CN112989643A - 永磁磁路设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种永磁磁路设计方法。永磁磁路设计方法包括：确定目标磁体的参数；根据目标磁体的参数确定目标区域的参数；根据目标区域的参数将目标区域等效为等效永磁体；求解等效永磁体的磁场分布区域；根据互易定律设计永磁体。本发明解决了现有技术中永磁装置存在永磁体用量大、成本高、分区不合理的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电磁设备技术领域，具体而言，涉及一种永磁磁路设计方法。
背景技术
磁路设计的目的是使用最小的磁体体积，在特定的磁场工作气隙空间产生较高的磁场强度。永磁机构的优化设计是一个磁场设计的逆问题，给定设计气隙的空间尺寸，设计出最优的永磁体的结构。
简单的永磁磁路设计方法就是把两块永磁材料互相平行地对放，形成磁体的两极。在两极的间隙之间产生一定的磁场。为了提高场强，人们使用高磁导率的软磁材料贴在永磁体的两端，形成有磁轭的磁体回路。后来为了进一步增强磁场，有人提出了Halbach(哈尔巴赫) 旋转理论，设计出中空的圆柱型磁体，圆柱体被划分为多个磁体块，每一块按照Halbach旋转理论的方向进行充磁，然后组装，磁力线被约束在圆柱的孔内形成高的近似均匀的磁场。基于Halbach旋转原理，不同气隙形状的磁路设计不断涌现，利用一条或者多条磁路在工作气隙处叠加，使得磁场强度提高。
目前为了提高永磁磁场在气隙处的磁场强度，往往采用钕铁硼作为磁体材料，由于其磁能积高，具有优越的性能。然而，钕铁硼的价格昂贵，尤其是磁场需要较强时，比如磁制冷领域永磁磁体磁场强度在0.8T～1.5T左右，尤其是大于1.2T以上时，磁体的成本将很高，不利于商业化。现有的传统技术，存在永磁体用量大、分块不合理的问题。
也就是说，现有技术中永磁装置存在永磁体用量大、成本高、分区不合理的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种永磁磁路设计方法，以解决现有技术中永磁装置存在永磁体用量大、成本高、分区不合理的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种永磁磁路设计方法，包括：确定目标磁体的参数；根据目标磁体的参数确定目标区域的参数；根据目标区域的参数将目标区域等效为等效永磁体；求解等效永磁体的磁场分布区域；根据互易定律设计永磁体。
进一步地，在确定目标磁体的参数的过程中包括：确定目标磁体的磁极对的数量；确定目标磁体的磁场强度和磁场方向；确定目标磁体的边界。
进一步地，在根据目标磁体的参数确定目标区域的参数的过程中，确定目标区域的磁场方向和目标区域的磁场强度。
进一步地，在根据目标区域的参数将目标区域等效为等效永磁体的过程中，将目标区域等效为以目标区域的磁场强度的大小为剩磁、目标区域的磁场方向为充磁方向的等效永磁体。
进一步地，在求解等效永磁体的磁场分布区域的过程中包括：求解等效永磁体在目标磁体的边界内产生的磁场分布区域；将磁场分布区域划分为多个子区域；对子区域进行规则化。
进一步地，在求解等效永磁体在目标磁体的边界内产生的磁场分布区域的过程中，通过有限元等数值仿真方法或者软件求解等效永磁体在目标磁体的边界内产生的磁场分布区域。
进一步地，在将磁场分布区域划分为多个子区域的过程中，在磁场分布区域内绘制磁场等势线和磁场等值线将磁场分布区域分为多个子区域。
进一步地，在对子区域进行规则化的过程中包括：调节磁场等势线和磁场等值线的疏密，以使磁场等势线、磁场等值线和目标磁体的边界围成子区域，以便加工。用计算机算法对子区域中的磁场方向做近似处理，确定子区域的内部磁场方向；将磁场等势线和磁场等值线做直线处理。
