磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置及該裝置產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場方法
【專利摘要】磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置及該裝置產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場方法，涉及構(gòu)建特殊位形磁場的【技術(shù)領(lǐng)域】。解決了現(xiàn)有磁通密度軸向磁場產(chǎn)生裝置結(jié)構(gòu)復雜和現(xiàn)有磁通密度軸向磁場產(chǎn)生裝置和方法產(chǎn)生的磁場不穩(wěn)定，不可調(diào)的問題。本發(fā)明的內(nèi)線圈環(huán)繞在圓柱鐵芯上，兩個圓形內(nèi)磁極分別固定在圓柱鐵芯的兩端，兩個圓形環(huán)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(nèi)側(cè)，且外線圈成圓環(huán)形纏繞排列，圓筒形外殼同軸套在圓柱鐵芯的外側(cè)，兩個圓形環(huán)外磁極分別與兩個圓形內(nèi)磁極位于同一平面，且兩個圓形環(huán)外磁極與兩個圓形內(nèi)磁極不相連；電源同時為外線圈和內(nèi)線圈提供電流。本發(fā)明適用于產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場。
【專利說明】磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置及該裝置產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及構(gòu)建特殊位形磁場的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]磁場是對放入其中的磁體有磁力作用的一種特殊物質(zhì)，其基本特征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(tài)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(gòu)建特定位形的電磁場是控制等離子體帶電粒子運動狀態(tài)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(lǐng)域得到應用，比如等離子體質(zhì)量分離器，因此設計一種能產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的裝置具有重大的應用價值。然而構(gòu)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(tài)，工作區(qū)軸向磁場磁通密度需要在O高斯?2000高斯0.2T的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，且軸向磁場只存在于工作區(qū)內(nèi)，區(qū)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(qū)軸向磁場磁通密度非均勻度必須限定在設計允許的范圍內(nèi)；
[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于徑向加速度，SP工作區(qū)內(nèi)徑向和周向磁通密度分量要遠小于軸向分量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有磁通密度軸向磁場產(chǎn)生裝置結(jié)構(gòu)復雜和現(xiàn)有磁通密度軸向磁場產(chǎn)生裝置和方法產(chǎn)生的磁場不穩(wěn)定，不可調(diào)的問題，提出了一種磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置及該裝置產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場方法。
[0007]本發(fā)明所述磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置，該裝置包括兩個圓形內(nèi)磁極、圓柱鐵芯、兩個圓形環(huán)外磁極、圓筒形外殼、外線圈、內(nèi)線圈和電源；
[0008]內(nèi)線圈環(huán)繞在圓柱鐵芯上,兩個圓形內(nèi)磁極分別固定在圓柱鐵芯的兩端，兩個圓形環(huán)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(nèi)側(cè)，且外線圈成圓環(huán)形纏繞排列，圓筒形外殼同軸套在圓柱鐵芯的外側(cè)，兩個圓形環(huán)外磁極分別與兩個圓形內(nèi)磁極位于同一平面，且兩個圓形環(huán)外磁極與兩個圓形內(nèi)磁極不相連；內(nèi)線圈與外線圈之間為工作區(qū)，電源同時為外線圈和內(nèi)線圈提供電流。
[0009]磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的方法:該方法為:[0010]接通電源，電源為內(nèi)線圈和外線圈提供電流，使內(nèi)線圈和外線圈產(chǎn)生同方向磁場，改變電源提供的電流的大小，使內(nèi)線圈和外線圈產(chǎn)生的軸向磁場密度在工作區(qū)在O高斯?2000高斯的范圍內(nèi)變化，使內(nèi)線圈和外線圈產(chǎn)生的軸向磁場的磁通密度非均勻度在10%以內(nèi)，實現(xiàn)磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生。
