CN114005636B - 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

一种永磁阵列和双线圈结合的磁驱动系统及方法
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环阵的内径大于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环阵的内径大于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，所述电源与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环阵的内径大于所述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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