进一步地，在根据互易定律设计永磁体的过程中，设计出以目标区域的磁场强度的大小为剩磁且具有与目标磁体的一致充磁方向的永磁体；对子区域中磁场强度较小的子区域用软磁材料结构替代。
进一步地，同一个子区域内的磁场强度和磁场方向相同。
应用本发明的技术方案，永磁磁路设计方法包括：确定目标磁体的参数；根据目标磁体的参数确定目标区域的参数；根据目标区域的参数将目标区域等效为等效永磁体；求解等效永磁体的磁场分布区域；根据互易定律设计永磁体。
通过确定目标磁体的参数，根据目标磁体的参数能够得到目标区域的参数，以便于将目标区域等效为等效永磁体，然后求解出等效永磁体的磁场分布区域，再根据互易定律设计出永磁体，在本申请中的永磁体上具有多块软磁材料结构和永磁材料结构，降低了永磁材料的用量，节省了生产成本，更适用于商业化生产。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明实施例一的目标磁体的结构示意图；；以及
图2示出了本发明的实施例一的带磁场等势线的磁场分布区域图；
图3示出了本发明的实施例一的带磁场等势线和磁场等值线的磁场分布区域图；
图4示出了本发明的实施例一的永磁体的结构示意图；
图5示出了本发明实施例二的目标磁体的结构示意图；
图6示出了本发明的实施例二的等效永磁体的磁路叠加示意图；
图7示出了本发明的实施例二的带磁场等势线和磁场等值线的磁场分布区域图；
图8示出了本发明的实施例二的永磁体的二分之一的结构示意图；
图9示出了本发明实施例二的永磁体的结构示意图；
图10示出了本发明实施例三的目标磁体的结构示意图；
图11示出了本发明的实施例三的等效永磁体的磁路叠加示意图；
图12示出了本发明的实施例三的带磁场等势线的磁场分布区域图；
图13示出了本发明的实施例三的带磁场等势线和磁场等值线的磁场分布区域图；
图14示出了本发明的实施例三的永磁体的四分之一的结构示意图；
图15示出了本发明实施例三的永磁体的结构示意图；
图16示出了本发明实施例四的目标磁体的结构示意图；
图17示出了本发明的实施例四的等效永磁体的磁路叠加示意图；
图18示出了本发明的实施例四的带磁场等势线和磁场等值线的磁场分布区域图；
图19示出了本发明的实施例四的永磁体的六分之一的结构示意图；
图20示出了本发明实施例四的永磁体的结构示意图；
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、目标磁体；20、目标区域；30、等效永磁体；40、永磁体；50、磁场分布区域；51、子区域；60、磁场等势线；70、磁场等值线；80、磁材料结构；90、永磁材料结构。
具体实施方式
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发明。
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
为了解决现有技术中永磁装置存在永磁体用量大、成本高、分区不合理的问题，本发明提供了一种永磁磁路设计方法。
如图1至图20所示，永磁磁路设计方法包括：确定目标磁体10的参数；根据目标磁体 10的参数确定目标区域20的参数；根据目标区域20的参数将目标区域20等效为等效永磁体 30；求解等效永磁体30的磁场分布区域50；根据互易定律设计永磁体40。
通过确定目标磁体10的参数，根据目标磁体10的参数能够得到目标区域20的参数，以便于将目标区域20等效为等效永磁体30，然后求解出等效永磁体30的磁场分布区域，再根据互易定律设计出永磁体40，在本申请中的永磁体40上具有多块软磁材料结构80和永磁材料结构90，降低了永磁材料的用量，节省了生产成本，更适用于商业化生产。
