永磁体及部件的在线自动检测

褚红明  张科涛  胡特

（湖南省联众科技有限公司 417000）

　　摘要：简述了永磁体及部件检测的常用仪器和使用场合，介绍了几款实现工业在线快速准确检测的几种设备的工作方式和特点。

　　关键词：永磁体部件，磁性能， 高斯计，磁通计，亥姆霍兹线圈，磁通量，自动检测

　　一、 永磁材料及部件自动化全检的背景和意义

　　永磁材料是一种用途广泛的功能材料，它在国民经济、航天以及国防领域中都占有重要的地位，广泛应用于航天、能源、交通、机械、医疗、计算机、家电等行业，并已深入人们日常生活的方方面面。在一些要求比较高的应用场合如核磁共振、风力发电机、电动汽车、智能手机、笔记本电脑、平板电脑等，对永磁体或其部件的磁性性能及其一致性提出了很高的要求，磁部件都要求全俭。采用传统的人工检测方式，检测速度慢、工作量大、差错率高，导致产品出厂合格率低，成本高。采用自动化检测设备，和工厂已有得生产线结合，能准确、高效率完成检测任务，较大的降低企业的生产成本，保障产品质量。推广应用自动化检测是产业升级的迫切要求，是产业变革的大趋势。

　　二、 目前的检测技术和手段

　　对于永磁材料性能的准确测量，目前常用的有永磁测量装置（永磁B-H磁滞回线仪）、永磁脉冲磁滞回线仪。

图1 永磁测量装置（永磁B-H磁滞回线仪）

图2永磁脉冲B-H磁滞回线仪

　　这类仪器可以测量永磁材料的磁滞回线和退磁曲线，准确测量剩磁Br、矫顽力Hcb、内禀矫顽力Hcj和最大能积(BH)max等磁特性参数。两者区别在于测量原理和测量范围的不同。永磁测量装置采用电磁铁闭路测量，用于一般永磁材料和HCJ<3T稀土小样测量，其能提供的较大磁场一般限制在3.2T以内。除了受制于电磁铁所能产生的较大磁场，还由于电磁铁在高磁场条件下的极头饱和破坏了永磁体和电磁铁形成闭合回路这一前提，样品内部产生退磁场，造成退磁曲线失真，因此测量高矫顽力永磁材料（HCJ>2T时）时误差增大。永磁脉冲B-H磁滞回线仪采用开路测量，其能提供的较大磁场能够达到10T，覆盖了目前永磁材料的测量，能够测量出高矫顽力稀土永磁材料的磁滞回线（对稀土永磁，永磁测量装置只能测出退磁曲线）。它采用大容量电容对线圈放电产生强磁场，时间短，磁场高，正负的强脉冲磁场使用磁体沿饱和磁滞回线完成扫描一周。测量过程中样品内部会产生涡流退磁场，另外样品为开路状态，内部也有退磁场，磁场存在时间短磁体存在磁滞等，因此需要对数据进行涡流修正、退磁场修正、磁滞修正，才能得出正确结果。图3是一组永磁脉冲B-H磁滞回线仪的测量高矫顽力永磁材料的结果。

图3

　　此类仪器对测量环境要求较高，操作过程较复杂，测量一次的时间较长（一般为一分钟或更长），适合于材料研究和抽检的实验室应用。

　　工业现场磁检测使用较多一种仪器是高斯计。它利用霍尔传感器测量磁体或磁部件某一个点的磁场，见图4。

图4

　　具体测量时用高斯计探头直接测量磁体某点或离磁体某点一定距离的磁场强度。其优点是使用方便，快速，可现场测量。缺点是测量结果重复性差，使用不同的高斯计测量结果不同。这是由于磁体（或组件）开路时，其周围的磁场为非均匀场，不同点的磁场差异非常大。探头制造时不同厂家的安装位置不同造成了霍尔传感器中心感应部分的位置差异，导致测量的是不同位置的磁场。即使是同一个人用同一台高斯计测量同一磁体的同一位置，实际上也难以保障严格意义的同一位置，同时磁场与探头中心感应部分的角度偏差，也会导致测量结果重复性差。因此，高斯计可用于定性而非定量测量，在要求比较高如要分别差异不大的磁体时则无法胜任。

