轴向均匀磁场线圈的设计
2019-02-28宋景黄昊旻徐志佳
宋景 黄昊旻 徐志佳
摘 要：为了研究材料在磁场环境下的性能变化，需要研究设计一款轴向均匀磁场。文章首先进行了理论分析，然后根据尺寸需求，对线圈参数进行了定义并仿真，通过数据结果确定了磁场线圈的设计。
关键词：螺线管线圈；亥姆霍兹线圈；轴向磁场
中图分类号：TN123 文献标志码：A 文章编号：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
磁場作为一种新型的冷物理场在材料研究领域得到了广泛的重视，研究物质在强冷物理场中的各种性质变化现已成为一项崭新的研究课题。利用磁场对非铁磁性物体作用，使被使用物的性质产生某些期望的变化，从而改善生产效果和使用效益。磁处理是一种通过磁场来改善金属材料力学性能的新方法，可达到提高零件服役寿命的目的。
本文将从理论分析，研究设计一款便于研究材料在磁场环境下的性能变化的轴向均匀磁场。
2 理论分析
2.3 多层螺线管轴向磁场
多层螺线管其轴向磁场可看作多个单层螺线管在轴上的磁场强度的叠加。如图3，若螺线管的外径为R，内径为r，项圈的厚度为R-r，每层单位长度上的匝数为n1，螺线管层数为n2，叠加后得螺线管轴线上任一点的轴向磁场强度为：
2.4 亥姆霍兹线圈
亥姆霍兹线圈是由一对匝数和半径相同、薄厚程度相同的共轴平行放置的圆线圈，两线圈都通以同方向电流。
如图4，取两线圈的轴线为x轴，两线圈中心连线的中点为坐标原点o，在距原点z处任取一点P，则亥姆霍兹线圈在轴线上点P处产生的磁感应强度的大小为：
3 仿真情况
实验需求一款轴向长度不超过100mm的磁场线圈，并且要求轴向磁场分布较均匀。因此，根据前面的理论分析，运用计算机仿真符合尺寸要求的线圈。
3.1 多层螺线管
当螺线管长度与半径之比l/R较大时，螺线管轴向磁场趋于均匀，单层螺线管产生的磁场强度较小，因此本次设计采用多层螺线管。设螺线管每层单位长度上的匝数为140，螺线管层数为170，内径为20mm，外径为250mm，螺线管长100mm，电流为1A，仿真结果如图5。
3.2 亥姆霍兹线圈
当两线圈间的距离等于线圈半径时，两线圈中间视为均强磁场。设每层单位长度上的匝数为140，线圈半径为200mm，两线圈间距为100mm，电流为1A，仿真结果如图6。
4 结论
由于线圈长度仅为100mm，为了达到一定磁场强度，螺线管的层数不能太小，这样就造成螺线管线圈长度与半径之比l/R过小，在有效范围内，磁场波动较大。根据仿真结果，亥姆霍兹线圈在有效范围内轴向产生的磁场均匀性较好，因此综合考虑，实验选用亥姆霍兹线圈为磁场发生装置的轴向均匀磁场线圈。
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