CN114005636A - 一种永磁阵列和双线圈结合的磁驱动系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种永磁阵列和双线圈结合的磁驱动系统及方法,属于磁操控领域,系统包括:Halbach环阵、Maxwell线圈和电源;两Maxwell线圈为平行放置,且电流方向相反;Halbach环阵与Maxwell线圈同轴嵌套;使用时,受控对象放置在xyz坐标系的原点处,电源与Maxwell线圈相连;Halbach环阵用于提供xoy平面上的均匀磁场,受控对象朝向均匀磁场,其磁化方向与均匀磁场方向对齐;Maxwell线圈用于提供xoy平面上的磁场梯度场,驱动受控对象朝着均匀磁场方向运动;其中,受控对象的磁化方向与磁化强度方向一致;本发明大大降低了结构复杂性和驱动功耗,减小了散热压力。
Description
技术领域
本发明属于磁操控领域,更具体地,涉及一种永磁阵列和双线圈结合的磁驱动系统及方法。
背景技术
磁操控是指通过外加磁场来调节/改变磁性物质的空间位置或形态的一种非接触式驱动技术,在磁分离、磁靶向和磁控软体机器人等领域具有广阔的应用前景。
磁操控的方式包括利用磁场诱导的磁转矩作用、梯度磁场力作用或二者结合的模式。其中,将磁转矩作用和梯度磁场力作用相结合的这一操控方式,因将转向和驱动解耦而具有更简单的实施方式和灵活的调控模式,近年来得到越来越多的关注。
为了实现上述磁操控模式,线圈结构设计是重点。磁转矩与磁场梯度无关,为了更好实现与梯度磁场力解耦,一般通过设计均匀磁场线圈来产生,而梯度磁场力需要设计梯度磁场线圈来产生。其中,在已有的研究中,均匀磁场线圈通常采用具有结构简单、物理模型明确及高均匀度特性的Helmholtz线圈,通过改变其电流方向及强度来控制操控目标所受到的磁转矩;梯度磁场线圈通常采用具有结构简单、物理模型明确及线性磁场分布特性的Maxwell线圈,通过改变其电流方向及强度来控制梯度磁场力。在该方法体系下,对于一个二维的平面磁场控制系统,已有的磁场发生系统往往需要呈垂直分布的两对Maxwell线圈和两对Helmholtz线圈,用以分别产生两个正交轴向的均匀磁场和梯度磁场。然而,八个线圈构成的装置结构复杂,控制量多,且多个线圈的存在限制了线圈结构的优化空间,导致整个磁驱动系统研发难度大,且能耗大。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明提供一种梯度场和均匀场结合的磁驱动系统及方法,目的在于大幅简化现有磁操控系统结构、减少控制量和降低能耗。。
为实现上述目的,一方面,本发明提供了一种永磁阵列和双线圈结合的磁驱动系统,包括:Halbach环阵、Maxwell线圈和电源;
两Maxwell线圈为平行放置,且电流方向相反;Halbach环阵与Maxwell线圈同轴嵌套;
以Maxwell线圈的中心轴为z轴,以两Maxwell线圈z轴的中心点所在横截面为xoy平面;Halbach环阵设置于xoy平面上;
受控对象为铁磁体材料;使用时,受控对象放置在预设区域内,电源与Maxwell线圈相连;Halbach环阵用于提供xoy平面上的均匀磁场,受控对象朝向均匀磁场,其磁化方向与均匀磁场方向对齐;Maxwell线圈用于提供xoy平面上的磁场梯度场,驱动受控对象朝着均匀磁场方向运动;其中,受控对象的磁化方向与磁化强度方向一致;
其中,Maxwell线圈在受控对象处产生的均匀磁场强度小于Halbach环阵在受控对象处产生的均匀磁场强度;Halbach环阵在受控对象处产生的磁场梯度场强度小于Maxwell线圈在受控对象处产生的磁场梯度场强度。
优选地,Halbach环阵嵌套在Maxwell线圈外侧,Halbach环阵的内径小于Maxwell线圈的外径,以使在受控对象处的磁场均匀度更佳。
优选地,所述预设区域为圆柱区域,以xyz坐标系的原点为圆柱区域的对称中心点,半径大小为Maxwell线圈半径的7%;高度为两Maxwell线圈间距的14%。
优选地,Maxwell线圈在受控对象处产生的均匀磁场强度与Halbach环阵在受控对象处产生的均匀磁场强度之比小于0.2;
