CN110340938B - 混合磁场装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种混合磁场装置，该混合磁场装置包括多个磁场组件以及分别与多个磁场组件连接的电源；其中，每个磁场组件包括同轴设置的至少两个线圈，多个磁场组件的轴中心相交于一点，以形成一空间磁场区域；其中，多个磁场组件中的至少部分线圈的至少部分导电段为弧形导电段，弧形导电段的圆心靠近空间磁场区域一侧。通过上述方式，在混合磁场装置工作时有大空间区域进行工作，保证工作性能。

Description

混合磁场装置

技术领域

本申请涉及电磁领域，特别是涉及一种混合磁场装置。

背景技术

微型机器人在医学应用方面具有巨大的潜力，尤其是在医学设备难以触及的人体领域。在众多的医学应用中，微型机器人有望高效的在人体内部执行任务，微型机器人需要无缆磁场驱动来实现微创治疗，因此各种磁场在医学的应用中用于驱动微型机器人具有重要价值。但是相关的电磁线圈系统，并不会提供大空间供人体某个部位开展医学治疗；或者提供了大的工作空间，却因为大空间而丧失了良好的工作性能。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供一种混合磁场装置，以提供大的工作空间，保证工作性能。

本申请采用的一种技术方案是提供一种混合磁场装置，该混合磁场装置包括多个磁场组件以及分别与多个磁场组件连接的电源；其中，每个磁场组件包括同轴设置的至少两个线圈，多个磁场组件的轴中心相交于一点，以形成一空间磁场区域；其中，多个磁场组件中的至少部分线圈的至少部分导电段为弧形导电段，弧形导电段的圆心靠近空间磁场区域一侧。

其中，混合磁场装置包括正交设置的第一磁场组件、第二磁场组件和第三磁场组件，第一磁场组件、第二磁场组件和第三磁场组件的轴向分别对应正交空间的X轴、Y轴和Z轴，X轴、Y轴和Z轴相交于O点。

其中，第一磁场组件包括沿YOZ平面对称设置的两个第一线圈；其中，第一线圈包括顺次连接的第一导电段、第二导电段、第三导电段和第四导电段，第一导电段和第三导电段与Z轴平行，第二导电段和第四导电段为弧形导电段。

其中，第二磁场组件包括沿XOZ平面对称设置的两个第二线圈；其中，第二线圈包括顺次连接的第五导电段、第六导电段、第七导电段和第八导电段，第五导电段和第七导电段与Z轴平行，第六导电段和第八导电段为弧形导电段。

其中，两个第一线圈的之间的距离为：

其中，w₁表示第一导电段或第三导电段的长度；或两个第二线圈的之间的距离为：

其中，w₂表示第五导电段或第七导电段的长度。

其中，第一线圈的弧形导电段的长度为：

其中，α表示弧形导电段的圆心角；或第二线圈的弧形导电段的长度为：

其中，当电源提供的电流方向一致时，第一磁场组件产生的均匀磁场中任意点的磁感应强度为：

或第二磁场组件产生的均匀磁场中任意点的磁感应强度为：

其中，u₀为真空磁导率4π×10^-7Tm/A，I₁表示第一磁场组件中的电流，I₂表示第二磁场组件中的电流，y表示任意点坐标中Y轴坐标值的绝对值，x表示任意点坐标中X轴坐标值的绝对值；

当电源提供的电流方向相反时，第一磁场组件产生的梯度磁场中任意点的磁感应强度为：

或，第二磁场组件产生的梯度磁场中任意点的磁感应强度为：

其中，I₃表示第一磁场组件中的电流，I₄表示第二磁场组件中的电流，y表示任意点坐标中Y轴坐标值的绝对值，x表示任意点坐标中X轴坐标值的绝对值。

其中，第三磁场组件包括沿Z方向间隔设置的三个第三线圈，且第三线圈套设于第一磁场组件和第二磁场组件外；其中，第三线圈包括顺次连接的第九导电段、第十导电段、第十一导电段和第十二导电段，第九导电段和第十一导电段与X轴平行，第十导电段和第十二导电段与Y轴平行。

