專利名稱：一種改進(jìn)的Halbach陣列永磁體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及用于電子加速器、核磁共振儀靜磁場(chǎng)發(fā)生裝置、永磁電機(jī)中的一種永磁機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：
美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家K.Halbach博士提出了一種有趣的磁體結(jié)構(gòu)，這種陣列磁體能夠在磁體的一側(cè)匯聚磁力線，而在另一側(cè)則消弱磁力線。K.Halbach博士對(duì)這種磁體結(jié)構(gòu)的原理給出了詳細(xì)的推導(dǎo)和論述。給出了由16個(gè)梯形磁塊拼合而成的4極圓柱形磁體的設(shè)計(jì)實(shí)例。學(xué)術(shù)界將這種磁體陣列方式稱為Halbach陣列(Halbach Arrays)，圓柱形磁體采用Halbach陣列時(shí)，就是眾所周知的“永磁魔環(huán)”。Halbach陣列磁體以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和良好的磁場(chǎng)特性，得到了科研人員的廣泛重視，對(duì)其進(jìn)行了深入研究并得到了廣泛應(yīng)用。
依據(jù)K.Halbach的分析和推論，圓柱磁體產(chǎn)生的均勻磁場(chǎng)受如下參數(shù)影響圓柱磁體的內(nèi)外半徑ri和ro，磁性材料的磁化矢量

。在實(shí)際中，采用現(xiàn)有永磁磁體的生產(chǎn)制造工藝和加工設(shè)備很難構(gòu)建磁化方向隨位置連續(xù)變化的磁體。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)與制造中，往往采用若干塊截面形狀為扇形、梯形、正方形或圓形磁塊構(gòu)成圓柱形磁體，各個(gè)磁塊的磁化方向近似構(gòu)成連續(xù)的磁化方向。梯形、圓形和正方形磁塊相對(duì)于扇形磁塊構(gòu)造圓柱體時(shí)，在原理上不可避免的已經(jīng)引入了幾何誤差，導(dǎo)致圓柱磁體的磁場(chǎng)沿周向受到高階諧波磁場(chǎng)分量的干擾，磁場(chǎng)均勻度降低。因此，K.Halbach建議采用具有最大填充因子的扇形磁塊構(gòu)建圓柱磁體。但扇形磁塊在安裝時(shí)存在明顯的同性相斥的情況，因而安裝很復(fù)雜也很困難。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有Halbach陣列永磁體的缺點(diǎn)，提供一種改進(jìn)的Halbach陣列永磁體。該永磁體的磁場(chǎng)空間利用率高、均勻度高，磁體的體積小、重量輕、漏磁少，安裝方便。
本實(shí)用新型提供了一種改進(jìn)的Halbach陣列永磁體裝置，該永磁體裝置為中空?qǐng)A柱體形永磁體，沿圓周方向等分為N＝2M塊，M為大于2的整數(shù)，其特征在于該永磁體裝置的每一個(gè)等分塊的軸向橫截面為新月形。
該永磁體裝置由軸向橫截面為新月形的磁塊拼合而成，磁塊之間用強(qiáng)力膠粘接在一起。中空?qǐng)A柱體的空腔內(nèi)是均勻的磁場(chǎng)。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、磁場(chǎng)空間利用率大、均勻度高、體積小、重量輕、漏磁小。

圖1是由8塊磁體組成的本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1、2、3、4、5、6、7、8為新月形永磁體。
圖2是本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
的橫截面示意圖。
圖3是由16塊軸向橫截面為扇形的磁體組成的Halbach陣列永磁體的橫截面示意圖。
圖4是由16塊磁體組成的本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
的橫截面示意圖。
圖5是新月形離散磁塊結(jié)構(gòu)的構(gòu)建圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說(shuō)明。
如圖1所示，本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
為由大小相等、形狀相同的8塊橫截面為新月形的永磁體1、2、3、4、5、6、7、8，通過(guò)強(qiáng)力膠粘連構(gòu)成一個(gè)中空的圓柱體。中空?qǐng)A柱體的空腔內(nèi)是均勻的磁場(chǎng)。圖1中實(shí)箭頭所示為各組磁塊磁化方向，空心箭頭為圓柱形永磁體內(nèi)磁場(chǎng)方向。
如圖2所示，各磁塊的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小相同，任取其中一個(gè)磁塊編號(hào)為1，順時(shí)針?lè)较蛞来螢楦鞔艍K編號(hào)。y軸取在第一塊和最后一塊磁體粘接處的中間位置，x軸與y軸垂直。z軸垂直于x、y軸所在的平面。若第i塊磁體橫截面中心與圓心的連線和y軸夾角定義為磁塊旋轉(zhuǎn)方向θi，(i＝1，2……8)，則第i塊磁體的磁化方向與y軸夾角(i＝1，2……8)(圖中實(shí)箭頭所示為各磁塊磁化方向)。一般而言，若磁體等分為N塊(N＝2M，M為大于2的整數(shù))，且磁塊的旋轉(zhuǎn)方向(i＝1，2……N)，則第i個(gè)磁塊的磁化方向與y軸夾角即ωi＝2θi，磁塊的磁化方向是磁體本身旋轉(zhuǎn)方向的兩倍。
這里需要說(shuō)明的是若磁體中每一點(diǎn)的磁化方向能按給定的磁體本身旋轉(zhuǎn)2倍方向連續(xù)變化，理論上整個(gè)中空?qǐng)A柱體內(nèi)磁場(chǎng)空間的不均勻性為零，實(shí)際工程中由于加工困難，目前無(wú)法辦到，因此采用磁體分塊的方法。磁體等分的塊數(shù)越多，越接近理想狀況。
圖3所示，為由大小相等、形狀相同的16塊橫截面為扇形的永磁體1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16，通過(guò)強(qiáng)力膠粘連構(gòu)成的一個(gè)中空?qǐng)A柱體的橫截面圖。箭頭所示為各組磁塊磁化方向，按照同性相斥，異性相吸的規(guī)律，第3、4、5塊之間和第11、12、13塊之間存在較明顯的異性相吸行為安裝比較方便，但是第15、16、1塊之間和第7、8、9塊之間存在較明顯的同性相斥行為安裝非常困難。
圖4所示，為由大小相等、形狀相同的16塊橫截面為新月形的永磁體1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16，通過(guò)強(qiáng)力膠粘連構(gòu)成的本實(shí)用新型具體實(shí)施橫截面圖。箭頭所示為各組磁塊磁化方向，圖中各磁塊之間不存在較明顯的同性相斥行為，因此安裝方便。
如圖5所示，rm為新月形分割曲線的半徑，其值由下式確定
式中ri為圓柱體的內(nèi)圓半徑，ro為圓柱體的外圓半徑，M為大于2的整數(shù)，

