CN103887036B - 一种用于永磁体温度系数开路测量的梯度场电磁铁 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于永磁体温度系数开路测量的梯度场电磁铁，用于永磁体温度系数开磁路测量装置中，提供满足温度系数开路测量的磁场强度和磁场梯度，包括底板、外套筒、上极头、下极头和线圈；所述底板为圆形底板，所述外套筒固定在底板上，上极头为中心留有通孔的盖状结构，固定在外套筒上，所述上极头内壁为具有一定弧度的凸起；所述下极头为顶端具有一定弧度凸起的圆柱体，下极头固定在底板上，所述线圈套在下极头上；本发明巧妙的结构设计，极大的减少了工作区域以外的励磁消耗，在工作区域内以较小的励磁安匝数获得较高的磁场梯度；同时可提供满足温度系数开路测量的磁场强度和磁场梯度，提高了永磁体温度系数测量的分辨率。

Description

一种用于永磁体温度系数开路测量的梯度场电磁铁

技术领域

本发明涉及电磁铁领域，尤其涉及一种用于永磁体温度系数开路测量的梯度场电磁铁。

背景技术

目前梯度场主要应用于医疗领域的核磁共振成像设备中，用于切片扫描。现有的梯度场发生装置在磁场方向、磁场大小和梯度大小等方面都无法满足超低温度系数永磁体开路测量装置中对梯度场的要求。

具有磁矩的磁体在非均匀磁场中才能受到沿磁场梯度方向的力，并且只有在均匀梯度磁场中永磁体的受力才与位置的变化无关。在永磁体温度系数开路测量装置和方法研究过程中，提出了采用将磁信号转换为力信号的方式实现高灵敏度的温度系数测量，从而要求建立均匀梯度磁场以产生测量所需要的力信号。对于低温度系数永磁材料，因为材料本身的温度系数很低，由于温度变化产生的力信号的变化本身很小。为了达到稳定的力信号，对梯度场的要求为：磁场强度不随温度变化、梯度均匀性好，梯度常数大。另外，测量过程中被测磁体垂直悬挂，因此要求梯度场发生装置的外形能适合磁体悬挂置于其中，而且除了垂直方向外，磁体不能在其它方向受力以保证被测磁体处于稳定状态，因此要求磁场方向和梯度方向都为垂直方向。因此，亟需研制一种能产生均匀梯度磁场满足永磁体温度系数开路测量的梯度场电磁铁。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于永磁体温度系数开路测量的梯度场电磁铁，产生的磁场强度不随温度变化、梯度均匀性好，梯度常数大，磁场方向和梯度方向都为垂直方向。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于永磁体温度系数开路测量的梯度场电磁铁，包括底板、外套筒、上极头、下极头和线圈；

所述底板为圆形底板，所述外套筒固定在底板上，上极头为中心留有通孔的盖状结构，固定在外套筒上，所述上极头内壁为具有一定弧度的凸起；所述下极头为顶端具有一定弧度凸起的圆柱体，下极头固定在底板上，所述线圈套在下极头上。

本发明的有益效果是：本发明中底板和外套筒组成磁轭，磁轭与上、下极头间的巧妙结合，极大的减少了工作区域以外的励磁消耗，从而在工作区域内以较小的励磁安匝数获得较高的磁场梯度；同时，上下极头极面形状采用四极磁铁极面的设计思路，通过优化在场区范围内获得相对理想的梯度均匀度，本发明用于永磁体温度系数开磁路测量装置中，提供了满足温度系数开路测量的磁场强度和磁场梯度，提高了永磁体温度系数测量的分辨率。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，上述技术方案还包括水冷层，所述水冷层层叠在下极头和线圈组成的层面上。

采用上述进一步方案的有益效果：线圈上部水冷层的使用，使梯度场电磁铁的磁场强度和梯度都得到了极大提升。

进一步，上述技术方案还包括垫圈，所述垫圈放置在水冷层上，顶面与上极头的下端面接触。

进一步，还包括水冷接头和电源输入接线板，所述水冷接头和电源输入接线板固定在外套筒的外壁上，所述水冷接头与水冷层连接，所述电源输入接线板上的接线头与线圈连接。

进一步，所述底板和外套筒通过若干个内六角螺钉固定，所述上极头和外套筒通过若干个内六角螺钉固定。

附图说明

图1为本发明所述一种用于永磁体温度系数开路测量的梯度场电磁铁的剖视图；

图2为本发明所述一种用于永磁体温度系数开路测量的梯度场电磁铁的立体结构示意图；

图3为本发明所述一种用于永磁体温度系数开路测量的梯度场电磁铁的俯视图；

图4为图3的D向视图；

图5为下极头的主视图；

图6为上极头的剖面图；

图7为本发明所述用于永磁体温度系数开路测量的梯度场电磁铁产生的中心轴线上磁场强度分布曲线；

图8为本发明所述用于永磁体温度系数开路测量的梯度场电磁铁产生的中心轴线上磁场梯度分布曲线。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、底板，2、外套筒，3、上极头，4、下极头，5、线圈，6、水冷层，7、垫圈，8、六角螺钉，9、水冷接头、10、电源输入接线板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种永磁体温度系数开路测量的梯度场电磁铁，包括底板1、外套筒2、上极头3、下极头4和线圈5；

所述底板1为圆形底板，所述外套筒2固定在底板1上，上极头3为中心留有通孔的盖状结构，固定在外套筒2上，所述上极头3内壁为具有一定弧度的凸起；所述下极头4为顶端具有一定弧度凸起的圆柱体，下极头4固定在底板1上，所述线圈5套在下极头4上。

