第二节 永磁体的特殊性能

1.永磁体的磁性能与永磁体形状的关系

永磁体的剩磁、矫顽力、内禀矫顽力、磁能积及磁极表面的磁感应强度除与构成永磁体的材料、成形工艺、充磁电流有关外，还与永磁体的几何形状、极面积及两极面之间的距离有关。

笔者对永磁体进行了30余年的研究并对用同一材料、同一工艺做的两极面面积相等而两极面之间距离h_m不等的数块永磁体和两极面面积不等而两极面距离相等的数块永磁体，经实测永磁体磁极表面的磁感应强度，实测结果表明永磁体极面的磁感应强度与极面积、两极面之间的距离有关。

笔者对不同尺寸的矩形永磁体的短边长度与两极面之间的距离对永磁体极面的磁感应强度的关系也进行了多次实测，矩形永磁体磁极面的磁感应强度与矩形永磁体极面短边的长度及两极面的距离有关。

表3-1及图3-1是笔者对钕铁硼N45及相同工艺制造的直径d为16mm，两极面面积相等且两极面距离分别为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm共12块永磁体的磁极表面的磁感应强度进行实测的结果。

从表3-1的实测结果可以看到，两极面距离为10mm时，永磁体的磁感应强度比两极面距离为5mm时增加了1230Gs^[2]，增加了45.56%；两极面距离为15mm时，其磁感应强度比两极面距离为5mm时增加了1760Gs，增加了65.185%，达到4460Gs，即达到了N45永磁体的磁感应强度。

在两极面的距离为15mm与其直径d=16mm相近时，基本上达到了N45永磁体的磁感应强度。尔后，随着两极面距离的增加，永磁体的磁感应强度增加的愈来愈少，当两极面距离增加到60mm时，永磁体的磁感应强度又接近两极面距离为15mm时的磁感应强度。

表3-1 直径d=15mmN45永磁体两极面距离与磁感应强度的实测数据

图3-1 直径d=15mm N45永磁体在磁极面不变的情况下随着永磁体长度的增加，磁极表面磁感应强度变化曲线

经实验和实测，结论如下：

1）圆柱永磁体两极面距离h_m与其直径d相等，对于矩形极面的永磁体，两极面距离h_m与极面短边a_m（a_m＜b_m）相等是永磁体最科学、合理、经济的几何形状，此时成本最低。

2）圆柱永磁体两极面距离h_m超过其直径d之后，矩形永磁体的两极面距离h_m超过其极面短边a_m（a_m＜b_m）之后，继续增加两极面距离h_m，永磁体的磁感应强度增加很少，再增加h_m，永磁体磁感应强度会缓慢下降。用增加永磁体体积（当极面积不变增加两极面距离）提高永磁体磁感应强度是最不科学、最不合理、最不经济的途径，此时，成本也高。

3）永磁体的磁能积不是永磁体体积的函数。我们从表3-1及图3-1可以看到，当永磁体两极面距离h_m增加到60mm，其体积是两极面距离为15mm的4倍，但其磁感应强度却与两极面距离为15mm的永磁体的磁感应强度相同，永磁体的磁能积与永磁体极面积及两极面距离有关，在一定范围内，永磁体的磁能积是永磁体极面积及两极面距离的函数。

4）永磁体极面积愈大，则极面中心的磁感应强度愈低于其周边的磁感应强度。图3-2表示永磁体极面与其磁感应强度的关系曲线。

5）一块两个极面积不等的永磁体，其极面上的磁感应强度也不等，但遵守S₁B₁=S₂B₂的关系。这为我们利用永磁体极面积获得理想的磁感应强度提供了数学依据，聚磁原理就是遵循这一数学模型。图3-3就是两个极面不等的永磁体极面积与磁感应强度之间关系示意图。

图3-2 永磁体极面上的磁感应强度分布曲线

图3-3 永磁体的两个极面积不等时 遵循S₁B₁=S₂B₂的关系

2.永磁体磁极的串联

笔者用4块14mm×14mm×50mm的矩形永磁体N39 SH做如下实验，这4块永磁体材料、制造工艺相同，每块永磁体磁极表面的磁感应强度为B_m=3910Gs。将两块永磁体直接串联，测得磁极表面的磁感应强度为4920Gs，比单块永磁体增加了1010Gs，增加了25.83%；将3块永磁体直接串联，测得磁面的磁感应强度为5340Gs，比单块永磁体增加了1430Gs，增加了36.57%；将4块永磁体直接串联，测得极面的磁感应强度为5500Gs，比单个永磁体增加了1590Gs，增加了40.66%。

笔者用Q195钢做14mm×14mm×50mm的两块磁导体与两块14mm×14mm×50mm的永磁体组成串联磁路并形成0.8～1.0气隙，永磁体磁极直接面向气隙，实测气隙磁密为4700Gs，比单个永磁体高790Gs，增加了20.2%。

经典理论认为，永磁体串联时磁势增加而磁通不变，这正像电池串联电压增加而电流不变一样。笔者经多次永磁体串联实验和研究认为，经典理论对永磁体串联给定的磁势增加而磁通不变的结论是欠妥的。根据

