CN108290163B - 用于生成高梯度磁场的磁体设备 - Google Patents

用于生成高梯度磁场的磁体设备 Download PDF

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Abstract

用于生成高梯度和/或高强度磁场的磁体设备包括：以相反取向的磁场极性并排定位并且相反极性的末端表面彼此紧靠的两个主永磁体2、4，其中磁体2、4的磁各向异性超过磁体2、4的材料的磁感应；和邻近的永磁体2、4中的每个的第一末端上的至少一个掩模6，掩模6包括永磁体材料，其覆盖两个永磁体2、4的邻近的末端表面，沿着两个永磁体2、4之间的接合线在掩模中具有间隔8，以在接合线上方形成高梯度磁场区；其中以与附加至的主永磁体2、4相反的极性定向每个掩模6的永磁体。

Description

用于生成高梯度磁场的磁体设备
技术领域
本发明涉及用于生成高梯度和/或高强度磁场和在一些实例中用于分离颗粒的磁体设备。
背景技术
磁力装置被用于多种行业，并且不同的应用需要不同的磁场特性。在许多情况下，提供生成高梯度磁场的磁体设备是有利的。高梯度磁场的一种有利用途是用于分离颗粒，并且具体而言是具有不同的顺磁性和/或反磁性性质的材料的颗粒。高梯度磁场的另一种有利用途是用于磁力轴承，其中磁力被用于允许一个机械零件相对于另一个的旋转或滑行移动，而没有零件的直接接触。
US 2010/0012591公开了用于分离顺磁性和反磁性物质的现有技术磁体设备。该设备使用Kittel开放磁畴(open domain)类型磁结构，其具有以相反定向的磁场极性并排放置的两个矩形永磁体。磁体被安装在包括由非顽磁性材料制成的板的共同基座上。基座与磁体的下面配合。设备还包括由非顽磁性材料制成的薄板，其被放置在磁体的顶面上，其中沿着磁体之间的接合处的顶部布置小间隔。此设备在具有高梯度磁场的磁体装置的准备中提供了显著的进步，但是尽管如此，提供改进的装置将是有利的。
发明内容
由第一方面看，本发明提供了用于生成高梯度和/或高强度磁场的磁体设备，该磁体设备包括：以相反取向的磁场极性并排定位并且相反极性的末端表面彼此紧靠的两个主永磁体，其中磁体的磁各向异性超过磁体的材料的磁感应；和邻近的永磁体中的每个的第一末端上的至少一个掩模，掩模包括永磁体材料，其覆盖两个永磁体的邻近的末端表面，沿着两个永磁体之间的接合线在掩模中具有间隔，以在接合线上方形成高梯度磁场区；其中以其极性定向每个掩模的永磁体不与附加至的主永磁体的极性对齐。
第一方面的设备不同于现有技术装置，在于替代先前认为是掩模元件的必要特征的非顽磁性材料，使用永磁体掩模，其中它的极性不与主永磁体的极性对齐。已经发现，与如现有技术中使用非顽磁性材料相比，将磁体材料用于掩模可以产生增加的磁场梯度和/或改进的磁场引导。增加的梯度可以对多种磁体设备应用具有优点，包括本文描述的多种实例。此外，使用磁体而不是非顽磁性材料意思是磁体的总体积保持不变并且可以更容易控制磁场的形成。
另外的掩模可以具有与主要的两个永磁体类似的材料，其中磁体的磁各向异性超过磁体的材料的磁感应。
磁体掩模的极性不与永磁体的极性对齐。这确保磁体掩模的磁场可以引导磁体设备的磁场，从而影响场强，和/或磁体掩模的磁场对抗磁体设备的磁场，以便影响磁场的梯度。极性可以不与主永磁体的极性对齐至少10°，例如20°或更大和可能45°或更大。
在一些实施方式中，例如其中需要磁体梯度的最大改变，例如，磁体掩模具有与主永磁体的极性相反取向的它们的极性或在相反取向的30°内，优选地在20°的相反取向内。例如，可以在下面具有多个磁体掩模的几何结构中使用此布置。因而，在主永磁体在掩蔽的末端表面处具有其南极的情况下，则另外的掩模(一个或多个)将具有面向末端表面(任选地嵌入其中)的其南极和面向与主永磁体的南极相同方向的其北极。
在可选的布置中，使磁体掩模的极性与磁体设备的磁场的方向对齐可能是有利的，例如通过使掩模的极性处于永磁体掩模的极性的垂直方向或在垂直的30°内，优选地在垂直的20°内，即在与其70-110°处。这允许掩模的磁场引导主永磁体的磁场，从而增加间隔处的峰磁场强度。在此布置中，掩模在间隔任一侧处的极性优选地彼此对齐。掩模可以例如具有在各自的主永磁体的70-110°和250-290°处的N-S方向，其中跨越主永磁体的末端表面的N-S方向以北极——其在主永磁体在末端表面处具有其南极的那侧处——取向，并且跨越主永磁体的末端表面的N-S方向以南极——其在主永磁体在末端表面处具有北极的那侧处——取向。
其它布置当然是可能的，并且在不同情况下，可以取决于期望的效果选择不同的对齐。
永磁体掩模可以采用任何形式，例如，如下面描述的几何结构，并且它可以与非顽磁性掩模组合使用。
任选地，掩模(一个或多个)可以被嵌入磁体内和/或具有不同的厚度。任选地，掩模(一个或多个)具有最大厚度，其大于各自的磁体的厚度的十分之一。此对最大厚度的限制可以与使用嵌合的/不同厚度的掩模，或与非嵌合的和恒定厚度的掩模组合应用。
使用此布置，磁场的特性与现有技术布置比如US 2010/0012591的那些比较得到改进，US 2010/0012591以恒定的厚度使用非顽磁性材料的掩模并且具有非嵌入且平的掩模，其中较薄的掩模作为优选的实施方式。非顽磁性薄掩模可能容易变得饱和，导致差的性能。此问题在由永磁体材料制成的掩模的情况下不出现。掩模的几何结构也是重要的。具有不同厚度的掩模和/或将掩模嵌入磁体已经被发现在磁场中产生改进。掩模的最大厚度是放置在磁体上的掩模的最大厚度，包括嵌入磁体中的任何厚度以及在磁体的最大程度以上延伸的任何厚度。
在一些实例中，使用不同的厚度和/或嵌入，以便掩模的暴露表面与磁体的暴露末端表面在邻近间隔的掩模的边缘处交汇和相交，例如以便在表面之间不存在‘阶梯’。在此情况下，掩模的暴露表面是掩模的主表面，并且在实例实施方式中在掩模交汇间隔的地方可能不存在掩模的侧或边缘表面。表面的交汇点处掩模表面的切线和磁体表面的切线之间的角度可以小于60度，优选地小于45度和更优选地小于30度。在掩模被完全嵌入磁体的情况下，则切线之间的角度可以是大约零度。通过去除间隔处的‘阶梯’，允许可进入的有效面积(active area)例如可以放置样品的区域更接近磁场将较高的磁体。
在一些情况下，还优选的是掩模每个具有最大厚度，其大于间隔宽度的一半或大于间隔的全宽度。这可以帮助避免掩模的饱和，但是在一些情况下，例如使用较薄的磁体，则比间隔宽度更薄的掩模可以是有效的。掩模的厚度将通常比间隔的宽度小五倍。因而，掩模的厚度可以是间隔的宽度的半倍和五倍之间，或可能间隔的宽度的一倍和五倍之间。
掩模与各自的磁体的厚度(即磁体从其第一末端至其第二末端的深度)比较可以是相对厚的。在一些实例中，掩模的厚度可以大于磁体的厚度的五分之一，更优选地大于三分之一，并且可能大于一半。如上面记载的，掩模的厚度对避免饱和是重要的，并且因此可以基于相关磁体的厚度有益地设定最小厚度。在现有技术中，例如在US 2010/0012591中，掩模厚度总是显著小于磁体的深度的十分之一。
虽然相对厚的掩模具有优点，但是应当注意这不是必不可少的。对于一些用途，例如需要相对低的磁场的磁力轴承或应用，可以使用较薄的掩模。
