一种周期性背景磁场的产生装置及方法

摘要

本发明公开了一种周期性背景磁场的产生装置及方法，包括导线单元两个、永磁单元两个、骨架单元、脉冲电源单元，永磁单元分别紧贴在骨架单元的内壁，中间形成中空区域，脉冲电源单元的正负极分别与两个导线单元相连；本发明基于永磁体在有剩磁条件下，能长时间稳定保持磁性，不需要额外消耗能量的特点，通过输入脉冲电流即可对永磁单元进行充退磁，周期性重复充退磁过程，使永磁体不断的充磁和失磁，实现对背景磁场开关的控制，即可在背景磁场区域产生周期性的稳定背景磁场，能够解决传统电磁体需持续输入电流产生的电损耗与温升较高的问题，适用于不同场景。

说明书

技术领域

本发明属于背景磁场产生技术领域，更具体地，涉及一种周期性背景磁场的产生装置及方法。

背景技术

周期性背景磁场作为一种可调控磁场广泛应用于磁筛选器，磁搅拌器，磁制冷机中，背景磁场的来源可分为自然磁场和人造磁场，其中，自然磁场包括天然磁铁、生物磁场、地磁场以及空间磁场，人造磁场包括人造磁体和电磁场，由于自然磁场存在不可调控性，现有背景磁场的产生均基于人造磁场。

人造磁体主要分为合金材料永磁体以及铁氧永磁体，其中稀土合金永磁材料近二十年来得到迅速发展，稀土合金永磁材料是由不同的稀土元素和过度金属(Fe、Co、Ni、Sm等)组成的化合物。其永磁性能高、居里温度高、温度稳定性较好，已广泛应用于民用、军用各个领域，如永磁电机、移动电子设备等。而铁氧永磁体单位体积中相对的储存磁能较低，饱和磁感应强度较低，限制了它在要求较高磁能密度的领域的应用。由于永磁体一直保持磁性，在某些需要临时消去磁场的情况下无法进行相应的调整，例如永磁筒磁选器，其通过永磁体吸引金属杂质(铁丝块屑、铁矿石等)对粮食、面粉等进行筛选，运行一定时间后，需要人工将金属杂质从永磁体上清除下来，整个过程较为复杂，增加了人工成本，可控性差。

电磁场主要分为超导磁体以及电磁线圈，其中，超导材料制成的超导磁体在超导态下电阻接近为0，通入电流后超导磁体能够基本无损耗的一直保持在通电状态，原则上可以不需要再追加电能，减小了电能消耗，但是超导磁体必须在液氦温度下工作，实际工业和科研应用上成本较高。而电磁线圈利用电流大小来控制磁场，这样电磁线圈在通电时有磁场，断电后磁场随之消失，相比于永磁体较为可控。但是如果需要长时间保持磁场恒定，则需要一直通入电流，由于线圈材料具有一定的电阻，产生的电损耗与温升在长时间工作下较高，限制了其背景磁场的应用领域。

因此，提出一种可调控、装置简单、电损耗与温升较低的周期性背景磁场产生方法是亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种周期性背景磁场的产生装置及方法，旨在解决现有技术在产生可控稳定磁场时需要持续输入电流而导致的电损耗与温升较高的问题。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种周期性背景磁场的产生装置，包括导线单元、永磁单元、骨架单元、脉冲电源单元；

