CN113678214A - 用于高矫顽性材料的多极磁化装置 - Google Patents

Abstract

磁化装置(10)包括优选由铜制成的导电部分(12)，其中导电部分(12)被制备成使得其形成曲折图案。

Description

用于高矫顽性材料的多极磁化装置

技术领域

本发明涉及一种磁化装置，该磁化装置可用于以多极图案磁化薄片或层压层。由此产生的磁性图案是连续的海尔贝克(Halbach)阵列的近似实现，其磁场集中在薄片或层压层的活跃侧，而另一侧的杂散场可忽略不计。这种多极条纹图案还具有在垂直于薄片或层压层的方向以及在垂直于条纹的薄片内方向上产生强磁保持力的优点。

背景技术

在具有高矫顽性的高能积永磁体(如Nd-Fe-B)中产生这种多极条纹图案需要非常高的电流，该电流通过导线放电。由于多种原因，高电流脉冲使这种装置的设计具有挑战性。电流在导线部分之间产生可能导致导线弯曲的高机械力。因此，导线需要牢固地固定在装置中。此外，为了在装置中产生高电流，必须施加高电压。因此，电流需要与装置的其他部件良好绝缘以避免电压击穿。此外，高电流会将大量能量以热的形式释放到导线中。加热会增加导线的电阻，从而降低峰值电流。如果不加以控制这可能会导致导线熔化。因此，必须有效地提取热量，这使得导线的固定和绝缘更具挑战性，从而限制了导线部分之间的距离。

目前的技术主要使用嵌在层压铁块中的导线。层压铁块的加工需要高精度，并且在将导线放入块中时必须小心谨慎以提供绝缘。这对导线部分可以彼此布置的接近程度以及多极条纹图案的最小间距施加了相当大的技术限制。

发明内容

因此，本发明的一个目的是解决这些挑战并提供一种易于制造、易于适应短的极间距离，并且能够在承受高热应力和机械应力的同时提供足够电绝缘的装置。

根据本发明的第一方面，该目的通过包括优选由铜制成的导电部分的磁化装置来实现，其中，导电部分被制备成使得其形成曲折图案。换而言之，每对相邻的导电部分在其一端连接在一起，从而形成横跨整个导电部分的曲折图案。导电部分之间的连接可以用导电桥来完成。由连接的导电部分构成的曲折图案代表了曲折的载流路径的实现。曲折路径在此指的是由一个或多个基本U形曲线组成的路径，这些曲线由导电部分以及可能存在的导电桥形成。这样，每个导电部分都与其相邻的两个导电部分相连。当电流流过曲折路径中的导电部分时，会产生磁场，该磁场可以以非常类似于Halbach阵列的多极图案磁化薄片或层压层。类似Halbach阵列的条纹图案产生的磁场集中在薄片或层压层的一侧，而另一侧的杂散场可忽略不计，从而在垂直于薄片或层压层的方向以及在垂直于条纹的薄片内方向上产生强磁保持力。

磁化装置的导电部分优选地是彼此电连接的分离件。这样，磁化装置变得容易扩展从而可以根据具体应用增加或减少导电部分的数量。此外，装置也可以毫不费力地拆卸和重新安装，因此可以很容易运输。

在优选实施例中，导电部分通过导电桥电连接，导电桥优选为具有良好导电性的铜件。使用导电桥连接两个相邻的导电部分进一步提高了装置的可扩展性。然而，导电桥是可选的，因为其也可以被设计成导电部分的一部分。实际上，磁化装置也可以制造为具有曲折图案的单件，其中，导电部分彼此一体地连接。

优选地，导电部分基本上为板形或楔形。板形导电部分主要用于平面磁化装置并且易于堆叠和固定在一起，而楔形导电部分主要用于弧形或柱形磁化装置，以用来产生弧形或柱形多极磁性图案。应当注意，术语“板”不限于平板或具有平坦表面的板。这同样适用于术语“楔”，其中楔的表面不必是平坦的、凸出的或凹入的。如果合适，还可以采用任何其他几何形状。例如，波形板或Z字形板来代替平板，其产生波形条纹图案或Z字形条纹图案而不是直线条纹图案，在本发明的范围内也应理解为“板形”。“板形”导电部分优选地具有大体上矩形的横截面，其中，矩形与堆叠方向大体正交的两侧比矩形与堆叠方向大体平行的另外两侧更长。此外，为了实现牢固稳定的堆叠，与堆叠方向正交的导电部分的表面优选被制备成使得每两个相邻导电部分提供足够的表面接触面积(考虑它们之间除连接点外的电绝缘)。

