CN114300215B - 一种磁场可调的Halbach阵列装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁场可调的Halbach阵列装置，包括：若干个并列排布的磁极，磁极包括固定磁极和可调磁极；在磁极的上方设置有轭铁；可调磁极可绕自身轴线转动，可调磁极包括可旋转永磁体与包裹在可旋转永磁体外的磁性材料。本申请基于经典Halbach阵列，通过将部分或全部永磁体设计成可旋转结构，并设计不同旋转方案，实现磁场大小和方向的调节及外特性的改变，使Halbach阵列的适用范围更加广泛。

Description

一种磁场可调的Halbach阵列装置

技术领域

本申请属于电磁技术领域，具体地讲，涉及一种磁场可调的Halbach阵列装置。

背景技术

目前，磁场的产生方式可以分为电励磁和永磁体励磁两种，其中电励磁由线圈绕组通电在铁芯内部产生磁场，永磁体励磁由充磁后的永磁材料直接产生磁场。两种励磁方式相比，电励磁可以产生比较强的磁场，并且通过改变励磁电流的大小可以对磁场强度进行动态调节，但线圈绕组需消耗电能并伴随产生热量。永磁体在保护得当的前提下，一次充磁可以长期使用，不需要消耗外部能源，虽然单个永磁体产生的磁场强度有限，但通过合理排列，磁场强度可以达到甚至超过电励磁的水平。Halbach阵列便是一种可以增强磁场的永磁排列形式，其经典结构如图1中的(a)所示，由左至右相邻永磁体充磁方向相差-90°，这种排列形式能够汇聚一侧的磁场、消弱另一侧的磁场，从而获得单侧磁场增强的效果，其磁力线分布如图1中的(b)所示。由于经典Halbach阵列中的永磁体是固定的，经典Halbach阵列虽然实现了单侧磁场强度的提高，但无法根据需要对磁场进行动态调节，应用领域仍然受限。

发明内容

本申请提供了一种磁场可调的Halbach阵列装置，以解决经典Halbach阵列无法动态调节磁场的问题。

本申请提供了一种磁场可调的Halbach阵列装置，包括：

若干个并列排布的磁极，磁极包括固定磁极和可调磁极；

在磁极的上方设置有轭铁；

可调磁极包括可旋转永磁体与包裹在可旋转永磁体外的磁性材料，可旋转永磁体可绕自身轴线转动。

在一实施例中，磁性材料为软磁材料。

在一实施例中，可旋转永磁体的形状为圆柱形。

在一实施例中，磁场可调的新型Halbach阵列还包括一驱动装置，用于驱动可旋转永磁体的转动。

在一实施例中，驱动装置为电机。

在一实施例中，在可旋转永磁体中心设有转动轴。

在一实施例中，可旋转永磁体的转动轴与齿轮相连，所有齿轮构成齿轮组并互相啮合。

在一实施例中，其中一个齿轮与驱动装置相连，在驱动装置的驱动下，齿轮组带动可旋转永磁体转动。

当需要调整磁场的大小和方向时，本申请通过外部驱动装置驱动可旋转永磁体绕自身轴线旋转。每个可旋转永磁体可单独搭配一套驱动装置，也可使用传动机构将各永磁体连接并共用一套驱动装置。使用传动机构时，一个可旋转永磁体通过连接机构与齿轮及驱动装置直连，另一个可旋转永磁体通过连接机构与另一个齿轮连接，当驱动装置的驱动轴旋转运动时，与驱动装置直连的可旋转永磁体及齿轮随动旋转，并通过齿轮啮合作用带动另一齿轮相向旋转，进而实现两个可旋转永磁体的同步且相向旋转。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种经典Halbach阵列结构及磁力线分布示意图。

图2为本申请提供的一种磁场可调的新型Halbach阵列排布示意图。

图3为本申请实施例中可调Halbach阵列结构示意图。

图4为本申请实施例中磁极交替排列的普通阵列结构示意图。

图5为本申请实施例中6种情形下产生的吸力与经典Halbach阵列、普通阵列的吸力对比图。

图6为本申请提供的一种磁场可调的Halbach阵列装置硬件图。

符号说明：

1——可旋转永磁体；

2——固定磁极；

3——另一可旋转永磁体；

4——另一固定磁极；

5——轭铁；

6——软磁材料；

7——驱动装置；

8——齿轮；

9——连接机构

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，磁场的产生方式可以分为电励磁和永磁体励磁两种，其中电励磁由线圈绕组通电在铁芯内部产生磁场，永磁体励磁由充磁后的永磁材料直接产生磁场。两种励磁方式相比，电励磁可以产生比较强的磁场，并且通过改变励磁电流的大小可以对磁场强度进行动态调节，但线圈绕组需消耗电能并伴随产生热量。永磁体在保护得当的前提下，一次充磁可以长期使用，不需要消耗外部能源，虽然单个永磁体产生的磁场强度有限，但通过合理排列，磁场强度可以达到甚至超过电励磁的水平。Halbach阵列便是一种可以增强磁场的永磁排列形式，其经典结构如图1的(a)所示，由左至右相邻永磁体充磁方向相差-90°，这种排列形式能够汇聚一侧的磁场、消弱另一侧的磁场，从而获得单侧磁场增强的效果，其磁力线分布如图1的(b)所示。由于经典Halbach阵列中的永磁体是固定的，经典Halbach阵列虽然实现了单侧磁场强度的提高，但无法根据需要对磁场进行动态调节，应用领域仍然受限。

