CN107466152B - 多极磁铁及其磁场谐波垫补方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种多极磁铁及其磁场谐波垫补方法，该多极磁铁包括磁铁铁芯，所述磁铁铁芯包括2N个磁铁极头，N为大于或等于2的整数，每个所述磁铁极头都套有一励磁线圈，各个磁铁极头在空间上对称放置，所述磁铁极头的中间设有磁场空间，其特征在于，至少两个所述磁铁极头的端部设有魔术指，两个所述魔术指相对于所述磁铁铁芯的纵向中间截面对称；所述魔术指由导磁性材料制成，其数量、尺寸和空间位置由电磁场仿真软件磁场模拟结合实际磁场测量结果确定。采用本发明能够快速、有效地对磁场谐波超差的多极磁铁进行磁场垫补，使其满足设计要求。

Description

多极磁铁及其磁场谐波垫补方法

技术领域

本公开涉及粒子加速器磁铁技术领域，具体涉及多极磁铁及其磁场谐波垫补方法。

背景技术

多极磁铁是粒子加速器中的基础和重要部件，主体部分为高导磁材料制成的铁芯和导电材料制成的励磁线圈，高导磁材料通常选用电工纯铁、低碳钢或硅钢片。多极磁铁包括四极磁铁、六极磁铁等，主要作用分别用于束流的聚焦和消除束流色散，分别对应的极头数为4、6。多极磁铁每个极头都套有一个励磁线圈，各个极头在空间上对称放置，中间形成气隙。粒子加速器的束流从多极磁铁气隙中经过，线圈励磁情况下，磁铁气隙中有特定的磁场。

多极磁铁在气隙中除产生主磁场外，同时还会产生其它阶次的磁场，本文中n为阶次(n为大于等于1的整数)。磁场可分解到垂直方向和水平方向，分别为垂直磁场和斜磁场。如B1、B2、B3、B4分别对应垂直二极磁场、垂直四极磁场、垂直六极磁场、垂直八极磁场，A1、A2、A3、A4分别对应斜二极磁场、斜四极磁场、斜六极磁场、斜八极磁场。

一种多极磁铁中通常只希望其产生一种多极磁场，同时要求其它磁场尽可能小。如垂直四极磁铁要求其主要产生垂直四极磁场，而其它磁场越小越好。磁铁气隙中的磁场谐波含量是评价多极磁铁磁场性能的关键指标，定义为各个高阶磁场相对于主磁场的相对比值。如对于垂直四极磁铁，磁场谐波b3为垂直六极磁场相对于主四极磁场的比值，磁场谐波a4为斜八极磁场相对于主四极磁场的比值，磁场谐波b5为垂直十极磁场相对于主四极磁场的比值。

某种多极磁铁产生的磁场还可以按系统磁场谐波或非系统磁场谐波进行分类。系统磁场谐波是由于磁铁整体空间布局的几何对称性产生的，对于2N极磁铁，系统磁场谐波阶次为N(2n+1)，n＝0,1,2,3,4,5等等。对于四极磁铁(N＝2)，系统磁场谐波阶次为2，6，10，14等，分别对应四极磁场、12磁场、20极磁场和28极磁场，其中四极磁场为磁铁的主磁场。除系统磁场谐波之外的其它磁场都可称为非系统磁场谐波。

对于2N极磁铁，阶次大于2N的磁场谐波称为高阶磁场谐波。如对于四极磁铁，六极磁场、八极磁场、十极磁场都是高阶磁场谐波。

实际多极磁铁的高阶磁场大小随着阶次的增加而迅速减小。通常，对于实际制造出来的某2N极磁铁，较大的高阶磁场阶次紧邻主磁场的阶次。如对于四极磁铁，实际较大的高阶磁场谐波主要为六极磁场和八极磁场，其它阶次的高阶磁场含量一般较小。

