一种直线型Halbach阵列的充磁方法及装置与流程

一种直线型halbach阵列的充磁方法及装置
技术领域
1.本发明属于海尔贝克(halbach)阵列领域，更具体地，涉及一种直线型halbach阵列的充磁方法及装置。


背景技术：

2.对于传统永磁电机结构，由于halbach阵列分解后切向与径向磁场的相互叠加使得另一侧的磁场强度大幅提升，这样可有效地减小电机的体积，提高电机的功率密度；在传统永磁电机中，由于气隙磁场不可避免的存在谐波，一般在定转子构架上采取斜槽来削弱谐波的影响，但是在halbach电机中，由于其气隙磁场正弦分布程度较高，谐波含量小，故定转子可无需斜槽；由于halbach阵列的单边性，转子可无需使用铁磁性材料为其提供通路，这样就为电机转子材料的选择提供了很大的空间；由于halbach阵列永磁体分向磁化，导致其永磁体工作点较高，提高了永磁体的利用率；同样由于其磁场正弦分布程度较高，谐波含量小，电机绕组可采用集中式绕组。正是由于halbach阵列这些优良特性，使得其广泛运用于直线电机、高速电机、高精度伺服电机、磁悬浮列车系统、磁轴承和医学等多个领域。
3.对于halbach永磁电机而言，为了保证其优良特性，其永磁体之间间隙越小越好，并且由于halbach阵列中磁体磁化方向的多样性，各永磁体受力方向不断发生规律性改变。同时随着电机功率、体积的增大，永磁电机中永磁体的体积也在不断增大，虽然halbach阵列有着较高的永磁体利用率，在电机相同功率、体积时halbach永磁电机中磁体的大小要略小于传统永磁电机，但是由于其永磁体间隙小、受力方向多变性的原因，使得其永磁体的装配及加固更加困难；同时由于halbach阵列中永磁体磁化方向并不仅仅沿同一轴向，使得常规的装配后充磁的方式很难满足对所有永磁体的磁化。
4.现有的halbach直线电机基本都是采用预充磁再装配的方式进行组装，由于halbach直线阵列气隙磁密谐波含量对永磁体间距十分敏感，对于装配精度要求很高，且阵列中各永磁体受力方向多变，这就使得充磁后再装配变得十分困难，不仅装配效率低下并且还有可能会影响整体性能；现有的装配后充磁方式多针对于表贴式永磁电机，且永磁体磁极排列方式多为n极s极交替排列，整体充磁时仅利用线圈轴心边缘处磁场，线圈本身下侧磁场并未得到利用，并且永磁体较厚或磁极间隙较小时，还需要采取措施来削弱这一磁场，对于halbach阵列而言，其永磁体磁化方向不仅仅只有轴向，同时阵列中各永磁体之间无间隙或者间隙很小，常规的装配后充磁方式很难保证对磁化方向为切向方向的永磁体做到饱和磁化，同时在充磁过程中还会使得已经磁化的永磁体发生退磁。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种直线型halbach阵列的充磁方法及装置，旨在解决现有halbach永磁电机预充磁后装配困难，特别是预充磁后装配可能会影响整体性能的问题。
6.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种直线型halbach阵列的充磁方法，
包括如下步骤：
7.将不同待磁化方向的多个永磁体按照预设规律排列成直线阵列；所述预设规律为：相邻永磁体的待磁化方向按预设时针方向以预设角度的间隔旋转；所述不同待磁化方向包括竖直方向，所述多个永磁体分为主磁体和辅助磁体，所述主磁体的待磁化方向沿竖直方向，所述辅助磁体的待磁化方向为非竖直方向；
8.将主线圈置于所述直线阵列的正上方或正下方，并沿着所述直线阵列的直线方向平移，以对多个永磁体分步充磁，每一步充磁将一个主磁体完全磁化，且磁化与所述主磁体相邻辅助磁体的部分区域；
9.当所述主线圈在当前充磁步骤中会对已充磁永磁体造成退磁影响时，在所述已充磁永磁体附近区域加入辅助线圈，改变已充磁永磁体附近区域的磁场分布，以减小所述退磁影响，保证已充磁永磁体预设区域的磁化饱和程度均保持在预设比例以上；
10.对所有永磁体充磁完毕后，得到直线型halbach阵列。
11.其中，预设时针方向可以是顺时针方向或逆时针方向。
12.其中，预设角度间隔可以是30
°
、45
°
、60
°
、90
°
以及120
°
等。
13.可以理解的是，工程应用上预设角度间隔夹角需要被360整除，且夹角要小于180
°
，也就是这样才能保证辅助磁体的个数是整数。一般应用时，夹角都小于等于90
