漏磁探傷機勵磁元件分析仿真與優化

趙章焰，李鐘谷，范晨陽

（武漢理工大學物流工程學院，湖北 武漢430063）

1 引言

2 傳統漏磁探傷原理與不足

無縫鋼管是工業的“血管”，也是國家國防與科研的重要零件。鋼管在生產加工過程中，受各種因素影響，難免產生裂紋、孔洞、壁厚增減及腐蝕等缺陷，產生安全隱患[1-3]。因此，鋼管的探傷顯得尤為重要。

漏磁探傷是廣泛應用于無損檢測的領域，利用傳感器分析出缺陷對磁場的影響找到缺陷，具有無損、低成本、自動化程度高的優點。然而，傳統的漏磁探傷儀依靠勵磁線圈產生磁場，探傷過程中需要始終通電，發熱量大、能耗高并且線圈笨重，不僅容易產生安全隱患，還可能因為發熱導致磁場改變，影響傳感器精度，導致誤報。針對一種常見的雙邊磁化漏磁探傷儀進行分析優化，旨在提高磁場均勻性，提高永磁體利用效率，降低發熱，提高缺陷信號的一致性。

2.1 傳統漏磁探傷原理

軟磁體材料在沒有外界磁場激勵時，其內部團簇處于磁無序狀態，對外不顯磁性。受到外界磁場激勵并磁化到近飽和時，內部團簇排列有序，處于磁有序狀態，對外顯磁性。軟磁體無缺陷時磁感線均一有序，被約束在導磁材料內[4]。若被檢材料出現裂紋、氣孔、厚度增減等缺陷，則會產生較大的磁阻，磁感線會從導磁表面逸出，傳感器通過收集逸出的磁感線對被檢材料進行探傷分析，檢測結果以電信號輸出。

2.2 傳統漏磁探傷方式的不足

以MFL-551漏磁探傷機為例，它通過上下兩端的磁化線圈產生磁場對工件進行充磁。若被檢工件為外徑50mm壁厚20mm的空心鐵管，需要磁化線圈的功率達到100W以上，發熱量較大。外部磁場結構為直角過渡，用以導致磁感線逸出，浪費能量。上下極靴面積較小，使被檢工件上產生的磁場不均一，導致傳感器輸出信號帶有原理性波動。

表1 MFL-551漏磁探傷儀技術參數Tab.1 MFL-551 Magnetic Flux Leakage Detector Technical Parameters

3 優化模型的分析與建立

3.1 影響磁感應強度的因素分析

漏磁探傷機的磁場回路滿足磁路設計基本定理，即基爾霍夫第一定律和第二定律[5]。

第一定律即磁通連續原理：磁路的任一節點處，進入該處的磁通與離開該處的磁通的代數和為零∑Фi=0，即：

式中：μ0—磁性常數。

已知V=Sl，結合此式與式（3）、式（4）可得如下關系：

式中：Vm=Smlm—永磁體體積；Vg=Sglg—空氣間隙體積。

式（5）表示當空氣間隙的磁感應強度Bg確定后，如果選永磁體工作點()Bm·Hm=(B·H)max在最大磁能積點上，那么磁體體積Vm能夠減小。或者說當Vm、Vg確定后，如果通過設計不同的結構形式與磁體尺寸，使得永磁體保持在最大磁能積點上工作，則空氣間隙的磁感應強度Bg最高。因此最大磁能積(B·H)max的大小可以作為判斷永磁體品質的重要參數。

可以看出，當空氣間隙不變時，永磁體的尺寸決定了它的工作點，如果尺寸設計合理那么就能讓最大磁能積點與工作點重合，取得最大的經濟效益[6]。

3.2 優化模型的建立

根據之前的分析，磁場強度與距離的平方成反比[7]，原始模型矩形永磁體左右兩端距離鋼管的空氣間隙過大，導致永磁體利用率低。將永磁體改善為月牙形，增加與鋼管的包絡面，將大大提高永磁體的利用效率，使其工作在最佳磁能積點上。

原始模型與改進模型，如圖2、圖3 所示。利用Maxwell 3D進行建模，被檢鋼管外直徑60mm，內直徑40mm。磁感應強度云圖，如圖4 與圖5 所示。外邊框為外導磁回路，上下立體塊為永磁體，中間圓柱為被檢工件。改進模型優化了外導磁回路的直角，改變了永磁體的外形，擴大了極靴面積，降低了空氣間隙。

