CN103021618B - 一种基于磁聚焦的等比例线圈阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁聚焦的等比例线圈阵列，包括由两个以上的子线圈(1)组成的线圈阵列，在所述的线圈阵列中设有电源，本发明所述两个以上的子线圈(1)依次串联，由子线圈(1)形成的串联支路则接于电源的两端，所述的子线圈(1)为缠绕有导线(2)的线圈结构，所述两个以上的子线圈(1)通过导线(2)依次串联。本发明结构简单，采用单一电源供电的方式，通过串联的多个子线圈1，可实现对电路中电流的多种控制，能有效的提高线圈阵列的磁聚焦效果，应用范围广，适用于各种形态的线圈阵列，尤其是电磁治疗、埋地金属管线检测等对磁聚焦范围要求极高的领域中。

Description

一种基于磁聚焦的等比例线圈阵列

技术领域

本发明涉及磁聚焦领域，具体的说，是一种基于磁聚焦的等比例线圈阵列。

背景技术

在电磁治疗、埋地金属管线检测等领域中，常需要构造某种特定形态的磁场来实现聚焦，以保证治疗或检查的精确度，如图1、图2所示的应用于电磁治疗的线圈阵列，通常需要采用两个或是两个以上的子线圈(即：线圈阵列)来构造磁场。在现有技术中，线圈的结构通常由绝缘管以及缠绕于绝缘管上的导线组成，导线缠绕的圈数则为线圈的匝数。在设计时，需要先对每个子线圈上的导线通以恒定电流的方式进行分析，然后再运用磁场矢量迭加的原理进行设计。然而在实际的电路应用过程中，每个子线圈则需要加载时变电流，时变电流的幅值也不相同，传统方法常是对每个子线圈配置一个电流激励源，通过同步信号控制，实现在同一时刻对每个电流激励源进行同步控制，最终让整个线圈阵列在空间某个区域产生某种形态的磁场。在应用过程中，尤其是当多个子线圈工作时，只有每个子线圈的时变电流在任何时刻都能够与当初设计静态电流完全成比例关系时，才能设计预期，实现空间磁场按设计的要求进行叠加。当然，这也对每个子线圈时变电流的完全匹配提出严格的要求，同时，对每个电流激励源的同步控制问题也显得尤为重要，使其在设计上较难实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于磁聚焦的等比例线圈阵列，采用单一电源供电，通过子线圈串联的方式，可实现多个子线圈的同步激励，结构简单，较现有技术中采用多个激励源同步控制的设计更加简单，适用于各种形态的线圈阵列，应用范围广。

本发明通过下述技术方案实现：一种基于磁聚焦的等比例线圈阵列，包括由两个以上的子线圈组成的线圈阵列，在所述的线圈阵列中设有电源，本发明采用单一电源，所述两个以上的子线圈依次串联，由子线圈形成的串联支路则接于电源的两端，降低了现有技术中采用多个电流激励源进行同步控制而出现的难度，结构简单易实现。

为更好的实现上述多个子线圈串联的结构，所述的子线圈为缠绕有导线的线圈结构，所述两个以上的子线圈通过导线依次串联，并接于电源的两端。

本发明所述导线的两端分别与电源的两端相连接。

所述的通过每个子线圈的设计电流值的绝对值与缠绕于该子线圈上导线的匝数成正比，即：整个线圈阵列的中每个子线圈的电流需按照基准线圈阵列的电流(导线的匝数)成比例增加，当然比例系数越大，整个线圈阵列产生的磁场强度越强，聚焦效果不发生变化，在实际应用过程中，还可通过子线圈的匝数来达到控制线圈电流大小的目的。

所述的通过每个子线圈的电流值、导线以及磁场强度的关系包括以下两种情况：

(1)所述的通过每个子线圈的电流值为恒定值，由其组成的线圈阵列的磁场强度则与缠绕于每个子线圈上导线的匝数成正比，即：在串联电流不变的情况下，等比例增加或减少每个缠绕于子线圈上的导线的匝数，产生的聚焦效果不变，产生的磁场强度等比例增加或减少。

(2)所述的缠绕于每个子线圈上的导线匝数为恒定值，通过该子线圈的电流值则与由该子线圈组成的线圈阵列的磁场强度成正比，即：保持每个缠绕于子线圈上导线的匝数不变，按比例增大或减少串联电流，产生的聚焦效果不变，产生的磁场强度按比例增大或减小。

本发明导线的缠绕方向包括以下两种情况：

(1)若规定激励电流从内层绕线流向外层绕线的方向(即：顺时针方向)为正方向，那么，所述的导线沿顺时针方向缠绕于子线圈上，通过该子线圈的激励电流方向为正；所述的导线沿逆时针方向缠绕于子线圈上，通过该个子线圈的激励电流方向则为负。

