强永磁机构设计中异常磁化的处理

论文摘要

烧结钕铁硼具有优异的磁性能,可用来制作成强磁场永磁机构。强永磁魔环是一种特殊的永磁机构,由若干充磁方向连续变化的永磁体组成,通过合理的设计,可以在其中心位置的有效空腔内产生永磁材料自身剩磁数倍的强磁场,这在诸多科学技术领域具有重要应用价值。强永磁魔环机构装配过程中永磁体内容易产生局部饱和、局部退磁和旋转磁化等异常磁化现象,从而永磁体的工作点可能落在磁滞回线的四个象限内,另外旋转磁化涉及矢量磁滞问题。国外一些研究者虽然已制作出场强为4～5 T的强永磁机构,但并未充分考虑其中出现的异常磁化现象,理论设计值一般比实测值偏高。只有在磁场计算中准确模拟异常磁化,才能设计出符合预定要求的永磁机构。而一般的矢量磁滞模型,主要针对低磁场情况磁记录材料以及软磁材料的模拟,而且应用起来比较复杂。关于永磁机构中产生的强磁场下外场按任意规律变化的旋转磁化问题,其研究成果的报导较少。针对以上问题,本文在研究了烧结钕铁硼的显微组织结构和技术磁化微观机理的基础上,提出了一种二维简化各向异性矢量Preisach磁滞模型,将该矢量磁滞模型与有限元分析耦合,只需利用永磁材料易轴和难轴方向上极限磁滞回线的数据,即可全面模拟强永磁机构装配过程中出现的局部饱和、局部退磁和旋转磁化现象,该方法简洁易于计算机编程实现。本文利用上述各向异性矢量Preisach磁滞模型结合有限元法模拟了魔环装配过程,并设计制造了一种新的增强型永磁魔环机构。采用了加入软磁材料、调整充磁方向、选用两种不同牌号永磁材料以及采用磁屏蔽固定外壳等一系列方法,并利用正交实验法结合穷举法法优化永磁魔环各部分尺寸和充磁方向,有效降低了局部饱和与退磁,增强了魔环有效区场强。永磁魔环制造完成后,气隙内磁感应强度达到4.10T,测试结果与理论计算值相比偏小,误差主要源于装配过程、加工精度、材料性能及测试等方面的影响。基本证明了魔环机构设计方法的合理性和优化方法的有效性,为强永磁机构的设计奠定了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源与意义
• 1.2 目前国内外发展状况
• 1.2.1 永磁魔环的设计
• 1.2.2 磁滞模型
• 1.3 本文的主要研究工作
• 第二章 烧结钕铁硼的显微组织结构与技术磁化
• 2.1 烧结钕铁硼的显微组织结构分析
• 2.1.1 烧结钕铁硼永磁材料制造工艺概述
• 2.1.2 烧结钕铁硼相的组成
• 2.1.3 烧结钕铁硼的扫描电镜分析
• 2.1.4 烧结钕铁硼晶界的显微组织特征
• 2.2 钕铁硼永磁体的技术磁化和反磁化
• 2.2.1 自发磁化与磁畴理论概述
• 2.2.2 技术磁化和反磁化概述
• 2.2.3 钕铁硼永磁体技术磁化和反磁化过程中的磁畴移动
• 2.3 小结
• 第三章 Preisach磁滞模型
• 3.1 标量Preisach磁滞模型
• 3.1.1 经典Preisach磁滞模型
• 3.1.2 Preisach磁滞模型的发展
• 3.1.3 一种改进的标量Preisach磁滞模型
• 3.2 矢量Preisach磁滞模型
• 3.2.1 Mayergoyz提出的矢量Preisach磁滞模型
• 3.2.2 旋转矢量Hong磁滞模型
• 3.2.3 一种简化矢量Preisach磁滞模型
• 3.2.4 本文提出的一种简化矢量Preisach磁滞模型
• 3.3 小结
• 第四章 永磁魔环装配过程的数值模拟
• 4.1 永磁魔环的基本结构与装配过程受力分析
• 4.1.1 低磁场永磁魔环结构
• 4.1.2 强磁场永磁魔环结构
• 4.1.3 温度对永磁魔环性能的影响
• 4.1.4 魔环的组装过程与受力分析
• 4.2 永磁魔环装配过程中异常磁化的数值模拟
• 4.2.1 装配过程中异常磁化产生的机理和本质
• 4.2.2 旋转磁化产生的条件
• 4.2.3 体电流法与矢量Preisach磁滞模型的耦合
• 4.2.4 装配过程的数值计算方法
• 4.2.5 装配过程中局部饱和、局部退磁位置的显示
• 4.3 小结
• 第五章 一种新的强永磁魔环机构的设计
• 5.1 一种新的强永磁魔环基本结构的确定
• 5.1.1 原8单元增强型永磁魔环机构
• 5.1.2 本文提出的永磁魔环基本结构
• 5.1.3 静磁屏蔽固定外壳的设计
• 5.2 永磁魔环机构的优化设计
• 5.2.1 磁性材料的确定与实验数据的处理
• 5.2.2 正交实验法与正交设计
• 5.2.3 穷举法及魔环机构优化结果
• 5.2.4 魔环机构设计合理性的验证
• 5.3 永磁魔环机构的制造工艺及检测
• 5.3.1 实际制造的魔环的结构及其制造工艺
• 5.3.2 魔环机构的磁场测量与误差分析
• 5.3.3 实际制造的魔环机构的缺点及改进方案
• 5.4 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录 烧结钕铁硼极限磁滞回环数据
• 在学研究成果
• 致谢