产生数倍于永磁材料剩磁磁密强磁场的永磁机构 【技术领域】
本发明涉及一种强磁场永磁机构。背景技术
根据电磁基本理论，带电粒子在磁场中运动时将受到洛伦兹力的作用，因此恰当设计的磁场能够控制带电粒子束的运动路径，这一原理广泛用于行波管、磁控管、速调管、自由电子激光、质子回旋加速器和阴极溅射等系统中，在高能物理实验、磁分离、等离子体控制、医学诊疗以及某些军事装备中，常利用强磁场控制电子束偏转和聚焦。增强磁场的强度是磁场应用技术的重要目标之一，近年来，普遍采用超导线圈来产生强磁场，虽然能达到产生强磁场的目的，但不之足之处是超导设备需要庞大的冷却系统，维护困难，成本昂贵；在医用场合，其冷却系统所用的氦气还会造成有害的环境，若能采用永磁体在带电粒子运动的空间内产生IT-4T的磁场，从而在这一强度的磁场范围内代替超导设备，就能大大降低设备成本，这将具有广泛的应用前景。
前人已提出了一种特殊的永磁结构，由分块的永磁体组成球体或圆柱体，分别称为魔球和魔环，每个永磁块地充磁方向按一定角度差变化，在球体或圆柱体中间的空腔内将产生方向和大小都基本一致的均匀磁场，其磁通密度的大小为B=kBrlnR2R1]]>
其中Br为永磁材料的剩磁磁密，R1和R2分别表示其内径与外径，对于魔球k＝4/3，对于魔环k＝1。
从理论上说，根据上面的算式，只要无限增大外径与内径之比，上述永磁结构就可以产生无限大的场强，但是实际情况并非如此，一方面，随着魔环的外径与内径比(R2/R1)不断增大，磁体的体积和重量也同样迅速增大，这使得制造磁体的成本迅速增加，更重要的是，当内部气隙磁场不断增强并大于永磁材料的矫力时，充磁方向与气隙磁场方向相反的永磁块中靠近气隙的部分就不可避免地发生去磁，去磁现象使永磁体的磁性产生不可逆转的损坏，从而使气隙场强无法达到预期的大小和均匀度，此外，与永磁体充磁方向相同的强磁场将会引起永磁材料的饱和现象，这将造成永磁材料的工作点处于其磁滞回线的第一象限而不是正常工作状态的第二象限，同时，由于各永磁块充磁方向均不相同，彼此间存在相当大的排斥力或吸引力，且磁场越强，磁力就越大，越不容易实现各永磁块的粘合与装配，由于这些分析、设计技术和制造工艺上的诸多难题，使得采用永磁体产生强磁场很难实现。发明内容
为增加永磁体所产生的磁场强度，本发明的目的提供一种能产生数倍于永磁材料本身剩磁磁密的强磁场的永磁机构。这一特殊的永磁机构利用软磁材料与永磁材料相结合而组成，能够在工作空间内产生磁通密度达到永磁材料本身剩磁磁密3倍以上的强磁场。
本发明产生强磁场的永磁机构的结构设计是这样实现的：永磁体由8～64块梯形截面的钕铁硼永磁块组成(如图1所示)，每个永磁块的充磁方向各不相同，相邻磁块的充磁方向依次相差360°/n度角(n为永磁块数)，整个磁体的截面积为正n边形(n等于8～64)，在水平方向和垂直方向上的45°角度范围内永磁块的中间部分嵌入软磁材料，在水平方向上靠近圆心部分是非磁性金属，为非磁性不锈钢(或铝)，中心部分的小多边形所包围的区域为气隙，为强磁场工作空间，各组件用特种胶粘合成为中空的正多棱柱，最外面用非磁性金属外壳卡紧固定。
其中，强磁场永磁体可在工作空间内产生磁通密度等于永磁材料剩磁磁密3倍以上的均匀磁场，轴向(即垂直于纸面方向)长度越长，则工作空间的磁场越均匀，当采用钕铁硼永磁材料时，工作空间磁密可达到4T左右；
