一种永磁阵列和双线圈结合的磁驱动系统及方法技术方案

本发明专利技术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；本发明专利技术大大降低了结构复杂性和驱动功耗，减小了散热压力。减小了散热压力。减小了散热压力。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁阵列和双线圈结合的磁驱动系统及方法


[0001]本专利技术属于磁操控领域，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
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技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术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。。
[0006]为实现上述目的，一方面，本专利技术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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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％。
[0013]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；
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]优选地，Halbach环阵下方设置电机；电机用于旋转Halbach环阵。
[0019]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。
[0020]另一方面，本专利技术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：
[0021]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；
[0022]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；
[0023]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。
[0024]总体而言，通过本专利技术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：
[0025]本专利技术提供了一种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。
[0026]本专利技术提供了一种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
[0027]图1是本专利技术实施例提供的磁驱动系统示意图；
[0028]图2是本专利技术实施例提供的Halbach环阵的开盖视图；
[0029]图3是本专利技术实施例提供的Halbach环阵的俯视图；
[0030]图4是本专利技术实施例提供的Maxwell线圈示意图；
[0031]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
[0032]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0033]本专利技术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；
[0034]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩小涛，姚健鹏，曹全梁，刘梦宇，李亮，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：