下载文档原格式
旋转磁场和感应规律一、旋转磁场1.定义：旋转磁场是指磁场在空间中以一定速度旋转的现象。
2.产生：旋转磁场可以通过交流电源和永磁体产生。
3.特点：旋转磁场具有对称性、旋转性和动态性。
4.应用：旋转磁场在电机、发电机和变压器等设备中具有重要作用。
二、感应规律1.法拉第电磁感应定律：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中会产生电动势。
2.楞次定律：感应电动势的方向总是使得其产生的电流所产生的磁场与原磁场相互抵消。
3.感应电流的产生条件：闭合回路、磁场变化、导体在磁场中运动。
4.感应电流的大小：与导体在磁场中运动的速率、磁场强度、导体长度和磁场与导体之间的角度有关。
5.感应电动势的方向：可以使用右手定则判断。
6.感应现象的应用：发电机、动圈式话筒、变压器等。
三、旋转磁场与感应规律的关系1.旋转磁场可以产生变化的磁通量，从而在导体中产生感应电动势。
2.感应电流的产生与旋转磁场的速度、磁场强度和导体运动有关。
3.感应规律在旋转磁场中的应用：电机中的转子与定子之间的相互作用。
4.旋转磁场是指磁场在空间中以一定速度旋转的现象，具有对称性、旋转性和动态性。
5.感应规律包括法拉第电磁感应定律和楞次定律，描述了感应电动势的产生和方向。
6.旋转磁场与感应规律的关系密切，感应电流的产生与旋转磁场的速度、磁场强度和导体运动有关。
习题及方法：1.习题：一个导体棒在匀强磁场中以速度v垂直切割磁感线，导体棒的长度为L，磁场强度为B，求导体棒产生的电动势。
解题方法：使用法拉第电磁感应定律，闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中会产生电动势。
解：电动势E = B * L * v2.习题：一个闭合回路由半径为r的圆形线圈组成，线圈平面与磁场方向垂直。
当线圈以角速度ω旋转时，求线圈中的最大电动势。
解题方法：使用法拉第电磁感应定律，闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中会产生电动势。
解：电动势E_max = B * 2 * π * r * ω3.习题：一个闭合回路由半径为r的圆形线圈组成，线圈平面与磁场方向垂直。
旋转磁场的产生原理1 旋转磁场的概念旋转磁场是指在空间中呈现出一个旋转的磁场的现象。
在电机、发电机、变压器等电气设备中，都需要旋转磁场来实现电能转换，因此旋转磁场的产生显得非常重要。
2 旋转磁场的实现方法实现旋转磁场有多种方法，包括：多相电流组合、交错极式磁体、磁场翻转、同轴转子、齿轮、电子电子转子等。
其中，多相电流组合是最常用的方法之一。
3 多相电流组合多相电流组合是利用多相电流交替作用形成旋转磁场的方法。
多相电流指的是分别在不同的相位上的电流，如三相电流就是指三种不同的相位电流。
如果将多相电流分别通入三个线圈中，由于每个线圈的电流相差120度，因此在三个线圈中会同时产生磁场，且磁场的大小和方向随时间呈现周期性变化，最终在空间中形成一个旋转的磁场。
4 磁通量翻转磁通量翻转是另一种产生旋转磁场的方法。
这种方法由两个线圈组成，它们在空间中呈90度的交叉排列。
将交流电源接入这两个线圈中，由于波形不同，每个线圈产生的磁通量都会在不同的时间段内发生翻转，这样就会在空间中形成旋转的磁场。
不过，这种方法相对较少使用，因为它对线圈的设计和制造要求较高。
5 同轴转子同轴转子是电机领域中常用的一种产生旋转磁场的方法。
这种方法是利用外层转子和内部的定子之间，由电流在定子上的方式来实现。
由于转子和定子之间有空隙，当定子上有电流时，会在空隙中产生磁场，这个磁场会与定子上的磁场发生作用，从而产生旋转磁场。
6 磁场翻转磁场翻转是一种有趣的产生旋转磁场的方法。
这种方法利用可变磁阻现象，通过改变回路中的磁阻系数来实现。
在磁场翻转的回路中，磁路一开始是沿着某个方向的，当电流在回路中流动时，会改变磁路的磁阻系数，从而使磁通量得以翻转。
由于磁路的翻转方向和电流方向相反，因此在空间中形成的磁场呈现旋转的状态。
7 总结以上是几种产生旋转磁场的常用方法。
不同的方法各有优缺点，可以根据实际应用场景进行选择。
对于电机、发电机、变压器等电气设备而言，旋转磁场是电能转换的基础，因此它的产生原理和相关技术的不断进步也促进了电气设备在能效和性能方面的不断提高。