圖1 雙邊磁化結構簡圖Fig.1 Bilateral Magnetization Structure Diagram

圖2 原始模型Fig.2 Original Model

圖3 改進模型Fig.3 Improved Model

圖4 原始模型磁場仿真云圖Fig.4 Original Model

圖5 優化模型磁場仿真云圖Fig.5 Improved Model

4 磁場利用率與均勻性的賦權優化

采樣點示意圖，如圖6所示。采樣點磁感應強度示意圖，如圖7所示。

圖6 采樣點示意圖Fig.6 Sample Point Schematic

圖7 采樣點磁感應強度Fig.7 Sample Point Magnetic Induction

取鋼管與磁力探傷機的中心平面，以正上方為起點，沿逆時針方向依次提取13個點的磁感應強度進行分析，這13個點的波動程度反映了被檢工件上磁感應強度的均勻性，平均值可以反映永磁體利用率。優化過程中，兩個指標都應考慮。

4.1 永磁體利用率

從圖7可以看出改進型模型上每個采樣點的磁感應強度都比原始模型有所提高。為了定量衡量永磁體的利用率，特別引入“磁質比”概念，定義：

式中：Kn—第n種模型的磁質比，意義是將12個采樣點的磁感應強度的平均值除以永磁體的質量，單位是T/kg；Bi—第i個采樣點的磁感應強度，單位是T；mn—第n個模型中永磁體的質量，單位是kg。

永磁體沿圓周方向越長，與被檢工件的包絡面就越大，充磁效果越好，但是此時永磁體的質量也在增大，因此需要需找到最合適的包角。

本節設置五組對比仿真實驗來對比分析，模型，如圖8所示。仿真數據，如表2所示。

圖8 對比模型Fig.8 Contrast Model

表2 不同模型的仿真參數Tab.2 Simulation Parameters for Different Models

從表2的數據可知，c型永磁體的磁質比Kc最高，達到1.75T/kg，a、d、e型永磁體雖然平均磁場強度B高于c型，但是體積的增加速率高于磁感應強度B的增加速率，使最佳磁能積點偏移更嚴重，導致磁質比K的降低。

4.2 磁感應強度均勻性

若被檢工件外圓周面的磁感應強度B波動過大，將會人為導致傳感器輸出波形的周期性波動，影響檢測精度[9]。

將12個采樣點的數據進行求方差處理，量化衡量磁感應強度B的波動程度。

圖9 對比模型磁感應強度B趨勢Fig.9 Magnetic Induction Trend of Different Models

（a）（b）

圖10 對比模型磁感應強度B云圖Fig.10 Magnetic Induction of Different Models

4.3 賦權優化

利用漏磁探傷原理進行檢測時，如果缺陷方向與磁場方向垂直，此時信號波動最大，檢測效果最好。如果缺陷方向與磁場方向平行，此時信號極小，檢測效果弱，易造成漏檢。缺陷的方向與磁場方向傾斜的情況下檢測信號有不同程度的衰減[10]。

綜合看來，磁場均勻性對降低誤檢率更重要，令：

根據實際情況分析，ω1取0.2，ω2取0.35，ω3取0.45能更好得衡量檢測效果。

由圖11可知c型模型獲得最高評分，該模型在保證磁感應強度足夠大、永磁體利用率足夠高的情況下降低提高了磁場均勻性。

圖11 模型的賦權衡量參數fnFig.11 Model Weighting Measure with fn

5 實驗驗證

實驗采用的永磁體為稀土釹鐵硼永磁體，牌號為N45，其性能參數[8]，如表3所示。測量磁感應強度的磁力計型號為TB8620（5%精度）。由圖13可以看出，磁感應強度B仿真值與實測值十分相近，驗證了仿分析的正確性與可靠性。實驗值的數據均勻性較好，極值波動范圍為（1～1.35）T之間，對降低探頭信號的波動性起到了促進作用。

表3 N45釹鐵硼稀土永磁體性能測試Tab.3 Performance Test of N45 NdFeB Permanent Magnet

圖12 磁力計Fig.12 Magnetometer

圖13 仿真值與實測值對比Fig.13 Comparison of Simulated and Measured Values

6 結論

（1）針對傳統線圈勵磁方式進行改進，提出用稀土永磁體替代線圈的方式，有效降低發熱和能耗。

（2）對提高稀土永磁鐵的利用效率進行理論分析推導，找出使永磁體達到最大磁能積的相關因素。

（3）提出5種具體優化方案，并利用Maxwell 3D軟件進行有限元分析，設置12個采樣點，提取磁感應強度參數，對模型進行量化評價。

（4）提出“磁質比”概念，使永磁體的利用率具有量化指標。提出賦權衡量參數法，綜合最大磁感應強度、磁場均勻性、永磁體利用率三個指標對模型進行賦權評判。

（5）利用磁力計與永磁體實物進行實測，驗證了軟件仿真的可靠性。