CN1862718B - 一种对极永磁磁体 - Google Patents

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Abstract

一种对极永磁磁体，由2n+1个钕铁硼磁环沿轴向叠加组成，每个磁环的几何结构和磁化方向轴向对称；每个磁环的磁化方向按一定规律变化，从任一轴截面看，相邻磁环的磁化方向相差360°/2n；根据磁路结构的不同，磁体内或外的气隙为磁场的工作空间；用非磁性金属内、外壳将2n+1个磁环卡紧固定。磁路中不存在铁磁部件，采用串联结构，总磁势是各个磁环提供磁势的叠加。本发明能够产生极性沿周向不变的强磁场，结构简单，制作安装容易；无铁磁部件，重量轻；基本无漏磁；抗去磁能力强；可调性好，灵活多用。

Description

一种对极永磁磁体 
技术领域
本发明涉及一种永磁磁体，特别是强磁场对极永磁磁体。
技术背景
根据电磁场理论，常导线圈通以圆周方向的电流时，在径向磁场的作用下，将受到一个轴向的电磁力。这一原理被应用于大推力的推进装置。在中国专利02155351.3公开的一种“超导电磁活塞泵喷推进器”中，采用两组同轴对称布置的超导螺管线圈组成的对极超导磁体产生极性沿周向不变的强磁场，并利用其径向磁场分量与常导线圈中圆周方向的电流相互作用产生轴向的电磁推力。虽然其磁场强度的径向分量可达到0.8T左右，但超导设备结构复杂，需要庞大的冷却系统，维护困难，成本昂贵。
随着永磁材料性能的提高，工业化生产的蓬勃发展，人们越来越多地考虑用永磁材料来产生径向分布的磁场。目前普遍采用的磁路结构如图1所示，由充磁方向为径向的磁环1和铁磁部件2组成，在磁环1内表面附近产生径向分布的磁场。根据磁路定理，  φ m = F m R m , Fm＝LH，其中φm为磁通密度，Fm为磁势，Rm为磁路中的磁阻，L为磁路的长度，H为永磁材料的矫顽力，图1所示并联结构的磁路，其磁势仅为磁环的径向厚度与矫顽力之积；高导磁的铁磁部件大大降低了磁路的磁阻，却极易饱和。因而该磁路结构普遍应用在小型永磁直流直线电机中。如中国专利1184370A公开的一种“直线电机”中，虽然采用内、外磁极叠加的方式来提高径向磁场强度，产生较大的推力，仍不能满足大推力、长行程的推进装置对磁场的要求，只能应用在电火花成型机床的主轴头，工业自动化控制、自动检测装置中。中国专利 1440040A公开了一种“产生数倍于永磁材料剩磁磁密强磁场的永磁机构”，其特点是：相邻磁块的充磁方向在周向上依次相差一定的角度，在中心部分包围的气隙内产生方向和大小都基本一致的磁场。这种结构的永磁机构虽然能产生1T～4T的强磁场，但该强磁场的极性沿周向变化，满足不了上述装置对磁场的要求。
发明内容
为克服现有技术的缺点，本发明提出一种管形对极永磁磁体，该永磁磁体可产生极性沿周向不变的强磁场。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
本发明的永磁体由2n+1个钕铁硼磁环沿轴向叠加组成，每个钕铁硼磁环几何结构和磁化方向轴向对称；磁化方向从第1号磁环到第2n+1号磁环按顺时针或逆时针变化，从任一轴截面看，相邻磁环的磁化方向相差360°/2n；端磁环即第1号和第2n+1号磁环，和中磁环即第n+1号磁环的磁化方向均为径向，且端磁环和中磁环的磁化方向相反，从任一轴截面看，端磁环的磁化方向为±90°，中磁环的磁化方向为 
Figure DEST_PATH_GSB00000017172400011
；通过外部卡紧和固定装置，将各磁环装配在非磁性金属内壳上，组合成中空的圆柱体，再用非磁性金属外壳将2n+1个磁环卡紧固定。
当磁化方向从第1号磁环到第2n+1号磁环按顺时针变化时，即第i个磁环的磁化方向 
Figure DEST_PATH_GSB00000017172400012
时，磁场的工作空间为磁体内部，称为内磁式磁路结构；当磁化方向从第1号磁环到第2n+1号磁环按逆时针变化时，即第i个磁环的磁化方向 时，磁场的工作空间为磁体外部，称为外磁式磁路结构。利用本发明的内磁式磁路结构可以制成动圈式直线电机和单极电机；利用本发明的外磁式磁路结构可以制成动磁式直流直线电机和低速直流推进用单极电机。