基于上述问题，本申请提供了一种磁场可调的Halbach阵列装置，如图2所示，包括：

若干个并列排布的磁极，磁极类型包括固定磁极和可调磁极，在磁极的上方设置有轭铁5；

固定磁极即固定永磁体2和4，可调磁极包括可旋转永磁体1和3与包裹在可旋转永磁体外的软磁材料6，可旋转永磁体可绕自身轴线转动。

在一实施例中，可旋转永磁体的形状为圆柱形。

如图3所示，为可调Halbach阵列结构的多种排布示意图。图3的(a)和图3的(b)中，左起奇数号固定磁极产生的磁场方向为竖直方向，偶数号可旋转永磁体的初始磁场方向为水平方向，将偶数号永磁体相向或同向转动即可改变整套装置的磁场大小和方向。如图3的(c)和图3的(d)所示，左起奇数号可旋转永磁体的初始磁场方向为竖直方向，固定磁极产生的磁场为水平方向，当奇数号永磁体相向旋转或同向旋转时，整套装置的磁场大小和方向随即发生改变。图3的(e)和图3的(f)中全部永磁体均可转动，当全部相邻永磁体相向旋转或同向旋转时，所产生的磁场大小和方向发生改变。

实施例一如图3的(a)所示，包括4个并列的永磁体，上方为轭铁，阴影部分为软磁材料。其中左起第一块和第三块为固定安装的永磁体，充磁方向如图中箭头所示。其余为可旋转的圆柱形永磁体，初始位置如图中所示。调节磁场时驱动可旋转的圆柱形永磁体分别绕各自轴心同步旋转，且旋转方向相反，如图3的(a)中圆弧形箭头所示。

实施例二如图3的(b)所示，各零部件的定义与图3的(a)一致，不同点在于可旋转永磁体的旋转方向相同。

实施例三如图3的(c)所示，包括4个并列的永磁体，上方为轭铁，阴影部分为软磁材料。其中左起第二块和第四块永磁体为固定安装的永磁体，充磁方向如图中箭头所示。其余为可旋转的圆柱形永磁体，初始位置如图中所示。调节磁场时驱动可旋转永磁体分别绕各自轴心同步旋转，且旋转方向相反，如图中圆弧形箭头所示。

实施例四如图3的(d)所示，各零部件的定义与图3的(c)一致，不同点在于可旋转永磁体的旋转方向相同。

实施例五如图3的(e)所示，包括4个并列的永磁体，上方为轭铁，阴影部分为软磁材料。其中4个均为可旋转的圆柱形永磁体，初始位置如图中所示。调节磁场时驱动可旋转永磁体分别绕各自轴心同步旋转，且相邻永磁体的旋转方向相反，如图中圆弧形箭头所示。

实施例六如图3的(f)所示，各零部件的定义与图3的(e)一致，不同点在于4个相邻永磁体的旋转方向相同。

为说明本发明的技术效果，仿真对比图3的(a)～图3的(f)各实施例对某衔铁的“吸力”，并以经典Halbach阵列的吸力和磁极交替排列的普通阵列(如图4所示)的吸力作为参照，如图5所示。由图可知，本申请提供的可调Halbach阵列装置的最大吸力均大于普通阵列，说明可调Halbach阵列具有增强磁场的优点。此外，不同具体实施例还分别具有以下特点：

实施例一，永磁体旋转一周，吸力呈先下降、然后基本持平、再上升的趋势，且三个阶段对应的角度范围均约120°，最小吸力约为最大吸力的37％，说明吸力最小时仍保有可观的磁场，比较适合对最小磁场的强度和稳定性有较高要求的应用场合；

实施例二，吸力按正弦规律变化，吸力变换一个周期对应永磁体旋转360°，吸力变化范围与实施例一相当，比较适合磁场连续可调且对最小磁场强度有要求的应用场合；

实施例三和实施例四，吸力按正弦规律变化，吸力变换一个周期对应永磁体旋转360°，相比其他方案，这两种方案的吸力可调范围最大，最大吸力与经典Halbach阵列的吸力相近，最小吸力接近于0，比较适合对最大磁场强度和场强可调范围有较高要求的应用场合；

实施例五，吸力按正弦规律变化，吸力变换一个周期对应永磁体旋转180°，吸力变化周期短并且可调范围比较大，最大吸力为经典Halbach阵列的76％，最小吸力接近于0，适合对磁场调节灵敏度要求较高的应用场合；

