Cặp cực từ: Quá nhiều là lãng phí, Quá ít là không đủ—Giới hạn lựa chọn của đĩa Ferrite đúc phun nằm ở đâu?

Khi lựa chọn đĩa mã hóa từ tính , một trực giác phổ biến là: số lượng cặp cực càng cao thì độ phân giải càng cao và hiệu suất càng tốt. Ở cấp độ cảm biến, phán đoán này có giá trị rộng rãi. Nhưng một khi vật liệu nam châm được cố định dưới dạng ferit đúc phun, tình hình sẽ trở nên phức tạp hơn. Trần hiệu suất từ ​​tính của ferit đúc phun, các giới hạn quy trình của từ hóa đa cực và thực tế dễ bị bỏ qua là 'độ phân giải ≠ độ chính xác' cùng nhau vẽ nên một đường cong lựa chọn không chỉ đơn giản là 'càng cao thì càng tốt.'

Đầu tiên, làm rõ một tiền đề: độ phân giải không bằng độ chính xác

Tài liệu ứng dụng TI đưa ra một mối quan hệ ngắn gọn: khi sử dụng một chốt Hall, số xung trên mỗi vòng quay bằng số cặp cực của nam châm; khi sử dụng hai chốt Hall để giải mã cầu phương, số đếm trên mỗi vòng quay sẽ gấp đôi số cực. Từ góc độ 'cấp độ', các cặp cực xác định trực tiếp bước góc nhỏ nhất mà hệ thống có thể giải quyết.

Tuy nhiên, lời nhắc từ dự án bộ mã hóa từ nguồn mở đáng được mọi bộ chọn chú ý: 'Độ phân giải != Độ chính xác'—bạn có thể đạt được độ phân giải lý thuyết là 0,017°/bước ở khoảng cách cực 2,4 mm, nhưng các bước này không được ánh xạ thống nhất xung quanh chu vi. Nói cách khác,  các cặp cực xác định 'các vạch chia độ tốt như thế nào' chứ không phải 'các vạch chia độ được rút ra chính xác đến mức nào.'  Lỗi góc xuất phát từ tính nhất quán của bước cực, độ rõ ràng của ranh giới từ hóa, độ lệch tâm lắp đặt cảm biến và tính đồng nhất của vật liệu của chính nam châm. Bản thân các cặp cực không loại bỏ được những lỗi này; thay vào đó, họ có thể khuếch đại chúng khi số lượng cặp cực tăng lên.

'Trần hiệu suất từ ​​' của ferit đúc phun

Vị trí của ferit đúc phun rất rõ ràng: nó được đúc phun từ bột ferit (thường là ferit strontium) kết hợp với nền polyme như nylon PA12/PA6. Ưu điểm của nó nằm ở việc đúc tích hợp các hình dạng phức tạp, tính nhất quán về kích thước tốt, khả năng chống ăn mòn và chi phí thấp, nhưng hiệu suất từ ​​tính của nó ở mức thấp trong số các vật liệu nam châm mã hóa thường được sử dụng.

Về mặt dữ liệu cụ thể, cảm ứng dư Br của ferrite đúc phun là khoảng  1,7–3,0 kGs , độ kháng từ nội tại Hci là khoảng  2,3–4,0 kOe và tích năng lượng tối đa BHmax là khoảng  1–2,2 MGOe . Để tham khảo, Br của NdFeB liên kết thường là  4,5–7,5 kGs và BHmax có thể đạt  5–8 MGOe  hoặc thậm chí cao hơn. Điều này có nghĩa là, trong cùng một khe hở không khí của cảm biến và ngưỡng phát hiện, từ trường 'cường độ tín hiệu' mà ferrite đúc phun có thể cung cấp rõ ràng là yếu hơn so với hệ thống NdFeB.