理想的四极磁铁在气隙中只含有系统磁场谐波，不含非系统磁场谐波，并且可以通过磁铁极面的优化设计和端部削斜等手段使高阶系统磁场谐波足够小。非系统磁场谐波是由于铁芯材料缺陷、铁芯的加工误差和磁铁装配误差产生的，通过改进加工工艺、提高加工和装配精度的方法可减小非系统磁场谐波。

加速器多极磁铁对磁场谐波含量要求很严格，一般要求高阶磁场谐波含量在1×10^-4量。传统粒子加速器多极磁铁的气隙直径较大，如第三代同步辐射光源多极磁铁的气隙直径一般在60mm以上。未来科学技术的发展对同步辐射光源的性能提出了更高的需求，新一代同步辐射光源电子束流水平发射度普遍比第三代同步辐射光源降低1个量级以上，相应地多极磁铁孔径也更小。磁铁孔径的减小给磁铁的精密加工制造和获得高磁场精度带来了困难。与通常的中等以上孔径四极磁铁相比，小孔径四极磁铁的磁场高阶分量，特别是非系统磁场对铁芯的加工精度和装配精度更加敏感。

比如我国高能同步辐射光源验证装置HEPS-TF小孔径四极磁铁，有效长度0.694m，根据磁场指标要求磁铁极头的部件加工精度好于0.008mm，磁铁装配后的极头位置精度好于0.02mm。新一代同步辐射光源周长大，相应地多极磁铁铁芯较长，要想达到这么高的加工和装配精度非常困难，制造出的磁铁高阶磁场谐波容易超差，迫切需要一套快速有效的磁场谐波垫补方法。

中国发明专利多极磁铁及其谐波垫补方法，其申请号为201210077072.7，其摘要为：本发明公开了一种多极磁铁及其谐波垫补方法。多极磁铁包括2N极磁铁主体，所述2N极磁铁主体包括2N个磁极铁芯，N为大于或等于2的整数，每个磁极铁芯的极头区域开设有定位孔，定位孔可插拔式设置有导磁孔芯。谐波垫补方法包括：在多极磁铁各磁极铁芯的极头区域开设的各定位孔中均未插有导磁孔芯时，测量所述多极磁铁的磁场谐波参量的初始值；如果所述初始值超出预设误差允许范围，则根据所述初始值与预设误差允许范围的差异，在各定位孔中确定需要插入导磁孔芯的定位孔；在确定的定位孔中插入所述导磁孔芯，以将所述磁场谐波参量的当前测量值调整到所述误差允许范围内。本发明方法简单、效率高，可以较低成本达到较高的调节精度。

现有多极磁铁及其谐波垫补方法存在以下缺点：

1、现有技术只适用于长度较短的磁铁；

2、现有技术只适用于铁芯极头磁场不高的情况；

3、现有技术需要经过磁场测量才能得到定位孔标识和谐波垫补量之间的映射关系，无法在磁铁制造之前预知谐波垫补量大小；

4、现有技术磁极铁芯的极头区域定位孔数目少，且定位孔尺寸大小不易改变，使得插入的导磁孔芯尺寸受到限制，谐波垫补量有限。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种能快速、有效地对磁场谐波超差的多极磁铁进行磁场垫补使其满足设计要求的多极磁铁。

本发明还提供一种多极磁铁磁场谐波垫补方法。

第一方面，本发明提供一种多极磁铁，包括磁铁铁芯，所述磁铁铁芯包括2N个磁铁极头，N为大于或等于2的整数，每个所述磁铁极头都套有一励磁线圈，各个磁铁极头在空间上对称放置，所述磁铁极头的中间设有磁场空间，其特征在于，至少两个所述磁铁极头的端部设有魔术指，两个所述魔术指相对于所述磁铁铁芯的纵向中间截面对称；所述魔术指由导磁性材料制成；

