Lựa chọn xếp hạng nhiệt độ cho đĩa mã hóa từ tính trong điều kiện nhiệt độ cao/thấp: Ferrite đúc phun Vs. Nam châm cao su—Đừng chỉ nhìn vào từ 'Ferrite'

Sau khi robot cộng tác chạy liên tục trong vài giờ, phản hồi vị trí của nó bắt đầu trôi chậm. Khi khớp được tháo rời, Đĩa mã hóa từ tính trông còn nguyên vẹn và độ từ hóa của nó không có dấu hiệu bất thường rõ ràng, nhưng khi kiểm tra lại ở nhiệt độ phòng, sai số góc không trở về giá trị ban đầu. Vấn đề thường không nằm ở chip mã hóa mà ở thực tế là hoạt động ở nhiệt độ cao của vật liệu đĩa đã bị đánh giá thấp.

Trong việc lựa chọn vật liệu cho đĩa mã hóa từ tính, ferrite đúc phun và nam châm cao su là hai lựa chọn được so sánh phổ biến nhất. Một đánh giá sai lầm phổ biến là: cả hai đều được gọi là 'nam châm ferrite', do đó khả năng chịu nhiệt độ của chúng phải tương tự nhau. Thực tế hoàn toàn ngược lại— yếu tố quyết định mức nhiệt độ của chúng chủ yếu không phải là bột từ tính ferit mà là 'chất kết dính' giữ bột từ tính lại với nhau . Bản thân nhiệt độ Curie của bột từ ferit có thể lên tới 450–470°C, nhưng nhiệt độ tối đa mà đĩa mã hóa có thể hoạt động lâu dài hầu như phụ thuộc hoàn toàn vào mức độ chịu đựng của vật liệu ma trận—nylon, PPS, cao su nitrile hoặc cao su nitrile hydro hóa.

1. 'Sự thật về nhiệt độ' của hai vật liệu: Bột từ tính đặt sàn, chất kết dính đặt trần nhà

Ferrite đúc phun được tạo ra bằng cách trộn bột từ tính ferrite với nhựa nhiệt dẻo (nylon, PPS, v.v.) và ép phun. Trần nhiệt độ của nó được xác định bởi nhựa chứ không phải ferit:

• Ma trận nylon 12 (PA12): nhiệt độ làm việc tối đa khoảng  120°C;

• Ma trận nylon 6 (PA6): khoảng  150°C;

• Nền polyphenylene sulfide (PPS): có thể đạt tới khoảng  180°C.

Nam châm cao su là một nam châm linh hoạt được chế tạo bằng cách làm đầy cao su nitrile (NBR), cao su nitrile hydro hóa (HNBR) hoặc các chất đàn hồi khác bằng bột từ tính ferrite. Khả năng chịu nhiệt độ của nó cũng bị chi phối bởi công thức cao su và mức độ lan rộng lớn hơn nhiều người tưởng tượng:

• Các công thức NBR thông thường trên đĩa mã hóa thường được đánh giá ở giới hạn trên của nhiệt độ làm việc lâu dài khoảng  80°C . Sự tiếp xúc ngắn hạn ở nhiệt độ 80°C có thể giữ cho sự phân rã từ tính ở mức tương đối thấp, nhưng việc đun nóng thêm sẽ làm tăng đáng kể nguy cơ khử từ không thể đảo ngược;

• Công thức NBR cho bộ mã hóa công nghiệp có thể đạt tới  140–150°C và công thức HNBR có thể đạt tới  160–180°C;

• Thông qua các ma trận nhiệt độ cao như cao su silicon hoặc biến đổi bột từ tính đặc biệt, trần dung sai ngắn hạn của nam châm cao su thậm chí có thể cao hơn, nhưng các công thức như vậy phải trả giá bằng độ ổn định kích thước, mô đun và chi phí.

• Nói cách khác, cả hai tuyên bố—'nam châm cao su chỉ có thể đạt tới 80°C' và 'nam châm cao su cũng có thể đạt tới trên 150°C'—đều đúng. Sự khác biệt nằm ở công thức chứ không phải ở tên danh mục rộng 'nam châm cao su'. Nếu lựa chọn chỉ nói 'nam châm cao su' mà không khóa loại cao su và đường cong nhiệt độ dài hạn thực tế của nhà cung cấp, thì rủi ro trong điều kiện nhiệt độ cao không thể được ngăn chặn bằng quá trình kiểm tra sắp tới.