通常，将环绕两个磁体之间的接合处对称布置磁体设备，其中磁体组和相关联的掩模具有基本上相同的尺寸，并且间隔在接合处上居中。因而两个磁体可以具有相同的厚度和形状并且两个掩模可以具有相同的厚度和形状。这给出对称的磁场。然而，对于一些应用，可以使用非对称的布置，以便提供非对称的磁场，例如用于磁力轴承中非对称的力或当使用两个相对组的磁体时用于制作成对组的非对称场，如下面更详细描述的。因此，在本文讨论掩模形状的地方，应当理解这可以在具有相同形状的两个或更多个对称的掩模或任选地形状和厚度可以不同的两个或更多个不同的掩模的背景中。
可以存在两个掩模，每个磁体上一个，其中在掩模之间形成间隔。这是用于提供高强度磁场的优选的布置。在另一种布置中，可以存在彼此分隔开并且以条带放置在两个磁体的末端表面上其间具有间隔的多于两个掩模。这可以在磁场梯度中生成增大的峰。还可能具有单个掩模，其中间隔在接合线上方形成为掩模内的孔。进一步的可能性是具有在两个磁体的末端表面上以阵列放置的许多小掩模比如圆柱体或圆盘形掩模，例如作为一系列离散的掩模——其中两条线沿着接合线的任一侧，或作为跨越磁体的表面延伸的阵列。离散的掩模可以是任何形状。应当注意仅仅需要磁体的部分末端表面被掩模覆盖。还可以存在磁体的末端表面不被掩模覆盖的一个区域或数个区域。
使用两个主永磁体是最低的并且设备可以包括多于两个主永磁体以及多于一个间隔。可以存在并排布置的三个或更多个主永磁体，其中邻近的磁体具有相反取向的极性，并且每个主永磁体的掩模具有沿着并排的主永磁体之间的每个接合线的间隔。因而，例如，可以存在三个主永磁体以及两个接合线并且因此两个间隔，或四个主永磁体以及三个接合线并且因此三个间隔。此布置可以产生具有高磁场和/或高磁场梯度的多个区域。每个掩模和每个主永磁体可以与其它掩模/主永磁体相同，或掩模和主永磁体可以在形状和大小上变化。
间隔宽度相对于主永磁体的深度的大小也可以是重要的，以便避免掩模的饱和。因此，在优选的实例中，间隔宽度可以大于主永磁体的厚度的十分之一，更优选地大于五分之一，任选地大于三分之一并且可能大于一半。因而，在一些实施方式中，间隔宽度和掩模的厚度二者与主永磁体的大小比较是相对大的，并且主永磁体的厚度在间隔的宽度的一倍和五倍之间。
掩模以及间隔的绝对大小可以取决于磁体设备的规模变化。对于典型应用，掩模可以是至少0.5mm厚，优选地多于1mm厚和/或间隔可以是至少0.5mm厚，优选地多于1mm厚。
掩模可以被嵌入主永磁体中，或它们可以具有不同的厚度，或掩模可以包括嵌入的零件和不同的厚度二者。
一个或两个掩模可以具有嵌入各自的主永磁体中的凹槽中的部分或整个其深度。嵌入的意思是至少部分掩模被凹陷入磁体超出磁体在间隔处的程度。因而在间隔处存在掩模的嵌入零件并且较厚的地方，主永磁体可以是事实上较薄的。凹槽可以具有恒定的深度，例如其中矩形剖面的掩模嵌入磁体的顶部中。可选地，凹槽可以具有不同的深度和任选弯曲的下表面，以容纳不同厚度的掩模。掩模可以包括一个单位零件，其中部分该零件嵌入主永磁体中并且部分延伸超出主永磁体在间隔处的程度。一个实例实施方式包括掩模，或部分掩模，其中矩形横截面嵌入主永磁体的相应横截面的凹槽中。
掩模在一些实例中具有不同的厚度。任选地，掩模既被嵌入又具有不同的厚度。使用不同的厚度允许改进的磁场。一些可能的布置使用具有的楔形或三角形横截面的掩模。接近间隔的掩模的厚度优选地小于掩模的最大厚度。因而，掩模中的一个或两个可以具有接近间隔的渐变的厚度，例如具有梯形横截面的掩模——其中梯形的平行的边形成暴露和嵌入表面以及至少梯形接近间隔的末端具有成角轮廓。如果掩模被嵌入，则梯形横截面应当具有掩模的外表面处的锐角内角和掩模的嵌入表面处的钝角内角。一个或两个掩模可以具有弯曲的表面。弯曲的表面可以是掩模的暴露表面并且相反的表面是平的并且面对主永磁体的平表面。这可以容易制造，因为掩模材料将通常相对容易以弯曲形状制造，例如通过机械加工和/或铸造，而磁体材料可能更难以形成为曲线。然而，可以有益的是具有与掩模的弯曲的或平的暴露表面组合的凹陷入主永磁体弯曲的下表面。
掩模的弯曲表面可以包括凸形表面。一个优选的布置使用具有的圆形暴露表面的掩模，以便掩模具有被圆弧包围的横截面，比如，例如圆圈或抛物线的圆弧。
掩模的弯曲表面可以包括凹形表面。一个优选的布置在掩模中包括弯曲的开凿剖面，例如，其中弯曲的开凿剖面由圆弧比如圆圈或抛物线的圆弧限定。使用弯曲的开凿剖面允许掩模和任选地主永磁体紧密地适配于弯曲的容器，比如样品容器。使用此布置，主永磁体优选地在它们在间隔处暴露的地方也具有对应的弯曲表面。一种可能性是掩模和任选地以及主永磁体具有开孔，其一起形成集中在主永磁体之间的接合处上的圆柱体的圆周的部分。在此情况下，掩模可以容纳圆柱体容器并且在圆柱体容器内形成的磁场可以被有效地使用，例如用于分离颗粒，包括分离流体中的分子。
在一些情况下，掩模(一个或多个)可以包括材料层。例如，掩模(一个或多个)可以包括使用不同材料的夹心结构，比如最接近磁体的高饱和、低磁导率材料，接着是中饱和与中磁导率材料层，和接着是低饱和、高磁导率材料。
在一些实例中，设备包括掩模，其具有与主永磁体接触的一个表面、在掩模的另一个表面处的空气间隔、和超出空气间隔的进一步的掩模层。这可以重复，具有另外的间隔空气和另外的掩模层。空气间隔可以具有不同的厚度。进一步的掩模层(一个或多个)可以具有不同的厚度。进一步的掩模层(一个或多个)可以是永磁体材料或它们可以是非顽磁性材料。
具有另外的层也可以是有利的。因而，设备可以包括并排的主永磁体以及掩模，其中掩模具有与各自的主永磁体接触的掩模的一个表面，并且设备在每个掩模的另一个表面处包括另外的磁体层。另外的磁体层优选地具有与掩模之间的间隔一致的它们之间的间隔。可以存在放置在另外的磁体层之间的间隔中的进一步的掩蔽元件。因而，设备可以在间隔处，在主要的并排磁体，在这些磁体上的两个掩模，在两个另外的磁体和在进一步的掩模元件——其在另外的磁体之间的间隔中——之间形成包围的空间。还应当理解此特征不限于使用以单个间隔并排的仅两个磁体，可以存在如上面讨论的多于两个磁体以及多于间隔，和每个主磁体的另外的磁体层。在掩模和另外的磁体层之间可以存在空气间隔。另外的磁体层可以具有其自身的掩模和/或架。
并排的主永磁体可以被安装在架上，所述架在与掩模的相反末端处与主永磁体接合。因此，架可以形成两个主永磁体的共同基座。架可以由非顽磁性材料制成，例如软铁材料。可选地，架可以由永磁体材料制成，优选地其极性与磁场的方向对齐，即其中架的北极朝向主永磁体的南极在与掩模的相反末端的侧定向，并且架的南极朝向主永磁体的北极在与掩模的相反末端的侧定向。架支持主永磁体并且还在掩模的间隔处改进在相反末端处形成的磁场。架的厚度可以类似于掩模的厚度，例如架可以在掩模的厚度的一半和掩模的厚度的两倍之间。架优选地具有不同的厚度，并且它在一些实例中可以具有与掩模类似的形状。还应当注意架不需要延伸跨越主永磁体的整个表面，并且可以仅部分覆盖磁体。可选地，架可以延伸跨越主永磁体的整个表面并且还围绕主永磁体的侧面，任何地与掩模接合，使得主永磁体被完全包围，除沿着接合线的间隔处以外。
架可以具有跨越两个主永磁体的宽度延伸的大体上矩形的形状。可选地，架可以具有圆形形状，例如其中平表面面对两个主永磁体的平末端并且弯曲表面作为架的外表面。例如，弯曲表面可以由圆弧比如圆圈或抛物线的圆弧限定。弯曲的或矩形的架可以与任何形状的掩模组合。一个优选的组合使用弯曲的和嵌入的掩模以及弯曲的架。