关于磁场存在旋转特性的猜想和实验（末尾附图，和初初步实验设计）实验一：以某种特定频率和强度的束状电磁波（光）或射线，垂直于磁体正北极或正南极，侧沿射向磁场。
（后附:图一）现象推测：电磁波或射线在穿过磁场的时候会发生偏移的现象，并且这种偏移遵循有特定的规律：如果由北向南为顺时针方向偏移的话，那么由南向北则为逆时针方向偏移。
反之亦然。
结论：如果以上实验现象确实存在，那么或者能够证明磁场是一个以南北两极为轴，有统一旋转方向性质的引力场。
（后附:图二）实验二：如果实验一的现象存在。
用两个磁场旋转方向的不同，相互接触。
现象推测：磁场接触的部分，旋转方向为同向的两个磁场相互吸引（后附:图三）；旋转方向为反向的两个磁场相互排斥。
（后附:图四）结论：如果实验二现象存在，那么磁场的旋转性质和传统的两级性质将变得一样。
（后附:图五，图六）意义：相对于磁场传统的两级性质而言，磁场的旋转性质更具有优势一些。
一、更合理的解释磁极的移动问题。
（后附:图七）如果用传统的两级性质去看的话，右边磁体的北极应该是被排斥的，而（后附:图八）中，右边磁体应该是被整体排斥的。
而通过真实的实验表明，（后附:图七，图八）中的右边磁体都没有被排斥的现象。
关于这种现象我们传统上习惯用磁极的选择性或流动性去解释，但是这种解释终究是太过牵强的，于是这里我们用磁场的旋转性质去解释或者更合理一些。
二、解决磁单极粒子的共生性问题：磁单极粒子总是成对的出现的，至今一直不能找到单一的磁单极粒子。
也许，单一的磁单极粒子是不存在的，因为其相互作用时磁场旋转方向的关系，从而表现出相吸和相斥的性质。
延生：如果磁场的旋转性质确实存在，或者我们能够进一步发现量子力场的基本性质：自然界中所有的基础粒子的力场都具有旋转的性质，并且都具有“同向相吸，反向相斥”的性质。
初步实验设计：不同种类的光穿过三菱镜，磁体极轴和出射光线平行，并出射光线穿过磁场。
（原理：光在穿过三菱镜的时候会被分解成不同波长的光，或许这其中会有一种光能够和磁场发生作用关系。
旋转磁场的产生原理旋转磁场的产生原理是通过电流在导体中产生磁场，并且将导体置于旋转的状态下，使得磁场产生旋转的效果。
旋转磁场的产生是电磁感应定律的应用，既可以通过直接使用电流来产生旋转磁场，也可以通过使用电动机来实现。
旋转磁场的产生可以通过以下两种方法来实现：1. 直接使用电流来产生旋转磁场：当直流电流通过导体时，会在其周围产生一个静态磁场。
然而，如果将导体制成一个圆环，然后通电，就会在环的内部产生一个磁场。
利用安培环路定理和比奥-萨伐尔定律，可以推导出磁场的强度和方向。
当电流通过导体环时，磁场的强度按照对称轴的方向呈线性增长，再按照相反的方向呈线性减弱，形成一个旋转磁场。
这个旋转磁场会使得导体环发生旋转，就像是一个电动机一样。
2. 使用电动机来产生旋转磁场：电动机是利用电磁感应原理实现旋转磁场的一种设备。
它包括定子和转子两部分。
定子是一个金属磁铁，上面有若干个线圈，通过这些线圈通电后将在其周围产生一个静态磁场。
转子是由绕组和电刷组成的。
当通电后，定子的磁场与转子绕组的线圈产生相互作用，使得转子受到力矩的作用。
电刷相当于一个开关，根据转子的位置来控制线圈的通断。
通过交替的通断电流，既可以产生旋转的磁场，也可以控制转子的旋转方向。
旋转磁场的应用非常广泛。
在电机技术中，旋转磁场是实现转子旋转的基础。
它被广泛应用于电动机、风力发电机、燃气轮机等设备中，为工业生产提供了重要的动力。
在计算机技术中，旋转磁场可以用于硬盘驱动器和电机鼠标等设备中。
此外，旋转磁场还被用于医学成像技术中的MRI扫描，通过对旋转磁场的感知和解析，可以获得人体内部的高分辨率图像。
通俗旋转磁场的产生原理通俗地说，旋转磁场的产生是由于电流在导体中流动所产生的现象。
要理解旋转磁场的产生原理，首先需要了解磁场和电流之间的关系。
当电流通过导体时，会产生磁场。
这个磁场沿着导体所形成的环绕。
旋转磁场是由交流电产生的，交流电是由正弦波形式的电流和电压组成。
当电流是交流电时，它的大小和方向会随着时间的变化而变化。
这就意味着电流在导体中的流动方向和大小也在变化。
正是这种变化导致了旋转磁场的产生。
为了更好地理解旋转磁场的产生原理，我们可以通过一个实验来说明。
假设有一个直流电流通过一个导体绕成的线圈。
在这种情况下，由于电流是恒定的，所以线圈的磁场也是恒定的，没有旋转的现象。
然而，如果我们将电流改为交流电，即电流大小和方向会随时间变化，就会出现旋转磁场。