　　对于上述方法缺陷，一种改进的测试方法为采用软磁材料作夹具和永磁体构成一个带气隙的回路，在气隙处产生一个均匀磁场，此磁场的大小和磁体性能相关，其原理本质上讲和磁通计类似，软磁材料做成的夹具在和磁体接触时收集磁体的磁通并将其转化为一个相关的均匀磁场。测量的结果反映的一定区域或整个磁体的磁通量。

图5

　　用高斯计测量气隙磁场即可间接测量磁体性能。测量结果与仪器厂家和探头无关，测量结果重复性好。但夹具须针对特定磁体或部件制备，通用性不高。

　　在测量永磁体的方法中，一种比较好的便捷方法是测量永磁体的磁通量。采用磁通计和测量线圈（测量夹具）可以测量一定区域的平均磁场强度或磁通量。它克服了高斯计高场情况下的非线性性，和高斯计比较更具优越性。

图6

　　根据不同磁体选用合适的测量线圈，可以得到一致性非常好的测量结果。对于两极充磁的磁体，采用合适大小的亥姆霍兹线圈（Helmholtz coil）测量磁体的磁通或磁矩，其复现性可以控制在0.2%以内，且与操作人员无关。测量过程非常便捷，测量结果与磁体性能（与B-H磁滞回线仪的结果）直接相关。对于多极磁体可设计相应夹具即可实现。它不仅可实现定性测量，而且可以实现定量测量，可以通过规定磁体的磁矩数据在磁体生产厂家和磁体应用厂家来统一标准，实现品质一致性保障。但要达此目的，磁通计选择非常重要。磁通计虽然有许多优点，但有一个很大的问题是零点飘移。它不仅影响测量结果的准确性和重复性，而且影响测量的便捷性。普通的磁通计在调好零点飘移后使用一段时间又会产生很大的漂移，需要重新调整零点飘移，否则无法使用。零点飘移的调整是一件费时费力的事，这是制约磁通计广泛使用的一个重要因素。但高品质的磁通计具有漂移自动调整和漂移智能抑制功能，使这个曾经对使用者造成了严重困扰的问题不复存在。同时高品质的磁通计还具有线圈自动识别和线圈参数自动调入，磁通、磁矩、磁场、磁势等物理量自动换算，用户只需测量时选择相应的单位即可。其使用便捷性比高斯计更胜一筹。因此在工业磁体和部件的自动化测量中，广泛采用高品质磁通计。

　　三、 工业化智能化磁检测技术及设备

　　2015年6月，李克强总理提出了新形势下实施“中国制造2025”， 推动工业化和信息化融合，实现中国由制造大国走向制造强国的宏伟目标。

　　在此背景下，工业化、智能化检测设备应运而生。它由计算机硬件（包括嵌入式单片机，工业控制计算机）、自动化软件（工业控制软件，网络应用软件，数据库软件，数据分析软件等）、数据采集（各种传感器和检测设备如高斯计磁通计等）、数据存储（存储器等）、数据传输（工业以太网等）、执行部件（智能机器人、传动设备等）等组成。可以实现磁体（组件）自动检测、分选，通过网线接入企业内部生产管理系统，实现远程仪器授权管理、生产过程管理、数据上传、统计分析等，准确、快速、可靠是工业化在线检测的一个基本要求。

　　工业磁体自动化检测设备的基础仪器为高斯计、磁通计、线圈（或亥姆霍兹线圈），高斯计主要用于磁体周围空间的点磁场波形测量，磁通计和线圈用于测量一定区域的磁场波形（面磁场波形）或整个磁体的磁通（或磁矩）。除了考虑相关功能的实现外，在工业化在线检测中，系统异常处理机制和系统集成时抗干扰能力尤其需要仔细考虑。这些隐性的东西是用户看不到的，但往往决定了用户对系统使用的满意度。

