本发明专利技术涉及电磁领域，尤其涉及一种平面电线圈的磁场发生装置。包括至少两个平行设置的线圈层、设置在线圈层上的若干个大小、构型相同或不同的平面电线圈、为平面电线圈供电的电路系统和控制电路系统的控制系统，所述平面电线圈在同一平面由单一线段绕制至少2圈形成，同一线圈层的平面电线圈之间无干涉；在垂直于线圈层的方向上，不同层间的所述平面电线圈在平行于线圈层平面的投影有重叠，通过各平面电线圈电流大小和/或供电开关的组合，获得时变空间梯度磁场。本发明专利技术通过多层堆叠阵列式排列的线圈，实现了磁场的矢量叠加以获得更强的磁场强度和梯度，通过印制电路的工艺使线圈具有较好的一致性，继而有效提高产生磁场的均一性和精度。和精度。和精度。
【技术实现步骤摘要】
一种平面电线圈的磁场发生装置
[0001]本专利技术涉及电磁领域，尤其涉及一种平面电线圈的磁场发生装置。
技术介绍
[0002]采用线圈形成磁场的方式有很多。
[0003]Zem
á
nek等在IFAC
‑
PapersOnLine 2017中发表的一篇题为“Time
‑
optimal Control for Bilinear Nonnegative
‑
in
‑
control Systems:Application to Magnetic Manipulation”的文章中使用单层传统绕组阵列，因受构型和边界条件限制，在受限区域内不能有效产生需求的磁场强度和梯度。
[0004]Niu,F.等在Transactions on Mechatronics,22(5),2265
–
2276中发表的题为“Development of an Enhanced Electromagnetic Actuation System With Enlarged Workspace.”一文中使用六个斜笛卡尔坐标正交排列的传统方式绕制的带铁芯电磁线圈组成磁场驱动源。由于其空间构型和工作空间较大(110mm直径球体空间)，激发产生的磁场为全局磁场，区域内磁性结构的的运动和形变能力趋同，不能有效实现不同区域内磁性结构的不同形式的运动和形变。
[0005]另外中国专利CN101851577A中使用多层掩膜技术制作了单层平面线圈，单层分布的平面电线圈受构型和边界条件限制(例如：相邻线圈靠太近会激发导通)，同样在受限区域内不能有效产生需求的磁场强度和梯度。
[0006]目前还出现了利用亥姆霍兹线圈激发磁场的技术，该技术的主要问题是激发的磁场在空间内几乎匀强分布，无法实现特殊点位的磁场变化，也无法实现对多个目标的独立控制，且重量较大、设备所需空间大。
技术实现思路
[0007]本专利技术提供一种平面电线圈的磁场发生装置，以解决上述技术问题。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种平面电线圈的磁场发生装置，包括至少两个平行设置的线圈层、设置在线圈层上的若干个大小、构型相同或不同的平面电线圈、为平面电线圈供电的电路系统和控制电路系统的控制系统，所述平面电线圈在同一平面由单一线段绕制至少2圈形成，同一线圈层的平面电线圈之间无干涉；所有线圈层中至少两层的平面电线圈在平行于线圈层平面的投影有重叠，通过各平面电线圈电流大小和/或供电开关的组合，获得时变空间梯度磁场。
[0009]较佳地，所述平面电线圈、电路系统级控制系统采用印制电路的工艺制成。
[0010]较佳地，所述平面电线圈的电路构型为沿规则轮廓线绕制，相邻圈层间设有间隙。
[0011]较佳地，所述规则轮廓线为圆形、椭圆形或多边形，优选圆形轮廓。
[0012]较佳地，在线圈层上，以所述平面电线圈的形心作为按需规划的位置点进行设置。
[0013]较佳地，所述位置点呈阵列排布。
[0014]较佳地，所述线圈层的堆叠层数为2～6层。
[0015]较佳地，从上到下，所述第一线圈层的平面电线圈之间磁场叠加变化最小处映射到第二线圈层的位置设置为平面电线圈的形心。
[0016]较佳地，同一所述线圈层的平面电线圈的半径相同，同一所述线圈层的平面电线圈的轮廓相同。
[0017]此处半径，在轮廓为圆形时为圆半径，对于轮廓为非圆形时为密接外接圆的半径。
