เทียบกับสนามแม่เหล็กเรดิอรี วงแหวนแม่เหล็กที่มีแม่เหล็กตามแนวแกน: อะไรคือความแตกต่าง?

ในมอเตอร์ เซ็นเซอร์ และอุปกรณ์ส่งสัญญาณแม่เหล็กหลายชนิด เรามักพบส่วนประกอบสำคัญ นั่นก็คือ วงแหวนแม่เหล็ก  (หรือวงแหวนแม่เหล็ก) อาจดูเหมือนวงแหวนทรงกลมธรรมดา แต่ทิศทางการดึงดูดที่แตกต่างกันสามารถนำไปสู่ประสิทธิภาพและสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง

วิธีการทำให้เป็นแม่เหล็กที่ใช้กันมากที่สุดสองวิธีคือ  การทำให้เป็นแม่เหล็กในแนวรัศมี  และ  การทำให้เป็นแม่เหล็กตามแนวแกน.

หลายคนที่พบเจอครั้งแรกมักมีคำถาม: ทำไมต้องแยกรัศมีและแนวแกนของแหวนที่มีรูปทรงเดียวกัน? อะไรคือความแตกต่าง? คุณจะเลือกในทางปฏิบัติอย่างไร?

1. ขั้นแรก ทำความเข้าใจ 'ทิศทางแม่เหล็ก'

วงแหวนแม่เหล็กทำจากวัสดุแม่เหล็กถาวร เช่น NdFeB เผาผนึก NdFeB ที่ถูกผูกมัด SmCo ฯลฯ ตัววัสดุนั้นไม่จำเป็นต้องมีสนามแม่เหล็กที่มีนัยสำคัญ มันจะต้องผ่านกระบวนการ 'การทำให้เป็นแม่เหล็ก' เพื่อจัดแนวโดเมนแม่เหล็กภายในให้อยู่ในทิศทางที่แน่นอน ดังนั้นจึงแสดงสนามแม่เหล็กภายนอกที่เสถียร

'ทิศทางแม่เหล็ก' หมายถึงทิศทางที่โดเมนแม่เหล็กอยู่ในแนวเดียวกันภายในวงแหวน

สำหรับแม่เหล็กรูปวงแหวนนั้น มีสองทิศทางหลัก:

• ตามรัศมี →  แรงแม่เหล็กในแนวรัศมี;

•  ตามแกน →  การทำให้เป็นแม่เหล็กตามแนวแกน.

ความแตกต่างนี้ดูเรียบง่าย แต่เป็นตัวกำหนดโดยตรงว่าเส้นสนามแม่เหล็กไหลอย่างไร การกระจายของสนามแม่เหล็ก และตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุด

2. วงแหวนแม่เหล็กเรเดียล

2.1 การดึงดูดด้วยแม่เหล็กแบบเรเดียลคืออะไร?

การทำให้เป็นแม่เหล็กในแนวรัศมีหมายถึงทิศทางของการทำให้เป็นแม่เหล็กนั้นเป็นไปตามรัศมีของวงแหวน

แบบฟอร์มทั่วไป:

• พื้นผิวเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกเป็นเสา N พื้นผิวเจาะด้านในเป็นเสา S

• หรือในทางกลับกัน: พื้นผิวด้านนอก S, รูด้านใน N

นั่นคือ เส้นสนามแม่เหล็กส่วนใหญ่ไปจากพื้นผิวด้านนอก ผ่านพื้นที่ภายนอก และกลับไปยังรูด้านใน หรือจากรูด้านใน ผ่านเพลา/ช่องว่างอากาศ กลับไปยังพื้นผิวด้านนอก

2.2 ลักษณะของสนามแม่เหล็ก

ขั้วแม่เหล็กของวงแหวนแม่เหล็กแนวรัศมีจะอยู่ที่พื้นผิวทรงกระบอกด้านในและด้านนอก ไม่ใช่ที่ใบหน้าส่วนปลาย

คุณสมบัติทั่วไป:

