CN112635148A - 三维亥姆霍兹线圈架及三维亥姆霍兹线圈结构 - Google Patents

Abstract

本发明的三维亥姆霍兹线圈架，通过将三个正柱体在其中间位置形成互相垂直交叉连接结构，形成一个三维坐标，然后以此为基础，在其周围设置八个边角块及十二个中间块，并设定边角块、中间块及正方体柱的尺寸关系以及位置连接关系，并设置边角块与中间块之间及中间块与正方柱体之间均具有间隙，使整个亥姆霍兹线圈架的外形呈正六面体结构，以此形成沿三轴方向的二个距离相等的第一间隙槽、第二间隙槽及第三间隙槽，实现每个维度的两线圈之间的距离相等；另外设置六个相同的线圈架，当线圈缠绕在该六个间隙槽中后，实现每个维度之间的线圈尺寸大小相等；另外本发明的三维亥姆霍兹线圈架制备简单且成本较低。

Description

三维亥姆霍兹线圈架及三维亥姆霍兹线圈结构

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，特别是涉及一种三维亥姆霍兹线圈架及三维亥姆霍兹线圈。

背景技术

匀强磁场在物理理论分析和实验研究中起着重要的作用，而亥姆霍兹线圈产生的磁场就具有一定的优越性，能在其公共轴线中点附近产生一定的均匀磁场，而且大小也可以通过改变实验参数来调节，它可以作为一个稳定的磁场发生器来被人们使用和测试，因而成为磁测量等物理实验的重要组成部件。因此，在生产和科研中，亥姆霍兹线圈具有一定的优越性。

如图1及图2所示，亥姆霍兹线圈是由一对半径都为R、同轴放置且间距等于半径R的线圈构成的，通电时能在其公共轴线中点附近产生均匀磁场，同时在不通电的情况下不会产生环境磁场。传统的亥姆霍兹线圈磁场发生装置通常由一维或者二维亥姆霍兹线圈以及控制器组成，只能产生一维或者二维方向上的磁场，而且一般为直流磁场。但是在涉及磁传感器的设计、测试以及应用等较多场合，不仅仅需要直流磁场，而且还需要三维空间方向的交流磁场来对传感器的响应性能做出判断，便于后期的设计、优化以及处理。因而，出现了能产生三维空间方向的三维亥姆霍兹线圈装置。

目前，缠绕形成三维亥姆霍兹线圈的三维亥姆霍兹线圈架的三轴尺寸明显不同，常见的形式为亥姆霍兹线圈架在三维方向上依次嵌套，所以其尺寸依次较小，这将增大椭球磁场的偏心率，不能最大限度地获得均匀磁场空间。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三维亥姆霍兹线圈架及三维亥姆霍兹线圈结构，用于解决现有技术中由于三维亥姆霍兹线圈在其三轴方向上的尺寸不一致等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种三维亥姆霍兹线圈架，所述三维亥姆霍兹线圈架至少包括：

三个正方柱体，且三个所述正方柱体在其中间位置形成沿X轴、Y轴及Z轴互相垂直交叉连接结构，三个所述正方柱体沿高度方向具有通孔；

设置于三个所述正方柱体外周的八个边角块及十二个中间块，其中，所述边角块的长度是所述中间块的长度的一半，所述边角块的宽度与所述中间块的宽度相等，所述边角块的高度与所述中间块的高度相等，所述正方柱体的长度与所述中间块的长度相等；

三个所述正方柱体、八个所述边角块及十二个所述中间块构成正六面体结构，八个所述边角块设置于所述正六面体结构的边角，每个所述中间块设置于相邻两个所述边角块之间，其中，所述边角块与中间块之间及所述中间块与所述正方柱体之间均具有间隙，所述间隙形成沿X轴的二个第一间隙槽、沿Y轴的二个第二间隙槽及沿Z轴的二个第三间隙槽；

