（材料学专业论文）有限元模拟ndfeb永磁环脉冲充磁的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 有限元模拟n d f e b 永磁环脉冲充磁的研究 摘要 本文采用计算机模拟与实验相结合的方法，利用有限元分析软件 a n s y s 对n d f e b 稀土永磁磁环脉冲充磁( 包括辐射充磁和六对十二 极充磁) 过程中的初始电压、磁场分布、铁芯材料选择、线圈匝数及 绕法、外层磁轭、磁场的轴向分布等影响因素展开了系统的研究，并 结合实验结果进行证实。 减小初始电压可降低磁化电流的峰值，增加电容可延长磁化电流 的持续时间，因此，减小初始电压和增加电容可以从很大程度上消除 涡流的影响，提高电流的有效值。在满足磁体磁化场均匀度的前提下， 电压应选择满足饱和磁化场的最小值。对于辐射充磁，最低电压可选 在1 5 5 0 v ；对于十二极充磁，最低电压在1 0 0 0 v 。铁芯工作点应处于 饱和区，以保证磁环磁化均匀，同时，为降低能量损耗，外加电压和 电流应处于最低点。就所选用的材料来说，硅钢由于电阻率高，受感 应电流影响小，内部磁力线扩散速度快，能在较小电压下进入饱和工 作区，所以选择硅钢作为铁芯；纯铁由于磁导率较高，导磁性能好， 所以选择纯铁作为磁轭，有利于导磁。 在辐射充磁过程中，线圈总匝数相同的情况下，应选择层数较多、 每层匝数较少的线圈；但应用中从减小所用电压和电流考虑，每层匝 数要跟铁芯磁化饱和电压相适应。选择与磁环外径相同尺寸的线圈， 这时，产生的电感较小，涡流也较小，磁场能够较容易渗透至铁芯中 i 有限元模拟n d f e b 永磁环脉冲充磁的研究 心，将铁芯磁化饱和。 在六对十二极充磁过程中，较粗铜线的峰值电流大，能较早进入 饱和区，磁力线分布均匀，电压和发热量减小。但粗铜线也增加了实 际绕线操作的难度，在实践中，对实验所用的六对十二极线圈，巾l m m 铜线为最佳铜线尺寸。磁轭的增加减小了所充磁体磁性能( 如表磁) 峰值大小，但可以增加峰值宽度，更好的满足电机矩形波的要求。实 验中，采用纯铁磁轭，在同样的表磁下，波形宽度是未采用磁轭的 1 6 7 倍。磁环应放于夹具的轴向中间部分，有利于发挥铁芯轴向中间 部分磁场强度强且均匀的优点。由计算得到，轴向长度为磁环高度的 1 2 1 5 倍为最佳。 本论文采用理论分析方法研究充磁实践过程中的规律，对生产实 践磁环的充磁设计具有一定的指导意义。 关键词：n d f e b 稀土永磁磁环、有限元分析、a n s y s 、辐射充磁、 六对十二极充磁 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo fi 田u l s em a g n e t i z i n gn d f e b p e r m a n e n tr i n gm a g n e t sb yf i n ee l e m e n t 心逼a s i s a b s t r a c t t h ei m p u l s em a g n e t i z a t i o nf o rn d f e bp e r m a n e n tr i n gm a g n e t si n c l u d i n gr a d i a l h o m o p o l a ra n dt w e l v e - p o l em a g n e t i z a t i o ni ss t u d i e di nt h i sp a p e ru s i n g f i n i t e - e l e m e n t a n a l y t i c 跚帕w a 托a n s y sc o m b i n i n gt h ee x p e r i m e n t t h ef a c t o r sa s y s t e m a t i c a l l y d i s c u s s e dc o n t a i n i n gt h ei n i t i a lv o l t a g e ，t h ed i s t r i b u t i o no f m a g n e t i z i n gf i e l d , t h ec o l e m a t e r i a l ，t h ea m b e ro fc o i l ，t h et w i s tw a ya n dy o k eb a s e do nt h ef i n i t e - e l e m e l l t a n a l y s i sa n d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e c r e a s eo fi n i t i a lv o l t a g ec 蛆r e d u c et h ete a k m a g n e t i z i n gc u l t e i l t , a n da tt l a es a m et