永磁体磁场三维模拟及其对粒子作用研究
磁场对带电粒子的作用及其应用实例
磁场对带电粒子的作用及其应用实例磁场是一种力场，它对带电粒子有着显著的作用。
当一个带电粒子运动时，如果它在磁场中，磁场将产生力对粒子施加作用。
这种力称为洛伦兹力，它垂直于粒子的速度方向和磁场的方向。
磁场对带电粒子的作用是基于洛伦兹力的。
根据洛伦兹力的方向规律，当带电粒子的电荷和速度方向相互垂直时，洛伦兹力将会使粒子偏离原来的运动轨道。
这种偏转效应被广泛应用在物理实验和技术中。
磁场对带电粒子的应用广泛而多样。
下面将介绍一些具体的应用实例。
1. 电子束和阴极射线管：在电视、显示器和背景辐射设备中，阴极射线管使用磁场来控制电子束的偏转。
磁场使电子束在屏幕上形成各种亮点和彩色图像，从而实现图像的显示。
2. 电子加速器：在粒子物理学实验中，磁场常用于加速器中。
磁场通过对带电粒子施加的洛伦兹力来加速粒子，并使其沿着想要的轨道运动。
这种加速器可以产生高速带电粒子，用于研究基本粒子和物质结构。
3. 磁共振成像（MRI）：医学领域使用磁场的重要应用是磁共振成像。
MRI利用强大的磁场和无害的射频波来生成人体内部的详细图像。
磁场对带电粒子的作用可以使人体内的氢原子核发生共振，产生与组织特性相关的信号，从而实现对人体组织的非侵入性成像。
4. 磁选机：磁选机是一种利用磁场对带电粒子进行分离和分选的装置。
在矿山和冶金行业中，磁选机广泛应用于矿石的提取和精矿的制备。
通过调节磁场的强弱和方向，不同磁性的矿物可以被分离出来，以提高矿石的质量和纯度。
5. 高能粒子物理实验：在高能物理实验中，如粒子对撞机和加速器实验，强大的磁场常用于轨道和动量的测量。
磁场对带电粒子运动的影响可以提供对粒子性质和相互作用的重要信息，从而加深对基本物理规律的理解。
总结起来，磁场对带电粒子的作用广泛应用于科学研究、医学技术和工业生产中。
无论是在电子技术的显示器中，还是在医学成像设备中，磁场的作用都发挥着关键的角色。
磁场对带电粒子的控制和分离为各个领域的发展提供了重要的手段和工具，促进了科学的进步和技术的应用。
磁场对带电粒子的作用
磁场对带电粒子的作用磁场是指存在磁力的区域，而磁力是一种物理力量，能够对带电粒子产生影响。
本文将探讨磁场对带电粒子的作用及其相关原理。
一、洛伦兹力磁场对带电粒子的主要作用是产生洛伦兹力。
洛伦兹力是由磁场和粒子运动速度的向量积所引起的，其大小和方向都与带电粒子的电荷、速度以及磁场的强度和方向有关。
当带电粒子以一定速度穿过磁场时，洛伦兹力垂直于速度方向和磁场方向，并遵循右手定则。
若带电粒子的电荷正负性与速度方向一致，则洛伦兹力垂直于速度和磁场方向向内；若电荷正负性与速度方向相反，则洛伦兹力垂直于速度和磁场方向向外。
洛伦兹力的大小与磁场强度成正比，与带电粒子的电荷量和速度的乘积成正比。
这意味着，在相同的磁场中，电荷量越大或速度越快的粒子所受到的洛伦兹力越大。
二、磁场对运动轨迹的影响由于洛伦兹力的存在，磁场可以改变带电粒子的运动轨迹。
当带电粒子运动速度与磁场相垂直时，洛伦兹力的作用会使粒子偏离原来的直线运动轨迹，进而形成一个圆形轨迹。
这种轨迹称为磁场中的回旋轨道。
回旋轨道的半径与粒子的电荷量、速度以及磁场的强度成正比。
当磁场强度增加时，回旋轨道的半径也会增加；当速度增加时，回旋轨道的半径亦会增加。
需要注意的是，磁场只能改变粒子的运动轨迹，而不能改变粒子的速度。
当粒子进入磁场后，其速度大小保持不变，仅改变方向。
三、粒子在磁场中的稳定性带电粒子在磁场中的稳定性主要取决于洛伦兹力和离心力之间的平衡情况。
