CN108430149B - 永磁铁磁场调节装置及永磁铁磁场调节方法 - Google Patents

永磁铁磁场调节装置及永磁铁磁场调节方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种永磁铁磁场调节装置及永磁铁磁场调节方法，装置包括铁轭、导磁极头、永磁体和导磁调节块，铁轭分别可拆卸地固定连接有两个相对设置的导磁极头，两个导磁极头之间设置有一定间隙，任一导磁极头背向另一导磁极头的一侧设置有永磁体，永磁体设置在铁轭与导磁极头之间，铁轭和导磁极头分别与永磁体的两极接触，两个导磁极头分别与永磁体的异极接触，在两个导磁极头间隙中形成需要的磁场。使用永磁铁磁场调节装置来连续调节磁场，通过调节导磁调节块与导磁极头之间的距离来调节两个导磁极头之间的磁场强度，将导磁调节块向导磁极头移动，形成磁短路，达到连续调节两个导磁极头之间磁场强度的目的。

Description

永磁铁磁场调节装置及永磁铁磁场调节方法
技术领域
本公开一般涉及粒子加速器领域，具体涉及粒子加速器磁铁技术领域，尤其涉及一种永磁铁磁场调节装置及永磁铁磁场调节方法。
背景技术
磁铁是粒子加速器上不可缺少的重要设备。目前加速器上使用的磁铁多为电磁铁，即在绕制于高导磁铁芯上的线圈加载电流后，在设计间隙中产生所需的磁感应强度B(以下简称磁场)。电磁铁通过精确控制电流的大小达到对间隙中的磁场精确调整的目的，且这种磁铁对环境温度精度要求不高。但是电磁铁也有诸多缺点，其中最主要的是运行的电成本高，高能耗制约加速器的使用和发展。这时，不需要电成本的永磁磁铁技术亟需发展。永磁磁铁的主要缺点是对环境温度要求高和磁场不易调节，其中环境温度的精度可以通过高精度恒温实验室实现。通常情况下，加速器磁铁的磁场精度要求较高，一般在10-4到10-3量级水平，而永磁块批量生产的均匀性在10-2水平，不能满足要求。若想得到高精度的磁场，一方面要控制磁块的均匀性水平，按照磁性能对磁块进行筛选；另一方面，必须增加磁场调节手段。
永磁磁铁磁场调节原理有很多种，比如使用海尔贝克(Halbach)环、增减磁路间隙、改变磁路截面积、磁短路等等。基本都是通过机械改变的途径达到磁场改变的目的。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种结构简单、能够连续调节磁场的永磁铁磁场调节装置及永磁铁磁场调节方法。
第一方面，本发明的永磁铁磁场调节装置，包括铁轭，铁轭分别可拆卸地固定连接有两个相对设置的导磁极头，两个导磁极头之间设置有一定间隙，任一导磁极头背向另一导磁极头的一侧设置有永磁体，永磁体设置在铁轭与导磁极头之间，铁轭和导磁极头分别与永磁体的两极接触，两个导磁极头分别与永磁体的异极接触，铁轭连接有若干可拆卸移动的导磁调节块，导磁调节块的移动运动为导磁调节块面向导磁极头的一端靠近或者远离导磁极头。
第二方面，本发明的永磁铁磁场调节方法，使用永磁铁磁场调节装置来调节磁场，具体的，通过调节导磁调节块与导磁极头之间的距离来调节两个导磁极头之间的磁场强度。
根据本申请实施例提供的技术方案，通过两个导磁极头接触不同的磁极，在两个导磁极头之间形成稳定的磁场，通过在铁轭上面连接可拆卸移动的导磁调节块，将导磁调节块向导磁极头移动，直至导磁调节块与导磁极头接触，在导磁调节块运动过程中形成磁短路，达到连续调节两个导磁极头之间磁场强度的目的，能够解决调节磁场强度使用电磁铁能耗大的问题。
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为本发明的实施例的永磁铁磁场调节装置的结构示意图；
图2为本发明的实施例的永磁铁磁场调节装置的结构示意图；
图3为本发明的实施例的永磁铁磁场调节装置的结构示意图；
图4为本发明的实施例的永磁铁磁场调节装置的结构示意图；
图5为本发明的实施例的永磁铁磁场调节装置的结构示意图。
