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:10.16786/2020.03.008
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
29
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
特斯拉效应的夹角一致，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，认为已准 了磁场平面的法线，严格地说到的该“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
30
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2020 No.3
将表1中的表磁数据转换为表磁曲线，如图2 所示，可以看出20个样品之间表磁的最大值与最小
值之间的一致性较差。
图2表磁曲线
2.2采用三维空间磁场精密测量系统测试
三维空间磁场精密测量系统能实现空间三维 磁场的精密测量。磁测探头及探杆安装在三座标
移动平台上，设备采用高精度六爪卡盘，不允许探 头接触到样品测量，一旦探头碰触样品将自动停
机。测磁路径参数设定以后，移动平台带动测磁探 头在磁场空间移动，自动生成位置点与测磁数据对 应的磁场分布系列数据文件。表磁分布的测试同
样通过旋转固定在平台上的被测样品进行。原厂
配套的三维磁场探头相对较薄，提供的具体尺寸如
图2所不，图中FSV 是霍尔兀件,X tot 是探头厚度，
X tot 是探头宽度,Ksv 是封装霍尔元件的厚度，齐sv 与
Z fsv 是霍尔元件中心位置。
图3三维磁场探头尺寸示意图
X kt =Q. 675/
X n r
—
L \ FSV
对表1中编号分别为1、2、3的电机转子采用三
维空间磁场精密测量系统进行表磁测量，探头分别 离样品距离设置为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mm 。测得
的表磁值如表2所示。将表2中的表磁数据转换为 表磁曲线，如图4所示。从图4可见，不同的测试距
离，3个样品之间表磁最大值与最小值之间的变化
具有较好的一 致性。从图4还可以看出，探头与
测试样品表面的距离不同，对表磁测量值的大小有 很大的影响，离永磁体表面距离越远，磁场强度下 降越大。
（单位:mT ）
表2探头离样品不同距离时的表磁测量结果
编号1
23
距离
/mm
最大值
最小值最大值最小值最大值最小值
0.1
186.78171.67188.38174.28191.06
170.400.2
159.38145.34
158.60145.84
162.91146.240.3
136.95
122.69
134.97124.02140.04
122.82
0.4117.27
105.80116.67
106.33
119.61105.33
0.5
101.3190.2399.1789.84
103.70
90.28
图4表磁曲线
2.3测试结果比较
从两台设备的测试数据可以得出，三维空间磁 场精密测量系统的性能明显优于表磁分布测试
仪。而对于目前常用的表磁分布测试仪，工作原理 与测量过程并不复杂，测量成本也较低廉，但存在
的主要问题如下：
（1） 配置的霍尔探头准确的封装厚度尺寸不
明确；
（2） 夹持被测样品卡盘的旋转同心度指标有待
提高；
（3） 测试样品与探头相对距离的稳定性需进一
步加强；
（4） 没有提供或配置的设备调零用零磁场腔的
性能不佳。
（下转第34页
）
34何木芬：膜厚对FePt薄膜择优取向生长和磁性能的影响电工材料2020No.3
密，形貌颗粒大小均匀一致。FePt薄膜的表面形貌随着膜厚的减小出现空洞，热处理温度越高空洞变大。
(2)在不使用有取向衬底、不对基片加热的情况下,FePt薄膜在600°C下热处理，由无序的面心立方相向有序的面心四方L1。相转变，热处理1h后，可使fcc-fct相转变基本完成，并随着膜厚减小到40nm，表现出
明显的(001)择优取向。
(3)磁性能测试显示，膜厚对磁性能有重要的影响，越薄的FePt薄膜样品的矫顽力越高,40nm厚的薄膜的矫顽力达到~15.9kOe。
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（上接第30页）
这些缺陷的存在大幅降低了表磁测试的准确性。由于没有探头确切的封装距离参数，而封闭磁力线的平面法线的方向又无法测量，导致每次表磁测试的重复性测量条件无法复现，也就无法获得该条件下表磁的准确值。同时，如果激励直流电流/的恒流性能较差，整机温度影响量控制不到位，抗电磁干扰性能又不足等情况的综合作用下，用不同的表磁测量仪测量同一款产品的表磁时，相互之间的测量结果将存在着较大的差异，测量结果失去可比性。3结束语
永磁体表磁分布已具有成熟的测量方法，若采用高精度表磁测量设备，由于价格不菲，难以在短时期内全面普及。为了避开表磁测量暂时面临的问题，目前普遍采用表面磁场均匀度作为技术指标，即用表磁测得值的实验标准差来表征，用于衡量充磁后永磁体表磁的品质，避开探头封装距离及平面法线方向难
以准确测量的问题。表磁分布测量在我国总体来说还是起步阶段，但近几年发展迅猛。随着磁性材料及应用产业的发展，磁测人才的不断积聚，磁测传感技术的不断进步，科研投入的不断加大，突破表磁测量技术瓶颈将指日可待。
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