Was ist ein magnetischer Encoder?
Ein magnetischer Encoder ist eine Art von Encoder, der einen magnetischen Sensor verwendet, um Änderungen in der Magnetfeldverteilung als Erfassungsmethode für physikalische Größen zu erkennen.
Encoder sind Positionssensoren, die physikalische Größen wie lineare Achsenbewegungen und Drehwinkel erfassen und Positionsinformationen als elektrische Signale ausgeben.
Es gibt zwei Arten: lineare Encoder, die lineare Bewegungen erfassen, und rotierende Encoder, die rotierende Größen messen. Drehgeber, die in Kombination mit Motoren ein breites Anwendungsspektrum haben, werden bei weitem am häufigsten eingesetzt.
Anwendungen von magnetischen Encodern
Magnetische Encoder finden breite Anwendung im Bereich der Industrieausrüstung usw. Insbesondere sind sie resistent gegen Öl, Wasser, Staub und andere Verunreinigungen und weisen eine ausgezeichnete Hitze-, Vibrations- und Stoßfestigkeit auf. Sie eignen sich daher für den Einsatz in rauen Umgebungen, z. B. bei hohen Temperaturen und starken Vibrationen und Stößen. Insbesondere können sie für Werkzeugmaschinen und Industrieanlagen in staubigen Umgebungen und in Fabriken eingesetzt werden, in denen Wasser und Schneidöl verspritzt werden.
Im Gegensatz zu optischen Encodern benötigt der Encoder keine Scheibe mit Schlitz und die gleiche Auflösung kann bei geringerer Größe erreicht werden. Im Vergleich zu optischen Encodern haben magnetische Encoder weniger Bauteile und einen geringeren Stromverbrauch, weshalb sie häufig dort eingesetzt werden, wo Kompaktheit, Leichtigkeit und geringer Stromverbrauch wichtig sind.
Funktionsweise der magnetischen Encoder
Es gibt zwei Arten von Encoder-Ausgabemethoden: inkrementale, die den Winkel relativ zur Ausgangsposition ausgeben und absolute, die den Winkel als absoluten Wert ausgeben. Bei magnetischen Encodern entspricht die Sinuskurve der Spannungswellenform dem absoluten Winkel, was die absolute Ausgabe einfacher macht als bei optischen Encodern.
Ein typischer magnetischer Encoder besteht aus einem magnetischen Sensor und einem Dauermagneten:
1. Magnetischer Sensor
Als magnetische Sensoren werden Hall- und MR-Elemente verwendet. Hall-Elemente sind Sensoren, die Magnetismus mithilfe des Hall-Effekts erkennen, bei dem eine der magnetischen Flussdichte und -richtung entsprechende Spannung erzeugt wird, wenn ein elektrischer Strom durch eine dünne Halbleiterschicht fließt.
MR-Elemente, auch magnetoresistive Elemente genannt, sind Sensoren, die Magnetismus mit Hilfe des magnetoresistiven Effekts erkennen, bei dem sich der elektrische Widerstandswert mit der Stärke des Magnetfelds ändert.
2. Dauermagnete
Dauermagnete werden an rotierenden oder sich bewegenden Objekten angebracht. Wenn sich die Welle dreht und sich die Position des Dauermagneten ändert, ändert sich die Magnetfeldverteilung und die am Magnetsensor anliegende magnetische Flussdichte. Der Magnetsensor wandelt die Änderung der magnetischen Flussdichte in ein elektrisches Signal um und kann Positionsinformationen über die Welle ausgeben.
Merkmale von magnetischen Encodern
Magnetische Encoder sind anfällig für magnetische Störungen durch Elektromotoren. Daher ist der Betriebstemperaturbereich, in dem sie arbeiten können, begrenzt.
Bis heute wurden die magnetischen Encoder mehrfach verbessert. Ihre allgemeine Genauigkeit und Auflösung sind jedoch geringer als die von optischen und kapazitiven Encodern.
Optische Encoder sind jedoch anfälliger für Schmutz, Staub und Öl. Kapazitive Encoder hingegen sind unempfindlich gegenüber Verunreinigungen aus der Umgebung, sparen Platz, haben eine lange Lebensdauer und können rauen Temperaturen standhalten.
Aufbau von magnetischen Encodern
1. Magnetischer Sensor
Hall-Elemente, d. h. magnetische Sensoren, die den Hall-Effekt nutzen, werden hauptsächlich aus Halbleitermaterialien hergestellt. Zu den Halbleitermaterialien gehören Verbindungshalbleiter wie Indiumarsenid (InAs), Galliumarsenid (GaAs) und Indiumantimon (InSb) sowie Silizium (Si), das auf einen IC-Chip montiert werden kann.
Indiumarsenid bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Temperatureigenschaften und Empfindlichkeit, Galliumarsenid hat stabile Temperatureigenschaften und Indiumantimon eine hohe Empfindlichkeit. Hall-Elemente können in zwei Typen unterteilt werden, die die Stärke des Magnetfelds in Längs- und Querrichtung erfassen.
2. Dauermagnete
Eine gängige Form von Dauermagneten, die in magnetischen Encodern verwendet wird, ist die Scheibenform, die in radialer oder ebener Richtung magnetisiert ist. Sowohl die Abmessungen des Drehgebers als auch das Magnetmaterial können gewählt werden, solange die Anforderungen an die magnetische Flussdichte für den Betrieb erfüllt sind.
Die wichtigsten verwendeten Typen sind Ferrit, Neodym (Ne-Fe-B) und Samacova (SmCo). Werkstoffe auf Ferritbasis sind billiger, Werkstoffe auf Neodymbasis sind kleiner und leichter und Werkstoffe auf Samarium-Kobaltbasis haben bessere Temperatureigenschaften.