所述磁铁极头端部设有若干螺纹孔，所述螺纹孔用于安装魔术指组件，所述魔术指组件包括魔术指、压板、固定螺钉和压紧螺钉，所述压板底部设有至少一个凹槽，所述凹槽用于放置魔术指，所述压板上设有固定螺孔和压紧螺孔，所述固定螺钉穿过所述固定螺孔伸入相应的所述螺纹孔内，所述压紧螺钉穿过所述压紧螺孔抵在所述魔术指上，所述压板由非导磁材料制成；每个魔术指组件中的所述魔术指为3个。

第二方面，本发明提供一种多极磁铁的磁场谐波垫补方法，包括以下步骤：

根据多极磁铁的磁场谐波要求，结合实际加工装配误差、材料性能误差进行磁场误差分析，确定需要调节的各垂直2n阶、斜2n阶高阶谐波大小；

进行三维磁场模拟，得到满足磁场谐波调节量要求的魔术指数量、位置和具体尺寸大小，并进行相应的魔术指组件机械设计，然后制造多极磁铁；

多极磁铁制造完成后，首先在未安装魔术指组件的情况下进行磁场测量，得到实际垂直2n阶、斜2n阶高阶谐波原始值；

如果谐波原始值超过设计要求范围，根据具体超差的磁场谐波阶次和大小，在磁铁极头端部安装相应的魔术指组件；

再次进行磁场测量，得到魔术指调节后的各阶磁场谐波大小；

如果个别磁场谐波仍然不能满足要求，则微调魔术指的径向位置，使魔术指的调节量变化，从而将磁场谐波调节到满足要求。

本发明的优点：

1、本发明谐波垫补量大，对短磁铁、长磁铁均适用。

2、本发明在不同极头磁场大小的情况下均适用。

3、本发明在磁铁制造之前，结合磁铁的技术指标要求，通过专业电磁场仿真软件进行磁场模拟，确定需要产生的谐波垫补量，同时确定用于磁场垫补的魔术指具体数量、尺寸和空间位置。

4、本发明在磁铁极头端部增加魔术指，数量多，魔术指容易更换，具体尺寸大小不受限制。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的四极磁铁的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的魔术指组件的结构示意图；

图3为图2的分解示意图；

图4为发明实施例提供的多极磁铁磁场谐波垫补方法的流程图；

图5为图1中的局部放大图；

图6为本发明实施例提供的正六极磁场安装魔术指的一种结构示意图；

图7为本发明实施例提供的正六极磁场安装魔术指的另一种结构示意图；

图8为本发明实施例提供的斜六极磁场安装魔术指的一种结构示意图；

图9为本发明实施例提供的斜六极磁场安装魔术指的另一种结构示意图；

图10为本发明实施例提供的正八极磁场安装魔术指的一种结构示意图；

图11为本发明实施例提供的正八极磁场安装魔术指的另一种结构示意图；

图12为本发明实施例提供的斜八极磁场安装魔术指的一种结构示意图；

图13为本发明实施例提供的斜八极磁场安装魔术指的另一种结构示意图。

图中：

1磁铁铁芯、2磁铁极头、3励磁线圈、4不锈钢组件、5同步光引出空间、6磁场空间、7魔术指；8压板；9固定螺钉；10压紧螺钉；11凹槽，12固定螺孔；13压紧螺孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参考图1，一种多极磁铁，包括磁铁铁芯1，磁铁铁芯1包括2N个磁铁极头2，N为大于或等于2的整数，每个磁铁极头2都套有一励磁线圈3，各个磁铁极头2在空间上对称放置，磁铁极头2的中间设有磁场空间6，至少两个磁铁极头2的端部设有魔术指7，当魔术指为两个时，两个魔术指7相对于磁铁铁芯1的纵向中间截面对称；当魔术指为多个时，需要满足一定的空间对称性，魔术指7由导磁性材料制成。

本发明在不同极头磁场大小的情况下均适用，具有谐波垫补量大，对短磁铁、长磁铁均适用的优点。采用本发明既能增大某个磁场谐波也可减小某个磁场谐波。

本实施例在上述实施例的基础上，还包括不锈钢组件4，不锈钢组件4包括不锈钢和连接组件，所述不锈钢通过连接组件连接磁铁铁芯2，所述不锈钢内部开有长孔，所述长孔对应同步辐射光的引出管道5。

