CN111580031A - 一种大范围高均匀度磁场的永磁系统 - Google Patents

一种大范围高均匀度磁场的永磁系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，包括磁轭及设置在磁轭上下位置处的磁极，所述磁极包括磁钢及极靴，所述磁钢设置在两磁轭相对位置处，所述极靴设置在磁钢上；所述极靴与磁钢接触的一面采用曲面结构，并通过曲面结构嵌入到磁钢内部；所述极靴远离与磁钢接触的一面采用平面结构，从而在相对的两极靴之间形成平整的气隙。本发明的有益效果是：1)该磁极结构具有形状简单，加工成本低，磁钢的磁化方向一致，不需要多块磁化方向不同的磁钢的拼接。2)该磁极的极面可以做成平面，相对于设计复杂形状的极靴，本发明的磁极之间气隙的平均长度可以变小，有利于磁场强度的增加和成本的降低。

Description

一种大范围高均匀度磁场的永磁系统
技术领域
本发明涉及永磁系统技术领域，具体涉及一种大范围高均匀度磁场的永磁系统。
背景技术
永磁系统应用广泛，可以在核磁共振成像装置，或者原子吸收分光光度计，电磁泵等类似结构的设备中发挥重要作用。
中国专利号为：85103498，名称为：高均匀度磁场的永磁磁体以以及中国专利号为：94115507.2，名称为：大气隙C型永磁磁体，这两个专利中结构的特点是磁极中的磁钢有很多块，并且这些磁钢具有不同磁化方向，不同尺寸大小，由于磁钢是饱和充磁后再组装，组装过程中磁钢之间互相排斥非常大，需要配套复杂的安装工具，才能安装的精度和安装过程的安全。
中国专利号为200610114716.X，名称为一种全开放式磁共振成像用永磁磁体，这个专利中结构的特点是磁钢的形状比较简单，但是极靴形状复杂，加工难度大，需要精确的设计和计算。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了结构设计合理的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统。
本发明的技术方案如下：
一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，包括磁轭及设置在磁轭上下位置处的磁极，所述磁极包括磁钢及极靴，所述磁钢设置在两磁轭相对位置处，所述极靴设置在磁钢上；所述极靴与磁钢接触的一面采用曲面结构，并通过曲面结构嵌入到磁钢内部；所述极靴远离与磁钢接触的一面采用平面结构，从而在相对的两极靴之间形成均匀的气隙。
所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述磁轭上下位置处的磁极的充磁方向一致。
所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述极靴的平面结构高于或低于磁钢底面，或与磁钢底面相平齐。
所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述磁轭采用口型结构，磁极采用圆柱体结构，所述极靴采用椭圆体剖切结构。
所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述磁轭采用C型结构，磁极采用长方体结构，所述极靴采用两个椭圆体相交结构。
所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述磁轭采用C型结构，磁极采用长方体结构，所述极靴采用两个椭圆体合并结构。
所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述极靴的最大外径小于磁钢的外径，且极靴的外径大于0.4倍磁钢外径小于0.9倍磁钢外径，所述磁钢的厚度大于极靴的厚度，所述极靴之间气隙的宽度大于0且小于3倍的极靴厚度。
所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述极靴的长度及宽度分别小于磁钢的长度及宽度，所述极靴的长度大于0.4倍磁钢的长度小于0.9倍磁钢的长度，所述极靴的宽度大于0.4倍磁钢的宽度小于0.9倍磁钢的宽度，所述磁钢的厚度大于极靴长度及宽度方向上的厚度，所述极靴之间气隙的宽度大于0且小于3倍的极靴长度及宽度方向上的厚度。
