多磁极的旋转磁场发生装置设计研究

冯永涛 邢纪奎 肖 健 黄圆明 徐 泽 刘一琦＊

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨150040）

1 旋转磁场发生装置的设计

1.1 旋转磁场发生装置的设计背景。目前针对疾病的药物越来越多，但一些药物在服用后只有少量可以到达靶区，要提高靶区的药物浓度需要加大服药剂量，这样会产生不利的影响。因此针对这样的具体问题：研究药物通过特殊磁性载体在磁场的作用下，特异性地作用于靶区的周围，使人们减少药物的服用，具有重要的研究意义。

1.2 旋转磁场发生装置的设计目标。在以往的针对靶向磁场发生上的磁场发生装置的设计很少，我们利用多磁极的电磁线圈或者多维的亥姆霍兹线圈，每组线圈在开关控制装置的作用下改变通入电流的相序产生空间旋转的磁场，并且可以通过调整线圈电流频率来变换磁场旋转的速度。这样便能应用于靶向药物控释系统中，不仅可以研究磁感应强度大小对药物控释的影响，还可以探究磁场旋转速度对实验的影响。

1.3 旋转磁场发生装置的总体设计分析。在项目中我们设计了旋转磁场的具体实现方式，如图1 流程图所示。首先我们在MATALB 仿真软件上，研究磁场的相序电流控制与旋转磁场的形成状态的关系，接着我们设计电源电路实现励磁电流的供给，控制电路采取C51 单片机控制的方式，输出一定的电流波形，并且可以对电流的大小、频率进行调整，从而控制旋转磁场的速度；驱动电路采用推挽电路或由自举供电及驱动芯片构成的驱动电路以满足实验的功率需要；主电路采用全桥逆变电路，其中开关器件的功能是完成在某个周期内的开通和关断，从而对电流相序进行控制，使磁场旋转起来，从而产生我们需要的旋转磁场。

图1 旋转磁场发生装置设计流程图

2 生物药物控释系统的实现

2.1 旋转磁场的生成原理与仿真结果。对称磁极产生旋转磁场：如表1 所示，每组线圈在控制电路和开关控制装置的作用下改变通入电流的相序，本设计选择使用3 组对称电磁线圈来产生对称旋转磁场。

表1 三对电磁线圈导通时序表

2.2 主电路的设计。旋转磁场发生装置的关键部分是主电路。因为三个电磁线圈在导通时的设计要求相同，所以在设计时只设计其中一个线圈的主电路即可。本设计采用极性交替出现的旋转磁场来满足药物的折返振荡要求。主电路的仿真图如图2 所示。本文设计的装置中，由单片机控制靶向磁场的旋转，主电路是由四个MOSFET 构成的全桥逆变电路，可以带动一对电磁线圈按照预先规定的方式旋转，生成的波形如图3 所示。极性交替出现的磁场就由此而产生。据此，药物就可以在试管壁上来回折返振荡，减少药物在试管壁上的残留，实现高效运输的效果。

图2 主电路仿真图

2.3 控制电路的设计。控制电路在整个靶向磁场发生器的设计中是至关重要的，因为控制电路设计出的时序是旋转磁场产生的根本原因。本设计的控制电路是由单片机来产生的。由于单片机的价格比较便宜，而且能够完全满足控制要求。我们采用按键开关来实现对单片机波形频率的控制，通过频率控制来对旋转磁场的速度进行改变，因为要轮流导通旋转磁场的三对磁极，所以选择P1.0、P1.1、P1.2 三个引脚轮流导通，如图4 为控制电路的仿真图。

图3 电路输出波形图

图4 控制电路的仿真图

2.4 驱动电路的设计。我们设计了基于IR2101 的驱动电路，将单片机输出的5V 的信号进行放大至9V 左右，以满足开关管导通的要求。图5 是IR2101 驱动芯片的外围电路，HO 和LO 两个输出分别接入全桥逆变电路的上下桥臂，使其导通。

2.5 旋转磁场的仿真。我们设计了所需要的电磁线圈，铁芯材料采用硅钢片，每个线圈匝数约为17 匝，输入电流约为10A，如图6、7 所示的磁场仿真为在一对磁极通入电流后产生的磁场情况和磁场的轴线分布情况。

图5 驱动电路的仿真图

图6 磁场分布仿真图

图7 轴线磁场分布图

3 结论

本文综合目前已有的靶向引导磁场的电磁场发生装置，设计了一种多磁极的旋转磁场发生装置。该装置的驱动电路部分由单片机、D 触发器以及对应的门电路而成，程序简单、易于实现，可以实现磁场的旋转，并对所产生的旋转磁场进行有效的频率控制；主电路中选取电力场效应晶体管MOSFET 作为开关管，能够有效减少关断时间，可以使电磁线圈电流迅速下降；驱动电路采用了IR2101 芯片自举供电的设计方法，能够节约电源成本，经实验印证可知，驱动电路的输出信号能够驱动开关管MOSFET。

该电磁场发生装置可以产生空间旋转的磁场，并通过调节线圈电流的频率和大小来改变磁场旋转的速度和产生磁场的强度，结构简单、较容易实现，可以应用于生物药物控释系统，利用旋转磁场控制药物作用于靶区的周围，减少药物对患者的机体损伤。