六个相同的线圈架，分别设置于二个所述第一间隙槽、二个所述第二间隙槽及二个所述第三间隙槽的中间；

三个所述正方体柱与八个所述边角块、十二个所述中间块及六个所述线圈架固定连接。

可选地，三个所述正方体柱与八个所述边角块、十二个所述中间块及六个所述线圈架一体成型。

可选地，三个所述正方柱体沿高度方向具有圆柱形通孔，且三个所述圆柱形通孔大小相等，八个所述边角块及十二个所述中间块均具有凹槽。

可选地，三个所述正方柱体的端面具有固定机构，所述固定机构用于固定亥姆霍兹线圈的绕线。

可选地，所述三维亥姆霍兹线圈架的材料为非铁且非磁性材料。

进一步地，所述三维亥姆霍兹线圈架的材料包括德林或缩醛共聚物。

可选地，所述线圈架为圆环形。

可选地，所述线圈架为方环形。

本发明还提供一种三维亥姆霍兹线圈结构，所述三维亥姆霍兹线圈结构包括：

如上所述的三维亥姆霍兹线圈架；

沿X轴、Y轴及Z轴方向的三组亥姆霍兹线圈，且三组所述亥姆霍兹线圈缠绕于所述三维亥姆霍兹线圈架的六个所述线圈架上。

可选地，三组所述亥姆霍兹线圈沿X轴、Y轴及Z轴方向至少包括两圈绕线，且不同轴之间的所述绕线交替缠绕。

如上所述，本发明的三维亥姆霍兹线圈架，通过将三个正柱体在其中间位置形成互相垂直交叉连接结构，以此形成一个三维坐标，然后通过以此三维坐标为基础，在其周围设置八个边角块及十二个中间块，并设定边角块、中间块及正方体柱的尺寸关系以及位置连接关系，并设置边角块与中间块之间及中间块与正方柱体之间均具有间隙，使整个亥姆霍兹线圈架的外形呈正六面体结构，以此形成沿X轴方向互相平行的二个第一间隙槽、沿Y轴方向互相平行的二个第二间隙槽及沿Z轴方向互相平行的二个第三间隙槽，且每个维度方向的两个间隙槽之间的距离均相等，实现三维亥姆霍兹线圈中每个维度的两线圈之间的距离相等；另外设置六个相同的线圈架，并将其设置于六个间隙槽的中间位置，当线圈缠绕在该六个间隙槽中后，实现每个维度之间的线圈尺寸大小相等；另外本发明的三维亥姆霍兹线圈架制备简单且成本较低。

附图说明

图1显示为一维亥姆霍兹线圈的结构示意图。

图2显示为图1的主视图。

图3显示为本发明的三维亥姆霍兹线圈架的立体结构示意图。

图4显示为本发明的三维亥姆霍兹线圈架的一半的剖视结构立体图，其中，图4中的三维亥姆霍兹线圈架上缠绕有亥姆霍兹线圈。

图5显示为本发明的三维亥姆霍兹线圈架的部分剖视结构立体图，其中，图5中的三维亥姆霍兹线圈架上缠绕有亥姆霍兹线圈。

图6显示为图3的主视图。

图7显示为沿6中AA方向的纵向截面图。

图8显示为本发明的三维亥姆霍兹线圈结构的立体结构示意图。

图9显示为本发明的三维亥姆霍兹线圈结构中亥姆霍兹线圈的立体结构示意图。

图10显示为本发明的三维亥姆霍兹线圈结构的部分剖视结构立体图。

元件标号说明

1 正方体柱

10 通孔

2 边角块

3 中间块

4 第一间隙槽

5 第二间隙槽

6 第三间隙槽

7 线圈架

8 凹槽

9 固定机构

11 亥姆霍兹线圈

12 实验平台

L1 边角块的长度

L2 中间块的长度

L3 正方体柱的长度

W1 边角块的宽度

W2 中间块的宽度

H1 边角块的高度

H2 中间块的高度

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3至图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图3至图7，本实施例提供一种三维亥姆霍兹线圈架，所述三维亥姆霍兹线圈架包括：

三个正方柱体1，且三个所述正方柱体1在其中间位置形成沿X轴、Y轴及Z轴互相垂直交叉连接结构，三个所述正方柱体1沿高度方向具有通孔10，如图3及图4所示；

设置于三个所述正方柱体1外周的八个边角块2及十二个中间块3，其中，所述边角块的长度L1是所述中间块的长度L2的一半，所述边角块的宽度W1与所述中间块的宽度W2相等，所述边角块的高度H1与所述中间块的高度H2相等，所述正方柱体的长度L3与所述中间块的长度L2相等，如图5所示；

三个所述正方柱体1、八个所述边角块2及十二个所述中间块3构成正六面体结构，八个所述边角块2设置于所述正六面体结构的边角，每个所述中间块3设置于相邻两个所述边角块2之间，其中，所述边角块2与中间块3之间及所述中间块3与所述正方柱体1之间均具有间隙，所述间隙形成沿X轴的二个第一间隙槽4、沿Y轴的二个第二间隙槽5及沿Z轴的二个第三间隙槽6，如图4所示；

