CN115426762A - 基于电机控制调节的永磁四极磁铁 - Google Patents

基于电机控制调节的永磁四极磁铁 Download PDF

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张炳顺
王相綦
董少祥
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Abstract

本发明公开了一种基于电机控制调节的永磁四极磁铁，涉及粒子加速器领域及带电粒子束流输运领域，该四极磁铁包括：外壳，包括具有第一容纳腔和第二容纳腔的非磁性金属骨架；主励磁模块，被配置为设置在第一容纳腔内，主励磁模块包括永磁材料制成的磁极，以及非磁性材料的磁轭，相邻的磁极和磁轭相互侧面紧密贴合，且磁极和磁轭首尾相连围合在第一容纳腔内；次励磁模块，被配置为设置于第二容纳腔内，通过电机驱动次励磁模块旋转改变次励磁模块的磁化方向，来调节主励磁模块的中心磁场梯度。本发明的主励磁模块的中心磁场梯度在磁铁有效孔径内实现了连续可调变功能。

Description

基于电机控制调节的永磁四极磁铁
技术领域
本发明涉及粒子加速器领域及带电粒子束流输运领域，尤其是涉及一种基于电机控制调节的永磁四极磁铁。
背景技术
作为***同步辐射光源的主体，衍射极限电子储存环要求具有极低的束流发射度(数10pm·rad量级)和极高的轨道稳定性(百纳米量级)，所以粒子加速器中一些关键技术都极具挑战性。磁铁***是电子储存环的核心关键***之一，其性能直接影响束流品质和寿命。为了获得超低束流发射度和对色品进行有效校正，***光源储存环或对撞机储存环中需要用到小孔径、高磁场梯度的四极磁铁，其设计、加工和测量都具有非常高的挑战性。
电子储存环中四极磁铁不但需要较高的磁场梯度，而且在装置调束和机器研究过程中要求磁场强度连续可调。目前通常使用电磁铁型四极磁铁，即在软铁材料的磁极上套励磁线圈，通过调节励磁电流的大小可以获得连续变化的磁场梯度分布。在实际使用中，这不仅需要降低耗电需求，还需要消除由于水冷装置产生的振动。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于电机控制调节的永磁四极磁铁，包括：外壳，包括具有第一容纳腔和第二容纳腔的非磁性金属骨架；主励磁模块，被配置为设置在上述第一容纳腔内，上述主励磁模块包括磁轭和磁极，其中，上述磁轭的材质为永磁材料，相邻的上述磁极和上述磁轭相互侧面紧密贴合，且上述磁极和上述磁轭首尾相连围合在上述第一容纳腔内；次励磁模块，被配置为设置于上述第二容纳腔内，通过电机驱动上述次励磁模块旋转改变上述次励磁模块的磁化方向，来调节上述主励磁模块的中心磁场梯度。
根据本发明实施例，上述第一容纳腔设置于上述外壳的中心位置，上述第二容纳腔环绕上述第一容纳腔设置。
根据本发明实施例，上述次励磁模块被配置为设置在与上述磁极相对应的位置。
根据本发明实施例，上述次励磁模块被配置为圆柱形永久磁铁，上述次励磁模块在上述电机驱动下转动。
根据本发明实施例，在第一状态下，上述次励磁模块的磁场方向沿上述次励磁模块的中心点与上述主励磁模块的中心点的连线分布，此时上述主励磁模块的上述中心磁场梯度为最小值。
根据本发明实施例，在第二状态下，上述次励磁模块的磁场方向在上述电机的驱动下转动，使得上述主励磁模块的上述中心磁场梯度连续可调。
根据本发明实施例，在第三状态下，上述次励磁模块的磁场方向与上述第一状态的磁场方向相反，此时上述主励磁模块的中心磁场梯度为最大值。
根据本发明实施例，上述中心磁场梯度的范围与上述次励磁模块的半径正相关。
