一种旋转磁场发生系统及其旋转磁场实现方法

摘要

一种旋转磁场发生系统及其旋转磁场实现方法，其线圈有三组两两正交的亥姆霍兹线圈，每组亥姆霍兹线圈由两对线圈组合绕制而成，每对线圈均连接一个可控直流电流源。微控制器通过控制直流电流源输出电流的大小，从而控制三组亥姆霍兹线圈中的电流，产生空间任意轴向的旋转磁场。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间旋转磁场发生系统，特别涉及驱动磁性微型机器人的空间旋转磁场 发生系统。

背景技术

随着社会的发展，旋转磁场得到越来越多的应用。如在微重力环境下，利用外加横向旋 转磁场有效地控制浮区法晶体生长中的热表面张力流，从而提高半导体晶体生长的质量。利 用旋转磁场可以有效去除液态铝合金熔体中的夹杂物颗粒的特性，从而提供了一种高效的金 属熔体净化的方法。利用旋转磁场，改善Bi-63%In亚共晶合金、Bi-69%In过共晶合金的组 织和加快冷却速率。利用旋转磁场改变植酸酶的空间结构，从而影响其活性。各种旋转磁场 在生物医学中的应用尤其具有重要的价值，如永磁旋转磁场可以加快运动后血乳酸消除速 度，恒旋磁场可用于治疗运动性损伤疼痛症，空间旋转磁场对进入人体的内窥镜、血管机器 人的驱动、导向等。

目前旋转磁场的实现有多种方法。有的利用机械结构的旋转永磁体来产生磁场，一般用 来产生单一平面旋转磁场，如电动机的旋转磁场，磁力搅拌器的原理，专利CN200620011772.6 给出了一种旋转磁场干选机，其在磁辊的表面按极性交错分布的方式排列有强力磁块，磁辊 由动力装置带动旋转产生旋转磁场。有的使用通电线圈方式来实现旋转磁场。现有的专利中， 使用三相交流电来产生旋转磁场的方法，一般为一个或者多个固定的旋转平面。CN2582543Y 三维立体旋转磁场定位治疗仪，其是在一个三维的球面上交错排列有多个能产生电磁场的电 磁铁装置，其中上半球面上的某个电磁铁装置必定与下半球面上的某个电磁铁装置同时处于 过球面中心点的直线上，电磁铁装置可以在计算机程序控制下，依次通电产生磁场，其磁力 线通过球面中心点，从而在球面内形成一个三维立体旋转磁场，且这个三维立体旋转磁场的 中心点与球面的中心点重合。CN202307400U提出了一种永磁式间隔绕组旋转磁场产生装置， 是通过顺序对励磁绕组通断电产生旋转磁场。CN200810011110.2利用三对相互垂直的矩形线 圈，通过单片机控制AD9959产生正弦信号，经功率放大器驱动线圈，其装置构成较为复杂。 CN101256873B有三组亥姆霍兹线圈，每组线圈由三对亥姆霍兹线圈组合绕制而成，该专利 通过控制三组三相交流电得到旋转磁场，其装置和控制方法较为复杂。

发明内容

本发明的目的是克服现有旋转磁场发生系统构成复杂且难以快速调节旋转轴朝向的问 题，提出一种利用微控制器控制可控直流电流源，通过三组相互垂直的亥姆霍兹线圈产生任 意轴向的空间旋转磁场的系统。本发明可实现空间任意转轴的旋转磁场的产生，并采用微控 制器来控制旋转磁场的幅值、频率、轴向，来实现任意轴向的旋转磁场。

本发明采用的技术方案是：

本发明磁场发生系统包括线圈、电源和微控制器。

所述的线圈包括三组亥姆霍兹线圈，三组亥姆霍兹线圈两两相互垂直布置，并且从小尺 寸到大尺寸嵌套安装。三组亥姆霍兹线圈的轴向分别对应磁场发生系统的X、Y、Z轴，三 组亥姆霍兹线圈的轴中心交于坐标原点O。每组亥姆霍兹线圈均由双线绕制的两对亥姆霍兹 线圈构成。每对线圈连接一路可控直流电流源，每对线圈的正、负接线端子分别与可控直流 电流源电流输出端的正、负极连接。每组亥姆霍兹线圈中的两对线圈通电时的电流方向相反， 其中第一X轴向线圈、第一Y轴向线圈、第一Z轴向线圈通入电流所产生的磁场沿坐标轴正 方向，第二X轴向线圈、第二Y轴向线圈、第二Z轴向线圈通入电流所产生磁场的方向沿坐 标轴负方向。

所述的电源包括6路可控直流电流源，6路可控直流电流源均有电压控制端口，可控直 流电流源输出电流的大小可通过电压控制端口进行控制。

微控制器有6路电压控制端口，该6路电压输出端口分别连接到6路直流电流源的电压 控制端口，从而控制每路直流电流源输出电流的大小。

本发明所述的三组亥姆霍兹线圈产生三个两两相互垂直、方向和幅值变化的磁场，所述 的三个磁场在空间叠加后可得到空间旋转磁场，控制三个方向变化磁场的方向、幅值和频率， 便可控制旋转磁场的轴向、幅值和频率，实现任意轴向的空间旋转磁场。

