CN110111964B - 一种模块化磁场发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模块化磁场发生装置，属于电磁场应用领域。本发明提出的一种模块化磁场发生装置中n²(n＝1,2,3,…)个正方形线圈单元构成一个主线圈，每个正方形线圈单元各引出一个相互匹配的单芯公头和单芯母头连接器，同一圈上的正方形线圈单元之间串联连接，不同圈上的正方形线圈单元之间并联连接且每个并联支路连接一个可变电阻器。本发明提出的磁场发生装置采用了模块化设计理念，通过若干个正方向线圈单元，可以方便地构成不同主线圈形状和尺寸，继而可以根据不同的实验需求，产生不同大小的均匀区的直流或交流磁场；本发明提出的磁场发生装置，可以方便地拆卸和安装正方形线圈单元，可方便地搬运相关实验设备和操作人员进出磁场发生装置内部空间。

Description

一种模块化磁场发生装置

技术领域

本发明涉及一种可以应用于基础物理和电磁生物学研究、精密磁传感器标定等场合的磁场发生线圈系统，属于电磁场应用领域。

背景技术

磁场作为一种地球环境的重要组成部分，其在科学研究、工程应用领域当中的应用比重越来越大。在某些前沿基础物理、生物实验当中会将磁场作为一种实验条件，人工地产生和模拟直流或交流磁场。目前产生磁场的磁源主要包括两种，即永磁体和载流线圈。相比于永磁体，载流线圈因其灵活性，其在上述领域当中的应用更加广泛。人工产生和模拟磁场用的载流线圈，可称之为磁场发生线圈系统或磁场发生装置，均匀度和均匀区为表征其优劣的两个主要性能指标。

亥姆霍兹线圈作为一种最具代表性的磁场发生装置，因其结构的简单性、较高的性价比，存在着广阔的应用领域。亥姆霍兹线圈的参数是对其轴线上的磁场进行泰勒展开后，尽可能多地使低次幂(偶数)项目为零而得到。由于亥姆霍兹线圈只有两个参数可调，即线圈尺寸及线圈间距，因此至多能使轴线磁场泰勒展开后的2次项为零，从而产生磁场的均匀区较小。此外，当亥姆霍兹线圈的线圈尺寸与线圈间距不能满足最优比值时，其产生的磁场均匀区大小显著降低。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种模块化磁场发生装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种模块化磁场发生装置，所述模块化磁场发生装置包括n²(n＝1,2,3,…)个正方形线圈单元，n²(n＝1,2,3,…)个正方形线圈单元构成一个主线圈，每个正方形线圈单元各引出一个相互匹配的单芯公头和单芯母头连接器，同一圈上的正方形线圈单元之间串联连接，不同圈上的正方形线圈单元之间并联连接且且每个并联支路连接一个可变电阻器，通过改变可变电阻器的阻值，可以方便地调节不同圈上正方形线圈单元的电流比，从而根据需求组成各种形状的线圈组合。

本发明一种模块化磁场发生装置，所述两个主线圈构成单轴的磁场发生装置，根据应用需求，可以沿着x，y，z轴组合布置3个单轴磁场发生装置，形成三轴磁场发生装置。

本发明一种模块化磁场发生装置，所述当n≥3时，线圈参数自由度更多，可以实现更大的磁场均匀区。

本发明提出一种模块化磁场发生装置，采用正方形线圈单元作为其基本组成部分，通过多个正方向线圈单元构成一个主线圈，当n≥3时，相比于传统的亥姆霍兹线圈，线圈参数(自由度)更多，可以实现更大的均匀区；本发明提出的磁场发生装置采用了模块化设计理念，通过若干个正方向线圈单元，可以方便地构成不同主线圈尺寸，继而可以根据不同的实验需求，产生不同大小的均匀区的直流或交流磁场；本发明提出的磁场发生装置，可以方便地拆卸正方形线圈单元，可方便地搬运相关实验设备、操作人员进出装置内部空间。

