산업용 로봇, 협동 로봇, 정밀 서보 시스템에서 자기 인코더는 '관절 센서'로서 중요한 역할을 합니다. 인코더 디스크 (자기 링)를 사용하여 모터 속도와 위치에 대한 실시간 피드백을 제공합니다. 그러나 쉽게 간과되는 문제 중 하나는 로봇이 고온 조건에서 지속적으로 작동할 때 자기 인코더 디스크가 고온 자기소거를 겪어 위치 피드백 드리프트, 전류 증가, 심지어 스텝 손실로 이어질 수 있다는 것입니다.
엔지니어들은 실제 디버깅에서 이 문제에 직면했습니다. 모터가 80°C 이상에서 작동하면 위치 피드백이 점차 부정확해지며, 철저한 점검 후에 근본 원인은 자기 인코더의 고온 자기소거로 추적됩니다. 장기간 지속적으로 작동해야 하는 산업용 로봇의 경우 이 문제는 특히 중요합니다. 이는 가공 정확도에 영향을 미칠 뿐만 아니라 장비 고장이나 심지어 안전 사고를 유발할 수도 있습니다.
현재 자기 인코더 디스크에 가장 널리 사용되는 두 가지 재료는 사출 성형 페라이트 와 고무 자석 (플렉시블 페라이트 자석이라고도 함)입니다. 이 두 물질이 고온에서 자기소거되는 이유는 무엇이며, 이 문제를 어떻게 해결할 수 있습니까? 이 기사에서는 재료 특성, 감자 메커니즘 및 솔루션의 관점에서 심층 분석을 제공합니다.
II. 두 가지 일반적인 재료와 온도 특성
1. 사출성형 페라이트
사출 성형 페라이트는 나일론(또는 기타 열가소성 수지)을 산화철 분말과 혼합하여 펠릿을 만든 다음 사출 성형으로 가공하여 만듭니다. 높은 형상 자유도, 우수한 치수 정확도, 대량 생산 적합성이 장점입니다. 자기 인코더 디스크 분야에서 사출 성형된 페라이트 링은 다중 극으로 정밀 자화될 수 있으며 모터 제어 및 로봇 관절에 널리 사용됩니다.
그러나 사출 성형 페라이트에는 온도에 대한 민감도가 높다는 중요한 단점이 있습니다 . 온도가 상승하면 자기 특성이 저하되고 감자가 발생할 수 있습니다. 일반적으로 사출 성형 페라이트의 작동 온도 범위는 -40°C ~ 120°C입니다. 이 범위를 벗어나면 자기 성능이 저하되기 시작합니다. 더욱 우려스러운 점은 사출 성형된 페라이트가 보자력이 상대적으로 낮아 외부 자기장뿐만 아니라 고온에서 비가역적인 자기 손실에도 취약하다는 점입니다.
2. 고무자석(플렉시블 페라이트 자석)
고무자석은 페라이트 분말을 합성고무(니트릴고무, 클로로프렌고무 등)와 혼합한 후 캘린더링, 압출, 사출성형을 통해 가공하여 만들어집니다. 유연하고 탄력적이며 절단이 가능하며 자기 인코더에도 널리 사용됩니다.
기존 고무 자석의 작동 온도 상한은 일반적으로 약 80°C 입니다 . 일반 고무 자석은 80°C에서 72시간 후에 3% 미만의 자기 감쇠를 나타냅니다. 그러나 온도가 더 올라가면 자기소거의 위험이 크게 증가합니다. 고무 자석의 온도 저항은 주로 고무 매트릭스에 의해 결정됩니다. 실리콘 고무와 같은 내열성 고무를 사용하면 상한을 150-200°C까지 높일 수 있습니다.
III. 고온 탈자화의 물리적 메커니즘: 열 운동에서 자기 도메인 '방향을 잃습니다'
고온 감자를 이해하려면 먼저 자성 재료가 자성인 이유를 이해해야 합니다.
재료의 자성은 재료 내부의 작은 자기 영역( 자기 구역) 이 정렬되어 배열되어 있기 때문에 발생합니다 . 실온에서 이러한 영역은 대부분 같은 방향으로 정렬되어 거시적인 자성을 생성합니다. 온도가 상승하면 도메인 내 원자의 열 운동이 강화되어 원래 정렬된 도메인 구조를 방해하고 자기 모멘트가 벗어나게 됩니다. 결과적으로 자석의 잔류자기력(Br) 과 보자력(Hc) 은 다양한 정도로 감소하며 이는 자기장 강도의 약화로 나타납니다.
사출 성형된 페라이트 및 고무 자석의 경우 상황은 더욱 복잡합니다. 두 재료 모두 혼합된 자성 분말(페라이트 분말)로 구성된 결합 자석 입니다. 고분자 바인더와 고온은 분말 자체의 자구 배열에 영향을 미칠 뿐만 아니라 바인더 특성(연화, 노화 등)을 변경하여 분말의 분산과 전반적인 자기 성능에 영향을 줍니다.
