CN111627645A - 利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法，选择圆柱形Halbach永磁阵列作为磁源，将所述圆柱形Halbach永磁阵列沿设定轨迹贴附在铁磁性材料表面，所述设定轨迹保证每个所述圆柱形Halbach永磁阵列的内部磁场的强度方向沿着所述铁磁性材料的易磁化方向，相邻两个所述圆柱形Halbach永磁的贴附方向相反。通过控制铁磁性材料内部磁畴按照一定规律排列或形成闭合回路，将铁磁性材料的磁性锁定在一定区域内，从而减小其对外显现磁性，通过该方法对舰艇壳体进行消磁，大大提高了舰艇的磁防护性能，且不消耗能源，安装、更换、维护简单，成本低。

Description

利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法
技术领域
本发明一般涉及材料消磁技术领域，具体涉及一种利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法。
背景技术
具有铁磁性金属壳体的舰艇等武器装备在其周围会产生磁场，这些磁场会成为各种磁性武器攻击及磁探设备探测的信号源。因此，有必要采取有效的磁防护手段，增强其磁隐身能力。对于材料磁场来说，其包括固定磁场和感应磁场两部分。目前国内外主要采用在消磁站消磁和利用舰载消磁系统消磁的手段对舰艇进行消磁。但对于很多舰艇，一方面由于现有消磁系统的重量和功率比较大，舰艇承载能力有限，消磁系统安装条件受限；另一方面，由于舰艇空间狭小，消磁系统的安装空间受限。因此，很多舰艇无法安装现有消磁系统，磁防护性能大大降低。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法。
为了克服现有技术的不足，本发明所提供的技术方案是：
本发明提供一种利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法，其特殊之处在于，所述方法包括：
测量需要处理的铁磁性材料的长度、宽度、厚度、磁导率和易磁化方向，将铁磁性材料划分为多个正方形区域；
选择圆柱形Halbach永磁阵列，确定所述圆柱形Halbach永磁阵列的内半径、外半径和厚度；
每个所述正方形区域内设一个所述圆柱形Halbach永磁阵列，根据铁磁性材料的长度和宽度确定所述圆柱形Halbach永磁阵列的数目；
将多个所述圆柱形Halbach永磁阵列沿设定轨迹贴附在铁磁性材料表面，所述设定轨迹保证每个所述圆柱形Halbach永磁阵列的内部磁场的强度方向沿着所述铁磁性材料的易磁化方向，相邻两个所述圆柱形Halbach永磁的贴附方向相反。
进一步地，所述易磁化方向的测量包括：在地磁场环境下，将铁磁性材料放置于水平面内，在距离铁磁性材料30-50cm处放置一矢量磁强计，将材料顺时针旋转360度，磁强计数值X分量最大时指针所处方向为铁磁性材料的易磁化方向。
进一步地，确定圆柱形Halbach永磁阵列的内半径、外半径和厚度包括：确定所述圆柱形Halbach永磁阵列厚度与所述铁磁性材料厚度的比值；确定所述圆柱形Halbach永磁阵列的外半径与所述正方形区域边长的比值；确定所述圆柱形Halbach永磁阵列外半径与内半径的比值。
进一步地，确定所述圆柱形Halbach永磁阵列外半径与内半径的比值包括：
对所述圆柱形Halbach永磁阵列仿真，获得所述圆柱形Halbach永磁阵列外半径、内半径比值与所述内部磁场的强度之间的关系；根据所述铁磁性材料的磁导率确定所述圆柱形Halbach永磁阵列内部所需的内部磁场的强度值；由所述内部磁场的强度值确定所述外半径与所述内半径的比值。
进一步地，对所述圆柱形Halbach永磁阵列仿真，获得所述圆柱形Halbach永磁阵列外半径、内半径比值与所述内部磁场的强度之间的关系包括：
获得所述圆柱形Halbach永磁阵列中磁化强度矢量的分布规律，所述磁化强度矢量的分布规律为：
Figure BDA0002518999860000021
所述圆柱形Halbach永磁阵列中任一点P(r，θP)的θm＝2θP时，所述内部磁场的标量磁位为：
Figure BDA0002518999860000031
在r＜R1区域内，Halbach永磁阵列内部磁场的强度为：
Figure BDA0002518999860000032