洛伦兹力试图将粒子推向轨迹的中心，而离心力试图将粒子推离轨迹的中心。
当洛伦兹力和离心力相等时，粒子将保持在磁场中心的回旋轨道上，保持稳定。
若洛伦兹力大于离心力，粒子将向轨迹中心靠拢；若洛伦兹力小于离心力，粒子将离开回旋轨道。
四、应用与实际意义磁场对带电粒子的作用在物理学研究、电子技术和医学等领域具有广泛的应用和实际意义。
在物理学研究领域，磁场的作用有助于科学家们对带电粒子的运动进行研究，揭示微观世界的奥秘。
在电子技术中，磁场可用于电子设备的控制和操纵。
探讨磁场对带电粒子的影响
探讨磁场对带电粒子的影响自从人们第一次发现电流和磁场之间有一种特殊的相互作用关系，磁场对带电粒子的影响便成为了一项重要的研究课题。
通过探讨磁场对带电粒子的影响，我们可以更好地理解自然界中的各种现象，并应用于技术和科学领域。
一、磁力对带电粒子的作用在研究磁场对带电粒子的影响之前，先让我们回忆一下初中物理中学过的洛伦兹力定律。
根据洛伦兹力定律，带电粒子在外磁场中会受到一个由磁场和其自身的速度方向共同决定的力的作用。
这个力的方向垂直于带电粒子的速度和磁场的方向，并且大小与带电粒子的电荷量、速度和磁场强度有关。
磁力对带电粒子的作用有几个重要的特点。
首先，磁场只对带电粒子的运动方向产生影响，而不会改变其速度的大小。
其次，磁力对于正电荷和负电荷产生的效应也是相反的，使正电荷偏转方向与负电荷相反。
最后，当带电粒子的速度与磁场的方向平行时，磁力不会对其产生作用。
二、带电粒子在磁场中的运动在外磁场的作用下，带电粒子会发生一系列有趣且有规律的运动。
当带电粒子的速度垂直于磁场时，它将绕着磁场线做圆周运动。
圆周运动的半径与带电粒子的质量、电荷量、速度以及磁场的强度有关，并遵循洛伦兹力定律的数学表达式。
此外，当带电粒子的速度和磁场的方向不完全垂直时，它将做螺旋状运动，在垂直于磁场的平面上既有往心力，又有离心力的作用。
这种运动通常称为回旋运动，其轨迹可以是螺旋线或椭圆线，取决于带电粒子的初始速度和磁场的强度。
三、磁场对带电粒子的应用磁场对带电粒子的影响既有理论意义，又有实际应用。
它不仅被广泛运用于科学研究和实验物理学中，还在许多技术领域得到应用。
一项重要的应用是磁共振成像（MRI）技术。
MRI技术利用磁场对带电粒子的影响原理，通过对人体内部的带电粒子进行调控和感应，获得人体器官的高分辨率图像。
这种非侵入性的成像技术在医学领域中被广泛应用，为疾病的诊断和治疗提供了重要的依据。
此外，磁场对带电粒子的影响还被应用于电子加速器和磁控管等设备中。
磁场对带电粒子的轨道和自旋的影响
磁场对带电粒子的轨道和自旋的影响磁场是物理学中一个重要的概念，广泛应用于多个领域。
在物理学中，磁场存在于各种形式和尺度下，从微观的原子层面到宏观的地球磁场，都会对带电粒子的运动产生影响。
本文将探讨磁场对带电粒子的轨道和自旋的影响，以及这种影响在科学和技术领域中的应用。
首先，让我们了解磁场对带电粒子的轨道的影响。
磁场可以通过洛伦兹力来影响带电粒子的运动轨迹。
当带电粒子进入磁场中时，磁场会施加一个垂直于粒子速度和磁场方向的力，这个力被称为洛伦兹力。
根据洛伦兹力的方向，带电粒子将沿着一个特定的弯曲轨道运动，这个轨道被称为洛伦兹轨道。
洛伦兹轨道是一种曲率与带电粒子的质量、电荷和速度相关的特殊轨道。
在强磁场下，带电粒子的运动可呈现出闭合的环形轨道，这种现象被称为磁束陷阱。
磁束陷阱的概念在核聚变和等离子体研究中有重要的应用。
除了轨道的影响，磁场还对带电粒子的自旋产生影响。
自旋是带电粒子的一种内禀性质，类似于物体的自旋。
