CN101900797A - 永磁体磁场产生器和产生可变磁场的方法 - Google Patents

永磁体磁场产生器和产生可变磁场的方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种永磁体磁场产生器和产生可变磁场的方法，提供高性能的可变磁场偶极环磁性回路。具体来说，提供一种包括共有中心轴的内偶极环和外偶极环以及包围两个所述偶极环的轭的永磁体磁场产生器，其中在内偶极环内的空间中产生单向可变磁场。该产生器包括用于固定内偶极环的紧固件和用于允许外偶极环围绕中心轴转动的转动件。在该产生器中，内偶极环和外偶极环分别具有以环状排列的多个永磁体，使得该永磁体的磁化方向可以在该环的每半圆周完全旋转一周。

Description

永磁体磁场产生器和产生可变磁场的方法
技术领域
本发明涉及永磁体磁场产生器。
背景技术
偶极环(dipole-ring)磁性回路包括以环状排列的多个磁体元件，使得这些磁体元件的磁化方向可以在该环的每半圆周完全旋转一周。该偶极环磁性回路被配置成在该环内的内部空间中产生基本单向的磁场。这种偶极环磁性回路被广泛用于例如磁共振成像(MRI)设备、半导体装置制造工艺以及用于基础研究的均匀磁场产生器。以往，使用普通电磁体、超导电磁体等作为用于产生单轴均匀磁场的产生器。然而，作为高性能稀土永磁体的最新发展结果，稀土永磁体(在下文中也将其简称为“永磁体”)已经被重点用于例如2T或以下的弱磁场的均匀磁场产生器。
偶极环磁场产生器的特征之一是能在该磁场产生器内的内部空间中形成基本单向并且具有基本均匀强度的磁场。在此，假定在该磁场产生器内的内部空间中产生的NS磁场的方向(Y轴方向)是0°，考虑该空间中每个点处的磁场矢量的角度(在下文中称之为“倾斜角”)。由于该磁场产生器的特性，在该装置的环的中心轴附近该倾斜角大致为0°，但是越靠近该磁场产生器的内壁越恶化，即表现为增加的倾向。因此，试图减小该倾斜角(见日本特开2005-56903号公报)。
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的是提供一种此前不能实现的能够产生可变磁场的高性能偶极环磁性回路。
用于解决问题的方案
本发明提供一种包括两个具有不同外径的偶极环的可变磁场产生器。该可变磁场产生器可以通过固定内偶极环并使外偶极环围绕该磁性回路的内径的中心轴转动来产生可变磁场。
具体来说，本发明可提供一种永磁体磁场产生器，其包括共有中心轴的内偶极环和外偶极环以及包围所述偶极环的轭，其中在内偶极环内的空间中产生单向可变磁场。该产生器包括用于固定内偶极环的紧固件以及用于允许外偶极环围绕中心轴转动的转动件。内偶极环和外偶极环分别具有以环形排列的多个永磁体，并且每个偶极环中的多个永磁体以该永磁体的磁化方向在该环的每半圆周完全旋转一周的方式排列。
本发明还可以提供一种使用共有中心轴的内偶极环和外偶极环来产生可变磁场的方法。该方法包括如下步骤：固定内偶极环并使外偶极环围绕中心轴转动，从而在内偶极环内的空间中产生单向可变磁场。
发明效果
本发明能容易地制造可变磁场偶极环磁场产生器，并且还可以增加该装置的尺寸以用于产业应用，因为该装置能够稳定地驱动，不会由于其振动而移位。
附图说明
图1是示出包括一个偶极环的偶极环磁场产生器的截面图，该图是沿着垂直于偶极环的中心轴的平面取得的。