附图说明

图1为模块化线圈装置的组成示意图。

图2为多个线圈单元等效成一个线圈的示意图。

图3为当n为奇数时，不同圈的线圈组成分布。

图4为当n为偶数时，不同圈的线圈组成分布。

图5为线圈的供电电路图。

图6为n＝3时，9个线圈单元等效成2个内、外线圈的示意图。

图7为当限定线圈间距时，传统亥姆霍兹线圈产生的磁场均匀区。

图8为当限定线圈间距时，模块化磁场发生装置产生的磁场均匀区。

图9为不限定线圈间距时，传统亥姆霍兹线圈产生的磁场均匀区。

图10为不限定线圈间距时，模块化磁场发生装置产生的磁场均匀区。

图11为传统亥姆霍兹线圈放置在屏蔽室内部的示意图。

图12为传统亥姆霍兹线圈放置在屏蔽室内部时，其产生的磁场均匀区。

图13为模块化磁场发生装置放置在屏蔽室内部的示意图。

图14为模块化磁场发生装置放置在屏蔽室内部时，其产生的磁场均匀区。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例一：如图1-14所示，本实施例所涉及的一种模块化磁场发生装置，包括由若干个正方形线圈单元组成，当n由1逐渐增大时，主线圈的构建方式如图1所示；

图2左侧表示，当若干个相邻的正方向线圈单元串联连接时的电流流向。可以看出，里侧相邻正方向线圈单元通电电流幅值相同、方向相反。在理想情况下(即相邻正方形线圈单元离得足够近)，里侧相邻载流导线产生的磁场相互抵消，因此，图2左侧若干个正方形线圈单元可以等效为图2右侧一个正方形线圈。因此，可以得出如下结论，通过n²个正方形线圈单元可以构成不同尺寸的正方形线圈。

如图3所示，当n为奇数时，把一个由若干个正方形线圈单元组成的主线圈，从内至外分解为若干圈(i＝1,2,3,…，i＝n/2+1/2)的正方形线圈单元。

如图4所示，当n为偶数时，把一个由若干个正方形线圈单元组成的主线圈，从内至外分解为若干圈(i＝1,2,3,…，i＝n/2)的正方形线圈单元。

如图5所示，把同一圈上的正方形线圈单元之间串联连接，不同圈上的正方形线圈之间并联连接。在每一圈正方形线圈单元组串入一个可变电阻器，方便地控制每个回路中的电流幅值。

根据毕奥-萨伐尔定理，传统的亥姆霍兹线圈在其轴线上的磁感应强度的可以表示为如下式(1)的形式：

式中，u₀为空气磁导率，I为线圈电流，2l为正方形线圈长度、2a为线圈间距。

根据文献“Uniform magnetic field produced by three,four,and fivesquare coils”，线圈在轴线上产生的磁感应强度在原点处的偶数次导数尽可能为零(由于B(x)为偶函数，因此其在原点出的奇数次导数为零)，则线圈在中心区域当中的均匀度越高。下面分别给出B(x)的二次导数和四次导数的表达式，如式(2)、(3)所示。

根据式(2)可以看出，当给定线圈的边长2l时，存在一个最优线圈间距2a，使式(2)等于零。即传统的亥姆霍兹线圈的线圈间距与线圈尺寸存在一个最优比例，能使亥姆霍兹线圈产生磁场的均匀区达到最大。当线圈间距和边长的比值偏离上述最优比例时，其产生磁场均匀区大小剧减；并且由于只存在一个独立变量，亥姆霍兹线圈至多能使中心处的二次导数为零，均匀度有限，上述两点即是传统亥姆霍兹线圈的局限性。

下面具体描述本发明专利提出的模块化磁场发生装置的优势。如6所示，以n＝3时的情况为例，通过控制可变电阻器阻值，使得第1圈和第2圈正方形线圈单元的电流不同，则图6左侧的正方形线圈单元可以等效成图6右侧的两个载流正方形线圈。

根据毕奥-萨伐尔定理，此线圈组在其轴线上的磁感应强度的可以表示为如下式(4)的形式：

式中，I₁和2l₁为为内圈电流与内圈边长，I₂和2l₂为为外圈电流与外圈边长。根据

图6，可以知道内圈边长和外圈边长存在如下关系式。

l₂＝3l₁ (5)

另式(6)为零，则得到如下关系式：

可以看出，当6a⁶+18a⁴l₁ ²+11a²l₁ ⁴-5l₁ ⁶等于0时，I₂取为零(此时，变成传统亥姆霍兹线圈)；而当6a⁶+18a⁴l₁ ²+11a²l₁ ⁴-5l₁ ⁶不等于0时，I₂可以按照式(7)中的比例取值，使得线圈产生的磁场在中心处的二次导数为零。

