Магнитная фокусирующая система Советский патент 1980 года по МПК H01J23/87 

3 ыитов и внешней границы систем, а также использованием магнитов только с четырьмя направлениями намагниченности. Наиболее близким техническим решекием является аксиально-симметричная магнитная система, состоящая из магнитов с различным направлением намагниченностн. В ней наряду с аксиально и радиально намагниченными магнитами допускается применение магнитов с промежуточными направлениями намагниченности. Эффективность известной системы достигается за счет оптимальной формы поверхностей, по которым стыкуются магниты. Для каждой пары стыкуемых магнитов с различным направлением намагниченности эта поверхность имеет коническую форму со строго определенным углом раствора конуса. Конусы соосны с осью системы, а их верщины совпадают с центром рабочего зазора. Без существенного изменения эффективности системы в определенных пределах допускается отступление от оптимальных поверхностей раздела. Оптимальная форма поверхностей раздела -магнитов обеспечивает по сравнению с другими возможными формами и при прочих равных условиях наибольщук) напрял енность поля в центре рабочего зазора. Известное техническое решение имеет смысл только в том случае, если магнитная проницаемость магнитов равна единице, т. е., если система выполнена из магнитов с постоянной намагниченностью 3. Недостатком известной системы является то, что в ней не обеспечиваются минимальные вес и размеры, так как не выполняются условия наиболее эффективного размещения магнитного материала. Внеш-4 няя граница известной системы за пределами рабочего зазора имеет не оптимальную конфигурацию. Чаще всего применяется цилиндрическая форма внешней границы. Нри этом в контур системы входят малоэффективные зоны пространства, в которых магнитные элементы вносят малый вклад в поле центральной части зазора и не входят более эффективные зоны, располагаясь в которых, магнитные элементы5 того же веса могут создавать в центре зазора гораздо большую напряженность поля. Целью изобретения является уменьшение веса и размеров магнитной фокусирующей системы при сохранении напряженности поля в центре рабочего зазора. Поставленная цель достигается тем, что в магнитной фокусирующей системе, соетоящей из магнитов с постоянной намагни-6 ченностью различных направлений, образующая поверхности ее внещней границы за пределами рабочего зазора в плоскости осевого сечения расположена в пределах зоны, ограниченной линиями, являющими-6 4 ся геометрическим местом точек, удалениых от центра зазора на расстояние п п I - L Т/ (2f--i) + cos 2 К 4 где углы ф и отсчитаны от вектора поля в центре рабочего зазора в положительном нанравлении; ф - угол между вектором поля в центре зазора и прямой, проходящей через центр зазора и произвольную точку на образующей;ijj - угол между вектором поля в центре зазора и вектором намагниченности , магнита, на поверхности которого расположена эта точка; L - длина системы по оси, совпадающей с направлением поля в центре зазора, На фиг. 1 изображен общий вид МФС с замкнутым цилиндрическим зазором; на фиг. 2 - то же, со сквозным цилиндрическим зазором; на фиг. 3 - то же, с плоскопараллельным зазором; на фиг. 4 и 5 - чертежи, поясняющие определение угла для магнитов с заданным направлением намагниченности (общий случай); на фиг. 6 - образующая внешней границы МФС и пояснение определений ф и R; на фиг. 7 - общий вид полюса опытного образца МФС ГДИ с технологичной конфигурацией внещних границ; на фиг. 8 - линии равных удельных вкладов для систем, состоящих из радиально и аксиально намагниченных магнитов и контур известной системы. Предлагаемая магнитная фокусирующая система состоит (фиг. 1-3) из магнитов 1-5 с постоянной намагниченностью. Магниты 1-5 имеют различные направления намагниченности. На фиг. 1-3 приведены варианты предлагаемой системы, которые состоят из магнитов только с четырьмя направлениями намагниченности: магниты 1 и 5 намагничены аксиально по направлению поля в зазоре, магниты 2 намагничены в противоположном направлении и магниты 3 и 4 - в радиальном. Возможны другие варианты предлагаемой системы, в которых используются магниты (любое количество), направление намагниченности которых занимает любое промежуточное паправление между радиальным и аксиальным. Система условно делится на два полюса, которые могут быть как замкнутыми (фиг. 1 и 2), так и разомкнутыми (фиг. 3). Рабочий зазор АБСД имеет форму, зависящую от конструкции ЭВП. Он может быть, например, замкнутым цилиндрпческим (фиг. 1), сквозным цилиндрическим (фиг. 2) и с нлоскопараллельными границами (фиг. 3). Направления намагпиченности магнитов 1-5 заданы векторами 6 намагниченности. В общем случае (фиг. 4, 5) между вектором 7 магнитного поля в центре О зазора АБСД и векторами

