マグカム独自の磁場測定システムによる高度なデータ解析

この記事では、Magcamがサーボモーターのラジアルフラックス永久磁石ローターを検査する様子を紹介します。
具体的には、ローターの磁気的な問題を検出するための複数の分析方法を紹介します。これらの方法は、Magcamの自社開発ソフトウェアであるMagScopeに含まれています。磁気データは、Magcamのロータースキャナー、またはフラットマグネットやローターアセンブリ用のMagcamのコンビスキャナーのいずれかを使って得ることができます。  

本記事での分析内容は以下の通りです。  

- 磁場プロット解析
- ポール解析(1次元切り出し解析)
- 平均1次元解析
- 平均ピーク変動
- フーリエ解析
- コギングトルク解析 

さっそく潜入してみましょう。 

磁気測定の前に、ローターの角度位置を定義し、振れを補正できるようにするためのレーザー測定が実施されます。  

マグカムのレーザーセンサーを使った角度位置決め方法
アンギュラーポジション

レーザー計測

  • 角度位置決め。0°の角度位置は、下の写真に示すように、隣り合う2つの磁石の間の平面上に定義されます。 レーザーを視覚的な補助として使用し、ローターを基準位置に手動でクランプしました。このように、レーザーと磁気の測定データは、ローターサンプルの物理的な位置とリンクさせることができます。  

振れ取り補正-マグスコープソフトウェア
振れ補正
  • ランアウト補正を行います。マグスコープの振れ補正機能は、ローター形状やクランプの公差によって生じる振れを積極的に補正するために使用されます。下図のように、シャフトまたはローター本体を基準として、1~2軸の位置でレーザー計測を実施します。測定された表面寸法から振れが抽出され、その後の動作の中で積極的に補正されます。補正後の振れ幅は一般的に1μm以下であり、ほとんどの用途で無視できます。 

レーザースイープボディラジアル永久磁石ローターオンマグスコープソフトウェア
ローターボディーのレーザースイープ
  •  レーザースイープ レーザーセンサーを追加したMagcamのスキャナーは、レーザースイープ、つまり線に沿ってスイープしながらローター表面の距離を測定することが可能です。複数のコンフィギュレーションが可能です。  

    • φスイープ、1つ以上の軸位置で測定しながら回転軸を回転させる。  

    • Zスイープ、軸方向に沿って1つまたは複数の角度位置でスイープする。 

    • MagcamのCombi ScannerのX-sweep、1つまたは複数の軸位置でX軸に沿って測定します。 

また、別の方向に沿って複数回のスイープを行うことで、完全な2Dサーフェスマッピングが可能です。 

Minicube-3D-磁場カメラでラジアルフラックス永久磁石ローターを計測する。

磁気測定

ローター全面をMiniCube 3D磁場カメラで 振れを補正しながら測定します。
ローター直径の入力パラメータは40.4mmに設定されています。測定は、ローター表面から0.5mmのラジアルオフセットで行われます。下の写真は、測定中にクランプされたローターを示しています。
これらの測定では、0.1°という高い角度分解能が使用され、磁場の詳細なマッピングが行われます。MiniCube3Dの標準的な軸分解能である0.1mmが使用されています。  

ローター解析

3成分磁場プロット解析
3つのコンポーネントの磁場プロット解析

磁場プロット解析

磁場を可視化するために、さまざまなプロットを使用することができます。標準的なプロットは、以下の例に示すように、円筒座標で表現された2Dプロットです。この2Dプロットは、磁場(カラースケール)を角度位置(Φ軸)と軸方向位置(Z軸)の関数として示しています。これにより、4つの北極(赤)と4つの南極(青)を明確に示しています。 

  • Br(半径)成分の2Dプロット -赤色ウィンドウ 

  • Bt(接線)成分の2Dプロット -ブラックウィンドウ

  • Ba成分(軸方向)の2Dプロット - 青窓

マグカム磁場曲面プロット
サーフェスプロット例

標準的な2Dカラープロット以外に、3軸プロットでデータを可視化するサーフェスプロットも使用できます。その例を下のスクリーンショットに示します。 

magcam-image-statistics(マグカムイメージスタティスティックス
画像統計結果

画像統計

マグスコープではイメージ統計は、測定された磁場の一般的な特性を提供します。重要なパラメータには以下のようなものがあります。

  • Min/Max;2Dカラープロット上の全体の極値

  • 範囲;ピーク・ツー・ピーク値または最小値と最大値の差

  • 平均値:全データの平均値。完全な南北対称の場合は0となる。

  • 平均値;すべてのデータポイントの絶対値の平均値

  • NS-asymmetry;南北のフィールド全体の非対称性を特徴づける。

  • RMS; プロットの平均平方根値で、周期的な信号の強さを特徴付ける。

  • 周期的な信号の形状を特徴づける形状因子、すなわちフォームファクター - 振幅に依存しない

Magcam-pole-magnetic-field-analysis(マグカムポールマグネティックフィールドアナリシス)。
ポールの解析

ポール解析(1次元切り出し解析)

磁極解析には、ローターの中心線上の2次元磁場を1次元的に切り出したものが一般的に使用されます。また、記事の中でさらに示されているように、軸方向の全範囲にわたる積分または平均化された磁場を使用することも可能である。

まず、極点の振幅と角度位置が自動的に抽出されます。次に、グラフ上で自動的に検出されたゼロクロス間のデルタによって、極幅が正確に決定されます。この結果から、予想される45°のデルタを中心とした極幅のばらつきを特定することができ、品質管理(QC)によく利用されています。