所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述极靴的长度及宽度分别小于磁钢的长度及宽度，所述极靴的长度大于0.4倍磁钢的长度小于0.9倍磁钢的长度，所述极靴的宽度大于0.4倍磁钢的宽度小于0.9倍磁钢的宽度，所述磁钢的厚度大于极靴长度及宽度方向上的厚度，所述极靴之间气隙的宽度大于0且小于3倍的极靴长度及宽度方向上的厚度。
所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述磁轭的材料采用416不锈钢、1010不锈钢或Q235钢，磁钢的材料采用烧结铁氧体、烧结SmCo或NdFeB，极靴的材料采用电工纯铁DT4、1J22或hiperco50。
本发明的有益效果是：
1)该磁极结构具有形状简单，加工成本低，磁钢的磁化方向一致，不需要多块磁化方向不同的磁钢的拼接，提高生产效率。
2)该磁极的极面可以做成平面，相对于设计复杂形状的极靴，本发明的磁极之间气隙的平均长度变小，有利于磁场强度的增加和成本的降低；同时，磁极之间气隙的有效空间也可以增加，应用于核磁共振时可以提高使用客户的舒适感。
3)该磁极结构可先在磁钢不充磁的情况下组装，组装之后然后再整体充磁的方案，组装成本和难度大大降低。
附图说明
图1为本发明的实施例1效果图；
图2为本发明的实施例1磁极三维结构示意图；
图3为本发明的实施例1极靴结构示意图；
图4为本发明的实施例1磁极正面结构示意图；
图5为本发明的实施例2效果图；
图6为本发明的实施例2极靴设计一的磁极三维结构示意图；
图7为本发明的实施例2极靴设计一结构示意图；
图8为本发明的实施例2极靴设计一的磁极正面结构示意图；
图9为本发明的实施例2极靴设计一的磁极侧面结构示意图；
图10为本发明的实施例2极靴设计二的磁极三维结构示意图；
图11为本发明的实施例2极靴设计二结构示意图；
图12为本发明的实施例2极靴设计二的磁极正面结构示意图；
图13为本发明的实施例2极靴设计二的磁极侧面结构示意图；
图14为本发明的气隙中的均匀磁场图；
图15为本发明的直径400mm球形区域内磁场均匀度图；
图16为本发明的直径400mm的球形区域内磁场强度图；
图17为本发明的磁极面积450×70mm^2的磁场均匀度；
图18为本发明的磁极面积450×70mm^2的磁场强度；
图19为本发明的磁场线分布图；
图中：1-磁轭，2-磁钢，3-极靴，4-气隙。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步描述。
一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，包括磁轭1及设置在磁轭1上下位置处的磁极，磁极包括磁钢2及极靴3，磁钢2设置在两磁轭1相对位置处(磁钢2与磁轭1之间粘接固定)，极靴3设置在磁钢2上；极靴3与磁钢2接触的一面采用曲面结构，并通过曲面结构嵌入到磁钢2内部(极靴3与磁钢2之间粘接固定)；极靴3远离与磁钢2接触的一面采用平面结构，从而在相对的两极靴3之间形成均匀的气隙。
本发明的可以在较大的气隙内实现高的磁场均匀度，是一种拥有新型磁极结构的永磁系统。该发明可以达到的均匀磁场的效果如图19：图中磁轭1，磁钢2，极靴3和气隙4，其中气隙的宽度和磁极的宽度设为25mm。采用本发明的磁极设计，可以在宽度为25mm的两只极靴之间的气隙中产生一段非常均匀的磁场，如图14所示，其中在5mm-20mm的范围磁场变化很小。
实施例1：
如图1-4所示，大范围高均匀度磁场的永磁系统，采用口型磁轭+圆柱磁极结构组成。
磁轭1采用口型结构，磁极采用圆柱体结构，其中曲面结构的曲线是椭圆或圆或抛物线或双曲线等的一部分，或者近似该曲线的阶梯状或者锯齿状折线，其中以椭圆体剖切结构(椭圆上部曲线)能够产生高的磁场强度和磁场均匀性。
本实施例中椭圆体剖切结构的数学模型满足：
Figure BDA0002474159960000061
其中，a是长轴，b是短轴，k是常数且a>b>0，z≥k，k∈[-b,b]；
极靴3朝向气隙的面是平面，极靴3的平面结构高于或低于磁钢2底面，或与磁钢2底面相平齐，其中该平面与磁钢2底面平齐的时候为高的磁场强度和磁场均匀性；极靴3的最大外径b要小于磁钢2的外径g，在40％*g<b<90％*g的时候有高的磁场强度和磁场均匀性，其中气隙越小，极靴最大外径b要接近于90％*g；气隙越大，极靴外径b要接近于40％*g。
气隙e的选择和d有关，在0<e<3*d的时候有高的磁场强度和磁场均匀性，并且e的值越小，磁场强度和均匀度越高。
