Вибір номінального значення температури для дисків магнітного кодера в умовах високої/низької температури: литий ферит проти. Гумовий магніт — не просто дивіться на слово 'ферит'

Після того, як робот для спільної роботи працює безперервно протягом кількох годин, його зворотний зв’язок із положенням починає повільно дрейфувати. Коли з'єднання розібрано, то диск магнітного кодера виглядає непошкодженим, і його намагніченість не демонструє очевидних відхилень, але при повторному тестуванні при кімнатній температурі кутова похибка не повертається до початкового значення. Проблема часто криється не в мікросхемі кодера, а в тому, що високотемпературна поведінка матеріалу диска була недооцінена.

Під час вибору матеріалу для дисків магнітного кодера два найчастіше порівнювані варіанти – литий ферит і гумовий магніт. Поширене помилкове судження: обидва вони називаються «феритовими магнітами», тому їхній температурний опір має бути однаковим. Насправді все з точністю до протилежного — те, що визначає їх температурний рейтинг, головним чином не феритовий магнітний порошок, а «сполучна речовина», яка утримує магнітний порошок разом . Температура Кюрі самого феритового магнітного порошку може досягати 450–470°C, але максимальна температура, при якій диск кодера може працювати довгостроково, майже повністю залежить від того, наскільки високо можуть витримати матеріали матриці — нейлон, полістирол, нітрильний каучук або гідрогенізований нітрильний каучук.

1. 'Температурна правда' двох матеріалів: магнітний порошок закріплює підлогу, сполучна речовина закріплює стелю

Литий ферит виготовляють шляхом змішування феритового магнітного порошку з термопластичною смолою (нейлон, PPS тощо) і його лиття під тиском. Його температурна стеля визначається смолою, а не феритом:

• Матриця Nylon 12 (PA12): максимальна робоча температура приблизно  120°C;

• Матриця нейлону 6 (PA6): приблизно  150°C;

• Поліфеніленсульфідна матриця (PPS): може досягати приблизно  180°C.

Гумовий магніт — це гнучкий магніт, виготовлений шляхом наповнення нітрильного каучуку (NBR), гідрогенізованого нітрильного каучуку (HNBR) або інших еластомерів феритовим магнітним порошком. Його термостійкість також залежить від складу каучуку, і поширення більше, ніж багато хто може собі уявити:

• Звичайні склади NBR на дисках кодера зазвичай розраховані на верхню межу тривалої робочої температури близько  80°C . Короткочасний вплив при 80°C може підтримувати магнітний розпад на відносно низькому рівні, але подальше нагрівання значно збільшує ризик незворотного розмагнічування;

• Склади NBR для промислових кодерів можуть досягати  140–150°C , а склади HNBR можуть досягати  160–180°C;

• Завдяки високотемпературним матрицям, таким як силіконовий каучук або модифікація спеціального магнітного порошку, короткострокова стеля допуску гумових магнітів може бути ще вищою, але такі склади платять ціну стабільністю розмірів, модулем і вартістю.

• Іншими словами, обидва твердження — 'гумові магніти можуть досягати лише 80°C' і 'гумові магніти також можуть досягати температури понад 150°C' — можуть бути правдивими. Різниця полягає у формулюванні, а не в широкій назві категорії «гумовий магніт». Якщо вказано лише «гумовий магніт» без фіксації сорту гуми та фактичної довгострокової температурної кривої постачальника, ризики в умовах високої температури не можуть бути зупинені вхідною перевіркою.

2. Лінія розмежування серцевини у виборі високої/низької температури: не 'чи можна це використовувати', а 'чи є розмагнічування оборотним'

Вплив температури на диски магнітного кодера можна розділити на дві категорії. Поєднання їх є найпоширенішим джерелом неправильного оцінювання під час валідації при високій температурі.

Оборотне розмагнічування  означає, що з підвищенням температури залишкова намагніченість і коерцитивна сила тимчасово зменшуються відповідно до температурного коефіцієнта, а коли температура відновлюється, магнітні властивості також відновлюються. Коефіцієнт залишкової намагніченості фериту, формованого під тиском, становить від  -0,18%/°C до -0,20%/°C . Це означає, що від 25 °C до 100 °C падіння залишкової намагніченості, викликане виключно температурним коефіцієнтом, становить більше десяти процентних пунктів. Це падіння саме по собі не обов’язково означає, що диск «поганий», але при високій температурі ефективна амплітуда сигналу, яку бачить датчик, стає меншою, і той самий шум, ексцентриситет і зовнішні магнітні перешкоди посилюються більше під час обчислення кута, що проявляється у вигляді кутового тремтіння, дрейфу нульового положення або збоїв швидкості за умов високої температури.

