CN1808641A - 磁场沿磁体轴向方向均匀分布的渐变磁体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场沿磁体轴向方向均匀分布的渐变磁体，该磁体由上球段、中心段和下球段组成，其中心为空心的，上球段和下球段分别设在中心段的上下位置，且段与段之间为相异极性接合，上球段和下球段的内外径及长度相同，上球段、中心段和下球段的内径相等；上球段、中心段和下球段各段的磁场分布为：

。该渐变磁体的制备是依据智能材料棒所需磁场大小及分布要求，通过改变磁体球面外径或剩磁渐变大小，有效地克服了磁场分布的不均匀性，为大、长径比的智能材料棒提供了均匀的偏置磁场。

Description

磁场沿磁体轴向方向均匀分布的渐变磁体

技术领域

本发明涉及一种应用于主动材料器件中的永磁体，更具体地说，是指磁场沿磁体轴向方向上均匀分布的一种多体渐变和剩磁渐变的多段磁体相异极性接合的永磁体。

背景技术

对于主动材料器件(智能材料棒)所应用的偏置磁场，一般采用励磁线圈或者永磁体两种方式。采用励磁线圈提供偏置磁场，其大小可调，磁场较均匀，但在使用中会持续消耗电能，并且直流线圈发热严重。因此，实际应用中多采用永磁体提供偏置磁场。永磁体是利用永磁材料的剩磁来产生磁场的，其主要特点是工作时不需要提供供电系统，磁场长期稳定，体积小，使用方便。不足之处是磁场空间小，均匀性不高，场值不高，而且，永磁体的磁场值不容易灵活地改变。因此，利用永磁体提供偏置磁场时，选择性能优良的永磁材料和进行合理的磁路设计极为重要。

在2000年出版的《永磁机构》文献中，永磁体的使用限制在主动材料的长径比L/R≤3.5(L表示主动材料的总长度，R表示主动材料的半径)，否则相应的偏置磁场的大小和均匀性会剧烈降低。其有限元FE计算的例子中，对Φ30×50mm的主动材料棒两端加永磁体，磁场从中心到两端，不均匀性从7.5％增加到125％，偏置场的大小降低50％。新型稀土永磁材料钕铁硼的最大磁能积可高达400kJ/m³，而且其退磁特性近似为直线。由于永磁体总是工作在自己的退磁特性曲线上，故本发明采用解析的计算方法和渐变组合的设计思想，克服了传统永磁材料设计中不能精确计算的弊病，为大、长径比的智能材料棒设计出均匀的偏置磁场。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁场沿磁体轴向方向均匀分布的渐变磁体，该渐变磁体为多体结构，是根据磁体所需磁场大小及分布要求，通过改变磁体外径和/或剩磁的大小、有效地克服了磁场分布的不均匀性。

本发明的一种磁场沿磁体轴向方向均匀分布的渐变磁体，由上球段、中心段和下球段组成，其中心为空心的，上球段和下球段分别设在中心段的上下位置，且段与段之间为相异极性接合，上球段和下球段的内外径及长度相同，上球段、中心段和下球段的内径相等；上球段、中心段和下球段各段的磁场分布为：

$H(z,R_2)=-\frac{\mathrm{Br}}{2{\mathrm{\μ}}_0}\left((\frac{z+l}{\sqrt{{(z+l)}^2+R_2^2}}-\frac{z-l}{\sqrt{{(z-l)}^2+R_2^2}})-(\frac{z+l}{\sqrt{{(z+l)}^2+R_1^2}}-\frac{z-l}{\sqrt{{(z-l)}^2+R_1^2}})\right),$

式中，H(z，R₂)表示沿磁体轴向方向中心线z₁z₂上任意点的磁场，B_r表示各段磁体的剩磁，μ₀表示真空磁导率，z表示磁体中心线上的任意点，l表示各段磁体长度的一半，R₁表示各段磁体的内径，R₂表示各段磁体的球面外径。

所述的磁场沿磁体轴向方向均匀分布的渐变磁体，其上球段与中心段和中心段与下球段之间分别设有上过渡段和下过渡段，且段与段之间为相异极性接合，上过渡段和下过渡段的内外径、长度及磁场分布相同。

所述的磁场沿磁体轴向方向均匀分布的分段式渐变磁体，其上球段与中心段和中心段与下球段之间分别设有上过渡段和下过渡段，且段与段之间为相异极性接合，上过渡段和下过渡段的内外径、长度及磁场分布相同，中心段的外径大于上过渡段或下过渡段的外径0.5～10mm，上过渡段的外径大于上球段的外径0.5～10mm，下过渡段的外径大于下球段的外径0.5～10mm。

本发明渐变磁体的优点在于：(1)解决了长期以来对永磁材料无法精确计算其磁场的缺陷；(2)本发明的渐变磁体在工作状态下退磁特性是沿轴向方向均匀分布的；(3)本发明的渐变磁体为模块化设计，可以根据使用需求进行组装磁体，改变了传统磁体只适合单一环境，减少了磁体的生产成本。(4)为大、长径比的智能材料棒提供了均匀的偏置磁场。

