CN85103498B - 高均匀度磁场的永磁磁体 - Google Patents

Abstract

本发明是一种可以在气隙中获得较大范围的高均匀磁场区的永磁磁体。它由封闭的轭铁和在轭铁内部围绕气隙空间布置的主磁块、极面、侧磁块和堵漏磁块组成。医用核磁共振成象技术所用的磁体，要求有人体能够进入的高均匀气隙区，采用本发明可大大降低这类磁体的体积、重量和造价。本发明也可用于其他要求具有高均匀气隙磁场的各类工业分析仪器用磁体。

Description

高均匀度磁场的永磁磁体

本发明是一种可以在气隙中获得较大范围的高均匀磁场区的永磁磁体。

医用核磁共振成象技术是一种新技术，用于探查人体组织及其病变，可得到比用其他成象技术更清晰的图象。磁体是这种装置中产生高均匀度磁场的一个主要部件，其磁场不均匀度要求小于10^-4，为了人体受探查部位能方便地进入工作区内，要求磁场工作区体积较大，工作区内磁感应强度为1000-20000高斯。

医用核磁共振成象装置上有三类磁体可以选用，即常规电磁磁体、超导电磁磁体和永磁磁体。其中永磁磁体的工作区磁感应强度受材料性能限制不能做到很高，但它有价格较低，维护方便，节约电能，周围杂散磁场小等优点，因而国外已有一些公司从事研制和生产。近年来研制成功的钕铁硼永磁材料，在性能上有重大突破，为永磁磁体的发展提供了更为有利的条件。

附图1是普通水磁磁体结构的端视图，这种磁体由轭铁（1）、主磁块（2）和极面（3）构成。由于边缘效应，只有气隙中心区能得到高均匀度磁场，而气隙边缘区磁场是不均匀的。为了在气隙中心区小范围内得到不均匀度小于10^-4的高均匀度磁场，极面宽度b与气隙高度δ的比值b/δ需要达到4-8，即磁体必需做得很大。若按这种结构设计医用核磁共振成象装置所用的磁体，其体积、重量和造价都太大，是不经济的。

为了降低永磁磁体的造价，国外一些公司正在研究改进磁体结构的办法。1984年4月美国《诊断成象》杂志（Diagnostic Imaging April 1984 P.70-74）上发表了Heather Carswell的一篇有关永磁磁体的文章，文中提到美国Field Effect公司正在研制的一种永磁磁体，其结构如附图2所示。它是用若干块磁化方向不同的梯形磁块拼成一个多边环状磁体，环内部为气隙区。由于不用轭铁，这种磁体重量较轻，磁块材料的用量也低于附图1所示普通永磁磁体结构，但由于各梯形磁块中的磁化方向不同，加工制造比较困难，而且磁块内各处工作点不一致，许多磁块处于磁能积较小的工作点，因而磁块材料的用量仍相当大。

进一步改进结构和降低永磁磁体的造价，已成为国内外有关科技人员感兴趣的课题。

本发明的目的是提出一种新的可以产生高均匀度气隙磁场的永磁磁体磁路结构。新结构应保留附图1所示普通永磁磁体结构中磁块形状简单、便于加工制造。有框形轭铁形成封闭磁路因而磁通不会漏到轭铁外部等优点。克服其轭铁内部因主磁块向轭铁漏磁通而造成的气隙均匀区较小的缺点。设法降低极面宽度b和气隙高度δ的比值b/δ，大幅度降低磁块材料的用量和磁体的造价，不但要低于附图1所示的普通永磁磁体结构，而且要低于附图2所示的多边环状磁体结构。

附图3是我们设计的高均匀度磁场的永磁磁体的端面视图，磁体的横断面呈上下左右对称的形状，气隙位于框形的轭铁（1）所包围面积的中心，两块横断面形状为矩形的主磁块（2）对称地装在位于气隙上下两边的两块板状软铁极面（3）和轭铁（1）之间，主磁块的两侧和轭铁之间对称地装有四块横断面形状为梯形或当上述梯形上底宽度等于零时横断面形状为三角形的堵漏磁块（4），上半气隙和下半气隙两侧对称地装有四块横断面形状为直角梯形或当上述直角梯形上底宽度等于零时横断面形状为直角三角形的侧磁块（5），所说的侧磁块横断面的直角梯形或直角三角形以其与堵漏磁块相邻的一腰垂直于其底，并以该底面与轭铁贴合。以上所述的所有磁块各有一个底面与轭铁的内表面相贴合。各磁块中的磁化方向如图中箭头所示，分别垂直于所述的与轭铁内表面相贴合的底面。整个磁体的纵向厚度约为气隙高度的2-2.5倍。

