CN101399107A - 能形成轴向磁场的永磁磁体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能形成轴向磁场的永磁磁体，包括一个或多个充磁的主磁体环和多个辅磁体环，所述辅磁体环与所述主磁体环同轴设置；其中：所述主磁体环的磁矩方向沿着所述永磁磁体的轴向，所有的所述辅磁体环的磁矩沿着所述永磁磁体的轴向的分量与所述主磁体环的磁矩方向相同，并且，所有的所述辅磁体环的磁矩沿着垂直于所述永磁磁体的轴向的分量之矢量和等于零。本发明不需要使用磁矩方向与主磁体环的磁矩方向相反或相垂直的辅磁体环，具有结构简单、永磁体利用效率高、磁场均匀区大、制造成本低等优点。

Description

能形成轴向磁场的永磁磁体

技术领域

本发明涉及一种永磁磁体，更加具体地说，涉及一种能够形成轴向磁场诸如永磁螺线管的永磁磁体。

背景技术

形成轴向磁场的螺线管广泛应用于核磁共振仪、永磁体及其器件的充磁、环保设备、探测仪器以及航天和军事装备等领域。

通常的电磁螺线管是用电流来形成轴向磁场的，这样的螺线管不仅需要庞大的直流电源或脉冲电源，而且由于电流的焦耳热很大，所以还得配备外围冷却设施。这样的电磁螺线管系统具有成本高、能耗大、体积大、故障率高、使用效率低等缺点。例如，永磁扬声器的生产流水线基本上都是自动化的，但用来充磁的电磁螺线管却限制了充磁工序的自动化，由于发热量很大，使得电磁螺线管无法持续工作。另外，要确保电磁螺线管形成稳定的磁场也很困难，此时除了需要昂贵的稳压电源设施外，还需要一套庞大而复杂的冷却系统，用来控制电磁螺线管中的导线处在一个恒定的温度以保持导线具有恒定的电阻率。

显然，采用永磁螺线管是解决上述问题的可靠途径，因为永磁螺线管能形成持久、稳定的磁场而不存在发热问题。这对于在螺线管的体积、重量、能耗，特别是磁场的稳定可靠性方面有很严格的要求的探测仪器、航天和军事装备等领域具有重要意义。在工业和环保领域，采用永磁螺线管来磁化器件或流动介质，不仅易于形成自动化生产线，而且由于结构简化、耗能低、故障率低，使得与电磁螺线管相比运行成本显著降低。

然而，迄今为止制造永磁螺线管的方法还有很多不足之处。例如，美国专利5014032A、3237059A和4658228A中所披露的方法主要是在主磁体环的外围安装形状复杂的辐射取向的辅磁体环，同时在主磁体环的两端安装形状复杂的、与主磁体环的磁矩方向相反的辅磁体环以及软铁。这样的方法虽然可以获得较高、较均匀的轴向磁场，但制造工艺非常复杂，永磁磁体的利用效率也较低。另外，例如日本专利特开平10-64721A中所披露的方法相对简单些，但还是存在轴向磁场均匀区小、永磁体利用效率低的缺点。从磁学原理上讲，现有的方法都使用了磁矩方向与主磁体环的磁矩方向相反或相垂直的辅磁体环，这是造成磁场均匀区小、永磁磁体利用效率低的主要原因。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足而提出的。本发明的主要目的是提供一种能够形成轴向磁场的永磁磁体，该永磁磁体不需要使用磁矩方向与主磁体环的磁矩方向相反或相垂直的辅磁体环，具有结构简单、永磁体利用效率高、磁场均匀区大、制造成本低等优点。

本发明的上述目的是通过提供能形成轴向磁场的永磁磁体，所述永磁磁体包括一个或多个充磁的主磁体环和多个辅磁体环，所述辅磁体环与所述主磁体环同轴设置；其中：所述主磁体环的磁矩方向沿着所述永磁磁体的轴向，所有的所述辅磁体环的磁矩沿着所述永磁磁体的轴向的分量与所述主磁体环的磁矩方向相同，并且，所有的所述辅磁体环的磁矩沿着垂直于所述永磁磁体的轴向的分量之矢量和等于零。

