Manyetik Kutup Çiftleri: Çok Fazlası İsraftır, Çok Azı Yetersizdir - Enjeksiyonla Kalıplanmış Ferrit Disklerin Seçim Sınırları Nerede?

Seçerken Manyetik kodlayıcı disklerde ortak bir sezgi şudur: kutup çifti sayısı ne kadar yüksek olursa çözünürlük o kadar yüksek ve performans da o kadar iyi olur. Sensör düzeyinde bu karar genel olarak geçerlidir. Ancak mıknatıs malzemesi enjeksiyonla kalıplanmış ferrit olarak sabitlendiğinde durum daha da incelikli hale gelir. Enjeksiyonla kalıplanmış ferritin manyetik performans tavanı, çok kutuplu mıknatıslamanın işlem sınırları ve kolayca gözden kaçan 'çözünürlük ≠ doğruluk' gerçeği birlikte basitçe 'ne kadar yüksek olursa o kadar iyi' olmayan bir seçim eğrisi çizer.

Öncelikle bir önermeyi açıklığa kavuşturun: çözünürlük doğrulukla aynı şey değildir

TI uygulama literatürü kısa bir ilişki verir: tek bir Hall mandalı kullanıldığında, devir başına darbeler mıknatısın kutup çiftlerinin sayısına eşittir; Dörtlü kod çözme için iki Hall mandalı kullanıldığında, devir başına sayım kutup sayısının iki katıdır. 'Derecelenmeler' açısından bakıldığında, kutup çiftleri sistemin çözebileceği en küçük açısal adımı doğrudan belirler.

Ancak açık kaynaklı bir manyetik kodlayıcı projesinden bir hatırlatma, her seçicinin dikkatini hak ediyor: 'Çözünürlük != Doğruluk'—2,4 mm kutup aralığında 0,017°/adımlık teorik çözünürlük elde edebilirsiniz, ancak bu adımlar çevre çevresinde eşit şekilde eşlenmemiştir. Başka bir deyişle  kutup çiftleri, 'derecelendirmelerin ne kadar doğru çizildiğini' değil, 'derecelendirmelerin ne kadar ince olduğunu' belirler.  Açısal hata, kutup aralığı tutarlılığından, mıknatıslanma sınırının netliğinden, sensör kurulumunun dışmerkezliğinden ve mıknatısın kendisinin malzeme tekdüzeliğinden kaynaklanır. Kutup çiftlerinin kendisi bu hataları ortadan kaldırmaz; bunun yerine kutup çifti sayısı arttıkça bunları güçlendirebilirler.

Enjeksiyonla kalıplanmış ferritin 'manyetik performans tavanı'

Enjeksiyonla kalıplanmış ferritin konumu açıktır: Naylon PA12/PA6 gibi bir polimer matrisle birleştirilmiş ferrit tozundan (genellikle stronsiyum ferrit) enjeksiyonla kalıplanır. Avantajları, karmaşık şekillerin entegre kalıplanması, iyi boyutsal tutarlılık, korozyon direnci ve düşük maliyette yatmaktadır, ancak manyetik performansı, yaygın olarak kullanılan kodlayıcı mıknatıs malzemeleri arasında alt uçta yer almaktadır.

Spesifik veriler açısından, enjeksiyonla kalıplanmış ferritin artık indüksiyon Br'si kabaca  1,7–3,0 kGs'dir , içsel zorlayıcılık Hci yaklaşık  2,3–4,0 kOe'dir ve maksimum enerji ürünü BHmax yaklaşık  1–2,2 MGOe'dir . Referans olarak, bağlı NdFeB'nin Br'si tipik olarak  4,5–7,5 kG'dir ve BHmax, ulaşabilir .  5–8 MGOe'ye  veya daha yükseğe Bu, aynı sensör hava boşluğu ve algılama eşiği altında, enjeksiyonla kalıplanmış ferritin sağlayabileceği manyetik alan 'sinyal gücünün' NdFeB sistemlerinden açıkça daha zayıf olduğu anlamına gelir.