i m e ，t h ei n c r e a s i n gc a p a c i t a n c ec a l la l s op r o l o n g c o n t i n u o u st i m eo f m a g n e t i z i n gc u l r e n t t h e r e f o r e ，t h ea d v e r s ee f f e c to f e d d yc u r r e n t c 锄b eg r e a t l yr e d u c e dt h r o u g hd e c r e a s i n gt h ei n i t i a lv o l t a g ea n di n c r e a s i n gt h e c a p a c i t a n c e 0 n1 h e c o n d i t i o n st h a tt h es a t u r a t i o nm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yi s h o m o g e n e o u s , i n i t i a lv o l t a g es h o u l db es e l e c t e dam i l l i m u mv a l u e f o re x a m p l e ，i ti s p r o p e r t h a tt h ei n i t i a lv o l t a g ei ss e l e c t e dt ob e1 5 5 0 vf o rr a d i a ll a o m o p o l a r m a g n e t i z a t i o na n d1 0 0 0 vf o rt h et w e l v e - p o l em a g n c t i z a l i o l a t h ec o r es h o u l dw o r k i n t h es 雠m r d t i o na 脱t oe n s u r et h eu n i f o r m i t yo fm a g n e t i z e dr i n gm a g n e t i no r d e rt o d e c r e a s ep o w e rl o s s , t h ei n i t i a lv o l t a g ea n dm a g n e t i z i n gc u n c n ts h o u l db el n i n i l n u n l v a l u e s u s i n gs i l i c o ns t e e lw i t hh i g hr e s i s t i v i t y 勰t h ec o l eb e n e f i t sa e h i e - v i n gf a s t d i s s i p a t i o no ff l u xl i n e sb yd e c r e a s i n gt h ee f f e c to fe d d yc u r r e n t o nt h ee o n m a y , u s i n gt h ei r o nv , i t hh i g hp e r m e a b i l i t y 勰t h ey o k e 眦g e tt h eg o o dm a g n e t i c c o n d u c t i b i l i t y d 啦t h er a d i a lh o m o p o l a rm a g n e t i z a t i o n , i tw o u l dp r e f e r r e dt ou t h ec o i l w i t hm o l el a y e r sa n dl e s st u r n so no n el a y e ro nt h ec o n d i t i o no ft h es a m et o t a lc o i l ；j i 有限元模拟l q d f e b 永j l t t t ：脉冲充磁的研究 t u r n s , h o w e v e l - ，i no r d e rt or e d u c et h ev o l t a g ea n dt h ee u r r e a t , t h et u r n so i lo n el a y e r s h o u l df i tt h ev o l t a g eo fs a t u r a l i o nm a g n e t i z a t i o no ft h ec o 幅i nt h ee x p e r i m e n to f r a d i a lh o m o p o l a rm a g n e t i z a t i o n , t h ec o i lw i t h4t u r n sa n d8l