根据本发明的一个优选方面，所述辅磁体环沿着所述永磁磁体的轴向两两对称的安装在所述主磁体环的两端。其中，安装在主磁体环两端对称位置上的任意两两对称的所述辅磁体环由具有相同磁性能的永磁材料并且相同形状与大小的辅磁体环制得。

优选地，将具有相同形状、相同大小、相同磁性能的辅磁体环对称地安装在主磁体环的两端，使得所有处于对称位置的两个辅磁体环的磁矩方向与所述永磁磁体的径向的夹角之和等于180°。

根据本发明的又一个优选方面，所述主磁体环和所述辅磁体环既可以是单一的永磁体，也可以是由多个有相同磁矩方向的小永磁体胶结而成的环。

优选地，主磁体环和辅磁体环都是利用多个瓦形的小块磁体、六面体形的小块磁体、或带内弧的六面体形的小块磁体拼装而成。

优选地，所述主磁体环和所述辅磁体环既可以是圆形的环状，也可以是多边形环状、矩形环状、或椭圆形环状。

根据本发明的再一个优选方面，制作主磁体环和辅磁体环的永磁材料是钕-铁-硼、钐-钴、铁氧体、铝镍钴合金(Alnico)的烧结体或粘结体。

根据本发明的又一个优选方面，在所述永磁磁体的外围，安装有由软磁材料制作的外壳。其中所述软磁材料包括低碳钢、纯铁、硅钢、坡莫合金、非晶合金。

本发明还提供一种包括前述的能形成轴向磁场的所述永磁磁体的产品。

本发明不需要使用磁矩方向与主磁体环的磁矩方向相反或相垂直的辅磁体环，具有结构简单、永磁体利用效率高、磁场均匀区大、制造成本低等优点。

附图说明

下面将结合附图来说明本发明的具体实施方式以进一步阐述本发明的原理。

图1(a)表示根据本发明第一实施例的能形成轴向磁场的永磁磁体的侧视剖面图；

图1(b)表示根据本发明第一实施例的能形成轴向磁场的永磁磁体的俯视剖面图；

图2(a)表示根据本发明第二实施例的能形成轴向磁场的永磁磁体的侧视剖面图；

图2(b)表示根据本发明第二实施例的能形成轴向磁场的永磁磁体的俯视剖面图；

图3为表示沿图2所示永磁磁体的轴心的磁场分布的曲线图；

图4(a)表示根据本发明第三实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的侧视剖面图；

图4(b)表示根据本发明第三实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的俯视剖面图；

图5表示沿图4所示永磁磁体的轴心的磁场分布的曲线图；

图6(a)表示根据本发明第四实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的侧视剖面图；

图6(b)表示根据本发明第四实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的俯视剖面图；

图7(a)表示根据本发明第五实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的侧视剖面图；

图7(b)表示根据本发明第五实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的俯视剖面图；

图8(a)表示根据本发明第六实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的侧视剖面图；

图8(b)表示根据本发明第六实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的俯视剖面图；

图9(a)表示根据本发明第七实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的侧视剖面图；

图9(b)表示根据本发明第七实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的俯视剖面图。

具体实施方式

下面将参照附图具体说明根据本发明的永磁磁体的优选实施例。在附图中，1表示主磁体环，2、3、4、5、6、7、8、9、10、11表示辅磁体环，12表示软铁，O-O’表示永磁磁体的对称轴线。在所有的附图中，用粗箭头表示永磁体磁矩的大小和方向。

实施例1

图1(a)表示根据本发明第一实施例的能形成轴向磁场的永磁磁体的侧视剖面图；图1(b)表示根据本发明第一实施例的能形成轴向磁场的永磁磁体的俯视剖面图。为了便于说明，在图1(a)的右上角给出了一个z-r参考坐标系统，其中z表示永磁磁体的对称轴线的正方向(即向上)，r表示永磁磁体的径向，r也可以代表垂直于永磁磁体的对称轴线的平面，其方向由永磁磁体的几何中心点辐射向外指。

根据本实施例的形成轴向磁场的永磁磁体是圆环形的，其包括一个主磁体环和四个辅磁体环2、3、4和5，其中，辅磁体环的作用在于抑制主磁体环的漏磁通，并增加工作区的场强。在这里需要指出的是，虽然在图1(a)和(b)中仅示出了一个主磁体环，但也可以根据设计需要并列放置多个主磁体环(后面还会详细说明)。同样，辅磁体环的数量也不局限于四个。而且，为了图示方便，主磁体环和辅磁体环具有相同的形状和尺寸，但很显然它们可以具有不同的外形和尺寸。

