Selección de clasificación de temperatura para discos codificadores magnéticos en condiciones de temperatura alta/baja: ferrita moldeada por inyección versus ferrita moldeada por inyección. Imán de goma: no se limite a mirar la palabra 'Ferrita'

Después de que un robot colaborativo funciona continuamente durante varias horas, su información de posición comienza a variar lentamente. Cuando se desmonta la junta, la El disco del codificador magnético parece intacto y su magnetización no muestra ninguna anomalía obvia, pero cuando se vuelve a probar a temperatura ambiente, el error angular no vuelve a su valor inicial. El problema a menudo no reside en el chip codificador, sino en el hecho de que se ha subestimado el comportamiento del material del disco a altas temperaturas.

En la selección de materiales para discos codificadores magnéticos, la ferrita moldeada por inyección y el imán de caucho son las dos opciones que más se comparan. Un error de cálculo común es: ambos se denominan 'imanes de ferrita', por lo que su resistencia a la temperatura debería ser similar. La realidad es exactamente lo contrario: lo que determina su temperatura nominal no es principalmente el polvo magnético de ferrita, sino el 'aglutinante' que mantiene unido el polvo magnético . La temperatura Curie del polvo magnético de ferrita puede alcanzar entre 450 y 470 °C, pero la temperatura máxima a la que un disco codificador puede funcionar a largo plazo depende casi por completo de qué tan alta puedan soportar los materiales de la matriz (nylon, PPS, caucho de nitrilo o caucho de nitrilo hidrogenado).

1. La 'verdad de la temperatura' de los dos materiales: el polvo magnético fija el suelo, el aglutinante fija el techo

La ferrita moldeada por inyección se fabrica mezclando polvo magnético de ferrita con resina termoplástica (nylon, PPS, etc.) y moldeándolo por inyección. Su temperatura máxima está determinada por la resina, no por la ferrita:

• Matriz de Nylon 12 (PA12): temperatura máxima de trabajo aproximadamente  120°C;

• Matriz de nailon 6 (PA6): aproximadamente  150 °C;

• Matriz de sulfuro de polifenileno (PPS): puede alcanzar aproximadamente  180°C.

El imán de caucho es un imán flexible que se fabrica rellenando caucho de nitrilo (NBR), caucho de nitrilo hidrogenado (HNBR) u otros elastómeros con polvo magnético de ferrita. Su resistencia a la temperatura también está dominada por la formulación de caucho, y la extensión es mayor de lo que mucha gente imagina:

• Las formulaciones de NBR convencionales en discos codificadores generalmente tienen un límite superior de temperatura de trabajo a largo plazo de alrededor de  80 °C . La exposición a corto plazo a 80°C puede mantener la desintegración magnética a un nivel relativamente bajo, pero un mayor calentamiento aumenta significativamente el riesgo de desmagnetización irreversible;

• Las formulaciones de NBR para codificadores industriales pueden alcanzar  entre 140 y 150 °C , y las formulaciones de HNBR pueden alcanzar entre  160 y 180 °C.;

• A través de matrices de alta temperatura como el caucho de silicona o la modificación de polvo magnético especial, el techo de tolerancia a corto plazo de los imanes de caucho puede ser incluso mayor, pero tales formulaciones pagan un precio en estabilidad dimensional, módulo y costo.

• En otras palabras, ambas afirmaciones (“los imanes de goma sólo pueden alcanzar los 80°C” y “los imanes de goma también pueden alcanzar los 150°C”) pueden ser ciertas. La diferencia radica en la formulación, no en el nombre amplio de la categoría 'imán de caucho'. Si la selección solo dice 'imán de caucho' sin fijar el grado del caucho y la curva de temperatura real a largo plazo del proveedor, los riesgos bajo condiciones de alta temperatura no pueden detenerse mediante la inspección entrante.

2. La línea divisoria central en la selección de temperatura alta/baja: no 'si se puede utilizar', sino 'si la desmagnetización es reversible'

Los efectos de la temperatura en los discos codificadores magnéticos se dividen en dos categorías. Combinarlos es la fuente más común de errores de juicio en la validación de alta temperatura.

La desmagnetización reversible  significa que a medida que aumenta la temperatura, la remanencia y la coercitividad disminuyen temporalmente según el coeficiente de temperatura, y cuando la temperatura se recupera, el rendimiento magnético básicamente también se recupera. El coeficiente de temperatura de remanencia de la ferrita moldeada por inyección es del orden de  −0,18%/°C a −0,20%/°C . Esto significa que de 25°C a 100°C, la caída de remanencia provocada únicamente por el coeficiente de temperatura es de más de diez puntos porcentuales. Esta caída en sí no significa necesariamente que el disco esté 'malo', pero a alta temperatura la amplitud efectiva de la señal vista por el sensor se vuelve más pequeña, y el mismo ruido, excentricidad e interferencia magnética externa se amplifican más en el cálculo del ángulo, manifestándose como fluctuación del ángulo, deriva de la posición cero o fallas de velocidad en condiciones de alta temperatura.

