CN111132441A - 一种永磁型四极磁铁及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种永磁型四极磁铁及其组装方法，永磁型四极磁铁包括具有容纳腔的金属骨架、位于其容纳腔内且采用海尔贝克阵列形式排布的多个磁块、多个顶丝；各磁块的顶部分别通过多个顶丝与金属骨架内侧固定并向金属骨架中心挤压，使得相邻两磁块侧面紧密贴合且各磁块底部依次首尾相接围合形成一圆形空腔。本发明还公开了各磁块在金属骨架中的排布方式以提高成品率。本发明在组装上述永磁型四极磁铁时，使用一辅助工装完成，将各磁块固定到位后取出该辅助工装，然后进行磁中心测量，根据测量结果对四极磁铁骨架外圆进行机械处理，直至磁中心偏心量满足设计要求。

Description

一种永磁型四极磁铁及其组装方法

技术领域

本发明涉及粒子加速器中的四极磁铁技术领域，特别涉及一种永磁型四极磁铁及其组装方法。

背景技术

四极磁铁是带电粒子束的聚焦元件。永磁型四极磁铁具有结构紧凑、无需供电供水、磁场稳定的优点，有助于使加速器达到更高的加速效率，除了加速器之外，也适合应用于其它需要小型化、高稳定性磁场的束流聚焦系统中。

美国学者海尔贝克设计了一种永磁型四极磁铁结构，在该设计中，不同磁化方向的磁块紧密排列，但实际磁块之间有很大斥力，难以组装。为了克服组装困难问题，通常采用有内芯金属支撑的结构，但是内芯金属容易发生缓慢变形，四极磁铁形成的磁场也会随之变化，长期稳定性较差；并且内芯金属的存在减小了可供使用的束流孔径，容易使束流传输效率下降。另一方面，实际磁块具有磁场强度和磁化方向误差，采用如何的排布策略能够有效控制磁场总误差，是研制这种永磁型四极磁铁所要解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出了一种永磁型四极磁铁及其组装方法。本发明是一种无内芯的永磁型四极磁铁，其磁场稳定性好、束流传输效率高。本发明中各磁块的排布方式能够在保证磁场精度的条件下放松对单个磁块的磁场精度要求，从而减少磁块误差对组装后总磁场的影响，提高磁场品质。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种永磁型四极磁铁，其特征在于，包括具有容纳腔的金属骨架、位于该金属骨架容纳腔内且采用海尔贝克阵列形式排布的多个磁块、以及多个顶丝；各磁块的顶部分别通过多个所述顶丝与金属骨架内侧固定并向金属骨架中心挤压，使得相邻两磁块侧面紧密贴合且各磁块底部依次首尾相接围合形成一圆形空腔，所有磁块所形成的四极磁场分布于该空腔区域中。

进一步地，各磁块在所述金属骨架中按照以下原则排布：

1)组装于所述金属骨架内的所有磁块的磁场强度尽可能相近；

2)将磁块的设计磁化方向与实际磁化方向的角度差作为磁块的磁化偏角，且将磁块的设计磁化方向指向实际磁化方向为顺时针的定义为正磁化偏角、将磁块的设计磁化方向指向实际磁化方向为逆时针的定义为负磁化偏角，组装于所述金属骨架内的各磁块以磁化偏角同为正磁化偏角、负磁化偏角或者正负磁化偏角交替出现的形式布设。

本发明还提出上述永磁型四极磁铁的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将所有磁块置于180℃环境中烘烤12小时，以使剩磁稳定；

2)分别测量各磁块的磁场，筛除磁场强度、磁化偏角超过允许范围的磁块；

3)根据上述测量结果选择磁场强度相近的磁块并对磁化偏角进行排序，使得各磁块的磁化偏角以同为正磁化偏角、负磁化偏角或者正负磁化偏角交替出现的形式布设；

4)将按照步骤3)排布的所有磁块使用辅助工装装配至金属容纳腔内；所述辅助工装包括一体成型的底座和支撑柱，以及包覆在所述支撑柱外侧的支撑筒，该支撑筒的尺寸与所有磁块底部围合形成的圆形空腔的尺寸相匹配，且支撑柱与支撑筒之间的摩擦力小于支撑筒与各磁块之间的摩擦力；具体包括：