在r＞R2区域外，Halbach永磁阵列内部磁场的强度为：
Figure BDA0002518999860000033
其中，r为场点半径，R1为内半径,R2为外半径,M为磁化强度矢量，M0为M的模，er、eψ为单位柱坐标分量，θP为x轴到线段PO的角度，θm为点P处磁化强度矢量的角度，ψ(r，θP)为标量磁位，H为内部磁场的强度。
进一步地，所述圆柱形Halbach永磁阵列内半径为外半径的1/3～2/3。
进一步地，所述圆柱形Halbach永磁阵列外半径为所述正方形区域边长的3/8～2/5。
进一步地，所述圆柱形Halbach永磁阵列厚度为所述铁磁性材料厚度的1/3～1/2。
进一步地，所述圆柱形Halbach永磁阵列包括至少32块扇形永磁体。
进一步地，所述铁磁性材料的长度和宽度均为0.3～3m，厚度为0.2～2cm，所述正方形区域的边长为5～20cm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法，选择圆柱形Halbach永磁阵列作为磁源，将所述圆柱形Halbach永磁阵列沿设定轨迹贴附在铁磁性材料表面，所述设定轨迹保证每个所述圆柱形Halbach永磁阵列的内部磁场的强度方向沿着所述铁磁性材料的易磁化方向，相邻两个所述圆柱形Halbach永磁的贴附方向相反。通过控制铁磁性材料内部磁畴按照一定规律排列或形成闭合回路，将铁磁性材料的磁性锁定在一定区域内，从而减小其对外显现磁性，通过该方法对舰艇壳体进行消磁，大大提高了舰艇的磁防护性能，且不消耗能源，安装、更换、维护简单，成本低。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的Halbach永磁阵列的径向平面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的Halbach永磁阵列的径向平面的磁场分析示意图；
图4为本发明实施例提供的多个Halbach永磁阵列的排列方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如背景技术中提到的，具有铁磁性金属壳体的舰艇等武器装备在其周围会产生磁场，这些磁场会成为各种磁性武器攻击及磁探设备探测的信号源。因此，有必要采取有效的磁防护手段，增强其磁隐身能力。对于材料磁场来说，其包括固定磁场和感应磁场两部分。目前国内外主要采用在消磁站消磁和利用舰载消磁系统消磁的手段对舰艇进行消磁。但对于很多舰艇，一方面由于现有消磁系统的重量和功率比较大，舰艇承载能力有限，消磁系统安装条件受限；另一方面，由于舰艇空间狭小，消磁系统的安装空间受限。因此，很多舰艇无法安装现有消磁系统，磁防护性能大大降低。
舰艇壳体一般为铁磁性金属材料，其内部磁性微结构影响其宏观磁性性质。磁畴，是指铁磁性材料在自发磁化的过程中为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。通过对铁磁性材料施加一定强度和方向的外磁场可以改变材料内部磁畴的大小和取向，进而影响其对外显现磁性。外磁场的产生应该选用具有良好磁性能的磁源，绕组和永磁体均可在局部产生较大的磁场强度。
Halbach永磁阵列完全由稀土永磁材料构成，通过将不同充磁方向的永磁体按照一定规律排列，能够在磁体的一侧汇聚磁力线，而在另一侧消弱磁力线，从而获得比较理想的单边磁场。本申请实施例提出了一种利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法，通过选用某种圆柱形Halbach永磁阵列作为磁源，控制材料内部磁畴按照一定规律排列或形成闭合回路，将材料磁性“锁定”在一定区域内，从而减小其对外显现磁性。
参见图1，其示出了根据本申请实施例的利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法。
在步骤110中，测量需要处理的铁磁性材料的长度、宽度、厚度、磁导率和易磁化方向，将铁磁性材料划分为多个正方形区域。
铁磁性材料的长度和宽度均为0.3～3m，厚度为0.2～2cm，太大或太小不利于Halbach永磁阵列的加工，同时还会影响退磁效果，所述正方形区域的边长为5～20cm。磁导率利用磁导率测试仪测量得到。易磁化方向的测量包括：在地磁场环境下，将铁磁性材料放置于水平面内，在距离铁磁性材料30-50cm处放置一矢量磁强计，将材料顺时针旋转360度，磁强计数值X分量最大时指针所处方向为铁磁性材料的易磁化方向。
