Démagnétisation du capteur d'encodeur magnétique du robot à haute température – Solutions pour un fonctionnement continu

I. Le problème : le risque caché de défaillance « conjointe » du robot

Dans les robots industriels, les robots collaboratifs et les systèmes d'asservissement de précision, les encodeurs magnétiques jouent un rôle essentiel en tant que « capteurs communs ». Ils détectent les changements dans le champ magnétique de l'objet. disque encodeur (anneau magnétique) et fournit un retour en temps réel sur la vitesse et la position du moteur. Cependant, un problème facilement négligé est que lorsque les robots fonctionnent en continu dans des conditions de température élevée, le disque de l'encodeur magnétique peut subir  une démagnétisation à haute température , entraînant une dérive du retour de position, une augmentation du courant et même une perte de pas.

Les ingénieurs ont rencontré ce problème lors du débogage réel : lorsque le moteur tourne au-dessus de 80 °C, le retour de position devient progressivement inexact et, après des vérifications approfondies, la cause première est attribuée à la démagnétisation à haute température de l'encodeur magnétique. Pour les robots industriels qui doivent fonctionner en continu pendant de longues périodes, ce problème est particulièrement critique : il affecte non seulement la précision de l'usinage, mais peut également déclencher des pannes d'équipement ou même des incidents de sécurité.

Actuellement, les deux matériaux les plus largement utilisés pour les disques de codeurs magnétiques sont  la ferrite moulée par injection  et  l'aimant en caoutchouc  (également appelé aimant en ferrite flexible). Pourquoi ces deux matériaux se démagnétisent-ils à haute température, et comment résoudre ce problème ? Cet article fournit une analyse approfondie du point de vue des caractéristiques des matériaux, des mécanismes de démagnétisation et des solutions.

II. Deux matériaux courants et leurs caractéristiques de température

1. Ferrite moulée par injection

La ferrite moulée par injection est fabriquée en mélangeant du nylon (ou d'autres résines thermoplastiques) avec de la poudre d'oxyde de fer pour former des pastilles, qui sont ensuite traitées par moulage par injection. Ses avantages incluent une grande liberté de forme, une excellente précision dimensionnelle et une aptitude à la production de masse. Dans le domaine des disques de codeur magnétique, les anneaux de ferrite moulés par injection peuvent être magnétisés avec précision avec plusieurs pôles et sont largement utilisés dans la commande de moteurs et les articulations de robots.

Cependant, la ferrite moulée par injection présente un inconvénient majeur :  une sensibilité élevée à la température . À des températures élevées, ses propriétés magnétiques se dégradent et une démagnétisation peut se produire. Généralement, la plage de températures de fonctionnement de la ferrite moulée par injection se situe entre -40 °C et 120 °C ; au-delà de cette plage, les performances magnétiques commencent à décliner. Ce qui est plus préoccupant, c'est que la ferrite moulée par injection a une coercivité relativement faible, ce qui la rend sensible non seulement aux champs magnétiques externes, mais également à une perte magnétique irréversible à haute température.

2. Aimant en caoutchouc (aimant flexible en ferrite)

Les aimants en caoutchouc sont fabriqués en mélangeant de la poudre de ferrite liée avec des caoutchoucs synthétiques (tels que le caoutchouc nitrile ou le caoutchouc chloroprène), puis en les traitant par calandrage, extrusion ou moulage par injection. Ils sont flexibles, élastiques et découpables, et sont également largement utilisés dans les codeurs magnétiques.

Les aimants en caoutchouc conventionnels ont généralement une limite supérieure de température de fonctionnement d'environ  80 °C . Les aimants en caoutchouc ordinaires présentent une atténuation magnétique inférieure à 3 % après 72 heures à 80 °C ; cependant, si la température augmente encore, le risque de démagnétisation augmente considérablement. Il convient de noter que la résistance à la température des aimants en caoutchouc est principalement déterminée par la matrice en caoutchouc : en utilisant des caoutchoucs résistants aux hautes températures tels que le caoutchouc de silicone, la limite supérieure peut être augmentée à 150-200 °C.

III. Mécanisme physique de démagnétisation à haute température : les domaines magnétiques « perdent leur direction » dans le mouvement thermique

Pour comprendre la démagnétisation à haute température, il faut d’abord comprendre pourquoi les matériaux magnétiques sont magnétiques.

Le magnétisme d'un matériau provient de l'alignement ordonné de minuscules régions magnétiques à l'intérieur du matériau –  domaines magnétiques . À température ambiante, ces domaines sont largement alignés dans la même direction, produisant un magnétisme macroscopique. Lorsque la température augmente, le mouvement thermique des atomes dans les domaines s'intensifie, perturbant la structure des domaines initialement ordonnée et provoquant une déviation des moments magnétiques. En conséquence, la  rémanence (Br)  et  la coercivité (Hc)  de l’aimant diminuent à des degrés divers, se manifestant par un affaiblissement de l’intensité du champ magnétique.

Pour les aimants en ferrite et en caoutchouc moulés par injection, la situation est plus complexe : les deux matériaux sont  des aimants liés,  composés de poudre magnétique (poudre de ferrite) mélangée à un liant polymère. Une température élevée affecte non seulement la disposition des domaines magnétiques de la poudre elle-même, mais modifie également les propriétés du liant (ramollissement, vieillissement, etc.), ce qui affecte à son tour la dispersion de la poudre et les performances magnétiques globales.

