永磁体磁偏角指磁体磁化方向(极性轴)与其几何基准方向(如特定表面或轴线)之间的角度偏差。磁偏角差的产品, 对应的磁力线在目标工作位置也会有偏差,有些在工作面的法向磁场会减弱(Bz),在工作面内磁场会增强(Bx,By),当磁偏角>5°时,可能会影响精密磁应用的判定结果,因此需要对磁偏角的误差进行检测和评估,并通过改进制造工艺严格控制偏转角度与波动误差。
磁偏角成为影响精密磁性器件性能的重要影响因素。对于作为传感器核心部件的稀土永磁体而言,精确控制其磁矩(Magnet Moment)与磁偏角(θz),对提供稳定磁场源具有重要意义。常规工艺方法制作的成品磁偏角在0°-7°之间,不同产品的磁偏角要求也不同,在实际生产过程中,磁偏角通常在5°以内。
实验室目前测试磁偏角的设备主要有MagCheck, 亥姆霍兹线圈Helmholtz Coil,磁场相机MagCam,请见下表优势对比,具体原理信息请见文末备注。
设备 | 磁偏角测试-MagCheck | 磁场相机-MagCam | 亥姆霍兹线圈-HH coil |
原理 |
空间磁场拟合→磁矩矢量 |
表面磁场反演→局部磁化方向 |
磁矩在空间三轴的分量→磁矩方向 |
测试位置 |
整体平均磁偏角 |
表面磁偏角分布 |
整体平均磁偏角 |
测试重复性-GR&R |
6% |
3% |
3% |
测试时长 |
6s |
20s |
5s |
被测产品最大尺寸 | 方块磁铁:最大不超过80mm | 12.7x12.7 mm | 由线圈直径决定,尺寸不超过30mm |
考虑到设备的可普及性,本实验采用3轴亥姆霍兹线圈作为实验设备,方便同行业复制和落地改善。
通过对永磁钕铁硼材料制造过程的分析,明确以下过程中存在造成磁偏角偏差的影响:
◇ 成型过程中的取向度:在压制成型的过程中,施加1.8T磁场使得烧结钕铁硼磁粉颗粒沿着易磁化方向排列,是控制磁偏角的核心工艺环节。
◇ 等静压和上下料过程中的取向度干扰:等静压过程中毛坯的密度会上升,磁粉相对位置变化,上下料过程中也会导致毛坯块形变。
◇ 烧结过程中尺寸收缩导致的毛坯形变:由于取向方向有 20%左右收缩率,非取向方向有 5%左右收缩率,这种非均匀的形变也会影响物理轴的变化。
◇ 机加工过程中基准面和加工设备的垂直度影响:产品烧结后六个外表面都会形变,在长宽高加工过程中定位基准,切割设备的垂直度也会影响磁偏角数据。
我们对常规烧结毛坯的磁偏角进行分析,选取 34x50.7x43.7mm毛坯:
◇ 50.7mm是非压制非取向方向,磨掉0.6mm后,选取前中后3个位置切片1.73mm,空间坐标X1、X2、X3;
◇ 43.7mm是毛坯压制方向,磨掉0.6mm后,选取前中后3个位置切片6.845mm,空间坐标Y1、Y2、Y3,其中 Y3为压制底面;
◇ 34mm是取向方向,磨掉0.6mm后切片1.3mm,总计20层,空间坐标Z1~Z20。
总计180 个取样位置,通过磁偏角检测获取各点数据,进而分析磁偏角空间分布特征。
数据可视化和推论
50.7mm非压制非取向方向,无明显趋势 |
43.7mm是毛坯压制方向,Y3-压制底面磁偏角明显大于Y1压制上顶面 |
34mm是取向方向,中间位置Z10的磁偏角明显优于两端(Z1/Z20)附近的数据 |
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二维等高线图也呈现类似趋势
XZ 平面 |
YZ 平面 |
XY 平面 |
通过以上数据趋势,我们计划做以下改善:
1.使用各向同性磁材评估压制模具内取向磁场的垂直度依据;
2.压制方向Y尺寸缩小,降低磁粉自重对于压制底面取向效果的影响;
3.增加非取向非压制方向X的尺寸,减少形变梯度;
4.取消等静压工序,减少运转过程中对磁偏角的影响。
备注: 三种磁偏角设备的测试原理
方法 |
原理 |
主要参数 |
磁偏角测试-MagCheck |
MagCheck采用基于分析永磁标记物产生的准静态磁场的逆向磁检测方法。这种分析涉及一个具有六个自由度(DOF)的逆问题。所需传感器的最小数量取决于未确定的自由度数量。精度要求、传感器灵敏度、干扰场以及测量范围的大小都会增加所需的传感器数量,因此在实际应用中,系统通常使用的传感器数量多于最低需要的数量。作为磁场分析的一项优势,MagCheck 可以确定磁场的矢量方向。因此,通过相应排列的传感器可以完整地记录磁场的三个空间方向。采用迭代优化方法来解决非线性最小化问题,可获得最佳结果。在迭代过程中,通过误差评估函数将假定的磁参数(位置、方向和强度)的虚拟测量值与实际测量值进行比较并使之一致。 |
GR&R:6% 测试时间:6s 最大产品尺寸:不超过80mm |
磁场相机-MagCam |
MagCam核心是一个高密度高精度的二维霍尔传感器阵列,当磁铁放置在传感器阵列上与Z轴间距呈微小距离时,阵列能够同时测量磁体表面上方整个平面上每个点的磁体矢量Bx、By、Bz。MagCam从表面磁场反演磁化强度矢量,核心算法在于利用测量得到的整个平面上的计算分量Bz分布,利用电磁理论和专有算法反演出磁体表面的等效磁化强度矢量分布,进而直接计算出每个点的磁化方向相对于理想轴向(通常是Z轴)的偏差角度即磁偏角。 |
GR&R:3% 测试时间:20s 最大产品尺寸:12.7*12.7 mm |
亥姆霍兹线圈-Helmholtz Coil ![]() |
当一个带有磁矩的永磁体在亥姆霍兹线圈内移动时,其磁场穿过线圈产生磁通量变化。依据法拉第电磁感应定律,线圈中产生感应电压。感应电压的幅值与磁体的磁矩大小成正比。通过预先标定线圈常数,即可根据测得的感应电压反推出永磁体的磁矩值。采用三轴亥姆霍兹线圈系统,可同时测量磁矩在三个互相垂直方向的磁矩分量,进而可以计算出磁矩方向与几何轴之间的夹角,即磁偏角。 |
GR&R: 3% 测试时间: 5s 最大产品尺寸:由线圈直径决定,尺寸不超过30mm |
Access NdFeB Permanent Magnet Material Property Datasheets (前往NdFeB磁性材料性能的超链接)
象限磁学专家通过对FEA模拟技术的运用,研发出磁力计算器的应用程序,帮助用户计算常规形状磁铁、轴向磁环和轴向磁化的圆柱的磁力F值、磁导系数Pc和消磁因子N等参数数值。
磁力计算应用程序可用于产品开发阶段,为产品磁力研究自动设定磁计算过程。