CN112259321B - 一种电磁单元、阵列及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁单元、阵列及应用，包括：支撑体及螺旋绕制的布置于支撑体上的导线；支撑体包括一个可与相邻支撑体上的该面拼接呈平面的基底面及位于基底面同一侧且向基底面的正投影均落入基底面内的棱侧面；导线螺旋状盘绕于基底面/棱侧面上并通电形成垂直于该基底面/棱侧面的磁场；棱侧面上通电线圈形成的磁场朝向支撑体内部/外部，并形成对基底面上通电线圈所产生磁场同磁极方向及同磁极强度的增强效果。本电磁单元可以增强基底面上方的磁场，且增强效果明显，增幅均匀，可控性强。而且，制作工艺简单，可以根据实际需要控制成本，制备灵活可控。另外，电磁单元的适用范围广，可以应用在各个领域，产品的通用性高。

Description

一种电磁单元、阵列及应用

技术领域

本发明涉及电磁技术领域，尤其涉及一种电磁单元、阵列及应用。

背景技术

电磁铁是线圈通电产生磁场的一种装置，一般在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈像磁铁一样表现有磁性。通常把铁芯制成条形或蹄形状，以使其更加容易被磁化。且为了使电磁铁断电后磁性消失，则铁芯通常采用消磁较快的软磁材料。故而，在通电时电磁铁表现磁性，断电后磁性消失。电磁铁在日常生活中有着极其广泛的应用，由于它的发明也使发电机的功率得到了很大的提高。

电磁铁的特性主要体现在绕线方式上，例如中国发明专利《8字形层叠线圈的制造方法》，申请号为201280024276.2，8字形线圈的作用是，用该绕线方法可直接绕成一个NS组合的悬浮轨道，如日本超导列车的轨道所使用的技术，8字线圈就是形成N、S两个磁极。该结束通过沿轴向方向堆叠矩形导线来制造具有一个轴线的线圈部分的过程，虽然在线圈制造过程中，可以不需要用于测量在连接部中保留的线的长度的过程，从而大大减少了制造过程的数量。但是，对于具有多个表面的异型电磁单元，例如该8字形线圈，其仅仅是实现了基础的磁力发生，难以体现聚磁效果及单侧增强磁力的效果。

发明内容

本发明提供的一种技术方案是一种电磁单元，其优点在于可增强基底面上方的磁场强度，同时可替代永磁体，减少稀土材料用量以达到降低成本的效果。

本发明的技术方案是：一种电磁单元，具有多个表面，其中各线圈在每一个面上均产生一个垂直表面的磁场，这些磁场以相互叠加汇聚的方式，使得磁感线汇聚通过芯部材料的基底面上，以实现增强该端面磁场强度的效果。

具体包括：支撑体，及，螺旋绕制布置于支撑体上的导线。

支撑体，其形状为多面体，支撑体可以相互拼接，以最终实现一个拼接而成的平面。因此，支撑体上主要表现为一个基底面，支撑体通过同一朝向的拼接后，相邻的基底面形成朝向相同的一个平面，该平面即为磁力的加强面，因此该平面上方的磁场即为增强后的磁场。

支撑体上的其他侧面即为棱侧面，棱侧面的特点是：将棱侧面向基底面作投影时，棱侧面的投影需要落在基底面范围内。具体的说：第一种情况，棱侧面或垂直于基底面，即棱侧面或棱侧面延伸不具有共交点。此时棱侧面向基底面的投影即为一条线，该线与基底面底边重合（如长方体或正方体）。第二种情况，棱侧面倾斜形成一个尖顶，即棱侧面或棱侧面延伸具有共交点，那么棱侧面向基底面的投影为一个投影区（如四棱锥、五棱锥）。

在每个面上均布置了导线，导线呈螺旋状盘绕于基底面/棱侧面上并通电形成垂直于该基底面/棱侧面的磁场。

因此，基于上述支撑体的形状，在基底面上即可形成一个基础的N/S磁场。同时，棱侧面上也会形成各磁场。

根据右手螺旋定则，当基底面和棱侧面上线圈的电流方向相对应时，棱侧面线圈所产生的磁场会对基底面线圈的磁场产生一定的增强效果。即棱侧面上通电线圈形成的磁场其磁感线向支撑体内部方向汇聚并通过基底面上，且与基底面线圈所产生的磁场方向相同，以达到增强基底面磁场强度的效果。