需要说明的是，目标磁体10的参数可以是给定的，以便于后续对永磁体40的设计。
具体的，在确定目标磁体10的参数过程中包括：确定目标磁体10的磁极对的数量；确定目标磁体10的磁场强度和磁场方向；确定目标磁体10的边界。磁极对的数量与目标区域 20的数量是相同的，或者说有多少个磁极对就有多少个目标区域20。一对磁极对之间的区域为目标区域。通过确定目标磁体10的磁场强度和磁场方向能够得到目标区域20处的磁场强度和磁场方向。等效永磁体30产生的磁场分布区域在目标磁体10的最外侧的边界的范围内。
具体的，在根据目标磁体10的参数确定目标区域20的参数的过程中，确定目标区域20 的磁场方向和目标区域20的磁场强度。根据目标磁体10的磁场强度和磁场方向来确定目标区域20的磁场方向和目标区域20的磁场强度。
具体的，在根据目标区域20的参数将目标区域20等效为等效永磁体30的过程中，将目标区域20等效为以目标区域20的磁场强度的大小为剩磁、目标区域20的磁场方向为充磁方向的等效永磁体30。这样设置使得等效永磁体30产生的磁场在目标磁体10的边界内的磁场强度和磁场方向与目标磁体10的磁场强度和磁场方向相同，以便于后续的操作。
具体的，在求解等效永磁体30的磁场分布区域50的过程中包括：求解等效永磁体30在目标磁体10的边界内产生的磁场分布区域50；将磁场分布区域50划分为多个子区域51；对子区域51进行规则化。将磁场分布区域50划分为多个子区域51，以便于后续将软磁材料结构80和永磁材料结构90按子区域的划分进行排布。
在本实施例中，在求解等效永磁体30在目标磁体10的边界内产生的磁场分布区域50的过程中，通过有限元等数值仿真方法或者软件求解等效永磁体30在目标磁体10的边界内产生的磁场分布区域50。这样设置能够模拟得到目标磁体10内部的磁场强度和磁场方向。
具体的，在将磁场分布区域50划分为多个子区域51的过程中，在磁场分布区域50内绘制磁场等势线60和磁场等值线70将磁场分布区域50分为多个子区域51。磁场等势线60能够将磁场分布区域50划分为磁场方向相近的子区域51，磁场等值线70能够将磁场分布区域 50划分为磁场强度相近的子区域51。
具体的，在对子区域51进行规则化的过程中包括：调节磁场等势线60和磁场等值线70 的疏密，以使磁场等势线60、磁场等值线70和目标磁体10的边界围成大小适中的子区域51，以便加工。用计算机算法或其他方式对子区域51中的磁场方向做近似处理，确定子区域51 的内部磁场方向；将磁场等势线60和磁场等值线70做直线处理。。需要说明的是做直线处理，是将磁场等势线60和磁场等值线70做近似直线处理，以使得子区域51的边界将近直线，便于各个子区域51的制作。
需要说明的是，大小适中的子区域51是指子区域51不宜过小，这样就使得子区域51的个数较多，不利于永磁体40的制作。
或者说，在磁场分布区域中的子区域51内的磁场方向是近似的，而不是在磁场分布区域中的子区域51内的磁场方向是全部相同的。需要经过后续近似处理，最后得到永磁材料结构 90的充磁方向的。这样使得永磁体40产生的磁场尽可能与磁场分布区域相同，同时也不会使得子区域51的数量太多。
具体的，在根据互易定律设计永磁体40的过程中，设计出以目标区域20的磁场强度的大小为剩磁且具有与目标磁体10的一致充磁方向的永磁体40；对子区域51中磁场强度较小的子区域51用软磁材料结构80替代。需要说明的是，子区域51中磁场强度较小的子区域51, 是指在所有的子区域51中磁场强度最小的几个子区域51，需要根据磁场分布区域50中的磁场线的分布来确定。
