磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置及该装置产生连续可调均匀轴向磁场方法
【专利摘要】磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置及该装置产生连续可调均匀轴向磁场方法，涉及构建特殊位形磁场的【技术领域】。解决了现有磁通密度轴向磁场产生装置结构复杂和现有磁通密度轴向磁场产生装置和方法产生的磁场不稳定，不可调的问题。本发明的内线圈环绕在圆柱铁芯上，两个圆形内磁极分别固定在圆柱铁芯的两端，两个圆形环外磁极分别固定在圆筒形外壳的两端，外线圈固定在圆筒形外壳的内侧，且外线圈成圆环形缠绕排列，圆筒形外壳同轴套在圆柱铁芯的外侧，两个圆形环外磁极分别与两个圆形内磁极位于同一平面，且两个圆形环外磁极与两个圆形内磁极不相连；电源同时为外线圈和内线圈提供电流。本发明适用于产生连续可调均匀轴向磁场。
【专利说明】磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置及该装置产生连续可调均匀轴向磁场方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及构建特殊位形磁场的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]磁场是对放入其中的磁体有磁力作用的一种特殊物质，其基本特征是能对运动电荷施加作用力，即通电导体或运动带电粒子在磁场中受到磁场的作用力，其中带电粒子所
受的作用力被称为洛伦兹力，大小和方向由公式P = 其中P为带电粒子所受的洛伦
兹力，q为带点粒子的电量，V为带点粒子的速度，为磁通密度决定。特别指出，等离子体
是由处在非束缚态的带电粒子组成的多粒子体系，电磁作用是支配体系运动的决定作用因素，因此构建特定位形的电磁场是控制等离子体带电粒子运动状态的主要方法。在圆柱坐标系中，轴向磁场对沿周向运动带电粒子的洛伦兹力是径向的，即带电粒子在轴向磁场的作用下获得径向向心力，作圆周运动。这个效应在很多工程领域得到应用，比如等离子体质量分离器，因此设计一种能产生连续可调均匀轴向磁场的装置具有重大的应用价值。然而构建出符合工程要求的轴向磁场难度很大，这是因为:
[0003]1、为了灵活有效控制带电粒子的运动状态，工作区轴向磁场磁通密度需要在O高斯?2000高斯0.2T的范围内连续可调，且轴向磁场只存在于工作区内，区域外迅速下降；
[0004]2、为了使带电粒子较均匀的获得角向速度，工作区轴向磁场磁通密度非均匀度必须限定在设计允许的范围内；
[0005]3、为了不影响带电粒子的圆周运动，其他方向的加速度要远小于径向加速度，SP工作区内径向和周向磁通密度分量要远小于轴向分量。
【发明内容】
[0006]本发明为了解决现有磁通密度轴向磁场产生装置结构复杂和现有磁通密度轴向磁场产生装置和方法产生的磁场不稳定，不可调的问题，提出了一种磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置及该装置产生连续可调均匀轴向磁场方法。
[0007]本发明所述磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置，该装置包括两个圆形内磁极、圆柱铁芯、两个圆形环外磁极、圆筒形外壳、外线圈、内线圈和电源；
[0008]内线圈环绕在圆柱铁芯上,两个圆形内磁极分别固定在圆柱铁芯的两端，两个圆形环外磁极分别固定在圆筒形外壳的两端，外线圈固定在圆筒形外壳的内侧，且外线圈成圆环形缠绕排列，圆筒形外壳同轴套在圆柱铁芯的外侧，两个圆形环外磁极分别与两个圆形内磁极位于同一平面，且两个圆形环外磁极与两个圆形内磁极不相连；内线圈与外线圈之间为工作区，电源同时为外线圈和内线圈提供电流。
[0009]磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置产生连续可调均匀轴向磁场的方法:该方法为:[0010]接通电源，电源为内线圈和外线圈提供电流，使内线圈和外线圈产生同方向磁场，改变电源提供的电流的大小，使内线圈和外线圈产生的轴向磁场密度在工作区在O高斯?2000高斯的范围内变化，使内线圈和外线圈产生的轴向磁场的磁通密度非均匀度在10%以内，实现磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生。
[0011]本发明采用电源为内线圈通电流激发出磁场，磁通密度由毕奥-沙伐定律决定，通过电源向内外线圈充电，通过改变向内外线圈的充电方向，使内外线圈的磁场方向相同，内外线圈激发的磁场不受温度的影响，可控性强，且本发明结构简单，与现有轴向磁场的产生装置相比，结构复杂性同比降低了 20%，同时通过控制电源能够产生稳定的电流，并能通过改变电流调节磁场，使产生的磁场稳定性强，且可通过调节电流调节磁场，与现有的轴向磁场的产生装置相比稳定性提高了 10%。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明所述装置结构示意图；