其中，导线单元和永磁单元各两个，永磁单元分别紧贴在骨架单元的内壁，中间形成中空区域，脉冲电源单元的正负极分别与两个导线单元相连；

导线单元用于基于脉冲电流来对永磁单元进行充、退磁。

永磁单元用于作为背景磁场的磁场源；

骨架单元用于固定永磁单元的位置，提高背景磁场强度；

脉冲电源单元用于输出电流产生脉冲电流信号来提供永磁单元的充、退磁能量。

优选地，导线单元由导线构成，根据右手定则，每个导线单元中的导线数量及分布可以根据实际需要的背景磁场的方向进行调整。

优选地，构成导线单元的导线为长导线或者导线线圈。

优选地，构成导线单元的导线为长导线时，导线单元分别紧贴在骨架单元的外壁，永磁单元与导线单元截面的中垂线互相垂直。

优选地，构成导线单元的导线为导线线圈时，导线单元分别环绕在永磁单元外侧。

优选地，永磁单元由永磁体构成，永磁体的形状结构可以根据实际需要的背景磁场的磁场梯度分布进行调整。

优选地，永磁单元基于实际所需的磁场大小，可采用剩磁较小的铁氧永磁体、剩磁较高的稀土永磁体或者多种永磁体混合组装的结构产生大小以及分布各不相同的背景磁场。

优选地，骨架单元中与导线单元接触的部分采用绝缘材料，骨架单元的其余部分可以采用导磁材料、绝缘材料或者二者结合，根据需要骨架单元可采用不同的材料构成。骨架单元采用导磁材料时可以闭合磁路，提高背景磁场；骨架单元采用绝缘材料时保护磁体，避免导线单元在高压条件下的放电过程发生击穿。

优选地，脉冲电源单元输出的脉冲电流为脉冲非振荡电流或者脉冲交流衰减振荡电流；优选地，可以为方波电流、三角波电流等。

为实现上述目的，本发明另一方面提供了一种周期性背景磁场的产生方法，包括以下步骤：

S1、在两个导线单元中分别输入大小相等的脉冲非振荡电流，根据电生磁原理产生外加非振荡磁场，对无磁状态下的永磁单元进行饱和充磁；

S2、永磁单元在放电结束后保有剩磁，在背景磁场区域内产生持续的背景磁场；

S3、在两个导线单元中分别输入大小相等的脉冲交流衰减振荡电流，产生外加衰减振荡磁场，永磁体剩磁随着衰减振荡磁场峰值的减小而减小，使永磁单元退磁；

S4、每间隔一段时间重复步骤S1-S3，得到周期性变化的背景磁场。

优选地，两个导线单元在永磁单元上产生的外加磁场的方向相同。

优选地，步骤S3中的脉冲交流衰减振荡电流信号的第一个峰值与步骤S1中充磁的脉冲非振荡电流信号的峰值大小相同、方向相反，且振荡周期至少为三个周期。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供了一种周期性背景磁场的产生方法，基于永磁体在有剩磁条件下，能长时间稳定保持磁性，不需要额外的能量消耗的特点，仅通过输入脉冲非振荡电流即可对永磁单元进行充磁，并且产生稳定的背景磁场，输入交流衰减振荡电流即可对永磁单元进行退磁进而实现对背景磁场开关的控制，不断重复充退磁过程，使永磁体不断的充磁和失磁，即可在背景磁场区域产生周期性的磁场，本发明导线单元通电时间为毫秒量级，能够避免持续输入电流产生的电损耗与温升较高的问题。

2、本发明所提供的周期性背景磁场的产生方法，通过控制脉冲电流的输入能够在耗能低的情况下实现背景磁场的开与关，能实现低损耗的稳定背景磁场产生，适用于不同场景。

3、本发明提供了一种周期性背景磁场的产生装置，采用永磁单元作为背景磁场，能长时间稳定保持磁性，不需要额外的能量消耗，耗能较低。通过改变导线单元中导线的位置分布可以对永磁单元实现不同方向的磁化，使得背景磁场中磁场方向可以按需要进行调整；另外通过改变永磁体的形状结构，可以使得背景磁场的磁场梯度分布可以按需要进行调整，整个装置结构简单、控制方便、经济性高、维护成本低。

附图说明

图1为本发明实施例1所提供的一种背景磁场产生装置的三维结构图。

图2是本发明实施例1所提供的周期性磁场的产生装置的横截面结构图；

图3是本发明实施例所提供的导线单元通入电流的其中一个时刻的磁场线分布情况；

图4是片瓦形结构和方形结构的永磁体在相同剩磁下于背景磁场区域产生的磁场线分布情况；其中，图(a)为片瓦形结构永磁体在剩磁下于背景磁场区域产生的磁场线分布情况，图(b)为方形结构的永磁体在剩磁下于背景磁场区域产生的磁场线分布情况；

图5是常用的脉冲非振荡电流信号波形；

图6是本发明实施例所提供的充磁完成后永磁单元产生的磁场线分布；

图7是永磁单元退磁的原理示意图；

图8是有剩磁的永磁单元在退磁过程中磁化强度与外加磁场强度变化的关系曲线；

图9是本发明实施例2所提供的一种背景磁场产生装置的三维结构图；

图10是本发明实施例2所提供的周期性磁场的产生装置的横截面结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种周期性磁场的产生装置，包括导线单元、永磁单元、骨架单元、脉冲电源单元。