磁体设备可以包括两个磁体掩模连同两个掩模中的每个旁边的另外的掩模，另外的掩模更远离且接合线沿着主永磁体的末端表面与两个掩模分隔开。因而，原始的两个掩模形成两个中央掩模，而另外的掩模在两个中央掩模的任一侧处分隔开并且两个主永磁体的部分末端表面在两个中央掩模和另外的掩模之间暴露。可以存在均彼此分隔开的多个另外的掩模，以便在两个主永磁体的表面上产生一系列掩蔽的和未掩蔽的区域，例如在每侧上可以存在六个或更多个另外的掩模。此布置导致高梯度磁场的重复增加和降低，以及磁场中重复的峰，并且得到的布置在多种领域中有益处，例如当分离颗粒时，或当试图产生磁力轴承时。
另外的掩模可以被嵌入两个主永磁体内和/或具有不同的厚度。另外的掩模可以在一些情况下均具有相同的大小和几何结构。它们可以具有与两个中央掩模类似的宽度。它们可以以与两个中央掩模类似的深度被嵌入，但是还可以使用不同的深度。
另外的掩模的材料可以是如上面关于现有技术描述的非顽磁性材料。可选地，另外的掩模可以有利地由顽磁性(magnetically retentive)材料制成，例如永磁体材料，其中掩模的磁体的极性与主永磁体——其以关于其它磁体掩模相同的方式被掩蔽——的极性比较逆转。
虽然本申请的附图中描绘的优选的实施方式将大体上矩形的磁体显示为主永磁体时，但本发明的实例不限于此几何结构并且在一些实例中可以使用非矩形的磁体，比如具有不同厚度的磁体和/或弯曲的磁体。当磁体具有不同的厚度和/或曲线时，则应当相应地改造掩模(和任选的架)的几何结构。例如，如果在具有管状配置的装置中使用磁体，则它们可以被形成为管的圆形圆周的弯曲的磁体形成零件，或它们可以具有成形为圆圈的扇区或区段的横截面。磁体的曲率或不同厚度还可以在两个轴中，例如以形成球体或其它的立方体的扇区或区段。
如上面描述的，磁体设备可以具有仅单组邻近的主永磁体并且因此可以由仅两个或更多个并排的具有掩模的磁体构成。例如，这样的设备在分离颗粒中具有效用。多组磁体和掩模可以与工作流体的流动串联放置，例如包括用于分离的颗粒的流体，其在该系列组的磁体上方流动。
还可能使用两个相对组的磁体，并且在一些优选的布置中，磁体设备因此包括第一组主永磁体与掩模，以及第二组主永磁体与掩模，第一组磁体和第二组磁体面向彼此并且两个间隔平行。此布置类型可以在一些情况下提供增强的材料分离，其可以使用如下取向的磁体，使得两组主永磁体的磁场彼此排斥，或使用如下取向的磁体，使得磁场彼此吸引。可以存在包括的进一步组的磁体，例如通过具有在彼此的顶部上堆叠的重复的磁体设备。
非平行的间隔还可以具有一些益处。例如如果两个间隔是垂直的，则将存在两组磁体的磁场彼此排斥的区域，和磁场吸引的区域。这在一些应用中可以是有用的，例如当分离某些相异类型的颗粒时。
两组磁体可以被布置用于环绕沿着接合线的法向延伸的轴的相对旋转移动。因而，磁体可以能够从磁场排斥的取向旋转至磁场吸引的取向。
此布置还可以形成磁力轴承的基础，在该情况下，两组磁体的磁场应当被布置以彼此排斥，以便维持机械零件之间的分离。在轴承的情况下，可以存在两个相对组的磁体的多个组群，例如布置用于轴杆中的旋转移动，其中该组磁体沿着磁体之间的接合处的线相对于彼此移动，使得总是存在排斥力。下面更详细地讨论了磁力轴承的可能的布置。
当使用两个相对组的主永磁体时，则两组磁体应当面向彼此，以便每组磁体的掩模的外表面面向彼此。可以使用两个类似组的主永磁体，每组中的磁体和掩模具有类似的形状和大小，因而允许对称的组合场。可以布置两组主永磁体，使得对齐间隔，或可选地间隔可以偏移。偏移间隔可以通过使较大的区域具有需要的磁场特性来增加有效面积。
不需要相对于工作元件比如具有待分离的颗粒的容器固定主永磁体的取向。磁体设备可以包括旋转轮，其允许主永磁体和掩模在平面内旋转。因而，主永磁体和掩模可以环绕与磁体末端面正交延伸的轴旋转。旋转和相对移动可以产生改进的分离效果和/或允许某些颗粒或其它物体到处机动。在两对磁体的情况下，可以有利的是，相对于一对旋转另一对，使得间隔从与彼此排斥的磁场平行转动至垂直、至与彼此吸引的磁场平行、至垂直并且返回至第一平行取向。另外，这可以允许颗粒或其它物体被操纵。
不是使用架或其它基座，磁体对可以在两个末端面上具有掩模，因而生成双侧布置。这在使用多级的装置中可以是有用的，例如用于多级分离颗粒，这是由于相同的磁体可以被用于分离过程的两个阶段，即流动路径可以首先沿着一对磁体的一侧，并且然后沿着该对磁体的相反侧。可以在磁体的两侧上使用不同的掩模设计，以便生成不同的磁场。
上面讨论的磁力设备可以被用于分离颗粒，例如用于分离具有不同顺磁性和/或反磁性性质的不同类型的颗粒。在进一步的方面，本发明因此扩展至包括磁体设备的颗粒分离器。颗粒分离器可以进一步包括用于容纳待分离的颗粒的样品容器或样品板。颗粒可以是流体内不同类型颗粒的混合物。颗粒可以是流体内的分子，而磁力设备因此被用于分离流体中的分子，比如用于分离气体。样品容器或板可以装备有用于振动容器或板的振动器。这可以帮助分离颗粒。分离器设备可以被用于生产电子学、冶金学和化学中的清洁和超纯物质与材料，分离生物学和医学中的生物学对象(红细胞、“磁性细菌”等)，从水去除重金属和有机杂质等。
磁体设备可以被用作高灵敏度磁力分离器，用于从反磁性物质和材料分离不同类型的顺磁性物质和材料，用于按照它们的顺磁性磁化率的量级细分顺磁性物质和材料，并且还用于按照它们的反磁性磁化率的量级细分反磁性物质和材料。
非顽磁性意思是非顽磁性掩模——当存在时——以及任选地架的材料基本上不具有磁场的顽磁性，以便材料在去除磁场后的剩余磁化强度基本上是零。软磁性(magnetically soft)材料可以被用于非顽磁性材料，例如可以使用软铁或铁合金。可能的铁合金包括镍铁合金或硅铁合金。在一些实例中，掩模(和优选地架)包括钒帕明杜尔高磁导率铁钴合金或已知为苏帕门杜尔软磁合金的类似的钒-钴-铁合金。
例如，用作主永磁体和/或用于磁体掩模的磁体可以由Nd-Fe-B、Sm-Co、或Fe-Pt制成。
在进一步任选的布置中，可以在磁力轴承中使用如上面描述的第一方面的磁体设备和其优选的/任选的特征。磁力轴承可以包括：第一和第二承载表面；和每个承载表面上至少一个如上面讨论的磁体设备，其中第一承载表面上的磁体设备提供的磁场与第二承载表面上磁体设备的磁场相对。
优选地，布置磁力轴承，以便第一和第二承载表面在力学平衡中彼此磁力排斥。力学平衡意思是第一和第二承载表面当静止时处于静力平衡，并且当运动时稳定地支撑轴承负荷。不存在可能引起相对的磁体组件移动成它们不能支撑轴承上的静态或动态载荷的配置的不稳定性，并且具体而言，不存在可能引起磁体组件移动成存在磁吸引而不是磁排斥的位置的不稳定性。优选地，力学平衡使得轴承维持第一和第二承载表面之间稳定的分离距离。
两个承载表面优选地彼此接近，这是由于此类型的磁场的强度随着距离急剧降低。因此，在优选的实施方式中，两个承载表面之间的分离/间隙(在相对的磁体组件的位置处)是小的，例如小于0.5mm，优选地小于0.4mm和更优选地小于0.2mm。出于磁排斥的目的，对分离不存在最小值，但是明显地需要最小值以允许制造公差并且还提供一定程度的未对齐或用于轴承支撑的零件。因此合适的最小间距可以是0.005mm，更优选地0.01mm。
在一个实例实施方式中，主永磁体的横截面是大体上矩形的并且掩模由沿着矩形的边缘的表面上的永磁体材料的两个板构成。此布置中的间隔由沿着主永磁体的接合线的在两个掩模板之间的间距形成。掩模可以置于主永磁体上，以便间隔是通过掩模的边缘与两个相反侧和通过磁体的暴露的部分与第三侧接界的空气间隔。可选地，掩模可以被设定入主永磁体中的凹槽。以便磁体的暴露的部分突出入间隔并且部分地或完全地填充间隔。后一个布置允许轴承具有光滑表面，其可以减少风阻损失。掩模和主永磁体可以任选地采用上面描述的任何其它几何结构。
