譚福清，王天雷，王 柱

（1.江門安磁電子有限公司，廣東江門 529080；2.五邑大學信息工程學院，廣東江門 529020）

0 引言

隨著科技水平的不斷提高，促使電子產品向小型化、高頻化、輕量化和高性能方向發(fā)展，環(huán)形永磁體作為永磁同步電機、直流無刷電機和其它特種電機的關鍵件，廣泛應用于機器人、信息和家電產品中，其需求量也與日俱增[1]。

永磁鐵氧體(Permanent ferrite)具有電阻率高、矯頑力大，能有效地應用在大氣隙磁路中，特別適于作小型發(fā)電機和電動機的永磁體[2]。環(huán)形多極永磁體的磁場取向主要有：非取向、軸向取向、徑向多對極取向、輻射狀取向(全徑向取向)和徑向軸向復合取向等。永磁材料又稱“硬磁材料”，是指在外加的磁化場消失以后材料仍能保留較強磁性的材料，具有高的剩余磁感應強度Br，矯頑力Hc和最大磁能積 （BHmax）[3]。

永磁鐵氧體制備工藝流程見圖2，其中成型取向、充磁兩個工序對表面磁場分布及磁體特性參數有直接影響。

圖1 永磁鐵氧體制備工藝流程

圖2 鐵磁物質的磁疇與粉料顆粒的排列

磁場取向壓力成型[4-6]。磁材料粉碎后，微顆粒呈現各向異性，為提高磁體磁特性，在壓制成型過程中，在壓模處施加磁場，利于異向顆粒在磁場模具中克服摩擦力作用，充分轉動沿磁場取向，經預磁化處理制成的顆粒中所包含的單疇晶粒的磁矩已基本取向一致，易于在磁場中轉動，依外磁場取向。有利于產品在后續(xù)的充磁加工，提高永磁磁體的各項磁性能指標。圖2鐵磁物質的磁疇與粉料顆粒磁化前后的排列示意圖。

磁場取向壓力成型為：加料合模后接通取向磁場線圈，產生的強電磁場，使模腔內的微細顆粒自動取向，加壓完畢，自動接通反向磁場將坯件退磁，然后自動脫模。

充磁。永磁鐵氧體多極磁環(huán)廣泛應用于步進電機、儀器儀表、傳感器、定時器等新一代產品中，特別是多極磁環(huán)永磁電機，在同樣轉矩、功率等性能指標下，比之同類其它電機(如電勵磁電機、粘結永磁體多極轉子電機)更具結構簡單、體積小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點[7]。其工作原理為將電容器充以直流高壓電壓，然后通過一個電阻極小的線圈放電，產生脈沖電流的峰值可達數萬安培，使線圈內產生一個強大的磁場，將置于線圈中的硬磁材料永久磁化[8]。

磁體表磁分布的狀況將直接影響電器的性能，對于多極磁體的外表面、內表面和端面的表磁分布測試，直接采用高斯計進行手工測試精度低、誤差大、效率低，特別是多極充磁的磁環(huán)。

本文設計了一種環(huán)形磁體表磁分布測試裝置，見圖2，并對幾種永磁磁體進行檢測，分析了生產工藝中幾種常見的質量問題產生原因，為現場工藝控制提供依據。

圖3 環(huán)形磁表磁分布測試系統組成

1 磁體表磁測試系統

1.1 磁體表磁測試原理

由霍爾效應可知，確定電極的霍爾元件只敏感磁體表面法向磁場，磁體表面法向磁場對霍爾元件輸出不產生影響。磁體表面磁感是指磁體磁場的徑向分量與磁體回轉軸中心連線垂直，可以直接反映霍爾元件所在位置的表面磁感(磁場的徑向分量Br)。系統采用霍爾傳感器作為探頭，具有動態(tài)范圍寬、高靈敏度、線性特性好和集成度高等特點，可很好滿足磁場的測量系統的要求[9-10]。

1.2 磁體表磁測試系統基本要求

系統基本要求：能進行多環(huán)磁體的內、外及端面的表面磁分布測試，測試數據包括磁性元件的極數、平均極值、最大極值、最小極值(mT)、偏差(mT)、超差極值/偏差率(%)、極值點所在角度(h)、占空比和每極所占面積與角度等，并對測得數據進行分析。

測試圖形和數據可存盤及打印，或輸入統計結果程序進行進一步統計。為了適應不同精度及測試速度的要求，設定2種轉速，即3 r/min用于正常測試，1 r/min用于精準測試。為滿足特殊要求，也可調整程序控制步進電機轉速，標準極值和標準偏差可由用戶按需求自己設定或由計算獲得。