其中，导线单元和永磁单元各两个，永磁单元分别紧贴于骨架单元的内壁，中间形成中空区域，脉冲电源单元的正负极分别与两个导线单元相连；

导线单元用于基于脉冲电流来对永磁单元进行充、退磁。

永磁单元用于作为背景磁场的磁场源；

骨架单元用于固定永磁单元的位置，提高背景磁场强度；

脉冲电源单元用于输出电流产生脉冲电流信号来提供永磁单元的充、退磁能量。

具体的，导线单元由导线构成，根据右手定则，每个导线单元中的导线数量及分布可以根据实际需要的背景磁场的方向进行调整。

具体的，构成导线单元的导线为长导线或者导线线圈。

具体的，构成导线单元的导线为长导线时，导线单元分别紧贴在骨架单元的外壁，永磁单元与导线单元截面的中垂线互相垂直。具体的，每个导线单元中的导线可以均匀放置也可以不均匀放置，数量也可以不同。

具体的，构成导线单元的导线为导线线圈时，导线单元分别环绕在永磁单元外侧。

具体的，永磁单元由永磁体构成，永磁体的形状结构可以根据实际需要的背景磁场的磁场梯度分布进行调整。具体的，可采用多种异形结构，永磁体的形状结构以及背景磁场区域的空间大小和形状决定了背景磁场的磁场梯度分布；具体的，永磁体的形状结构可以为片瓦形、极靴形、圆台形等。具体的，可以根据comsol等具有磁场功能模块仿真软件来进行设计。

具体的，永磁单元基于实际所需的磁场大小，可采用剩磁较小的铁氧永磁体、剩磁较高的稀土永磁体或者多种永磁体混合组装的结构产生大小以及分布各不相同的背景磁场。

具体的，骨架单元中与导线单元接触的部分采用绝缘材料，骨架单元的其余部分可以采用导磁材料、绝缘材料或者二者结合，根据需要骨架单元可采用不同的材料构成。骨架单元采用导磁材料时可以闭合磁路，提高背景磁场；骨架单元采用绝缘材料时保护磁体，避免导线单元在高压条件下的放电过程发生击穿。

具体的，脉冲电源单元输出的脉冲电流为脉冲非振荡电流或者脉冲交流衰减振荡电流；具体的，可以为方波电流、三角波电流等。

本发明另一方面提供了一种周期性磁场的产生方法，包括以下步骤：

S1、在两个导线单元中分别输入大小相等的脉冲非振荡电流，根据电生磁原理产生外加非振荡磁场，对无磁状态下的永磁单元进行饱和充磁；

S2、永磁单元在放电结束后保有剩磁，在背景磁场区域内产生持续的背景磁场；

S3、在两个导线单元中分别输入大小相等的脉冲交流衰减振荡电流，产生外加衰减振荡磁场，永磁体剩磁随着衰减振荡磁场峰值的减小而减小，使永磁单元退磁；

S4、每间隔一段时间重复步骤S1-S3，得到周期性变化的背景磁场。

具体地，两个导线单元在永磁单元上产生的外加磁场的方向相同。

具体的，步骤S3中的脉冲交流衰减振荡电流信号的第一个峰值与步骤S1中充磁的脉冲非振荡电流信号的峰值大小相同、方向相反，且振荡周期至少为三个周期。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的周期性磁场的产生装置及方法，结合附图以及具体实例进行详述：

实施例1、

如图1所示为本发明实施例所提供的一种背景磁场产生装置的三维结构图，其横截面结构图如图2所示，本发明实施例所提供的背景磁场产生装置包括两个导线单元1a和1b、两个永磁单元2a和2b、骨架单元3、背景磁场区域4、脉冲电源单元5；

其中，构成导线单元1a和1b的导线为长导线，骨架单元3的横截面呈现圆环形状，以圆环的圆心为原点建立xy坐标系，导线单元1a和1b关于y轴对称并紧贴于骨架单元3的外壁，永磁单元2a和2b关于x轴对称并紧贴于骨架单元3的内壁，中间形成中空区域，即背景磁场区域4，永磁单元与导线单元截面的中垂线互相垂直，脉冲电源单元5的正极与导线单元1a相连，脉冲电源单元5的负极与导线单元1b相连；导线单元1a和1b用于基于控制电流的大小及方向来对永磁单元的磁性进行控制。永磁单元2a和2b用于作为背景磁场的磁场源；骨架单元3用于固定永磁单元的位置，提高背景磁场强度；脉冲电源单元5用于通过控制输出电流产生脉冲电流信号来提供永磁单元的充、退磁能量；

