Analyse avancée des données grâce aux systèmes uniques de mesure du champ magnétique de Magcam

Cet article montre comment Magcam inspecte un rotor à aimant permanent à flux radial d'un servomoteur.
Plus précisément, des méthodes d'analyse multiples pour détecter les problèmes magnétiques du rotor seront présentées. Ces méthodes sont incluses dans MagScope, le logiciel développé par Magcam. Les données magnétiques peuvent être obtenues avec le Rotor Scanner de Magcam ou le Combi Scanner de Magcam pour les aimants plats et les assemblages de rotors.  

Les analyses présentées dans cet article sont les suivantes :  

- Analyse du tracé du champ magnétique
- Analyse des pôles (analyse des coupes 1D)
- Analyse moyenne 1D
- Variations moyennes des pics
- Analyse de Fourier
- Analyse du couple de cogging 

Plongeons dans le vif du sujet. 

Avant la mesure magnétique, une mesure au laser est effectuée pour définir la position angulaire du rotor et pour pouvoir corriger le faux-rond.  

Positionnement angulaire à l'aide du capteur laser de Magcam
Positionnement angulaire

Mesures au laser

  • Positionnement angulaire: La position angulaire de 0° est définie sur le plan entre deux aimants voisins, comme le montre l'image ci-dessous. En utilisant le laser comme aide visuelle, le rotor a été fixé manuellement à la position de référence. Les données de mesure laser et magnétique peuvent ainsi être liées à la position physique de l'échantillon de rotor.  

Logiciel de correction de faux rond-MagScope
Correction du faux-rond
  • Correction du faux-rond : La fonction de correction de faux-rond du MagScope est utilisée pour corriger activement le faux-rond causé par les tolérances dans la géométrie du rotor et le serrage. Des mesures laser sont effectuées à 1 ou 2 positions axiales en utilisant l'arbre ou le corps du rotor comme référence, comme le montre l'image ci-dessous. À partir des mesures de surface effectuées, le faux-rond est extrait et activement compensé lors des mouvements ultérieurs. Après correction, le faux-rond est généralement inférieur à 1 µm et donc négligeable pour la plupart des applications. 

Laser-sweeps-body-radial-permanent-magnet-rotor-on-MagScope-software
Balayages laser sur le corps du rotor
  •  Balayages laser : Le scanner Magcam équipé d'un capteur laser permet d'effectuer des balayages laser, c'est-à-dire de mesurer la distance de la surface du rotor en balayant le long d'une ligne. Plusieurs configurations sont possibles :  

    • ϕ-balayages, en faisant tourner l'axe rotatif tout en mesurant à une ou plusieurs positions axiales,  

    • balayage en Z, balayage le long de la direction axiale à une ou plusieurs positions angulaires, 

    • Balayages X pour le scanner combiné de Magcam, mesurant le long de l'axe X à une ou plusieurs positions axiales. 

En outre, l'exécution de plusieurs balayages dans des étapes ultérieures le long d'une autre direction permet d'obtenir une cartographie complète de la surface en 2D. 

Minicube-3D-caméra de champ magnétique-mesurant-un-rotor-à-flux-radial-aimant-permanent

Mesures magnétiques

Toute la surface du rotor est mesurée avec la caméra de champ magnétique 3D MiniCube tout en compensant le faux-rond.
Le paramètre d'entrée du diamètre du rotor est fixé à 40,4 mm. Les mesures sont effectuées avec un décalage radial de 0,5 mm par rapport à la surface du rotor. L'image ci-dessous montre un rotor serré pendant la mesure.
Une résolution angulaire élevée de 0,1° est utilisée dans ces mesures pour fournir une cartographie détaillée du champ magnétique. La résolution axiale standard du MiniCube3D est de 0,1 mm.  

Analyse du rotor

Analyse du tracé du champ magnétique pour les trois composants
Analyse du tracé du champ magnétique pour les trois composants

Analyse du tracé du champ magnétique

Différents tracés peuvent être utilisés pour visualiser le champ magnétique. Le tracé standard est un tracé 2D exprimé en coordonnées cylindriques, comme le montre l'exemple ci-dessous. Le tracé 2D montre le champ magnétique (échelle de couleurs) en fonction de la position angulaire (axe Φ) et de la position axiale (axe Z). Les 4 pôles Nord (rouge) et 4 pôles Sud (bleu) apparaissent clairement. 

