CN106601427B - 均匀磁场发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种均匀磁场发生器，包括：一对永磁体，多个采用高磁导率材料制成的环，和采用低磁导率材料制成的固定部，所述一对永磁体分别固定在所述固定部的两端，多个所述环均匀固定在所述固定部的周面上。本发明的均匀磁场发生器无功耗、且体积小，成本低，而且便于携带。此外，本发明的均匀磁场发生器应用广泛，可被广泛用于基于磁致伸缩材料的驱动器、换能器、传感器或者由驱动器、换能器、传感器形成的阵列等，也可用于其他需要直流磁环境的任何装置。

Description

均匀磁场发生器

技术领域

本发明涉及一种均匀磁场发生器，尤其涉及一种无功耗、便携式的均匀磁场发生器。

背景技术

均匀磁场空间在物理实验、中子束研究、材料科学以及医疗的应用上扮演着重要的角色，尤其是基于磁致伸缩材料制作的各种传感器或者驱动器更需要一个均匀的偏置磁场来使磁致伸缩材料如非晶合金带或者Terfenol-D合金等发挥其最优性能。磁致伸缩效应是二阶效应，事实上磁致伸缩材料在零场附近的磁致伸缩效应特别弱，所以磁致伸缩材料需要磁偏置来使它们能发挥最强的磁致伸缩效应。例如在磁电型弱磁传感器阵列中（磁电型弱磁传感器是基于磁致伸缩效应与压电效应的磁传感器），为使阵列中各个磁传感器性能保持一致，各个敏感单元要放置在同样的磁偏置环境中。这就对磁场发生装置有一个较高的要求。

已知均匀磁场发生器有螺线管线圈磁场发生器或亥姆霍茨线圈磁场发生器，然而基于线圈的磁场发生器都需要直流电流连续供电才能保持线圈产生稳恒磁场。传感器往往放置在电很难达到的地方，所以线圈式磁场发生器严重阻碍了基于磁致伸缩材料传感器的使用范围。而且线圈式磁场发生器所需电流大，功耗大，这严重阻碍了低功耗传感器的使用。

最常见的磁场发生设备是永磁铁，永磁铁磁场发生器无功耗。常见的永磁铁的形状有圆片状、方片状、圆环状和马蹄形等。但是基于片状或环状的永磁铁产生的磁场都极不均匀，这对磁场均匀度要求较高的磁致伸缩材料而言将严重降低磁致伸缩材料的性能。马蹄形磁铁产生的磁场均匀度比片状或者环状永磁铁稍高，而且均匀磁场空间小，也不适用于磁致伸缩材料。

所以对基于磁致伸缩材料的传感器或者驱动器而言，研制出一种无功耗、磁场均匀的磁场发生装置将会大大拓宽这类传感器或者驱动器的应用范围。

发明内容

本发明旨在提供一种无功耗、便携式的均匀磁场发生器。

为实现上述目的，本发明采用如下结构：包括：一对永磁体，多个采用高磁导率材料制成的环，和采用低磁导率材料制成的固定部，所述一对永磁体分别固定在所述固定部的两端，多个所述环均匀固定在所述固定部的周面上。

本发明的均匀磁场发生器能产生垂直于一对永磁体轴线的均匀磁场，且其主要有如下优点：

不同于通电螺线管，本发明的均匀磁场发生器无功耗、体积小、便携。此外，本发明的均匀磁场发生器应用广泛，可被广泛用于基于磁致伸缩材料的驱动器、换能器、传感器或者由驱动器、换能器、传感器形成的阵列等，也可用于其他需要直流磁环境的任何装置。

优选地，所述永磁体为铁氧体永磁铁或合金永磁铁，所述永磁体亦可是同种材料的不同型号的磁铁。

较佳为所述高磁导率材料为坡莫合金、非晶合金带、或锰锌铁氧体。

也可以是所述低磁导率材料为PVC。

优选为，所述高磁导率材料为采用超急剧凝固法制备的非晶合金带。借助其高磁导率性能可使单个非晶合金带处于同磁势状态。

优选地，所述固定部为直筒状，所述环的绕制方向与所述固定部的轴线垂直。借助于此，本发明能有效地产生垂直于一对永磁体轴线的均匀磁场。更优选地，所述固定部的截面为圆形或对称的多边形。所述固定部为笼状亦可。

