CN101090022A - 一种避免异常磁化的强磁场永磁机构 - Google Patents

Abstract

一种避免异常磁化的强磁场永磁机构，由8～64块钕铁硼单元磁体粘合成为中空的圆柱形，永磁机构中心位置上设有软磁材料，最外面用金属外壳卡紧固定，其特点是由单元磁体分为内外双层，单元磁体的内外双层由性质不同的钕铁硼粘接而成，或由钕铁硼和软磁材料粘接而成，其中垂直方向上设置的单元磁体的外层为钕铁硼，内层为软磁材料，该软磁材料沿圆心方向由宽变窄，使得磁路中的磁通逐渐聚集到中心气隙内，带有软磁材料的单元磁体的两侧单元磁体中也设置有小的软磁材料，本发明的软磁材料底边宽度大于现有技术中软磁材料底边宽度，本发明还采用磁屏蔽固定外壳，以增强魔环有效区气隙磁场及避免魔环磁场外漏。

Description

一种避免异常磁化的强磁场永磁机构

技术领域

本发明涉及一种强磁场永磁机构，特别是涉及一种避免异常磁化的强磁场永磁机构，是对现有强磁场永磁机构的改进，属于永磁强磁场技术。

背景技术

传统永磁机构一般由永磁体和软铁磁极构成，气隙场强无法超过永磁材料剩磁Br，即使采用剩磁为1.2T的钕铁硼，气隙场强一般也不超1T，要获得超过永磁材料剩磁的磁场，必须采用特殊的永磁体结构方案。

魔环是一截全部由永磁材料制成的空心圆柱体，令永磁材料充磁方向沿圆柱体圆周作不同规律的变化，在空心圆柱体内部可获得二极、四极、六极等不同极数的磁场。理想二极魔环的空腔内是完全均匀的磁场，周围没有漏磁场，可以在空腔内产生永磁材料本身剩磁数倍的强磁场，这种结构具有重量轻、结构紧凑等优点。但理想的魔环在工程上是办不到的，实际可行的办法是把连续的结构离散为若干块曲边梯形，每块梯形磁体的磁化方向仍保持原来的变化规律，此时魔环中心气隙磁场为：

$B=B_r\·\left(\frac{\sin (2\mathrm{\π}/n)}{(2\mathrm{\π}/n)}\right)\·\ln \left(\frac{r_2}{r_1}\right)$

式中n为魔环离散单元数，B_r为永磁材料剩磁，r₁、r₂分别为魔环内、外径。理论上魔环结构的磁体可以产生无限大的磁场，但实际上随着内外径比值的增大，魔环内容易出现下列异常磁化现象，使气隙磁场低于理想值：

1.局部过饱和。强磁永磁机构中出现了局部合成磁场大于该处永磁材料本身剩磁，而且二者方向相同，当合成磁场大于永磁材料饱和感应强度时即出现局部过饱和问题。

2.局部退磁。强磁永磁机构中地出现了局部合成磁场大于该处永磁材料内禀矫顽力，而且方向与剩磁相反，即出现局部不可逆退磁问题。

3.旋转磁化。永磁机构装配过程中局部合成磁场磁化方向与大小不断改变，每个磁体磁化强度的大小和方向均随外界合成磁场的变化而改变，于是出现了旋转磁化。

美国卫星状况中心某核子漂移管的直线加速器使用了一种16单元四极魔环，其内径为18.5mm，高为35.00mm，魔环中心气隙处场强达4.64T，各永磁块间即非粘接也非螺栓固定，而是采用一铝环安装在魔环外面起固定作用。

日本国家放射科学研究院一台加速器用的是增强型12单元永磁魔环，该魔环的内径为6mm，外径为200mm，高为150mm。魔环因内外径之比较大，在内部靠近气隙处不可避免的出现退磁，为降低退磁作用，在原来全部由永磁体钕铁硼组成的魔环中引入了软铁作为磁极。因为没有充分考虑局部饱和、局部退磁和旋转磁化等异常磁化现象，装配后气隙处磁感应强度为3.9T，比预期设计值低14％。

