CN112382459A - 一种三角形电磁铁单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三角形电磁铁单元，包括通电的螺线圈；螺线圈通电后形成垂直于电流流动平面的磁场；螺线圈包括：第一螺线圈，通电形成第一磁场；第二螺线圈，通电形成第二磁场；或包括第三螺线圈，通电形成第三磁场，第三磁场为磁力线发生朝向第三螺线圈所在平面外部的磁场；三个螺线圈形成以各自所在平面两两相交而成的横截面呈三角形的布置；第三磁场发生，则第一磁场及第二磁场以磁力线发生朝向三角横截面中心的磁场设定而布置电流流向；第三磁场不发生，则第一磁场及第二磁场以磁力线相同发生侧向的磁场设定而布置电流流向。本方案使用电磁铁替代永磁体，达到相同的目的，降低了生产加工的成本。

Description

一种三角形电磁铁单元

技术领域

本发明涉及电磁技术领域，尤其涉及一种三角形电磁铁单元。

背景技术

电磁铁是通电产生电磁的一种装置，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。通常把它制成条形或蹄形状，以使铁芯更加容易磁化。若为了使电磁铁断电立即消磁，则往往采用消磁较快的软铁或硅钢材料来制做。这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后磁性就随之消失。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。

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阵列结构。将 Halbach阵列中的永磁体替换为电磁铁，可以极大的降低成本。但是，显然电磁铁的绕线关系及单元体的阵列排布并不容易使其满足Halbach阵列的要求。

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，公开了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。因此，8字形线圈的意义在于可以用一个线圈直接达到NS并列的两个线圈的效果。但是，对于具有多个表面的异型电磁单元，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三角形电磁铁单元，其解决增强单侧磁场密度的问题，同时降低成本。

本发明的技术方案是：一种三角形电磁铁单元，包括通电的螺线圈，螺线圈通电后形成垂直于电流流动平面的磁场。

螺线圈包括：第一螺线圈、第二螺线圈，或包括第三螺线圈。

其原理根据Halbach阵列，利用磁体单元按照磁场方向顺序排列，增强单位方向上的场强。通过通电线圈产生磁场，并利用不同方向的磁场组合达到单侧面磁场的增强。

众所周知，Halbach阵列常见单元体形状为矩形，一阶阵列的磁场方向通常包括两种形式：第一、垂直于底边向上或向下的磁场；第二、平行于底边向左或向右的磁场。因此，利用通电螺线圈代替传统的永磁体，那么螺线圈的布置要求也需要满足磁场方向的设定。

具体的，

第一螺线圈，通电形成第一磁场。

第二螺线圈，通电形成第二磁场。

或包括第三螺线圈，通电形成第三磁场，第三磁场为磁力线发生朝向第三螺线圈所在平面外部的磁场。

三个螺线圈形成以各自所在平面两两相交而成的横截面呈三角形的布置，这样的话，各螺线圈可以形成各自所在面上的对应磁场以形成Halbach阵列所需的磁场布置要求。

基于上述的原理，第三螺线圈所在面作为磁力加强面，其磁场发生方向需要朝向平面外部或内部，而第一螺线圈、第二螺线圈所产生的磁场发生方向则朝向三角形内部或外部。根据常识，磁力线从N极射出向S极射入，固本方案中所提及的磁场方向、磁场发生方向及磁力线相同发生侧向，均是根据磁场的磁力线发生方向或磁场顺/逆时针侧向来确定的。

以上的电磁单元作为Halbach阵列中的一个单元体，那么则需要其具备阵列排布的能力。因此，除去上述磁场方向的电磁单元，同样需要配套组合的其他电磁单元。这些用于拼接阵列的电磁单元同样根据上述的原理，即使不包括第三螺线圈的电磁单元。

具体的，以上述电磁结构，即包括第三螺线圈且发生磁场的电磁电源，暂记为中心单元。在中心单元的两侧分别阵列拼装侧面单元，侧面单元需要对中心单元两侧的第一螺线圈/第二螺线圈所形成的磁场进行“接续”增强。因此，侧面单元通过其第一、第二螺线圈的作用即可达到目的，而侧面单元上无需存在第三螺线圈。