参见图1(a)和(b)，主磁体环1的磁矩方向沿永磁磁体的对称轴线0-0’的正方向，即z轴方向。在主磁体环1的两端，对称地安装。具体地说，对相邻磁体环采用胶结的方式进行安装。一对辅磁体环2和3，对辅磁体环2和3的磁矩的大小和方向是这样选择的：使得辅磁体环2和3的磁矩沿z轴的分量为正，且辅磁体环2和3的磁矩沿r平面的分量，即垂直于永磁磁体的轴向的磁矩分量相互抵消。在本实施例中，通过选用磁性能相同的永磁材料来制作几何尺寸也相同的辅磁体环2和3，这样，辅磁体环2和3的磁矩的幅值就是大小相等的；同时，使辅磁体环2和3的磁矩方向与r平面即永磁磁体的径向之间的夹角小于180°，这样，辅磁体环2和3便具有与主磁体环1的磁矩方向相同的磁矩分量；另外，使辅磁体环2和辅磁体环3的磁矩方向与r平面即永磁磁体的径向之间的夹角之和等于180°，即两者互补，这样一来，辅磁体环2和3的磁矩沿r平面即垂直于永磁磁体的轴向的磁矩分量就处处相互抵消，即辅磁体环2和3的磁矩沿垂直于永磁磁体的轴向分量之矢量和等于零。同理，分别安装在辅磁体环2和3外侧的另一对辅磁体环4和5也是这样配置的：使用磁性能相同的永磁材料来制作几何尺寸也相同的辅磁体环4和5，并使辅磁体环4和5的磁矩方向与永磁磁体的径向之间的夹角小于180°，且使辅磁体环4和辅磁体环5的磁矩方向与永磁磁体的径向之间的夹角之和互补(即等于180°)。通常采用本领域的公知技术确保不同角度的磁矩大小和方向。

根据本发明，可以使用任何已知的永磁材料来制作主磁体环和辅磁体环，但优选的是采用钕-铁-硼、钐-钴、铁氧体、铝镍钴合金的烧结体或粘结体。

另外，在本实施例中，之所以选择磁性能相同的永磁材料来制作几何尺寸也相同的辅磁体环，并对称地安装在主磁体环1的两端，是为简化设计、降低永磁体的材料成本和永磁磁体的组装成本。按本发明的原理，也可以选择磁性能不相同的永磁材料来制作几何尺寸也不相同的多个辅磁体环，并非对称地安装在主磁体环1的两端，这时只要满足：所有辅磁体环具有与主磁体环的磁矩方向相同的磁矩分量，且各个辅磁体环的磁矩沿垂直于永磁磁体的轴向的磁矩分量相互抵消即可。

虽然本实施例中的永磁磁体是圆形的，但根据设计要求也可以将其形成为其它形状，例如多边形、矩形或椭圆形等。

实施例2

图2(a)表示根据本发明第二实施例的能形成轴向磁场的永磁磁体的侧视剖面图；图2(b)表示根据本发明第二实施例的能形成轴向磁场的永磁磁体的俯视剖面图。

如图2(a)和(b)所示，根据本实施例的永磁磁体也包括一个主磁体环1和四个辅磁体环2、3、4和5，并且主磁体环1和辅磁体环2、3、4、5之间的的磁矩大小和方向的配置方法与实施例1中相同。本实施例与实施例1的不同之处在于主磁体环和辅磁体环都是用多个瓦形的小块磁体拼装而成，如图2(b)所示。

在本实施例中，所用的永磁材料牌号为SANMAG-N45H，材料的剩磁Br＝13.5kGs，矫顽力Hcb＝12.8kOe。用相同的永磁材料制作成瓦形的小块磁体，用12个瓦形的小块磁体拼装成外径为110mm，内径为50mm，厚度为15mm的尺寸完全相同的主磁体环和辅磁体环。优选的，主磁体环1的磁矩方向沿O-O’方向，辅磁体环2和3的磁矩方向与永磁磁体的径向之间的夹角分别为60°和120°，而辅磁体环4和5的磁矩方向与永磁磁体的径向之间的夹角则分别为30°和150°。用这样的方式组装成的一个外径为110mm，内径为50mm，厚度为75mm的永磁磁体，其沿永磁磁体轴心的磁场分布如图3所示，图中横轴表示轴向距离，纵轴表示磁场大小。由图3可以看出，根据本发明的永磁磁体的磁场均匀区大大提高，并且提高了永磁体的利用效率。