  • Tracé 2D de la composante Br (radiale) - fenêtre rouge 

  • Tracé 2D de la composante Bt (tangentielle) - fenêtre noire

  • Tracé 2D de la composante Ba (axiale) - fenêtre bleue

magcam-champ magnétique-surface-plot
Exemple de tracé de surface

Outre les tracés 2D standard en couleur, les tracés de surface sont également utilisés pour visualiser les données dans un tracé à trois axes. Un exemple est présenté dans la capture d'écran ci-dessous. 

magcam-image-statistiques
Résultats des statistiques sur les images

Statistiques sur les images

Dans MagScope, les statistiques d'image fournissent la caractérisation générale du champ magnétique mesuré. Parmi les paramètres clés, on peut citer

  • Min/Max ; les extrema globaux sur le graphique couleur 2D

  • Plage ; la valeur crête à crête ou la différence entre min et max

  • Valeur moyenne ; moyenne de tous les points de données, censée être égale à 0 en cas de symétrie nord-sud parfaite.

  • Moyenne Valeur abs ; moyenne de la valeur absolue de tous les points de données

  • NS-asymmetry ; caractérisation de l'asymétrie entre le champ global du Nord et celui du Sud

  • RMS ; la valeur moyenne quadratique du tracé, caractérisant la force d'un signal périodique.

  • Facteur de forme, c'est-à-dire facteur de forme, caractérisant la forme d'un signal périodique - indépendant de l'amplitude

Analyse du champ magnétique du pôle Magcam
Analyse des pôles

Analyse des pôles (analyse de la découpe 1D)

Pour l'analyse des pôles, on utilise généralement une découpe 1D du champ magnétique 2D sur l'axe du rotor. Il est également possible d'utiliser le champ intégré ou moyenné sur l'ensemble de la plage axiale, comme indiqué plus loin dans l'article.

Premièrement, l'amplitude et la position angulaire des extrema sont automatiquement extraites. Ensuite, la largeur des pôles est déterminée avec précision par les deltas entre les passages à zéro détectés automatiquement sur le graphique. Les variations de la largeur des pôles autour du delta de 45° attendu peuvent être identifiées à partir de ces résultats, souvent utilisés dans le cadre du contrôle de la qualité (QC).

Cette analyse contient les éléments suivants, comme indiqué dans la figure ci-dessous :

  • Tracé 2D de la composante Br - fenêtre rouge

  • Tracé 1D de la composante Br à la position du centre axial du rotor - noir fenêtre

  • Détection automatique du minimum, du maximum, du passage à zéro et de l'angle du pôle - bleu fenêtre

  • Statistiques de l'image du tracé 1D, y compris le RMS et le facteur de forme - fenêtre verte

Analyse Magcam-moyenne-1D
Analyse 1D moyenne

Analyse 1D moyenne

Un traitement supplémentaire est effectué pour fournir des résultats plus moyens qui sont moins sensibles aux variations locales. Par conséquent, la partie magnétique réelle est supprimée du tracé en 2D. Ensuite, les données sont moyennées sur l'axe Z. On obtient ainsi un tracé 1D (comme l'analyse du tracé) du champ moyen sur l'ensemble de la surface. On obtient ainsi un tracé 1D (comme l'analyse du tracé) du champ moyen sur la surface de l'aimant en fonction de la position angulaire sur le rotor. Ceci peut être identifié dans les captures d'écran des éléments suivants, comme indiqué dans la figure ci-dessous :

  • Tracé 2D de la composante Br sur la surface de l'aimant - fenêtre rouge

  • Tracé 1D de la composante moyenne de Br sur la surface de l'aimant - noir fenêtre

  • Détection automatique des minimums, maximums et passages à zéro - bleu fenêtre

  • Statistiques de l'image du tracé 1D, y compris le RMS et le facteur de forme - vert fenêtre

    La même analyse des pôles que celle décrite ci-dessus (analyse des pôles) peut maintenant être effectuée sur les valeurs moyennes.

Magcam-variations-moyennes-crêtes-analyse-de-champ-magnétique
Variations moyennes des crêtes

Variations moyennes des crêtes

La figure ci-dessous montre la valeur absolue du même tracé 1D moyen. Ensuite, l'échelle est agrandie uniquement pour montrer le pic moyen de chacun des pôles. C'est ce que montre l'image ci-dessous, qui contient les éléments suivants :

  • Tracé 2D de la composante Br sur la surface de l'aimant - rouge fenêtre

  • Tracé 1D de la valeur absolue de la composante moyenne de Br sur la surface de l'aimant - noir fenêtre

  • Paramètres de mise à l'échelle, zoomés sur les valeurs maximales du graphique - bleu fenêtre

Cette vue peut être utilisée comme aide visuelle pour identifier les variations, telles que les harmoniques de 1er, 2e ou ordre supérieur, qui peuvent être liées à des déséquilibres de crête. Cette vue permet également de visualiser les asymétries Nord-Sud, où tous les pôles Nord/Sud sont plus grands ou plus petits. Les sections suivantes présentent des méthodes d'analyse plus détaillées pour quantifier ces défauts éventuels.

