CN105828594B - 具有局部磁场补偿能力的主动屏蔽装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有局部磁场补偿能力的主动屏蔽装置。主要解决了现有的技术方案造价昂贵，屏蔽效果不理想的问题。所述的高导磁屏蔽层(1)外侧在主动线圈范围内分布有补偿线圈(2)阵列，每个补偿线圈(2)独立设置，每个补偿线圈(2)中心分别设置有磁强计(3)，其中每个补偿线圈(2)与每个磁强计(3)分别连接中央控制器模块。具有成本低廉，磁场屏蔽、补偿效果好的特点。

Description

具有局部磁场补偿能力的主动屏蔽装置
技术领域
本发明涉及电磁学领域，是适用于弱磁环境模拟、磁场防护等领域的一种具有局部磁场补偿能力的主动屏蔽装置。
背景技术
目前，航天器试验、生物学实验、基础物理科学实验均对磁环境的洁净度及标准弱磁环境提出了迫切的需求。由于主动屏蔽装置成本低，成为了磁屏蔽要求不高的实验系统的首选，但该类屏蔽装置具有一定的缺点，只能产生大范围的均匀磁场，无法对局部磁场进行调节，也就意味着当主动屏蔽装置附近存在磁源即对核心实验区所要求的零磁场或是均匀励磁磁场产生直接的影响，该问题无法解决将导致主动屏蔽装置无法满足实验条件从而不能获得更为广泛的应用。传统的均匀磁场线圈由圆形的、方形的多个线圈组成，线圈的尺寸和匝数也有着不同的组合方式，比较典型的线圈类型有：亥姆霍兹线圈、巴克尔线圈、布朗贝克线圈、麦克斯韦线圈及梅瑞特线圈等等，由于地磁场主磁场可类似看作一个偶极场，并且人类试验活动尺度很难与地球直径尺度类比，因此，局部地磁场可看作均匀磁场，利用磁场的叠加原理，通过单轴或三轴的均匀磁场线圈对地磁场进行反向抵消便可形成一定范围的近零磁场，从而支撑相应的实验研究。但人类工业电气化程度不断提升，电磁装置充斥在世界的各个角落，很难找到无人类电磁装置干扰的洁净磁环境，而实验研究对实验环境的零磁度要求越来越高，上述的主动线圈利用叠加原理构建磁屏蔽方案越来越无法满足零磁度的要求；又因高导磁材料对磁场具有汇聚和导向的作用，因此考虑在主动线圈的外侧增加封闭的相互连通的高导磁材料(如：坡莫合金、硅钢片或电工纯铁等)组成屏蔽结构，但高导磁材料组成屏蔽结构的屏蔽性能的好坏取决于，屏蔽层的数量、厚度及间距，而材料的成本过高、支撑工艺复杂又成为了该方案的推广的屏障。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种利用主动补偿线圈和单层高导磁材料屏蔽层结合的方式，能屏蔽外部磁场异样区域且能对局部不均匀磁场进行局部补偿的一种具有局部磁场补偿能力的主动屏蔽装置。
技术方案：一种具有局部磁场补偿能力的主动屏蔽装置，包括中央控制器模块、具有大范围主动线圈的高导磁屏蔽层1、补偿线圈2、磁强计3，所述的高导磁屏蔽层1外侧在主动线圈范围内分布有补偿线圈2阵列，每个补偿线圈2独立设置，每个补偿线圈2中心分别设置有磁强计3，其中每个补偿线圈2与每个磁强计3分别连接中央控制器模块；
进一步的，补偿线圈2阵列中，补偿线圈2为边导线结构设置，边导线连接节点上设置有开断器，且每个开断器均连接在中央控制模块的供电模块上；
进一步的，构成每个补偿线圈2所需的边导线至少为三条；
进一步的，所述的补偿线圈2阵列中构成补偿线圈2的边导线为四条，四条边导线构成矩形线圈，且每个矩形线圈的两组对角之间设置有相互不导通的两条导线；
进一步的，所述的补偿线圈2通过边导线以及导线所形成的闭合回路可分布在至少为四面体的多面体各个面上；
