CN114514588A - 基于永磁体的磁化器 - Google Patents

Abstract

一种磁化器，包括壳体、布置在壳体内的通道、以及布置在通道外部以提供穿过通道的磁场的永磁体组件，壳体包括通向通道的入口和离开通道的出口，使得待磁化的物体能够经由壳体中的入口插入通道中并且经由壳体中的出口移除。通道包括：均匀部，其中，永磁体组件的相对表面沿着均匀部的长度以均匀距离间隔布置；以及发散部，其布置在通道的均匀部的一端与壳体的出口之间，其中，永磁体组件的相对表面发散，使得发散部的最靠近均匀部的相对表面之间的距离小于发散部的最靠近出口的相对表面之间的距离，并且发散部的相对表面的法向量相对于通道的纵向中心轴线的平均角度(B)大于45度。由此提供了一种基于永磁体的磁化器，其在发散部处具有低的磁场失真。

Description

基于永磁体的磁化器

技术领域

本发明涉及一种磁化器，其包括壳体、布置在壳体内的通道、以及布置在通道外部以提供穿过通道的磁场的永磁体组件，所述壳体包括通向通道的入口和离开通道的出口，使得待磁化的物体能够经由入口插入通道中并且经由出口移除。

背景技术

如上所述的磁化器用于磁化可磁化的物体。使用这种磁化器的一个简单示例是磁化螺丝刀的尖端。在用于螺丝刀的磁化器的情况下，磁化器是具有壳体和永磁体的简单装置，该壳体具有进入通道中的开口，该永磁体被布置成提供穿过通道的磁场。然后，使用者将螺丝刀尖端插入开口中，以将螺丝刀尖端放置在通道内。然后，磁化器中的磁场磁化螺丝刀尖端。一旦尖端被磁化，就将螺丝刀尖端从通道中移除。在这种情况下入口和出口是相同的，因为螺丝刀经由壳体中的同一开口插入通道中并从该通道中移除。

虽然以上描述说明了磁化器的一种简单使用，但是存在磁化器的许多不同的应用。在螺丝刀的情况下，螺丝刀的实际磁性不是那么重要。然而，在其他应用中，例如在磁性部件是位置传感器组件中的部件的情况下，必须非常精确地磁化物体。在这种情况下，磁化器的磁场必须非常精确。众所周知，在开头段落中提到的基于永磁体的磁化器不是非常精确，并且存在许多可能影响被磁化的物体中的磁场的不期望的磁效应。

在需要更精确的磁场的情况下，目前使用基于线圈的电磁体来代替。在这种情况下，可以通过小心地制造电线圈来设计非常精确的磁场。此外，当不施加电流时，可以首先将待磁化的物体插入基于电磁体的磁化器中的通道中。在待磁化的物体已经插入通道中之后，首先将电流供应给电磁体的线圈以产生磁场。当待磁化的元件被适当地磁化时，电流被停止并且场被移除。然后，可以从磁化器的通道中移除物体。以这种方式，可以避免在磁化器的入口和出口周围的任何不期望的磁场，并且用非常精确的磁场磁化物体。

虽然基于电线圈的磁化器在被磁化的物体中提供非常明确和精确的磁场，但是电磁体使用起来昂贵并且消耗大量功率。在需要磁化许多物体的生产过程中，或者在需要同时磁化多个物体的过程中，需要提供多个基于电线圈的磁体，这可能是昂贵的、复杂的、消耗大量功率并生成需要被移除的大量热量。此外，电磁体中所需的高电流对于操作者可能是危险的。

发明内容

因此，本发明的第一方面是提供一种如在开头段落中提到的基于永磁体的磁化器，其减少了被磁化的物体中的不期望的磁场效应。

该目的至少部分地由开头段落中提到的磁化器提供，其中，通道包括：均匀部，永磁体组件的相对表面沿着均匀部的长度以均匀的距离间隔地布置；以及发散部，其被布置在通道的均匀部的一端与壳体的出口之间，其中，永磁体组件的相对表面发散，使得发散部的最靠近均匀部的相对表面之间的距离小于发散部的最靠近出口的相对表面之间的距离，并且其中，发散部的相对表面的法向量相对于通道的纵向中心轴线的平均角度(B)大于45度。

为了本说明书的目的，术语“相对表面”应理解为被布置在穿过通道的纵向中心轴线的平面的相对侧上的表面或表面部分。例如，在通道包括两个相对的壁的情况下，则相对表面是两个相对的壁。然而，在通道具有更圆形的横截面或不具有线性部的另一种形式的横截面的情况下，则相对表面应被解释为通道的内部圆柱形表面的相对部。在一个实施例中，相对表面之间的距离是恒定的和/或固定的。

