CN211689694U - 一种Halbach型永磁轨道 - Google Patents

Abstract

本实用新型专利涉及磁悬浮技术领域，尤其涉及一种Halbach型永磁轨道。包括设置在底板上方的两个聚磁铁轭和两个聚磁铁轭之间紧密排列的永磁体阵列，所述永磁体阵列包括N个永磁体，第一块永磁体的磁化方向为水平方向，第一块永磁体和最后一块永磁体的磁化方向相同，且从第二块永磁体开始，每块永磁体的磁化方向均相对于前一块永磁体逆时针旋转θ角。本实用新型中的永磁轨道，通过优化现有双峰型永磁轨道中永磁体的磁化角，合理配置永磁体的宽高比，并采用磁导率较高的铁磁性材料作为固定永磁体的铁轭，进一步提高永磁轨道的聚磁作用，在相同的轨道截面积与永磁用量的情况下，在轨道上方产生更强的磁场。

Description

一种Halbach型永磁轨道

技术领域

本实用新型专利涉及磁悬浮技术领域，尤其涉及一种Halbach型永磁轨道。

背景技术

现有的永磁轨道一般由若干段导轨槽和导轨槽内紧密排列的永磁阵列组成，永磁阵列采用单峰型的对极式阵列或双峰型的halbach阵列。单峰型永磁轨道每一段永磁阵列由两个磁化方向相对的永磁体组成，中间和两边有聚磁铁轭；双峰型永磁轨道每一段永磁阵列为典型的halbach阵列，由五块永磁体组成，永磁体的磁化方向为水平方向或竖直方向，每一块永磁体的磁化方向相对于前一块永磁体逆时针旋转90°。永磁阵列通过螺栓与导轨槽固定连接，导轨槽由永磁体两侧的夹板和底侧的底板通过焊接或螺栓连接而成。

申请号为：CN03234867.3，公告日为：20041103的中国实用新型，公开了一种高温超导磁悬浮车用永磁导轨，由不导磁的导轨槽和导轨槽内紧密排列的永磁体组构成，所述的永磁体的组数为5组、7组或9组；各组永磁体的磁化方向按照使导轨上方的磁场强度最大，下方的磁场强度最小的方式排列。在该实用新型专利中，每一块永磁体的磁化方向都为水平或竖直方向，永磁体的磁化角未达到最优；未标定每一块永磁体的宽高比，没有实现永磁体的最优排布；组成导轨槽所用的材料均为不导磁材料，无法最大化实现永磁轨道的聚磁作用。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种Halbach型永磁轨道，能够在相同的轨道截面积与永磁用量的情况下，轨道上方的磁场更强。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种Halbach型永磁轨道，包括设置在底板上方的两个聚磁铁轭和两个聚磁铁轭之间紧密排列的永磁体阵列，所述永磁体阵列包括N个永磁体，N为大于或等于7的自然数，第一块永磁体的磁化方向为水平方向，第一块永磁体和最后一块永磁体的磁化方向相同，且从第二块永磁体开始，每块永磁体的磁化方向均相对于前一块永磁体逆时针旋转θ角，所述θ的取值为使得N为大于或等于7的自然数的任意角度。

所述θ的取值范围为0°～90°。

所述永磁体的宽高比为0.5～1。永磁体的宽高比会影响其表面磁场强度，剩磁相同的两块永磁体，如果宽高比不同的话，其表面磁场强度也是不同的，进而影响其附近的磁场分布和磁场梯度。当宽高比逐渐增加时，Halbach轨道上方磁场梯度先增后减，宽高比为0.5时达到最强，然后逐渐减弱。但当宽高比小于0.5时，永磁体会显得有些畸形，不利于加工，同时也可能会导致永磁轨道宽度达不到要求，因此0.5-1是一个能接受的范围，单从磁场的角度考虑，当宽高比为0.5时是最好的选择。

所述聚磁铁轭的材质为铁磁性材料，以提高永磁轨道的聚磁能力。使用非磁性铁轭与铁磁性铁轭，永磁轨道上方的磁场的峰值虽然并没有提高，但铁磁性铁轭有效提高了永磁轨道两端上方的磁场分布，提高了轨道的聚磁作用。铁磁性材料如铁、45钢、Q235钢等，这些材料的相对磁导率较高，使用这些材料作为铁轭，可以进一步提高永磁轨道的聚磁作用。

所述底板的材质为不导磁的无磁性材料，以防止永磁轨道在下方聚磁。由于铁磁性材料相对磁导率较高，如果轨道底板采用铁磁性材料，会改变轨道的磁路，使一部分磁场进入下底板，导致在轨道下方聚磁，这对于我们来说是不利的，因此轨道底板需要采用无磁性材料，无磁性材料主要为除铁钴镍及其合金以外的金属及合金，如铜、铝及其合金以及奥氏体不锈钢等，这类材料相对磁导率较低，一般和空气相同，不仅可以起到固定永磁轨道的作用，还能避免轨道磁路受到影响。