图7和图8分别表示，当线圈间距和边长的比值为0.6672时，传统的亥姆霍兹线圈和本专利提出的模块化磁场发生装置(n＝3、外圈电流/内圈电流＝-10)的均匀区对比，图中白色区域表示均匀区，边界长度为2m×2m，均匀度设置为1％。可以看出，后者的性能远远优于前者。这是由于传统的亥姆霍兹线圈偏离了最优间距，因此不能使磁场在中心处的二次导数为零；而本发明提出的模块化线圈装置可以通过调节内、外圈的电流比例，依然可以使磁场在中心处的二次导数为零，保证了较大的均匀区。

以上是限定某一线圈间距时的情况，下面考虑不限定线圈间距的情况。传统的亥姆霍兹线圈可以取到最优线圈间距(线圈间距/线圈边长＝0.5445)，使磁场在中心处的二次导数为零，此时的磁场均匀度如图9所示，其中白色区域表示均匀区，边界长度为0.4m×0.4m，均匀度设置为0.0001％。另一方面，本发明专利提出的线圈(图6)存在两个独立变量，可以使磁场在中心处的二次导数和四次导数为零(线圈间距/线圈边长＝0.1015、外线圈电流/内线圈电流＝-15.11)，因此可以实现更大的磁场均匀区，如图10所示，其中白色区域表示均匀区，边界长度为0.4m×0.4m，均匀度设置为0.0001％。

在前面，以n＝3为例，阐述了本发明专利提出模块化线圈装置的优点，它可以完美解决传统亥姆霍兹线圈的局限性。此外，随着n的增大，其独立变量数量也增大，可以使磁场在中心处的更高次导数为零，实现更大的均匀区。

目前，为高精度物理、生物实验提供所需的磁场条件，需要把地磁场或者外界交变磁场(汽车、电气设备等)采用高导磁材料屏蔽之后，再由其内部线圈产生恒定或交变磁场。这就意味着磁场发生线圈需要放置在屏蔽室内部。参考文献“Optimization of a CoilSystem for Generating Uniform Magnetic Fields inside a Cubic Magnetic Shield”可知，由于主被动耦合效应的影响，内部线圈产生的磁场均匀区产生畸变，图11和图12分别表示，被动屏蔽层内部的线圈布局及其产生的磁场均匀区。图12中，白色区域表示均匀区，边界长度为2m×2m，均匀度设置为1％

相比于传统的亥姆霍兹线圈，本文提出的模块化线圈磁场(依然以n＝3时为例)，可以通过调节内、外圈线圈中的电流比(图13中的内、外圈线圈中电流比为-31.25)实现比传统的亥姆霍兹线圈更高的均匀区，如图13和14所示。图14中，白色区域表示均匀区，边界长度为2m×2m，均匀度设置为1％。

得出结论：传统的亥姆霍兹线圈只有应用在屏蔽室外边才能实现较大的均匀区，而本发明专利提出的模块化线圈装置通过调整内、外圈线圈的电流比，既可以应用在屏蔽室内部，亦可在屏蔽室外边，两种情况均可以实现性能优良的磁场均匀区。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种模块化磁场发生装置，其特征在于，所述模块化磁场发生装置包括n²个正方形线圈单元，其中n≥3，n²个正方形线圈单元构成一个正方形主线圈，每个正方形线圈单元各引出一个相互匹配的单芯公头和单芯母头连接器，将主线圈从内向外分解为i圈正方形单元，当n为奇数时，i＝n/2+1/2；当n为偶数时，i＝n/2；

同一圈上的正方形线圈单元之间串联连接，不同圈上的正方形线圈单元之间并联连接且每个并联支路连接一个可变电阻器，通过改变可变电阻器的阻值，可以方便地调节不同圈上正方形线圈单元的电流比，从而根据需求组成各种形状的线圈组合。

2.根据权利要求1所述的模块化磁场发生装置，其特征在于，两个所述主线圈构成单轴的磁场发生装置，沿着x，y，z轴组合布置3个单轴磁场发生装置，形成三轴磁场发生装置。

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