б намагниченности данных магнитов 8 и 9 образуется угол о)), отсчитываемый в положительном направлении (против часовой стрелки) от вектора 7. Вектор 7 лежит на оси системы 10. На фиг. 4 и 5 пунктиром показан перенесенный для совмещения с началом вектора 7 вектор 6 и отсчет угла г). Для систем, изображенных на фиг. 1-3, угол -ф имеет значения: для магнитов 1 и 5 - ij) О, для магнитов 2 -г|) зг, для магнитов 3-xl) jT/2, для магнитов 4-115 (3/2) я. Магниты 1 состыкованы с магнитами 3, магниты 3 и 4 - с магнитами 2, магниты 5 - с магнитами 4, а магниты 8 и 9 - с соседними магнитами (не показанными на фнг. 4, 5), по поверхностям И раздела. В оптимальном случае эти поверхности имеют коническую форму с оптимальными углами раствора конусов.

Образующая 12 поверхности внещней границы системы в плоскости осевого сечения (по оси 10) состоит из отрезков 13-19, каждый из которых ограничивает соответственно магниты 1-9. Образующая 12 расположена в пределах зоны 20 (защтрихованной на фиг. 1 и 6) в плоскости осевого сечения. Зона 20 ограничена линиями 21 и 22 (показаны пунктиром), которые являются геометрическим местом точек, удаленных от центра зазора на расстояние

3

1 / 1±0,05 1 / 3 cos (2cf Ч- ф) + cos ф

yi

2 Y4

Внутренняя линия 21 является геометрическим местом точек, удаленных на расстояние

3

/ - Z 1/ 3cos(2o -ф) + cos 6 212

а внешняя линия 22 - на расстояние

3

D -. I 1+0,05 1/3cos(29 - ф) + cosb К4

В тех случаях, когда зазор АБСД соприкасается с внешней границей системы (фиг. 2 и 3), зона 20 ограничивается еще и контуром рабочего зазора, т. е. в общем случае ограничивается линиями 21 и 22 за пределами рабочего зазора.

В формуле (1) ф - текущий угол вектором 7 поля в центре зазора и прямой 23 (фнг. 6), проходящей через центр О зазора н произвольную точку на образующей 12 Угол ф отсчитывается в положительном направлении от вектора 7. Угол -ф р формуле (1) соответствует тому , на поверхности (т. е. на отрезке или 19) которого находится точка 24, В пределах каждого магнита, т. е. при располож-1И1и текущей точки 24 на одном из отрезкув 13-19 образующей 12, значение tj) постоянно. В формуле I - длина 9|}стемй по оси 10,

Система имеет наименьщие вес и размеры в случае, когда образующая 12 расположена по линии, являющейся геометрическим местом точек, удаленных от центра О на расстояние

3

„ г 1 1 /3 cos (2tp - Ф) cos dT

- ТУ4

Однако без существенного изменения эффектизности системы образующую ее внещней границы можно расположить вблизи оптимального положения, в пределах зоны 20. Такое отклонение от оптимума позволяет применять технологичную конфигурацию внещних границ МФС. На фнг. 7 приведен прнмер конструкции полюса МФС с технологичными внещними границами. Образующая 12 в этом случае имеет вид ломаной линии.