提出的磁力轴承可以被用作任何类型的轴承，包括旋转或滑动轴承，支撑轴杆的轴承，支撑轨道上的移动体或用于在机床上自由滑动运动的轴承，铰链轴承，球形(球)接头等。下面讨论的实例磁力轴承和具体而言在附图描述和优选的实施方式中陈述的实例并非意图是限制性的。将利用相对的磁体对的基本原理替换为高梯度磁场区可以适用于许多适当的轴承应用。因而，承载表面可以是大体上平的表面，其中相对的磁场来自大体上平的磁体组件，或承载表面可以是圆柱形的，其中圆柱体磁体组件提供排斥力以在旋转期间支撑轴杆。轴杆还可以被磁体组件——其沿着管状承载表面的长度，例如在圆管中——的布置支持以便滑行移动。
在简单的布置中，其可以被用于旋转或滑动轴承，第一承载表面上磁体设备的接合线与第二承载表面上磁体设备的接合线对齐、平行和直接相对。这提供了磁场的直接对齐并且因此提供了强排斥，但是存在不稳定性的风险，并且因此在此布置中，轴承优选地还包括制约机制以确保两个接合线保持对齐。例如，机械装置可以约束承载表面，以便它们不能远离对齐移动。在更优选的布置中，其避免机械摩擦和磨损的潜在缺点，进一步的磁力轴承被用于约束承载表面。在一个具体的实例中，环形磁体设备被用于形成轴承，其将经由支撑主轴承的轴杆上的环或圆盘支持轴向力。
在一些优选的实施方式中，接合线是平行的但是第一承载表面上磁体设备的磁场的中心与第二承载表面上磁体设备的磁场的中心少量偏移。这允许通过磁体设备的适当的几何结构和/或通过使用另外的磁体设备或机械轴承产生稳定的排斥。磁场具有增加偏移的倾向并且这可以是相对的以确保稳定性。应当基于磁场的强度和大小选择偏移，需要的承载能力和磁力组件的数目被用于给轴承提供排斥力。在典型的情况下，偏移可以在0.005mm至0.4mm，更优选地0.01mm至0.2mm的范围中。
例如，环形磁体设备可以装备有圆形接合线和由直径差异提供的接合线之间的偏移。使用此实例，承载表面之一的磁场将同心地置于另一个的磁场内，并且这将形成稳定的推力轴承，用于支撑用于旋转移动的轴杆。
在另一个实例中，磁力轴承可以在每个承载表面上包括至少两个磁体设备，优选地一对或多对磁体设备，其中第一和第二承载表面上第一组相对的磁体设备在第一方向中彼此偏移，并且第一和第二承载表面上第二组相对的磁体设备在相反方向中彼此偏移。因而，以横截面观看磁场，第一组磁体设备可以具有在一个之上的另一个场并且上场的中心位于下场的中心的左边，而第二组磁体设备可以具有在一个之上的另一个场并且上场的中心位于下场的中心的右边。第一组磁场的偏移产生上磁体组件向左移动的倾向，但是这与第二组的上磁体设备向右移动的倾向相对。该布置因此是稳定的。两组磁体设备平行于沿着一个承载表面的磁场的中心的线——其恰好在沿着另一个承载表面的磁场的中心的线内——延伸。这可以被呈现为滑动轴承——在该情况下平行线将如同轨道，或呈现为旋转轴承——在该情况下平行线形成嵌套环。
在可选的布置中，第一承载表面上磁体设备的接合线与第二承载表面上磁体设备的接合线成角度，优选地大约45度的角度和更优选地相对的磁体设备的接合线是垂直的。使用此布置，两个接合线的交点提供了排斥力的位置。当使用此类型的非平行布置时，优选地在每个承载表面上具有多个磁体设备，以便产生多个交点。然而，应当注意当与具有相反螺旋的第二圆柱形承载表面一起使用时，在圆柱形承载表面上以螺旋形成的单个磁体设备可以提供需要的多个交点。
非平行磁体设备可以被用于滑动轴承以便线性移动，例如通过提供四个或更多个交点以在平的承载表面给出稳定的支撑。可以通过如下提供四个交点：在第一承载表面上具有两个平行磁体设备和在第二承载表面上具有两个平行磁体设备，并且布置承载表面，使得各个磁体设备彼此成角度。作为设备组件的大量平行磁体可以被用于生成大的交点网格。
其它优选的实施方式将螺旋形接合线用于磁体设备，其中一个或多个磁体设备环绕第一圆柱形承载表面形成顺时针螺旋并且一个或多个磁体设备环绕第二圆柱形承载表面——其被布置以与第一承载表面同心——形成逆时针螺旋。使用此布置，交点环绕圆柱体的表面形成网格。这样的布置允许滑行和旋转移动二者，并且针对滑行和旋转运行仍处于平衡。在需要两种类型的移动时，这可以是显著的优点，例如当轴杆应当支持旋转同时允许轴向游动时。如果需要允许仅旋转或仅滑动，则螺旋布置可以与机械或磁力布置组合以制约承载表面相对于彼此的移动。
在进一步可选的实施方式中，磁体设备可以被布置以环绕内和外承载表面给出相同方向的螺旋接合线。此布置可以有利地产生螺杆轴承，用于引导和支持一个零件相对于另一个的螺旋移动。
使用每个承载表面上多个磁体设备，可以以相同的取向放置磁体设备以具有N-S并且然后N-S。可选地，取向可以是交替的，使得布置是N-S并且然后S-N。对提出的轴承重要的是在相对的表面上，磁体设备具有相对的极性。假设这被满足，则可以根据需要选择每个表面上的取向。在一些优选的实施方式中，多个磁体设备被邻近彼此放置并且磁体设备之间的接合线被用于提供另一个集中的磁场。例如，三个邻近的磁体将具有两个接合线并且因此可以在两个接合线中的每个处具有掩模中的两个间隔。在圆柱形承载表面中，可以环绕圆柱体的圆周放置两个或更多个磁体以提供两个或更多个接合线，并且再一次，可以布置掩模以针对每个接合线具有间隔。
为了产生磁体设备的圆形或弯曲几何结构，例如为平面上的圆圈或环绕轴的环的接合线，则磁体设备可以包括弯曲的磁体和/或接合在一起的多个磁体。
如上面描述的，与永磁体的深度比较，掩模可以是相对厚的掩模，但是这对用于磁力轴承不是必不可少的。掩模可以具有0.005至2mm，更优选地0.01mm至1mm的范围中的厚度。不同磁体设备的厚度可以变化。间隔的宽度可以在范围0.005至2mm中，优选地在范围0.01至1mm中，并且此宽度沿着接合线的长度优选地是恒定的。优选地，间隔对称地延伸至接合线的任一侧。
从第二方面看，本发明提供了生成高梯度和/或高强度磁场的方法，其包括提供如上面第一方面讨论的磁体设备和/或任选的/优选的其特征。磁场可以被用于多种目的。一个优选的用途是用于分离颗粒，并且另一个优选的用途是作为磁力轴承。该方法可以是通过提供为排斥力而布置的多个磁体设备来制造磁力轴承的方法。可选地，该方法可以是用于分离颗粒的方法，其包括：使用如第一方面的磁体设备；和使待分离的颗粒暴露于由磁体设备生成的磁场。
此方法中使用的磁体设备可以具有上面关于第一方面讨论的任意或所有特征，除与磁力轴承相关的专门特征以外。方法可以进一步包括搅动颗粒，例如经由振动，以便促进其分离。方法可以使用经过或围绕磁体设备的具有颗粒的流体的流动。颗粒可以是具有不同顺磁性和/或反磁性性质的颗粒并且因此方法可以包括从反磁性物质分离顺磁性物质，和/或取决于它们的顺磁性磁化率细分顺磁性物质，和/或取决于它们的反磁性磁化率细分反磁性物质。方法可以被用于生产电子学、冶金学和化学中的清洁和超纯物质与材料，分离生物学和医学中的生物学对象(红细胞、“磁性细菌”等)，从水去除重金属和有机杂质等。在一些优选的实例中，颗粒是纳米颗粒。在其它实例中，颗粒是分子。
附图说明
现在将仅借助实例和参考附图描述本发明的某些优选的实施方式，其中：
图1是两个并排的磁体的Kittel开放磁畴结构的图示；
图2是Kittel开放磁畴结构中磁场线的图解；
图3显示了在优选的实施方式的磁力轴承中使用的磁体组件中的磁场线；
图4是在优选的实施方式的磁力轴承中使用的磁体组件的横截面；
