[發明專利]一種空間旋轉磁場發生裝置及其控制方法

無效

• 申請號: 200710304232.6
• 申請日: 2007-12-26
• 公開（公告）號: CN101256873A
• 公開（公告）日: 2008-09-03
• 發明（設計）人: 王喆;王錚;于陽
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H01F7/00
• 分類號: H01F7/00;G01R33/38;B25J13/00;A61B17/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司
• 代理人: 關玲;成金玉

技術領域

本發明涉及一種旋轉磁場的發生裝置及其控制方法，特別涉及驅動磁性微型機器人的任意旋轉軸的空間旋轉磁場發生裝置及其控制方法。

背景技術

隨著現代工業技術的發展，旋轉磁場的應用場合越來越多。在自動供電系統中，采用帶旋轉磁場變壓器的靜態電力變換器來減少電磁干擾；在鍋爐、壓力容器主焊縫的磁粉探傷中，為了提高探傷效率，檢出多個方向的缺陷，選用旋轉磁場式磁力探傷儀；在各種合金凝固過程中，采用了旋轉磁場裝置以得到性能更優的新材料。在旋轉磁場的眾多應用中，特別是作為現在國內外研究熱點的進入人體無線內窺鏡、血管機器人以及面對工業設備細小管路探測用的磁性微型機器人的旋轉磁場驅動方式。

目前，旋轉磁場發生裝置產生旋轉磁場的方法比較多。一些發生裝置使用的是永磁體，用機械結構旋轉永磁體來產生旋轉磁場，其大多旋轉磁場發生裝置只是產生單一旋轉平面，如中國專利98229233.3“一種旋轉磁場發生器”與中國專利200510046377.1“血管內在線醫用微型機器人的外磁場旋進驅動控制方法”。上述中國專利200510046377.1采用兩個磁極或多個偶數磁極(S極和N極相間排列，每個磁極在圓周方向所占的圓周角為3600/n)的沿徑向磁化的圓筒形釹鐵硼(NdFeB)永磁體為外驅動器，采用嵌入機器人本體內的與外驅動器磁極數對應相等的徑向磁化的小圓筒形釹鐵硼(NdFeB)永磁體作為內驅動器，靠變頻調速電機帶動外驅動器旋轉產生外旋轉磁場。這種旋轉磁場發生裝置需要使用電機帶動永磁塊旋轉來完成，使得旋轉磁場平面的確定靠電機來定位，這樣定位精度受到機械結構的影響。同時，使用永磁體旋轉來產生旋轉磁場的裝置比較笨重，旋轉磁場的空間范圍較小，而使用線圈的方式則不存在這些問題。

對于使用線圈方式來實現旋轉磁場產生方法的現有專利中，使用三相交流電產生的旋轉磁場的方法，多為固定旋轉平面，或者固定的一些旋轉平面，如中國專利02114289.0“三維立體旋轉磁場定位治療系統”。上述中國專利是在一個三維的球面上交錯排列有多個能產生電磁場的電磁鐵裝置，其中上半球面上的某個電磁鐵裝置與下半球面上的某個電磁鐵裝置同時處于過球面中心點的直線上，電磁鐵裝置在計算機程序控制下，依次通電產生磁場，其磁力線通過球面中心點，從而在球面內形成一個三維立體旋轉磁場。這種方式只能在固定的一些旋轉軸上產生旋轉磁場，而不能做到任意旋轉軸，且旋轉磁場不連續。還有一些通過改變正弦電的相位角來產生任意旋轉軸的旋轉磁場發生裝置，如日本國專利2001-179700號。上述日本國專利采用的方形亥姆霍茲線圈，通過一個操作部來改變流過各軸線圈間的正弦電流的相位差來實現任意旋轉軸的旋轉磁場。

發明內容

本發明的目的是克服現有旋轉磁場發生裝置不可連續調旋轉軸的缺點，提出一種采用三相交流電，通過計算機控制實現產生任意旋轉軸的空間旋轉磁場的發生裝置及其控制方法。本發明實現了空間任意旋轉軸的旋轉磁場產生，并采用計算機來控制旋轉磁場的強度、頻率和旋轉軸方向，精確和方便地對旋轉磁場進行控制，以得到準確的空間旋轉磁場。

采用三相電流產生任意旋轉軸的空間旋轉磁場的原理及理論推導如下：

在直角坐標系下，過原點的任意旋轉軸的旋轉磁場，可由此坐標系下的X，Y，Z軸方向的變化磁場疊加得到。設旋轉磁場幅值為B0，旋轉角頻率為ω，旋轉方向為旋轉面正視圖逆時針方向，滿足右手螺旋定則。

若需要得到過原點的三維空間中任意旋轉軸的旋轉磁場。此旋轉軸，可由原坐標系下兩次旋轉得到。此兩次旋轉分別為：先繞X軸旋轉α角度，再繞Y軸旋轉β角度。最后，繞Z軸旋轉γ角度，γ角度用以確定旋轉磁場的初始位置。其中α、β和γ為歐拉角。

假設BX^*，BY^*，BZ^*分別為空間變換后的旋轉磁場在X，Y，Z軸的位置坐標。BX，BY，BZ為坐標變換前X，Y，Z軸的位置坐標。由空間坐標變換，有下面的關系式：