CN101266863A - 磁场大小和方向能够连续变化的磁体装置 - Google Patents

Abstract

一种磁场大小和方向能够连续变化的磁体装置，其磁体由两对互相垂直放置的氦姆霍兹线圈磁体组成。两者产生相互垂直的磁场B_⊥和B_//按矢量叠加产生所需的磁场B。磁体没有运动部件。分别调节两个氦姆霍兹线圈磁体励磁电流的大小和方向，可以得到实际需要的磁场B的大小和方向。氦姆霍兹线圈磁体可以是常规磁体，也可以是超导磁体，两对氦姆霍兹线圈磁体可以由两台磁体电源分别供电或由一台磁体电源并联供电。此装置适合于不宜有活动部件的场合，如低温环境下超导材料、磁性材料、金属材料、电介质、半导体、有机材料等材料的各向异性参数测量，以及高温环境下磁性材料、金属材料、电介质、半导体等材料的各向异性参数测量。

Description

磁场大小和方向能够连续变化的磁体装置

技术领域

本发明涉及电磁装置，特别是一种磁场大小和方向能够连续变化的磁体装置。

背景技术

世界范围内材料科学发展突飞猛进，新材料不断涌现，为社会经济发展奠定了坚实基础。对于材料的研究除了表征结构特性外，电磁特性是材料性能的重要方面。尤其是超导材料、电介质材料、绝缘材料、有机材料等在电磁各向异性方面的性能是其应用不可缺少的研究内容。

在磁场下的各向异性是材料研究和应用的重要方面。目前，在磁场下材料各向异性的测试和表征方面，用的磁体是常规磁体或超导磁体，磁体往往只提供一个方向的磁场。在测试各向异性的过程中，往往需要转动材料样品或磁体来改变磁场方向。在室温环境下，不会有太大问题。但是在低温和高温环境下，材料样品或磁体转动起来变得相当困难，甚至不可能。在这种情况下，基于传统结构磁体，对于材料磁场下各向异性的表征很难实现。因此在测试材料各向异性的过程中，特别在低温和高温环境下，需要一种能够在无任何机械运动部件的磁体结构，即可连续产生各种大小和方向的磁场的磁体，这种磁体可以是常规磁体，也可以是超导磁体。

如图1所示，把两对氦姆霍兹线圈中心重合并互相垂直放置，其中一对水平放置，产生的磁场沿垂直方向记为B_⊥；另一对氦姆霍兹线圈垂直放置，产生的磁场沿水平方向记为B_//；那么在两磁体孔径处的总磁场B为两磁场的矢量叠加：

$\stackrel{\→}{B}={\stackrel{\→}{B}}_{//}+{\stackrel{\→}{B}}_{\⊥}---\left(1\right)$

磁场B的大小为：

$B=\sqrt{B_{//}^2+B_{\⊥}^2}---\left(2\right)$

磁场B方向为：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\frac{B_{\⊥}}{B_{//}}---\left(3\right)$

θ是总磁场B相对于水平方向的夹角。

只要改变垂直方向磁场B_⊥及水平方向磁场B_//的大小和方向，根据方程(2)和(3)，即可以在磁体孔径内得到任意大小和方向的磁场B，实现了没有任何机械运动而可以得到任意方向磁场的目标。