图5显示了将两对偏移磁场用于稳定的磁力轴颈轴承的横截面；
图6是图5的布置的变型的横截面；
图7显示了磁力轴颈轴承——其具有用于径向力的单组磁体组件和充当用于轴向力的推力轴承的另一组磁体组件——的横截面；和
图8是使用螺旋形磁体组件的磁力轴承的实例。
图9显示了在相对薄的掩模的情况下的磁场线；
图10a图解了具有嵌入的掩模的磁体设备的磁场线，其中该掩模的磁极性与下方的掩模的极性相反；
图10b显示了具有嵌入的掩模的磁体设备的磁场线，其中该掩模的磁极性垂直于下方的掩模的极性；
图10c显示了图10b的设备中磁体的极性的方向；
图11显示了具有弯曲的掩模的磁体设备的磁场线；
图12显示了使用如图5中嵌入的掩模和如图6中弯曲的掩模二者的磁体设备的磁场线；
图13至15显示了具有如图9、10和11中的两个磁体对的磁体设备；
图16显示了在具有凹面弯曲的凹槽的掩模的情况下的磁场线；
图17显示了具有如图16中的两个磁体对的磁体设备；
图18a至18e显示了可选的架设计(没有掩模)以及磁体大小改变的效果；
图19是具有三个并排的磁体的磁体设备的实例；
图20图解了在掩模的顶部上使用额外的磁体；
图21显示了图20的设备的场线；
图22是掩模的可能的几何结构的进一步的实例；
图23和24显示了当使用非顽磁性掩模时类似于图4中显示的磁体布置的磁场和梯度；
图25显示了模拟的实例几何结构的磁通量密度，其中非顽磁性材料的两个中央掩模两侧是一系列由永磁体材料制成的另外的掩模；
图26和27显示了模拟的图25的磁体布置的磁场和梯度；
图28显示了模拟的实例几何结构的磁通量密度，其中非顽磁性材料的两个中央掩模两侧是一系列由永磁体材料制成的另外的掩模；
图29和30显示了模拟的图54的磁体布置的磁场和梯度；
图31显示了仅使用非顽磁性掩模的布置；
图32和33显示了图31布置的模拟的磁场强度和梯度；
图34显示了具有与图31类似的几何结构并且使用永磁体掩模的实例；
图35和36显示了图34布置的模拟的磁场强度和梯度；
图37和38显示了原型磁体布置，其类似于模拟的图25和28的布置，除省略非顽磁性磁体以外；
图39和40显示了原型磁体布置，其与模拟的图25和28的布置相同；
图41显示了使用具有5mm深度的两个窄的中央掩模和不使用另外的掩模的另一个实例几何结构的磁体场线；
图42显示了使用正方形掩模的阵列的另一个实例几何结构；和
图43图解了进一步的几何结构，其中非顽磁性掩模与永磁体掩模组合使用。
具体实施方式
本发明涉及具有高磁场梯度的磁体设备。磁体设备在Kittel开放磁畴结构使用具有相反极化的两个永磁体。参照图1在下面描述了基本原理。根据优选的实施方式的磁体设备在磁体上使用掩模，其中掩模由磁体材料制成，并且其极性不与下方的掩模的极性对齐。这样的设备可以被用于多种应用，包括磁力轴承或用于从流体或从其它颗粒分离颗粒的分离器。下面描述了聚焦于这些应用的实例。还存在其它应用，例如，分离流体中的分子比如以如US 4704139中的从彼此分离气体，或使用电磁感应生成电流。在两种情况下，大的磁场强度和/或大的磁场梯度将提供优势。
磁力分离的基本要素是磁力，其作用于物质的颗粒并且其与物质的磁化率、磁感应的值B和施加的磁场梯度的值▽B成比例。因此，增加磁力分离的灵敏度和选择性将需要使用最可能高的磁感应和磁场梯度的值，或它们的联合系数-乘积B▽B。此乘积B▽B是与磁力分离的灵敏度和选择性相关的参数并且它不是排斥力本身，其是更复杂的表述。增加并且还控制乘积B▽B是有利的，以便取得改进的磁力轴承。
图1显示了Kittel开放磁畴结构形式的磁系，其具有相反磁化的两个永磁体2、4。在这样的系统中，靠近接合磁体的面的边缘，出现由去磁因数张量的非对角矩阵元引发的强杂散磁场，并且乘积B▽B的值可以达到1011mT2/m。在磁体的表面上，在接合面的上边缘区中，以分量Hy(x,z)、Hz(x,z)和Hx(x,z)出现强杂散磁场。分量Hy(x,z)由于系统的几何结构等于零，垂直分量Hz(x,zk)包括小于一般的磁体材料的感应值，并且可以通过如下表达式描述在本案中最感兴趣的水平分量Hx(x,z)：
Hx(x,z)＝Ms[ln(a2+z2+2ax+x2)-2ln(x2+z2)+ln(a2+z2-2ax+x2)]
其中：
Ms是磁体的磁化饱和，并且
a是磁体沿着0x轴的大小(参见图1)。
它由此表述产生：在平面z＝0上，在点0处，杂散场的水平分量力求为无穷大。结果，在小区域-0.1a×0.1a中，沿着杂散磁场的水平分量的接合磁体的线产生突然跳变，其由图1中的虚线注释，其强度可以比磁体材料的感应强数倍。
描述的磁系的重要实践特征是如下事实：杂散场Hx(x,z)具备高梯度，其在靠近点0的区域可以达到106-109mT/m的值。在此系统中，乘积B▽B的值可以达到1011mT2/m。此磁系的缺点是不可能控制产生的磁场的形式和梯度。
本文优选的实施方式使用掩模以解决此问题和相当地增加分离区中的乘积B▽B的量级并且还调节乘积B▽B，其给出将高杂散磁场用于产生磁力轴承的实践可能性。
图2和3中的图示展现了与已知的开放磁畴结构比较磁场配置中的改变，其当掩模6被添加在两个磁体2、4顶部时被实现，如图3中。在此磁系的情况下，在由掩模6的板之间的间隔8形成的区中存在磁场的集中(concentration)，并且还存在磁场线的形状改变，以及磁体的接合侧的边缘附近的磁感应的量级和部分改变。因而，使用如本文描述的掩模6使得可能相当地改变磁场的参数。掩模6由磁性材料——其极性与下方的磁体的极性不对齐，在此情况下具有相反的极性——制成。图4至8的实例还使用具有相反极性的磁体材料的掩模，但是应当理解也可以使用不同的极性方向，比如垂直方向，如关于图10b和10c在下面讨论的。
图4图解了以横截面显示的实例磁体设备的主要特征。以相反的极取向邻近彼此放置相同大小和强度的两个永磁体2、4。在显示的实例中，右手磁体2具有面向下的其北极和左手磁体4具有面向上的其北极。磁体的第一末端表面(图4中显示的取向中的上末端)具有覆盖其的掩模6。此实例中的掩模6由非顽磁性材料的相对薄板——其在两个磁体的接合线处具有间隔8——制成。如下面讨论的，掩模6的其它几何结构是可能的。以相对于接合线的任一侧相同的程度对称地布置间隔8。基座板或架10在磁体2、4与掩模6的相反末端处。多种零件被支撑在基底12中，其在此实例中是承载表面的零件。磁体的布置导致间隔8处的高磁场梯度区，如由虚线14指示的。这给上面提及的乘积B▽B提供极大增加的量级。图4-8的实例将这用于磁力轴承中的排斥力。
将理解使用图4中显示类型的两个相对的和相反取向的磁体设备，则当两个间隔8对齐时将存在大排斥力。多种布置可以被用于利用此以给轴承提供磁悬浮。磁体设备沿着两个磁体2、4之间的接合线可以是大体上平的并且因此可以被用于线性/滑动轴承。可选地，磁体设备沿着接合线的线可以是弯曲的并且因此用于旋转轴承。如果合适弯曲的较大磁体不可用，则可以通过使用数个较小的磁体获得弯曲的布置。间隔8可以围绕圆柱体或圆盘的内或外表面延伸以制造用于轴颈轴承的环形磁体设备。间隔8可以在平表面上形成圆圈以制造推力轴承。在另一个替代方案中，可以布置磁体设备以沿着圆柱体的表面形成螺旋。
