CN101521080A - 一种改进的Halbach阵列永磁体装置 - Google Patents

Abstract

一种改进的Halbach阵列永磁体装置属于永磁机构领域。Halbach阵列永磁体的磁场均匀度虽然得到了提高，但由旋转阵列的条件可知，相邻扇形中的相邻磁块具有相同磁化方向，合并相同磁化方向的磁块得到一个M块离散磁块构成的圆柱磁体。但该磁体在安装时存在明显的同性相斥的情况，因而安装很复杂也很困难。该永磁体装置为中空圆柱体形永磁体，沿圆周方向等分为N＝2^M块，M为大于2的整数，该永磁体装置的每一个等分块的轴向横截面为新月形。该发明对Halbach永磁阵列磁体进行改进使其结构简单，安装方便，磁场空间利用率高，磁场均匀度高，漏磁少，场强易提高，可大大减少磁体体积，降低仪器造价。

Description

一种改进的Halbach阵列永磁体装置

技术领域

本发明涉及用于电子加速器、核磁共振仪静磁场发生装置、永磁电机中的一种永磁机构。

背景技术

美国劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家K.Halbach博士提出了一种有趣的磁体结构，这种阵列磁体能够在磁体的一侧汇聚磁力线，而在另一侧则消弱磁力线。K.Halbach博士对这种磁体结构的原理给出了详细的推导和论述。给出了由16个梯形磁块拼合而成的4极圆柱形磁体的设计实例。学术界将这种磁体阵列方式称为Halbach阵列(Halbach Arrays)，圆柱形磁体采用Halbach阵列时，就是众所周知的“永磁魔环”。Halbach阵列磁体以其独特的结构和良好的磁场特性，得到了科研人员的广泛重视，对其进行了深入研究并得到了广泛应用。

依据K.Halbach的分析和推论，圆柱磁体产生的均匀磁场受如下参数影响：圆柱磁体的内外半径r_i和r_o，磁性材料的磁化矢量

。在实际中，采用现有永磁磁体的生产制造工艺和加工设备很难构建磁化方向随位置连续变化的磁体。因此，在实际设计与制造中，往往采用若干块截面形状为扇形、梯形、正方形或圆形磁块构成圆柱形磁体，各个磁块的磁化方向近似构成连续的磁化方向。梯形、圆形和正方形磁块相对于扇形磁块构造圆柱体时，在原理上不可避免的已经引入了几何误差，导致圆柱磁体的磁场沿周向受到高阶谐波磁场分量的干扰，磁场均匀度降低。因此，K.Halbach建议采用具有最大填充因子的扇形磁块构建圆柱磁体。但扇形磁块在安装时存在明显的同性相斥的情况，因而安装很复杂也很困难。

发明内容

本发明的目的是克服现有Halbach阵列永磁体的缺点，提供一种改进的Halbach阵列永磁体。该永磁体的磁场空间利用率高、均匀度高，磁体的体积小、重量轻、漏磁少，安装方便。

本发明提供了一种改进的Halbach阵列永磁体装置，该永磁体装置为中空圆柱体形永磁体，沿圆周方向等分为N＝2^M块，M为大于2的整数，其特征在于：该永磁体装置的每一个等分块的轴向横截面为新月形。

该永磁体装置由轴向横截面为新月形的磁块拼合而成，磁块之间用强力胶粘接在一起。中空圆柱体的空腔内是均匀的磁场。

本发明的优点在于：结构简单、安装方便、磁场空间利用率大、均匀度高、体积小、重量轻、漏磁小。

附图说明

图1是由8块磁体组成的本发明具体实施方式的结构示意图。图中：1、2、3、4、5、6、7、8为新月形永磁体。

图2是本发明具体实施方式的横截面示意图。

图3是由16块轴向横截面为扇形的磁体组成的Halbach阵列永磁体的横截面示意图。

图4是由16块磁体组成的本发明具体实施方式的横截面示意图。

图5是新月形离散磁块结构的构建图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明具体实施方式为由大小相等、形状相同的8块横截面为新月形的永磁体1、2、3、4、5、6、7、8，通过强力胶粘连构成一个中空的圆柱体。中空圆柱体的空腔内是均匀的磁场。图1中实箭头所示为各组磁块磁化方向，空心箭头为圆柱形永磁体内磁场方向。

