專利名稱：磁場沿磁體軸向方向均勻分布的漸變磁體的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用于主動材料器件中的永磁體，更具體地說，是指磁場沿磁體軸向方向上均勻分布的一種多體漸變和剩磁漸變的多段磁體相異極性接合的永磁體。
背景技術：
對于主動材料器件(智能材料棒)所應用的偏置磁場，一般采用勵磁線圈或者永磁體兩種方式。采用勵磁線圈提供偏置磁場，其大小可調，磁場較均勻，但在使用中會持續消耗電能，并且直流線圈發熱嚴重。因此，實際應用中多采用永磁體提供偏置磁場。永磁體是利用永磁材料的剩磁來產生磁場的，其主要特點是工作時不需要提供供電系統，磁場長期穩定，體積小，使用方便。不足之處是磁場空間小，均勻性不高，場值不高，而且，永磁體的磁場值不容易靈活地改變。因此，利用永磁體提供偏置磁場時，選擇性能優良的永磁材料和進行合理的磁路設計極為重要。
在2000年出版的《永磁機構》文獻中，永磁體的使用限制在主動材料的長徑比L/R≤3.5(L表示主動材料的總長度，R表示主動材料的半徑)，否則相應的偏置磁場的大小和均勻性會劇烈降低。其有限元FE計算的例子中，對Φ30×50mm的主動材料棒兩端加永磁體，磁場從中心到兩端，不均勻性從7.5％增加到125％，偏置場的大小降低50％。新型稀土永磁材料釹鐵硼的最大磁能積可高達400kJ/m3，而且其退磁特性近似為直線。由于永磁體總是工作在自己的退磁特性曲線上，故本發明采用解析的計算方法和漸變組合的設計思想，克服了傳統永磁材料設計中不能精確計算的弊病，為大、長徑比的智能材料棒設計出均勻的偏置磁場。

發明內容
本發明的目的是提供一種磁場沿磁體軸向方向均勻分布的漸變磁體，該漸變磁體為多體結構，是根據磁體所需磁場大小及分布要求，通過改變磁體外徑和/或剩磁的大小、有效地克服了磁場分布的不均勻性。
本發明的一種磁場沿磁體軸向方向均勻分布的漸變磁體，由上球段、中心段和下球段組成，其中心為空心的，上球段和下球段分別設在中心段的上下位置，且段與段之間為相異極性接合，上球段和下球段的內外徑及長度相同，上球段、中心段和下球段的內徑相等；上球段、中心段和下球段各段的磁場分布為H(z,R2)=-Br2μ0((z+l(z+l)2+R22-z-l(z-l)2+R22)-(z+l(z+l)2+R12-z-l(z-l)2+R12)),]]>式中，H(z，R2)表示沿磁體軸向方向中心線z1z2上任意點的磁場，Br表示各段磁體的剩磁，μ0表示真空磁導率，z表示磁體中心線上的任意點，l表示各段磁體長度的一半，R1表示各段磁體的內徑，R2表示各段磁體的球面外徑。
所述的磁場沿磁體軸向方向均勻分布的漸變磁體，其上球段與中心段和中心段與下球段之間分別設有上過渡段和下過渡段，且段與段之間為相異極性接合，上過渡段和下過渡段的內外徑、長度及磁場分布相同。
所述的磁場沿磁體軸向方向均勻分布的分段式漸變磁體，其上球段與中心段和中心段與下球段之間分別設有上過渡段和下過渡段，且段與段之間為相異極性接合，上過渡段和下過渡段的內外徑、長度及磁場分布相同，中心段的外徑大于上過渡段或下過渡段的外徑0.5～10mm，上過渡段的外徑大于上球段的外徑0.5～10mm，下過渡段的外徑大于下球段的外徑0.5～10mm。
本發明漸變磁體的優點在于(1)解決了長期以來對永磁材料無法精確計算其磁場的缺陷；(2)本發明的漸變磁體在工作狀態下退磁特性是沿軸向方向均勻分布的；(3)本發明的漸變磁體為模塊化設計，可以根據使用需求進行組裝磁體，改變了傳統磁體只適合單一環境，減少了磁體的生產成本。(4)為大、長徑比的智能材料棒提供了均勻的偏置磁場。


圖1是本發明漸變磁體的結構示意圖。
圖2是圖1的剖視圖。
圖3是本發明五段漸變磁體的結構示意圖。
圖4是本發明五段漸變磁體的另一結構示意圖。
圖5是三段漸變磁體的磁場分布的曲線圖。
圖6是五段漸變磁體的磁場分布的曲線圖。
圖中1.中心段2.上球段3.下球段4.上過渡段5.下過渡段
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