发明内容

本发明的目的是要解决背景技术所述的传统结构磁体很难连续地、无机械运动地产生任何方向及大小磁场的磁体设计问题，提供一种无任何机械运动部件的磁场大小和方向能够连续变化的磁体装置，其特征在于：所述磁场大小和方向能够连续变化的磁体装置包括两对氦姆霍兹线圈磁体1-1′和氦姆霍兹线圈磁体2-2′、磁体电源3、磁体电源4和磁体容器5，氦姆霍兹线圈磁体2-2′套在氦姆霍兹线圈磁体1-1′外面，或氦姆霍兹线圈磁体1-1′套在氦姆霍兹线圈磁体2-2′外面，两者y方向的中心轴线重合，并互相垂直放置，氦姆霍兹线圈磁体1-1′水平放置于xy平面，产生沿垂直方向(z方向)磁场B_⊥，氦姆霍兹线圈磁体2-2′垂直放置于yz平面，产生沿水平方向(x方向)磁场B_//。磁体电源3给氦姆霍兹线圈磁体1-1′供电，磁体电源4给氦姆霍兹线圈磁体2-2′供电。氦姆霍兹线圈磁体1-1′和氦姆霍兹线圈磁体2-2′都装在磁体容器5内，磁体容器5为室温容器、低温容器或高温容器。氦姆霍兹线圈磁体1-1′和氦姆霍兹线圈磁体2-2′的绕制线材为超导线材或常规导线线材，其形状为螺管型、跑道型或者鞍型。氦姆霍兹线圈磁体1-1′和氦姆霍兹线圈磁体2-2′两端分别开口，开口中心线与两磁体的y方向水平轴线重合。

本发明的有益效果是，没有任何运动部件可以产生任意大小和方向的磁场，同时也能够避免由于机械运动产生的回差、精度高，保证不同磁场大小和方向下样品测量位置的唯一性。使用时只要分别调节两对氦姆霍兹线圈磁体的励磁电流的大小和方向，就可改变磁体中心区域磁场B的大小和方向。本发明特别适合于不宜有活动部件的场合，如低温环境下超导材料、磁性材料、金属材料、电介质、半导体、有机材料等材料的各向异性参数测量，以及高温环境下磁性材料、金属材料、电介质、半导体等材料的各向异性参数测量。

附图说明

图1为两对相互垂直放置的氦姆霍兹线圈磁体示意图。

图2为两对相互垂直放置的跑道型氦姆霍兹线圈磁体几何结构示意图。

图3为两对互相垂直放置的氦姆霍兹线圈磁体分别由两台磁体电源供电的磁体装置示意图。

图4为两对相互垂直放置的氦姆霍兹线圈磁体并联供电，即使用一台磁体电源的磁体装置示意图。

具体实施方式

图2为两对相互垂直放置的跑道型氦姆霍兹线圈磁体几何结构示意图。其中氦姆霍兹线圈磁体1-1′为一对水平放置磁体，产生垂直方向(z方向)磁场B_⊥，氦姆霍兹线圈磁体2-2′为一对垂直放置的磁体，产生水平方向(x方向)磁场B_//。垂直方向(z方向)磁场B_⊥和水平方向(x方向)磁场B_//的矢量叠加成总磁场B。氦姆霍兹线圈磁体1-1′和氦姆霍兹线圈磁体2-2′两端分别开口，开口中心线与两磁体水平轴线(y轴方向)重合，便于测量样品放入磁体的均匀磁场空间内。氦姆霍兹线圈磁体1-1′和氦姆霍兹线圈磁体2-2′的绕制线材为超导线材或常规导线线材。

图3为由两台磁体电源给两对相互垂直放置的氦姆霍兹线圈磁体分别供电实施例一的示意图。装置包括两对互相垂直放置的氦姆霍兹线圈磁体，氦姆霍兹线圈磁体1-1′为一对水平放置磁体；氦姆霍兹线圈磁体2-2′为另一对垂直放置的磁体。磁体电源3给氦姆霍兹线圈磁体1-1′供电，磁体电源4给氦姆霍兹线圈磁体2-2供电；氦姆霍兹线圈磁体1-1′和氦姆霍兹线圈磁体2-2′安装在磁体容器5内，磁体容器5可以为高温容器、低温容器或室温容器。根据所需磁场B的大小B和方向θ，确定垂直方向(z方向)磁场B_⊥和水平方向(x方向)磁场B_//的大小和方向，然后根据磁体参数确定两磁体电源输出的励磁电流准确数值，调节电源输出电流的大小和方向，即可得到需要的磁场B的大小和方向。本方案操作简单，只需要调节各自磁体电流大小和方向即可产生需要的场型。缺点是需要两台磁体电源，每个磁体单独供电，增加一台磁体电源的成本。