根据本发明实施例，上述外壳通过四块相同的连接件螺栓连接而成。
根据本发明的实施例，上述磁极的材质为软磁材料。
从上述技术方案可以看出，本发明提供的基于电机控制调节的永磁四极磁铁具有以下有益效果：
(1)单个基于电机控制调节的永磁四极磁铁的中心磁场梯度在磁铁的有效孔径内可以实现连续可调变功能。
(2)本发明提供的基于电机控制调节的永磁四极磁铁，利用永磁体作为激励源，无需使用电源，可以有效节约电源费用，还能节省电源安放空间。同时在物理设计上可以直接避免由电源不稳定性和电流纹波对束流品质和轨道的影响。
(3)本发明提供的基于电机控制调节的永磁四极磁铁，由于不需励磁线圈进行调节，所以无需配套的水冷***，可以节约水冷***和去离子水损耗造成的费用，并节省安放空间，同时在物理设计上可以直接避免由于冷却水湍流产生的微振动对束流轨道稳定性的影响。
(4)本发明提供的可调节永磁型四极磁铁中无励磁线圈，单个磁铁纵向所占空间至少节约10cm以上，极大降低磁铁装配和安装难度。更能适应***光源通常使用的MBA的lattice结构，有利于满足弯段中数量多且纵向间距小的磁铁安装需求。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为本发明实施例四极磁铁的三维结构示意图；
图2为本发明实施例四极磁铁的第一象限结构示意图；
图3为本发明实施例次励磁模块不同半径与中心磁场梯度的关系曲线图；
图4为本发明实施例四极磁铁的磁中心水平面最大中心磁场梯度(dBy/dx)与磁铁有效孔径的关系曲线图；
图5为本发明实施例四极磁铁的磁中心水平面最小磁场梯度(dBy/dx)与与磁铁有效孔径的关系曲线图。
附图标记说明：
1-外壳；
2-主励磁模块；
21-磁极；22-磁轭；
3-次励磁模块。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
图1为本发明实施例磁铁的结构示意图。
为了解决上述技术问题，提供一种通过步进电机驱动次励磁模块对四极磁铁磁场梯度进行调节，实现四极磁铁有效孔径内磁场梯度的连续可调的基于电机控制调节的永磁四极磁铁，如图1所示，本发明实施例公开一种基于电机控制调节的永磁四极磁铁，包括外壳1、主励磁模块2和次励磁模块3。
其中，外壳1，包括具有第一容纳腔和第二容纳腔的非磁性金属骨架；主励磁模块2，被配置为设置在第一容纳腔内，主励磁模块包括磁轭22和磁极21，其中，磁轭22的材质为永磁材料，相邻的磁极21和磁轭22相互侧面紧密贴合，且磁极21和磁轭22首尾相连围合在第一容纳腔内；次励磁模块3，被配置为设置于第二容纳腔内，通过电机驱动次励磁模块3旋转改变次励磁模块3的磁化方向，来调节主励磁模块2的中心磁场梯度。
单个基于电机控制调节的永磁四极磁铁的中心磁场梯度在磁铁的有效孔径内可以实现连续可调变功能。
本发明提供的基于电机控制调节的永磁四极磁铁，利用永磁体作为激励源，无需使用电源，可以有效节约电源费用，还能节省电源安放空间。同时在物理设计上可以直接避免由电源不稳定性和电流纹波对束流品质和轨道的影响。
本发明提供的基于电机控制调节的永磁四极磁铁，由于不需励磁线圈进行调节，所以无需配套的水冷***，可以节约水冷***和去离子水损耗造成的费用，并节省安放空间，同时在物理设计上可以直接避免由于冷却水湍流产生的微振动对束流轨道稳定性的影响。
本发明提供的可调节永磁型四极磁铁中无励磁线圈，单个磁铁纵向所占空间至少节约10cm以上，极大降低磁铁装配和安装难度。更能适应***光源通常使用的MBA的lattice结构，有利于满足弯段中数量多且纵向间距小的磁铁安装需求。