(2)若规定激励电流从外层绕线流向内层绕线的方向(即：逆时针方向)为正方向，那么，所述的导线沿逆时针方向缠绕于子线圈上，通过该子线圈的激励电流方向为正；所述的导线沿顺时针方向缠绕于子线圈上，通过该个子线圈的激励电流方向则为负。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明结构简单，组成线圈阵列的多个子线圈均通过串联而连接，仅采用单一电源即可供电，同时，还可实现多个子线圈的同步激励，较现有技术中采用多个激励电源同步控制的设计而言，其结构更加简单，也更易实现。

(2)在本发明中，子线圈激励电流的大小可通过该子线圈的匝数来进行调整，原理十分简单，操作方便。

(3)在本发明中，线圈激励电流的方向可通过导线的缠绕方向来改变，对于整个线圈阵列而言，当子线圈上激励电流方向不同时，还能有效的提高磁聚焦效果，该设计可广泛适用于各种形态的线圈阵列，尤其是电磁治疗、埋地金属管线检测等对磁聚焦范围要求极高的领域中。

附图说明

图1为现有技术中应用于电磁治疗的线圈阵列的俯视图。

图2为现有技术中应用于电磁治疗的线圈阵列的侧视图。

图3为本发明子线圈的结构示意图。

图4为图3所示A的局部示意图。

图5为本发明导线顺时针缠绕时的结构示意图。

图6为本发明导线逆时针缠绕时的结构示意图。

图7为本发明应用于电磁治疗的线圈阵列的电磁场分布仿真立体图。

图8为本发明应用于电磁治疗的线圈阵列的电磁场分布仿真俯视图。

其中，1-子线圈，2-导线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

本发明提出了一种基于磁聚焦的等比例线圈阵列，包括由两个以上的子线圈1组成的线圈阵列，在实际应用过程中，线圈阵列多为实现磁聚焦而形成的一种阵列结构，可应用于如：电磁治疗、埋地金属管线检测等领域中，在设计时，通常采取对每个子线圈1通以恒定电流的方式进行分析，然后再运用磁场矢量迭加的原理进行设计。以图1、图2所示的应用于电磁治疗的线圈阵列为例，传统的方法是对每个子线圈1配置一个电流激励源(即：电源)，通过同步信号控制，实现在同一时刻对每个电源的同步控制，最终让整个线圈阵列在空间某个区域产生某种形态的磁场。在应用过程中，尤其是如图1图、2所示的多个子线圈1工作时，往往存在设计难度大、磁聚焦效果不理想等问题。因此，本发明在克服上述传统方法不足的前提下，提出了一种新的设计，即：在线圈阵列中采用单一电源供电，而两个以上的子线圈1则依次串联，由子线圈1形成的串联支路则接于电源的两端，设计合理，更降低了现有技术中采用多个电流激励源进行同步控制而出现的难度，结构简单易实现。

在本发明中，子线圈1为缠绕有导线2的线圈结构，两个以上的子线圈1通过导线2依次串联，而导线2的两端则分别与电源的两端相连接。同样以应用于电磁治疗的线圈阵列为例，子线圈1的结构可如图3所示，在实际应用过程中，电路的控制均可通过导线2来实现，包括以下情况：

(1)每个子线圈1的设计电流值的绝对值与缠绕于该子线圈1上导线2的匝数成正比，即整个线圈阵列的中每个子线圈1的电流需按照基准线圈阵列的电流(导线2的匝数)成比例增加，当然比例系数越大，整个线圈阵列产生的磁场强度越强，聚焦效果不发生变化，在本发明的应用过程中，还可通过子线圈1的匝数来达到控制线圈电流大小的目的，如图4所示，子线圈1的匝数为六圈。

以图1所示结构为例，设图1中每个子线圈1的匝数都为1，通过仿真得知子线圈a、b、c、d、e、f、g的电流分别为1.2A、2A、0.8A、1.3A、0.6A、1.9A、3A，在目标区域内具有较好的磁场聚焦特性，则可设计子线圈1的电流比例关系为1.2∶2∶0.8∶1.3∶0.6∶1.9∶3。按照磁聚焦的等比例线圈阵列关系，将每个子线圈1串联起来，激励电流为0.1A，即流过每个单匝线上的电流为0.1A，可以通过等比例改变线圈匝数，设定每个子线圈1的匝数分别为：12匝∶20匝∶8匝∶13匝∶6匝∶19匝∶30匝，即可实现上述1.2∶2∶0.8∶1.3∶0.6∶1.9∶3的设计电流比例。该方法带来如下几点好处：其一为实现方式简单方便、易于实现；其二为不需要各子线圈1的激励电流动态考虑同步问题；其三为在降低对激励电流的要求时，不影响聚焦效果和磁场强度，如将各子线圈1匝数定为：24匝∶40匝∶16匝∶26匝∶12匝∶38匝∶60匝，则要实现设计的聚焦效果和磁场强度，仅需要0.05A的串联激励电流即可；其四为在不改变聚焦效果的情况下，可增大或者减小磁场的强度，包括如下两种方法：

