Пари магнітних полюсів: надто багато — марнотратно, надто мало — недостатньо — де межі вибору феритових дисків, виготовлених під тиском?

При виборі магнітних кодуючих дисків , загальна інтуїція така: чим більше число пар полюсів, тим вище роздільна здатність і краща продуктивність. На рівні сенсора це судження є справедливим. Але коли матеріал магніту закріплено як литий під тиском ферит, ситуація стає дедалі складнішою. Максимальна магнітна продуктивність литого під тиском фериту, обмеження процесу багатополюсного намагнічення та той факт, що легко не помічати, що 'роздільна здатність ≠ точність' разом малюють криву відбору, яка не просто 'чим вище, тим краще'.

По-перше, поясніть передумову: роздільна здатність не дорівнює точності

У літературі щодо застосування TI наводиться стисле співвідношення: при використанні однієї засувки Холла кількість імпульсів на оберт дорівнює кількості пар полюсів магніту; при використанні двох фіксаторів Холла для квадратурного декодування кількість відліків на оберт є подвоєною кількістю полюсів. З точки зору 'градуювання', пари полюсів дійсно визначають найменший кутовий крок, який може вирішити система.

Але нагадування від проекту магнітного кодера з відкритим кодом заслуговує на увагу з боку кожного селектора: 'Роздільна здатність != Точність' — ви можете отримати теоретичну роздільну здатність 0,017°/крок із кроком полюсів 2,4 мм, але ці кроки нерівномірно відображені по колу. Іншими словами,  пари полюсів визначають, «наскільки точні поділки», а не «наскільки точно поділки».  Кутова похибка виникає через узгодженість кроку полюсів, чіткість межі намагніченості, ексцентриситет установки датчика та однорідність матеріалу самого магніту. Самі полюсні пари не усувають цих помилок; замість цього вони можуть посилювати їх у міру збільшення кількості пар полюсів.

'Стеля магнітних характеристик' з литого фериту

Позиціонування фериту, що формується під тиском, є зрозумілим: його формують під тиском із феритового порошку (зазвичай фериту стронцію) у поєднанні з полімерною матрицею, такою як нейлон PA12/PA6. Його переваги полягають у інтегрованому формуванні складних форм, гарній консистенції розмірів, стійкості до корозії та низькій вартості, але його магнітні характеристики знаходяться на нижчому рівні серед зазвичай використовуваних магнітних матеріалів кодера.

З точки зору конкретних даних, залишкова індукція Br фериту, що формується під тиском, становить приблизно  1,7–3,0 кГс , власна коерцитивна сила Hci становить приблизно  2,3–4,0 кЕ , а максимальний енергетичний продукт BHmax становить приблизно  1–2,2 МГОе . Для довідки, Br зв’язаного NdFeB зазвичай становить  4,5–7,5 кГс , а BHmax може досягати  5–8 MGOe  або навіть вище. Це означає, що за однакового повітряного проміжку датчика та порогу виявлення «потужність сигналу» магнітного поля, яку може забезпечити литий ферит, явно слабша, ніж система NdFeB.

Дані про поверхневе магнітне поле після багатополюсного намагнічення ще більше ілюструють обмеження: поверхневе магнітне поле тонкостінних багатополюсних феритових магнітних кілець, формованих під тиском, орієнтованих на внутрішній діаметр, становить близько  600–1100 Гс , тоді як анізотропний спечений ферит може досягати вищих значень. У міру збільшення кількості пар полюсів і звуження ширини дуги кожного окремого полюса «область», доступна для встановлення магнітного поля, зменшується, краєві ефекти та суперпозиція міжполюсного магнітного поля стають більш значними, а відношення сигнал/шум ще більше погіршується.  Це не проблема, яку можна вирішити, регулюючи силу струму магнітизатора; скоріше, це м’яка верхня межа, накладена енергетичним продуктом матеріалу на кількість пар полюсів.

Геометричні обмеження між кроком полюсів, товщиною та парами полюсів

Емпіричне співвідношення, наведене в європейському патенті, є досить повчальним: товщина намагнічуваного елемента повинна бути приблизно в  1,25 рази більше полюсного кроку  (±25%), що відповідає діапазону товщини приблизно 0,3–1,5 мм; сам полюсний крок становить  0,25–1,25 мм . Це геометричне обмеження прив’язує кількість пар полюсів до діаметра диска: для даного діаметру, чим більше число пар полюсів, тим менший крок полюсів і тим тонша необхідна товщина магніту.

Для литого під тиском фериту потоншення стінки додатково стискає ефективний магнітний потік. У той же час, як тільки крок полюсів зменшується до субміліметрового рівня, вікно допуску для точності полюсної головки намагнічувального приладу та конструкції магнітного кола швидко звужується. Промислові матеріали чітко вказують на те, що чим вище число полюсів, тим менша ширина однополюсної дуги, і тим вищі вимоги до точності полюсної головки намагнічувального приладу та конструкції магнітного кола. такі проблеми, як  недостатнє насичення на кінцях полюсів, викривлення магнітного поля та зміщення нульового положення між полюсами . Тоді з’являться

Це пояснює, чому звичайні специфікації магнітних кілець феритового кодера, виготовлених під тиском, на ринку зосереджені на таких позиціях, як  62/64 полюси та 126/128 полюсів , а не нагромаджуються нескінченно вгору. Ці позиції є точками балансу, які вже зазнали інженерної конвергенції щодо характеристик матеріалу, процесу намагнічування та вартості.