在图2所示的具体实施例中，箭头表示磁场线，箭头的长度越长，箭头的颜色越深，表示此处的磁场强度越强，而箭头的长度越小、箭头的颜色越浅，表示此处的磁场强度越弱。
具体的，同一个子区域51内的磁场强度和磁场方向相同。这样设置便于对子区域中的结构进行充磁。
下面以几个具体的实施例对上述的永磁磁路设计方法进行具体的说明。
实施例一
本实施例是在传统的单极对圆柱形halbach阵列上进行新的设计优化。
首先，确定目标磁体10的参数。
在图1所示的具体实施例中，目标磁体10是圆环形结构，目标磁体10的边界就是圆环形结构的边界、目标磁体10磁极对数是一对，目标磁体10的磁场方向为图中的实心箭头的方向。
然后，根据目标磁体10的参数确定目标区域20的参数。
在图1所示的具体实施例中，圆环形结构的中心为目标区域20，目标区域20中的空心箭头的方向为目标区域20的磁场方向。
然后，根据目标区域20的参数将目标区域20等效为等效永磁体30，并求解等效永磁体 30的磁场分布区域50。
在图2所示的具体实施例中，磁场分布区域50分布在目标区域20和目标磁体10的边界内，图2中的磁场矢量图主要是磁场矢量的大小、方向，以及绘制出的磁场等势线。磁场等势线将目标磁体10的边界分为多个子区域51，通过调节磁场等势线60的疏密，找出合适的划分结果，用计算机算法或其他方式对磁场等势线60做近似直线处理，以进行磁场区域的规则化划分，并对每一块划分好的区域，用计算机算法或其他方式对磁场矢量方向做近似化处理，使得每一块划分区域的内部具有一致的磁场方向。
在图3所示的具体实施例中，在图2的基础上叠加磁场等值线70，通过调节磁场等值线 70的疏密，对磁场设计区域再次划分形成子区域51，用计算机算法或其他方式对磁场等值线 70做近似直线处理，以进行磁场区域的规则化划分，并对每一块划分好的区域，用计算机算法或其他方式对磁场矢量大小做近似化处理。使得每一块划分区域的内部具有一致的磁场大小。
如图4所示，通过前面步骤处理，空间磁场设计区域，通过磁场等势线60和磁场等值线70 将磁场分布区域区块划分以及规则化，得到多块内部磁场大小和方向一致的子区域51。
根据互易定律，设计出与之对应的具有一致内部充磁方向以及相应剩磁的永磁体40。对磁场矢量大小较小的区域进行软磁材料结构80的替代优化。在图3中，磁场矢量大小较小的区域是箭头的长度较小、箭头的颜色较浅的区域。在图4所示的具体实施例中，用软磁材料结构80替代了部分永磁材料形成，永磁材料结构90与软磁材料结构80拼接而成的永磁体40。
当然还可以是对磁场矢量大小较小区域采用铁氧体等剩磁较小但价格便宜的永磁材料对钕铁硼永磁材料进行部分或全部的优化替代。
优先地，所述方法的步骤可以通过计算机程序部分或连贯的实现。
通过目标函数，比如最小永磁体体积或最小磁体成本为目标函数，通过优化算法进行寻优设计，找出最优的划分子区域51。
优化算法可以是遗传算法、神经网络算法、蚁群算法、模拟退火算法等等。
实施例二
与实施例一的区别是，目标磁体10的结构不同。在本实施例中是将本发明的设计方法应用到两个磁极对的磁场设计当中，在本实施例中，目标磁体10是一个磁环和一个磁柱嵌套设置，磁柱在磁环的中心区域中。
首先，确定目标磁体10的参数。
在图5所示的具体实施例中，目标磁体10包括一个磁环和一个磁柱，磁环和磁柱嵌套设置，磁环和磁柱的区域就是目标磁体10的边界，目标磁体10的磁极对数是两对。
然后，根据目标磁体10的参数确定目标区域20的参数。