优选地，磁化装置的导电部分堆叠并机械固定在一起。堆叠板形导电部分形成非常模块化和可变的解决方案，可以轻松规模化。例如通过胶的堆叠和固定的高机械强度使该装置能够承受在磁化过程中所经历的较大的力。

在优选实施例中，每个导电部分包括至少一个通孔。在另一优选实施例中，每个导电部分包括延伸至导电部分一侧的开口槽。在实施例中，每个导电部分均设有至少一个通孔和至少一个开口槽，至少一个开口槽从至少一个通孔延伸至导电部分的一侧。以这样的方式切割和制备包括通孔的导电部分，根据上述，使得流过导电部分的电流被限制在尽可能靠近装置表面的层中，其优选地与至少一个开口槽所延伸到的一侧相对。此外，延伸至导电部分一侧的至少一个开口槽有助于避免或减少涡流。特别地，从通孔延伸至导电部分的一侧的至少一个开口槽可防止任何涡流围绕通孔流动。此外，通孔之间的金属有助于提高机械性能，因为其将承载电流的层固定到位。该金属还有助于散热，因为其为热量提供了一条从由于焦耳热而产生热量的载流层流到导电部分的相对侧的路径，在导电部分的相对侧有大量的金属材料用于扩散热量，使得热量可以更好且更有效地消散。

在优选实施例中，在磁化装置的两个相邻导电部分之间提供至少一个绝缘层。这提供了导电部分之间的电绝缘性以及将导电部分机械地固定在一起的方式。绝缘层优选为胶层，其中，胶层更优选为内衬有玻璃纤维。绝缘层对于防止两个导电部分之间除了导电桥处的连接点之外的电接触很重要。绝缘层优选包含粘合材料(例如胶)，以便将堆叠的导电部分牢固地连接和固定在一起，其中该层优选地内衬有玻璃纤维，使得即使在大压力下也保持设定的厚度。绝缘层也优选为板形或楔形。然而，其也可以具有使其适于堆叠在导电部分之间的任何其他形状。

更优选地，在两个相邻的导电部分之间提供至少一个场导部分，场导部分优选地包含铁。该场导部分放大由电流产生的磁场，并有助于磁化放置在装置上方曲折图案处的薄片或层压层。与导电部分和绝缘层一样，场导部分优选地为板形或楔形。然而，其也可以采用任何其他几何形状，使其适于堆叠在导电部分以及绝缘层之间。

至少一个场导部分优选地包括延伸至场导部分的一侧的至少一个开口槽。场导部分以这样的方式被切割以减少涡流但仍具有足够的机械强度以堆叠在一起。

在优选实施例中，磁化装置还包括冷却装置。冷却装置用于进一步散发来自磁化装置的热量，其中冷却装置可以基于液体冷却、空气冷却或任何其他冷却机制。

在第二方面，本发明还提供了一种对层进行磁化的方法，包括：在根据上述的磁化装置的曲折图案处施加层；将电流源施加到磁化装置，使电流流过曲折图案。使用磁化装置和所述方法，可以将层快速磁化成多极图案，这是类似Halbach阵列的实现，但以连续方式而不是更常见的使用离散磁体，这显著改善例如磁体的组装。

在第三方面，本发明涉及包括通过上述方法被磁化的层的滑雪板皮。利用集成的磁化层，滑雪板皮可以磁性地固定到滑雪板底座上，该滑雪板底座优选地也具有磁性层，从而不再需要胶来粘合。

在第四方面，本发明公开了一种滑雪板底座，包括通过上述方法被磁化的层。以这种方式，优选地也具有磁性层的滑雪板皮可以磁性地固定到滑雪板底座。

在第五方面，本发明涉及一种包括滑雪板皮和滑雪板底座的滑雪板，其中，滑雪板皮包括通过根据本发明的方法被磁化的层和/或滑雪板底座包括通过根据本发明的方法被磁化的层，其中滑雪板皮和滑雪板底座磁性连接。由制造商决定是使用根据本发明的装置和方法来磁化滑雪板皮和滑雪板底座两者，还是仅其中之一以这种方式被磁化。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施例进行说明，其中