根据本发明实施例，通过利用永磁体作为激励源，主励磁模块2和次励磁模块3分别产生中心磁场和周围磁场，周围磁场叠加在中心磁场上，会对中心磁场产生一定的影响，导致中心磁场的强度发生改变；次励磁模块3被配置为圆柱形永久磁铁，并在电机驱动下转动，当周围磁场发生转动时，会引起次励磁模块3产生的周围磁场方向改变，会使周围磁场叠加后的磁场强度也会发生变化，进而改变周围磁场对中心磁场的穿透效果，改变中心孔径内的磁场强度，进而导致有效孔径内的中心磁场发生梯度变化。通过多次循环转动次励磁模块3，实现基于电机控制调节的永磁四极磁铁的中心磁场梯度在磁铁的有效孔径内的连续可调变功能。
根据本发明的实施例，通过改变该四极磁铁的结构尺寸，该四极磁铁也可用于其他类型的储存环与同步加速器，或者其他的束流应用装置。
根据本发明实施例，第一容纳腔设置于外壳的中心位置，第二容纳腔环绕第一容纳腔设置。
根据本发明实施例，次励磁模块3被配置为设置在与磁极21相对应的位置。
根据本发明实施例，次励磁模块3被配置为圆柱形永久磁铁，次励磁模块3在电机驱动下转动。
根据本发明实施例，磁轭22和磁极21被间隔配置于第一容纳腔内，一般来说磁轭22起到调节传输磁力线的作用，但本发明中磁轭22采用具有磁力的永磁材料，用于提供相邻磁极21之间的磁场，使主励磁模块2形成稳定的、方向一致的、一体化的磁场。
根据本发明实施例，主励磁模块2被固定配置于第一容纳腔内，不可转动，用于提供稳定的中心磁场，在中心磁场稳定的情况下，才能够通过次励磁模块3对中心磁场进行调控，形成稳定变化的中心磁场梯度。
根据本发明的实施例，磁极21的材质为软磁材料。
根据本发明的实施例，软磁材料优选的为纯铁材料，还可以选择其他的具有较高的导磁率的软磁材料，例如软磁合金等。
根据本发明的实施例，软磁材料具有较高的饱和磁化强度，使磁极21的磁性能够在次励磁模块3的作用下发生改变，从而改变其在中心孔径范围内的磁场强度。
优选地，根据本发明实施例，磁铁配置有四个次励磁模块3。
根据本发明实施例，磁极21与次励磁模块3的数量相对设置，磁极21与次励磁模块3的数量根据对磁铁的需求进行变化。
根据本发明实施例，次励磁模块3的转动方向可以以逆时针或顺时针同时旋转。
图2为本发明实施例四极磁铁的第一象限结构示意图。
根据本发明实施例，在第一状态下，次励磁模块3的磁场方向沿次励磁模块3的中心点与主励磁模块2的中心点的连线分布，此时主励磁模块2的中心磁场梯度为最小值。
如图2所示，以主励磁模块2的中心点作为原点，将四极磁铁划分为4个象限，图2中示出了第一象限中的电极和次励磁模块3，在第一状态下的磁场方向。
根据本发明实施例，在第二状态下，次励磁模块3的磁场方向在电机的驱动下转动，使得主励磁模块2的中心磁场梯度连续可调。
根据本发明实施例，在第二状态下，次励磁模块3的磁场方向可以变化，且该状态下的磁场方向与第一状态下的磁场方向之间的夹角介于0-180°之间，可以为30°、45°、90°、150°等等。
根据本发明实施例，在第三状态下，次励磁模块3的磁场方向与第一状态的磁场方向相反，此时主励磁模块2的中心磁场梯度为最大值。
根据本发明实施例，中心磁场梯度最大值变化趋势与次励磁模块3的半径呈正相关；中心磁场梯度最小值变化趋势与次励磁模块3的半径呈负相关。
图3为不同次励磁模块半径与中心磁场梯度的关系曲线图。
如图3所示，当次励磁模块3分别对应一个中心磁场梯度的最大值和最小值，最大值与最小值之间的范围即磁场梯度调节范围。