通过交流电产生的旋转磁场又称为交变磁场。
我们设想一个简单的实验：一个导体绕成的线圈连接到一个交流电源上。
当交流电源通电时，电流大小和方向会周期性地变化。
当电流方向在一个周期内发生变化时，线圈中的磁场也会随之发生变化。
由于电流是正弦波形式的，电流的大小和方向会周期性地变化，因此线圈中的磁场也会周期性地变化。
如何解释这种周期性变化呢？首先，我们可以想象，当电流通过线圈时，磁场会从电流所在的位置“扩散”出去。
当电流流过线圈中的不同部分时，磁场也会随之变化。
而线圈中的各部分需要一段时间才能接收到磁场的变化信息。
其次，由于电流大小和方向周期性变化，意味着线圈中的各部分在每个周期内都会先后受到不同方向的磁场的作用。
这种周期性受力的变化导致了产生旋转磁场的现象。
简单地说，线圈中的各部分在每个周期内都会随着电流方向的变化而受到磁场的作用，这种受力的变化导致了线圈中磁场的旋转。
由于旋转磁场的方向和大小在时间上是变化的，所以我们通常会看到磁场在空间中旋转的效果。
总结一下，通俗地说，旋转磁场的产生原理是由于电流在交流电中周期性地变化，导致线圈中的磁场也周期性地变化，而线圈中各部分受到磁场作用的变化又导致了产生旋转磁场的现象。
第1篇一、实验目的1. 理解旋转磁场的产生原理。
2. 观察并验证三相交流电产生旋转磁场的过程。
3. 掌握旋转磁场对电机转子运动的影响。
二、实验原理旋转磁场是指由三相交流电在空间产生的一对或多对磁极，在空间中以一定的频率旋转的磁场。
当三相交流电通入三相异步电动机的定子绕组时，就会在定子绕组中产生旋转磁场。
这个旋转磁场会在转子中产生感应电流，从而产生电磁转矩，使转子跟随旋转磁场旋转。
三、实验设备1. 三相异步电动机模型（含定子和转子）。
2. 手摇发电机。
3. 三相交流电源。
4. 电流表、电压表。
5. 导线、开关等。
四、实验步骤1. 将三相异步电动机模型接入三相交流电源。
2. 将手摇发电机与定子绕组连接，确保三相电流同步。
3. 开启手摇发电机，观察定子绕组中的电流变化。
4. 使用电流表和电压表测量三相电流和电压。
5. 观察转子运动，记录转速和转向。
6. 改变三相电流的相序，观察转子运动的变化。
五、实验结果与分析1. 当手摇发电机旋转时，定子绕组中的电流同步变化，产生旋转磁场。
2. 电流表和电压表显示三相电流和电压的波形，与理论计算一致。
3. 观察到转子开始旋转，转速逐渐稳定。
4. 改变三相电流的相序后，转子转速和转向发生变化，与理论分析一致。
六、实验结论1. 旋转磁场是三相异步电动机工作的基础，由三相交流电产生。
2. 旋转磁场的产生原理符合理论计算和实验观察。
3. 转子转速和转向与三相电流的相序有关。
七、实验讨论1. 实验过程中，电流表和电压表的读数与理论计算存在一定的误差，可能由于实验设备的精度限制。
2. 实验过程中，由于手摇发电机的转速不稳定，导致转子转速波动较大。
3. 在实际应用中，旋转磁场的产生和作用更加复杂，需要考虑多种因素。
八、实验心得通过本次实验，我对旋转磁场的产生原理有了更深入的了解，掌握了三相异步电动机的工作原理。
同时，实验过程中遇到了一些问题，通过查阅资料和讨论，我学会了如何解决这些问题。
旋转磁场产生原理
旋转磁场产生的原理是通过施加电流于导线产生磁场，然后利用电机的电磁感应现象将电能转化为机械能。
具体而言，当通过导线流过电流时，会在导线周围产生一个磁场。
如果导线是直线排列的，则磁场的方向呈圆周的形式。
但是，如果导线是环形排列的，电流通过环形电路时，磁场将环绕整个环路，并在环环相连的部分形成闭合的磁场线。
当通过环形电路的电流方向为顺时针时，环路内的磁场将形成一个与指针方向一致的方向。
而当电流方向为逆时针时，则形成一个与指针方向相反的方向。
这就是由环形电路所产生的磁场所具有的特点。
当环形电路中的电流方向不断改变时，磁场的方向也会随之改变。
如果将电流方向不断反转，那么磁场的方向也会相应颠倒，形成一个旋转的磁场。
这种旋转磁场的产生原理就是通过不停地改变电流方向来实现的。
旋转磁场的产生在电机中起着关键的作用。
通过在旋转电机中放置一系列的导线，然后改变导线的电流方向，就可以在电机内部产生一个旋转磁场。
这个旋转磁场就会与电机的定子磁场相互作用，导致电机转动。
通过不断改变电流方向，电机就可以不断地维持旋转磁场，使得电机能够持续地工作。
磁铁的旋转实验报告实验目的：通过实验证明磁铁在外加力的作用下可以产生旋转运动，并探究磁铁旋转的原理。