进一步的，所述的补偿线圈2阵列可设置至少两层，相邻的阵列层每个相对应的边导线的连接节点，均通过开断器串联。
有益效果是：通过采用本发明的技术方案，该装置能有效抵消外界的局部干扰磁场，形成均匀磁场环境；并且与地磁场进行抵消后，可形成零磁实验环境；在零磁环境基础上，在施加相应电流可实现任意方向的均匀磁场，不需要采用大量的高导磁材料，成本低廉。
附图说明
图1为本发明独立线圈矩阵示意图。
图2为本发明大线圈磁场电流流向示意图。
图3为本发明分导线构成的线圈矩阵示意图。
图4为本发明具有分导线及交叉导线的线圈矩阵示意图。
图5为本发明线圈矩阵多面体构造示意图。
图6为本发明多层多匝数分导线构成的线圈矩阵示意图。
图7为本发明多层多匝数线圈连接示意图。
图8为本发明仿真模型构造示意图。
图9为本发明有外界扰动、无局部补偿线圈的仿真结果示意图。
图10为本发明有外界扰动、有局部补偿线圈的仿真结果示意图。
图中，1-高导磁屏蔽层，2-补偿线圈，3-磁强计，4-被动屏蔽层，5-主动屏蔽层，6-外界干扰源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
由图1所示的一种具有局部磁场补偿能力的主动屏蔽装置，包括中央控制器模块、具有大范围主动线圈的高导磁屏蔽层1、补偿线圈2、磁强计3，所述的高导磁屏蔽层1外侧分布有补偿线圈2阵列，每个补偿线圈2独立设置，每个补偿线圈2中心分别设置有磁强计3，其中每个补偿线圈2与每个磁强计3分别连接中央控制器模块，且每个单元补偿线圈2均可多匝数设置；在高导磁屏蔽层1的外侧分布磁强计3检测阵列，检测屏蔽结构外部的磁场异样区域，再通过高导磁屏蔽层1的外侧的线圈阵列对局部不均匀磁场进行局部补偿，补偿线圈阵列中磁强计3进行磁场感应发现磁场异样区域，并将信号发送给中央控制器模块，中央控制器模块控制供电模块对线圈进行供电，线圈通电后产生的磁场抵消异样磁场。
一般情况下，各个磁强计3读数近似相等，意味着该环境仅为均匀磁场，可通过高导磁屏蔽层1中的大范围主动线圈产生反向磁场进行叠加抵消，如果局部存在磁场异样，通过线圈通电对该区域进行磁场补偿；如果磁强计3中的磁强计F出现异样，对其对应的线圈进行通电，补偿后该磁强计F的数值与其他磁强计器的数值相等。
作为本发明的一个实施例，如果出现大面积磁强计异常，如图2所示A、B、E、F号磁强计出现异常，对A、B、E、F号磁强计相对应的线圈分别进行通电，补偿后磁强计的数值与其他传感器的数值相等，因为各个独立线圈之间距离很近，四个线圈通电方向均为同向顺时针方向，A、B线圈相邻边电流方向相反所产生的磁场相互抵消，A与E、E与F、B与F线圈之间相邻编的电流流向也是相反，相邻导线通电时产生的磁场方向相反，相互抵消，因此可认为是形成了一个大线圈磁场。
作为本发明的一个实施例，如图3所示，补偿线圈2阵列中，补偿线圈2为边导线结构设置，边导线连接节点上设置有开断器，且每个开断器均连接在中央控制模块的供电模块上；可看到方形单元线圈被分割成线段，并且在原结构相邻线圈位置改为共用边，线圈的通断由开断器控制，通过磁强计3检测磁场范围后，中央控制器分析磁场偏差而发出开关指令，从而控制线圈大小，且无需相邻矩阵单元中的线圈相邻导线进行磁场抵消，造成无效能耗，节省能源；
作为本发明的一个实施例，构成每个补偿线圈2所需的边导线至少为三条；