本发明永磁磁体结构与附图1所示普通永磁磁体结构比较，增加了堵漏磁块和侧磁块。堵漏磁块本身不产生磁通，其作用是堵住主磁块和侧磁块边缘向轭铁漏磁通，使主磁块产生的磁通全部通向气隙。侧磁块产生的磁通全部通向气隙边缘处与侧磁块相邻的区域。各磁块的形状和尺寸设计得使上述由侧磁块提供磁通的区域的磁感应强度和由主磁块提供磁通的气隙区的磁感应强度恰好相等，因而气隙边缘处的磁力线既不能向外凸也不能向内凹。只能与极面垂直，从而获得较大范围的高均匀度磁场区。

主磁块、堵漏磁块和侧磁块均采用去磁特性比较线性的永磁材料。如铁氧体永磁、钐钴永磁、钕铁硼永磁等。附图4表示这类材料的去磁特性曲线，图中横坐标H表示磁场强度，纵坐标B表示磁感应强度，Hc表示矫顽力。Br表示剩磁感应强度。去磁特性曲线下部有一小段是曲线。可以把去磁特性曲线的直线部分延长至与横坐标相交，交点处的横坐标Hc′称为计算矫顽力。

磁块材料的导磁率μ_m可按下式求出。

μ_m＝Br/Hc′ （1）

磁体的气隙磁感应强度Bδ可根据需要在一定范围内选取。可选取的Bδ的范围决定于所用永磁材料的剩磁感应强度Br和导磁率μm，应符合以下关系式。

(2）

由上式可以看出，若所用永磁材料的导磁率μ_m等于1，则可选取的气隙磁感应强度Bδ不能超过所用永磁材料剩磁感应强度Br的一半。

附图5为本发明永磁磁体的四分之一端视图，由于本发明磁体上下左右对称，其余四分之三的形状和尺寸完全相同。选定永磁材料、气隙磁感应强度Bδ和气隙高度δ后，可按下文所述步骤进行设计，确定主磁块（2）的高度hm，侧磁块（5）的直角梯形或直角三角形断面的非直角底角θ₁和堵漏磁块（4）的梯形或三角形断面的两个底角θ₂和θ₃。其中θ₂是堵漏磁块与侧磁块相邻处的梯形或三角形断面底角。θ₃是堵漏磁块与主磁块相邻处的梯形或三角形断面底角，如附图5所示。设计步骤如下：

（1）求主磁块的高度hm。

（3）

（2）求侧磁块梯形或三角形断面的非直角底角θ₁。

（4）

由上式可见，为了使根号内的值不小于零，Bδ的值应符合关系式（2）。

若永磁材料的导磁率μ_m等于1，则式（4）可简化为：

（5）

（3）求堵漏磁块与侧磁块相邻处的梯形或三角形断面底角θ₂。

（6）

（4）求堵漏磁块与主磁块相邻处的梯形或三角形断面底角θ₃。

（7）

（5）若按式（6）和式（7）算出的θ₂和θ₃之和不等于90°，可以将堵漏磁块分成两块，如附图6所示。两块堵漏磁块（6）和（7）的横断面形状均为梯形或当梯形上底宽度等于零时均为三角形，其底面均与轭铁内表面贴合，所述的两块堵漏磁块的与轭铁内表面贴合的两个底面之间形成一个两面角，两块堵漏磁块的分界面平分此两面角，即附图6中两块堵漏磁块的分界面处的梯形或三角形断面底角θ₄和θ₅相等。附图6中轭铁（1）、主磁块（2）、极面（3）、侧磁块（5）均与附图5相同。

（6）设计时可以适当加大主磁块高度hm和适当减小堵漏磁块与主磁块相邻处的梯形断面底角θ₃，同时在堵漏磁块（4）两侧留缝隙，如附图7所示，让多余的磁通从缝隙中漏掉，以保证气隙中磁场均匀。缝隙的宽度由磁通量平衡的计算确定。也可以只在堵漏磁块的某一侧留缝隙。附图7中轭铁（1）、主磁块（2）、极面（3）、侧磁块（5）均与附图5相同。

（7）极面厚度t根据结构刚度的要求选定，其值与磁路计算无关，但其边缘处的倒角尺寸应与堵漏磁块梯形横断面的上底宽度相符。如极面边缘处不倒角，堵漏磁块的梯形横断面的上底宽度可以取零值，这时堵漏磁块的横断面形状成为三角形，极面边缘处倒角后余下的厚度应与侧磁块直角梯形横断面的上底宽度相符。当堵漏磁块一侧或两侧留有间隙时，侧磁块直角梯形横断面的上底宽度可以小于极面倒角后余下的厚度，也可以取零值，上底宽度取零值时侧磁块的横断面形状成为直角三角形。

