Розмагнічування датчика магнітного кодера робота при високій температурі – рішення для безперервної роботи

I. Проблема: прихований ризик поломки 'суглоба' робота

У промислових роботах, колаборативних роботах і прецизійних сервосистемах магнітні кодери відіграють вирішальну роль як «спільні датчики». Вони виявляють зміни в магнітному полі диск кодера (магнітне кільце) і забезпечує зворотний зв'язок у реальному часі щодо швидкості та положення двигуна. Однак одна проблема, яку легко не помітити, полягає в тому, що коли роботи працюють безперервно в умовах високої температури, диск магнітного кодера може зазнати  високотемпературного розмагнічування , що призводить до дрейфу зворотного зв’язку позиції, збільшення струму та навіть втрати кроку.

Інженери зіткнулися з цим під час налагодження в реальному світі: коли двигун працює вище 80 °C, зворотний зв’язок позиції поступово стає неточним, і після ретельних перевірок першопричину виявляють у високотемпературному розмагнічуванні магнітного датчика. Для промислових роботів, які повинні працювати безперервно протягом тривалого часу, ця проблема є особливо критичною: вона не тільки впливає на точність обробки, але також може спровокувати збої обладнання або навіть інциденти з безпекою.

На даний момент двома найпоширенішими матеріалами для дисків магнітного кодера є  литий ферит  і  гумовий магніт  (також званий гнучким феритовим магнітом). Чому ці два матеріали розмагнічуються при високих температурах і як це вирішити? Ця стаття містить поглиблений аналіз з точки зору характеристик матеріалу, механізмів розмагнічування та рішень.

II. Два загальні матеріали та їх температурні характеристики

1. Литий ферит

Литий під тиском ферит виготовляється шляхом змішування нейлону (або інших термопластичних смол) із порошком оксиду заліза для формування гранул, які потім обробляються методом лиття під тиском. Його переваги включають велику свободу форми, відмінну точність розмірів і придатність для масового виробництва. У сфері магнітних кодуючих дисків феритові кільця, виготовлені під тиском, можуть бути намагнічені кількома полюсами та широко використовуються в системах керування двигунами та роботами.

Однак литий ферит має істотний недолік –  високу чутливість до температури . При підвищених температурах його магнітні властивості погіршуються, і може статися розмагнічування. Зазвичай діапазон робочих температур литого фериту становить від -40 °C до 120 °C; за межами цього діапазону магнітна продуктивність починає знижуватися. Більше занепокоєння викликає те, що формований під тиском ферит має відносно низьку коерцитивну силу, що робить його чутливим не тільки до зовнішніх магнітних полів, але й до незворотних магнітних втрат при високих температурах.

2. Гумовий магніт (гнучкий феритовий магніт)

Гумові магніти виготовляються шляхом змішування зв’язаного феритового порошку з синтетичними каучуками (такими як нітрильний каучук або хлоропреновий каучук), а потім обробки за допомогою каландрування, екструзії або лиття під тиском. Вони гнучкі, еластичні та ріжучі, а також широко використовуються в магнітних кодувальниках.

Звичайні гумові магніти зазвичай мають верхню межу робочої температури приблизно  80 °C . Звичайні гумові магніти демонструють магнітне ослаблення менше 3% через 72 години при 80 °C; однак, якщо температура підвищується далі, ризик розмагнічування значно зростає. Слід зазначити, що термостійкість гумових магнітів в основному визначається гумовою матрицею - за допомогою стійких до високих температур гум, таких як силіконова гума, верхня межа може бути підвищена до 150-200 °C.

III. Фізичний механізм високотемпературного розмагнічування: магнітні домени «втрачають напрямок» у тепловому русі

Щоб зрозуміти розмагнічування при високій температурі, потрібно спочатку зрозуміти, чому магнітні матеріали є магнітними.

Магнетизм матеріалу виникає через упорядковане розташування крихітних магнітних областей усередині матеріалу –  магнітних доменів . При кімнатній температурі ці домени в основному вирівнюються в одному напрямку, створюючи макроскопічний магнетизм. Коли температура підвищується, тепловий рух атомів у межах доменів посилюється, порушуючи початково впорядковану доменну структуру та викликаючи відхилення магнітних моментів. У результаті як  залишкова намагніченість (Br)  , так і  коерцитивна сила (Hc)  магніту зменшуються різним ступенем, що проявляється як ослаблення напруженості магнітного поля.

