[发明专利]一种奇数层的Halbach阵列永磁体装置的设计与制作方法

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：

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：

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；