2. Đường phân chia lõi trong lựa chọn nhiệt độ cao/thấp: Không phải 'Có thể sử dụng được hay không' mà là 'Liệu quá trình khử từ có thể đảo ngược được không'

Ảnh hưởng của nhiệt độ lên đĩa mã hóa từ tính được chia thành hai loại. Việc kết hợp chúng là nguồn đánh giá sai phổ biến nhất trong việc xác nhận ở nhiệt độ cao.

Khử từ có thể đảo ngược  có nghĩa là khi nhiệt độ tăng, dư lượng và độ kháng từ tạm thời giảm theo hệ số nhiệt độ và khi nhiệt độ phục hồi, hiệu suất từ ​​tính về cơ bản cũng phục hồi. Hệ số nhiệt độ dư của ferit đúc phun nằm trong khoảng từ  -0,18%/°C đến -0,20%/°C . Điều này có nghĩa là từ 25°C đến 100°C, mức giảm dư lượng do hệ số nhiệt độ gây ra là hơn 10 điểm phần trăm. Bản thân sự sụt giảm này không nhất thiết có nghĩa là đĩa bị 'xấu', nhưng ở nhiệt độ cao, biên độ tín hiệu hiệu dụng mà cảm biến nhìn thấy trở nên nhỏ hơn và cùng một nhiễu, độ lệch tâm và nhiễu từ bên ngoài được khuếch đại nhiều hơn trong phép tính góc, biểu hiện dưới dạng biến dạng góc, lệch vị trí 0 hoặc trục trặc tốc độ trong điều kiện nhiệt độ cao.

Khử từ không thể đảo ngược  có nghĩa là sau khi nhiệt độ vượt quá một ngưỡng nhất định, cấu trúc miền từ sẽ trải qua sự thay đổi vĩnh viễn và hiệu suất từ ​​tính vẫn không phục hồi sau khi trở về nhiệt độ phòng. Đối với ferit đúc phun, độ kháng từ tương đối thấp và nguy cơ vượt qua điểm vận hành ở nhiệt độ cao cao hơn; đối với nam châm cao su, việc làm mềm hoặc lão hóa chất kết dính ở nhiệt độ cao sẽ làm thay đổi trạng thái phân tán của các hạt bột từ tính, điều này cũng có thể khiến sự suy giảm tạm thời trở thành mất vĩnh viễn.

Do đó,  tiêu chí thực sự để lựa chọn nhiệt độ cao/thấp không phải là 'xếp hạng nhiệt độ danh nghĩa của vật liệu', mà là 'liệu ở nhiệt độ làm việc tối đa, sai số góc và dư từ trường sau khi trở về nhiệt độ phòng có còn nằm trong phạm vi cho phép hay không'.  Việc đánh giá 'sự khử từ' chỉ bằng mức độ biên độ từ trường giảm trong buồng nhiệt độ cao hay việc chọn vật liệu chỉ theo một số nhiệt độ tối đa trên TDS của nhà cung cấp là không đủ để bù đắp những rủi ro thực tế của hệ thống mã hóa.

3. Lựa chọn theo dải nhiệt độ hoạt động: Khung quyết định khả thi

Thay vì hỏi 'cái nào có khả năng chịu nhiệt độ tốt hơn, nam châm ferrite hoặc cao su đúc phun', tốt hơn là nên sử dụng nhiệt độ vận hành tối đa làm lần cắt đầu tiên và khả năng xác nhận cho lần cắt thứ hai.

Phạm vi nhiệt độ môi trường xung quanh/thấp 80°C : Cả hai đều có thể sử dụng được. Ferrite đúc phun có ưu điểm về hiệu suất từ ​​tính, độ chính xác về kích thước và tính nhất quán từ hóa đa cực; tính linh hoạt của nam châm cao su giúp chống va đập và thích ứng với việc lắp đặt không đều và chi phí tương đối hợp lý. Tại thời điểm này, việc lựa chọn nên tập trung nhiều hơn vào độ phân giải, bước cực và các yêu cầu tích hợp cấu trúc, thay vì khả năng chịu nhiệt độ. Cần lưu ý rằng nam châm cao su có thể cứng lại ở nhiệt độ rất thấp (ví dụ -40°C). Nếu ứng dụng liên quan đến việc khởi động ở nhiệt độ thấp hoặc sốc nhiệt thì phải xác nhận khả năng duy trì tính linh hoạt của công thức ở nhiệt độ thấp chứ không chỉ nhãn 'chịu được nhiệt độ thấp'.

