磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置及該裝置產生連續可調均勻軸向磁場方法
2023-10-04 04:32:49 2
磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置及該裝置產生連續可調均勻軸向磁場方法
【專利摘要】磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置及該裝置產生連續可調均勻軸向磁場方法，涉及構建特殊位形磁場的【技術領域】。解決了現有磁通密度軸向磁場產生裝置結構複雜和現有磁通密度軸向磁場產生裝置和方法產生的磁場不穩定，不可調的問題。本發明的內線圈環繞在圓柱鐵芯上，兩個圓形內磁極分別固定在圓柱鐵芯的兩端，兩個圓形環外磁極分別固定在圓筒形外殼的兩端，外線圈固定在圓筒形外殼的內側，且外線圈成圓環形纏繞排列，圓筒形外殼同軸套在圓柱鐵芯的外側，兩個圓形環外磁極分別與兩個圓形內磁極位於同一平面，且兩個圓形環外磁極與兩個圓形內磁極不相連；電源同時為外線圈和內線圈提供電流。本發明適用於產生連續可調均勻軸向磁場。
【專利說明】磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置及該裝置產生連續可調均勻軸向磁場方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及構建特殊位形磁場的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]磁場是對放入其中的磁體有磁力作用的一種特殊物質，其基本特徵是能對運動電荷施加作用力，即通電導體或運動帶電粒子在磁場中受到磁場的作用力，其中帶電粒子所
受的作用力被稱為洛倫茲力，大小和方向由公式P = 其中P為帶電粒子所受的洛倫
茲力，q為帶點粒子的電量，V為帶點粒子的速度，為磁通密度決定。特別指出，等離子體
是由處在非束縛態的帶電粒子組成的多粒子體系，電磁作用是支配體系運動的決定作用因素，因此構建特定位形的電磁場是控制等離子體帶電粒子運動狀態的主要方法。在圓柱坐標系中，軸向磁場對沿周向運動帶電粒子的洛倫茲力是徑向的，即帶電粒子在軸向磁場的作用下獲得徑向向心力，作圓周運動。這個效應在很多工程領域得到應用，比如等離子體質量分離器，因此設計一種能產生連續可調均勻軸向磁場的裝置具有重大的應用價值。然而構建出符合工程要求的軸向磁場難度很大，這是因為:
[0003]1、為了靈活有效控制帶電粒子的運動狀態，工作區軸向磁場磁通密度需要在O高斯?2000高斯0.2T的範圍內連續可調，且軸向磁場只存在於工作區內，區域外迅速下降；
[0004]2、為了使帶電粒子較均勻的獲得角向速度，工作區軸向磁場磁通密度非均勻度必須限定在設計允許的範圍內；
[0005]3、為了不影響帶電粒子的圓周運動，其他方向的加速度要遠小於徑向加速度，SP工作區內徑向和周向磁通密度分量要遠小於軸向分量。
【發明內容】
[0006]本發明為了解決現有磁通密度軸向磁場產生裝置結構複雜和現有磁通密度軸向磁場產生裝置和方法產生的磁場不穩定，不可調的問題，提出了一種磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置及該裝置產生連續可調均勻軸向磁場方法。
[0007]本發明所述磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置，該裝置包括兩個圓形內磁極、圓柱鐵芯、兩個圓形環外磁極、圓筒形外殼、外線圈、內線圈和電源；
[0008]內線圈環繞在圓柱鐵芯上,兩個圓形內磁極分別固定在圓柱鐵芯的兩端，兩個圓形環外磁極分別固定在圓筒形外殼的兩端，外線圈固定在圓筒形外殼的內側，且外線圈成圓環形纏繞排列，圓筒形外殼同軸套在圓柱鐵芯的外側，兩個圓形環外磁極分別與兩個圓形內磁極位於同一平面，且兩個圓形環外磁極與兩個圓形內磁極不相連；內線圈與外線圈之間為工作區，電源同時為外線圈和內線圈提供電流。
[0009]磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置產生連續可調均勻軸向磁場的方法:該方法為:[0010]接通電源，電源為內線圈和外線圈提供電流，使內線圈和外線圈產生同方向磁場，改變電源提供的電流的大小，使內線圈和外線圈產生的軸向磁場密度在工作區在O高斯?2000高斯的範圍內變化，使內線圈和外線圈產生的軸向磁場的磁通密度非均勻度在10%以內，實現磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生。
[0011]本發明採用電源為內線圈通電流激發出磁場，磁通密度由畢奧-沙伐定律決定，通過電源向內外線圈充電，通過改變向內外線圈的充電方向，使內外線圈的磁場方向相同，內外線圈激發的磁場不受溫度的影響，可控性強，且本發明結構簡單，與現有軸向磁場的產生裝置相比，結構複雜性同比降低了 20%，同時通過控制電源能夠產生穩定的電流，並能通過改變電流調節磁場，使產生的磁場穩定性強，且可通過調節電流調節磁場，與現有的軸向磁場的產生裝置相比穩定性提高了 10%。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明所述裝置結構示意圖；
