Desmagnetização do Sensor do Codificador Magnético do Robô em Alta Temperatura – Soluções para Operação Contínua

I. O problema: o risco oculto de falha 'conjunta' do robô

Em robôs industriais, robôs colaborativos e servossistemas de precisão, os codificadores magnéticos desempenham um papel crítico como “sensores conjuntos”. disco codificador (anel magnético) e fornece feedback em tempo real sobre a velocidade e posição do motor. No entanto, um problema facilmente esquecido é que quando os robôs operam continuamente sob condições de alta temperatura, o disco do codificador magnético pode sofrer  desmagnetização em alta temperatura , levando ao desvio de feedback de posição, aumento da corrente e até mesmo perda de passo.

Os engenheiros encontraram isso na depuração do mundo real: quando o motor funciona acima de 80 °C, o feedback de posição torna-se gradualmente impreciso e, após verificações completas, a causa raiz é atribuída à desmagnetização em alta temperatura do codificador magnético. Para robôs industriais que precisam funcionar continuamente por longos períodos, esse problema é especialmente crítico – não apenas afeta a precisão da usinagem, mas também pode desencadear falhas no equipamento ou até mesmo incidentes de segurança.

Atualmente, os dois materiais mais utilizados para discos codificadores magnéticos são  ferrita moldada por injeção  e  ímã de borracha  (também chamado de ímã de ferrite flexível). Porque é que estes dois materiais se desmagnetizam a altas temperaturas e como é que isto pode ser resolvido? Este artigo fornece uma análise aprofundada do ponto de vista das características dos materiais, mecanismos de desmagnetização e soluções.

II. Dois materiais comuns e suas características de temperatura

1. Ferrite Moldada por Injeção

A ferrita moldada por injeção é feita misturando náilon (ou outras resinas termoplásticas) com pó de óxido de ferro para formar pellets, que são então processados ​​por moldagem por injeção. Suas vantagens incluem alta liberdade de formato, excelente precisão dimensional e adequação para produção em massa. No campo dos discos codificadores magnéticos, os anéis de ferrite moldados por injeção podem ser magnetizados com precisão com vários pólos e são amplamente utilizados no controle de motores e em juntas de robôs.

No entanto, a ferrite moldada por injeção tem uma deficiência significativa –  alta sensibilidade à temperatura . Sob temperaturas elevadas, suas propriedades magnéticas se degradam e pode ocorrer desmagnetização. Normalmente, a faixa de temperatura operacional da ferrita moldada por injeção está entre -40 °C e 120 °C; além dessa faixa, o desempenho magnético começa a diminuir. Mais preocupante é que a ferrita moldada por injeção tem uma coercividade relativamente baixa, tornando-a suscetível não apenas a campos magnéticos externos, mas também a perdas magnéticas irreversíveis em altas temperaturas.

2. Ímã de borracha (ímã de ferrite flexível)

Os ímãs de borracha são feitos misturando pó de ferrita com borrachas sintéticas (como borracha nitrílica ou borracha de cloropreno) e depois processando por calandragem, extrusão ou moldagem por injeção. Eles são flexíveis, elásticos e cortáveis ​​e também são amplamente utilizados em codificadores magnéticos.

Os ímãs de borracha convencionais normalmente têm um limite superior de temperatura operacional de cerca de  80 °C . Os ímãs de borracha comuns apresentam uma atenuação magnética inferior a 3% após 72 horas a 80 °C; no entanto, se a temperatura aumentar ainda mais, o risco de desmagnetização aumenta significativamente. Deve-se notar que a resistência à temperatura dos ímãs de borracha é determinada principalmente pela matriz de borracha - usando borrachas resistentes a altas temperaturas, como borracha de silicone, o limite superior pode ser aumentado para 150-200 °C.

III. Mecanismo físico de desmagnetização em alta temperatura: domínios magnéticos “perdem direção” no movimento térmico

Para entender a desmagnetização em alta temperatura, é preciso primeiro entender por que os materiais magnéticos são magnéticos.

O magnetismo de um material origina-se do alinhamento ordenado de minúsculas regiões magnéticas dentro do material –  domínios magnéticos . À temperatura ambiente, esses domínios estão amplamente alinhados na mesma direção, produzindo magnetismo macroscópico. Quando a temperatura aumenta, o movimento térmico dos átomos dentro dos domínios se intensifica, perturbando a estrutura do domínio originalmente ordenada e fazendo com que os momentos magnéticos se desviem. Como resultado, tanto a  remanência (Br)  como  a coercividade (Hc)  do íman diminuem em vários graus, manifestando-se como um enfraquecimento da intensidade do campo magnético.

Para ímãs de ferrite e borracha moldados por injeção, a situação é mais complexa: ambos os materiais são  ímãs ligados -  compostos de pó magnético (pó de ferrita) composto por um aglutinante de polímero. A alta temperatura não afeta apenas o arranjo do domínio magnético do pó em si, mas também altera as propriedades do aglutinante (amolecimento, envelhecimento, etc.), o que por sua vez afeta a dispersão do pó e o desempenho magnético geral.