Phạm vi nhiệt độ trung bình-cao 80–120°C : Đây là khoảng mà hai nhiệt độ này khác nhau về mặt vật chất. Các công thức nam châm cao su thông thường đã bước vào giai đoạn cần được đánh giá cẩn thận trong phạm vi này; ma trận PA12 của ferrite đúc phun có giới hạn trên danh nghĩa là khoảng 120°C, nhưng khi được sử dụng làm đĩa mã hóa, không nên coi 'giới hạn trên của vật liệu' trực tiếp là 'điểm vận hành thiết kế.' Nếu đỉnh hoạt động gần tới 120°C, ferit đúc phun dựa trên PA6 (khoảng 150°C) sẽ mang lại biên độ lớn hơn và tổn thất không thể khắc phục phải được xác nhận thông qua phần dư sau chu kỳ nhiệt độ sau khi trở về nhiệt độ phòng.

120–150°C : Ferrite đúc phun dựa trên PA6 là ứng cử viên tự nhiên cho dải nhiệt độ này, trong khi nam châm cao su yêu cầu lựa chọn rõ ràng công thức NBR hoặc HNBR ở nhiệt độ cao và yêu cầu dữ liệu lão hóa dài hạn của nhà cung cấp ở nhiệt độ mục tiêu, thay vì chỉ dựa vào các giá trị dung sai tức thời ngắn hạn. Dải này cũng là nơi 'công thức tạo nên sự khác biệt' thể hiện rõ nhất: đối với cùng một 'nam châm cao su', công thức NBR thông thường và công thức NBR/HNBR nhiệt độ cao dành cho bộ mã hóa có thể hoạt động hoàn toàn khác nhau trong hoạt động lâu dài gần 150°C.

> 150°C : Ferrite đúc phun dựa trên PPS (khoảng 180°C) là lựa chọn thực tế hơn trong số hai loại vật liệu. Nam châm cao su không phải là hoàn toàn không sử dụng được, nhưng chúng đòi hỏi ma trận cao su nhiệt độ cao hoặc công thức được sửa đổi đặc biệt và sự cân bằng giữa tính linh hoạt, độ ổn định kích thước và chi phí trở nên nổi bật hơn. Nếu điều kiện hoạt động lâu dài vượt quá 180°C, cả hai loại nam châm kết dính hữu cơ bắt đầu tiến gần đến ranh giới của hệ thống vật liệu và cuộc thảo luận lựa chọn sẽ chuyển sang các hệ thống nam châm khác hoặc quản lý nhiệt ở cấp độ hệ thống, thay vì tiếp tục tinh chỉnh giữa 'ferit đúc phun hoặc nam châm cao su.'

Tương tự như vậy, đầu nhiệt độ thấp không thể được đánh giá chỉ bằng 'nhiệt độ tối thiểu'. Hệ số nhiệt độ cưỡng bức của ferit khác với hệ số nhiệt độ dư và một số loại ferit có cơ chế khử từ ở nhiệt độ thấp không thể đảo ngược ở nhiệt độ thấp; Rủi ro ở nhiệt độ thấp của nam châm cao su tập trung nhiều hơn vào việc làm cứng và làm giòn ma trận cao su. Trong các điều kiện nhiệt độ cao/thấp luân phiên,  độ ổn định ở vị trí 0 góc sau chu kỳ nhiệt độ  phản ánh khả năng sử dụng của đĩa trong điều kiện hoạt động thực tế tốt hơn hiệu suất từ ​​tính ở một điểm nhiệt độ duy nhất.