其中，第三磁场组件中相邻两个第三线圈之间的距离为：

其中，w₃表示第九导电段、第十导电段、第十一导电段或第十二导电段的长度。

其中，当电源提供的电流方向一致时，第三磁场组件产生的均匀磁场中任意点的磁感应强度为：

其中，I₆表示第三磁场组件中三个第三线圈中居中的第三线圈的电流，z表示任意点坐标中Z轴坐标值的绝对值；

当电源提供的电流方向相反时，第三磁场组件产生的梯度磁场中任意点的磁感应强度为：

本申请的有益效果是：区别于现有技术，本申请的混合磁场装置通过将第一磁场组件、第二磁场组件、第三磁场组件正交设置与X轴、Y轴和Z轴，X轴、Y轴和Z轴相交于O点，形成一空间区域，给每组磁场组件提供电流，在空间区域产生对应的混合磁场。将第一磁场组件中的至少一导电段设置为弧形，有效增加空间区域在X轴向的空间，将第二磁场组件中的至少一导电段设置为弧形，有效增加空间区域在Y轴向的空间，使得混合磁场装置有大空间区域进行工作，保证工作性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本申请提供的混合磁场装置第一实施例的结构示意图；

图2是本申请提供的混合磁场装置第一实施例中第一线圈组件的结构示意图；

图3是本申请提供的混合磁场装置第一实施例中第二线圈组件的结构示意图；

图4是本申请提供的混合磁场装置第一实施例中第三线圈组件的结构示意图；

图5是本申请提供的混合磁场装置第二实施例的结构示意图；

图6是本申请提供的混合磁场装置第二实施例中第一线圈组件的结构示意图；

图7是本申请提供的混合磁场装置第二实施例中第二线圈组件的结构示意图；

图8是本申请提供的混合磁场装置第二实施例中第三线圈组件的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

混合磁场装置是一种可以同时产生均匀磁场和梯度磁场的磁场装置，可以在一空间区域内利用磁场的改变对磁场中的物质进行移动。例如应用于医疗微型机器人，可以有效的控制机器人的行动方向。

参阅图1，图1是本申请提供的混合磁场装置第一实施例的结构示意图，混合磁场装置10包括第一磁场组件11、第二磁场组件12、第三磁场组件13，以及与第一磁场组件11、第二磁场组件12、第三磁场组件13分别连接的电源(图未示)。

第一磁场组件11包括同轴设置的两个线圈。第一磁场组件11的两个线圈沿YOZ平面对称设置。

第二磁场组件12包括同轴设置的两个线圈。第二磁场组件12的两个线圈沿XOZ平面对称设置。

第三磁场组件13包括同轴设置的两个线圈。第三磁场组件13的两个第二线圈沿YOX平面对称设置。

第一磁场组件11、第二磁场组件12、第三磁场组件13的轴中心相交于一点，第三磁场组件13套设于第一磁场组件11和第二磁场组件12外，以形成一空间磁场区域，以使电源分别为第一磁场组件11、第二磁场组件12、第三磁场组件13提供电流时，产生相应的混合磁场。

其中，第一磁场组件11、第二磁场组件12和第三磁场组件13正交设置，第一磁场组件11、第二磁场组件12和第三磁场组件13的产生的磁场轴向分别对应正交空间的X轴、Y轴和Z轴，X轴、Y轴和Z轴相交于O点。

具体地参阅图2，图2是本申请提供的混合磁场装置第一实施例中第一线圈组件的的结构示意图，第一线圈组件11包括沿YOZ平面对称设置的两个第一线圈，两个第一线圈具有相同的结构，第一线圈包括顺次连接的第一导电段111、第二导电段112、第三导电段113和第四导电段114，第一导电段111和第三导电段113与Z轴平行，第二导电段112和第四导电段114为弧形导电段。两个第一线圈的之间的距离为：