4-1)将金属骨架放置在底座上，其中支撑柱和支撑筒均位于金属骨架的容纳腔内；

4-2)将步骤3)选择的任一磁块放置于金属骨架内侧与支撑筒外侧形成的空间内，通过支撑柱和支撑筒对该磁块底部支撑，同时利用多个顶丝将该磁块的顶部与金属骨架内侧顶紧固定；顶丝与磁块之间放置无磁金属垫片；

4-3)按照步骤3)确定的布设结果并采用步骤4-2)所述方法将剩余磁块依次固定于金属骨架与支撑筒之间；

4-4)将辅助工装的底座和支撑柱从永磁型四极磁铁中抽出，各磁块通过侧面的挤压相互支撑；待所有磁块的变形稳定后取出支撑筒，并微调各顶丝使各磁块稳固；

5)对装配好的永磁型四极磁铁进行磁中心测量，根据测得的磁中心位置，对金属骨架的外圆进行机械处理，使得金属骨架外圆与磁中心位置修至同轴并将外径修剪至最终设计值。

本发明的特点及有益效果如下：

本发明提出了一种无内芯支撑的永磁型四极磁铁及其组装方法。这种永磁型四极磁铁中各磁块截面为等腰梯形与矩形形成的结合截面。磁块之间依靠各梯形斜面之间紧密、稳固的配合在一起，互相支撑，不需要内芯金属。并且单个磁块能通过矩形部分与骨架内侧相配合，起定位作用。

相比于有内芯的实现方式，本发明的无内芯永磁型四极磁铁的稳定性更好，可供使用的孔径范围更大，束流传输效率更高。

此外，本发明还提出了永磁型四极磁铁中各磁块的排布方式，能够在保证磁场精度的条件下放松对单个磁块的磁场精度要求，从而减少磁块误差对组装后总磁场的影响，提高磁场品质。

为实现没有内芯支撑的磁铁结构，本发明采用辅助工装完成装配，在装配工序的末尾阶段去除辅助工装。

本发明采取与测量相结合的方式保证磁中心同轴精度。磁中心位置是磁铁形成磁场的中心位置，一般要求磁中心位置与永磁四极磁铁的同轴度越高越好。传统方法通过减少磁块磁场误差及提高装配精度保证磁中心同轴精度。在本发明中则引入了磁中心测量过程，进一步提高磁中心偏心量这一关键指标。所制造的永磁四极磁铁外径留有余量，在所有组装完成后，进行一次磁中心位置测量，再根据测量结果将四极磁铁外圆与磁中心位置修至同轴并将外径修剪至最终设计值。

附图说明

图1为本发明实施例的永磁四极磁铁结构示意图。

图2为本发明实施例的单个磁块示意图。

图3为本发明实施例的永磁四极磁铁磁块磁化方向示意图。

图4为本发明实施例的装配辅助工装示意图。

图5中(a)～(f)分别为本发明实施例中磁块采用不同排布方式的仿真计算结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述一个本发明提出的一种永磁型四极磁铁及其组装方法的应用实例。

本发明提出的一种永磁型四极磁铁，其整体结构如图1所示，包括具有容纳腔的金属骨架2、位于该金属骨架2容纳腔内且采用海尔贝克阵列形式排布的多个磁块1、以及连接各磁块1与金属骨架2的多个顶丝3。

金属骨架2的形状如图1所示，整体为一两端敞开的圆筒，其主要作用是稳固支撑其内部的磁块1。金属骨架2应有足够的强度，本实施例中金属骨架2的材料为不锈钢316L，厚度约为5mm。金属骨架2内侧有多个侧边相互平行的三角形脊，用于限制各磁块绕骨架中心轴线方向的转动。金属骨架2在对应每个磁块1位置处设有螺孔，螺孔处安装顶丝3，将相应磁块1挤向金属骨架2中心，使相邻磁块紧密贴合在一起。本实施例中对应每个磁块1位置处有3个螺孔，配合M3规格的顶丝3使用。