优选地，所述固定部为筒状，所述永磁体为圆盘状，所述永磁体的直径大于所述固定部的直径。借助于此，可使固定于固定部上的非晶合金带处于较高磁感强应强度区域，形成的均匀磁场区域的磁感应强度更大。

此外，本发明的均匀磁场发生器所产生的磁场的均匀度可调，通过改变高磁导率材料环的宽度就可以调节磁场的均匀度。

又，本发明的均匀磁场发生器所产生的磁场的磁场强度可调，通过改变永磁体的型号或者永磁体的厚度或者固定部的长度可改变磁场强度。

附图说明

图1示出了根据本发明的均匀磁场发生器的一实施形态的三维结构图；

图2示出了图1所示的均匀磁场发生器的二维平面结构图；

图3 示出了在有高磁导率材料环的情况下的轴的中截面上磁场的仿真结果，结果中磁场强度以以10为底的对数形式给出；

图4 示出了在没有高磁导率材料环的情况下的轴的中截面上磁场的仿真结果，结果中磁场强度以以10为底的对数形式给出；

图5 示出了在有非晶合金带的情况下的轴的中截面上任意直径上磁场的仿真结果，结果中磁场强度以以10为底的对数形式给出；

图6 示出了在无非晶合金带的情况下的轴的中截面上任意一直径上磁场的仿真结果，结果中磁场强度以以10为底的对数形式给出。

符号说明：

1、2 永磁体，

3 固定部，

4 高磁导率材料环（即绕在固定部3周围的结构）。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1示出了根据本发明的均匀磁场发生器的一实施形态的三维结构图。图2示出了图1所示的均匀磁场发生器的二维平面结构图。该图2是本实施形态的均匀磁场发生器的前视图。

如图1及图2所示，本发明的均匀磁场发生器包括：一对永磁体1、2，多个高磁导率材料环4，和采用低磁导率材料制成的固定部3，在固定部3的两端分别固定有永磁体1、2，多个高磁导率材料环4均匀固定在固定部3的周面上。

本发明的均匀磁场发生器的材料选择范围广泛。其中，永磁体材料可以是铁氧体永磁铁（Ferrite）或者合金永磁铁，如稀土永磁铁（钕铁硼Nd2Fe14B）、钐钴(SmCo)和铝镍钴（AlNiCo）等，也可以是同种材料的不同型号的磁铁。又，高磁导率材料可以是坡莫合金（Permalloy）、非晶合金带（Metglas）、锰锌铁氧体等。制作固定部的材料可以是任何磁导率低、易加工的结构材料，例如PVC等。

作为实施例1，固定部3可为直筒状，绕在固定部3周围的结构均为高磁导率材料环4，永磁体1、2可采用圆盘状铁氧体，高磁导率材料环4可采用非晶合金带，非晶合金带可采用超急剧凝固法制备，固定部3的材料可采用PVC管。优选为永磁体1、2的直径略大于筒状固定部3的外径，高磁导率材料环4紧贴于固定部3的外周面。

具体而言，将直径稍大于PVC管的一对圆盘状的永磁体1、2用环氧树脂胶固定在PVC管的两端，再将非晶合金带裁剪成若干长度为PVC管外径周长、宽度相同的带，然后将非晶合金带均匀固定在PVC管外，其中非晶合金带的绕制方向与PVC管的轴线垂直。以此形成了如图1和图2 的垂直于固定部轴线的无功耗、小体积、便携式的磁场发生器。

本发明所采用的结构不限于此，实施例1中左右固定有永磁体的、截面为圆形的直筒只是作为固定部3的一个示例，该固定部3也可以是其他类似能起到固定作用的结构，例如笼状结构或截面为正多边形的筒状结构，如矩形环等。

