Выбор температурного класса для дисков магнитного энкодера в условиях высоких/низких температур: феррит, отлитый под давлением, или феррит, полученный литьем под давлением. Резиновый магнит — не смотрите только на слово «феррит»

После того как коллаборативный робот работает непрерывно в течение нескольких часов, его обратная связь по положению начинает медленно смещаться. При разборке соединения Диск магнитного энкодера выглядит целым, и в его намагниченности нет явных отклонений от нормы, но при повторном испытании при комнатной температуре угловая погрешность не возвращается к исходному значению. Проблема зачастую кроется не в чипе энкодера, а в том, что недооценено поведение материала диска при высоких температурах.

При выборе материала для дисков магнитных энкодеров наиболее часто сравниваемыми вариантами являются литой феррит и резиновый магнит. Распространенным заблуждением является то, что оба они называются «ферритовыми магнитами», поэтому их температурное сопротивление должно быть одинаковым. Реальность прямо противоположна: их температурный диапазон определяется в основном не ферритовым магнитным порошком, а «связующим», которое удерживает магнитный порошок вместе . Температура Кюри ферритового магнитного порошка сама по себе может достигать 450–470 ° C, но максимальная температура, при которой диск энкодера может работать в течение длительного времени, почти полностью зависит от того, насколько высокие температуры выдерживают материалы матрицы - нейлон, PPS, нитриловый каучук или гидрогенизированный нитриловый каучук.

1. «Температурная истина» двух материалов: магнитный порошок — пол, связующее — потолок.

Феррит, изготовленный методом литья под давлением, изготавливается путем смешивания магнитного порошка феррита с термопластической смолой (нейлоном, полипропиленом и т. д.) и его литьем под давлением. Его температурный потолок определяется смолой, а не ферритом:

• Матрица из нейлона 12 (PA12): максимальная рабочая температура около  120°C.;

• Матрица из нейлона 6 (PA6): примерно  150°C.;

• Матрица из полифениленсульфида (ПФС): температура может достигать примерно  180°C..

Резиновый магнит — это гибкий магнит, изготовленный путем наполнения нитрильного каучука (NBR), гидрогенизированного нитрильного каучука (HNBR) или других эластомеров ферритовым магнитным порошком. В его термостойкости также преобладает резиновая смесь, и ее диапазон больше, чем многие себе представляют:

• Обычные составы NBR для дисков энкодеров обычно рассчитаны на верхний предел длительной рабочей температуры около  80°C . Кратковременное воздействие при 80°С позволяет удерживать магнитный распад на относительно низком уровне, однако дальнейшее нагревание значительно увеличивает риск необратимого размагничивания;

• Составы NBR для промышленных энкодеров могут достигать температуры  140–150°C , а составы HNBR могут достигать  160–180°C.;

• Благодаря высокотемпературным матрицам, таким как силиконовая резина или модификация специального магнитного порошка, предел краткосрочной устойчивости резиновых магнитов может быть еще выше, но за такие составы приходится платить стабильностью размеров, модулем упругости и стоимостью.

• Другими словами, оба утверждения — «резиновые магниты могут достигать температуры только 80°C» и «резиновые магниты могут достигать температуры выше 150°C» — могут быть правдой. Разница заключается в формулировке, а не в широком названии категории «резиновый магнит». Если в выборе указано только «резиновый магнит» без привязки к марке резины и фактической долгосрочной температурной кривой поставщика, риски в условиях высоких температур не могут быть устранены входным контролем.

2. Разделительная линия сердечника при выборе высокой/низкой температуры: не «можно ли его использовать», а «обратимо ли размагничивание»

Воздействие температуры на диски магнитных энкодеров делится на две категории. Их объединение является наиболее распространенным источником ошибочных оценок при высокотемпературной валидации.

