CN112467324A - 一种小涡流高速磁路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小涡流高速磁路，属于磁性材料及器件技术领域，包括上下对称的上磁路和下磁路，所述上磁路和下磁路之间设置气隙，所述下磁路包括底板、中心柱和外部套筒，所述中心柱位于底板上、外部套筒内，所述上磁路和下磁路上均开设有开槽；本发明通过特定的开槽方法，实现了较低的涡流，可解决现有磁路涡流大的问题，有利于提高驱动速度；另外，本发明结构简单可靠，易于加工，具有很强的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及磁性材料及器件技术领域，尤其涉及一种小涡流高速磁路。
背景技术
常见的磁调谐器件，如YIG带通/带阻滤波器，YIG振荡器等，以YIG磁调谐器件为例，其是利用特定磁场作用下YIG材料的铁磁共振原理实现超宽带调谐的器件，这种器件具有调谐频带宽，调谐线性度好等优点，广泛应用于各类电子对抗设备和高精仪器中。其工作需要采用高磁导率的精密软磁合金构建磁路，实现高精度、均匀、可调谐的恒定磁场。而磁性材料中涡流的存在导致的动态滞后特性，是影响磁调谐器件快速调谐的主要因素，因此减小磁路涡流是提高YIG磁调谐器件速度的重要手段。也就是说，现有的磁调谐器件存在降低磁路涡流以提高调谐速度的需求。
为了降低磁路涡流，目前普遍采用如图1所示的叠片磁路，其工艺一般是将软磁合金制作成薄片，然后进行绝缘和粘接，经氢气处理后通过环氧树脂等胶粘接于腔体上，
这种E型叠片磁路可以切断中心柱内的圆环状涡流通道，由于涡流导致的时间常数为：
其中：ｈ为中心柱的总高度，B为叠片厚度的一半，ρ为材料的电阻率，lg为气隙长度。
可见，通过减小叠片厚度可以大幅度降低涡流导致的时间常数。
上述的目前采用叠片磁路的主要问题如下：
生产叠片磁路需要将0.1mm厚度的软磁合金通过线切割或冲片等方式处理成特定形状，然后通过高温实现绝缘和粘接处理，而且对端面平整度要求很高，加工难度大；叠片后结构强度差，容易叠片分离，而且需要采用胶粘接至腔体，生产工艺复杂，可靠性低。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种小涡流高速磁路，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种小涡流高速磁路，包括上下对称的上磁路和下磁路，所述上磁路和下磁路之间设置气隙，所述下磁路包括底板、中心柱和外部套筒，所述中心柱位于底板上、外部套筒内，所述上磁路和下磁路上均开设有开槽；所述上磁路的结构与下磁路结构可以相同也可以不相同。
本领域知晓的，典型的紧凑型块状磁路结构如图2所示，
磁路各部分进行微分和积分后，可得到该磁路由于涡流导致的时间常数：
其中：ｈ为中心柱的总高度，ρ为材料的电阻率，lg为气隙长度。
上式表明，涡流所引起的滞后时间常数与材料电阻率、有效气隙长度成反比，与导体中心柱的平方成正比，还与磁路结构参数有关。因此通过特定位置的开槽可以切断涡流通路，对于减小由于涡流所引起的滞后时间常数具有重要的意义。
对于特定的磁路结构，可认为结构参数是固定的，当磁路材料和气隙也确定后，主要的影响因素为中心圆柱面积。
因此，本发明从主要影响因素出发，同时考虑结构强度等因素，通过特定位置的开槽降低涡流。
其中，所述气隙用于放置谐振元件及相关支撑等结构，其高度与磁调谐器件的设计确定，所述开槽用于实现切断涡流通路，同时保证磁路结构具有足够的强度，一般为切割底板和中心圆柱的窄槽，而不切割外套筒。在满足结构强度的前提下，部分切割外套筒对于减小涡流也是有益的。也就是说，开槽可以切穿中心柱和底板，也可以不切穿，在满足结构强度的前提下，开槽可部分切割到外部套筒。
