Pari magnetnih polov: preveč je potratno, premalo je premalo – kje so meje izbire brizganih feritnih diskov?

Pri izbiri diskov z magnetnim kodirnikom , je pogosta intuicija: večje kot je število parov polov, višja je ločljivost in boljša je zmogljivost. Na ravni senzorja je ta sodba na splošno veljavna. Ko pa je magnetni material fiksiran kot brizgan ferit, postane situacija bolj niansirana. Zgornja meja magnetne zmogljivosti brizganega ferita, meje postopka večpolne magnetizacije in zlahka spregledano dejstvo, da 'ločljivost ≠ natančnost' skupaj rišejo izbirno krivuljo, ki ni preprosto 'čim višje, tem bolje'.

Najprej razjasnite premiso: ločljivost ni enaka natančnosti

Uporabna literatura TI podaja jedrnato razmerje: pri uporabi enega samega Hallovega zapaha so impulzi na obrat enaki številu parov polov magneta; pri uporabi dveh Hallovih zapahov za kvadraturno dekodiranje je štetje na obrat dvakratno število polov. Z vidika 'stopenj' pari polov neposredno določajo najmanjši kotni korak, ki ga sistem lahko razreši.

Toda opomnik iz projekta odprtokodnega magnetnega kodirnika si zasluži pozornost vsakega izbirnika: 'Ločljivost != Natančnost'—dobite lahko teoretično ločljivost 0,017°/korak pri razmiku polov 2,4 mm, vendar ti koraki niso enakomerno preslikani po obodu. Z drugimi besedami,  pari polov določajo, 'kako natančne so gradacije', ne 'kako natančno so gradacije narisane'.  Kotna napaka izvira iz doslednosti naklona polov, jasnosti meja magnetizacije, ekscentričnosti namestitve senzorja in enotnosti materiala samega magneta. Sami pari polov ne odpravijo teh napak; namesto tega jih lahko povečajo, ko se število parov polov poveča.

'Magnetni strop' iz brizganega ferita

Položaj brizganega ferita je jasen: brizgan je iz feritnega prahu (običajno stroncijevega ferita) v kombinaciji s polimerno matriko, kot je najlon PA12/PA6. Njegove prednosti so integrirano oblikovanje zapletenih oblik, dobra konsistentnost dimenzij, odpornost proti koroziji in nizki stroški, vendar je njegova magnetna zmogljivost na nižjem koncu med običajno uporabljenimi materiali magnetov za dajalnike.

Kar zadeva posebne podatke, je preostala indukcija Br brizganega ferita približno  1,7–3,0 kGs , intrinzična koercitivnost Hci je približno  2,3–4,0 kOe , največji energijski produkt BHmax pa je približno  1–2,2 MGOe . Za referenco je Br vezanega NdFeB običajno  4,5–7,5 kGs , BHmax pa lahko doseže  5–8 MGOe  ali celo več. To pomeni, da je pod isto zračno režo senzorja in pragom zaznavanja »moč signala« magnetnega polja, ki ga lahko zagotovi brizgani ferit, očitno šibkejša kot pri sistemih NdFeB.

Podatki o površinskem magnetnem polju po večpolni magnetizaciji dodatno ponazarjajo omejitev: površinsko magnetno polje večpolnih feritnih večpolnih magnetnih obročev, usmerjenih v tankostenski notranji premer, je približno  600–1100 Gs , medtem ko lahko anizotropni sintrani ferit doseže višje vrednosti. Ko se število parov polov poveča in se širina loka vsakega posameznega pola zoži, se 'območje', ki je na voljo za vzpostavitev magnetnega polja, zmanjša, robni učinki in superpozicija magnetnega polja med polovoma postanejo pomembnejši, razmerje med signalom in šumom pa se še poslabša.  To ni težava, ki bi jo lahko rešili s prilagajanjem toka magnetizatorja; namesto tega je mehka zgornja meja, ki jo določa energijski produkt materiala za število parov polov.

Geometrijske omejitve med naklonom polov, debelino in pari polov

Empirično razmerje, podano v evropskem patentu, je zelo poučno: debelina elementa, ki ga je mogoče namagnetiti, mora biti približno  1,25-krat večja od razmika polov  (±25 %), kar ustreza razponu debeline približno 0,3–1,5 mm; sam razmik polov je reda  0,25–1,25 mm . Ta geometrijska omejitev povezuje število parov polov s premerom diska: za dani premer je večje število parov polov, manjši je korak polov in manjša je potrebna debelina magneta.

Pri brizganem feritu tanjšanje stene dodatno stisne efektivni magnetni tok. Hkrati se, ko se razmik polov skrči na podmilimetrsko raven, tolerančno okno za natančnost polov magnetnega vpenjala in zasnovo magnetnega vezja hitro zoži. Industrijski materiali jasno poudarjajo, da večje kot je število polov, manjša je širina enopolnega loka in višje so zahteve za natančnost glave pola in zasnovo magnetnega vezja. Nato se bodo pojavile težave, kot so  premajhna nasičenost na konicah polov, popačenje magnetnega polja in premik ničelne lege med poloma  .