其中，w₁表示第一导电段111或第三导电段113的长度，第一导电段111和第三导电段113的长度相等。第二导电段112和第四导电段114的弧形两端的距离等于第一导电段111或第三导电段113的长度。弧形导电段的长度为：

其中，α表示弧形导电段的圆心角。

参阅图3，图3是本申请提供的混合磁场装置第一实施例中第二线圈组件的结构示意图，第二线圈组件12沿XOZ平面对称设置的两个第二线圈，两个第二线圈具有相同的结构，第二线圈包括顺次连接的第五导电段121、第六导电段122、第七导电段123和第八导电段124，第五导电段121和第七导电段123与Z轴平行，第六导电段122和第八导电段124为弧形导电段。第二线圈的弧形导电段的长度为：

其中，w₂表示第五导电段121或第七导电段123的长度。其中，第五导电段121和第七导电段123的长度相等。第二线圈的弧形导电段的长度为：

参阅图4，图4是本申请提供的混合磁场装置第一实施例中第三线圈组件的结构示意图，第三磁场组件13包括包括沿Z方向间隔设置的两个第三线圈，且第三线圈套设于第一磁场组件和第二磁场组件外。

其中，第三线圈包括顺次连接的第九导电段131、第十导电段132、第十一导电段133和第十二导电段134，第九导电段131和第十一导电段133与X轴平行，第十导电段132和第十二导电段134与Y轴平行。

在本实施中，第九导电段131、第十导电段132、第十一导电段133和第十二导电段134的长度相等，两个第三线圈的距离为：

其中，w₃表示第九导电段131、第十导电段132、第十一导电段133或第十二导电段134的长度。

结合图2-图4，将三个磁场组件按照对应正交空间的X轴、Y轴和Z轴，X轴、Y轴和Z轴相较于O点进行设置，第三磁场组件套设于第一磁场组件11和第二磁场组件12外，构造成为图1所示的混合磁场装置10。

可选的，图2的第一磁场组件11中第一线圈可以和图3的第二磁场组件12中第二线圈的结构大小完全相同，即第一线圈中的第一导电段111的长度w₁与第二线圈中第五导电段121的长度w₂相等，第一线圈中的第二导电段112的长度L₁与第二线圈中第六导电段122的长度L₂相等。

可选的，图2的第一磁场组件11中第一线圈和图3的第二磁场组件12中第二线圈的结构相似，其中，第一线圈中的第一导电段111的长度w₁与第二线圈中第五导电段121的长度w₂不相同，第一线圈中的第二导电段112的长度L₁与第二线圈中第六导电段122的长度L₂不相同。

在其他实施例中，对第一磁场组件11和第二磁场组件12的每个导电段的长度不做要求，以及每组磁场组件的距离也不做要求，根据应用场景的需求，做适当的调整。

在本实例中，当混合磁场装置给每个磁场组件中的线圈提供电流后，产生相应的磁场。如第一磁场组件的两个第一线圈通过同向电流，则第一磁场组件的两个第一线圈产生X轴向的均匀磁场；第二磁场组件的两个第二线圈通过同向电流，则第二场组件的两个第二线圈产生Y轴向的均匀磁场；第三磁场组件的两个第三线圈通过同向电流，则第三场组件的两个第三线圈产生Z轴向的均匀磁场。又如第一磁场组件的两个第一线圈通过反向电流，则第一磁场组件的两个第一线圈产生X轴向的梯度磁场；第二磁场组件的两个第二线圈通过反向电流，则第二场组件的两个第二线圈产生Y轴向的梯度磁场；第三磁场组件的两个第三线圈通过反向电流，则第三场组件的两个第三线圈产生Z轴向的梯度磁场。

