CN103412037B - 用于各向异性永磁材料磁取向检测的快速无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于各向异性永磁材料磁取向检测的快速无损检测方法，其包括如下的步骤：调节磁场发生装置所产生的磁场强度；将所述磁感强度测试仪的检测探头设置在所述磁场发生装置所产生磁场的检测区域内，调整好检测探头的检测方向；将所述待检测永磁材料的各对侧面以垂直于所述磁场磁力线的方向放置到所述磁场发生装置所产生磁场内，观察所述磁感强度测试仪的读数。其利用永磁材料可逆磁化区和各向异性的特点，创造性地开发出了用于检测永磁材料产品磁取向的快速无损检测方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种各向异性永磁材料的检测方法，具体地涉及在一种用于各向异性永磁材料磁取向检测的快速无损检测方法。
背景技术
各向异性永磁材料(以下简称永磁体)，包括钕铁硼永磁体、铁氧体永磁体等，作为一种具有优异磁性能的功能材料，近年来得到了长足发展，其在工业中的应用领域及规模也在不断的扩大。永磁材料在生产过程及产品交付中，通常处于非充磁性状态，因此，无法对永磁材料的取向方向进行直接判断，易导致切割加工或使用过程中的永磁体取向方向错误，引起永磁体甚至于终端产品如电机等报废。
Nb-Fe-B永磁产品的生产过程如下：得到Nb-Fe-B永磁块材之后，在垂直于易磁轴(c轴)的方向切割，获得最终产品，经尺寸及磁性能检验合格后，包装，发货给客户。从上述过程我们可以看出，在对Nb-Fe-B永磁块材进行加工时，确保切割取向无误是保证最终磁材性能的前提和基础，一旦发生切割取向的错误，就会直接造成产品无法使用，成为废品。
而在实际生产中，这种切割取向错误往往会被忽视，从而造成少量取向不良品(废品)掺杂于大量正常产品中未被发现而被当作合格品被发往客户端，而在“合格产品”中所存在的这种取向不良品，就像是一枚枚的定时炸弹一样，会在后续的生产工序中造成如下的连锁反应，一块磁性能不良品会导致一个电机不良品的产生，一个电机不良品会导致一台压缩机不良品的产生，进而引起产品不良索赔。这样，不仅给公司，同时也给下游的客户公司带来巨大的经济损失，严重者还可能会导致客户公司对公司产品的不信任，无疑会给公司业务带来巨大的影响。
为判断永磁体的取向方向，同时判断产品中有无存在取向不良现象，传统的方法是对永磁体进行深度充磁后观察其是否能够实现正常充磁，如果充磁不成功则表明材料存在取向不良的问题，而成功充磁的产品则判断为合格产品。然而，如前面所提到的，永磁材料在生产过程及产品交付中，通常处于非充磁性状态，因此，上述合格产品需要在检测完成之后通过不断改变外磁场方向、同时减少外磁场强度的方法来退磁，然而，一旦剩磁降低到某一强度时，所需加的有效外磁场很难掌控，磁性不易彻底退去。为研究剩磁较小时的退磁问题，邹俭英等在(大学物理，第30卷第12期，45-47)中报道，当剩磁较小时，很难实现完全退磁，原因在于此时的剩磁值与所加反向外磁场之间已不遵循前面的“使磁感应强度略大于原剩磁值”规律，即使加反相磁场至B超过原剩磁大小几倍时，都无法实现有效退磁，检测剩磁一般在200～300Gs。可见，上述退磁过程不仅工序繁琐，且由于检测剩磁的存在，会对永磁材料的磁性能造成影响。由于客户需要的是未充磁的产品，无疑充磁检测方法是破坏性的，经检测后的产品也变为了废品。显然，为了排除大批产品中可能存在的为数不多取向不良品而进行这样的破坏性检测，会造成巨大的经济损失。再则，分析检测的本身也要求所开发的检测方法具有高效性，不应造成生产工时的太多增加，否则会影响产品的交期，同时，检测过程不能造成太多的人力消耗，否则会造成人工成本的成倍增加。
因此，寻求一种能够在不破坏磁材性能的前提下简单高效地检测磁材取向的方法，对于避免由于块材加工过程中出现切割取向错误而引起的不良品掺入正常产品具有十分重大的生产和实践意义。
为了解决这一问题，亟待开发出一种能够快速，准确且对产品性能无影响的分析检测方法来测试材料的磁取向。
发明内容