To pojasnjuje, zakaj so običajne specifikacije brizganih feritnih magnetnih obročev dajalnikov na trgu koncentrirane na položajih, kot so  62/64 poli in 126/128 polov , namesto da bi bili naloženi navzgor za nedoločen čas. Ti položaji so ravnotežne točke, ki so že prestale inženirsko konvergenco med zmogljivostjo materiala, postopkom magnetizacije in stroški.

Izbirna logika: delajte nazaj od 'kako fino je potrebno' do 'kako visoko je mogoče narediti'

Praktično izbirno pot je treba obrniti:  najprej določite ločljivost, ki jo sistem resnično potrebuje, nato pa ocenite, ali lahko brizgani ferit zagotovi uporabno kakovost signala pri tem številu parov polov.

Nizko območje parov polov (4–12 polov):  dolžina loka posameznega pola je velika in magnetni pretok je zadosten, zato je pomanjkljivost šibkega magnetnega polja brizganega ferita kompenzirana z geometrijskimi dimenzijami. Ta obseg je primeren za scenarije, ki ne zahtevajo stroge ločljivosti, vendar zahtevajo nizke stroške in dobro konsistentnost, kot so motorji ventilatorjev, pametni števci vode in BLDC za naprave. V teh aplikacijah je vloga parov polov bolj zagotoviti komutacijsko referenco kot pa natančno kotno merilo.

Srednje območje parov polov (16–32 polov):  To je prag za vstop v aplikacije na ravni kodirnika. Brizgano uliti ferit lahko še vedno ohranja uporabno razmerje med signalom in šumom v tem območju, zaradi česar je primeren za povratne informacije kota srednje ločljivosti, kot so kodirniki sklepov humanoidnih robotov in nekatere pomožne povratne informacije servo. Med izbiro je ključna postavka preverjanja  doslednost naklona polov  in ne preprosto iskanje večjega števila parov polov – 32-polni magnetni obroč z enakomerno porazdelitvijo naklona polov lahko doseže boljšo kotno natančnost kot 64-polni magnetni obroč z zamegljenimi mejami magnetizacije.

Višje območje parov polov (48–64 polov in več):  brizgani ferit se začne približevati zgornjim mejam postopka in materiala. Ta razpon je bolj primeren za  dvotirno zasnovo : glavni tir je odgovoren za inkrementalni ali absolutni položaj visoke ločljivosti, medtem ko sekundarni tir zagotavlja štetje vrtljajev ali grobo referenco položaja s štetjem parov polov. 62/64-polni in 126/128-polni dvotirni magnetni obroči, ki so že na voljo na trgu, so produkti tega pristopa. Vendar je treba opozoriti, da ko se število parov polov še poveča, slabljenje površinskega polja in medpolna interferenca brizganega ferita poslabšata kakovost signala. Na tej točki  je vezani NdFeB običajno bolj razumna izbira , kljub višjim stroškom.

Dva ključna opomnika za inženirsko izvedbo

Najprej vključite zmožnost magnetizacije v pregled izbire.  Število parov polov na risbi magnetnega obroča je projektna vrednost. Ali je dejanska porazdelitev magnetnega pola enakomerna in ali so medpolni ničelni položaji jasni, je odvisno od naprave za magnetiziranje in postopka. Pred določitvijo števila parov polov je treba od dobavitelja magnetov zahtevati, da zagotovi  izmerjeno krivuljo porazdelitve površinskega polja  in  podatke o doslednosti naklona polov  pri tem številu parov polov, ne le shemo razporeditve magnetnih polov.

Drugič, dvotirnost ni bližnjica za 'zlaganje štetja polov'.  Vrednost dvotirnosti je v uporabi kombinacije soprostih števcev parov polov za hkratno pridobitev visoke ločljivosti in absolutne reference položaja. Vendar postavlja višje zahteve glede fazne poravnave med dvema magnetnima tirema in nadzora presluha magnetizacije. Če je število parov polov glavne in sekundarne tirnice nepravilno izbrano (na primer preblizu drug drugemu), bo prednost pri določanju položaja, ki jo prinaša soprimalnost, izravnana s preslušavanjem signala. Kombinacijo parov polov dvojnih tirov je treba oblikovati skupaj z algoritmom za dekodiranje, namesto da bi o tem enostransko odločal proizvajalec magnetov.

Bistvo izbire je najti presečišče med  zahtevami po ločljivosti, zmogljivostjo materiala, procesnim oknom in stroški . Brizgano ulit ferit ni 'univerzalni material za magnetne obroče'. Zagotavlja zelo stroškovno učinkovito rešitev v območju nizkih do srednjih parov polov; ko pa število parov polov preseže 64, se morajo selektorji pošteno soočiti z zgornjo mejo magnetne zmogljivosti – bodisi sprejeti izgubo v kakovosti signala ali pa se obrniti na materialni sistem z višjo energijsko vrednostjo.  Pari polov so ravnilo, toda ali so gradacije na ravnilu narisane natančno, je odvisno od tega, ali jih material in postopek podpirata.