为了解决上述退磁和饱和问题，本申请人曾提出了一种增强型魔环结构，见公开号为CN1440040的中国发明专利《产生数倍于永磁材料剩磁磁密强磁场的永磁机构》，在原来全部由永磁材料铁氧体组成的魔环中引入了软磁材料，其结构中永磁材料部分由8～64块梯形截面的钕铁硼永磁块组成，每个相邻永磁块的充磁方向依次相差360°/n度角，整个磁体的截面积为正n边形(n为8～64)，在水平方向和垂直方向上的45°角度范围内永磁块的中间为工业纯铁，靠近中心位置，在水平方向上放置的软磁材料为非磁性金属，非磁性不锈钢或铝，中心部分包围的区域为气隙，为强磁场工作空间，各组件用胶粘合成为中空的正八棱柱，最外面用非磁性金属外壳卡紧固定。从说明书附图中可以看出，该魔环中部两块软磁材料由宽变窄，使得磁路中的磁通逐渐聚集、压缩到气隙内，好象电子设备中经常采用削尖的极头起聚磁的作用，从而达到增强磁场强度的目的。但该魔环中有效区气隙磁场仍比较低，这是因为尽管上下软铁磁极的加入起到了明显的聚磁作用，但中心气隙两侧水平方向上的非磁性金属区域相当于开路，削弱了中心气隙磁场。另外，上下软铁磁极相对中心气隙来说底边较窄，造成软铁磁极正下方磁场较强，而气隙的左右两侧磁场较弱，所以破坏了中心有效区磁场的均匀性。若想获得场强高于4T并且比较均匀的磁场，必须设计新型的永磁魔环机构。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述不足，给出一种新型的可以避免异常磁化的强磁场永磁机构，这种强磁场永磁机构在原来全部由永磁材料组成的魔环中引入了软磁材料作为磁极，垂直方向上两块软磁材料由宽变窄，使得磁路中的磁通逐渐聚集到气隙内，从而增强磁场强度。两侧小的软磁材料进一步吸引内层钕铁硼的磁通，削弱局部退磁场的退磁作用，并且提高气隙磁场均匀性。

本发明给出的技术解决方案是：这种避免异常磁化的强磁场永磁机构由8～64块钕铁硼单元磁体组成，永磁机构的中心位置在垂直方向上设有软磁材料，各永磁单体粘合成为中空的圆柱形，最外面用金属外壳卡紧固定，其特点是所述的由8～64块钕铁硼永磁单元磁体组成的永磁机构分为内外双层，所述的单元磁体的内外双层由性质不同的两种牌号的钕铁硼粘接而成，或由钕铁硼和软磁材料粘接而成，其中垂直方向上设置的两块单元磁体的外层为钕铁硼，内层为饱和磁感应强度很高的软磁材料铁钴合金或工业软铁，这两块单元磁体内层的软磁材料沿圆心方向由宽变窄，使得磁路中的磁通逐渐聚集到中心气隙内，从而起到增强磁场强度的作用。垂直方向上设置的这两块带有软磁材料的单元磁体的两侧单元磁体中也设置有小的软磁材料，以三块并列的单元磁体的软磁材料底边宽度远大于现有永磁机构中软磁材料底边宽度，从而弥补其宽度不足，减小软磁材料中的局部饱和并提高了气隙磁场的均匀性，还进一步吸引内层钕铁硼的磁通，使退磁场变弱，以此削弱局部退磁场的作用。

为更好的实现本发明的目的，所述的卡紧固定永磁机构的最外面金属外壳为导磁材料制成的磁屏蔽固定外壳，这是因为理想魔环的周向没有漏磁场，而离散的实际魔环周向存在少量漏磁。漏磁的存在削弱了魔环有效区气隙磁场，并且不利于运输和应用到的无磁环境中。现有技术中的魔环固定外壳均采用铝合金或不锈钢等非导磁材料，如采用导磁材料制作固定外壳，则在魔环相当于形成了屏蔽层，可以屏蔽外界磁场，使有效区气隙磁场不受外界磁场影响。另外，采用磁屏蔽固定外壳后，虽然有一部分磁场漏磁进入固定外壳，但磁力线经过固定外壳后依然进入永磁体内部，所以并不降低魔环有效区气隙磁场。相反的魔环上部的固定外壳部分吸引了磁力线向上偏转，使更多的磁力线进入软铁和气隙，从而增强了魔环有效区气隙磁场。所以本发明采用磁屏蔽外壳，既可以避免魔环磁场外漏还可以增强魔环有效区气隙磁场。

