CN102195369A

CN102195369A - 一种旋转磁场电磁halbach阵列与控制方法

Info

Publication number: CN102195369A
Application number: CN 201110136848
Authority: CN
Inventors: 秦伟; 范瑜; 李硕
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2031-05-23
Also published as: CN102195369B

Abstract

本发明涉及一种电磁阵列，更具体的是一种旋转磁场电磁halbach阵列与控制方法。本发明的一种旋转磁场电磁halbach阵列包括电磁halbach阵列绕组和还包括固定架；至少两个电磁halbach阵列绕组并排固定在固定架上，所有电磁halbach阵列绕组的强磁侧面向同一方向；相邻的两组电磁halbach阵列绕组之间存在间距。本发明的一种旋转磁场电磁halbach阵列的控制方法包括从所述的旋转磁场halbach阵列的一端开始，给所述旋转磁场halbach阵列中的每一组电磁halbach阵列绕组通入三相交流电的不同相位的单相电流。本发明通过一种旋转磁场电磁halbach阵列与控制方法，利用各单相电流相位差使在时间和空间上不同的位置上顺序产生的强磁场，实现了在装置静止的情况下磁场的运动。

Description

一种旋转磁场电磁halbach阵列与控制方法

技术领域

本发明涉及一种电磁阵列，更具体的是一种旋转磁场电磁halbach阵列与控制方法。

背景技术

20世纪80年代美国劳伦斯伯克利国家实验室的Klaus Halbach教授最先在提出了Halbach型永磁阵列的概念，并在二十世纪八、九十年代被许多研究机构相继应用于新一代的粒子加速器、自由电子激光装置、同步辐射装置等高能物理领域，在九十年代中期，国际上开始重视其在电机领域的应用。通常的永磁体多单独采用径向或者切向阵列的结构，而Halbach型永磁体是将径向和切向阵列结合在一起，结果改变了传统永磁体两侧都有强磁场的情况，实现了永磁体一侧磁场增强而另一侧磁场减弱的效果。研究表明Halbach阵列永磁体与传统磁体结构相比，具有更接近正弦的气隙磁通密度分布、更大的气隙磁通及良好的自屏蔽作用。但是，永磁halbach阵列存在的问题是成型的磁场强度强弱无法改变，并且如果不添加机械运动，磁场是静止的。

根据麦克斯韦的电磁理论，通直流电的线圈会产生磁极不变的磁场。基于此理论，由David L，Trumper等人提出的电磁halbach阵列绕组将线圈排列成halbach阵列，然后对线圈通入直流电，这种方式产生的磁场与永磁halbach一样是静止的磁场，可以通过调整直流电的强弱来调整磁场大小。

此种方式虽然实现了对磁场强弱的可控，但如果需要磁场运动，则必须附加复杂的机械结构实现磁场的运动，使整个结构沉重，在使用时很不方便，带来了巨大的机械振动和机械噪声。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种旋转磁场电磁halbach阵列方法与控制方法，通过此方法制作的旋转磁场电磁halbach阵列可以实现在控制磁场强度的同时在装置静止时实现磁场的自我运动。

为了解决上述问题，本发明公开了一种旋转磁场电磁halbach阵列，包括电磁halbach阵列绕组和括固定架；至少两个电磁halbach阵列绕组并排固定在固定架上，所有电磁halbach阵列绕组的强磁侧面向同一方向；相邻的两组电磁halbach阵列绕组之间存在间距。

进一步的，所述电磁halbach阵列绕组的组数为3的整数倍。

进一步的，每组所述的电磁halbach阵列绕组的由至少两个个线圈组成。

进一步的，当线圈个数为2个或者3个时，相邻两个线圈的角度为90度；当线圈个数大于等于4个时，相邻两个线圈的角度为45～90度。

进一步的，所述的线圈为空心线圈。

进一步的，所述的固定架为非铁磁固定架。

进一步的，所述的固定架为塑料固定架或者木质固定架。

本发明还公开了一种旋转磁场电磁halbach阵列控制方法，包括：从所述的旋转磁场halbach阵列的一端开始，给所述旋转磁场halbach阵列中的每一组电磁halbach阵列绕组通入三相交流电的不同相位的单相电流。

进一步的，还包括通过调整相邻两组电磁halbach阵列之间的间距来调整磁场的同步速度，通过增大间距增加磁场同步速度，通过减小间距降低磁场同步速度。

进一步的，通入的三相交流电相位差为120度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过设置多组电磁halbach阵列绕组，并对各组电磁halbach阵列绕组按指定顺序通入三相交流电的各单相电流，利用各单相电流相位差使在时间和空间上不同的位置上顺序产生的强磁场，实现了在装置静止的情况下磁场的运动。