두 가지 유형의 고온 감자를 구별하는 것이 중요합니다.
· 가역적 탈자화 : 자기 성능은 온도가 상승하면 감소하지만 온도가 정상으로 돌아오면 회복됩니다.
· 비가역적 자기소거 : 온도가 특정 임계값을 초과하면 자구 구조가 영구적으로 변하고 냉각 후에도 원래의 자기 특성을 복원할 수 없습니다.
지속적인 로봇 작동의 경우 가장 중요한 문제는 되돌릴 수 없는 자기소거 입니다 . 일단 이것이 발생하면 인코더 디스크의 자기 신호 강도가 영구적으로 감소하여 인코더의 측정 정확도가 직접적으로 손상됩니다.
IV. 체계적인 솔루션
사출 성형된 페라이트 및 고무 자석 인코더 디스크의 고온 자기소거 문제를 해결하기 위해 재료 수준과 시스템 설계 수준이라는 두 가지 차원에서 솔루션을 추구할 수 있습니다.
솔루션 1: 재료 수준 최적화 및 업그레이드
1. 내열성 등급의 사출 성형 페라이트를 선택하십시오.
사출성형 페라이트의 작동온도는 고정되어 있지 않습니다. 자성 분말 배합과 바인더 시스템을 최적화함으로써 온도 저항성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 나일론 6이나 PPS(폴리페닐렌 설파이드)를 바인더로 사용한 페라이트 소재는 약 180°C에서 만족스러운 테스트 결과를 보여주었습니다. 연구에 따르면 적절한 양의 TAF 윤활제를 첨가하면 펠릿 유동성과 자기 특성이 향상될 수 있습니다. 커플링제로 자성 분말을 표면 처리하면 사출 성형 자석의 성능을 효과적으로 향상시킬 수도 있습니다.
2. 고온에 강한 고무 자석을 선택하십시오
기존 고무 자석의 온도 상한은 80°C이지만 고온 고무 시스템을 채택하면(예: 일반 고무를 실리콘 고무로 대체) 상한을 150~200°C까지 높일 수 있습니다. 특허 기술에 따르면 페라이트 분말을 사용한 고온 고무 시스템의 적절한 구성 및 공정 최적화를 통해 고무 자석의 최대 사용 온도는 120-170°C에 도달할 수 있습니다. SR/NBR과 같은 혼합 고무 시스템은 120°C 이상에서도 우수한 열 안정성을 나타냅니다.
실제 선택에서는 재료의 온도 등급을 장비의 작동 온도 범위와 일치시키는 것이 좋습니다.
솔루션 2: 시스템 설계 및 열 관리
1. 방열 설계 최적화
고온 감자는 궁극적으로 과도한 온도로 인해 발생하므로 효과적인 열 관리가 가장 직접적인 접근 방식입니다. 구체적인 조치에는 다음이 포함됩니다.
· 추가합니다 . 방열판이나 강제 공기 냉각을 자기 링의 작동 온도를 낮추기 위해 인코더 주변에
· 배치하여 열 전달을 차단합니다. 단열 구조를 모터 권선과 엔코더 사이에
· 채택했습니다 . 수냉식 재킷 설계를 고온 조건에서 지속적인 냉각을 달성하기 위해
2. 자기회로 설계 시 예비마진
자기 회로 설계 단계에서 고온에서 부분적인 자기 손실을 보상하기 위해 적절한 자속 마진을 확보할 수 있으므로 제품 수명 주기 전반에 걸쳐 안정적인 성능을 보장할 수 있습니다.
3. 사출 성형 공정 온도 제어
자기 인코더 디스크 제조 시 사출 성형 중 가공 온도를 제어하여 자기 특성을 손상시킬 수 있는 과도한 온도를 피하는 데 주의를 기울여야 합니다.
V. 요약
고온에서 사출 성형된 페라이트 및 고무 자석 인코더 디스크의 감자는 본질적으로 열 운동이 정렬된 자기 도메인 구조를 방해하여 자기 순서를 감소시키는 물리적 프로세스입니다. 이 문제는 지속적인 로봇 작동에서 특히 두드러집니다.
솔루션은 두 가지 수준에서 접근할 수 있습니다. 재료 수준에서는 고온 내성 등급의 사출 성형 페라이트 또는 고온 내성 고무 자석을 선택합니다. 시스템 수준에서는 열 방출을 최적화하고 적절한 열 관리를 구현하며 자기 회로 설계에서 자속 마진을 확보합니다.
실제 엔지니어링 응용 분야에서는 특정 온도 범위, 비용 예산 및 정확도 요구 사항을 기반으로 가장 적합한 솔루션을 종합적으로 평가하고 선택하는 것이 좋습니다. 결국, 장기간 안정적으로 작동해야 하는 로봇의 경우 모든 '관절'의 신뢰성이 전반적인 성공에 매우 중요합니다.