图1示出了根据本发明实施例的平面磁化装置的立体分解图；

图2示出了根据图1的磁化装置的导电部分的示意性侧视图；

图3示出了图1的具有指示电流方向的磁化装置的立体图；

图4示出了图1的具有指示电流方向的磁化装置的示意性横截面图；

图5示出了根据图4的磁化装置产生的模拟磁场的示意图；

图6示出了根据图1的具有堆叠和固定导电部分的平面磁化装置的示意图；

图7示出了根据本发明另一实施例的具有堆叠和固定导电部分的平面磁化装置的示意图；

图8示出了根据本发明实施例的柱形磁化装置的示意性横截面图；

图9示出了根据本发明实施例的具有波形导电部分的平面磁化装置的示意图；

图10示出了通过胶固定的滑雪板底座和滑雪板皮的示意图；

图11示出了滑雪板底座和滑雪板皮的示意图，它们都包括磁性层，该磁性层优选地通过根据本发明的磁化装置被磁化。

具体实施方式

图1中示出根据本发明的实施例的平面磁化装置10的立体分解图。磁化装置10包括多个导电部分12，其中，导电部分12被制备成每对相邻的导电部分12在其一端连接在一起，使得整个导电部分或整个装置呈曲折图案。导电部分12优选由具有良好导电性的铜制成。

在下面的描述中，将使用图1所示的坐标系来描述平面磁化装置10。Z方向被称为上方向或顶部方向，而与Z方向相反的方向被称为下方向或底部方向。本领域技术人员将理解此类相对术语用于阐明描述并且不将本发明的范围限制于任何特定方向。

根据图1的实施例，导电部分12是沿X方向延伸的板形部分，其中导电部分12优选地是电连接的分离件，优选地通过板形导电桥14实现电连接，该板形导电桥特别是铜件，其中导电部分12在Y方向上逐个堆叠。

更具体地如图2所示，每个导电部分12优选地包括一个或多个通孔16以及一个或多个开口槽18，其中每个开口槽18优选地从一个通孔16延伸到导电部分12的一侧。特别地，开口槽可以在Z方向上延伸到导电部分12的下侧。开口槽18用于防止任何涡流围绕通孔16流动，而切割出通孔16以迫使电流在导电部分12的上侧的层中流动。此外，通孔16之间的金属有助于将载流层保持就位，使其不会由于高电流感应力而弯曲。通孔16之间的金属也有助于散热，因为其为热量提供了一条从由于焦耳热而产生热量的载流层流到导电部分的相对下侧的流动路径，在导电部分的相对下侧有大量的金属材料用于扩散热量。这样，可以更好且更有效地排散热量。

每个导电部分12优选地还包括至少一个紧固孔20，该紧固孔用于紧固堆叠中的导电部分，例如，两个圆形通孔20分别设置在导电部分12的两端。紧固孔20可以容纳杆，例如玻璃纤维杆，以将堆叠的导电部分固定在一起。开口槽还优选地从每个紧固孔延伸到每个导电部分12的一侧，以避免或减少涡流。

每对相邻的导电部分12优选地被至少一个绝缘层22隔开，从而除了由导电桥14形成的连接点之外不建立其他电连接。绝缘层22例如由胶制成，其优选地内衬有玻璃纤维，使得即使在较大压力下该绝缘层也能保持设定的厚度。每个绝缘层22还包括与紧固孔20对齐的至少一个通孔，用于堆叠和固定目的。

一个或多个场导板24，优选是铁板，可以设置在两个相邻的导电部分12之间，并由绝缘层22绝缘。场导板24放大由电流产生的磁场并有助于磁化被放置在装置上方曲折图案处的薄片或层。金属层24优选地还包括与紧固孔20对齐的通孔以用于固定目的。可以提供多个开口槽，优选地在沿X方向分布的位置处并且每个槽沿Z方向延伸以防止涡流。

图3是由装置产生的电流路径的示例图。电流32的方向用箭头表示。如上所述，导电部分被切割以使电流被限制在装置10的上表面的层中。

图4示出了具有指示的电流方向的磁化装置10的示意性横截面图。还示出了承载电流32的主要部分的在装置10的表面处的上层36。由电流32产生的虚线方框34内的磁场通过COMSOL软件模拟，如图5所示。

如图5所示，圆形场线对应于由电流32产生的磁场40，反映了右手定则。放置在装置10的上表面上方的薄片或层压层38被磁场40磁化。短箭头42表示薄片或层内特定高度处的磁场并显示摆线图案，将装置10上方的薄片或层压层38磁化成连续的类似Halbach阵列的图案。图5中所示的图案在整个装置中重复出现。

图6和图7图示了组装的平面磁化装置的两个实施例。图6示出了装置100，其包括由铜制成的堆叠导电部分112、由铜制成的导电桥114、绝缘层122以及由铁制成的场导板124。堆叠和胶的高机械强度使得该装置100能够承受在磁化过程中所经受的较大的力。至少一根杆，优选两根玻璃纤维杆140插入穿过导电部分112、导电桥114、绝缘层122和场导板124端部处的对齐的紧固孔和其他对齐的孔，以便建立刚性构造并防止堆叠在压缩时弯曲。