本发明的目的在于提供了用于各向异性永磁材料磁取向检测的快速无损检测方法，其利用永磁材料可逆磁化区和各向异性性能，创造性地开发出了用于检测永磁材料产品磁取向的快速无损检测方法。
本发明采用的一种技术方案如下：
一种用于各向异性永磁材料磁取向检测的快速无损检测方法，包括如下的步骤：
1)准备待检测的永磁材料、磁感强度测试仪和磁场发生装置；
2)所述待检测各向异性永磁材料的可接受残磁区设定为0～100Gs，测定所述待检测永磁材料的可接受残磁区所对应的最大检测磁场强度；
3)调节所述磁场发生装置所产生的磁场强度，使其在所述最大检测磁场强度的1/150以上至所述最大检测磁场强度未满的区间内；
4)将所述磁感强度测试仪的检测探头设置在所述磁场发生装置所产生磁场的检测区域内，调整好检测探头的检测方向；
5)将所述待检测永磁材料的各对侧面以垂直于所述磁场磁力线方向放置到所述磁场发生装置所产生磁场内，观察所述磁感强度测试仪的读数。
所述待检测永磁材料放置前后，所述磁感强度测试仪的读数显著增加，则认为所述待检测永磁材料的一对侧面所在的方向为其磁场取向方向；若所述磁感强度测试仪的数值读数无显著增加，则认为所述待检测永磁材料的一对侧面所在的方向为其非磁场取向方向。这里所述的无显著增加为略有减少、显著减少或略有增加之情形。
需要说明的是，为帮助理解“显著”变化，本发明用置信区间的方式来定义衡量：不在置信度为95％的置信区间中的检测数据，我们认为是发生了“显著”变化的数据。当然，也可以使用其它统计或检验方法排除可疑值。
图1中显示了永磁材料的典型初始磁化曲线，可以发现，当磁场强度由零逐渐增大时，存在一可逆磁化过程(即图中的O-A段)，在可逆磁化阶段内，当外加磁场强度降为零时，材料的磁化强度(M)(或磁感应强度B)将沿原曲线减小到零，此时的磁化曲线是线性的，没有剩磁或磁滞。但是，在实际操作过程中，可逆磁化区域是很难直接测试出来的，因此，我们选择在待检测永磁材料表面残留的磁感强度不超过100Gs区间的磁场强度作为检测磁场强度。一般来说，在待检测永磁材料表面残留磁感强度不超过100Gs时，不会影响后续工艺的顺利进行。
图1中，O-A段为可逆壁移，A-B为不可逆壁移，B-C为磁矩转动。
再加上，对于永磁材料来说，由于其性能的各向异性，导致其易磁化轴与难磁化轴在相同磁场强度作用下的磁化曲线的差异(如图2所示)。由图2可以看出，即使是在极小的磁场作用下，当沿被测材料的易磁化轴2进行充磁时，材料都会表现出一定的磁化强度(M)或磁感应强度(B)，但在同等条件下，难磁化轴1却很难磁化，而表现出很弱的磁化强度或磁感应强度。
基于上述两方面的原理，我们提出上述检测永磁材料磁取向的无损检测方法，其通过对检测时的磁场强度的控制，可避免破坏性检测现象的发生，并利用永磁材料的各向异性，可以很方便地确认被检产品的取向是否存在错误。
本发明虽然仅仅列举了采用上述方法来检测永磁材料的情形，但是，在实际使用时，其也同样适用于软磁材料之情形。
在推荐的实施例中，所述待检测永磁材料可接受残磁区所对应的最大检测磁场强度设定为所述待检测永磁材料的矫顽力的0.55倍，优选为所述待检测永磁材料的矫顽力的0.50倍。由于材料的可逆磁化是由于材料的不完美性导致的，导致其结构中总是不可避免的存在着晶体缺陷、夹杂物和以某种形式分布的内应力，这些结构的不均匀性导致了对畴壁迁移的阻力，而使起始磁化率降为有限值，导致壁移磁化有可逆和不可逆之分。因此，材料的可逆磁化区域会因材料成分，结构变化而发生变化，由此意义上来说，对于一个新的磁体材料，我们是无法给出其可逆磁化区间的。但是据文献报道，可以采用反映材料磁性能的重要参量——矫顽力来对材料的可逆磁化区间进行预测，永磁材料从可逆磁化过程到不可逆磁化过程的临界外磁场强度大约接近该材料矫顽力的0.55倍。因此，在按照本专利方法进行材料磁取向检测时，只要将检测外磁场强度控制在材料矫顽力的0.55倍以下，均可以控制待检测永磁材料表面残留磁感强度小于100Gs。
需要说明的是，由于稀土永磁体的矫顽力极高(8kGs以上)，因此，其可接受残磁区所对应的最大检测磁场强度理论值极高，而并不适合在开放环境中应用，在实际应用中，在磁场发生装置所产生的磁场强度超过5000Gs时，存在以下的问题：1)过高的磁场强度会对人体造成伤害；2)由于待检测永磁材料会被强大吸引力吸住，甚至于难以移动，可操作性不强。因此，建议在磁场发生装置所产生的磁场强度不超过5000Gs的情形中使用。