附图说明

图1是本发明渐变磁体的结构示意图。

图2是图1的剖视图。

图3是本发明五段渐变磁体的结构示意图。

图4是本发明五段渐变磁体的另一结构示意图。

图5是三段渐变磁体的磁场分布的曲线图。

图6是五段渐变磁体的磁场分布的曲线图。

图中：1.中心段    2.上球段    3.下球段    4.上过渡段    5.下过渡段

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种磁场沿磁体轴向方向均匀分布的渐变磁体(永磁体)，是根据稀土永磁材料(例如钕铁硼、SmCo₅、Sm₂Co₁₇)的退磁曲线近似为直线的特性，采用解析(磁场分布式)的计算方法，结合多体尺寸渐变和剩磁渐变的结构设计获得。在实际应用中，永磁体的磁场分布不均匀度不大于±5％时，认为是均匀的磁场分布。在本发明中，根据器件的工作原理，所需设计磁体的尺寸、形状，所需磁场大小、区域、分布，设计了一种可随磁体外形(如空心椭球形或空心圆柱形)变化，但磁场沿轴向方向均匀分布的多体组合结构的渐变磁体，请参见图1、图2所示，该磁体由上球段2、中心段1和下球段3组成，其中心为空心的，上球段2和下球段3分别设在中心段1的上下位置，且段与段之间为相异极性接合，上球段2和下球段3的内外径及长度相同，上球段2、中心段1和下球段3的内径R₁相同；上球段2、中心段1和下球段3各段的磁场分布为：

$H(z,R_2)=-\frac{\mathrm{Br}}{2{\mathrm{\μ}}_0}((\frac{z+l}{\sqrt{{(z+l)}^2+R_2^2}}-\frac{z-l}{\sqrt{{(z-l)}^2+R_2^2}})-(\frac{z+l}{\sqrt{{(z+l)}^2+R_1^2}}-\frac{z-l}{\sqrt{{(z-l)}^2+R_1^2}})),---\left(1\right)$

式中，H(z，R₂)表示沿磁体轴向方向中心线z₁z₂上任意点的磁场，B_r表示各段磁体的剩磁，μ₀表示真空磁导率，z表示磁体中心线上的任意点，l表示各段磁体长度的一半，R₁表示各段磁体的内径，R₂表示各段磁体的球面外径。

本发明中的渐变磁体，通过设计不同段之间的磁场值不同，有效地克服了磁体中磁场值不能改变的缺陷，同时保证了磁体中的磁场分布的均匀性。

在本发明中，根据智能材料棒所需的磁场H和各段磁体的内径R₁、长度l、剩磁B_r，根据式(1)解析，得到了一个多体结构渐变磁体的球面外径R₂，然后，根据这个球面外径R₂进行加工，其加工的渐变磁体结构如图1和图3所示。在图1中，空心椭球形多体(三段)渐变磁体的上球段2和下球段3的外缘为球面曲线。在图3中，空心椭球形多体(五段)渐变磁体的上球段2和下球段3的外缘为球面曲线，而上过渡段4和下过渡段5的外缘为直线。当外径以中心段1对称且呈梯度变化时，本发明的多体渐变磁体将是一个由多段磁体组合而成的空心圆柱形结构磁体，如图4所示。

为了解析本发明各段磁场分布式(1)的情况，下面将举例进行说明：

实施例1：空心椭球形三段渐变磁体(如图2)

不同球面外径，磁场沿轴向分布均匀。

对于80mm长的智能材料棒(TbDyFe棒)，在本发明中采用由三段构成的110mm长的本发明渐变永磁体，上、下各段分别以中心段对称。以形体渐变思路设计，即以一定大小的球面外径为设计目标，通过变化各段磁体的尺寸，使其在本发明空心椭球形永磁体的磁场沿轴向方向分布均匀。永磁材料选取钕铁硼，剩磁B_r＝1.423T，空心椭球形永磁体的磁场450Oe，磁体中心线z₁z₂以球心o为原点，其中心线上的任一点在-40≤z≤40范围内。

设：上球段2磁体总长度为30mm，

    下球段3磁体总长度为30mm，

    中心段1磁体总长度为50mm，

    上球段2、中心段1和下球段3的内径R₁为30mm，

根据式(1)解析，求得上球段2上点R_A的球面外径为37.5mm；

根据式(1)解析，求得中心段1上点R_B的球面外径为38.8mm；

根据式(1)解析，求得下球段3上点R_C的球面外径为37.5mm；

将上述三点连接，形成了具有球面外形的永磁体外形结构。

在本发明中，根据式(1)的解析计算是依据磁体中心线z₁z₂上的任意点的剩磁、内径相同，然后由计算得到的外径不同值点的连接形成渐变磁体特有的多体模式。其解析是将相关参数引入式(1)，并且取值为线性函数的积分运算得到多体外形变化。数字的引入见下面的式子：

$450=-\frac{1.423}{2}((\frac{z+15}{\sqrt{{(z+15)}^2+R_2^2}}-\frac{z-15}{\sqrt{{(z-15)}^2+R_2^2}})-(\frac{z+15}{\sqrt{{(z+15)}^2+{30}^2}}-\frac{z-15}{\sqrt{{(z-15)}^2+{30}^2}})).$

