軸向均勻磁場線圈的設計

宋景　黃昊旻　徐志佳

摘 要：為了研究材料在磁場環境下的性能變化，需要研究設計一款軸向均勻磁場。文章首先進行了理論分析，然后根據尺寸需求，對線圈參數進行了定義并仿真，通過數據結果確定了磁場線圈的設計。

關鍵詞：螺線管線圈；亥姆霍茲線圈；軸向磁場

中圖分類號：TN123 文獻標志碼：A 文章編號：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

磁場作為一種新型的冷物理場在材料研究領域得到了廣泛的重視，研究物質在強冷物理場中的各種性質變化現已成為一項嶄新的研究課題。利用磁場對非鐵磁性物體作用，使被使用物的性質產生某些期望的變化，從而改善生產效果和使用效益。磁處理是一種通過磁場來改善金屬材料力學性能的新方法，可達到提高零件服役壽命的目的。

本文將從理論分析，研究設計一款便于研究材料在磁場環境下的性能變化的軸向均勻磁場。

2 理論分析

2.3 多層螺線管軸向磁場

多層螺線管其軸向磁場可看作多個單層螺線管在軸上的磁場強度的疊加。如圖3，若螺線管的外徑為R，內徑為r，項圈的厚度為R-r，每層單位長度上的匝數為n1，螺線管層數為n2，疊加后得螺線管軸線上任一點的軸向磁場強度為：

2.4 亥姆霍茲線圈

亥姆霍茲線圈是由一對匝數和半徑相同、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為坐標原點o，在距原點z處任取一點P，則亥姆霍茲線圈在軸線上點P處產生的磁感應強度的大小為：

3 仿真情況

實驗需求一款軸向長度不超過100mm的磁場線圈，并且要求軸向磁場分布較均勻。因此，根據前面的理論分析，運用計算機仿真符合尺寸要求的線圈。

3.1 多層螺線管

當螺線管長度與半徑之比l/R較大時，螺線管軸向磁場趨于均勻，單層螺線管產生的磁場強度較小，因此本次設計采用多層螺線管。設螺線管每層單位長度上的匝數為140，螺線管層數為170，內徑為20mm，外徑為250mm，螺線管長100mm，電流為1A，仿真結果如圖5。

3.2 亥姆霍茲線圈

當兩線圈間的距離等于線圈半徑時，兩線圈中間視為均強磁場。設每層單位長度上的匝數為140，線圈半徑為200mm，兩線圈間距為100mm，電流為1A，仿真結果如圖6。

4 結論

由于線圈長度僅為100mm，為了達到一定磁場強度，螺線管的層數不能太小，這樣就造成螺線管線圈長度與半徑之比l/R過小，在有效范圍內，磁場波動較大。根據仿真結果，亥姆霍茲線圈在有效范圍內軸向產生的磁場均勻性較好，因此綜合考慮，實驗選用亥姆霍茲線圈為磁場發生裝置的軸向均勻磁場線圈。

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