• สนามแม่เหล็กกระจายเป็นเส้นรอบวง

• สร้างสนามแม่เหล็กแนวรัศมีกำลังแรงในช่องว่างอากาศระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในและด้านนอก

• เหมาะสำหรับการผสมกับโครงสร้างทรงกระบอก เช่น เพลา โรเตอร์ และสเตเตอร์

หากเป็นการดึงดูดแม่เหล็กในแนวรัศมีขั้วเดียว พื้นผิวด้านนอกทั้งหมดจะมีขั้วเดียวและด้านในจะมีรูตรงกันข้าม หากเป็นแบบแม่เหล็กรัศมีหลายขั้ว พื้นผิวด้านนอกจะสลับขั้ว N และ S ตามแนวเส้นรอบวง ซึ่งมักใช้สำหรับการตรวจจับตำแหน่งที่มีความแม่นยำสูง

2.3 การใช้งานหลัก

วงแหวนแม่เหล็กเรเดียลมักพบใน:

• โรเตอร์หรือสเตเตอร์ของมอเตอร์แม่เหล็กถาวร

• ข้อต่อแม่เหล็ก

• ตลับลูกปืนแม่เหล็ก

• วงแหวนแม่เหล็กตัวเข้ารหัส

• เซ็นเซอร์ฮอลล์และเซ็นเซอร์มุมบางตัว

• คลัตช์แม่เหล็ก

ตัวอย่างเช่น ในมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน วงแหวนแม่เหล็กของโรเตอร์มักจะถูกทำให้เป็นแม่เหล็กในแนวรัศมี ดังนั้นเมื่อขดลวดสเตเตอร์ถูกกระตุ้น พวกมันจะโต้ตอบกับสนามรัศมีเพื่อสร้างแรงในแนวสัมผัสและการหมุนของตัวขับเคลื่อน

2.4 ข้อดีและข้อจำกัด

ข้อดี:

• ทิศทางของสนามตรงกับการเคลื่อนที่แบบหมุนได้ดี

• เหมาะสำหรับโครงสร้างช่องว่างอากาศทรงกระบอก

• การสร้างสนามแม่เหล็กแบบหลายขั้วช่วยให้การตรวจจับมุมมีความแม่นยำสูง

ข้อจำกัด:

• วงแหวนเผาผนึกแนวรัศมีประสิทธิภาพสูงนั้นยากกว่าและมีค่าใช้จ่ายสูงในการผลิต

• ต้องใช้อุปกรณ์และกระบวนการดึงดูดแม่เหล็กที่มีความต้องการสูง

• หากใช้วัสดุไอโซโทรปิก ประสิทธิภาพของแม่เหล็กอาจต่ำกว่าวัสดุแอนไอโซโทรปิก

3. วงแหวนแม่เหล็กตามแนวแกน

3.1 การดึงดูดด้วยแม่เหล็กตามแนวแกนคืออะไร?

การทำให้เป็นแม่เหล็กตามแนวแกนหมายถึงทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็กอยู่ตามแนวแกนของวงแหวน

โดยทั่วไป:

• ปลายด้านบนคือเสา N ปลายด้านล่างคือเสา S

• หรือบนS,ล่างN.

เส้นสนามแม่เหล็กส่วนใหญ่ไปจากด้านปลายด้านหนึ่ง ผ่านพื้นที่ภายนอก และย้อนกลับไปยังด้านอีกด้านหนึ่ง

3.2 ลักษณะของสนามแม่เหล็ก

ขั้วแม่เหล็กของวงแหวนแม่เหล็กตามแนวแกนอยู่ที่ปลายทั้งสองด้าน

คุณสมบัติทั่วไป:

• สนามกระจายไปตามทิศทางตามแนวแกน

• สร้างสนามแม่เหล็กตามแนวแกนกำลังแรงใกล้กับส่วนปลาย

• เหมาะสำหรับแรงดึงดูดที่ปลายหน้า ช่องว่างอากาศในแนวระนาบ หรือโครงสร้างช่องว่างอากาศตามแนวแกน