Расположение образующей 12 внещней границы МФС в пределах зоны 20 обеспечивает наиболее эффективное для создания поля в центре зазора расположение магиитожесткого материала - магнитов с

постоянной намагниченностью. За счет этого предлагаемая МФС по сравнению с известной при прочих равных условиях (расположение поверхностей раздела, параметры материала н рабочий зазор) обеспечнвает больщую напряженность поля. При одинаковом поле в центре зазора в предлагаемой системе уменьщается вес и размеры. Для объяснения конфигурации внещних

границ предлагаемой системы рассмотрим удельный вклад в осевую компоненту магнитного поля в центре О зазора магнитных элементов малой величины (на зфовне размеров доменов). Под з дельным вкладом

попнмают величину , где Вг - осевая компонента поля, которая создается данным магнитным элементом (элементарным магнитом) в центре О, а Р - вес элемента. Поверхности 11 раздела предполагаются заданными (например, конической формы) и имеющими такую же конфигурацию, как в известной системе. Этим определены те пространственные (конические) области, в которых можно располагать магниты с данным направлением намагниченности. В пределах каждой из таких областей пространства определим изменение удельного вклада магнитных элементов. По условиям задачи в пределах

каждой области вектор намагниченности элементов должен совпадать по направлению с вектором намагниченности того магнита, в области которого он находится (угол т)). Внешние границы областей не

ограничиваются.

На оси 10 системы каждому значению удельного вклада соответствует единственное значение расстояния h от центра зазора до точки на оси 10, в которой С С(,

На фиг, 8 изменение удельного вклада нч оси 10 системы представлено слева в относительных единицах, d уменьшается с удалением от центра 0. Для каладого значения Сг МОЖНО построить иоверхности равных удельных вкладов, на которых d const. Образующие этих поверхностей в осевом сечении (линии равных удельных вкладов) описываются выражением3 cos (2tp - ф) + cos ф где Ri - расстояние от центра О зазора до произвольной точки на образующей (на линии равного удельного вклада), а ф - угол между вектором 7 поля в центре О и прямой, проходящей через центр О и эту точку, отсчитанный от вектора 7 в положительном направлении. Угол определен выше и отсчитывается в том же направлении. На фиг. 8 представлены линии 25 равных удельных вкладов (образующие поверхностей) для случая, когда МФС состоит из радиально и аксиально иамагниченных магнитов 1-5. Для получения заданного поля в центре О зазора при минимальном весе (и объеме) системы необходимо последовательно заполнять магнитным материалом зоны, ограниченные этими линиями, в порядке убывания их эффективности, т. е. удельного вклада. Совершенно нецелесообразно, например, только частично заполнить зону с большим вкладом, так как это потребует применения большего количества магнитного материала в менее эффективных зонах. Следовательно, оптимальная внешняя граница системы должиа располагаться на поверхности равных удельных вкладов с образующей 25. На фиг. 8 пунктиром показаны контуры 26 известной системы. В ней магнитным материалом не заняты полностью зоны I-V, эффективность которых убывает с увеличением номера. Если в известной системе магнитный материал из частично заполненных зон (например, III, IV и V) с большим номером переместить в зоны с меньшим номером (например, I и II) до полиого заполнения последних, то каждый перемещенный магнитный элемент создает большее поле в центре зазора, т. е. произойдет увеличение поля. Если после этого уменьшить количество магнитного материала в граничных областях системы, исключая его последовательно по линиям 25 удельного вклада, можно уменьшить поле в центре зазора до такой же величины, как в известной системе, но при значительно меньших размерах и весе МФС. Таким образом, в предлагаемой системе обеспечивается уменьшение веса и размеров. Подставив в выражение (2) вместо /, половину длины L системы по оси 10, получаем формулу (1), задающую конфигурацию оптимальной внешней границы МФС. Каледой конкретной конфигурации рабочего зазора и заданной величине нанряженности поля соответствует определенное расчетное значение L, но только в том случае, когда внешние границы заданы формулой (1), система имеет минимальные вес и размеры. В варианте конструкции МФС со сквозным рабочим зазором (фиг. 2) под длиной L системы ионимается длина полной системы (фиг. 1), частью которой она является. Кроме того, предложенная система позволяет по формуле (I) найти соотношение между L и диаметром D системы из условия R D при ф - и определить длину полной системы и ее границы. Внешняя граница системы может распо лагаться на поверхности, образующей которой является, например, ломаная линия (фиг. 7). Допустимые отклонения образующей от оитимума при которых эффективность МФС меняется несущественно, заданы в формуле (1) коэффициентом (1± ±0,05). Он получен из критерия потери эффективности МФС, принятого в известном техническом решении. В нем считается, что эффективность системы существенно не изменится, еслн поверхности раздела расположить но коническим поверхно стям с углами раствора, отличающимися от оптимальных на ±20°. Расчет показывает, что такое отступление от оптимума вызывает в известной системе уменьшение удельного вклада магнитных элементов на 40%. Эта цифра принята исходной в качестве допустимого изменения удельного вклада С, при котором эффективность системы существенно не изменяется. По ней определены допустимые изменения L и в формулу (1) введен указанный коэффициент. Полол ительный эффект, достигаемый в предлагаемой МФС, подтвержден расчетными и экспериментальными данными. Образец № I МФС сравнивался с образцом системы (прототипа), который имел такой зазор с длиной 50 мм, такие же поверхности раздела магнитов, формировал такое поле в центре О (4100 Гс), но имел цилиндрические внешние границы. Вес образца системы - прототипа составляет б кГ, на 2,5 кГ больше. Общий вид опытных -образцов предложенной МФС показан на фиг. 7. Для улучшения технологичности магниты 1 с осевой намагниченностью имеют форму шестиугольных призм, а магниты 2 с радиальной намагниченностью составлены из деталей, имеющих форму четырехугольных призм. Образующая внешней границы МФС представляет собой ломаную линию, раеположенную в зоне 20. Наборы магнитов полю