在本实施例中，之所以选择用瓦形的小块磁体拼装主磁体环和辅磁体环，是为了进一步降低永磁材料的成本。因为工业上单体的大尺寸的轴向取向、特别是多角度的辐射取向环形磁体的制造成本很昂贵。所以，根据本发明的这一实施例可进一步降低永磁磁体的制造成本。

实施例3

图4(a)表示根据本发明第三实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的侧视剖面图；

图4(b)表示根据本发明第三实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的俯视剖面图；

如图4(a)和(b)所示，根据本实施例的永磁磁体包括一个主磁体环1和十个辅磁体环2、3、......、11。如图4(b)所示，本实施例中的主磁体环和辅磁体环也都是用多个瓦形的小块磁体拼装而成，主磁体环和辅磁体环之间的磁矩大小和方向的配置方法与实施例1中相同。

在本实施例中，所用的永磁材料牌号为SANMAG-N45H，材料的剩磁Br＝13.5kGs，矫顽力Hcb＝12.8kOe。用相同的永磁材料制作成用瓦形的小块磁体，用12个瓦形的小块磁体拼装成外径为110mm，内径为50mm，厚度为15mm的尺寸完全相同的主磁体环和辅磁体环，主磁体环1的磁矩方向沿O-O’方向，辅磁体环2和3的磁矩方向与永磁磁体的径向之间的夹角分别为75°和105°，而辅磁体环4和5的磁矩方向与永磁磁体的径向之间的夹角分别为60°和120°，辅磁体环6和7的磁矩方向与永磁磁体的径向之间的夹角分别为45°和135°，辅磁体环8和9的磁矩方向与永磁磁体的径向之间的夹角则分别为30°和150°，辅磁体环10和11的磁矩方向与永磁磁体的径向之间的夹角分别为15°和165°。用这样的方式就组装成了一个外径为110mm、内径为50mm、厚度为165mm的永磁磁体，其沿永磁磁体轴心的磁场分布如图5所示，图中横轴表示轴向距离，纵轴表示磁场大小。

根据本实施例，通过增加主磁体环两侧辅磁体环的数量而可以扩大永磁磁体的轴向磁场分布范围，并使永磁磁体的磁场均匀区进一步扩大。

实施例4

图6(a)表示根据本发明第四实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的侧视剖面图；图6(b)表示根据本发明第四实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的俯视剖面图。

如图6(a)和(b)所示，根据本实施例的永磁磁体包括一个主磁体环1和四个辅磁体环2、3、4和5，并且主磁体环1和辅磁体环2、3、4、5之间的的磁矩大小和方向的配置方法与实施例1中相同。本实施例与实施例1的不同之处在于主磁体环和辅磁体环都是用多个六面体形的小块磁体拼装而成。

由于本实施例与实施例2的构成基本相同，所以省略了对其的详细说明。

实施例5

图7(a)表示根据本发明第五实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的侧视剖面图；图7(b)表示根据本发明第五实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的俯视剖面图。

如图7(a)和(b)所示，根据本实施例的永磁磁体也包括一个主磁体环1和四个辅磁体环2、3、4和5，并且主磁体环1和辅磁体环2、3、4、5之间的的磁矩大小和方向的配置方法与实施例1中相同。本实施例与实施例1的不同之处在于主磁体环和辅磁体环都是用多个带内弧的六面体形的小块磁体拼装而成。

由于本实施例与实施例2的构成基本相同，所以省略了对其的详细说明。

实施例6

图8(a)表示根据本发明第六实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的侧视剖面图；图8(b)表示根据本发明第六实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的俯视剖面图。

如图8(a)和(b)所示，根据本实施例的永磁磁体包括两个主磁体环1和四个辅磁体环，并且主磁体环和辅磁体环都是用多个瓦形的小块磁体拼装而成。另外，主磁体环1和其它辅磁体环之间的磁矩大小和方向的配置方法与实施例1中相同。

