奇妙的永磁组合应用

徐长发，华中科技大学，2018.4.10

单个永磁体大家都知道，它的磁力线是封闭的，可是多个永磁体组合起来的磁力线是怎样的? 1979 年，美国学者Klaus Halbach把多个永磁体按特殊规律组合起来，发现有许多特殊的磁力线表现，得到了一些特殊的应用。从此，科学家们对此产生了浓厚的兴趣，发现了越来越多的有实用价值的永磁体组合，学界将其统称为Halbach磁铁。

一．直线排列的Halbach磁铁及其应用

图1是直线排列的Halbach磁铁，它的磁力线几乎是单边分布的，一边的磁力线加强了而且接近正弦表现，而另一边的磁力线几乎被屏蔽了。

图2.环形排列的Halbach磁铁结构及其磁场分布

三．最强单体磁铁——钕铁硼稀土磁铁

稀土永磁材料是把稀土金属与其它磁性材料，经混合粉末、压型烧结、磁场充磁等工艺，制得的一种磁性材料。

稀土永磁行业始于上世纪60-70年代，稀土永磁材料已经发展到第三代了， 第一代是钐钴稀土永磁材料，第二代是改进的钐钴稀土永磁材料，第三代是钕铁硼稀土永磁材料。

钕铁硼稀土永磁材料是目前磁性最强的，被人们称为磁王，它的磁性高过磁钢的100多倍，高过铁氧体的10倍以上；其本身的机械加工成型的性能亦相当好；工作温度最高可达200摄氏度；而且其质地坚硬，性能稳定，有很好的性价比，故其应用极其广泛；因为其化学活性很强，所以必须对其表面要做凃层处理。

钕铁硼稀土永磁材料已应用到各行各业中，特别是高新技术行业中更是少不了它。不仅如此，它还促进了永磁器件向小型化发展，进一步提高了产品的性能。

稀土含有很多种金属成分，它们的化学活性很强，它就像有“魔力”一样，和其它东西结合就会产生更神奇的性能，稀土加入钕铁硼就产生了强磁力仅仅是其中的一例，稀土的应用现在是越来越广了，高新技术离不开稀土。

中国的稀土资源原来占全球近2/3，可谓资源丰富，但是以前却承担了90%以上的世界市场供应，像美国日本等第一世界国家，把自己国内的稀土资源封存起来，买中国廉价的稀土，所以我国已经损失了大量的稀土资源。现在，中国才对稀土的出口有所限制。经统计，中国稀土储量现在仅占全球的42%。

四．Halbach磁铁对传统电机的影响

有了性能最佳的钕铁硼稀土永磁铁，有了Halbach的排列技术，可以说让永磁体的应用又先前跨进了一大步。

传统的电动机、发动机、磁悬浮电动机、磁悬浮发电机、磁悬浮轴承等都离不开复杂的绕组，现在呢，不仅省去了一些绕组，让体积小型化，而且性能还进一步提高了。相对于传统装置，钕铁硼稀土永磁铁加上Halbach的组合技术，在应用方面，其优越性主要体现在以下几个方面：1）功率密度大，2）定转子不再需要层叠硅钢片和开槽，3）转子可采用非铁心材料，4）必要的绕组变得简单集中了。

钕铁硼稀土永磁铁加上Halbach磁体对传统的电机行业的影响是巨大的。它的应用越来越多，我国的中低速永磁悬浮列车就是其中的一个典型例子。虽然现在利用Halbach磁体设计出了一些永磁电机，但实际应用还刚刚开始，相信将来一定还会制造出更多实用的永磁应用装置。

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