在不同应用场景中，合理调整电流大小和方向，每组磁场组件产生对应大小和方向的均匀磁场或梯度磁场，以形成混合磁场。

区别于现有技术，本申请通过将第一磁场组件、第二磁场组件、第三磁场组件正交设置与X轴、Y轴和Z轴，X轴、Y轴和Z轴相交于O点，形成一空间区域，给每组磁场组件提供电流，在空间区域产生对应的混合磁场。将第一磁场组件中的至少一导电段设置为弧形，有效增加空间区域在X轴向的空间，将第二磁场组件中的至少一导电段设置为弧形，有效增加空间区域在Y轴向的空间，使得混合磁场装置有大空间区域进行工作。

参阅图5，图5是本申请提供的混合磁场装置第二实施例的结构示意图，混合磁场装置20包括第一磁场组件21、第二磁场组件22、第三磁场组件23，以及与第一磁场组件21、第二磁场组件22、第三磁场组件23分别连接的电源(图未示)。

第一磁场组件21包括同轴设置的两个线圈。第一磁场组件21的两个线圈沿YOZ平面对称设置。

第二磁场组件22包括同轴设置的两个线圈。第二磁场组件22的两个线圈沿XOZ平面对称设置

第三磁场组件23包括同轴设置的两个线圈。第三磁场组件23的两个第二线圈沿YOX平面对称设置。

第一磁场组件21、第二磁场组件22、第三磁场组件23的轴中心相交于一点，第三磁场组件23套设于第一磁场组件21和第二磁场组件22外，以形成一空间磁场区域，以使电源分别为第一磁场组件21、第二磁场组件22、第三磁场组件23提供电流时，产生相应的混合磁场。

其中，第一磁场组件21、第二磁场组件22和第三磁场组件23正交设置，第一磁场组件21、第二磁场组件22和第三磁场组件23的产生的磁场轴向分别对应正交空间的X轴、Y轴和Z轴，X轴、Y轴和Z轴相交于O点。

具体地参阅图6，图6是本申请提供的混合磁场装置第二实施例中第一线圈组件的结构示意图，第一线圈组件21包括沿YOZ平面对称设置的两个第一线圈，两个第一线圈具有相同的结构，第一线圈包括顺次连接的第一导电段211、第二导电段212、第三导电段213和第四导电段214，第一导电段211和第三导电段213与Z轴平行，第二导电段212和第四导电段214为弧形导电段。两个第一线圈的之间的距离为：

其中，w₁表示第一导电段211或第三导电段213的长度，第一导电段211和第三导电段213的长度相等。第二导电段212和第四导电段214的弧形两端的距离等于第一导电段211或第三导电段213的长度。弧形导电段的长度为：

其中，α表示弧形导电段的圆心角。

参阅图7，图7是本申请提供的混合磁场装置第一实施例中第二线圈组件的结构示意图，第二线圈组件22沿XOZ平面对称设置的两个第二线圈，两个第二线圈具有相同的结构，第二线圈包括顺次连接的第五导电段221、第六导电段222、第七导电段223和第八导电段224，第五导电段221和第七导电段223与Z轴平行，第六导电段222和第八导电段224为弧形导电段。第二线圈的弧形导电段的长度为：

其中，w₂表示第五导电段221或第七导电段223的长度。其中，第五导电段221和第七导电段223的长度相等。第二线圈的弧形导电段的长度为：

参阅图8，图8是本申请提供的混合磁场装置第二实施例中第三线圈组件的结构示意图，第三磁场组件23包括沿Z方向间隔设置的三个第三线圈，且第三线圈套设于第一磁场组件和第二磁场组件外；

其中，第三线圈包括顺次连接的第九导电段231、第十导电段232、第十一导电段233和第十二导电段234，第九导电段231和第十一导电段233与X轴平行，第十导电段232和第十二导电段234与Y轴平行。

