Jämförelse mellan enkelspårs och dubbelspårs magnetiska kodarskivor

Inom industriell automation, robotledstyrning och nya energifordonsmotorsystem spelar magnetkodare en allt viktigare roll. Genom beröringsfri magnetfältsavkänning omvandlar de roterande eller linjär rörelse till exakta elektriska signaler, vilket ger systemet information om position, hastighet och riktning. 'hjärtat' av en magnetisk kodare är just den till synes enkla magnetiska skivan (magnetisk ring).

När ingenjörer börjar välja komponenter står de ofta inför flera oundvikliga frågor: Vad exakt är skillnaden mellan enkelspårig och dubbelspårig? Vilka scenarier passar gummimagneter respektive formsprutade ferriter för?

1. Enkelspårsdiskar: Tillräckliga, men inte 'smarta' nog

En enspårig magnetskiva har bara ett magnetiserat spår och fungerar med en enda sensor. Den beräknar rotationsvinkeln genom att mata ut pulssignaler; i grund och botten är det en inkrementell kodare – den kan bara berätta 'hur mycket den har roterats' men kan inte direkt avgöra 'vilken riktning den roterar' eller 'vilken absolut position den för närvarande befinner sig i.'

Av denna anledning måste referensnollpunkten för ett enkelspårigt system återupprättas varje gång det slås på. Om enheten stängs av och startas om går all tidigare positionsinformation förlorad.

Men enkelspårsskivor har också oersättligt värde: enkel struktur, extremt låg kostnad och en kort signalbehandlingskedja. De är mycket lämpliga för applikationer som bara behöver mäta hastigheten och som inte kräver riktning eller absolut position – som fläkthastighetsdetektering, enkelriktade rörelsesystem och kostnadskänslig vanlig motorstyrning.

2. Dubbelspårsskivor: Mätning av absolut position med 'två linjaler'

Kärnidén med en dubbelspårsskiva är att integrera två magnetiserade spår på samma magnet - ett huvudspår och ett sekundärspår (vanligtvis kallat ett vernierspår) - med deras antal magnetiska polpar som skiljer sig med ett, till exempel 64 polpar parade med 63 polpar, eller 32 polpar med 31 polpar.

Det uppfinningsrika med denna design ligger i det faktum att eftersom de två spåren har olika antal polpar, är kombinationen av magnetfält som genereras av de två spåren unik vid varje vinkelläge. Kodarchippet läser av fasskillnaden mellan de två signalkanalerna och kan, genom vernier-principen (liknande läslogiken för en vernier-ok), beräkna den aktuella absoluta vinkelpositionen inom 360°—även efter en omstart av strömavstängning kan den exakta positionen vara känd i det ögonblick strömmen återställs, utan att behöva 'återgå till noll.'

Prestandaförbättringarna med dubbla spår är flerdimensionella:

• Upplösningssprång : Med kvadraturavkodning kan dubbelkanalssignalerna öka den effektiva upplösningen med en faktor 4. För en magnetisk ring med 50 polpar kan ett enkelspårigt system endast få 50 räkningar per varv, medan ett dubbelspårigt system med kvadraturavkodning kan uppnå 200 räkningar.

• Riktningsdetekteringsförmåga : Fassekvensen för de två signalkanalerna reflekterar direkt rotationsriktningen, utan behov av ytterligare logisk slutledning.

• Störningsbeständig redundans : Dubbelkanalssignalerna kan verifiera varandra, vilket gör det lättare att filtrera bort felaktiga pulser i miljöer med vibrationer eller elektromagnetiska störningar, vilket avsevärt förbättrar systemstabiliteten.

• Utrymmeseffektivitet : Jämfört med att använda två enkelspåriga magnetiska ringar sida vid sida, kan en integrerad dubbelspårsstruktur minska axiell utrymmesupptagning med cirka 30 %–40 %, vilket är avgörande för volymkänsliga applikationer som robotfogar.

Naturligtvis kräver en tvåspårslösning två sensorer och mer komplexa signalbehandlingskretsar, så hårdvarukostnaden är relativt högre. Men i scenarier med strikta krav på positioneringsnoggrannhet, såsom servosystem, robotleder och precisionskontroll av borstlösa motorer, är denna investering värt besväret.

3. Materialdebatten: Gummimagneter vs. formsprutad ferrit

Oavsett om det är enkelspårigt eller dubbelspårigt är valet av substratmaterial för skivan lika viktigt. För närvarande är de två mest använda materialen för kodarmagnetiska ringar gummimagneter och formsprutad ferrit, var och en med en distinkt karaktär.

Gummimagneter: Den flexibla 'allroundaren'

Gummimagneter tillverkas genom att blanda ferritmagnetiskt pulver med elastomerer som nitrilgummi, följt av blandning, kalandrering och vulkaniseringsgjutning. Deras största fördel ligger i  flexibilitet och enkel bearbetning - de kan göras till tunna ark eller rullar och anpassas till krökta eller specialformade installationskrav, vilket gör dem särskilt lämpliga för utrymmesbegränsade, lätta scenarier.