在存在磁场的情况下，带电粒子的自旋也会发生预cession的运动，这是一种类似于陀螺仪旋转的现象。
磁场会对自旋施加一个力矩，使得自旋在垂直于磁场方向的平面上旋转。
这种自旋预cession的运动速度称为Larmor频率，与带电粒子的旋磁比和磁场强度相关。
自旋预cession在核磁共振成像中广泛应用，通过分析带电粒子自旋的运动，可以对物质的结构和化学性质进行研究。
除了理论研究外，磁场对带电粒子轨道和自旋的影响也在实际应用中发挥着重要作用。
例如，磁共振成像（MRI）技术利用磁场对带电粒子自旋的影响，实现了非侵入性的生物医学成像。
MRI技术通过在人体中施加强大的磁场，使带电粒子的自旋预cession产生信号，然后通过监测这些信号，可以获得人体组织的详细结构信息。
这种非侵入性的成像技术在临床诊断中得到广泛应用，对发现疾病和指导治疗起到了重要作用。
此外，磁场对带电粒子轨道和自旋的影响还在物理学研究中发挥着重要作用。
矩形永磁体三维磁场空间分布研究
矩形永磁体三维磁场空间分布研究本文基于矩形永磁体的三维磁场模型，通过有限元分析软件进行模拟计算，得出了该磁体在不同工作状态下的磁场空间分布情况。
结果表明，该磁体的磁场强度分布呈现出明显的非均匀性，且磁场强度与磁体的尺寸、磁化强度等因素密切相关。
通过对磁体的优化设计，可以有效地提高其磁场均匀性，为磁力传动等应用提供了理论依据和实验基础。
关键词：矩形永磁体；三维磁场；磁场分布；有限元分析；优化设计引言永磁体是一种常见的磁性材料，具有稳定的磁性能和较高的磁场强度，广泛应用于电机、传感器、磁力传动等领域。
其中，矩形永磁体作为一种常见的形状，其磁性能和磁场分布对于应用效果具有重要影响。
因此，研究矩形永磁体的三维磁场空间分布规律，对于优化其设计和应用具有重要意义。
本文基于有限元分析方法，建立了矩形永磁体的三维磁场模型，并对其在不同工作状态下的磁场空间分布进行了模拟计算和分析。
通过对模拟结果的分析，得出了磁场强度分布的规律，并提出了优化设计的思路和方法。
方法1. 矩形永磁体的三维磁场模型矩形永磁体是一种常见的矩形形状的永磁体，其磁场分布与其尺寸、磁化强度等因素密切相关。
为了建立其三维磁场模型，需要先确定其几何尺寸和磁化强度等参数。
在本文中，我们采用了一种较为常见的矩形永磁体，其几何尺寸为20mm×10mm×5mm，磁化强度为1.2T。
2. 有限元分析方法有限元分析方法是一种常用的数值模拟方法，通过将物体离散成有限个小单元，建立数学模型，并采用数值方法求解，得到物体的应力、变形、磁场等物理量。
在本文中，我们采用了有限元分析软件ANSYS进行模拟计算，建立了矩形永磁体的三维磁场模型，并对其在不同工作状态下的磁场空间分布进行了模拟计算和分析。
结果与讨论1. 矩形永磁体的磁场分布规律通过有限元分析软件的模拟计算，我们得到了矩形永磁体在不同工作状态下的磁场空间分布情况。
图1-3分别为矩形永磁体在不同工作状态下的磁场分布图。
磁场的作用探究磁场对带电粒子的力和磁铁的吸引排斥作用
磁场的作用探究磁场对带电粒子的力和磁铁的吸引排斥作用磁场的作用探究——磁场对带电粒子的力和磁铁的吸引排斥作用磁场作为物理学中重要的概念之一，对于带电粒子和磁铁都有着重要的作用。
本文将对磁场对带电粒子的力和磁铁的吸引排斥作用进行探究，并深入理解其原理与机制。
一、磁场对带电粒子的力磁场对带电粒子的力的作用是通过洛伦兹力来实现的。
洛伦兹力是指带电粒子在磁场中受到的力，其方向与速度和磁场方向垂直。
具体表达式为F = qvBsinθ，其中F表示洛伦兹力，q为粒子的电荷量，v为粒子的速度，B为磁场的磁感应强度，θ为速度与磁场方向的夹角。
