多磁極的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置設(shè)計研究

馮永濤 邢紀(jì)奎 肖 健 黃圓明 徐 澤 劉一琦＊

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

1 旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的設(shè)計

1.1 旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的設(shè)計背景。目前針對疾病的藥物越來越多，但一些藥物在服用后只有少量可以到達(dá)靶區(qū)，要提高靶區(qū)的藥物濃度需要加大服藥劑量，這樣會產(chǎn)生不利的影響。因此針對這樣的具體問題：研究藥物通過特殊磁性載體在磁場的作用下，特異性地作用于靶區(qū)的周圍，使人們減少藥物的服用，具有重要的研究意義。

1.2 旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的設(shè)計目標(biāo)。在以往的針對靶向磁場發(fā)生上的磁場發(fā)生裝置的設(shè)計很少，我們利用多磁極的電磁線圈或者多維的亥姆霍茲線圈，每組線圈在開關(guān)控制裝置的作用下改變通入電流的相序產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)的磁場，并且可以通過調(diào)整線圈電流頻率來變換磁場旋轉(zhuǎn)的速度。這樣便能應(yīng)用于靶向藥物控釋系統(tǒng)中，不僅可以研究磁感應(yīng)強(qiáng)度大小對藥物控釋的影響，還可以探究磁場旋轉(zhuǎn)速度對實(shí)驗(yàn)的影響。

1.3 旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的總體設(shè)計分析。在項(xiàng)目中我們設(shè)計了旋轉(zhuǎn)磁場的具體實(shí)現(xiàn)方式，如圖1 流程圖所示。首先我們在MATALB 仿真軟件上，研究磁場的相序電流控制與旋轉(zhuǎn)磁場的形成狀態(tài)的關(guān)系，接著我們設(shè)計電源電路實(shí)現(xiàn)勵磁電流的供給，控制電路采取C51 單片機(jī)控制的方式，輸出一定的電流波形，并且可以對電流的大小、頻率進(jìn)行調(diào)整，從而控制旋轉(zhuǎn)磁場的速度；驅(qū)動電路采用推挽電路或由自舉供電及驅(qū)動芯片構(gòu)成的驅(qū)動電路以滿足實(shí)驗(yàn)的功率需要；主電路采用全橋逆變電路，其中開關(guān)器件的功能是完成在某個周期內(nèi)的開通和關(guān)斷，從而對電流相序進(jìn)行控制，使磁場旋轉(zhuǎn)起來，從而產(chǎn)生我們需要的旋轉(zhuǎn)磁場。

圖1 旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置設(shè)計流程圖

2 生物藥物控釋系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 旋轉(zhuǎn)磁場的生成原理與仿真結(jié)果。對稱磁極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場：如表1 所示，每組線圈在控制電路和開關(guān)控制裝置的作用下改變通入電流的相序，本設(shè)計選擇使用3 組對稱電磁線圈來產(chǎn)生對稱旋轉(zhuǎn)磁場。

表1 三對電磁線圈導(dǎo)通時序表

2.2 主電路的設(shè)計。旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的關(guān)鍵部分是主電路。因?yàn)槿齻€電磁線圈在導(dǎo)通時的設(shè)計要求相同，所以在設(shè)計時只設(shè)計其中一個線圈的主電路即可。本設(shè)計采用極性交替出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)磁場來滿足藥物的折返振蕩要求。主電路的仿真圖如圖2 所示。本文設(shè)計的裝置中，由單片機(jī)控制靶向磁場的旋轉(zhuǎn)，主電路是由四個MOSFET 構(gòu)成的全橋逆變電路，可以帶動一對電磁線圈按照預(yù)先規(guī)定的方式旋轉(zhuǎn)，生成的波形如圖3 所示。極性交替出現(xiàn)的磁場就由此而產(chǎn)生。據(jù)此，藥物就可以在試管壁上來回折返振蕩，減少藥物在試管壁上的殘留，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)輸?shù)男Ч?/p>

圖2 主電路仿真圖

2.3 控制電路的設(shè)計。控制電路在整個靶向磁場發(fā)生器的設(shè)計中是至關(guān)重要的，因?yàn)榭刂齐娐吩O(shè)計出的時序是旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的根本原因。本設(shè)計的控制電路是由單片機(jī)來產(chǎn)生的。由于單片機(jī)的價格比較便宜，而且能夠完全滿足控制要求。我們采用按鍵開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)波形頻率的控制，通過頻率控制來對旋轉(zhuǎn)磁場的速度進(jìn)行改變，因?yàn)橐喠鲗?dǎo)通旋轉(zhuǎn)磁場的三對磁極，所以選擇P1.0、P1.1、P1.2 三個引腳輪流導(dǎo)通，如圖4 為控制電路的仿真圖。

圖3 電路輸出波形圖

圖4 控制電路的仿真圖

2.4 驅(qū)動電路的設(shè)計。我們設(shè)計了基于IR2101 的驅(qū)動電路，將單片機(jī)輸出的5V 的信號進(jìn)行放大至9V 左右，以滿足開關(guān)管導(dǎo)通的要求。圖5 是IR2101 驅(qū)動芯片的外圍電路，HO 和LO 兩個輸出分別接入全橋逆變電路的上下橋臂，使其導(dǎo)通。

2.5 旋轉(zhuǎn)磁場的仿真。我們設(shè)計了所需要的電磁線圈，鐵芯材料采用硅鋼片，每個線圈匝數(shù)約為17 匝，輸入電流約為10A，如圖6、7 所示的磁場仿真為在一對磁極通入電流后產(chǎn)生的磁場情況和磁場的軸線分布情況。

圖5 驅(qū)動電路的仿真圖

圖6 磁場分布仿真圖

圖7 軸線磁場分布圖

3 結(jié)論

本文綜合目前已有的靶向引導(dǎo)磁場的電磁場發(fā)生裝置，設(shè)計了一種多磁極的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置。該裝置的驅(qū)動電路部分由單片機(jī)、D 觸發(fā)器以及對應(yīng)的門電路而成，程序簡單、易于實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)磁場的旋轉(zhuǎn)，并對所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場進(jìn)行有效的頻率控制；主電路中選取電力場效應(yīng)晶體管MOSFET 作為開關(guān)管，能夠有效減少關(guān)斷時間，可以使電磁線圈電流迅速下降；驅(qū)動電路采用了IR2101 芯片自舉供電的設(shè)計方法，能夠節(jié)約電源成本，經(jīng)實(shí)驗(yàn)印證可知，驅(qū)動電路的輸出信號能夠驅(qū)動開關(guān)管MOSFET。

該電磁場發(fā)生裝置可以產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)的磁場，并通過調(diào)節(jié)線圈電流的頻率和大小來改變磁場旋轉(zhuǎn)的速度和產(chǎn)生磁場的強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)簡單、較容易實(shí)現(xiàn)，可以應(yīng)用于生物藥物控釋系統(tǒng)，利用旋轉(zhuǎn)磁場控制藥物作用于靶區(qū)的周圍，減少藥物對患者的機(jī)體損傷。