例如，当基底面上的电流流向呈顺时针方向时，基底面上产生一个N极“入”基底面的磁场。如果，此时左侧棱侧面上的电流流向在该面内呈相对的顺时针时，左侧棱侧面上会形成一个N极“入”该棱侧面并向支撑体内部方向的磁场。其他棱侧面同理，每个棱侧面都可以形成一个用于增强基底面磁场的独立磁场。

众所周知，磁场的增强需要根据磁场的磁力线进行判断，基底面磁场的外部磁力线从其N极向S极流动。原则上是，两者之间的方向越贴近，增强效果越好，若方向相反则会产生抵消。从实际效果上，棱侧面与基底面之间的倾斜角度在40~65°时，效果最佳，而且支撑体在制备时相对简单。

因此，对应到支撑体形状上，若支撑体呈长方体或正方体，那么棱侧面所产生的磁场与基底面所产生的磁场是垂直的，棱侧面产生的增强效果是非常微弱的。但基底面正对的顶面上也可以设置导线，该面可以形成与基底面同向的磁场，也可以增强基底面的磁场，但是效果显然会较弱。此种情况照比棱锥的情况可能会较弱，但照比单独一个基底面的线圈，仍会产生增强，因为其思想类似于Halbach排列的思想，是通过进行磁感线的汇聚而起到了增强磁场的效果，即侧棱面的磁场其磁感线走向仍会通过基底面，使得基底面的磁通量增大，即磁感应密度增大，磁场强度增强，并非是必须正对或同极，如之前提到的40-65°角度效果最佳，此时角度可考虑为90°，因此只是效果照比棱锥会弱一些，但并不会非常微弱。即长方体或立方体可参考为类似于一阶Halbach Array的增强效果，而棱锥则可参考为类似于二阶Halbach阵列的增强效果。

若为棱锥体，例如四棱锥。那么，棱侧面与基底面是倾斜的，理论上棱侧面给基底面带来的增强效果也会比上述情况更好。而且，对于基底面而言，各棱侧面是有各自朝向的，因此当它们形成增幅时，在基底面上的强度也是各不相同的。显然，增幅均匀、朝向角度分布均匀的效果更加理想。对应至支撑体形状，即棱侧面倾斜角度均匀，棱侧面个数及朝向角度间隔均匀的支撑体，其效果更理想。当然，更为重要的是，方案中还需要考虑支撑体的制备难度，以及支撑体的装配要求等等。

根据上述方案原理，支撑体上需要对应导线形成电连接，因此需要设置各个面导线的连接关系以及走线要求。

最为直接也最为方便的方法，即每个面上的导线均独立设置。那么，每个面都有一个接入端和一个接出端，走线容易混乱，布置也不美观。但，相互独立的电连接不会因为单个面上的线路故障而整体断电。

因此，根据本方案的“增强单侧磁场”的原理，至少需要一个棱侧面产生基底面的磁场增幅。因此，至少有一个棱侧面上的导线与基底面上的导线并联连接，其他面则可以串联设置也可以并联设置。

为了解决走线的问题，避免表面线头凌乱。支撑体的内部包括有分别通往基底面及各棱侧面的走线道，走线道在每个面的中心处通出。导线以走线道的出口为中心，螺旋式盘绕，并按照其所在基底面或棱侧面的轮廓形状进行螺旋状盘绕。

为了增加每个面上的磁场，基底面及棱侧面上的导线包括并联设置的三个导线层，且三层导线按照同一绕线轨迹层叠设置。

支撑体上还包括接入电源线的主线道，且主线道与走线道连通。一般，主线道从顶角处开设通往支撑体的中心，例如四棱锥的支撑体，主线道从棱侧面的共交点向基底面方向开设。

支撑体可以采用不导磁的结构件，或者高导磁的软磁材料，或者有确定方向充磁的硬磁材料。使用不导磁结构件不会由于磁场饱和而产生发热，但磁场的增强幅度有限；使用导磁的软磁结构可以对聚集的磁场产生激励，使得磁场增强幅度更强，但也会因为软磁材料的饱和问题产生较为严重的发热现象；使用有特定方向充磁的硬磁材料则可以使增加的磁场获得更多的叠加分量，使得增强面的磁场更强，但是也会因为其他面的线圈通入电流产生磁场导致硬磁材料磁场退磁。