实验原理：根据安培力定律，当磁铁受到外加力时，会产生与外加力垂直的力矩，从而使磁铁产生旋转运动。
磁铁旋转的原理是利用磁铁的两个极性相互作用，其中一个极性与外加磁场相吸引，另一个极性与外加磁场相斥，从而使磁铁产生旋转运动。
实验器材：磁铁、铁片、铜线、电源、电阻器。
实验步骤：1. 将磁铁通过一个铁片固定在桌面上，确保磁铁底部与桌面平行。
2. 用铜线将磁铁的两端连接到电源的正负极。
3. 为了控制旋转速度，串联一个电阻器在电路中。
4. 打开电源，调节电阻器的电阻，观察磁铁是否发生旋转。
实验结果及分析：在实验过程中，我们发现当电流通过磁铁时，磁铁开始旋转，旋转方向与电流的方向有关。
当电流方向与磁场方向相同时，磁铁产生的力与外加磁场相斥，从而使磁铁沿着某个方向旋转；当电流方向与磁场方向相反时，磁铁产生的力与外加磁场相吸引，使磁铁沿相反的方向旋转。
根据实验结果分析，磁铁的旋转是由安培力定律以及磁场互相作用所导致的。
当通过磁铁的电流与外加磁场相斥时，产生的力矩使得磁铁沿特定方向旋转；当通过磁铁的电流与外加磁场相吸引时，同样产生的力矩使得磁铁沿相反方向旋转。
因此，通过调节电流方向和大小，可以控制磁铁的旋转方向和速度。
实验总结：通过本次实验，我们验证了磁铁能够在外加力的作用下产生旋转运动，并探究了磁铁旋转的原理。
实验证实了安培力定律，并通过观察实验现象分析了磁铁旋转的原理。
磁铁的旋转是由电流与外加磁场相互作用所导致的，通过调节电流方向和大小可以控制磁铁的旋转方向和速度。
实验中可能存在的误差源包括电流的不稳定性以及摩擦力的影响。
为了减小误差，我们可以在实验中使用更稳定的电源和减小摩擦力的措施。
综上所述，通过本次实验，我们对磁铁的旋转现象有了更深入的理解，并通过实验证实了磁铁旋转的原理。
这对我们进一步研究和应用磁性材料具有一定的指导意义。
旋转磁场的产生过程嘿，朋友们！今天咱就来讲讲旋转磁场是咋产生的。
你看啊，这旋转磁场就像是一场奇妙的舞蹈。
想象一下，有几个小伙伴在那里手牵手围成一圈，然后开始转圈跑，这是不是就有点像旋转磁场啦？其实呢，要产生旋转磁场，就得有几个关键的“角色”。
首先就是电流啦，这电流就像那些活力满满的小伙伴，它们在特定的线路里欢快地流动着。
当这些电流在一些特定的装置里，比如在电动机里，就开始发挥它们的魔力啦。
这些电流会形成一个个磁场，就好像每个小伙伴都有自己的小气场一样。
然后呢，这些磁场可不是各玩各的，它们会相互作用，相互影响。
就好比小伙伴们在跳舞的时候会彼此配合，形成一个整体的舞蹈动作。
比如说，有三相电流，它们就像三个特别有默契的小伙伴。
它们按照一定的规律依次出现，一个来啦，另一个接着来，然后第三个也不甘示弱。
这样一来，它们产生的磁场也就跟着有规律地变化啦。
你说神奇不神奇？这磁场就这么转起来啦，就像一场精彩的表演！而且啊，这旋转磁场的用处可大了去了。
它能让电动机呼呼转起来，带动各种机器工作，让我们的生活变得更加便利。
你想想看，要是没有旋转磁场，那我们家里的电器怎么工作呀？那冰箱不能制冷啦，洗衣机不能洗衣服啦，那可不得了！所以说，这旋转磁场虽然看不见摸不着，但它可真是个大功臣呢！那它是怎么做到这么厉害的呢？就是靠着这些电流和磁场之间巧妙的配合呀。
它们就像一个默契十足的团队，共同创造出了这神奇的旋转磁场。
咱再回过头来想想，这旋转磁场的产生过程是不是特别有意思？就像一场魔法表演一样，电流和磁场在那里变着花样地玩，最后就变出了这么个厉害的东西。
所以啊，朋友们，可别小看了这些看起来普普通通的物理现象，它们背后可藏着大秘密呢！这旋转磁场就是一个很好的例子呀。
它在我们的生活中默默发挥着作用，让我们享受着各种便利。
总之呢，旋转磁场就是这么神奇，这么重要！它就像是一个隐藏在幕后的英雄，默默地为我们的生活贡献着力量。
咱可得好好感谢它呀！。
旋转磁场产生原理旋转磁场是指磁场的方向和大小随时间变化的情况。
在物理学中，我们常常遇到磁场的产生和变化，而了解旋转磁场的产生原理对于理解电磁现象和应用具有重要意义。
本文将围绕旋转磁场的产生原理展开讨论，希望能够为读者提供清晰的解释和深入的理解。
首先，我们需要了解磁场的产生原理。
磁场是由运动电荷产生的，也可以由电流产生。
当电流通过导线时，会产生磁场。
这一点是由安培定律给出的。
在直流电路中，电流是稳定的，因此产生的磁场也是稳定的。
但是当电流不稳定或者是随时间变化的时候，就会产生旋转磁场。
其次，我们来看一下旋转磁场产生的具体原理。