a y e r sc 趾f u l f i lt h e r e q u i r e m e n to fs a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o nw i t hs m a l lv o l t a g ea n dc u r r e n t w h e nt h ec o i l h a st h es a l n cd i a m e t e rw i t ht h er i n gm a g n e t , p r o d u c i n gl i t t l ei n d u c t a n c ea n de d d y e r a r e n ta r e d u c e da n dt h ec o r e 锄b ee a s i l ym a g n e t i z e dd u et ot h ep e r m e a t i o nt ot h e c e n t e ro f t l a em a g n e t i cf n e d d u r i n gt h et w e l v e - p o l em a g n e t i z a t i o n , t h et h i c k e rc o p p e rw i r ep r o d u c e st h e b i g g e rc u r r e n ta n dt h eh o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o no ff l u xl i n e s , w h i e l am a k e st h ec o r e e n t e rt h es a t u r a t i o na r e ae a s i l y h o w e v e r , i ti sd i f f i c u l tt oa e l a i e v et h ec o i lf r o mt h e t l a i e k e rc o p p e rw i r ei np r a e t i e e t h ec o p p e rw i r ew i t h 小1 衄i st h eb e s ts e l e c t i o ni n t h ee x p e r i m e n t so ft w e l v e - p o l em a g n e t i z a t i o nc o i l u s i n gy o k e 伽r c d u e c1 l l l 鲥j c c h a r a c t e r i s t i c , f o re x a m p l e ，t h e 飘瑾f 配el n a g l 础cf i e l ds t 障n g i ：h ，b u ti n c r e a s et h ew i d t h o fp e a kv a l u e ，w h i c h 锄s a t i 蹄t h er e q u i r e m e n to fr e c t a n g u l a rw a v e f o r mf o rt h e m o t o ra p p l i c a t i o n s i nt h ee x p e r i m e n t s ，t h ew a v e f o r mw i t hay o k ei s1 6 7t i m e sw i d e r t h a nt h a tw i t h o u ty o k ea tt h es a m es u r f a c ef i e l ds t 咖g i kt h er i n gm a g n e ts h o u l db e i nt h em i d d l eo ft h ec o l * ei nt h ea x i a ld i r e c t i o nw h e r et h em a g n e t i cf i e l di ss t r o n ga n d s y m m e t r i c a l t h ec a l c u l a t e dr e s u l ts h o w st h a tt h ec o r ei sp r o p e rw i t l at h eh e i g l l t 1 2 - 1 5t i m e sh i g h e rt h a nt h a to f r i n gm a c n e t t h i sp a p e ri ss t u d y i n gt h er u l e si np r a c t i c a lm a g n e t i z a t i o nu s i n gt h e o r ya n a l y s i s m e t h o d , a n di tb e n e f i t sg i v i n gt h eg u i , t a 咖f o rt