CN1303625C - 磁场均匀化方法和装置以及磁场发生装置 - Google Patents

Abstract

为了有效地将磁场均匀化，当要在一对相对的磁极的表面之间的空间中使产生的磁场强度分布均匀化时，相对于为使磁场强度分布均匀化而布置磁元件的平面确定使磁场强度分布均匀化的连续磁化强度分布(301-307)；并且根据所述磁化强度分布布置磁元件(309)。以正交函数的多项式的形式来确定所述磁化强度分布。用过最佳化方法确定所述多项式。所述最佳化方法为最小二乘方法。

Description

磁场均匀化方法和装置以及磁场发生装置

技术领域

本发明涉及磁场均匀化方法和装置以及磁场发生装置，更具体地说，涉及用于使在一对相对的磁极的表面之间的空间中产生的磁场强度分布均匀化的方法和装置，以及用于在一对相对的磁极的表面之间的空间中产生均匀磁场的装置。

背景技术

在用于在一对通过在布置所述磁元件之前优化所述磁化强度分布来确定磁化强度分布相对的磁极的表面之间的空间中产生均匀磁场的传统装置中，通过布置在平行设置于磁极表面上的平板上的磁元件来微调磁场的强度分布以达到所需的均匀度。所述平板上可以布置所述磁元件的位置是预先指定的，而且哪个元件可以布置在哪个位置是通过试错法确定的。

由于传统的方法需要反复试错，所以效率不高。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种有效的均匀化磁场的方法和装置以及能有效地实现磁场均匀化的磁场发生装置。

(1)为解决上述问题，本发明的一个方面提供了一种用于使在一对相对的磁极的表面之间的空间中产生的磁场强度分布均匀化的磁场均匀化方法，所述方法包括以下步骤：相对于多个平面和多个板确定一个连续的磁化强度分布，所述多个表面含有所述磁极的表面中的一个，所述多个板位于所述磁极表面，在所述磁极表面上将布置包括垫补磁体的磁元件以使所述磁场的强度分布均匀化；以及根据所述磁化强度分布而将所述磁元件布置在所述平面上，其中所述确定磁化强度分布的步骤包括在将所述磁元件放在所述平面上之前优化所述磁化强度分布。

(2)为解决上述问题，本发明的另一个方面提供了一种用于使在一对相对的磁极的表面之间的空间中产生的磁场强度分布均匀化的磁场均匀化装置，它包括：计算装置，用于相对于多个平面确定一个连续的磁化强度分布，其中在所述多个平面上将放置磁元件以使所述磁场的强度分布均匀化，其中所述平面包括多个上述的磁极表面的一个表面，且多个板位于所述平面上；以及布置装置，用于根据所述磁化强度分布而将磁元件布置在所述平面上，其中所述磁元件包括垫补磁体，且所述布置装置通过在布置所述磁元件之前优化所述磁化强度分布来确定磁化强度分布。

(3)为解决上述问题，本发明还有一个方面提供了一种磁场装置，它包括：一对相对的磁极的表面，在所述相对的磁极的表面之间形成有一个空间；将在其上布置磁元件的平面，其中所述平面包括多个上述的磁极表面的一个表面，且多个板位于所述平面上，所述磁元件根据为了使所述空间中的磁场强度分布均匀化而确定的所述平面上的连续磁化强度分布而布置在所述平面上，所述磁元件包括垫补磁体；第一装置；和第二装置，其中所述第一装置用于通过在所述第二装置将所述磁元件放置在所述平面上之前优化所述磁化强度分布来确定磁化强度分布。

在上述各方面的发明中，使磁场强度分布均匀化的连续磁化强度分布是相对为使磁场强度分布均匀化而布置磁元件的平面来确定的，磁元件则根据所述磁化强度分布来布置，所以可以有效地将磁场均匀化。