La desmagnetización irreversible  significa que después de que la temperatura excede un cierto umbral, la estructura del dominio magnético sufre un cambio permanente y el rendimiento magnético aún no se recupera después de regresar a la temperatura ambiente. Para la ferrita moldeada por inyección, la coercitividad es relativamente baja y el riesgo de cruzar la rodilla del punto de operación a alta temperatura es mayor; En el caso de los imanes de caucho, el ablandamiento o el envejecimiento del aglutinante a alta temperatura cambia el estado de dispersión de las partículas de polvo magnético, lo que también puede solidificar una disminución temporal en una pérdida permanente.

Por lo tanto,  el verdadero criterio para la selección de temperatura alta/baja no es 'qué temperatura nominal tiene el material', sino 'si, a la temperatura máxima de trabajo, el error angular y el campo magnético residual después de regresar a la temperatura ambiente permanecen dentro del rango permitido'.  Juzgar la 'desmagnetización' únicamente por cuánto cae la amplitud del campo magnético en una cámara de alta temperatura, o seleccionar un material únicamente por un número de temperatura máxima en el TDS del proveedor, es insuficiente para cubrir los riesgos reales. del sistema codificador.

3. Selección por banda de temperatura de funcionamiento: un marco de decisión viable

En lugar de preguntar 'cuál tiene mejor resistencia a la temperatura, ferrita moldeada por inyección o imán de caucho', es mejor utilizar la temperatura máxima de funcionamiento como primer corte y la capacidad de validación como segundo corte.

Rango de temperatura ambiente/baja ≤ 80 °C : Ambos son utilizables. La ferrita moldeada por inyección tiene ventajas en cuanto a rendimiento magnético, precisión dimensional y consistencia de magnetización multipolar; la flexibilidad de los imanes de goma ayuda con la resistencia al impacto y la adaptación al montaje irregular, y el costo es relativamente económico. En este punto, la selección debería centrarse más en la resolución, el paso de los polos y los requisitos de integración estructural, en lugar de la resistencia a la temperatura. Cabe señalar que los imanes de caucho pueden endurecerse a temperaturas muy bajas (p. ej., -40 °C). Si la aplicación implica un arranque a baja temperatura o un choque térmico, se debe confirmar la retención de flexibilidad de la formulación a baja temperatura, no solo la etiqueta 'resistente a baja temperatura'.

Rango de temperatura media-alta de 80 a 120 °C : este es el intervalo en el que los dos divergen materialmente. Las formulaciones de imanes de caucho convencionales ya han entrado en una zona que requiere una evaluación cuidadosa en este rango; La matriz PA12 de ferrita moldeada por inyección tiene un límite superior nominal de aproximadamente 120 °C, pero cuando se utiliza como disco codificador, es aconsejable no tratar el 'límite superior del material' directamente como el 'punto de operación de diseño'. Si el pico de operación está cerca de 120 °C, la ferrita moldeada por inyección a base de PA6 (aproximadamente 150 °C) proporcionará un margen más amplio, y la pérdida irreversible debe confirmarse a través del residual post-ciclo de temperatura después de regresar a la temperatura ambiente.

120–150 °C : la ferrita moldeada por inyección a base de PA6 es el candidato natural para esta banda de temperatura, mientras que los imanes de caucho requieren seleccionar explícitamente una formulación de NBR o HNBR de alta temperatura y solicitar al proveedor los datos de envejecimiento a largo plazo a la temperatura objetivo, en lugar de depender únicamente de valores de tolerancia instantáneos a corto plazo. En esta banda también es donde 'la formulación marca la diferencia' es más evidente: para el mismo 'imán de caucho', las formulaciones de NBR convencionales y las formulaciones de NBR/HNBR de alta temperatura para codificadores pueden comportarse de manera completamente diferente en un comportamiento a largo plazo cerca de 150°C.

> 150°C : La ferrita moldeada por inyección a base de PPS (aproximadamente 180°C) es la opción más realista entre los dos tipos de materiales. Los imanes de caucho no son absolutamente inutilizables, pero requieren una matriz de caucho de alta temperatura o una formulación especialmente modificada, y las compensaciones entre flexibilidad, estabilidad dimensional y costo se vuelven más prominentes. Si las condiciones de operación exceden los 180°C a largo plazo, ambos tipos de imanes aglutinantes orgánicos comienzan a acercarse a los límites del sistema material, y la discusión sobre la selección debería cambiar a otros sistemas magnéticos o a la gestión térmica a nivel del sistema, en lugar de continuar afinando entre 'ferrita moldeada por inyección o imán de caucho'.