在一个实施例中，发散部的相对表面的法向量相对于通道的纵向中心轴线的平均角度大于55度或大于65度。在一个实施例中，通道可以被布置成使得均匀部平滑地过渡到发散部。

在一个实施例中，在穿过通道的纵向中心轴线的平面上，发散部的表面的平均切向量小于45度、小于35度或小于25度。

在一个实施例中，发散部的最靠近均匀部的相对表面之间的距离与通道的均匀部的相对表面之间的距离相同。在一个实施例中，由永磁体组件在均匀部的纵向中心处生成的磁场线基本上垂直于通道的纵向中心轴线。

在一个实施例中，永磁体组件包括：永磁体，其被布置在通道外部；以及插入件，其被布置在永磁体与通道之间，所述插入件由相对磁导率大于1的材料制成。在一个实施例中，插入件是能更换的。

在一个实施例中，永磁体沿着通道的纵向轴线的长度等于或大于插入件沿着通道的纵向轴线的长度。在一个实施例中，由永磁体生成的磁场线经由插入件传导到通道。

在一个实施例中，发散部的最靠近出口的相对表面之间的距离D4是均匀部的相对表面之间的距离D3的至少1.2倍。在一个实施例中，距离D4是D3的至少1.3倍、至少1.4倍、至少1.5倍或至少1.7倍。

在一个实施例中，均匀部的长度D1为至少10mm。在一个实施例中，距离D3为至少5mm、至少6mm、至少7mm或至少8mm。在一个实施例中，尺寸D1大于D3。在一个实施例中，永磁体组件的宽度的尺寸D5是D3的至少两倍、至少三倍或至少四倍。

在一个实施例中，发散部在与通道的纵向中心轴线平行的方向上的长度D2大于均匀部的相对表面之间的距离D3的0.5倍。在一个实施例中，长度D2大于D3的0.6倍、0.7倍、0.8倍或0.9倍。

在一个实施例中，壳体中的入口和出口是同一开口，使得待磁化的物体经由壳体中的同一开口被引入到通道中并从通道中移除。在替代实施例中，壳体中的入口和出口是壳体中的两个不同的开口，使得待磁化的物体经由入口进入通道并经由出口离开通道。

在一个实施例中，永磁体组件包括围绕通道的周边布置的磁体的圆形阵列。在一个实施例中，永磁体组件包括被布置为海尔贝克阵列(Halbach array)的磁体阵列。在一个实施例中，海尔贝克阵列被布置为圆形海尔贝克阵列，其中，海尔贝克阵列的各个磁体被布置成提供基本上垂直于通道的纵向中心轴线穿过均匀部的多极磁场。

在一个实施例中，磁体的圆形阵列包括具有非矩形形状的至少一个永磁体。在一个实施例中，所述至少一个永磁体具有带有至少一个弯曲表面的形状。在一个实施例中，所述至少一个永磁体具有带有至少一个凹形弯曲表面的形状。在一个实施例中，通过沿着弯曲路径移动的基于电火花线的切割机在磁体中切出弯曲表面。

在一个实施例中，永磁体组件被布置成在通道的均匀部中提供至少两极磁场。在一个实施例中，永磁体组件被布置成在通道的均匀部中提供至少四极、至少六极或至少八极磁场。

本发明还涉及一种磁化机构，所述磁化机构包括如本文所述的磁化器及致动器，所述致动器被布置成将磁化器从第一位置重复地移动到第二位置，所述第一位置被布置成使得通道远离待磁化的物体定位，并且所述第二位置被布置成使得磁化器的通道的均匀部围绕待磁化的物体布置。在一个实施例中，提供了一种磁化机构，所述磁化机构包括如本文所述的磁化器及致动器，所述致动器被布置成抓持待磁化的物体，将物体移动到磁化器中的通道的均匀部中，将物体从磁化器中的通道中移除并释放物体。

在一个实施例中，磁化机构包括定心机构，所述定心机构被布置成当待磁化的物体插入磁化器中时使所述物体相对于磁化器定心。在一个实施例中，所述定心机构包括能更换的引导元件或插入件，所述能更换的引导元件或插入件能移除地插入磁化器中，所述能更换的引导元件被设计成接触待磁化的物体并将其引导到经定心的位置中。

应当强调的是，当在本说明书中使用时，术语“包括/包含/由……组成”用于指定所述特征、整体、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、部件或其组的存在或添加。