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至图5，本发明的其中一个实施例为，本发明的永磁铁磁场调节装置，包括铁轭10，铁轭10分别可拆卸地固定连接有第一导磁极头20和第二导磁极头30，第一导磁极头20与第二导磁极头30相对设置，第一导磁极头20与铁轭10之间至少设置有一块第一永磁体21，第一导磁极头20与铁轭10分别与第一永磁体21的两极接触，第二导磁极头30与铁轭10之间至少设置有一块第二永磁体31，第二导磁极头30与铁轭10分别与第二永磁体31的两极接触，第一导磁极头20面向第二导磁极头30的一端与第二导磁极头30面向第一导磁极头20的一端设置为不同的磁极，铁轭10连接有若干可拆卸移动的第一导磁调节块22和第二导磁调节块32，第一导磁调节块22的移动运动设置为第一导磁调节块22面向第一导磁极头20的一端靠近或者远离第一导磁极头20，第二导磁调节块32的移动运动设置为第二导磁调节块32面向第二导磁极头30的一端靠近或者远离第二导磁极头30。
在本发明的实施例中，第一导磁极头、铁轭、第一永磁体之间的连接结构和第二导磁极头、铁轭、第二永磁体之间的连接类似，为了简化描述，以下以第一导磁极头、铁轭、第一永磁体之间的连接结构来进行具体说明，下述第一导磁极头、铁轭、第一永磁体之间的连接结构同样适用于第二导磁极头、铁轭、第二永磁体之间的连接结构，铁轭内部可拆卸地固定第一导磁极头，可以但不仅仅为，通过螺栓将第一导磁极头固定在铁轭上，同时将第一永磁体设置在铁轭和第一导磁极头之间，通过拧紧螺栓，使得第一导磁极头夹紧与铁轭夹紧第一永磁体。第一导磁极头与第二导磁极头相对设置，在本发明中，调节磁场强度指的是调节第一导磁极头与第二导磁极头之间的磁场强度，第一导磁极头与铁轭分别与第一永磁体的两极接触，第二导磁极头与铁轭分别与第二永磁体的两极接触，第一导磁极头面向第二导磁极头的一端与第二导磁极头面向第一导磁极头的一端设置为不同的磁极，在铁轭内部形成从一端到另一端的磁感线，在第一导磁极头和第二导磁极头之间形成从第一导磁极头到第二导磁极头的磁感线或者是从第二导磁极头到第一导磁极头的磁感线，当第一导磁调节块靠近第一导磁极头时，基于磁短路原理，第一导磁极头会有部分磁感线受到第一导磁调节块的引导从铁轭流通到第二永磁体，从而减少了通过第一导磁极头流到第二导磁极头磁感线的数量，从而降低了第一导磁极头与第二导磁极头之间磁场强度，当第一导磁调节块运动至接触到第一导磁极头时，达到了单个第一导磁调节块调节第一导磁极头与第二导磁极头之间磁场强度的最大值，可以继续在铁轭上固定第一导磁调节块以继续调节第一导磁极头与第二导磁极头之间磁场强度，从而能够实现对第一导磁极头与第二导磁极头之间磁场强度的连续调节，可以但不仅仅是，第一导磁调节块数量越多，调节范围越大，第一导磁调节块越细，调节精度越高。
进一步的，第一永磁体21设置在第一导磁极头20背向第二导磁极头30的一侧与铁轭10之间，第二永磁体31设置在第二导磁极头30背向第一导磁极头20的一侧与铁轭10之间。铁轭10与第一导磁极头20之间设置有若干第三永磁体34，第三永磁体34和第一永磁体21分别与第一导磁极头20的一端为同极，第一导磁极头20与第三永磁体34接触的一侧与第一导磁极头20面向第二导磁极头30的一侧相邻；和/或
铁轭10与第二导磁极头30之间设置有若干第三永磁体34，第三永磁体34和第二永磁体31分别与第二导磁极头30的一端为同极，第二导磁极头30与第三永磁体34接触的一侧与第二导磁极头30面向第一导磁极头20的一侧相邻。
在本发明的实施例中，第一永磁体设置在第一导磁极头背向第二导磁极头的一侧与铁轭之间，第二永磁体设置在第二导磁极头背向第一导磁极头的一侧与铁轭之间，此时，第一永磁体和第二永磁体的供磁效率较高，当然也可以将第一永磁体设置在第一导磁极头的其他面上，将第二永磁体设置在第二导磁极头的其他面上，能够实现供磁均可，同时，也可以设置多个第一永磁体和第二永磁体，实现第一导磁极头与第二导磁极头之间更大的磁场强度，可以对第一永磁体和第二永磁体进行灵活调整，可以但不仅仅是，第一永磁体和第二永磁体呈平面对称的结构，第一导磁极头和第二导磁极头之间能够形成均匀的磁场，当第一导磁极头与第二导磁极头之间的磁场强度较弱，满足不了要求是，可以增加第一永磁体和第二永磁体的数量，也可以在第一导磁极头和第二导磁极头的侧面固定第三永磁体，来增加第一导磁极头与第二导磁极头之间的磁场强度。