螺线圈的布置需要形成一个磁路流通的空间，因此电磁单元至少有一个支撑体，线圈可以盘绕在支撑体上，用于固定线圈，或用于增强磁路。例如，支撑体可以是三棱柱结构，螺线圈盘绕在棱柱表面；支撑体可以是网格体，螺线按照格栅盘绕，呈三角状排布。

因此，支撑体都可以看做包括：第一螺线圈所在的第一侧面、第二螺线圈所在的第二侧面、第三螺线圈所在的第三侧面。

第二侧面、第三侧面分别与第一侧面之间的倾斜夹角优选为40～65°。

第一、第二、第三侧面所形成的三角横截面呈第二、第三侧面作为等腰的三角形形状。

从将螺线圈布置在上述的支撑体结构上，每个面上的螺线圈可以以并联方式连接，当然也可以通过串联方式连接。例如中间的单元上的第一螺线圈、第二螺线圈、第三螺线圈可以采用并联或串联；侧面单元上的第一螺线圈、第二螺线圈可以采用并联或串联。并联的优势在于各线圈独立，不会因为单个线圈故障而影响其他的线圈，且各线圈并联时总线路电阻较低，损耗较低，但是并联线头较多，接线复杂。串联的优势在于走线简洁，但是一旦故障则整体均断电。无论是串联或是并联，都需要确保螺线圈所形成的磁场方向，根据该磁场方向及电流走向来布置走线。

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，但是也可能因为其他面的线圈通入电流产生磁场导致硬磁材料退磁。

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。

4、采用电磁铁聚磁排列替代传统永磁体，有利于降低成本

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为三角形电磁铁阵列拼接的原理演变图；

图2为中心单元的原理图；

图3为侧面单元的原理图；

图4产生平行磁场的第二螺线管在二维空间中产生的磁场计算

图5产生垂直磁场的第一螺线管在二维空间中产生的磁场计算

图6产生垂直第三螺线管所在平面方向磁场的第三螺线管在二维空间中产生的磁场计算

图7为按实施案例一中电磁单元排列的空间磁场等效模型；

图8为有限元仿真的验证图。

具体实施方式

实施例1

三角形电磁铁，包括三棱柱状的本体。三个侧面上分别盘绕有螺线圈，三个侧面所组成的截面呈三角形。其中，两个侧面为三角形的两个侧边，这两个侧面上分别盘绕第一螺线圈和第二螺线圈。产生垂直磁场的平行线圈是第一螺线管，产生产生平行磁场的的垂直线圈是第二螺线管，产生倾斜磁场的倾斜的线圈是第三螺线管。

第一螺线圈与第二螺线圈在通电后形成垂直于电流流动平面且磁力发生方向朝向三角形内部的磁场。那么，在这两个侧面之间的第三个侧面则盘绕第三螺线圈。第三螺线圈通电后产生了垂直于该侧面且磁力发生方向朝向三角形外侧的磁场，因此，第一螺线圈、第二螺线圈产生的磁场会对第三螺线圈产生的磁场进行强度的增强。因为，第一螺线圈与第二螺线圈的磁力线发生方向会存在一个向上方的分量，如1所示，该分量会增强第三螺线圈的磁力。

具体的，针对实施例一而言，这种聚磁排列的电磁铁产生的磁场可通过公式进行描述：(推导过程如图4-8所示)

这个公式的由来比较长，见如下的推导过程:

具体的，为了模拟本专利所述实施案例1中载流线圈上方的磁场强度，需先基于毕奥萨伐尔定律进行简单的磁场计算，计算过程如下：

(1)产生平行磁场的垂直的第二螺线管在二维空间中产生的磁场计算：

如图4所示，图中磁场分布为：

(2)产生垂直磁场的平行的第一螺线管在二维空间中产生的磁场计算：

如图5所示，图中磁场分布为

(3)产生垂直第三螺线管所在平面方向磁场的、倾斜的第三螺线管在二维空间中产生的磁场计算：

由于在此情况下积分难度大大增加，故利用坐标变换对其进行计算，如图7所示。

首先将P(x,z)坐标变换到s-t坐标系下得到P(s,t)，其中

在s-t坐标系中有

再将Bs，Bt变化到x-z坐标系下，有

如图8所示，横轴为x轴，纵轴为z轴，hpm为导轨部分的厚度(在z方向的高度)，原点为(0,0)，w1点的坐标为(w1,0)，同理可得w2点的坐标为(w2,0)，导轨上方空间中任意点的磁场密度水平分量为Bx(x,z)，导轨上方空间中任意点的磁场密度竖直分量为Bz(x,z)，μ₀为中空磁导率，M₀为磁矩