具体的，脉冲电源单元5产生脉冲电流信号并输出，导线单元1a和1b接收到脉冲电流信号后，根据电生磁原理，在永磁单元2a和2b中产生磁场；脉冲电源单元5产生的脉冲电流信号为脉冲非振荡电流信号或者交流衰减振荡的电流信号，分别用于在永磁单元2a和2b中产生脉冲非振荡磁场和交流衰减振荡磁场，分别实现对永磁单元2a和2b进行充磁和退磁，从而实现对背景磁场区域4内磁场的控制。

具体的，根据毕奥-萨伐尔定律，某一导线位置处电流产生磁场的大小反比于其离电流导线距离的平方，导线单元1a和1b中的导线均匀分布，并且每个导线单元中的导线个数相同均关于x轴对称，每个永磁单元均关于y轴对称时，永磁单元2a和2b充磁饱和时所需的能量最低。根据安培右手定则，当导线单元1a和1b分别通入大小相同，垂直于横截面方向且方向相反的电流时，可使永磁单元2a和2b在磁场作用下沿y轴较为均匀的被磁化，且两个导线单元在永磁单元上产生的外加磁场的方向相同，产生的磁场如图3所示。

具体的，永磁单元由永磁体构成，可采用多种异形结构，永磁体的形状结构以及背景磁场区域的空间大小和形状决定了背景磁场的磁场梯度分布；具体的，永磁体的形状结构可以为片瓦形、极靴形、圆台形等。具体的，可以根据comsol等具有磁场功能模块仿真软件来进行设计。如图4所所示为片瓦形结构和方形结构的永磁体在相同剩磁下于背景磁场区域产生的磁场线分布情况，其中，图(a)为片瓦形结构永磁体在剩磁下于背景磁场区域产生的磁场线分布情况，图(b)为方形结构的永磁体在剩磁下于背景磁场区域产生的磁场线分布情况，从图中可以看出相比于方形结构的永磁体，片瓦形结构的永磁体在背景磁场区域产生的磁场线更为均匀，不会产生背景磁场区域正中间相比其两边更为密集的状况。不同形状的永磁体磁化后产生的磁场分布情况不同，可以通过改变永磁体的形状来改变背景磁场区域中的磁场分布。

根据所需的背景磁场的强度、方向、区域面积以及分布情况确定永磁体的形状以及导线的个数及位置分布，搭建好所需背景磁场产生装置后，周期性背景磁场产生的方法流程主要按以下次序进行：导线单元通入脉冲非振荡电流—永磁体在峰值电流作用下获得最大的磁性—永磁体的剩磁在背景区域产生稳定磁场—背景磁场所需要作用的时间完成—导线单元通入交流衰减振荡电流—永磁体交流退磁后失去磁性—背景区域磁场消失，每隔一段时间重复上述步骤，得到周期性背景磁场。

具体的，周期性磁场的产生方法包括以下步骤：

S1、在两个导线单元中分别输入大小相等，垂直于横截面方向且方向相反的脉冲非振荡电流，根据电生磁原理产生外加非振荡磁场，对无磁状态下的永磁单元进行饱和充磁；

具体的，永磁单元2a和2b可以采用无磁状态下的N50M钕铁硼永磁体，初始状态下，脉冲电源单元5产生电流产生脉冲非振荡电流信号输入到导线单元1a和1b中，在永磁单元2a和2b中产生脉冲非振荡磁场对永磁单元2a和2b进行充磁，直至饱和。如图5所示为常用的脉冲非振荡电流信号波形，分别为尖脉冲波、矩阵波、三角波；需要在导线电流峰值时刻产生的磁场下，钕铁硼部分达到3特斯拉(磁感应强度单位)，具体尺寸如图3所示，导线单元1a和1b按如图所示排列，其横截面电流密度在电流峰值时刻需达到4.5×10