实施例六，吸力按正弦规律变化，吸力变换一个周期对应永磁体旋转90°，吸力变化周期短且可调范围小，适合需要对磁场微调进行的应用场合。

图6为本申请中磁场可调的Halbach阵列装置的具体结构示意图，通过该具体实施例来详细描述本申请的装置结构：

在一具体实施例中，如图6所示，磁极类型包括固定磁极和可调磁极。固定磁极即固定永磁体2和4。可调磁极包括可旋转永磁体1和3，以及包裹在可旋转永磁体外的软磁材料6，可旋转永磁体为圆柱形并可绕自身轴线转动。在磁极上方设置有轭铁5。

在一具体实施例中，如图6所示，软磁材料应保证足够的导磁面积并降低磁阻，磁极截面外形并不限于图示的方形。

在一具体实施例中，如图6所示，还包括一驱动电机7，用于驱动可旋转永磁体的转动。

在一具体实施例中，如图6所示，在可旋转永磁体中心设有转动轴，其中可旋转永磁体1的转动轴通过连接机构9与齿轮8相连，可旋转永磁体3的转动轴通过连接机构9与齿轮8、驱动电机7的驱动轴相连，两个齿轮互相啮合构成齿轮组。

在一具体实施例中，如图6所示，当驱动电机的驱动轴旋转时，与驱动电机直连的可旋转永磁体3及齿轮随动旋转，并通过齿轮啮合作用带动另一齿轮相向旋转，进而实现可旋转永磁体1的同步且相向旋转。

在一具体实施例中，如图6所示，驱动装置可以为电机，也可为液压驱动装置、气动驱动装置等，本申请不以此为限。

在一具体实施例中，如图6所示，传动机构可以为齿轮组，也可为齿轮齿条、蜗轮蜗杆、带轮等其它形式，本申请不以此为限。

在一具体实施例中，如图6所示，也可不使用传动机构，各可旋转永磁体单独配套驱动装置，通过控制装置控制各驱动装置同步旋转。

当需要调整磁场的大小和方向时，通过外部驱动装置驱动可旋转永磁体绕自身轴线旋转。每个可旋转永磁体可单独搭配一套驱动装置，也可使用传动机构将各永磁体连接并共用一套驱动装置。一个可旋转永磁体通过连接机构与齿轮及驱动装置直连，另一个可旋转永磁体通过连接机构与另一个齿轮连接，当驱动装置的驱动轴旋转运动时，与驱动装置直连的可旋转永磁体及齿轮随动旋转，并通过齿轮啮合作用带动另一齿轮相向旋转，进而实现两个可旋转永磁体的同步且相向旋转。

本申请基于经典Halbach阵列，通过将部分或全部永磁体设计成可旋转结构，并设计不同旋转方案，实现磁场大小和方向的调节及外特性的改变，使Halbach阵列的适用范围更加广泛。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。虽然本说明书实施例提供了如实施例所述的技术内容，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的技术内容。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。

Claims (9)

1.一种磁场可调的Halbach阵列装置，其特征在于，包括：

若干个并列排布的磁极，所述磁极包括固定磁极和可调磁极；所述可调磁极包括可旋转永磁体与包裹在所述可旋转永磁体外的磁性材料；

轭铁,设置在所述磁极的上方；

在对最小磁场的强度和稳定性有要求的应用场合下，所述若干个并列排布的磁极左起奇数号为固定磁极，产生的磁场方向为竖直方向，偶数号为可旋转永磁体，初始磁场方向为水平方向；所述可旋转永磁体分别绕各自轴心同步旋转，且旋转方向相反；

在需要磁场连续可调且对最小磁场强度有要求的应用场合下，所述若干个并列排布的磁极左起奇数号为固定磁极，产生的磁场方向为竖直方向，偶数号为可旋转永磁体，初始磁场方向为水平方向；可旋转的圆柱形永磁体分别绕各自轴心同步旋转，且旋转方向相同；

在对最大磁场强度和场强可调范围有要求的应用场合下，所述若干个并列排布的磁极左起奇数号为可旋转永磁体，初始磁场方向为竖直方向，固定磁极产生的磁场为水平方向。

2.根据权利要求1所述的磁场可调的Halbach阵列装置，其特征在于，所述可旋转永磁体的形状为圆柱形，可绕自身轴线转动。

3.根据权利要求1所述的磁场可调的Halbach阵列装置，其特征在于，所述磁性材料为软磁材料。

4.根据权利要求1所述的磁场可调的Halbach阵列装置，其特征在于，还包括一驱动装置，用于驱动可旋转永磁体的转动。

5.根据权利要求4所述的磁场可调的Halbach阵列装置，其特征在于，所述驱动装置为电机。

6.根据权利要求4所述的磁场可调的Halbach阵列装置，其特征在于，在所述可旋转永磁体中心设有转动轴。

7.根据权利要求6所述的磁场可调的Halbach阵列装置，其特征在于，所述转动轴与齿轮相连，所述齿轮构成齿轮组并互相啮合。

8.根据权利要求7所述的磁场可调的Halbach阵列装置，其特征在于，其中一个所述齿轮连接所述驱动装置。

9.根据权利要求8所述的磁场可调的Halbach阵列装置，其特征在于，在所述驱动装置的驱动下，所述齿轮组带动所述可旋转永磁体转动。