4. Bước dễ bị bỏ sót nhất trong quá trình xác thực

Việc xác nhận nhiệt độ cao của bộ mã hóa từ tính có một bẫy 'có vẻ đúng': biên độ từ trường giảm sau khi gia nhiệt, không phục hồi hoàn toàn sau khi làm mát và sau đó được đánh giá là quá trình khử từ không thể đảo ngược. Nhưng biên độ dư có thể đến từ nam châm hoặc do sự giải phóng ứng suất của cụm, sự thay đổi khe hở không khí do sự giãn nở nhiệt của cấu trúc hoặc sự trôi dạt ở mặt trước của cảm biến. Ngược lại, sự giảm biên độ tạm thời ở nhiệt độ cao phục hồi sau khi làm mát không có nghĩa là hệ thống nhất thiết phải an toàn trong khoảng thời gian nhiệt độ cao—sau khi tín hiệu hiệu dụng trở nên nhỏ hơn, sai số góc có thể đã vượt quá giới hạn trong quá trình xử lý nhiệt độ cao và nó chỉ 'trông ổn' sau khi làm mát.

Một cách tiếp cận mạnh mẽ hơn là:  trước và sau chu kỳ nhiệt độ, sử dụng sai số góc và độ lệch vị trí 0 làm tiêu chí chính và biên độ từ trường làm đại lượng chẩn đoán phụ trợ . Nếu sai số góc và vị trí 0 sau khi trở về nhiệt độ phòng không trở về mức cơ bản thì hãy phân tích xem đó là do mất nam châm không thể khắc phục, lão hóa chất kết dính hay thay đổi trạng thái lắp ráp. Đối với các nam châm liên kết chẳng hạn như nam châm ferrite và cao su đúc phun, trạng thái chất kết dính thay đổi sau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao thường không biểu hiện dưới dạng 'nam châm đột ngột biến mất' mà là sự suy giảm tín hiệu góc chậm, dễ bị bỏ qua khi kiểm tra 'từ hóa OK, ngoại hình OK' thường lệ.

Phần kết luận

Trong điều kiện nhiệt độ cao/thấp, việc lựa chọn đĩa mã hóa từ tính về cơ bản không phải là lựa chọn nhị phân giữa 'ferit đúc phun và nam châm cao su', mà là hai câu hỏi tuần tự:  nhiệt độ vận hành tối đa và chế độ đạp xe xác định hệ thống chất kết dính của các vật liệu ứng cử viên; dữ liệu xác nhận—đặc biệt là phần dư góc sau khi trở về nhiệt độ phòng—xác định liệu vật liệu ứng cử viên có thể thực sự đưa vào thiết kế hay không . Trần nhiệt độ của ferrite đúc phun được viết bằng cấp nhựa, trần nhiệt độ của nam châm cao su được viết bằng công thức cao su và độ tin cậy của bộ mã hóa được viết bằng lỗi góc sau chu kỳ nhiệt độ. Chỉ bằng cách giữ ba lớp này tách biệt thì việc lựa chọn mới không dừng lại ở ấn tượng quá thô thiển rằng 'ferite có khả năng chịu nhiệt độ cao.'

Danh sách kiểm tra lựa chọn nhanh

• Đầu tiên khóa  nhiệt độ hoạt động tối đa  và  số chu kỳ ; không sử dụng nhiệt độ trung bình thay cho nhiệt độ cao điểm.

• Đối với ferit đúc phun, hãy hỏi rõ về  nền nhựa : PA12 ≈ 120°C, PA6 ≈ 150°C, PPS ≈ 180°C; sử dụng đường cong nhiệt độ dài hạn đo được của nhà cung cấp làm cơ sở.

• Đối với nam châm cao su, hãy hỏi rõ về  loại cao su : giới hạn trên lâu dài của công thức NBR thông thường và công thức NBR/HNBR nhiệt độ cao có thể chênh lệch hàng chục độ C; đừng chỉ viết 'nam châm cao su.'

• Yêu cầu nhà cung cấp cung cấp  lỗi góc/dư lượng từ trường sau lão hóa sau khi trở về nhiệt độ phòng ở nhiệt độ mục tiêu , chứ không chỉ từ thông tức thời ở nhiệt độ cao.

• Đối với các điều kiện nhiệt độ thấp, cũng xác nhận  nguy cơ giòn ở nhiệt độ thấp của ma trận cao su  và  xu hướng khử từ không thể đảo ngược ở nhiệt độ thấp của ferit.