Обратимое размагничивание  означает, что при повышении температуры остаточная намагниченность и коэрцитивная сила временно уменьшаются в зависимости от температурного коэффициента, а когда температура восстанавливается, магнитные характеристики в основном также восстанавливаются. Температурный коэффициент остаточной намагниченности феррита, полученного литьем под давлением, составляет порядка от  -0,18%/°C до -0,20%/°C . Это означает, что в диапазоне от 25°C до 100°C падение остаточной намагниченности, вызванное исключительно температурным коэффициентом, составляет более десяти процентных пунктов. Это падение само по себе не обязательно означает, что диск «плохой», но при высокой температуре эффективная амплитуда сигнала, воспринимаемая датчиком, становится меньше, и тот же шум, эксцентриситет и внешние магнитные помехи усиливаются сильнее при расчете угла, что проявляется в виде углового дрожания, дрейфа нулевого положения или скачков скорости в условиях высоких температур.

Необратимое размагничивание  означает, что после того, как температура превышает определенный порог, магнитная доменная структура претерпевает необратимые изменения, и магнитные характеристики все еще не восстанавливаются после возвращения к комнатной температуре. Для феррита, отлитого под давлением, коэрцитивная сила относительно низкая, и риск пересечения колена рабочей точки при высокой температуре выше; для резиновых магнитов размягчение или старение связующего при высокой температуре изменяет состояние дисперсии частиц магнитного порошка, что также может привести к затвердеванию временного ухудшения состояния до постоянной потери.

Поэтому  истинным критерием выбора высокой/низкой температуры является не «какой номинальный температурный класс имеет материал», а «остается ли при максимальной рабочей температуре угловая погрешность и остаточное магнитное поле после возврата к комнатной температуре в пределах допустимого диапазона».  Судить о «размагничивании» исключительно по тому, насколько падает амплитуда магнитного поля в высокотемпературной камере, или выбирать материал исключительно по одному значению максимальной температуры в TDS поставщика, недостаточно для покрытия реальных рисков энкодера. система.

3. Выбор по диапазону рабочих температур: основа принятия действенных решений

Вместо того, чтобы спрашивать: «Что имеет лучшую термостойкость: литой феррит или резиновый магнит?», лучше использовать максимальную рабочую температуру в качестве первого разреза, а возможность проверки — в качестве второго разреза.

Диапазон температур окружающей среды и низких температур ≤ 80°C : оба варианта пригодны для использования. Феррит, отлитый под давлением, имеет преимущества в магнитных характеристиках, точности размеров и постоянстве многополюсного намагничивания; Гибкость резиновых магнитов помогает обеспечить ударопрочность и адаптацию к нестандартной установке, а стоимость относительно невысокая. На этом этапе выбор должен больше фокусироваться на разрешении, шаге полюсов и требованиях к структурной интеграции, а не на термостойкости. Следует отметить, что резиновые магниты могут затвердевать при очень низких температурах (например, -40°С). Если применение предполагает запуск при низкой температуре или термический удар, необходимо подтвердить сохранение гибкости состава при низкой температуре, а не только маркировку «устойчивость к низким температурам».

Диапазон средних и высоких температур 80–120 ° C : это интервал, в котором эти два материала существенно расходятся. Обычные составы резиновых магнитов уже вошли в зону, требующую тщательной оценки в этом диапазоне; Матрица PA12 из отлитого под давлением феррита имеет номинальный верхний предел около 120°C, но при использовании в качестве диска энкодера желательно не рассматривать «верхний предел материала» непосредственно как «расчетную рабочую точку». остаток после температурного цикла после возвращения к комнатной температуре.

120–150°C : феррит на основе PA6, отлитый под давлением, является естественным кандидатом для этого температурного диапазона, в то время как резиновые магниты требуют явного выбора состава высокотемпературного NBR или HNBR и запроса у поставщика данных о долгосрочном старении при целевой температуре, а не полагаться только на краткосрочные мгновенные значения допуска. В этой полосе также наиболее очевидно «формула имеет решающее значение»: для одного и того же «резинового магнита» обычные составы NBR и высокотемпературные составы NBR/HNBR для энкодеров могут вести себя совершенно по-разному при длительном поведении около 150°C.

> 150°C : литой феррит на основе PPS (около 180°C) является более реалистичным вариантом среди двух типов материалов. Резиновые магниты не являются абсолютно непригодными для использования, но для них требуется высокотемпературная резиновая матрица или специально модифицированный состав, и компромисс между гибкостью, стабильностью размеров и стоимостью становится более заметным. Если условия эксплуатации в течение длительного времени превышают 180°C, оба типа магнитов с органическими связками начинают приближаться к границам материальной системы, и обсуждение выбора должно перейти к другим магнитным системам или терморегулированию на уровне системы, а не к продолжению точной настройки между «ферритовым литьем под давлением или резиновым магнитом».

