摘 要

能够长期保持其磁性的磁体称永久磁体。永磁材料是一种基础的功能材料，它有很多不错的优点，永磁材料不仅可以提供稳定地磁通量，而且不需要消耗其他形式的能源。传统的电源励磁体和永磁材料比较起来，永磁材料制造的机构可以方便的携带和移动，制造与维护费用也较低；另外，永磁体材料没有电源励磁体的电磁噪声。目前，永磁材料的发展极为迅速，它的应用遍及磁悬浮列车、磁道导航、磁疗等领域。因此，对永磁体磁场的研究就显得日益重要。首先，本文基于COMSOL软件的电磁场仿真模块分别对U型、条型、圆环型、圆柱型四种常见永磁体的空间磁场进行了仿真与分析，并总结了基于COMSOL软件仿真、分析和验证磁场的方法。接着，设计出了磁场采集电路、信号调理电路、主控制器与AD采集电路设计、串口通信模块，可以实现对永磁体空间磁场大小的测量。本文研究出的永磁体空间磁场测量方法及磁场仿真可为小型永磁体设计工作提供指导。

关键词：永磁体；磁场仿真；磁场测量；

Study on measuring system of permanent magnet space magnetic field

Abstract

A magnet that can maintain its magnetism for a long time is called a permanent magnet. Permanent magnetic material is a basic functional material, and it has many good advantages. Permanent magnetic materials not only provide stable magnetic flux, but also do not need to consume other forms of energy. Compared with the traditional magnets and permanent magnets, the permanent magnet materials can be easily carried and moved, and the cost of manufacturing and maintenance is also low; in addition, the permanent magnet materials have no electromagnetic noise of the magnets of the power supply. At present, the development of permanent magnetic materials is very fast, and its applications are widely used in maglev train, track navigation, magnetic therapy and other fields. Therefore, it is increasingly important to study the magnetic field of permanent magnet. Firstly, based on the electromagnetic simulation module of COMSOL software, the spatial magnetic field of four common permanent magnets, U, strip, circular and cylindrical, is simulated and analyzed respectively, and the methods of simulation, analysis and verification of magnetic field based on COMSOL software are summarized. Then, the magnetic field acquisition circuit, the signal conditioning circuit, the main controller and the AD acquisition circuit design, the serial communication module, can be designed to measure the space magnetic field size of the permanent magnet. The measurement method and magnetic field simulation of permanent magnet in this paper can provide guidance for the design of small permanent magnet.

Key words：Permanent magnets; Magnetic field simulation; Magnetic field measurement

目录

第一章 绪论 1

1.1 永磁材料的发展和应用 2

1.2 永磁体磁场特性国内外研究现状 3

1.2.1国外研究现状 3

1.2.2国内研究现状 3

1.3 本课题的主要研究内容及意义 4

第二章 永磁体空间磁场测量系统总体设计 5

2.1永磁体空间磁场测量系统功能分析 5

2.2空间磁场测量方法分析 5

2.2.1磁通门法 5

2.2.2各向异性磁阻法 5

2.2.3巨磁电阻法 6

2.2.4霍尔效应法 7

2.3硬件电路设计 8

2.4软件设计 8

2.5本章小结 8

第三章 基于COMSOL的磁场仿真及软件设计 9

3.1基于COMSOL软件的永磁体磁场仿真方法 9

3.1.1有限元方法在磁场仿真中的应用 9

3.1.2各个有限元软件在磁场仿真中的比较 10

3.2基于COMSOL软件的四种常见永磁体磁场仿真与分析 12

3.2.1基于COMSOL软件的四种常见永磁体的仿真模型建立 12

3.2.2四种常见永磁体的空间磁场地仿真结果分析 13

3.3基于COMSOL软件的四种常见永磁体磁场仿真总结 18

3.4本章小结 19

第四章 永磁体空间磁场测量系统硬件设计 20

4.1硬件系统组成 20

4.2主控制器部分 20

4.2.1主控制器选择 20

4.2.2单片机控制部分 21

4.3 磁场采集部分 22

4.4 A/D转换部分 23

4.4.1 A/D转换 23

4.4.2 PCF8591工作电路 24

4.5 本章小结 25

第五章 系统调试 26

5.1 主程序设计 26

5.2 系统调试 27

5.3 本章小结 27

结 论 28

致 谢 29

参考文献 30

第一章 绪论

1.1 永磁材料的发展和应用

永磁材料是一种基础的功能材料，它有很多不错的优点：永磁材料不仅可以提供稳定地磁通量，而且不需要消耗其他形式的能源；传统电源励磁体与永磁体相比较，永磁材料制造的机构可以方便的携带和移动，制造与维护费用也较低；此外，永磁体可代替电源励磁体消除电磁噪声^[2]。现在产品所追求的是小型化和高性能，恰恰永磁材料刚好可以满足这一点。目前，永磁材料的应用十分广泛，广泛运用于磁悬浮列车、磁道导航、磁疗等领域。

磁悬浮列车上装有超导磁铁，铁路底部则安装线圈。通电后，利用磁体“同性相斥”的原理使列车悬浮，交流电使线圈变为电磁体^[3]。它与列车上的磁铁相互作用，使列车可以快速前进。

磁道导航系统中，永磁材料主要用于磁道钉的生产。磁道钉是磁道导航中的信号源，车载磁传感器被用来检测磁道钉发出的信号，通过检测信号再处理来控制车辆的运行，从而驾驶人员放弃操作，由系统控制车辆运行^[4]。

永磁体常用于医用检测仪器以及磁疗保健的设备中。与铁氧永磁材料相比，使用钕铁硼永磁材料制造的磁式RMI-CT核磁共振成像设备不仅节省了大量原材料，且磁场的强度和图像的清晰度也得到很大提高^[5]。另外，磁疗属于一种物理疗法，比起药物疗法对人体的伤害更小，人们也更容易接受。