作为本发明的一个实施例，如图4所示，所述的补偿线圈2阵列中构成补偿线圈2的边导线为四条，四条边导线构成矩形线圈，且每个矩形线圈的两对角之间设置有相互不导通的两条导线；使线圈可以产生更为丰富的模型，对线路分布进行丰富。
作为本发明的一个实施例，如图5，所述的补偿线圈2通过边导线以及导线所形成的闭合回路可分布在至少为四面体的为金字塔构型的多面体的各个面上；磁场的方向是随机的，不能保证垂直某一个面，与各面均存在夹角，意味着在需要对斜入射角磁场进行补偿，因此，提出该结构，导线所形成的闭合回路可分布在多个面上。
作为本发明的一个实施例，如图6、图7所示，所述的补偿线圈2阵列可设置至少两层，相邻的阵列层每个相对应的边导线的连接节点，均通过开断器串联，由于层间的间距很小，因此可以认为进出的电源线所产生的磁场相互抵消，仅在屏蔽层外部形成所计划形成的环电流，在通电时，相邻阵列中相对应的两个线圈左下角节点上的开断器均不闭合，通过相邻阵列对应节点之间的开断器连接后保证相邻阵列中对应的线圈电流方向一致，增强装置补偿效果。
通过有限元仿真对该思路进行了初步的验证，仿真结构如图8所示，包括被动屏蔽层4、主动线圈屏蔽层5、补偿线圈2、外界磁干扰源6，图9为有外界扰动、无局部补偿线圈的仿真结果，图10为有外界扰动、有局部补偿线圈的仿真结果，并分别建立表1、有外界扰动、无局部补偿线圈的磁场分布数据表与表2、有外界扰动、有局部补偿线圈的磁场分布数据表，数据单位为：T，通过仿真结果与数据表可以看出无局部补偿结构受外界磁源的影响，表1中存在异常磁场数据，主动线圈屏蔽层8内部磁场的分布对称性明显变差，而有表2中数据基本对称，属正常，证明了很好的局部补偿效果，局部补偿线圈2的内部磁场的对称性明显好于无补偿线圈2结构，证明了该方案的有效性。
表1、有外界扰动、无局部补偿线圈的磁场分布数据表
表2、有外界扰动、有局部补偿线圈的磁场分布数据表
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种具有局部磁场补偿能力的主动屏蔽装置，包括中央控制器模块、具有大范围主动线圈的高导磁屏蔽层（1）、补偿线圈（2）、磁强计（3），其特征在于：所述的高导磁屏蔽层（1）外侧在主动线圈范围内分布有补偿线圈（2）阵列，每个补偿线圈（2）独立设置，每个补偿线圈（2）中心分别设置有磁强计（3），其中每个补偿线圈（2）与每个磁强计（3）分别连接中央控制器模块。
2.根据权利要求1所述的具有局部磁场补偿能力的主动屏蔽装置，其特征在于：补偿线圈（2）阵列中，补偿线圈（2）为边导线结构设置，边导线连接节点上设置有开断器，且每个开断器均连接在中央控制模块的供电模块上。
3.根据权利要求1或2所述的具有局部磁场补偿能力的主动屏蔽装置，其特征在于：构成每个补偿线圈（2）所需的边导线至少为三条。
4.根据权利要求1或2所述的具有局部磁场补偿能力的主动屏蔽装置，其特征在于：所述的补偿线圈（2）阵列中构成补偿线圈（2）的边导线为四条，四条边导线构成矩形线圈，且每个矩形线圈的两组对角之间设置有相互不导通的两条导线。
5.根据权利要求1或2所述的具有局部磁场补偿能力的主动屏蔽装置，其特征在于：所述的补偿线圈（2）通过边导线以及导线所形成的闭合回路可分布在至少为四面体的多面体的各个面上。
6.根据权利要求1或2所述的具有局部磁场补偿能力的主动屏蔽装置，其特征在于：所述的补偿线圈（2）阵列可设置至少两层，相邻的阵列层每个相对应的边导线的连接节点，均通过开断器串联。
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