CN103065761A

CN103065761A - 磁通密度连续可调的均匀径向磁场产生装置

Info

Publication number: CN103065761A
Application number: CN2013100108435A
Authority: CN
Inventors: 江滨浩; 王振宇; 王春生; 张仲麟; 王雨龙; 严禹明; 张乐
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2013-04-24

Abstract

磁通密度连续可调的均匀径向磁场产生装置，属于径向磁场产生技术领域。它解决了现有径向磁场产生装置中采用永磁体产生磁场，永磁体受温度影响，会导致磁场产生装置控制失效的问题。它的圆形底板与圆环形外壳组成圆桶结构，圆环形外磁极的外边缘固定在圆环形外壳的顶端面上，圆形底板的直径与圆环形外磁极的外径相同，圆环形外磁极的圆环内设置圆形内磁极，圆形内磁极与圆环形外磁极之间形成圆环气隙，圆形内磁极固定在圆柱形铁芯的首端，圆柱形铁芯的末端固定在圆形底板上；圆环形外磁极的内端表面上固定有励磁线圈，该圆环形外磁极的内端表面是与圆形底板相对的表面。本发明适用于均匀径向磁场的产生。

Description

磁通密度连续可调的均匀径向磁场产生装置

技术领域

本发明涉及磁通密度连续可调的均匀径向磁场产生装置，属于径向磁场产生技术领域。

背景技术

磁场是对放入其中的磁体有磁力作用的一种特殊物质，其基本特征是能对运动电荷施加作用力，即通电导体或运动带电粒子在磁场中能受到磁场的作用力，其中带电粒子所受的作用力被称为洛伦兹力，大小和方向由公式

决定，其中

为带电粒子所受的洛伦兹力，q为带点粒子的电量，v为带点粒子的速度，

为磁通密度。特别指出，等离子体是由处在非束缚态的带电粒子组成的多粒子体系，电磁作用是支配体系运动的决定作用因素，因此构建特定位形的电磁场是控制等离子体带电粒子运动状态的主要方法。在圆柱坐标系中，径向磁场对沿轴向运动带电粒子的洛伦兹力是角向的，即带电粒子在径向磁场的作用下获得角向速度，发生偏转。这个效应在很多工程领域得到应用，比如等离子体质量分离器，因此设计一种能产生连续可调均匀径向磁场的装置具有重大的应用价值。然而构建出符合工程要求的径向磁场难度很大，这是因为：

1、为了灵活有效控制带电粒子的运动状态，径向磁场磁通密度需要在0高斯～10000高斯(1T)的范围内连续可调，且径向磁场只存在于指定区域内，区域外迅速下降；

2、为了使带电粒子较均匀的获得角向速度，径向磁场磁通密度非均匀度必须限定在设计允许的范围内；

3、为了不干扰带电粒子的角向偏转，其他方向的加速度要远小于角向加速度，即轴向和周向磁通密度分量要远小于径向分量。

产生径向磁场的方法可以通过永磁体或励磁线圈产生。永磁体由于产生的磁场比较稳定，并且不容易产生波动而在现有磁场产生装置中被广泛采用。然而由于等离子体温度非常高，当永磁体被等离子体加热到超过居里温度时会失磁，进而影响到带电粒子的运动轨迹，导致磁场产生装置的控制失效。

发明内容

本发明是为了解决现有径向磁场产生装置中采用永磁体产生磁场，永磁体受温度影响，会导致磁场产生装置控制失效的问题，提供了一种磁通密度连续可调的均匀径向磁场产生装置。

本发明所述磁通密度连续可调的均匀径向磁场产生装置，它包括圆形底板、圆柱形铁芯、圆环形外磁极、圆形内磁极、圆环形外壳和励磁线圈，

圆形底板与圆环形外壳组成圆桶结构，圆环形外磁极的外边缘固定在圆环形外壳的顶端面上，圆形底板的直径与圆环形外磁极的外径相同，圆环形外磁极的圆环内设置圆形内磁极，圆形内磁极与圆环形外磁极之间形成圆环气隙，圆形内磁极固定在圆柱形铁芯的首端，圆柱形铁芯的末端固定在圆形底板上；