磁轭1的材料可以是416不锈钢，1010不锈钢或者Q235钢等常规导磁材料；极靴3的材料可以是电工纯铁DT4，1J22，hiperco50等高饱和磁场强度的材料；对于磁轭1和极靴3，高磁导率和高饱和磁场强度的材料可以提高气隙的磁场强度和磁场均匀性；磁轭1可以根据实际尺寸的大小，选择整体加工或者分段加工之后再拼接。
磁钢2的材料可以是烧结铁氧体材料，烧结SmCo材料，或者NdFeB材料等强磁性材料，并且磁性能越高，间隙的气隙磁场强度越高；磁钢2可以根据实际尺寸的大小，选择整体加工或者分段加工之后再拼接；磁钢2的厚度f要大于极靴3的厚度d，增加磁钢2的厚度f有助于提高气隙的磁场强度。
上下两个磁极的充磁方向相同，都是平行于磁钢厚度f方向，不需要多块磁化方向不同的磁钢的拼接。
实施例2：
如图5-13所示：大范围高均匀度磁场的永磁系统，采用C型磁轭+长发体磁极结构组成。
磁轭1采用C型结构，磁极采用长方体结构，极靴3是嵌入到磁钢2内部，曲面结构的曲线是椭圆或圆或抛物线或双曲线等的一部分，或者近似该曲线的阶梯状或者锯齿状折线，其中以两个椭圆体相交或合并结构能够产生高的磁场强度和磁场均匀性。
极靴形状分两种设计形式：
极靴设计一：极靴3曲面结构由两个椭圆体相交结构的组成：
两个椭圆体分别为椭圆体1和椭圆体2，其中
椭圆体1的数学模型：
Figure BDA0002474159960000071
其中a是长轴，c是短轴；
椭圆体2的数学模型：
Figure BDA0002474159960000072
其中b是长轴，c是短轴；
对于椭圆体1和椭圆体2，都有a＞c＞0且b＞c＞0，z≥k,k∈[-c,c]；
假如有点A，坐标为(x，y，z)，同时满足椭圆体1和椭圆体2的数学模型的情况下，那么这个点的集合体就是椭圆体1和椭圆体2的相交结构；
极靴设计二：极靴3曲面结构两个部分椭圆体合并结构组成：
两个椭圆体分别为椭圆体1和椭圆体2，其中
椭圆体1的数学模型：
Figure BDA0002474159960000081
其中a是长轴，c是短轴；
椭圆体2的数学模型：
Figure BDA0002474159960000082
其中b是长轴，c是短轴；
对于椭圆体1和椭圆体2，都有a＞c＞0且b＞c＞0，z≥k,k∈[-c,c]；
假如有点A，坐标为(x，y，z)，满足椭圆体1或者椭圆体2任一个的数学模型的情况下，那么这个点的集合体就是椭圆体1和椭圆体2的合并结构；
以下规律对于极靴设计一和极靴设计二都适用：
极靴3朝向气隙的面是平面，该平面可以稍微高于或者低于磁钢的面，和磁钢2底面平齐的时候为高的磁场强度和磁场均匀性；极靴3的长度b1，宽度b2和磁钢的长度g1，宽度g2有以下关系，b1<g1并且b2<g2；在40％*g1<b1<90％*g1，40％*g2<b2<90％*g2的时候气隙有高的磁场强度和磁场均匀性，其中气隙越小，极靴外径b1(b2)越接近于90％*g1(90％*g2)；气隙越大，极靴外径b1(b2)越接近于40％*g1(40％*g2)。
气隙e的选择和极靴3宽度方向上的厚度d1和极靴3长度方向上的厚度d2有关，在0<e<3*d1和0<e<3*d2的时候有高的磁场强度和磁场均匀性，并且e的值越小，磁场强度和均匀度越高；当d1＝d2的时候，气隙的磁场均匀性可以得到进一步的增加。
磁轭1的材料可以是416不锈钢，1010不锈钢或者Q235钢等常规导磁材料；极靴的材料可以是电工纯铁DT4，1J22，hiperco50等高饱和磁场强度的材料；对于磁轭1和极靴3，高的最大磁导率和高饱和磁场强度的材料可以提高气隙的磁场强度和磁场均匀性；磁轭1可以根据实际尺寸的大小，选择整体加工或者分段加工之后再拼接。
磁钢2的材料可以是烧结铁氧体材料，烧结SmCo材料，或者NdFeB材料等强磁性材料，并且磁性能越高，间隙的气隙磁场强度越高；磁钢2可以根据实际尺寸的大小，选择整体加工或者分段加工之后再拼接；磁钢2的厚度f要大于极靴3的厚度d1和d2，增加磁钢2的厚度f有助于提高气隙的磁场强度。
上下两个磁极的充磁方向相同，都是平行于磁感厚度f方向。
实施例3：
一种可以用于核磁共振的永磁系统如图1，采用的圆柱体磁极结构，磁轭1选择口型。整体外观尺寸是2400*2200*1200mm，气隙长度500mm，磁极极面的直径是1800mm，在气隙中心直径400mm的球形区域内，实现磁场强度达到3900Gs，气隙的均匀度小于20ppm，整体重量小于20吨。其中磁钢2材料选用N48H，磁轭材料选用电工纯铁DT4，极靴材料是Hiperco50；模拟计算的永磁结构的磁场均匀度和磁场强度，如图15和图16。
实施例4：