本發明是一種磁場沿磁體軸向方向均勻分布的漸變磁體(永磁體)，是根據稀土永磁材料(例如釹鐵硼、SmCo5、Sm2Co17)的退磁曲線近似為直線的特性，采用解析(磁場分布式)的計算方法，結合多體尺寸漸變和剩磁漸變的結構設計獲得。在實際應用中，永磁體的磁場分布不均勻度不大于±5％時，認為是均勻的磁場分布。在本發明中，根據器件的工作原理，所需設計磁體的尺寸、形狀，所需磁場大小、區域、分布，設計了一種可隨磁體外形(如空心橢球形或空心圓柱形)變化，但磁場沿軸向方向均勻分布的多體組合結構的漸變磁體，請參見圖1、圖2所示，該磁體由上球段2、中心段1和下球段3組成，其中心為空心的，上球段2和下球段3分別設在中心段1的上下位置，且段與段之間為相異極性接合，上球段2和下球段3的內外徑及長度相同，上球段2、中心段1和下球段3的內徑R1相同；上球段2、中心段1和下球段3各段的磁場分布為H(z,R2)=-Br2μ0((z+l(z+l)2+R22-z-l(z-l)2+R22)-(z+l(z+l)2+R12-z-l(z-l)2+R12)),---(1)]]>式中，H(z，R2)表示沿磁體軸向方向中心線z1z2上任意點的磁場，Br表示各段磁體的剩磁，μ0表示真空磁導率，z表示磁體中心線上的任意點，l表示各段磁體長度的一半，R1表示各段磁體的內徑，R2表示各段磁體的球面外徑。
本發明中的漸變磁體，通過設計不同段之間的磁場值不同，有效地克服了磁體中磁場值不能改變的缺陷，同時保證了磁體中的磁場分布的均勻性。
在本發明中，根據智能材料棒所需的磁場H和各段磁體的內徑R1、長度l、剩磁Br，根據式(1)解析，得到了一個多體結構漸變磁體的球面外徑R2，然后，根據這個球面外徑R2進行加工，其加工的漸變磁體結構如圖1和圖3所示。在圖1中，空心橢球形多體(三段)漸變磁體的上球段2和下球段3的外緣為球面曲線。在圖3中，空心橢球形多體(五段)漸變磁體的上球段2和下球段3的外緣為球面曲線，而上過渡段4和下過渡段5的外緣為直線。當外徑以中心段1對稱且呈梯度變化時，本發明的多體漸變磁體將是一個由多段磁體組合而成的空心圓柱形結構磁體，如圖4所示。
為了解析本發明各段磁場分布式(1)的情況，下面將舉例進行說明
實施例1空心橢球形三段漸變磁體(如圖2)不同球面外徑，磁場沿軸向分布均勻。
對于80mm長的智能材料棒(TbDyFe棒)，在本發明中采用由三段構成的110mm長的本發明漸變永磁體，上、下各段分別以中心段對稱。以形體漸變思路設計，即以一定大小的球面外徑為設計目標，通過變化各段磁體的尺寸，使其在本發明空心橢球形永磁體的磁場沿軸向方向分布均勻。永磁材料選取釹鐵硼，剩磁Br＝1.423T，空心橢球形永磁體的磁場450Oe，磁體中心線z1z2以球心o為原點，其中心線上的任一點在-40≤z≤40范圍內。
設上球段2磁體總長度為30mm，下球段3磁體總長度為30mm，中心段1磁體總長度為50mm，上球段2、中心段1和下球段3的內徑R1為30mm，根據式(1)解析，求得上球段2上點RA的球面外徑為37.5mm；根據式(1)解析，求得中心段1上點RB的球面外徑為38.8mm；根據式(1)解析，求得下球段3上點RC的球面外徑為37.5mm；將上述三點連接，形成了具有球面外形的永磁體外形結構。
在本發明中，根據式(1)的解析計算是依據磁體中心線z1z2上的任意點的剩磁、內徑相同，然后由計算得到的外徑不同值點的連接形成漸變磁體特有的多體模式。其解析是將相關參數引入式(1)，并且取值為線性函數的積分運算得到多體外形變化。數字的引入見下面的式子450=-1.4232((z+15(z+15)2+R22-z-15(z-15)2+R22)-(z+15(z+15)2+302-z-15(z-15)2+302)).]]>將上述加工的三段磁體經相異極性接合成空心橢球形永磁體，并采用高斯計測量其磁場為446.6±11.4Oe，該磁場值與設定的磁場值450Oe相接近。
在空心橢球形永磁體中套裝入80mm長的主動材料伸縮棒(TbDyFe棒)，本發明的空心橢球形永磁體在棒長范圍內，磁場為446.6±11.4Oe，不均勻度為±2.0％，說明了本發明設計的永磁體在棒長范圍具有均勻分布的磁場，其磁性能曲線如圖5所示。
實施例2空心圓柱形五段漸變磁體(如圖3)不同剩磁，磁場沿軸向分布均勻。
