永磁體及零部件在線自動(dòng)檢測(cè)

楚宏明張克濤胡特

（湖南聯(lián)眾科技有限公司 417000）

摘要：簡(jiǎn)述永磁及元器件檢測(cè)的常用儀器及使用場(chǎng)合，介紹幾種可實(shí)現(xiàn)工業(yè)在線快速準(zhǔn)確檢測(cè)的設(shè)備的工作方法和特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：永磁零件，磁特性，高斯計(jì)，磁通計(jì)，亥姆霍茲線圈，磁通，自動(dòng)檢測(cè)

一、 永磁材料及元器件全自動(dòng)全檢的背景及意義

永磁材料是一種用途廣泛的功能材料。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域占有非常重要的地位。廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、交通、機(jī)械、醫(yī)療、計(jì)算機(jī)、家電等行業(yè)，并已滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。在核磁共振、風(fēng)力渦輪機(jī)、電動(dòng)汽車、智能手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦等一些要求苛刻的應(yīng)用中，對(duì)永磁體或其部件的磁性和一致性提出了很高的要求。所有磁性元件都要求節(jié)儉。采用傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方式，檢測(cè)速度慢，工作量大，錯(cuò)誤率高，最終導(dǎo)致產(chǎn)品合格率低，成本高。采用自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備，結(jié)合工廠現(xiàn)有生產(chǎn)線，可以準(zhǔn)確、高效地完成檢測(cè)任務(wù)，大大降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量。自動(dòng)化測(cè)試的推廣應(yīng)用是產(chǎn)業(yè)升級(jí)的迫切要求，也是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)。

二、電流檢測(cè)技術(shù)與方法

為準(zhǔn)確測(cè)量永磁材料的性能，目前常用的有永磁測(cè)量裝置（永磁B-H磁滯回線儀）和永磁脈沖磁滯回線儀。

圖1 永磁測(cè)量裝置（永磁B-H磁滯回線儀）

圖2 永磁脈沖B-H磁滯回線儀

該類儀器可測(cè)量永磁材料的磁滯回線和退磁曲線，準(zhǔn)確測(cè)量剩磁Br、矯頑力Hcb、本征矯頑力Hcj和最大磁能積（BH）max等磁特性參數(shù)。兩者的區(qū)別在于測(cè)量原理和測(cè)量范圍。永磁測(cè)量裝置采用電磁鐵閉路測(cè)量，用于一般永磁材料和HCJ稀土樣品測(cè)量。它所能提供的最大磁場(chǎng)一般限制在3.2T。除了受到電磁鐵所能產(chǎn)生的最大磁場(chǎng)的限制外，強(qiáng)磁場(chǎng)條件下電磁鐵的磁極飽和破壞了永磁體與電磁體形成閉合回路的前提。樣品內(nèi)部產(chǎn)生退磁場(chǎng)，導(dǎo)致退磁曲線扭曲。因此，測(cè)量高矯頑力永磁材料時(shí)（當(dāng)HCJ>2T時(shí)）誤差會(huì)增加。永磁脈沖BH磁滯回線儀采用開路測(cè)量，可提供的最大磁場(chǎng)可達(dá)10T，涵蓋目前永磁材料的所有測(cè)量，可測(cè)量高矯頑力稀土永磁磁滯回線材料（對(duì)于稀土永磁，永磁測(cè)量裝置只能測(cè)量退磁曲線）。它采用大容量電容對(duì)線圈放電，產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。時(shí)間短，磁場(chǎng)強(qiáng)。強(qiáng)正負(fù)脈沖磁場(chǎng)利用磁鐵沿飽和磁滯回線完成掃描。在測(cè)量過(guò)程中，樣品會(huì)產(chǎn)生渦流消磁場(chǎng)。另外，樣品處于開路狀態(tài)，內(nèi)部也有退磁場(chǎng)。當(dāng)磁場(chǎng)存在時(shí)間很短時(shí)，磁鐵具有磁滯現(xiàn)象。因此，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行渦流、退磁、磁滯校正。給出正確的結(jié)果。圖3為一組永磁脈沖B-H磁滯回線測(cè)量高矯頑力永磁材料的結(jié)果。

圖 3

這種儀器對(duì)測(cè)量環(huán)境有很高的要求，操作過(guò)程更復(fù)雜，測(cè)量時(shí)間更長(zhǎng)（通常為一分鐘或更長(zhǎng)），適合用于材料研究和采樣的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。

