[發(fā)明專利]一種奇數(shù)層的Halbach陣列永磁體裝置的設(shè)計與制作方法

有效

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• 申請日: 2016-09-12
• 公開（公告）號: CN106229106B
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳巧燕;徐雅潔;常嚴(yán);楊曉冬
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所
• 主分類號: H01F7/02
• 分類號: H01F7/02;H01F41/02;G06F17/50
• 代理公司: 蘇州華博知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司32232
• 代理人: 傅靖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于永磁機(jī)構(gòu)領(lǐng)域，具體涉及一種奇數(shù)層的Halbach陣列永磁體裝置的設(shè)計與制作方法。

背景技術(shù)

核磁共振技術(shù)的無損檢測特點使其在生物、物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，核磁共振成像檢測更是成為臨床診斷必不可少的手段之一。大型的超導(dǎo)高場磁共振儀器是當(dāng)今磁共振技術(shù)發(fā)展的一個熱點，但是小型化、便攜式的永磁低場核磁共振設(shè)備更適用于工業(yè)和食品檢測、探礦、考古、大分子結(jié)構(gòu)分析等方面。常規(guī)的小型便攜核磁共振儀器多采用傳統(tǒng)永磁體，其磁體一般由鐵軛、永磁磁塊及勻場極板等構(gòu)成，這類磁體由于鐵軛的存在，體積大，比較笨重，且通常可利用的磁場空間有限、漏磁嚴(yán)重、磁場強(qiáng)度有限。針對這一問題，在上世紀(jì)80年代，美國加利福尼亞大學(xué)的物理學(xué)家K.Halbach設(shè)計了一種使用稀土材料的新型無鐵軛多級磁體結(jié)構(gòu)，這種永磁體結(jié)構(gòu)是由多個磁塊按照一定的規(guī)律組合成的，相鄰的磁塊具有不同的充磁方向，且產(chǎn)生的較理想的單邊磁場。由于這種磁體結(jié)構(gòu)的優(yōu)異特性，得到了學(xué)者和工程人員的廣泛關(guān)注，并且被應(yīng)用于諸多的領(lǐng)域。

根據(jù)組合后的磁體形狀一般分為直線型和圓柱型Halbach陣列兩大類。直線型Halbach陣列是一種最基本的組合方式，主要用于制造直線電機(jī)。圓柱型Halbach陣列可以看做將直線型Halbach陣列首尾相接組成的，其又可分為多對極的和單對極的圓柱型Halbach陣列兩種。多對極圓柱型Halbach陣列主要用于永磁電機(jī)和永磁軸承等領(lǐng)域。而單對極圓柱型Halbach陣列由于其不帶鐵磁材料、漏磁小和高均勻性的特性，逐漸應(yīng)用于核磁共振檢測和核磁共振成像等方面。本專利中所提及的Halbach陣列皆是對單對極圓柱型Halbach陣列的特指。

相對于傳統(tǒng)的永磁體，Halbach磁體不僅具有能產(chǎn)生高強(qiáng)度和高均勻性磁場的優(yōu)點，而且還具有體積比較小的優(yōu)點，容易實現(xiàn)小型化和便攜化。但當(dāng)磁體體積進(jìn)一步減小時，磁場的均勻性會變得更差，兩者不可兼得。

因此，提出一種同時具備較小的體積和較高均勻性的Halbach陣列磁體是解決上述問題的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種奇數(shù)層的Halbach陣列永磁體裝置，包含設(shè)計方法與制作方法，根據(jù)該設(shè)計和制作獲得的Halbach陣列永磁體裝置磁場均勻度高，磁體的體積小、重量輕。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種奇數(shù)層的Halbach陣列永磁體裝置的設(shè)計方法，該裝置包括奇數(shù)層的磁體，且磁體包括：設(shè)置于中心的中心層磁體以及設(shè)置于中心層磁體外側(cè)的外層磁體，中心層磁體的高度為H0，外層磁體的高度為H₁，奇數(shù)層的Halbach陣列永磁體裝置的設(shè)計方法用于確定每層磁體之間的距離，具體包括以下步驟：

S.1建立奇數(shù)層Halbach磁體的中心軸磁場等效數(shù)學(xué)模型，其計算公式如下：

其中，x＝z/r，t₁＝S₁/r，t₂＝S₂/r，...，t_(m-1)/2＝S_(m-1)/2/r，S_i為每層磁體之間的距離(i＝1，2，…，(m-1)/2)，k＝H₀/H₁，z為中心軸上的距離，r為奇數(shù)層的Halbach陣列永磁體裝置的等效半徑，m為層數(shù)(m為奇數(shù)，且m＞＝3)；

令F(t₁，t₂，…，t_(m-1)/2，k)＝min{abs(f”(0))+abs((f(s/r)-f(0))/f(0))}；

S.2設(shè)定參數(shù)(t₁，t₂，…，t_(m-1)/2，k)的初始范圍，其中t₁＜t₂＜…＜t_(m-1)/2，其范圍選擇根據(jù)層數(shù)的不同而不同；

S.3設(shè)定步長，在參數(shù)的范圍均勻取值，并將每組參數(shù)代入目標(biāo)函數(shù)F中，尋找令F值最小的一組參數(shù)；

S.4增加限制條件如下，判斷步驟S.3所得到的參數(shù)是否滿足以下限制條件：

其中：λ＝ΔB/B，表示磁場的均勻度；

若參數(shù)滿足限制條件，則進(jìn)行仿真驗證，若仿真驗證結(jié)果滿足要求，則輸出最優(yōu)參數(shù)，奇數(shù)層的Halbach陣列永磁體裝置的設(shè)計方法結(jié)束；