°
，最常见的就是90
°
夹角。两个主磁体间，辅助磁体的个数不一定只是一个，并且辅助磁体的宽度也不一定与主磁体宽度相同，举个例子，30
°
情况下两个主磁体间辅助磁体就有5个，并且5个辅助磁体的总宽度也不定与主磁体宽度相同，一般而言是比主磁体宽度更大的。
14.理论上，对已充磁的主磁体和辅助磁体而言，若要不受退磁影响，均需要预设区域的磁化饱和程度均保持在预设比例以上；理论上所有永磁体均要保证99％的区域饱和程度达到99％，才可理解为不受退磁影响。实际应用中，对于主磁体而言，预设区域最好要达到99％，辅助磁体可略低。另外，实际应用中，可根据实际需要将磁化饱和程度放宽至80％-99％，若磁化饱和程度低于80％-99％中间预设的值，则认为磁化永磁体发生了退磁。
15.在一个可选的示例中，该方法还包括如下步骤：
16.确定待充磁永磁体的充磁标准和退磁标准，具体包括：
17.确定对永磁体进行取向充磁时，所述永磁体达到饱和充磁时所需要的最小外加充磁磁场的磁通密度值；当外加磁场的方向与永磁体待磁化方向的夹角小于预设夹角时，认为所述外加磁场的方向与待磁化方向相同，即为取向充磁；
18.当外加磁场与永磁体待磁化方向存在夹角时，确定不同夹角下永磁体达到饱和充磁所需要的最小外加充磁磁场的磁通密度值；
19.当饱和充磁的永磁体分别置于与永磁体磁化方向呈不同夹角的外加退磁磁场时，确定永磁体在不同夹角下达到退磁标准的最小外加退磁磁场的磁通密度值；所述退磁标准为：永磁体内没有预设区域的磁化饱和程度保持在预设比例以上，则认为饱和充磁的永磁体发生了退磁。
20.在一个可选的示例中，主线圈沿着所述直线阵列的直线方向平移，以对多个永磁体分步充磁，每一步充磁将一个主磁体完全磁化，且磁化与所述主磁体相邻辅助磁体的部分区域，具体包括：
21.每一步充磁时，将主线圈置于一个主磁体的正上方，控制所述主线圈所产生磁场
的中心磁场方向与其正下方主磁体的待充磁方向相同，且通过控制主线圈距离主磁体的距离和主线圈的参数使得主线圈所产生磁场的中心磁场对其正下方的主磁体进行取向充磁；
22.通过仿真确定主线圈置于主磁体正上方或正下方时，主线圈所产生的磁场分布，包括：主磁体区域内的磁通密度大小及方向、辅助磁体区域内的磁通密度大小及磁场与辅助磁体待磁化方向的夹角；
23.根据主线圈所产生的充磁磁场与辅助磁体待磁化方向的夹角，以及预先确定的永磁体充磁标准中外加磁场取向充磁和不同夹角充磁下永磁体达到饱和充磁所需的最小外加充磁磁场的磁通密度值，确定每一步充磁将一个主磁体完全磁化，且磁化与所述主磁体相邻辅助磁体的部分区域所需的主线圈所产生磁场的磁通密度大小及分布。
24.在一个可选的示例中，所述当所述主线圈磁场在当前充磁步骤中会对已充磁永磁体造成退磁影响，具体为：
25.通过仿真确定主磁体线圈置于当前步骤所要充磁的主磁体正上方或正下方时，主线圈所产生磁场与已充磁永磁体磁化方向的夹角；
26.确定当前步骤主线圈所产生磁场在已充磁永磁体区域的磁通密度；
27.基于主线圈所产生的磁场与已充磁永磁体磁化方向的夹角、预先确定的永磁体退磁标准中永磁体在不同夹角下达到退磁标准的最小外加退磁磁场的磁通密度值确定主线圈所产生磁场在当前充磁步骤中是否会对已充磁永磁体造成退磁影响。
28.在一个可选的示例中，在所述已充磁永磁体附近区域加入辅助线圈，通过辅助线圈产生磁场改变已充磁永磁体附近区域的磁场分布，以减小所述退磁影响，具体为：
29.在所述已充磁永磁体附近区域加入辅助线圈，仿真确定辅助线圈和主线圈所产生的整体磁场分布，结合永磁体的充磁标准和退磁标准，设计合适的辅助线圈和主线圈使得充磁时已充磁永磁体预设区域的磁化饱和程度均保持在预设比例以上。
30.第二方面，本发明提供了一种直线型halbach阵列的充磁装置，包括：主线圈和辅助线圈；
31.所述主线圈，用于置于直线阵列的正上方或正下方，并沿着所述直线阵列的直线方向平移，以对多个永磁体分步充磁，每一步充磁将一个主磁体完全磁化，且磁化与主磁体相邻辅助磁体的部分区域；所述直线阵列由不同待磁化方向的多个永磁体按照预设规律排列组成；所述预设规律为：相邻永磁体的待磁化方向按预设时针方向以预设角度的间隔旋转；所述不同待磁化方向包括竖直方向，所述多个永磁体分为主磁体和辅助磁体，所述主磁体的待磁化方向沿竖直方向，所述辅助磁体的待磁化方向为非竖直方向；
