通过永磁体同极相对提高磁场强度的研究

钟 华 白武帅 侯志坚 董军军

北京科技大学 北京 100083

在信息、通讯、交通与自动化这些发展速度最快、对社会影响最大的领域中，磁性材料都发挥着不可替代的重要作用。永磁材料作为当今社会最重要的功能材料之一，已广泛应用于计算机、扬声器、家用电器、仪器仪表、磁力机械、各种电机、医疗器械等仪器设备中。我国是稀土王国和永磁材料生产大国，是被誉为“永磁王”的钕铁硼的发明国之一。现代技术对永磁体的性能与质量提出了更高的要求，而第三代永磁体(NdFeB)满足不了这些要求，目前第四代永磁体的研制尚未取得重大突破。因此，在现有条件下，通过磁铁同极相对接获得高强磁场的方法具有实际意义[1]。

1 问题提出

我们都知道两块永磁体同极相对及异极相对放置于同一平面时磁感线分布分别如图1和图2所示。由于磁场强度的叠加为矢量相加，于是我们可以猜想两块永磁体磁极对接时其磁感线分布情况应该如图3和图4所示。

图1 异名磁极相对磁感线分布

图2 同名磁极相对磁感线分布

图3 两异名磁极相接触形成磁感线

图4 两同名磁极相接触形成磁感线

异名磁极接触与正常单块磁体磁感线没有分别，而同名磁极对接磁感线分布如图4所示，相对两极间磁感线呈相互排斥状向外部放射分布。近似认为两磁极产生磁场方向相同，同向叠加，场强为单个磁体磁极部分产生场强的二倍。

2 实验验证

2.1 实验设备

钕铁硼永磁体、410型高斯计、有机玻璃、铁屑、直尺其中钕铁硼永磁体技术参数见表1。

表1 钕铁硼永磁体技术参数

2.2 关于磁感线分布的验证

取金属加工所磨细铁屑置于厚度为10 mm的有机玻璃上，敲震玻璃使其均匀覆盖于玻璃表面。在玻璃下面放两块分别由N，S极相吸成为一体的钕铁硼永磁体，轻敲有机玻璃使铁屑在磁场作用下分布，得到复合磁场作用下的铁屑分布如图5所示。我们可以清楚地发现实验得到的图像与猜想的磁感线分布情况(如图3所示)相同。

图5 铁屑在异极对接磁体磁场中的分布

再取金属加工所磨细铁屑置于厚度为10 mm的有机玻璃上，敲震玻璃使其均匀覆盖于玻璃表面。在下面放两块N极相对固定于一铜棍上的钕铁硼永磁体(实物图如图6所示)，轻敲有机玻璃使铁屑在磁场作用下分布，得到复合磁场作用下的铁屑分布如图7所示。我们可以清楚地看到实验得到的图像与猜想的磁感线分布情况(如图4所示)高度吻合，这有力地证明了上面提出猜想的正确性。

图6 两块同极对接的钕铁硼永磁体材料

图7 铁屑在同极对接磁体磁场中的分布

2.3 关于磁场强度的验证

对于是否如前面猜想所言，在磁体同极对接处会产生一个二倍的场强的问题，我们可以用高斯计通过测量对接磁体各处磁场强度大小来证实。沿对接的两块永磁体侧面以不同需要分成若干段，分别测量每一段上的磁场强度并记录到表2和表3中。最后再以横向放置的两块对接钕铁硼永磁体为横轴，磁场强度大小为纵轴做出测量曲线，结果如图8所示。

表2 钕铁硼永磁体异极对接磁场强度分布表

表3 钕铁硼永磁体同极对接磁场强度分布表

图8 钕铁硼永磁体同极对接磁场强度分布图

由这个曲线我们可以清楚地看到对异名磁极对接而言，中间处磁场近似为0，两极处最大。而同名磁极对接部分的磁场强度要明显大于其他部分，共出现三个波峰，分别分布于中间两N极对接处及左右S极处，且中间波峰值近似等于两极波峰值的二倍，于是可以证明在较近范围内对接磁体两侧产生的磁场方向相同，场强大小为两磁极磁场强度大小的同向叠加。这表明通过磁体同极对接，理论上可以获得二倍的磁场强度，磁场方向与对接的磁极方向相同，且此理论能得到实验支持，理论猜想符合实际，通过实验得到了二倍磁场强度。

3 关于可能发生退磁现象的分析

实验中所有的钕铁硼永磁体相关参数如下：

剩磁，Br：1.223 T；内禀矫顽力，Hcj：1052 kA/m；矫顽力，Hcb：849 kA/m；最大磁能积，BH：269 A/m3

使磁化至技术饱和的永磁体的B(磁感应强度)降低至零所需要的反向磁场强度称为磁感矫顽力。此实验所用的永磁体其矫顽力Hcb为849 kA/m，实验测得单个磁体磁极处磁场强度为300 mT，即239 kA/m。

显然单个磁体磁场强度远小于永磁体的矫顽力，不会发生退磁现象。

4 结束语

本文主要研究通过两块钕铁硼永磁体材料同名磁极对接产生磁场增幅情况，且通过实验结果已经证实加倍磁场强度的正确性，同样可以利用多个磁体同名对接进而成倍提高区域性磁场强度。本文主要针对永磁铁进行研究，但这并不代表此研究不能应用于电磁铁设备，电磁铁工作原理遵循永磁体磁场理论，所以此研究用于电磁铁设备在同样情况下同样可以大幅度提高磁场强度且更加节能。随着社会发展和技术的进步，越来越多的设备需要在高磁环境下工作，如发电、军事、航天、航海、探测、磁悬浮系统等。因此，此研究课题结论具有实际意义。

[1]刘宏娟.矩形永磁体三维磁场空间分布研究[D].北京:北京工业大学,2006.

[2]克里斯朵夫·库珀.磁学[M].济南:山东教育出版社,2009.

[3]邹继斌,刘宝廷,崔淑梅,郑萍.磁路与磁场[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998.

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[5]汪民.通电矩形线圈附近空间磁场强度分布值的计算方法[J].现代测量与实验室管理,2012(1):3-6.

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