为了构建装置100，导电部分112和其他部分优选地通过电腐蚀或如激光切割等的其他方法从具有相应厚度和材料的薄片上切下。然后将部分112堆叠在一起并沿杆140对齐。一旦堆叠完成，堆叠可以例如通过螺钉142被挤压并固定在一起，并且胶可以在约120℃的烘箱中固化3-4小时。胶固化后，堆叠能够抵抗施加在其上的高压力。随后施加足够高的压力以防止装置分层，这也有助于在导电部分112和形成电流路径的导电桥114之间形成良好接触。装置的实现具有例如厚度1.5mm的铜部分和厚度1.5mm的铁层，得到的极距约为3.4mm。

为了增加极密度，可以通过完全去除铁层来适应本发明。如图7所示，这样的装置200仅包括导电部分212、导电桥214和绝缘层222，绝缘层222也用作间隔物来设置极宽。因此可以在不损失结构特性的情况下显著增加极密度。然而，由于两极之间的距离很近，需要引入更高的电流来完全磁化一定厚度的薄片。这种没有场导板的装置200的实现具有例如厚度1.5mm的导电部分和1.8mm的极距。

通过使用楔形导电部分代替板形部分，该装置还可以很容易地适应弧形或柱形设计。图8示出了这种装置300的横截面图，该装置包括优选由铜制成的楔形导电部分312、绝缘层322(例如由胶制成)以及优选由铁制成的场导件。楔形导电部分312优选地被切割以使得电流332被限制在尽可能靠近装置300的内表面的层336中。弧形层或柱形层338沿着装置300的内表面放置并且可以被磁化成多极图案，这是连续圆形Halbach阵列的近似实现。

需要说明的是，磁化装置的板形导电部分不限于图6和图7所示的平面板形或矩形板形。相反，也可以获得和使用其他更复杂的几何形状。类似地，磁化装置的楔形导电部分也不限于如图8所示的具有平面、凸面或凹面的楔形。其也可以是具有任何几何形状的楔形。

例如，图9示出了装置100'的另一实施例，其可用于产生波形或Z字形条纹图案，其中每个导电部分112'成形为波形板或Z字形板。此外，每个场导部分124'以及每个绝缘层122'也相应地成形为波形板或Z字形板。成型过程可以在堆叠之前通过用相应的模具压制每个导电板112'来实现，使得导电板112'呈现模具的形状。根据应用，导电板112'也可以使用其他合适的模具成形为其他板形状。相同的成形过程也适用于场导部分124'以及绝缘层122'，从而它们可以相应地与导电部分122'以及导电桥114'(如果存在)堆叠在一起以构建装置100'，优选使用玻璃纤维杆140'。在堆叠之后，它们优选地通过螺钉142'被进一步挤压并牢固地固定在一起。

根据本发明的磁化装置可用于磁化任何可磁化材料的薄片或层，优选地为0.1至1mm。一个示例是滑雪板皮或滑雪板底座，其包括通过根据本发明的装置被磁化的层。

图10示出了传统连接的滑雪板皮450和滑雪板底座460。滑雪板皮450通常由不同材料的层构成，即与雪接触的层451(例如由丝绒制成)，与滑雪板接触的优选由橡胶制成的层453，以及在之间的一些其他结构层452，如图10所示。橡胶层453上方的胶层470通常用于将滑雪板皮450固定到滑雪板底座460上。

根据本申请，如图11所示不再需要胶来固定滑雪板皮550。代替胶的可磁化颗粒直接混合到橡胶层553中。根据模型的不同，也可以使用硅胶等其他材料来代替橡胶。在带有硅胶的这些模型中，可磁化颗粒然后直接混合到硅胶中。由于没有胶，磁力用于将滑雪板皮550固定到滑雪板底座560上。

在生产过程中，可磁化颗粒是随机取向的并且具有随机取向的晶粒。因此，它们不会产生任何显著的磁场。根据本发明的磁化装置能够产生大约2特斯拉的磁场，该磁场能够使磁性颗粒饱和，该磁性颗粒将在滑雪板皮550的橡胶层553内永久保留该磁化的一部分。橡胶层553因此可以被装置磁化成近似的连续Halbach阵列，其在垂直于橡胶层553的表面的方向上以及在垂直于条纹的方向上的层内提供显著的磁力。