图5中显示了轴颈轴承的实例。轴杆16在轴承壳套18内定位。轴杆16具有两对磁体设备，其中以环形成磁体并且圆形间隔8面向轴杆16外。轴承壳套18也具有两个磁体设备并且这些具有面向内的间隔8。环状磁体设备中的每个具有两个磁体2、4，掩模6和间隔8，如关于图4描述的。给每个磁体设备提供基座板10并且通过轴杆16或轴承壳套18的材料提供支撑体12。磁场14跨越小间隙间隔朝向彼此延伸并且提供排斥力以负载承载力。将可见存在小偏移，以便轴杆磁体设备的磁场14的中心比轴承壳套磁体设备的磁场14的中心更紧密接近。轴杆16因此由磁体设备稳定地支撑并且由磁场的相互作用对抗任一轴向方向中的移动。因此，这提供稳定的力学平衡。
图6显示了图5布置上的变化，其中右手侧处相对的磁体处于相反的极取向。因而，在图5中，磁体的上排具有作为下极的N-S并且然后N-S，而在图6中磁体的上排具有作为下极的N-S并且然后S-N。任一种布置将产生与轴承相同的效力。
图7中显示了另一个实例。在此情况下，轴颈轴承，其支撑轴杆16，仅具有单对磁体设备并且这些具有它们的对齐的中心线，使得间隔8和磁场14彼此直接相对。磁体设备具有如关于图4在上面描述的相同特征。此布置本身将不是稳定的，这是由于远离对齐的任何移动将导致连续移动的倾向，直到最终排斥力将不足以支撑承载力。然而，在图7实例中，存在安装凸缘22在上并且充当推力轴承以抵抗任一轴向方向中的力的进一步的磁力轴承。将理解这可以被单独用作推力轴承(例如与作为轴颈轴承的滚珠轴承组合)并且它可以在适当情况下被替换为可选的轴承类型。
凸缘22上的推力轴承具有安装在凸缘上并且在凸缘22的两侧上形成圆形间隔8的圆形磁体。有利地，相同的磁体被用于凸缘的两侧。在此布置的情况下，不存在基座板10，但是反而主永磁体的每个末端具有掩模6和沿着磁体的接合线的间隔8。通常将存在一系列磁体以形成环绕凸缘22的环形状。在包围凸缘22的腔室中，安装至轴承壳套18的是具有面向内的圆形间隔8的环形磁体设备。两组相对的磁场可以被对齐或可选地可以存在小偏移。偏移，例如其中凸缘22上的磁体设备具有比轴承壳套18上的磁体设备稍小的直径，将给出较大的推力轴承稳定性。然而，在此实例中具有这个可能不是必不可少的，这是由于轴颈轴承和也可能轴杆(未显示)上的其它轴承将提供径向稳定性。
图8中显示了使用螺旋磁体设备支撑轴杆的承载表面的实例。轴杆16被容纳在轴承壳套18内并且它们装备有具有相反回转方向的螺旋磁体设备。在此实例中，轴杆16具有围绕轴杆16以第一防线卷绕的两个磁体设备，并且轴承壳套将具有围绕其内表面以相反方向卷绕的等价数目的磁体设备。内和外磁体设备上的间隔8彼此相交的交点将提供排斥以支持承载力。在此实例中，如通过轴杆的横截面可见的，当仅存在总计四个磁体的同时，尽管如此仍可能产生四个间隔8，这是由于磁体在两个横向侧上彼此接合。由轴杆材料提供磁体在轴杆16上共同的基座10。此布置将允许轴杆16的旋转和滑行移动二者。在应当允许仅一种类型的移动时，则可以包括另外的轴承或其它约束。
磁体设备的类似布置可以被用于多种其它目的，例如用于分离颗粒。下列文本描述了可以被用于分离颗粒，以及用于轴承装置，和其它用途的实例几何结构。
图9至12显示了多种可能的掩模设计的磁场线的实例。在这些实例中，存在如图3中的两个主永磁体2、4，以及在间隔8——其沿着两个主永磁体2、4之间的接合线——两侧的掩模6。设备还使用任选的架10，其充当主永磁体2、4的基座。在2D模拟软件PerMag8(Field Precision)中模拟不同的掩模设计。掩模6以及主永磁体2、4由永磁体材料比如Nd-Fe-B制成。可以使用其它类似的钴-铁合金，或其它顽磁性合金比如镍铁合金或硅铁合金。架19可以是材料比如帕明杜尔高磁导率铁钴合金或如由德国的VACUUMSCHMELZE GmbH&Co.KG制造的Vacoflux 48。其它类似的钴-铁合金可以被用于架10，或其它顽磁性合金比如镍铁合金或硅铁合金。在图9、10a、11和12中，掩模6的磁性材料具有与下方的主永磁体2、4相反的极性。在图10b和10c中，掩模6的磁性材料具有如图10c中描绘的垂直于主永磁体的极性，其中具有对齐的极性的两个掩模6作用以引导由主永磁体2、4产生的磁场。图10c还显示了架10中磁极性的方向。这可以是在非顽磁性架10中感应的磁场，或可选地，架10可以由类似于掩模6的永磁体材料制成。应当注意本文描述的后续实例使用与主永磁体2、4具有相反极性的掩模6，但是当然这不是必不可少的并且在一些情况下通过使用不同极性方向的掩模6将实现优点。
水平方向(平行于磁体表面)中的力预期朝向磁体的中心移动颗粒，同时垂直方向(垂直于磁体表面)中的力将朝向磁体的表面将颗粒拖拉出样品。当磁体设备被用于分离颗粒时，这些力均可以具有效果。
这些实例中主永磁体2、4的尺寸是7cm×5cm×1,5cm。样品被模拟为具有1mm的壁的样品容器，所以样品自身的直径是10mm。
不同掩模类型的效果是已知的，例如，如GB 1421078.5中显示的，其中测试显示嵌入的掩模6、弯曲的掩模6和嵌入的与弯曲的掩模6的组合的明显改进。使用磁体作为掩模材料增加场强度，但是其它效果保持不变，所以永磁体掩模6的嵌入的和弯曲的几何结构与非嵌入的/平直的永磁体掩模6比较将具有类似的改进。GB 1421078.5的公开内容还包括在下面讨论的其它几何结构的测试，其显示也将与本文提出的永磁体掩模6一起出现的非顽磁性掩模的有利效果。
如图13至15中显示的，掩模6的类似设计可以以双对与类似的主永磁体2、4一起使用。嵌入的掩模6需要被分隔开，使得在磁体之间存在用于有效面积的空间，例如其将使样品容器容纳用于分离的颗粒。弯曲的掩模6可以被放置彼此接触，其中由于如图14和15可见的曲线的形状提供有效面积。
另一种实例布置在图16中显示为单对和在图17中显示为双对。在此掩模6具有弯曲的元件，其在间隔8处形成用于容纳样品容器12的凹槽，其可以是如附图中以横截面显示的圆柱体容器12。使得样品尽可能接近主永磁体2、4是重要的，以便得到大的磁场和梯度的乘积。如显示的，做到这点的一种方式是弯曲的磁体2、4，其被定制以适配特定的样品容器12。这使得样品接近主永磁体2、4。此凹形弯曲设计的益处在于它允许较紧凑的磁体设计，其使用较小的总体积和和较少的掩模材料，这是磁体的最昂贵的零件。
上面讨论的掩模设计可以与主永磁体2、4的相反末端处的架10组合使用并且架10可以具有不同的设计。图18显示(a)大的矩形架，(b)弯曲的架，(c)小的矩形架，(d)没有架与小磁体和(e)没有架与大磁体。架10可以提供一些有用的效果，但是包括架10不是至关重要的。
磁体设备不限于并排的仅一对磁体。图19显示了具有并排的三个磁体的磁体设备的实例。除早先附图中显示的两个主永磁体2、4之外，还存在另一个磁体3。这形成两个间隔8，其在此实例中被用于容纳两个样品容器12。还可以包括进一步的磁体并且当然可以改变掩模和磁体几何结构，例如使用图9至12中显示的几何结构并且任选地包括如上面描述的架10。磁体2、3、4具有对于邻近的磁体2、3、4相反的极性。使用另外的磁体将，对于相同的总体积，具有减小的磁力但是这通过添加由于另外的间隔的进一步的‘峰’平衡。已经发现为了环绕每个间隔生成大致对称场，则中央磁体的掩模应当比其它掩模更薄，如附图中显示的。将理解使用多于两个磁体不限于仅如图19的实例中嵌入的掩模，而是还可以适用于弯曲的掩模等。