32.所述辅助线圈，用于当所述主线圈在当前充磁步骤中会对已充磁永磁体造成退磁影响时，在所述已充磁永磁体附近区域放置所述辅助线圈，改变已充磁永磁体附近区域的磁场分布，以减小所述退磁影响，保证已充磁永磁体预设区域的磁化饱和程度均保持在预设比例以上；对所有永磁体充磁完毕后，得到直线型halbach阵列。
33.在一个可选的示例中，该装置还包括：线圈辅助定位结构、线圈加固结构以及阵列定位结构；
34.所述线圈辅助定位结构，用于根据当前充磁步骤所需要的主线圈和辅助线圈的位置，对主线圈和辅助线圈进行辅助定位；
35.所述线圈加固结构，用于对主线圈和辅助线圈加固；
36.所述阵列定位结构，用于将所述多个永磁体组成的直线阵列依次从头至尾定位。
37.在一个可选的示例中，每一步充磁时，所述主线圈置于一个主磁体的正上方，控制所述主线圈所产生磁场的中心磁场方向与其正下方主磁体的待充磁方向相同，且通过控制主线圈距离主磁体的距离和主线圈的参数使得主线圈所产生磁场的中心磁场对其正下方的主磁体进行取向充磁；
38.所述主线圈置于主磁体正上方或正下方时，通过仿真确定主线圈所产生的磁场分布，包括：主磁体区域内的磁通密度大小及方向、辅助磁体区域内的磁通密度大小及磁场与辅助磁体待磁化方向的夹角；根据主线圈所产生的充磁磁场与辅助磁体待磁化方向的夹角，以及预先确定的永磁体充磁标准中外加磁场取向充磁和不同夹角充磁下永磁体达到饱和充磁所需的最小外加充磁磁场的磁通密度值，确定每一步充磁将一个主磁体完全磁化，且磁化与所述主磁体相邻辅助磁体的部分区域所需的主线圈所产生磁场的磁通密度大小及分布。
39.在一个可选的示例中，当所述主线圈磁场在当前充磁步骤中会对已充磁永磁体造成退磁影响时，在所述已充磁永磁体附近区域加入辅助线圈，仿真确定辅助线圈和主线圈所产生的整体磁场分布，结合永磁体的充磁标准和退磁标准，设计合适的辅助线圈和主线圈使得充磁时已充磁永磁体预设区域的磁化饱和程度均保持在预设比例以上。
40.在一个可选的示例中，待充磁永磁体的充磁标准和退磁标准，具体包括：
41.确定对永磁体进行取向充磁时，所述永磁体达到饱和充磁时所需要的最小外加充磁磁场的磁通密度值；当外加磁场的方向与永磁体待磁化方向的夹角小于预设夹角时，认为所述外加磁场的方向与待磁化方向相同，即为取向充磁；
42.当外加磁场与永磁体待磁化方向存在夹角时，确定不同夹角下永磁体达到饱和充磁所需要的最小外加充磁磁场的磁通密度值；
43.当饱和充磁的永磁体分别置于与永磁体磁化方向呈不同夹角的外加退磁磁场时，确定永磁体在不同夹角下达到退磁标准的最小外加退磁磁场的磁通密度值；所述退磁标准为：永磁体内没有预设区域的磁化饱和程度保持在预设比例以上，则认为饱和充磁的永磁体发生了退磁。
44.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
45.本发明提供一种直线型halbach阵列的充磁方法及装置，针对现有halbach永磁电机预充磁装配困难，特别是预充磁后装配可能会影响整体性能的问题，本方面提出了对halbach阵列采用装配后充磁的方法，将固定取向的无磁性永磁体按照halbach阵列进行装配后再通过线圈或线圈组对阵列进行整体充磁。永磁体在无磁性情况下彼此之间并无磁力，装配时就不需要用来克服磁块间作用力临时固定器件，使得装配更加简便也更加安全，提高了生产效率；同时，各永磁块的位置可以完全按照理论设计来安装固定，使得安装精度更高。
46.同时，针对常规的装配后充磁技术对于halbach阵列整体充磁中充磁过程会造成已充磁永磁体退磁以及部分永磁体很难做到一次磁化就使其完全饱和的问题，本发明提出了分步充磁的方案，该方案较常规充磁方案所需能量更少，分步磁化能够使得一次磁化很难饱和的永磁体整体饱和，同时通过主线圈和辅助线圈的设计还能较好地避免充磁磁场对
已磁化永磁体的退磁作用。
附图说明
47.图1为本发明实施例1提供的待充磁的halbach直线阵列结构示意图；
48.图2为本发明实施例1提供的第一步充磁示意图；
49.图3为本发明实施例1提供的第二步充磁示意图；
50.图4为本发明实施例1提供的第三步充磁示意图；
51.图5为本发明实施例1提供的第三步充磁的线圈组示意图；
52.图6为本发明实施例1提供的磁化电流及永磁体中心处磁密示意图；
53.图7为本发明实施例1提供的2号永磁体磁密分布示意图；
54.图8为本发明实施例1提供的3号永磁体磁密分布示意图；