圆环形外磁极的内端表面上固定有励磁线圈，该圆环形外磁极的内端表面是与圆形底板相对的表面。

所述圆形底板、圆环形外磁极、圆形内磁极和圆环形外壳均采用软铁DT3制成。

所述圆柱形铁芯采用高饱和磁通密度软磁合金1J22制成。

所述圆环气隙沿径向的宽度为1cm，沿轴向的长度为3cm，圆环气隙的内圆半径为8cm，外圆半径为9cm。

本发明的优点：本发明装置用于构建特殊位形磁场，它采用在圆环形外磁极端面上固定励磁线圈，使励磁线圈通电的方式，由电流激发出磁场。由于励磁线圈激发的磁场不受温度的影响，使用可靠，可控性强，改变励磁线圈电流的大小和方向就可以实现气隙内的磁场大范围连续可调，使装置气隙内的径向磁通密度在0高斯～10000高斯的范围内连续可调，气隙外3cm处的磁通密度能够迅速减小得到气隙内的30％以内；气隙内的径向磁通密度非均匀度在10％以内，轴向和周向磁通密度不到径向分量的15％，因此，能够满足控制不同质量带电粒子的任务要求。

本发明装置结构简单、易加工、使用寿命长，对等离子体质量分离器等多种工程设备的研制具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明所述磁通密度连续可调的均匀径向磁场产生装置沿轴向切开的立体结构示意图；

图2是本发明所述磁通密度连续可调的均匀径向磁场产生装置的轴向剖视图；图中箭头所示为磁力线方向；

图3是本发明圆环形外磁极侧的侧视图，图中箭头所示为磁力线方向；

图4为圆环气隙内及附近的径向磁通密度位形曲线；

图5为圆环气隙内径向、角向及轴向的磁通密度位形曲线，图中三条曲线由上至下依次为圆环气隙内磁通密度的径向分量曲线，角向分量曲线和轴向分量曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述磁通密度连续可调的均匀径向磁场产生装置，它包括圆形底板1、圆柱形铁芯2、圆环形外磁极3、圆形内磁极4、圆环形外壳5和励磁线圈6，

圆形底板1与圆环形外壳5组成圆桶结构，圆环形外磁极3的外边缘固定在圆环形外壳5的顶端面上，圆形底板1的直径与圆环形外磁极3的外径相同，圆环形外磁极3的圆环内设置圆形内磁极4，圆形内磁极4与圆环形外磁极3之间形成圆环气隙，圆形内磁极4固定在圆柱形铁芯2的首端，圆柱形铁芯2的末端固定在圆形底板1上；

圆环形外磁极3的内端表面上固定有励磁线圈6，该圆环形外磁极3的内端表面是与圆形底板1相对的表面。

本方施方式在使用中，首先使用电源给励磁线圈6通电，励磁线圈6的电流激发出磁场，其磁通密度由毕奥-沙伐定律决定。

所述均匀径向磁场产生装置为轴对称结构，励磁线圈6产生的磁通依次经过圆环形外磁极3、圆环形外壳5、圆形底板1、圆柱形铁芯2和圆形内磁极4，最后在圆环气隙处闭合。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述圆形底板1、圆环形外磁极3、圆形内磁极4和圆环形外壳5均采用软铁DT3制成。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，本实施方式所述圆柱形铁芯2采用高饱和磁通密度软磁合金1J22制成。

软铁DT3和高饱和磁通密度软磁合金1J22的导磁率均远大于真空，为了保证磁通密度达到设计要求，气隙宽度不能太大。经过理论分析，具体结构尺寸可选用如下：圆环气隙的径向宽度为1cm，轴向长度为3cm，内环半径为8cm，外环半径为9cm；圆环形外磁极3的内环半径为9cm，外环半径为20cm，轴向厚度3cm；圆形内磁极4的半径为8cm，轴向厚度为3cm；圆柱形铁芯2的半径为6cm，高度为20cm；圆环形外壳5的内环半径为19cm，外环半径为20cm，轴向高度为20cm；圆形底板1的半径为20cm，轴向厚度为3cm。