本发明的不锈钢组件放置在水平线附近，如果同步辐射光的引出管道不与不锈钢组件相交，则不锈钢组件材料可更换为高导磁性材料，即不需要安装不锈钢组件。

参见图1、图2和图3，本实施例在上述实施例的基础上，磁铁极头2端部设有若干螺纹孔，所述螺纹孔用于安装魔术指组件；所述魔术指组件包括魔术指7、压板8、固定螺钉9和压紧螺钉10，压板8底部设有至少一个凹槽11，凹槽11用于放置魔术指7，压板8上设有固定螺孔12和压紧螺孔13，固定螺钉9穿过固定螺孔12伸入相应的所述螺纹孔内，压紧螺钉10穿过压紧螺孔13抵在魔术指7上，压板8由非导磁材料制成。

可选地，多极磁铁为四极磁铁，每个磁铁极头2均安装有魔术指组件，每个魔术指组件中的魔术指为3个，相应地凹槽也为3个；压板8为弧形。

本实施例在上述实施例的基础上，所述导磁性材料为电工纯铁、低碳钢或硅钢片，和/或，所述非导磁材料为铝、铜、不锈钢或绝缘材料。

参见图2和图3，本实施例在上述实施例的基础上，魔术指7与凹槽11之间设有间隙，魔术指7的侧面设有刻度，用于魔术指7沿以磁场空间中心为圆心的半径方向调节而角度保持不变时提供位置参考。

本实施例在上述实施例的基础上，所述魔术指为细长形状，优选长方体，当然也可以选用其它形状的魔术指，同样可以达到磁场调节的效果，沿着魔术指7长度方向的中心线延长线经过磁场空间6的中心。

本发明在磁铁极头端部增加魔术指，数量多，魔术指容易更换，具体尺寸大小不受限制，魔术指沿半径方向可移动，通过移动来调节磁场量变化。魔术指优选为细长形状，其中心线延长线过磁铁气隙中心，即魔术指中心线必须沿某一角度，否则磁场谐波垫补效果很小。各个魔术指的尺寸大小可不同，只需满足一定的空间对称性即可。

本发明的魔术指是魔术指组件的关键部分。魔术指放于无磁性材料(可为铝合金、铜、无磁不锈钢等)制成的压板凹槽中，通过压板上的压紧螺钉压紧、固定在磁铁极头表面。磁铁极头端部相应位置预留螺纹孔，用于安装魔术指组件。魔术指与凹槽为较大的间隙配合，可以用手轻推魔术指进凹槽，然后用压紧螺钉压紧。

本实施例在上述实施例的基础上，所述磁铁铁芯由实心铁磁材料制成或由硅钢片冲片叠装而成。

磁铁正常工作时需要快速改变励磁电流时,铁芯材料选用硅钢片冲片；磁铁正常工作时若励磁电流保持不变，铁芯材料可选实心铁磁材料或硅钢片。选用实心铁磁材料作为铁芯时，有利于达到更高的铁芯加工精度。

参见图4，本发明还提供一种多极磁铁的磁场谐波垫补方法，包括以下步骤：

S101：根据多极磁铁的磁场谐波要求，结合实际加工装配误差、材料性能误差进行磁场误差分析，确定需要调节的各垂直2n阶、斜2n阶高阶谐波大小；

S102：进行三维磁场模拟，得到满足磁场谐波调节量要求的魔术指数量、位置和具体尺寸大小，并进行相应的魔术指组件机械设计，然后制造多极磁铁；

三维磁场模拟采用专业电磁场仿真软件OPERA(OPerating environment forElectromagnetic Research and Analysis)，其准确性很高，模拟结果与实际磁场测量结果相当接近；魔术指的数量、尺寸和空间位置由电磁场仿真软件磁场模拟结合实际磁场测量结果确定。