另一种改造涉及在掩模的顶部上使用添加的磁体；并且这在图20中显示。此实例中的主永磁体2、4，磁体掩模6以及架10类似于图16的实例并且在间隔8处形成适合容纳圆柱体样品容器空间。另外的磁体13、15被放置在掩模的顶部上，并且这些磁体具有与下方的主永磁体2、4相反的极性，如箭头显示的。在两个另外的磁体13、15之间，存在进一步的掩蔽元件14，其作用以完全包围在间隔8处形成的圆柱体空间。着可以允许磁场的进一步改进。图21中显示了图20的布置的场线。进一步的掩蔽元件14可以是非顽磁性材料，或可选地，它可以被替换为磁元件，具体而言并排放置的双-磁体——其中它们各自的极性彼此相反地取向和与邻近的另外磁体13、15相反地取向——的布置。
另外，将理解虽然图20和21的实例使用与图16类似的布置，但是这不是必不可少的并且可以改变磁体和掩模几何结构，例如使用如图9至12中显示的几何结构或如上面讨论的其它几何结构。另外的磁体层13、15以及进一步的掩蔽元件14的形状和大小可以根据需要变化并且适应下方的掩模和磁体几何结构。
图22中显示了掩模的可能的几何结构的进一步的实例。在此两个磁体掩模6具有梯形横截面，其中梯形的两个平行的边的短边嵌入主永磁体2、4中并且2个平行的边的长边形成掩模的暴露表面。梯形具有面向两个主永磁体2、4之间的接合处的成角度的边，其产生掩模6的锥形厚度，使得它们在接合线附近可以是较薄的。此布置被发现与矩形掩模比较在磁场中提供增加的峰。
如图25和28中显示的，更复杂的几何结构也是可能的。为了提供这些几何结构的比较性能的指示，图23和24显示了类似于图9中显示的磁体布置的磁场和梯度，其使用中央非顽磁性掩模对组合由永磁体材料制成的多个另外的掩模，而图26和27显示了模拟的图25的磁体布置的磁场和梯度；并且图29和30显示了模拟的图28的磁体布置的磁场和梯度。磁场在COMSOL 4.4中被测量高于磁体/掩模的表面0.5mm。使用多种相对窄的掩模的此类型几何结构的意图是提供磁场的快速增加和减少，而不是将它朝向两个主永磁体2、4的中心引导。
图25显示了模拟的实例几何结构的磁通量密度，其中非顽磁性材料的两个中央掩模20两侧是由永磁体材料制成的一系列另外的掩模6。还存在帕明杜尔高磁导率铁钴合金架。在此实例中，在两个中央掩模20的任一侧上存在八个另外的掩模6并且中央掩模20具有与另外的掩模6比较减小的深度。此实例中减小的深度的原因涉及当原型设计的同时非顽磁性掩模20和永磁体掩模6的易制性，并且将领会的是，如果所有掩模20、6具有相同的深度，则将出现类似的优点，但是当然可以通过改变中央掩模20以及另外的掩模6的深度来获得不同的效果，并且还可以改变掩模6、20的宽度。另外的掩模6在此实例中的宽度是大约2mm。另外的掩模6由类似于主永磁体2、4的永磁体材料制成，其中极性处于相反的取向。
图28的布置类似于图25，但是以二十二个小磁体掩模6代替十六个，即中央掩模的任一侧十一个磁体。另外的掩模6与图25中的相比是更窄的和更深的，其中宽度是大约1mm和深度是大约5mm。
由比较多种设计的磁场梯度将领会与针对图9的基础设计发现的相比，在中央非顽磁性掩模的任一侧使用多个永磁体掩模产生具有更大水平下的高磁场梯度的重复尖峰。因而，将实现磁体的性能改进，其中在提倡梯度和在磁场中具有重复尖峰是有用的。
设想中央掩模可以是如图25和28中的非顽磁性掩模20，而且还可以经常被替换为永磁体掩模6。可以使用永磁体掩模6和非顽磁性掩模20的多种组合。图31至36中显示了仅具有非顽磁性掩模20的多个掩模布置和仅具有永磁体掩模6的相同多个掩模布置的比较。图31使用多个不同宽度的掩模，其中每个掩模20由非顽磁性材料制成。两个主永磁体2、4以及架10类似于上面描述的实例。图32和33由图31中显示的几何结构的模拟显示了磁场强度和梯度。图34具有与图31相同的几何结构，但是其中非顽磁性掩模20替换为永磁体掩模6。图35和36由图34中显示的几何结构的模拟显示了磁场强度和梯度的图。将领会永磁体掩模6产生比非顽磁性掩模20更大的磁场梯度。这具有应用比如分离颗粒的优势。
图37和38显示了被用于测试关于图25和28模拟的几何结构的性能的原型。关于分离颗粒测试这些原型。分离颗粒，并且具体而言对于分离具有不同顺磁性和/或不同反磁性性质的纳米颗粒，是使用永磁体掩模的提出的磁性组件重要应用。磁体设备能够提供与现有技术装置比较改进的分离，例如US 2010/012591的装置。此外，由于梯度对分离颗粒具有显著作用，并且由于使用永磁体掩模可以增加梯度，则与使用由非顽磁性材料制成的掩模比较也提供改进。
通过磁体拖拉磁颗粒远离介质需要的力取决于磁场B和梯度▽B的乘积以及颗粒的大小：
Fmag∝r3·B▽B
其中r是颗粒的半径。
作用于1μm颗粒的磁力比100nm颗粒高1000倍，这是由于力与颗粒的半径的立方成比例。这意味着随着颗粒大小落入<100nm的纳米范围中，磁场与磁梯度B▽B的乘积变得愈发重要。本文描述的改进允许此乘积与现有技术装置比较增加。上面描述的装置将因此比US 2010/0012591中描述的磁体能够分离出相当更小的纳米颗粒。为了得到颗粒上大的力，可以导向颗粒通过磁体上方小的微流体通道，例如在圆柱体样品容器中形成通道。微流体允许流体中小体积的颗粒以低速度在磁体上方被发送。颗粒将被分离出流体并且将粘附至最接近磁体的通道的壁。
此外，如果使用图25、28、34、37、38、39和40中显示的几何结构类型，则磁场中的重复峰和梯度将允许改进的分离，这是由于实际上存在供颗粒经过的多个‘步骤’，并且因此存在用于从流体分离颗粒的多个机会。使用图37、38、39和40的原型实施测试。
通过注射泵在磁体的表面上方泵送颗粒。管具有0.3mm的内径和0.76mm的外径。连接至MS3磁化率计(Bartington Instruments)的MS2G单频传感器测量样品的磁化率。使用微米颗粒和使用纳米颗粒进行两种测试。
使用的微米颗粒是直径为1.05μm的Dynabeads Myone(Thermo FisherScientific)。颗粒在蒸馏水和甘油的缓冲液中。通过混合50μl的颗粒与1.2ml蒸馏水来制作样品。泵速是50ml/hr。使用的纳米颗粒是直径为100nm的fluidMAG-DX(Chemicell)。20μl的颗粒与1ml蒸馏水混合。泵速是10ml/hr。
在分离后测量的样品的磁化率与还没有分离的样品的磁化率比较。可以然后计算已经通过磁体从混合物分离出的颗粒的量。
关于现有技术开放Kittel磁体(如图1中)，如图9中掩蔽的‘GIAMAG’磁体，如图37中的多个掩模方案和如图38中的多个掩模布置，在表1中列出了在分离后测量的不同的微米颗粒样品的磁化率。图28布置是用于分离微米颗粒的最高效的设计。测量的磁化率是负的，因为大部分顺磁性颗粒已经被去除并且样品将因此是反磁性的。此几何结构比图9的基础掩模设计高效超过5倍。开放Kittel设计比图9的基础掩模设计好一点。这是因为分离这些颗粒需要的力不是非常高。开放Kittel将在磁体的表面上方具有较大的面积，其中与图9的基础掩模设计相比，梯度对分离这些颗粒是足够大的。
表1-微米颗粒
样品 测量的磁化率[10<sup>-6</sup>] 分离的量[10<sup>-6</sup>]
没有分离 45.9 -
开放Kittel 35.5 10.4
GIAMAG 36.7 9.20
图37 9.0 36.9
图38 -1.7 46.7
对于如针对表1测试的相同的几何结构，在表2中列出了在分离后测量的不同的纳米颗粒样品的磁化率。Pedestrian2磁体再次是最高效的设计。Pedestrian2比图9的基础掩模设计高效超过3.5倍。图9磁体设计比开放Kittel设计高效一点。分离这些颗粒需要的力比分离微米颗粒需要的力更大，所以掩蔽的布置提供了改进。