附图说明

图1示出了根据本发明的磁化器的第一实施例的立体图。

图2示出了图1的磁化器的示意性横截面图。

图3示意性地示出了图1的磁化器的磁体的布置，其示出了各个磁体的磁化方向。

图4示意性地示出了图1的磁化器所产生的磁场。

图5示出了围绕由图3和图4中的A所限定的圆圈的图1的磁化器的通道内的磁场的通量密度。

图6示出了沿着由如图3和图4中限定的点A和B限定的纵向线在沿着图1的磁化器的通道的长度的不同位置中的径向通量密度(Brad)和轴向通量密度(Bz)。

图7示意性地示出了根据本发明的磁化器的第二实施例的横截面图。

图8示出了根据本发明的磁化器的第三实施例的示意性横截面图。

图9示出了根据本发明的磁化器的第四实施例的示意性横截面图。

图10示出了根据本发明的磁化器的第五实施例的立体图。

图11示出了图10的磁化器的示意性立体图，其中，为了清楚起见，隐藏了侧面中的一个和磁体中的一个。

图12示出了根据本发明的磁化器的第六实施例的示意性横截面图。

图13示出了根据本发明的磁化器的第七实施例的示意性横截面图。

在下文中，将参考由附图示出的实施例更详细地描述本发明。应该强调的是，所示的实施例仅用于示例目的，而不应该用于限制本发明的范围。

具体实施方式

图1至图6示出了与根据本发明的基于永磁体的磁化器的第一实施例1相关的不同视图和图表。

磁化器1包括成形的永磁体4的圆形阵列2。所述永磁体中的每个都具有大致饼形的横截面，当以圆形阵列布置时，所述永磁体形成海尔贝克阵列。在图3中示出了各个磁体的磁化，并且在图4中示出了整个组件所产生的磁场的局部视图。从图4中可以看出，所得到的组件提供了具有四极磁场的磁化器。如本领域技术人员将已知的，通过改变磁体的数量和改变不同磁体的磁化，可以改变所产生的磁场和极数。

磁化器具有由永磁体4制成的外部主体和穿过磁体的通道8。通道8具有纵向中心轴线L。在该实施例中，通道具有上部开口10和下部开口12。开口的功能可以根据如何使用磁化器而不同。在图1至图6所示的磁化器的情况下，待磁化的物体通常被插入上部开口10中并再次从上部开口10中移除。在这种情况下，上部开口10用作进入通道的入口和离开通道的出口。在另一种情况下，可以设想物体经由下部开口12被插入通道中并经由上部开口10从通道中移除。

当前实施例中的通道8包括两个部分：均匀部14和发散部16。在均匀部中，磁体4被成形为使得磁体的相对表面彼此平行地布置，以使得均匀部的相对表面之间的距离沿着均匀部的长度D1是恒定的。在该实施例中，由于磁化器被布置成磁体的圆形阵列，因此应当理解，如本文所讨论的相对表面都是同一圆柱形表面的一部分，然而，为了本说明书的目的，圆柱形表面的相对部应当被理解为相对表面。

靠近通道的出口10，磁体4被成形为形成发散部16。发散部被布置成使得当物体经由出口离开通道时，磁体的相对表面16彼此远离地发散。图2上示出了不同的尺寸，以更好地描述磁化器的尺寸。均匀部沿着纵向中心轴线的长度由尺寸D1示出。发散部沿着与通道的纵向中心轴线平行的距离的长度由D2示出。均匀部的相对表面之间的距离由D3示出，并且发散部的相对表面之间的最大距离由D4示出。磁体的圆形阵列的外径由D5示出。发散部的相对表面的切向量相对于纵向轴线所成的角度由角度A示出。发散部中的表面的法向量由向量N示出。法向量相对于纵向轴线的角度由图1中的角度B示出，并且为90度减去角度A。

在一个具体情况下，D1为31.2mm，D2为8.8mm，D3为10mm，D4为15.84mm，D5为44mm，并且角度A为20度(或者法向量与纵向中心轴线的角度为70度)。

磁化器1被布置有壳体(未示出)，所述壳体围绕永磁体4布置，以将磁体保持就位并保护它们免受损坏。在一个实施例(未示出)中，壳体由铝制成。然而，在其他实施例中，壳体可以由软磁性材料或非磁性材料制成。

在图1中，可以看出磁体设置有平坦表面。在一个实施例中，表面可以被切割成弯曲表面，以提供更圆形的中心通道和更圆形的发散部。在这种情况下，可以经由沿着弯曲路径移动的线切割机(例如，线切割EDM)切割成弯曲表面。

