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２００２正 电工材料 第１期 磁场计算与磁体设计系统的应用。 董生智苏航李岫梅李卫 （钢铁研究总院功能材料所，北京１０００８１） 摘要 磁场计算与磁体设计系统，是一种用于计算永磁体空间磁场分布的专业软件。本文详细舟绍了 该系统的主要功能及应用。实验表明．计算结果相对于实测数据的偏差一般在５ 以内。利用该系统还 可以对磁体的几何形状、尺寸、性能进行设计。 关键词：磁场计算；磁体设计系统 中图分类号±ＴＭ２０Ｊ；ＴＰ３１１．５２ 文献标识码；Ａ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍａｇｎｅｔ＆Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｄｏｎｇ Ｓｈｅｎｇｚｈｉ，Ｓｕ Ｈａｎｇ，Ｌｉ Ｘｉｕｍｅｉ，Ｌｉ Ｗｅｉ （Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｉｒｏｎ＆Ｓｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅ ｎｇ １０００８１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍａｇｎｅｔ＆ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｐｅｃｉａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｄａｔａ ａｎｄ ｅｘｐｅｒ［ｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕＩｔｓ ｕｓｕａｌｌｙ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ５ ．Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｎｙ ｍａｇｎｅｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｓｈａｐｅ．ｓｉｚｅ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ Ｃａｎ ｂｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｇｎｅｔ￣ｆｉｅｌｄ￣Ｄｅｓｉｇｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍａｇｎｅｔ １ 引 言 “磁场计算与磁体设计系统 是钢铁研究 总院针对永磁体研究与应用中空间磁场难于 准确计算而开发的一种专业计算软件，可处 理与永磁体形状、尺寸、性能、牌号、磁场分布 有关的一系列问题，为永磁体的实际应用提 供了重要的参考数据。 目前应用最多的永磁体是钕铁硼、钐钴、 主要为圆柱体、长方体、扇形体和环形体等， 这些形状的磁体具有较高对称性。不同材料、 不同形状、不同尺寸的磁体所产生的空间磁 场各不相同，应用环境与应用条件也完全不 同。如何定性定量地确定磁体材料、性能、形 状、尺寸间的相互关系，是很多专业人员也感 到棘手的难题。 “磁场计算与磁体设计系统”专业软件依 据磁学基本理论，从磁体基本性能出发，将理 铝镍钴与铁氧体等几种永磁材料，磁体形状 论计算与计算机数据处理方法相结合，能够 ０收稿日期：２０Ｏ１—１２—１０ ２６ 维普资讯 http://www.cqvip.com