作为优选的技术方案：所述上磁路和下磁路均采用精密合金材料。
所用材料优选为精密合金，如1J50，1J79等，但不排除其它材料，如纯铁，钢，铁氧体等软磁材料。
作为优选的技术方案：所述开槽为切割所述底板和中心柱的槽。
所述开槽还可以切割所述外部套筒。开槽切割外部套筒对于减小涡流是有益的，但受结构强度和加工难度限制，一般不在外部套筒上开槽。
作为优选的技术方案：所述开槽的数量为至少一个。
理论及试验证明，开设一个开槽就已经具有减小涡流的效果，只是发明人在做3D有限元建模仿真的时候采用了阵列复制的方法，而由于软件的限制，该值必须≥2，对于平行开槽，在软件中即可设置为1。
作为进一步优选的技术方案：所述开槽沿所述中心柱圆周阵列分布，或沿中心柱平行阵列分布。开槽可以等距分布也可以不等距分布；开槽可以贯通，也可以不贯通，必须要实现对涡流的切割，使其由一个整体变为数个部分。
开槽如果贯通，更容易加工，但也容易出现中心柱磁场不均匀问题，而且如果需要密封的话，需进行填充等额外的处理；开槽如果不贯通，则不需要额外处理，但加工难度较大，需要采用3D打印等非常规加工工艺。
作为优选的技术方案：所述开槽内为空气，或填充环氧树脂类胶体、非导磁金属材料。开槽内可以是空气，也可以采用其它材料，如环氧树脂类胶体、非导磁金属等进行填充。
作为优选的技术方案：所述开槽位于所述底板和中心柱上，在满足结构强度的前提下，开槽也可部分切割到外部套筒。
开槽宽度和数量需要根据磁路尺寸，需要降低的涡流大小，加工难易度，结构强度，对磁路有效参数的影响进行综合权衡。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过特定的开槽方法，实现了较低的涡流，可解决现有磁路涡流大的问题，有利于提高驱动速度；另外，本发明结构简单可靠，易于加工，具有很强的实用价值。
附图说明
图1为现有技术的叠片磁路结构示意图；
图2为典型的紧凑型块状磁路结构图；
图3为本发明的磁路的结构剖视图；
图4为本发明下磁路的结构示意图；
图5为本发明实施例1的结构示意图；
图6为实施例1不同开槽数量的仿真结果图；
图7为本发明实施例2的结构示意图；
图8为实施例2不同开槽数量的仿真结果图；
图9为本发明实施例3的结构示意图；
图10为实施例3不同开槽数量的仿真结果图。
图中：1下磁路；2、上磁路；3、气隙；4、开槽；5、底板；6、中心柱；7、外部套筒。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
一种小涡流高速磁路，参见图3，包括上下对称的上磁路2和下磁路1，所述上磁路2和下磁路1之间设置气隙3，所述下磁路如图4所示，包括底板5、中心柱6和外部套筒7，所述中心柱6位于底板5上、外部套筒7内，在所述下磁路开设有开槽4；所述上磁路的结构与下磁路结构相同。
实施例1：
参见图5，上磁路2和下磁路1为对称结构，外形尺寸为35.5×35.5×35.5mm，材料为1J50精密合金材料，中心柱6直径为11.5mm，在顶部有倒角，开槽4的槽宽为0.1mm，沿着半径2.5mm的圆周均布，并同时贯穿中心柱6和底板5；
对于这种开槽结构的涡流进行定量理论计算是非常困难的,在工程上一般采用仿真的方法，通过3D有限元软件AnsysEM仿真不同的开槽数量和没有开槽的结构的涡流比例，从而得到其减小涡流的作用；
通过仿真，得到实施例1不同的开槽数量结构和没有开槽结构的涡流比例从3D有限元仿真软件中将数据导出，单独作图，结果如图6所示：