Analyse Magcam-fourier
Analyse de Fourier

Analyse de Fourier

Une analyse de Fourier est également effectuée sur les tracés 1D moyennés. Le spectre d'amplitude de la sortie de la FFT est illustré dans la figure ci-dessous. Il contient les éléments suivants :

  • Tracé 2D de la composante Br sur la surface de l'aimant - rouge fenêtre

  • Tracé 1D de la composante moyenne de Br sur la surface de l'aimant - noir fenêtre

  • Tracé 1D des amplitudes FFT (Br) du tracé 1D moyen - bleu fenêtre

  • Paramètre THD du tracé 1D moyen - vert fenêtre

Cela permet de comparer l'amplitude de certaines harmoniques entre différents rotors. Si certaines harmoniques supérieures sont connues pour causer des problèmes NVH, elles peuvent être vérifiées dans les données magnétiques. Cela peut se faire soit par leur amplitude mesurée, soit par l'amplitude relative à l'harmonique principale. Dans cet exemple, l'harmonique principale est le signal de 4e ordre, c'est-à-dire une onde sinusoïdale qui apparaît quatre fois en une rotation de l'échantillon (360°).

La distorsion harmonique totale (THD) est un paramètre utilisé pour caractériser la distorsion cumulée dans le champ causée par les harmoniques supérieures. La DHT pour cet échantillon est de 4,83 %, la fréquence de référence étant l'harmonique d'ordre 4.

Dans une analyse plus détaillée, l'amplitude de chaque harmonique peut être tracée en fonction de la position axiale. Cette caractéristique permet de localiser avec précision l'emplacement axial d'une certaine composante de fréquence, ce qui peut indiquer un défaut local sur le rotor ou dans l'un des aimants.

Analyse du couple de cliquetis Magcam
Analyse du couple de cogging

Analyse du couple de cogging

L'analyse du couple de cogging de MagScope utilise les données de mesure et un modèle de stator de base pour simuler le couple de cogging produit par le rotor. Par exemple, le signal de sortie de l'analyse est proportionnel au couple de cogging que le rotor mesuré produirait dans un stator parfait simplifié avec les mêmes paramètres que le stator réel. Ce modèle de stator est basé sur les paramètres suivants :

Paramètres du modèle de stator pour le couple de cogging

Paramètres

Valeur d'usage

Nombre de dents du stator

36

Largeur de la fente

4,20 mm

Largeur de la dent

7,58 mm

Longueur du stator

26,50 mm

 

Cela correspond à un facteur de marche de 64,332 %, le facteur de marche étant défini comme suit
Coefficient d'utilisation =(largeur de la dent) / (largeur de la fente+largeur de la dent)

 

La figure ci-dessous montre l'analyse du couple cogging dans MagScope, construite à partir des éléments suivants :

  • Tracé 1D de la composante moyenne de Br sur la surface de l'aimant - rouge fenêtre

  • Tracé 1D du signal de couple cogging calculé, proportionnel au couple cogging réel - noir fenêtre

  • Tracé 1D des amplitudes FFT du signal du couple de cogging, avec les extrema max. bleu fenêtre

  • Réglages du couple de cogging - vert fenêtre

Ces résultats peuvent être comparés entre différents échantillons. Dans de nombreux cas d'utilisation, l'amplitude de la sortie FFT fournit des différences significatives entre les échantillons de rotor avec des différences de couple de cogging connues. L'un des paramètres suivants est souvent détecté comme ayant une valeur plus élevée : (A) l'harmonique principale du signal de couple de cogging, (B) la valeur crête à crête, ou (C) l'amplitude d'autres harmoniques par rapport à l'harmonique principale. Une fois qu'un tel défaut est observé, les autres données magnétiques et géométriques peuvent être utilisées pour identifier les causes plausibles du couple de cogging plus élevé (par exemple, désalignement tangentiel des aimants, asymétrie NS, écarts d'angle dans les aimants individuels, ...).

En utilisant les fonctions standard du MagScope, tous les paramètres et les données d'analyse mentionnés ci-dessus peuvent être exportés automatiquement pour une analyse plus poussée, par exemple l'analyse statistique de grands ensembles de données, ou peuvent être directement utilisés pour la classification succès/échec dans les applications de production. Pour plus d'informations sur les fonctionnalités de MagScope, veuillez consulter la page MagScope ci-dessous ou nous contacter.