S103：多极磁铁制造完成后，首先在未安装魔术指组件的情况下进行磁场测量，得到实际垂直2n阶、斜2n阶高阶谐波原始值；

S104：如果谐波原始值超过设计要求范围，根据具体超差的磁场谐波阶次和大小，在磁铁极头端部安装相应的魔术指组件，调节各阶磁场谐波大小；

S105：再次进行磁场测量，得到魔术指调节后的各阶磁场谐波大小；一般情况下磁场谐波能够满足要求。

S106：如果个别磁场谐波仍然不能满足要求，则微调魔术指的径向位置，使魔术指的调节量变化，从而将磁场谐波调节到满足要求。

如果魔术指磁场谐波调节量实际大小与模拟时有差异，可能因为实际材料特性与模拟时所用材料特性有差异或实际铁芯加工、安装误差与估计值有差异，导致个别磁场谐波仍然不能满足要求，则微调魔术指的径向位置，使魔术指的磁场调节量变化，从而将磁场谐波调节到满足要求。

本发明的磁场垫补方法除用于同步辐射光源多极磁铁外，还可用于其它对磁场谐波有严格要求的加速器多极磁铁中。

本发明的原理：在磁铁极头端部增加导磁性材料制成的魔术指，将对多极磁铁的磁场产生扰动，一般地，一个魔术指产生的磁场可为任意阶的磁场。如果对称地放置若干魔术指，其磁场互相叠加，可产生指定阶数的大小合适的高阶磁场。实际制造出的多极磁铁可能某个高阶磁场超差，如果通过若干魔术指的组合产生与现有高阶磁场大小相等但符号相反的高阶磁场，则可以抵消现存的过大的高阶磁场，达到改善多极磁铁磁场质量的目的。

参见图1，以四极磁铁为例来详述本发明的技术方案。在磁极极头的端部分别增加不同数目、不同方位的由导磁材料制成的魔术指，通过魔术指的组合来产生特定的高阶磁场对多极磁铁的磁场谐波进行垫补。魔术指可为一细长形长方体，整体以气隙中心(磁场空间)为圆心位于某一特定的角度，比如在每个磁极极头2端部各放置三根魔术指7(在磁铁铁芯每个端部的4个磁铁极头上共有4*3＝12个魔术指)，魔术指7中心线角度方向位置分别在±22.5°、±45°和±67.5°，本发明的具体魔术指数目、角度数值可变。

以下为调节四极磁铁某个高阶磁场的实施例。

从磁铁一端看，魔术指编号如图5所示：

1#、2#、3#魔术指中心线角度位置分别在22.5°、45°和67.5°，1#、3#魔术指尺寸为10mm×12mm×40mm，2#魔术指尺寸为8mm×12mm×40mm；其它魔术指4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#与1#、2#、3#关于水平面、垂直面对称。

