[發明專利]一種旋轉磁場發生系統及其旋轉磁場實現方法

有效

• 申請號: 201210313435.2
• 申請日: 2012-08-29
• 公開（公告）號: CN102820118A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 徐建省
• 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;A61B17/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種空間旋轉磁場發生系統，特別涉及驅動磁性微型機器人的空間旋轉磁場發生系統。

背景技術

隨著社會的發展，旋轉磁場得到越來越多的應用。如在微重力環境下，利用外加橫向旋轉磁場有效地控制浮區法晶體生長中的熱表面張力流，從而提高半導體晶體生長的質量。利用旋轉磁場可以有效去除液態鋁合金熔體中的夾雜物顆粒的特性，從而提供了一種高效的金屬熔體凈化的方法。利用旋轉磁場，改善Bi-63%In亞共晶合金、Bi-69%In過共晶合金的組織和加快冷卻速率。利用旋轉磁場改變植酸酶的空間結構，從而影響其活性。各種旋轉磁場在生物醫學中的應用尤其具有重要的價值，如永磁旋轉磁場可以加快運動后血乳酸消除速度，恒旋磁場可用于治療運動性損傷疼痛癥，空間旋轉磁場對進入人體的內窺鏡、血管機器人的驅動、導向等。

目前旋轉磁場的實現有多種方法。有的利用機械結構的旋轉永磁體來產生磁場，一般用來產生單一平面旋轉磁場，如電動機的旋轉磁場，磁力攪拌器的原理，專利CN200620011772.6給出了一種旋轉磁場干選機，其在磁輥的表面按極性交錯分布的方式排列有強力磁塊，磁輥由動力裝置帶動旋轉產生旋轉磁場。有的使用通電線圈方式來實現旋轉磁場。現有的專利中，使用三相交流電來產生旋轉磁場的方法，一般為一個或者多個固定的旋轉平面。CN2582543Y三維立體旋轉磁場定位治療儀，其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必定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，電磁鐵裝置可以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，且這個三維立體旋轉磁場的中心點與球面的中心點重合。CN202307400U提出了一種永磁式間隔繞組旋轉磁場產生裝置，是通過順序對勵磁繞組通斷電產生旋轉磁場。CN200810011110.2利用三對相互垂直的矩形線圈，通過單片機控制AD9959產生正弦信號，經功率放大器驅動線圈，其裝置構成較為復雜。CN101256873B有三組亥姆霍茲線圈，每組線圈由三對亥姆霍茲線圈組合繞制而成，該專利通過控制三組三相交流電得到旋轉磁場，其裝置和控制方法較為復雜。

發明內容

本發明的目的是克服現有旋轉磁場發生系統構成復雜且難以快速調節旋轉軸朝向的問題，提出一種利用微控制器控制可控直流電流源，通過三組相互垂直的亥姆霍茲線圈產生任意軸向的空間旋轉磁場的系統。本發明可實現空間任意轉軸的旋轉磁場的產生，并采用微控制器來控制旋轉磁場的幅值、頻率、軸向，來實現任意軸向的旋轉磁場。

本發明采用的技術方案是：

本發明磁場發生系統包括線圈、電源和微控制器。

所述的線圈包括三組亥姆霍茲線圈，三組亥姆霍茲線圈兩兩相互垂直布置，并且從小尺寸到大尺寸嵌套安裝。三組亥姆霍茲線圈的軸向分別對應磁場發生系統的X、Y、Z軸，三組亥姆霍茲線圈的軸中心交于坐標原點O。每組亥姆霍茲線圈均由雙線繞制的兩對亥姆霍茲線圈構成。每對線圈連接一路可控直流電流源，每對線圈的正、負接線端子分別與可控直流電流源電流輸出端的正、負極連接。每組亥姆霍茲線圈中的兩對線圈通電時的電流方向相反，其中第一X軸向線圈、第一Y軸向線圈、第一Z軸向線圈通入電流所產生的磁場沿坐標軸正方向，第二X軸向線圈、第二Y軸向線圈、第二Z軸向線圈通入電流所產生磁場的方向沿坐標軸負方向。

所述的電源包括6路可控直流電流源，6路可控直流電流源均有電壓控制端口，可控直流電流源輸出電流的大小可通過電壓控制端口進行控制。

微控制器有6路電壓控制端口，該6路電壓輸出端口分別連接到6路直流電流源的電壓控制端口，從而控制每路直流電流源輸出電流的大小。

本發明所述的三組亥姆霍茲線圈產生三個兩兩相互垂直、方向和幅值變化的磁場，所述的三個磁場在空間疊加后可得到空間旋轉磁場，控制三個方向變化磁場的方向、幅值和頻率，便可控制旋轉磁場的軸向、幅值和頻率，實現任意軸向的空間旋轉磁場。

本發明通過微控制器控制6路可控直流電流源向三組亥姆霍茲線圈輸出大小不同的電流，實現任意軸向的空間旋轉磁場，其原理及實現方法如下述：

由空間解析幾何可知，在空間的向量可以用方位角表示。設磁場旋轉軸方向n的方位角為其中，θ為磁場旋轉軸方向n與OZ軸正向的夾角，為磁場旋轉軸方向n在XOY平面上投影與OX正向的夾角，磁場旋轉軸方向n的三坐標分量可表示為與n相互垂直的另外兩個單位向量為n₁,n₂，即：