基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置及磁场控制方法制造方法及图纸

一种基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置及磁场控制方法，属于执行器驱动技术领域。本发明专利技术为解决现有磁场发生装置产生的磁场不可控且工作空间大小不可调整的问题。装置包括四个磁场发生单元沿圆周方向依次间隔90°排布；每个磁场发生单元包括底座和两个电磁铁模块，两个电磁铁模块在底座上呈镜像对称设置，两个电磁铁模块天顶角的取值范围为45°～60°；八个电磁铁模块两两相对，并且四对电磁铁模块的轴线相交于一点；采用梯形丝杠、螺母、T型轴承座、联轴器和步进电机构成调整机构，可调整磁场内部空间的大小。本发明专利技术可以驱动各类型的微执行器。

【技术实现步骤摘要】
基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置及磁场控制方法
本专利技术涉及基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置及磁场控制方法，属于执行器驱动

技术介绍
现有磁场发生装置主要包括亥姆霍兹线圈、多极电磁铁、旋转永磁体等。利用电动机带动永磁体旋转的方式产生旋转磁场的报道并不鲜见，但是利用永磁体产生磁场的磁场发生装置，其磁场强度大小不可调节。例如，现有方向可调的均匀磁场和均匀一阶梯度磁场的设计中，公开了一种能产生均匀磁场和九个分量的一阶梯度磁场的磁场发生装置，该装置由三组两两正交的亥姆霍兹线圈和六对平面梯度线圈组成。它可以产生驱动磁性执行器的梯度场或旋转场，而且均匀性好；但是只能在小的工作空间内产生较小的磁通量密度。再例如，现有一种交变磁场发生装置及交变磁场产生方法中公开了一种在20×20×20mm空间内产生具有较强磁通密度的交变磁场的装置，该装置中使用两级电磁铁获得了大的磁通密度；但是由于只使用了两级电磁铁，使产生的梯度场和旋转磁场有限；同时由于电磁铁电感大导致截止频率低，产生的旋转磁场频率有限，并且工作空间不可调整。
技术实现思路
针对现有磁场发生装置产生的磁场不可控且工作空间大小不可调整的问题，本专利技术提供一种基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置及磁场控制方法。本专利技术的一种基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置，包括四个磁场发生单元，四个磁场发生单元沿圆周方向依次间隔90°排布；每个磁场发生单元包括底座22和两个电磁铁模块，两个电磁铁模块在底座22上呈镜像对称设置，所述两个电磁铁模块的天顶角相同，天顶角的取值范围为45°～60°；八个电磁铁模块两两相对，并且四对电磁铁模块的轴线相交于一点；所述电磁铁模块包括圆柱磁芯10、圆盘磁芯3、骨架、绕组、支撑板、抱箍、梯形丝杠16、螺母18、T型轴承座19、联轴器20和步进电机21；圆盘磁芯3套接在圆柱磁芯10上将圆柱磁芯10分隔为固定段和自由段，骨架套接在所述自由段上并与圆盘磁芯3的一侧表面固定连接，绕组设置在骨架上；支撑板首端固定在底座22上，末端用于支撑圆盘磁芯3；所述固定段的底端通过抱箍固定，抱箍上设置轴向通孔，通孔的一端固定螺母18；梯形丝杠16的自由端穿过螺母18，固定端安装于T型轴承座19上，T型轴承座19固定于支撑板上；步进电机21的输出轴穿过底座22通过联轴器20连接梯形丝杠16的固定端。根据本专利技术的基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置，所述骨架包括轴套9、后水冷块4、后水冷块端盖14、中水冷块6、中水冷块端盖13、前水冷块8、前水冷块端盖12和连接盖11；绕组包括一号绕组5和二号绕组7；轴套9套接在所述自由段上并与圆盘磁芯3的一侧表面固定连接，轴套9的前端固定连接盖11；轴套9上缠绕一号绕组5和二号绕组7，一号绕组5与圆盘磁芯3之间设置后水冷块4，后水冷块4配置后水冷块端盖14；一号绕组5和二号绕组7之间设置中水冷块6，中水冷块6配置中水冷块端盖13；二号绕组7与连接盖11之间设置前水冷块8，前水冷块8配置前水冷块端盖12。根据本专利技术的基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置，所述一号绕组5和二号绕组7串联连接。根据本专利技术的基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置，所述后水冷块4、中水冷块6和前水冷块8的水路分别通过PVC管与水冷机连接。根据本专利技术的基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置，所述支撑板包括上支撑板2和下支撑板15，上支撑板2和下支撑板15相对设置在圆柱磁芯10的两侧，上支撑板2和下支撑板15的首端固定在底座22上，末端用于支撑圆盘磁芯3；T型轴承座19固定于下支撑板15上。根据本专利技术的基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置，所述抱箍分为抱箍上部1和抱箍下部17，轴向通孔设置于抱箍下部17。根据本专利技术的基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置，每对电磁铁模块之间至少相距308mm。根据本专利技术的基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置，所述电磁铁模块还包括励磁电源，所述励磁电源通过调频电路调频后为绕组供电。