通過(guò)永磁體同極相對(duì)提高磁場(chǎng)強(qiáng)度的研究

鐘 華 白武帥 侯志堅(jiān) 董軍軍

北京科技大學(xué) 北京 100083

在信息、通訊、交通與自動(dòng)化這些發(fā)展速度最快、對(duì)社會(huì)影響最大的領(lǐng)域中，磁性材料都發(fā)揮著不可替代的重要作用。永磁材料作為當(dāng)今社會(huì)最重要的功能材料之一，已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、揚(yáng)聲器、家用電器、儀器儀表、磁力機(jī)械、各種電機(jī)、醫(yī)療器械等儀器設(shè)備中。我國(guó)是稀土王國(guó)和永磁材料生產(chǎn)大國(guó)，是被譽(yù)為“永磁王”的釹鐵硼的發(fā)明國(guó)之一。現(xiàn)代技術(shù)對(duì)永磁體的性能與質(zhì)量提出了更高的要求，而第三代永磁體(NdFeB)滿(mǎn)足不了這些要求，目前第四代永磁體的研制尚未取得重大突破。因此，在現(xiàn)有條件下，通過(guò)磁鐵同極相對(duì)接獲得高強(qiáng)磁場(chǎng)的方法具有實(shí)際意義[1]。

1 問(wèn)題提出

我們都知道兩塊永磁體同極相對(duì)及異極相對(duì)放置于同一平面時(shí)磁感線(xiàn)分布分別如圖1和圖2所示。由于磁場(chǎng)強(qiáng)度的疊加為矢量相加，于是我們可以猜想兩塊永磁體磁極對(duì)接時(shí)其磁感線(xiàn)分布情況應(yīng)該如圖3和圖4所示。

圖1 異名磁極相對(duì)磁感線(xiàn)分布

圖2 同名磁極相對(duì)磁感線(xiàn)分布

圖3 兩異名磁極相接觸形成磁感線(xiàn)

圖4 兩同名磁極相接觸形成磁感線(xiàn)

異名磁極接觸與正常單塊磁體磁感線(xiàn)沒(méi)有分別，而同名磁極對(duì)接磁感線(xiàn)分布如圖4所示，相對(duì)兩極間磁感線(xiàn)呈相互排斥狀向外部放射分布。近似認(rèn)為兩磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)方向相同，同向疊加，場(chǎng)強(qiáng)為單個(gè)磁體磁極部分產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)的二倍。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

釹鐵硼永磁體、410型高斯計(jì)、有機(jī)玻璃、鐵屑、直尺其中釹鐵硼永磁體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 釹鐵硼永磁體技術(shù)參數(shù)

2.2 關(guān)于磁感線(xiàn)分布的驗(yàn)證

取金屬加工所磨細(xì)鐵屑置于厚度為10 mm的有機(jī)玻璃上，敲震玻璃使其均勻覆蓋于玻璃表面。在玻璃下面放兩塊分別由N，S極相吸成為一體的釹鐵硼永磁體，輕敲有機(jī)玻璃使鐵屑在磁場(chǎng)作用下分布，得到復(fù)合磁場(chǎng)作用下的鐵屑分布如圖5所示。我們可以清楚地發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)得到的圖像與猜想的磁感線(xiàn)分布情況(如圖3所示)相同。

圖5 鐵屑在異極對(duì)接磁體磁場(chǎng)中的分布

再取金屬加工所磨細(xì)鐵屑置于厚度為10 mm的有機(jī)玻璃上，敲震玻璃使其均勻覆蓋于玻璃表面。在下面放兩塊N極相對(duì)固定于一銅棍上的釹鐵硼永磁體(實(shí)物圖如圖6所示)，輕敲有機(jī)玻璃使鐵屑在磁場(chǎng)作用下分布，得到復(fù)合磁場(chǎng)作用下的鐵屑分布如圖7所示。我們可以清楚地看到實(shí)驗(yàn)得到的圖像與猜想的磁感線(xiàn)分布情況(如圖4所示)高度吻合，這有力地證明了上面提出猜想的正確性。