在图5所示的具体实施例中，阴影部分为目标磁体10的边界，圆环型区域为设计磁场的气隙区域，为了形成两对磁极，也就是说形成两个高磁场区域，同时也相间有两个低磁场区域。本实施方式设计的磁场，主要用于磁制冷机中的磁场源。磁制冷是通过对基于磁热效应的磁热材料进行周期性加磁和去磁，多个循环实现制冷，因此需要有加磁和去磁的过程。图中的环形区域中带有空心箭头的区域为目标区域20，空心箭头的方向为目标区域20的磁场方向。带空心箭头的区域为高磁场区域。
当装有磁热材料的磁工质床在圆环型气隙空间与双筒形磁体相对运动时，就可以实现磁热材料周期性被圆环形气隙中的高磁场区域和低磁场区域扫过，从而实现周期性的加磁和去磁。如图5所示，两对磁极双筒形磁场磁体组件主要由磁环和磁柱组成，在磁环和磁柱之间形成圆环型气隙空间，空间区域初始划分为4块，其中带有空心箭头的区域有2块，表示高磁场区域，或者说目标区域20，其上的箭头表示，设计目标区域20的磁场矢量方向。其他区域表示低磁场或零磁场区域。高磁场区域和低磁场或零磁场区域两两相邻。
然后，根据目标区域20的参数将目标区域20等效为等效永磁体30，并求解等效永磁体 30的磁场分布区域50。
如图6所示，为两个等效永磁体30的磁路叠加示意图，通过两个基础环形磁路，在磁场设计气隙处相邻两个环形磁路叠加，其特征是相邻的两个磁路的时针方向相反，换句话说，当参照的磁路为顺时针时，与其相邻的磁路则为逆时针。
图7为图6中的等效永磁体30产生的一半的磁场矢量图及磁场等势线图。通过有限元等数值仿真方法或者软件求解出等效永磁体30在目标磁体10的边界内产生磁场分布。图7中磁场矢量图主要是磁场矢量的大小、方向，以及绘制出的磁场等势线60和磁场等值线70。
在图7所示的具体实施例中，磁场等势线60和磁场等值线70将目标磁体10的边界划分为多个子区域51，通过调节磁场等势线60、磁场等值线70的疏密，找出合适的划分结果，用计算机算法或其他方式对磁场等势线60、磁场等值线70做近似直线处理，以进行磁场区域的规则化划分，并对每一块划分好的子区域51，用计算机算法或其他方式对磁场矢量方向做近似化处理，使得每一块划分的子区域51的内部具有一致的磁场方向。
如图8所示，通过前面步骤处理，空间磁场设计区域，通过磁场等势线60和磁场等值线70 将磁场分布区域划分以及规则化，得到多块内部磁场大小和方向一致的子区域51。
根据互易定律，设计出与之对应的具有一致内部充磁方向以及相应剩磁的永磁体40。对磁场矢量大小较小的区域进行软磁材料结构80的替代优化。在图7中，磁场矢量大小较小的区域是箭头的长度较小、箭头的颜色较浅的区域。在图8所示的具体实施例中，用软磁材料结构80替代了部分永磁材料形成，永磁材料结构90与软磁材料结构80拼接而成的永磁体40。
图8中是本实施例中的一半的设计图，通过对称布置，可以得到完整的永磁体40，如图9所示。
优先地，所述方法的步骤可以通过计算机程序部分或连贯的实现。
通过目标函数，比如最小永磁体体积或最小磁体成本为目标函数，通过优化算法进行寻优设计，找出最优的划分区块，也可以为多个目标设置不同的权重，进行多目标的参数化优化设计。
优化算法可以是遗传算法、神经网络算法、蚁群算法、模拟退火算法等等。
实施例三
与实施例一的区别是，目标磁体10的结构不同。在本实施例中是将本发明的设计方法应用到四个磁极对的磁场设计当中，在本实施例中，目标磁体10是一个磁环和一个磁柱嵌套设置，磁柱在磁环的中心区域中。
首先，确定目标磁体10的参数。
在图10所示的具体实施例中，目标磁体10包括一个磁环和一个磁柱，磁环和磁柱嵌套设置，磁环和磁柱的区域就是目标磁体10的边界，目标磁体10的磁极对数是四对。
然后，根据目标磁体10的参数确定目标区域20的参数。
