CN205450307U - 永磁磁路装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种永磁磁路装置，包括外导磁体、内导磁体和稀土永磁体，所述外导磁体内部设有容置腔，所述稀土永磁体粘接于容置腔底部,所述内导磁体粘接于所述稀土永磁体顶部；本实用新型利用导体在磁场中运动产生电涡流效应的基本原理，将电涡流阻尼与电磁力平衡反馈相结合；具有阻尼系数大、非接触、无机械摩擦和磨损、无须润滑、维护方便、可靠性高等优点，可以极大的提高仪器精度，满足快速高效大范围海洋重力测量。

Description

永磁磁路装置

技术领域

本实用新型涉及磁流变阻尼技术领域，尤其是涉及一种永磁磁路装置。

背景技术

海洋重力仪工作时，外部动态环境的变化对观测结果的影响，是海洋重力仪测量的主要误差源。测量船在实施海洋重力测量时，六个自由度上都有可能产生运动，进而产生扰动加速度，这其中垂直方向的扰动加速度对海洋重力测量的影响最大。这种扰动加速度数值是待测重力变化值的105～106倍，和需要测量的重力加速度混杂在一起，给海洋重力测量带来很大的困难，并产生很大的观测误差。所以海洋重力仪在海洋动态环境下实施测量的前提，就是采取各种措施消除测量船在各个自由度的运动、特别是垂直方向运动对重力测量的影响，尽最大努力削弱动态环境变化对海洋重力测量产生干扰这一最大误差源。

由于垂直扰动加速度具有周期性的特点，而且其周期远比重力加速度小，所以海洋重力仪一般都对采样质量施加强阻尼，把由垂直扰动加速度引起的采样质量的位移进行大幅度的压缩，然后再用数字滤波把剩余部分完全消除掉。海洋重力仪经过强阻尼处理后，对高频的垂直扰动加速度反映非常迟钝，垂直扰动对重力仪的影响可以减小到10^-6，甚至更小，而对变化比较缓慢、频率很低的实际重力变化却非常敏感。此外由于采样质量的运动幅度被大幅度的压缩，大大减小了机械结构、电容传感器以及零长弹簧技术不够完善而产生的非线性误差；同时还消除了垂直加速度的高次效应。因此，先进的阻尼技术是海洋重力仪能够在复杂的海洋动态环境下实施高精度快速测量的重要保证。

有一种重力仪中应用的是空气阻尼器，这种仪器采用了斜拉摆杆式弹性系统，动力系数小，无需过大的阻尼系数即可满足动态测量要求。摆杆处于一对空气阻尼器中间，可以在垂直与水平方向都提供阻尼。当受到外部垂直扰动加速度影响时，摆杆带动阻尼器中活塞上下运动压缩空气，从而产生较大阻尼将垂直扰动加速度的幅值压缩到设计范围内。但是空气阻尼器具有很多的局限性，无法得到大的阻尼系数，对垂直扰动的衰减幅度有限，而且由于空气的可压缩性，当测量系统的振动周期较短时，空气阻尼器的工作就好像一个附加的弹簧，不但没有阻碍垂直方向活塞运动的作用，反而还会增强这种垂直活塞运动，引起更大的扰动误差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种永磁磁路装置，以解决现有技术中的不足之处。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型提供的永磁磁路装置，包括外导磁体、内导磁体和稀土永磁体，所述外导磁体内部设有容置腔，所述稀土永磁体粘接于容置腔底部,所述内导磁体粘接于所述稀土永磁体顶部。

进一步的，所述外导磁体为圆柱状结构。

进一步的，所述内外导磁体为软磁材料制成，所述软磁材料为铁镍软磁合金。

进一步的，稀土永磁体为稀土钴永磁材料或钕铁硼稀土永磁材料。

进一步的，所述容置腔自上之下分为相连通的第一容置腔和第二容置腔。

进一步的，所述稀土永磁体安装在第二容置腔内。

进一步的，所述内导磁体安装在第一容置腔内。

进一步的，所述第二容置腔的直径为60.6mm，高度为30mm。

进一步的，所述第一容置腔的高度为20mm。

进一步的，所述内导磁体的直径为40.6mm。

相对于现有技术，本实用新型具有以下优势：

1)本产品具有很高的剩余磁感应强度和磁感应矫顽力，剩磁强度(Br)达到0.85-1.15T，接近铝镍钴永磁材料的水平，矫顽力Hc高达480--800kA/m，大约是铁氧体的3倍，从而可以用较小的磁极尺寸产生足够的气隙磁场。

