[发明专利]一种磁场发生装置及其制作方法

权利要求书

1.一种磁场发生装置，其特征在于：包括U形框架，衔铁和三组方形亥姆霍兹线圈，两块衔铁对称设置在U形框架的两侧并能相对U形框架移动，衔铁的内端为锥形四棱柱磁头，衔铁由内向外依次绕有三组方形亥姆霍兹线圈，三组方形亥姆霍兹线圈分别为：一级方形亥姆霍兹线圈、二级方形亥姆霍兹线圈和三级方形亥姆霍兹线圈，磁场发生装置的制作方法包括以下步骤：

A)、根据计算流程建立磁场发生装置数学计算模型并计算出一级方形亥姆霍兹线圈绕组匝数、间距和边长，二级方形亥姆霍兹线圈绕组匝数、间距和边长，三级方形亥姆霍兹线圈绕组匝数、间距和边长，方形亥姆霍兹线圈内电流强度；

B)、根据计算结果，确定U形框架总长度和总高度、确定衔铁内端锥形四棱柱磁头倾角α；

C)、将确定好尺寸的衔铁安装在选定的U形框架上并调整两个衔铁内端之间的距离，直至其等于磁场发生装置的额定工作气隙δ；

D)、将计算好绕组匝数与线圈间距的一级方形亥姆霍兹线圈、二级方形亥姆霍兹线圈和三级方形亥姆霍兹线圈由内向外依次缠绕在衔铁上。

2.根据权利要求1所述的一种磁场发生装置，其特征在于：一级方形亥姆霍兹线圈、二级方形亥姆霍兹线圈和三级方形亥姆霍兹线圈均为两组，两组一级方形亥姆霍兹线圈、二级方形亥姆霍兹线圈和三级方形亥姆霍兹线圈两两相对称分布。

3.根据权利要求1所述的一种磁场发生装置，其特征在于：一级方形亥姆霍兹线圈、二级方形亥姆霍兹线圈和三级方形亥姆霍兹线圈的尺寸由内向外呈阶梯状逐渐增大。

4.根据权利要求1所述的一种磁场发生装置，其特征在于：一级方形亥姆霍兹线圈、二级方形亥姆霍兹线圈和三级方形亥姆霍兹线圈缠绕有绕组的线径长度相同。

5.根据权利要求1所述的一种磁场发生装置，其特征在于：U形框架和衔铁均为软磁材料。

6.根据权利要求1所述的一种磁场发生装置，其特征在于：所述计算流程包括以下步骤：

步骤S1、给定基本参数，磁场发生装置的额定工作气隙δ，磁场发生装置额定线圈电压U，磁场发生装置中心区域额定磁场强度B，磁场发生装置额定线圈电压下中心区域吸力F，结合经验公式首先得出衔铁直径

步骤S2、结合磁场发生装置的结构建立数学计算模型，假设一级方形亥姆霍兹线圈为正方形边长为2l₁，两个一级方形亥姆霍兹线圈间距为2a，一级方形亥姆霍兹线圈安匝数为IN；二级方形亥姆霍兹线圈为正方形边长为2l₂，两个二级方形亥姆霍兹线圈间距为2b，二级方形亥姆霍兹线圈安匝数记为m₁IN；三级方形亥姆霍兹线圈为正方形边长为2l₃，两个三级方形亥姆霍兹线圈间距为2c，三级方形亥姆霍兹线圈安匝数记为m₂IN；

则磁场发生装置数学计算模型在轴线z上任意一点的磁场强度理论值

其中，z为轴线z上任意一点到原点的距离；

步骤S3、由于方形亥姆霍兹线圈分布的对称性，则B(z)在z＝0处的奇数阶导数均为0，B(z)在z＝0处的泰勒展开式简化为同时考虑要产生理想均匀磁场，则需要B(z)＝B(0)，则各阶导数B⁽²⁾＝0，B⁽⁴⁾＝0，...为0；

步骤S4，将三组方形亥姆霍兹线圈的宽度设为相同，即d₁＝d₂＝d₃＝d，此时两个一级方形亥姆霍兹线圈的间距是2a，两个二级方形亥姆霍兹线圈的间距是2(a+d)，两个三级方形亥姆霍兹线圈的间距是2(a+2d)；

利用等面积法对数学计算模型进行简化计算，假定一级方形亥姆霍兹线圈绕组由N匝半径为d_z的铜导线紧密缠绕而成，绕组的横截面积近似等于衔铁两侧方形区域横截面积，则由N匝半径为d_z的铜导线紧密缠绕而成的绕组的横截面积记为得出其中h₁为方形区域的高度，则一级方形亥姆霍兹线圈的边长同理得出二级方形亥姆霍兹线圈的边长和三级方形亥姆霍兹线圈的边长

步骤S5，由圆线圈铜导线直径计算公式推导出方形线圈铜导线直径的设计公式，其中圆线圈铜导线的截面积为可得，其中ρ为绕线的电阻率；将圆线圈铜导线直径代入步骤S4的公式中得出

将步骤S5的公式代入步骤S2的公式中，得到磁场发生装置数学模型在轴线z上任意一点的磁场强度，根据确定的工作电压值U，令整理后的磁场强度公式中前6个偶数阶导数为0，列出如下6个方程：B⁽²⁾＝0，B⁽⁴⁾＝0，B⁽⁶⁾＝0，B⁽⁸⁾＝0，B⁽¹⁰⁾＝0，B⁽¹²⁾＝0，从而得出I、N、d、m₁、m₂、a，进而得出一级方形亥姆霍兹线圈匝数N、二级方形亥姆霍兹线圈匝数m₁N、三级方形亥姆霍兹线圈匝数m₂N、方形亥姆霍兹线圈内电流强度I、一级方形亥姆霍兹线圈间距a、二级方形亥姆霍兹线圈间距a+d、三级方形亥姆霍兹线圈间距a+2d。

7.根据权利要求1所述的一种磁场发生装置，其特征在于：所述锥形四棱柱磁头倾角α为15°～60°，工作气隙δ20～50mm。