Демагнетизација сензора магнетног енкодера робота на високој температури – решења за непрекидан рад

И. Проблем: Скривени ризик од отказивања „зглоба“ робота

У индустријским роботима, колаборативним роботима и прецизним серво системима, магнетни енкодери играју кључну улогу као „сензори зглобова“. Они детектују промене у магнетном пољу уређаја. диск енкодера (магнетни прстен) и пружају повратне информације у реалном времену о брзини и положају мотора. Међутим, једно лако занемарено питање је да када роботи раде континуирано у условима високе температуре, диск магнетног енкодера може претрпјети  демагнетизацију при високим температурама , што доводи до помака повратне информације о положају, повећане струје, па чак и губитка корака.

Инжењери су се сусрели са овим у отклањању грешака у стварном свету: када мотор ради изнад 80 °Ц, повратна информација о положају постепено постаје нетачна, а након темељних провера, основни узрок се проналази у високотемпературној демагнетизацији магнетног енкодера. За индустријске роботе који морају да раде непрекидно током дугог периода, овај проблем је посебно критичан – не само да утиче на тачност обраде, већ може да изазове кварове опреме или чак безбедносне инциденте.

Тренутно, два најшире коришћена материјала за магнетне дискове енкодера су  бризгани ферит  и  гумени магнет  (који се назива и флексибилни феритни магнет). Зашто се ова два материјала демагнетишу на високим температурама и како се то може решити? Овај чланак пружа детаљну анализу из перспективе карактеристика материјала, механизама демагнетизације и решења.

ИИ. Два уобичајена материјала и њихове температурне карактеристике

1. Убризгавањем ферита

Ињекционо обликовани ферит се прави мешањем најлона (или других термопластичних смола) са прахом оксида гвожђа да би се формирале пелете, које се затим обрађују бризгањем. Његове предности укључују велику слободу облика, одличну тачност димензија и погодност за масовну производњу. У области дискова магнетних енкодера, бризгани феритни прстенови могу се прецизно магнетизирати са више полова и широко се користе у контроли мотора и спојевима робота.

Међутим, бризгани ферит има значајан недостатак –  високу осетљивост на температуру . Под повишеним температурама, његова магнетна својства се погоршавају и може доћи до демагнетизације. Типично, опсег радне температуре ферита убризганог у калупе је између -40 °Ц и 120 °Ц; изван овог опсега, магнетне перформансе почињу да опадају. Више забрињава то што бризгани ферит има релативно ниску коерцитивност, што га чини подложним не само спољним магнетним пољима, већ и неповратним губицима магнета на високим температурама.

2. Гумени магнет (флексибилни феритни магнет)

Гумени магнети се праве мешањем везаног феритног праха са синтетичким каучуком (као што је нитрилна гума или хлоропренска гума), а затим прерадом каландрирањем, екструзијом или бризгањем. Они су флексибилни, еластични и могу се резати, а такође се широко користе у магнетним енкодерима.

Конвенционални гумени магнети обично имају горњу границу радне температуре од око  80 °Ц . Обични гумени магнети показују слабљење магнета мање од 3% након 72 сата на 80 °Ц; међутим, ако температура даље расте, ризик од демагнетизације се значајно повећава. Треба напоменути да је температурна отпорност гумених магнета углавном одређена гуменом матрицом - коришћењем гуме отпорне на високе температуре као што је силиконска гума, горња граница се може подићи на 150-200 °Ц.

ИИИ. Физички механизам високотемпературне демагнетизације: магнетни домени „губе правац“ у топлотном кретању

Да бисмо разумели демагнетизацију при високим температурама, прво морамо разумети зашто су магнетни материјали магнетни.

Магнетизам материјала потиче од уређеног поравнања сићушних магнетних региона унутар материјала –  магнетних домена . На собној температури, ови домени су углавном поравнати у истом правцу, стварајући макроскопски магнетизам. Када температура порасте, топлотно кретање атома унутар домена се интензивира, нарушавајући првобитно уређену структуру домена и изазивајући одступање магнетних момената. Као резултат, и  реманенција (Бр)  и  коерцитивност (Хц)  магнета се смањују у различитим степенима, манифестујући се као слабљење јачине магнетног поља.

За бризгане феритне и гумене магнете, ситуација је сложенија: оба материјала су  везани магнети  -састављени од магнетног праха (феритног праха) сложеног са полимерним везивом. Висока температура не утиче само на распоред магнетног домена самог праха, већ и мења својства везива (омекшавање, старење, итд.), што заузврат утиче на дисперзију праха и укупне магнетне перформансе.