工業(yè)磁場(chǎng)測(cè)試中最常用的儀器之一是高斯計(jì)。它使用霍爾傳感器來(lái)測(cè)量磁鐵或磁性元件某一點(diǎn)的磁場(chǎng)，如圖4所示。

圖 4

具體測(cè)量時(shí)，使用高斯計(jì)探頭直接測(cè)量磁鐵某一點(diǎn)或距磁鐵一定距離處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。它的優(yōu)點(diǎn)是使用方便、速度快、可現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。缺點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果重復(fù)性差，使用不同的高斯計(jì)測(cè)量結(jié)果不同。這是因?yàn)楫?dāng)磁鐵（或部件）打開時(shí)，周圍的磁場(chǎng)是不均勻的，不同點(diǎn)的磁場(chǎng)差別很大。探頭在制造時(shí)，不同廠家的安裝位置不同，造成霍爾傳感器中心感應(yīng)部分的位置不同，導(dǎo)致測(cè)量的磁場(chǎng)位置不同。即使同一個(gè)人用同一個(gè)高斯計(jì)測(cè)量同一個(gè)磁鐵的同一個(gè)位置，嚴(yán)格意義上也很難保證同一個(gè)位置。同時(shí)，磁場(chǎng)與探頭傳感器中心的角度偏差會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性較差。因此，高斯計(jì)只能用于定性測(cè)量而不是定量測(cè)量，在要求比較高的情況下，如磁體的分離差別不大時(shí)，它是不勝任的。

針對(duì)上述方法的缺陷，一種改進(jìn)的測(cè)試方法是用軟磁材料作為夾具和永磁體形成一個(gè)有氣隙的回路，并在氣隙處產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)的大小與磁鐵的性能有關(guān)。其原理與磁通計(jì)的原理基本相似。由軟磁材料制成的夾具收集磁鐵與磁鐵接觸時(shí)的磁通量，并將其轉(zhuǎn)換為相關(guān)的均勻磁場(chǎng)。測(cè)量結(jié)果反映了某一區(qū)域或整個(gè)磁鐵的磁通量。

圖 5

磁鐵的性能可以通過(guò)用高斯計(jì)測(cè)量氣隙磁場(chǎng)來(lái)間接測(cè)量。測(cè)量結(jié)果與儀器制造商和探頭無(wú)關(guān)，測(cè)量結(jié)果具有良好的重復(fù)性。但是，夾具必須針對(duì)特定的磁鐵或元件準(zhǔn)備，通用性不高。

在測(cè)量永磁體的方法中，比較好的和方便的方法是測(cè)量永磁體的磁通量。磁通計(jì)和測(cè)量線圈（測(cè)量夾具）可以測(cè)量某一區(qū)域的平均磁場(chǎng)強(qiáng)度或磁通量。它克服了高斯計(jì)在高場(chǎng)條件下的非線性，比高斯計(jì)更具優(yōu)勢(shì)。

圖 6

根據(jù)不同的磁鐵選擇合適的測(cè)量線圈，可以得到非常一致的測(cè)量結(jié)果。對(duì)于二極磁化的磁鐵，采用合適尺寸的亥姆霍茲線圈來(lái)測(cè)量磁鐵的磁通量或磁矩，其再現(xiàn)性可控制在0.2%以內(nèi)，與操作者無(wú)關(guān)。測(cè)量過(guò)程非常方便，測(cè)量結(jié)果直接關(guān)系到磁鐵的性能（以及B-H磁滯回線儀的結(jié)果）。對(duì)于多極磁鐵，可以通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的夾具來(lái)實(shí)現(xiàn)。它不僅可以實(shí)現(xiàn)定性測(cè)量，還可以實(shí)現(xiàn)定量測(cè)量。磁鐵制造商和磁鐵應(yīng)用制造商可以通過(guò)指定磁鐵的磁矩?cái)?shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量一致性保證。但是要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，磁通計(jì)的選擇是非常重要的。雖然磁通計(jì)有很多優(yōu)點(diǎn)，但一個(gè)很大的問(wèn)題是零漂。它不僅影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，而且影響測(cè)量的方便性。普通磁通計(jì)調(diào)零漂一段時(shí)間后會(huì)有很大的漂移，必須重新調(diào)零漂，否則不能使用。調(diào)零是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，是制約磁通計(jì)廣泛使用的最重要因素之一。而高端磁通計(jì)具有自動(dòng)漂移調(diào)節(jié)和漂移智能抑制功能，讓這個(gè)曾經(jīng)給用戶帶來(lái)嚴(yán)重困擾的問(wèn)題不復(fù)存在。同時(shí)自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，高端磁通計(jì)還具有線圈自動(dòng)識(shí)別和線圈參數(shù)自動(dòng)調(diào)整，磁通量、磁矩、磁場(chǎng)、磁勢(shì)等物理量的自動(dòng)換算。用戶只需在測(cè)量時(shí)選擇相應(yīng)的單位即可。比高斯計(jì)使用方便。因此，高端磁通計(jì)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)磁鐵及元器件的自動(dòng)化測(cè)量。