55.图9为本发明实施例1提供的4号永磁体磁密分布示意图；
56.图10为本发明实施例1提供的5号永磁体磁密分布示意图；
57.图11为本发明实施例1提供的6号永磁体磁密分布示意图；
58.图12为本发明实施例1提供的气隙磁密对比线图；
59.图13为本发明实施例2提供的待充磁的halbach直线阵列结构示意图；
60.图14为本发明实施例2提供的1号永磁体磁密分布示意图；
61.图15为本发明实施例2提供的2号永磁体磁密分布示意图；
62.图16为本发明实施例2提供的3号永磁体磁密分布示意图；
63.图17为本发明实施例2提供的4号永磁体磁密分布示意图；
64.图18为本发明实施例2提供的5号永磁体磁密分布示意图；
65.图19为本发明实施例2提供的6号永磁体磁密分布示意图；
66.图20为本发明实施例2提供的7号永磁体磁密分布示意图；
67.图21为本发明实施例提供的直线型halbach阵列的充磁方法流程图。
具体实施方式
68.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
69.实施例1：
70.halbach阵列磁化方向变化角为90
°
时整体充磁情况：
71.将不同磁化方向的永磁体按一定规律排列就构成了halbach阵列。最常见halbach阵列如图1所示，图中箭头代表永磁体待磁化方向，相邻永磁体间待磁化方向按逆时针或者顺时针方向旋转，旋转角β为90
°
。阵列中磁体主要可分为两类，待磁化方向沿竖直方向磁体可称其为主磁体，其余磁化方向磁体为辅助磁体。实际应用中，两类磁体大小可不相等，旋转角β可为各种角度，常见的有30
°
、45
°
、60
°
、90
°
以及120
°
等。
72.本发明所提供的技术方案具体如下：
73.步骤1.待充磁永磁体材料特性测试，通过测试得出待充磁永磁体的充磁及退磁标准；
74.步骤1.1，取一组待充磁永磁体样品，让其中3份磁块过饱和充磁(充磁磁场沿取向，磁通密度＞6[t])，分别置于同一亥姆霍兹线圈中，通过提拉法标定饱和磁通(取平均值)；
[0075]
步骤1.2，另取3份样品，分别作多次取向充磁，每次充磁后测定其饱和程度，测得该批次永磁体取向充磁最低饱和磁密；即在外加磁场超过某一阈值后，随着外加磁场的增大永磁体饱和程度基本不会增加，则认为此阈值即为该批次永磁体样品取向方向的饱和磁密；
[0076]
其中，取向充磁指的是外加充磁磁场的方向与待充磁永磁体的磁化方向一致。
[0077]
步骤1.3，取多份样品，分别作多次带角度充磁(外加磁场方向与待充磁方向存在一定夹角)，夹角分别取30
°
、50
°
、60
°
、70
°
、80
°
，测定该批次样品在不同夹角下充磁达到饱和所需最低外加磁场(同上步，测出外加磁场在不同角度下的阈值，夹角越大所需磁化场越大，可能磁化场与永磁体取向方向夹角大于某一值时，不管外加磁化场多大，永磁体均不会达到饱和)；
[0078]
步骤1.4，取充磁饱和的样品若干，分别置于与磁化方向夹角为90
°
、100
°
、110
°
、120
°
、180
°
外加磁场中进行退磁测试，测定该批次样品在不同夹角退磁场下磁化饱和程度达到80％-99％时外加磁场磁密。以下以90％为例进行说明。
[0079]
永磁体退磁与磁化不同，在外加磁场超过某一阈值后，随着外加磁场的增大，永磁体磁化饱和程度迅速降低，在退磁曲线上该阈值点为拐点，而该拐点位于永磁体饱和程度的80％-99％这一区间，故取不同夹角下永磁体饱和程度达到90％时外加磁场磁密为退磁场磁密的最大值，即认为退磁场磁密大于该值时永磁体退磁程度较高，退磁场磁密小于该值时永磁体退磁程度较低。
[0080]
实施案例1中将给出测试所用永磁体在不同外加充磁磁场时充磁达到饱和的外加磁场标准以及已磁化饱和永磁体在不同退磁场情况下退磁程度超过10％的外加磁场标准。
[0081]
步骤2.根据待充磁永磁体大小及其材料特性确定充磁线圈(线圈组)拓扑及安匝数。其中，图2中以相邻永磁体间待磁化方向的夹角为90
°
为例进行举例说明。
[0082]
具体地，安匝是磁动势的单位，等于线圈匝数与线圈通过的电流的乘积，安匝数越大，产生的磁场越强。
[0083]