a：所述的通过每个子线圈1的电流值为恒定值，由其组成的线圈阵列的磁场强度则与缠绕于每个子线圈1上导线2的匝数成正比，即：在串联电流不变的情况下，将各子线圈1匝数同时按比例增加或减小若干倍。如：将每个子线圈1的匝数同比例增加一倍，分别达到：24匝∶40匝∶16匝∶26匝∶12匝∶38匝∶60匝。则产生的聚焦效果不变，但产生的磁场强度将增加一倍，达到原来的2倍，其余倍数以此类推，此处所说的“倍数”包括但不限于整数。

b：所述的缠绕于每个子线圈1上的导线2匝数为恒定值，通过该子线圈1的电流值则与由该子线圈1组成的线圈阵列的磁场强度成正比，即：保持每个缠绕于子线圈1上导线2的匝数不变，将串联激励电流增加或减小若干倍，所产生的聚焦效果不发生变化，而磁场强度将会增加或减小同样的倍数，此处所说的“倍数”包括但不限于整数。

(2)通过每个子线圈1的激励电流的方向可通过导线2的缠绕方向来改变：

a：若规定激励电流从内层绕线流向外层绕线的方向(即：顺时针方向)为正方向，那么，如图5所示，导线2沿顺时针方向缠绕于子线圈1上时，通过该子线圈1的激励电流方向为正；如图6所示，导线2沿逆时针方向缠绕于子线圈1上时，通过该子线圈1的激励电流方向则为负；

b：若规定电流从外层绕线流向内层绕线的方向(即：逆时针方向)为正方向，那么，如图6所示，导线2沿逆时针方向缠绕于子线圈1上时，通过该子线圈1的激励电流方向为正；如图5所示，导线2沿顺时针方向缠绕于子线圈1上时，通过该子线圈1的激励电流方向则为负；

在该电路的实际应用过程中，为更好的实现各子线圈1磁场的叠加，我们可以通过改变子线圈1激励电流的方向来进行调整，即：通过每个子线圈1上的电流方向(或导线2的缠绕方向)不同时，整个线圈阵列的磁聚焦效果愈加明显，其磁场仿真图分别如图7、图8所示，其中，图7、图8分别为磁场分布仿真的立体图、俯视图。

本发明结构简单，采用单一电源供电的方式，通过串联的多个子线圈1，可实现对电路中电流的多种控制，能有效的提高线圈阵列的磁聚焦效果，应用范围广，适用于各种形态的线圈阵列，尤其是电磁治疗、埋地金属管线检测等对磁聚焦范围要求极高的领域中。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于磁聚焦的等比例线圈阵列，包括由两个以上的子线圈(1)组成的线圈阵列，在所述的线圈阵列中设有电源，其特征在于：所述两个以上的子线圈(1)依次串联，由子线圈(1)形成的串联支路则接于电源的两端；所述的子线圈(1)为缠绕有导线(2)的线圈结构，所述两个以上的子线圈(1)通过导线(2)依次串联，而导线(2)的两端分别与电源的两端相连接；通过每个子线圈(1)的设计电流值的绝对值与缠绕于该子线圈(1)上导线(2)的匝数成正比。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁聚焦的等比例线圈阵列，其特征在于：通过每个子线圈(1)的电流值为恒定值，由其组成的线圈阵列的磁场强度则与缠绕于每个子线圈(1)上导线(2)的匝数成正比。

3.根据权利要求2所述的一种基于磁聚焦的等比例线圈阵列，其特征在于：缠绕于每个子线圈(1)上的导线(2)匝数为恒定值，通过该子线圈(1)的电流值则与由该子线圈(1)组成的线圈阵列的磁场强度成正比。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于磁聚焦的等比例线圈阵列，其特征在于：所述的导线(2)沿顺时针方向缠绕于子线圈(1)上，通过该子线圈(1)的激励电流方向为正；所述的导线(2)沿逆时针方向缠绕于子线圈(1)上，通过该子线圈(1)的激励电流方向则为负。

5.根据权利要求2或3所述的一种基于磁聚焦的等比例线圈阵列，其特征在于：所述的导线(2)沿逆时针方向缠绕于子线圈(1)上，通过该子线圈(1)的激励电流方向为正；所述的导线(2)沿顺时针方向缠绕于子线圈(1)上，通过该子线圈(1)的激励电流方向则为负。