三、 工業(yè)化智能磁檢測(cè)技術(shù)與裝備

2015年6月，李克強(qiáng)總理提出在新形勢(shì)下實(shí)施《中國(guó)制造2025》，推動(dòng)工業(yè)化和信息化融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)我國(guó)由制造強(qiáng)國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的宏偉目標(biāo)。

在此背景下，工業(yè)化、智能化的檢測(cè)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。它由計(jì)算機(jī)硬件（包括嵌入式單片機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)）、自動(dòng)化軟件（工業(yè)控制軟件、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、數(shù)據(jù)分析軟件等）、數(shù)據(jù)采集（各種傳感器和檢測(cè)設(shè)備等）組成。高斯通量計(jì)等），數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（內(nèi)存等），數(shù)據(jù)傳輸（工業(yè)以太網(wǎng)等），執(zhí)行組件（智能機(jī)器人，傳輸設(shè)備等）?？蓪?shí)現(xiàn)磁鐵（元器件）的自動(dòng)檢測(cè)和分選，通過(guò)網(wǎng)線接入企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程儀器授權(quán)管理、生產(chǎn)過(guò)程管理、數(shù)據(jù)上傳、統(tǒng)計(jì)分析等，準(zhǔn)確、快速可靠是工業(yè)化在線檢測(cè)的基本要求之一。

工業(yè)磁體自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備的基本儀器有高斯計(jì)、磁通計(jì)、線圈（或亥姆霍茲線圈），高斯計(jì)主要用于磁體周圍空間的點(diǎn)磁場(chǎng)波形測(cè)量，磁通計(jì)和線圈使用用于測(cè)量某一區(qū)域的磁場(chǎng)波形（表面磁場(chǎng)波形）或整個(gè)磁鐵的磁通量（或磁矩）。除了考慮相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)，在工業(yè)在線檢測(cè)中，尤其需要仔細(xì)考慮系統(tǒng)異常處理機(jī)制和系統(tǒng)集成時(shí)的抗干擾能力。這些隱藏的東西對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的，但它們往往決定了用戶對(duì)系統(tǒng)使用的最終滿意度。

下面介紹幾款工業(yè)磁鐵自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備。實(shí)現(xiàn)的功能包括樣品條碼讀取、自動(dòng)稱重、自動(dòng)編碼、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)分揀、自動(dòng)數(shù)據(jù)管理，自動(dòng)檢測(cè)項(xiàng)目涵蓋磁通量檢測(cè)、磁極檢測(cè)、磁場(chǎng)波形檢測(cè)、磁性元件安裝位置檢測(cè)等。 . 設(shè)備具有上位機(jī)管理軟件，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)管理，并可接入企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES）自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)在線全過(guò)程控制.

CIM-3117RMT 磁力測(cè)試儀

CIM-3117RMT是一款新能源電機(jī)轉(zhuǎn)子在線檢測(cè)裝置。它集高斯計(jì)和磁通計(jì)為一體，用高斯計(jì)測(cè)量磁通量，用磁通計(jì)測(cè)量磁通量。實(shí)現(xiàn)多個(gè)磁場(chǎng)波形和一個(gè)磁通量檢測(cè)。設(shè)備可接入企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

圖 7

該設(shè)備可以檢測(cè)每個(gè)磁極的峰值、角度、面積、寬度和半高全寬。自動(dòng)判斷磁環(huán)的極數(shù)和磁極的極性，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算各參數(shù)的最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，繪制XY圖和極坐標(biāo)圖。

