常规磁铁设计.docx

文档介绍：常规磁铁设计
目录
常规磁铁设计 1
一、加速器中的磁铁 1
二、二极磁铁与四极磁铁的物理原理 3
三、二极磁铁工程设计 6
四、四极磁铁工程设计 12
五、最终设计结果 17
六、附录 程序代码 19其中，好场区宽度指满足均 匀度的磁铁极面宽度；磁间隙指极面间隙的高度。
表 1 内环二极磁铁参数
好场区宽度
80 mm
磁间隙g
50 mm
好场区磁感应强度B
T
好场区均匀度
T
偏转角度

长度
m
曲率半径
m
表 2 外环二极磁铁参数
好场区宽度
80 mm
磁间隙g
50 mm
好场区磁感应强度B
T
好场区均匀度

偏转角度

长度
m
曲率半径 m
其中内环外环二极磁铁均为平行边磁铁。
首先计算磁铁的安匝数。整个磁路由磁铁和一段气隙组成，由电
磁学磁路定理可得安匝数F
F = NI = 0. 8fgB
其中f为修正系数，f=~； B为好场区磁感应强度，单位 为高斯；g为气隙高度，单位为cm。取f=，可得安匝数F=61600 安培
由于二极磁铁的横截面是二维对称的，所以仅研究上半部分即可 即取安匝数的一半。采用外截面为6X6mmA2，内方孔4X4mmA2，内 通冷却水的线材，其横截面为20 mmH，在冷却水正常冷却情况下， 允许通过的最大电流密度为100A/mmA2，即每根导线允许通过的最 大电流为200A。一般要求实际电流要小于最大电流。取设计电流为 170A，则由上文所求安匝数可求得需要的线匝数N为
F 30800
N = = 沁180匝
I 170
为使绕制的线圈接线和冷却方便，故将线圈设计为绕制偶数排与 偶数层，即 10排18层共180匝。考虑导线之间的绝缘物件，导线绕 制要间距1mm，线包外也要留2mm厚的绝缘层， 的安装空间。最终可得到线圈横截面的尺寸大小，尺寸设计为 130X75mmA2.
我们知道，在两个无限大平板磁极间是匀强磁场，但工程是不可 能做到这一点的。但为了保证一定的磁感应强度均匀度，极面应在好
场区宽度的基础上向外延长一定的宽度。根据国内外积累的建造加速
器的经验，当均匀度达到万分之一时，即可满足加速器的要求。利用
半经验公式，我们可估计所需极面要向外延伸的长度
a = g (0. 75 - ln(100 _B))
2 B
0
5B
其中肝即为磁场均匀度，g为磁间隙高度。带入数据可估计极面 0
应向外延长70mm，则极面宽度应为140+80=220mm。根据线圈的大
小和极面的宽度，我们可以设计出磁铁的轮廓如下
o
220
610
-130.
220
磁铁的材质米用硅钢片，其B-H数据见附录。由于硅钢的物理性
质，当磁感应强度很强时，将会达到饱和状态。如下图
角处采用了圆角。而在磁铁的外围由于本身磁场较弱，设计圆角只会 增加加工成本，故未采用圆角。
接下来将磁铁的形状参数、安匝数、硅钢片 B-H 线数据写入 possion 程序的输入文件，进行计算。其中 possion 程序的数值计算方 法为有限差分法，网格划分为三角形网格。
将输入文件运行后，查看磁铁中是否有磁感应强度超过饱和值， 然后对磁感应强度进行分析，确定好场区范围是否达到80mm，若未 达到，则对极面进行垫补处理，最后调整安匝数，. 本次设计中，第一次计算中有部分区域磁场饱和，进行调整圆角的半 径大小；之后好场区仅有60mm左右，经多次调整，最终确定安匝数 为30002,单根电线电流为167A；增加垫补如图，单个垫补宽10mm， 高 。
最后计算结果如图所示
其中红色的线为磁感线。分析计算数据，调出磁间隙的磁感应强
度数据如图
Magnetic field from Poisson run on file Problem title line 1: No description
140 01

1^1000
133&&
如图可见，在 51cm-59cm 的 80mm 宽度内，磁感应强度上下波 动不超过万分之一，满足了好场区宽度的要求。
对于外环设计与内环类似，鉴于减少工厂设计建造费用，故直接 采用内