附图说明

图1是本发明优选的一种旋转磁场电磁halbach阵列结构图；

图2是本发明优选的相邻线圈角度为90度的一种旋转磁场电磁ha lbach阵列结构图；

图3是本发明优选的相邻线圈角度为90度的一组电磁halbach阵列绕组等效示意图；

图4是本发明优选的相邻线圈角度为90度的一组电磁halbach阵列绕组通入交流电后产生的磁场分布图；

图5是本发明优选的相邻线圈角度为45度的一组电磁halbach阵列绕组等效示意图；

图6是本发明优选的一种旋转磁场电磁halbach阵列控制方法图；

图7是本发明优选的一种相邻线圈角度为90度的旋转磁场电磁halbach阵列控制方法图；

图8是本发明优选的一种相邻线圈角度为90度的旋转磁场电磁halbach阵列的等效示意图；

图9是本发明优选的一种旋转磁场电磁halbach阵列实施例通电工作过程图；

图10是本发明优选的一种旋转电磁halbach阵列的分布极距示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本旋转磁场电磁halbach阵列可以由至少2个电磁halbach阵列绕组按照一定间距并排固定在固定架上。但在实际中，因为电网电压都是三相，所以电磁halbach阵列绕组的个数一般为3的整数倍。当然也可以为其他数量的组数，但至少有2个电磁halbach阵列绕组，并且保证其强磁场侧都面向同一方向。

参照图1，示出了优选的一种旋转磁场电磁halbach阵列实施例的结构图。由3个电磁halbach阵列绕组11，12和13阵列并排固定在固定架14上面，所有阵列的强磁场侧都面向同一方向，相邻两个阵列之间的间距相同。

参照图2，示出了优选的一种用由3个线圈组成的电磁halbach阵列绕组的旋转磁场电磁halbach阵列实施例的结构图。

为了叙述方便，下文中所述的上、下、左、右与附图本身的上、下、左、右一致。

三个电磁halbach阵列绕组21，22和23并排固定在固定架24上，电磁halbach阵列绕组21，22和23相邻两个之间的间距相同，并且分别含有3个线圈，所有电磁halbach阵列绕组的强磁场侧都面向下方。

其中，每个电磁halbach阵列绕组的三个线圈按照halbach阵列的一种拓扑结构排列：相邻两个线圈的角度为90度，从左至右看，第一组线圈水平放置，第二个线圈竖直放置，第三个线圈水平放置，保证线圈的电流走向在同一时刻由通电电流按电磁原理产生的磁场能形成halbach阵列磁场。

比如在同一时刻，第一组线圈产生的磁场在线圈内部的磁极是从左端指向右端，第二个线圈内部磁极是从上端指向下端，第三个线圈是从右端指向左端，那么如此排列的绕组就形成了一组电磁halbach阵列绕组。

这样排列后的阵列通入交流电产生的脉振磁场就近似永磁halbach阵列产生的磁场。参照图3，为相邻线圈角度为90度的三个线圈组成的一组电磁halbach阵列绕组等效示意图，其中黑色箭头表示磁场方向。参照图4，为图3所述电磁halbach阵列绕组的一组电磁halbach阵列绕组通入交流电后产生的磁场分布图。

当然，每组电磁halbach阵列绕组的线圈个数和角度都可以变化，只要保证相邻两个线圈角度变化时，选取的线圈个数能形成一组完整的halbach阵列的一种拓扑结构即可。

其中，线圈至少为2才能保证线圈能按一定形式的halbach拓扑结构排列成电磁halbach阵列绕组。根据halbach阵列一种拓扑结构理论，一般两个磁极之间角度为45～90度时相对其他角度能使电磁halbach阵列绕组的有更高的效率，所以相邻两个线圈的角度一般取45～90度。当一组电磁halbach阵列线圈个数为2个时，按halbach阵列拓扑结构其相邻两个线圈的角度为90度；当一组电磁halbach阵列线圈个数为3个时，按halbach阵列拓扑结构其相邻两个线圈的角度为90度；当一组电磁halbach阵列线圈个数大于等于4个时，按照电磁halbach阵列拓扑结构相邻两个线圈的角度为45～90度。

参照图5，示出了相邻两个线圈角度为45度的一组电磁halbach阵列绕组等效示意图，其中黑色箭头表示磁场方向。

当相邻两个线圈的角度为45度时，按照halbach阵列一种拓扑结构至少需要5个线圈。按从左至右的顺序，第一组线圈水平放置，第二个左端在上右端在下，与水平方向成45度角，第三个线圈竖直放置，第四个左端在下右端在上，与水平方向成45度角，第5个水平放置，同时按照电磁理论保证线圈通电后线圈内部的磁极方向能形成halbach阵列磁场。