h ep r a c t i c a lm 雒妒e t i z a 虹i o no f n d f e b p e r m a n e n tr i n gm a g n e t s k e y w o r d s ：n d f e bp e r m a n e n tr i n gm a g n e t , f i n i t e c l e m e n ta n a l y s i s , a n s y s ， r a d i a lh o m o p o l a rm a g n e t i z a t i o n , t w e l v e - p o l em a g n c l j z a t i o n 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：年月日 日期：年月日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 充磁概况 第一章前言 通常被作为“磁源”的永磁体，无论是a l n i c o 系、铁氧体系、稀土系以及 其它永磁材料，一般都具有高矫顽力、高磁能积等特点，但这些特点并不是从一 开始就对外表现出来。永磁体在生产加工完成以后，必须经过充磁，才能使磁体 内部的磁畴由混乱排列转变为朝单一方向的排列，从而对外显示出其强磁性n 】 整个充磁的过程也就是永磁材料被磁化的过程。 正确的充磁应使永磁体在充磁时，磁体内任何一点所受到的磁场强度应不小 于制成永磁体的永磁材料的矫顽力的五倍；磁力线在磁体中所走过的路径应尽量 的长圜。另外，磁体在充磁后，应便于安装磁短路路片或者其他能够保证磁体组 成磁系统的组件，具有磁路设计时所要求的工作点。 影响充磁效果的主要因素，大致上说有：饱和磁化磁场h s ，退磁场瑚以及 磁化磁场的分布等等。 在永磁体磁化的时间先后上可分为安装前充磁与安装后充磁【3 】。对于磁路简 单，安装方便的磁系统，可以对永磁体充磁后再安装；而对于磁路复杂，安装难 度大的系统，可以在磁路安装好之后再进行整体充磁。 充磁的分类有的是根据被充磁体的形状及要求来区分，如常见的单极充磁、 多极充磁、内充、外充等等，具体每一种情况都有一种称谓。通常用于永磁体充 磁的机构主要有电磁铁、线圈或螺线管以及单根导线等几种 根据电流波形的不同，可以分为稳恒电流磁场和脉冲电流磁场两种【4 】。恒定 电流产生的磁场稳定，但磁场强度不高；脉冲电流产生的磁场强度高，但发热量 也高，且随之产生的洛仑兹力也大。 1 2国内外充磁技术现状及发展前景 随着工业的不断发展和稀土永磁材料应用的推广，电机及其它永磁材料应用 有限元模拟n d f c b 永磁环脉冲充磁的研究 行业对充磁设计的技术需求也逐渐提高，同时，对充磁设备的能耗、体积、充磁 效果等各方面都提出了新的要求。日前对电机转子的充磁还存在许多的问题，如 国内充磁机普遍存在的缺点是能耗大，控制简陋，充磁效果差，对稀土永磁体和 钕铁硼永磁体作单件充磁的充磁机还属少数，还没有进行对整体充磁的充磁机研 制，所以，研制高性能的充磁设备是迫切需要的嘲。在充磁机研制中，最重要的 是充磁线圈及其铁芯的设计，此外，还有充磁电路的设计。线圈及铁芯的好坏直 接决定了充磁效果的优劣。在线圈的设计过程中涉及到如材料的选用，磁头、铁 心的设计，磁路的设计，以及整体的整合问题都会影响到最终永磁体的充磁效果； 而且被充磁体本身的磁性能、尺寸、形状等因素都会影响到线圈的设计，反过来 又影响其本身的充磁效果1 6 - ? 1 。由于国内整体技术不如国外的成熟，在这些综合 的因素是影响下，使得国内的充磁机的性能不如国外。 1 2 1 国内充磁机的概况 国内充磁机的情况主要有以下几点体卅： 充磁机绝大多数是对永磁体单件充磁，充磁机的容量有大有小小的多 半是低磁能积，如铝镍钴、铁氧体，充磁头采用空心磁铁及带铁轭磁头； 容量大的可充高磁能积如稀土钻，钕铁硼，绝大多数采用空心线圈。 极少数充磁机能给永磁电机进行整体充磁，但都是对低磁能积永磁电 机，并且是小容量的微特电机，而对容量较大，高磁能积永磁材料的永 磁电机，目前国内还没有生产整体充磁的充磁机。 国内的充磁机除西南应用磁学研究所的直流充磁机外，都是脉冲充磁 机，控制系统简单，无保护装置，多为手动控制。 国内充磁机多为研究用，不适应长期、频繁的生产专线上使用，充放周 期长，没有冷却装置。 目前国内的充磁机除少数几家( 如哈工大，哈尔滨电表厂等) 外，多数 为零散形，没有形成产品化，占地大，不安全。 与有些研制单位探讨，他们觉得高内禀矫顽力永磁电机的整体充磁难度 较大，目前采用的是在转子上每极逐次充磁，波形问题尚待解决，整体 充磁尚待探讨。 2 浙扛工业大学硕士学位论文 国产的充磁机还没有自动检测手段。 1 2 2 国内现有充磁机的几种型式 1 2 2 1 充磁电流方面1 1 e l 直流充磁机：这种充磁机由于耗能大，起动慢，冷却困难以及形成强磁场受 到限制，现在基本上己淘汰，只有西南应用磁学研究所还保留一台。 