图4为使用一台磁体电源给两对相互垂直放置的氦姆霍兹线圈磁体联合供电的实施例二示意图。与实施例一不同的是氦姆霍兹线圈磁体1-1′和氦姆霍兹线圈磁体2-2′都由磁体电源3并联供电；可调电阻6串联在磁体电源3对氦姆霍兹线圈磁体2-2′的供电电路内，可调节氦姆霍兹线圈磁体2-2′的励磁电流大小。与实施例一相同，根据所需磁场B的大小B和方向θ，确定垂直方向(z方向)磁场B_⊥和水平方向(x方向)磁场B_//的大小和方向，然后根据磁体参数确定两磁体的励磁电流的准确数值，调节磁体电源3输出电流和和方向以及可变电阻4的阻值，确定产生磁场B_⊥和磁场B_//大小的电流和方向，即可得到需要的磁场B的大小和方向。此方案操作比实施例一复杂，不仅需要调节磁体电源3的输出电流大小和方向，还需要调节可变电阻6的阻值。优点是只需要一台电源给两对氦姆霍兹线圈磁体并联供电，节约一台磁体电源的成本。

本发明结构紧凑、制作工艺简单、制造成本低廉、精度高、使用方便，适用于电磁材料、绝缘材料、电介质材料、超导材料、有机材料磁场下各向异性测量的磁体装置。

Claims (6)

1.一种磁场大小和方向能够连续变化的磁体装置，其特征在于：所述磁场大小和方向能够连续变化的磁体装置包括两对氦姆霍兹线圈磁体(1-1′)和氦姆霍兹线圈磁体(2-2′)、磁体电源(3)、磁体电源(4)和磁体容器(5)，氦姆霍兹线圈磁体(2-2′)套在氦姆霍兹线圈磁体(1-1′)外面，或氦姆霍兹线圈磁体(1-1′)套在氦姆霍兹线圈磁体(2-2′)外面，两者y方向的中心轴线重合，并互相垂直放置，氦姆霍兹线圈(1-1′)水平放置于xy平面，产生沿垂直方向(z方向)磁场B_⊥，氦姆霍兹线圈(2-2′)垂直放置于yz平面，产生沿水平方向(x方向)磁场B_//。

2.根据权利要求1所述的磁场大小和方向能够连续变化的磁体装置，其特征在于：所述磁体电源(3)给氦姆霍兹线圈磁体(1-1′)供电，磁体电源(4)给氦姆霍兹线圈磁体(2-2′)供电。

3.根据权利要求1所述的磁场大小和方向能够连续变化的磁体装置，其特征在于：所述磁体容器(5)为室温容器、低温容器或高温容器，氦姆霍兹线圈磁体(1-1′)和氦姆霍兹线圈磁体(2-2′)都安装在磁体容器(5)内。

4.根据权利要求1所述的磁场大小和方向能够连续变化的磁体装置，其特征在于：所述氦姆霍兹线圈磁体(1-1′)和氦姆霍兹线圈磁体(2-2′)的形状为螺管型、跑道型或者鞍型，氦姆霍兹线圈(1-1′)和氦姆霍兹线圈磁体(2-2′)两端分别开口，开口中心线与两磁体的y方向水平轴线重合。

5.根据权利要求1所述的磁场大小和方向能够连续变化的磁体装置，其特征在于：氦姆霍兹线圈磁体(1-1′)和氦姆霍兹线圈磁体(2-2′)的绕制线材为超导线材或常规导线线材。

6.根据权利要求1或2所述的磁场大小和方向能够连续变化的磁体装置，其特征在于：磁体电源(3)给氦姆霍兹线圈磁体(1-1′)和氦姆霍兹线圈磁体(2-2′)并联供电，可调电阻(6)串联在磁体电源(3)对氦姆霍兹线圈磁体(2-2′)的供电电路内。

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