一种用于Halbach阵列的永磁悬浮力检测装置的制作方法

本发明涉及永磁悬浮技术领域，尤其涉及一种永磁悬浮力的检测装置。

背景技术：

halbach阵列是一种新型的永磁体排列方式，它将不同磁化方向的永磁体按照一定的顺序排列，利用特殊的磁体单元的排列，增强单位方向的场强，使halbach阵列一边的磁场显著增强，而另一边的磁场显著减弱，以此得到在空间上更为理想的正弦分布的磁场。halbach阵列的这种近乎理想的工程特性，使得该阵列仅利用很少的磁体便能产生足够强度的磁场。因此，halbach阵列受到了学术界和工业界的广泛关注，在磁悬浮轨道交通领域、永磁电机领域以及医用领域展现出广阔的应用前景。

由halbach阵列构成的悬挂式永磁悬浮列车，通过永磁体之间的相互作用力实现列车悬浮。运载该磁悬浮列车的轨道由需要不同磁化方向的永磁体按照一定的顺序组合，铺设而成。相较于常用的常导或低温超导列车系统，虽然halbach阵列永磁悬浮系统对于永磁体的需求量较大，但是其仍然具备：原理简单，工程造价偏低，列车运动过程中对电能需求较少，对于温度等环境要求较低，且容易实现，等优势。因此，halbach阵列构成的悬挂式永磁悬浮列车具备广泛的应用前景。

为保证halbach永磁悬浮列车动力的稳定性、运行的平稳性以及应用其的磁悬浮列车的安全性，应用该技术时，不可避免地需要对不同牌号的永磁体所构成的halbach阵列的永磁悬浮力大小进行精确的实验测试。相关的实验至少需要包括对单排阵列水平悬浮力的测定，或者对双排磁阵列在不同角度以及间隙时悬浮力的测定。这些实验测试数据对于永磁悬浮列车的研究具有重要的指导意义。

但是，目前匮乏适用于halbach阵列的永磁悬浮力的检测装置。传统的测试装置，由于其不曾考虑halbach永磁阵列本身的排布难度以及阵列角度或间隙变化对上、下磁阵列间侧向力的影响，很难将其应用于halbach阵列的测试中。即使将其勉强用于halbach阵列的测量，也大多需要为测试装置增加复杂的结构，造价成本较高。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置。该装置具有结构简单、操作方便等优点，能够快速有效的进行halbach阵列的组装，完成不同形式、不同角度、不同间隙下永磁悬浮力的测试，有效避免了测试过程中因角度变化、间隙缩减造成的侧向力作用，保证测试数据的准确性。

具体而言，为实现上述目的，本发明提出一种用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，包括：万能试验机，所述万能试验机是一种集拉伸、弯曲、压缩、剪切、环刚度等功能于一体的材料试验机，主要用于金属、非金属材料力学性能试验；所述万能试验机的测试端连接有阵列测试夹块，所述阵列测试夹块内还设有halbach阵列安置器；所述halbach阵列安置器和所述阵列测试夹块均为无磁材料。其中，所述halbach阵列安置器的一个侧面上设有两个以上的、向所述halbach阵列安置器的内部延伸的磁体安装孔，所述磁体安装孔的数量及所述各磁体孔的形状均与所述halbach阵列内的永磁体相匹配，所述磁体之间设有阻隔，所述磁体安装孔由阵列固定装置密封；所述阵列测试夹块包括相对设置的至少一对，所述各阵列测试夹块均包括：固定部与夹持部；所述夹持部用于夹持并固定所述halbach阵列安置器；所述固定部设置于所述夹持部上远离所述halbach阵列安置器的一端，用于与所述万能试验机连接；所述每一对阵列测试夹块之间均分别通过插销固定。

可选的，如上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，其中，所述阵列固定装置包括一金属块，所述金属块的两侧通过螺栓与所述halbach阵列安置器固定连接，密封所述磁体安装孔，所述金属块为无磁材料。

可选的，如上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，其中，所述无磁材料包括：高锰无磁钢、铝合金、铝。

可选的，如上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，其中，所述halbach阵列安置器的至少一个侧面与其底面之间，或，所述halbach阵列安置器的至少一个侧面与其顶面之间，成锐角或钝角。

可选的，如上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，其中，所述阵列测试夹块的夹持部包括用于容纳所述halbach阵列安置器的槽体，所述槽体的开口处设有螺栓限位装置，所述螺栓限位装置的中部还设有限位孔；相对的所述阵列测试夹块之间，所述限位孔相对；相对的所述阵列测试夹块之间，通过穿过所述限位孔的所述插销固定。