进一步的，第一导磁极头20靠近第一导磁调节块22的一侧用于止挡第一导磁调节块22，第二导磁极头30靠近第二导磁调节块32的一侧用于止挡第二导磁调节块32。
进一步的，铁轭10固定第一导磁极头20的一侧设置有第一延伸端11，第一延伸端11连接有若干可拆卸移动的第一导磁调节块22，第一导磁极头20面向第一延伸端11一侧与第一延伸端11之间设置有供第一导磁调节块22运动的间隙，
固定第二导磁极头30的一侧设置有第二延伸端12，第二延伸端22连接有若干可拆卸移动的第二导磁调节块32，第二导磁极头30面向第二延伸端12一侧与第二延伸端12之间设置有供第二导磁调节块32运动的间隙，
第一延伸端11面向第二延伸端12的一侧与第二延伸端12面向第一延伸端11的一侧设置有一定间隙。
在本发明的实施例中，第一延伸端面向第一导磁极头的一侧与第一导磁极头面向第一延伸端的一侧平行，第二延伸端面向第二导磁极头的一侧与第二导磁极头面向第二延伸端的一侧平行，从而实现连续、精确的调节第一导磁极头与第二导磁极头之间的磁场强度，结构简单，便于加工制造。
进一步的，第一导磁调节块22的运动方向垂直与第一导磁极头20面向第一导磁调节块22一侧所在的平面，
第二导磁调节块32的运动方向垂直与第二导磁极头30面向第二导磁调节块32一侧所在的平面。
在本发明的实施例中，便于加工制造，同时，第一导磁极头能够有效地阻挡第一导磁调节块的运动，第二导磁极头能够有效地阻挡第二导磁调节块的运动，避免零部件之间磨损过度，影响调节精度。
进一步的，第一导磁调节块22设置为第一螺杆，铁轭10设置有若干第一螺孔，若干第一螺杆与若干第一螺孔螺接，
第二导磁调节块32设置为第二螺杆，铁轭10设置有若干第二螺孔，第二螺杆与第二螺孔螺接。
在本发明的实施例中，第一螺杆的螺纹长度大于第一延伸端的厚度与第一延伸端与第一导磁极头之间距离之和，第二螺杆的螺纹长度大于第二延伸端的厚度与第二延伸端与第二导磁极头之间距离之和，使得第一螺杆在运动时能够接触到第一导磁极头的表面，第二螺杆在运动时能够接触到第二导磁极头的表面，提高了调节效率，增大了调节范围，使用第一螺杆和第二螺杆旋进或者旋出进行调节第一导磁极头与第二导磁极头之间磁场强度，实现连续调节，结构简单，易于加工制造，生产成本低，克服了电磁铁能耗高的问题。
进一步的，第一螺杆远离第一导磁极头的一端螺接有第一螺母23，
第二螺杆远离第二导磁极头的一端螺接有第二螺母33。
在本发明的实施例中，当完成调节后，可以通过第一螺母固定第一螺杆的位置和第二螺母固定第二螺杆的位置，避免发生误触需要进行重新调节。
进一步的，第一导磁调节块22、第二导磁调节块32、铁轭10、第一导磁极头20和第二导磁极头30构成的部件设置为平面对称结构。
在本发明的实施例中，第一导磁调节块、第二导磁调节块、铁轭、第一导磁极头和第二导磁极头构成的部件设置为平面对称结构，使得第一导磁极头与第二导磁极头之间形成的磁场更加均匀。
本发明的另一个实施例为，永磁铁磁场调节方法，使用永磁铁磁场调节装置，包括以下步骤：
监测第一导磁极头20与第二导磁极头30之间的磁场值，在铁轭10上面固定一组第一导磁调节块22和第二导磁调节块32，将第一导磁调节块22向第一导磁极头20移动，将第二导磁调节块32向第二导磁极头30移动，
当第一导磁调节块22与第一导磁极头20接触，第二导磁调节块32与第二导磁极头30接触时，第一导磁极头20与第二导磁极头30之间的磁场值仍然需要降低，则继续固定一组第一导磁调节块22和第二导磁调节块32，
重复固定并调节第一导磁调节块22和第二导磁调节块32，直至第一导磁极头20与第二导磁极头30之间的磁场值达到预定值。
进一步的，从铁轭10中心向两边依次固定并调节第一导磁调节块22和第二导磁调节块32。