图5示出了通道8的均匀部内的磁场的特性。该图示出了在距通道的中心轴线2.5mm的距离处围绕通道的圆周行进的不同角位置处的磁通量的径向分量(Brad)和切向分量(Btan)。这由图3和图4所示的包含点A的虚线圆圈示出。可以看出，磁场具有非常正弦的特性，这在被磁化的物体中提供了良好的磁场。

图6示出了沿着通道的纵向轴线的不同纵向位置处的磁场的不同分量。图中示出了两个不同的路径。第一路径是从纵向中心轴线偏移2.5mm的纵向线(图3和图4中的点A)，并且第二路径是从纵向中心轴线偏移3.7mm的纵向线(图3和图4中的点B)。可以想象该图是当沿着穿过通道的纵向线行进时磁场的测量结果。图中x轴线上所示的Z坐标是沿着纵向中心轴线的位置。位置0mm正好在通道的中间。同样，位置-40和+40位于通道外部。可以看出，通道中心的径向分量(Brad)非常均匀，而z分量(Bz)非常小。然而，靠近入口和出口，磁场的z分量变得相当大。在图的左侧(从约-30至-10)示出了在通道的下部开口12处的场，并且在图的右侧(从约10至30)示出了在上部开口10处的场。可以看出，与下部开口12处的z分量效应相比，上部开口10处的z分量效应大大减小。在上部开口处，距离中心3.7mm处的z分量效应小于0.2T，而下部开口处的z分量效应为约0.4T。这意味着通过在通道的出口处设置发散部，z分量效应减小了至少一半。

可以注意到，如果在两个开口10、12处都需要减小z分量，则可以在下部开口12和上部开口10处都设置发散部。例如，如果待磁化的物体应经由上部开口被引入并经由下部开口移除，则发散部也应设置在下部开口处。

图7示出了实施例30，其中，提供了套筒32以保护磁体免受损坏。在发散部的上部处设置有额外的斜角部34。该额外的斜角部允许套筒的良好座置。在该实施例中，可以说，发散部的切向量相对于发散部的纵向轴线的平均角度大于图1至图6的实施例中的平均角度，然而可以看出，第一部分为约20度，第二部分为约40度。同样，法向量相对于发散部的第一部分的表面的角度为约70度，并且法向量相对于发散部的第二部分的表面的角度为约50度。然而，均匀部之间的变化为20度，然后进行20度的进一步变化。因此，发散表面的角度的平均变化率不是那么大。在该实施例中，套筒由不锈钢制成，使得磁体的磁性不会受到太多影响。其他材料也可以用于套筒。在一种情况下，套筒由导磁材料制成。该实施例由类似于图1-图6中所示的实施例的磁体组件构成。

图8示出了类似于图1至图6的实施例的另一实施例36，但是其中，取代具有线性发散表面的发散部，在该情况下发散表面是弯曲表面38。在这种情况下，沿着表面的切向角的变化率为约每毫米2度。然而，可以说，发散表面的平均变化率可以小于每毫米4度、小于每毫米3度或小于每毫米2度。

图9示出了类似于图1至图6的实施例的另一实施例40，但是其中，取代一个线性发散表面，发散表面包括具有不同角度的三个单独的部分42、44、46。最靠近均匀部的第一发散部分具有大约11度的切向角(法向量约79度)，第二部分具有大约29度的切向角(法向量约61度)，并且最靠近出口的最后部分具有大约62度的切向角(法向量约28度)。然而，相对于发散部的相对表面的切向量的平均角度为(11+29+62)/3＝34度(平均法向量为(79+61+28)/3＝56度)。如果不同的部分具有不同的长度，则平均计算将略微不同。

图10示出了偶极磁化器的示例实施例50。在这种情况下，两个永磁体52、54被布置在通道56的任一侧上。第一导磁板58和第二导磁板60被布置在磁体的任一侧上。导磁板的上部62、64设置有弯曲的入口66和出口68以及均匀的中心部70。通道56被布置在弯曲表面之间。物体可以在一端处被引入到通道中，并穿过通道移动到另一端以磁化物体。

在这种情况下，通道56具有两个平行的相对表面66，并且在顶部处开口且在底部处封闭。磁场被布置成在通道56的中心部(均匀部)66处从一个相对表面到另一个相对表面基本上垂直地穿过通道。通道的每一端形成为一发散表面。因此，待磁化的物体可以从任一端插入并从任一端中移除。因此，这两个进入口用作入口或出口。

图12示出了另一实施例80，其中，多个永磁体82衬有保护衬里84。然而，磁体仍然具有均匀部86和发散部88，所述均匀部限定具有平行侧壁的通道，所述发散部具有发散的相对表面。在这种情况下，磁体被布置为如图1至图6的实施例中的圆形阵列。磁体82和保护衬里84一起形成永磁组件。

