[发明专利]一种大面积均匀竖直可变耦合运动磁场的生成方法

说明书

技术领域

本发明属于运动磁场的生成方法，涉及一种大面积均匀竖直可变耦合运动磁场的生成方法。

背景技术

随着近代科学与技术的飞速发展，匀强磁场作为一种极端条件愈来愈显露它的重要作用，磁场的均匀性和均匀范围在各领域中有着广泛的应用：(1)发现新现象：匀强磁场可非常有效地诱导自旋、轨道有序,并改变电子结构和原子、分子间的相互作用，使之出现全新的物质状态，呈现多种多样新的物理、化学现象和效应。(2)认识新现象：强磁场可以抑制一些因素，而突出一些效应，从而使原来很复杂甚至混乱的过程变得较为简单，易于直接了解其物理实质。(3)催化出一系列新的重大应用技术：例如强磁场作用下的电磁冶金技术，化学反应合成，脑功能成像技术等。

实验常用产生匀强磁场的机构是赫姆霍兹线圈或电磁铁^[1-2]，其结构简单，容易设计，可在小范围内产生均匀磁场。而针对大型科学实验，根据不同的实验目的和要求，对磁场的范围、均匀性、强度有了更高的要求，因此需要进行专项设计。例如大梯度强磁超导磁体(JMTA-16T50MF)用于生命科学研究^[3]，中国空间技术研究院兰州空间技术物理研究利用电磁原理开发出了电磁模拟设备^[4]，并在该设备上完成了Al-Pb，Pb-Zn等多种难混合金的制备。这些设备可产生均匀梯度磁场和均匀磁场，其原理是利用两组同轴线圈(通以高频交变电流)产生的磁场进行叠加得到，如图1所示。但是些方式产生的均匀磁场作用范围也很小，强度较低，只适合于研究某些特定实验。

为此，要求设施在较大的实验空间内能够提供足够大的均匀磁场，目前生成磁场的方法有：利用超导体、利用赫姆霍兹线圈、利用电磁线圈以及利用永磁体等，由于电磁场的空间特性决定了磁场是一种与位置矢量相关的空间矢量力，在实验空间内电磁力大小和方向随着不同的位置变化而变化，以及由于有自身结构设计缺陷，已有均匀梯度磁场和均匀磁场产生的方法仅可以在某一较小区域内生成均强磁场，不适合在大空间、大范围内使用，现有技术无法满足大面积均匀竖直可调耦合磁场生成的要求。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种大面积均匀竖直可变耦合运动磁场的生成方法

技术方案

一种大面积均匀竖直可变耦合运动磁场的生成方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据磁场能所需的大小和均匀度，电磁铁的各个参数满足下式要求

B=μ0μrI(D2-D1)L2d2*h*106]]>

式中：B为运动磁场要求的强度；μ₀为空气磁导率；μ_r为电磁铁的铁芯磁导率；d为电磁铁的导线的直径，单位mm；I是导线通电电流，单位安培；D₁为电磁铁导线绕组的内径，单位mm；D₂为电磁铁导线绕组外径，单位mm；L为电磁铁的厚度，单位mm；h为气隙高度，单位mm；

步骤2：将满足要求的电磁铁线圈的导线绕组D₁、D₂和厚度L，输入Ansoft Maxwell3D软件中，采用有限元法优化计算电磁铁线圈的导线绕组D₁、D₂和厚度L尺寸，并按照得到的尺寸制作N×M个电磁铁；

步骤3：将N×M个电磁铁组成N×M的方阵，N×M的方阵的大小等于所需磁场水平的最大区域；所述N×M个电磁铁具有相同的线圈尺寸、线圈的匝数和励磁电流。

有益效果