Dữ liệu từ trường bề mặt sau khi từ hóa đa cực minh họa thêm cho hạn chế: từ trường bề mặt của các vòng từ đa cực ferrite đúc phun định hướng đường kính trong có thành mỏng là khoảng  600–1100 Gs , trong khi ferrite thiêu kết dị hướng có thể đạt được giá trị cao hơn. Khi số lượng cặp cực tăng lên và độ rộng hồ quang của từng cực riêng lẻ thu hẹp lại, 'diện tích' có sẵn để thiết lập từ trường co lại, hiệu ứng cạnh và sự chồng chất từ ​​trường giữa các cực trở nên đáng kể hơn và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu ngày càng xấu đi.  Đây không phải là vấn đề có thể giải quyết được bằng cách điều chỉnh dòng điện của bộ từ hóa; đúng hơn, nó là giới hạn trên mềm do tích năng lượng của vật liệu áp đặt lên số cặp cực.

Các ràng buộc hình học giữa bước cực, độ dày và các cặp cực

Một mối quan hệ thực nghiệm được đưa ra trong một bằng sáng chế ở Châu Âu mang tính hướng dẫn khá cao: độ dày của phần tử từ hóa phải bằng khoảng  1,25 lần bước cực  (±25%), tương ứng với phạm vi độ dày khoảng 0,3–1,5 mm; bản thân bước cực ở mức  0,25–1,25 mm . Ràng buộc hình học này liên kết số cặp cực với đường kính đĩa: với một đường kính nhất định, số cặp cực càng cao, bước cực càng nhỏ và độ dày nam châm cần thiết càng mỏng.

Đối với ferit đúc phun, việc làm mỏng thành sẽ nén thêm từ thông hiệu quả. Đồng thời, khi bước cực co lại đến mức dưới milimet, cửa sổ dung sai đối với độ chính xác của đầu cực của thiết bị cố định từ hóa và thiết kế mạch từ sẽ nhanh chóng thu hẹp lại. Các tài liệu công nghiệp chỉ ra rõ ràng rằng số cực càng cao thì chiều rộng hồ quang đơn cực càng nhỏ và yêu cầu về độ chính xác của đầu cực cố định và thiết kế mạch từ càng cao. Các vấn đề như  độ bão hòa kém ở đầu cực, biến dạng từ trường và dịch chuyển vị trí 0 giữa các cực  sẽ xuất hiện.

Điều này giải thích tại sao các thông số kỹ thuật phổ biến của vòng từ tính bộ mã hóa ferrite đúc phun trên thị trường lại tập trung ở các vị trí như  cực 62/64 và cực 126/128 , thay vì được xếp chồng lên nhau vô thời hạn. Những vị trí này là những điểm cân bằng đã trải qua sự hội tụ về mặt kỹ thuật giữa hiệu suất vật liệu, quy trình từ hóa và chi phí.

Logic lựa chọn: tính ngược từ 'cần tốt đến mức nào' đến 'có thể đạt được mức độ cao'

Nên đảo ngược lộ trình lựa chọn thực tế:  trước tiên hãy xác định độ phân giải mà hệ thống thực sự cần, sau đó đánh giá xem liệu ferit đúc phun có thể cung cấp chất lượng tín hiệu có thể sử dụng được ở số lượng cặp cực đó hay không.

Phạm vi cặp cực thấp (4–12 cực):  Chiều dài hồ quang của một cực lớn và từ thông đủ lớn, do đó sự thiếu hụt từ trường yếu của ferrite đúc phun được bù đắp bằng kích thước hình học. Phạm vi này phù hợp với các tình huống không yêu cầu độ phân giải nghiêm ngặt nhưng yêu cầu chi phí thấp và tính nhất quán tốt, chẳng hạn như động cơ quạt, đồng hồ nước thông minh và BLDC của thiết bị. Trong các ứng dụng này, vai trò của các cặp cực là cung cấp tham chiếu giao hoán hơn là thang đo góc chính xác.