É importante distinguir entre dois tipos de desmagnetização de alta temperatura:

·  Desmagnetização reversível : o desempenho magnético diminui com o aumento da temperatura, mas recupera quando a temperatura volta ao normal.

·  Desmagnetização irreversível : quando a temperatura excede um determinado limite, a estrutura do domínio muda permanentemente e as propriedades magnéticas originais não podem ser restauradas mesmo após o resfriamento.

Para a operação contínua do robô, a preocupação mais crítica é  a desmagnetização irreversível –  uma vez que ela ocorra, a intensidade do sinal magnético do disco codificador será permanentemente reduzida, comprometendo diretamente a precisão da medição do codificador.

4. Soluções Sistemáticas

Para lidar com a desmagnetização em alta temperatura de discos codificadores magnéticos de borracha e ferrite moldados por injeção, soluções podem ser buscadas em duas dimensões: o nível do material e o nível do projeto do sistema.

Solução 1: Otimização e atualização em nível de material

1. Selecione graus de ferrita moldada por injeção resistentes a altas temperaturas

A temperatura operacional da ferrita moldada por injeção não é fixa. Ao otimizar a formulação do pó magnético e o sistema aglutinante, sua resistência à temperatura pode ser significativamente melhorada. Por exemplo, materiais de ferrita usando nylon 6 ou PPS (sulfeto de polifenileno) como aglutinante mostraram resultados de teste satisfatórios em torno de 180 °C. Pesquisas indicam que a adição de uma quantidade adequada de lubrificante TAF pode melhorar a fluidez e as propriedades magnéticas dos pellets; o tratamento de superfície do pó magnético com agentes de acoplamento também pode melhorar efetivamente o desempenho dos ímãs moldados por injeção.

2. Selecione ímãs de borracha resistentes a altas temperaturas

Os ímãs de borracha convencionais têm um limite superior de temperatura de 80 °C, mas ao adotar sistemas de borracha de alta temperatura (por exemplo, substituindo a borracha comum por borracha de silicone), o limite superior pode ser aumentado para 150-200 °C. Tecnologias patenteadas demonstraram que, com formulação adequada e otimização de processos de sistemas de borracha de alta temperatura com pó de ferrita, a temperatura máxima de serviço dos ímãs de borracha pode atingir 120-170 °C. Sistemas de borracha misturada como SR/NBR também apresentam boa estabilidade térmica acima de 120 °C.

Na seleção prática, recomenda-se combinar a classificação de temperatura do material com a faixa de temperatura operacional do equipamento.

Solução 2: Projeto de Sistema e Gerenciamento Térmico

1. Otimize o projeto de dissipação de calor

Como a desmagnetização em alta temperatura é causada, em última análise, por temperatura excessiva, o gerenciamento térmico eficaz é a abordagem mais direta. As medidas específicas incluem:

·  Adicionando  dissipadores de calor ou resfriamento de ar forçado  ao redor do codificador para reduzir a temperatura operacional do anel magnético.

·  Colocação de  estruturas de isolamento térmico  entre os enrolamentos do motor e o encoder para bloquear a transferência de calor.

·  Adotando  designs de jaquetas resfriadas a água  para obter resfriamento contínuo sob condições de alta temperatura.

2. Margem de reserva no projeto de circuito magnético

Durante a fase de projeto do circuito magnético, uma  margem de fluxo apropriada  pode ser reservada para compensar a perda magnética parcial em altas temperaturas, garantindo um desempenho estável durante todo o ciclo de vida do produto.

3. Controle a temperatura do processo de moldagem por injeção

Na fabricação do disco codificador magnético, deve-se atentar para o controle da temperatura de processamento durante a moldagem por injeção, evitando temperaturas excessivas que possam danificar as propriedades magnéticas.

V. Resumo

A desmagnetização de discos codificadores magnéticos de ferrite e borracha moldados por injeção em altas temperaturas é essencialmente um processo físico no qual o movimento térmico perturba a estrutura ordenada do domínio magnético, reduzindo a ordem magnética. Esta questão é particularmente proeminente na operação contínua do robô.

As soluções podem ser abordadas em dois níveis:  no nível do material , selecionando graus de ferrita moldada por injeção resistentes a altas temperaturas ou ímãs de borracha resistentes a altas temperaturas;  no nível do sistema , otimizando a dissipação de calor, implementando um gerenciamento térmico adequado e reservando margens de fluxo no projeto do circuito magnético.

Em aplicações reais de engenharia, é aconselhável avaliar de forma abrangente e escolher a solução mais adequada com base na faixa específica de temperatura, orçamento de custos e requisitos de precisão. Afinal, para um robô que precisa operar de forma estável por longos períodos, a confiabilidade de cada “junta” é fundamental para o sucesso geral.