1.3 磁體表磁測試系統組成

環(huán)形磁表磁分布測試系統由機械、電機驅動和測試等部分組成。測試過程為：由PC機中的軟件控制電機轉向和轉速，帶動磁體夾持部分及磁體以一定速度旋轉，高斯計探頭將所拾得的數據送入PC機的A/D板進行數據轉換。由數據處理程序進行分析和顯示及統計等。為了適應不同尺寸的磁體和不同部位的測試，探頭支架可以方便地進行三坐標調整，以調整彈性探頭位置，使之與磁體表面剛好保持接觸。

（1）機械部分。機械部分主要功能是實現待測磁體的夾持、旋轉以及霍爾探頭位置的調整等。為提高測試精度，采用銅制精密三爪夾頭或加配其他專用夾具，可快速、穩(wěn)定地實現被測磁體夾緊和定位，并由步進電機直接驅動，按設定轉速旋轉。調整探頭位置和角度可保證探頭和磁環(huán)的相對位置，實現對磁環(huán)的內、外及端面表磁分布的測試。

（2）電機驅動。由于步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構，具有轉子慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。本文所測磁體在測試時，要求轉速低，功率小，因此傳動方案選擇直接用步進電機驅動，電機控制器結構如圖3所示[11]。系統采用步進電機驅動被測磁體，當電機接收到脈沖信號后，則按設定的方向轉動一固定角度(步距角)。采用PCI-7344為運動控制卡作為控制器，可用簡單易用的軟件工具實現對復雜運動的控制，也可通過PCI總線與微機直接通信，以及LabVIEW軟件進行用戶自定義及讀寫等操作。UMI-7764是一種與NI-7344運動控制卡相配套電機驅動接口。從而成為了控制系統的主要執(zhí)行元件之一[12-13]。

圖4 步進電機控制器結構

（3）測試部分

測試部分硬件由霍爾傳感器探頭、計算機、打印機及數據處理系統等組成。

霍爾傳感器探頭采集信號通過A/D轉換后送入TJSH—035高斯計與計算機對采集的數據進行處理與統計分析。

2 測試系統軟件設計

虛擬測試系統的硬件基礎為PC機，采用虛擬儀器技術(Virtual Instrument)進行開發(fā)。系統主要由PC機、DAQ插件卡、信號采集調理電路和支持軟件等組成。開發(fā)平臺選用美國NI公司的LabVIEW圖形編程語言，LabVIEW配有豐富的數字信號處理工具箱，適合虛擬儀器設計，所設計的儀器系統，需要配套技術和設備少，成本低，效益高。整套檢測（包括分析）儀器只需配備普通的PC機及A/D卡，配合機械部分即可使用。測試系統主控程序流程見圖5，圖6為詳細測試的用戶界面。

圖5 測試系統主控程序流程圖

軟件主要負責對整個系統進行協調和管理以實現如下各項功能：控制步進電機及控制部分；系統管理及數據采集、處理、存儲的載體；測試的原始數據分析處理。

圖6 系統測試界面

3 測試實例及分析

永磁磁體生產取向度越高，磁體產品的磁性能越好，鐵氧體永磁體產品的磁性能除取決于原料的外，還取決于與取向度直接相關的工藝，如磁場取向壓制成型和充磁工藝。在實際操作時，員工忽視了操作規(guī)程情況時有發(fā)生，導致產品出現不良品。

下面將使用環(huán)形磁體表磁分布測試裝置對幾個檢測結果簡單分析。

（1）測試實例1

圖6為2個磁瓦裝進機殼使用外部充磁的表磁分布曲線圖，其中(a)圖位置①可以看出曲線波峰寬度B的有效范圍縮窄。在曲線轉向另一磁極前再出現一個波窄峰，如圖中位置②。上述情況明顯不符合要求，其產生原因為磁瓦裝進機殼使用外部充磁時，由于磁鐵與純鐵極頭傳遞磁路的不完全重合所致。解決這類問題方法為對充磁極頭增加限位點，保證充磁時磁鐵與純鐵充磁極頭重合。

圖6(b)為檢測2極磁體表磁，分布曲線卻出現4極的波形，無法滿足要求。分析其產生原因為磁瓦裝入電機殼后再進行外部充磁時，充磁極頭無定位，操作時磁體垂直于純鐵充磁極頭所致。