сов МФС вклеены в дюралюминиевую арматуру.

Для МФС ГДИ и ЛОВ с различной степенью, технологичности внешних границ и поверхностей раздела, с плоскопараллельным зазором от 50 до 40 мм и полем от 4 до 5 кГс уменьшение веса предлагаемой системы по рассчетным и экспериментальным данным составляет в среднем 1, кГ.

Формула изобретения

Магнитная фокусируюш,ая система, соетояш,ая из магнитов с постоянной намагниченностью различных направлений, отличаюш,аяся тем, что, с целью уменьшеиия ее веса и размеров при сохранении напряженности поля в центре рабочего зазора, образующая поверхности ее внешней границы за пределами рабочего зазора в плоскости осевого сечеиия расположена в пределах зоны, ограниченной линиями, являюндимися геометрическим местом точек, удаленных от центра зазора на расстояние.

1

3 cos (2о - ф) + cos 1

где углы ф и ij) отсчитаны от вектора поля в центре зазора в положительном направлении;

Ф - угол между вектором поля в центре зазора и црямой, проходящей через центр зазора и произвольную точку на образующей;

ij) - угол между вектором поля в центре зазора и вектором намагниченности магнита, на иоверхности которого расположена эта точка;

L - длина системы по оси, совпадающей с направлением вектора поля в центре зазора.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

1.Дерягин А. В. Редкоземельные магнитожесткие материалы. УФН, Ч. 120, вып. 3, 1976, с. 393-437.

2.Патент США N° 3768054, кл. 315-3,5, опублпк. 1973.

3 Авторское свидетельство СССР Л 513396, кл. Н 01F 7/00, 1973 (прототип).

20

f

20

// 7

//

16

п

;/

V

1

zz

I-, /

I

ZG

/ 2S // C 0,6 2 ;; 2ff //