[发明专利]一种空间旋转磁场发生装置及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种旋转磁场的发生装置及其控制方法，特别涉及驱动磁性微型机器人的任意旋转轴的空间旋转磁场发生装置及其控制方法。

背景技术

随着现代工业技术的发展，旋转磁场的应用场合越来越多。在自动供电系统中，采用带旋转磁场变压器的静态电力变换器来减少电磁干扰；在锅炉、压力容器主焊缝的磁粉探伤中，为了提高探伤效率，检出多个方向的缺陷，选用旋转磁场式磁力探伤仪；在各种合金凝固过程中，采用了旋转磁场装置以得到性能更优的新材料。在旋转磁场的众多应用中，特别是作为现在国内外研究热点的进入人体无线内窥镜、血管机器人以及面对工业设备细小管路探测用的磁性微型机器人的旋转磁场驱动方式。

目前，旋转磁场发生装置产生旋转磁场的方法比较多。一些发生装置使用的是永磁体，用机械结构旋转永磁体来产生旋转磁场，其大多旋转磁场发生装置只是产生单一旋转平面，如中国专利98229233.3“一种旋转磁场发生器”与中国专利200510046377.1“血管内在线医用微型机器人的外磁场旋进驱动控制方法”。上述中国专利200510046377.1采用两个磁极或多个偶数磁极(S极和N极相间排列，每个磁极在圆周方向所占的圆周角为3600/n)的沿径向磁化的圆筒形钕铁硼(NdFeB)永磁体为外驱动器，采用嵌入机器人本体内的与外驱动器磁极数对应相等的径向磁化的小圆筒形钕铁硼(NdFeB)永磁体作为内驱动器，靠变频调速电机带动外驱动器旋转产生外旋转磁场。这种旋转磁场发生装置需要使用电机带动永磁块旋转来完成，使得旋转磁场平面的确定靠电机来定位，这样定位精度受到机械结构的影响。同时，使用永磁体旋转来产生旋转磁场的装置比较笨重，旋转磁场的空间范围较小，而使用线圈的方式则不存在这些问题。

对于使用线圈方式来实现旋转磁场产生方法的现有专利中，使用三相交流电产生的旋转磁场的方法，多为固定旋转平面，或者固定的一些旋转平面，如中国专利02114289.0“三维立体旋转磁场定位治疗系统”。上述中国专利是在一个三维的球面上交错排列有多个能产生电磁场的电磁铁装置，其中上半球面上的某个电磁铁装置与下半球面上的某个电磁铁装置同时处于过球面中心点的直线上，电磁铁装置在计算机程序控制下，依次通电产生磁场，其磁力线通过球面中心点，从而在球面内形成一个三维立体旋转磁场。这种方式只能在固定的一些旋转轴上产生旋转磁场，而不能做到任意旋转轴，且旋转磁场不连续。还有一些通过改变正弦电的相位角来产生任意旋转轴的旋转磁场发生装置，如日本国专利2001-179700号。上述日本国专利采用的方形亥姆霍兹线圈，通过一个操作部来改变流过各轴线圈间的正弦电流的相位差来实现任意旋转轴的旋转磁场。

发明内容

本发明的目的是克服现有旋转磁场发生装置不可连续调旋转轴的缺点，提出一种采用三相交流电，通过计算机控制实现产生任意旋转轴的空间旋转磁场的发生装置及其控制方法。本发明实现了空间任意旋转轴的旋转磁场产生，并采用计算机来控制旋转磁场的强度、频率和旋转轴方向，精确和方便地对旋转磁场进行控制，以得到准确的空间旋转磁场。

采用三相电流产生任意旋转轴的空间旋转磁场的原理及理论推导如下：

在直角坐标系下，过原点的任意旋转轴的旋转磁场，可由此坐标系下的X，Y，Z轴方向的变化磁场叠加得到。设旋转磁场幅值为B0，旋转角频率为ω，旋转方向为旋转面正视图逆时针方向，满足右手螺旋定则。

若需要得到过原点的三维空间中任意旋转轴的旋转磁场。此旋转轴，可由原坐标系下两次旋转得到。此两次旋转分别为：先绕X轴旋转α角度，再绕Y轴旋转β角度。最后，绕Z轴旋转γ角度，γ角度用以确定旋转磁场的初始位置。其中α、β和γ为欧拉角。

假设BX^*，BY^*，BZ^*分别为空间变换后的旋转磁场在X，Y，Z轴的位置坐标。BX，BY，BZ为坐标变换前X，Y，Z轴的位置坐标。由空间坐标变换，有下面的关系式：