Den magnetiska prestandan hos moderna gummimagnetkodare förbättras också kontinuerligt. Genom att optimera gummiformuleringen kan fyllnadsgraden för ferritpulver ökas ytterligare, och tillverkare som NTN har uppnått en 25% ökning av magnetisk kraft jämfört med traditionella gummikodare. De magnetiska ringarna i Hutchinsons Elasto-Ferrite-serie kan uppnå en remanens på upp till 3500 G, en polbredd så liten som 2 mm och en periodtolerans som kontrolleras inom 0,05°.

Men gummimagneter har också uppenbara brister:  begränsad temperaturbeständighet , vanligtvis mellan 60°C och 80°C, och relativt svag magnetisk prestanda. De är mer lämpliga för små och medelstora motorer, ABS-sensorer för bilar och andra tillfällen med mindre krävande temperaturkrav.

Injection-Moulded Ferrite: The Rigid 'Precision Faction'

Formsprutad ferrit tillverkas genom att blanda strontium- eller bariumferritmagnetiskt pulver med teknisk plast som nylon (PA66) eller PPS och sedan forma det genom formsprutning. Dess kärnfördelar ligger i  dimensionell konsistens och formningsfrihet - komplexa geometriska former kan formsprutas i ett steg, och dimensionerna är mycket stabila från batch till batch, vilket är avgörande för den exakta inriktningen av de två spåren i en dubbelspårsskiva.

Formsprutad ferrit har  betydligt bättre temperaturbeständighet än gummimagneter . Värmebeständigheten hos nylonbaserade formsprutade magneter kan nå 120–150°C, mycket högre än 60–80°C för gummimagneter. När det gäller mekanisk hållbarhet har formsprutad ferrit högre ythårdhet, starkare slitstyrka och slagtålighet och är mindre benägna att utveckla sprickor eller skador under långvarig användning. Dessutom, som ett oxidmaterial, har ferrit själv utmärkt korrosionsbeständighet och kräver inget extra beläggningsskydd.

Jämförelse av nyckelparametrar för de två materialen

Urvalslogiken är faktiskt ganska tydlig: om applikationen strävar efter  hög precision, hög hållbarhet och ett brett temperaturområde , är formsprutad ferrit mer lämplig; om det finns högre krav på  flexibilitet, lättvikt och kostnadskontroll är gummimagneter det mer pragmatiska valet.

4. Kombinationsstrategi: Matchande spårantal med material

När spårstrukturen och materialegenskaperna har förståtts blir valet ett beslut i matrisstil:

• Enkelspårig + gummimagnet : Den mest ekonomiska lösningen, lämplig för enkel hastighetsmätning, fläkthastighetsdetektering och liknande scenarier.

• Enkelspårig + formsprutad ferrit : Förbättrar hållbarhet och temperaturanpassning samtidigt som kostnaderna hålls kontrollerbara; lämplig för inkrementella applikationer i relativt tuffa miljöer, såsom hjulhastighetssensorer för fordon.

• Dubbelspår + gummimagnet : Balanserar absolut positioneringsförmåga och lättvikt. NTN:s högprecisionsvinkelsensor använder en dubbelspårig struktur gjord av gummimagnetmaterial, vilket uppnår en vinkelnoggrannhet på ±0,1° och en viktminskning på 27 %.

• Dubbelspår + formsprutad ferrit : Riktat mot de mest krävande industriella scenarierna – servomotorer, robotleder och roterande bord för CNC-verktygsmaskiner – som kräver absolut positionering med hög precision, stabilitet vid bred temperatur och långsiktig tillförlitlighet.

Det är värt att notera att noggrannheten hos en dubbelspårsskiva inte bara beror på materialet utan också, ännu viktigare, på  magnetiseringsnoggrannheten . Avståndet mellan de två spåren är extremt litet, och traditionella batchmagnetiseringsmetoder är benägna att magnetisk överhörning, vilket orsakar deformation av magnetpolerna i intilliggande spår. Det branschledande tillvägagångssättet är 'enpolig dataskrivning'-magnetisering – som att skriva data till en hårddisk magnetiserar mikromagnetiska huvuden pol för pol i sekvens, och förbättrar därigenom fasinriktningsnoggrannheten mellan spår till submikronnivån.

I slutändan är valet av en magnetisk kodarskiva en process av 'kravmatchning'. Enkelspåriga skivor löser frågan om 'hur mycket den har roterat' på det enklaste sättet, medan dubbelspårsskivor använder två 'linjaler' med olika skalor för att svara på den mer grundläggande frågan 'var den är nu'. Gummimagneter är kända för sin flexibilitet och flexibilitet och ekonomi. precision. När spårstruktur och materialegenskaper är korrekt matchade, kan magnetiska kodare leverera maximal prestanda inom industriell automation och intelligent utrustning.