在推荐的实施例中，所述待检测永磁材料为方形体结构，并选自铁氧体磁铁或稀土永磁体。
在推荐的实施例中，所述的磁感强度测试仪为高斯计(或可称特斯拉计)，无需特意购买检测设备，适用性强。
在推荐的实施例中，所述的磁场发生器为任意磁场发生装置，如磁体、电磁铁等。
在推荐的实施例中，所述的磁场发生器为一磁性体，所述磁性体与所述被检测对象之间存在间隔。所述间隔由非磁性材料制成，具体可以是不锈钢板、铝板、塑料板或玻璃板等。
本发明采用的另一种技术方案如下：
一种用于各向异性永磁材料磁取向检测的快速无损检测方法，包括如下的步骤：
1)准备待检测的方形体永磁材料、磁感强度测试仪和磁场发生装置；
2)所述待检测各向异性永磁材料的可接受残磁区设定为0～100Gs，测定所述待检测永磁材料的可接受残磁区所对应的最大检测磁场强度；
3)调节所述磁场发生装置所产生的磁场强度，使其在所述最大检测磁场强度的1/150以上至所述最大检测磁场强度未满的区间内；
4)将所述磁感强度测试仪的检测探头设置在所述磁场发生装置所产生磁场的检测区域内，调整好检测探头的检测方向；
5)将所述待检测永磁材料的各对非取向面以垂直于所述磁场磁力线方向放置到所述磁场发生装置所产生磁场内，观察所述磁感强度测试仪的读数。
所述待检测永磁材料放置前后，若所述磁感强度测试仪的数值读数无显著增加，则认为所述待检测永磁材料的各对非取向面所在的方向均为其非取向面，产品合格。这里所述的无显著增加为略有减少、显著减少或略有增加之情形。
上述检测过程中，所有的样品均在难磁轴方向(以生产设计为依据)的条件下进行充磁检测，可尽可能减少对被测产品的破坏作用。
与现有技术相比，本发明具有如下的特点：
1、本专利提出的方法是在磁性材料可逆磁化强度范围内对磁性材料进行磁取向检测，不需要对被检测对象进行深度充磁检测，对产品性能无影响，尤其是检测后磁性材料无明显的剩磁特征，是一种无损检测方法；
2、本检测方法准确可靠、简便易行、灵敏度高、检测效率高；
3、本检测方法可用于各种形状、各种规格被测磁性材料的工业化大批量检测，用途极为广泛；
4、本检测方法只需要配备有一台高斯计(或称特斯拉计)，且可以采用手持式的，对检测仪器要求不高，同时，本方法在检测时可以实现多片样品的同时检测，检测耗时短，效率高，保守估计其工作效率为：1000片/人/天。
附图说明
图1为铁磁性材料的典型初始磁化曲线；
图2为磁晶体各向异性场；
图3-1和图3-2为本发明实施例的检测状态图。
具体实施方式
现结合具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例1
1.1实验仪器与试样
Model460型高斯计：美国LakeShore；
HT108毫特斯拉计：中国
外加场：本实验中采用尺寸规格为34.6×27.5×22.8mm的NdFeB磁铁产品经外磁场充磁后作为外加磁场源；
玻璃板：用于隔开外加磁场源与被测产品，其比较平滑，方便被测产品的拿取、移动；
被测产品：疑似存有取向不良的NdFeB磁铁产品批次，方形体结构，尺寸：15.00×15.00×2.00mm，2mm方向为取向方向，样品的矫顽力约为：10kOe。
1.2实验原理
生产中，产品是沿垂直于易磁化轴(c轴，取向轴)方向进行切割，得到的产品为c轴厚度很薄(约2mm)的具有矩形截面的方形体，这就方便我们可同时取多个样品进行检测，可大大提高检测效率。检测过程为了尽可能减少对被测产品的破坏作用，所有的样品均在平行于难磁轴方向(以生产设计为依据)的条件下进行充磁检测。
举例来说，大量合格品中掺有为数不多的取向不良品，因此，为了提高测试效率，可一次取多片样品进行检测，一旦发现高斯计测试值显著增加，则再在检测的多片样品中分批检测，从而检出不良品。
1.3实验方法
1)取10片未充磁的正常钕铁硼产品8片，2片取向异常的产品，首先用LakeShore460磁通计分别测试磁铁厚度方向与磁力线方向平行或垂直时的表磁，并记录相应的数据。
