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数据可视化分析优化永磁体的磁偏角控制
2025/07/08 Jiayu Niu/Qing Zhou

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。

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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。

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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

图片1

图片2

图片3


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

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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

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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

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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

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