六个相同的线圈架7，分别设置于二个所述第一间隙槽4、二个所述第二间隙槽5及二个所述第三间隙槽6的中间；

三个所述正方体柱1与八个所述边角块2、十二个所述中间块3及六个所述线圈架7固定连接，如图5所示。

本实施例提供的三维亥姆霍兹线圈架，通过将三个正柱体在其中间位置形成互相垂直交叉连接结构，以此形成一个三维(X轴、Y轴及Z轴)坐标，然后通过以此三维坐标为基础，在其周围设置八个边角块及十二个中间块，并设定边角块、中间块及正方体柱的尺寸关系以及位置连接关系，并设置边角块与中间块之间及中间块与正方柱体之间均具有间隙，使整个亥姆霍兹线圈架的外形呈正六面体结构，以此形成沿X轴方向互相平行的二个第一间隙槽、沿Y轴方向互相平行的二个第二间隙槽及沿Z轴方向互相平行的二个第三间隙槽，且每个维度方向的两个间隙槽之间的距离均相等，这可实现三维亥姆霍兹线圈中每个维度的两线圈之间的距离相等；另外设置六个相同的线圈架，并将其设置于六个间隙槽的中间位置，当线圈缠绕在该六个间隙槽中后，则可实现每个维度之间的线圈尺寸大小相等。

如图4及图5所示，作为示例，三个所述正方体柱1与八个所述边角块2、十二个所述中间块3及六个所述线圈架7一体成型。这样整个三维亥姆霍兹线圈架成为不可拆卸的整体，结构不易变形，所以当线圈缠绕在该三维亥姆霍兹线圈架上后，线圈的保形性佳。

如图3至图5所示，作为示例，三个所述正方柱体1沿高度方向具有圆柱形通孔，且三个所述圆柱形通孔大小相等，八个所述边角块2及十二个所述中间块3均具有凹槽。设置通孔设凹槽可以进一步降低整个三维亥姆霍兹线圈架的重量，降低成本。设置圆柱形通孔，便于工艺生产，且易于在实验过程中放置样品。

如图3至图5所示，作为示例，三个所述正方柱体1的端面具有固定机构9，所述固定机构9用于固定亥姆霍兹线圈的绕线。所述固定机构可以是任何起固定绕线作用的结构，例如可以是在正方体柱1上设置多个盲孔，然后在盲孔上设置螺丝，最后将绕线放在多个螺丝的外周，以在线圈缠绕时方便绕线使用。

作为示例，所述三维亥姆霍兹线圈架的材料为非铁且非磁性材料。采用非铁且非磁性材料时为了保证三维亥姆霍兹线圈在使用过程中不会对其磁场产生影响。较佳地，所述三维亥姆霍兹线圈架的材料可以为包括德林或缩醛共聚物。

如图7所示，作为示例，所述线圈架为圆环形。圆形的线圈架上缠绕上线圈后可以形成标准的亥姆霍兹线圈结构。所述线圈架的形状也可以是其他形状，例如方环形，具体形状可以根据具体情况选择。

实施例二

请参阅图9至图10，本实施例提供一种三维亥姆霍兹线圈结构，所述三维亥姆霍兹线圈结构包括：

如实施例一所述的三维亥姆霍兹线圈架；

沿X轴、Y轴及Z轴方向的三组亥姆霍兹线圈11，且三组所述亥姆霍兹线圈11缠绕于所述三维亥姆霍兹线圈架的六个所述线圈架7上。

如图9所示，当所述线圈架7为圆形时，缠绕于实施例一的所述三维亥姆霍兹线圈架上的亥姆霍兹线圈从外观上呈球形，每个维度上两个线圈之间的距离相等，且每个维度上的线圈之间的直径也相等，被测物体可通过实验平台12被放置在线圈的精确中心位置。

如图10所示，作为示例，三组所述亥姆霍兹线圈沿X轴、Y轴及Z轴方向至少包括两圈绕线，且不同轴之间的所述绕线交替缠绕。举例说明，当三组所述亥姆霍兹线圈沿X轴、Y轴及Z轴方向包括两圈绕线时，所述交替缠绕的方式为：先将X轴、Y轴及Z轴的绕线缠绕结束形成第一圈绕线后，再以相同的方式缠绕第二圈绕线。当然如果大于两圈绕线时，则在第二圈绕线的基础上，再以相同的方式缠绕第三圈绕线以至更多圈绕线。采用此交替绕线的方式，不同维度线圈重叠的区域将略有非圆形，但与线圈间距和尺寸的差异相比，这种影响微乎其微，因此可达到形成不同维度上线圈之间的尺寸几乎相等的效果。