[0018]较佳地，所述奇数线圈层的位置点排布相同，所述偶数线圈层的位置点排布相同；奇数线圈层的平面电线圈与偶数线圈层的平面电线圈则嵌套设置。
[0019]嵌套是指相互嵌套的平面电线圈在平面投影有重叠。
[0020]较佳地，所述奇数线圈层中对应位置处的平面电线圈依次串联，所述偶数线圈层中对应位置处的平面电线圈依次串联。
[0021]较佳地，所述线圈层上设有用于电连接或者导通的通孔。
[0022]较佳地，多个所述平面电线圈组成模组，至少一个模组拼接形成所述磁场发生装置。
[0023]较佳地，所述模组采用平面和/或斜面的方式进行拼接。
[0024]上述平面电线圈的磁场发生装置的控制方法，其包括如下步骤：
[0025]首先，根据排布方式将所述平面电线圈的磁场发生装置中的线圈层分组，同组线圈层的输入电流相同；
[0026]然后，计算同组线圈层的元磁场矩阵
[0027]最后，带入元磁场矩阵和预设磁场分布矩阵计算获得实际需要的各组线圈层的输入电流。
[0028]较佳地，某一排布方式的元磁场矩阵的计算采用式(1)获得：
[0029]已知所述排布方式共有l层，其中第i层有m种构型的线圈，m种构型的线圈中的第j种构型线圈共有n个线圈，则通入I的电流时(I为<l
×
m
×
n>
×
1的矩阵，其中第k个线圈通的电流为I
k
)可以产生的磁场强度为：
[0030][0031]其中为第p个线圈通的电流为1A时候的空间磁场强度；所有线圈各自通1A电流时产生的元磁场矩阵，为3
×
<l
×
m
×
n>矩阵，其每一行的三个值代表的x,y,z方向上的三个分量。
[0032]较佳地，根据预设磁场采用式(2)计算所需电流I：
[0033][0034]其中代表奇异值分解，U、∑、V分别为3
×
3,3
×
<l
×
m
×
n>,<l
×
m
×
n>
×
<l
×
m
×
n>矩阵。
[0035]与现有技术相比，本专利技术提供的平面电线圈的磁场发生装置具有如下优点：
[0036]1、本专利技术通过多层堆叠阵列式排列的线圈，实现了磁场的矢量叠加以获得更强的磁场强度和梯度，且实现了受限区域内需求的磁场强度和梯度的产生；
[0037]2、本专利技术还通过印制电路的工艺使线圈具有较好的一致性，能够避免线圈绕制所产生的偏差，继而有效提高产生磁场的均一性和精度。
附图说明
[0038]图1a和图1b为本专利技术实施例中所述磁场发生装置原理及磁场效果图；
[0039]图2a至图2c分别为本专利技术中各种电路构型的线圈的结构示意图；
[0040]图3为本专利技术实施例一中所述平面电线圈排布的结构示意图；
[0041]图4为图3的前视图；
[0042]图5为实施例一中控制局部平面电线圈时的方式；
[0043]图6为根据图5所述控制方式实现的局部时变空间梯度磁场的效果图；...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种平面电线圈的磁场发生装置，其特征在于，包括至少两个平行设置的线圈层、设置在线圈层上的若干个大小、构型相同或不同的平面电线圈、为平面电线圈供电的电路系统和控制电路系统的控制系统，所述平面电线圈在同一平面由单一线段绕制至少2圈形成，同一线圈层的平面电线圈之间无干涉；在垂直于线圈层的方向上，不同层间的所述平面电线圈在平行于线圈层平面的投影有重叠，通过各平面电线圈电流大小和/或供电开关的组合，获得时变空间梯度磁场。2.如权利要求1所述的平面电线圈的磁场发生装置，其特征在于，所述平面电线圈的构型为沿规则轮廓线绕制，相邻圈层间设有间隙。3.如权利要求1所述的平面电线圈的磁场发生装置，其特征在于，在线圈层上，以所述平面电线圈的形心作为按需规划的位置点进行设置。4.如权利要求1所述的平面电线圈的磁场发生装置，其特征在于，所述位置点呈阵列排布。5.如权利要求1所述的平面电线圈的磁场发生装置，其特征在于，从上到下，第一线圈层的平面电...
【专利技术属性】
技术研发人员：牛福洲，薄云文，杨浩，郝崇磊，杨润怀，陈浩，许兵，王皓辰，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：
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