采用本发明后，对于工作区磁场不均匀度为10^-4至10^-5的永磁磁体，极面宽度b和气隙高度δ的比值b/δ可降到1.5-2.0。整个磁体的磁块材料用量大幅度降低，不但低于附图1所示普通永磁磁体的磁块材料用量，而且低于附图2所示的多边环状磁体的磁块材料用量。例如当气隙磁感应强度为1500高斯，用铁氧体永磁材料时，采用本发明比采用附图2所示多边环状磁体结构可节约磁块材料约25%，而且磁块形状简单，便于加工制造，因而大大降低了磁体的造价。

本发明不仅可应用于医用核磁共振成象装置的磁体，也可应用于其它要求具有高均匀气隙磁场的各类工业分析仪器用磁体。

附图说明：

图1普通永磁磁体结构（端视图）

图2多边环状永磁磁体结构

图3本发明永磁磁体结构（端视图）

图4永磁材料的去磁特性曲线

图5本发明永磁磁体结构（1/4端视图）

图6堵漏磁块分为两块时的磁体结构（1/4端视图）

图7堵漏磁块两侧留缝隙时的磁体结构（1/4端视图）

图8本发明永磁磁体设计实例（1/4端视图）

下面结合附图8说明本发明永磁磁体结构设计的一个实例，由于对称，该图中只画出磁体端视图的四分之一。该磁体用于医用核磁共振成象装置，由轭铁（1）、主磁块（2）、极面（3）、侧磁块（5）和分为两块的堵漏磁块（6）和（7）组成。该磁体的技术要求为：

气隙高度 δ＝60厘米

气隙磁感应强度 Bδ＝5000高斯。

均匀磁场区域长30厘米，宽30厘米，高30厘米。

磁场不均匀度 ≤10^-4

采用钕铁硼永磁材料，其性能为：

剩磁感应强度 Br＝10000高斯

矫顽力 Hc＝10000奥斯特

导磁率 μm＝1

按上述设计步骤求出磁体的主要尺寸和与形状有关的几个角度的值为：

主磁块高度 hm＝30厘米

侧磁块角度 θ₁＝45°

堵漏磁块角度 θ₂＝30°

θ₃＝30°

θ₄＝105°

θ₅＝105°

磁极厚度 t＝4厘米

极面宽度 b＝120厘米

磁体纵向厚度 120厘米

Claims (5)

1、一种在其气隙区内有高均匀度磁场的永磁磁体，其气隙区位于上述永磁磁体中部，整个磁体横断面形状上下对称于水平中线。左右对称于垂直中线，所说的永磁磁体包括构成封闭磁路的框形轭铁（1），向气隙区提供磁通的两块横断面为矩形且各以其一底面与所说的框形轭铁内部的上表面和下表面相贴合的主磁块（2）、两块各与上述两主磁块的另一底面相贴合且各位于气隙区之上和之下的板状软铁极面（3）、以及对气隙区磁场的均匀性起辅助作用的磁块，其特征在于，所说的起辅助作用的磁块是四块横断面形状为梯形或当上述梯形上底宽度等于零时横断面形状为三角形的堵漏磁块（4）和四块横断面形状为直角梯形或当上述直角梯形上底宽度等于零时横断面形状为直角三角形的侧磁块（5），所说的堵漏磁块对称地装在所说的主磁块两侧，所说的侧磁块对称地装在上半气隙和下半气隙两侧，并以其所说的断面的直角梯形的垂直于底的一腰与所说的堵漏磁块相邻，以上所说的所有磁块各有一个底面与所说的轭铁内表面贴合，所说的各磁块中的磁化方向分别垂直于其以上所说的贴合底面，磁体纵向厚度约为气隙高度的2-2.5倍。

2、一种如权利要求1所说的永磁磁体，其特征在于，所说的主磁块、侧磁块和堵漏磁块均采用去磁特性比较线性的铁氧体永磁、钐钴永磁、钕铁硼永磁。

3、一种如权利要求1、2所说的永磁磁体，其特征在于，所说的磁体的气隙磁感应强度B_δ可根据需要选取，但一般不能超过所采用的永磁材料的剩磁感应强度的一半。

4、一种如权利要求1、2所说的永磁磁体，其特征在于，所说的堵漏磁块可以分成两块，当采用两块堵漏磁块时，它们的横断面形状均为梯形或当上述梯形上底宽度等于零时均为三角形，各以其一底面与所说的轭铁内表面贴合，所说的两个贴合底面之间形成一个两面角，所说的两块堵漏磁块的分界面平分此两面角。

5、一种如权利要求1、2所说的永磁磁体，其特征在于，所说的堵漏磁块与所说的主磁块相邻的一侧或与所说的侧磁块相邻的一侧可以留有间隙，使多余的磁通漏掉，也可以在所说的堵漏磁块的两侧都留有间隙。

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