综上所述，本发明的三维亥姆霍兹线圈架，通过将三个正柱体在其中间位置形成互相垂直交叉连接结构，以此形成一个三维坐标，然后通过以此三维坐标为基础，在其周围设置八个边角块及十二个中间块，并设定边角块、中间块及正方体柱的尺寸关系以及位置连接关系，并设置边角块与中间块之间及中间块与正方柱体之间均具有间隙，使整个亥姆霍兹线圈架的外形呈正六面体结构，以此形成沿X轴方向互相平行的二个第一间隙槽、沿Y轴方向互相平行的二个第二间隙槽及沿Z轴方向互相平行的二个第三间隙槽，且每个维度方向的两个间隙槽之间的距离均相等，实现三维亥姆霍兹线圈中每个维度的两线圈之间的距离相等；另外设置六个相同的线圈架，并将其设置于六个间隙槽的中间位置，当线圈缠绕在该六个间隙槽中后，实现每个维度之间的线圈尺寸大小相等；另外本发明的三维亥姆霍兹线圈架制备简单且成本较低。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种三维亥姆霍兹线圈架，其特征在于，所述三维亥姆霍兹线圈架至少包括：

三个正方柱体，且三个所述正方柱体在其中间位置形成沿X轴、Y轴及Z轴互相垂直交叉连接结构，三个所述正方柱体沿高度方向具有通孔；

设置于三个所述正方柱体外周的八个边角块及十二个中间块，其中，所述边角块的长度是所述中间块的长度的一半，所述边角块的宽度与所述中间块的宽度相等，所述边角块的高度与所述中间块的高度相等，所述正方柱体的长度与所述中间块的长度相等；

三个所述正方柱体、八个所述边角块及十二个所述中间块构成正六面体结构，八个所述边角块设置于所述正六面体结构的边角，每个所述中间块设置于相邻两个所述边角块之间，其中，所述边角块与中间块之间及所述中间块与所述正方柱体之间均具有间隙，所述间隙形成沿X轴的二个第一间隙槽、沿Y轴的二个第二间隙槽及沿Z轴的二个第三间隙槽；

六个相同的线圈架，分别设置于二个所述第一间隙槽、二个所述第二间隙槽及二个所述第三间隙槽的中间；

三个所述正方体柱与八个所述边角块、十二个所述中间块及六个所述线圈架固定连接。

2.根据权利要求1所述的三维亥姆霍兹线圈架，其特征在于：三个所述正方体柱与八个所述边角块、十二个所述中间块及六个所述线圈架一体成型。

3.根据权利要求1所述的三维亥姆霍兹线圈架，其特征在于：三个所述正方柱体沿高度方向具有圆柱形通孔，且三个所述圆柱形通孔大小相等，八个所述边角块及十二个所述中间块均具有凹槽。

4.根据权利要求1所述的三维亥姆霍兹线圈架，其特征在于：三个所述正方柱体的端面具有固定机构，所述固定机构用于固定亥姆霍兹线圈的绕线。

5.根据权利要求1所述的三维亥姆霍兹线圈架，其特征在于：所述三维亥姆霍兹线圈架的材料为非铁且非磁性材料。

6.根据权利要求5所述的三维亥姆霍兹线圈架，其特征在于：所述三维亥姆霍兹线圈架的材料包括德林或缩醛共聚物。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的三维亥姆霍兹线圈架，其特征在于：所述线圈架为圆环形。

8.根据权利要求1～6任意一项所述的三维亥姆霍兹线圈架，其特征在于：所述线圈架为方环形。

9.一种三维亥姆霍兹线圈结构，其特征在于，所述三维亥姆霍兹线圈结构包括：

如权利要求1～8任意一项所述的三维亥姆霍兹线圈架；

沿X轴、Y轴及Z轴方向的三组亥姆霍兹线圈，且三组所述亥姆霍兹线圈缠绕于所述三维亥姆霍兹线圈架的六个所述线圈架上。

10.根据权利要求9所述的三维亥姆霍兹线圈结构，其特征在于：三组所述亥姆霍兹线圈沿X轴、Y轴及Z轴方向至少包括两圈绕线，且不同轴之间的所述绕线交替缠绕。

Images