Çok kutuplu mıknatıslamadan sonraki yüzey manyetik alan verileri de kısıtlamayı göstermektedir: ince duvarlı iç çap odaklı enjeksiyonla kalıplanmış ferrit çok kutuplu manyetik halkaların yüzey manyetik alanı yaklaşık  600-1100 Gs iken anizotropik sinterlenmiş ferrit daha yüksek değerlere ulaşabilir. Kutup çifti sayısı arttıkça ve her bir kutbun yay genişliği daraldıkça, manyetik alanı oluşturmak için mevcut 'alan' daralır, kenar etkileri ve kutuplar arası manyetik alan süperpozisyonu daha önemli hale gelir ve sinyal-gürültü oranı daha da kötüleşir.  Bu, mıknatıslayıcının akımının ayarlanmasıyla çözülebilecek bir sorun değildir; daha ziyade malzemenin enerji ürününün kutup çifti sayısına dayattığı yumuşak bir üst sınırdır.

Kutup aralığı, kalınlığı ve kutup çiftleri arasındaki geometrik kısıtlamalar

Bir Avrupa patentinde verilen ampirik ilişki oldukça öğreticidir: Mıknatıslanabilir elemanın kalınlığı  kutup aralığının yaklaşık 1,25 katı olmalıdır  (±%25), bu da yaklaşık 0,3-1,5 mm'lik bir kalınlık aralığına karşılık gelir; kutup aralığının kendisi civarındadır  0,25–1,25 mm . Bu geometrik kısıtlama, kutup çiftlerinin sayısını disk çapına bağlar: belirli bir çap için, kutup çiftlerinin sayısı ne kadar yüksek olursa, kutup aralığı o kadar küçük olur ve gerekli mıknatıs kalınlığı da o kadar ince olur.

Enjeksiyonla kalıplanmış ferrit için duvarın inceltilmesi, etkili manyetik akıyı daha da sıkıştırır. Aynı zamanda, kutup adımı milimetrenin altındaki seviyeye küçüldüğünde, mıknatıslama armatürünün kutup başı hassasiyeti ve manyetik devre tasarımına yönelik tolerans penceresi hızla daralır. Endüstri malzemeleri, kutup sayısı ne kadar yüksek olursa, tek kutuplu ark genişliğinin o kadar küçük olduğunu ve mıknatıslama armatürü kutup başı hassasiyeti ve manyetik devre tasarımı gereksinimlerinin de o kadar yüksek olduğunu açıkça belirtmektedir. gibi sorunlar  Kutup uçlarında yetersiz doygunluk, manyetik alan bozulması ve kutuplar arası sıfır konum kayması  ortaya çıkacaktır.

Bu, piyasadaki enjeksiyon kalıplı ferrit kodlayıcı manyetik halkalarının ortak özelliklerinin neden  62/64 kutup ve 126/128 kutup gibi konumlarda yoğunlaştığını açıklamaktadır. süresiz olarak yukarıya doğru istiflenmek yerine Bu konumlar, malzeme performansı, mıknatıslanma süreci ve maliyet arasında halihazırda mühendislik yakınsamasına uğramış denge noktalarıdır.

Seçim mantığı: 'ne kadar incelik gerekli'den 'ne kadar yükseğe yapılabilir'e doğru geriye doğru çalışın

Pratik seçim yolunun tersine çevrilmesi gerekir:  önce sistemin gerçekten ihtiyaç duyduğu çözünürlüğü belirleyin, ardından enjeksiyonla kalıplanmış ferritin bu kutup çifti sayısında kullanılabilir sinyal kalitesi sağlayıp sağlayamayacağını değerlendirin.

Düşük kutup çifti aralığı (4-12 kutup):  Tek bir kutbun ark uzunluğu büyüktür ve manyetik akı yeterlidir, bu nedenle enjeksiyonla kalıplanmış ferritin zayıf manyetik alan eksikliği geometrik boyutlarla telafi edilir. Bu seri, sıkı çözünürlük gerektirmeyen ancak fan motorları, akıllı su sayaçları ve cihaz BLDC'leri gibi düşük maliyet ve iyi tutarlılık gerektiren senaryolar için uygundur. Bu uygulamalarda kutup çiftlerinin rolü kesin bir açısal ölçekten ziyade bir komütasyon referansı sağlamaktır.