当S一定时，磁感应强度B_m增加时，磁通Φ也增加。实验的结果已经充分地证明了永磁体串联磁通增加，磁通增加的大小也与构成磁路的磁导体的磁导率、导磁面积、磁路的长短等因素有关，永磁体串联使磁感应强度增加，使永磁体的磁通增加，这已为实验所证明。永磁体串联是提高磁感应强度的方法之一。

3.永磁体磁极并联

永磁体磁极并联就是强迫永磁体的同性磁极通过磁导体连在一起，由于永磁体同性磁极相斥，连接同性磁极十分困难，由于漏磁大，并联永磁体不会使它们同性磁极所形成的公共磁极的磁感应强度达到单个磁极磁感应强度之和。永磁体磁极并联绝对不像两个电压相等的电池并联电压不变电流等于两个电池的电流之和那样。有人在理论上推导过，在永磁发电机永磁体并联即切向布置时，漏磁系数为1.25的情况下，并联永磁体的公共磁极的气隙磁密是串联即永磁体径向布置时的气隙磁密的1.6倍，笔者经多次实验证明，这是不可能达到的。

笔者用14mm×14mm×50mm多块N39永磁体及Q195磁导体做成并联永磁体回路，气隙0.8～1.0mm，隔磁用非磁性材料——黄铜，实测气隙磁密为5470Gs，比单个N39永磁体磁极的磁感应强度3910Gs大1560Gs，大38.89%，漏磁系数为1.42。在没有非磁性材料隔磁的情况下气隙磁密为3810Gs，是单个N39永磁体磁极的磁感应强度3910Gs的97.44%，漏磁系数为2.0525。

经实验证明：永磁体磁极并联即永磁发电机永磁体切向布置，在有非磁性材料对非磁路部分进行有效隔磁的情况下，气隙磁密比单个永磁体磁极的磁感应强度大40%左右，在无非磁性材料隔磁的情况下，气隙磁密与单个永磁体磁极的磁感应强度差不多是相同的。

我们知道，到目前为止，在常态下世界上还没有一种物质能隔断磁场，从而将永磁体的N极和S极分开而形成独立的N极和S极。

经典理论认为永磁体磁极并联磁势不变，磁通是两个磁极磁通之和，这是理想理论，在实践中是达不到的。

永磁体并联，即在永磁发电机中永磁体磁极切向布置，安装困难，需有专用工具。

4.永磁体的磁极会自动寻找磁阻力最小、磁路最短的磁介质通过磁通

在永磁体的磁场中，如果有两种磁导率不同的磁介质，且永磁体没有被约束，那么永磁体会自动寻找磁阻力最小、磁路最短的磁介质通过其磁力线构成永磁体的磁回路。

磁屏蔽就是永磁体磁极自动寻找磁阻力最小、磁路最短通过磁力线的例子。

为防止某些仪器、仪表、微机等不受磁场干扰，可以采取磁屏蔽的措施减轻磁场的干扰。用磁导率很高的顺磁质做成球形或箱形的容器，将防止磁干扰的仪器、仪表、微机等置于其内，可以达到磁屏蔽的作用，使置于容器内的仪器、仪表、微机等受磁场干扰大幅度下降。比如用Q195低碳钢做一个方箱，由于低碳钢的磁导率比空气的磁导率大几千倍，因而磁力线会自动寻找到磁阻力小即磁导率大的低碳钢通过，仅有极少的磁力线进入方箱内，从而这个方箱起到了磁屏蔽的作用。磁屏蔽如图3-4所示。

图3-4 磁屏蔽

永磁体磁极会自动寻找磁阻力小、磁路最短的磁介质通过磁力线这一性质，对于永磁发电机起动力矩设计十分重要。

5.永磁体对外做功不损失其自身的磁能，也不会自动地将自身的磁能贡献给外界

永磁体对外做功不损失其自身的磁能，这在永磁吊上得到了证明。永磁吊会将距永磁体10～20mm的钢板吸住，由吊车送到另一个地方，用非磁性材料将钢板卸下。永磁吊使用几千次、几万次，而永磁体的磁感应强度并未因永磁体的几千次、几万次做功而减少。用非磁性材料卸下吊起的钢板做功不会增加永磁体的磁能。

永磁体对外做功不损失自身的磁能，在某种意义上说，磁能不遵守能量守恒。

永磁体的磁能不会自动地贡献给外界，永磁体的磁能可以作为其他能量转换的载体。在永磁体磁能作为其他能量转换的载体的过程中、不会自动地将其自身的磁能贡献给外界。比如永磁发电机，当外界的机械能转动镶有永磁体的转子时，永磁体磁场切割定子绕组，当定子绕组有负载时就会输出电能。这一过程是永磁体的磁能将机械能转换成电能，永磁体的磁能是机械能转换成电能的媒体，只起能量转换功能，永磁体在能量转换过程中不损失其自身的磁能。永磁体不会自动地将自身的磁能贡献给外界。