洛伦兹力的方向可通过右手定则确定。
首先，将右手伸直，将食指指向粒子的速度方向，中指指向磁场方向，那么拇指所指方向即为洛伦兹力的方向。
如果粒子是正电荷，则洛伦兹力指向磁场方向；如果粒子是负电荷，则洛伦兹力与磁场方向相反。
二、磁场对带电粒子的轨迹由于洛伦兹力的作用，带电粒子在磁场中的轨迹将发生偏转。
具体来说，当带电粒子的速度与磁场方向垂直时，粒子将绕着磁场线做匀速圆周运动；当速度与磁场方向不垂直时，粒子将在磁场中遵循螺旋线运动。
带电粒子在磁场中的偏转轨迹受力大小和方向的影响。
当速度越大、电荷量越大、磁感应强度越大时，带电粒子偏转的角度越大。
同时，洛伦兹力的方向始终垂直于速度和磁场方向，这使得粒子的轨迹呈现出相对稳定的形态。
三、磁场对磁铁的吸引排斥作用除了对带电粒子的影响外，磁场还对磁铁产生吸引排斥的作用。
在磁场中，两个磁铁之间会产生磁力，表现为吸引或排斥的效应。
根据磁极的性质，有两种情况：1. 同性相斥：当两个磁铁的南极或北极相朝时，它们之间会产生相互排斥的力。
这是由于同性磁极之间产生的磁场方向相同，从而使得两者之间的洛伦兹力方向相反，产生排斥力。
2. 异性相吸：当两个磁铁的南极和北极相朝时，它们之间会产生相互吸引的力。
这是因为异性磁极之间产生的磁场方向相反，从而使得两者之间的洛伦兹力方向相同，产生吸引力。
磁场与磁力研究磁场对磁性物体的作用与力的产生
磁场与磁力研究磁场对磁性物体的作用与力的产生磁场与磁力研究磁场对磁性物体的作用与力的产生磁场与磁力是物理学中重要的概念，在我们的日常生活中起到了重要的作用。
本文将研究磁场对磁性物体的作用以及力的产生，探讨磁场与磁力的相关原理和应用。
一、磁场对磁性物体的作用磁场是由具有磁性的物质或电流所产生的一种特殊物理场。
当磁场与磁性物体相互作用时，会产生特定的作用。
首先我们来讨论磁场对铁磁物质的作用。
铁磁物质是指具有自发磁化现象的物质，常见的铁磁物质有铁、镍和钴等。
当这些物质置于磁场中时，会受到磁力的作用，使其发生磁化。
这种磁化是由于磁场使铁磁物质内部的微观磁性颗粒（例如磁畴）重新排列而引起的。
磁区是铁磁物质中具有相同磁化方向的微区域。
在无外加磁场时，磁区的磁化方向是杂乱的，即自发磁化程度较低。
而当外加磁场施加在铁磁物质上时，磁区的磁化方向受到磁场的约束，趋向于与磁场方向一致。
这样，铁磁物质整体上就产生了磁矩，形成了一个较为有序的磁化状态。
二、力的产生：洛伦兹力在磁场中，磁性物体受到的力主要是洛伦兹力。
洛伦兹力是由磁场和运动电荷之间的相互作用而产生的一种力。
当带电粒子或电流通过磁场时，会受到洛伦兹力的作用。
洛伦兹力的大小与带电粒子或电流的速度、电荷量以及磁场的强度有关。
洛伦兹力的方向垂直于磁场方向和带电粒子（或电流）的运动方向，并且遵循右手定则。
例如，当电流通过一段导线时，导线中的电子将受到磁场的作用，从而产生洛伦兹力。
根据右手定则，电子将受到一个垂直于电流方向和磁场方向的力。
同样地，导线中的正电荷也将受到相同大小的洛伦兹力，但方向与电子相反。
这使得导线整体上受到一个侧向力，导致导线在磁场中发生偏转。
三、应用与实际例子磁场与磁力的研究在实际生活中有许多应用。
以下将介绍几个常见的例子。
1. 电动机电动机是利用磁力产生机械功的装置。
其工作原理是通过在磁场中的电流产生的洛伦兹力推动电动机转子的旋转。
这种应用广泛的设备可以在家电、机械设备等领域中见到。
磁力对带电粒子的影响与计算
磁力对带电粒子的影响与计算磁力（Magnetic force）是一种与电磁场相互作用的力，它对带电粒子产生引力或斥力，并可通过数学公式进行计算。