在本实施中，第九导电段231、第十导电段232、第十一导电段233和第十二导电段234的长度相等，第三磁场组件23中相邻两个第三线圈之间的距离为：

其中，w₃表示第九导电段231、第十导电段232、第十一导电段233或第十二导电段234的长度。

结合图6-图8，将三个磁场组件按照对应正交空间的X轴、Y轴和Z轴，X轴、Y轴和Z轴相较于O点进行设置，第三磁场组件23套设于第一磁场组件21和第二磁场组件22外，构造成为图5所示的混合磁场装置20。

参阅图6，当混合磁场装置20的电源给第一磁场组件的两个第一线圈提供同向电流I₁、I₃，其中I₁＝I₃，第一磁场组件产生X轴向均匀磁场，其中任意点在第一磁场组件中的磁感应强度为：

其中，u₀为真空磁导率4π×10^-7Tm/A，I₁表示第一磁场组件21中的电流，y表示所述任意点坐标中的Y轴坐标值的绝对值。

当混合磁场装置20的电源给第一磁场组件的两个第一线圈提供反向电流I₁、I₃，其中I₁＝I₃，第一磁场组件产生X轴向梯度磁场，其中任意点在第一磁场组件中的磁感应强度为：

其中，y表示任意点坐标中的Y轴坐标值的绝对值，。

参阅图7，当混合磁场装置20的电源给第二磁场组件的两个第二线圈提供同向电流I₂、I₄，其中I₂＝I₄，第二磁场组件产生Y轴向均匀磁场，其中任意点在第二磁场组件中的磁感应强度为：

其中，I₂表示第二磁场组件中的电流，x表示任意点坐标中的X轴坐标值的绝对值；

当混合磁场装置20的电源给第二磁场组件的两个第二线圈提供反向电流I₂、I₄，其中I₂＝I₄，第二磁场组件产生Y轴向梯度磁场，其中任意点在第二磁场组件中的磁感应强度为：

参阅图8，当混合磁场装置20的电源给第三磁场组件23的三个第三线圈提供同向电流I₅、I₆、I₇，其中，I₅、I₆、I₇之间的大小关系为：

第三磁场组件23产生Z轴向均匀磁场，其中任意点在第三磁场组件中的磁感应强度为：

其中，z表示任意点坐标中的Z轴坐标值的绝对值。

当混合磁场装置20的电源给第三磁场组件23的三个第三线圈提供反向电流I₅、I₆、I₇，其中，电流I₅、I₆、I₇之间的大小关系为：

第三磁场组件23产生Z轴向梯度磁场，其中任意点在第三磁场组件中的磁感应强度为：

其中，I₆表示所述第三磁场组件中的电流。

在本实施例中，混合磁场装置的电源可以是带CPU(Central Processing Unit，中央处理器)的7路单极性直流电流源，CPU可分别控制7路单极性直流源输出的电流大小。通过CPU控制7路线圈的输出大小不同的电流，以及方向不同的电流，使得每路线圈产生变化的磁场，七个磁场在空间叠加后可以得到空间混合磁场。

可以理解，本实施例中的每个磁场组件中的线圈参数是可以根据具体需求进行调节，结合电源提供的电流，产生相应的磁场，应用于不同的场景。

在一应用场景中，将混合磁场装置结合医疗器械，进行人体头部手术。如将人体头部容置于混合磁场装置形成的空间区域中，通过混合磁场产生的磁场，对用于治疗的粒子或微型机器人产生相应的推力或拉力，控制粒子或微型机器人的行动方向，使其到达目标位置。

在另一应用场景，将混合磁场装置结合医疗器械，进行人体腹部手术。如将人体腹部容置于混合磁场装置形成的空间区域中，通过混合磁场产生的磁场，对用于治疗的粒子或微型机器人产生相应的推力或拉力，控制粒子或微型机器人的行动方向，使其到达目标位置。由于第三磁场组件拥有三个第三线圈，并不会因为空间的增大，而降低工作性能，能很好地保证工作需求。为医疗提供了更多的可能性。