本专利技术还提供了一种基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置的磁场控制方法，采用所述基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置实现，包括产生梯度磁场用于驱动执行器或产生旋转磁场用于驱动执行器；其中产生梯度磁场驱动执行器时，绕组通入电流的获得方法包括：选定绝对坐标系下磁场空间V，使用电磁有限元软件仿真电流I通过一个电磁铁模块的绕组时产生的磁场，获得空间V内的仿真磁通量密度分布矩阵B(I)，P为磁场空间V中的一点，P点的磁通量密度记为BP(I)，磁通量密度梯度记为再使用齐次变换分别获得八个电磁铁模块分别在磁场空间V内产生的磁场对应的仿真磁通量密度分布矩阵Bi(Ii)i＝1，2…8，点P对应的仿真磁通量密度BPi(Ii)，i＝1，2…8，磁通量密度梯度测量执行器的磁化强度M；当执行器位于点P，通过驱动力F的公式确定目标磁通量密度梯度然后根据电流与磁通量密度及其梯度的线性关系，由仿真电流I与仿真磁通量密度梯度的对应关系，计算获得目标磁通量密度对应的电流I1i；产生旋转磁场用于驱动执行器时，绕组通入电流的获得方法包括：对处于一条轴线上的一对电磁铁模块同时采用电磁有限元软件仿真驱动，其通入仿真电流I0方向相同，大小相等，获得一对电磁铁模块在P点产生的仿真磁通量密度B'i；根据下式计算获得目标旋转磁场(Bx(t),By(t),Bz(t))时，对应的每对电磁铁模块在P点产生的磁通量密度B1'i(I1'i)：式中Bx(t)为目标旋转磁场的x轴分量，By(t)为目标旋转磁场的y轴分量,Bz(t)为目标旋转磁场的z轴分量；然后根据电流与磁通量密度的线性关系，由仿真电流I0与仿真磁通量密度B'i的对应关系，计算获得目标磁通量密度B1'i(I1'i)对应的电流I1'i。根据本专利技术的基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置的磁场控制方法，将圆柱磁芯10、圆盘磁芯3和绕组形成的整体作为电磁铁；所述调频电路包括电容C，所述电容C与所述电磁铁串联，电容C取值的计算方法包括：式中f为目标交变磁场频率，L为电磁铁电感；所述目标交变磁场频率f远高于电磁铁截止频率f0：式中R为电磁铁电阻。本专利技术的有益效果：本专利技术适用于生物医药
，可实现对磁性执行器的驱动和导向。它利用多级电磁铁产生磁场，组合通入各电磁铁的电流，可在工作区域内产生梯度磁场和旋转磁场。本专利技术所述装置在电磁铁模块中设置了包括梯形丝杠、螺母、T型轴承座、联轴器和步进电机等构成的调整机构，可根据实验需求相应调整每对电磁铁模块之间的距离，从而改变磁场发生装置的内部空间；实验对象体积大时，收缩磁芯获得大空间，实验对象体积小时，伸长磁芯获得大的磁通密度；并且多级电磁铁的设置形式，使得独立控制各电磁铁的电流可获得梯度磁场和旋转磁场，可以驱动各类型的微执行器，在微纳机器人技术研究领域具有很高的实用价值。采用本专利技术装置及方法，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置，其特征在于，包括四个磁场发生单元，四个磁场发生单元沿圆周方向依次间隔90°排布；/n每个磁场发生单元包括底座(22)和两个电磁铁模块，两个电磁铁模块在底座(22)上呈镜像对称设置，所述两个电磁铁模块的天顶角相同，天顶角的取值范围为45°～60°；八个电磁铁模块两两相对，并且四对电磁铁模块的轴线相交于一点；/n所述电磁铁模块包括圆柱磁芯(10)、圆盘磁芯(3)、骨架、绕组、支撑板、抱箍、梯形丝杠(16)、螺母(18)、T型轴承座(19)、联轴器(20)和步进电机(21)；/n圆盘磁芯(3)套接在圆柱磁芯(10)上将圆柱磁芯(10)分隔为固定段和自由段，骨架套接在所述自由段上并与圆盘磁芯(3)的一侧表面固定连接，绕组设置在骨架上；支撑板首端固定在底座(22)上，末端用于支撑圆盘磁芯(3)；所述固定段的底端通过抱箍固定，抱箍上设置轴向通孔，通孔的一端固定螺母(18)；梯形丝杠(16)的自由端穿过螺母(18)，固定端安装于T型轴承座(19)上，T型轴承座(19)固定于支撑板上；步进电机(21)的输出轴穿过底座(22)通过联轴器(20)连接梯形丝杠(16)的固定端。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置，其特征在于，包括四个磁场发生单元，四个磁场发生单元沿圆周方向依次间隔90°排布；
每个磁场发生单元包括底座(22)和两个电磁铁模块，两个电磁铁模块在底座(22)上呈镜像对称设置，所述两个电磁铁模块的天顶角相同，天顶角的取值范围为45°～60°；八个电磁铁模块两两相对，并且四对电磁铁模块的轴线相交于一点；
所述电磁铁模块包括圆柱磁芯(10)、圆盘磁芯(3)、骨架、绕组、支撑板、抱箍、梯形丝杠(16)、螺母(18)、T型轴承座(19)、联轴器(20)和步进电机(21)；
圆盘磁芯(3)套接在圆柱磁芯(10)上将圆柱磁芯(10)分隔为固定段和自由段，骨架套接在所述自由段上并与圆盘磁芯(3)的一侧表面固定连接，绕组设置在骨架上；支撑板首端固定在底座(22)上，末端用于支撑圆盘磁芯(3)；所述固定段的底端通过抱箍固定，抱箍上设置轴向通孔，通孔的一端固定螺母(18)；梯形丝杠(16)的自由端穿过螺母(18)，固定端安装于T型轴承座(19)上，T型轴承座(19)固定于支撑板上；步进电机(21)的输出轴穿过底座(22)通过联轴器(20)连接梯形丝杠(16)的固定端。