如图2所示，各磁块的磁场强度大小相同，任取其中一个磁块编号为1，顺时针方向依次为各磁块编号。y轴取在第一块和最后一块磁体粘接处的中间位置，x轴与y轴垂直。z轴垂直于x、y轴所在的平面。若第i块磁体横截面中心与圆心的连线和y轴夹角定义为磁块旋转方向θ_i， ${\mathrm{\θ}}_i=\frac{\mathrm{\π}}{8}+\frac{(i-1)\mathrm{\π}}{4}$ (i＝1，2……8)，则第i块磁体的磁化方向与y轴夹角 ${\mathrm{\ω}}_i=\frac{\mathrm{\π}}{4}+\frac{(i-1)\mathrm{\π}}{2}$ (i＝1，2……8)(图中实箭头所示为各磁块磁化方向)。一般而言，若磁体等分为N块(N＝2^M，M为大于2的整数)，且磁块的旋转方向 ${\mathrm{\θ}}_i=\frac{\mathrm{\π}}{N}+\frac{2(i-1)\mathrm{\π}}{N}$ (i＝1，2……N)，则第i个磁块的磁化方向与y轴夹角 ${\mathrm{\ω}}_i=\frac{2\mathrm{\π}}{N}+\frac{4(i-1)\mathrm{\π}}{N}.$ 即ω_i＝2θ_i，磁块的磁化方向是磁体本身旋转方向的两倍。

这里需要说明的是：若磁体中每一点的磁化方向能按给定的磁体本身旋转2倍方向连续变化，理论上整个中空圆柱体内磁场空间的不均匀性为零，实际工程中由于加工困难，目前无法办到，因此采用磁体分块的方法。磁体等分的块数越多，越接近理想状况。

图3所示，为由大小相等、形状相同的16块横截面为扇形的永磁体1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16，通过强力胶粘连构成的一个中空圆柱体的横截面图。箭头所示为各组磁块磁化方向，按照同性相斥，异性相吸的规律，第3、4、5块之间和第11、12、13块之间存在较明显的异性相吸行为安装比较方便，但是第15、16、1块之间和第7、8、9块之间存在较明显的同性相斥行为安装非常困难。

图4所示，为由大小相等、形状相同的16块横截面为新月形的永磁体1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16，通过强力胶粘连构成的本发明具体实施横截面图。箭头所示为各组磁块磁化方向，图中各磁块之间不存在较明显的同性相斥行为，因此安装方便。

如图5所示，r_m为新月形分割曲线的半径，其值由下式确定：

式中： $a=\sqrt{r_i{r}_o},$ $b=\frac{M}{\mathrm{\π}}\ln \sqrt{\frac{r_o}{r_i}},$ r_i为圆柱体的内圆半径，r_o为圆柱体的外圆半径，M为大于2的整数，

为分割点与X轴的夹角。

其边界为：

本发明具体实施例的积极效果如下：

1.本发明新月形圆柱磁体的磁场空间为圆柱形，特别适合化工流程管道或送料带通过，因此适合在线实时监测的核磁共振仪器。

2.本发明新月形圆柱磁体实际设计时，通过增加周向磁块数来提高横截面上的横向磁场均匀度。相对减小了磁体的体积，减轻了仪器的重量。

3.本发明经Ansoft公司提供的商业电磁场二维计算软件Maxwell 2D和MATLAB数学计算软件的检验，结果证明，新月形圆柱磁体的磁场沿周向受到高阶谐波磁场分量的干扰得到抑制，磁场均匀度提高了近4倍。故磁能利用率高，获得同样的磁场强度所需的永磁材料少。

4.本发明新月形圆柱磁体的设计，使组成圆柱体的周向相邻磁块之间不存在很明显的同性相斥的行为，因此安装方便、快捷。

上述本发明的积极效果充分体现了本发明比Halbach阵列永磁体装置在应用中的优势。

Claims (2)

1.一种改进的Halbach阵列永磁体装置，该永磁体装置为中空圆柱体形永磁体，沿圆周方向等分为N＝2^M块，M为大于2的整数，磁块之间用强力胶粘接在一起，其特征在于：

该永磁体装置的每一个等分块的轴向横截面为新月形。

2、根据权利要求1所述的Halbach阵列永磁体装置，其特征在于：所述新月形的分割曲线的半径r_m值由下式确定：

式中： $a=\sqrt{r_i{r}_o},$ $b=\frac{M}{\mathrm{\π}}\ln \sqrt{\frac{r_0}{r_i}},$ r_i为圆柱体的内圆半径，r_o为圆柱体的外圆半径，M为大于2的整数，为分割点与X轴的夹角；

边界条件：

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