在本旋转磁场电磁halbach阵列中，所述的固定架一般用非铁磁固定架。进一步的，一般用塑料固定架或耐热性好的木质固定架等轻质固定架。所述的线圈一般用空心线圈。

当使用轻质非铁磁骨架和空心线圈时，能使整个装置相对其他的结构损耗较小，重量较轻，在磁悬浮等领域中应用更加方便。

本发明还提供了一种旋转磁场电磁halbach阵列的控制方法，从所述的旋转磁场halbach阵列的一端开始，给所述旋转磁场halbach阵列中的每一组电磁halbach阵列绕组通入三相交流电的不同相位的单相电流。

为了叙述方便，首先把三相交流电的各单项电流按顺序标记为A相电流，B相电流和C相电流。旋转磁场电磁halbach阵列组数为N(N大于等于2的整数)组。

当N＝2时，从左至右，如果第一组通入A相电流，那么第二组通入就只能通入B相电流或者C相电流。

当N＝3时，从左至右，一般第一组通入A相电流，第二组通入B相电流，第三组通入C相电流。

当N＝4时，一般按照A相、B相电流顺序从左至右循环接入电磁halbach阵列绕组，第一组通入A相电流，第二组通入B相电流，第三组通入A相电流，第四组通入B相电流，当然也可以用其他情况的循环。

当N为3的整数倍时，一般按照A相、B相、C相电流顺序的循环从左端接入电磁halbach阵列绕组。比如当N＝6时，从左至右，第一组通入A相电流，第二组通入B相电流，第三组通入C相电流，第四组通入A相电流，第五组通入B相电流，第六组通入C相电流。

存在其他情况时，只要保证相邻两组halbach阵列绕组通入的电流相位不同即可。同时，一般是按一定的顺序从左端开始循环接入几个单相交流电，比如按ABC顺序，ACB顺序，AB顺序，AC顺序等。

参照图6，示出了优选的包含三个阵列绕组的旋转磁场电磁halbach阵列的控制方法图。

按从左至右的顺序，那么第一组通入A相电流，第二组通入B相电流，第三组C相电流。由于各项电流之间的相位差的原因，各相电流依次变化到同一强度。此时按顺序接入各相交流电的电磁halbach阵列绕组，产生的磁场依次变化到同一强度，就实现了不依靠附加的机械结的磁场运动。

按从左至右的顺序对固定好的三组电磁halbach阵列绕组通入相位差为120度的三相交流电，第一组通入A相电流，第二组通入B相电流，第三组通入C相电流，那么当某一时刻A相电流达到最大时，此时B、C相电流只为A相的一半，那么第一组电磁halbach阵列绕组的磁场强度达到最大值时，第二组和第三组的磁场强度只为第一组的一半。

随着时间的变化，接下来B相电流达到最大，此时A、C相电流只为A相的一半，那么第二组电磁halbach阵列绕组的磁场强度达到最大值时，第一组和第三组的磁场强度只为第二组的一半，此时相当于强磁场从第一组移动到了第二组。

同理，随着时间的变化接下来C相电流达到最大，此时A、B相电流只为A相的一半，那么第三组电磁halbach阵列绕组的磁场强度达到最大值时，第一组和第二组的磁场强度只为第三组的一半，此时相当于强磁场从第二组移动到了第三组。

按所述方法通入三相交流电后的整个过程中，随着时间的变化，同样强度的磁场从第一组halbach阵列移动到第二组halbach阵列，再移动到第三组halbach阵列，如此循环，这样就实现了在整个装置静止时磁场的运动。

图7至图9，分别示出了本发明进一步优选相邻线圈角度为90度的一种旋转磁场电磁halbach阵列的控制方法图，等效示意图和工作过程图，其中每个电磁halbach阵列绕组由三个线圈组成。

参照图7，其结构与图2相同，其中三相交流电的接入方法与图6所示相同。

参照图8，示出了按所述优选实施例控制完成三组电磁halbach阵列绕组的等效示意图，其中黑色箭头表示线圈的磁场方向；

参照图9，示出了所述优选实施例通电后产生的磁场随时间和位置分布图。

通入A相电流的电磁halbach阵列绕组31，通入A相电流的电磁halbach阵列绕组32和通入A相电流的电磁halbach阵列绕组33产生的磁场如同所示，其中三相交流电相位差为120度，即：A相电流为I_a＝I_mcos(ωt)，B相电流为I_b＝I_mcos(ωt-2π/3)，C相电流为I_c＝I_mcos(ωt+2π/3)。