在图10所示的具体实施例中，阴影部分为目标磁体10的边界，圆环型区域为设计磁场的气隙区域，为了形成四对磁极，也就是说形成四个高磁场区域，同时也相间有四个低磁场区域。本实施方式设计的磁场，主要用于磁制冷机中的磁场源。磁制冷是通过对基于磁热效应的磁热材料进行周期性加磁和去磁，多个循环实现制冷，因此需要有加磁和去磁的过程。图中的环形区域中带有空心箭头的区域为目标区域20，空心箭头的方向为目标区域20的磁场方向。带空心箭头的区域为高磁场区域。
当装有磁热材料的磁工质床在圆环型气隙空间与双筒形磁体相对运动时，就可以实现磁热材料周期性被圆环形气隙中的高磁场区域和低磁场区域扫过，从而实现周期性的加磁和去磁。如图10所示，两对磁极双筒形磁场磁体组件主要由磁环和磁柱组成，在磁环和磁柱之间形成圆环型气隙空间，空间区域初始划分为8块，其中带有空心箭头的区域有4块，表示高磁场区域，或者说目标区域20，其上的箭头表示，设计目标区域20的磁场矢量方向。其他区域表示低磁场或零磁场区域。高磁场区域和低磁场或零磁场区域两两相邻。
然后，根据目标区域20的参数将目标区域20等效为等效永磁体30，并求解等效永磁体 30的磁场分布区域50。
如图11所示，为四个等效永磁体30的磁路叠加示意图，通过四个基础环形磁路，在磁场设计气隙处相邻两个环形磁路叠加，其特征是相邻的两个磁路的时针方向相反，换句话说，当参照的磁路为顺时针时，与其相邻的磁路则为逆时针。
图12为图11中的等效永磁体30产生的四分之一的磁场矢量图及磁场等势线图。磁场具有一定的对称性，取其截面四分之一区域进行永磁体40的设计，其他区域可以同理镜像等效。通过有限元等数值仿真方法或者软件求解出等效永磁体30在目标磁体10的边界内产生磁场分布。图12中磁场矢量图主要是磁场矢量的大小、方向，以及绘制出的磁场等势线60和磁场等值线70。
在图12所示的具体实施例中，磁场分布区域50分布在目标区域20和目标磁体10的边界内，图2中的磁场矢量图主要是磁场矢量的大小、方向，以及绘制出的磁场等势线。磁场等势线将目标磁体10的边界分为多个子区域51，通过调节磁场等势线60的疏密，找出合适的划分结果，用计算机算法或其他方式对磁场等势线60做近似直线处理，以进行磁场区域的规则化划分，并对每一块划分好的区域，用计算机算法或其他方式对磁场矢量方向做近似化处理，使得每一块划分区域的内部具有一致的磁场方向。
在图13所示的具体实施例是在图12的基础上叠加磁场等值线70，通过调节磁场等值线 70的疏密，对磁场设计区域再次划分形成子区域51，用计算机算法或其他方式对磁场等值线 70做近似直线处理，以进行磁场区域的规则化划分，并对每一块划分好的区域，用计算机算法或其他方式对磁场矢量大小做近似化处理。使得每一块划分区域的内部具有一致的磁场大小。
如图14所示，通过前面步骤处理，空间磁场设计区域，通过磁场等势线60和磁场等值线70 将磁场分布区域区块划分以及规则化，得到多块内部磁场大小和方向一致的子区域51。
根据互易定律，设计出与之对应的具有一致内部充磁方向以及相应剩磁的永磁体40。对磁场矢量大小较小的区域进行软磁材料结构80的替代优化。在图13中，磁场矢量大小较小的区域是箭头的长度较小、箭头的颜色较浅的区域。在图14所示的具体实施例中，用软磁材料结构80替代了部分永磁材料形成，永磁材料结构90与软磁材料结构80拼接而成的永磁体40。
图14中是本实施例中的四分之一的设计图，通过对称布置，可以得到完整的永磁体40，如图15所示。
优先地，所述方法的步骤可以通过计算机程序部分或连贯的实现。
通过目标函数，比如最小永磁体体积或最小磁体成本为目标函数，通过优化算法进行寻优设计，找出最优的划分区块，也可以为多个目标设置不同的权重，进行多目标的参数化优化设计。