Halbach环阵在受控对象处产生的磁场梯度场强度与Maxwell线圈在受控对象处产生的磁场梯度场强度之比小于0.2。
优选地,使用时,Maxwell线圈与Halbach环阵一起旋转,产生的对受控对象的驱动力均沿Halbach环阵的均匀磁场方向,驱动受控对象运动。
优选地,Halbach环阵的永磁体磁化方向关于一条对称轴对称,且磁化角度β等于位置角度α的两倍,其中,磁化角度为永磁体磁化方向与z轴的夹角;位置角度为永磁体所在位置与z轴的夹角。
优选地,Halbach环阵采用支撑结构支撑,支撑结构为非铁磁性材料。
优选地,Halbach环阵下方设置电机;电机用于旋转Halbach环阵。
优选地,两Maxwell线圈间采用骨架结构,骨架结构用于固定两Maxwell线圈的相对位置;骨架结构为绝缘材料。
另一方面,本发明提供了一种永磁阵列和双线圈结合的磁驱动方法,包括以下步骤:
通过调整Halbach环阵调节均匀磁场的方向,使得受控对象的磁化方向与均匀磁场方向对齐;
将电源与Maxwell线圈接通,在受控对象所在位置处产生磁场梯度场,进而产生推进力;
受控对象在推进力的作用下沿均匀磁场方向移动;其中,所述Maxwell线圈产生的推进力方向与受控对象的磁化方向一致。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,具有以下有益效果:
本发明提供了一种Halbach永磁环阵和Maxwell线圈结合的二维磁场控制系统,由于单个z轴向的Maxwell线圈可以满足系统对于梯度磁场的x、y分量的比例要求,且Halbach环阵自身可以旋转进而调节均匀磁场方向,因此整个装置在线圈结构方面,只需要一对Maxwell线圈;相比传统的八线圈控制系统,线圈数量减小为两个,大大降低了结构复杂性和驱动功耗,减小了散热压力,不需要额外设置散热系统。
本发明提供了一种Halbach永磁环阵和Maxwell线圈结合的二维磁场控制系统,Halbach永磁环阵和Maxwell线圈同轴放置,只需要旋转系统即可调整受控对象的运动方向,操作简单、直观。
附图说明
图1是本发明实施例提供的磁驱动系统示意图;
图2是本发明实施例提供的Halbach环阵的开盖视图;
图3是本发明实施例提供的Halbach环阵的俯视图;
图4是本发明实施例提供的Maxwell线圈示意图;
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中,1为Maxwell线圈及骨架整体结构;2为Halbach环阵及支撑整体结构;3为永磁体;4为线圈。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供了一种梯度场和均匀场结合的磁驱动系统,实现在系统中心区域生成二维的均匀磁场和均匀磁场梯度,分别用于为受控对象提供转向转矩和驱动力;
简述原理如下:受控对象为具有剩余磁化强度的粒子;具有剩余磁化强度的粒子在一个均匀磁场内,会受到一个转矩的作用,使粒子偏转至均匀磁场对齐的方向;具有剩余磁化强度的粒子在一个均匀磁场梯度内,会受到一个推进力的作用,利用z轴向Maxwell线圈中x和y方向的磁场梯度大小相等、方向相同这一特性,可以让推进力的方向和磁化强度方向一致;
在实际的操控过程中,先调整均匀磁场的方向,使磁化方向与均匀磁场方向对齐,再调整磁场梯度大小,即可使磁性粒子朝任意方向运动。具体技术方案如下:
一方面,本发明提供了一种永磁阵列和双线圈结合的磁驱动系统,包括:Halbach环阵、Maxwell线圈和电源;
两Maxwell线圈为平行放置,且电流方向相反;Halbach环阵与Maxwell线圈同轴嵌套;
以Maxwell线圈的中心轴为z轴,以两Maxwell线圈z轴的中心点所在横截面为xoy平面;Halbach环阵设置于xoy平面上;
受控对象为铁磁体材料;使用时,受控对象放置在预设区域内,电源与Maxwell线圈相连;Halbach环阵用于提供xoy平面上的均匀磁场,受控对象朝向均匀磁场,其磁化方向与均匀磁场方向对齐;Maxwell线圈用于提供xoy平面上的磁场梯度场,驱动受控对象朝着均匀磁场方向运动;其中,受控对象的磁化方向与磁化强度方向一致;