在步骤120中，选择圆柱形Halbach永磁阵列，确定圆柱形Halbach永磁阵列的内半径、外半径和厚度。
对于磁导率为100～300的铁磁性材料，Halbach永磁阵列内部磁场的强度需在300～500Gs以上，内部磁场的强度与其厚度、内半径、外半径比例以及组成圆柱形Halbach永磁阵列的扇形永磁体的个数相关，其中圆柱形Halbach永磁阵列的厚度越大，内外径比例越小，扇形永磁体个数越多，场强越大。
选择圆柱形Halbach永磁阵列，考虑强度影响、加工难度、成本等因素，圆柱形Halbach永磁阵列包括至少32块扇形永磁体。确定圆柱形Halbach永磁阵列的内半径、外半径和厚度包括：确定所述圆柱形Halbach永磁阵列厚度与所述铁磁性材料厚度的比值；确定所述圆柱形Halbach永磁阵列的外半径与所述正方形区域边长的比值；确定所述圆柱形Halbach永磁阵列外半径与内半径的比值。
确定所述圆柱形Halbach永磁阵列外半径与内半径的比值包括：对所述圆柱形Halbach永磁阵列仿真，获得所述圆柱形Halbach永磁阵列外半径、内半径比值与所述内部磁场的强度之间的关系；根据所述铁磁性材料的磁导率确定所述圆柱形Halbach永磁阵列内部所需的内部磁场的强度值；由所述内部磁场的强度值确定所述外半径与所述内半径的比值。
对所述圆柱形Halbach永磁阵列通过CST或Maxwell进行仿真，获得所述圆柱形Halbach永磁阵列外半径、内半径比值与所述内部磁场的强度之间的关系包括：
获得所述圆柱形Halbach永磁阵列中磁化强度矢量的分布规律，所述磁化强度矢量的分布规律为：
Figure BDA0002518999860000061
所述圆柱形Halbach永磁阵列中任一点P(r，θP)的θm＝2θP时，所述内部磁场的标量磁位为：
Figure BDA0002518999860000062
在r＜R1区域内，Halbach永磁阵列内部磁场的强度为：
Figure BDA0002518999860000071
在r＞R2区域外，Halbach永磁阵列内部磁场的强度为：
Figure BDA0002518999860000072
其中，r为场点半径，R1为内半径,R2为外半径,M为磁化强度矢量，M0为M的模，er、eψ为单位柱坐标分量，θP为x轴到线段PO的角度，θm为点P处磁化强度矢量的角度，ψ(r，θP)为标量磁位，H为内部磁场的强度。
需要说明的是，内部磁场的强度值是利用高斯计在圆柱形Halbach永磁阵列内外部各点进行实际测量获得。将测量的内部磁场的强度值代入
Figure BDA0002518999860000073
便能够获得外半径R2、内半径R1的比值。
在步骤130中，每个所述正方形区域内设一个所述圆柱形Halbach永磁阵列，根据铁磁性材料的长度和宽度确定所述圆柱形Halbach永磁阵列的数目。
优选的，所述圆柱形Halbach永磁阵列外半径为所述正方形区域边长的3/8～2/5，所述圆柱形Halbach永磁阵列内半径为外半径的1/3～2/3。所述圆柱形Halbach永磁阵列厚度为所述铁磁性材料厚度的1/3～1/2。
在步骤140中，将多个所述圆柱形Halbach永磁阵列沿设定轨迹贴附在铁磁性材料表面，所述设定轨迹保证每个所述圆柱形Halbach永磁阵列的内部磁场的强度方向沿着所述铁磁性材料的易磁化方向，相邻两个所述圆柱形Halbach永磁的贴附方向相反。
上述方法通过控制铁磁性材料内部磁畴按照一定规律排列或形成闭合回路，将铁磁性材料的磁性锁定在一定区域内，从而减小其对外显现磁性，通过该方法对舰艇壳体进行消磁，大大提高了舰艇的磁防护性能，且不消耗能源，安装、更换、维护简单，成本低。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法，其特征在于，所述方法包括：
测量需要处理的铁磁性材料的长度、宽度、厚度、磁导率和易磁化方向，将铁磁性材料划分为多个正方形区域；
选择圆柱形Halbach永磁阵列，确定所述圆柱形Halbach永磁阵列的内半径、外半径和厚度；
每个所述正方形区域内设一个所述圆柱形Halbach永磁阵列，根据铁磁性材料的长度和宽度确定所述圆柱形Halbach永磁阵列的数目；