О низкотемпературном конце также нельзя судить только по «минимальной температуре». Температурный коэффициент коэрцитивной силы феррита отличается по направлению от температурного коэффициента остаточной намагниченности, а некоторые марки ферритов обладают механизмом необратимого низкотемпературного размагничивания при низких температурах; низкотемпературный риск резиновых магнитов в большей степени связан с затвердеванием и охрупчиванием резиновой матрицы. В чередующихся условиях высоких и низких температур  стабильность углового нулевого положения после циклического изменения температуры  отражает удобство использования диска в реальных условиях эксплуатации лучше, чем магнитные характеристики в одной температурной точке.

4. Шаг, который легче всего пропустить при проверке

Высокотемпературная проверка магнитных энкодеров имеет «казалось бы правильную» ловушку: амплитуда магнитного поля падает после нагрева, не восстанавливается полностью после охлаждения и тогда расценивается как необратимое размагничивание. Но остаточная амплитуда может быть вызвана магнитом или снятием напряжения в сборке, изменениями воздушного зазора, вызванными тепловым расширением конструкции или дрейфом передней части датчика. И наоборот, временное падение амплитуды при высокой температуре, которое восстанавливается после охлаждения, не означает, что система обязательно безопасна в период высоких температур — после того, как эффективный сигнал становится меньше, угловая ошибка, возможно, уже превысила предел во время высокотемпературного процесса, и после охлаждения она просто «выглядит хорошо».

Более надежный подход:  до и после циклического изменения температуры использовать угловую ошибку и дрейф нулевого положения в качестве основных критериев, а амплитуду магнитного поля в качестве вспомогательной диагностической величины . Если угловая ошибка и нулевое положение после возвращения к комнатной температуре не возвращаются к исходному состоянию, то возникает поломка, будь то необратимая потеря магнита, старение связующего или изменение состояния сборки. Для связанных магнитов, таких как отлитый под давлением феррит и резиновый магнит, изменения состояния связующего после воздействия высокой температуры часто проявляются не как «внезапное исчезновение магнита», а как медленное ухудшение углового сигнала, которое легко пропустить при рутинных проверках «намагниченность в порядке, внешний вид в порядке».

Заключение

В условиях высоких/низких температур выбор дисков магнитного энкодера, по сути, представляет собой не бинарный выбор между «ферритом, полученным литьем под давлением, и резиновым магнитом», а два последовательных вопроса:  максимальная рабочая температура и режим работы на велосипеде определяют связующую систему возможных материалов; данные проверки — особенно угловой остаток после возвращения к комнатной температуре — определяют, может ли материал-кандидат действительно войти в конструкцию . Потолок температуры феррита, отлитого под давлением, указан в марке смолы, потолок температуры резинового магнита указан в составе резины, а надежность энкодера указана в угловой погрешности после циклического изменения температуры. Только если эти три слоя будут разделены, выбор не остановится на слишком грубом представлении о том, что «феррит устойчив к высоким температурам».

Контрольный список быстрого выбора

• Сначала зафиксируйте  максимальную рабочую температуру  и  количество циклов ; не используйте среднюю температуру вместо пиковой температуры.

• Для феррита, отлитого под давлением, четко спросите о  смоляной матрице : PA12 ≈ 120°C, PA6 ≈ 150°C, PPS ≈ 180°C; в качестве авторитетного источника используйте измеренную долгосрочную температурную кривую поставщика.

• В случае резинового магнита четко спросите о  марке резины : долгосрочные верхние пределы обычных составов NBR и высокотемпературных составов NBR/HNBR могут отличаться на десятки градусов Цельсия; не пишите просто «резиновый магнит».

• Требовать от поставщика предоставления  угловой ошибки после старения/остаточного магнитного поля после возврата к комнатной температуре при заданной температуре , а не только мгновенный магнитный поток при высокой температуре.

• Для условий низких температур также подтвердите  риск низкотемпературного охрупчивания резиновой матрицы  и  тенденцию к низкотемпературному необратимому размагничиванию феррита..