2)外加场的建立：
将充过磁的34.6×27.5×22.8mm的NdFeB磁铁3放置于HT108高斯计5的检测台上，然后在其上面放置一有一定厚度的玻璃板4，玻璃板4的放置有两个目的：其一就是尽量减小被检测对象所受到的磁场作用(控制在可逆磁化强度范围内)；其二为了隔绝磁性体与被检测对象，避免因其直接接触而带来的充磁现象。调节玻璃板与磁场源之间的距离，使玻璃面上的最大磁场大小约为：170Gs。
3)设置HT108高斯计5的检测警报限为19Gs，调节高斯计检测探针的与磁场源3之间的高度，调节HT108高斯计5与被测样品11、12之间的距离，使测试值显示为：17.1～19.2Gs。
4)如图3-1和图3-2中所示，先将5片产品叠加进行测试，分别让磁铁厚度方向与磁力线方向平行、垂直，之后再将每一片样品单独进行测试，测试也分别让磁铁厚度方向与磁力线方向平行、垂直，测试完成后再分别测试产品的表磁，最终数据如表1中所示：
表1检测结果
*A：五个样品(1-5与6-10)叠加进行测试厚度方向与磁力线方向平行，HT108高斯计5的读数；
B：五个样品(1-5与6-10)叠加进行测试厚度方向与磁力线方向垂直，HT108高斯计5的读数；
C：单个样品，样品厚度方向与与磁力线方向平行，HT108高斯计5的读数；
D：单个样品，样品厚度方向与与磁力线方向垂直，HT108高斯计5的读数；
从上表可以看出，通过计算，C列数据(样品厚度方向与磁力线方向平行)置信度为0.95的置信区间为[17.31，18.51]，D列数据(样品厚度方向与磁力线方向垂直)置信度为0.95的置信区间为[18.63，19.11]，可以很容易地找出取向错误的产品为7、8号产品，而测试前后样品表磁的大小也说明了采用这种方法来测试产品的取向，不会对产品进行充磁，不会对产品的磁性能产生不良影响，测试后的正常产品无需任何额外处理工作即可交付客户。
研究表明，本方法对永磁材料的性能无影响，而且检测准确性高，可信度高，而且检测效率高，能够适用于工业大规模生产所需要。
实施例2
1.1实验仪器与试样
Model460型高斯计：美国LakeShore；
HT108毫特斯拉计：中国
外加场：本实验中采用尺寸规格为34.6×27.5×22.8mm的NdFeB磁铁产品经外磁场充磁后作为外加磁场源；
玻璃板：用于隔开外加磁场源与被测产品，其比较平滑，方便被测产品的拿取、移动；
被测产品：疑似存有取向不良的NdFeB磁铁产品批次，方形体结构，尺寸：15.00×15.00×2.00mm，样品的矫顽力约为：10kOe。
1.2实验原理
生产中，产品是沿垂直于易磁化轴(c轴，取向轴)方向进行切割，得到的产品为c轴厚度很薄(约2mm)的具有矩形截面的方形体，这就方便我们可同时取多个样品进行检测，可大大提高检测效率。检测过程为了尽可能减少对被测产品的破坏作用，所有的样品均在平行于难磁轴方向(以生产设计为依据)的条件下进行充磁检测。
举例来说，大量合格品中掺有为数不多的取向不良品，因此，为了提高测试效率，可一次取多片样品进行检测，一旦发现高斯计测试值显著增加，则再在检测的多片样品中分批检测，从而检出不良品。
1.3实验方法
1)取10片未充磁的正常钕铁硼产品11，2片取向异常的产品12，首先用LakeShore460磁通计测试产品的表磁，并记录相应的数据。
2)外加场的建立：
将充过磁的34.6×27.5×22.8mm的NdFeB磁铁3放置于HT108高斯计5的检测台上，然后在其上面放置一有一定厚度的玻璃板4，玻璃板4的放置有两个目的：其一就是尽量减小被检测对象所受到的磁场作用(控制在可逆磁化强度范围内)；其二为了隔绝磁性体与被检测对象，避免因其直接接触而带来的充磁现象。调节玻璃板与磁场源之间的距离，使玻璃面上的最大磁场大小约为：5kGs。
3)设置HT108高斯计5的检测警报限为19Gs，调节高斯计检测探针的与磁场源3之间的高度，调节HT108高斯计5与被测样品11、12之间的距离，使测试值显示为：17.1～19.2Gs。
4)如图3-1和图3-2中所示，先将5片产品叠加进行测试，分别让磁铁厚度方向与磁力线方向平行、垂直，之后再将每一片样品单独进行测试，测试也分别让磁铁厚度方向与磁力线方向平行、垂直，测试完成后再分别测试产品的表磁，最终数据如表2中所示：