当T0时刻A相电流达到最大值时，电磁halbach阵列绕组21的产生的磁场也达到最大，即图中位置1，而此时B相和C相电流由于与A相电流存在时间差其幅值只达到A相电流的一半，其激发的电磁halbach阵列绕组22和电磁halbach阵列绕组23的磁场也比B相小的多；

当T1时刻B相电流达到最大值时，电磁halbach阵列绕组22的产生的磁场达到最大值，即图中位置2，而此时A相和C相其幅值只达到B相电流的一半，其激发的电磁halbach阵列绕组21和电磁halbach阵列绕组23的磁场也比B相小的多；

同理，当T2时刻C相电流最大时电磁halbach阵列绕组23的产生的磁场达到最大值，即图中位置3，此时A相和B相其幅值只达到C相电流的一半，其激发的电磁halbach阵列绕组21和电磁halbach阵列绕组22的磁场也比C相小的多；

从而，在整个时间周期T0-T1-T2内看磁场最大值是从电磁halbach阵列绕组21到电磁halbach阵列绕组22再到电磁halbach阵列绕组23，即我们所说的磁场的运动，并且在电流未切断之时，磁场始终按上述情况循环运动。

另外，在电机学中旋转磁场的同步转速为：

其中f为频率，

其中τ为极距，磁场的同步速度与极距成正比，通过调整绕组分布极距的大小可以调整旋转磁场的同步速度，当极距增加同步转速增加，极距减少同步转速降低。这里说的磁场同步转速与直线电机的磁场同步速度是相似的。

在实际中我们可以通过调整相邻两组电磁halbach阵列绕组之间的间距来调整极距τ的大小。当间距变大时，极距τ变大，磁场同步速度增加；当间距变小时，极距τ变小，同步速度降低。

参照图10，示出了三组电磁halbach阵列绕组时的极距，其中黑色箭头表示磁场方向。

A+表示A相电流达到波峰时，第一组通入A相电流的电磁halbach阵列绕组在形成的halbach阵列情况，B-和C+表示在A相电流达到波峰时，通入B相电流的第二组电磁halbach阵列绕组和通入C相电流的第三组电磁halbach阵列绕组形成的halbach阵列情况；A-表示A相电流由所述波峰到达相邻波谷时，第一组通入A相电流的电磁halbach阵列绕组在形成的halbach阵列情况。在A+和A-之间的距离即为极距τ，为三个相邻电磁halbac阵列绕组之间的间距和。那么只要调整相邻两组间距即可调整磁场的同步速度：当间距变大时，极距τ变大，磁场同步速度增加；当间距变小时，极距τ变小，同步速度降低。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种旋转磁场电磁halbach阵列绕组方法与装置，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种旋转磁场电磁halbach阵列，包括电磁halbach阵列绕组，其特征在于：

还包括固定架，至少两个电磁halbach阵列绕组并排固定在固定架上，所有电磁halbach阵列绕组的强磁侧面向同一方向；相邻的两组电磁halbach阵列绕组之间存在间距。

2.如权利要求1所述的旋转磁场电磁halbach阵列，其特征在于：

所述电磁halbach阵列绕组的组数为3的整数倍。

3.如权利要求2所述的旋转磁场电磁halbach阵列，其特征在于：

每组所述的电磁halbach阵列绕组的由至少两个线圈组成。

4.如权利要求3所述的旋转磁场电磁halbach阵列，其特征在于：当线圈个数为2个或者3个时，相邻两个线圈的角度为90度；当线圈个数大于等于4个时，相邻两个线圈的角度为45～90度。

5.如权利要求3或4所述的旋转磁场电磁halbach阵列，其特征在于：

所述的线圈为空心线圈。

6.如权利要求1所述的旋转磁场电磁halbach阵列，其特征在于：

所述的固定架为非铁磁固定架。

7.如权利要求1或6所述的旋转磁场电磁halbach阵列，其特征在于：

所述的固定架为塑料固定架或者木质固定架。

8.一种旋转磁场电磁halbach阵列控制方法，其特征在于：

包括：从所述的旋转磁场halbach阵列的一端开始，给所述旋转磁场halbach阵列中的每一组电磁halbach阵列绕组通入三相交流电的不同相位的单相电流。

9.如权利要求8所述旋转磁场电磁halbach阵列控制方法，其特征在于：

还包括通过调整相邻两组电磁halbach阵列之间的间距来调整磁场的同步速度，通过增大间距增加磁场同步速度，通过减小间距降低磁场同步速度。

10.如权利要求8所述旋转磁场电磁halbach阵列控制方法，其特征在于：通入的三相交流电相位差为120度。