为更好的实现本发明的目的，所述的由性质不同的两种牌号的钕铁硼粘接而成的单元磁体的内外双层，其内层为内禀矫顽力高的烧结各向异性钕铁硼，其外层为剩磁相对较高的烧结各向异性钕铁硼。

本发明给出的这种避免异常磁化的强磁场永磁机构的制作装配工艺过程如下：

(1)、加工制作磁屏蔽固定外壳，切割制作内外双层所需的磁体块；

(2)、按优化设计后的充磁方向对各个永磁体充磁；

(3)、将左右两侧两种牌号的钕铁硼粘接的单元磁体分别粘接成为两个大的单元块，将上下两侧由钕铁硼和软磁材料粘接的单元磁体分别粘接成两个大的单元块；

(4)、将4个大单元块嵌入磁屏蔽固定外壳中。为避免装配过程中的退磁，先嵌入左右两侧的两个大单元块，后嵌入上下两侧的两个大单元块，最终所有单元磁体全部安装完毕拼成中空的圆柱形机构。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.现有的永磁机构的由梯形截面的钕铁硼永磁体拼装成中空的正棱柱形，本发明将其改进为由扇形截面的磁体单元拼装成中空的圆柱形，漏磁降低，便于实际安装，中间气隙为正棱柱形，为提高气隙内磁场的均匀性，软磁材料的表面可加工成一定的曲面形状。

2.在原来全部由永磁材料组成的魔环中引入了软磁材料作为磁极，垂直方向上两块软磁材料由宽变窄，使得磁路中的磁通逐渐聚集到气隙内，从而增强磁场强度。两侧小的软磁材料进一步吸引内层钕铁硼的磁通，削弱局部退磁场的作用，并且提高气隙磁场均匀性。

3.为减小退磁增强气隙磁场，采用两种不同牌号永磁材料，内层选用内禀矫顽力高的烧结各向异性钕铁硼，可以承受较高的外磁场而不退磁；外层因承受的退磁场较小，所以外层选用剩磁相对较高的烧结各向异性钕铁硼。

4.为降低局部饱和、局部退磁增强气隙磁场，部分充磁方向在原有沿周向均匀变化的基础上进行优化调整。

5.现有的永磁机构采用铝合金，不锈钢等非导磁材料制作固定外壳，本发明中采用导磁材料制成磁屏蔽固定外壳，既可以增强魔环有效区气隙磁场还可以避免魔环磁场外漏，可用于防磁环境中。

附图说明

图1为由16块单元磁体组成的永磁机构的横截面示意图；

图2为由16块单元磁体组成的永磁机构的优化设计变量示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体技术方案做进一步说明。

如图1所示，这种避免异常磁化的强磁场永磁机构由16块钕铁硼单元磁体组成，各永磁单体粘合成为中空的圆柱形，最外面用导磁材料制成的磁屏蔽固定外壳5卡紧固定，所述的由16块钕铁硼永磁单元磁体组成的永磁机构分为内外双层，大部分单元磁体的内外双层由性质不同的两种牌号的钕铁硼粘接而成，即内层1为内禀矫顽力高的烧结各向异性钕铁硼，外层2为剩磁相对较高的烧结各向异性钕铁硼。余下的单元磁体的内外双层由钕铁硼和软磁材料6粘接而成，其中垂直方向上设置的上、下两块单元磁体的内层1为饱和磁感应强度很高的软磁材料6工业软铁，两块单元磁体内层1的软磁材料6由宽变窄，使得磁路中的磁通逐渐聚集到中心气隙4内，起到增强磁场强度的作用，这两块带有软磁材料6的单元磁体的两侧单元磁体中也设置有小的软磁材料6，这样以三块并列的单元磁体的软磁材料6底边宽度远大于现有永磁机构中一块单元磁体的软磁材料底边宽度，从而弥补了其宽度不足的缺陷，减小了软磁材料中的局部饱并提高了气隙磁场的均匀性。