最好以正交函数的多项式的形式来确定磁化强度分布、以便可以有效地确定所述连续的磁化强度分布。

最好通过最优化方法来确定所述多项式、以便可以确定最佳的多项式。

所述最优化方法最好是最小二乘方法、以便可以有效地实现所述最佳化。

最好根据离散化的磁化强度分布来实现所述磁元件的布置、以便可以恰当地布置所述磁元件。

所述平面最好是磁极表面、以便可以提高空间利用效率。

因此本发明提供了用于有效地将磁场均匀化的方法和装置以及在其中有效地实现磁场均匀化的磁场发生装置。

从以下对附图中图解说明的本发明的优选实施例的描述将明白本发明的其它目的和优点。

附图说明

图1示出本发明的一个实施例。

图2示出通过弱磁化在DSV中产生的磁场。

图3是说明垫补法的流程图。

图4示出连续磁化强度分布。

图5示出离散磁化强度分布。

图6示出垫补磁体。

图7是本发明实施例的方块图。

具体实施方式

下面将参考附图详细说明本发明的实施例。图1示出磁场发生装置配置的截面图。所述装置是本发明的一个实施例。所述装置的配置代表按照本发明的磁场发生装置的一个实施例。

如图所示，所述装置具有一对水平磁轭202和一对垂直磁轭204。水平磁轭202具有一般的平板状外形。图1示出了其厚度。垂直磁轭204具有一般的柱状外形。图1示出了其厚度。

所述一对水平磁轭202由垂直磁轭204支撑，隔开一定的间隔而互相面对。磁轭由磁性材料例如软铁制成，它们一起形成下述磁体的磁路。应当指出，所述一对垂直磁轭204之一可以省略。

所述一对水平磁轭202的相对的表面上配备有一对磁体102。磁体102具有一般的盘状外形。图1示出了其厚度。将磁体对102在厚度方向磁化，使之具有相同的极性。例如可以采用永久磁铁作为磁体102。但磁体102不限于永久磁铁，也可用超导或常规电磁铁等制成。

位于与水平磁轭202相对的各侧的磁体对102的磁极配备有一对磁极片104。磁极片104由磁性材料例如软铁制成，用作磁体102的磁调节板。磁极片104具有盘状外形，图1示出了其厚度。

磁极片104上的磁体对102具有公共中心轴106。磁极片对104的相对的表面用作本装置的一对磁极表面。磁极表面对具有彼此相反的极性。在磁极之间的空间中产生磁场。磁场的方向在图1中是垂直的。所述磁场有时称为垂直磁场。

对此磁场进行磁场强度均匀化。磁场强度均匀化有时称为垫补法。垫补法的进行应在以磁体中心C为中心的规定的直径的球形区(DSV：直径球形容积)内使磁场强度的空间分布均匀化。

现说明垫补法。以下说明的垫补法是本发明的一个实施例。所述方法代表按照本发明的磁场均匀化方法的一个实施例。

垫补法使用磁元件，例如永久磁铁。将磁元件附着在磁极片104的端面，来校正DSV中磁场的不均匀性。下文中有时把磁元件称为垫补磁体。垫补磁体代表了按照本发明的磁元件的一个实施例。磁极片104的端面代表按照本发明的平面的一个实施例。

垫补磁体可附着在磁极片104端面上配备有的专用支架板上，而不是附着在磁极片104的端面上。但最好直接附着在磁极片104的端面上，这样可以提高空间利用效率。以下是根据垫补磁体附着在磁极片104端面上的情况加以说明，但也适用于垫补磁体附着在专用支架板上的情况。

可以通过计算来确定因磁极片104端面上的垫补磁体磁化而在DSV中产生的磁场。具体地说，如图2所示，当在磁极片104端面上的点ρ处的弱磁化(强度)dm而在DSV的表面上点P处产生的磁场以Bzp表示时，磁场Bzp以下式给出：

$B_{\mathrm{zp}}=\frac{1}{4\mathrm{\π}}(-\frac{dm\stackrel{\′}{Y}}{q^3}+\frac{3(\mathrm{dm}\stackrel{\′}{Y}\·q^{\stackrel{\′}{Y}})q^{\stackrel{\′}{Y}}}{q^5}),---\left(1\right)$

$q^{\stackrel{\′}{Y}}=p^{\stackrel{\′}{Y}}-{\mathrm{\ρ}}^Y,---\left(2\right)$

式中

为从原点0指向点P的矢量，而

为从原点0指向点ρ的矢量。应当指出，原点0定义在磁极片的中心。

当磁场Bzp一般以下式给出时：

      B_zp＝ψ(r，θ，φ，r′，φ′)dm，          (3)