金属骨架2内容纳有以海尔贝克阵列形式排布的16个磁块1，每个磁块1的形状及尺寸完全相同，其横截面是由一个等腰梯形与一个矩形构成的组合截面。矩形截面部分的磁块可与骨架2内侧三角形的脊相配合，有利于限制磁块绕骨架中心轴线方向的转动。等腰梯形的斜面起磁块间互相支撑的作用。各磁块1的顶部较底部长，通过固定于金属骨架2侧壁的多个顶丝3将各磁块1向容纳腔中部挤压，并由各磁块1侧面彼此限位，使各相邻磁块紧密贴合在一起、不能自由移动，形成稳固的结构。在各磁块1底部依次首尾相接围合成一圆形空腔，所有磁块所形成的四极磁场即分布于该空腔区域中，带电粒子束穿过该区域能够受到聚焦作用。

本发明实施例中，各磁块1均是通过以下方式获得：首先将长方体状的磁块毛坯进行厚度磨加工至所需磁块长度，然后使用线切割在经厚度磨加工后的毛坯上切出磁块所需的横截面形状并对各磁块进行倒角处理，随后使用去离子水对各磁块进行超声波清洗去除其表面的碎屑，对各磁块进行饱和充磁最终得到各磁块。如图2所示，以各磁块顶部中心为原点、以沿磁块顶部中心至底部中心方向作为ox轴正向。每个磁块的磁化方向按照图3排列，在图中以箭头表示。通过与ox轴的夹角将各磁块按磁化方向分为5种类型，分别与ox夹角为0°、45°、90°、135°、180°。各磁块1之间有较强的相互作用力，金属骨架2和顶丝3用于固定各磁块1。本实施例中每个磁块顶部设有3个与顶丝相配合的螺孔，顶丝3穿过金属骨架2侧壁与各磁块顶部的螺孔相配合将相应磁块向容纳腔中部挤压，并通过各磁块底部的限位使之与相邻磁块紧密贴合在一起，不能自由移动。

进一步地，顶丝3与磁块1之间设有金属垫片(该金属垫片在图中未示意出)以减少磁块表面应力。

进一步地，沿金属骨架2的轴向方向，各磁块1的长度均比金属骨架2的长度短，在本实例中短5mm，以保护四极磁铁在加工、测量及后续应用中不易受损伤。各磁块的棱边进行倒角，本实例中倒角的大小为R0.2，能够使磁块不易碎裂。

进一步地，为了在保证磁场精度的条件下放松对单个磁块的磁场精度要求，提高成品率，各磁块1在金属骨架2中按照以下原则排布：1)组装于相同金属骨架2内的所有磁块1的磁场强度尽可能相近；2)将磁块的设计磁化方向与实际磁化方向的角度差作为磁块的磁化偏角，且将磁块的设计磁化方向指向实际磁化方向为顺时针的定义为正磁化偏角、将磁块的设计磁化方向指向实际磁化方向为逆时针的定义为负磁化偏角，组装于相同金属骨架2内的各磁块以磁化偏角同为正磁化偏角、负磁化偏角或者正负磁化偏角交替出现的形式布设。