本文将探讨磁力对带电粒子的影响以及相应的计算方法。
一、磁力的起源和基本原理磁力是由产生磁场的电流或磁体对另一带电粒子产生的力所引起的。
根据洛伦兹定律（Lorentz force），当带电粒子在磁场中运动时，会受到磁力的作用。
这个力的大小取决于粒子的电荷、速度以及磁场的强度和方向。
二、磁力对带电粒子的影响1. 磁力对带电粒子的轨迹有一定的影响。
当电荷运动方向与磁场方向垂直时，磁力将使带电粒子绕磁场线旋转；当电荷运动方向与磁场方向平行时，磁力将使带电粒子受到偏转。
2. 磁力可改变带电粒子的速度。
磁力对带电粒子的作用方向垂直于速度方向，因此会改变粒子的速度大小。
3. 磁力可改变带电粒子的能量。
带电粒子在磁场中受到力的作用，会发生能量转化，从而影响粒子的能量状态。
三、磁力的计算方法1. 当带电粒子以速度v进入垂直于磁场的区域时，磁力的大小由洛伦兹力公式给出：F = qvBs inθ，其中F为磁力的大小，q为粒子电荷，v为带电粒子的速度，B为磁场的强度，θ为速度方向与磁场方向之间的夹角。
2. 当带电粒子以速度v进入平行于磁场的区域时，磁力的大小为零，因为磁力与速度方向平行，而θ为0度，sinθ为零。
四、磁力对带电粒子运动的应用1. 粒子加速器中的运用。
粒子加速器利用磁场的作用将带电粒子加速到很高的能量，从而可以进行高能物理实验。
2. 磁共振成像（MRI）。
磁共振成像利用磁场对带电粒子的影响，通过检测原子核的反应信号，得到人体或物体内部的影像。
结论磁力对带电粒子有着显著的影响，它通过改变粒子的轨迹、速度和能量等方面，对带电粒子的运动产生重要作用。
我们可以通过洛伦兹力公式来计算磁力的大小，从而进一步研究磁力对粒子的影响。
通过对磁力的理解和应用，我们可以推动物理学、医学等领域的发展，并为人类的科学研究和技术应用提供更多可能性。
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由分析仿真图形可以得出如下结论: 采用 2 个 相 同磁极的布置方法，磁感线和磁通密度分布几乎是一 个同心圆的结构，但是由图 3 的数值可以看出，磁场 强度比较弱; 采 用 4 个 相 同 磁 极 ( N － S － N － S ) 间 隔 均匀的分布方法，由图 5 可以看到在同一个圆周上 磁 场强度大小近乎相等，随着磁极距离变大，磁场逐渐
1 α v x = f r + f θ + f x 。 …… ( 10 ) 2 r θ 其中: α 是一个 微 小 的 参 数， 它 表 示 磁场 B 随 x 和 r 的变化是缓慢的。 由以上分析可得: ①洛仑兹 力 的径 向 分 量 f r 与 r 反向，因此，带电粒子作回旋运动所需的向心力大小 为 f r ; ②带电粒子所受洛仑兹力的 θ 分量 f θ 也与 θ 的 方向相反，在 f θ 的作用 下 粒 子 速 度 v θ 分 量 将 逐 渐 增 大，随着 v θ 的增大回旋运动的速度也逐渐增大; ③f x 与 x 反向， 因此， 在 f x 的 作用 下， 粒 子 前 进 的 速 度 逐渐减小。这样，当带电粒子进入永磁体磁场后，将 以一定的速度环绕 x 轴作螺旋线运动，且前进的 速 度 沿 x 轴逐渐减小，而作回旋运动的速度则逐渐增大。 ( 1 + α x ) v r］ θ － qB0
∮H × di = 0 。 ……………………………… ( 3) H × ds = M × ds 。 …………………… ( 4) 引 入假想磁荷 Q = μ M × ds ，并定义 Q 为包