Orta kutup çifti aralığı (16–32 kutup):  Bu, kodlayıcı düzeyindeki uygulamalara giriş eşiğidir. Enjeksiyonla kalıplanmış ferrit hala bu aralıkta kullanılabilir bir sinyal-gürültü oranını koruyabilir, bu da onu insansı robot eklem kodlayıcıları ve bazı servo yardımcı geri bildirimleri gibi orta çözünürlüklü açı geri bildirimi için uygun hale getirir. Seçim sırasında, temel doğrulama öğesi,  kutup aralığı tutarlılığıdır ; düzgün kutup aralığı dağılımına sahip 32 kutuplu bir manyetik halka, bulanık mıknatıslanma sınırları olan 64 kutuplu bir manyetik halkadan daha iyi açısal doğruluk elde edebilir. daha yüksek kutup çifti sayısını takip etmek yerine

Daha yüksek kutup çifti aralığı (48-64 kutup ve üzeri):  Enjeksiyonla kalıplanmış ferrit, proses ve malzemenin üst sınırlarına yaklaşmaya başlar. Bu aralık daha uygundur  , çift yollu tasarıma : ana yol, yüksek çözünürlüklü artımlı veya mutlak konumdan sorumludur, ikincil yol ise eş prime kutup çifti sayımlarıyla devir sayımı veya kaba konum referansı sağlar. Piyasada halihazırda mevcut olan 62/64 kutuplu ve 126/128 kutuplu çift yollu manyetik halkalar bu yaklaşımın ürünleridir. Bununla birlikte, kutup çifti sayısı daha da arttığında, yüzey alanı zayıflamasının ve enjeksiyonla kalıplanmış ferritin kutuplar arası girişiminin sinyal kalitesini düşüreceği unutulmamalıdır. Bu noktada bağlı NdFeB,  genellikle daha makul bir seçimdir .daha yüksek maliyetine rağmen

Mühendislik uygulaması için iki önemli hatırlatma

İlk olarak, seçim incelemesine mıknatıslanma yeteneğini dahil edin.  Manyetik halka çizimindeki kutup çifti sayısı bir tasarım değeridir. Gerçek manyetik kutup dağılımının düzgün olup olmadığı ve kutuplar arası sıfır konumlarının net olup olmadığı mıknatıslama donanımına ve prosesine bağlıdır. Kutup çiftlerinin sayısını belirlemeden önce, mıknatıs tedarikçisinden sağlaması istenmelidir . ölçülen yüzey alanı dağılım eğrisini  ve  kutup aralığı tutarlılık verilerini  , yalnızca manyetik kutup düzenlemesinin bir şemasını değil, o kutup çifti sayımında

İkincisi, çift yol, 'kutup sayımlarının istiflenmesi' için bir kısayol değildir.  Çift yolun değeri, eş zamanlı olarak yüksek çözünürlük ve mutlak konum referansı elde etmek için ortak prime kutup çifti sayımlarının bir kombinasyonunun kullanılmasında yatmaktadır. Bununla birlikte, iki manyetik yol arasındaki faz hizalaması ve mıknatıslanma karışma kontrolü konusunda daha yüksek talepler getirir. Ana ve ikincil yolların kutup çifti sayıları uygunsuz seçilirse (örneğin birbirine çok yakınsa), eş-primality'nin getirdiği konum çözme avantajı, sinyal karışmasıyla dengelenecektir. İkili yolun kutup çifti kombinasyonunun, mıknatıs üreticisi tarafından tek taraflı olarak kararlaştırılması yerine, kod çözme algoritmasıyla birlikte tasarlanması gerekir.

Seçimin özü arasındaki kesişimi bulmaktır  , çözüm gereksinimleri, malzeme kapasitesi, süreç penceresi ve maliyet . Enjeksiyonla kalıplanmış ferrit bir 'evrensel manyetik halka malzemesi' değildir. Düşük ila orta kutup çifti aralığında son derece uygun maliyetli bir çözüm sağlar; ancak kutup çifti sayısı 64'ün üzerine çıktığında, seçicilerin manyetik performans tavanıyla dürüstçe yüzleşmeleri gerekiyor; ya sinyal kalitesindeki bir kaybı kabul etmeli ya da daha yüksek enerjili bir ürüne sahip bir malzeme sistemine yönelmeli.  Kutup çiftleri bir cetveldir ancak cetvel üzerindeki derecelendirmelerin doğru bir şekilde çizilmesi, malzemenin ve sürecin bunları destekleyip desteklemediğine bağlıdır.