可选的，如上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，其中，所述阵列测试夹块的槽体的内壁与所述halbach阵列安置器的外壁相贴合；所述螺栓限位装置与所述halbach阵列安置器之间，或者，所述阵列固定装置与所述halbach阵列内的永磁体之间还加塞有厚度至少为0.5mm的铝箔垫片。

可选的，如上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，其中，所述各阵列测试夹块的固定部与夹持部之间通过夹具固定；所述夹具的表面开设有至少一对定位孔；阵列测试夹块的夹持部表面还设有至少一对定位凸起，所述定位凸起的形状、尺寸与所述定位孔的形状尺寸相匹配；所述阵列测试夹块通过所述定位凸起与所述定位孔，固定于所述夹具内。

可选的，如上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，其中，所述定位孔包括水平定位孔和角度定位孔；所述水平定位孔为水平方向设置的长条形孔隙，所述角度定位孔设置于所述夹具的一侧，沿斜线分布。

可选的，如上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，其中，相对设置的所述一对阵列测试夹块之间，其水平定位孔与各角度定位孔之间连线形成的与水平方向的夹角。

可选的，如上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，其中，相对设置的所述一对阵列测试夹块之间，其水平定位孔与各角度定位孔之间连线形成的与水平方向的夹角分别为6°、12°、18°、24°。

有益效果

(1)通过阵列安置器，可简单、安全、迅速的完成四个不同磁化方向的磁体的阵列排序，构建halbach阵列，并实现与夹块的牢固结合，保证实验数据的有效性；

(2)通过铝箔垫片、插销等限位构件，能避免测试过程中角度与间距变化引起的阵列侧向偏移，消除错位；

(3)通过阵列安置器与不同类型夹块的连接，实现不同形式、不同角度、不同间距halbach阵列永磁悬浮力的测试，设备整体简单、成本低且操作便利，避免了某些测试技术中结构复杂、操作繁琐以及成本高等缺陷。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明的一种用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置的示意图；

图2为显示其中一对阵列测试夹块之间的连接关系的侧视图；

图3为其中利用阵列固定装置的密封磁体安装孔的示意图；

图4为其中halbach阵列安置器、阵列固定装置以及铝箔垫片的安装关系的示意图；

图5为根据本发明的另一种用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置的示意图；

图6为所述另一种检测装置中位于上方的阵列测试夹块的示意图；

图7为所述另一种检测装置中位于下方的阵列测试夹块的示意图；

图8为所述另一种检测装置中的阵列测试夹块中的夹持部的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供有一种针对由不同磁化方向的永磁体构成halbach磁阵列，而实现不同形式、不同角度、不同间距halbach阵列永磁悬浮力的测试装置。该测试装置结构简单、操作方便，能够快速实现halbach阵列的组装，完成不同间隙下永磁悬浮力测试，并有效避免在测试过程中阵列出现错位等问题。

在本发明的第一种实现方式下。

图1提供了一种用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，包括：万能试验机，未显示于图1所示视角，所述万能试验机是一种集拉伸、弯曲、压缩、剪切、环刚度等功能于一体的材料试验机，主要用于金属、非金属材料力学性能试验；所述万能试验机的上下两个测试端分别连接有阵列测试夹块2，所述阵列测试夹块2内还设有halbach阵列安置器1；所述halbach阵列安置器1和所述阵列测试夹块2均为无磁材料。

其中，所述halbach阵列安置器1的一个侧面上设有4个、向所述halbach阵列安置器的内部延伸的磁体安装孔11，所述磁体安装孔的数量及所述各磁体孔的形状均与所述halbach阵列内的永磁体相匹配，所述磁体之间设有阻隔12，所述磁体安装孔由阵列固定装置13密封。halbach阵列同时存在四个不同磁化方向的长条磁体，实现其连接需要克服四种不同方向的磁力相互作用(上端阵列磁化方向依次为下、左、上、右，与之对应的阵列下端阵列磁化方向依次为上、左、下、右)，并确保其连接的牢固程度，避免连接后磁相互作用引起的磁体翻转，磕碰磁体，破坏磁路，并对人员安全构成一定威胁。本发明中针对该halbach阵列所采用阵列安置器，阵列安置器中存在四个正方形孔(尺寸与安置磁体一致)，分别由厚度0.5-1mm(根据所选材料强度决定)的无磁材料(如高锰无磁钢、铝合金等)阻隔，这种结构有效避免了磁体在安装过程中，不同磁化方向的磁体在磁相互作用下引发的磁块翻转，避免了安装过程中因撞击造成的磁体损耗，节约了测试成本，也消除了人员安装过程中存在的安全隐患，实现了halbach阵列简单、安全且快捷的组装。

