CN110828100B - 一种巨型铁芯结构、巨型电磁铁及组合巨型电磁铁 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种巨型铁芯结构、巨型电磁铁及组合巨型电磁铁，其中电磁铁结构包括：铁芯支架(1)，具有一定的轴向长度，内部形成有若干个互不连通且相互平行的安装通道(2)，所述安装通道(2)沿所述铁芯支架(1)的长度方向延伸设置，且若干个所述安装通道(2)在所述铁芯支架(1)内部沿圆周方向均匀分布；铁芯(3)，具有若干个，分别安装在所述安装通道(2)内部；空腔(4)。本发明的巨型铁芯结构，与传统的单纯将多个铁芯合并在一起的方式或单个铁芯相比，产磁效率更高。
Description
技术领域
本发明涉及电磁铁技术领域，具体涉及一种能够提高产磁效率的巨型铁芯结构、巨型电磁铁及组合巨型电磁铁。
背景技术
提供磁通势的手段主要包括有通电直导线、通电螺线管、电磁铁、永久磁铁等。上述各种手段各有优缺点：通电直导线法产生的磁通势自成圆环，无法与外部磁通闭合；永久磁铁的磁性无法实时控制，制造成本高，且因磁性强干扰大，在使用期间不便存储与运输；通电螺线管和电磁铁的磁性、姿态均易控制，但前者产生磁场的效率较低，能耗较大、成本较高，后者通过科学地配置铁芯的结构，能够显著地降低成本。
然而，如何科学地配置体积较大的巨型铁芯的结构，使满足成本低、可控性好且产磁效率高的要求，是现有技术中尚未解决的技术问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种成本低且产磁效率高的巨型铁芯结构。
本发明的另一目的在于提供一种成本低、可控性好且产磁效率高的巨型电磁铁。
为此，本发明提供一种巨型铁芯结构，包括：
铁芯支架，具有一定的轴向长度，外部适于绕制线圈，内部形成有若干个互不连通且相互平行的安装通道，所述安装通道沿所述铁芯支架的长度方向延伸设置，且若干个所述安装通道在所述铁芯支架内部沿圆周方向均匀分布；
铁芯，与所述安装通道的个数相同，分别安装在所述安装通道内部。
作为一种优选方案，所述铁芯为圆柱形结构，所述安装通道为圆筒形通道，所述铁芯的外径与所述安装通道的内径基本相同。
作为一种优选方案，所述铁芯的长度与所述铁芯的直径的比值≥200，所述安装通道的长度≥所述铁芯的长度。
作为一种优选方案，相邻两个所述安装通道之间的间隔距离为所述铁芯半径长度的0.8-1.2倍。
作为一种优选方案，所述铁芯支架的横断面为圆形。
作为一种优选方案，所述安装通道的数目≥3个，直径为5-30mm。
作为一种优选方案，所述铁芯支架的中部形成有空腔，所述空腔的直径＞所述安装通道的直径，若干个所述安装通道环绕所述空腔设置。
作为一种优选方案，所述铁芯为DT4、DT4A、DT4E或DT4C电工纯铁，所述铁芯支架为非磁材质。
本发明还提供一种巨型电磁铁结构，包括如上任一项所述的巨型铁芯结构，以及绕制在所述铁芯支架外围的漆包线线圈。
本发明还提供一种组合巨型电磁铁，包括有若干个如上所述的巨型电磁铁，若干个所述巨型电磁铁平行堆砌或绕圆周方向均匀分布。
本发明提供的技术方案，具有以下优点：
1.本发明的巨型铁芯结构，包括铁芯支架和铁芯，其中铁芯支架具有一定的轴向长度，外部适于绕制线圈，内部形成有若干个互不连通且相互平行的安装通道，安装通道沿铁芯的长度方向延伸设置，且若干个安装通道在铁芯支架内部沿圆周方向均匀分布，铁芯分别安装在安装通道内部；本发明的巨型铁芯结构，与传统的单纯将多个铁芯合并在一起的方式相比，所用铁芯材料少，铁芯利用率高，成本低且产磁效率高。