脉冲充磁机：由于它易形成高磁场， 小，造价较低，冷却问题较易解决， 机型 1 2 2 2充磁电压方面 充磁周期短，适于连续充磁，能量损耗 设备体积小，所以目前几乎都采用此种 高压充磁机：目前电压有4 0 0 0 v 、2 0 0 0 v 、1 0 0 0 v 。由于电容储能与电压平 方成正比，因此提高电容器充电电压可以大幅度地提高装置的容量，对高矫 顽力的稀土钴永磁材料进行饱和磁化时，采用高压脉冲充磁，具有显著的实 用价值。 低压充磁机：低压有6 0 0 v 、4 5 0 v 、4 0 0 v 。这种充磁机是采用电解电容，它 相对来说体积小，但漏电较大，国内这种电容的质量还不算太好，耗能较大， 但从减小体积来看，还是可取的引进的充磁机则多采用此种类型。 1 2 2 3充磁机开关方面 闸流管开关充磁机：已比较老式，国内只有一家采用。 球隙开关充磁机：早期曾采用，有噪声，不适于长期频繁工作，国内只有一 家采用。 空气开关充磁机：这种充磁机工作时产生电弧，污染环境，且有较大噪声， 长时工作可靠性差，造价低，作为科研用还可以，国内只有一家使用。 真空开关充磁机：这种充磁机比空气开关好些，但它还是属于有触点的开关， 在生产上使用可靠性较差，并会产生无线电干扰。 引燃管开关充磁机：这种开关多采用在大容量充磁机上，不适于长期频繁工 3 有限元模拟n d f e b 永磁环脉冲充磁的研究 作，但在过去制造的充磁机上还保留使用。 晶闸管开关充磁机：国内近期生产的高压或低压充磁机多半都是采用可控开 关进行放电，国外进口的都用这种开关。它的特点是无触开关，无噪声，能 量损失少，易控制，体积也小，是当前国内发展方向【1 1 】。但是国内生产的高 压晶管耐压不够高，只能达到5 5 0 0 v ，峰值电流也不够大，这就限制了充磁 机向高压大容量方面的发展。 1 2 2 a充磁机充磁头方面 无铁轭充磁头：这种充磁头线圈的匝数灵活易做，根据被充磁体的大小及永 磁材料计算出来的充磁磁场强度及充磁线路的参数，就可以确定线圈的大小 及匝数。这种充磁头多用于磁体单件充磁。 有铁轭的充磁头：这种磁头可使磁场集中，增加磁场强度，并能保证一定磁 场波形。可直接用于低磁能积的永磁电机上充磁，对于用在高磁能积的脉冲 充磁方面。由于铁轭的涡流影响很难充到饱和，磁场波形也很难保证。 整体充磁磁头：根据文献上记载，国内有这种整体充磁磁头，它只用于铝镍 钴及铁氧体的微电机上，充磁的波形不是十分满意。适用于内禀矫顽力高的 整体充磁头在国内目前还没有。 1 2 3 国外充磁电磁铁的发展 自从稀土类磁体出现以后，充磁所需的磁化场强度越来越高，并且由于磁场 强度和温度、压力一样，是一个描述物质物理性能的基本参数【1 2 1 ，遁过提高这些 参数，可以增加对物质的了解，因此，自从电磁学发现以后，对于强磁场的研究 就一直没有停止过。从欧洲、日本以及美国现有的大型静态磁场设备可以看出， 现在的强磁场实验室应该包括尖端复杂的技术和巨大的设备投资俩部分，而且随 着材料技术的发展，估计突破1 0 0 t 限制的脉冲磁体很快就会实驯1 3 】。 最早的电磁铁是用纯铁做磁轭，配以普通电源，这种方法直到今天仍然被一 些实验室作为强磁体制造的第一选择。1 9 2 4 年，巴黎l k l l e v u e 的a c a d e m i ed e s c i e n c e s 实验室的a i m ec o t t o n 制造出一台重达1 2 0 t 的多用途电磁铁，耗电 1 0 0 k w ，可以产生高达丁r 的磁场【1 4 1 ，现在一般认为，a i m ec o t t o n 所制造的这台 4 浙在工业大学硕士学位论文 电磁铁是第一台用于强磁场研究的大型现代设备。 图i - 1 静态高能磁场的发屉嘲 ：超导体磁体；口：电阻一水冷磁体；：复合磁体；v ：超导磁体外层线圈 f j 晷l - 1p r o g r c s $ i ng e n e r a t i n gs t a t i ch i g hm a g n e t i cf i e l d s ： ：s u p c r o o i l d u g - t i n g m a g n e t s ；口：r e s i s t i v e , w a t e r - c o o l e d m a g n e t s ；：h y b r i d m a g n e ts y s t e m s ； v ：唧, n d u c t i n gb a c k g r o dc o i l s 图l l 给出了上个世纪几种不同强磁场线圈磁体的发展情况。首先来看一下 最为普通的电阻磁体( 口) ，1 9 1 4 年，两个法国人d e s l a n d r e s 和p e r o t ，向外界展 示了一个配以3 5 0 k w 电源、水冷设备的空心线圈，它能够在2 0 m m 的孔径内产 生5 t 的磁场【1 6 1 当时，麻省理工的f r a n c i sb i t t e r 提出了如果铁磁轭所受到的磁 场强度超越了其饱和磁场强度，那么空心线圈的效率将更加高，即能够产生更强 的磁场。