区别于现有技术，本申请的混合磁场装置通过将第一磁场组件、第二磁场组件、第三磁场组件正交设置与X轴、Y轴和Z轴，X轴、Y轴和Z轴相交于O点，形成一空间区域，给每组磁场组件提供电流，在空间区域产生对应的混合磁场。将第一磁场组件中的至少一导电段设置为弧形，有效增加空间区域在X轴向的空间，将第二磁场组件中的至少一导电段设置为弧形，有效增加空间区域在Y轴向的空间，将第三磁场组件设置为三个第三线圈，使得混合磁场装置能在大空间区域进行工作时，保证良好的工作性能。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种混合磁场装置，其特征在于，所述混合磁场装置包括正交设置的第一磁场组件、第二磁场组件和第三磁场组件，以及分别与所述第一磁场组件、所述第二磁场组件和所述第三磁场组件连接的电源；所述第一磁场组件、所述第二磁场组件和所述第三磁场组件的轴向分别对应正交空间的X轴、Y轴和Z轴，X轴、Y轴和Z轴相交于O点，以形成一空间磁场区域；

所述第一磁场组件包括沿YOZ平面对称设置的两个第一线圈；所述第二磁场组件包括沿XOZ平面对称设置的两个第二线圈；

所述第一线圈包括顺次连接的第一导电段、第二导电段、第三导电段和第四导电段，所述第一导电段和所述第三导电段与所述Z轴平行，所述第二导电段和所述第四导电段为弧形导电段；

所述第二线圈包括顺次连接的第五导电段、第六导电段、第七导电段和第八导电段，所述第五导电段和所述第七导电段与所述Z轴平行，所述第六导电段和所述第八导电段为弧形导电段；所述弧形导电段的圆心靠近所述空间磁场区域一侧；

两个所述第一线圈的之间的距离为：

其中，w₁表示所述第一导电段或所述第三导电段的长度；或两个所述第二线圈的之间的距离为：

其中，w₂表示所述第五导电段或所述第七导电段的长度；

所述第一线圈的所述弧形导电段的长度为：

其中，α表示所述弧形导电段的圆心角；或所述第二线圈的所述弧形导电段的长度为：

2.根据权利要求1所述的混合磁场装置，其特征在于，

当所述电源提供的电流方向一致时，所述第一磁场组件产生的均匀磁场中任意点的磁感应强度为：

或

所述第二磁场组件产生的均匀磁场中任意点坐标中磁感应强度为：

其中，u₀为真空磁导率4π×10^-7Tm/A，I₁表示所述第一磁场组件中的电流，I₂表示所述第二磁场组件中的电流，y表示所述任意点坐标中Y轴坐标值的绝对值，x表示所述任意点坐标中X轴坐标值的绝对值；

当所述电源提供的电流方向相反时，所述第一磁场组件产生的梯度磁场中任意点的磁感应强度为：

或，所述第二磁场组件产生的梯度磁场中任意点的磁感应强度为：

其中，I₃表示所述第一磁场组件中的电流，I₄表示所述第二磁场组件中的电流，y表示所述任意点坐标中Y轴坐标值的绝对值，x表示所述任意点坐标中X轴坐标值的绝对值。

3.根据权利要求1所述的混合磁场装置，其特征在于，

所述第三磁场组件包括沿所述Z轴方向间隔设置的三个第三线圈，且所述第三线圈套设于所述第一磁场组件和所述第二磁场组件外；

其中，所述第三线圈包括顺次连接的第九导电段、第十导电段、第十一导电段和第十二导电段，所述第九导电段和所述第十一导电段与所述X轴平行，所述第十导电段和所述第十二导电段与所述Y轴平行。

4.根据权利要求3所述的混合磁场装置，其特征在于，

所述第三磁场组件中相邻两个所述第三线圈之间的距离为：

其中，w₃表示所述第九导电段、所述第十导电段、所述第十一导电段或所述第十二导电段的长度。

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