2.本发明的巨型铁芯结构，铁芯为圆柱形结构，安装通道为圆筒形结构，铁芯的外径与安装通道的内径基本相同，将铁芯安装进入到安装通道内部，形成巨型铁芯结构；在外加励磁磁场相同的条件下，要产生相同大小的磁化磁矩，圆柱形铁芯所需的铁磁材料要少于其他形状的铁芯，也即圆柱形的铁芯具有更高的产磁效率。
3.本发明的巨型铁芯结构，铁芯的长度与铁芯直径的比值≥200，保持此比例，可使铁芯具有较小的纵向退磁因子和较高的磁场产生效能。
4.本发明的巨型铁芯结构，相邻两个安装通道之间的间隔距离为铁芯半径长度的0.8-1.2倍，这种结构设置，可以避免多根铁芯靠近设置导致的铁芯等效长径比减小，以及铁磁之间的相互磁屏蔽效应；合理增大铁芯间的间隙，不仅可以增加铁磁的产磁效能，充分利用线圈产生的磁空间以提高各种材料的利用率，还方便铁芯(每根铁芯约0.04tn)的安装和散热。
5.本发明的巨型铁芯结构，铁芯支架中部形成有空腔，空腔的直径大于安装通道的直径，若干个所述安装通道环绕空腔设置，且间隔距离大于等于所述安装通道的半径，这样设置的好处在于：在确保每个通道铁芯的长径比的情况下，尽量减小各个通道铁芯之间的干扰，从而有效抑制电磁铁铁芯的去次磁场。
6.本发明的巨型铁芯结构，铁芯为DT4、DT4A、DT4E或DT4C号电工纯铁，能够在磁感应强度约为0.8T的环境下达到最大磁导率，达到设计最强磁性工作状态，经济性好。
7.本发明还提供一种巨型电磁铁，包括巨型铁芯结构，以及绕制在铁芯支架外围的漆包线线圈。本发明的巨型电磁铁，成本低、可控性好且产磁效率高。
8.本发明还提供一种组合巨型电磁铁，包括有若干个巨型电磁铁，若干个所述巨型电磁铁平行堆砌或绕圆周方向均匀分布，从而形成更强的电磁铁。
附图说明
为了更清楚地说明现有技术或本发明具体实施方式中的技术方案，下面对现有技术或具体实施方式描述中所使用的附图作简单介绍。
图1是本发明巨型电磁铁的横断面结构示意图。
图2是传统铁芯排布方式的结构示意图。
图3是参照本发明的圆周式排布方式示意图。
图4是聚集排布和圆周排布时单根铁芯产生的轴向磁场值大小对比示意图。
图5为铁芯长度L不同时单位长度铁芯产生的轴向磁场对比。
图6为椭球体与圆柱体的纵向磁化对比。
图7为椭球体艇铁与圆柱体软铁的纵向磁化对比。
图8是椭球体与圆柱体形状铁芯的纵向退磁因子曲线图。
附图标记：1、铁芯支架；2、安装通道；3、铁芯；4、空腔；5、漆包线线圈。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行详细描述。
实施例1
本实施例提供一种巨型铁芯结构，参考图1所示，包括：铁芯支架1，具有一定的轴向长度，外部适于绕制线圈，内部形成有若干个互不连通且相互平行的安装通道2，所述安装通道2沿所述铁芯支架1的长度方向延伸设置，且若干个所述安装通道2在所述铁芯支架1内部沿圆周方向均匀分布；铁芯3，个数与所述安装通道2的个数相同，分别一一对应地安装在所述安装通道2内部。本实施例的巨型铁芯结构，与传统的单纯将多个铁芯合并在一起的方式相比，所用铁芯材料少，铁芯利用率高，成本低且产磁效率高，更经济。
所述铁芯3为圆柱形结构，所述安装通道2为圆筒形通道，所述铁芯3的外径与所述安装通道2的内径基本相同，将铁芯3安装进入到安装通道2内部，形成巨型铁芯结构；在外加励磁磁场相同的条件下，要产生相同大小的磁化磁矩，圆柱形铁芯所需的铁磁材料要少于其他形状的铁芯，也即圆柱形的铁芯具有更高的产磁效率。
所述铁芯3的长度与所述铁芯3的直径的比值≥200，所述安装通道2的长度≥所述铁芯3的长度。本实施例中，铁芯3的长度与铁芯3的直径的比值为200，且安装通道2的长度与铁芯3的长度相同。