当电流通过线圈或者螺线管时，会产生磁场。
如果这个线圈或者螺线管是旋转的，那么产生的磁场就会随着它的旋转而发生变化。
这样就产生了旋转磁场。
在这个过程中，磁场的方向和大小都在不断变化，因此我们称之为旋转磁场。
另外，旋转磁场产生的原理也可以通过数学公式来描述。
根据法拉第电磁感应定律，磁场的变化会诱导出感应电动势。
因此，当磁场随时间变化时，就会产生感应电动势。
这一点可以通过麦克斯韦方程组来描述。
在数学上，我们可以通过对磁场的变化率进行求导来计算感应电动势的大小。
因此，旋转磁场产生的原理也可以通过数学模型来解释和分析。
最后，旋转磁场产生的原理在实际生活和工程中有着广泛的应用。
例如在发电机中，通过旋转磁场和导线的相互作用，就可以产生电动势，从而实现能量转换。
在电动机中，也可以利用旋转磁场的原理来产生力和转动。
此外，在无线电和通讯领域，旋转磁场的原理也被广泛应用于天线和电磁波的发射和接收。
总之，旋转磁场的产生原理是由运动电荷或者电流产生的磁场随时间变化而产生的。
通过对磁场的变化进行数学分析，我们可以更深入地理解旋转磁场的产生原理。
在实际应用中，旋转磁场的原理也发挥着重要的作用，为各种电磁设备和系统的设计和运行提供了理论基础和技术支持。
希望本文能够为读者提供清晰的解释和深入的理解，让大家对旋转磁场的产生原理有一个更加全面和深入的认识。
永磁体的原理永磁体是一种具有永久磁性的材料，它可以在没有外部磁场的情况下产生自己的磁场。
永磁体的原理是基于其内部微观结构和磁性原子之间的相互作用。
在本文中，我们将深入探讨永磁体的原理及其相关知识。
首先，永磁体的原理可以追溯到其微观结构。
永磁体通常由铁、镍、钴等金属元素组成，这些金属元素中的原子都具有自旋和轨道运动，从而产生了磁矩。
当这些原子排列成一定的结构时，它们的磁矩会相互作用，从而形成了宏观上的磁性。
其次，永磁体的原理还与磁畴结构密切相关。
在永磁体中，存在着许多微观磁畴，每个磁畴都具有自己的磁化方向。
在没有外部磁场的情况下，这些磁畴会呈现出一定的排列结构，从而形成了整体上的磁化。
当外部磁场作用在永磁体上时，这些磁畴会重新排列，从而改变了永磁体的磁化状态。
另外，永磁体的原理还涉及到磁性材料的磁化曲线。
磁化曲线描述了磁性材料在外部磁场作用下磁化强度随磁场强度的变化关系。
对于永磁体来说，其磁化曲线通常呈现出明显的矩形特征，这意味着永磁体在一定范围内能够保持较强的磁化，这也是其能够产生持久磁场的重要原因之一。
此外，永磁体的原理还与磁畴壁的移动和磁畴翻转有关。
在外部磁场作用下，磁畴壁会发生移动，导致磁畴的重新排列，从而改变了永磁体的磁化方向。
当外部磁场消失时，磁畴会重新排列成一定的结构，从而保持了永磁体的磁化状态。
总的来说，永磁体的原理是基于其微观结构和磁性原子之间的相互作用。
通过深入了解永磁体的原理，我们可以更好地理解其在实际应用中的特性和性能，为其在电机、传感器、磁存储等领域的应用提供理论基础和技术支持。
希望本文能够对您有所帮助，谢谢阅读。
阵列永磁体产生旋转磁场的机理及实验张炜（浙江大学宁波理工学院 315100）摘要：诊疗微机器人外磁主动驱动是一种可行的重要的驱动方式，而如何产生合适的外部磁场是一个比较复杂的问题。
相对于目前常用的通过电磁线圈组合产生驱动磁场方式，本文提出了一种新的简单可行的永磁体组合产生旋转磁场方法，即圆周阵列永磁体并将其调整到对应的初始方位角后，同步转动在阵列中心区域产生旋转磁场，作为微机器人的主动驱动场。
对于阵列中心区域的磁感应强度分布，本文作了理论分析和数值计算，并搭建了实验台。
实验表明，采用边长为50mm高为18mm的钕铁硼永磁体阵列，阵列数为6，阵列直径为275mm时，可以在±50×±50×±20mm3阵列中心区域可以产生一个大小120Gs均匀磁场，该磁场与永磁体同步旋转但是方向相反。
这种新的磁场产生方法可以用于微机器人特别是诊疗微机器人的驱动，具有广泛的应用前景。
关键字：永磁体、阵列、旋转磁场、驱动1前言目前，人体诊疗机器人的发展方向是功能化和主动运动[1, 2]。
从主动运动角度而言，微机器人的能量获取是关键问题之一，内置能量单元是一种解决方式，但是随着微机器人的体积越来越小，留给内置能量单元的空间也越来越有限了，从而利用体外能量场特别是电磁场对诊疗微机器人运动进行主动控制越来越受到重视。
对于体内诊疗微机电系统，外部磁场驱动是一种非常有前景的驱动方式。