所述装置内，阵列测试夹块2为上、下相对设置的至少一对，所述各阵列测试夹块均包括：固定部21与夹持部22；所述夹持部用于夹持并固定所述halbach阵列安置器；所述固定部设置于所述夹持部上远离所述halbach阵列安置器的一端，用于与所述万能试验机连接；所述每一对阵列测试夹块之间均分别通过安装在加快外围的插销221进行限位与固定。

进一步，参考图3，上述的夹块，其两端还可设有螺栓限位装置，装置中有限位孔，通过长螺栓将上、下两个夹块进行固定，以消除测试过程中，随着测试角度和间距变化，阵列间磁相互作用引起的侧向作用力增加，上、下阵列发生错位，确保测试数据结果的准确性。或者，可选的，如上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，其中，所述阵列固定装置13可选用一金属块，所述金属块的两侧通过螺栓与所述halbach阵列安置器固定连接，密封所述磁体安装孔，所述金属块为无磁材料。阵列固定装置上增加用于容纳插销穿过的螺栓限位装置223，实现同样的限位、固定效果。其中，所述螺栓限位装置的中部还设有限位孔224；相对的所述阵列测试夹块之间，所述限位孔相对；相对的所述阵列测试夹块之间，通过穿过所述限位孔。

可选的，如上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，其中，所述无磁材料包括：高锰无磁钢、铝合金、铝。如此，将无磁材料应用于上述的中阵列安置器、用于阵列测试的夹块、用于角度控制的夹具或者用于限位的插销等，可避免测试过程中测试装置自身与磁体之间的磁交换作用，对磁路不构成影响，确保了测试数据的精准

可选的，如上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，其中，所述halbach阵列安置器1的至少一个侧面与其底面之间，或，所述halbach阵列安置器1的至少一个侧面与其顶面之间，成锐角或钝角。即，所述的阵列安置器三个侧面设计成楔形，用于其与多角度阵列测试夹块的相互连接，增加了其连接的可靠性，杜绝了测试过程中阵列在磁作用下的摆动，确保了测试数据的精准。

可选的，如上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，其中，所述阵列测试夹块2的夹持部包括用于容纳所述halbach阵列安置器的槽体222，所述槽体的开口处设有螺栓限位装置223，所述螺栓限位装置的中部还设有限位孔224；相对的所述阵列测试夹块之间，所述限位孔相对；相对的所述阵列测试夹块之间，通过穿过所述限位孔的所述插销固定。

可选的，如上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，其中，所述阵列测试夹块的槽体222的内壁与所述halbach阵列安置器的外壁相贴合；所述螺栓限位装置223与所述halbach阵列安置器之间，或者，所述阵列固定装置(13)与所述halbach阵列内的永磁体之间还加塞有厚度至少为0.5mm的铝箔垫片，以实现夹块与阵列安置器之间位置的调控与连接。

这种实现方式下，永磁体的安装及测试过程如下：

(1)如图4所示，halbach磁阵列安置器，用于安置不同磁化方向的磁块。首先将取向好的磁块按照磁化方向依次放置，并于磁体表面涂抹粘结剂推入安置器中，待粘结剂固化后，再按照上述方法，根据阵列所需顺序，依次推入后续三个磁化方向的磁体，结束磁块于阵列中的安置。

(2)将安置好的阵列侧向装入水平阵列测试夹块(如图1所示)中，并通过侧面的阵列固定装置(图4)将其禁锢，防止其侧向移动，在安置器和固定装置之间还需安塞铝箔垫片(图4)，防止因孔隙造成的磁阵列松动的现象。

(3)在安装阵列固定装置时，还需要在水平阵列测试夹块的左右两端同步安装插销限位装置(图1)，通过螺栓实现夹块、固定装置和限位装置三者的牢固连接。

(4)将上、下水平测试夹块安装完成后，固定在万能实验机，进行单排halbach阵列水平永磁悬浮力的测试。

(5)利用万能试验机适当缩减夹块之间的距离(大约20mm)，并使用长螺栓对上、下两夹块限位，防止阵列因间距缩短而发生侧偏。

(6)通过万能试验机设置上、下两阵列的初始间隙(直尺测量)，随后测试两阵列分别在间隙为3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15mm(需要加上安置器的厚度0.5-1mm)时，永磁悬浮力的具体数值，n48磁体水平单halbach阵列永磁悬浮力测试结果如表1所示。