หากวงแหวนแม่เหล็กสองวงวางอยู่ในแนวแกนโดยให้ขั้วที่คล้ายกันหันหน้าเข้าหากัน วงแหวนนั้นจะผลักกัน เมื่อหันขั้วตรงข้ามก็จะดึงดูด

3.3 การใช้งานหลัก

วงแหวนแม่เหล็กตามแนวแกนมักพบใน:

• วงจรแม่เหล็กของลำโพง

• หัวจับแม่เหล็กและอุปกรณ์ติดตั้ง

• มอเตอร์แบบฟลักซ์ตามแนวแกน

• ฮอลล์สวิตช์ทริกเกอร์แม่เหล็ก

• สวิตช์แม่เหล็กใกล้เคียง

• เครื่องกวนแม่เหล็ก ปั๊มแม่เหล็ก ฯลฯ

ตัวอย่างเช่น แม่เหล็กลำโพงทรงกลมจำนวนมากเป็นแม่เหล็กวงแหวนที่มีแกนแม่เหล็ก คอยล์เสียงจะเคลื่อนที่ในสนามแกนเพื่อขับเคลื่อนไดอะแฟรมเพื่อสร้างเสียง

3.4 ข้อดีและข้อจำกัด

ข้อดี:

• กระบวนการผลิตค่อนข้างง่าย มักจะมีต้นทุนที่ต่ำกว่า

• เหมาะสำหรับแรงดึงดูดที่ปลายหน้าและโครงสร้างช่องว่างอากาศตามแนวแกน

• ทิศทางของเสานั้นง่ายต่อการระบุและประกอบ

ข้อจำกัด:

• ในช่องว่างอากาศทรงกระบอกที่ต้องการสนามรัศมี การใช้สนามไฟฟ้าไม่ดี

• สนามจะสลายตัวอย่างรวดเร็วด้วยระยะห่างตามแนวแกนที่มากขึ้น

• การดึงดูดตามแนวแกนแบบหลายขั้วนั้นมีอยู่แต่พบได้น้อยกว่าแนวรัศมีแบบหลายขั้ว

4. ความแตกต่างหลักระหว่างการดึงดูดแม่เหล็กแบบเรเดียลและแนวแกน

เพื่อให้เปรียบเทียบได้ง่ายขึ้น นี่คือตารางสรุป:

ประเด็นง่ายๆ:

• การดึงดูดด้วยแม่เหล็กแบบเรเดียลนั้นเกี่ยวกับเส้นรอบวง การทำให้เป็นแม่เหล็กตามแนวแกนนั้นเกี่ยวกับใบหน้าส่วนท้าย

• หากช่องว่างอากาศของคุณเป็นรูปทรงกระบอก (เช่น ระหว่างโรเตอร์และสเตเตอร์) โดยปกติแล้วควรใช้รัศมี

• หากช่องว่างอากาศของคุณเป็นแบบระนาบหรือแบบปลายหน้า (เช่น การดึงดูด การผลักดึง มอเตอร์แบบฟลักซ์ตามแนวแกน) โดยปกติแล้วจะเลือกใช้แนวแกนมากกว่า

5. ปัจจัยเพิ่มเติมในการคัดเลือกภาคปฏิบัติ

นอกเหนือจากทิศทางของแม่เหล็กแล้ว ให้พิจารณาสิ่งต่อไปนี้:

5.1 การออกแบบวงจรแม่เหล็ก

ไม่ได้ใช้วงแหวนแม่เหล็กแยกกัน โดยทำงานร่วมกับแอก เพลา ตัวเรือน ช่องว่างอากาศ ฯลฯ เพื่อสร้างวงจรแม่เหล็กที่สมบูรณ์ ทิศทางการดึงดูดจะต้องตรงกับวงจรโดยรวม มิฉะนั้นการใช้ประโยชน์ภาคสนามจะต่ำ

ตัวอย่างเช่น วงแหวนแม่เหล็กแนวรัศมีที่ใช้ในช่องว่างอากาศตามแนวแกนจะทำให้สนามส่วนใหญ่เสียไปนอกพื้นที่ทำงานที่มีประสิทธิภาพ