m 0 m
围在 s 面内的磁荷的磁量。引入 假 想 磁 荷 后， 磁场 方 程式为:
图6
六磁极磁感线分布 ( N － S － N － S － N － S)
∮H × di = 0 。 ……………………………… ( 5) H × ds = μ1 Q 。 ………………………… ( 6)
m 0
从式( 5 ) 、 式( 6 ) 中 可 以 看出，H 与 B 相 当， 与电 磁场相比较，得出表面磁荷的面密度 σ m 为: σ m = μ0 M n 。 ……………………………… ( 7 ) 其中: M n 为法向饱和磁化强度。 磁化强度的法向分量决定了磁荷面密度，对瓦形
收稿日期: 2010-12-06 ; 修回日期: 2011-02-21
180° 的磁场感线和磁场强度云图如图 2 、 图 3 所示。
图1
瓦形磁极结构
图2
二磁极磁感线分布 ( N － S)
2. 1. 2 四磁极布置 4 个大小相 同 磁 极 ( N － S － N － S ) 间 隔 均匀、 间隔角度为 90° 的 磁场 感 线 和磁场 强 度云 图 如 图 4 、 图 5 所示。 2. 1. 3 六磁极布置 6 个大小相同磁 极 ( N － S － N － S － N － S ) 间 隔
0
引言 瓦形永磁体在现实工程技术中用得比较多，但永 磁体的磁场分布及其强度的确定是个难点，以至于很 难正确设计出所需的磁路。航天时代电子公司第十六 ［1 ］ 研究 所 的赵 善 彪 等 对 单 个 瓦 形 永 磁体 的 磁场 进 行 了比较详细的阐述，而带电粒子在不均匀磁场中的受 力和运动轨迹一直是一个难点。本文通过有限元分析 软件 ANSYS 对永磁体磁场 进 行磁场 感 线 密 度和磁场 强度分析模拟，得到合理的磁极分布，从而得到合理 的磁路，并通过分析永 磁体磁场对 带 电 粒 子 的 作用， 得到带电粒子在永磁体这种不均匀磁场下的受力情况 和运动轨迹。 1 磁极的设计 本试验装置采用的磁极是装在环形槽上，采用瓦 形磁极结构可以使磁极更好地安装在槽上，磁极与槽 接触而没 有 间 隙。 图 1 为 瓦 形 磁 极结 构， 其 外 径 为 55 mm，内径为 45 mm，宽 为 10 mm， 磁 极 的 夹角 为 60° ，磁极的厚度为 40 mm，矫顽力为 800 000 ， 相对 导磁率为 1. 08 。 2 永磁体磁场三维模拟［2］ 2. 1 各种情况下磁极布置仿真 为了确定磁极的布置，得到合理的磁路和磁场强 度分布图，用 ANSYS 软件 对 3 种 磁 极布 置 进 行 了 计 算机仿真。 2. 1. 1 二磁极布置 2 个大小相 同 磁 极 ( N － S ) 间 隔 均 匀、 间隔角为
C
图5
四磁极磁场强度云图 ( N － S － N － S)
其中: H 为永磁体 内 部 磁场 强 度; B 为 永 磁体磁 感 应 强度; di 为永磁体内部微 小体; ds 为 瓦 形 磁体 的 外 表 面 s 中的小部分; I C 为闭合磁感线。 由于永磁场全部由永磁体产生，则物态方程为: 1 H = B －M。 μ0 其中: M 为饱和磁化强度; μ0 为相对导磁率。 将物态方程代入式( 1 ) 、 式( 2 ) 得出:
图3
二磁极磁场强度云图 ( N － S)
图7
六磁极磁场强度云图 ( N － S － N － S － N － S)
2. 2
物理理论分析 根据磁介质的边界条件方程式有:
图4
四磁极磁感线分布 ( N － S － N － S)