实施例2：

以实施例1中的电磁铁中心单元，其在左右两侧进行Halbach阵列方式的单元排列，可以进一步增强单侧面上的磁力。

故，两侧的侧面单元作为相邻中心单元侧边的磁力增幅。如图2所示，因为三角形的阵列关系，该侧面单元仅有两个侧面存在磁力发生。位于中心单元左侧的侧面单元则产生与中心单元左侧面螺线圈磁力发生方向相同的磁场，该侧面单元的两个侧面均产生该方向的磁场以形成连续的磁场“接续”增幅(即如图，左侧单元上的两个磁场方向为逆时针方向)。同理，中心单元右侧的侧面单元产生对应中心单元右侧面螺线圈磁力发生方向相同的磁场(即如图，右侧单元上的两个磁场方向为顺时针方向)。

以上述关系进行连续的阵列拼接，可以形成直线式的磁力轨道。该方案不但可以实现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。

实施例3：

如图3所示，从网格状的布置关系上，可以明显的看出该阵列的排列顺序。

从图3中的导线节点可以看出，该排列中的螺线圈连接关系可以采用串联的方式，通过导线的盘绕走线方式进行合理布置，达到形成预期方向的磁场的要求；也可以采用并联的方式，即由两螺线圈接合的位置处并联出线，照比串联方式可降低损耗，但其线路排布较复杂。

中间位置的电磁单元可以形成一个垂直于水平面且磁力发生方向向上的磁场，其两侧的侧面上的螺线圈则导向槽垂直于所在面并对该向上磁场增强磁力的磁场。

而在该中间电磁单元的两侧各有一个侧面电磁单元，两侧的电磁单元根据中间电磁单元对应侧面的磁场发生方向产生磁场发生方向同向的磁场进行增幅。

以该三个拼接关系为一个单元，进行连续的阵列组合，即可形成一个电磁发生的磁悬浮轨道基本方案。

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 (6)

1.一种三角形电磁铁单元，包括通电的螺线圈；螺线圈通电后形成垂直于电流流动平面的磁场；其特征在于：螺线圈包括：

第一螺线圈，通电形成第一磁场；第二螺线圈，通电形成第二磁场；

或包括：第三螺线圈，通电形成第三磁场，第三磁场为磁力线发生朝向第三螺线圈所在平面外部的磁场；

三个螺线圈形成以各自所在平面两两相交而成的横截面呈三角形的布置；

第三磁场发生，则第一磁场及第二磁场以磁力线发生朝向三角横截面中心的磁场设定而布置电流流向；

第三磁场不发生，则第一磁场及第二磁场以磁力线相同发生侧向的磁场设定而布置电流流向。

2.根据权利要求1所述的一种三角形电磁铁单元，其特征在于：每个三角形电磁铁单元上的螺线圈之间的连接关系为并联或串联。

3.根据权利要求1所述的一种三角形电磁铁单元，其特征在于：包括用于布置螺线圈的支撑体；所述支撑体包括：第一螺线圈所在的第一侧面、第二螺线圈所在的第二侧面、第三螺线圈所在的第三侧面。

4.根据权利要求1所述的一种三角形电磁铁单元，其特征在于：所述第一侧面、第二侧面分别与第三侧面之间的倾斜夹角角度为40~65°。

5.根据权利要求1所述的一种三角形电磁铁单元，其特征在于：第一、第二、第三侧面所形成的三角横截面呈第一、第二侧面作为等腰的三角形形状。

6.根据权利要求1所述的一种三角形电磁铁单元，其特征在于：所述支撑体包括：不导磁结构件、高导磁软磁件、有确定充磁方向的硬磁件。

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