其中,Maxwell线圈在受控对象处产生的均匀磁场强度小于Halbach环阵在受控对象处产生的均匀磁场强度;Halbach环阵在受控对象处产生的磁场梯度场强度小于Maxwell线圈在受控对象处产生的磁场梯度场强度。
优选地,Halbach环阵嵌套在Maxwell线圈外侧,Halbach环阵的内径小于Maxwell线圈的外径,以使在受控对象处的磁场均匀度更佳。
优选地,所述预设区域为圆柱区域,以xyz坐标系的原点为圆柱区域的对称中心点,半径大小为Maxwell线圈半径的7%;高度为两Maxwell线圈间距的14%。
优选地,Maxwell线圈在受控对象处产生的均匀磁场强度与Halbach环阵在受控对象处产生的均匀磁场强度之比小于0.2;
Halbach环阵在受控对象处产生的磁场梯度场强度与Maxwell线圈在受控对象处产生的磁场梯度场强度之比小于0.2。
优选地,使用时,Maxwell线圈与Halbach环阵一起旋转,产生的对受控对象的驱动力均沿Halbach环阵的均匀磁场方向,驱动受控对象运动。
优选地,Halbach环阵的永磁体磁化方向关于一条对称轴对称,且磁化角度β等于位置角度α的两倍,其中,磁化角度为永磁体磁化方向与z轴的夹角;位置角度为永磁体所在位置与z轴的夹角。
优选地,Halbach环阵采用支撑结构支撑,支撑结构为非铁磁性材料。
优选地,Halbach环阵下方设置电机;电机用于旋转Halbach环阵。
优选地,两Maxwell线圈间采用骨架结构,骨架结构用于固定两Maxwell线圈的相对位置;骨架结构为绝缘材料。
另一方面,本发明提供了一种永磁阵列和双线圈结合的磁驱动方法,包括以下步骤:
通过调整Halbach环阵调节均匀磁场的方向,使得受控对象的磁化方向与均匀磁场方向对齐;
将电源与Maxwell线圈接通,在受控对象所在位置处产生磁场梯度场,进而产生推进力;
受控对象在推进力的作用下沿均匀磁场方向移动;其中,所述Maxwell线圈产生的推进力方向与受控对象的磁化方向一致。
实施例
图1是本实施例系统的整体结构示意图,将系统的两部分:Halbach环阵和Maxwell线圈同轴放置,可以实现比较简单的操控方式,即转动系统整体,可以改变受控对象的朝向,再给Maxwell线圈通电流,即可让受控对象沿朝向运动;受控对象应该放在系统的中心处,即在轴心处,放置高度为系统高度一半的位置;如此放置的Maxwell线圈在中心处,径向切面上会产生一个满足要求的磁场梯度,以使推进力方向与磁化强度方向一致;令Halbach环阵的半径大于Maxwell线圈的半径,可以使受控区域内的磁场和磁场梯度均匀性更好;
本系统的特点在于,相比其他电磁驱动装置,线圈数量大大减小,由此可以显著缓解大电流情况下的散热问题;此外安装方式简单且操控方式直观;
可选地,可以在系统下方安装一个电机结构,使得调整的角度更加精确可调;Maxwell线圈需要电源驱动,可以用直流电源与其连接;在使用Halbach环阵调整好角度后,通电使Maxwell线圈为受控对象提供驱动力;电源驱动的电流大小应该视操控物体所处环境和Halbach环阵产生的的磁场大小而定;
图2是系统的Halbach环阵的开盖视图,图中3为永磁体,其余部分均为支撑结构;支撑结构需要用非铁磁性的材料制作,如铝,同时需要保持一定的机械强度,用于克服磁铁之间的相互作用力;
图3是系统的Halbach环阵的俯视图,图中磁铁上标记的箭头指示出磁铁的磁化方向,内径中包含的箭头指示出Halbach环阵生成的均匀磁场方向;可以看出,磁铁的磁化强度排列方向需要满足一定的规则,图中排列的方式下能够在中心区域生成均匀磁场;图中磁铁的数量仅作示意用,可以大于或者小于16个;
图4是系统的Maxwell线圈部分,图中4为线圈,外部是骨架结构;骨架结构需要用非铁磁性的材料制作,最好是绝缘材料,如环氧树脂;上下线圈的电流方向应该不同,且线圈的半径和线圈的距离之间应该满足一定的比例关系,以使中心区域可以生成均匀的磁场梯度场。