此外，本发明中高磁导率材料环4的横截面可以是对称的多边形例如矩形，也可以是环形或其他规则的截面形状。

将实施例1的结构及材料参数具体化作为实施例2，PVC管的内径为36mm，外径为40mm，长度为150mm，相对磁导率为1。圆盘状的永磁体采用铁氧体Y30，磁化方向沿厚度方向，磁化强度为30000A/m，非晶合金带采用德国Hanau公司的型号为Vitrovac 7600 T70的非晶合金带，宽度均裁为2mm，长度定为126mm，带与带之间的中心距离定为2mm，非晶合金带的相对磁导率约为45000。

按照此参数，对此模型进行了有限元仿真。然后又按照以上的结构，只是将非晶合金带全部去掉，同样进行了有限元仿真，与有非晶合金带实例的有限元仿真结果进行比较。其中图3 和图4分别示出了在有非晶合金带和无非晶合金带的情况下轴的中截面上磁场的仿真结果，结果中磁场强度均以以10为底的对数形式给出。图5和图6分别示出了在有非晶合金带和无非晶合金带的情况下的轴的中截面上任意直径上磁场的仿真结果，结果中磁场强度以以10为底的对数形式给出。

从图3和图4可以看出，有非晶合金带的情况比没有非晶合金带的情况中中截面上的磁场更均匀。而从图5和图6可以看出，相对于任意一个直径在-15~15mm的范围内，有非晶合金带的装置的磁感应强度在0.2个数量级之内，而没有非晶合金带装置的磁感应强度在1个数量级以上，这说明有非晶合金带的磁场发生器产生的磁场要比没有非晶合金带的磁场发生器均匀。

因而本发明是一个非常有效的、无功耗、小体积、低成本、便携式的垂直于轴线上的磁场发生器，并且可广泛应用于磁场探测，磁无损探伤等工业领域。

另外，本发明可根据应用环境的不同，调节尺寸、高磁导率材料环的宽度及其相互之间的间隔等。即固定部3的大小可调，高磁导率材料环4的条数也可调，并且均能彻底无功耗地为基于以磁致伸缩材料的驱动器、换能器、传感器或者驱动器、换能器、传感器阵列提供有效的均匀偏置磁场。

综上所述，根据本发明的均匀磁场发生器主要有如下优点：1）不同于通电螺线管，本发明的均匀磁场发生器无功耗；2）本发明产生的垂直于一对永磁体轴线的磁场的均匀度可调，通过改变高磁导率材料环的宽度就可以调节磁场的均匀度；3）本发明产生的垂直于一对永磁体轴线的磁场的磁场强度可调，通过改变永磁体的型号或者永磁体的厚度或者筒的长度可改变磁场强度；4）本发明体积小，便携；5）本发明应用广泛，可被广泛用于基于磁致伸缩材料的驱动器、换能器、传感器或者由驱动器、换能器、传感器形成的阵列等，也可用于其他需要直流磁环境的任何装置。

本发明的整体结构和形状并不限于上述实施例所述的情况。上述实施方式只是为了说明本发明的技术构思和特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种均匀磁场发生器，其特征在于，包括：

一对永磁体，

多个采用高磁导率材料制成的环，和

采用低磁导率的PVC材料制成的固定部，

所述一对永磁体分别固定在所述固定部的两端，

多个所述环均匀固定在所述固定部的周面上。

2.根据权利要求1所述的均匀磁场发生器，其特征在于，

所述永磁体为铁氧体永磁铁或合金永磁铁，或同种材料的不同型号的磁铁。

3.根据权利要求1所述的均匀磁场发生器，其特征在于，

所述高磁导率材料为坡莫合金、非晶合金带、或锰锌铁氧体。

4.根据权利要求1所述的均匀磁场发生器，其特征在于，

所述高磁导率材料为采用超急剧凝固法制备的非晶合金带。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的均匀磁场发生器，其特征在于，

所述固定部为直筒状，所述环的绕制方向与所述固定部的轴线垂直。

6.根据权利要求5所述的均匀磁场发生器，其特征在于，

所述固定部的截面为圆形或对称的多边形。

7.根据权利要求1至4中任意一项所述的均匀磁场发生器，其特征在于，

所述固定部为笼状。

8.根据权利要求1至4中任意一项所述的均匀磁场发生器，其特征在于，

所述固定部为圆筒状，所述永磁体为圆盘状，

所述永磁体的直径大于所述固定部的直径。