[0011]本發(fā)明采用電源為內(nèi)線圈通電流激發(fā)出磁場，磁通密度由畢奧-沙伐定律決定，通過電源向內(nèi)外線圈充電，通過改變向內(nèi)外線圈的充電方向，使內(nèi)外線圈的磁場方向相同，內(nèi)外線圈激發(fā)的磁場不受溫度的影響，可控性強，且本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，與現(xiàn)有軸向磁場的產(chǎn)生裝置相比，結(jié)構(gòu)復雜性同比降低了 20%，同時通過控制電源能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，并能通過改變電流調(diào)節(jié)磁場，使產(chǎn)生的磁場穩(wěn)定性強，且可通過調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)磁場，與現(xiàn)有的軸向磁場的產(chǎn)生裝置相比穩(wěn)定性提高了 10%。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明所述裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為本發(fā)明所述裝置的側(cè)視圖；
[0014]圖3為工作區(qū)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(jié)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(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置，該裝置包括兩個圓形內(nèi)磁極1、圓柱鐵芯2、兩個圓形環(huán)外磁極3、圓筒形外殼4、外線圈6、內(nèi)線圈7和電源；
[0016]內(nèi)線圈7環(huán)繞在圓柱鐵芯2上，兩個圓形內(nèi)磁極I分別固定在圓柱鐵芯2的兩端，兩個圓形環(huán)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(nèi)偵牝且外線圈6成圓環(huán)形纏繞排列，圓筒形外殼4同軸套在圓柱鐵芯2的外側(cè)，兩個圓形環(huán)外磁極3分別與兩個圓形內(nèi)磁極I位于同一平面，且兩個圓形環(huán)外磁極3與兩個圓形內(nèi)磁極I不相連；內(nèi)線圈7與外線圈6之間為工作區(qū)5，電源同時為外線圈6和內(nèi)線圈7提供電流。
[0017]本發(fā)明的目的是設計出能產(chǎn)生符合要求的特殊磁場位形的裝置。產(chǎn)生磁場的方法有利用永磁體或勵磁線圈。永磁體的優(yōu)點是磁場比較穩(wěn)定，不容易產(chǎn)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里溫度時會失磁，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(fā)出磁場，磁通密度由畢奧-沙伐定律決定。
[0018]本發(fā)明裝置由工作區(qū)、鐵芯和內(nèi)線圈組成。通過改變內(nèi)線圈電流的大小和方向可以實現(xiàn)工作區(qū)內(nèi)的磁場大范圍連續(xù)可調(diào)，滿足了控制不同質(zhì)量帶電粒子的任務要求。本發(fā)明裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、易加工、壽命長的優(yōu)點，對等離子體質(zhì)量分離器等多種工程設備的研制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(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置的進一步說明，內(nèi)線圈7和外線圈6均采用裸線直徑為Imm的漆包圓銅線，纏繞阻數(shù)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(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置的進一步說明，圓形內(nèi)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(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置的進一步說明，圓形環(huán)外磁極3的內(nèi)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(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)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(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置的進一步說明，圓筒形外殼4的內(nèi)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(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置的進一步說明，圓筒形外殼4的材質(zhì)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(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置的進一步說明，中間圓柱鐵芯I的材質(zhì)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(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場方法:該方法為:
[0027]接通電源，電源為內(nèi)線圈7和外線圈6提供電流，使內(nèi)線圈7和外線圈6產(chǎn)生同方向磁場，改變電源提供的電流的大小，使內(nèi)線圈7和外線圈6產(chǎn)生的軸向磁場密度在工作區(qū)在O高斯~2000高斯的范圍內(nèi)變化，使內(nèi)線圈7和外線圈6產(chǎn)生的軸向磁場的磁通密度非均勻度在10%以內(nèi)，實現(xiàn)磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生。
[0028]設計理念:
[0029]由于鐵芯材料磁導率遠大于真空，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(nèi)產(chǎn)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(fā)明裝置的磁路系統(tǒng)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(jié)構(gòu)尺寸可以算出，此時工作區(qū)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(qū)磁通密度大于2000高斯，通過調(diào)節(jié)電流的大小可使氣隙磁通密度在O高斯~2000高斯(0.2T)的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。當磁通密度線在工作區(qū)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(zhì)的交界面處，磁通密度矢量的法向分量連續(xù)，即工作區(qū)內(nèi)的磁通密度主要是軸向的，徑向和周向分量很小。經(jīng)過ansys仿真可以得到圖3。由圖3可以看出本發(fā)明工作區(qū)內(nèi)橫坐標0.06cm — 1.06cm的磁通密度大于2000高斯，工作區(qū)外磁通密度迅速減小，且工作區(qū)內(nèi)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(fā)明裝置產(chǎn)生的磁場位形滿足設計要求。
[0030]電源系統(tǒng)提供給內(nèi)線圈電流從而生成磁通，通過改變內(nèi)線圈電流的大小和方向可以實現(xiàn)工作區(qū)內(nèi)的磁場大范圍連續(xù)可調(diào)；磁場產(chǎn)生裝置工作區(qū)內(nèi)的軸向磁通密度在O高斯?2000高斯(0.2T)的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，工作區(qū)外3cm的磁通密度迅速減小得到工作區(qū)內(nèi)的30%以內(nèi)；
[0031]本發(fā)明所述磁場產(chǎn)生裝置工作區(qū)內(nèi)的軸向磁通密度非均勻度在10%以內(nèi)，軸向和周向磁通密度不到軸向分量的5%。
【權(quán)利要求】
1.磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置，其特征在于，該裝置包括兩個圓形內(nèi)磁極(I)、圓柱鐵芯(2)、兩個圓形環(huán)外磁極(3)、圓筒形外殼(4)、外線圈(6)、內(nèi)線圈(7)和電源； 內(nèi)線圈(7)環(huán)繞在圓柱鐵芯(2)上，兩個圓形內(nèi)磁極⑴分別固定在圓柱鐵芯(2)的兩端，兩個圓形環(huán)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(nèi)側(cè)，且外線圈(6)成圓環(huán)形纏繞排列，圓筒形外殼(4)同軸套在圓柱鐵芯(2)的外側(cè)，兩個圓形環(huán)外磁極(3)分別與兩個圓形內(nèi)磁極(I)位于同一平面，且兩個圓形環(huán)外磁極⑶與兩個圓形內(nèi)磁極⑴不相連；內(nèi)線圈⑵與外線圈(6)之間為工作區(qū)(5)，電源同時為外線圈(6)和內(nèi)線圈(7)提供電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置，其特征在于，內(nèi)線圈(7)和外線圈(6)均采用裸線直徑為1mm的漆包圓銅線，纏繞匝數(shù)位54000匝，線圈截面積為IOOcmX 5.4cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置，其特征在于，圓形內(nèi)磁極(I)的半徑為Ilcm,軸向厚度為3cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置，其特征在于，圓形環(huán)外磁極(3)的內(nèi)半徑為12cm,外半徑為24cm,軸向厚度為19cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置，其特征在于，圓柱鐵芯(2)的半徑為3cm,軸向長度為100cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述 的磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置，其特征在于，圓筒形外殼(4)的內(nèi)半徑為19cm,外半徑20cm,軸向長度為100cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置，其特征在于，圓筒形外殼(4)的材質(zhì)為軟鐵材料DT3。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置，其特征在于，中間圓柱鐵芯(I)的材質(zhì)為高飽和磁通密度軟磁合金1J22。
9.權(quán)利要求1所述的磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)生裝置產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場方法，其特征在于，該方法為: 接通電源，電源為內(nèi)線圈(7)和外線圈(6)提供電流，使內(nèi)線圈(7)和外線圈(6)產(chǎn)生同方向磁場，改變電源提供的電流的大小，使內(nèi)線圈⑵和外線圈(6)產(chǎn)生的軸向磁場密度在工作區(qū)在O高斯~2000高斯的范圍內(nèi)變化，使內(nèi)線圈(7)和外線圈(6)產(chǎn)生的軸向磁場的磁通密度非均勻度在10%以內(nèi)，實現(xiàn)磁通密度連續(xù)可調(diào)均勻軸向磁場的產(chǎn)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(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)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(yè)大學