每个磁块的充磁方向各不相同，相邻磁块的充磁方向依次相差360°/n角，如图2中的箭头所示，图2中n＝8，充磁方向依次相差角度为45°，整个磁体的截面形状为正n边形，在水平方向和垂直方向上的45°角度范围内永磁块的中间部分嵌入软磁材料，为工业纯铁，其尺寸两两相同，安装在靠近中心位置，如图2中阴影部分，此时共有4块软磁材料，在水平方向上放置的软磁材料靠近圆心部分是非磁性金属，为非磁性不锈钢，中心部分的小正八边形所包围的区域为气隙，为强磁场工作空间，各组件用特种胶粘合成为中空的正八棱柱，最外面用非磁性金属外壳卡紧固定。
将软铁部分面向气隙的表面可做成弧形曲面而不是平面，可以提高气隙内磁场的均匀度。
本发明的优点：结构简单，制作安装容易，利用软磁材料工业纯铁和非磁性金属不锈钢镶嵌在永磁体内，可增加所产生的磁场强度，工作空间磁密可超过永磁材料剩磁磁密的3倍以上，当使用钕铁硼永磁材料时，磁通密度可达4T左右，可广泛应用于医疗设备和某些军事装备中。附图说明
图1为强磁场的永磁机构原理示意图；
图2和图3为本发明强磁场的永磁机构结构示意图；
图4为本发明强磁场的永磁机构尺寸结构图；
图5为本发明强磁场的永磁机构工业纯铁DT4的磁化曲线图；
图6为本发明强磁场的永磁机构的磁力线分布图；
图7为本发明强磁场的永磁机构中心区域磁力线分布图；
图8为本发明强磁场的永磁机构软磁材料端面为平面时气隙附近的磁力线分布图；
图9为本发明强磁场的永磁机构软磁材料端面为平面时气隙附近的磁密大小分布图；
图10为本发明强磁场的永磁机构弧形曲面时，气隙附近的磁力线分布图；
图11为本发明强磁场的永磁机构弧形曲面时，气隙附近的磁密大小分布图。具体实施方式
本发明之实施例及工作原理结合附图加以说明。
其结构由图2所示，为8个磁块组成，图中：1钕铁硼永磁块，2、3、4、5为软磁材料、工业纯铁，6、7为非磁性金属，非磁性不锈钢，8为中空的强磁场工作空间，9为非磁性金属外壳。
每个磁块的充磁方向由图3所示，依次相差45°角，如果多个磁块，充磁方向依次相差360°/n度，n为偶数个永磁块数，其中实施例之一尺寸如图4所示，整个磁块宽度为414.20mm，工作空腔内径24.2mm，轴向长度为85mm，由于上述强磁场永磁体是由软磁材料和永磁材料组合而成的，软磁材料的磁特性是非线性的(如图5所示的磁化曲线)，因此很难求出其磁场分布的解析解，为了进行该磁体的优化设计，需要采用与磁场数值分析相结形状位置优化方法。本发明采用磁场有限元分析和遗传算法、复合型法相结合的计算机软件取得优化设计方案。
软磁材料的作用：软磁材料的磁导率是永磁材料的数千倍，其作用为汇聚永磁块产生的磁通，增强气隙部分的磁场，并吸引靠近磁极极面的气隙磁通，以此削弱去磁场的作用。当工作空间磁密达到4T时，软铁内的某些部分磁密也将达到4T以上。这是因为但在图2所示的永磁结构中，由于永磁块的特殊结构，在局部产生了很强的磁场强度，相当于很高的激磁安匝，自然就造成软铁材料的局部高磁密。
其中图2和图3为本发明强磁场的永磁机构结构示意图，图中永磁块数等于8；图4强磁场永磁机构尺寸举例，(工作区空腔内径：24.2mm，轴向长度：85mm)；图5工业纯铁DT4的磁化曲线图；图6强磁场永磁机构的磁力线分布图；图7强磁场永磁体中心区域磁力线分布图；图8软磁材料端面为平面时气隙附近的磁力线分布图；图9软磁材料端面为平面时气隙附近磁密大小的分布图，工作区域中白色部分为均匀区；图10软磁材料端面为弧形曲面时气隙附近的磁力线分布图；图11软磁材料端面为弧形曲面时气隙附近的磁密分布图，工作区域中白色部分为均匀区，与图9相比较均匀区已扩大。