圖6 兩塊同極對(duì)接的釹鐵硼永磁體材料

圖7 鐵屑在同極對(duì)接磁體磁場(chǎng)中的分布

2.3 關(guān)于磁場(chǎng)強(qiáng)度的驗(yàn)證

對(duì)于是否如前面猜想所言，在磁體同極對(duì)接處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)二倍的場(chǎng)強(qiáng)的問(wèn)題，我們可以用高斯計(jì)通過(guò)測(cè)量對(duì)接磁體各處磁場(chǎng)強(qiáng)度大小來(lái)證實(shí)。沿對(duì)接的兩塊永磁體側(cè)面以不同需要分成若干段，分別測(cè)量每一段上的磁場(chǎng)強(qiáng)度并記錄到表2和表3中。最后再以橫向放置的兩塊對(duì)接釹鐵硼永磁體為橫軸，磁場(chǎng)強(qiáng)度大小為縱軸做出測(cè)量曲線(xiàn)，結(jié)果如圖8所示。

表2 釹鐵硼永磁體異極對(duì)接磁場(chǎng)強(qiáng)度分布表

表3 釹鐵硼永磁體同極對(duì)接磁場(chǎng)強(qiáng)度分布表

圖8 釹鐵硼永磁體同極對(duì)接磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖

由這個(gè)曲線(xiàn)我們可以清楚地看到對(duì)異名磁極對(duì)接而言，中間處磁場(chǎng)近似為0，兩極處最大。而同名磁極對(duì)接部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度要明顯大于其他部分，共出現(xiàn)三個(gè)波峰，分別分布于中間兩N極對(duì)接處及左右S極處，且中間波峰值近似等于兩極波峰值的二倍，于是可以證明在較近范圍內(nèi)對(duì)接磁體兩側(cè)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相同，場(chǎng)強(qiáng)大小為兩磁極磁場(chǎng)強(qiáng)度大小的同向疊加。這表明通過(guò)磁體同極對(duì)接，理論上可以獲得二倍的磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁場(chǎng)方向與對(duì)接的磁極方向相同，且此理論能得到實(shí)驗(yàn)支持，理論猜想符合實(shí)際，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了二倍磁場(chǎng)強(qiáng)度。

3 關(guān)于可能發(fā)生退磁現(xiàn)象的分析

實(shí)驗(yàn)中所有的釹鐵硼永磁體相關(guān)參數(shù)如下：

剩磁，Br：1.223 T；內(nèi)稟矯頑力，Hcj：1052 kA/m；矯頑力，Hcb：849 kA/m；最大磁能積，BH：269 A/m3

使磁化至技術(shù)飽和的永磁體的B(磁感應(yīng)強(qiáng)度)降低至零所需要的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度稱(chēng)為磁感矯頑力。此實(shí)驗(yàn)所用的永磁體其矯頑力Hcb為849 kA/m，實(shí)驗(yàn)測(cè)得單個(gè)磁體磁極處磁場(chǎng)強(qiáng)度為300 mT，即239 kA/m。

顯然單個(gè)磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于永磁體的矯頑力，不會(huì)發(fā)生退磁現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究通過(guò)兩塊釹鐵硼永磁體材料同名磁極對(duì)接產(chǎn)生磁場(chǎng)增幅情況，且通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)證實(shí)加倍磁場(chǎng)強(qiáng)度的正確性，同樣可以利用多個(gè)磁體同名對(duì)接進(jìn)而成倍提高區(qū)域性磁場(chǎng)強(qiáng)度。本文主要針對(duì)永磁鐵進(jìn)行研究，但這并不代表此研究不能應(yīng)用于電磁鐵設(shè)備，電磁鐵工作原理遵循永磁體磁場(chǎng)理論，所以此研究用于電磁鐵設(shè)備在同樣情況下同樣可以大幅度提高磁場(chǎng)強(qiáng)度且更加節(jié)能。隨著社會(huì)發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的設(shè)備需要在高磁環(huán)境下工作，如發(fā)電、軍事、航天、航海、探測(cè)、磁懸浮系統(tǒng)等。因此，此研究課題結(jié)論具有實(shí)際意義。

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