图2的(A)和图2的(B)分别是示出包括在彼此相反的方向上转动的两个偶极环的偶极环磁场产生器的截面图，该图是沿着垂直于这两个偶极环的共同中心轴的平面取得的。图2的(A)示出偶极环转动开始之前的偶极环磁场产生器，而图2的(B)示出偶极环转动开始之后的偶极环磁场产生器。
图3的(A)和图3的(B)分别是示出内偶极环固定而外偶极环转动的偶极环磁场产生器的截面图，该图是沿着垂直于这两个偶极环的共同中心轴的平面取得的。图3的(A)示出偶极环转动开始之前的偶极环磁场产生器，而图3的(B)示出偶极环转动开始之后的偶极环磁场产生器。
图4示出包括小齿轮和对齿轮的偶极环磁场产生器的例子。
图5的(A)和图5的(B)分别示出包括位于外偶极环的顶部和底部的水平面保持器的偶极环磁场产生器的例子。图5的(A)是平面图，而图5的(B)是前视图。
图6示出实施例1中使用的偶极环磁场产生器的每个磁体的磁化方向。
图7示出包括轴承的偶极环磁场产生器的例子。
具体实施方式
图1是示出包括一个偶极环的偶极环磁场产生器的截面图，该图是沿着垂直于偶极环的中心轴的平面取得的。图2的(A)和图2的(B)分别是示出包括两个偶极环的偶极环磁场产生器的截面图，该图是沿着垂直于这两个偶极环的共同中心轴的平面取得的。
图1示出包括一个偶极环14的偶极环磁场产生器10。偶极环磁场产生器10包括组成磁体14a～14z和包围这些磁体的轭15。偶极环磁场产生器10可以在偶极环14内的内部空间11中产生单向磁场。
图2的(A)和图2的(B)示出包括内偶极环22和外偶极环24的偶极环磁场产生器20。这两个偶极环在彼此相反的方向上转动。图2的(A)示出偶极环22和24转动开始之前的偶极环磁场产生器20，而图2的(B)示出偶极环22和24转动开始之后的偶极环磁场产生器20。偶极环磁场产生器20在相反方向上以相同的相位的转动内偶极环22和外偶极环24，从而在内部空间21中产生单向可变磁场。内偶极环22和外偶极环24被轭25包围。D2A和D2B分别表示转动开始之前和之后产生的磁场的大小和方向。
制造单个圆形偶极环是困难的，制造必须由双偶极环形成的可变磁场偶极环更加困难。因此，利用传统技术，即使能设计出包括可变磁场偶极环的设备，也无法制造出实际使用的设备。
作为设计偶极环磁场产生器以具有适合于工业上广泛使用的均匀磁场空间的形状并进一步采用能够产生可变磁场的结构的结果，本申请的发明人发现在外部周长和高度之间存在规律。这样，发明人完成了本发明。
本发明涉及包括两个偶极环的偶极环磁场产生器。作为本发明的一个实施例，图3的(A)和图3的(B)分别是示出包括内偶极环32和外偶极环34的偶极环磁场产生器30的截面图，该图是沿着垂直于这两个偶极环的中心轴的平面取得的。内偶极环32固定，而外偶极环34转动。图3的(A)示出偶极环34转动开始之前的偶极环磁场产生器30，而图3的(B)示出偶极环34转动开始之后的偶极环磁场产生器30。偶极环磁场产生器30包括双偶极环。当外偶极环34转动而内偶极环32固定时，在内部空间31中产生的磁场发生变化，由此产生可变磁场。内偶极环32和外偶极环34被轭35包围。D3A和D3B分别表示转动开始之前和之后产生的磁场的大小和方向。
该可变磁场偶极环具有可以迅速改变磁场并且磁场的变化不会导致倾斜角增加和偶极环的内径侧磁场均匀度降低的特征。
用于一般的可变磁场设备的电磁体或超导电磁体与可变磁场偶极相比会产生较差的磁场均匀度并需要较长的磁化和去磁化时间，因此不太适合于需要均匀且强度多变的磁场的应用。因此，组成磁体优选使用从由Nd-Fe-B型、Sm-Co型和Sm-N-Fe型构成的组中选择的大致梯形或扇形的稀土永磁体。
