一种奇数层的Halbach阵列永磁体装置的设计与制作方法

摘要

本发明公开提出了一种奇数层的Halbach阵列永磁体装置，包含了设计方法和制作方法。该设计方法是通过建立奇数层Halbach阵列磁体的磁场等效数学模型来实现各层间距离的优化计算，根据该设计获得的Halbach阵列永磁体装置磁场均匀度高，磁体的体积小、重量轻，适用于小型化、便携式的核磁共振系统，具有广泛的应用前景。同时，本发明对奇数层的Halbach阵列永磁体装置进行了加工安装，该制作方法加工成本低，安装方便，降低了仪器造价。

说明书

技术领域

本发明属于永磁机构领域，具体涉及一种奇数层的Halbach阵列永磁体装置的设计与制作方法。

背景技术

核磁共振技术的无损检测特点使其在生物、物理、化学、医学等领域得到广泛的应用，核磁共振成像检测更是成为临床诊断必不可少的手段之一。大型的超导高场磁共振仪器是当今磁共振技术发展的一个热点，但是小型化、便携式的永磁低场核磁共振设备更适用于工业和食品检测、探矿、考古、大分子结构分析等方面。常规的小型便携核磁共振仪器多采用传统永磁体，其磁体一般由铁轭、永磁磁块及匀场极板等构成，这类磁体由于铁轭的存在，体积大，比较笨重，且通常可利用的磁场空间有限、漏磁严重、磁场强度有限。针对这一问题，在上世纪80年代，美国加利福尼亚大学的物理学家K.Halbach设计了一种使用稀土材料的新型无铁轭多级磁体结构，这种永磁体结构是由多个磁块按照一定的规律组合成的，相邻的磁块具有不同的充磁方向，且产生的较理想的单边磁场。由于这种磁体结构的优异特性，得到了学者和工程人员的广泛关注，并且被应用于诸多的领域。

根据组合后的磁体形状一般分为直线型和圆柱型Halbach阵列两大类。直线型Halbach阵列是一种最基本的组合方式，主要用于制造直线电机。圆柱型Halbach阵列可以看做将直线型Halbach阵列首尾相接组成的，其又可分为多对极的和单对极的圆柱型Halbach阵列两种。多对极圆柱型Halbach阵列主要用于永磁电机和永磁轴承等领域。而单对极圆柱型Halbach阵列由于其不带铁磁材料、漏磁小和高均匀性的特性，逐渐应用于核磁共振检测和核磁共振成像等方面。本专利中所提及的Halbach阵列皆是对单对极圆柱型Halbach阵列的特指。

相对于传统的永磁体，Halbach磁体不仅具有能产生高强度和高均匀性磁场的优点，而且还具有体积比较小的优点，容易实现小型化和便携化。但当磁体体积进一步减小时，磁场的均匀性会变得更差，两者不可兼得。

因此，提出一种同时具备较小的体积和较高均匀性的Halbach阵列磁体是解决上述问题的关键。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种奇数层的Halbach阵列永磁体装置，包含设计方法与制作方法，根据该设计和制作获得的Halbach阵列永磁体装置磁场均匀度高，磁体的体积小、重量轻。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种奇数层的Halbach阵列永磁体装置的设计方法，该装置包括奇数层的磁体，且磁体包括：设置于中心的中心层磁体以及设置于中心层磁体外侧的外层磁体，中心层磁体的高度为H₀，外层磁体的高度为H₁，奇数层的Halbach阵列永磁体装置的设计方法用于确定每层磁体之间的距离，具体包括以下步骤：

S.1建立奇数层Halbach磁体的中心轴磁场等效数学模型，其计算公式如下：

$f\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{(m-1)/2}{\Sigma }}({\left(1+{\left(x+t_i\right)}^2\right)}^{-3/2}+{\left(1+{\left(x+t_i\right)}^2\right)}^{-3/2}+k{\left(1+x^2\right)}^{-3/2}$

