Магнит Российский патент 2023 года по МПК H01F7/00 H01F10/12 H01F10/26 

Магнитная система является основной частью ЯМР-релаксометров, определяющих их габариты и массу. Для создания малогабаритных релаксометров необходимы магнитные системы малого размера с достаточно высокими величинами напряженности и однородности магнитного поля в «рабочей» области пространства (в области размещения исследуемого объекта).

Известна малогабаритная магнитная система для спектрометра ЯМР на основе магнитов из сплава Nd-Fe-B по статье [1] Васильев П.А., Сайкин К.С. Приборы и техника эксперимента, 1993 г., №3, с. 211-214. Основными элементами конструкции системы являются ярмо и вкладыши из магнитомягкой стали, образующие замкнутый магнитопровод и расположенные параллельно друг другу с образованием воздушного зазора, магнитные пластины (постоянные магниты) из сплава Nd-Fe-B с полюсными наконечниками. На наружной части магнитопровода расположены катушки сдвига поля, а внутри системы - корректирующие катушки. Требуемая однородность поля достигается пропусканием тока через них и с помощью кольцевых шиммов.

Недостатком данной системы является относительно малая область однородности поля и необходимость ее поддержания с помощью пропускания стабильного по величине тока через корректирующие катушки, что делает ее энергозависимой, и технологические сложности изготовления, связанные прежде всего с трудностью отбора пары идентичных магнитных пластин по величине остаточной индукции и характеру распределения остаточной намагниченности в теле пластины.

Известно изобретение - Магнитная система по патенту РФ [2] № 2620579 С2, МПК H01F 7/02 (2006.01), G01R 33/38 (2006.01), Н05Н 1/16 (2006.01), авторов Кудреватых Н.В., Маслов А.Н., Волегов А.С., Козлов А.И. Заявка: 2015143578, 12.10.2015, (24). Дата начала отсчета срока действия патента: 12.10.2015, (45). Опубликовано: 29.05.2017, Бюл. №16. Патентообладатель(и): ФГАОУВО "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", АО "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова".

Задачей вышеупомянутого изобретения является повышение эффективности использования магнитного потенциала элементов пластины и повышение однородности магнитного поля в рабочем пространстве без изменения габаритов и массы самой магнитной системы с сохранением ее энергонезависимости.

Это достигается за счет того, что в магнитной системе, содержащей заключенные в замкнутый магнитопровод из магнитомягкого материала две установленные параллельно друг другу магнитные пластины, выполненные наборными из жестко соединенных между собой отдельных магнитов, одни стороны которых снабжены полюсными наконечниками из магнитомягкого материала и обращены друг к другу с образованием воздушного зазора, а противоположные стороны пластин соединены с магнитопроводом, наборные отдельные магниты пластин разделены на три концентрические зоны: центральную, площадь которой составляет 10-20% от всей площади пластины, периферийную площадью 50-60% от всей площади пластины и промежуточную, равную по площади разности между полной площадью пластины и площадями центральной и периферийной зон, в центральной зоне установлены идентичные по величине магнитного момента магниты с ориентацией вектора остаточной намагниченности магнитов перпендикулярно плоскости пластины, а модуль их вектора остаточной намагниченности составляет величину 0,6 по отношению к величине модуля вектора остаточной намагниченности у периферийных магнитов с аналогичной ориентацией вектора остаточной намагниченности, в промежуточной зоне установлены магниты с величиной модуля вектора остаточной намагниченности магнитов, равной величине модуля вектора остаточной намагниченности у периферийных магнитов, с его ориентацией в направлении к центру пластины под углом в диапазоне 50÷60° относительно нормали к плоскости пластины. Для компактности конструкции магнитопровод выполнен в виде двух жестко соединенных четырьмя стойками несущих квадратных пластин из магнитомягкого материала, образующих жесткий каркас, причем несущие квадратные пластины расположены параллельно магнитным пластинам, выполненным также в форме квадрата, развернуты по отношению к ним на угол 45° и жестко соединены с ними. Для коррекции величины и степени однородности магнитного поля между стойками и одной из несущих пластин размещены прокладки из магнитомягкого материала.