步骤2.1，如图2所示，图2中阴影区域表示第一步充磁时需求完全磁化区域(图2中虚线为辅助磁体中轴线)，一般而言，在保证右侧辅助磁体阴影区域能够饱和磁化时，中心处主磁体整体能被完全磁化，由于永磁体磁化场由线圈(线圈组)提供，且充磁区域位于线圈(线圈组)底部，根据右手螺旋法则，主线圈(充磁线圈)下侧轴心区域(即待充磁主磁体区域)内磁场方向主要为竖直方向，而从轴心下侧向线圈外边界区域(即待充磁辅助磁体区域)内磁场方向逐渐由倾斜变为水平再变为倾斜，为了使得充磁磁场与永磁体取向配合度尽可能高，主线圈截面单侧宽度最好与辅助磁体宽度等宽，线圈内间距最好与主磁体等宽，这种拓扑结构能最大程度利用线圈下侧磁场，使得充磁磁场与永磁体取向夹角更小，从而使得所需的充磁磁场更低，能减小充磁所需线圈安匝数及充磁所需能量；
[0084]
步骤2.2，由2.1所述，第一步充磁前不存在已磁化区域，故在不考虑充磁磁场对其他永磁体影响时，根据步骤1中所测得永磁体样品的尺寸及其饱和磁化所需的充磁磁场磁通密度(简称磁密)大小及给定较合理电流密度(一般小于500a/mm^2，在线圈尺寸不变时，
电流密度越小永磁体磁化所需的能量就越小)可初步确定线圈拓扑及安匝数，即先通过所需充磁磁场的分布(主要充磁磁场在待充磁区域的方向，即图2中1号永磁体区域充磁磁场方向与其取向方向夹角不大于30
°
，2号永磁体整体区域充磁磁场方向与其取向方向夹角不大于70
°
，阴影区域充磁磁场方向与其取向方向夹角不大于60
°
)确定所需充磁线圈的拓扑结构(线圈截面的宽、高、内径)，再根据步骤1中测定好的永磁体样品的磁化参数，得出充磁磁场达到永磁体饱和磁化的最低值时充磁线圈所需要的最低电流密度，即在该电流密度下，图2中充磁线圈产生的充磁磁场能满足：1号永磁体区域取向方向最低磁密大于步骤1.2中测得的最低饱和磁密；2号永磁体阴影区域充磁磁场大小分布满足步骤1.3所测得的充磁磁场在不同夹角下使得永磁体饱和磁化的最低磁密，从而确定充磁线圈的最低安匝数；
[0085]
步骤2.3，根据2.2所得拓扑及线圈安匝数，线圈在图2所示位置充磁后，平移线圈或永磁阵列，同时交换充磁线圈正负极接线，此时线圈及永磁体阵列相对位置如图3所示，图3中完全填充区域为已充磁区域、阴影区域为此次充磁区域。对于2号永磁体而言，其在2.2所述充磁步骤中至少右半侧区域被完全磁化，而本步骤将磁化其至少左半侧区域，由于永磁体在已磁化时进行同方向重复充磁并不会造成其退磁，在本步充磁时，2号磁钢已磁化区域中充磁磁场与其磁化方向的夹角并不会很大，所以不会造成其已磁化区域的退磁，从而可以分两步充磁使2号永磁体完全磁化；同样的，4号永磁体在本步充磁时也会磁化其至少一半区域，再通过下一步骤的充磁使得其所有区域完全被磁化。
[0086]
步骤2.4，2.3中所述充磁完成后，再次移动永磁体或线圈，再次交换充磁线圈正负极接线，主线圈与永磁体相对位置如图4所示，图4中完全填充区域为已充磁区域、阴影区域为本次充磁区域，与上一步骤类似，此次充磁会磁化4号永磁体未磁化区域、5号永磁体整体区域以及6号永磁体部分区域。
[0087]
步骤2.5，对于2.3及2.4中所述充磁步骤，由于在充磁之前就存在了已磁化区域，所以可能会由于永磁体厚度原因出现两种情况：其一是此次充磁线圈边缘漏磁场较低，不会对已充磁区域(对步骤2.3而言主要是1号永磁体区域，对步骤2.4而言主要是2、3号永磁体区域)造成退磁或退磁程度很低，即如步骤1.4所述，漏磁场在已充磁区域分布满足漏磁场磁密大小小于对应夹角下退磁曲线拐点的磁密值；其二是此次充磁线圈边缘漏磁场较高会造成已充磁永磁体(对步骤2.3而言主要是1号永磁体区域，对步骤2.4而言主要是2、3号永磁体区域)部分区域较高程度退磁甚至完全退磁，此时就需要在已充磁永磁体临近区域增加辅助线圈用以改变磁场位形、削弱漏磁场，从而减小漏磁场对已充磁区域的退磁影响。
[0088]
如图5所示，辅助线圈形状及位置并不固定，只要能够削弱漏磁场对已充磁永磁体影响均可，图5所示辅助线圈仅作参考。辅助线圈可以与主线圈串联或单独用另一套电源，与主线圈电源时序配合很重要，电流波形也需与主线圈电流波形基本一致，以保证在整个脉冲时间内对漏磁场进行削弱；
[0089]
步骤2.6，综上所述，可根据不同永磁体形状及材料特性确定不同线圈(线圈组)拓扑及安匝数。
[0090]
步骤3.确定充磁电源参数
[0091]
1)根据步骤2所确定线圈(线圈组)拓扑及安匝数，选定合适截面导线后确定线圈匝数及磁化电流峰值，从而确定充磁所需能量，在脉冲电源电容值已知时可确定饱和充磁所需电容电压范围；