将多个所述圆柱形Halbach永磁阵列沿设定轨迹贴附在铁磁性材料表面，所述设定轨迹保证每个所述圆柱形Halbach永磁阵列的内部磁场的强度方向沿着所述铁磁性材料的易磁化方向，相邻两个所述圆柱形Halbach永磁的贴附方向相反。
2.根据权利要求1所述的利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法，其特征在于，
所述易磁化方向的测量包括：在地磁场环境下，将铁磁性材料放置于水平面内，在距离铁磁性材料30-50cm处放置一矢量磁强计，将材料顺时针旋转360度，磁强计数值X分量最大时指针所处方向为铁磁性材料的易磁化方向。
3.根据权利要求1所述的利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法，其特征在于，确定圆柱形Halbach永磁阵列的内半径、外半径和厚度包括：
确定所述圆柱形Halbach永磁阵列厚度与所述铁磁性材料厚度的比值；
确定所述圆柱形Halbach永磁阵列的外半径与所述正方形区域边长的比值；
确定所述圆柱形Halbach永磁阵列外半径与内半径的比值。
4.根据权利要求3所述的利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法，其特征在于，确定所述圆柱形Halbach永磁阵列外半径与内半径的比值包括：
对所述圆柱形Halbach永磁阵列仿真，获得所述圆柱形Halbach永磁阵列外半径、内半径比值与所述内部磁场的强度之间的关系；
根据所述铁磁性材料的磁导率确定所述圆柱形Halbach永磁阵列内部所需的内部磁场的强度值；
由所述内部磁场的强度值确定所述外半径与所述内半径的比值。
5.根据权利要求4所述的利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法，其特征在于，
对所述圆柱形Halbach永磁阵列仿真，获得所述圆柱形Halbach永磁阵列外半径、内半径比值与所述内部磁场的强度之间的关系包括：
获得所述圆柱形Halbach永磁阵列中磁化强度矢量的分布规律，所述磁化强度矢量的分布规律为：
Figure FDA0002518999850000021
所述圆柱形Halbach永磁阵列中任一点P(r，θP)的θm＝2θP时，所述内部磁场的标量磁位为：
Figure FDA0002518999850000022
在r＜R1区域内，Halbach永磁阵列内部磁场的强度为：
Figure FDA0002518999850000023
在r＞R2区域外，Halbach永磁阵列内部磁场的强度为：
Figure FDA0002518999850000024
其中，r为场点半径，R1为内半径,R2为外半径,M为磁化强度矢量，M0为M的模，er、eψ为单位柱坐标分量，θP为x轴到线段PO的角度，θm为点P处磁化强度矢量的角度，ψ(r，θP)为标量磁位，H为内部磁场的强度。
6.根据权利要求5所述的利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法，其特征在于，所述圆柱形Halbach永磁阵列内半径为外半径的1/3～2/3。
7.根据权利要求6所述的利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法，其特征在于，所述圆柱形Halbach永磁阵列外半径为所述正方形区域边长的3/8～2/5。
8.根据权利要求7所述的利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法，其特征在于，所述圆柱形Halbach永磁阵列厚度为所述铁磁性材料厚度的1/3～1/2。
9.根据权利要求1所述的利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法，其特征在于，所述圆柱形Halbach永磁阵列包括至少32块扇形永磁体。
10.根据权利要求1所述的利用Halbach永磁阵列减小铁磁性材料磁性的方法，其特征在于，所述铁磁性材料的长度和宽度均为0.3～3m，厚度为0.2～2cm，所述正方形区域的边长为5～20cm。
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