优选将组成磁体分成4至60个部分。考虑到磁效率和磁性回路加工的容易性，可以更优选将其分成12至36个部分。通过公知的方法，例如用环氧树脂等粘合剂粘合或者置于容器中，使由此分成的磁体形成完整的环。
内偶极环的外径和内径的尺寸以及外偶极环的外径和内径的尺寸可以不受限制。为了允许扩展可变磁场的强度范围，优选比率(Ti/To)可以为0.7至1.0，其中Ti代表内偶极环的厚度，To代表外偶极环的厚度。厚度Ti是内偶极环的外径尺寸和内径尺寸之间的差，厚度To是外偶极环的外径尺寸和内径尺寸之间的差。
轭包围内偶极环和外偶极环。优选该轭可以由圆形铁磁材料或非磁性材料制成。与使用非磁性材料相比，使用铁磁材料可以稍微提高磁效率。铁磁材料可以包括铁等，非磁性材料可以包括铝、SUS、树脂等。
优选该轭不仅覆盖内偶极环和外偶极环，而且覆盖除了用于要处理的物体进入和退出内部空间的部分以外的整个磁场产生器。该轭也可以通过在该部分处提供可打开和关闭的门来覆盖整个磁场产生器。
以特定的周期在该环的径向上磁化包括永磁体的组成磁体。当在该环的内径侧从中心轴观看时，位于相对极的每两个组成磁体以180°的角度差磁化。此外，相邻的组成磁体在不同的方向上被磁化，使得该组成磁体的磁化方向在由该磁体形成的环的每半圆周完全旋转一周。
可变磁场偶极环典型地在磁性回路的内径侧包括圆柱形空间的均匀磁场，并且利用该空间中的磁场。另外，该可变磁场偶极环是包括外偶极环和内偶极环的磁场产生器，这两个偶极环一般采用图1中所示的磁结构。
通过在相反方向上并且以相同相位转动这两个偶极环可以理想地改变在所述环的内径侧产生的磁场。通常需要针对内偶极环和外偶极环分别安装分开的转动机构，因此它们的转动机构是非常复杂的。此外，为了转动包括两个偶极环的磁场产生器，其中每个偶极环产生非常强的磁场，需要在该磁场产生器中安装具有对应于该磁场的吸引和排斥的强转动力的坚固装置。
根据本发明，该永磁磁场产生器优选包括用于固定内偶极环的紧固件和用于当偶极环的中心轴成为转动中心轴时允许外偶极环围绕该中心轴转动的转动件。通过固定内偶极环，只需要为外偶极环安装用于改变磁场的机构，因此转动机构的数量减少一半。
用于固定内偶极环的紧固件可以包括例如螺栓和焊件。该紧固件能够将内偶极环固定到固定基座的架上。该架靠近偶极环的一个或多个部分需要由非磁性材料制成，但是远离偶极环的一个或多个部分可以由铁等铁磁材料制成。例如，位于远离偶极环的对齿轮、减速器等可以由铁等铁磁材料制成。在制造通常难以提供足够非磁性材料的大产生器时，这是有利的。
外偶极环的转动轴必须与内偶极环的内径的中心轴完全一致。这是因为内偶极环和外偶极环需要总是同心排列，以提高可变磁场的均匀性并抑制倾斜角。因此，外偶极环必须不变动其中心轴地严格地转动。
优选所述转动件包括转动驱动装置和用于传递转动驱动装置的转动力的转动力传递机构。外偶极环可以通过该转动力传递机构转动。
优选该转动驱动装置包括马达、液压和操作者的手(当该装置小时)。
优选转动力传递机构包括齿轮和同步带。例如，该转动力传递机构可以包括设置在外偶极环的外周表面或者隔着轭设置在外偶极环的外周表面的外齿轮(大齿轮)；以及与外齿轮啮合并由转动驱动装置驱动的小齿轮(pinion gear：行星齿轮)。
如果轭固定到外偶极环并与外偶极环一体化，则外齿轮可以被设置在外偶极环的外周表面而轭夹在外齿轮和外偶极环的外周表面之间。另一方面，如果轭不固定到外偶极环，则可以将外齿轮设置在外偶极环的外周表面，可以将圆柱齿轮(内齿轮)设置于轭，并且可以将小齿轮设置为与外齿轮和内齿轮啮合。这种结构使轭与外偶极环一起转动。为了尽可能地减小转动机构的尺度并简化转动机构，优选将轭固定到外偶极环并与外偶极环一体化。