对于体内微机器人而言，外部磁场驱动方式主要包括直接拖动、周期振荡驱动、旋转驱动等。
简晓云[3]提出使用亥姆霍兹线圈以及麦克斯韦对的组合线圈形成强度梯度的磁场直接拖动诊疗机器人。
张永顺等人[4, 5]提出了基于振动原理的外磁场控制微机器人行走的技术。
Sendoh等人[6-9]使用正交的三轴亥姆霍兹线圈通电在其线圈内部合成一个旋转磁场。
在随后的研究中，Sendoh等人使用磁沾射方法对更加微小的螺旋机构表面进行磁化，并在较大雷诺数范围的液体中进行了实验。
旋转磁场产生的条件旋转磁场是一种通过变化的磁场线圈来产生的磁场。
它是许多电动机和发电机的关键部分，也是许多电磁感应实验的基础。
旋转磁场的产生需要满足一定的条件。
旋转磁场的产生需要一个交流电源。
交流电源的特点是电流方向和大小随时间变化，这是旋转磁场产生的基础。
交流电源可以通过发电机、变压器或电力系统提供。
旋转磁场的产生需要一个多相线圈。
多相线圈是由多个线圈组成的，每个线圈都与交流电源相连。
多相线圈的线圈数应该大于等于两个，常见的有三相线圈和单相线圈。
然后，多相线圈中的线圈需要按一定的顺序依次通电。
这个顺序可以是正序、反序或其他特定的顺序。
通过按照一定的顺序依次通电，可以使得不同线圈中的电流发生相位差，从而产生旋转磁场。
线圈中的电流大小和频率也会影响旋转磁场的产生。
电流大小越大，旋转磁场的磁感应强度也越大；频率越高，旋转磁场的旋转速度也越快。
为了产生旋转磁场，多相线圈中的线圈需要布置在特定的方式下。
通常情况下，线圈是均匀分布在一个圆柱体或圆环上。
线圈的排列方式可以是平面排列、空间排列或其他特定的排列方式。
旋转磁场的产生需要满足以下条件：交流电源、多相线圈、线圈按一定的顺序通电、合适的电流大小和频率、以及特定的线圈布置方式。
只有满足这些条件，才能产生稳定的旋转磁场。
旋转磁场的产生对于电动机和发电机的正常运行至关重要。
在电动机中，旋转磁场可以与定子线圈的磁场相互作用，从而产生转矩，驱动电动机的转动；在发电机中，旋转磁场可以与转子线圈的导体相互作用，从而产生感应电动势，实现电能转换。
除了电动机和发电机，旋转磁场还可以应用于其他领域。
例如，旋转磁场可以用于实验室中的电磁感应实验，通过改变旋转磁场的参数，可以观察到感应电流的变化情况，验证电磁感应定律。
此外，旋转磁场还可以用于磁共振成像技术中，通过旋转磁场的作用，可以得到被探测物体的磁共振图像。
旋转磁场的产生需要满足一定的条件，包括交流电源、多相线圈、线圈按一定的顺序通电、合适的电流大小和频率、以及特定的线圈布置方式。
阵列永磁体产生旋转磁场的机理及实验张炜（浙江大学宁波理工学院 315100）摘要：诊疗微机器人外磁主动驱动是一种可行的重要的驱动方式，而如何产生合适的外部磁场是一个比较复杂的问题。
相对于目前常用的通过电磁线圈组合产生驱动磁场方式，本文提出了一种新的简单可行的永磁体组合产生旋转磁场方法，即圆周阵列永磁体并将其调整到对应的初始方位角后，同步转动在阵列中心区域产生旋转磁场，作为微机器人的主动驱动场。
对于阵列中心区域的磁感应强度分布，本文作了理论分析和数值计算，并搭建了实验台。
实验表明，采用边长为50mm高为18mm的钕铁硼永磁体阵列，阵列数为6，阵列直径为275mm时，可以在±50×±50×±20mm3阵列中心区域可以产生一个大小120Gs均匀磁场，该磁场与永磁体同步旋转但是方向相反。
这种新的磁场产生方法可以用于微机器人特别是诊疗微机器人的驱动，具有广泛的应用前景。
关键字：永磁体、阵列、旋转磁场、驱动1前言目前，人体诊疗机器人的发展方向是功能化和主动运动[1, 2]。
从主动运动角度而言，微机器人的能量获取是关键问题之一，内置能量单元是一种解决方式，但是随着微机器人的体积越来越小，留给内置能量单元的空间也越来越有限了，从而利用体外能量场特别是电磁场对诊疗微机器人运动进行主动控制越来越受到重视。
对于体内诊疗微机电系统，外部磁场驱动是一种非常有前景的驱动方式。
对于体内微机器人而言，外部磁场驱动方式主要包括直接拖动、周期振荡驱动、旋转驱动等。
简晓云[3]提出使用亥姆霍兹线圈以及麦克斯韦对的组合线圈形成强度梯度的磁场直接拖动诊疗机器人。
张永顺等人[4, 5]提出了基于振动原理的外磁场控制微机器人行走的技术。
Sendoh等人[6-9]使用正交的三轴亥姆霍兹线圈通电在其线圈内部合成一个旋转磁场。
在随后的研究中，Sendoh等人使用磁沾射方法对更加微小的螺旋机构表面进行磁化，并在较大雷诺数范围的液体中进行了实验。