Il est important de distinguer deux types de démagnétisation à haute température :

·  Démagnétisation réversible : les performances magnétiques diminuent avec l'augmentation de la température mais se rétablissent lorsque la température revient à la normale.

·  Démagnétisation irréversible : lorsque la température dépasse un certain seuil, la structure du domaine change de façon permanente, et les propriétés magnétiques d'origine ne peuvent pas être restaurées même après refroidissement.

Pour un fonctionnement continu du robot, la préoccupation la plus critique est  la démagnétisation irréversible :  une fois qu'elle se produit, la force du signal magnétique du disque codeur sera réduite de façon permanente, compromettant directement la précision des mesures du codeur.

IV. Solutions systématiques

Pour résoudre le problème de la démagnétisation à haute température des disques codeurs magnétiques en ferrite et en caoutchouc moulés par injection, des solutions peuvent être recherchées à partir de deux dimensions : le niveau du matériau et le niveau de la conception du système.

Solution 1 : optimisation et mise à niveau au niveau des matériaux

1. Sélectionnez des qualités de ferrite moulées par injection résistantes aux hautes températures

La température de fonctionnement de la ferrite moulée par injection n'est pas fixe. En optimisant la formulation de la poudre magnétique et le système de liant, sa résistance à la température peut être considérablement améliorée. Par exemple, les matériaux ferrites utilisant du nylon 6 ou du PPS (sulfure de polyphénylène) comme liant ont donné des résultats de tests satisfaisants à environ 180 °C. La recherche indique que l'ajout d'une quantité appropriée de lubrifiant TAF peut améliorer la fluidité des granulés et leurs propriétés magnétiques ; le traitement de surface de la poudre magnétique avec des agents de couplage peut également améliorer efficacement les performances des aimants moulés par injection.

2. Sélectionnez des aimants en caoutchouc résistants aux hautes températures

Les aimants en caoutchouc conventionnels ont une limite supérieure de température de 80 °C, mais en adoptant des systèmes en caoutchouc haute température (par exemple en remplaçant le caoutchouc ordinaire par du caoutchouc de silicone), la limite supérieure peut être augmentée à 150-200 °C. Des technologies brevetées ont montré qu'avec une formulation appropriée et une optimisation du processus des systèmes de caoutchouc à haute température avec de la poudre de ferrite, la température de service maximale des aimants en caoutchouc peut atteindre 120-170 °C. Les systèmes de caoutchouc mélangés tels que SR/NBR présentent également une bonne stabilité thermique au-dessus de 120 °C.

Lors d'une sélection pratique, il est recommandé de faire correspondre la température nominale du matériau avec la plage de température de fonctionnement de l'équipement.

Solution 2 : conception du système et gestion thermique

1. Optimiser la conception de la dissipation thermique

Étant donné que la démagnétisation à haute température est finalement provoquée par une température excessive, une gestion thermique efficace constitue l’approche la plus directe. Les mesures spécifiques comprennent :

·  Ajout  de dissipateurs thermiques ou refroidissement à air forcé  autour de l'encodeur pour réduire la température de fonctionnement de l'anneau magnétique.

·  Placer  des structures d'isolation thermique  entre les enroulements du moteur et le codeur pour bloquer le transfert de chaleur.

·  Adopter  des conceptions de chemises refroidies à l'eau  pour obtenir un refroidissement continu dans des conditions de température élevée.

2. Marge de réserve dans la conception de circuits magnétiques

Pendant la phase de conception du circuit magnétique, une  marge de flux appropriée  peut être réservée pour compenser la perte magnétique partielle à haute température, garantissant ainsi des performances stables tout au long du cycle de vie du produit.

3. Contrôler la température du processus de moulage par injection

Lors de la fabrication du disque codeur magnétique, il convient de veiller à contrôler la température de traitement pendant le moulage par injection, en évitant les températures excessives qui pourraient endommager les propriétés magnétiques.

V. Résumé

La démagnétisation des disques codeurs magnétiques en ferrite et en caoutchouc moulés par injection à haute température est essentiellement un processus physique dans lequel le mouvement thermique perturbe la structure ordonnée du domaine magnétique, réduisant ainsi l'ordre magnétique. Ce problème est particulièrement important dans le fonctionnement continu des robots.

Les solutions peuvent être abordées à deux niveaux :  au niveau des matériaux , en sélectionnant des qualités de ferrite moulées par injection résistantes aux hautes températures ou des aimants en caoutchouc résistant aux hautes températures ;  au niveau du système , en optimisant la dissipation thermique, en mettant en œuvre une gestion thermique appropriée et en réservant des marges de flux dans la conception du circuit magnétique.

Dans les applications d'ingénierie réelles, il est conseillé d'évaluer de manière exhaustive et de choisir la solution la plus adaptée en fonction de la plage de température spécifique, du budget et des exigences de précision. Après tout, pour un robot qui doit fonctionner de manière stable sur de longues périodes, la fiabilité de chaque « articulation » est essentielle au succès global.