表2-纳米颗粒
样品 测量的磁化率[10<sup>-6</sup>] 分离的量[10<sup>-6</sup>]
没有分离 1048 -
开放Kittel 993 55
GIAMAG 979 69
图37 830 218
图38 799 249
由模拟和实验清楚的是具有多个窄的掩模和使用由永磁体制成的另外的掩模的设计在分离颗粒上比较不复杂的磁体设计相当更好。新设计与如图25-30和34-36中通过模拟预测的相比不太有效，这部分由于在不存在中央掩模的情况下测试图37和38的原型的事实。
对于图39和40，使用类似的微米颗粒和纳米颗粒实施测试，并且使用相同的比较实例：现有技术开放Kittel磁体(如图1中)，以及掩蔽的‘GIAMAG’磁体(如图9中)。应当注意与上面的图37和38的测试比较，使用不同的浓度和泵送。结果如下：
微米颗粒
浓度：1.2ml蒸馏水中50μl。
泵速：75ml/hr
表3-微米颗粒
样品 测量的磁化率[10<sup>-6</sup>] 分离的量[10<sup>-6</sup>]
没有分离 46.20 -
开放Kittel 36.13 10.07
GIAMAG 38.38 7.82
图39 13.05 33.15
图40 22.56 23.64
纳米颗粒
浓度：1ml蒸馏水中10μl。
泵速：10ml/hr
表4-纳米颗粒
样品 测量的磁化率[10<sup>-6</sup>] 分离的量[10<sup>-6</sup>]
没有分离 506.84 -
开放Kittel 502.50 4.34
GIAMAG 497.39 9.45
图39 472.80 34.04
图40 469.12 37.72
将可见分离效力的增加遵循类似的模式：与开放Kittel磁体和图4的基础的掩蔽布置相比，具有多个磁体的原型进行相当更好的分离。图39布置对微米颗粒最好并且比基础的图4布置完成得好大约3.5倍。图40布置对纳米颗粒最好并且比基础的图4布置完成得好大约四倍。对于与纳米颗粒比较的微米颗粒，并且比较Kittel磁体和图4的基础的掩蔽布置，再次可见相同的效果–掩蔽略微降低微米颗粒的效力，但是当分离纳米颗粒时它增加效力。
图41上显示了几何结构上的另一种变化。在此减小掩模的横截面宽度。认为例如与如图9-12等中显示的较长的掩模比较，较短的掩模将破坏磁场而不是引导它。使用此布置的进一步的模拟发现产生最大磁梯度的掩模深度是2mm的厚度。
图42显示了使用一批正方形掩模的另一种实例几何结构。此布置类型可以被改造以具有任何形状的掩模和任何数目的掩模。在这些实例中，掩模均邻近接合线，但是还将可能具有与接合线分隔开并且在中央掩模的另一侧上的另外的掩模，例如以具有相对于图37至40中显示的另外的掩模，但是以网格图案而不是作为一系列条带。
图43显示了进一步的可能性，其中磁体掩模6——其极性垂直于下方的磁体2、4的极性(类似于图10c)——与中央的非顽磁性掩模20组合。
例如，本文描述的任何几何结构可以与两组磁体以如图13-15中的面对面布置一起使用。因而，如图25中具有多个掩模的几何结构等可以在这样的布置中使用。

Claims (28)

1.用于生成高梯度和/或高强度磁场的磁体设备，所述磁体设备包括：
两个主永磁体，其以相反取向的磁场极性并排定位并且相反极性的末端表面彼此紧靠，其中所述两个主永磁体的磁各向异性超过所述两个主永磁体的材料的磁感应；和
至少一个掩模，其在邻近的所述两个主永磁体中的每个的第一末端上，所述掩模包括永磁体材料，其覆盖所述两个主永磁体的邻近的末端表面，沿着所述两个主永磁体之间的接合线在所述掩模中具有间隔，以在所述接合线上方形成高梯度磁场区；
其中以其极性定向每个掩模的永磁体材料不与附加至的所述主永磁体的极性对齐。
2.如权利要求1所述的磁体设备，其中所述掩模的极性不与所述主永磁体的极性对齐至少10°。
3.如权利要求1或2所述的磁体设备，其中所述掩模具有与所述主永磁体的极性相反取向或在相反取向的30°内的极性。
4.如权利要求1或2所述的磁体设备，其中所述掩模的极性处于永磁体掩模的极性的垂直方向或在垂直的30°内。
5.如权利要求1或2所述的磁体设备，其中所述掩模的最大厚度大于各自的主永磁体的厚度的十分之一。
6.如权利要求1或2所述的磁体设备，其中所述掩模被嵌入所述主永磁体内和/或具有不同的厚度。
7.如权利要求6所述的磁体设备，其中利用所述不同的厚度和/或嵌入，以便所述掩模的暴露表面与所述主永磁体的暴露末端表面在邻近所述间隔的掩模边缘处交汇和相交。
8.如权利要求1或2所述的磁体设备，其中在表面的交汇点处掩模表面的切线和主永磁体表面的切线之间的角度小于60度。
9.如权利要求1或2所述的磁体设备，其中所述掩模每个具有最大厚度，其大于所述间隔的宽度。
10.如权利要求1或2所述的磁体设备，其中所述掩模的宽度小于所述间隔的宽度的五倍。
11.如权利要求1或2所述的磁体设备，其中所述掩模的厚度大于所述主永磁体的厚度的五分之一。
12.如权利要求1或2所述的磁体设备，其中所述间隔宽度大于所述主永磁体的厚度的十分之一。
13.如权利要求1或2所述的磁体设备，其中所述掩模是至少0.5mm厚。
14.如权利要求1或2所述的磁体设备，其中所述掩模或部分掩模具有嵌入所述主永磁体的相应横截面的凹槽中的矩形横截面。
15.如权利要求1或2所述的磁体设备，其中所述掩模具有圆形暴露表面。
16.如权利要求1或2所述的磁体设备，其中所述掩模具有邻近所述间隔的弯曲的开凿剖面。
17.如权利要求1所述的磁体设备，其包括在形成两个中央磁体掩模的邻近的所述两个主永磁体中的每个的第一末端上的一个掩模，连同所述两个中央磁体掩模中的每个旁边的另外的掩模，所述另外的掩模更远离所述接合线且沿着所述主永磁体的末端表面与所述两个中央磁体掩模分隔开。
18.如权利要求17所述的磁体设备，其中所述另外的掩模由以与所述主永磁体相反的极性取向的永磁体材料制成。
19.如权利要求17或18所述的磁体设备，其中所述另外的掩模被嵌入所述两个主永磁体内和/或具有不同的厚度。
20.如权利要求17或18所述的磁体设备，其中所述另外的掩模每个具有相同的大小和几何结构。
21.如权利要求17或18所述的磁体设备，其中所述另外的掩模中的一些或全部具有与所述两个中央磁体掩模相同的大小和几何结构。
22.如权利要求1或2所述的磁体设备，其中所述主永磁体的取向相对于包括具有待分离的颗粒的容器的工作元件是可变化的。
23.如权利要求22所述的磁体设备，其包括允许所述主永磁体和掩模在平面内相对于所述工作元件旋转的旋转轮。
24.如权利要求1或2所述的磁体设备，其包括第一组磁体与掩模，以及第二组磁体与掩模，所述第一组磁体和所述第二组磁体面向彼此。
25.用于分离具有不同顺磁性和/或反磁性性质的不同类型的颗粒的设备，所述设备包括如权利要求1至24中任一项所述的磁体设备。
26.磁力轴承，其包括：第一承载表面和第二承载表面；和每个承载表面上至少一个如权利要求1至24任一项所述的磁体设备，其中所述第一承载表面上的所述磁体设备提供的磁场与所述第二承载表面上所述磁体设备的磁场相对。
27.生成高梯度和/或高强度磁场的方法，其包括提供如权利要求25所述的设备。
28.用于分离颗粒的方法，其包括：使用如权利要求25所述的设备；和使待分离的颗粒暴露于由所述设备生成的磁场。
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