将上述加工的三段磁体经相异极性接合成空心椭球形永磁体，并采用高斯计测量其磁场为446.6±11.4Oe，该磁场值与设定的磁场值450Oe相接近。

在空心椭球形永磁体中套装入80mm长的主动材料伸缩棒(TbDyFe棒)，本发明的空心椭球形永磁体在棒长范围内，磁场为446.6±11.4Oe，不均匀度为±2.0％，说明了本发明设计的永磁体在棒长范围具有均匀分布的磁场，其磁性能曲线如图5所示。

实施例2：空心圆柱形五段渐变磁体(如图3)

不同剩磁，磁场沿轴向分布均匀。

对于80mm长的主动材料伸缩棒(TbDyFe棒)，在本发明中采用由五段构成的110mm长的本发明渐变永磁体，上球段2、下球段3以及上过渡段4和下过渡段5分别以中心段1对称。以剩磁渐变思路设计，即以一定大小的磁场为设计目标，通过变化各段磁体所需的磁场，使其在本发明空心圆柱形永磁体的磁场沿轴向方向分布均匀。永磁材料选取钕铁硼，剩磁B_r＝1.42T，空心圆柱形永磁体的磁场450Oe，磁体中心线z₁z₂以球心o为原点，其中心线上的任一点在-40≤z≤40范围内。

设：上球段2、下球段3、上过渡段4、下过渡段5和中心段1的磁体总长度分别为22mm，空心圆柱形永磁体的内径R₁为30mm，上过渡段4、下过渡段5和中心段1的外径分别为38mm。

根据式(1)求得：

上球段2剩磁为1.10T，下球段3剩磁为1.10T，上过渡段4剩磁为1.33T，下过渡段5剩磁为1.33T，中心段1剩磁为1.40T。

将上述加工的五段磁体经相异极性接合成空心圆柱形永磁体，并采用高斯计测量其磁场为475.7±14.8Oe，该磁场值满足了与设定的磁场值450Oe相接近。

在空心椭球形永磁体中套装入80mm长的主动材料伸缩棒(TbDyFe棒)，本发明的空心圆柱形永磁体在棒长范围内，磁场为475.7±14.8Oe，不均匀度为±3.0％，说明了本发明的设计的永磁体在棒长范围具有均匀分布的磁场，其磁性能曲线如图6所示。

对本发明中各段磁体渐变的尺寸和剩磁采用数值运算软件编程实现，应用计算机强大的计算及数据处理功能，获得较为准确的尺寸和剩磁参数，为智能材料器件的设计提供了新的解析方法。

Claims (4)

1、一种磁场沿磁体轴向方向均匀分布的渐变磁体，其特征在于：渐变磁体由上球段(2)、中心段(1)和下球段(3)组成，其中心为空心的，上球段(2)和下球段(3)分别设在中心段(1)的上下位置，且段与段之间为相异极性接合；上球段(2)和下球段(3)的内外径及长度相同，上球段(2)、中心段(1)和下球段(3)的内径相同；上球段(2)、中心段(1)和下球段(3)各段的磁场分布为：

$H(z,R_2)=-\frac{\mathrm{Br}}{2{\mathrm{\μ}}_0}((\frac{z+l}{\sqrt{{(z+l)}^2+R_2^2}}-\frac{z-l}{\sqrt{{(z-l)}^2+R_2^2}})-(\frac{z+l}{\sqrt{{(z+l)}^2+R_1^2}}-\frac{z-l}{\sqrt{{(z-l)}^2+R_1^2}})),$

式中，H(z，R₂)表示沿磁体轴向方向中心线z₁z₂上任意点的磁场，B_r表示各段磁体的剩磁，μ₀表示真空磁导率，z表示磁体中心线上的任意点，l表示各段磁体长度的一半，R₁表示各段磁体的内径，R₂表示各段磁体的球面外径。

2、根据权利要求1所述的磁场沿磁体轴向方向均匀分布的渐变磁体，其特征在于：上球段(2)与中心段(1)之间设有上过渡段(4)，中心段(1)与下球段(3)之间设有下过渡段(5)，且段与段之间为相异极性接合，上过渡段(4)和下过渡段(5)的内外径、长度及磁场分布相同。

3、根据权利要求1所述的磁场沿磁体轴向方向均匀分布的渐变磁体，其特征在于：上球段(2)与中心段(1)之间设有上过渡段(4)，中心段(1)与下球段(3)之间设有下过渡段(5)，且段与段之间为相异极性接合，上过渡段(4)和下过渡段(5)的内外径、长度及磁场分布相同；且中心段(1)的外径大于上过渡段(4)的外径0.5～10mm，中心段(1)的外径大于下过渡段(5)的外径0.5～10mm，上过渡段(4)的外径大于上球段(2)的外径0.5～10mm，下过渡段(5)的外径大于下球段(3)的外径0.5～10mm。

4、根据权利要求1所述的磁场沿磁体轴向方向均匀分布的渐变磁体，其特征在于：渐变磁体是多体组合的空心椭球形或者是多体组合的空心柱形。

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