其中，x＝z/r，t₁＝S₁/r，t₂＝S₂/r，...，t_(m-1)/2＝S_(m-1)/2/r，S_i为每层磁体之间的距离(i＝1，2，...，(m-1)/2)，k＝H₀/H₁，z为中心轴上的距离，r为奇数层的Halbach阵列永磁体装置的等效半径，m为层数(m为奇数，且m＞＝3)；

令F(t₁，t₂，...，t_(m-1)/2，k)＝min{abs(f”(0))+abs((f(s/r)-f(0))/f(0))}；

S.2设定参数(t₁，t₂，...，t_(m-1)/2，k)的初始范围，其中t₁＜t₂＜...＜t_(m-1)/2，其范围选择根据层数的不同而不同；

S.3设定步长，在参数的范围均匀取值，并将每组参数代入目标函数F中，寻找令F值最小的一组参数；

S.4增加限制条件如下，判断步骤S.3所得到的参数是否满足以下限制条件：

$\left({\int }_0^{s}max\right(\lambda ,\left|\frac{f\left(z\right)-f\left(0\right)}{f\left(0\right)}\right|)dz-\lambda ·s)·{10}^6=0$

其中：λ＝ΔB/B，表示磁场的均匀度；

若参数满足限制条件，则进行仿真验证，若仿真验证结果满足要求，则输出最优参数，奇数层的Halbach阵列永磁体装置的设计方法结束；

若参数不满足限制条件或仿真验证结果不满足要求，则对参数进行遗传操作处理，得到新的参数，重复步骤S.3-S.4。

本发明一种奇数层的Halbach阵列永磁体装置的设计方法可以有效实现各层磁体间距离的优化计算，使得磁体的设计变得更简单、更快速、更容易实现。

在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：

作为优选的方案，步骤S.4中限制条件验证和仿真验证的具体过程为：

将步骤S.3所得的参数作为初始值，在MathCAD软件中对限制条件进行测试判断，进行进一步优化，若参数满足限制条件则从而得到满足限制条件的一组参数；

通过三维仿真软件Ansoft Maxwell来验证磁体感兴趣区域的均匀度是否满足设定条件要求的数量级。

采用上述优选的方案，操作便捷，可以有效对参数的选择进行优化和判断。

奇数层的Halbach阵列永磁体装置，奇数层的Halbach阵列永磁体装置为中空的柱状永磁体，奇数层的Halbach阵列永磁体装置包括奇数层的磁体，且每层的磁体沿其圆周方向等分为N块磁块，N＝2M，M为大于2的整数，每层磁体之间的距离由奇数层的Halbach阵列永磁体装置的设计方法来获得。

本发明奇数层的Halbach阵列永磁体装置能在感兴趣区域内产生高强度和高均匀性磁场，同时显著降低装置的体积，从而实现磁体装置的低成本、小型化和便携化，适用于小型化、便携式的核磁共振系统，具有广泛的应用前景。

作为优选的方案，每个磁块的截面呈梯形或扇形。

采用上述优选的方案，制作工艺简单，降低成本。

作为优选的方案，在每个磁块沿其径向外侧设有用于组装固定的楔形块。

采用上述优选的方案，便于组装固定，降低组装固定难度，提高生产效率。

奇数层的Halbach阵列永磁体装置的制作方法，用于加工奇数层的Halbach阵列永磁体装置，其具体加工组装步骤为：

步骤1：选择合适的磁性材料和磁钢，并测试磁性能和磁偏角；

步骤2：标记好磁钢的充磁方向，并用线切割加工磁块；

步骤3：设计并加工好固定装置；

步骤4：设计并加工好垫充块；

步骤5：装配垫充块，发现安装过程中的问题，并解决之；

步骤6：将加工好的磁块在无磁情况下替换垫充块，实现无磁安装；

步骤7：将加工好的磁块在有磁情况下替换垫充块，完成整个装置的安装。

附图说明

图1为本发明实施例提供的5层的Halbach阵列永磁体装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的奇数层的Halbach阵列永磁体装置数学模型建立方法的流程图。

图3为本发明实施例提供的奇数层的Halbach阵列永磁体装置加工安装流程图。

图4为本发明实施例提供的3层的Halbach阵列永磁体装置的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的3层的Halbach阵列永磁体装置的横向剖视图。