不久之后的1 9 3 6 年，一个破当时磁场记录的，能够在2 5 r a m 孔径内产 生1 0 t 磁场、能耗1 7 0 0 k w 的空心线圈开始出现【1 7 1 ，由于其制造采用了b i t t e r 当初的设计思想，所以被命名为“b i t t e r 线圈”，直到今天这种线圈仍然在使用。 早期从事这方面研究的还有加州大学伯克力分校的g i a u q u e 教授，二战后他先后 在牛津大学和华盛顿特区海军研究实验室从事强场电磁铁的研究，并予1 9 6 2 年， 使用稍高于1 7 0 0 k w 的能耗，使b i t t e r 线圈产生的磁场达到1 5 2 叫羽。 苟i s m o p i | j o一苗c哥= 有限元模拟n d f e b 永磁环脉冲充磁的研究 随着研究的深入，一方面，高能磁场线圈对能耗和冷却的要求越来越高，要 产生持续的强磁场只有在拥有必需的基础设施的专业实验室才能实现。麻省理工 学院于1 9 6 0 年建立了新的国家磁体实验室，抛弃了原先的b i t t e r 模式，它的建 立标志着1 0 m w 电源的磁体的出现( 如图1 1 ) ：另一方面，在强磁场条w f ， 线圈本身所受的应力也非常大，并且随着磁场强度的不断提高，应力已经超过电 源因素，成为限制强场磁体发展的第一障碍。这种情况下，科学家想到了采用相 互套入的模式来设计线圈，1 9 6 4 年，牛津大学的w o o d 第一次采用了多层螺旋式 的方法来设计线圈【1 9 1 ，后来这种方法又被g r e n o b l e 加以发展，并于1 9 8 2 年成功 设计出一台能耗1 0 m w 的多层螺旋式线圈，其能够在5 0 m m 的空隙内产生2 5 t 的磁场1 2 0 ，创造了当时了记录。现在，正在考虑将这种多层螺旋式线圈配以强电 源和冷却系统，使其能够在2 0 m w 的能耗下，磁场强度突破3 仉的限制。 1 9 6 6 年，w o o d 和m o n t g o m e r y 提出了复合式磁体概念，其设计构思是外层 采用一个大型的超导线圈，而里层采用电阻，水冷式磁体，这样可以在非常经济 的条件下使磁场强度大幅提高【2 i 】。弗朗西斯比特国家磁体实验室建立了第一台复 合式磁体系统，并于1 9 7 4 年制造出能够产生2 0 t 磁场强度的磁体嘲。后来一台 1 6 t 的复合式磁体在牛津的c l a r e n d o n 实验室被研究并制造出来，并从1 9 7 5 年开 始，一直工作了1 5 年之久。现在，许多新式强磁场实验室采用2 0 m w 大功率电 源可以产生高达4 0 t 的静磁场：1 9 9 5 年初，t s u k u b a 磁体实验室成功实验了一套 4 0 t 的磁系统，并投入运行】；佛罗里达州塔拉哈西市的国家强磁场实验室则成 功建成了一套4 5 t 的磁系统。 在过去的半个世纪里，超导技术得到了长足的进步，商业生产的2 0 t 的实验 室用磁体在物理和化学实验室得到了广泛的应用，这使得强磁场的研究得以广泛 的展开。同时，对于简单易用、高能水冷电阻磁体以及强磁场复合磁系统的需求 也节节攀升 对于能耗及冷却的问题，随着脉冲磁体的发展，依靠预先冷却的方法，逐渐 得以解决。ek a p i t z a 被认为是脉冲磁体的鼻祖，他用交流发电机作为脉冲能量 源，研制出第一台脉冲磁体 2 4 1 。随后，小电容储能脉冲磁体开始在一些实验室出 现，特别是一些场强低于5 0 t ，波宽大约在l o i n s 的脉冲磁体频频开始出现，这 些磁体由于线圈所受的应力非常大，所以其峰值磁场强度多受制于线圈的机械强 6 浙江工业大学硕士学位论文 度。后来，s f o n e r 在这方面取得了突破，他使用最新发展的高技术材料第一次 制成了场强近7 0 t 的脉冲磁体【2 5 】。这激励着其他研究小组研制出超越7 0 t 的脉 冲磁体，乐观的人认为，这些成功的实验为发展非破坏性1 0 0 t 磁体的宏伟计划 奠定了基础。 到了二十世纪六十年代，兆高斯( 1 0 0 1 r ) 的限制终于得到了突破，共有两种 方法：一种是通过强爆破使磁通量压缩；另一种是通过快速电容器放电到小型单 匝线圈以产生强磁场。随着研究的深入，人们逐渐发现电磁驱动磁通量压缩具 有产生高磁场的潜力，但这些磁体依靠惯性封闭，随冲击波产生的对线圈的破坏 限制了脉冲磁体在实际中的运用。在这种极端条件下的实验是非常困难且危险 的，要想使这种磁体在实验中得到运用还需很长时问的研究。现在爆破驱动和电 磁装置已经运用在各种各样的实验中，甚至在低温条件下也有运用。 在强磁场实验室方面的介绍有很多，最早的一份系统、详细的，包括磁体历 史简介的调研报告是由h e r l a c h 完成的【2 刀，后来报告的更新交由强场磁学论文集 以及t o d a i 会议论文集来完成圆。现在最新的一些调研报告则试图将这方面的 信息加以彻底的更新，吸收这个领域内的最新高尖端技术，以及对未来发展的一 些现象的预测，特别是对于欧洲高能磁场设备的建设计划。 