霍尔效应法永磁体表面磁场强度分布的测试

28孙梦翔等：霍尔效应法永磁体表面磁场强度分布的测试电工材料2020No.3霍尔效应法永磁体表面磁场强度分布的测试

孙梦翔，陈杭武，谢志斌，王顺杰

（宁波市计量测试研究院/国家磁性材料产业计量测试中心，浙江宁波315048）

摘要:永磁体广泛应用于能源、交通、家电、医学等众多领域,表面磁场强度是永磁体重要的磁性能参数

之一，测量的准确与否直接影响着产品的质量与应用前景。目前,磁材组件表面磁场强度测试常用的

是霍尔效应法，由于配套的霍尔探头存在着无具体封装尺寸等技术缺陷，导致永磁体表面磁场强度的

测量数据失去可比性。

关键词:永磁体;霍尔效应;表磁分布;测试

中图分类号:TG132.2+72文献标志码:A文章编号:1671-8887（2020）03-0028-04

DOI:10.16786/ki.1671-8887.eem.2020.03.008

Measurement of Magnetic Field Intensity Distribution on

the Surface of Permanent Magnet by Hall Effect Method

SUN Mengxiang,CHEN Hangwu,XIE Zhibin,WANG Shunjie

(Ningbo Institute of Measurement and Test,National Magnetic Material Industry Measurement and

Test Center,Ningbo315048,China)

Abstract:Permanent magnet is widely used in energy,transportation,home appliances,medicine

and many other fields.The surface magnetic field strength is one of the important magnetic perfor­

mance parameters of permanent magnet.The accuracy of measurement directly affects the quality

and application prospects of products.At present,the Hall effect method is commonly used to

measure the surface magnetic field strength of the magnetic components.Because the matching

Hall probe has no specific package size and other technical defects,the measurement data of the

surface magnetic field strength of the permanent magnet lose comparability.

Key words:permanent magnet;Hall effect;surface magnetic distribution;test

引言

永磁材料是电工材料的重要组成部分,永磁体表面磁场强度（以下简称表磁）是永磁体重要的磁性能参数之一。表磁分布的有效测量既有利于提高永磁体的产品质量，又有利于提高永磁体器件的研发与应用水平。特别是永磁电机的生产，需要在磁瓦或磁环上进行单极、斜向、外周与内周多极充磁等，较为准确地测量永磁电机转子或磁环的表磁分布显得非常重要。目前，特斯拉计或高斯计的量值已能得到有效的溯源，霍尔效应磁强计也能通过均匀磁场得到校准。在均匀磁场中，霍尔元件的封

作者简介：孙梦翔（1962-）,男（汉族）,浙江台州人，高级工程师，主要从事计量技术与仪器仪表研究。

收稿日期：2019-09-23装厚度不影响磁场强度的测量值，因此，成套表磁测量设备的量值准确性没有问题。而在实际应用中的测量条件与设备校准存在明显的差异，永磁体外形及距离测试点的空间位置与磁场强度密切相关，一般来说永磁体外表面的磁场强度向外是衰减的非均匀磁场。生产厂家一般不提供霍尔探头准确的封装厚度尺寸，因此无法获得测试的实际距离，导致每款表磁测量仪测量的表磁值均不一致，使表磁的测试数据失去可比性。

1测试原理

将带线性霍尔元件的探头置于磁场强度为H 的磁场中，当通过直流电流/时，带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用引起的偏转，则在与电流和磁场平

电工材料2020 No.3

孙梦翔等：霍尔效应法永磁体表面磁场强度分布的测试

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面法线方向上产生一个大小与电流/和磁场B 乘积 成正比的电位差，即霍尔电势线性霍尔传感器

探头具有线性度好，灵敏度高，工作温度范围宽，探

头的正面或反面均可测量，对磁体的南极或北极都 有响应的特点。霍尔元件的工作原理如图1所示。

霍尔电势〃：

U= IB cos 6/ned

(1)

式中：/为激励直流电流;B 为磁感应强度；0为磁感 应强度B 与元件平面法线的夹角；”为单位体积内

载流子或自由电子浓度；e 为电子电量；d 为元件 厚度。

设Kw=\lned,则

U=K H IB cos 0

(2)

式中:K h 为霍尔系数。

从式(2)可知有三个变量，当人0两个变量不变

时，第三个变量B 可用于磁感应强度测量。当!、B 两个变量不变时，第三个变量0可用于角度测量。

当B 、0两个变量恒定时,第三个变量/可作为电流传

感器用于电流测量。变换式(2)可得磁感应强度：

B= K ti Icose

⑶

将磁场强度/7=8/“代入式(3),得

H= K H /!lcos0

(4)

令R1/K 昭,代入式(4),则磁场强度H 为

式中M 为比例系数。

从式(5)可得，当磁感应强度B 与元件平面法线

的夹角一致，即0=0时,磁场强度H=kU/I 。而在实际 测试过程中发现，由于永磁体样品形状各异，封闭

的磁力线分布复杂，样品安装在旋转平台上的同心

度等，使探头难以找准磁场平面的法线，目前也没 有有效的方法测得夹角的丈小。即使在检定特斯

拉计标准装置上的均匀磁场中，要找法线也是采用 间接的方法，即在均匀磁场中缓慢地转动霍尔探

头，使探头测得的磁场强度为最大时，认为已找准 了磁场平面的法线，严格地说找到的该“法线”是磁

感应强度平均值的等效法线。

2测试实例分析

表磁分布测量常用表磁分布测量仪。表磁分

布仪主要由高斯计或特斯拉计、线性霍尔传感器及 旋转平台等集成而成，主要应用于柱形永磁体、多 极磁环、磁瓦及电机转子等表磁分布的测量。通过

旋转固定在平台上的被测样品，获得表磁连续的测 试数据，经数据智能分析与处理，得出表磁最大值、

最小值、平均值、实验标准差及二维磁场分布曲线 图等。 .

2.1采用表磁分布测试仪测试

表磁分布测试仪主要由机箱、支架、样品台、测 量探头等组成，机箱内有驱动被测样品旋转的步进

电机和智能测控电路，样品台配置三爪卡盘用于夹 持被测样品，支架用于支撑和调整磁场测量探头的 座标，使探头与被测样品之间处于合适的测量位

置。测试选取20个010.2mm 微型永磁电机转子，

为了减少测距不稳定带来的测量误差，将探头贴着

样品,20个样品的测试数据如表1所示。

表1探头贴着样品时的表磁测量结果

编号1

23

4

5

67

8910

最大值/mT

115.98

103.29

110.12

109.88

106.43

110.03104.23

106.40

111.77

113.63最小值/mT 90.47

93.92

93.00

91.178&00

92.76

94.4791.17

101.58

101.40编号

11

12

13

14

15

16

171819

20

最大值/mT 112.57

110.43106.98106.37

107.77

111.01

110.70106.55

111.62

102.22

最小值/mT

85.4790.84

95.2090.4499.05

88.4687.82

87.1487.51

90.20