可以将转动驱动装置附着到用于固定内偶极环的基座上。这样，固定基座可以具有用于固定内偶极环的装置的作用并且还具有作为固定用于驱动外偶极环的转动驱动装置的装置的作用。
优选在关于外偶极环的中心轴与小齿轮旋转对称的位置设有与外齿轮啮合的至少一个对齿轮。
例如，当安装一个小齿轮和一个对齿轮时，优选将具有与小齿轮相同形状的对齿轮排列在从外偶极环的转动中心轴观看时与小齿轮的位置相对的位置。换句话说，假定将小齿轮的位置设为0°，则对齿轮的位置为180°(旋转半周)。当安装一个小齿轮和两个对齿轮时，假定将小齿轮的位置设为0°，则对齿轮的位置分别为120°(旋转三分之一周)和240°(旋转三分之二周)。
即使在该转动驱动装置中仅配置一个小齿轮，也可以抑制由该装置的震动导致的中心轴的变动或移位。然而，由于较大的装置具有更大的转动扭矩，可以安排多个对齿轮来保持该装置，从而抑制中心轴的变动或移位。注意，为了抑制中心轴的变动或移位，可以与转动力传递机构分开地提供对齿轮，但是也可以通过连接到转动驱动装置使对齿轮形成为具有转动力传递功能的小齿轮。此外，尽管小齿轮可以由磁性材料或非磁性材料制成，但是为了减小从该磁性回路泄露的磁场，它优选采用磁性材料。
图4示出包括小齿轮和对齿轮的偶极环磁场产生器的例子。图4示出包括内偶极环42和外偶极环44的偶极环磁场产生器40。在偶极环磁场产生器40中，内偶极环42固定在基座49上。当外偶极环44转动时，在内部空间41中产生的磁场变化，从而产生可变磁场。外齿轮46设置在轭45的外周表面上，轭45固定在外偶极环44上。由转动驱动装置(未示出)驱动的小齿轮47与外齿轮46啮合。在外偶极环44从小齿轮47的位置围绕其中心轴转动半周(180°)的位置，以与外齿轮46啮合的方式设有对齿轮48。外齿轮46和对齿轮48固定在基座49上。
内径为60mm的小产生器的扭矩通常为50Nm，内径为300mm的大产生器的扭矩通常为1000Nm或以下。
转速不具体限制于特定值。然而，在包括内径为60mm至100mm且外径为120mm至200mm的内偶极环和内径为120mm至200mm且外径为280mm至300mm的外偶极环的产生器的情况下，考虑到不需要快速改变内部空间中产生的可变磁场这一事实，其转速优选为1rpm至5rpm，更优选为1rpm至3rpm。
转动力传递机构一般可以包括手动、电动和液压传递机构。可以与这些机构中的任一个结合使用减速器以减小驱动力。此外，根据所需要的转动力，可能希望配置一个或多个转动力传递机构。
为了保持转动机构，除了抑制转动中心轴的变动或移位以外，还必须严格保持内偶极环和外偶极环的水平位置。因此，优选还使用水平面保持器。
水平面保持器可以包括但不具体限于凸轮从动件。该凸轮从动件可以用于防止外偶极环的垂直移位。在此，外偶极环的垂直移位意指外齿轮在垂直于图5的(A)的纸张的方向上相对于内偶极环的移位。使用凸轮从动件不仅能够修正位置，而且还能够使外偶极环的转动平稳。该凸轮从动件优选用于抑制外偶极环的磁体的垂直振动的重物(优选为非磁性材料)。