总的来说，国外在高能磁场研究方面起步较早，研究方法全面，已经从各个 方向进行了系统的研究，包括材料的选取、设备的整体设计、电源的选择等等， 形成了几大体系，在所能达到的最大磁场强度方面也处于领先地位，国内在这方 面处于全面的落后地位。 1 2 4 国外充磁技术在商业上的应用 国外商业充磁技术做的比较好的主要有德国的玛格力磁电和日本平野磁气 两家，它们在充磁电源、充磁线圈及磁测量设备上都处于领先地位，下面将简要 介绍一下这两家厂商 2 9 1 。 1 2 4 1德国玛格力磁电有限公司 1 9 4 7 年艾瑞克斯坦格夫博士在德国科隆创办了他的第一家公司 e i e k t r o p h y s 。后来，e l e c t r o - p h y s i k 在磁技术领域取得了良好的声 7 有限元模拟n d f c b 永磁环脉冲充磁的研究 誉，同时在仪器的开发和生产方面也取得了斐然的业绩。 1 9 7 6 年艾瑞克斯坦格夫博士成立了一家专门致力于磁性材料测试、充磁 等技术的研究及其仪器、设备制造的新公司德国玛格力磁电有限公司 ( m a g n e t - p h y s i k d r s t e i n g r 蝴g m b h ) 。他的的儿子迪特里克斯坦格夫担任 了公司的技术指导。 彼得舒斯特在德国大型电子技术公司工作多年后加入玛格力磁电有限公 司，从1 9 9 0 年以来他一直致力于商务发展部的运作。 玛格力磁电有限公司服务范围很广，包括磁化、软磁及硬磁材料的测量以及 测量设备的校准。其制造的磁性能测量仪器和充磁设备广泛应用于家电、数字视 听电器、计算机和办公自动化设备、工业自动化控制、汽车及船舶制造等众多领 域；从洗衣机电机到船舶推进器的电动机，从扬声器、电脑驱动器到汽车速度计、 a b s 及e s p 的传感器的制造都有玛格力磁电产品的贡献 其生产的强电流脉冲充磁机具有电流高、脉冲窄、充放电周期短、能量需求 小等优点，能够使充磁效果更好、效率更高、充磁夹具产生的热量少、夹具寿命 更长。 其小磁体精确充磁技术能够在外径巾5 5m m 、内径4 , 2 5m m 的n d f e b 磁环 端面进行8 极饱和充磁，能够使磁极交界区更小、磁极更均匀，磁极角度偏差小 于0 5 度。 1 2 4 2日本平野磁气 1 9 9 4 年，日本人平野信幸和中国人吕振共同出资成立了上海平野磁气有限 公司( 注册资金1 0 0 万) ，主要以生产充磁机电源为主，该设备的电气原理及主 要器件均购于日本的技术及产品。中方也生产与之相配套的设备( 涂布机、线圈、 治具等) 。现有员工4 0 多名，产品主要销往日本及东南亚地区，国内行业知名厂 家均有此公司的产品。 主要产品充、退磁机性能如下： 机器由日本提供先进的电路设计和主要元器件并配备特制大电流高频无感 脉冲电容器，降低了多极充磁时的能耗，使输出电流的效率得以大幅度的提高， 延长了多极充磁线圈的使用寿命，满足了稀土磁环的大电流多极充磁的需要，同 8 浙江工业大学硕士学位论文 时保证了机器高速连续运行的可靠性 输出电压连续可调，任意设定，即可得到任意设定的输出电流与磁场。工作 周期连续可调，任意设定( 最短3 秒) ，可配合不同工作周期的生产流水线 控制智能化，得到恒定的输出电压，不受电网波动影晌。p c 智能控制充、 退磁，实现自动转换多功能化，操作灵活简便，自动故障诊断保护系统，确保机 器使用对更安全可靠。 电容容量的可切换性及容量显示装置能满足不同产品的多极充磁输出瞬间 电流表的配备，使充磁品质得以控制 退磁功能采用日本最新技术，由p c 控制退磁特性，满足了大块稀土材料的 退磁要求，效果显著。 由日本提供国际领先的多极线圈设计技术，确保各种高难度多极充磁的需 求。充磁线圈的设计采用计算机辅助设计软件，得到精确的电流、场强、脉宽、 发热因子的数据及合理的调配，确保线圈与充磁机的最佳匹配。 1 3 脉冲充磁基本原理 1 3 1 永磁体磁化原理 图1 2 磁化曲线 f i g 1 - 2m a g n e t i z a t i o nc u m 永磁体从磁中性状态( 即退磁状态) 开始，受到一个从零起单调增大的磁化 磁场作用时，所得到的磁感应强度( 或磁化强度) 随磁场变化的曲线叫做磁化曲 线，如图l - 2 所示磁化曲线是表征永磁体特性的曲线，曲线的形状跟物质的成 9 有限元模拟n d f e b 永磁环脉冲充磁的研究 分、加工方法、热处理方式、切割方向等因素有关1 3 0 1 。 永磁体的磁化可以分为几个阶段。当外加磁化磁场h = 0 时，永磁体的磁感 应强度b = 0 ，永磁体处于磁中性状态，如图1 2 中的0 点，这时物质内各个磁畴的 自发磁化强度是杂乱取向的。当h 自零开始增加时，则b 随着h 的增加而增加。在 第一阶段，曲线( ) 的斜率是较小的。当磁场强度h 自零增加到h i 范围内的任 何值后，如将h 减小到零，则h 与b 的关系会按照原来的曲线( i p a o 曲线) 返回到 原点( 0 点) ，所以这段的磁化过程称为可逆磁化过程。