表1.n48磁体单排halbach阵列水平永磁悬浮力测试结果

对比例1

如第1种实现方式所示，按照相同的方法进行单排halbach阵列水平永磁悬浮力的测试。不同之处在于：步骤(1)中不采用阵列安置器，而是简单将四种不同磁化方向的磁体通过胶体固化实现其强制连接。但是却无法获取测试结果，在步骤(6)时，随着上、下量阵列之间距离的缩减，磁交换作用的增强，磁体摆脱固体胶的粘结，相邻磁体或上、下阵列磁体之间因磁相互作用发生转向自吸，测试无法进行。

通过第1种实现方式和对比例1的检测效果来看，采用阵列安置器可以简单有效的实现halbach阵列的安装，并避免测试过程中由于阵列间距缩小导致磁体的翻转自吸等现象的发生，也避免了自吸过程中可能造成的操作人员损伤，优势显著。

对比例2

如第1种实现方式所示，按照相同的方法进行单排halbach阵列水平永磁悬浮力的测试。不同之处在于：步骤(3)中未安装插销限位装置，而是在不施加限位的情况下任由上、下两阵列相互靠近，测试不同间距时的永磁悬浮力大小。但是也无法获取测试结果，在步骤(6)时，随着上、下量阵列之间距离的缩减，磁交换作用的增强，上、下之间发生严重的错位，由排斥力转变为吸引力。

通过第1种实现方式和对比例2的检测效果来看，采用插销限位装置可以有效的避免阵列间距缩减时，由于磁相互作用加剧引起的阵列错位，保证了永磁悬浮力测试结果的精准性。

在本发明的第二种实现方式下：

与上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置结构类似，其区别主要在于：参考图5，所述各阵列测试夹块的固定部21与夹持部22之间还增加有夹具，所述阵列测试夹块的固定部21与夹持部22之间通过夹具3固定。

阵列安置器与不同类型夹块之间的连接，可以实现不同形式阵列永磁悬浮力的测试：与上一实施例中的单排阵列水平测试装置连接，可以测试水平方向上不同间隙时单排磁阵列悬浮力的变化；通过插销与图6及图7所示的多角度控制夹具相连，可以测试不同角度和间隙下双排阵列永悬浮力变化情况。指对于图5所示的双排阵列多角度永磁悬浮测试，其中，多排指图中所通纳的左右对称的两对halbach阵列安置器。该供多排halbach阵列安置器固定的夹具，通过插销令水平阵列测试夹块与多角度控制夹具相连，利用插销与不同位置插销孔的配合，实现永磁悬浮力测试时角度的变化。阵列安置器位于夹块中，通过螺栓与阵列固定装置之间实现紧固，此外，在固定装置和安置器之间需加塞厚度为0.5mm的铝箔垫片，补偿上、下阵列因角度或者间距变化引起的位置改变，防止阵列错位，确保了测试数据的精准。插销限位装置、阵列测试夹块以及阵列固定装置三者之间形成螺栓通孔，仅通过一螺栓就能实现三者的牢固连接，同时也简化了设备，降低了其复杂程度。

所述夹具3的表面开设有至少一对定位孔31；阵列测试夹块2的夹持部表面还设有至少一对定位凸起224，所述定位凸起的形状、尺寸与所述定位孔的形状尺寸相匹配；所述阵列测试夹块2通过所述定位凸起与所述定位孔，固定于所述夹具内。

可选的，如上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，其中，所述定位孔31包括水平定位孔和角度定位孔；所述水平定位孔为水平方向设置的长条形孔隙，所述角度定位孔设置于所述夹具3的一侧，沿斜线分布。

可选的，如上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，其中，相对设置的所述一对阵列测试夹块2之间，其水平定位孔与各角度定位孔之间连线形成的与水平方向的夹角。

可选的，如上所述的用于halbach阵列的永磁悬浮力检测装置，其中，相对设置的所述一对阵列测试夹块2之间，其水平定位孔与各角度定位孔之间连线形成的与水平方向的夹角分别为6°、12°、18°、24°。