Phạm vi cặp cực trung bình (16–32 cực):  Đây là ngưỡng để vào các ứng dụng cấp bộ mã hóa. Ferrite đúc phun vẫn có thể duy trì tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu có thể sử dụng được trong phạm vi này, khiến nó phù hợp với phản hồi góc có độ phân giải trung bình, chẳng hạn như bộ mã hóa khớp robot hình người và một số phản hồi phụ trợ servo. Trong quá trình lựa chọn, mục xác minh quan trọng là  tính nhất quán của bước cực  thay vì chỉ đơn giản theo đuổi số lượng cặp cực cao hơn. Vòng từ tính 32 cực với phân bố bước cực đồng đều có thể đạt được độ chính xác góc tốt hơn vòng từ 64 cực có ranh giới từ hóa mờ.

Phạm vi cặp cực cao hơn (48–64 cực trở lên):  Ferrite đúc phun bắt đầu đạt đến giới hạn trên của quy trình và vật liệu. Phạm vi này phù hợp hơn với  thiết kế rãnh kép : rãnh chính chịu trách nhiệm về vị trí tuyệt đối hoặc tăng dần có độ phân giải cao, trong khi rãnh phụ cung cấp số vòng quay hoặc tham chiếu vị trí thô với số lượng cặp cực đồng nguyên tố. Các vòng từ hai rãnh 62/64 cực và 126/128 cực hiện có trên thị trường là sản phẩm của phương pháp này. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khi số lượng cặp cực tăng hơn nữa, sự suy giảm trường bề mặt và nhiễu giữa các cực của ferrite đúc phun sẽ làm giảm chất lượng tín hiệu. Tại thời điểm này,  NdFeB liên kết thường là sự lựa chọn hợp lý hơn , mặc dù chi phí cao hơn.

Hai lời nhắc chính cho việc triển khai kỹ thuật

Đầu tiên, hãy đưa khả năng từ hóa vào quá trình xem xét lựa chọn.  Số cặp cực trên bản vẽ vòng từ là giá trị thiết kế. Việc phân bố cực từ thực tế có đồng đều hay không và vị trí 0 giữa các cực có rõ ràng hay không phụ thuộc vào quá trình và vật cố định từ hóa. Trước khi xác định số lượng cặp cực, nhà cung cấp nam châm phải được yêu cầu cung cấp  đường cong phân bố trường bề mặt đo được  và  dữ liệu nhất quán về bước cực  ở số lượng cặp cực đó chứ không chỉ đơn thuần là sơ đồ sắp xếp cực từ.

Thứ hai, rãnh kép không phải là lối tắt cho 'xếp chồng số cực.'  Giá trị của rãnh kép nằm ở việc sử dụng kết hợp số lượng cặp cực đồng nguyên tố để đồng thời đạt được độ phân giải cao và tham chiếu vị trí tuyệt đối. Tuy nhiên, nó đặt ra yêu cầu cao hơn về căn chỉnh pha giữa hai rãnh từ và kiểm soát nhiễu xuyên âm từ hóa. Nếu số lượng cặp cực của rãnh chính và rãnh phụ được chọn không chính xác (ví dụ: quá gần nhau), lợi thế giải quyết vị trí do đồng nguyên tố mang lại sẽ bị bù đắp bởi nhiễu xuyên âm tín hiệu. Sự kết hợp cặp cực của các rãnh kép cần được thiết kế cùng với thuật toán giải mã chứ không phải do nhà sản xuất nam châm đơn phương quyết định.

Bản chất của việc lựa chọn là tìm ra điểm giao nhau giữa  các yêu cầu về độ phân giải, khả năng của vật liệu, cửa sổ quy trình và chi phí . Ferrite đúc phun không phải là 'vật liệu vòng từ phổ quát.'. Nó cung cấp giải pháp có hiệu quả chi phí cao trong phạm vi cặp cực từ thấp đến trung bình; nhưng khi số lượng cặp cực tăng vượt quá 64, bộ chọn cần phải đối mặt một cách trung thực với trần hiệu suất từ ​​tính của nó—chấp nhận sự suy giảm chất lượng tín hiệu hoặc chuyển sang hệ thống vật liệu có sản phẩm năng lượng cao hơn.  Các cặp cực là một thước kẻ, nhưng liệu các vạch chia độ trên thước có được vẽ chính xác hay không còn phụ thuộc vào việc liệu vật liệu và quy trình có thể hỗ trợ chúng hay không.