图13示出了另一实施例90，其中，永磁体92的横截面更呈矩形，但是由导磁材料制成的芯衬里94设置有内部均匀表面96和发散表面98。如前所述，永磁体92和芯衬里94一起形成永磁体组件。

应当注意，附图和以上描述已经以简单和示意性的方式示出了示例实施例。没有示出许多具体的机械细节，因为本领域技术人员应该熟悉这些细节，而且它们只会不必要地使本说明书复杂化。例如，没有详细描述所使用的具体材料和具体制造过程，因为认为本领域技术人员将能够找到合适的材料和合适的工艺来制造根据本发明的磁化器。

Claims (16)

1.一种磁化器，包括壳体、布置在所述壳体内的通道、以及布置在所述通道外部以提供穿过所述通道的磁场的永磁体组件，所述壳体包括通向所述通道的入口和离开所述通道的出口，使得待磁化的物体能够经由所述壳体中的所述入口被插入所述通道中并且经由所述壳体中的所述出口被移除，其特征在于，所述通道包括：

a.均匀部，其中，所述永磁体组件的相对表面沿着所述均匀部的长度以均匀的距离间隔地布置，以及

b.发散部，所述发散部布置在所述通道的所述均匀部的一端与所述壳体的所述出口之间，其中，所述永磁体组件的相对表面发散，使得所述发散部的最靠近所述均匀部的相对表面之间的距离小于所述发散部的最靠近所述出口的相对表面之间的距离，并且

c.所述发散部的相对表面的法向量相对于所述通道的纵向中心轴线的平均角度(B)大于45度。

2.根据权利要求1所述的磁化器，其特征在于，所述永磁体组件包括：永磁体，所述永磁体被布置在所述通道外部；以及插入件，所述插入件被布置在所述永磁体与所述通道之间，所述插入件由相对磁导率大于1的材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的磁化器，其特征在于，所述均匀部的相对表面之间的距离D3是固定的。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁化器，其特征在于，所述发散部的最靠近所述出口的相对表面之间的距离D4是所述均匀部的相对表面之间的距离D3的至少1.2倍。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁化器，其特征在于，所述发散部在与所述通道的纵向中心轴线平行的方向上的长度D2大于所述均匀部的所述相对表面之间的距离D3的0.5倍。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的磁化器，其特征在于，所述壳体中的所述入口和所述出口是同一开口，使得所述待磁化的物体经由所述壳体中的同一开口被引入到所述通道中并从所述通道中移除。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的磁化器，其特征在于，所述壳体中的所述入口和所述出口是所述壳体中的两个不同的开口，使得所述待磁化的物体经由所述入口进入所述通道并经由所述出口离开所述通道。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的磁化器，其特征在于，所述永磁体组件包括围绕所述通道的周边布置的磁体的圆形阵列。

9.根据权利要求8所述的磁化器，其特征在于，所述圆形磁体阵列包括具有非矩形形状的至少一个永磁体。

10.根据权利要求9所述的磁化器，其特征在于，所述圆形磁体阵列包括至少一个永磁体，所述至少一个永磁体是非平面表面。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的磁化器，其特征在于，所述永磁体组件包括被布置为海尔贝克阵列的磁体阵列。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的磁化器，其特征在于，所述永磁体组件被布置成在所述通道的所述均匀部中至少提供两极磁场。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的磁化器，其特征在于，所述永磁体组件被布置成在所述通道的所述均匀部中至少提供四极磁场。

14.一种磁化机构，包括根据权利要求1至13中任一项所述的磁化器及致动器，所述致动器被布置成将所述磁化器从第一位置重复地移动到第二位置，所述第一位置被布置成使得所述通道远离待磁化的物体定位，并且所述第二位置被布置成使得所述磁化器的所述通道的所述均匀部围绕所述待磁化的物体布置。

15.根据权利要求14所述的磁化机构，其特征在于，所述致动器被布置成抓持待磁化的物体，将所述物体移动到所述磁化器中的所述通道的所述均匀部中，将所述物体从所述磁化器中的所述通道中移除并释放所述物体。

16.根据权利要求14或15所述的磁化机构，其特征在于，所述磁化机构包括定心机构，所述定心机构被布置成当待磁化的物体插入所述磁化器中时使所述物体相对于所述磁化器定心，所述定心机构包括能更换的引导元件，所述能更换的引导元件能移除地插入所述磁化器中，所述能更换的引导元件被设计成接触所述待磁化的物体并将其引导到定心位置中。

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