一种可以用于原子吸收分光光度计的永磁系统如图5，采用长方体磁极结构(极靴采用设计二)，磁轭1选择C型，整体外观尺寸是541*550*370mm。其中气隙宽度是20mm，磁极面积是550*200mm^2,在磁极中心间隙450*70mm^2的范围内，实现磁场均匀度小于1000ppm，磁场值大于1T；其中磁钢2材料选用N48H，磁轭材料选用1010钢，极靴材料是电工纯铁DT4。模拟计算永磁结构的磁场均匀度和磁场强度，如图17和图18。
本申请与现有技术(专利号为CN94115507.2)对比的结果如下：
Figure BDA0002474159960000101
结论：本申请与现有技术相比，均匀场直径大幅提高，均匀场的均匀度是最大值和最小值得差异百分比，值是越小越好的，所以均匀场的均匀度也大幅提高，且单位重量产生的均匀场体积提高了1.89倍。

Claims (10)

1.一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，包括磁轭(1)及设置在磁轭(1)上下位置处的磁极，所述磁极包括磁钢(2)及极靴(3)，所述磁钢(2)设置在两磁轭(1)相对位置处，所述极靴(3)设置在磁钢(2)上；所述极靴(3)与磁钢(2)接触的一面采用曲面结构，并通过曲面结构嵌入到磁钢(2)内部；所述极靴(3)远离与磁钢(2)接触的一面采用平面结构，从而在相对的两极靴(3)之间形成均匀的气隙。
2.根据权利要求1所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述磁轭(1)上下位置处的磁极的充磁方向一致。
3.根据权利要求1所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述极靴(3)的平面结构高于或低于磁钢(2)底面，或与磁钢(2)底面相平齐。
4.根据权利要求1所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述磁轭(1)采用口型结构，磁极采用圆柱体结构，所述极靴(3)的采用椭圆体剖切结构。
5.根据权利要求1所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述磁轭(1)采用C型结构，磁极采用长方体结构，所述极靴(3)的曲面结构采用两个椭圆体相交结构。
6.根据权利要求1所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述磁轭(1)采用C型结构，磁极采用长方体结构，所述极靴(3)的曲面结构采用两个椭圆体合并结构。
7.根据权利要求4所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述极靴(3)的最大外径小于磁钢(2)的外径，且极靴(3)的外径大于0.4倍磁钢(2)外径小于0.9倍磁钢(2)外径，所述磁钢(2)的厚度大于极靴(3)的厚度，所述极靴(3)之间气隙的宽度大于0且小于3倍的极靴(3)厚度。
8.根据权利要求5所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述极靴(3)的长度及宽度分别小于磁钢(2)的长度及宽度，所述极靴(3)的长度大于0.4倍磁钢(2)的长度小于0.9倍磁钢(2)的长度，所述极靴(3)的宽度大于0.4倍磁钢(2)的宽度小于0.9倍磁钢(2)的宽度，所述磁钢(2)的厚度大于极靴长度及宽度方向上的厚度，所述极靴(3)之间气隙的宽度大于0且小于3倍的极靴(3)长度及宽度方向上的厚度。
9.根据权利要求6所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述极靴(3)的长度及宽度分别小于磁钢(2)的长度及宽度，所述极靴(3)的长度大于0.4倍磁钢(2)的长度小于0.9倍磁钢(2)的长度，所述极靴(3)的宽度大于0.4倍磁钢(2)的宽度小于0.9倍磁钢(2)的宽度，所述磁钢(2)的厚度大于极靴长度及宽度方向上的厚度，所述极靴(3)之间气隙的宽度大于0且小于3倍的极靴(3)长度及宽度方向上的厚度。
10.根据权利要求1所述的一种大范围高均匀度磁场的永磁系统，其特征在于，所述磁轭(1)的材料采用416不锈钢、1010不锈钢或Q235钢，磁钢(2)的材料采用烧结铁氧体、烧结SmCo或NdFeB，极靴(3)的材料采用电工纯铁DT4、1J22或hiperco50。
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