利用 Magcam 独特的磁场测量系统进行高级数据分析

本文将展示 Magcam 如何检测伺服电机的径向磁通永磁转子。
具体来说,将介绍检测转子磁性问题的多种分析方法。这些方法包含在 Magcam 内部开发的软件MagScope 中。磁性数据可通过 Magcam 的转子扫描仪或 Magcam 的Combi 扫描仪获取,用于平面磁铁和转子组件。  

本文的分析包括以下内容:  

- 磁场图分析
- 磁极分析(一维剖面分析)
- 平均一维分析
- 平均峰值变化
- 傅立叶分析
- 齿槽转矩分析 

让我们直接进入主题。 

在进行磁性测量之前,需要进行激光测量,以确定转子的角度位置,并校正跳动。  

使用 Magcam 的激光传感器进行角度定位
角度定位

激光测量

  • 角度定位:如下图所示,0° 角位置是在两个相邻磁铁之间的平面上确定的。 利用激光作为视觉辅助,转子被手动夹紧到参考位置。这样,激光和磁性测量数据就可以与转子样品的物理位置联系起来。  

跳动校正-MagScope 软件
跳动校正
  • 跳动校正:MagScope 的跳动校正功能用于主动校正转子几何形状和夹具公差引起的跳动。如下图所示,以轴或转子本体为基准,在 1 或 2 个轴向位置进行激光测量。从测量的表面测量值中提取跳动值,并在随后的运动中进行主动补偿。校正后的跳动一般低于 1 µm,因此在大多数应用中可以忽略不计。 

激光扫描体径向永久磁铁转子--MagScope 软件
转子体上的激光扫描
  •  激光扫描:Magcam 扫描仪带有附加的激光传感器,可进行激光扫描,即在沿线扫描的同时测量转子表面的距离。可进行多种配置:  

    • ϕ-扫描,旋转旋转轴,同时测量一个或多个轴向位置、  

    • Z 向扫描,在一个或多个角度位置沿轴向扫描、 

    • 用于 Magcam 的Combi 扫描仪的 X 扫描,在一个或多个轴向位置沿 X 轴进行测量。 

此外,在随后的步骤中沿着另一个方向进行多次扫描,可实现完整的二维表面映射。 

微型立方体三维磁场相机测量径向通量永磁转子

磁性测量

使用MiniCube 3D 磁场相机 测量整个转子表面,同时对跳动进行补偿。
转子直径输入参数设置为 40.4 毫米。测量是在距离转子表面 0.5 毫米的径向偏移处进行的。下图显示了测量过程中夹紧的转子。
这些测量采用 0.1° 的高角度分辨率,以提供详细的磁场映射。标准 MiniCube3D 轴向分辨率为 0.1 毫米。  

转子分析

所有三个组件的磁场图分析
所有三个组件的磁场图分析

磁场图分析

可以使用不同的图来直观显示磁场。标准图是以圆柱坐标表示的二维图,如下图所示。二维图显示了磁场(色标)与角度位置(Φ 轴)和轴向位置(Z 轴)的函数关系。这清楚地显示了 4 个北极(红色)和 4 个南极(蓝色)。 

  • Br(径向)分量的二维图 -红色窗口 

  • Bt(切向)分量的二维图 -黑色窗口

  • Ba(轴向)分量的二维图 - 蓝色窗口

磁场表面图
曲面图示例

除了标准的二维彩色图外,曲面图还可用于将数据可视化为三轴图。下面的截图就是一个例子。 

magcam-image-statistics
图像统计结果

图像统计

在 MagScope 中,图像统计图像统计提供了测量磁场的总体特征。其中一些关键参数包括

  • 最小值/最大值;二维彩色图上的总体极值

  • 范围;峰峰值或最小值与最大值之差

  • 平均值;所有数据点的平均值,如果南北完全对称,则预期为 0

  • 平均绝对值;所有数据点绝对值的平均值

  • NS-不对称;描述整个南北气田之间的不对称情况

  • RMS:图中的均方根值,表征周期信号的强度

  • 形状因数,即形式因数,表征周期信号的形状--与振幅无关

Magcam 极磁场分析仪
极点分析

极点分析(一维切口分析)

在磁极分析中,通常使用转子中心线上二维磁场的一维剖面图。或者,也可以使用整个轴向范围内的积分磁场或平均磁场,如文章中进一步说明的那样。

首先,自动提取极值的振幅和角度位置。其次,通过图形上自动检测到的零交叉点之间的三角洲精确确定极点宽度。从这些结果中可以识别出极点宽度在预期 45° 三角形附近的变化,通常用于质量控制 (QC)。

如下图所示,该分析包含以下要素:

  • Br 分量的二维图 -红色窗口

  • 转子轴向中心位置 Br 分量的一维图-黑色 窗口

  • 自动检测最小值、最大值、零交叉和极角 蓝色 窗口

  • 一维图形的图像统计,包括均方根和形状系数--绿色窗口 绿色窗口

Magcam-average-1D-analysis
平均一维分析

平均一维分析

进一步处理是为了提供更平均的结果,使其不易受局部变化的影响。因此,实际的磁性部分会从二维图中剪除。接下来,对 Z 轴上的数据进行平均处理。这样就得到了磁体表面平均磁场随转子角度位置变化的一维曲线图(如曲线分析)。如下图所示,这可以从以下内容的截图中识别出来:

  • 磁体表面 Br 分量的二维图 - 红色窗口 红色窗口

  • 磁体表面平均 Br 分量的一维图 - 黑色 黑色窗口

  • 自动检测最小值、最大值和零交叉点 蓝色窗口

  • 一维绘图的图像统计,包括均方根和形状系数 -绿色窗口

    现在可以对平均值进行与上述相同的极点分析(极点分析)。

磁场分析仪-平均峰值变化-磁场分析
平均峰值变化

平均峰值变化

下图显示的是同一平均 1D 图的绝对值。然后,将比例尺放大,只显示每个极点的平均峰值。如下图所示,包含以下内容:

  • 磁体表面 Br 分量的二维图 - 红色 红色窗口

  • 磁体表面平均 Br 分量绝对值的一维图 - 黑色 黑色窗口

  • 缩放参数,放大到图表上的峰值 - 蓝色 蓝色窗口

这可以作为一种可视化辅助工具来识别变化,例如与峰值不平衡相关的一阶、二阶或高阶谐波。该视图还可以直观地显示南北不对称现象,即所有南北极都会变大或变小。以下章节将提供更详细的分析方法来量化这些可能存在的缺陷。

马格卡姆-傅里叶分析法
傅立叶分析

傅立叶分析

在平均一维图上,进一步进行傅立叶分析。FFT 输出的振幅频谱如下图所示。 其中包含以下元素

  • 磁体表面 Br 分量的二维图 - 红色 红色窗口

  • 磁体表面平均 Br 分量的一维图 - 黑色 黑色窗口

  • FFT (Br) 振幅平均值的一维图 - 蓝色 蓝色窗口

  • 平均 1D 图的 THD 参数 - 绿色 绿色 窗口

这样就可以比较不同转子之间某些谐波的振幅。如果已知某些高次谐波会导致 NVH 问题,则可在磁数据中检查这些谐波。这可以通过其测量振幅或相对于主谐波的振幅来实现。在本例中,主谐波是 4 阶信号,即在样本旋转 1 圈(360°)中出现 4 次的正弦波。

总谐波失真 (THD) 是用来描述高次谐波引起的场累积失真的参数。该样本的总谐波失真为 4.83%,参考频率为 4 次谐波。.

在更详细的分析中,每个谐波振幅都可以绘制成轴向位置的函数图。这一功能可以精确定位某个频率分量的轴向位置,进而指出转子或某个磁铁的局部缺陷。

磁力仪齿槽转矩分析
齿槽转矩分析

齿槽转矩分析

MagScope 的齿槽转矩分析使用测量数据和基本定子模型模拟转子可能产生的齿槽转矩。例如,分析的输出信号与测量转子在简化的完美定子中产生的齿槽转矩成正比,该定子的参数与实际定子相同。该定子模型基于以下参数:

齿槽转矩定子模型参数

参数

使用价值

定子齿数

36

插槽宽度

4.20 毫米

齿宽

7.58 毫米

定子长度

26.50 毫米

 

这意味着占空比为 64.332 %,占空比定义为
占空比=(齿宽) / (槽宽+齿宽)

 

下图显示了 MagScope 中的齿槽转矩分析,由以下元素构成:

  • 磁体表面平均 Br 分量的一维图 - 红色 红色窗口

  • 计算出的齿槽转矩信号一维图,与实际齿槽转矩成比例 - 黑色 黑色窗口

  • 齿槽扭矩信号 FFT 幅值的一维图,最大极值为 蓝色窗口

  • 齿槽转矩设置 - 绿色 绿色 窗口

这些结果可以在不同样本之间进行比较。在许多使用案例中,FFT 输出的振幅会在已知齿槽转矩差异的转子样本之间产生显著差异。通常会检测到以下参数之一具有较高的值:(A) 齿槽转矩信号中的主谐波,(B) 峰峰值,或 (C) 相对于主谐波的其他谐波的振幅。一旦观察到这样的缺陷,就可以利用其他磁性和几何数据来确定产生较大齿槽转矩的可能原因(例如,磁体的切向偏差、NS 不对称、单个磁体的角度偏差......)。

利用 MagScope 的标准功能,上述所有参数和分析数据均可自动导出,以便进行进一步分析,例如对大型数据集进行统计分析,或直接用于生产应用中的合格/不合格分类。有关 MagScope 功能的更多信息,请查看下面的 MagScope 页面或联系我们。