为了将滑雪板皮550紧固到滑雪板底座560，也可以将类似的磁性层562引入滑雪板底座560中。滑雪板底座560通常由1.2mm的HDPE层制成。薄HDPE层可与可磁化颗粒混合并集成到滑雪板底座560的HDPE层中，从而在滑雪板底座560中形成夹心式的三层。第一层561为用于滑行的纯HDPE层，第二层562是用于紧固目的的HDPE磁性层，第三层563由纯HDPE制成，以便在不增加太多额外重量的情况下达到1.2mm的厚度。滑雪板底座的磁性层562可以使用用于滑雪板底座的相同的装置被磁化。然而，由制造商或本领域技术人员决定是使用装置对滑雪板皮和滑雪板底座两者进行磁化，还是仅其中之一以这种方式进行磁化。

然而，根据本发明的磁化装置不限于滑雪板皮和滑雪板底座的磁化，而是可以应用于使用诸如Nd-Fe-B之类的可磁化材料的薄片或层的任何事物。例如，可用于出于紧固目的来磁化薄片，例如将手机紧固到扩展坞，或者也可以想象平面冰箱磁铁。沿着这条线，另一个应用是将可磁化颗粒施加到纺织品中并通过根据本发明的装置将它们磁化，从而磁力可用于闭合或拉紧衣服，而不是使用纽扣或拉链。关于例如图8所示的柱形实施例，根据本发明的装置还可用于在电动机(例如步进电动机)的定子中产生近似的Halbach阵列，其中将圆形定子磁化成连续多极图案将显著简化定子的组装。

Claims (16)

1.一种磁化装置(10，100，200，300，100')，包括优选由铜制成的导电部分(12，112，212，312，112')，其中，所述导电部分(12，112，212，312，112')被制备成使得其形成曲折图案。

2.根据权利要求1所述的磁化装置(10，100，200，300，100')，其特征在于，所述导电部分(12，112，212，312，112')是彼此电连接的分离件。

3.根据权利要求2所述的磁化装置(10，100，200，300，100')，其特征在于，所述导电部分(12，112，212，312，112')通过导电桥(14，114，214，114')电连接，所述导电桥优选为铜件。

4.根据前述权利要求中任一项所述的磁化装置(10，100，200，300，100')，其特征在于，所述导电部分(12，112，212，312，112')为板形或楔形。

5.根据前述权利要求中任一项所述的磁化装置(10，100，200，300，100')，其特征在于，所述导电部分(12，112，212，312，112')堆叠并机械地固定在一起。

6.根据前述权利要求中任一项所述的磁化装置(10，100，200，300，100')，其特征在于，每个导电部分(12，112，212，312，112')都包括至少一个通孔(20)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的磁化装置(10，100，200，300，100')，其特征在于，每个导电部分(12，112，212，312，112')都包括延伸到所述导电部分的一侧的至少一个开口槽(18)。

8.根据权利要求6和权利要求7所述的磁化装置(10，100，200，300，100')，其特征在于，至少一个所述开口槽(18)分别从至少一个所述通孔(20)延伸到所述导电部分的一侧。

9.根据前述权利要求中任一项所述的磁化装置(10，100，200，300，100')，其特征在于，在两个相邻的导电部分(12，112，212，312，112')之间设置有至少一个绝缘层(22，122，222，322，122')，其中，所述绝缘层(22，122，222，322，122')优选为胶层，其中，所述胶层更优选地内衬有玻璃纤维。

10.根据权利要求9所述的磁化装置(10，100，300，100')，其特征在于，在两个相邻的导电部分(12，112，312，112')之间设置有至少一个场导部分(24，124，324，124')，所述场导部分优选地包含铁。

11.根据权利要求10所述的磁化装置(10，100，300，100')，其中，至少一个所述场导部分(24，124，324，124')包括延伸至所述场导部分的一侧的至少一个开口槽。

12.根据前述权利要求中任一项所述的磁化装置(10，100，300，100')，其特征在于，所述磁化装置进一步包括冷却装置。

13.一种对层进行磁化的方法，包括：

在根据前述权利要求中任一项所述的磁化装置(10，100，200，300，100')的所述曲折图案处施加所述层；

将电流源施加到所述磁化装置(10，100，200，300，100')，以使电流流过所述曲折图案。

14.一种滑雪板皮(550)，包括通过根据权利要求13所述的方法被磁化的层(553)。

15.一种滑雪板底座(560)，包括通过根据权利要求13所述的方法被磁化的层(562)。

16.一种滑雪板，包括滑雪板皮(550)和滑雪板底座(560)，其中，所述滑雪板皮(550)包括通过根据权利要求13所述的方法被磁化的层(553)和/或滑雪板底座(560)包括通过根据权利要求13所述的方法被磁化的层(562)，其中所述滑雪板皮(550)和滑雪板底座(560)磁性连接。

Images