其中：1磁体、11中心层磁体、12外层磁体、2磁块、3楔形块。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。

为了达到本发明的目的，一种奇数层的Halbach阵列永磁体装置的设计与制作方法的其中一些实施例中，

如图1所示，奇数层的Halbach阵列永磁体装置为中空的柱状永磁体，奇数层的Halbach阵列永磁体装置包括奇数层的磁体1，且每层的磁体1沿其圆周方向等分为N块磁块2，N＝2M，M为大于2的整数。在本实施例中，N＝16。每个磁块2的截面呈梯形或扇形。

磁体1包括：设置于中心的中心层磁体11以及设置于中心层磁体外侧的外层磁体12，中心层磁体11的高度为H₀，外层磁体12的高度为H₁，s为中心轴上的满足均匀性要求区域的一半距离，本发明优化的奇数层Halbach磁体的层数可以为5、7、9、11层。在本实施例中，层数为5。

如图2所示，奇数层的Halbach阵列永磁体装置数学模型建立方法用于确定每层磁体1之间的距离，具体包括以下步骤：

S.1建立奇数层Halbach磁体的中心轴磁场等效数学模型，其计算公式如下：

$f\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{(m-1)/2}{\Sigma }}({\left(1+{\left(x+t_i\right)}^2\right)}^{-3/2}+{\left(1+{\left(x+t_i\right)}^2\right)}^{-3/2}+k{\left(1+x^2\right)}^{-3/2}$

其中，x＝z/r，t₁＝S₁/r，t₂＝S₂/r，...，t_(m-1)/2＝S_(m-1)/2/r，S_i为每层磁体1之间的距离(i＝1，2，...，(m-1)/2)，k＝H₀/H₁，z为中心轴上的距离，r为奇数层的Halbach阵列永磁体装置的等效半径，m为层数(m为奇数，且m＞＝3)；

令F(t₁，t₂，...，t_(m-1)/2，k)＝min{abs(f”(0))+abs((f(s/r)-f(0))/f(0))}；

S.2设定参数(t₁，t₂，...，t_(m-1)/2，k)的初始范围，其中t₁＜t₂＜...＜t_(m-1)/2，其范围选择根据层数的不同而不同；

S.3设定步长，在参数的范围均匀取值，并将每组参数代入目标函数F中，寻找令F值最小的一组参数，该过程可通过MATLAB编程实现；

S.4增加限制条件如下，判断步骤3)所得到的参数是否满足以下限制条件：

$\left({\int }_0^{s}max\right(\lambda ,\left|\frac{f\left(z\right)-f\left(0\right)}{f\left(0\right)}\right|)dz-\lambda ·s)·{10}^6=0$

其中：λ＝ΔB/B，表示磁场的均匀度，在本发明中设置为λ＝10^-5；

将步骤S.3所得的参数作为初始值，在MathCAD软件中对限制条件进行测试判断，进行进一步优化，若参数满足限制条件则从而得到满足限制条件的一组参数，然后进行仿真验证，通过三维仿真软件Ansoft Maxwell来验证磁体中心感兴趣区域的均匀度是否满足设定条件要求的数量级，若仿真验证结果满足要求，则输出最优参数，奇数层的Halbach阵列永磁体装置的设计方法结束；

若参数不满足限制条件或仿真验证结果不满足要求，则对参数进行遗传操作处理，得到新的参数，重复步骤3)-4)。

步骤S.4中的遗传操作处理包括以下三个基本遗传算子：选择，交叉以及变异。可以根据具体的情况选择不同的遗传操作处理方法。

本发明一种奇数层的Halbach阵列永磁体装置数学的设计方法步骤S.1中的目标函数是根据由三个同轴线圈构成的改进型Helmholtz线圈，建立了奇数层Halbach磁体相应的磁场等效数学计算模型如下：