如图2所示，为避免异常磁化，魔环各部分尺寸和充磁方向3都经过优化设计调整。该圆柱形机构中心通孔(中心气隙4)为强磁场工作空间，为提高气隙内磁场的均匀性，与中心气隙4相接触的软磁材料6表面可加工成一定的曲线形状。由于本发明给出的永磁机构中局部饱和位置只发生在软铁中，避免了永磁材料钕铁硼中的局部饱和，中心气隙4两侧承受较强退磁场的位置工作点虽较低，但并未超过退磁曲线的膝点，基本避免了局部退磁，旋转磁化的作用也有所降低，所以永磁机构中心有效区内场强较高，可达4.5T以上。

制作时，首先加工制作磁屏蔽固定外壳，切割制作16个单元磁体所需的32块磁体，每个单元磁体由由性质不同的两种牌号的钕铁硼粘接而成或由钕铁硼和软磁材料粘接而成；再按优化设计后的充磁方向对各个永磁体充磁；然后将左右两侧两种牌号的钕铁硼粘接的单元磁体分别粘接成为两个大的单元块，将上下两侧由钕铁硼和软磁材料粘接的单元磁体分别粘接成两个大的单元块；将4个大单元块嵌入磁屏蔽固定外壳中。为避免装配过程中的退磁，先嵌入左右两侧的两个大单元块，后嵌入上下两侧的两个大单元块。最终所有单元磁体全部安装完毕拼成中空的圆柱形机构。

Claims (4)

1.一种避免异常磁化的强磁场永磁机构，由8～64块钕铁硼单元磁体组成，永磁机构的中心位置在垂直方向上设有软磁材料，各永磁单体粘合成为中空的圆柱形，最外面用金属外壳卡紧固定，其特征在于所述的由8～64块钕铁硼永磁单元磁体组成的永磁机构分为内外双层，所述的单元磁体的内外双层由性质不同的两种牌号的钕铁硼粘接而成，或由钕铁硼和软磁材料粘接而成，其中垂直方向上设置的两块单元磁体的外层为钕铁硼，内层为饱和磁感应强度很高的软磁材料铁钴合金或工业软铁，这两块单元磁体内层的软磁材料沿圆心方向由宽变窄，使得磁路中的磁通逐渐聚集到中心气隙内，垂直方向上设置的这两块带有软磁材料的单元磁体的两侧单元磁体中也设置有小的软磁材料，以三块并列的单元磁体的软磁材料底边宽度大于现有永磁机构中软磁材料底边宽度。

2.根据权利要求1所述的避免异常磁化的强磁场永磁机构，其特征在于所述的卡紧固定永磁机构的最外面金属外壳为导磁材料制成的磁屏蔽固定外壳。

3.根据权利要求1或2所述的避免异常磁化的强磁场永磁机构，其特征在于所述的由性质不同的两种牌号的钕铁硼粘接而成的单元磁体的内外双层，其内层为内禀矫顽力高的烧结各向异性钕铁硼，其外层为剩磁相对较高的烧结各向异性钕铁硼。

4.制作权利要求1所述的避免异常磁化的强磁场永磁机构的方法，其特征在于由以下步骤组成：

(1)、加工制作磁屏蔽固定外壳，切割制作8～64块单元磁体的内外双层所需的磁体块；

(2)、按优化设计后的充磁方向对各个永磁体充磁；

(3)、将左右两侧两种牌号的钕铁硼粘接的单元磁体分别粘接成为两个大的单元块，将上下两侧由钕铁硼和软磁材料粘接的单元磁体分别粘接成两个大的单元块；

(4)、将4个大单元块嵌入磁屏蔽固定外壳中，为避免装配过程中的退磁，先嵌入左右两侧的两个大单元块，后嵌入上下两侧的两个大单元块，最终所有单元磁体全部安装完毕拼成中空的圆柱形机构。

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