圖6(c)所測曲線磁體表磁分布正常，結合其他各項磁性能指標，可確定其性能等級。

圖7 2極磁體表磁分布曲線

（2）測試實例2

圖8為4極鐵氧體磁環(huán)表磁分布曲線圖。由圖8(a)可看出，波峰不平滑、出現畸變極值點位置明顯偏離。由于永磁材料本身不均勻性、差異性及不穩(wěn)定性，再加之取向壓力成型工藝過程中磁場控制等問題所引起，有時還會在波峰處出現不規(guī)則的鋸齒波。此外，充磁頭的線圈在強大的電磁力作用下亦會產生變形，從而造成磁場波形的扭斜。

圖8(b)表明所測曲線為正常狀態(tài)。

（3）測試實例3

圖9為8極鐵氧體磁體使用空心線圈充磁所得表磁分布曲線，由圖9(a)可看出，8極波形中出現一極波峰低異常，如圖中位置①所示。分析產生原因為在磁體使用空心線圈充磁，由于線圈充磁有效范圍有限，充磁時磁鐵數量較多時，導致靠近線圈邊緣位置磁體充磁不良，形成弱磁。根據設計要求，該空心線圈每一次充磁磁體數量是一額定值，要求嚴格控制，不許超過。解決辦法：制定充磁技術要求，嚴格控制每一次充磁磁鐵數量。

圖9(b)為8極鐵氧體磁鐵表磁分布曲線，磁極分布均勻、曲線平滑，屬正常充磁所得曲線。

圖8 4極磁體表磁分布曲線

圖9 8極鐵氧體磁鐵表磁分布曲線圖

對于以上的實例，測試系統可計算，并顯示磁體極數、極值(mT)、偏差(mT)、偏差率(%)、極值點所在角度()、占空比和每極所占角度等磁體性能參數，均符合要求。圖10為環(huán)形磁表磁分布測試測試現場。

圖10 環(huán)形磁表磁分布測試

4 結論

本測試系統將計算機和虛擬儀器技術引入測量系統，改變手工操作的不便和復雜性，解決了多環(huán)測試的困難。與獨立儀器或組合式分立儀器比較，其主要優(yōu)點表現為：（1）具有性能穩(wěn)定、可靠、測試精確度和效率高及儀器裝卸方便快捷等優(yōu)點；（2）功能強大，易學易用，靈活性高，可適應不同測量指標要求；(3)自動產生測試報告，減輕了測試工作量，防止人為誤差；（4）在線、離線測試；(5)用戶可自定義測試的模式、功能等。

（1）磁體表磁分布測試系統的組成、功能與設計。該系統可實現計算機自動檢測和分析，提高了檢測精度及效率。

（2）簡要介紹了永磁鐵氧體制備工藝流程，并運用該系統對幾個永磁磁體進行了測試與簡要的對比分析，指出了產生質量問題的原因。

［1］郭德森，李輝.多極環(huán)形永磁體的應用與進展［J］.磁性材料及器件，2005，36（2）：31-37.

［2］許曉曙，楊智，楊昌林.濕法制備機械取向型永磁鐵氧體磁粉的工藝研究［J］.磁性材料及器件，1997，28（3）：53-55，62.

［3］嚴密，彭曉領.磁學基礎與磁性測量［M］.杭州：浙江大學出版社，2006.

［4］賴武性，易一浚.硬磁鐵氧體磁取向技術［J］.廣西大學學報（自然科學版），1989（3）：59-63.

［5］趙成，吳戈，趙勇，等.干壓磁場成型永磁鐵氧體特性及其制造［J］.現代電子技術，2004，（17）：22-23.

［6］劉長義.干壓磁場成型的工藝實驗［J］.磁性材料及器件，1984，15（3）：36-38.

［7］蔣芳芳，鄭穎.永磁鐵氧體多極磁環(huán)磁場取向和充磁系統研究［J］.磁性材料及器件，2006，37（3）：57-58，61.

［8］沈稼豐，董艷杰，周美蘭，等.國內充磁機的發(fā)展狀況及整體充磁機的主要技術問題［J］.哈爾濱電工學院學報，1996，19（3）：348-352.

［9］林安利.中國永磁磁性能測試現狀［C］.2004中國稀土永磁材料論壇論文集：中國，北京：2004：36-41.

［10］劉林發(fā)，魏新武，杜光泉，等.徑向充磁圓環(huán)磁鋼表面磁感分布及磁通量測量系統設計［J］.測控技術，2006，25（1）：73-76.

［11］毛計慶，云乃彰，孟軼，等.LabVIEW——快速構建步進電機控制系統的利器［J］.電機控制與應用，2009，36（1）：30-31，52.

［12］孫肖子，孫萬榮，楊頌華，等.測試集成和虛擬儀器——一種新的儀器設計思想和實踐［J］.電子技術應用，1996（1）：31-32.

［13］ NI Corporation.Virtual Instrument Manual［Z］.USA：1998.