稀土永磁磁体系统的饱和充磁若干问题探讨
1引言
在一个磁路中有时需要的永磁铁数量比较多,这样一个系统可以称做磁体系统。由于永磁体的退磁性质,必须考虑整个系统中每单个磁体的工作条件，因为各个磁体可能处于不同的退磁环境（磁路）中。除了磁体自身的退磁因素外，外磁场也可以引起退磁。而磁性器件就是由这样的磁体系统构成的。这样生产磁性器件时就有两种方法：一种是把单个磁体充磁后再装入磁路中，另一种是先把未充磁的磁体装入磁路后再充磁，也就是整体充磁。稀土永磁磁体系统的充磁技术是随着高矫顽力材枓的出现和使用而逐渐发展起来的，单个充磁的方法一方面是生产效率低;另一方面，已充磁的磁体很容易吸附异物,给后续加工带来不必要的困难。由于磁体之间强大的作用力，不仅操作困难,也很难保证磁体的粘结质量，如果磁体之间发生碰撞,还易造成损失，这样整体充磁技术成为提高产品质量、降低磁体破损率、提高生产效率的主要措施之一,充磁效果的好坏也直接影响到磁性器件的整体性能。随着各种磁性器件的不断出现,特别是稀土永磁电机的发展，伴随产生了许多新的问题。
2磁体系统的饱和充磁
磁体或磁体系统所需的饱和磁化场一般是通过把线圈单独或与导磁装置一起通上直流电流来产生，这种线圈通常有大的匝体积和电流密度（一般大于20A/mm2),并且要么有低的开/停时间比,要么需要用油或水来冷却。电磁铁的优点在于极间有很大的均匀场分布并能得到好的冷却，对于圆柱或环形磁铁，如果在轴向或径向从外部而不是从圆环内加磁场磁化磁铁时，电磁铁也具有优势。小的多极磁化装置(充磁头），它所能提供的磁场与电流成正比并与充磁头的结构有关，受匝体积的限制，不能用直流而只能用脉冲电流来获得所需的饱和磁化场。
能提供脉冲电流的仪器叫做脉冲充磁机，其工作原理是电容的放电过程。一般脉冲充磁装置所能提供的最大磁场约为6~10T,原则上可以将HCJ为2400KA/m的材料在退磁状态下充磁到饱和。但在计算充磁能量时仅用峰值是3~5HCJ来估计充磁磁场是不准确的，还必须考虑到各种效应的影响。如由于导体材料的电阻和涡流（导线、极头片等）、金属磁体的体内损失(如材料本身的低电阻和涡流等引起的损失)及磁体和充磁头间避免不了的间隙及以下效应等，都会使脉冲磁场的有效值减弱。要使脉冲场和直流场等效，就要求脉冲场应具有更高的峰值。
（1）退磁效应。不同形状磁体的退磁场大小是不同的,如对于退磁场在内部分布不均匀的圆柱形样品，退磁因子在端面附近约为1/2，如果被磁化样品的JS为1. 4T，则退磁场强度约为560kA/m，在开路充磁时这是不可忽视的。
（2）涡流效应。充磁头也可以有铁芯。迭片铁芯由于把磁场严格限制在磁路中而减小漏磁，所以可使磁极精确集中在磁体上,因此需要更小的电能，并能吸收流过电流导体的高横向力，但同时对电线的绝缘提出了很高的要求。特别是玩具业和制表业所用的高矫顽力永磁铁，由于对其多极尤其多极侧面充磁非常困难，加之不可能对铜线四周都进行绝缘，如果电容器的电压很高（如几千伏），对绝缘的要求就更高。在铁的饱和点以上铁芯不再有效，因此耐高压导线大都被镶嵌并用树脂成型固定在绝缘材料中，以提高其机械稳定性，这样可以避免线圈因受到巨大冲击力变形而造成的整体充磁时极间分界不清等一系列问题。磁轭由相互绝缘的非铁磁性材料叠加而成而不用铁芯的另一个原因是消除因大电感产生大涡流而导致的局部反磁化现象。当脉冲电流流过充磁线圈时，因di/dt大，在金属中会出现涡流。涡流产生的附加磁场与充磁场刚好相反，会严重削弱外磁化场的强度，从而导致低的场穿透(趋肤效应），这种效应对大块样品尤为显著。磁铁的电导率和截面积越大，磁场渗入磁体的深度就越小。在实际应用中正弦脉冲磁化主要用于小磁极(铁氧体及粘结土磁体）的磁化，因它们的电阻率高而使涡流的影响极小，对于铝镍钴永磁因其饱和场比铁氧体小也可得到部分补偿，但对于稀土永磁这样的金属导体就必须考虑涡流效应的影响，即必须选择比充铁氧体更长的脉冲宽度（因为铁氧体的电阻率大而使涡流的影响相对较小）。因此对铁氧体和截面积小的金属磁性材料可用脉冲宽度窄的短周期脉冲，但对大截面的磁铁，必须选用脉冲宽度足够宽的长时间场脉冲。
（3）磁后滞效应。由于磁滞，脉冲场不―仅要有较高的峰值，也要求它必须具有一定的脉宽。充磁电流降落不能过快，以防止在线圈中感生出反向电流产生反向磁场而使磁铁被反向磁化，当然也可避免磁滞及涡流的影响。充磁的时间常数C/R基本上取决于体积,如线圈和铁芯的体积。通常首先考虑磁铁或磁体系统磁化所需的场，然后再选择充磁装置。
除以上效应外，充磁装置还必须解决以下问题：