其中，上述技术方案还包括水冷层6，所述水冷层6层叠在下极头4和线圈5组成的层面上。

其中，上述技术方案还包括垫圈7，所述垫圈7放置在水冷层6上，顶面与上极头3的下端面接触。

其中，所述底板1和外套筒2通过若干个六角螺钉8固定，所述上极头3和外套筒2通过若干个六角螺钉8固定。

其中，上述技术方案还包括水冷接头9和电源输入接线板10，所述水冷接头9和电源输入接线板10固定在外套筒2的外壁上，所述水冷接头9与水冷层6连接，所述电源输入接线板10上的接线头与线圈5连接。

本发明上极头3中心开孔，其目的是使得被测样品能够垂直悬挂在磁场中。磁场和梯度方向均为垂直方向，其它方向的磁场大小相等、方向相反，因此样品在其它方向的受力互相抵消，只受到垂直方向的力的作用。磁轭（底板1和外套筒2）、上极头3和下极头4的使用产生较大的磁场强度和磁场梯度，对于低温度系数的永磁材料，能够获得较大的力信号。

本发明的磁轭由底板1和外套筒2组成。极头包括上极头3和下极头4。上极头3和下极头4的极面弧线形状借鉴四极磁铁极面的设计思路，以获得相对理想的梯度均匀度为前提经过反复优化设计得到。磁轭和极头的使用使得本发明以较小的励磁安匝数获得较高的磁场梯度。

图5为下极头4的主视图。下极头4置于线圈5中间，为一个圆柱体，顶端为一个曲面，制作材料为DT4纯铁。铁芯顶部曲面轮廓是由曲线O-15绕OY轴旋转360°所得。曲线0-15依据1-15各点坐标拟合而成。

图6为上极头3的剖面图。上极头3制作材料为DT4电工纯铁。上端头的曲面轮廓由1-2-3-4-5-6-7-27绕OY轴旋转360°所得，其中点7和点27间为曲线形状根据各点坐标拟合而成。其它各点间为直线连接。

线圈5为圆柱形，用一根铜导线绕制而成。导线为扁平漆包线，截面尺寸（含漆膜）为3×1。线圈绕制后应进行绝缘性能试验。

水冷层6用于对线圈5冷却降温。采用5×5×Φ3的铜管绕制而成，共绕制1层15匝。水冷层的铜导线两端加工成Φ5×5的圆柱，钎焊水接头9，然后做水压试验。

线圈5和水冷层6制作完毕后，按照图中顺序和G10垫圈7叠放在一起，用0.20X25玻璃丝带沿轴向对线圈5、水冷层6和G10垫圈7一起包裹缠绕，玻璃丝带双层半叠绕。然后将缠绕好的线圈用环氧树脂浸渍。

外套筒2和底板1构成电磁铁的磁轭，所用材料为DT4电工纯铁。各部分制作完毕后，将用环氧树脂浸渍过的线圈分别与其它部分固定连接。线圈5引线端部绝缘漆刮净后与电源输入接线板10上的接线端子连接。底板1、外套筒2、上极头3和下极头4用内六角螺钉8连接为一个整体。

本发明产生的磁场分布，水平方向磁场沿中心轴线对称，而且磁场很小，从而使被测样品水平方向受力为零，垂直方向磁场分布沿中心轴线呈梯度分布，形成垂直方向的梯度场，确保被测样品只受到垂直方向的力。

当磁场从铁磁性材料进入空气时，在靠近分界面的空气一侧，磁场方向总是与分界面垂直。本发明中，通过设计上下极头的形状，使得磁力线从下极头到上极头呈现发散状态，从而在极头内部的有限空间内产生近似的梯度磁场，并通过对极头边缘进行合理的垫补，提高磁场梯度的均匀性。

如图7所示，本发明产生的磁场强度值沿中心轴线向上的方向逐渐减小，形成梯度场。

如图8所示，本发明产生的磁场梯度沿中心轴线的分布，在坐标值为48mm的地方，磁场梯度最均匀。测试时，被测样品置于磁场梯度最均匀的位置。

图7和图8的坐标原点均为下极头表面中心位置。

本发明产生的磁场强度不随温度变化、梯度均匀性好，梯度常数大。另外，测量过程中被测磁体垂直悬挂，因此，底板1、外套筒2和上极头3构成的中空结构，且上极头3中心部位留有通孔，用于将高温炉放入外套筒2内部，放置在下极头上，进而被测样品处于均匀梯度场中，而且除了垂直方向外，磁体在其它方向不受力以保证被测磁体处于稳定状态。本发明可以大大提高永磁体温度系数的测量精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于永磁体温度系数开路测量的梯度场电磁铁，其特征在于，包括底板、外套筒、上极头、下极头和线圈；

所述底板为圆形底板，所述外套筒固定在底板上，上极头为中心留有通孔的盖状结构，固定在外套筒上，所述上极头内壁为具有一定弧度的凸起；所述下极头为顶端具有一定弧度凸起的圆柱体，下极头固定在底板上，所述线圈套在下极头上；所述下极头和上极头的形状使磁场分布为,水平方向沿中心轴线对称分布，垂直方向沿中心轴线呈梯度分布，形成垂直方向的梯度场；还包括水冷层，所述水冷层层叠在下极头和线圈组成的层面上；所述底板和外套筒通过若干个内六角螺钉固定，所述上极头和外套筒通过若干个内六角螺钉固定。

2.根据权利要求1所述一种用于永磁体温度系数开路测量的梯度场电磁铁，其特征在于，还包括垫圈，所述垫圈放置在水冷层上，顶面与上极头的下端面接触。

3.根据权利要求1所述一种用于永磁体温度系数开路测量的梯度场电磁铁，其特征在于，还包括水冷接头和电源输入接线板，所述水冷接头和电源输入接线板固定在外套筒的外壁上，所述水冷接头与水冷层连接，所述电源输入接线板上的接线头与线圈连接。