CN210668254U - 一种回旋管管体与磁体的同轴装配装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种回旋管管体与磁体的同轴装配装置，包括：驱动线圈绕制于位于回旋管磁体内部的回旋管管体上；当驱动线圈通电时，驱动线圈受到回旋管磁体内部磁场作用的电磁力，驱动线圈的通电电流方向与回旋管磁体通电电流方向相反，回旋管磁体内部的磁场分布规律是：从回旋管磁体磁轴到磁体的内壁，磁场的强度逐渐增强；根据通电线圈在磁场中受力的左手法则，驱动线圈所受到的电磁力合力朝向磁轴方向，以驱动回旋管管体向磁轴方向运动，使得回旋管管体轴线与回旋管磁体磁轴重合。本实用新型使回旋管管体在驱动线圈所受电磁力的带动下做阻尼运动，并最终使回旋管管体轴线与回旋管磁体磁轴达到基本同轴。
Description
技术领域
本实用新型涉及磁场技术领域，更具体地，涉及一种回旋管管体与磁体的同轴装配装置。
背景技术
回旋管是目前主要的高功率毫米波和亚毫米波波源，因此被广泛应用于等离子体加热、电子自旋共振光谱学、材料处理、太赫兹成像、雷达通信等领域。回旋管是基于电子回旋脉塞的一种快波器件。电子回旋脉塞基于相对论效应，电子枪所发出的电子在磁场的绝热压缩下形成具有一定回旋频率的空心电子注，此电子注在静止磁场中做回旋运动并产生角向群聚，电子将部分横向能量交给电磁波从而产生电磁辐射的现象。其中回旋管管体轴线与回旋管磁体磁轴的同轴安装尤为重要。在不同轴的情况下，回旋管的微波输出效率会急剧降低，甚至不能正常工作。
现有回旋管管体和磁体的装配技术均采用机械方式安装调整。首先在回旋管管体加工时加工一支与回旋管管体尺寸参数一样的仿真管，仿真管加装透明的输出窗，并在管内壁涂上荧光粉，通过手动调整回旋管管体位置，并观察电子在管壁上形成的荧光环来判定仿真管轴线与回旋管磁体磁轴的同轴情况。在初步调整结束后以相同的位置换上回旋管管体，再最终根据回旋管输出效率进行微小的调整。现有装配技术不仅需要额外加工仿真管，同时在调整的过程中均采用人为的调整判断的方式，导致装配成本高且精度差等缺点。
实用新型内容
针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于解决现有回旋管管体和磁体的装配装置在调整的过程中均采用人为的调整判断的方式，导致装配成本高且精度差的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型提供一种回旋管管体与磁体的同轴装配装置，包括：回旋管管体、法兰、平板轴承、回旋管磁体以及驱动线圈；
所述回旋管管体通过法兰和平板轴承与回旋管磁体连接；所述回旋管管体纵向穿过所述回旋管磁体；
所述回旋管管体与法兰为固定连接；
所述平板轴承与回旋管磁体为固定连接；
所述法兰和平板轴承为滚动接触；
所述驱动线圈绕制于位于所述回旋管磁体内部的回旋管管体上；
当所述驱动线圈通电时，驱动线圈受到回旋管磁体内部磁场作用的电磁力，所述驱动线圈的通电电流方向与回旋管磁体通电电流方向相反，所述回旋管磁体内部的磁场分布规律是：从回旋管磁体磁轴到磁体的内壁，磁场的强度逐渐增强；根据通电线圈在磁场中受力的左手法则，所述驱动线圈所受到的电磁力合力朝向所述磁轴方向，以驱动回旋管管体向所述磁轴方向运动，使得回旋管管体轴线与回旋管磁体磁轴重合。
可选地，所述驱动线圈受到的电磁力Fr为：
其中，B(dr+R2)为单位长度的驱动线圈所在位置的磁感应强度；R2为驱动线圈半径；I2为驱动线圈电流；r为柱坐标系径向坐标轴；θ为单位长度的驱动线圈所产生的电磁力与r轴的夹角；er为平行于回旋管管体轴线与回旋管磁体磁轴连线的单位向量。
可选地，所述平板轴承和法兰均采用无磁不锈钢材料，以使得平板轴承和法兰之间的摩擦力小于预设值。
可选地，所述回旋管管体轴线与回旋管磁体磁轴重合的精度与所述平板轴承与法兰之间的摩擦力相关，所述摩擦力越小，重合的精度越高。