本发明采用串联磁路结构，各磁环通过非磁性金属内、外壳卡紧固定， 按充磁方向依次紧密地串联组合在一起，总磁势是各个磁环提供磁势的叠加，因而在相同的情况下，要远大于现有技术图1所示并联磁路结构的磁势。且磁路中没有铁磁部件，气隙磁密和磁场轴向长度的增加不受铁磁部件饱和的影响。
其中，n越大，相邻磁环的磁化方向在轴向的变化越小；磁体的轴向长度越长，端部漏磁越小，则工作空间的磁场分布形态越好。改变磁环的厚度和轴向长度，以及具有不同磁路结构管形对极磁体的内外组合，可以调节磁场的空间分布形态以及径向磁场分量和轴向磁场分量的比例。此外，若干个对极永磁体轴向叠加，可得到周期变化的磁场。
本发明的优点：结构简单，制作安装容易；无铁磁部件，重量轻；基本无漏磁；抗去磁能力强；可调性好，灵活多用。
附图说明
图1为传统的小型永磁直流直线电机的磁路结构。
图2为本发明具体实施例的结构示意图。
图3为本发明的磁路结构。其中a、b为内磁式磁路结构；c、d为外磁式磁路结构。
图4为本发明中1、4、7号磁环的磁化方向，图4a所示的磁路结构。
图5为本发明的磁力线分布。其中a为内磁式磁路结构，b为外磁式磁路结构。
图6为本发明具体实施例距磁体内(外)表面20mm处磁场强度沿轴向的分布。其中Br是径向磁场分量，Bz是轴向磁场分量；a为内磁式磁路结构，b为外磁式磁路结构。
图7为本发明的磁场沿轴向的分布。
具体实施方式
以下结合具体实施例及附图进一步说明本发明。
图2为本发明具体实施例之一的结构图。它由13(n＝6)个等径向厚度的钕铁硼磁环组成，相邻磁环的磁化方向相差360°/2n＝30°(n＝6)。可采取的磁路结构如图3所示，其中a、b为内磁式磁路结构c、d为外磁式磁路结构。图3a中，第1号磁环，即最左边的磁环的磁化方向是-90°，从左向右，各磁环的磁化方向依次以30°顺时针变化直至第13号磁环，第13号磁环的磁化方向为
Figure A20051001168700071
磁场的工作空间为磁体内部气隙；图3c中，第1号磁环，即最左边的磁环的磁化方向是90°，从左向右，各磁环的磁化方向依次以30°逆时针变化直至第13号磁环，第13号磁环的磁化方向为
Figure A20051001168700072
磁场的工作空间为磁体外部气隙。如图3所示，这13个磁环通过非磁性金属内、外壳卡紧固定，按充磁方向依次紧密地串联组合在一起，提高了磁路的磁势。当采用图3b所示的磁路结构，图2中1#、4#、7#磁环的磁化方向如图4所示，1#、7#磁环的磁化方向为径向，1#背离圆心，7#指向圆心，4#磁环的磁化方向为轴向。
当各个磁环的径向厚度相等，中间的2n-1个磁环轴向长度相等，端磁环即第1号和第2n+1号磁环的轴向长度是中间的2n-1个磁环轴向长度的1/2时，其磁场沿轴向为正弦(余弦)分布。图2具体实施例的磁环内径为200mm，外径为300mm，2#～12#磁环的轴向长度为50mm，端磁环即1#和13#磁环的轴向长度为25mm，可得到正弦(余弦)分布的磁场。其磁力线分布如图5所示，其中a为内磁式磁路结构，b为外磁式磁路结构。可以看出，磁力线(磁场)也是轴向对称；越靠近磁环的内(外)表面，磁力线越密集；外磁式磁路结构的端部漏磁要小于内磁式磁路结构。图6为本发明管形对极永磁磁体具体实施例距磁体内(外)表面20mm处磁场强度沿轴向的分布。其中Br是径向磁场分量，Bz是轴向磁场分量；a为内磁式磁路结构，b为外磁式磁路结构；可以看出Br沿轴向为余弦分布、Bz沿轴向 为正弦分布。
当磁环的径向厚度从中磁环即第n+1号开始以一定的步长向端磁环即第1号和第2n+1号递增时，磁场沿轴向为平顶波分布。通过调节磁环的径向厚度和轴向长度、相邻磁环磁化方向的角度差，即磁环个数，以及将具有不同磁路结构的管形对极永磁磁体内外组合，可以得到图7所示的磁场沿轴向分布曲线。可以看出，径向磁场Br呈平顶波分布，轴向磁场Bz为正弦波分布；其最大径向磁场强度Br＝0.68T；Br＞0.66T的轴向长度为150mm；Br＞0的轴向长度为320mm，且该范围内平均径向磁场强度达到0.55T；轴向磁场相对较小。
若在具体实施例基础上进一步增大中磁环即第n+1号的轴向长度，则工作空间内径向磁场Br沿轴向呈马鞍型分布。
本发明可以实现正弦(余弦)、平顶波、马鞍型等不同空间分布形态的径向和轴向磁场；其径向磁场强度可以达到0.8T，轴向磁场强度可以达到1.5T。
本发明可满足大推力、长行程的推进装置对磁场的要求，在大推力的推进装置中可替代超导设备，大大降低成本，提高系统装置的可靠性和实用性。