具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，本实施方式所述圆环气隙沿径向的宽度为1cm，沿轴向的长度为3cm，圆环气隙的内圆半径为8cm，外圆半径为9cm。

工作原理：由于铁芯材料的磁导率远大于真空，由磁场的折射定理tanα₁/tanα₂＝μ₁/μ₂可以知道，其中α₁为磁通密度线在媒质一中与分界面的法线所成的夹角，α₂为磁通密度线在媒质二中与分界面的法线所成的夹角，μ₁为媒质一的磁导率，μ₂为媒质二的磁导率，励磁线圈6在铁芯内产生的磁通密度线可以认为是与铁芯表面平行，漏到外面的很少，即开有狭窄气隙的铁芯是磁通密度线的主要通道，这个通道被称为磁路。本发明装置的磁路系统中，圆柱形铁芯2的截面积最小，由闭合磁路的欧姆定律可知其磁通密度最大，所以圆柱形铁芯2达到磁饱和时所能通过的磁通量决定了圆环气隙的最大磁通密度。高饱和磁通密度软磁合金1J22在磁通密度为20000高斯时相对磁导率为900，仍然有很强束磁能力，由上述给出的铁芯结构尺寸可以算出，此时气隙磁通密度为13300高斯。

励磁线圈6选用裸线直径为1mm的漆包圆铜线制成，绕2700匝时线圈截面积为10cm×3.33cm。励磁线圈6电流3A时气隙磁通密度大于10000高斯，调节励磁线圈6电流的大小可使气隙磁通密度在0高斯～10000高斯(1T)的范围内连续可调。当磁通密度线在气隙处由铁芯进入真空时，由两种媒质交界面上磁场的边界条件B_1n＝B_2n，其中B_1n为磁通密度在媒质一中的法线方向分量，B_2n为磁通密度在媒质二中的法线方向分量，可以知道，在不同媒质的交界面处，磁通密度矢量的法向分量连续，即气隙内的磁通密度主要是径向的，轴向和周向分量很小，经过ansys仿真可以得到图4和图5。由图4可以看出本发明装置气隙内的磁通密度大于10000高斯，气隙外磁通密度迅速减小；由图5可以看出本发明装置磁场气隙内的径向磁通密度均匀度很好，轴向和周向磁通密度很小。所以本发明装置产生的磁场位形满足设计要求。

Claims

1.一种磁通密度连续可调的均匀径向磁场产生装置，其特征在于，它包括圆形底板(1)、圆柱形铁芯(2)、圆环形外磁极(3)、圆形内磁极(4)、圆环形外壳(5)和励磁线圈(6)，

圆形底板(1)与圆环形外壳(5)组成圆桶结构，圆环形外磁极(3)的外边缘固定在圆环形外壳(5)的顶端面上，圆形底板(1)的直径与圆环形外磁极(3)的外径相同，圆环形外磁极(3)的圆环内设置圆形内磁极(4)，圆形内磁极(4)与圆环形外磁极(3)之间形成圆环气隙，圆形内磁极(4)固定在圆柱形铁芯(2)的首端，圆柱形铁芯(2)的末端固定在圆形底板(1)上；

圆环形外磁极(3)的内端表面上固定有励磁线圈(6)，该圆环形外磁极(3)的内端表面是与圆形底板(1)相对的表面。

2.根据权利要求1所述的磁通密度连续可调的均匀径向磁场产生装置，其特征在于，所述圆形底板(1)、圆环形外磁极(3)、圆形内磁极(4)和圆环形外壳(5)均采用软铁DT3制成。

3.根据权利要求1或2所述的磁通密度连续可调的均匀径向磁场产生装置，其特征在于，所述圆柱形铁芯(2)采用高饱和磁通密度软磁合金1J22制成。

4.根据权利要求3所述的磁通密度连续可调的均匀径向磁场产生装置，其特征在于，所述圆环气隙沿径向的宽度为1cm，沿轴向的长度为3cm，圆环气隙的内圆半径为8cm，外圆半径为9cm。