魔术指组件中，仅魔术指为导磁性材料。图6-图13魔术指组件中只标出了魔术指，魔术指组件中其它部分均为非导磁材料，对磁场不产生影响。

参见图6和图7，调节正六极磁场的魔术指实施例：魔术指7上下对称、左右不对称。

与无魔术指时的磁场谐波相比，本实施例相应的六极磁场谐波调节量分别为-6.1×10^-4和6.1×10^-4，产生的其它磁场谐波很小。

本实施例中的磁场谐波参考半径均为r＝5mm。

参见图8和图9，调节斜六极磁场实施例：魔术指上下不对称、左右对称。

与无魔术指时的磁场谐波相比，该实施例相应的斜六极磁场谐波调节量分别为-5.6×10^-4和5.6×10^-4，产生的其它磁场谐波很小。

参见图10和图11，调节正八极磁场实施例：魔术指对称分布于水平轴两侧或竖直轴两侧。

与无魔术指时的磁场谐波相比，该实施例相应的八极磁场谐波调节量分别为0.9×10^-4和-0.9×10^-4，产生的其它磁场谐波很小。

参见图12和图13，调节斜八极磁场实施例：魔术指位于相对的一对磁场极头，且魔术指关于135度线或45度线对称。

与无魔术指时的磁场谐波相比，该实例相应的斜八极磁场谐波调节量分别为-1.2×10^-4和1.2×10^-4，产生的其它磁场谐波很小。

实际多极磁铁可能有若干磁场谐波超差，需要同时垫补多个磁场谐波；此时将垫补各单个磁场谐波的魔术指排列进行组合，即可得到垫补多个磁场谐波的魔术指方案。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种多极磁铁，包括磁铁铁芯，所述磁铁铁芯包括2N个磁铁极头，N为大于或等于2的整数，每个所述磁铁极头都套有一励磁线圈，各个磁铁极头在空间上对称放置，所述磁铁极头的中间设有磁场空间，其特征在于，至少两个所述磁铁极头的端部设有魔术指，所述魔术指相对于所述磁铁铁芯的纵向中间截面对称；所述魔术指由导磁性材料制成；

所述磁铁极头端部设有若干螺纹孔，所述螺纹孔用于安装魔术指组件，所述魔术指组件包括魔术指、压板、固定螺钉和压紧螺钉，所述压板底部设有至少一个凹槽，所述凹槽用于放置魔术指，所述压板上设有固定螺孔和压紧螺孔，所述固定螺钉穿过所述固定螺孔伸入相应的所述螺纹孔内，所述压紧螺钉穿过所述压紧螺孔抵在所述魔术指上，所述压板由非导磁材料制成；每个魔术指组件中的所述魔术指为3个。

2.根据权利要求1所述的多极磁铁，其特征在于，还包括不锈钢组件，所述不锈钢组件包括不锈钢和连接组件，所述不锈钢通过连接组件连接所述磁铁铁芯，所述不锈钢内部开有长孔，所述长孔对应同步辐射光的引出管道。

3.根据权利要求1所述的多极磁铁，其特征在于，所述导磁性材料为电工纯铁、低碳钢或硅钢片。

4.根据权利要求1所述的多极磁铁，其特征在于，所述非导磁材料为铝、铜、不锈钢或绝缘材料。

5.根据权利要求1所述的多极磁铁，其特征在于，所述魔术指与凹槽之间设有间隙，所述魔术指的侧面设有刻度，用于魔术指沿以磁场空间中心为圆心的半径方向调节而角度保持不变时提供位置参考。

6.根据权利要求1所述的多极磁铁，其特征在于，所述多极磁铁为四极磁铁，每个磁铁极头均安装有魔术指组件。

7.根据权利要求1-6任一项所述的多极磁铁，其特征在于，所述魔术指为细长形状，沿着所述魔术指长度方向的中心线延长线经过所述磁场空间的中心。

8.根据权利要求7所述的多极磁铁，其特征在于，所述磁铁铁芯由实心铁磁材料制成或由硅钢片冲片叠装而成。

9.一种权利要求1-8任一项所述的多极磁铁的磁场谐波垫补方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据多极磁铁的磁场谐波要求，结合实际加工装配误差、材料性能误差进行磁场误差分析，确定需要调节的各垂直2n阶、斜2n阶高阶谐波大小；

进行三维磁场模拟，得到满足磁场谐波调节量要求的魔术指数量、位置和具体尺寸大小，并进行相应的魔术指组件机械设计，然后制造多极磁铁；

多极磁铁制造完成后，首先在未安装魔术指组件的情况下进行磁场测量，得到实际垂直2n阶、斜2n阶高阶谐波原始值；

如果谐波原始值超过设计要求范围，根据具体超差的磁场谐波阶次和大小，在磁铁极头端部安装相应的魔术指组件；

再次进行磁场测量，得到魔术指调节后的各阶磁场谐波大小；

如果个别磁场谐波仍然不能满足要求，则微调魔术指的径向位置，使魔术指的调节量变化，从而将磁场谐波调节到满足要求。