2)具有很大的最大磁能积，最大磁能积(BH)max己达到200-250kJ/m³，分别相当于铝镍钻的3-5倍和铁氧体的5-10倍。

3)可逆温度系数小，远低于铁氧体的剩磁温度系数，接近铝镍钴的水平，为-0.03％/℃左右，居里温度高，一般为710-880℃，因此稀土钴永磁材料磁性能的温度稳定性也很好。

4)用这种材料构成磁路后可以不进行工作稳定性处理，从而大大提高稀土永磁体的利用程度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型的结构示意图；

图2为本用新型提供的电磁阻尼器平衡反馈系统的结构示意图；

图3为图2中的局部放大图I；

图4为本实用新型电磁力平衡反馈装置的线路图。

附图标记：

1-外壳；2-采样质量块；3-丝状连接件；

4-检测弹簧；5-电涡流板；6-筒状骨架；

7-载流线圈；8-柱状连接件；9-磁体安装筒；

10-磁路装置；11-差分电容器；101-外导磁体；

102-内导磁体；103-稀土永磁体；104-容置腔；

105-第一容置腔；106-第二容置腔；111-电容定极板；

112-电容动极板；12-电磁力平衡反馈装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1，本实用新型公开的一种永磁磁路装置10，包括外导磁体101、内导磁体102和稀土永磁体103，所述外导磁体101内部设有容置腔104，所述稀土永磁体103粘接于容置腔104底部,所述内导磁体102粘接于所述稀土永磁体103顶部；优选地，所使用的粘接剂采用环氧树脂材料。

优选地，所述外导磁体101为圆柱状结构，外导磁体内部的容置腔103自上之下分为相连通的第一容置腔105和第二容置腔106，并且第一容置腔105的直径小于第二容置腔106的直径。

本实施例中，所述第二容置腔106的直径为60.6mm，高度为30mm。所述第一容置腔105的高度为20mm，所述内导磁体102的直径为40.6mm。

所述稀土永磁体103安装在第二容置腔106内，所述内导磁体102安装在第一容置腔105内。

优选地，所述内、外导磁体均采用软磁材料制成，所述软磁材料优选为铁镍软磁合金。所述稀土永磁体优选为稀土钴永磁材料或钕铁硼稀土永磁材料。

磁路作为电磁阻尼的主要执行元件，精确、稳定的电磁力的产生有赖于高度稳定的均匀磁场。阻尼系统的气隙磁场由永磁体产生，其特性与永磁材料的性能、磁路结构与参数、永磁体工作点设置与稳定性等密切相关。稀土永磁体由于具有很高的矫顽力、很高的磁能积、退磁曲线拐点低，满足磁路设计的要求。

稀土钴永磁材料是由不同的稀土族元素和钴组成的金属间化合物。其主要优点表现在：

1)具有很高的剩余磁感应强度和磁感应矫顽力，剩余磁感应强度Br达到0.85-1.15T，接近铝镍钴永磁材料的水平，矫顽力Hc高达480-800kA/m，大约是铁氧体的3倍，从而可以用较小的磁极尺寸产生足够的气隙磁场。

2)具有很大的最大磁能积，最大磁能积(BH)max己达到200-250kJ/m³，分别相当于铝镍钻的3-5倍和铁氧体的5-10倍。

3)可逆温度系数小，远低于铁氧体的剩磁温度系数，接近铝镍钴的水平，为-0.03％/℃左右，居里温度高，一般为710-880℃，因此稀土钴永磁材料磁性能的温度稳定性也很好。

4)去磁曲线基本上是一条直线，回复线与去磁曲线基本重合，用这种材料构成磁路后可以不进行工作稳定性处理，从而大大提高稀土永磁体的利用程度。

因此，稀十钴永磁材料各方面的性能都比较优良，非常适合用于电磁阻尼的磁路设计制造。

本实用新型还提供了一种利用上述永磁磁路装置制造的电磁阻尼器平衡反馈系统，其包括电涡流阻尼器和电磁力平衡反馈装置；

请参照图1-图3；所述电涡流阻尼器包括圆筒状的外壳1，以及安装于所述外壳1中的:

具有空腔的采样质量块2，本实施例中，所述采样质量块2设置为管状，采样质量块2由钛合金材料制作，钛合金具有很高的强度，后期应力释放小，不易发生形变，可以提高差分电容器的长期稳定性，对于精密测量，极微小的应力释放也会引起电容测微的漂移。此外，应用钛合金的高强度特性，可以将电涡流板5下方载流线圈7环绕的那部分加工的很薄，这样就可以把磁路的气隙间距做的很小，增加流过载流线圈的磁通量，产生更大的电磁力。所述采样质量块2的外表面镀有磁屏蔽层。

所述采样质量块2通过丝状连接件3与所述外壳1的内壁相连；上述的连接方式可以采用两种技术方案：本实施例中优选的一种技术方案为：

将三条所述丝状连接件3设置为一组，总共设置为两组，每组的三条所述丝状连接件3之间均呈120度均匀分布于所述采样质量块2的周向表面。优选地，三条丝状连接件在水平方向上以120度沿管状的采样质量块2的外表面切向进行安装。

另一种安装方案为：共设置三组5根丝状连接件3，上下各两根，也是水平方向沿采样质量块外表面切向安装，同时在管状的采样质量块中间再安装一根丝状连接件，与上、下丝状连接件呈120度夹角。

本实施优选上述两种技术方案进行安装，主要是考虑到丝状连接件3数量过多会增加垂直方向的应力，降低弹性系统的灵敏度；而丝状连接件过少(只设置一组)又会影响到受力的平衡问题。

优选地，所述丝状连接件3上还设有用于抵消拉力的扭矩弹簧。

优选地，所述丝状连接件3的两端分别通过固装在采样质量块2和壳体上的夹持装置进行固定，所述夹持装置包括螺接在一起的一对金属片。这种固定方式可以避免丝状连接件被折弯，或者收到其他损伤，以减少丝状连接件的应力释放。

还包括检测弹簧4，所述检测弹簧4的顶端与所述外壳1的顶部相连，检测弹簧4的底端伸入于所述采样质量块2中的空腔，且与所述采样质量块2相连；检测弹簧4可沿其轴线自由压缩或拉伸。

还包括电涡流板5，电涡流板5的材料可以选用铜、铝或银等金属材料；所述电涡流板5的顶部与所述采样质量块2的底部相连，电涡流板5的底部连接有筒状骨架6，所述筒状骨架6上缠绕有载流线圈7；

还包括柱状连接件8，所述柱状连接件8设置于所述采样质量块2的空腔底端，所述检测弹簧4通过柱状连接件8与所述采样质量块2相连；所述柱状连接件8的底端固接有磁体安装筒9，所述磁体安装筒9内置于筒状骨架6内部。

还包括本实用新型公开的永磁磁路装置10,所述电涡流板5的底部和所述筒状骨架6均位于所述永磁磁路装置10中。

所述永磁磁路装置10包括外导磁体101、内导磁体102和稀土永磁体103，所述外导磁体101内部设有容置腔104，所述电涡流板5、筒状骨架6和磁体安装筒9均置于所述容置腔104内，所述内导磁体102安装于所述磁体安装筒9内，所述稀土永磁体103两端分别与内导磁体102和容置腔104连接。

具体的，外导磁体内部的容置腔103自上之下分为相连通的第一容置腔105和第二容置腔106，并且第一容置腔105的直径小于第二容置腔106的直径；所述稀土永磁体103安装在第二容置腔106内，所述电涡流板5、筒状骨架6和磁体安装筒9均置于所述第一容置腔105内。

磁路装置10作为电磁阻尼的主要执行元件，精确、稳定的电磁力的产生有赖于高度稳定的均匀磁场。本系统的气隙磁场由稀土永磁体103产生，其特性与永磁材料的性能、磁路结构与参数、稀土永磁体工作点设置与稳定性等密切相关。稀土永磁体103由于具有很高的矫顽力、很高的磁能积、退磁曲线拐点低，满足磁路设计的要求。稀土钴永磁材料是由不同的稀土族元素和钴组成的金属间化合物。稀土元素主要指化学元素周期表中原子序数从57到7l的15种元素。它们和过渡金属(如Fe、Co、Ni等)可以形成多种金属间化合物，其中稀土金属与钴形成的XCo(X代表稀土元素)型化合物具有很高的晶体各向异性和饱和磁化强度，并具有很高的居里点，可以制成性能优异的永磁材料。其中内、外导磁体101可以选择软磁材料，软磁材料磁阻很小可忽略不计。