虽然在本实施例中示出了两个主磁体环，但本领域技术人员应该意识到主磁体环的数量可以是任意的，并不局限于两个。通过增加主磁体环的数量可进一步提高轴向磁场强度。

实施例7

图9(a)表示根据本发明第7实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的侧视剖面图；图9(b)表示根据本发明第七实施例的形成轴向磁场的永磁磁体的俯视剖面图。

如图9(a)和(b)所示，根据本实施例的永磁磁体除了具有如图8所示永磁磁体的构成之外，还包括由软磁材料制作的外壳12，其中，软磁材料包括低碳钢、纯铁、硅钢、坡莫合金、非晶合金等软磁材料。所述外壳12起到屏蔽漏磁场、提高永磁磁体的机械强度、以及美化外观的作用。

本实施例中的主磁体环和辅磁体环都是用多个瓦形的小块磁体拼装而成，并且主磁体环和其它辅磁体环之间的磁矩大小和方向的配置方法与实施例1中相同。

上面已经参照附图详细说明了根据本发明的形成轴向磁场的永磁磁体的各种具体结构，由此本领域技术人员可将根据本发明的形成轴向磁场的永磁磁体广泛应用于各种领域，例如应用于核磁共振仪、永磁体及其器件的充磁、环保设备、探测仪器以及航天和军事装备等领域。

上面已经参照附图详细说明了本发明的多个实施例，但上面的实施例仅仅是对本发明的示意性说明而非限制本发明。另外，虽然上面是以单独、分开的形式对各实施例进行说明的，但本领域技术人员应该意识到上述多个实施例也可以组合的应用。并且本领域技术人员在阅读了上述说明后可对本发明做出各种修改和变化，这种修改和变化也落在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1、一种能形成轴向磁场的永磁磁体，所述永磁磁体包括一个或多个充磁的主磁体环和多个辅磁体环，所述辅磁体环与所述主磁体环同轴设置；其中：所述主磁体环的磁矩方向沿着所述永磁磁体的轴向，所有的所述辅磁体环的磁矩沿着所述永磁磁体的轴向的分量与所述主磁体环的磁矩方向相同，并且，所有的所述辅磁体环的磁矩沿着垂直于所述永磁磁体的轴向的分量之矢量和等于零。

2、根据权利要求1所述的永磁磁体，其中：所述辅磁体环沿着所述永磁磁体的轴向两两对称的安装在所述主磁体环的两端。

3、根据权利要求2所述的永磁磁体，其中：安装在主磁体环两端对称位置上的任意两两对称的所述辅磁体环由具有相同磁性能的永磁材料并且相同形状与大小的辅磁体环制得。

4、根据权利要求2所述的永磁磁体，其中：将具有相同形状、相同大小、相同磁性能的辅磁体环对称地安装在主磁体环的两端，使得所有处于对称位置的两个辅磁体环的磁矩方向与所述永磁磁体的径向的夹角之和等于180°。

5、根据权利要求1～4中的任何一个所述的永磁磁体，其中：所述主磁体环和所述辅磁体环为单一的永磁体，或由多个具有相同磁矩方向的小永磁体胶结而成的环。

6、根据权利要求5所述的永磁磁体，其中：所述主磁体环和辅磁体环是利用多个瓦形的小块磁体、六面体形的小块磁体、或带内弧的六面体形的小块磁体拼装而成。

7、根据权利要求6所述的永磁磁体，其中：所述主磁体环和所述辅磁体环为圆形的环状，多边形环状、矩形环状、或椭圆形环状。

8、根据权利要求1所述的永磁磁体，其中：所述主磁体环和辅磁体环的永磁材料为钕-铁-硼、钐-钴、铁氧体、或铝镍钴合金的烧结体或粘结体。

9、根据权利要求1所述的永磁磁体，其中：在所述永磁磁体的外围，安装有由软磁材料制作的外壳。

10、根据权利要求9所述的永磁磁体，其中：所述软磁材料包括低碳钢、纯铁、硅钢、坡莫合金、非晶合金。

11、一种包括根据权利要求1～10之一所述的能形成轴向磁场的永磁磁体的产品。

Images