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數據可視化分析優化永磁體的磁偏角控制
2025/07/08 Jiayu Niu/Qing Zhou

永磁體磁偏角指磁體磁化方向(極性軸)與其幾何基準方向(如特定表面或軸線)之間的角度偏差。磁偏角差的產品, 對應的磁力線在目標工作位置也會有偏差,有些在工作面的法向磁場會減弱(Bz),在工作面內磁場會增強(Bx,By),當磁偏角>5°時,可能會影響精密磁應用的判定結果,因此需要對磁偏角的誤差進行檢測和評估,并通過改進制造工藝嚴格控制偏轉角度與波動誤差。

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磁偏角成為影響精密磁性器件性能的重要影響因素。對于作為傳感器核心部件的稀土永磁體而言,精確控制其磁矩(Magnet Moment)與磁偏角(θz),對提供穩定磁場源具有重要意義。常規工藝方法制作的成品磁偏角在0°-7°之間,不同產品的磁偏角要求也不同,在實際生產過程中,磁偏角通常在5°以內。

實驗室目前測試磁偏角的設備主要有MagCheck, 亥姆霍茲線圈Helmholtz Coil,磁場相機MagCam,請見下表優勢對比,具體原理信息請見文末備注。

設備 磁偏角測試-MagCheck 磁場相機-MagCam 亥姆霍茲線圈-HH coil

原理

空間磁場擬合→磁矩矢量

表面磁場反演→局部磁化方向

磁矩在空間三軸的分量→磁矩方向

測試位置

整體平均磁偏角

表面磁偏角分布

整體平均磁偏角

測試重復性-GR&R

6%

3%

3%

測試時長

6s

20s

5s

被測產品最大尺寸 方塊磁鐵:最大不超過80mm 12.7x12.7?mm 由線圈直徑決定,尺寸不超過30mm

考慮到設備的可普及性,本實驗采用3軸亥姆霍茲線圈作為實驗設備,方便同行業復制和落地改善。

通過對永磁釹鐵硼材料制造過程的分析,明確以下過程中存在造成磁偏角偏差的影響:

◇?成型過程中的取向度:在壓制成型的過程中,施加1.8T磁場使得燒結釹鐵硼磁粉顆粒沿著易磁化方向排列,是控制磁偏角的核心工藝環節。

◇?等靜壓和上下料過程中的取向度干擾:等靜壓過程中毛坯的密度會上升,磁粉相對位置變化,上下料過程中也會導致毛坯塊形變。

◇?燒結過程中尺寸收縮導致的毛坯形變:由于取向方向有 20%左右收縮率,非取向方向有 5%左右收縮率,這種非均勻的形變也會影響物理軸的變化。

◇?機加工過程中基準面和加工設備的垂直度影響:產品燒結后六個外表面都會形變,在長寬高加工過程中定位基準,切割設備的垂直度也會影響磁偏角數據。

我們對常規燒結毛坯的磁偏角進行分析,選取?34x50.7x43.7mm毛坯:

◇?50.7mm是非壓制非取向方向,磨掉0.6mm后,選取前中后3個位置切片1.73mm,空間坐標X1、X2、X3;

◇?43.7mm是毛坯壓制方向,磨掉0.6mm后,選取前中后3個位置切片6.845mm,空間坐標Y1、Y2、Y3,其中?Y3為壓制底面;

◇?34mm是取向方向,磨掉0.6mm后切片1.3mm,總計20層,空間坐標Z1~Z20。

總計180?個取樣位置,通過磁偏角檢測獲取各點數據,進而分析磁偏角空間分布特征。

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數據可視化和推論

50.7mm非壓制非取向方向,無明顯趨勢

43.7mm是毛坯壓制方向,Y3-壓制底面磁偏角明顯大于Y1壓制上頂面

34mm是取向方向,中間位置Z10的磁偏角明顯優于兩端(Z1/Z20)附近的數據

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二維等高線圖也呈現類似趨勢

XZ?平面

YZ?平面

XY?平面

圖片1

圖片2

圖片3


通過以上數據趨勢,我們計劃做以下改善:

1.使用各向同性磁材評估壓制模具內取向磁場的垂直度依據;

2.壓制方向Y尺寸縮小,降低磁粉自重對于壓制底面取向效果的影響;

3.增加非取向非壓制方向X的尺寸,減少形變梯度;

4.取消等靜壓工序,減少運轉過程中對磁偏角的影響。

備注: 三種磁偏角設備的測試原理

方法

原理

主要參數

磁偏角測試-MagCheck

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MagCheck采用基于分析永磁標記物產生的準靜態磁場的逆向磁檢測方法。這種分析涉及一個具有六個自由度(DOF)的逆問題。所需傳感器的最小數量取決于未確定的自由度數量。精度要求、傳感器靈敏度、干擾場以及測量范圍的大小都會增加所需的傳感器數量,因此在實際應用中,系統通常使用的傳感器數量多于最低需要的數量。作為磁場分析的一項優勢,MagCheck 可以確定磁場的矢量方向。因此,通過相應排列的傳感器可以完整地記錄磁場的三個空間方向。采用迭代優化方法來解決非線性最小化問題,可獲得最佳結果。在迭代過程中,通過誤差評估函數將假定的磁參數(位置、方向和強度)的虛擬測量值與實際測量值進行比較并使之一致。

GR&R:6%

測試時間:6s

最大產品尺寸:不超過80mm

磁場相機-MagCam

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MagCam核心是一個高密度高精度的二維霍爾傳感器陣列,當磁鐵放置在傳感器陣列上與Z軸間距呈微小距離時,陣列能夠同時測量磁體表面上方整個平面上每個點的磁體矢量Bx、By、Bz。MagCam從表面磁場反演磁化強度矢量,核心算法在于利用測量得到的整個平面上的計算分量Bz分布,利用電磁理論和專有算法反演出磁體表面的等效磁化強度矢量分布,進而直接計算出每個點的磁化方向相對于理想軸向(通常是Z軸)的偏差角度即磁偏角。

GR&R:3%

測試時間:20s

最大產品尺寸:12.7*12.7 mm

亥姆霍茲線圈-Helmholtz Coil

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當一個帶有磁矩的永磁體在亥姆霍茲線圈內移動時,其磁場穿過線圈產生磁通量變化。依據法拉第電磁感應定律,線圈中產生感應電壓。感應電壓的幅值與磁體的磁矩大小成正比。通過預先標定線圈常數,即可根據測得的感應電壓反推出永磁體的磁矩值。采用三軸亥姆霍茲線圈系統,可同時測量磁矩在三個互相垂直方向的磁矩分量,進而可以計算出磁矩方向與幾何軸之間的夾角,即磁偏角。

GR&R: 3%?

測試時間: 5s?

最大產品尺寸:由線圈直徑決定,尺寸不超過30mm

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·?Sintered NdFeB Magnets

·?Bonded NdFeB Magnets

象限磁學專家通過對FEA模擬技術的運用,研發出磁力計算器的應用程序,幫助用戶計算常規形狀磁鐵、軸向磁環和軸向磁化的圓柱的磁力F值、磁導系數Pc和消磁因子N等參數數值。

磁力計算應用程序可用于產品開發階段,為產品磁力研究自動設定磁計算過程。