优化算法可以是遗传算法、神经网络算法、蚁群算法、模拟退火算法等等。
实施例四
与实施例一的区别是，目标磁体10的结构不同。
在本实施例中是将本发明的设计方法应用到六个磁极对的磁场设计当中，在本实施例中，目标磁体10是一个磁环和一个磁柱嵌套设置，磁柱在磁环的中心区域中。
首先，确定目标磁体10的参数。
在图16所示的具体实施例中，目标磁体10包括一个磁环和一个磁柱，磁环和磁柱嵌套设置，磁环和磁柱的区域就是目标磁体10的边界，目标磁体10的磁极对数是六对。
然后，根据目标磁体10的参数确定目标区域20的参数。
在图16所示的具体实施例中，阴影部分为目标磁体10的边界，圆环型区域为设计磁场的气隙区域，为了形成六对磁极，也就是说形成六个高磁场区域，同时也相间有六个低磁场区域。本实施方式设计的磁场，主要用于磁制冷机中的磁场源。磁制冷是通过对基于磁热效应的磁热材料进行周期性加磁和去磁，多个循环实现制冷，因此需要有加磁和去磁的过程。图中的环形区域中带有空心箭头的区域为目标区域20，空心箭头的方向为目标区域20的磁场方向。带空心箭头的区域为高磁场区域。
当装有磁热材料的磁工质床在圆环型气隙空间与双筒形磁体相对运动时，就可以实现磁热材料周期性被圆环形气隙中的高磁场区域和低磁场区域扫过，从而实现周期性的加磁和去磁。如图10所示，两对磁极双筒形磁场磁体组件主要由磁环和磁柱组成，在磁环和磁柱之间形成圆环型气隙空间，空间区域初始划分为12块，其中带有空心箭头的区域有6块，表示高磁场区域，或者说目标区域20，其上的箭头表示，设计目标区域20的磁场矢量方向。其他区域表示低磁场或零磁场区域。高磁场区域和低磁场或零磁场区域两两相邻。
然后，根据目标区域20的参数将目标区域20等效为等效永磁体30，并求解等效永磁体 30的磁场分布区域50。
如图17所示，为六个等效永磁体30的磁路叠加示意图，通过六个基础环形磁路，在磁场设计气隙处相邻两个环形磁路叠加，其特征是相邻的两个磁路的时针方向相反，换句话说，当参照的磁路为顺时针时，与其相邻的磁路则为逆时针。
图18为图11中的等效永磁体30产生的六分之一的磁场矢量图及磁场等势线图。磁场具有一定的对称性，取其截面四分之一区域进行永磁体40的设计，其他区域可以同理镜像等效。通过有限元等数值仿真方法或者软件求解出等效永磁体30在目标磁体10的边界内产生磁场分布。图12中磁场矢量图主要是磁场矢量的大小、方向，以及绘制出的磁场等势线60和磁场等值线70。
在图18所示的具体实施例中，磁场等势线60和磁场等值线70将目标磁体10的边界划分为多个子区域51，通过调节磁场等势线60、磁场等值线70的疏密，找出合适的划分结果，用计算机算法或其他方式对磁场等势线60、磁场等值线70做近似直线处理，以进行磁场区域的规则化划分，并对每一块划分好的子区域51，用计算机算法或其他方式对磁场矢量方向做近似化处理，使得每一块划分的子区域51的内部具有一致的磁场方向。
如图18所示，通过前面步骤处理，空间磁场设计区域，通过磁场等势线60和磁场等值线70将磁场分布区域划分以及规则化，得到多块内部磁场大小和方向一致的子区域51。
根据互易定律，设计出与之对应的具有一致内部充磁方向以及相应剩磁的永磁体40。对磁场矢量大小较小的区域进行软磁材料结构80的替代优化。在图18中，磁场矢量大小较小的区域是箭头的长度较小、箭头的颜色较浅的区域。在图19所示的具体实施例中，用软磁材料结构80替代了部分永磁材料形成，永磁材料结构90与软磁材料结构80拼接而成的永磁体40。
图19中是本实施例中的一半的设计图，通过对称布置，可以得到完整的永磁体40，如图20所示。