保持铁芯的长度与铁芯直径的比值≥200，可使铁芯具有较小的纵向退磁因子和较高的磁场产生效能。
本实施中，相邻两个所述安装通道2之间的间隔距离与所述铁芯3半径的长度相同，本领域的技术人员，在实际设计中，可以设计相邻两个所述安装通道2之间的间隔距离为所述铁芯3半径长度的0.8-1.2倍。
本实施中，所述铁芯支架1的横断面为圆形，安装通道2的数目为6个，直径为20mm。本领域的技术人员，可以根据需要，将所述安装通道2的数目为大于等于3个，如3、4、5、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32等等，直径在10-30mm范围内选择。
如图1所示，所述铁芯支架1的中部形成有空腔4，所述空腔4的直径大于所述安装通道2的直径，所述安装通道2环绕所述空腔4设置，且间隔距离大于等于等于所述安装通道2的半径。
本实施例中，所述铁芯3为DT4号电工纯铁，也可以在DT4A、DT4E或DT4C号电工纯铁范围内选择，所述铁芯支架1为非磁材质，如铝合金或工程塑料等。
关于铁芯排布方式对产磁效率影响的对比试验
以9根铁芯为例，图2示出了传统的聚集式排布方式，即9根铁芯直接聚集在一起，图3示出了本实施例的圆周式排布方式，即9根铁芯绕圆周方向均匀排布，将图2和图3所示的铁芯组合置于相同的线圈励磁电流(0.8A)下，单根铁芯平均产生的轴向磁场的结果如图4所示，由图4可明显看出，采用本实施例的圆周式排布方式，单根铁芯平均产生的轴向磁场的效率，明显优于传统的聚集式排布方式。
本实施例中，铁芯3的长度与铁芯3直径的比值≥200。为了体现长径比对产磁效率的影响，申请人做了数据实验，如图5所示，选用φ6mm(直径)漆包线绕制长直螺线管，线密度约为1500(平均在1m长的距离绕制1500圈)，轴线沿磁东、磁西方向放置；三轴磁通门磁传感器与螺线管等高、共轴，沿磁东、磁西方向放置，用于测量磁场强度；选用φ6mm的铁芯，分别改变铁芯长度(10cm、20cm、30cm、40cm、60cm)及其与三轴磁通门磁传感器之间的距离(60cm、120cm)和螺线管的激励电流(0.4A、0.8A)，测得的单位长度铁芯产生的轴向磁场。在相同的线圈励磁电流(0.4A)下，单根铁芯随着长径比的变化，单位长度铁芯产生的磁场强度、铁磁质磁矩随铁芯长度是逐渐升高的，直至接近水平。
本实施例中，所述铁芯3为圆柱形结构，所述安装通道2为圆筒形通道，所述铁芯3的外径与所述安装通道2的内径基本相同。这种结构设置，可根据电磁铁磁矩要求，方便选取合适的铁芯之间，从而调整电磁铁铁芯的数目。另外，在外加相同励磁磁场的条件下，要产生相同大小的磁化磁矩，圆柱形磁体的所需铁磁材料要少于其他形状磁体。铁芯3的长度与铁芯3的直径的比值≥200，安装通道2的长度≥铁芯3的长度。
如图6所示，随着长径比的增大，单位磁场强度、单位体积铁磁质磁矩迅速增大，并在长径比达到200时逐渐平稳，且圆柱体铁芯的曲线在椭球体铁芯的曲线上方。
如图7所示，随着长径比的增大，单位磁场强度/单位体积磁矩的值迅速增大，并在长径比达到200时逐渐平稳，且圆柱形铁芯的曲线在椭球体铁芯的曲线上方。
当铁磁材料(如铁芯)置于外磁场被磁化时，会产生退磁场，从而减小磁体的磁化水平。退磁场大小由退磁因子描述，与磁体的形状和长径比相关。通常电磁铁铁芯采用圆柱体形状，它们的纵向退磁因子与长径比之间的关系曲线如图8所示：可见，相同长径比的椭球形磁体的纵向退磁因子比圆柱形略高，或者说，在相同外加磁场条件下，相同铁磁材料的圆柱体具有比椭球体略大的纵向磁化磁矩。
本实施例中，所述铁芯支架1的横断面为圆形。可充分利用圆形截面的面积和形态优势，在相同数目铁芯的情况下，尽量降低支架材料的使用量。