∮ H × di = ∑ I 。 ………………………… ( 1) B × ds = 0 。 ……………………………… ( 2)
Abstract: By use of analysis software ANSYS，this paper simulated the magnetic density and the magnetic intensity of several tegular permanent magnet，acquired reasonable magnetic pole arrangement and reasonable magnetic circuit． The force and trajectory of charged particle in magnetic field were analyzed． The conclusion is that a reasonable magnetic circuit with four tegular permanent magnet equispaced circularly can be acquired; Charged particle is moving with trails of helix under the Lorentz force． Key words: tegular permanent magnet; three-dimensional simulation; charged particle
作者简介: 刘飞( 1983 ) ， 男， 河南洛阳人， 在读硕士研究生， 主要研究方向为 CAD / CAM。
2011 年第 3 期
刘飞， 等: 永磁体磁场三维模拟及其对粒子作用研究
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均匀、间隔角为 60° 的磁感线和磁场强度云 图 如 图 6 、 图 7 所示。
变小，由图 4 可以看出磁感线和磁通密度近乎是同 心 圆分布; 采用 6 个磁极均匀布置的方法，由图 6 可 以 看到磁感线和磁通密度不是沿着同心圆分布，在右边 布置的两个磁极，磁场强度大，由图 7 可以看到磁场 强度明显不规律。综上分析，2 个 磁 极 与 4 个 磁 极 磁 通密度都是同心 圆 分 布， 而 4 个 磁 极 磁场 强 度 更 大、 更均匀，因此采用 4 个磁极的布置方法可以得到合 理 的磁路。
参考文献: ［ 1］ 赵善彪， 张天孝， 问会青， 等 . 基于 ANSYS 的 瓦 形 永 磁体 J］ ． 微电机， 2007 ( 10 ) : 21-23 ， 38. 磁场分析［ ［ 2］ 阎照文 . ANSYS10. 0 工程电磁分析技术与 实 例详 解［ M］ ． 2006. 北京: 中国水利水电出版社， ［ 3］ 邝向军 . 带电粒子在典型非均匀磁场中的运动［ J］ ． 新疆 ， 2004 ( 4 ) :限元分析 软 件 ANSYS，对 多 个 瓦 形 永磁 体进行 磁场感 线 密 度和 磁场 强 度 仿真模拟，得到合理的磁极分布，从而得到合理的磁路。对带电粒子在永磁体磁场中的受力和轨迹 分析， 结 果 表明: 采用 4 个磁极相隔 90° ，可以得到比较合理的磁路; 带电粒子受到罗仑兹力作用，粒子做回旋运动， 运动轨迹为螺旋线。 关键词: 瓦形永磁体; 三维模拟; 带电粒子 中图分类号: TM15 文献标识码: A
第 3 期( 总第 166 期) 2011 年 6 月
机械工程与自动化 MECHANICAL ENGINEERING ＆ AUTOMATION
No. 3 Jun.