CIM-3100PMD永磁材料快速測(cè)量裝置

圖 8

CIM-3100PMD永磁材料快速測(cè)量?jī)x利用釹鐵硼永磁材料退磁曲線為直線的特點(diǎn)。通過(guò)測(cè)量磁鐵的磁矩和開路工作點(diǎn)，測(cè)量永磁材料的剩磁Br和矯頑力。力 Hcb 和最大磁能積 BHm 的自動(dòng)測(cè)量裝置。樣品的形狀可以是長(zhǎng)方體、圓柱體和瓦片型。在測(cè)試之前，需要飽和磁化。效率：5秒/片，適用于釹鐵硼磁瓦、異形釹鐵硼永磁體 磁性及大尺寸釹鐵硼樣品的全檢或抽檢。

CIM-3510磁通自動(dòng)檢測(cè)裝置

圖 9

被檢樣品為體積較小的釹鐵硼永磁體，通過(guò)測(cè)量樣品的磁通量來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制。由于信號(hào)小，磁通計(jì)的漂移影響較大，樣品放置位置影響較大。手動(dòng)測(cè)量時(shí)，重復(fù)性差，不易檢測(cè)，測(cè)量效果差。 CIM-3510磁通自動(dòng)測(cè)量?jī)x采用LZ-840磁通計(jì)+亥姆霍茲線圈檢測(cè)磁通信號(hào)。該設(shè)備還包括樣品定位夾具、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)裝置、分選機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。由于使用定位夾具和傳感器檢測(cè)定位和氣動(dòng)送料，同一件的測(cè)量重復(fù)性為0.3%。檢測(cè)速度約1pcs/3S。

CIM-3520 磁鐵自動(dòng)檢測(cè)裝置

圖 10

被測(cè)樣品用于智能手機(jī)，測(cè)試項(xiàng)目包括磁通檢測(cè)、極性檢測(cè)、磁鐵安裝位置檢測(cè)等。設(shè)備采用手動(dòng)上下料托盤、機(jī)器人自動(dòng)取料、檢測(cè)、空托盤報(bào)警，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢功能。雙檢測(cè)線圈交替檢測(cè)，節(jié)省機(jī)器人等待時(shí)間。檢測(cè)效率為1pcs/5S。樣品體積小，磁鐵按規(guī)定極性安裝在兩側(cè)高差1.3mm的U形槽內(nèi)。如果磁鐵極性接反，必須全部選為廢品。以前是無(wú)法檢測(cè)的，通過(guò)率全靠機(jī)器。實(shí)際到達(dá)率指數(shù)是 10,000 個(gè)中的 3 到 5 個(gè)缺陷產(chǎn)品。配合自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，該指標(biāo)的合格率幾乎可以達(dá)到100%。

CIM-3530 磁鐵自動(dòng)檢測(cè)裝置

圖 11

要檢查的樣品用于風(fēng)力渦輪機(jī)。它體積大，吸力強(qiáng)。否則，如果操作過(guò)程不小心，可能會(huì)發(fā)生安全事故。因此，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，充分考慮了檢測(cè)過(guò)程的位置監(jiān)控和各個(gè)環(huán)節(jié)的異常處理機(jī)制。功能包括樣品分離、磁通檢測(cè)、極性檢測(cè)、編碼、樣品分選、異?？刂?、數(shù)據(jù)管理等。LZ-840磁通計(jì)用于磁通檢測(cè)，同件磁通測(cè)量重復(fù)性在0. 2%。測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，靈敏度高。在測(cè)量過(guò)程中，如果樣品溫度變化1度，可立即反映在測(cè)量結(jié)果中。檢測(cè)速度檢測(cè)效率為1pcs/5S。數(shù)據(jù)通訊和管理通過(guò)工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，可接入企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)管理系統(tǒng)。主要工作流程如圖12所示。

圖 12

四、 結(jié)論

永磁體和元器件的在線自動(dòng)檢測(cè)代表了當(dāng)今工業(yè)磁檢測(cè)的趨勢(shì)。解決了傳統(tǒng)人工檢測(cè)在產(chǎn)品完全節(jié)儉的情況下的瓶頸，在檢測(cè)精度、檢測(cè)效率、安全性、成本等方面顯示出極大的優(yōu)勢(shì)。

參考資料

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