基于上述的电磁发生原理，将其实施为一个电磁体阵列，其中：

第一单元，其基底面上的磁场方向为磁力线向支撑体外部方向发射，其棱侧面上磁场方向为磁力线向支撑体内部方向汇聚。

第二单元，其基底面上的磁场方向为磁力线向支撑体内部方向发射，其棱侧面上磁场方向为磁力线向支撑体外部方向发散。

第一单元与第二单元间隔排列形成阵列，那么相邻的支撑体以基底面拼接呈平面的方式阵列排布，而相邻支撑体上基底面的磁场发生方向就是相反的。

在电磁发生的过程中，当通入脉冲电流，因此，第一单元与第二单元产生交底磁场变化，而每个单元中基底面上的磁场则由各自棱侧面上的磁场进行加强。

本方案还进一步的保护了该三维电磁单元阵列的应用，其主要体现在了通过三角形电磁铁阵列形成电磁轨道。通过第一单元、第二单元阵列拼接，因为第一单元与第二单元均为截面呈三角形状，第一单元与第二单元正反拼接，第一单元和第二单元上的基底面依次拼接形成一个磁力方向向外的加强面，其他侧边上的螺旋圈形成Halbach阵列式的侧边磁场加强。

该轨道通过电磁单元阵列拼接，并通过框架固定形成固定排列，基于Halbach阵列，该轨道可以形成轨道表面的磁力加强，使得磁悬浮轨道具有极强可行性。

本发明的优点是：

1、可以增强单侧面的磁场，且增强效果明显，增幅均匀，可控性强。

2、制作工艺简单，可以根据实际需要控制成本，制备灵活可控。

3、适用范围广，可以应用在各个领域，产品的通用性高。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为三棱锥电磁单元的立体图；

图2为三棱锥电磁单元的展开图；

图3为三棱锥电磁单元的磁场原理图；

图4为正方体电磁单元的立体图；

图5为正方体电磁单元的磁场原理图。

图6为三棱锥电磁单元阵列的结构图；

图7为正方体电磁单元阵列的结构图。

具体实施方式

实施例1

采用正方体轮廓，每个面上布设线圈，线圈产生的磁场垂直平面。由于各个面线圈产生的磁场会产生较大的电磁拉力，因此需要在心部添加支撑体以支持。

支撑体可以采用不导磁的结构件，或者高导磁的软磁材料，或者有确定方向充磁的硬磁材料。使用不导磁结构件不会由于磁场饱和而产生发热，但磁场的增强幅度有限；使用导磁的软磁结构可以对聚集的磁场产生激励，使得磁场增强幅度更强，但也会因为软磁材料的饱和问题产生较为严重的发热现象；使用有特定方向充磁的硬磁材料则可以使增加的磁场获得更多的叠加分量，使得增强面的磁场更强，但是也会因为其他面的线圈通入电流产生磁场导致硬磁材料磁场退磁。

除却增强的基底面磁场垂直该平面向外，其他棱侧面产生的磁场均向内汇聚。如图4和5所示，棱侧面所产生的磁力线对基底面的磁场会产生作用。

实施例2：

采用四棱锥结构，底面为矩形，其他四面为三角形，三角面的倾斜角度优选的范围为40°至65°。

如图1和3所示，三角形面的磁场向内部汇聚，底面的矩形为增强磁场的目标面，四个三角形面倾斜的角度可以将磁场汇聚作用发挥至极限。

具体的，还涉及到了线路的走向布置等。本实施例中，如图1和3所示，其中图1为四棱锥结构电磁单元的立体图，图2为其张开状态的示意图。对应图2和3，四个棱侧面的共交点处，即顶点处开设主线道，主线道竖直贯穿，直接通往基底面中心的孔口。基底面上的导线按照方形轨迹呈逆时针螺旋状布置，导线直接从侧边过渡至左侧的棱侧面上，在该棱侧面上，导线按照三角形轨迹呈顺时针螺旋状布置，导线逐渐绕制该棱侧面的中心，在该棱侧面中心处为走线道的孔口，导线通过走线道通往该棱侧面相对的右侧棱侧面上。从右侧棱侧面中心的走线道孔口穿出，导线按照三角形轨迹呈顺时针螺旋状布置。从侧面邻边过渡向上侧的棱侧面走线，导线在上方的棱侧面上按照三角形轨迹呈顺时针螺旋状布置并逐渐绕制该棱侧面中心的孔口，从该孔口进入穿设至该棱侧面正对的下方棱侧面。导线从下方棱侧面中心的孔口穿出，导线按照三角形轨迹呈顺时针螺旋状布置，最后，导线沿着该面中线接出。

基于上述的走线布置，基底面上形成一个N极穿入“纸张”方向的磁场，各个棱侧面则产生N极朝向支撑体内部的磁场（如图2所示，棱侧面展开方向为从下方向平面展开）。

支撑体的选择优选的为软磁材料，如坡莫合金、SMC粉末冶金等材料。心部材料内部可以通过打通孔的方式方便在内部接线，可将每一平面的线圈通过中间的通孔相连，这样相当于每面线圈相并联，极大的减少了由于串联电阻过大而产生的发热。