所述永磁体阵列和聚磁铁轭的中部均设置有可供横向螺栓穿过的的通孔，且永磁体阵列和聚磁铁轭通过横向螺栓连接固定。

所述横向螺栓的材质为不导磁的无磁性材料，以防止其影响永磁轨道的磁场分布。此处横向螺栓可以是铜或铝合金以及奥氏体不锈钢等，这类材料相对磁导率较低，一般和空气相同，不仅可以起到固定永磁轨道的作用，还能避免轨道磁路受到影响。

所述底板上设置有可供垂向螺钉穿过的通孔或螺纹孔，聚磁铁轭的底部设置有螺纹孔，垂向螺钉穿过底板与聚磁铁轭螺纹连接。

所述垂向螺钉材质为不导磁的无磁性材料，以防止其影响永磁轨道的磁场分布。此处垂向螺钉可以是铜或铝合金以及奥氏体不锈钢等，这类材料相对磁导率较低，一般和空气相同，不仅可以起到固定永磁轨道的作用，还能避免轨道磁路受到影响。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型中的永磁轨道，通过优化现有双峰型永磁轨道中永磁体的磁化角，合理配置永磁体的宽高比，并采用磁导率较高的铁磁性材料作为固定永磁体的铁轭，进一步提高永磁轨道的聚磁作用，在相同的轨道截面积与永磁用量的情况下，在轨道上方产生更强的磁场。

附图说明

图1是本实用新型实施例1中永磁轨道结构示意图；

图2是本实用新型实施例1中永磁轨道结构剖视示意图；

图3是本实用新型实施例1中永磁轨道与现有双峰型轨道上方15mm高度处磁场对比图；

图4是本实用新型实施例1中永磁体的宽高比与轨道上方磁场梯度的关系示意图；

图5是本实用新型实施例1中使用非磁性铁轭与铁磁性铁轭时，永磁轨道上方的磁通密度分布曲线示意图；

图6是本实用新型实施例2中永磁轨道结构示意图。

图中标记：1、底板；2、横向螺栓；3、永磁体阵列；4、聚磁铁轭；5、垂向螺钉。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本实用新型的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本实用新型，并且不应当理解为本实用新型限制在本文阐述的实施例中。

应当理解，术语第一、第二等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。尽管本文可以使用术语第一、第二等等来描述各种单元，这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本实用新型的示例实施例的范围。

应当理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

应当理解，在本实用新型的描述中，术语“上”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系，是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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。

应当理解，当将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相对地，当将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，不存在中间单元。应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，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。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本实用新型的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能出现的顺序不同。例如,取决于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行。

在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。在其他实施例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例示出了一种Halbach型永磁轨道，包括设置在底板1上方的两个聚磁铁轭4和两个聚磁铁轭4之间紧密排列的永磁体阵列3，所述聚磁铁轭4通过垂向螺钉5固定在底板1上，聚磁铁轭4和永磁体阵列3通过横向螺栓2相连，所述永磁体阵列3包括7个永磁体，第一块永磁体和第七块永磁体的磁化方向均为水平方向，相邻两块永磁体的磁化方向夹角θ＝60°，第一块永磁体的磁化方向水平向右，其余永磁体的磁化方向均相对于前一块永磁体逆时针旋转60°，第七块永磁体的磁化方向水平向右。

所述永磁体的宽高比在0.5-1之间。永磁体的宽高比会影响其表面磁场强度，剩磁相同的两块永磁体，如果宽高比不同的话，其表面磁场强度也是不同的，进而影响其附近的磁场分布和磁场梯度。如图4所示，当宽高比逐渐增加时，Halbach轨道上方磁场梯度先增后减，宽高比为0.5时达到最强，然后逐渐减弱。但当宽高比小于0.5时，永磁体会显得有些畸形，不利于加工，同时也可能会导致永磁轨道宽度达不到要求，因此0.5-1是一个能接受的范围，单从磁场的角度考虑，当宽高比为0.5时是最好的选择。

所述聚磁铁轭4的材质为铁磁性材料，以提高永磁轨道的聚磁能力。如图5所示，使用非磁性铁轭与铁磁性铁轭，永磁轨道上方的磁场的峰值虽然并没有提高，但铁磁性铁轭有效提高了永磁轨道两端上方的磁场分布，提高了轨道的聚磁作用。铁磁性材料可以是铁、45钢或Q235钢等，这些材料的相对磁导率较高，使用这些材料作为铁轭，可以进一步提高永磁轨道的聚磁作用。