この分析は、下図に示すように、以下の要素を含んでいます。

  • Br成分の2Dプロット -赤色ウィンドウ

  • ローターの軸心位置におけるBr成分の1次元プロット-黒色 ウィンドウ

  • 最小値、最大値、ゼロクロス、ポール角の自動検出 -。 ウィンドウ

  • 1次元プロットの画像統計(RMS、シェイプファクターなど)-。 グリーンウィンドウ

Magcam-平均-1D-アナリシス
平均1次元解析

平均1次元解析

局所的なばらつきの影響を受けにくい、より平均化された結果を提供するために、さらに処理を行う。そのため、2Dプロットから実際の磁性体部分を切り出します。次に、データをZ軸上で平均化します。これにより、ローター上の角度位置の関数として、磁石表面上の平均磁場の1Dプロット(プロット解析のようなもの)が得られます。これは、以下の要素のスクリーンショットで、下図に示すように確認することができます。

  • 磁石表面上のBr成分の2Dプロット図 赤窓

  • 磁石表面の平均的なBr成分の1Dプロット。 ウィンドウ

  • 最小値、最大値、ゼロクロスの自動検出 -。 ウィンドウ

  • RMSとシェイプファクターを含む1Dプロットの画像統計 -グリーンウィンドウ

    上述と同じ極の解析(極解析)が、平均値に対して実行できるようになりました。

Magcam-平均ピーク変動-磁場解析-Magnetic-Field-Analysis
平均ピーク変動

平均ピーク変動

下図は、同じ平均1次元プロットの絶対値です。次に、各極の平均ピークを表示するために、スケールだけを拡大したものです。これを示すのが、以下の要素を含む画像である。

  • 磁石表面上のBr成分の2Dプロット図 ウィンドウ

  • 磁石表面の平均的なBr成分の絶対値の1Dプロット。 ウィンドウ

  • スケーリングパラメーター、グラフのピーク値まで拡大表示 - 。 ウィンドウ

これは、ピークインバランスに関連する1次、2次、または高次の高調波などの変動を特定するための視覚的な補助として使用することができます。また、南北の非対称性を可視化することも可能で、南北の極がすべて大きくなったり小さくなったりする。次のセクションでは、これらの可能性のある不具合を定量化するための、より詳細な分析方法を説明します。

Magcam-fourier-analysis(マグカムフーリエ解析
フーリエ解析

フーリエ解析

平均化された1D Plotsに対して、さらにフーリエ解析が行われます。FFT出力の振幅スペクトルを下図に示す。 これには以下の要素が含まれています。

  • 磁石表面上のBr成分の2Dプロット図 ウィンドウ

  • 磁石表面の平均的なBr成分の1Dプロット。 ウィンドウ

  • FFT(Br)の振幅を平均化した1Dプロット-。 ウィンドウ

  • 平均的な1DプロットのTHDパラメータ-。 翠色 ウィンドウ

これにより、異なるローター間で特定の高調波の振幅を比較することができます。ある種の高い高調波がNVHの問題を引き起こすことが知られている場合、磁気データでこれらをチェックすることができます。これは、測定された振幅または主高調波に対する振幅のいずれかによって行うことができます。この例では、主高調波は4次信号、すなわち、サンプルの1回転(360°)に4回現れる正弦波です。

高次高調波によるフィールドの累積歪みを特徴付けるパラメータとして、全高調波歪み(THD)があります。このサンプルのTHDは4.83%で、基準周波数は4次高調波とされています。.

より詳細な分析では、各高調波の振幅を軸方向の位置の関数としてプロットすることができます。この機能により、ある周波数成分の正確な軸方向位置を特定することができ、ローターやマグネットの局所的な不具合を指摘することができる。

Magcam-cogging-torque-analysis(マグカムコギングトルクアナリシス
コギングトルク解析

コギングトルク解析

マグスコープのコギングトルク解析は、測定データと基本的なステーターモデルを使用して、ローターが引き起こすであろうコギングトルクをシミュレートします。例えば、解析の出力信号は、実際のステーターと同じパラメーターを持つ簡略化された完全なステーターにおいて、測定されたローターが発生するであろうコギングトルクに比例します。このステーターモデルは、以下のパラメータに基づいています。

コギングトルクステータモデルパラメータ

パラメータ

使用価値

ステーター歯数

36

スロット幅

4.20mm

歯幅

7.58mm

ステーター長

26.50 mm

 

これは64.332%のデューティサイクルに相当し、デューティサイクルは以下のように定義される。
デューティ・サイクル =(歯幅) / (スロット幅+歯幅)

 

下図は、以下の要素で構築されたMagScopeのコギングトルク解析の様子です。

  • 磁石表面の平均的なBr成分の1Dプロット。 ウィンドウ

  • 実際のコギングトルクに比例して計算されたコギングトルク信号の1Dプロット -。 ウィンドウ

  • コギングトルク信号のFFT振幅の1Dプロット(最大極値 -)。 ウィンドウ

  • コギングトルク設定-。 翠色 ウィンドウ

これらの結果は、異なるサンプル間で比較することができます。多くの使用例では、FFT出力の振幅によって、コギングトルクの差が既知のローターサンプル間で大きな差が生じます。コギングトルク信号の主高調波、(B)ピーク・トゥ・ピーク値、(C)主高調波に対する他の高調波の振幅など、次のパラメータのいずれかが高い値であることがしばしば検出される。このような欠陥が検出されると、他の磁気的および幾何学的データを使用して、コギングトルクが高くなる原因(磁石の接線方向のずれ、NS-非対称、個々の磁石の角度ずれ、など)を特定することができます。

MagScopeの標準機能を使用すると、上記のすべてのパラメータと分析データを自動的にエクスポートして、大規模なデータセットの統計分析など、さらなる分析を行ったり、生産アプリケーションの合否判定に直接使用したりすることができます。MagScopeの機能の詳細については、下記のMagScopeのページをご覧いただくか、弊社までお問い合わせください。