本发明技术方案的优点主要体现在：提供了一种悬挂式磁悬浮列车的halbach阵列永磁悬浮力检测装置，装置包括：阵列安置器，用于克服不同磁化方向的磁体相互作用力，实现halbach阵列的稳定排布；阵列测试夹块，可选用单排水平测试夹块或双排多角度测试夹块，以安置所述的halbach阵列；阵列固定装置，将阵列安置器固定于测试夹块中；插销限位装置，防止测试过程中，上、下磁阵列相互作用引起的侧向偏移；用于角度控制的夹具，为双排悬浮力测试提供角度变化。本发明的目的在于克服阵列中不同磁化方向磁体的相互作用，简单、安全、快速地安装磁阵列，消除测试过程中阵列侧向偏移引发的误差，实现针对halbach阵列的多形式、多角度、多间距永磁悬浮力的测试。

这种实现方式下，永磁体的安装与测试过程如下：

(1)如图4所示，halbach磁阵列安置器，用于安置不同磁化方向的磁块。首先将取向好的磁块按照磁化方向依次放置，并于磁体表面涂抹粘结剂推入安置器中，待粘结剂固化后，再按照上述方法，根据阵列所需顺序，依次推入后续三个磁化方向的磁体，结束磁块于阵列中的安置。

(2)将安置好的阵列侧向装入多角度阵列测试夹块(如图2所示)中，并通过侧面的阵列固定装置(图2)将其禁锢，防止其侧向移动，在安置器和固定装置之间还需根据测试过程中间距和角度的变化，安塞铝箔垫片(图4)，补偿位置间隙，防止阵列错位。

(3)在安装阵列固定装置时，还需要在多角度阵列测试夹块的外端同步安装插销限位装置(图2)，通过螺栓实现夹块、固定装置和限位装置三者的牢固连接。

(4)通过插销将测试夹块与角度控制夹具(图5)相互连接，并根据所需测试的角度，选择插销位置，实现上、下两个夹具角度的变换，角度范围为0、6、12、18、24o。

(5)将上、下两角度控制夹具固定在万能实验机，进行双排halbach阵列多角度永磁悬浮力的测试。

(6)利用万能试验机缩减两套夹块之间的距离(大约20mm)，并通过长螺栓对上、下两夹块限位，防止阵列在间距缩短的过程中发生侧偏。

(7)通过万能试验机设置上、下两阵列的初始间隙(直尺测量)，随后测试两阵列分别在间隙为3、4、5、6、7、8、9、10mm(需要加上安置器的厚度0.5-1mm)时，永磁悬浮力的具体数值，n48磁体双排halbach阵列多角度永磁悬浮力测试结果如表2所示。

表2.n48磁体双排halbach阵列多角度永磁悬浮力测试结果

对比例3

如第2种实现方式所示，按照相同的方法进行双halbach阵列多角度永磁悬浮力的测试。不同之处在于：步骤(1)中不采用阵列安置器，而是简单将四种不同磁化方向的磁体通过胶体固化实现其强制连接。但是却无法获取测试结果，在步骤(6)时，随着上、下量阵列之间角度的变化以及距离的缩减，磁交换作用的增强，磁体摆脱固体胶的粘结，相邻磁体或上、下阵列磁体之间因磁相互作用发生转向自吸，测试无法进行。

通过第2种实现方式和对比例3的检测效果来看，采用阵列安置器可以简单有效的实现halbach阵列的安装，并避免测试过程中由于阵列间距缩小导致磁体的翻转自吸等现象的发生，也避免了自吸过程中可能造成的操作人员损伤，优势显著。

对比例4

如第2种实现方式所示，按照相同的方法进行水平单halbach阵列永磁悬浮力的测试。不同之处在于：步骤(2)中未安塞铝箔垫片，补充测试过程中因为角度和间隙改变形成的阵列错位。在步骤(6)时，随着上、下量阵列之间角度的变换以及距离的缩减，上、下之间发生严重的错位，由排斥力转变为吸引力。

通过第2种实现方式和对比例4的检测效果来看，采用铝箔垫片可以有效补偿由于间距缩减和角度变化引起的阵列错位，保证了永磁悬浮力测试结果的精准性。

对比例5

如第2种实现方式所示，按照相同的方法进行水平单halbach阵列永磁悬浮力的测试。不同之处在于：步骤(3)中未安装插销限位装置，而是在不施加限位的情况下任由上、下两阵列相互靠近，测试不同间距时的永磁悬浮力大小。但是也无法获取测试结果，在步骤(6)时，随着上、下量阵列之间角度的变化以及距离的缩减，上、下之间发生严重的错位，由排斥力转变为吸引力。

通过第2种实现方式和对比例5的检测效果来看，采用插销限位装置可以有效的避免阵列间距缩减时，由于磁相互作用加剧引起的阵列错位，保证了永磁悬浮力测试结果的精准性。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。