Логіка вибору: повертайтеся від 'наскільки добре потрібно' до 'як високо можна зробити'

Практичний шлях вибору має бути протилежним:  спочатку визначити роздільну здатність, яка справді потрібна системі, а потім оцінити, чи зможе ферит, що формується під тиском, забезпечити прийнятну якість сигналу за такої кількості пар полюсів.

Низький діапазон пар полюсів (4–12 полюсів):  довжина дуги одного полюса велика, а магнітний потік достатній, тому недолік слабкого магнітного поля литого під тиском фериту компенсується геометричними розмірами. Цей діапазон підходить для сценаріїв, які не вимагають суворої роздільної здатності, але вимагають низької вартості та хорошої узгодженості, наприклад, для двигунів вентиляторів, інтелектуальних лічильників води та пристроїв BLDC. У цих програмах роль пар полюсів полягає більше у забезпеченні еталонної комутації, ніж у точному кутовому масштабі.

Середній діапазон пар полюсів (16–32 полюси):  це поріг для входу в програми на рівні кодера. Литий під тиском ферит все ще може підтримувати придатне співвідношення сигнал/шум у цьому діапазоні, що робить його придатним для кутового зворотного зв’язку із середньою роздільною здатністю, наприклад, кодувальників гуманоїдних роботів і деяких допоміжних сервоприводів. Під час вибору ключовим елементом перевірки є  постійність кроку полюсів,  а не просто прагнення до більшої кількості пар полюсів — 32-полюсне магнітне кільце з рівномірним розподілом кроку полюсів може досягти кращої кутової точності, ніж 64-полюсне магнітне кільце з розмитими межами намагніченості.

Вищий діапазон пар полюсів (48–64 полюси і вище):  литий ферит починає наближатися до верхніх меж процесу та матеріалу. Цей діапазон краще підходить для  конструкції з подвійною доріжкою : головна доріжка відповідає за інкрементальне або абсолютне положення з високою роздільною здатністю, тоді як допоміжна доріжка забезпечує підрахунок обертів або приблизне відлічення положення з однопростими підрахунками пар полюсів. 62/64-полюсні та 126/128-полюсні двоканальні магнітні кільця, які вже доступні на ринку, є продуктами цього підходу. Однак слід зазначити, що при подальшому збільшенні кількості пар полюсів ослаблення поверхневого поля та інтерференція між полюсами литого під тиском фериту погіршать якість сигналу. На даний момент  зв’язаний NdFeB зазвичай є більш розумним вибором , незважаючи на його вищу вартість.

Два ключових нагадування щодо інженерної реалізації

По-перше, включіть можливість намагнічення в огляд вибору.  Кількість пар полюсів на кресленні магнітного кільця є проектним значенням. Чи є фактичний розподіл магнітних полюсів рівномірним і чи чіткі нульові положення між полюсами, залежить від пристрою для намагнічування та процесу. Перш ніж визначати кількість пар полюсів, постачальника магнітів слід попросити надати  виміряну криву розподілу поля на поверхні  та  дані про узгодженість кроку полюсів  за такою кількістю пар полюсів, а не просто схему розташування магнітних полюсів.

По-друге, подвійна доріжка не є скороченням для 'накопичування підрахунків полюсів'.  Цінність подвійної доріжки полягає у використанні комбінації взаємно простих підрахунків пар полюсів для одночасного отримання високої роздільної здатності та абсолютного посилання на положення. Однак він висуває вищі вимоги до вирівнювання фаз між двома магнітними доріжками та контролю перехресних перешкод намагніченості. Якщо підрахунок пар полюсів головної та вторинної доріжок вибрано неправильно (наприклад, занадто близько одна до одної), перевага визначення позиції, яку забезпечує співпростірність, буде компенсована перехресними перешкодами сигналу. Комбінацію пари полюсів подвійних доріжок потрібно розробляти разом із алгоритмом декодування, а не вирішувати в односторонньому порядку виробником магніту.

Суть вибору полягає в тому, щоб знайти перетин між  вимогами до роздільної здатності, можливостями матеріалу, вікном процесу та вартістю . Формований під тиском ферит не є «універсальним матеріалом для магнітного кільця». Він забезпечує високорентабельне рішення в діапазоні пар полюсів від низького до середнього; але коли кількість пар полюсів перевищує 64, селектори повинні чесно зіткнутися зі своєю межею магнітної продуктивності — або прийняти втрату якості сигналу, або звернутися до матеріальної системи з продуктом з вищою енергією.  Пари полюсів — це лінійка, але чи точно буде нанесено градуювання на лінійці, залежить від того, чи підтримує їх матеріал і процес.