在本发明的实施例中，从铁轭中心向两边依次固定并调节第一导磁调节块和第二导磁调节块，使得调节过程中第一导磁极头与第二导磁极头之间形成的磁场能够均匀变化。
进一步的，调节每组第一导磁调节块22和第二导磁调节块32时，第一导磁调节块22与第一导磁极头20的距离等于第二导磁调节块32与第二导磁极头30的距离相等。
在本发明的实施例中，调节每组第一导磁调节块和第二导磁调节块时，第一导磁调节块与第一导磁极头的距离等于第二导磁调节块与第二导磁极头的距离相等，使得调节过程中第一导磁极头与第二导磁极头之间形成的磁场能够均匀变化。
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 (7)

1.一种永磁铁磁场调节装置，其特征在于，包括铁轭，所述铁轭分别可拆卸地固定连接有两个相对设置的导磁极头，两个所述导磁极头之间设置有一定间隙，任一所述导磁极头背向另一所述导磁极头的一侧设置有永磁体，所述永磁体设置在所述铁轭与所述导磁极头之间，所述铁轭和所述导磁极头分别与所述永磁体的两极接触，两个所述导磁极头分别与所述永磁体的异极接触，所述铁轭连接有若干可拆卸移动的导磁调节块，所述导磁调节块的移动运动为所述导磁调节块面向所述导磁极头的一端靠近或者远离所述导磁极头，所述导磁调节块设置为螺杆，所述铁轭设置有若干螺孔，若干所述螺杆与若干所述螺孔螺接，两个所述导磁极头设置有第一导磁极头和第二导磁极头，所述永磁体设置有第一永磁体和第二永磁体，所述第一导磁极头与所述铁轭之间至少设置有一块所述第一永磁体，所述第二导磁极头与所述铁轭之间至少设置有一块所述第二永磁体，所述铁轭连接有若干可拆卸移动的第一导磁调节块和第二导磁调节块，所述第一导磁调节块的移动运动为所述第一导磁调节块面向所述第一导磁极头的一端靠近或者远离所述第一导磁极头，所述第二导磁调节块的移动运动为所述第二导磁调节块面向所述第二导磁极头的一端靠近或者远离所述第二导磁极头，
所述铁轭固定所述第一导磁极头的一侧设置有第一延伸端，所述第一延伸端连接有若干可拆卸移动的所述第一导磁调节块，所述第一导磁极头面向所述第一延伸端一侧与所述第一延伸端之间设置有供所述第一导磁调节块运动的间隙，
所述固定所述第二导磁极头的一侧设置有第二延伸端，所述第二延伸端连接有若干可拆卸移动的所述第二导磁调节块，所述第二导磁极头面向所述第二延伸端一侧与所述第二延伸端之间设置有供所述第二导磁调节块运动的间隙，
所述第一延伸端面向所述第二延伸端的一侧与所述第二延伸端面向所述第一延伸端的一侧设置有一定间隙。
2.根据权利要求1所述的永磁铁磁场调节装置，其特征在于，所述第一导磁极头靠近所述第一导磁调节块的一侧用于止挡所述第一导磁调节块，
所述第二导磁极头靠近所述第二导磁调节块的一侧用于止挡所述第二导磁调节块。
3.根据权利要求1所述的永磁铁磁场调节装置，其特征在于，所述铁轭与所述第一导磁极头之间设置有若干第三永磁体，所述第三永磁体和所述第一永磁体分别与所述第一导磁极头的一端为同极，所述第一导磁极头与所述第三永磁体接触的一侧与所述第一导磁极头面向所述第二导磁极头的一侧相邻；和/或
所述铁轭与所述第二导磁极头之间设置有若干第三永磁体，所述第三永磁体和所述第二永磁体分别与所述第二导磁极头的一端为同极，所述第二导磁极头与所述第三永磁体接触的一侧与所述第二导磁极头面向所述第一导磁极头的一侧相邻。
4.根据权利要求1所述的永磁铁磁场调节装置，其特征在于，所述导磁调节块的运动方向垂直于所述导磁极头面向所述导磁调节块一侧所在的平面。
5.根据权利要求1所述的永磁铁磁场调节装置，其特征在于，所述螺杆远离所述导磁极头的一端螺接有螺母。
6.根据权利要求1-4任一项所述的永磁铁磁场调节装置，其特征在于，所述导磁调节块、所述铁轭和所述导磁极头构成的部件设置为平面对称结构。
7.一种永磁铁磁场调节方法，其特征在于，使用如权利要求1-6任一项所述的永磁铁磁场调节装置来调节磁场，具体的，通过调节导磁调节块与导磁极头之间的距离来连续调节两个导磁极头之间的磁场强度。
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