[0092]
2)若存在背铁，考虑到脉冲磁场下背铁发生涡流效应从而削弱充磁磁场，可考虑提高放电电压从而增大磁场、增大电容值从而增大脉冲脉宽从而削弱涡流效应或者从工艺上使得背铁由硅钢叠片制作或分段的方式从而削弱涡流效应。
[0093]
步骤4、确定线圈(线圈组)冷却方式
[0094]
1)根据步骤2、3选定的线圈(线圈组)及充磁电源，可以得出线圈(线圈组)在一次充磁过程中线圈(线圈组)发热量，从而得出其线圈绝热温升；
[0095]
2)根据实际情况选择合适冷却方式，放电间隔很长的，可让其自然冷却(风冷)、放电间隔较短，对线圈温升限制较高的，可采用中空铜导线绕制线圈，并通恒温纯水(油)冷却或选择将线圈(线圈组)浸泡在液氮(氦)中冷却。
[0096]
步骤5、确定线圈(线圈组)加固结构
[0097]
1)由于充磁时永磁体位于线圈外侧，为保证磁场均匀性，线圈多采用跑道型、马鞍形、矩形等异形结构，单线圈情况下线圈外侧采用纤维缠绕加固即可；
[0098]
2)针对线圈组结构，各线圈外侧独立缠绕纤维加固后，还需对线圈组整体加固，可采用固定夹具或整体包覆纤维加固。
[0099]
步骤6、整体工装及辅助结构
[0100]
1)在高场大电流下，线圈除了自身会有较大应力，还会对外侧永磁体或者背铁产生较大的吸力或者斥力，这种情况下就需要对整个充磁结构设定合适工装，保证装置及人员安全；
[0101]
2)由于充磁时，线圈置于永磁体阵列一侧，使得永磁体具体位置难以通过肉眼直接观测，而充磁时，阵列中永磁体相对充磁线圈(线圈组)的位置又至关重要，所以需要根据实际情况制定辅助定位结构。
[0102]
步骤7、整体分步充磁
[0103]
1)如图2、图3、图4所示情况，在辅助定位结构支持下，视实际情况平移线圈(线圈组)整体或者阵列整体，从halbach阵列一侧开始向另一侧分步整体充磁，即重复图3和图4所示充磁方式。
[0104]
在一个更具体的实施例中，本发明提供的充磁方法及装置包括如下几部分：
[0105]
1.对样品测试，得出充磁磁场最低需求为：易轴方向(取向方向)磁密大于3t，难轴方向磁密(与取向方向垂直方向)小于4t，该充磁条件能满足大部分常见牌号永磁体的充磁。已充磁区域退磁磁场要求：磁场与已磁化方向夹角为80
°
时，小于4.2t；磁场与已磁化方向夹角为90
°
时，小于2.8t；磁场与已磁化方向夹角为100
°
时，小于2.3t；磁场与已磁化方向夹角为110
°
时，小于2.1t；磁场与已磁化方向夹角为120
°
时，小于1.8t；磁场与已磁化方向夹角为180
°
时，小于1.4t。
[0106]
2.选取待充磁永磁体大小为30mm*10mm*50mm(宽度*厚度*长度)。将其待充磁方向按图1所示阵列排列。考虑工装及加固，永磁体与线圈之间充磁间隙选取为15mm，导线选取4mm*3mm方型铜导线，根据材料充磁需求与退磁要求，确定采用线圈组方式充磁，主线圈96匝(8层，每层12匝)，辅线圈22匝(2层，每层11匝)，整体充磁时充磁所需线圈安匝数约为1050ka，线圈电流约为11ka。
[0107]
3.所选脉冲电源电容值为3.2mf，含保护电感1mh，充磁所需峰值电压为10kv左右。充磁电流及5号永磁体中心处磁密随时间变化线如图6所示。
[0108]
如图5所示，第三步充磁时峰值时刻1号永磁体区域整体磁密低于0.6t，故不会造成退磁；
[0109]
2号永磁体磁密分布如图7所示，图7中(a)为2号永磁体区域漏磁场磁密分布云图，(b)为2号永磁体区域漏磁场与永磁体磁化方向夹角分布云图，可看出磁密大于1.8t与夹角大于100
°
区域并无交集，可认为2号整体区域不会退磁；
[0110]
3号永磁体磁密分布如8所示，图8中(a)为3号永磁体区域漏磁场与永磁体磁化方向夹角分布云图，(b)为3号永磁体区域漏磁场磁密分布云图，可看出磁密大于4t与夹角大于80
°
区域并无交集，可认为3号整体区域不会退磁；
[0111]
4号永磁体磁密分布如图9所示，图9中(a)为4号永磁体磁密难轴分量小于4t区域分布云图，(b)为4号永磁体磁密易轴分量大于3t区域分布云图，(c)为4号永磁体磁密难轴分量小于4t区域与易轴分量大于3t区域交集，即为在本步充磁中4号永磁体能保证完全磁化区域；
[0112]