表2检测结果
*A：五个样品(1-5与6-10)叠加进行测试厚度方向与磁力线方向平行，HT108高斯计5的读数；
B：五个样品(1-5与6-10)叠加进行测试厚度方向与磁力线方向垂直，HT108高斯计5的读数；
C：单个样品，样品厚度方向与磁力线方向平行，HT108高斯计5的读数；
D：单个样品，样品厚度方向与磁力线方向垂直，HT108高斯计5的读数；
从上表可以看出，通过计算，C列数据(样品厚度方向与磁力线方向平行)置信度为0.95的置信区间为[18.72，19.10]，D列数据(样品厚度方向与磁力线方向垂直)置信度为0.95的置信区间为[18.72，19.36]，可以很容易地找出取向错误的产品为7、8号产品，测试前后样品表磁的大小说明了采用这种方法来测试产品的取向，不会对产品进行充磁，不会对产品的磁性能产生不良影响，测试后的正常产品无需任何额外处理工作即可交付客户。
研究表明，本方法对永磁材料的性能无影响，而且检测准确性高，可信度高，而且检测效率高，能够适用于工业大规模生产所需要。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于各向异性永磁材料磁取向检测的快速无损检测方法，包括如下的步骤：
1)准备待检测的永磁材料、磁感强度测试仪和磁场发生装置；
2)所述待检测永磁材料的可接受残磁区设定为0～100Gs，测定所述待检测永磁材料的可接受残磁区所对应的最大检测磁场强度；
3)调节所述磁场发生装置所产生的磁场强度，使其在所述最大检测磁场强度的1/150以上至所述最大检测磁场强度未满的区间内；
4)将所述磁感强度测试仪的检测探头设置在所述磁场发生装置所产生磁场的检测区域内，调整好检测探头的检测方向；
5)将所述待检测永磁材料的各对侧面以垂直于所述磁场磁力线的方向放置到所述磁场发生装置所产生磁场内，观察所述磁感强度测试仪的读数；
6)所述待检测永磁材料放置前后，所述磁感强度测试仪的读数显著增加，则认为所述待检测永磁材料的一对侧面所在的方向为其磁场取向方向；若所述磁感强度测试仪的数值读数无显著增加，则认为所述待检测永磁材料的一对侧面所在的方向为其非磁场取向方向；所述的显著增加为不在置信度为95％的置信区间中的检测数据。
2.根据权利要求1中所述的一种用于各向异性永磁材料磁取向检测的快速无损检测方法，其特征在于：所述最大检测磁场强度设定为所述待检测永磁材料的矫顽力的0.55倍。
3.根据权利要求1或2中所述的一种用于各向异性永磁材料磁取向检测的快速无损检测方法，其特征在于：所述待检测永磁材料为方形体结构，并选自铁氧体磁铁或稀土永磁体。
4.根据权利要求3中所述的一种用于各向异性永磁材料磁取向检测的快速无损检测方法，其特征在于：所述的磁感强度测试仪为高斯计。
5.根据权利要求4中所述的一种用于各向异性永磁材料磁取向检测的快速无损检测方法，其特征在于：所述的磁场发生装置为一磁性体，所述磁性体与所述待检测永磁材料之间存在间隔。
6.一种用于各向异性永磁材料磁取向检测的快速无损检测方法，包括如下的步骤：
1)准备待检测的方形体永磁材料、磁感强度测试仪和磁场发生装置；
2)所述待检测永磁材料的可接受残磁区设定为0～100Gs，测定所述待检测永磁材料的可接受残磁区所对应的最大检测磁场强度；
3)调节所述磁场发生装置所产生的磁场强度，使其在所述最大检测磁场强度的1/150以上至所述最大检测磁场强度未满的区间内；
4)将所述磁感强度测试仪的检测探头设置在所述磁场发生装置所产生磁场的检测区域内，调整好检测探头的检测方向；
5)将所述待检测永磁材料的各对非取向面以垂直于所述磁场磁力线方向放置到所述磁场发生装置所产生磁场内，观察所述磁感强度测试仪的读数；
6)所述待检测永磁材料放置前后，若所述磁感强度测试仪的数值读数无显著增加，则认为所述待检测永磁材料的各对非取向面所在的方向均为其非取向面，产品合格；所述的显著增加为不在置信度为95％的置信区间中的检测数据。
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