总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本实用新型提供的回旋管管体与磁体的同轴装配装置，能够使回旋管管体在驱动线圈所受电磁力的带动下做阻尼运动，并最终使回旋管管体轴线与回旋管磁体磁轴达到基本同轴。通过控制平板轴承和回旋管法兰的材料、结构等，控制平板轴承与法兰之间的摩擦力，只要摩擦力足够小，回旋管管体和磁体的同轴装配精度就足够高，最后所存在的微小距离完全满足回旋管管体与磁体的装配精度要求。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的电磁驱动式同轴装配装置的示意图；
图2是本实用新型提供的驱动线圈的受力分析示意图；
图3是本实用新型实施例提供的驱动线圈位移和运动速度计算示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为回旋管管体；2为法兰；3为平板轴承；4为回旋管磁体；5为驱动线圈。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
针对现有技术的以上缺陷和改进需求，本实用新型提供一种回旋管管体与磁体的电磁驱动式同轴装配技术，其目的在于采用电磁力驱动的自动同轴技术解决传统的回旋管管体与磁体的机械式装配技术造成的装配成本高且精度差的技术问题。
图1是本实用新型实施例提供的电磁驱动式同轴装配装置的示意图，如图1所示，包括：回旋管管体1、法兰2、平板轴承3、回旋管磁体4以及驱动线圈5。
所述回旋管管体1通过回旋管法兰2和平板轴承3与回旋管磁体4连接；所述回旋管管体1与回旋管法兰2为固定连接；所述平板轴承3与回旋管磁体4为固定连接；所述回旋管法兰2和平板轴承3为滚动接触；所述驱动线圈5绕制于回旋管管体1上。
在一个示例中，六个平板轴承3与回旋管磁体4为固定连接；回旋管法兰2和平板轴承3为滚动接触。
其中，回旋管磁体的内半径R1为40mm；回旋管磁体在中心产生的磁感应强度为14.8T。
其中，驱动线圈为单层线圈，绕制在回旋管管体上，其半径R2等效为26mm。驱动线圈共1000匝，并通以与回旋管磁体电流方向相反的500A电流。回旋管管体与驱动线圈子总重为10.32kg。
其中，在本实用新型实施例中平板轴承和回旋管法兰都为无磁不锈钢材料，因此计算中采用钢与钢的滚动摩擦系数为0.001。同时预先设定回旋管管体轴线和回旋管磁体磁轴的距离为5mm。
具体地，驱动线圈在回旋管磁体所产生的回旋管工作磁场B下的受力可简化为图2所示。其中R1为回旋管磁体内半径；R2为驱动线圈半径；I1为回旋管磁体的电流；I2为驱动线圈的电流；r为柱坐标系径向坐标轴；dr为回旋管管体轴线和回旋管磁体磁轴的距离；dF为单位长度的驱动线圈dl所产生的电磁力；θ为dF与r轴的夹角。所述驱动线圈所通电流与回旋管磁体电流相反。此时通电后的驱动线圈会在所述回旋管磁体提供的工作磁场下受到电磁力的作用。
根据电磁力的计算公式dF可以表示为：
dF＝I2dl×B(dr+R2)
其中单位长度的驱动线圈dl所在位置的磁感应强度可以表示为：
将电磁力分别分解成为平行和垂直于回旋管管体轴线与回旋管磁体磁轴连线的两个分量。沿驱动线圈一圈，垂直于回旋管管体轴线与回旋管磁体磁轴连线的分量的最终合力为零，而平行于回旋管管体轴线与回旋管磁体磁轴连线的分量的合力为驱动线圈最终所受的电磁力，dFr可以表示为：
dFr＝dFr cosθ＝B(dr+R2)I2R2 cosθdθer
其中，er为平行于回旋管管体轴线与回旋管磁体磁轴连线的单位向量，将dFr沿驱动线圈一周积分可得最终合力Fr为：
最终回旋管管体和驱动线圈将在Fr和回旋管法兰与平板轴承之间的滚动摩擦力Ff的共同作用下运动，其运动方程为：
其中m为回旋管管体和驱动线圈的质量总和；t为时间。