通过改变主励磁模块2和次励磁模块3的物理尺寸，能够形成不同大小的有效孔径，和不同的中心磁场和周围磁场，进而引起中心磁场与周围磁场叠加效果的改变，进一步改变周围磁场对中心磁场的穿透效果，从而改变了有效孔径内中心磁场梯度。通过调节次励磁模块3半径以得到中心磁场梯度范围内最优半径。
根据本发明实施例，中心磁场梯度的范围与次励磁模块3的半径正相关。
根据本发明实施例，外壳1通过四块相同的连接件螺栓连接而成。
以下通过较佳实施例来对本发明的技术方案作详细说明，需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。
图4为本发明实施例四极磁铁的磁中心水平面最大中心磁场梯度(dBy/dx)与磁铁有效孔径的关系曲线图；
图5为本发明实施例四极磁铁的磁中心水平面最小磁场梯度(dBy/dx)与与磁铁有效孔径的关系曲线图。
例如，主励磁模块2和次励磁模块3的物理尺寸均可以进行调节，对于主励磁模块2半径R＝96mm，次励磁模块3半径为r＝25mm的可调节型永磁四极磁铁，通过调节次励磁模块3磁化方向，改变中心磁场梯度。
如图4和图5所示，为磁场梯度可调节永磁型四极磁铁(有效孔径14mm)磁中心水平面最大磁场梯度dBy/dx和最小磁场dBy/dx沿x轴分布图。磁铁的孔径也会影响磁铁的磁中心水平面最大、最小中心磁场梯度的变化。当磁铁的孔径范围为-9mm至9mm，中心磁场梯度数值介于磁感应强度的误差范围中，此时磁场分布较为均匀。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
还需要说明的是，在本公开的具体实施例中，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的尺寸、范围条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电机控制调节的永磁四极磁铁，包括：
外壳，包括具有第一容纳腔和第二容纳腔的非磁性金属骨架；
主励磁模块，被配置为设置在所述第一容纳腔内，所述主励磁模块包括磁轭和磁极，其中，所述磁轭的材质为永磁材料，相邻的所述磁极和所述磁轭相互侧面紧密贴合，且所述磁极和所述磁轭首尾相连围合在所述第一容纳腔内；
次励磁模块，被配置为设置于所述第二容纳腔内，通过电机驱动所述次励磁模块旋转改变所述次励磁模块的磁化方向，来调节所述主励磁模块的中心磁场梯度。
2.根据权利要求1所述的磁铁，所述第一容纳腔设置于所述外壳的中心位置，所述第二容纳腔环绕所述第一容纳腔设置。
3.根据权利要求1所述的磁铁，所述次励磁模块被配置为设置在与所述磁极相对应的位置。
4.根据权利要求1所述的磁铁，所述次励磁模块被配置为圆柱形永久磁铁，所述次励磁模块在所述电机驱动下转动。
5.根据权利要求1所述的磁铁，在第一状态下，所述次励磁模块的磁场方向沿所述次励磁模块的中心点与所述主励磁模块的中心点的连线分布，此时所述主励磁模块的所述中心磁场梯度为最小值。
6.根据权利要求5所述的磁铁，在第二状态下，所述次励磁模块的磁场方向在所述电机的驱动下转动，使得所述主励磁模块的所述中心磁场梯度连续可调。
7.根据权利要求5所述的磁铁，在第三状态下，所述次励磁模块的磁场方向与所述第一状态的磁场方向相反，此时所述主励磁模块的中心磁场梯度为最大值。
8.根据权利要求1所述的磁铁，所述中心磁场梯度的范围与所述次励磁模块的半径正相关。
9.根据权利要求1所述的磁铁，所述外壳通过四块相同的连接件螺栓连接而成。
10.根据权利要求1所述的磁铁，所述磁极的材质为软磁材料。
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