Недостатком изобретения является низкая однородность магнитного поля из-за трудной совместимости магнитных элементов при склейке и большой вес и габариты из-за использования сплошного замкнутый магнитопровод из магнитомягкого материала.

Наиболее близкой по достигаемому результату, направленному на дальнейшее снижение габаритов и массы магнитной системы и повышению однородности ее поля является изобретение по патенту РФ [3] № 2759 599 С2 МПК H02K 1/27 (2006.01) H01F 7/02 (2006.01) Магнитная структура с множеством отдельных магнитов, вставленных в решетчатую структуру авторов МИХАЙЛА, Василе (FR), МЕЙЁР, Лоик (FR), ТЬЕНЬЯ, Югетт (FR), РАВО, Ромен (FR), Заявка: 2019132966, 20.03.2018. Дата начала отсчета срока действия патента: 20.03.2018. Дата регистрации: 16.11.2021. Конвенционный приоритет: 22.03.2017 FR 1700295; 11.09.2017 FR 1700915. Дата публикации заявки: 22.04.2021. Бюл. №12, (45). Опубликовано: 16.11.2021. Бюл. №32. Патентообладатель(и): УАЙЛОТ САС (FR).

Трехмерная магнитная структура состоит из множества отдельных магнитов. Магнитная структура имеет толщину, образующую ее наименьший размер. Магнитная структура включает в себя по меньшей мере одну решетку, каждая из ячеек которой ограничивает гнездо для соответствующего отдельного магнита. Ячейки выполнены из усиленного волокнами изоляционного материала. Между гнездом и отдельным магнитом оставлено пространство, заполняемое смолой, усиленной волокнами. Магнитная структура содержит слой непроводящего композита, покрывающий отдельные магниты и решетчатую структуру. Изобретение находит свое предпочтительное, но не ограничительное применение для электромагнитного привода, производящего большую мощность при повышенной скорости вращения ротора, чего достигают за счет использования одной или нескольких магнитных структур в соответствии с настоящим изобретением.

Данное изобретение взято за прототип предлагаемого изобретения.

Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в создании простой конструкции, которую можно легко настроить на желаемые параметры магнитного поля, небольших габаритов и массы, но при этом обеспечить высокую однородность магнитного поля в цилиндрическом зазоре вдоль оси магнита. Чтобы преодолеть явление потери магнитного поля без использования громоздкого и тяжелого замкнутого магнитопровода, выбрана магнитная схема Хальбаха [4]. При такой структуре магнитное поле концентрируется в зазоре, величина потерь вне магнита незначительна.

Данное изобретение иллюстрируется Фиг. 1, на которой показана структура слоя магнита, состоящая из квадратных магнитных элементов, расположенных в соответствии с принципом Хальбаха.

Цифрами обозначены:

1 - отверстие диаметром 6,6 мм для соединения и фиксации слоев;

2 - магнитные элементы;

3 - ферритовая пластина (мягкое железо);

4 - буферный слой;

5 - магнитный каркас;

6 - отверстия для позиционирования слоев.

На Фиг. 2 показана полная структура магнита из 9-ти магнитных и 10-ти промежуточных слоев.

Цифрами обозначены:

1 - отверстие диаметром 6,6 мм для соединения и фиксации слоев;

2 - магнитные элементы;

3 - ферритовая пластина (мягкое железо);

4 - буферный слой.