Необоротне розмагнічування  означає, що після того, як температура перевищить певний поріг, структура магнітного домену зазнає постійних змін, а магнітні характеристики все ще не відновляться після повернення до кімнатної температури. Для литого під тиском фериту коерцитивна сила відносно низька, а ризик перетину коліна робочої точки при високій температурі вищий; для гумових магнітів розм’якшення або старіння зв’язуючого при високій температурі змінює стан дисперсії частинок магнітного порошку, що також може закріпити тимчасове зниження до постійної втрати.

Таким чином,  справжнім критерієм для вибору високої/низької температури є не те, «яку номінальну температуру має матеріал», а те, чи залишаються при максимальній робочій температурі кутова похибка та залишкове магнітне поле після повернення до кімнатної температури в межах допустимого діапазону».  Судячи про «розмагнічування» виключно за тим, наскільки падає амплітуда магнітного поля у високотемпературній камері, або за вибором матеріалу лише одним максимальним температурним числом у TDS постачальника недостатньо для покриття фактичних ризиків системи кодера.

3. Вибір за діапазоном робочих температур: ефективна система прийняття рішень

Замість того, щоб запитувати, «що має кращу термостійкість, литий ферит чи гумовий магніт», краще використовувати максимальну робочу температуру як перший розріз, а можливість перевірки як другий розріз.

≤ 80°C навколишнього середовища/низькотемпературний діапазон : обидва придатні для використання. Литий під тиском ферит має переваги в магнітних характеристиках, точності розмірів і послідовності багатополюсної намагніченості; гнучкість гумових магнітів сприяє підвищенню стійкості до ударів і адаптації до нерегулярного монтажу, а вартість відносно прийнятна. На цьому етапі вибір повинен більше зосереджуватися на роздільній здатності, кроку полюсів і вимогах до структурної інтеграції, а не на термостійкості. Слід зазначити, що гумові магніти можуть тверднути при дуже низьких температурах (наприклад, -40°C). Якщо застосування передбачає запуск при низькій температурі або термічний удар, слід підтвердити збереження гнучкості складу при низькій температурі, а не лише етикетку «стійкий до низьких температур».

Діапазон середньо-високих температур 80–120°C : це інтервал, де обидва істотно розходяться. Звичайні склади гумового магніту вже увійшли в зону, що вимагає ретельної оцінки в цьому діапазоні; матриця PA12 з фериту, виготовленого під тиском, має номінальну верхню межу близько 120°C, але при використанні як диск кодера, доцільно не розглядати 'верхню межу матеріалу' безпосередньо як 'проектну робочу точку'. Якщо робочий пік близький до 120°C, ферит на основі PA6, формований під тиском (приблизно) 150°C) забезпечить більший запас, і незворотні втрати повинні бути підтверджені за допомогою залишку після температурного циклу після повернення до кімнатної температури.

120–150°C : ферит на основі ПА6 є природним кандидатом для цього температурного діапазону, тоді як гумові магніти вимагають явного вибору високотемпературного складу NBR або HNBR і запиту даних постачальника про тривале старіння при цільовій температурі, а не покладатися лише на короткочасні миттєві значення допуску. Ця смуга також є місцем, де «рецептура має велике значення»: для того самого «гумового магніту» звичайні склади NBR і високотемпературні склади NBR/HNBR для кодерів можуть поводитися абсолютно по-різному в довгостроковій поведінці поблизу 150°C.

> 150°C : литий ферит на основі PPS (приблизно 180°C) є більш реалістичним варіантом серед двох типів матеріалів. Гумові магніти не є абсолютно непридатними для використання, але вони вимагають високотемпературної гумової матриці або спеціально модифікованого складу, і компроміси між гнучкістю, стабільністю розмірів і вартістю стають більш помітними. Якщо робочі умови перевищують 180°C протягом тривалого часу, обидва типи магнітів з органічними зв’язками починають наближатися до меж матеріальної системи, і обговорення вибору має перейти до інших магнітних систем або системного теплового керування, а не продовжувати тонку настройку між «литим під тиском феритовим або гумовим магнітом».