　　下面介绍几款工业磁体自动化检测设备，它实现的功能包括了样品条码读入、自动称重、自动喷码、自动检测、自动分选、自动数据管理，自动检测项目涵盖了磁通检测、磁体极性检测、磁场波形检测、磁部件安装位置检测等，设备具有上位机管理软件，能实现数据统计、数据管理，并能接入企业内部生产过程执行管理系统(MES)，实现生产过程的实时在线全程管控。

　　CIM-3117RMT表磁测试仪

　　CIM-3117RMT为某新能源电机转子在线检测设备，其内部集成了高斯计和磁通计，利用高斯计测量表磁，磁通计测量磁通。实现多路磁场波形和一路磁通检测。设备可接入企业内部生产管理系统。

图7

　　设备可检测包括每个磁极的峰值、角度、面积、宽度和半高宽。自动判断磁环的极数与磁极的极性，并对测试结果进行统计分析，计算每一个参数的至大值、至小值、平均值和标准差等，可绘制X-Y 曲线图和极坐标曲线图。

CIM-3100PMD永磁材料快速测量装置

图8

　　CIM-3100PMD永磁材料快速测量装置是利用钕铁硼永磁材料的退磁曲线为直线的特性，通过测量磁体磁矩和开路工作点，从而测量出永磁材料剩磁Br、矫顽力Hcb以及较大磁能积BHm的自动化测量装置，样品形状可以长方体、圆柱体和瓦型等，测试前需饱和充磁，效率：5秒/件，适合钕铁硼磁瓦、异型钕铁硼永磁、大尺寸钕铁硼样品的全俭或抽检。

CIM-3510磁通自动检测装置

图9

被检样品为尺寸小的钕铁硼永磁，通过测量样品磁通实现品质控制。由于信号小，磁通计漂移影响较大，样品放置位置影响较大，手工测量时，重复性差，难测并且测量效果不佳。CIM-3510磁通自动测量装置采用 LZ-840磁通计+亥姆霍兹线圈检测磁通信号，设备还包括样品定位治具、传送机构、位置检测装置、分选机构、及控制系统。由于采用定位治具及传感器检测定位和气动上料，同一样片的测量重复性为0.3%。检测测速度约1pcs/3S。

CIM-3520磁体自动检测装置

图10

　　被检样品用于智能手机，检测项目有磁通检测，极性检测，磁体安装位置检测等。设备采用手动上下料盘，机器人自动取料，检测，空盘报警，同时具有数据存储及查询功能。采用双检测线圈交替检测，节省机器人等待时间。检测效率为1pcs/5S。样品体积小，磁体按规定极性安装在两边高度相差1.3mmU型凹槽中，如果磁体极性反了，需要全部作为废品选出。以前无法检测，合格率全部依赖机器，实际到达指标是一万个中有三到五个次品，采用自动检测仪器后，这项指标几乎可以所有合格。

CIM-3530磁体自动检测装置

图11

　　被检样品用于风力发电机，体积大，样品吸力强，操作过程否则稍有不慎就可能发生安全事故。因此产品的设计中，对检测过程的位置监控、各个环节的异常处理机制都作了充分考虑。功能包括样品分离、磁通检测、极性检测、喷码、样品分选、异常控制、数据管理等。磁通检测采用LZ-840磁通计，同一样片的磁通测量重复性在0.2%以内。测量数据稳定，灵敏度高。在测量过程中，如果样品温度变化1度，马上可以通过测量结果反映出来。检测速度检测效率为1pcs/5S。数据通讯、管理通过工控机实现，可接入企业内部生产管理系统。主工作过程图12所示。

图12

　　四、 结语

　　永磁体及部件的在线自动化检测，代表了当今工业磁性检测的趋势。它解决了产品全俭时传统人工检测的瓶颈，无论是检测精度、检测效率、安全以及成本费用等方面都体现出了优越性。

　　参考文献

　　[1] 林安利，贺建，张跃，John Dudding 脉冲磁场技术在高矫顽力稀土永磁测量领域的应用 北京科技大学学报第31 卷第6 期 2009 年6 月

　　[2] 王群 永磁体工业生产检测与PM11磁体测量仪 磁能应用技术 1993.1

　　[3 ]宋爱伟，林明星，辛红亮，王庆东，吴筱坚 永磁体磁通量自动检测系统开发与设计 测控技术 2016.1

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