相比于现有技术,本发明存在以下优势:
本发明提供了一种Halbach永磁环阵和Maxwell线圈结合的二维磁场控制系统,由于单个z轴向的Maxwell线圈可以满足系统对于梯度磁场的x、y分量的比例要求,且Halbach环阵自身可以旋转进而调节均匀磁场方向,因此整个装置在线圈结构方面,只需要一对Maxwell线圈;相比传统的八线圈控制系统,线圈数量减小为两个,大大降低了结构复杂性和驱动功耗,减小了散热压力。
本发明提供了一种Halbach永磁环阵和Maxwell线圈结合的二维磁场控制系统,Halbach永磁环阵和Maxwell线圈同轴放置,只需要旋转系统即可调整受控对象的运动方向,操作简单、直观。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种永磁阵列和双线圈结合的磁驱动系统,其特征在于,包括:Halbach环阵、Maxwell线圈和电源;
所述Maxwell线圈有两个;两个所述Maxwell线圈为平行放置,且电流方向相反;所述Halbach环阵与Maxwell线圈同轴嵌套;
以所述Maxwell线圈的中心轴为z轴,以两所述Maxwell线圈z轴的中心点所在横截面为xoy平面;所述Halbach环阵设置于xoy平面上;
受控对象为铁磁体材料;使用时,所述受控对象放置在预设区域内,所述电源Maxwell线圈相连;所述Halbach环阵用于提供xoy平面上的均匀磁场;所述受控对象朝向均匀磁场,其磁化方向与均匀磁场方向对齐;所述Maxwell线圈用于提供xoy平面上的磁场梯度场,驱动受控对象朝向均匀磁场方向运动;其中,所述受控对象的磁化方向与所述磁化强度方向一致;
其中,所述Maxwell线圈在受控对象处产生的均匀磁场强度小于所述Halbach环阵在所述受控对象处产生的均匀磁场强度;所述Halbach环阵在所述受控对象处产生的磁场梯度场强度小于所述Maxwell线圈在所述受控对象处产生的磁场梯度场强度。
2.根据权利要求1所述的磁驱动系统,其特征在于,所述Halbach环阵嵌套在所述Maxwell线圈外侧,所述Halbach环阵的内径小于所述Maxwell线圈的外径。
3.根据权利要求2所述的磁驱动系统,其特征在于,所述预设区域为圆柱区域,以xyz坐标系的原点为圆柱区域的对称中心点,半径大小为Maxwell线圈半径的7%;高度为两Maxwell线圈间距的14%。
4.根据权利要求1或2所述的磁驱动系统,其特征在于,所述Maxwell线圈在所述受控对象处产生的均匀磁场强度与所述Halbach环阵在所述受控对象处产生的均匀磁场强度之比小于0.2;
所述Halbach环阵在受控对象处产生的磁场梯度场强度与所述Maxwell线圈在受控对象处产生的磁场梯度场强度之比小于0.2。
5.根据权利要求1或2所述的磁驱动系统,其特征在于,所述Halbach环阵的永磁体磁化方向关于一条对称轴对称,且磁化角度β等于位置角度α的两倍;其中,磁化角度为永磁体磁化方向与z轴的夹角;位置角度为永磁体所在位置与z轴的夹角。
6.根据权利要求5所述的磁驱动系统,其特征在于,所述Halbach环阵采用支撑结构支撑,支撑结构为非铁磁性材料。
7.根据权利要求6所述的磁驱动系统,其特征在于,所述Halbach环阵下方设置电机;所述电机用于旋转Halbach环阵。
8.根据权利要求6或7所述的磁驱动系统,其特征在于,两所述Maxwell线圈间采用骨架结构,所述骨架结构用于固定两所述Maxwell线圈的相对位置;所述骨架结构为绝缘材料。
9.基于权利要求1所述的永磁阵列和双线圈结合的磁驱动系统的驱动方法,其特征在于,包括以下步骤:
通过调整Halbach环阵调节均匀磁场的方向,使得受控对象的磁化方向与均匀磁场方向对齐;
将电源与Maxwell线圈接通,在受控对象所在位置处产生磁场梯度场,进而产生推进力;
受控对象在推进力的作用下沿均匀磁场方向移动;其中,所述Maxwell线圈产生的推进力方向与受控对象的磁化方向一致。
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