對于80mm長的主動材料伸縮棒(TbDyFe棒)，在本發明中采用由五段構成的110mm長的本發明漸變永磁體，上球段2、下球段3以及上過渡段4和下過渡段5分別以中心段1對稱。以剩磁漸變思路設計，即以一定大小的磁場為設計目標，通過變化各段磁體所需的磁場，使其在本發明空心圓柱形永磁體的磁場沿軸向方向分布均勻。永磁材料選取釹鐵硼，剩磁Br＝1.42T，空心圓柱形永磁體的磁場450Oe，磁體中心線z1z2以球心o為原點，其中心線上的任一點在-40≤z≤40范圍內。
設上球段2、下球段3、上過渡段4、下過渡段5和中心段1的磁體總長度分別為22mm，空心圓柱形永磁體的內徑R1為30mm，上過渡段4、下過渡段5和中心段1的外徑分別為38mm。
根據式(1)求得上球段2剩磁為1.10T，下球段3剩磁為1.10T，上過渡段4剩磁為1.33T，下過渡段5剩磁為1.33T，中心段1剩磁為1.40T。
將上述加工的五段磁體經相異極性接合成空心圓柱形永磁體，并采用高斯計測量其磁場為475.7±14.8Oe，該磁場值滿足了與設定的磁場值450Oe相接近。
在空心橢球形永磁體中套裝入80mm長的主動材料伸縮棒(TbDyFe棒)，本發明的空心圓柱形永磁體在棒長范圍內，磁場為475.7±14.8Oe，不均勻度為±3.0％，說明了本發明的設計的永磁體在棒長范圍具有均勻分布的磁場，其磁性能曲線如圖6所示。
對本發明中各段磁體漸變的尺寸和剩磁采用數值運算軟件編程實現，應用計算機強大的計算及數據處理功能，獲得較為準確的尺寸和剩磁參數，為智能材料器件的設計提供了新的解析方法。
權利要求
1.一種磁場沿磁體軸向方向均勻分布的漸變磁體，其特征在于漸變磁體由上球段(2)、中心段(1)和下球段(3)組成，其中心為空心的，上球段(2)和下球段(3)分別設在中心段(1)的上下位置，且段與段之間為相異極性接合；上球段(2)和下球段(3)的內外徑及長度相同，上球段(2)、中心段(1)和下球段(3)的內徑相同；上球段(2)、中心段(1)和下球段(3)各段的磁場分布為H(z,R2)=-Br2μ0((z+l(z+l)2+R22-z-l(z-l)2+R22)-(z+l(z+l)2+R12-z-l(z-l)2+R12)),]]>式中，H(z，R2)表示沿磁體軸向方向中心線z1z2上任意點的磁場，Br表示各段磁體的剩磁，μ0表示真空磁導率，z表示磁體中心線上的任意點，l表示各段磁體長度的一半，R1表示各段磁體的內徑，R2表示各段磁體的球面外徑。
2.根據權利要求1所述的磁場沿磁體軸向方向均勻分布的漸變磁體，其特征在于上球段(2)與中心段(1)之間設有上過渡段(4)，中心段(1)與下球段(3)之間設有下過渡段(5)，且段與段之間為相異極性接合，上過渡段(4)和下過渡段(5)的內外徑、長度及磁場分布相同。
3.根據權利要求1所述的磁場沿磁體軸向方向均勻分布的漸變磁體，其特征在于上球段(2)與中心段(1)之間設有上過渡段(4)，中心段(1)與下球段(3)之間設有下過渡段(5)，且段與段之間為相異極性接合，上過渡段(4)和下過渡段(5)的內外徑、長度及磁場分布相同；且中心段(1)的外徑大于上過渡段(4)的外徑0.5～10mm，中心段(1)的外徑大于下過渡段(5)的外徑0.5～10mm，上過渡段(4)的外徑大于上球段(2)的外徑0.5～10mm，下過渡段(5)的外徑大于下球段(3)的外徑0.5～10mm。
4.根據權利要求1所述的磁場沿磁體軸向方向均勻分布的漸變磁體，其特征在于漸變磁體是多體組合的空心橢球形或者是多體組合的空心柱形。
全文摘要
本發明公開了一種磁場沿磁體軸向方向均勻分布的漸變磁體，該磁體由上球段、中心段和下球段組成，其中心為空心的，上球段和下球段分別設在中心段的上下位置，且段與段之間為相異極性接合，上球段和下球段的內外徑及長度相同，上球段、中心段和下球段的內徑相等；上球段、中心段和下球段各段的磁場分布為
文檔編號H01F1/032GK1808641SQ20061000724
公開日2006年7月26日 申請日期2006年2月16日 優先權日2006年2月16日
發明者張天麗, 徐惠彬, 蔣成保 申請人:北京航空航天大學