（1）电磁转换的效率。选择最佳的脉冲宽度及电能与磁能的转化效率是决定充磁能否成功的能量保证。在计算充磁能量时除了前面提到的各种效应外，还必须考虑到具体材料的磁化特性。例如稀土永磁所需的饱和磁化场一般规定应为3~5HCJ；，高达4000kA/m，但对于同样制作工艺的SmCo5系材料与Sm2Co17系材料的磁化特性则明显不同，对于SmCo5只需1. 5〜2HCJ即可将其磁化到饱和。稀土永磁在磁中性状态充磁较容易，但充磁到饱和后再反向饱和充磁却非常困难，在高温下反向磁化相对容易些，并且在磁滞回线的一二象限有较好的回复特性。在已知稀土永磁的磁化特性后，可以利用这些特性对其充磁。例如对于有磁化历史的样品总希望退磁然后再进行饱和充磁。
（2）在高电流下放电开关的容量及电容器的效率和寿命。电容器可选择金属纸质电容器和电解电容器,金属纸质电容器可承受几千伏的电压,并且对很短或更长时间间隔的脉冲都适用；电解电容器受结构限制最大能承受500V的电压，而且如果不连续充放电就必须通过逐歩把电压从0加到工作电压来更新其绝缘层。应该选用高电压低容量的金属纸质电容器。
（3）脉冲放电时几毫秒内的脉冲电流可达到100kA以上。因此充磁线圈除必须能够抗高电压外，最重要的是必须能吸收脉冲放电所产生的强大的机械力量。高矫顽力磁体系统磁化后会出现强大的附着力，这就需要高度的安全措施来保护充磁(极)头。磁铁可有不同的极面形状，应根据磁铁材料、磁铁形状、磁铁被安放的形式来选择充磁头。如圆柱形线圈适用于单向充磁，但为抗击由脉冲放电引起的电和机械的振动就必须得到很好的保护，这虽可通过把它嵌在一绝缘体中来实现，但这样做却又不利于线圈的冷却，因此这种线圈只能用于小规格产品或试验室中。
（4）充磁头的发热问题。线圈的温升在很大程度上取决于脉冲能量。（一次放电）能量为104J的脉冲充磁机其脉冲电流为20~40KA，这个能量大部分变成了热量。例如对充磁头用3000J的能量每10秒钟放电一次，则能产生300W的热功率，可与家用电烫斗相比，为了能连续工作，线圈就必须能很好地冷却以防止发热使充磁效率下降。
（5）在充磁时磁体会受到沿充磁线圈轴向的作用力，这个力可使磁体沿轴向飞出。为防止因这个轴向力使充磁部件从充磁线圈中飞出,在设计充磁头时应考虑能把它固定在线圈中心。对多极充磁也应考虑极间充磁磁场强度的均匀性，以避免充磁时转子由于受力不均而发生轻微转动致使极间分界不清。为控制充磁质量及校准磁体，也可考虑在磁化线圈中埋入温度传感器及测量线圈。如果转子很长还可分段进行整体充磁。为保证多极充磁的一致性，在充磁时也可考虑每旋转一定角度（如对6极转120°）充磁1次（共3次）。
当然，在磁体系统的生产过程中也可考虑对单块磁铁先进行饱和充磁再粘结。但是，如对电机转子，由于磁铁之间强大的作用力，很难保证单块磁铁粘结位置的准确性及整个转子上磁铁的几何对称性，粘结质量得不到保证，如果磁铁之间发生碰撞还易造成破损，增大磁铁损耗;对每块磁铁而言所处的退磁场不一样，也易造成磁体间性能的差异；充上磁的转子在制造过程中又极易吸附异物，很难进行准确的加工及动平衡。所有这些都会使转子运行不平稳，而且生产效率低。相反整体充磁可在转子扎上无纬带(在粘完磁铁后在磁铁上面绕上绝缘带，起固定磁体的作用)整体浸完漆、进行了动平衡以后再进行，因此可充分保证转子的质量。
3充磁时的注意的事项
在脉冲充磁过程中人一定不能接触充磁部件,因充过磁的部件之间会产生磁相互作用，所以在摆放时应将其机械固定在合适部位。带有心脏起搏器的人必须至少离这些设备1m以外并严禁接近，周围也不允许有孕妇。整体充磁时应首先将磁体固定好然后充磁以免磁体从磁场中飞出，并应先清理充磁头周围空间以免周围的磁铁和工具受到吸引或被误充磁。在使用起调装置调装已充磁部件时,其抱紧臂应考虑用塑料连接器与其它设备部件分开。
充磁机应接在有工作保护导线的电源上。为避免导线损失，充磁头应紧靠充磁机，并且相互之间的连接导线也必须能经受住高电压及机械的冲击。充磁机上应具有充、放电等监控功能，高压部件应标明，并应有安全放电开关及门或接线盒保护开关，其金属板结构件也应与保护性导线相连，其活动部分应用高质量塑料相绝缘。对充磁头应采用塑料外壳，铜线线圈一定不能与保护性导线相连并应绕在高质量高强度塑料筒上，同时应考虑线圈整体的冷却。磁轭、脉冲转换器和汇流排应使用迭片铁芯，"闭合"磁轭有塑料壳，"开放"磁轭与保护性导线相连。脉冲转换器的铜线线圈应绕在高质量厚壁塑料上并与保护性导线相连。汇流排由带薄绝缘层的铜片组成，不能有保护性导线。对各种安全防护措施如安全放电电路等应定期进行检查。