因磁极片端面上存在的弱磁化的分布m(ρ)而在点P处产生的磁场Bz(P)可用以下方程计算：

$B_z\left(P\right)=\underset{0}{\overset{2\mathrm{\πr}}{\∫}}\underset{0}{\overset{0}{\∫}}\mathrm{\Ψ}{r}^{\′}d{r}^{\′}d{\mathrm{\φ}}^{\′}m\left(\mathrm{\ρ}\right),---\left(4\right)$

式中，r，θ和ψ是点P的极坐标，而r’，θ’和ψ’是点ρ的极坐标。此外，r0表示拟布置垫补磁体的区域的半径。

通过用所述磁场Bz(P)来校正点P处的磁场强度就而完成所述垫补法。在DSV表面上可以定义多个点P。此外，在垫补法之前事先测量点P处的磁场强度。

图3示出垫补法的流程图。如图所示，在步骤301，磁化强度分布m(ρ)以正交函数的多项式表示。具体地说，

$m\left(\mathrm{\ρ}\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n\sin \mathrm{nc}+Q_n\cos \mathrm{nc},---\left(5\right)$

$c=$ $\frac{\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mi}/n}}{{\mathrm{\ρ}}_{\max }-{\mathrm{\ρ}}_{\min }}\·\mathrm{\π}.---\left(6\right)$

利用正交函数的这样的多项式，m(ρ)成为连续函数。

然后，在步骤303，从以m(ρ)表示的磁化强度分布确定DSV上每个点的磁场。具体地说，通过在DSV的点P1，P2，...Pm处将来自m(ρ)磁化强度分布的磁场加到垫补法前的磁场上，来确定磁场B(P1)，B(P2)，...B(PM)。在DSV的点P1，P2，...Pm处来自磁化强度分布m(ρ)的磁场由方程(4)给出。

然后，在步骤305，确定DSV的磁场和均匀磁场BO之间的差值的平方和。即：

$L=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\{B\left(P_1\right)-B_0\}}^2,---\left(7\right)$

式中均匀磁场BO是垫补法的目标值。

然后，在步骤307，用最优化算法确定使L最小化的n，In和Qn。所采用的最优化算法是例如最小二乘方法。这样可以得到最佳的磁化强度分布，使DSV成为均匀磁场BO，并具有很高的精确度。

这样确定的磁化强度分布m(ρ)是连续函数，如图4所示。正交函数的多项式适合于表达这种具有多个峰值的连续分布，如图4所示。

然后，在步骤309，将m(ρ)离散化并且用垫补磁体取代它。具体地说，将磁化强度分布m(ρ)沿ρ轴离散化，如图5所示，并且将具有对应于所述各离散位置处的磁化强度的垫补磁体附着到磁极片104的端面上。

事先准备具有不同磁化强度的多种类型的垫补磁体，如图6所示，最好从其中选择或组合这些垫补磁体以获得所需的磁化强度。

由于用于垫补法的磁化强度是以连续函数的形式确定的，再被离散化并且由垫补磁体取代它，故不需依赖人为的试错就可有效地实现垫补。和传统技术不同的是：附着垫补磁体的位置不是预先指定的，因而可以根据磁化强度分布把垫补磁体附着到最佳位置，从而提高了填隙精度。

图7示出用于实现上述垫补法的磁场均匀化装置的方框图。所述装置是本发明的实施例。所述装置的配置代表了按照本发明的磁场均匀化装置的实施例。

如图所示，所述装置具有磁化强度分布计算部分702和磁元件布置部分704。磁化强度分布计算部分702执行图3流程图中的步骤301-307。磁元件布置部分704执行图3流程图中的步骤309。

磁化强度分布计算部分702由例如计算机实现。磁元件布置部分704由例如机械手实现，在计算机控制下将垫补磁体附着到磁极片104的端面上。将垫补磁体附着到磁极片104的端面上可以例如借助于粘结剂来实现。

虽然上文中已经参考优选实施例对本发明做了说明，但是，本专业的普通技术人员都可以根据本发明对这些实施例做出各种改变和代替，而不背离本发明的技术范围。因此本发明的技术范围不仅包括上述实施例，也应包括在所附权利要求书范围内的全部内容。

