Размагничивание датчика магнитного энкодера робота при высокой температуре – решения для непрерывной работы

I. Проблема: скрытый риск отказа «сустава» робота

В промышленных роботах, коллаборативных роботах и ​​прецизионных сервосистемах магнитные энкодеры играют решающую роль в качестве «сенсоров суставов». Они обнаруживают изменения в магнитном поле диск энкодера (магнитное кольцо) и обеспечивает обратную связь в реальном времени о скорости и положении двигателя. Однако одна проблема, которую легко упустить из виду, заключается в том, что, когда роботы постоянно работают в условиях высоких температур, диск магнитного энкодера может подвергнуться  высокотемпературному размагничиванию , что приводит к дрейфу обратной связи по положению, увеличению тока и даже потере скачка.

Инженеры столкнулись с этим при реальной отладке: когда двигатель работает при температуре выше 80 °C, обратная связь по положению постепенно становится неточной, и после тщательных проверок основная причина обнаруживается в высокотемпературном размагничивании магнитного энкодера. Для промышленных роботов, которым необходимо непрерывно работать в течение длительного периода времени, эта проблема особенно важна — она не только влияет на точность обработки, но также может привести к сбоям оборудования или даже нарушениям безопасности.

В настоящее время двумя наиболее широко используемыми материалами для дисков магнитных энкодеров являются  литой феррит  и  резиновый магнит  (также называемый гибким ферритовым магнитом). Почему эти два материала размагничиваются при высоких температурах и как это решить? В этой статье представлен углубленный анализ с точки зрения характеристик материала, механизмов размагничивания и решений.

II. Два распространенных материала и их температурные характеристики

1. Феррит, отлитый под давлением

Феррит, отлитый под давлением, изготавливается путем смешивания нейлона (или других термопластичных смол) с порошком оксида железа с образованием таблеток, которые затем обрабатываются методом литья под давлением. Его преимущества включают высокую свободу форм, превосходную точность размеров и пригодность для массового производства. В области дисков магнитных энкодеров ферритовые кольца, отлитые под давлением, можно прецизионно намагничивать с помощью нескольких полюсов, и они широко используются в системах управления двигателями и соединениях роботов.

Однако у литого феррита есть существенный недостаток –  высокая чувствительность к температуре . При повышенных температурах его магнитные свойства ухудшаются, и может произойти размагничивание. Обычно диапазон рабочих температур феррита, отлитого под давлением, составляет от -40 ° C до 120 ° C; за пределами этого диапазона магнитные характеристики начинают снижаться. Еще большее беспокойство вызывает то, что феррит, отлитый под давлением, имеет относительно низкую коэрцитивную силу, что делает его чувствительным не только к внешним магнитным полям, но и к необратимым магнитным потерям при высоких температурах.

2. Резиновый магнит (гибкий ферритовый магнит)

Резиновые магниты изготавливаются путем смешивания связанного ферритового порошка с синтетическими каучуками (такими как нитриловый каучук или хлоропреновый каучук) и последующей обработки посредством каландрирования, экструзии или литья под давлением. Они гибкие, эластичные и поддающиеся резке, а также широко используются в магнитных энкодерах.

Обычные резиновые магниты обычно имеют верхний предел рабочей температуры около  80 °C . Обычные резиновые магниты демонстрируют затухание магнитного поля менее 3% через 72 часа при температуре 80 °C; однако при дальнейшем повышении температуры риск размагничивания значительно возрастает. Следует отметить, что термостойкость резиновых магнитов в основном определяется резиновой матрицей - за счет использования жаростойких резин, таких как силиконовая резина, верхний предел можно повысить до 150-200 °С.

III. Физический механизм высокотемпературного размагничивания: магнитные домены «теряют направление» при тепловом движении

Чтобы понять, что такое высокотемпературное размагничивание, нужно сначала понять, почему магнитные материалы являются магнитными.

Магнетизм материала возникает в результате упорядоченного расположения крошечных магнитных областей внутри материала –  магнитных доменов . При комнатной температуре эти домены в основном ориентированы в одном направлении, создавая макроскопический магнетизм. При повышении температуры тепловое движение атомов внутри доменов усиливается, нарушая первоначально упорядоченную доменную структуру и вызывая отклонение магнитных моментов. В результате в разной степени уменьшаются как  остаточная намагниченность (Br)  , так и  коэрцитивная сила (Hc)  магнита, что проявляется в ослаблении напряженности магнитного поля.

Для ферритовых и резиновых магнитов, отлитых под давлением, ситуация более сложная: оба материала представляют собой  магниты на связке  , состоящие из магнитного порошка (ферритового порошка), смешанного с полимерным связующим. Высокая температура не только влияет на расположение магнитных доменов самого порошка, но также изменяет свойства связующего (размягчение, старение и т. д.), что, в свою очередь, влияет на дисперсию порошка и общие магнитные характеристики.