Важно је разликовати две врсте високотемпературне демагнетизације:

·  Реверзибилна демагнетизација : магнетне перформансе опадају са порастом температуре, али се опорављају када се температура врати у нормалу.

·  Неповратна демагнетизација : када температура пређе одређени праг, структура домена се трајно мења, а оригинална магнетна својства се не могу вратити чак ни након хлађења.

За континуирани рад робота, најкритичнија брига је  неповратна демагнетизација –  када се једном догоди, јачина магнетног сигнала диска енкодера ће бити трајно смањена, директно компромитујући тачност мерења енкодера.

ИВ. Систематска решења

За решавање проблема демагнетизације високотемпературних феритних и гумених магнетних дискова енкодера, решења се могу пратити из две димензије: нивоа материјала и нивоа дизајна система.

Решење 1: Оптимизација и надоградња на нивоу материјала

1. Изаберите разреде ферита отпорног на високе температуре

Радна температура бризганог ферита није фиксна. Оптимизацијом формулације магнетног праха и везивног система, његова температурна отпорност може бити значајно побољшана. На пример, феритни материјали који користе најлон 6 или ППС (полифенилен сулфид) као везиво показали су задовољавајуће резултате испитивања на око 180 °Ц. Истраживања показују да додавање одговарајуће количине ТАФ мазива може побољшати течност пелета и магнетна својства; површинска обрада магнетног праха са агенсима за спајање такође може ефикасно побољшати перформансе бризганих магнета.

2. Изаберите Гумени магнети отпорни на високе температуре

Конвенционални гумени магнети имају горњу температурну границу од 80 °Ц, али усвајањем високотемпературних гумених система (нпр. заменом обичне гуме силиконском гумом), горња граница се може подићи на 150-200 °Ц. Патентиране технологије су показале да уз правилну формулацију и оптимизацију процеса високотемпературних гумених система са феритним прахом, максимална радна температура гумених магнета може да достигне 120-170 °Ц. Системи од мешавине гуме као што је СР/НБР такође показују добру термичку стабилност изнад 120 °Ц.

У практичном избору, препоручује се да се температура материјала усклади са опсегом радне температуре опреме.

Решење 2: Дизајн система и управљање топлотом

1. Оптимизујте дизајн одвођења топлоте

Пошто је демагнетизација на високим температурама на крају узрокована превисоком температуром, ефективно управљање топлотом је најдиректнији приступ. Специфичне мере укључују:

·  Додавање  хладњака или принудног ваздушног хлађења  око енкодера да би се смањила радна температура магнетног прстена.

·  Постављање  термоизолационих конструкција  између намотаја мотора и енкодера да би се блокирао пренос топлоте.

·  Усвајање  дизајна омотача са воденим хлађењем  како би се постигло континуирано хлађење у условима високе температуре.

2. Резервна маргина у дизајну магнетног кола

Током фазе пројектовања магнетног кола, одговарајућа  маргина флукса  може бити резервисана за компензацију делимичних губитака магнета на високим температурама, обезбеђујући стабилне перформансе током животног циклуса производа.

3. Контрола температуре процеса бризгања

У производњи диска магнетног енкодера, треба обратити пажњу на контролу температуре обраде током бризгања, избегавајући превисоке температуре које могу оштетити магнетна својства.

В. Резиме

Демагнетизација бризганих феритних и гумених дискова магнетног енкодера на високим температурама је у суштини физички процес у коме топлотно кретање ремети уређену структуру магнетног домена, смањујући магнетни ред. Ово питање је посебно изражено у континуираном раду робота.

Решењима се може приступити са два нивоа:  на нивоу материјала , одабиром високотемпературно отпорних класа ферита или гумених магнета отпорних на високе температуре;  на нивоу система , оптимизацијом одвођења топлоте, имплементацијом одговарајућег управљања топлотом и резервисањем маргина флукса у дизајну магнетног кола.

У стварним инжењерским апликацијама, препоручљиво је свеобухватно проценити и изабрати најпогодније решење на основу специфичног температурног опсега, буџета трошкова и захтева за прецизношћу. На крају крајева, за робота који треба да ради стабилно током дугих периода, поузданост сваког „зглоба“ је кључна за укупан успех.