Низькотемпературний кінець також не можна оцінювати лише за «мінімальною температурою». Температурний коефіцієнт коерцитивної сили фериту відрізняється в напрямку від коефіцієнта залишкової намагніченості, а деякі сорти феритів мають механізм необоротного низькотемпературного розмагнічування при низьких температурах; низькотемпературний ризик гумових магнітів більше зосереджений у затвердінні та окрихченні гумової матриці. За змінних умов високої/низької температури  стабільність кутового нульового положення після зміни температури  краще відображає зручність використання диска в фактичних робочих умовах, ніж магнітні характеристики в одній температурній точці.

4. Крок, який найлегше пропустити під час перевірки

Високотемпературна перевірка магнітних кодерів має «на перший погляд правильну» пастку: амплітуда магнітного поля падає після нагрівання, не повністю відновлюється після охолодження, а потім оцінюється як необоротне розмагнічування. Але залишкова амплітуда може походити від магніту або зняття напруги в зборі, зміни повітряного зазору, викликані структурним тепловим розширенням або дрейфом переднього кінця датчика. І навпаки, тимчасове падіння амплітуди при високій температурі, яке відновлюється після охолодження, не означає, що система обов’язково безпечна під час високотемпературного періоду — після того, як ефективний сигнал стає меншим, кутова похибка вже може перевищити межу під час високотемпературного процесу, і вона просто 'виглядає добре' після охолодження.

Більш надійний підхід такий:  до і після зміни температури використовуйте кутову похибку та дрейф нульового положення як основні критерії, а амплітуду магнітного поля як допоміжну діагностичну величину . Якщо кутова похибка та нульове положення після повернення до кімнатної температури не повертаються до базової лінії, тоді зламається, чи це незворотна втрата магніту, старіння сполучного матеріалу чи зміна стану збірки. Для пов’язаних магнітів, таких як литі під тиском феритові та гумові магніти, зміни стану сполучної речовини після високотемпературного впливу часто проявляються не як «магніт раптово зникає», а як повільне погіршення сигналу кута, який легко пропустити під час звичайних перевірок «намагніченість у нормі, зовнішній вигляд у нормі».

Висновок

За умов високої/низької температури вибір дисків магнітного кодера — це, по суті, не двійковий вибір між 'формованим феритом або гумовим магнітом', а двома послідовними питаннями:  максимальна робоча температура та циклічний режим визначають зв'язувальну систему матеріалів-кандидатів; дані валідації, особливо залишковий кут після повернення до кімнатної температури, визначають, чи справді матеріал-кандидат може ввійти в проект . Температурна стеля фериту, формованого під тиском, вказується в класі смоли, температурна стеля для гумового магніту вказується в складі гуми, а надійність кодера вказується в кутовій похибці після зміни температури. Тільки якщо ці три шари будуть розділені, вибір не зупиниться на надто грубому враженні, що «ферит стійкий до високих температур».

Контрольний список швидкого вибору

• Спочатку зафіксуйте  максимальну робочу температуру  та  кількість циклів ; не використовуйте середню температуру замість максимальної температури.

• Для фериту, виготовленого під тиском, чітко запитайте про  матрицю смоли : PA12 ≈ 120°C, PA6 ≈ 150°C, PPS ≈ 180°C; використовуйте виміряну довгострокову температурну криву постачальника як авторитет.

• Для гумового магніту чітко запитайте про  сорт гуми : довгострокові верхні межі звичайних складів NBR і високотемпературних складів NBR/HNBR можуть відрізнятися на десятки градусів Цельсія; не просто пишіть 'гумовий магніт'

• Вимагайте від постачальника надати  кутову похибку після старіння/залишок магнітного поля після повернення до кімнатної температури при цільовій температурі , а не лише миттєвий магнітний потік при високій температурі.

• Для умов низьких температур також підтвердьте  ризик крихкості гумової матриці при низьких температурах  і  тенденцію до необоротного розмагнічування фериту при низьких температурах.