Важно различать два типа высокотемпературного размагничивания:

·  Обратимое размагничивание : магнитные характеристики снижаются с повышением температуры, но восстанавливаются, когда температура возвращается к норме.

·  Необратимое размагничивание : когда температура превышает определенный порог, доменная структура постоянно меняется, и исходные магнитные свойства не могут быть восстановлены даже после охлаждения.

Для непрерывной работы робота наиболее критической проблемой является  необратимое размагничивание:  как только оно произойдет, сила магнитного сигнала диска энкодера будет постоянно уменьшаться, что напрямую ставит под угрозу точность измерений энкодера.

IV. Систематические решения

Для решения проблемы высокотемпературного размагничивания отлитых под давлением ферритовых и резиновых магнитных дисков энкодеров можно найти решения с двух сторон: на уровне материала и на уровне конструкции системы.

Решение 1. Оптимизация и модернизация на уровне материалов

1. Выбирайте жаростойкие марки феррита, полученного методом литья под давлением.

Рабочая температура феррита, отлитого под давлением, не фиксирована. За счет оптимизации состава магнитного порошка и системы связующего его термостойкость может быть значительно повышена. Например, ферритовые материалы, в которых в качестве связующего используется нейлон 6 или ППС (полифениленсульфид), показали удовлетворительные результаты испытаний при температуре около 180 °C. Исследования показывают, что добавление соответствующего количества смазки TAF может улучшить сыпучесть и магнитные свойства гранул; Обработка поверхности магнитного порошка связующими агентами также может эффективно улучшить характеристики магнитов, отлитых под давлением.

2. Выбирайте устойчивые к высоким температурам резиновые магниты.

Обычные резиновые магниты имеют верхний предел температуры 80 °C, но за счет применения высокотемпературных резиновых систем (например, замены обычной резины силиконовой резиной) верхний предел можно повысить до 150–200 °C. Запатентованные технологии показали, что при правильной рецептуре и оптимизации процесса изготовления высокотемпературных резиновых систем с ферритовым порошком максимальная рабочая температура резиновых магнитов может достигать 120-170 °С. Смешанные резиновые системы, такие как SR/NBR, также демонстрируют хорошую термическую стабильность при температуре выше 120 °C.

При практическом выборе рекомендуется сопоставлять номинальную температуру материала с диапазоном рабочих температур оборудования.

Решение 2. Проектирование системы и управление температурным режимом

1. Оптимизация конструкции рассеивания тепла

Поскольку высокотемпературное размагничивание в конечном итоге вызвано чрезмерной температурой, наиболее прямым подходом является эффективное управление температурным режимом. Конкретные меры включают:

·  Добавление  радиаторов или принудительного воздушного охлаждения  вокруг энкодера для снижения рабочей температуры магнитного кольца.

·  Размещение  теплоизоляционных конструкций  между обмотками двигателя и датчиком для блокировки теплопередачи.

·  Использование  конструкции рубашки с водяным охлаждением  для обеспечения непрерывного охлаждения в условиях высоких температур.

2. Резервный запас при проектировании магнитных цепей

На этапе проектирования магнитной цепи можно зарезервировать соответствующий  запас по магнитному потоку  для компенсации частичных магнитных потерь при высоких температурах, обеспечивая стабильную работу на протяжении всего жизненного цикла продукта.

3. Контроль температуры процесса литья под давлением

При производстве диска магнитного энкодера следует уделять внимание контролю температуры обработки во время литья под давлением, избегая чрезмерных температур, которые могут повредить магнитные свойства.

V. Резюме

Размагничивание отлитых под давлением ферритовых и резиновых магнитных дисков кодеров при высоких температурах представляет собой, по сути, физический процесс, при котором тепловое движение нарушает упорядоченную магнитную доменную структуру, уменьшая магнитный порядок. Эта проблема особенно заметна при непрерывной работе роботов.

К решению можно подойти на двух уровнях:  на уровне материала , выбирая жаростойкие сорта феррита, полученного литьем под давлением, или устойчивые к высоким температурам резиновые магниты;  на уровне системы за счет оптимизации рассеивания тепла, реализации надлежащего управления температурным режимом и резервирования запасов по магнитному потоку в конструкции магнитной цепи.

В реальных инженерных приложениях целесообразно всесторонне оценить и выбрать наиболее подходящее решение с учетом конкретного диапазона температур, бюджета затрат и требований к точности. В конце концов, для робота, которому необходимо стабильно работать в течение длительного периода времени, надежность каждого «сочленения» имеет решающее значение для общего успеха.