本发明通过微控制器控制6路可控直流电流源向三组亥姆霍兹线圈输出大小不同的电 流，实现任意轴向的空间旋转磁场，其原理及实现方法如下述：

由空间解析几何可知，在空间的向量可以用方位角表示。设磁场旋转轴方向n的方位角 为其中，θ为磁场旋转轴方向n与OZ轴正向的夹角，为磁场旋转轴方向n在XOY 平面上投影与OX正向的夹角，磁场旋转轴方向n的三坐标分量可表示为 与n相互垂直的另外两个单位向量为n₁,n₂，即：

$\left(\begin{array}{c}n·n_1=0\\ {n·n}_2=0\\ n_1·n_2=0\end{array}\right)$

令得设η为旋转磁场的旋转 角，η＝ωt，ω为旋转磁场的旋转角频率，t为时间，则旋转轴向为n，幅值为B₀的旋转磁 场可表示为B₀(n₁ cosη+n₂ sinη)，旋转磁场在直角坐标系的三分量[B_x B_y B_z]表示为：

设一组亥姆霍兹线圈中双线绕制的两对线圈参数一致，X轴向、Y轴向和Z轴向三组亥 姆霍兹线圈所产生的磁场场强B_x,B_y,B_z与所述的三组亥姆霍兹线圈中通过的电流i_x,i_y,i_z的比 例系数为k_x,k_y,k_z，即B_x＝k_xi_x，B_y＝k_yi_y，B_z＝k_zi_z。当所述三组亥姆霍兹线圈中的电流为：

就可以产生旋转轴向为n，幅值为B₀的旋转磁场。

本发明的微控制器按照公式（1）计算得到三组亥姆霍兹线圈的三个电流值，通过微控 制器的电压控制端口控制6路直流电流源向三组亥姆霍兹线圈输出对应的电流。

所述的6路可控直流电流源向6对线圈输出电流的方法为：当i_x＞0时，向第一X轴向 线圈中通入电流i_x，向第二X轴向线圈通入的电流为零；当i_x＜0时，向第二X轴向线圈中 通入电流|i_x|，向第一X轴向线圈通入的电流为零。当i_y＞0时，向第一Y轴向线圈中通入电 流i_y，向第二Y轴向线圈通入的电流为零；当i_y＜0时，向第二Y轴向线圈中通入电流|i_y|， 向第一Y轴向线圈通入的电流为零。当i_z＞0时，向第一Z轴向线圈中通入电流i_z，向第二Z 轴向线圈通入的电流为零；当i_z＜0时，向第二Z轴向线圈中通入电流|i_z|，向第一Z轴向线 圈通入的电流为零。

如此通过微控制器控制6路可控直流电流源向6个亥姆霍兹线圈输出不同的电流即可实 现轴向为n，幅值为B₀的旋转磁场。

当需要改变磁场幅值、频率时，改变公式（1）中旋转磁场幅值B₀和磁场的旋转角η即 可；当需要改变磁场轴向时，改变公式（1）中磁场旋转轴的方位角即可。若需要使 得旋转磁场的方向反向时，也即旋转轴向反向，用方位角代替方位角代入公 式（1）即可。上述参数的改变均导致电流值的改变，通过微控制器控制可控直流电源向6 个亥姆霍兹线圈输入改变了的电流值，即可实现轴向变化了的旋转磁场。如此便可实现任意 轴向的旋转磁场。

本发明的效果和益处是：通过微控制器控制可控直流电流源向三组相互垂直的亥姆霍兹 线圈中输入不同的电流来实现任意轴向的空间旋转磁场，容易实现对旋转磁场幅值、频率、 轴向的精确控制，为体内微型机器人无缆驱动和导向提供了一条方便途径。

附图说明

图1是三组相互垂直的亥姆霍兹线圈装置图；

图2是Y轴向亥姆霍兹线圈与直流电流源接线示意图；

图3是旋转磁场系统连接示意图；

图4是任意轴向的旋转磁场实现原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明磁场发生系统包括线圈、电源和微控制器。

通常的亥姆霍兹线圈是用两个半径和匝数完全相同的线圈，将其同轴排列并令间距等于 半径，串接而成，其有两个接线端子。本发明每组亥姆霍兹线圈均采用双线绕制而成，形成 一组两对几何参数和电气参数相同的线圈，每对线圈都是通常意义下的亥姆霍兹线圈，一组 亥姆霍兹线圈共有4个接线端子。三组亥姆霍兹线圈共有6对线圈，12个接线端子。