在不背离本发明的精神和范围的条件下，可以配置许多各不相同的本发明的实施例。显然，本发明不限于本说明书中描述的具体实施例，而只在所附权利要求书中限定。

Claims (19)

1.一种用于使在一对相对的磁极的表面之间的空间中产生的磁场强度分布均匀化的磁场均匀化方法，所述方法包括以下步骤：

相对于多个平面和多个板确定一个连续的磁化强度分布，所述多个表面含有所述磁极的表面中的一个表面，所述多个板位于所述磁极表面，在所述磁极表面上将布置包括垫补磁体的磁元件以使所述磁场的强度分布均匀化；以及

根据所述磁化强度分布而将所述磁元件布置在所述平面上，其中所述确定磁化强度分布的步骤包括在将所述磁元件放在所述平面上之前优化所述磁化强度分布。

2.如权利要求1所述的磁场均匀化方法，其特征在于：以正交函数的多项式的形式来确定所述磁化强度分布。

3.如权利要求2所述的磁场均匀化方法，其特征在于：通过最佳化方法来确定所述多项式。

4.如权利要求3所述的磁场均匀化方法，其特征在于：所述最佳化方法为最小二乘方法。

5.如权利要求1所述的磁场均匀化方法，其特征在于：根据离散化的所述磁化强度分布来进行所述磁元件的所述布置。

6.如权利要求1所述的磁场均匀化方法，其特征在于：所述平面是所述磁极表面。

7.一种用于使在一对相对的磁极的表面之间的空间中产生的磁场强度分布均匀化的磁场均匀化装置，它包括：

计算装置，用于相对于多个平面确定一个连续的磁化强度分布，其中在所述多个平面上将放置磁元件以使所述磁场的强度分布均匀化，其中所述平面包括多个上述的磁极表面的一个表面，且多个板位于所述平面上；以及

布置装置，用于根据所述磁化强度分布而将磁元件布置在所述平面上，其中所述磁元件包括垫补磁体，且所述布置装置通过在布置所述磁元件之前优化所述磁化强度分布来确定磁化强度分布。

8.如权利要求7所述的磁场均匀化装置，其特征在于：所述计算装置以正交函数的多项式的形式来确定所述磁化强度分布。

9.如权利要求8所述的磁场均匀化装置，其特征在于：所述计算装置用最佳化方法确定所述多项式。

10.如权利要求9所述的磁场均匀化装置，其特征在于：所述最佳化方法为最小二乘方法。

11.如权利要求7所述的磁场均匀化装置，其特征在于：所述布置装置根据离散化的所述磁化强度分布来布置所述磁元件。

12.如权利要求7所述的磁场均匀化装置，其特征在于：所述平面是所述磁极表面。

13.一种磁场装置，它包括：

一对相对的磁极的表面，在所述相对的磁极的表面之间形成有一个空间；

将在其上布置磁元件的平面，其中所述平面包括多个上述的磁极表面的一个表面，且多个板位于所述平面上，所述磁元件根据为了使所述空间中的磁场强度分布均匀化而确定的所述平面上的连续磁化强度分布而布置在所述平面上，所述磁元件包括垫补磁体；

第一装置；和

第二装置，其中所述第一装置用于通过在所述第二装置将所述磁元件放置在所述平面上之前优化所述磁化强度分布来确定磁化强度分布。

14.如权利要求13所述的磁场发生装置，其特征在于：以正交函数的多项式的形式来确定所述磁化强度分布。

15.如权利要求14所述的磁场发生装置，其特征在于：通过最佳化方法来确定所述多项式。

16.如权利要求15所述的磁场发生装置，其特征在于：所述最佳化方法为最小二乘方法。

17.如权利要求13所述的磁场发生装置，其特征在于：根据离散化的所述磁化强度分布来布置所述磁元件。

18.如权利要求13所述的磁场发生装置，其特征在于：所述平面是所述磁极表面。

19.如权利要求1所述的磁场均匀化方法，其特征在于：所述优化连续的磁化强度分布的步骤包括降低所述磁场和所述均匀化磁场之间的差别。

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