[0013]图2为本发明所述装置的侧视图；
[0014]图3为工作区的径向、角向及轴向的磁通密度位形曲线，图中三条曲线由上至下依次为磁通密度的径向分量曲线，角向分量曲线和轴向分量曲线。
【具体实施方式】
[0015]【具体实施方式】一、结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式所述磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置，该装置包括两个圆形内磁极1、圆柱铁芯2、两个圆形环外磁极3、圆筒形外壳4、外线圈6、内线圈7和电源；
[0016]内线圈7环绕在圆柱铁芯2上，两个圆形内磁极I分别固定在圆柱铁芯2的两端，两个圆形环外磁极3分别固定在圆筒形外壳4的两端,外线圈6固定在圆筒形外壳4的内侦牝且外线圈6成圆环形缠绕排列，圆筒形外壳4同轴套在圆柱铁芯2的外侧，两个圆形环外磁极3分别与两个圆形内磁极I位于同一平面，且两个圆形环外磁极3与两个圆形内磁极I不相连；内线圈7与外线圈6之间为工作区5，电源同时为外线圈6和内线圈7提供电流。
[0017]本发明的目的是设计出能产生符合要求的特殊磁场位形的装置。产生磁场的方法有利用永磁体或励磁线圈。永磁体的优点是磁场比较稳定，不容易产生波动，然而等离子体温度非常高，当永磁体被等离子体加热到超过居里温度时会失磁，从而影响到带电粒子的运动轨迹，导致控制失效。励磁线圈通上电流能激发出磁场，磁通密度由毕奥-沙伐定律决定。
[0018]本发明装置由工作区、铁芯和内线圈组成。通过改变内线圈电流的大小和方向可以实现工作区内的磁场大范围连续可调，满足了控制不同质量带电粒子的任务要求。本发明装置具有结构简单、易加工、寿命长的优点，对等离子体质量分离器等多种工程设备的研制成功具有重要的意义。
[0019]【具体实施方式】二、本实施方式是对【具体实施方式】一所述的磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置的进一步说明，内线圈7和外线圈6均采用裸线直径为Imm的漆包圆铜线，缠绕阻数位54000阻，线圈截面积为IOOcmX 5.4cm。[0020]【具体实施方式】三、本实施方式是对【具体实施方式】一所述的磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置的进一步说明，圆形内磁极I的半径为Ilcm,轴向厚度为3cm。
[0021] 【具体实施方式】四、本实施方式是对【具体实施方式】一所述的磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置的进一步说明，圆形环外磁极3的内半径为12cm,外半径为24cm,轴向厚度为19cm。
[0022]【具体实施方式】五、本实施方式是对【具体实施方式】一所述的磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置的进一步说明，圆柱铁芯2的半径为3cm,轴向长度为100cm。
[0023]【具体实施方式】六、本实施方式是对【具体实施方式】一所述的磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置的进一步说明，圆筒形外壳4的内半径为19cm,外半径20cm,轴向长度为 100cm。
[0024]【具体实施方式】七、本实施方式是对【具体实施方式】一所述的磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置的进一步说明，圆筒形外壳4的材质为软铁材料DT3。
[0025]【具体实施方式】八、本实施方式是对【具体实施方式】一所述的磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置的进一步说明，中间圆柱铁芯I的材质为高饱和磁通密度软磁合金1J22。
[0026]【具体实施方式】九、本实施方式是【具体实施方式】一所述的磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置产生连续可调均匀轴向磁场方法:该方法为:
[0027]接通电源，电源为内线圈7和外线圈6提供电流，使内线圈7和外线圈6产生同方向磁场，改变电源提供的电流的大小，使内线圈7和外线圈6产生的轴向磁场密度在工作区在O高斯~2000高斯的范围内变化，使内线圈7和外线圈6产生的轴向磁场的磁通密度非均匀度在10%以内，实现磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生。
[0028]设计理念:
[0029]由于铁芯材料磁导率远大于真空，由磁场的折射定理tan a ^an α 2 = μ丨μ 2可以知道，励磁线圈在铁芯内产生的磁通密度线可以认为是与铁芯表面平行的，漏到外面的很少，即铁芯是磁通密度线的主要通道，这个通道被称为磁路。在本发明装置的磁路系统中，中心圆柱铁芯的截面积最小，由闭合磁路的欧姆定律可知其磁通密度最大，所以中心圆柱铁芯达到磁饱和时所能通过的磁通量决定了气隙的最大磁通密度。高饱和磁通密度软磁合金IJ22在磁通密度为20000高斯时相对磁导率为900，仍然有很强束磁能力，由铁芯结构尺寸可以算出，此时工作区磁通密度为2500高斯，满足设计要求的2000高斯。励磁线圈选用的是裸线直径为1mm的漆包圆铜线，绕54000匝时线圈截面积为IOOcmX5.4cm。线圈电流
3.3A时工作区磁通密度大于2000高斯，通过调节电流的大小可使气隙磁通密度在O高斯~2000高斯(0.2T)的范围内连续可调。当磁通密度线在工作区由铁芯进入真空时，由两种媒介交界面上磁场的边界条件Bln = B2n可以知道，在不同媒质的交界面处，磁通密度矢量的法向分量连续，即工作区内的磁通密度主要是轴向的，径向和周向分量很小。经过ansys仿真可以得到图3。由图3可以看出本发明工作区内横坐标0.06cm — 1.06cm的磁通密度大于2000高斯，工作区外磁通密度迅速减小，且工作区内的轴向磁通密度均匀度很好，径向和周向磁通密度很小。所以本发明装置产生的磁场位形满足设计要求。
[0030]电源系统提供给内线圈电流从而生成磁通，通过改变内线圈电流的大小和方向可以实现工作区内的磁场大范围连续可调；磁场产生装置工作区内的轴向磁通密度在O高斯?2000高斯(0.2T)的范围内连续可调，工作区外3cm的磁通密度迅速减小得到工作区内的30%以内；
[0031]本发明所述磁场产生装置工作区内的轴向磁通密度非均匀度在10%以内，轴向和周向磁通密度不到轴向分量的5%。
【权利要求】
1.磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置，其特征在于，该装置包括两个圆形内磁极(I)、圆柱铁芯(2)、两个圆形环外磁极(3)、圆筒形外壳(4)、外线圈(6)、内线圈(7)和电源； 内线圈(7)环绕在圆柱铁芯(2)上，两个圆形内磁极⑴分别固定在圆柱铁芯(2)的两端，两个圆形环外磁极(3)分别固定在圆筒形外壳(4)的两端，外线圈(6)固定在圆筒形外壳(4)的内侧，且外线圈(6)成圆环形缠绕排列，圆筒形外壳(4)同轴套在圆柱铁芯(2)的外侧，两个圆形环外磁极(3)分别与两个圆形内磁极(I)位于同一平面，且两个圆形环外磁极⑶与两个圆形内磁极⑴不相连；内线圈⑵与外线圈(6)之间为工作区(5)，电源同时为外线圈(6)和内线圈(7)提供电流。
2.根据权利要求1所述的磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置，其特征在于，内线圈(7)和外线圈(6)均采用裸线直径为1mm的漆包圆铜线，缠绕匝数位54000匝，线圈截面积为IOOcmX 5.4cm。
3.根据权利要求1所述的磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置，其特征在于，圆形内磁极(I)的半径为Ilcm,轴向厚度为3cm。
4.根据权利要求1所述的磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置，其特征在于，圆形环外磁极(3)的内半径为12cm,外半径为24cm,轴向厚度为19cm。
5.根据权利要求1所述的磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置，其特征在于，圆柱铁芯(2)的半径为3cm,轴向长度为100cm。
6.根据权利要求1所述 的磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置，其特征在于，圆筒形外壳(4)的内半径为19cm,外半径20cm,轴向长度为100cm。
7.根据权利要求1所述的磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置，其特征在于，圆筒形外壳(4)的材质为软铁材料DT3。
8.根据权利要求1所述的磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置，其特征在于，中间圆柱铁芯(I)的材质为高饱和磁通密度软磁合金1J22。
9.权利要求1所述的磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生装置产生连续可调均匀轴向磁场方法，其特征在于，该方法为: 接通电源，电源为内线圈(7)和外线圈(6)提供电流，使内线圈(7)和外线圈(6)产生同方向磁场，改变电源提供的电流的大小，使内线圈⑵和外线圈(6)产生的轴向磁场密度在工作区在O高斯~2000高斯的范围内变化，使内线圈(7)和外线圈(6)产生的轴向磁场的磁通密度非均匀度在10%以内，实现磁通密度连续可调均匀轴向磁场的产生。
【文档编号】H01F27/24GK103943304SQ201410198665
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】江滨浩, 王振宇, 王春生, 张仲麟, 高啸天, 李传雨 申请人:哈尔滨工业大学