此电磁力的方向是使回旋管管体轴线与回旋管磁体磁轴重合的方向。回旋管管体和驱动线圈的运动为周期性的阻尼运动，因此回旋管管体会停在一个最终的平衡位置。此位置下回旋管管体轴线和回旋管磁体磁轴之间会存在一个非常小的距离，致使所产生的电磁力与回旋管法兰在平板轴承上所受到的摩擦力相等。只要摩擦力足够小，回旋管管体和磁体的同轴装配精度就足够高。
具体地，通过控制平板轴承和回旋管法兰的材料、结构等，控制平板轴承与法兰之间的摩擦力，以控制同轴装配的精度。
图3所示为本实用新型实施例提供的驱动线圈位移和运动速度计算结果。驱动线圈在开始通电后的572ms停止运动。最终线圈停止运动时，回旋管管体轴线和回旋管磁体磁轴的距离调整为0.107mm。回旋管管体轴线与回旋管磁体的轴线重合的误差仅为0.107mm，精度相比现有装配精度大大提升，此装配精度已经完全满足回旋管管体与磁体的装配精度。同时进一步减小回旋管法兰与平板轴承之间的摩擦力可以进一步地提高装配精度。
综上所述，本实用新型提供的回旋管管体与磁体的电磁驱动式同轴装配技术，该技术能够使回旋管管体在驱动线圈所受电磁力的带动下做阻尼运动，并最终使回旋管管体轴线与回旋管磁体磁轴达到基本同轴，最后所存在的微小距离完全满足回旋管管体与磁体的装配精度要求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种回旋管管体与磁体的同轴装配装置，其特征在于，包括：回旋管管体、法兰、平板轴承、回旋管磁体以及驱动线圈；
所述回旋管管体通过法兰和平板轴承与回旋管磁体连接；所述回旋管管体纵向穿过所述回旋管磁体；
所述回旋管管体与法兰为固定连接；
所述平板轴承与回旋管磁体为固定连接；
所述法兰和平板轴承为滚动接触；
所述驱动线圈绕制于位于所述回旋管磁体内部的回旋管管体上；
当所述驱动线圈通电时，驱动线圈受到回旋管磁体内部磁场作用的电磁力，所述驱动线圈的通电电流方向与回旋管磁体通电电流方向相反，所述回旋管磁体内部的磁场分布规律是：从回旋管磁体磁轴到磁体的内壁，磁场的强度逐渐增强；根据通电线圈在磁场中受力的左手法则，所述驱动线圈所受到的电磁力合力朝向所述磁轴方向，以驱动回旋管管体向所述磁轴方向运动，使得回旋管管体轴线与回旋管磁体磁轴重合。
2.根据权利要求1所述的同轴装配装置，其特征在于，所述驱动线圈受到的电磁力Fr为：
其中，B(dr+R2)为单位长度的驱动线圈所在位置的磁感应强度；R2为驱动线圈半径；I2为驱动线圈电流；r为柱坐标系径向坐标轴；θ为单位长度的驱动线圈所产生的电磁力与r轴的夹角；er为平行于回旋管管体轴线与回旋管磁体磁轴连线的单位向量。
3.根据权利要求1或2所述的同轴装配装置，其特征在于，所述平板轴承和法兰均采用无磁不锈钢材料，以使得平板轴承和法兰之间的摩擦力小于预设值。
4.根据权利要求3所述的同轴装配装置，其特征在于，所述回旋管管体轴线与回旋管磁体磁轴重合的精度与所述平板轴承与法兰之间的摩擦力相关，所述摩擦力越小，重合的精度越高。
5.根据权利要求3所述的同轴装配装置，其特征在于，所述回旋管磁体的内半径为40mm；驱动线圈为单层线圈，半径为26mm。
6.根据权利要求5所述的同轴装配装置，其特征在于，所述驱动线圈共1000匝。
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Cited By (2)
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| CN117410161A (zh) * | 2023-10-08 | 2024-01-16 | 华中科技大学 | 一种回旋管准直系统 |
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2019
- 2019-11-27 CN CN201922075354.3U patent/CN210668254U/zh not_active Withdrawn - After Issue
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