Claims (5)

1.一种对极永磁磁体，其特征在于：永磁体由2n+1个钕铁硼磁环沿轴向叠加组成；每个磁环的几何结构和磁化方向轴向对称；磁化方向从第1号磁环到第2n+1号磁环按顺时针或逆时针变化，从任一轴截面看，相邻磁环的磁化方向相差360°/2n；端磁环即第1号和第2n+1号磁环，和中磁环即第n+1号磁环的磁化方向均为径向，且端磁环和中磁环的磁化方向相反，从任一轴截面看，端磁环的磁化方向为±90°，中磁环的磁化方向为
Figure FSB00000139072900011
2.按照权利要求1所述的对极永磁磁体，其特征在于：各磁环通过非磁性金属内、外壳卡紧固定，按充磁方向依次紧密地串联组合在一起，总磁势是各个磁环提供磁势的叠加。
3.按照权利要求1或2所述的对极永磁磁体，其特征在于：内磁式磁路结构中，磁化方向从第1号磁环到第2n+1号磁环按顺时针变化，第i个磁环的磁化方向
Figure FSB00000139072900012
外磁式磁路结构中，磁化方向从第1号磁环到第2n+1号磁环按逆时针变化，第i个磁环的磁化方向
4.按照权利要求1或2所述的对极永磁磁体，其特征在于：当各个磁环的径向厚度相等，中间的2n-1个磁环轴向长度相等，端磁环即第1号和第2n+1号磁环的轴向长度是中间的2n-1个磁环轴向长度的1/2时，其磁场沿轴向为正弦或余弦分布；当磁环的径向厚度从中磁环即第n+1号开始以一定的步长向端磁环即第1号和第2n+1号递增时，磁场沿轴向为平顶波分布。
5.按照权利要求3所述的对极永磁磁体，其特征在于：当各个磁环的径向厚度相等，中间的2n-1个磁环轴向长度相等，端磁环即第1号和第2n+1号磁环的轴向长度是中间的2n-1个磁环轴向长度的1/2时，其磁场沿轴向为正弦或余弦分布；当磁环的径向厚度从中磁环即第n+1号开始以一定的步长向端磁环即第1号和第2n+1号递增时，磁场沿轴向为平顶波分布。
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