由于磁路设计中的漏磁场分布相当复杂，要进行精确的计算还比较困难。但是以“路”代“场”的计算方法是一个比较好而又简单的设计计算方法。在具体设计过程中往往采用试探法。通过一些假设，简化一些关系，采用经验数据和经验公式，初定一些尺寸和数据后，进行计算，前后比较，看其初定尺寸与数据是否合适，以确定磁路的各项参数。

实际磁路中总存在着退磁因素，例如线圈反应去磁磁势等，磁路中的稀土永磁体不是工作于Br点，而是工作于退磁曲线上的某一点，这一点称为稀土永磁体的工作点。此工作点位置，在空载时主要决定于外磁路特性，在负载时还与线圈反应的去磁作用有关，本系统中，电负荷非常小，线圈的去磁作用影响不大，几乎可以忽略不计。因此，其工作点主要决定于磁路特性。稀土永磁体的工作点不但要处在空载特性曲线上，而且要处在永久稀土永磁体的去磁曲线上，因此，两条曲线的交点即为稀土永磁体工作点。根据计算所得系数和厂家提供的永久稀土永磁体B-H参数可以作出两条曲线，得到稀土永磁体工作点。

由求得的稀土永磁体工作点可进一步求出气隙磁场的磁感应强度，看其是否满足要求，同时校核稀土永磁体工作点是否在最佳工作点附近，并进行反复调整。经过反复计算校核，选用稀土钴永磁材料XG160/120。

采样质量块2下端的电涡流板5和所述筒状骨架6均位于所述磁路装置10中，并置于强磁场中。当采样质量块2受到垂直扰动加速度(舰船引起的)干扰时会带动电涡流板5在磁场中上下运动，圆柱形电涡流板5内部的磁通发生变化，从而在电涡流板5内形成强大的电涡流，继而产生一个反向的洛伦兹力，产生阻尼力阻碍采样质量块2运动，通过合理设计这部分阻尼可以压缩垂直扰动10^-3。在此过程中，由于电涡流板5的电阻特性，电涡流转化为焦耳热释放。

本实用新型还包括差分电容器11,所述差分电容器11安装于外壳1上并与采样质量块2相连，所述差分电容器11用于检测采样质量块2产生的位移并转化为位移量信号输入至电磁力平衡反馈装置；

优选地，所述差分电容器11包括两个电容定极板111和一个电容动极板112，所述电容定极板111与所述外壳1相连，所述电容动极板112与所述采样质量块2相连，且所述电容动极板112位于两个所述电容定极板111之间。载体(舰船)运动造成检测弹簧4收缩或拉伸，检测弹簧拉伸或收缩会引起采样质量块2上下位移，则固定在采样质量块2上的电容片亦会产生位移，会引起差分电容器变化，使差分电容器输出电信号，差分电容器输出的电信号经过电磁力平衡反馈装置，传递到载流线圈7上，载流线圈在电流作用下会形成电磁力(安培力)，与稀土永磁体103的磁场相斥，继而产生阻尼抵消载体运动引起的弹簧拉伸或收缩。

请参照图4；本实用新型采用的电磁力平衡反馈装置12包括电压转换模块(附图中表示为A3)、电流转换模块(附图中表示为A4)和负反馈模块(附图中表示为A5)，采样质量块2产生的位移经差分电容器11检测后，将位移量信号输入至电压转换模块，所述电压转换模块将所述位移量信号转换为反应所述采样质量块2位移大小的电压信号，所述电流转换模块接收所述电压信号并转换为电流信号，所述电信号经负反馈模块稳流后由电流转换模块输出至载流线圈7上，进而产生相应的电磁力以抵消掉扰动加速度。