文章编号: 1672-6413 ( 2011 ) 03-0038-03
永磁 体 磁场 三维模拟及 其 对粒 子 作 用研究
刘 飞，李文斌
太原 030024 ) ( 太原理工大学 机械工程学院，山西
图8
永磁体磁场示意图
4
结论 瓦形永磁体是一个渐变磁场，距离磁极越近磁场 强度越大，在磁极 附 近 粒 子 可 以 获 得 足够 大 的 能 量。 瓦形永磁体磁场中，带点粒子受到罗仑兹力作用，粒 子做回旋运动，运动轨迹为沿着 x 轴的螺旋线。 通 过 ANSYS 有限元分析得出: 采用 4 个 磁 极 相 隔 90° 的 布 置方法，磁感线和磁通密度近乎是同心圆分布，即在 同一个圆周上磁场强度大小近乎相等。
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机械工程与自动化
2011 年第 3 期
永磁体而言磁场是一个渐变磁场。由于瓦形磁体为径 向充磁，靠近边沿处磁场强度大，离子可以获得比较 大的能量，如 图 3 、 图 5 、 图 7 所 示。 图 3 磁 极 边沿 处最大磁场强度 为 2. 533 T， 图 5 磁 极 边沿 处 最 大 磁 场强度为 1. 118 T，图 7 磁 极 边沿 处 最 大 磁场 强 度 为 1. 203 T。 3 永磁体磁场对带电粒子的影响 3. 1 带电粒子在永磁体磁场中的运动学特性［3］ 带电粒子在均匀磁场中的运动由两部分组成: ① 带电粒子环绕磁感应线作匀速圆周运动; ②带电粒子 沿着磁感应线作匀速直线运动。因此，粒子在磁场的 作用下沿着磁感应线作螺旋线运动。在瓦形永磁体磁 场中，当磁场 B 的 变 化 与 回 旋 半 径 r x 尺 度 满足 缓 变 条件 r x ·B ＜ ＜ B 时，说明瓦形磁体磁场的不均匀 性 是微小的。也就是说在这种情况下带电粒子的运动可 以近似地认为是离子在均匀磁场中的回旋和微扰磁场 不均匀性所引起的漂移的叠加。带电粒子仍可看作是 围绕着一个动点作回旋运动，由于粒子总是在动点附 近作回旋运动，当粒子运动的距离远大于回旋半 径 r x 时称为漂移近似。 3. 2 带电粒子在永磁体磁场中的运动分析 瓦形永磁体磁场是一种关于 x 轴对称的空间 缓 变 磁场，可用下式来表示: 1 B = B0 ［ ( 1 + α x ) x － α r r］ = B x x － B r r 。 … 2 ………………………………………………… ( 8 ) 其中: α x 为微小变量在 x 轴 上 的分 量; B0 为 磁体 边沿 处磁场感应强度大小; B x 为 B 在 x 轴上的分量; B r 为 磁场径向分量; α r 为微小变量的径向分量。 因此，当带电粒子 q 以 一 定 的 速 度 v 进 入 如 图 8 所示的磁场时，带电粒子的速度可表示为: v = － v r r － v θ θ + v x x 。 …………………… ( 9 ) 其中: v r 为径向速度分量; θ 为回转运动粒子的回旋角 度; v θ 为回旋速度; v x 为 x 轴上的速度分量。 带电粒子所受的洛仑兹力为: α f = qv × B = － qB0 ( 1 + α x ) v θ r － qB0［ v x r － 2