２００２正 电工材料 第ｌ期 快速、准确、便捷地解决永磁体空间磁场分 布、磁体形状尺寸设计等永磁体应用的基本 算两种方式。在磁体具有较高的矫顽力和较 好的方形度时，只需输入磁体的磁能积，即可 使用简易计算方式较快速地获得近似结果。 如果希望计算结果更准确，或磁体不具备理 想退磁曲线时，则需采用完整计算方式，利用 问题，彻底改变了人们过去大多数情况下所 采用的依赖旧经验或是试验数据的方法。 ２基本原理 “磁场计算与磁体设计系统 软件建立在 两个基本假设与一条基本定律的基础上。 假设一：磁体各部分的物理性能完全一 致。 退磁曲线迭代计算，建立自洽场。 ３．１退磁曲线的导人及建立 系统可直接由振动样品磁强计、磁滞回 线测量仪提供的数据盘，识别和导入永磁材 料的退磁曲线，馓为后续计算中磁体磁性能 的依据。也可以人工输入退磁曲线上的几个 关键点，由系统自动拟合出相应的退磁曲线。 见图１。 假设二：磁体内各点的磁矩完垒沿理想 取向方向。 依据磁学基本原理，当磁体中的磁化强 度Ｍ确定时，面极化电流密度ｊ＝Ｍ×ｎ（ｎ 是磁体表面法线方向单位矢量），体电流密度 ８一 ＸＭ。根据毕奥一萨伐尔定律就可确定 空间任意一点的磁感应强度Ｂ。 ３．２自洽场的建立与启用 给定永磁体的形状和尺寸，当其磁性能 一定时，磁体内部的磁化强度分布就是唯一 确定的。如何定出磁体内的磁化强度就成为 问题的关键。本系统在充分考虑静磁相互作 用的基础上，采用自治场计算方法来确定磁 体中各点的磁化强度，可获得较为满意的结 应用中随时启动。 ３．３空间任意点磁场计算——单点计算 在磁体形状、尺寸、性能确定后，可在简 单计算或完整计算方式下，利用单点计算功 能求出空间任一点的磁感应强度Ｂ，并以数 据表示该点磁场的大小与方向。 ３．４空间磁场变化趋势计算——曲线计算 利用曲线计算功能，可将空间磁场沿某 一Ｂ＝ ・（皿学 ＋Ⅱ等ｄＳ）（１） 果。自洽场计算结果可予以保存，并在以后的 式中ｒ为极化电流至空间计算点的矢径 ３磁场计算与磁体设计系统功 能简介 磁场计算与磁体设计系统建立的宗旨， 就是为永磁体的研究与应用人员提供一种快 捷、便利、准确、实用的工具。 该系统可适用于圆柱体、长方体、扇形 体、环形体四种基本几何形状的不同取向方 向的磁体。永磁体的材料种类原则上不受限 制，既可以是钕铁硼、钐钴等高性能永磁材 料，也可以是铝镍钴、铁氧体、铁铬钴等磁性 能较低的永磁材料；既可以是各向异性磁体， 也可以是各向同性磁体。 方向的变化，以曲线图形式表示出来，比较 直观地反映磁场沿特定方向变化的趋势。见 图２。 ３．５空间磁场平面图——空间分布 空间分布是将磁场在某一坐标面内的变 化以不同灰度的颜色显示出来，形象地反映 了空间各点的磁场变化。当鼠标在磁场空间 分布图上移动时，可实时显示鼠标经过点的 磁场各分量的数值。见图３。 ２７ 从计算方法上可采用简易计算与完整计 维普资讯 http://www.cqvip.com
２００２盔 电工材料 第１期 ｝‘ “Ｊ ＿ … ｌ －Ｊ ｌ ｝： ／—］ 一一一一 ．＝ ｎ …｜ｉ｝鼬鲥・ …ｍ ＿■ ∞ ４ 嘣 ■■‘Ｔ 一● 旦塑 嗣 ●圈 曩嚣 ■■呲‘－ｃ １ ｔＥ磨ｌＴ 图ｌ退磁曲线数据库 囤２环形磁体沿柽向磁场强度变化曲线 ３．６磁体牌号的推断 在永磁体形状、尺寸确定的情形下，如果 对空间磁场（如表面磁场）的大小有一定要 求，则可通过磁体牌号推断功能，预测所需磁 体的主要性能及磁体的牌号（主要适用于钕 铁硼磁体）。 ４磁场计算与磁体设计系统的 应用 磁场计算与磁体设计系统，是永磁体应 用与设计必备的、理想实用的计算机辅助工 具，应用十分方便。 ２８ 维普资讯 http://www.cqvip.com
２００２正 电工材料 第１期 图３环形磁体的磁场空间分布 ４．１ 对永磁体空间磁场进行精确计算与分 析 永磁体空间磁场分析系统，可用于解决 可以快速准确地计算出磁体表面场及空 磁体尺寸及性能设计、空间磁场计算与演示、 磁体性能粗略判定等与永磁体应用、检测、设 计密切相关的问题。虽然系统本身是针对单 个简单磁体而建立的，但利用一些简单的技 巧，还可以解决多个磁体组台情形下的类似 问题。 间任意点磁场分布，并能够以曲线或图表形 式形象、直观地给出计算结果。 ４．２对磁体材料性能进行快速检测 只需对表面场进行简单的测量，就可推 断出材料性能达到什么指标。特别适宜于非 标准样品的性能测量，如各种扇形、环形等异 形磁体。 ４．３磁体设计 可对磁体几何及性能指标进行综合设 计，台理地选择磁体牌号、规格尺寸，在满足 特定的应用要求的基础上，达到价廉质优的 将计算结果与实际测量结果相对比，大 量数据表明，二者的相对误差一般只有３ ～５ ，吻合程度远高于一般专业计算软件 １０ 的指标。 永磁体空间磁场分析系统，具有快速、简 捷、准确等特点，是磁体设计及粗略测试的理 总体目标。是各种磁体应用的理想参谋。 想实用的计算机辅助工具。 单点计算特别适于获得磁体表面场的数 据。 ５结论 ２９