实施例3

Halbach阵列为一种永磁体阵列结构，通过特殊的充磁方向排列以达到使永磁体磁感线在一边叠加，另一边抵消的作用，从而使得阵列永磁体可以增强单边磁场，而另一边磁场削弱，即一种可以实现汇聚磁场以增加单边磁感线密度的特殊结构。

如图6和7所示，如使用本方案的电磁单元进行Halbach阵列，不但可以实现Halbach阵列的聚磁作用，也可以不依赖稀土资源，使得磁悬浮轨道具有极强可行性。

本发明实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种电磁单元，包括：支撑体，及，螺旋绕制布置于支撑体上的导线；其特征在于：

支撑体，包括一个可与相邻支撑体上的基底面拼接呈平面的基底面，及，位于基底面同一侧且向基底面的正投影均落入基底面内的棱侧面；

导线，螺旋状盘绕于基底面/棱侧面上并通电形成垂直于该基底面/棱侧面的磁场；

棱侧面上通电线圈形成的磁场朝向支撑体内部/外部并形成与基底面上通电线圈所产生磁场同磁极方向及磁极强度的增强；

多个棱侧面上的电流螺旋方向相同；

至少一个棱侧面上的导线与所述基底面上的导线并联连接；

棱侧面与棱侧面延伸具有共交点，所述支撑体为四棱锥形状，四棱锥形的所述支撑体上所述棱侧面与基底面之间的倾斜角度范围为40~65°；

四棱锥的四个棱侧面的共交点处即顶点处开设主线道，主线道竖直贯穿，直接通往基底面中心的孔口，基底面上的导线按照方形轨迹呈逆时针螺旋状布置，导线直接从侧边过渡至左侧的棱侧面上，在该棱侧面上，导线按照三角形轨迹呈顺时针螺旋状布置，导线逐渐绕制该棱侧面的中心，在该棱侧面中心处为走线道的孔口，导线通过走线道通往该棱侧面相对的右侧棱侧面上，从右侧棱侧面中心的走线道孔口穿出，导线按照三角形轨迹呈顺时针螺旋状布置，从侧面邻边过渡向上侧的棱侧面走线，导线在上方的棱侧面上按照三角形轨迹呈顺时针螺旋状布置并逐渐绕制该棱侧面中心的孔口，从该孔口进入穿设至该棱侧面正对的下方棱侧面，导线从下方棱侧面中心的孔口穿出，导线按照三角形轨迹呈顺时针螺旋状布置，最后，导线沿着基底面中线接出。

2.根据权利要求1所述的一种电磁单元，其特征在于：所述支撑体内部包括有分别通往所述基底面及各棱侧面的走线道。

3.根据权利要求1所述的一种电磁单元，其特征在于：所述基底面及棱侧面上的导线包多股并绕的导线层，且线层按照同一绕线轨迹层叠设置。

4.根据权利要求2所述的一种电磁单元，其特征在于：所述支撑体包括接入电源线的主线道，且所述主线道与走线道连通。

5.根据权利要求4所述的一种电磁单元，其特征在于：所述主线道从棱侧面的共交点向所述基底面方向开设。

6.根据权利要求1所述的一种电磁单元，其特征在于：所述导线按照其所在基底面或棱侧面的轮廓形状进行螺旋状盘绕。

7.根据权利要求1所述的一种电磁单元，其特征在于：所述支撑体可选用：不导磁结构件、高导磁性能软磁材料件、有确定充磁方向的硬磁材料件。

8.一种根据权利要求1所述的电磁单元组成的阵列，其中的多个支撑体并以基底面拼接呈平面的方式阵列排布，相邻支撑体上基底面的磁场发生方向相反；其特征在于：所述阵列包括：

第一单元，其基底面上的磁场方向为磁力线向支撑体外部方向发射，其棱侧面上磁场方向为磁力线向支撑体内部方向汇聚；

第二单元，其基底面上的磁场方向为磁力线向支撑体内部方向发射，其棱侧面上磁场方向为磁力线向支撑体外部方向发散。

9.一种根据权利要求8所述的电磁单元组成的阵列，其特征在于：包括所述第一单元与第二单元整列组合而成的轨道；所述轨道包括用于固定所述第一单元和第二单元的框架；所述轨道包括：以多个第一单元、第二单元上的基底面阵列拼接而成的磁力加强面。