5.2 กระบวนการผลิตและต้นทุน

วงแหวนเผาผนึก NdFeB ที่เน้นแนวรัศมีประสิทธิภาพสูง โดยเฉพาะวงแหวนแบบหลายขั้ว มีความซับซ้อนและมีราคาแพงกว่าวงแหวนแม่เหล็กตามแนวแกน หากต้นทุนมีความละเอียดอ่อน ก็สามารถพิจารณาวงแหวนที่ถูกผูกมัดหรือวัสดุไอโซโทรปิกได้ในขณะที่ยังคงบรรลุทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็กที่ต้องการ

5.3 วิธีการดึงดูด

การทำให้เป็นแม่เหล็กในแนวรัศมีมักจะต้องใช้อุปกรณ์จับยึดแบบพิเศษเพื่อกำหนดทิศทางของสนามแม่เหล็กตามรัศมี การทำให้เป็นแม่เหล็กตามแนวแกนนั้นค่อนข้างง่ายกว่าและสามารถทำได้ด้วยเครื่องสร้างสนามแม่เหล็กมาตรฐานหลายตัว

5.4 อุณหภูมิในการทำงานและความเสถียร

วัสดุที่แตกต่างกันมีความทนทานต่ออุณหภูมิที่แตกต่างกัน (เช่น NdFeB, SmCo, เฟอร์ไรต์) ซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับทิศทางของสนามแม่เหล็ก แต่ต้องพิจารณาในโครงการโดยรวม

6. ความเข้าใจผิดที่พบบ่อย

เรื่องที่ 1: การดึงดูดด้วยแม่เหล็กแบบเรเดียลหมายถึง N ภายนอก, S ภายในเสมอ
ไม่จำเป็นเสมอไป อาจเป็น N ภายนอก/S ภายใน หรือ S ภายนอก/N ภายใน ขึ้นอยู่กับการออกแบบวงจร การทำแม่เหล็กแนวรัศมีแบบหลายขั้วไม่ใช่ขั้วเดียว แต่สลับกันรอบเส้นรอบวง

เรื่องที่ 2: วงแหวนแม่เหล็กตามแนวแกนไม่สามารถใช้สำหรับการเคลื่อนที่แบบหมุนได้
สามารถทำได้ แต่สำหรับโครงสร้างฟลักซ์ตามแนวแกน ในมอเตอร์แบบฟลักซ์ตามแนวแกน หน้าด้านของวงแหวนหันไปทางสเตเตอร์ และช่องว่างอากาศจะเป็นแนวแกน ดังนั้น การทำแม่เหล็กตามแนวแกนจึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสม

เรื่องที่ 3: รัศมีดีกว่าแนวแกนเสมอ
ไม่มี 'ดีกว่า' ที่แน่นอน – มีเพียงความเหมาะสมตามจุดประสงค์เท่านั้น แม้แต่วงแหวนที่ดีที่สุดก็ยังมีประสิทธิภาพต่ำกว่าหากใช้ในทิศทางของช่องว่างอากาศที่ไม่ถูกต้อง

7. บทสรุป

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างวงแหวนแม่เหล็กในแนวรัศมีและในแนวแกนนั้นอยู่ที่ทิศทางของสนามแม่เหล็ก ซึ่งนำไปสู่การกระจายของสนามแม่เหล็กที่แตกต่างกัน โครงสร้างช่องว่างอากาศที่เหมาะสม และการใช้งานทั่วไป

จำกฎง่ายๆ สองข้อ:

• ช่องว่างอากาศทรงกระบอก → เลือกรัศมี

• ช่องว่างอากาศที่ปลายหน้า → เลือกแนวแกน

ในโครงการจริง อย่ามองวงแหวนแยกกัน – ให้พิจารณาวงจรแม่เหล็ก พื้นที่ประกอบ สภาวะของกระบวนการ และต้นทุนโดยรวม เมื่อคุณเข้าใจวิธีการดึงดูดทั้งสองวิธีนี้แล้ว ปัญหาในการเลือกหลายๆ ข้อจะชัดเจนมากขึ้น