为了驱动的平稳性以及可控性，要求外部磁场必须是均匀的，而且易于调节方向等。
目前，通常利用组合线圈在其内部区域得到所需要的磁场，这时直流线圈发热将消耗一大部分能量。
作者[10-13]提出了外部旋转磁场驱动胶囊微机器人的方法，本文讨论旋转磁场的产生，将采用永磁体组合产生磁场，提出一种新的旋转磁场产生方法，即通过永磁体圆周阵列并且同步转动在阵列中心区域产生旋转磁场。
2永磁体圆周阵列方法下面给出阵列方法，首先约定永磁体与阵列平面之间的方位，然后给出永磁体具体的配置方法。
2.1永磁体与阵列面方位约定图1规定阵列永磁体磁化方向、阵列平面以及永磁体自转中心三者关系，取阵列平面垂直于纸面，永磁体磁化方向的中心线处于阵列平面上，而永磁体的自转中心线垂直于阵列平面，并且上述两条中心线通过体积中心点。
图1 阵列永磁体磁化方向、阵列平面以及永磁体自转中心三者关系示意图Fig.1 Relationships of the array plane, magnetized direction, and self-rotating axis of each permanent magnet2.2圆周阵列永磁体的布置下面说明圆周阵列（圆周半径为r0）的n个永磁体的布置方法及步骤，如图2.a所示：1.建立固定的全局坐标系oxyz，以及随永磁体转动的局部坐标系o i x i y i z i，(i=1,2,⋯,n)，两类坐标系x轴均指向纸外。
全局坐标系oxyz 原点为阵列中心点，局部坐标系o i x i y i z i 原点O i 为永磁体体积中心点，正向轴z i 为永磁体内部磁感应强度方向；2. 放置永磁体到合适位置，永磁体的每个体积中心点即局部坐标系o i x i y i z i 原点O i 的坐标分别为：000cos sin 2(1)/i i i i ii x y r z r i n θθθπ⎧=⎪=⎪⎨=⎪⎪=-⎩(1)其中i θ为永磁体中心点与全局坐标原点连线与其x 轴正向夹角；3. 初始状态下，逆时针旋转第i 个永磁体绕轴x i 转动到对应初始角度φi (相对于全局坐标系)。
2i i φθ=(2) 4. 通过外部机构使得永磁体分别绕各自的自转轴线x i 以相同角速度ω同步转动时，在任意时刻t ，第i 个永磁体相对于全局坐标的转角为： ()2i i t t φθω=+(3) 在O 点形成旋转磁场大小恒定，角度为2m t πφω=--(4) 即形成的旋转磁场从/2π-相位角开始与永磁体旋转方向反向转动，且转速大小与永磁体相同。
图2.a 显示第i 个永磁体在空间的位置和角度，图中黑体箭头表示永磁体，其箭头方向为中轴线上磁力线方向。
而图2.b 给出了6个永磁体圆周阵列示意图，阵列圆中心点处箭头方向为旋转磁场初始方向。
(b)图2 永磁体圆周阵列示意图Fig.2 A circumferential arrayed sketch of permanent magnets3 阵列区域内任意点磁感应强度由安培分子环流假设可知，永磁体均匀磁化后，体内分子电流的效应相互抵消，在宏观上，永磁体表现为只有表面电流存在而无体内电流存在。
根据比奥-萨戈尔定理，面电流在空间产生的磁感应强度为[14]：02(')()4'RS dS μπ⨯=-⎰K r e B r r r (5)式中，μ0为真空磁导率，K (r ')为面电流密度矢量(由永磁体磁化强度决定)，r 为场点坐标，即为考察点坐标，r '为原点坐标，即为面电流微元坐标，(')/'R =--e r r r r 为单位向量，S 为电流面区域，即永磁体表面形状。
从而可以计算出单个永磁体在空间任意点的磁感应强度。
在得到单个永磁体在空间任意点的磁感应强度B 之后，接下来将研究阵列永磁体在全局坐标上任意点迭加的磁感应强度。
图2.a 显示永磁阵列中第i 个磁体以恒定角速度ω转动到任意角度的情况。
第i 个局部坐标系o i x i y i z i 可以认为是全局坐标系oxyz 经过一次平移变换和一次旋转变换而成。
在此过程中，平面oyz 和平面o i y i z i 始终是重合的。
设在全局坐标系oxyz 中任意点坐标为Q (x 0,y 0,z 0)，则在局部坐标系o i x i y i z i 中的Q i (x i 0,y i 0,z i 0)坐标为：1200000011i i i i ix y z x y z =⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦M M (6)其中，1i M 为平移矩阵，2i M 为旋转矩阵。