2.根据权利要求1所述的基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置，其特征在于，所述骨架包括轴套(9)、后水冷块(4)、后水冷块端盖(14)、中水冷块(6)、中水冷块端盖(13)、前水冷块(8)、前水冷块端盖(12)和连接盖(11)；
绕组包括一号绕组(5)和二号绕组(7)；
轴套(9)套接在所述自由段上并与圆盘磁芯(3)的一侧表面固定连接，轴套(9)的前端固定连接盖(11)；轴套(9)上缠绕一号绕组(5)和二号绕组(7)，一号绕组(5)与圆盘磁芯(3)之间设置后水冷块(4)，后水冷块(4)配置后水冷块端盖(14)；一号绕组(5)和二号绕组(7)之间设置中水冷块(6)，中水冷块(6)配置中水冷块端盖(13)；二号绕组(7)与连接盖(11)之间设置前水冷块(8)，前水冷块(8)配置前水冷块端盖(12)。


3.根据权利要求2所述的基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置，其特征在于，所述一号绕组(5)和二号绕组(7)串联连接。


4.根据权利要求3所述的基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置，其特征在于，
所述后水冷块(4)、中水冷块(6)和前水冷块(8)的水路分别通过PVC管与水冷机连接。


5.根据权利要求1所述的基于多级电磁铁的高频强磁场发生装置，其特征在于，
所述支撑板包括上支撑板(2)和下支撑板(15)，上支撑板(2)和下支撑板(15)相对设置在圆柱磁芯(10)的两侧，上支撑板(2)和下支撑板(15)的首端固定在底座(22)上，末端用于支撑圆盘磁芯(3)；T型轴承座(19)固定于下支撑板(15)上。


6.根据权利要求5所述的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢晖，张号，毛立阳，田陈堯，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23