[0013]圖2為本發明所述裝置的側視圖；
[0014]圖3為工作區的徑向、角向及軸向的磁通密度位形曲線，圖中三條曲線由上至下依次為磁通密度的徑向分量曲線，角向分量曲線和軸向分量曲線。
【具體實施方式】
[0015]【具體實施方式】一、結合圖1、圖2說明本實施方式，本實施方式所述磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置，該裝置包括兩個圓形內磁極1、圓柱鐵芯2、兩個圓形環外磁極3、圓筒形外殼4、外線圈6、內線圈7和電源；
[0016]內線圈7環繞在圓柱鐵芯2上，兩個圓形內磁極I分別固定在圓柱鐵芯2的兩端，兩個圓形環外磁極3分別固定在圓筒形外殼4的兩端,外線圈6固定在圓筒形外殼4的內偵牝且外線圈6成圓環形纏繞排列，圓筒形外殼4同軸套在圓柱鐵芯2的外側，兩個圓形環外磁極3分別與兩個圓形內磁極I位於同一平面，且兩個圓形環外磁極3與兩個圓形內磁極I不相連；內線圈7與外線圈6之間為工作區5，電源同時為外線圈6和內線圈7提供電流。
[0017]本發明的目的是設計出能產生符合要求的特殊磁場位形的裝置。產生磁場的方法有利用永磁體或勵磁線圈。永磁體的優點是磁場比較穩定，不容易產生波動，然而等離子體溫度非常高，當永磁體被等離子體加熱到超過居裡溫度時會失磁，從而影響到帶電粒子的運動軌跡，導致控制失效。勵磁線圈通上電流能激發出磁場，磁通密度由畢奧-沙伐定律決定。
[0018]本發明裝置由工作區、鐵芯和內線圈組成。通過改變內線圈電流的大小和方向可以實現工作區內的磁場大範圍連續可調，滿足了控制不同質量帶電粒子的任務要求。本發明裝置具有結構簡單、易加工、壽命長的優點，對等離子體質量分離器等多種工程設備的研製成功具有重要的意義。
[0019]【具體實施方式】二、本實施方式是對【具體實施方式】一所述的磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置的進一步說明，內線圈7和外線圈6均採用裸線直徑為Imm的漆包圓銅線，纏繞阻數位54000阻，線圈截面積為IOOcmX 5.4cm。[0020]【具體實施方式】三、本實施方式是對【具體實施方式】一所述的磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置的進一步說明，圓形內磁極I的半徑為Ilcm,軸向厚度為3cm。
[0021] 【具體實施方式】四、本實施方式是對【具體實施方式】一所述的磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置的進一步說明，圓形環外磁極3的內半徑為12cm,外半徑為24cm,軸向厚度為19cm。
[0022]【具體實施方式】五、本實施方式是對【具體實施方式】一所述的磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置的進一步說明，圓柱鐵芯2的半徑為3cm,軸向長度為100cm。
[0023]【具體實施方式】六、本實施方式是對【具體實施方式】一所述的磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置的進一步說明，圓筒形外殼4的內半徑為19cm,外半徑20cm,軸向長度為 100cm。
[0024]【具體實施方式】七、本實施方式是對【具體實施方式】一所述的磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置的進一步說明，圓筒形外殼4的材質為軟鐵材料DT3。
[0025]【具體實施方式】八、本實施方式是對【具體實施方式】一所述的磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置的進一步說明，中間圓柱鐵芯I的材質為高飽和磁通密度軟磁合金1J22。
[0026]【具體實施方式】九、本實施方式是【具體實施方式】一所述的磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置產生連續可調均勻軸向磁場方法:該方法為:
[0027]接通電源，電源為內線圈7和外線圈6提供電流，使內線圈7和外線圈6產生同方向磁場，改變電源提供的電流的大小，使內線圈7和外線圈6產生的軸向磁場密度在工作區在O高斯~2000高斯的範圍內變化，使內線圈7和外線圈6產生的軸向磁場的磁通密度非均勻度在10%以內，實現磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生。
[0028]設計理念:
[0029]由於鐵芯材料磁導率遠大於真空，由磁場的折射定理tan a ^an α 2 = μ丨μ 2可以知道，勵磁線圈在鐵芯內產生的磁通密度線可以認為是與鐵芯表面平行的，漏到外面的很少，即鐵芯是磁通密度線的主要通道，這個通道被稱為磁路。在本發明裝置的磁路系統中，中心圓柱鐵芯的截面積最小，由閉合磁路的歐姆定律可知其磁通密度最大，所以中心圓柱鐵芯達到磁飽和時所能通過的磁通量決定了氣隙的最大磁通密度。高飽和磁通密度軟磁合金IJ22在磁通密度為20000高斯時相對磁導率為900，仍然有很強束磁能力，由鐵芯結構尺寸可以算出，此時工作區磁通密度為2500高斯，滿足設計要求的2000高斯。勵磁線圈選用的是裸線直徑為1mm的漆包圓銅線，繞54000匝時線圈截面積為IOOcmX5.4cm。線圈電流
3.3A時工作區磁通密度大於2000高斯，通過調節電流的大小可使氣隙磁通密度在O高斯~2000高斯(0.2T)的範圍內連續可調。當磁通密度線在工作區由鐵芯進入真空時，由兩種媒介交界面上磁場的邊界條件Bln = B2n可以知道，在不同媒質的交界面處，磁通密度矢量的法向分量連續，即工作區內的磁通密度主要是軸向的，徑向和周向分量很小。經過ansys仿真可以得到圖3。由圖3可以看出本發明工作區內橫坐標0.06cm — 1.06cm的磁通密度大於2000高斯，工作區外磁通密度迅速減小，且工作區內的軸向磁通密度均勻度很好，徑向和周向磁通密度很小。所以本發明裝置產生的磁場位形滿足設計要求。
[0030]電源系統提供給內線圈電流從而生成磁通，通過改變內線圈電流的大小和方向可以實現工作區內的磁場大範圍連續可調；磁場產生裝置工作區內的軸向磁通密度在O高斯?2000高斯(0.2T)的範圍內連續可調，工作區外3cm的磁通密度迅速減小得到工作區內的30%以內；
[0031]本發明所述磁場產生裝置工作區內的軸向磁通密度非均勻度在10%以內，軸向和周向磁通密度不到軸向分量的5%。
【權利要求】
1.磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置，其特徵在於，該裝置包括兩個圓形內磁極(I)、圓柱鐵芯(2)、兩個圓形環外磁極(3)、圓筒形外殼(4)、外線圈(6)、內線圈(7)和電源； 內線圈(7)環繞在圓柱鐵芯(2)上，兩個圓形內磁極⑴分別固定在圓柱鐵芯(2)的兩端，兩個圓形環外磁極(3)分別固定在圓筒形外殼(4)的兩端，外線圈(6)固定在圓筒形外殼(4)的內側，且外線圈(6)成圓環形纏繞排列，圓筒形外殼(4)同軸套在圓柱鐵芯(2)的外側，兩個圓形環外磁極(3)分別與兩個圓形內磁極(I)位於同一平面，且兩個圓形環外磁極⑶與兩個圓形內磁極⑴不相連；內線圈⑵與外線圈(6)之間為工作區(5)，電源同時為外線圈(6)和內線圈(7)提供電流。
2.根據權利要求1所述的磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置，其特徵在於，內線圈(7)和外線圈(6)均採用裸線直徑為1mm的漆包圓銅線，纏繞匝數位54000匝，線圈截面積為IOOcmX 5.4cm。
3.根據權利要求1所述的磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置，其特徵在於，圓形內磁極(I)的半徑為Ilcm,軸向厚度為3cm。
4.根據權利要求1所述的磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置，其特徵在於，圓形環外磁極(3)的內半徑為12cm,外半徑為24cm,軸向厚度為19cm。
5.根據權利要求1所述的磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置，其特徵在於，圓柱鐵芯(2)的半徑為3cm,軸向長度為100cm。
6.根據權利要求1所述 的磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置，其特徵在於，圓筒形外殼(4)的內半徑為19cm,外半徑20cm,軸向長度為100cm。
7.根據權利要求1所述的磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置，其特徵在於，圓筒形外殼(4)的材質為軟鐵材料DT3。
8.根據權利要求1所述的磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置，其特徵在於，中間圓柱鐵芯(I)的材質為高飽和磁通密度軟磁合金1J22。
9.權利要求1所述的磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生裝置產生連續可調均勻軸向磁場方法，其特徵在於，該方法為: 接通電源，電源為內線圈(7)和外線圈(6)提供電流，使內線圈(7)和外線圈(6)產生同方向磁場，改變電源提供的電流的大小，使內線圈⑵和外線圈(6)產生的軸向磁場密度在工作區在O高斯~2000高斯的範圍內變化，使內線圈(7)和外線圈(6)產生的軸向磁場的磁通密度非均勻度在10%以內，實現磁通密度連續可調均勻軸向磁場的產生。
【文檔編號】H01F27/24GK103943304SQ201410198665
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月12日 優先權日:2014年5月12日
【發明者】江濱浩, 王振宇, 王春生, 張仲麟, 高嘯天, 李傳雨 申請人:哈爾濱工業大學