相邻两个所述安装通道2之间的间隔距离为所述铁芯3半径长度的0.8-1.2倍。在本实施例中，铁芯支架1的直径为40mm，安装通道2的直径为10mm，空腔3的直径为10mm，相邻两个安装通道2之间的间隔距离约为5.7mm，安装通道2与空腔4之间的间隔距离为5mm，所述铁芯支架1的中轴线与所述安装通道2的中轴线之间的距离为15mm，这样设计的好处在于，能够在有效减小各铁芯3之间的相互影响的同时尽量缩小铁芯支架1的横截面积。相邻两个安装通道2之间的最短间隔距离为9mm。在有效减小各铁芯之间的影响的同时尽量缩小支架的横截面积。所述铁芯支架1的中部形成有空腔4。可减少支架材料的使用量、降低电磁铁重量。
本实施例中铁芯2的数目为6个，本领域技术人员可以在4-12的范围内自由选择。
所述空腔4的直径为10mm，所述安装通道2环绕所述空腔4设置，且间隔距离为5mm。在有效减小各铁芯之间的影响的同时尽量缩小支架的横截面积、减少支架材料的使用量、降低电磁铁重量。
所述铁芯3为DT4电工纯铁。工业纯铁既具有较高的磁导率又价格相对便宜，适于大型电磁铁的设计。
实施例2
本实施例提供一种巨型电磁铁结构，其是在实施例1基础上的变化，如图1所示，包括巨型铁芯，以及包绕在该巨型电磁铁外围的导线，其中巨型铁芯为实施例1中所述的巨型铁芯结构。
本实施例的巨型电磁铁结构，成本低、可控性好且产磁效率高。
作为一种改进方案，还可以将若干个上述的巨型电磁铁进行平行堆砌或绕圆周方向均匀分布，从而形成更强大的组合巨型电磁铁。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种巨型铁芯结构，其特征在于：包括：
铁芯支架(1)，具有一定的轴向长度，外部适于绕制线圈，内部形成有若干个互不连通且相互平行的安装通道(2)，所述安装通道(2)沿所述铁芯支架(1)的长度方向延伸设置，且若干个所述安装通道(2)在所述铁芯支架(1)内部沿圆周方向均匀分布；
铁芯(3)，与所述安装通道(2)的个数相同，分别安装在所述安装通道(2)内部；
相邻两个所述安装通道(2)之间的间隔距离为所述铁芯(3)半径长度的0.8-1.2倍。
2.根据权利要求1所述的巨型铁芯结构，其特征在于：所述铁芯(3)为圆柱形结构，所述安装通道(2)为圆筒形通道，所述铁芯(3)的外径与所述安装通道(2)的内径基本相同。
3.根据权利要求2所述的巨型铁芯结构，其特征在于：所述铁芯(3)的长度与所述铁芯(3)的直径的比值≥200，所述安装通道(2)的长度≥所述铁芯(3)的长度。
4.根据权利要求1所述的巨型铁芯结构，其特征在于：所述铁芯支架(1)的横断面为圆形。
5.根据权利要求1所述的巨型铁芯结构，其特征在于：所述安装通道(2)的数目≥3个，直径5-30mm。
6.根据权利要求4所述的巨型铁芯结构，其特征在于：所述铁芯支架(1)的中部形成有空腔(4)，所述空腔(4)的直径＞所述安装通道(2)的直径，若干个所述安装通道(2)环绕所述空腔(4)设置。
7.根据权利要求1所述的巨型铁芯结构，其特征在于：所述铁芯(3)为DT4、DT4A、DT4E或DT4C电工纯铁，所述铁芯支架(1)为非磁材质。
8.一种巨型电磁铁，其特征在于：包括如权利要求1-7中任一项所述的巨型铁芯结构，以及绕制在所述铁芯支架(1)外围的漆包线线圈(5)。
9.一种组合巨型电磁铁，其特征在于：包括有若干个如权利要求8所述的巨型电磁铁，若干个所述巨型电磁铁平行堆砌或绕圆周方向均匀分布。
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