$f\left(z\right)=\underset{i=1}{\overset{(m-1)/2}{\Sigma }}({\left(1+\frac{{(s_i+z)}^2}{r^2}\right)}^{-3/2}+{\left(1+\frac{{(s_i-z)}^2}{r^2}\right)}^{-3/2})+k{(1+\frac{z^2}{r^2})}^{-3/2}$

其中：k＝H₀/H₁，z为中心轴上的距离，r为Halbach磁体等效半径，m为层数(m为奇数，且m＞＝3)。

令x＝z/r，t₁＝S₁/r，t₂＝S₂/r，...，t_(m-1)/2＝S_(m-1)/2/r，则可以得到步骤S.1中的目标函数：

$f\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{(m-1)/2}{\Sigma }}({\left(1+{\left(x+t_i\right)}^2\right)}^{-3/2}+{\left(1+{\left(x+t_i\right)}^2\right)}^{-3/2}+k{\left(1+x^2\right)}^{-3/2}$

如图3所示，奇数层的Halbach阵列永磁体装置的制作方法，其具体加工组装步骤为：

步骤1：选择合适的磁性材料和磁钢，并测试磁性能和磁偏角；

步骤2：标记好磁钢的充磁方向，并用线切割加工磁块；

步骤3：设计并加工好固定装置；

步骤4：设计并加工好垫充块；

步骤5：装配垫充块，发现安装过程中的问题，并解决之；

步骤6：将加工好的磁块在无磁情况下替换垫充块，实现无磁安装；

步骤7：将加工好的磁块在有磁情况下替换垫充块，完成整个装置的安装。

本发明一种奇数层的Halbach阵列永磁体装置的设计方法可以有效实现各层磁体1间距离的优化计算，使得磁体的设计变得更简单、更快速、更容易实现，根据由三个同轴线圈构成的改进型Helmholtz线圈，建立了奇数层Halbach磁体相应的磁场等效数学模型，通过优化每层磁体之间的距离，使得感兴趣区域内的磁场实现了比较好的均匀性，同时磁体还具有比较小的体积，最后通过仿真试验验证了本发明的准确性。根据该设计获得的Halbach阵列永磁体装置磁场均匀度高，磁体的体积小、重量轻，适用于小型化、便携式的核磁共振系统，具有广泛的应用前景。

同时，本发明一种奇数层的Halbach阵列永磁体装置的制作方法，加工成本低，安装方便，降低了仪器造价。

本发明奇数层的Halbach阵列永磁体装置能在感兴趣区域内产生高强度和高均匀性磁场，同时显著降低装置的体积，从而实现磁体装置的低成本、小型化和便携化。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，在Halbach阵列的实际制作中，考虑加工成本和安装的难易程度，将5层磁体的参数变为3层磁体1的参数，由于5层磁体1最外两层外层磁体12接触时，能产生较好的均匀磁场，所以可以将这最外两层合为一层，如图4和5所示。同时，这三层磁体1的每一层Halbach阵列由16块磁块2组成，考虑组装过程的定位和固定问题，在每个磁块2沿其径向外侧设有用于组装固定的楔形块3。

根据设计出的磁体1参数，使用永磁体的制作工艺加工制作磁体模型，具体加工安装细节如下：

磁体材质采用标准钕铁硼材料，精选并测试磁材性能，保证各磁体材质相同或接近，并作磁偏角测试，淘汰偏值较大的磁体，要求所选磁块的剩磁Br、最大磁能积(BH)max的误差范围小于相应磁材标号的相应性能的±0.5％，做到磁块之间误差尽量小；

梯形磁块加工公差：单一磁块尺寸和形状公差控制在+0.00/-0.02，并建立专用工装测量。整个加工过程中，控制磁力线与外形垂直度，尽可能在0.02mm范围，为了便于安装磁体、外形做R1倒角(可单头)；

为了防止公差叠加，采用正十六边形内腔支撑、锲形槽定位，外筒采用预应力或预老化处理，确保筒体加工后的变形量，尺寸误差小于±0.02mm；

为了确保安装顺利进行，先进行无磁状态下试装，排除各隐患；

磁块充磁后测试，其能达到饱和；

带磁装配后，Halbach阵列磁体的形位公差小于±0.04mm。

以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。