorjev, ta naložba vredna.

3. Razprava o materialu: gumijasti magneti proti brizganemu feritu

Ne glede na to, ali je disk enosleden ali dvosleden, je izbira substratnega materiala za disk enako pomembna. Trenutno sta dva najpogosteje uporabljena materiala za magnetne obroče kodirnika gumijasti magneti in brizgani ferit, od katerih ima vsak svoj značaj.

Gumijasti magneti: prilagodljiv 'vsestranski'

Gumijasti magneti so izdelani z mešanjem feritnega magnetnega prahu z elastomeri, kot je nitrilna guma, čemur sledi mešanje, kalandriranje in vulkaniziranje. Njihova največja prednost je  fleksibilnost in enostavna obdelava - izdelati jih je mogoče v tanke plošče ali zvitke in jih prilagoditi ukrivljenim ali posebno oblikovanim zahtevam za namestitev, zaradi česar so posebej primerni za prostorsko omejene in lahke scenarije.

Tudi magnetna zmogljivost sodobnih dajalnikov z gumijastimi magneti se nenehno izboljšuje. Z optimizacijo formulacije gume je mogoče dodatno povečati razmerje polnjenja feritnega prahu in proizvajalci, kot je NTN, so dosegli 25-odstotno povečanje magnetne sile v primerjavi s tradicionalnimi gumijastimi dajalniki. Magnetni obroči v Hutchinsonovi seriji Elasto-Ferrite lahko dosežejo remanenco do 3500 G, širino pola le 2 mm in toleranco periode, nadzorovano znotraj 0,05°.

Vendar imajo gumijasti magneti tudi očitne pomanjkljivosti:  omejeno temperaturno odpornost , običajno med 60 °C in 80 °C, in relativno šibko magnetno zmogljivost. Primernejši so za majhne in srednje velike motorje, avtomobilske ABS senzorje in druge priložnosti z manj zahtevnimi temperaturnimi zahtevami.

Brizgani ferit: trdna 'precizna frakcija'

Brizgani ferit je izdelan z mešanjem stroncijevega ali barijevega feritnega magnetnega prahu z inženirsko plastiko, kot je najlon (PA66) ali PPS, in nato oblikovanjem z brizganjem. Njegove glavne prednosti so v  dimenzionalni doslednosti in svobodi oblikovanja — zapletene geometrijske oblike je mogoče brizgati v enem koraku, dimenzije pa so zelo stabilne od serije do serije, kar je ključnega pomena za natančno poravnavo dveh tirov v dvotirnem disku.

Brizgani ferit ima  znatno boljšo temperaturno odpornost kot gumijasti magneti . Toplotna odpornost brizganih magnetov na osnovi najlona lahko doseže 120–150 °C, kar je veliko več kot 60–80 °C gumijastih magnetov. Kar zadeva mehansko vzdržljivost, ima brizgani ferit višjo površinsko trdoto, večjo odpornost proti obrabi in udarcem ter manj verjetno, da bo med dolgotrajno uporabo povzročil razpoke ali poškodbe. Poleg tega ima ferit kot oksidni material odlično odpornost proti koroziji in ne potrebuje dodatne zaščite prevleke.

Primerjava ključnih parametrov obeh materialov

Izbirna logika je pravzaprav povsem jasna: če aplikacija zasleduje  visoko natančnost, visoko vzdržljivost in široko temperaturno območje , je brizgani ferit primernejši; če obstajajo višje zahteve glede  prilagodljivosti, majhne teže in nadzora stroškov , so gumijasti magneti bolj pragmatična izbira.

4. Kombinacijska strategija: ujemanje števila skladb z materialom

Ko razumete strukturo tirnice in značilnosti materiala, izbira postane odločitev v slogu matrike:

• Enosmerni + gumijasti magnet : najbolj ekonomična rešitev, primerna za preprosto merjenje hitrosti, zaznavanje hitrosti ventilatorja in podobne scenarije.

• Enosledni + brizgani ferit : izboljša vzdržljivost in temperaturno prilagodljivost, hkrati pa ohranja nadzor nad stroški; primeren za postopno uporabo v razmeroma težkih okoljih, kot so senzorji hitrosti avtomobilskih koles.

• Dvojni tir + gumijasti magnet : Uravnoteži absolutno zmogljivost pozicioniranja in majhno težo. Visoko natančen kotni senzor NTN uporablja dvotirno strukturo iz gumijastega magnetnega materiala, ki dosega kotno natančnost ±0,1° in 27-odstotno zmanjšanje teže.

• Dvotirni + brizgani ferit : namenjen najzahtevnejšim industrijskim scenarijem – servo motorji, spoji robotov in vrtljive mize CNC obdelovalnih strojev – ki zahtevajo visoko natančno absolutno pozicioniranje, stabilnost pri široki temperaturi in dolgoročno zanesljivost.

Treba je omeniti, da natančnost dvotirnega diska ni odvisna le od materiala, temveč tudi, kar je še pomembneje, od  natančnosti magnetizacije . Razmik med obema stezama je izjemno majhen, tradicionalne metode šaržnega magnetiziranja pa so nagnjene k magnetnemu preslušavanju, kar povzroča deformacijo magnetnih polov v sosednjih tirih. Vodilni pristop v panogi je magnetizacija 'enopolnega zapisovanja podatkov' - podobno kot zapisovanje podatkov na trdi disk, mikromagnetne glave magnetizirajo pol za polom v zaporedju, s čimer izboljšajo natančnost poravnave faz med stezami na submikronsko raven.

V končni analizi je izbira diska magnetnega kodirnika proces 'ujemanja zahtev'. Enosledni diski na najpreprostejši način rešujejo vprašanje, 'koliko se je zavrtel', medtem ko dvosledni diski uporabljajo dva 'ravnila' z različnimi lestvicami, da odgovorijo na bolj temeljno vprašanje, 'kje je zdaj.' Gumijasti magneti so znani po fleksibilnosti in ekonomičnosti, medtem ko brizgani ferit osvaja s togostjo in natančnostjo. Ko se struktura tirnice in značilnosti materiala pravilno ujemajo, lahko magnetni dajalniki zagotovijo največjo zmogljivost v industrijski avtomatizaciji in inteligentni opremi.