图5的(A)和图5的(B)示出包括位于外偶极环的顶部和底部的水平面保持器的偶极环磁场产生器。图5的(A)是平面图，而图5的(B)是前视图。图5的(A)和图5的(B)示出包括内偶极环52和外偶极环54的偶极环磁场产生器50。在偶极环磁场产生器50中，内偶极环52不仅固定在基座59上，而且还固定在上表面支撑板60上。当外偶极环54转动时，在内部空间51中产生的磁场变化，从而产生可变磁场。外齿轮56设置在轭55的外周表面上。由转动驱动装置(术示出)驱动的小齿轮57与外齿轮56啮合。在外偶极环54从小齿轮57的位置围绕其中心轴转动半周(180°)的位置，以与外齿轮56啮合的方式设有对齿轮58。小齿轮57和对齿轮58的轴都固定在基座59和上表面支撑板60上。
优选在外偶极环54的顶部和底部以垂直对称的方式安装四个水平面保持器。因此，优选偶极环磁场产生器50包括基座59上的四个水平面保持器61a至61d和上表面支撑板60上的四个水平面保持器62a至62d。然而，应该注意，尽管所述水平面保持器的排列优选是对称的，但是该排列不局限于在偶极环的顶部和底部的四个水平面保持器垂直对称排列。可以安排四个或更多个水平面保持器，只要其排列垂直和水平对称即可。
一般来说，可变磁场偶极环的可变磁场机构可以持续工作。因此，优选在内偶极环和外偶极环之间的摩擦部分中提供用于减小转动摩擦的抗摩擦环。图3中的抗摩擦环33、图4中的抗摩擦环43和图5中的抗摩擦环53是抗摩擦环的例子。
抗摩擦环的材料没有特别限制。然而，抗摩擦环优选由非磁性材料制成，以便不会使外偶极环的磁场恶化。优选抗偶极环包括由MC尼龙、聚缩醛等树脂或者由不锈钢制成的轴承。
内径为300mm或更大的大产生器的抗摩擦环的厚度优选最多50mm左右。内偶极环和外偶极环之间的空间可以是封闭的空间，因此抗摩擦环不一定是单一体，可以包括分开的部分。
该永磁体磁场产生器优选包括用于可转动地支撑外偶极环的的轴承。例如，为了允许外偶极环转动而内偶极环固定，可以在分别形成于内偶极环和外偶极环的法兰部分之间提供轴承。
该轴承优选包括但不限于滚动轴承、滑动轴承、磁轴承和流体轴承。该轴承可以是单级轴承，或者为了减小马达等转动驱动装置的负载也可以是两级或多级轴承。
图7示出包括滚珠轴承或滚柱轴承的偶极环磁场产生器的例子。图7示出包括内偶极环72和外偶极环74并且能够在内部空间71中产生可变磁场的偶极环磁场产生器70。在偶极环磁场产生器70中，内偶极环72固定在基座79上，外偶极环74与内偶极环72同轴排列并且由轴承80可转动地支撑。转动驱动装置(例如，马达81)的功率通过与马达81耦合的小齿轮77和设置在外偶极环74上固定的轭75的外周表面上的外齿轮(大齿轮)76传递到外偶极环74。结果，外偶极环74以预定的方向转动。
<实施例1>
制造了与图5中所示的产生器的结构相同的偶极环磁场产生器。该偶极环磁场产生器包括内偶极环(内径：60mm，外径：145mm，高度：200mm)和外偶极环(内径：155mm，外径：230mm，高度：200mm)，并且所述环的每个永磁体(钕稀土磁体)的磁化方向与图6中所示的相同。由聚缩醛树脂制成并且具有5mm厚度的环被用作抗摩擦环。由碳钢制成的正齿轮(商业产品)被用作驱动传递机构的小齿轮。与该小齿轮同类型的齿轮被用作对齿轮并且不连接到马达而是连接到外偶极环。
外偶极环的磁体转动(2rpm)而内偶极环的磁体固定，测量在环的内径侧产生的磁场。在此应当注意，由于内偶极环固定，所以所产生的磁场的方向逐步改变。因此，以如下方式测量主磁场。首先，将整个产生器放在转盘上，并且将霍尔元件放在内径的中心。接下来，转动整个装置。然后，在霍尔元件检测到最高磁场的转动位置用高斯计测量均匀磁场空间中的磁场。在此，该均匀磁场空间是直径16.5mm且高度33mm的圆柱形状，更具体来说，是半径8.25mm并且从这两个偶极环的中心轴的中心(在中心轴上所述环的高度的中点)向两侧垂直延伸16.5mm的圆柱形状。表1示出结果。