本发明还提出上述永磁四极磁铁的组装方法，下面进行更详细的说明。

1)将所有磁块置于180℃环境中烘烤12小时，以使剩磁稳定。前期已进行了多组实验确定在该温度、时间条件下，磁块剩磁可以达到稳定状态。

2)分别测量各磁块的磁场，筛除磁场强度、磁化偏角超过允许范围的磁块。本实施例中筛选的标准为：磁场强度偏差不超过1.5％，磁化偏角不超过3°。

3)根据上述测量结果选择磁场强度相近的磁块并对磁化偏角进行排序，使得各磁块的磁化偏角以同为正磁化偏角、负磁化偏角或者正负磁化偏角交替出现的形式布设；

4)将排好顺序的磁块使用辅助工装进行装配。

辅助工装的特点是在磁块装配初期可以在孔径内对磁块提供支撑，方便组装，所有磁块装配到位后易于将辅助工装去除，使磁块之间相互挤压形成稳定的结构。辅助工装的结构如图4所示，包括一体成型的底座4和支撑柱5以及包覆在支撑柱5外侧的支撑筒6。本例中底座4和支撑柱5为一个铝制的整体，本实施例的底座4为一圆台，支撑柱5与底座4同心设置，底座4的直径大于金属骨架2的直径，使得金属骨架2由该底座4支撑。支撑柱5与支撑筒6位于各磁块底部相接围合而成的圆形空腔内，且支撑筒6与各磁块1底部相贴合，本实施例中支撑筒6由壁厚为1.6mm的不锈钢管制成，筒身开有一条平行于金属骨架2轴线方向、宽度约1mm的变形缝，使之容易产生适量变形。采用支撑筒6是为了便于将辅助工装从组装完成的磁铁孔径内去除。利用支撑柱5与支撑筒6之间的摩擦力小于支撑筒6与各磁块1底部之间的摩擦力的特点，易于将支撑柱5抽出。抽出支撑柱5后，支撑筒6与磁块之间的作用力大大减小，也变得易于取出。

利用上述辅助工装对本实施例的永磁型四极磁铁进行组装的具体步骤如下：

4-1)将金属骨架2放置在底座4上，其中支撑柱5和支撑筒6均位于金属骨架2的容纳腔内；

4-2)将任一磁块放置于金属骨架2内侧与支撑筒6外侧形成的空间内，通过支撑柱5和支撑筒6对该磁块底部支撑，同时利用3个顶丝3将该磁块1的顶部与金属骨架2内侧顶紧固定以完成该磁块的固定；顶丝与磁块1之间放置无磁金属垫片以减少磁块表面应力。

4-3)按照步骤3)确定的排序结果并采用步骤4-2)所述方法将剩余磁块依次固定于金属骨架2与支撑筒6之间；

4-4)将辅助工装的底座4和支撑柱5从永磁型四极磁铁中抽出，抽出支撑柱5后支撑筒6无法支撑磁块1指向金属骨架2中心的作用力，磁块1产生向金属骨架2中心方向的微量位移，支撑筒6上开设的变形缝被压缩从而各个磁块1的侧面挤压在一起，互相支撑。待所有磁块的变形稳定后取出支撑筒6后进一步微调紧固各个顶丝3，使磁铁稳固。

5)对装配好的永磁型四极磁铁采用常规的测量方法进行磁中心测量。

6)根据测得的磁中心位置，对四极磁铁骨架外圆进行机械处理(如进行车磨等，可根据实际需要选择合适的机械处理工艺，此处不做限定)，将四极磁铁骨架外圆与磁中心位置修至同轴并将外径修剪至最终设计值，有利于取得更小的磁中心偏心量。

进一步地，为简要说明本发明所述各磁块排布方式的合理性，展示以下仿真计算结果。图5为仿真计算得到的磁化偏角大小为3°的磁块按不同排布方式组合形成磁场的高阶场含量B_n/B₂的模拟结果。横坐标为磁场阶数n，纵坐标为各高阶场(n>2)与四极磁场(n＝2)的比值。理想四极磁铁的高阶场含量应为0，实际四极磁铁由于误差的存在致使其高阶场含量不可能完全为0，但是应尽可能使之减小。图5中(a)表示磁偏角按照+3°-3°+3°-3°…，即正负磁化偏角交替排布的计算结果；(b)表示磁偏角按照+3°+3°+3°+3°…，即同为正磁化偏角排布的计算结果；(c)表示磁偏角按照+3°+3°-3°-3°+3°+3°-3°-3°…，即以2为重复次数交替排布的计算结果；(d)表示磁偏角以3为重复次数交替排布的计算结果；(e)表示磁偏角以4为重复次数交替排布的计算结果；(f)表示磁偏角以8为重复次数交替排布的计算结果。计算结果显示，图中以(a)、(b)所示两种排布方式有较好的结果，各高阶场的含量均较低；而对于以图中(c)～(f)所示排布方式均存在高阶场含量较高的情况。以上结果可见，对于具有一定误差偏角的磁块，采取合适的排布方式可以有效抑制高阶场含量，提升四极磁场品质。按照磁化偏角同极性排布或正负磁化偏角交替排布的方式，有利于减小磁偏角引起的高阶场含量。