S2、永磁单元在放电结束后保有剩磁，在背景磁场区域内产生持续的背景磁场；

具体的，饱和充磁完成后，关闭脉冲电源单元5的电源开关，放电结束后N50M钕铁硼永磁体剩磁约为1.4特斯拉，永磁体在背景磁场区域4内单独产生磁场，此时磁场线分布如图6所示，背景磁场区域4平均磁感应强度为0.4特斯拉。

S3、在两个导线单元中分别输入大小相等，垂直于横截面方向且方向相反的脉冲交流衰减振荡电流，产生外加衰减振荡磁场，永磁体剩磁随着衰减振荡磁场峰值的减小而减小，使永磁单元退磁；

在导线单元1a和1b中分别输入大小相同，垂直于横截面方向且方向相反的的交流衰减振荡电流信号，该衰减振荡电流信号由脉冲电源单元产生，其第一个峰值与充磁时脉冲电源产生的脉冲非振荡电流信号峰值大小相同、方向相反，且振荡周期至少三个周期，能够使钕铁硼永磁体退磁90％以上。具体的，当外加不断衰减振荡的磁场峰值的减小，永磁体剩磁的磁滞回线会逐渐缩小，当峰值衰减接近0时，其磁滞回线为接近于原点(0,0)的一个闭合曲线，此时永磁体剩磁接近于0。如图7所示为永磁单元退磁的原理示意图，永磁体中的分子环流的取向随着交流振荡电流的方向而改变，由于电流峰值的不断衰减，分子环流的取向的一致性也将不断被减弱，最后重新回归到杂乱无章的排列，从而使永磁体磁性消失。如图8所示为有剩磁的永磁单元在退磁过程中磁化强度与外加磁场强度变化的关系曲线，记为磁滞回线，以(0,0)为坐标原点建立xy坐标系，其中，横坐标为外加磁场强度H，纵坐标为磁化强度M，磁滞回线用于反应磁性物质磁化强度M与外加磁场之间H之间的关系，可推导剩磁B＝μ

S4、每间隔一段时间重复步骤S1-S3，得到周期性变化的背景磁场。

实施例2、

实施例2与实施例1中装置的组成及产生周期性背景磁场的方法相同，其不同之处在于构成导线单元的导线为导线线圈，如图9所示为本发明实施例所提供的一种背景磁场产生装置的三维结构图，其横截面结构图如图10所示，本发明实施例所提供的背景磁场产生装置包括两个导线单元1a和1b、两个永磁单元2a和2b、骨架单元3、背景磁场区域4、脉冲电源单元5；其中，构成导线单元1a和1b的导线为导线线圈，骨架单元3的横截面呈现矩形形状，以骨架单元3的横截面的中心为原点建立xy坐标系，导线单元1a和1b关于x轴对称并分别环绕在永磁单元2a和2b外侧，两个导线单元之间为串联关系，导线单元与永磁单元之间存在一层绝缘层，永磁单元2a和2b关于x轴对称并紧贴于骨架单元3的内壁，中间形成中空区域，即背景磁场区域4。脉冲电源单元5的正极与导线单元1a相连，脉冲电源单元5的负极与导线单元1b相连；导线单元1a和1b用于基于控制电流的大小及方向来对永磁单元的磁性进行控制，充、退磁过程中两个导线单元中分别通入的大小相等、方向沿轴向同时为顺时针或者逆时针的脉冲电流，两个导线单元在永磁单元上产生的外加磁场的方向相同。永磁单元2a和2b用于作为背景磁场的磁场源；骨架单元3固定永磁单元的位置，提高背景磁场强度；脉冲电源单元5用于通过控制输出电流产生脉冲电流信号来提供永磁单元的充、退磁能量。

本发明结合了永磁体在有剩磁下，能长时间稳定保持磁性的特点，不需要额外的能量消耗的特点，通过导线输入脉冲非振荡和交流衰减振荡电流信号，对永磁体进行充退磁，进而实现对背景磁场开关的控制，不断重复充退磁过程，永磁体不断的充磁和失磁，即可在背景磁场区域产生周期性的磁场。相比于传统的电磁体和超导磁体技术，整个装置结构简单、控制方便、经济性高、维护成本低，能实现低损耗的稳定背景磁场产生。导线单元通入的是脉冲电流信号，通电时间为毫秒量级，整体装置消耗能量极低。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。