З феритовими та гумовими магнітами, виготовленими під тиском, ситуація складніша: обидва матеріали є  зв’язаними магнітами,  які складаються з магнітного порошку (феритового порошку), змішаного з полімерним сполучним. Висока температура не тільки впливає на розташування магнітних доменів самого порошку, але також змінює властивості сполучного (розм’якшення, старіння тощо), що, у свою чергу, впливає на дисперсію порошку та загальні магнітні характеристики.

Важливо розрізняти два типи високотемпературного розмагнічування:

·  Оборотне розмагнічування : магнітні характеристики знижуються з підвищенням температури, але відновлюються, коли температура повертається до нормального значення.

·  Необоротне розмагнічування : коли температура перевищує певний поріг, структура домену постійно змінюється, і початкові магнітні властивості не можуть бути відновлені навіть після охолодження.

Для безперервної роботи робота найбільш критичною проблемою є  необоротне розмагнічування  : як тільки воно станеться, потужність магнітного сигналу диска кодера буде остаточно знижена, що безпосередньо ставить під загрозу точність вимірювання кодера.

IV. Системні рішення

Для вирішення проблеми високотемпературного розмагнічування формованих під тиском феритових і гумових магнітних дисків кодера можна шукати рішення з двох вимірів: на рівні матеріалу та на рівні конструкції системи.

Рішення 1: Оптимізація та оновлення на рівні матеріалів

1. Виберіть високотемпературні сорти литого фериту

Робоча температура литого фериту не є фіксованою. Завдяки оптимізації складу магнітного порошку та сполучної системи можна значно підвищити його термостійкість. Наприклад, феритові матеріали, що використовують нейлон 6 або PPS (поліфеніленсульфід) як сполучну речовину, показали задовільні результати випробувань приблизно за 180 °C. Дослідження показують, що додавання відповідної кількості мастила TAF може покращити текучість гранул і магнітні властивості; Обробка поверхні магнітного порошку сполучними агентами також може ефективно підвищити продуктивність магнітів, виготовлених під тиском.

2. Виберіть гумові магніти, стійкі до високих температур

Звичайні гумові магніти мають верхню межу температури 80 °C, але використовуючи високотемпературні гумові системи (наприклад, замінивши звичайну гуму силіконовою гумою), верхню межу можна підняти до 150-200 °C. Запатентовані технології показали, що при правильному складанні та оптимізації процесу високотемпературних гумових систем з феритовим порошком максимальна робоча температура гумових магнітів може досягати 120-170 °C. Змішані каучукові системи, такі як SR/NBR, також демонструють хорошу термічну стабільність вище 120 °C.

При практичному виборі рекомендується узгодити температурний діапазон матеріалу з діапазоном робочих температур обладнання.

Рішення 2: Дизайн системи та управління температурою

1. Оптимізуйте дизайн розсіювання тепла

Оскільки високотемпературне розмагнічування зрештою спричинене надмірною температурою, ефективне керування температурою є найбільш прямим підходом. Конкретні заходи включають:

·  Додавання  радіаторів або примусового повітряного охолодження  навколо кодера для зниження робочої температури магнітного кільця.

·  Розміщення  теплоізоляційних конструкцій  між обмотками двигуна та датчиком для блокування теплопередачі.

·  Застосування  конструкцій кожуха з водяним охолодженням  для досягнення безперервного охолодження в умовах високої температури.

2. Резерв запасу в конструкції магнітних схем

На етапі проектування магнітного кола можна зарезервувати відповідний  запас потоку  для компенсації часткових магнітних втрат при високих температурах, забезпечуючи стабільну роботу протягом усього життєвого циклу виробу.

3. Контроль температури процесу лиття під тиском

Під час виготовлення диска магнітного кодера слід приділяти увагу контролю температури обробки під час лиття під тиском, уникаючи надмірних температур, які можуть пошкодити магнітні властивості.

V. Підсумок

Розмагнічування формованих під тиском феритових і гумових магнітних дисків кодера за високих температур — це, по суті, фізичний процес, у якому тепловий рух порушує впорядковану структуру магнітного домену, знижуючи магнітний порядок. Ця проблема особливо актуальна при безперервній роботі робота.

До рішень можна підходити з двох рівнів:  на рівні матеріалу , вибираючи високотемпературні сорти литого фериту або стійкі до високих температур гумові магніти;  на системному рівні шляхом оптимізації розсіювання тепла, впровадження належного теплового керування та резервування запасів потоку в конструкції магнітного кола.

У реальних інженерних застосуваннях доцільно всебічно оцінити та вибрати найбільш прийнятне рішення на основі конкретного температурного діапазону, бюджету витрат і вимог до точності. Зрештою, для робота, який має працювати стабільно протягом тривалого часу, надійність кожного «шарніра» має вирішальне значення для загального успіху.