从图6可以看出，随着开槽数增加，涡流较为明显的减小，当开槽数量为4个时，涡流为原结构的48.3%，当开槽数量为20个时，涡流只有原结构的24.2%，同时，该结果还表明，涡流和开槽数量近似为幂函数关系，当开槽数量增加到一定程度后，其作用已经不明显，因此，针对具体设计，需要通过3D有限元仿真确定较优的开槽数，在减小涡流和加工成本方面进行权衡。
开槽宽度的大小主要影响电感等电磁性能，而对于涡流的影响很小，因此，一般根据最大加工能力进行加工，比如常规线切割工艺可以设计0.1mm的槽宽，3D打印等精细加工工艺可以设计更小的槽宽。
实施例2：
参见图7，上磁路2和下磁路1为对称结构，外形尺寸为35.5×35.5×35.5mm，材料为1J50精密合金材料，中心柱直径为11.5mm，在顶部有倒角，开槽4的槽宽为0.1mm，沿着半径2.5mm的圆周均布，距离中心柱6上表面1mm，距离底板5下表面0.5mm；
通过仿真，得到实施例2不同的开槽数量结构和没有开槽结构的涡流比例从3D有限元仿真软件中将数据导出，单独作图，结果如图8所示：
从图8可以看出，实施例2和实施例1的开槽数量和涡流减小的规律一致，当开槽数量为4个时，涡流为原结构的47.6%，当开槽数量为20个时，涡流为 原结构的25.4%。
实施例2和实施例1的区别在于中心柱6和底板5都没有被槽贯通，中心柱6没有被槽贯通，可以避免中心柱气隙磁场有可能出现的分布不均匀问题，底板5没有被槽贯通，则可以无需填充环氧等额外的处理措施即可实现密封结构。
实施例1结构简单，易于加工，采用常规机械加工艺即可整体加工实现，实施例2中如果只有中心柱6不贯通，则加工难度和实施例1相同，如果需要同时实现中心柱6和底板5都不贯通，则需要采用分体加工、3D打印加工等工艺。
实施例3：
参见图9，上磁路2和下磁路1为对称结构，外形为直径35.5mm的圆柱，材料为1J50精密合金材料，中心柱直径为11.5mm，在顶部有倒角，开槽4的槽宽为0.1mm，各开槽平行分布，开槽4距离中心柱上表面1mm，并贯穿底板5；
通过仿真，得到实施例3不同的开槽数量结构和没有开槽结构的涡流比例从3D有限元仿真软件中将数据导出，单独作图，结果如图10所示：
从图10可以看出，过多开槽并不能继续减小涡流。当开槽数量为4个时，涡流为原结构的35.2%，当开槽数量为20个时，涡流为原结构的38.1%。
实施例3的槽为平行分布，槽间距一般采用相等间距以简化设计，但也可以按照需要设计为非等间距，只要能达到切断涡流通路的目的即可。
另外，实施例1,2没有完全切割开中心柱，因此具有较好的结构强度，实施例3根据具体应用情况进行优化设计后，依然可以达到满足要求的结构强度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种小涡流高速磁路，其特征在于：包括上下对称的上磁路和下磁路，所述上磁路和下磁路之间设置气隙，所述下磁路包括底板、中心柱和外部套筒，所述中心柱位于底板上、外部套筒内，所述上磁路和下磁路上均开设有开槽。
2.根据权利要求1所述的一种小涡流高速磁路，其特征在于：所述上磁路和下磁路均采用精密合金材料。
3.根据权利要求1所述的一种小涡流高速磁路，其特征在于：所述开槽为切割所述底板和中心柱的槽。
4.根据权利要求1所述的一种小涡流高速磁路，其特征在于：所述开槽的数量为至少一个。
5.根据权利要求4所述的一种小涡流高速磁路，其特征在于：所述开槽沿所述中心柱圆周阵列分布，或沿中心柱平行阵列分布。
6.根据权利要求1所述的一种小涡流高速磁路，其特征在于：所述开槽内为空气，或填充环氧树脂类胶体、非导磁金属材料。
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