軸向均勻磁場(chǎng)線圈的設(shè)計(jì)

宋景　黃昊旻　徐志佳

摘 要：為了研究材料在磁場(chǎng)環(huán)境下的性能變化，需要研究設(shè)計(jì)一款軸向均勻磁場(chǎng)。文章首先進(jìn)行了理論分析，然后根據(jù)尺寸需求，對(duì)線圈參數(shù)進(jìn)行了定義并仿真，通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)果確定了磁場(chǎng)線圈的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：螺線管線圈；亥姆霍茲線圈；軸向磁場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TN123 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）03-0105-03

Abstract： In order to study the performance change of materials in magnetic field， it is necessary to design a uniform axial magnetic field. Based on the theoretical analysis， the parameters of the coil are defined and simulated according to the size requirement， and the design of the magnetic field coil is determined by the data results.

Keywords： solenoid coil； Helmholtz coil； axial magnetic field

1 概述

磁場(chǎng)作為一種新型的冷物理場(chǎng)在材料研究領(lǐng)域得到了廣泛的重視，研究物質(zhì)在強(qiáng)冷物理場(chǎng)中的各種性質(zhì)變化現(xiàn)已成為一項(xiàng)嶄新的研究課題。利用磁場(chǎng)對(duì)非鐵磁性物體作用，使被使用物的性質(zhì)產(chǎn)生某些期望的變化，從而改善生產(chǎn)效果和使用效益。磁處理是一種通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)改善金屬材料力學(xué)性能的新方法，可達(dá)到提高零件服役壽命的目的。

本文將從理論分析，研究設(shè)計(jì)一款便于研究材料在磁場(chǎng)環(huán)境下的性能變化的軸向均勻磁場(chǎng)。

2 理論分析

2.3 多層螺線管軸向磁場(chǎng)

多層螺線管其軸向磁場(chǎng)可看作多個(gè)單層螺線管在軸上的磁場(chǎng)強(qiáng)度的疊加。如圖3，若螺線管的外徑為R，內(nèi)徑為r，項(xiàng)圈的厚度為R-r，每層單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)為n1，螺線管層數(shù)為n2，疊加后得螺線管軸線上任一點(diǎn)的軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

2.4 亥姆霍茲線圈

亥姆霍茲線圈是由一對(duì)匝數(shù)和半徑相同、薄厚程度相同的共軸平行放置的圓線圈，兩線圈都通以同方向電流。

如圖4，取兩線圈的軸線為x軸，兩線圈中心連線的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)o，在距原點(diǎn)z處任取一點(diǎn)P，則亥姆霍茲線圈在軸線上點(diǎn)P處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為：

3 仿真情況

實(shí)驗(yàn)需求一款軸向長(zhǎng)度不超過(guò)100mm的磁場(chǎng)線圈，并且要求軸向磁場(chǎng)分布較均勻。因此，根據(jù)前面的理論分析，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真符合尺寸要求的線圈。

3.1 多層螺線管

當(dāng)螺線管長(zhǎng)度與半徑之比l/R較大時(shí)，螺線管軸向磁場(chǎng)趨于均勻，單層螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，因此本次設(shè)計(jì)采用多層螺線管。設(shè)螺線管每層單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)為140，螺線管層數(shù)為170，內(nèi)徑為20mm，外徑為250mm，螺線管長(zhǎng)100mm，電流為1A，仿真結(jié)果如圖5。

3.2 亥姆霍茲線圈

當(dāng)兩線圈間的距離等于線圈半徑時(shí)，兩線圈中間視為均強(qiáng)磁場(chǎng)。設(shè)每層單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)為140，線圈半徑為200mm，兩線圈間距為100mm，電流為1A，仿真結(jié)果如圖6。

4 結(jié)論

由于線圈長(zhǎng)度僅為100mm，為了達(dá)到一定磁場(chǎng)強(qiáng)度，螺線管的層數(shù)不能太小，這樣就造成螺線管線圈長(zhǎng)度與半徑之比l/R過(guò)小，在有效范圍內(nèi)，磁場(chǎng)波動(dòng)較大。根據(jù)仿真結(jié)果，亥姆霍茲線圈在有效范圍內(nèi)軸向產(chǎn)生的磁場(chǎng)均勻性較好，因此綜合考慮，實(shí)驗(yàn)選用亥姆霍茲線圈為磁場(chǎng)發(fā)生裝置的軸向均勻磁場(chǎng)線圈。

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