Каждый магнитный слой имеет 3 магнитных кольца, причем каждое кольцо состоит из 16 элементов, расположенных по принципу Хальбаха. Магнитные элементы 2 представляют собой магниты типа NdFeB с габаритами 10×10×10 мм. Эти элементы установлены в отверстиях одинакового размера магнитных каркасы 5, изготовленной из акрилового стекла методом лазерной резки. 9 слоев укладываются друг на друга, и между слоями добавляется буферный слой 4 (см. Фиг. 2) толщиной 3 мм, выполненный из того же акрилового материала и таким же способом, что и рамка магнита, только без квадратных отверстий для установки магнитных элементов. Эти буферные слои выполняют функцию оптимизации напряженности магнитного поля. Кроме того, на этих рамках спроектировано 8 отверстий 1 диаметром 6,6 мм для соединения и фиксации магнитного и буферного слоев вместе. 2 других отверстия 6 того же диаметра используются для позиционирования слоев во время сборки. В цилиндрическом зазоре в центре рамок имеется 2 паза размером 35×4 мм, предназначенных для установки двух ферритовых 3 пластин с высокой проницаемостью (μ=10000-15000) размером 120×35×4 мм (или пластин из мягкого железа) для повышения однородности магнитного поля в зазоре. Кроме того, 2 буферных слоя 4 расположены сверху и снизу.

Общий вес магнита на диаметр образца ∅35 мм составляет 4,3 кг, что в 4 раза меньше, чем вес магнита со сплошным магнитопроводом из мягкого железа (электротехнической стали). Размер магнита составляет 120×140×140 мм. Измерения магнитного поля в цилиндрическом зазоре магнита показали значение индукции поля B_o=0.3068 Тл с осевой неоднородностью 1.6⋅10^-4.

Цитированная литература

1. Васильев П.А., Сайкин К.С. Приборы и техника эксперимента, 1993 г., №3, с. 211-214.

2. Патент РФ № 2620579 С2 Магнитная система Кудреватых Н.В., Маслов А.Н., Волегов А.С., Козлов А.И. от 12.10.2015.

3. Патент РФ № 2759599 С2 Магнитная структура с множеством отдельных магнитов, вставленных в решетчатую структуру МИХАЙЛА, Василе (FR), МЕЙЁР, Лоик (FR), ТЬЕНЬЯ, Югетт (FR), РАВО, Ромен (FR), Заявка: от 20.03.2018.

4. Mitchell J., Gladden L.F., Chandrasekera T.C., Fordham E.J. Low-field permanent magnets for industrial process and quality control // Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, 76 (2014) 1-60 www.elsevier.com/locate/pnmrs

Изобретение относится электротехнике и может быть использовано в малогабаритных ЯМР-релаксометрах. Технический результат заключается в создании простой конструкции, которую можно легко настроить на желаемые параметры магнитного поля, небольших габаритов и массы, при этом обеспечить высокую однородность магнитного поля в цилиндрическом зазоре вдоль оси магнита. Магнит состоит из множества отдельных магнитов и включает в себя решетки из усиленного волокнами изоляционного материала. Каждая из ячеек решетки ограничивает гнездо, достаточное для введения отдельного магнита. Магнит собран из двух ферритовых пластин и нескольких дисковых слоев-каркасов, собранных из магнитных элементов, расположенных в соответствии с принципом магнитной сборки Хальбаха. Каждый магнитный слой собран из трех колец. Между слоями имеются буферные слои из диэлектрического материала. Каждое кольцо состоит из четного числа ячеек, в которых располагаются магнитные элементы на основе NdFeB сплава. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Магнит, состоящий из множества отдельных магнитов и включающий в себя решетки из усиленного волокнами изоляционного материала, каждая из ячеек которой ограничивает гнездо, достаточное для введения отдельного магнита, отличающийся тем, что собран из двух ферритовых пластин и нескольких дисковых слоев-каркасов, собранных из магнитных элементов, расположенных в соответствии с принципом магнитной сборки Хальбаха, каждый магнитный слой собран из трех колец, между слоями имеются буферные слои из диэлектрического материала, причем каждое кольцо состоит из четного числа ячеек, в которых располагаются магнитные элементы на основе NdFeB сплава.

2. Магнит по п. 1, у которого каркас, используемый для установки магнитных элементов, изготовлен из диэлектрического материала, например, из акрилового стекла.

3. Магнит по п. 1, у которого буферные слои, например, из акрилового стекла.