如图1所示，本发明中的三组亥姆霍兹线圈两两相互垂直，并且从小尺寸到大尺寸嵌套 安装，三组亥姆霍兹线圈的轴向对应磁场发生系统的X,Y,Z轴，三组亥姆霍兹线圈的轴中心 交于坐标原点O。每对线圈连接一路可控直流电流源，微控制器控制6路可控直流电流源输 出电流的大小。X轴向的一组线圈为X1、X2，Y轴向的一组线圈为Y1、Y2，Z轴向的一 组线圈为Z1、Z2。线圈X1、Y1、Z1通入电流所产生的磁场沿坐标轴正方向，线圈 X2、Y2、Z2通入电流所产生磁场的方向沿坐标轴负方向。按照这一条件规定6对线圈的正 负极分别为X1+,X1-,X2+,X2-，Y1+,Y1-,Y2+,Y2-，Z1+,Z1-,Z2+,Z2-。

图2所示为Y轴向两对线圈Y1、Y2与直流电流源的接线方式。Y1+、Y1-、Y2+、Y2- 分别表示两对线圈的正负接线端子。第一Y轴向线圈的正极Y1+连接第三直流电流源3的正 极，第一Y轴向线圈的负极Y1-连接第三直流电流源3的负极；第二Y轴向线圈的正极Y2+ 连接第四直流电流源4的正极，第二Y轴向线圈的负极Y2-连接第四直流电流源4的负极。 其他两组轴向线圈与直流电流源的连接如图3所示：第一X轴向线圈的正极X1+连接第一 直流电流源1的正极，第一X轴向线圈的负极X1-连接第一直流电流源1的负极；第二X轴 向线圈的正极X2+连接第二直流电流源2的正极，第二X轴向线圈的负极X2-连接第二直 流电流源2的负极。第一Z轴向线圈的正极Z1+连接第五直流电流源5的正极，第一Z轴向 线圈的负极Z1-连接第五直流电流源5的负极，第二Z轴向线圈的正极Z2+连接第六直流 电流源6的正极，第二Z轴向线圈的负极Z2-连接第六直流电流源6的负极。

本发明电源部分包括6路可控直流电流源，6路可控直流电流源均有电压控制端口，直 流电流源输出电流的大小可通过电压控制端口进行控制。

本发明微控制器有6路电压控制端口，该6路电压输出端口分别连接到6路直流电流源 的电压控制端口，从而可以控制每路直流电流源输出电流的大小。

图3给出了本发明旋转磁场发生系统的整体连接示意图。微控制器的6路电压输出端口 分别连接到6路直流电流源的电压控制端口，6路直流电流源的正负极对应连接到6对线圈 相应的接线端子上。

本发明旋转磁场的实现的原理及方法如下：

设每组亥姆霍兹线圈中的两对线圈参数一致，X,Y,Z轴向三组亥姆霍兹线圈所产生的磁 场强度B_x,B_y,B_z与三组线圈中通过的电流i_x,i_y,i_z比例系数为k_x,k_y,k_z，即B_x＝k_xi_x，B_y＝k_yi_y， B_z＝k_zi_z。

当需要产生旋转轴向为n的旋转磁场时，设n方位角为θ为磁场旋转轴方向n与 OZ轴正向的夹角，为磁场旋转轴方向n轴向在XOY平面上投影与OX正向的夹角，如图 4所示。设旋转磁场幅值为B₀，磁场旋转角为η，实际应用中可设定为η＝ωt，ω为旋转角 频率，t为时间，则三组亥姆霍兹线圈中的电流为：

微控制器按照公式（1）得到三组亥姆霍兹线圈的电流，对6路直流电流源进行控制， 使其向三组亥姆霍兹线圈输出不同大小的电流：当i_x＞0时，向第一X轴向线圈中通入电流 i_x，向第二X轴向线圈通入的电流为零；当i_x＜0时，向第二X轴向线圈中通入电流|i_x|，向 第一X轴向线圈通入的电流为零。当i_y＞0时，向第一Y轴向线圈中通入电流i_y，向第二Y轴 向线圈通入的电流为零；当i_y＜0时，向第二Y轴向线圈中通入电流|i_y|，向第一Y轴向线圈 通入的电流为零。当i_z＞0时，向第一Z轴向线圈中通入电流i_z，向第二Z轴向线圈通入的电 流为零；当i_z＜0时，向第二Z轴向线圈中通入电流|i_z|，向第一Z轴向线圈通入的电流为零。

如此便可实现旋转轴向为n，幅值为B₀的旋转磁场。

当需要改变磁场幅值、频率时，改变公式（1）中幅值B₀或磁场旋转角η即可；当需要 改变磁场旋转轴方向时，改变公式（1）中的方位角即可。若需要使得旋转磁场的方向 反向时，也即旋转轴向反向，其方位角为以此代替公式（1）中即可。上 述参数的改变均导致电流值的改变，通过微控制器控制可控直流电源向6个亥姆霍兹线圈输 入改变了的电流值，即可实现轴向变化了的旋转磁场。如此便可实现任意轴向的旋转磁场。