5号永磁体磁密分布如图10所示，图10中(a)为5号永磁体区域磁密易轴分量分布云图，(b)为5号永磁体区域磁密难轴分量分布云图，5号永磁体整个区域易轴分量均大于3t，难轴分量小于4t，故5号永磁体整体能被完全磁化；
[0113]
6号永磁体磁密分布如图11所示，图11中(a)为6号永磁体磁密难轴分量小于4t区域分布云图，(b)为6号永磁体磁密易轴分量大于3t区域分布云图，(c)为6号永磁体磁密难轴分量小于4t区域与易轴分量大于3t区域交集，即为在本步充磁中6号永磁体能保证完全磁化区域。满足对4、5、6号永磁体充磁要求的同时，1、2、3号永磁体区域均不会退磁。
[0114]
4.本次实例仅为实验用，放电频率不会很频繁，故其散热选用自然散热，即不考虑外加散热方式。
[0115]
5.本实例采用线圈组充磁，故需分别对两个线圈加固后，再对其整体加固。
[0116]
6.整体充磁时线圈组固定，阵列依次从头至尾通过定位孔定位后，按顺序充磁。
[0117]
7.整体充磁与理想状态下预充磁再装配气隙磁密，即永磁体上表面1mm中轴线上分布对比如图12所示，可以看出整体充磁已磁化区域气隙磁密与理想状态下预充磁再装配气隙磁密分布几乎无差别。
[0118]
实施例2：
[0119]
halbach阵列磁化方向变化角为45
°
时整体充磁情况：
[0120]
与实例1类似，该阵列同样需要多步充磁，选取其中一步作整体分析，如图13所示。图13中永磁体上箭头表示其待磁化方向，图13中完全填充区域为已充磁区域，阴影区域为本步内需要充磁区域。
[0121]
图14所示为本步充磁时1号永磁体(已磁化)区域磁密分布(图14中(a))及磁场方向与其已磁化方向夹角分布(图14中(b))，可以看出1号永磁体整体区域磁密较低(低于1.4t)，整个区域不会退磁；
[0122]
图15所示为本步充磁时2号永磁体(已磁化)区域磁密分布(图15中(a))及磁场方向与其已磁化方向夹角分布(图15中(b))，可以看出2号永磁体整体区域磁密较低(低于1.8t)且磁场方向与已磁化方向夹角较小(低于120
°
)，整个区域不会退磁；
[0123]
图16所示为本步充磁时3号永磁体(已磁化)区域磁密分布(图16中(a))及磁场方向与其已磁化方向夹角分布(图16中(b))，可以看出3号永磁体整体区域磁场方向与已磁化
方向夹角较小(低于80
°
)，整个区域不会退磁；
[0124]
图17所示为本步充磁时4号永磁体(已磁化)区域磁密分布(图17中(a))及磁场方向与其已磁化方向夹角分布(图17中(b))，可以看出4号永磁体整体区域磁场方向与已磁化方向夹角较小(最高仅45
°
)，整个区域不会退磁，且还会有一定补充磁效果；
[0125]
图18所示为本步充磁时5号永磁体(部分磁化)区域磁密易轴分量大于3t区域分布(图18中(a))及磁密难轴分量小于4t区域分布(图18中(b))，可以看出5号永磁体整体区域内磁密难轴分量小于4t，且易轴分量大于3t区域满足图14中待充磁区域的要求，可认为本步充磁能够将5号永磁体未充磁完全磁化，且不会使得已充磁区域退磁；
[0126]
图19所示为本步充磁时6号永磁体(未磁化)区域磁密易轴分量大于3t区域分布(图19中(a))及磁密难轴分量小于4t区域分布(图19中(b))，可以看出6号永磁体整体区域内磁密易轴分量大于3t、难轴分量小于4t，故可认为本步充磁能够使得6号永磁体所有区域完全磁化；
[0127]
图20所示为本步充磁时7号永磁体(未磁化)区域磁密易轴分量大于3t区域分布(图20中(a))及磁密难轴分量小于4t区域分布(图20中(b))，可以看出7号永磁体整体区域内磁密易轴分量大于3t、难轴分量小于4t，故可认为本步充磁能够使得7号永磁体所有区域完全磁化；
[0128]
根据磁场的对称性，8号永磁体与6号永磁体一致、9号永磁体与5号永磁体一致，可认为本步充磁能够保证图13所示待充磁区域完全磁化。
[0129]
可以理解的是，参见实施例1和实施例2，halbach阵列磁化方向变化角为其他角度时，通过本发明给出的充磁装置和方法也是可以实现充磁的，本发明实施例将不再对此做赘述。
[0130]
在本发明中，还提供了一种对于halbach阵列整体充磁的方法。该方法包括，对于已经将取向按halbach阵列排列的未充磁永磁体，采用单线圈或线圈组的方式对该阵列进行整体充磁，从halbach阵列第一个永磁体开始，充磁线圈或线圈组按一定顺序平移分步充磁，每一步会完全磁化一个主磁体以及磁化一个或多个辅助磁体的部分区域。
