Magnetfeld-Kameras Permanentmagnet-Rotoren zuverlässig prüfen

Bild 1. Unten: Magnetfeld-Kamerasensormodul (MiniCube) mit einem zu vermessenden Ringmagneten. Über der Kamera ist der Sensor-Chip abgebildet, der unter die Kamera-Oberfläche eingebaut ist. Oben: Darstellung der erfassten 2D-Magnetfeldverteilung des 4-Pol-Ringmagneten.
Bild 1. Unten: Magnetfeld-Kamerasensormodul (MiniCube) mit einem zu vermessenden Ringmagneten. Über der Kamera ist der Sensor-Chip abgebildet, der unter die Kamera-Oberfläche eingebaut ist. Oben: Darstellung der erfassten 2D-Magnetfeldverteilung des 4-Pol-Ringmagneten.

Permanentmagneten sind in immer mehr technologischen Produkten integriert – von Antrieben bis hin zu Sensoren. Die Magneteigenschaften zuverlässig zu prüfen ist aufwendig und oft auch zeitintensiv. Ein Magnetfeld-Kamerasystem von Magcam prüft selbst kunstoffgebundene, multipolare Magnete präzise und schnell.

Mit einem Magnetfeld-Kamerasystem bietet Magcam NV eine Antwort auf die stetig steigenden Anforderungen an die Qualität und Genauigkeit von Permanentmagneten. Letztere sind in Sensorsystemen und Antrieben u.a. im Automobil und in der Industrie zu finden. Je nach Anwendung soll eine Vielzahl von Magneteigenschaften innerhalb enger Toleranzgrenzen liegen, sie können aber mit klassischen Magnetprüfsystemen oft nicht ausgewertet werden.

Mit dem Magnetfeld-Kamerasystem für tiefgehende, genaue und schnelle Inspektion von Permanentmagneten können Messaufgaben mit hoher Geschwindigkeit gelöst werden, die bisher praktisch unmöglich waren – etwa Untersuchungen an kunststoffgebundenen, multipolaren Magneten oder an einachsigen Magneten mit Abmessungen von nur wenigen Millimetern. Auch im Bereich von elektrischen Antrieben mit Permanentmagnet-Rotoren (PM-Rotoren) kann die Magnetfeld-Kamera angewendet werden.

Die Magcam-Technologie basiert auf einem patentierten Chip, der ein hoch integriertes 2D-Array mit mehr als 16.000 Hall-Sensoren beinhaltet. Damit ist es möglich, die Magnetfeldverteilung in einem Bereich von 13 × 13 mm² mit einer Auflösung von 0,1 mm quantitativ zu erfassen. Das System benötigt dafür weniger als eine Sekunde und kommt dabei vollständig ohne bewegte Teile aus. Größere Flächen werden mittels eines mechanischen Scan-Systems mit hoher Geschwindigkeit abgetastet, wobei Einzelbilder durch einen Stitch-Algorithmus kombiniert werden.

Zum Lieferumfang gehört auch die Software MagScope, mit deren Hilfe die erfassten Daten in Echtzeit analysiert und grafisch dargestellt werden. Algorithmen ermöglichen dabei eine schnelle und exakte Bestimmung der magnetischen Eigenschaften: Dazu zählen u.a. magnetische Asymmetrien, Inhomogenitäten und lokale Materialfehler ebenso wie der vollständige Magnetisierungsvektor, Abweichungen vom „perfekten“ Magneten, Winkel- und Abstandsmessungen zwischen Nulldurchgängen, die Ermittlung der exakten Magnetposition. All diese quantitativen Ergebnisse lassen sich mit benutzerdefinierten Fehlertoleranzen vergleichen, was eine automatisierte Qualitätskontrolle in Echtzeit erlaubt.

Zu den wichtigsten Eigenschaften eines PM-Rotors gehört seine Magnetfeldverteilung, deren Qualität eine Vielzahl von Motor-Charakteristiken bestimmt, darunter Leistung, Wirkungsgrad, Rastmoment usw. Die magnetische Qualitätsprüfung des Rotors ist demzufolge ein wichtiges Thema, sowohl in der Entwicklung als auch in der Produktion elektrischer Antriebe. Eine magnetische Qualitätsprüfung kann – je nach der Produktionskette – während unterschiedlicher Stadien des Herstellungsprozesses durchgeführt werden:

  • Prüfung der individuellen Magnete, aus welchen der Rotor aufgebaut ist,
  • Prüfung von Submodulen des Rotors,
  • Prüfung des Komplett-Rotors.

Auf letzterem liegt der Fokus dieses Artikels, wobei angenommen wird, dass die Magnete im Rotor schon magnetisiert sind und der Rotor noch nicht in den Stator eingebaut ist. In vielen Fällen sind diese Voraussetzungen gegen Ende des Produktionsprozesses erfüllt.

Messen mit Magnetfeld-Kamera

Das Prinzip der Magnetfeld-Kamera basiert auf einem hochintegrierten 2D-Raster von 128 × 128 (= 16.384) mikroskopischen Hall-Sensoren auf einem einzelnen Silizium-Chip, mit dem blitzschnelle und hochauflösende Messungen der Magnetfeldverteilung von Permanentmagneten erfasst werden können. Der Abstand sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung zwischen den Einzelsensoren auf dem Chip beträgt 0,1 mm. Jeder Einzelsensor hat eine aktive Fläche von 40 × 40 µm² und misst die Senkrechtkomponente des lokalen Magnetfeldes. Das Sensor-Array wird elektronisch mit hoher Rate abgetastet. Innerhalb einer Sekunde entsteht so ein quantitatives und hochauflösendes Bild der Magnetfeldverteilung über eine Fläche von 12,8 × 12,8 mm². Bild 1 zeigt die MiniCube-Magnetfeld-Kamera mit einem zu vermessenden Magneten sowie eine Grafik einer erfassten Magnetfeldverteilung.

Die Magnetfeld-Kamera kann jede Submatrix der 128 × 128 großen Sensormatrix auswerten, indem man sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung den Beginn- und den End-Pixel sowie die Schrittgröße zwischen den beiden einstellen kann. Dadurch ist es möglich, den Sensor z.B. mit halber Auflösung zu verwenden, indem man nur jeden zweiten Sensor abtastet. Ebenso kann man auch nur einen Sensor kontinuierlich abfragen oder eine einzelne Zeile vermessen. Letzterer Zeilenscanmodus wird für die Inspektion von PM-Rotoren in diesem Artikel verwendet.

Die Sensoren auf dem Sensorchip werden sequenziell abgefragt, wobei jeder ca. 50 µs Messzeit in Anspruch nimmt. Die Gesamtzeit für die Messung einer Zeile ist die Anzahl von Sensoren in der Zeile multipliziert mit den 50 µs pro Sensor. Die Messzeiten für einige typisch verwendete räumliche Auflösungen werden in Tabelle 1 aufgelistet.

 Räumliche Auflösung Anzahl Sensoren pro Zeile Messzeit pro Zeile 
 0,1 mm 128 6,4 ms
 0,2 mm 64 3,2 ms
 0,4 mm 32 1,6 ms
Tabelle 1. Messzeiten pro Sensorzeile