在制作大量永磁四极磁铁时(～100套)，同时加工出来的磁块数量巨大(～1600块)，可能的磁块排布方式非常多，选择服从上述两条原则的排布有利于减少高阶场含量，提高磁铁品质。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种永磁型四极磁铁，其特征在于，包括具有容纳腔的金属骨架、位于该金属骨架容纳腔内且采用海尔贝克阵列形式排布的多个磁块、以及多个顶丝；各磁块的顶部分别通过多个所述顶丝与金属骨架内侧固定并向金属骨架中心挤压，使得相邻两磁块侧面紧密贴合且各磁块底部依次首尾相接围合形成一圆形空腔，所有磁块所形成的四极磁场分布于该空腔区域中。

2.根据权利要求1所述的永磁型四极磁铁，其特征在于，各磁块在所述金属骨架中按照以下原则排布：

1)组装于所述金属骨架内的所有磁块的磁场强度尽可能相近；

2)将磁块的设计磁化方向与实际磁化方向的角度差作为磁块的磁化偏角，且将磁块的设计磁化方向指向实际磁化方向为顺时针的定义为正磁化偏角、将磁块的设计磁化方向指向实际磁化方向为逆时针的定义为负磁化偏角，组装于所述金属骨架内的各磁块以磁化偏角同为正磁化偏角、负磁化偏角或者正负磁化偏角交替出现的形式布设。

3.根据权利要求2所述的永磁型四极磁铁，其特征在于，各磁块的磁场强度偏差不超过1.5％，各磁块的磁化偏角不超过3°。

4.根据权利要求1所述的永磁型四极磁铁，其特征在于，各所述磁块的截面相同，均为由等腰梯形与矩形形成的组合截面；其中，相邻磁块的梯形斜面互相支撑，矩形部分与金属骨架内侧配合用于磁块定位。

5.根据权利要求1所述的永磁型四极磁铁，其特征在于，各顶丝与相应磁块之间设有金属垫片。

6.根据权利要求1所述的永磁型四极磁铁，其特征在于，连接各磁块与金属骨架的多个顶丝沿金属骨架轴线方向等间距布设。

7.根据权利要求1所述的永磁型四极磁铁，其特征在于，沿所述金属骨架的轴向方向，各磁块的长度短于金属骨架的长度。

8.一种根据权利要求1～7中任意一项所述永磁型四极磁铁的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将所有磁块置于180℃环境中烘烤12小时，以使剩磁稳定；

2)分别测量各磁块的磁场，筛除磁场强度、磁化偏角超过允许范围的磁块；

3)根据上述测量结果选择磁场强度相近的磁块并对磁化偏角进行排序，使得各磁块的磁化偏角以同为正磁化偏角、负磁化偏角或者正负磁化偏角交替出现的形式布设；

4)将按照步骤3)排布的所有磁块使用辅助工装装配至金属容纳腔内；所述辅助工装包括一体成型的底座和支撑柱，以及包覆在所述支撑柱外侧的支撑筒，该支撑筒的尺寸与所有磁块底部围合形成的圆形空腔的尺寸相匹配，且支撑柱与支撑筒之间的摩擦力小于支撑筒与各磁块之间的摩擦力；具体包括：

4-1)将金属骨架放置在底座上，其中支撑柱和支撑筒均位于金属骨架的容纳腔内；

4-2)将步骤3)选择的任一磁块放置于金属骨架内侧与支撑筒外侧形成的空间内，通过支撑柱和支撑筒对该磁块底部支撑，同时利用多个顶丝将该磁块的顶部与金属骨架内侧顶紧固定；顶丝与磁块之间放置无磁金属垫片；

4-3)按照步骤3)确定的布设结果并采用步骤4-2)所述方法将剩余磁块依次固定于金属骨架与支撑筒之间；

4-4)将辅助工装的底座和支撑柱从永磁型四极磁铁中抽出，各磁块通过侧面的挤压相互支撑；待所有磁块的变形稳定后取出支撑筒，并微调各顶丝使各磁块稳固；

5)对装配好的永磁型四极磁铁进行磁中心测量，根据测得的磁中心位置，对金属骨架的外圆进行机械处理，使得金属骨架外圆与磁中心位置修至同轴并将外径修剪至最终设计值。

9.根据权利要求8所述永磁型四极磁铁的组装方法，其特征在于，所述支撑筒的筒身开有一条平行于所述金属骨架轴线方向的变形缝，用于适应抽出所述底座和支撑柱后各磁块的变形。

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