El extremo de baja temperatura tampoco puede juzgarse únicamente por la 'temperatura mínima'. El coeficiente de temperatura de coercitividad de la ferrita difiere en dirección del coeficiente de temperatura de remanencia, y algunos grados de ferrita tienen un mecanismo de desmagnetización irreversible a bajas temperaturas; El riesgo de los imanes de caucho a baja temperatura se concentra más en el endurecimiento y la fragilización de la matriz de caucho. En condiciones alternas de temperatura alta/baja,  la estabilidad angular de la posición cero después del ciclo de temperatura  refleja la usabilidad del disco en condiciones operativas reales mejor que el rendimiento magnético en un solo punto de temperatura.

4. El paso que más fácilmente se pasa por alto en la validación

La validación de codificadores magnéticos a alta temperatura tiene una trampa 'aparentemente correcta': la amplitud del campo magnético cae después del calentamiento, no se recupera completamente después del enfriamiento y luego se considera una desmagnetización irreversible. Pero la amplitud residual puede provenir del imán, o de la liberación de tensión del ensamblaje, cambios en el entrehierro causados ​​por la expansión térmica estructural o la deriva del extremo frontal del sensor. Por el contrario, una caída temporal de la amplitud a alta temperatura que se recupera después del enfriamiento no significa que el sistema sea necesariamente seguro durante el período de alta temperatura; después de que la señal efectiva se vuelve más pequeña, es posible que el error angular ya haya excedido el límite durante el proceso de alta temperatura, y simplemente 'se ve bien' después del enfriamiento.

Un enfoque más sólido es:  antes y después del ciclo de temperatura, utilizar el error angular y la deriva de la posición cero como criterios principales, y la amplitud del campo magnético como cantidad de diagnóstico auxiliar . Si el error angular y la posición cero después de regresar a la temperatura ambiente no regresan a la línea base, entonces analice si se trata de una pérdida irreversible del imán, envejecimiento del aglutinante o un cambio en el estado del ensamblaje. En el caso de los imanes adheridos, como los de ferrita moldeados por inyección y los de caucho, los cambios en el estado del aglutinante después de la exposición a altas temperaturas a menudo no se manifiestan como 'el imán desaparece repentinamente', sino como una degradación lenta de la señal del ángulo, que se pasa fácilmente por alto en las comprobaciones rutinarias de 'magnetización correcta, apariencia correcta'.

Conclusión

En condiciones de alta/baja temperatura, la selección de discos codificadores magnéticos no es esencialmente una elección binaria entre 'ferrita moldeada por inyección versus imán de caucho', sino dos preguntas secuenciales:  la temperatura máxima de funcionamiento y el modo de ciclo determinan el sistema aglutinante de los materiales candidatos; Los datos de validación, especialmente el residual angular después de regresar a la temperatura ambiente, determinan si el material candidato realmente puede ingresar al diseño . El techo de temperatura de la ferrita moldeada por inyección está escrito en el grado de resina, el techo de temperatura del imán de caucho está escrito en la formulación de caucho y la confiabilidad del codificador está escrita en el error angular después del ciclo de temperatura. Sólo manteniendo estas tres capas separadas la selección no se detendrá en la impresión demasiado aproximada de que 'la ferrita es resistente a altas temperaturas'.

Lista de verificación de selección rápida

• Primero bloquee la  temperatura máxima de funcionamiento  y  el número de ciclos ; no utilice la temperatura promedio en lugar de la temperatura máxima.

• Para ferrita moldeada por inyección, pregunte claramente sobre la  matriz de resina : PA12 ≈ 120°C, PA6 ≈ 150°C, PPS ≈ 180°C; Utilice la curva de temperatura a largo plazo medida por el proveedor como referencia.

• Para el imán de caucho, pregunte claramente sobre el  grado del caucho : los límites superiores a largo plazo de las formulaciones de NBR convencionales y las formulaciones de NBR/HNBR de alta temperatura pueden diferir en decenas de grados Celsius; no escriba simplemente 'imán de goma'.

• Exigir al proveedor que proporcione  un error angular posterior al envejecimiento/campo magnético residual después de regresar a la temperatura ambiente a la temperatura objetivo , no solo un flujo magnético instantáneo a alta temperatura.

• Para condiciones de baja temperatura, confirme también el  riesgo de fragilización a baja temperatura de la matriz de caucho  y la  tendencia a la desmagnetización irreversible de la ferrita a baja temperatura..