式中，i θ由式(1)，i φ由式(3)确定。
1001000010000100cos sin 1ii i r r θθ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥--⎣⎦M 210000cos sin 00sin cos 00001i ii i i φφφφ⎡⎤⎢⎥-⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦M 将坐标值Q i (x i 0,y i 0,z i 0)代入公式(5)，即可得到圆周阵列中第i 个永磁体在局部坐标系o i x i y i z i 下点Q 的磁感应强度B i (Q i )，然后再将B i (Q i )逆变换成全局坐标系oxyz 下的磁感应强度B i (Q )。
3()()i i i i Q Q =B B M (7)其中，3i M 旋转矩阵。
31000cos sin 0sin cos i ii ii φφφφ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥-⎣⎦M 将n 个永磁体产生的磁感应强度迭加就得到了圆周阵列永磁体在全局坐标系下任意点上总的磁感应强度。
1()ni i Q ==∑B B(8)综上，通过式(5)至(8)可以计算出任意时刻，永磁体阵列在空间任意点迭加的磁感应强度的大小。
4 数值计算和分析4.1 永磁体参数及布置在前面的分析计算中，采用柱面电流简化永磁体，但是K 无法由实验直接测出，本文反求确定K 。
以圆柱永磁体为例，在圆柱体的中轴线上的磁感应强度分量中仅有B z 不为0，而B x 以及B y 均等于0。
那么，采用磁场测量仪器，如特斯拉计或者高斯计测量出中轴线上几个点的磁感应强度B z ，代入公式(5)中计算并由最小二乘法确定出K 。
对于本文数值分析采用的圆柱永磁体，其表面电流密度反求得K=7.5×105A/m 2，其直径为50mm ，高度为18mm 。
而阵列永磁体的初始方位按照节2.2进行布置，表1给出了阵列2-8永磁体初始角度，在节5实验中，同样采取表1给出的参数布置。
为了和后面实验对照，数值分析讨论的阵列直径从0.2m 到0.3m ，分析表明[12]，在任何阵列情况下，不论是x B 还是y B ，其值与z B 比较而言，是极小的(小于1%)，所以在此将不考虑x B 和y B 的分布情况，而仅仅考察z B 。
表1 阵列永磁体的初始角度Tab.1 Initial angles of arrayed permanent magnets阵列数 永磁体编号/初始角度（︒）1 2 3 4 5 6 7 8 2 0 360 240 4803 04 0 180 360 540 6 0 120 240 360 480 600 890180270360450540 6304.2 阵列中心区磁场的同步转动图3 阵列永磁体转动过程中磁力线分布及变化情况Fig.3 Distribution of magnetic force lines during the rotating of arrayed permanent magnets采用专业电磁分析软件Ansoft 模拟阵列中心区域磁感应强度。
图3给出了6个永磁体阵列时，从初始状态（0︒）到逆时针转动135︒共4个状态下的磁力线分布情况。
阵列直径为140mm ，阵列永磁体尺寸为1020H ∅⨯，永磁体的磁性参数为：u M =1.0997，r B =1.23T ，c H =-8.9×105A/m 。
由图中可见，在阵列中部较大区域内，磁力线的分布都是很均匀的，几乎成平行状态，说明阵列圆内的的磁感应强度是比较均匀的。
随着永磁体逆时针转动，磁力线却是顺时针转动的，而且转动幅度是一致的。
我们还变换了几种不同的配置，发现在阵列中心区B90°B45°B135oB0°域内具有相同的变化趋势[12]。
4.3 初始状态磁感应强度从上面的分析可知，在永磁体阵列转动过程中，阵列中心区域的磁感应强度大小保持不变，而方向跟随永磁体反向旋转，所以只需要研究初始状态下磁场强度的分布情况即可。
下面采用节4.1给出的参数将分别研究阵列中心点和三个正交坐标轴上的磁感应强度分布情况。
在初始状态下，z B 的方向和阵列圆z 轴方向相反，所以z B 为负值(如图3)。