电磁力平衡反馈装置将摆体位移转换成对流反馈到载流线圈7上，载流线圈7位于恒磁场中，当其中有电流流过时，便产生电磁力来抵消垂直扰动，平衡重力加速度输入。

优选地，将反馈系数设置为K＝1000mgal/V，则当差分电容器输出电压为1V时，所需要产生的电磁力为：

F＝ma＝0.033×1000×10^-5＝0.33×10^-3N(式1)

其中，m为采样质量块，为33克，其根据弹簧刚度及弹性系统要求综合考量；a为垂直扰加动速度，为1000×10-5m·s^-2，根据海浪大小设置，衰减10^-3；线圈采用0.07mm铜质漆包线绕制方法，则线圈中流过的电流为：

I＝F/BL＝0.165mA(式2)

其中，F为电磁力，B为磁感应强度，4000高斯；L为线圈长度，100米，根据上述参数综合考量；稀土永磁体的材质及尺寸确定后，磁场强度已确定。

本实用新型中的电磁力平衡反馈装置(即反馈控制电路)主要由两部分组成：

第一部分以电压转换模块(A3)为核心；扰动加速度引起检测弹簧4拉伸收缩，使采样质量块2产生位移，位移量经差分电容器11检测后，由电路的Vi端输入，再由电压转换模块(A3)为核心的处理单元将此位移量转换为电压信号，此电压信号的大小即反映了采样质量位移的大小。如果将此信号直接反馈到载流线圈7，则需要考虑载流线圈7长度，阻值，磁场强度，差分电容检测以及其它电路的阻抗匹配问题，阻抗匹配误差会增加反馈电流的误差，降低控制精度，进而影响力平衡量，使得反馈电磁力不能精确衰减扰动加速度。采用电压、电流变换驱动载流线圈7，则可以很好的解决这一问题。

该装置的第二部分以电流转换模块(A4)和负反馈模块(A5)两个处理模块为核心，完成电压电流的转换。第一部分的电压信号由电压转换模块(A3)的OUT端口输出，经由电阻R10接入到电流转换模块(A4)，用电阻符号Ri表示载流线圈7，负反馈模块模块(A5)起到电流负反馈的作用，能够进一步稳定电流转换模块(A4)转换输出的电流信号，此电流信号由电流转换模块(A4)的V0端输出，经由精密电阻R12，加载到载流线圈Ri上，进而产生相应的电磁力。由于加载到线圈Ri上的电流完全由电路第二部分根据第一部分输出的电压信号转换电流进行控制，而与线圈本身阻值、长度、匝数无关，所以可以灵活地改变线圈的材料参数或者绕制方法，例如：绕制圈数、线圈长度、线径大小、导线材料等等。扰动加速度增大，则采样质量块位移增大，转换加载到线圈的电流就会增大，产生更大的电磁力来抵消掉扰动加速度，电磁力随扰动加速度变化，以起到阻尼的作用。其中，电路图中所示的R1-R4，R10，R12分别表示为预设的电阻，C表示为预设的电容。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸地连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种永磁磁路装置，其特征在于，包括外导磁体、内导磁体和稀土永磁体，所述外导磁体内部设有容置腔，所述稀土永磁体粘接于容置腔底部,所述内导磁体粘接于所述稀土永磁体顶部。

2.根据权利要求1所述的永磁磁路装置，其特征在于，所述外导磁体为圆柱状结构。

3.根据权利要求2所述的永磁磁路装置，其特征在于，所述内外导磁体为软磁材料制成，所述软磁材料为铁镍软磁合金。

4.根据权利要求3所述的永磁磁路装置，其特征在于，稀土永磁体为稀土钴永磁材料或钕铁硼稀土永磁材料。

5.根据权利要求4所述的永磁磁路装置，其特征在于，所述容置腔自上之下分为相连通的第一容置腔和第二容置腔。

6.根据权利要求5所述的永磁磁路装置，其特征在于，所述稀土永磁体安装在第二容置腔内。

7.根据权利要求6所述的永磁磁路装置，其特征在于，所述内导磁体安装在第一容置腔内。

8.根据权利要求7所述的永磁磁路装置，其特征在于，所述第二容置腔的直径为60.6mm，高度为30mm。

9.根据权利要求8所述的永磁磁路装置，其特征在于，所述第一容置腔的高度为20mm。

10.根据权利要求9所述的永磁磁路装置，其特征在于，所述内导磁体的直径为40.6mm。