為分割點(diǎn)與X軸的夾角。
其邊界為
本實(shí)用新型具體實(shí)施例的積極效果如下 1.本實(shí)用新型新月形圓柱磁體的磁場(chǎng)空間為圓柱形，特別適合化工流程管道或送料帶通過(guò)，因此適合在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的核磁共振儀器。
2.本實(shí)用新型新月形圓柱磁體實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)增加周向磁塊數(shù)來(lái)提高橫截面上的橫向磁場(chǎng)均勻度。相對(duì)減小了磁體的體積，減輕了儀器的重量。
3.本實(shí)用新型經(jīng)Ansoft公司提供的商業(yè)電磁場(chǎng)二維計(jì)算軟件Maxwell 2D和MATLAB數(shù)學(xué)計(jì)算軟件的檢驗(yàn)，結(jié)果證明，新月形圓柱磁體的磁場(chǎng)沿周向受到高階諧波磁場(chǎng)分量的干擾得到抑制，磁場(chǎng)均勻度提高了近4倍。故磁能利用率高，獲得同樣的磁場(chǎng)強(qiáng)度所需的永磁材料少。
4.本實(shí)用新型新月形圓柱磁體的設(shè)計(jì)，使組成圓柱體的周向相鄰磁塊之間不存在很明顯的同性相斥的行為，因此安裝方便、快捷。
上述本實(shí)用新型的積極效果充分體現(xiàn)了本實(shí)用新型比Halbach陣列永磁體裝置在應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。
權(quán)利要求1.一種改進(jìn)的Halbach陣列永磁體裝置，該永磁體裝置為中空?qǐng)A柱體形永磁體，沿圓周方向等分為N＝2M塊，M為大于2的整數(shù)，磁塊之間用強(qiáng)力膠粘接在一起，其特征在于
該永磁體裝置的每一個(gè)等分塊的軸向橫截面為新月形。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的Halbach陣列永磁體裝置，其特征在于所述新月形的分割曲線的半徑rm值由下式確定
式中ri為圓柱體的內(nèi)圓半徑，ro為圓柱體的外圓半徑，M為大于2的整數(shù)，
為分割點(diǎn)與X軸的夾角；
邊界條件
專利摘要一種改進(jìn)的Halbach陣列永磁體裝置屬于永磁機(jī)構(gòu)領(lǐng)域。Halbach陣列永磁體的磁場(chǎng)均勻度雖然得到了提高，但由旋轉(zhuǎn)陣列的條件可知，相鄰扇形中的相鄰磁塊具有相同磁化方向，合并相同磁化方向的磁塊得到一個(gè)M塊離散磁塊構(gòu)成的圓柱磁體。但該磁體在安裝時(shí)存在明顯的同性相斥的情況，因而安裝很復(fù)雜也很困難。該永磁體裝置為中空?qǐng)A柱體形永磁體，沿圓周方向等分為N＝2M塊，M為大于2的整數(shù)，該永磁體裝置的每一個(gè)等分塊的軸向橫截面為新月形。該實(shí)用新型對(duì)Halbach永磁陣列磁體進(jìn)行改進(jìn)使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，磁場(chǎng)空間利用率高，磁場(chǎng)均勻度高，漏磁少，場(chǎng)強(qiáng)易提高，可大大減少磁體體積，降低儀器造價(jià)。
文檔編號(hào)H01F41/02GK201359896SQ20082012420
公開(kāi)日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者高俊俠, 張一鳴, 喬德治, 陳繼忠 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)