表1
  外偶极环的转角(度)   产生的磁场的强度(特斯拉)   倾斜角(度)   内径侧的磁场均匀度(％)
  0   0.493   0.35   ±2.0
  30   0.476   0.41   ±2.0
  60   0.428   0.61   ±2.1
  90   0.350   0.87   ±2.2
  120   0.260   1.03   ±2.5
  150   0.153   1.18   ±3.1
  180   -0.008   1.24   ±4.0
  210   0.151   1.17   ±3.2
  240   0.255   1.07   ±2.5
  270   0.357   0.88   ±2.1
  300   0.432   0.65   ±2.0
  330   0.477   0.45   ±2.0
如表1中所示，发现随着外偶极环的转动，磁场从0T改变到大约0.5T。还发现在从该可变磁场磁性回路产生的磁场的任意强度磁场的均匀度和表示磁场方向的倾斜角都很好。
本发明的磁场产生器可以在内部空间中容易地产生可变磁场，因此对磁体制造工艺、磁场中的半导体热处理工艺、半导体制造工艺等是有利的。

Claims (8)

1.一种永磁体磁场产生器，包括：
共有中心轴的内偶极环和外偶极环；
包围所述偶极环的轭；
用于固定所述内偶极环的紧固件；以及
用于允许所述外偶极环围绕中心轴转动的转动件，
其中，
在所述内偶极环内的空间中产生单向可变磁场，
所述内偶极环和所述外偶极环分别具有以环形排列的多个永磁体，并且
每个所述偶极环中的所述多个永磁体以允许所述永磁体的磁化方向在该环的每半圆周完全旋转一周的方式排列。
2.根据权利要求1所述的永磁体磁场产生器，其中，
所述转动件包括转动驱动装置和用于传递所述转动驱动装置的转动力的转动力传递机构，所述转动件允许所述外偶极环通过所述转动力传递机构转动。
3.根据权利要求2所述的永磁体磁场产生器，其中，
所述转动力传递机构包括：
设置于所述外偶极环的外周表面的外齿轮，或者隔着所述轭设置于所述外偶极环的外周表面的外齿轮；以及
与所述外齿轮啮合并由所述转动驱动装置驱动的小齿轮。
4.根据权利要求3所述的永磁体磁场产生器，其中，
还包括与所述外齿轮啮合并且位于关于所述中心轴与所述小齿轮的位置旋转对称的位置处的至少一个对齿轮。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的永磁体磁场产生器，其中，
还包括用于可转动地支撑所述外偶极环的轴承。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的永磁体磁场产生器，其中，
还包括在所述内偶极环和所述外偶极环之间的抗摩擦环，以减小转动摩擦。
7.根据权利要求5所述的永磁体磁场产生器，其中，
还包括在所述内偶极环和所述外偶极环之间的抗摩擦环，以减小转动摩擦。
8.一种产生可变磁场的方法，其中，
包括如下步骤：
使与固定的内偶极环共有中心轴的外偶极环围绕中心轴转动，以在所述内偶极环内的空间中产生单向可变磁场。
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