所述底板1的材质为不导磁的无磁性材料，以防止永磁轨道在下方聚磁。由于铁磁性材料相对磁导率较高，如果轨道底板1采用铁磁性材料，会改变轨道的磁路，使一部分磁场进入下底板，导致在轨道下方聚磁，这对于我们来说是不利的，因此轨道底板1需要采用无磁性材料，无磁性材料主要为除铁钴镍及其合金以外的金属及合金，如铜、铝及其合金以及奥氏体不锈钢等，这类材料相对磁导率较低，一般和空气相同，不仅可以起到固定永磁轨道的作用，还能避免轨道磁路受到影响。

所述永磁体阵列3和聚磁铁轭4的中部均设置有可供横向螺栓2穿过的的通孔，且永磁体阵列3和聚磁铁轭4通过横向螺栓2连接固定。

所述横向螺栓2的材质为不导磁的无磁性材料，以防止其影响永磁轨道的磁场分布。此处横向螺栓2可以是铜或铝合金以及奥氏体不锈钢等，这类材料相对磁导率较低，一般和空气相同，不仅可以起到固定永磁轨道的作用，还能避免轨道磁路受到影响。

所述底板1上设置有可供垂向螺钉5穿过的通孔或螺纹孔，聚磁铁轭4的底部设置有螺纹孔，垂向螺钉5穿过底板1与聚磁铁轭4螺纹连接。

所述垂向螺钉5材质为不导磁的无磁性材料，以防止其影响永磁轨道的磁场分布。此处垂向螺钉5可以是铜或铝合金以及奥氏体不锈钢等，这类材料相对磁导率较低，一般和空气相同，不仅可以起到固定永磁轨道的作用，还能避免轨道磁路受到影响。

如图3所示，本实施例中所述永磁轨道与现有双峰型永磁轨道上方的磁场对比图，磁场在轨道上方得到了明显的增强。

实施例2

如图6所示，本实施例示出了一种Halbach型永磁轨道，本实施例与实施例1基本相同，区别在于，本实施例中永磁体阵列包括九块永磁体，相邻两块永磁体的磁化方向夹角为θ＝45°，第一块永磁体的磁化方向水平向右，其余永磁体的磁化方向均相对于前一块永磁体逆时针旋转45°，第九块永磁体的磁化方向与第一块永磁体的磁化方向相同。所述永磁体的宽高比在0.5-1之间。

实施例3

本实施例示出了一种Halbach型永磁轨道，本实施例与实施例1基本相同，区别在于，本实施例中永磁体阵列包括九块永磁体，相邻两块永磁体的磁化方向夹角θ＝0°。

实施例4

本实施例示出了一种Halbach型永磁轨道，本实施例与实施例1基本相同，区别在于，本实施例中永磁体阵列包括九块永磁体，相邻两块永磁体的磁化方向夹角θ＝90°。

以上实施例仅为本实用新型的示例性实施例，不用于限制本实用新型，本实用新型的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本实用新型的实质和保护范围内，对本实用新型做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种Halbach型永磁轨道，其特征在于：包括设置在底板(1)上方的两个聚磁铁轭(4)和两个聚磁铁轭(4)之间紧密排列的永磁体阵列(3)，所述永磁体阵列(3)包括N个永磁体，N为大于或等于7的自然数，第一块永磁体的磁化方向为水平方向，第一块永磁体和最后一块永磁体的磁化方向相同，且从第二块永磁体开始，每块永磁体的磁化方向均相对于前一块永磁体逆时针旋转θ角，所述θ的取值为使得N为大于或等于7的自然数的任意角度。

2.根据权利要求1所述的Halbach型永磁轨道，其特征在于：所述θ的取值范围为0°～90°。

3.根据权利要求1所述的Halbach型永磁轨道，其特征在于：所述永磁体的宽高比为0.5～1。

4.根据权利要求1所述的Halbach型永磁轨道，其特征在于：所述聚磁铁轭(4)的材质为铁磁性材料。

5.根据权利要求1所述的Halbach型永磁轨道，其特征在于：所述底板(1)的材质为不导磁的无磁性材料。

6.根据权利要求1所述的Halbach型永磁轨道，其特征在于：所述永磁体阵列(3)和聚磁铁轭(4)的中部均设置有可供横向螺栓(2)穿过的通孔，且永磁体阵列(3)和聚磁铁轭(4)通过横向螺栓(2)连接固定。

7.根据权利要求6所述的Halbach型永磁轨道，其特征在于：所述横向螺栓(2)的材质为不导磁的无磁性材料。

8.根据权利要求1所述的Halbach型永磁轨道，其特征在于：所述底板(1)上设置有可供垂向螺钉(5)穿过的通孔或螺纹孔，聚磁铁轭(4)的底部设置有螺纹孔，垂向螺钉(5)穿过底板(1)与聚磁铁轭(4)螺纹连接。

9.根据权利要求8所述的Halbach型永磁轨道，其特征在于：所述垂向螺钉材质为不导磁的无磁性材料。

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