优先地，所述方法的步骤可以通过计算机程序部分或连贯的实现。
通过目标函数，比如最小永磁体体积或最小磁体成本为目标函数，通过优化算法进行寻优设计，找出最优的划分区块，也可以为多个目标设置不同的权重，进行多目标的参数化优化设计。
优化算法可以是遗传算法、神经网络算法、蚁群算法、模拟退火算法等等。
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种永磁磁路设计方法，其特征在于，包括：
确定目标磁体(10)的参数；
根据所述目标磁体(10)的参数确定目标区域(20)的参数；
根据所述目标区域(20)的参数将所述目标区域(20)等效为等效永磁体(30)；
求解所述等效永磁体(30)的磁场分布区域(50)；
根据互易定律设计永磁体(40)。
2.根据权利要求1所述的永磁磁路设计方法，其特征在于，在所述确定目标磁体(10)的参数的过程中包括：
确定所述目标磁体(10)的磁极对的数量；
确定所述目标磁体(10)的磁场强度和磁场方向；
确定所述目标磁体(10)的边界。
3.根据权利要求2所述的永磁磁路设计方法，其特征在于，在所述根据所述目标磁体(10)的参数确定目标区域(20)的参数的过程中，确定所述目标区域(20)的磁场方向和所述目标区域(20)的磁场强度。
4.根据权利要求3所述的永磁磁路设计方法，其特征在于，在所述根据所述目标区域(20)的参数将所述目标区域(20)等效为等效永磁体(30)的过程中，将所述目标区域(20)等效为以所述目标区域(20)的磁场强度的大小为剩磁、所述目标区域(20)的磁场方向为充磁方向的等效永磁体(30)。
5.根据权利要求4所述的永磁磁路设计方法，其特征在于，在所述求解所述等效永磁体(30)的磁场分布区域(50)的过程中包括：
求解所述等效永磁体(30)在所述目标磁体(10)的边界内产生的磁场分布区域(50)；
将所述磁场分布区域(50)划分为多个子区域(51)；
对所述子区域(51)进行规则化。
6.根据权利要求5所述的永磁磁路设计方法，其特征在于，在求解所述等效永磁体(30)在所述目标磁体(10)的边界内产生的磁场分布区域(50)的过程中，通过有限元等数值仿真方法或者软件求解所述等效永磁体(30)在所述目标磁体(10)的边界内产生的磁场分布区域(50)。
7.根据权利要求5所述的永磁磁路设计方法，其特征在于，在将所述磁场分布区域(50)划分为多个子区域(51)的过程中，在所述磁场分布区域(50)内绘制磁场等势线(60)和磁场等值线(70)将所述磁场分布区域(50)分为多个子区域(51)。
8.根据权利要求7所述的永磁磁路设计方法，其特征在于，在所述对所述子区域(51)进行规则化的过程中包括：
调节所述磁场等势线(60)和所述磁场等值线(70)的疏密，以使所述磁场等势线(60)、所述磁场等值线(70)和所述目标磁体(10)的边界围成子区域(51)，以便加工；
用计算机算法对所述子区域(51)中的磁场方向做近似处理，确定所述子区域(51)的内部磁场方向；
将所述磁场等势线(60)和所述磁场等值线(70)做直线处理。
9.根据权利要求7所述的永磁磁路设计方法，其特征在于，在所述根据互易定律设计永磁体(40)的过程中，
设计出以所述目标区域(20)的磁场强度的大小为剩磁且具有与所述目标磁体(10)的一致充磁方向的永磁体(40)；
对所述子区域(51)中磁场强度较小的所述子区域(51)用软磁材料结构(80)替代。
10.根据权利要求7所述的永磁磁路设计方法，其特征在于，同一个所述子区域(51)内的磁场强度和磁场方向相同。
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