[0131]
图21为本发明实施例提供的直线型halbach阵列的充磁方法流程图，如图21所示，包括如下步骤：
[0132]
s101，将不同待磁化方向的多个永磁体按照预设规律排列成直线阵列；所述预设规律为：相邻永磁体的待磁化方向按预设时针方向以预设角度的间隔旋转；所述不同待磁化方向包括竖直方向，所述多个永磁体分为主磁体和辅助磁体，所述主磁体的待磁化方向沿竖直方向，所述辅助磁体的待磁化方向为非竖直方向；
[0133]
s102，将主线圈置于所述直线阵列的正上方或正下方，并沿着所述直线阵列的直线方向平移，以对多个永磁体分步充磁，每一步充磁将一个主磁体完全磁化，且磁化与所述主磁体相邻辅助磁体的部分区域；
[0134]
s103，当所述主线圈在当前充磁步骤中会对已充磁永磁体造成退磁影响时，在所述已充磁永磁体附近区域加入辅助线圈，改变已充磁永磁体附近区域的磁场分布，以减小所述退磁影响，保证已充磁永磁体预设区域的磁化饱和程度均保持在预设比例以上；
[0135]
s104，对所有永磁体充磁完毕后，得到直线型halbach阵列。
[0136]
在一个可选的示例中，该方法还包括如下步骤：
[0137]
确定待充磁永磁体的充磁标准和退磁标准，具体包括：
[0138]
确定对永磁体进行取向充磁时，所述永磁体达到饱和充磁时所需要的最小外加充磁磁场的磁通密度值；当外加磁场的方向与永磁体待磁化方向的夹角小于预设夹角时，认为所述外加磁场的方向与待磁化方向相同，即为取向充磁；
[0139]
当外加磁场与永磁体待磁化方向存在夹角时，确定不同夹角下永磁体达到饱和充磁所需要的最小外加充磁磁场的磁通密度值；
[0140]
当饱和充磁的永磁体分别置于与永磁体磁化方向呈不同夹角的外加退磁磁场时，确定永磁体在不同夹角下达到退磁标准的最小外加退磁磁场的大小；所述退磁标准为：永磁体内没有预设区域的磁化饱和程度保持在预设比例以上，则认为饱和充磁的永磁体发生了退磁。
[0141]
在一个可选的示例中，主线圈沿着所述直线阵列的直线方向平移，以对多个永磁体分步充磁，每一步充磁将一个主磁体完全磁化，且磁化与所述主磁体相邻辅助磁体的部分区域，具体包括：
[0142]
每一步充磁时，将主线圈置于一个主磁体的正上方，控制所述主线圈所产生磁场的中心磁场方向与其正下方主磁体的待充磁方向相同，且通过控制主线圈距离主磁体的距离和主线圈的参数使得主线圈所产生磁场的中心磁场对其正下方的主磁体进行取向充磁；
[0143]
通过仿真确定主线圈置于主磁体正上方或正下方时，主线圈所产生的磁场分布，包括：主磁体区域内的磁通密度大小及方向、辅助磁体区域内的磁通密度大小及磁场与辅助磁体待磁化方向的夹角；
[0144]
根据主线圈所产生的充磁磁场与辅助磁体待磁化方向的夹角，以及预先确定的永磁体充磁标准中外加磁场取向充磁和不同夹角充磁下永磁体达到饱和充磁所需的最小外加充磁磁场磁通密度值，确定每一步充磁将一个主磁体完全磁化，且磁化与所述主磁体相邻辅助磁体的部分区域所需的主线圈所产生磁场的磁通密度大小及分布。
[0145]
在一个可选的示例中，所述当所述主线圈磁场在当前充磁步骤中会对已充磁永磁体造成退磁影响，具体为：
[0146]
通过仿真确定主磁体线圈置于当前步骤所要充磁的主磁体正上方或正下方时，主线圈所产生磁场与已充磁永磁体磁化方向的夹角；
[0147]
确定当前步骤主线圈所产生磁场在已充磁永磁体区域的磁通密度；
[0148]
基于主线圈所产生的磁场与已充磁永磁体磁化方向的夹角、预先确定的永磁体退磁标准中永磁体在不同夹角下达到退磁标准的最小外加退磁磁场的磁通密度值确定主线圈所产生磁场在当前充磁步骤中是否会对已充磁永磁体造成退磁影响。
[0149]
在一个可选的示例中，在所述已充磁永磁体附近区域加入辅助线圈，通过辅助线圈产生磁场改变已充磁永磁体附近区域的磁场分布，以减小所述退磁影响，具体为：
[0150]
在所述已充磁永磁体附近区域加入辅助线圈，仿真确定辅助线圈和主线圈所产生的整体磁场分布，结合永磁体的充磁标准和退磁标准，设计合适的辅助线圈和主线圈使得充磁时已充磁永磁体预设区域的磁化饱和程度均保持在预设比例以上。
[0151]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。