第二阶段，曲线( 曲) 的斜率快速增大，也就是说，只要外加磁化场增加一点，就可以使物质内的磁感 应强度b 增加很多。当外加的磁化场超过h l 后，如果将h 减小，则b 与h 的关系便 不可能沿着原来的曲线( b a ) 返回出发点，这个阶段的磁化过程是不可逆的。联 系到永磁体内部的磁畴变化，以上两个阶段的磁化过程是磁畴壁位移的磁化过 程。在这一磁化过程中，相邻的两个自发磁化强度取向不同的磁畴处在外磁场中 时，其中自发磁化强度取向与外磁场较为接近的一个在能量上是有利的，而取向 相反的磁畴在能量上是不利的。因此，在外加磁化磁场的作用下，使得前一个磁 畴的体积不断扩大，而后一个磁畴的体积不断减小。这两个磁畴体积大小的相对 变化，是通过磁畴壁的位移运动来实现的，所以称为畴壁位移的磁化过程。第一 阶段叫做畴壁位移的可逆部分，第二阶段称为畴壁位移的不可逆部分。 永磁体磁化的第三个阶段，曲线( b c ) 的斜率要比第二阶段来得小。在一般 情况下，当畴壁位移磁化，使整个磁体的自发磁化强度大致上建立了同一方向的 取向后，接着为了使磁化进一步增强，于是永磁体中自发磁化强度就由原来的方 向转向外磁场方向，这一过程通常称为旋转磁化过程或畴转过程。畴壁位移过程 需要的外加磁化场较小，而要使磁畴转动过程发生，则需要较大的外加磁化磁场。 第四阶段( c 点以上的曲线) ，曲线的斜率再次降低，b - h 关系成为一条直线， 其斜率固定为： 磁感应强度b 的增量 1 再丽函芤丽再阿”1 事实上，这种情况只有当磁化场增加到十分大时才会成立。这一阶段称为技 术磁化饱和阶段。所谓磁化饱和，就是指永磁体在受到足够强的外加磁场的作用 下，磁化强度再不随着磁化磁场h 的增加而增加，永磁体内所有磁矩全部转向外 浙江工业大学硕士学位论文 加的磁化场方向。至此，永磁体磁化至饱和，这时的磁场强度称为饱和磁化磁场 强度，用h s 表示，对应的磁感应强度称为饱和磁感应强度，用b s 表示【3 1 3 2 脉冲放电原理 l r 图l - 3 电容放电脉冲电路示意图”4 f i g 1 - 3c a t m - i t o r d i s c h a r g e 妯l p u l s e c i r c u i t 脉冲充磁就是由充电电容放电而形成的脉冲大电流来产生强磁场，典型的脉 冲充磁电路如图1 - 3 所示。储能电容( 电容量为c ) 被预先充电至设定电压u 0 ，然 后接通开关经磁化螺线管( 电感为l ) 放电，设定r 为螺线管、放电回路连接导 线电阻、接触电阻及放电器件内阻的总和( 忽略线路分布电容与分布电感) 【3 3 1 ， 可列出以u c 为未知量的一个常系数二阶线性齐次微分方程，b p z 4 ： 三蟹+ 彬貉+ 比= o m - ， 又有扛一带 e h 初始条件t = o + 时，u c = u o ，i = o ，可解得嗍： ( 1 ) 当r 2 居叭= 及岛( p r s t o r z t ) o( 1 - 2 ) 令万di ：。，可求得当k ：；三每时，电流为最大 有限元模拟n d f e b 永磁环脉冲充磁的研究 k = 志 ( 铷忐一( 铷矧c 弓， 电流形状为有阻尼的正向脉冲波形。 ( 2 ) 当r = 2 层时，i = 譬- t e m 为临界阻尼的正向脉冲波形 ( 3 ) 当r - ( 9 芷 山 z u i 图3 - 1 4 不同铁芯材料下能量损耗随电压的变化 ( a ) 非饱和区能量损耗随电压的变化( b ) 过饱和区能量损耗随电压的变化 f i g 3 1 4 v a r i a t i o no f p o w e rl o s sw i t hv o l t a g ed u r i n gd i f f e r e n tc o 髂： ( a ) p o w e rl o s si n e 砒删鳓a n dt o ) p o w a l o s si ns a t u r a t i o n 撒 永磁体所受磁场强度由线圈磁化电流决定，故当进入饱和区以后，由于三种 材料的电流趋于一致( 如图3 - 1 2 b 所示) ，其磁化强度也趋于一致，但由于空气 的磁导率低，不易与永磁体构成磁回路，故不选择空气作为铁芯；硅钢由于电阻 有限元模拟n d f c b 永磁环脉冲充磁的研究 率高，磁力线的扩散速度比工业纯铁快，能在较小电压下达到饱和，使永磁体内 表面磁场强度趋于均匀，故在使能量损失尽量小的情况下，选择硅钢作为铁芯， 同时由于纯铁的磁导率较高，导磁性能好，可以选择纯铁作为磁轭，用于导磁。 在非饱和区工作时，如图3 1 0 和图3 1 1 所示，磁力线主要从靠近线圈的区域通 过，从而导致磁场强度分布极不均匀，所以磁体被磁化也不均匀；况且由于被充 磁体为n d f e b ，所需磁化场强度较大，当电流较小时，不能使磁体达到饱和充磁， 故电压应选择饱和区工作电压。 由于实验条件的限制，本模拟实验未做实物实验证实。 3 4线圈匝数对充磁效果的影响 线圈匝数对铁芯内部磁场强度及磁感应强度有着很大的影响。匝数越多， 场强及磁感应强度