生物学实验用旋转磁场发生器的设计与分析

刘梓超，姜守振

(山东师范大学物理与电子科学学院，山东济南 250358)

当前生物磁学技术已在生物工程领域广泛应用，具有对生物体的生理损伤小、使用便捷和高效等优点。尤其是与农业领域相关的生物磁学技术，不但给农作物增产提供了新方法，也丰富了生物磁学研究的内容，已成为生物磁学中一个重要的研究领域。

生物磁学技术在农业中的应用始于20世纪60年代，由最初的磁化水浸种技术，逐步发展到利用磁场直接处理农作物种子的技术，其中农作物种子涉及粮食种子、果品和蔬菜种子、食用菌菌种等。目前，农业领域多采用恒定磁场技术处理农作物种子，不仅对种子萌发和酶活性有良好的促进作用，而且对幼苗根系的生长也有刺激作用[1]。

随着生物磁学技术的发展，人们开始研究变化磁场(如脉冲磁场、梯度磁场等)对农作物生长的影响，并从不同角度证实了变化磁场对作物根系、幼苗、叶片等的生长有促进作用。常见的变化磁场的产生方法较多，主要有零磁空间法、磁处理水法、静磁场法、梯度磁场法、脉冲磁场法与旋转磁场法[2]。其中的旋转磁场法已广泛应用于医学与理疗领域：雷洪恩等[3]发现旋转磁场可使BPH-l细胞发生增殖迁移；郭大龙等[4]使用低频旋转磁场法探索治疗高原红细胞增多症，发现低频旋转磁场对治疗红细胞增生有一定的效果。但是旋转磁场法在生物学实验领域的应用还很少。

实际上，旋转磁场是由电能和转动机械能转换产生的，是磁感应矢量在空间以固定频率旋转而产生的一种变化磁场。本文根据不同生物学实验要求，设计了几种旋转磁场发生器，并分析其基本原理和优缺点，阐明其用途和所适应的实验环境，有利于推动旋转磁场发生器在生物学实验领域中的应用。

1 利用交流电相位特性产生旋转磁场

1.1 三相交流电

交流电是一种周期性交变电流，可以用i=Imsin(ωt+φ)来表示，其中，i为交变电流的大小，Im为交变电流最大值，t为时间，ω为频率，φ为相位。绕组中通入的交流电相位不同，使得电流方向不断变化，根据电生磁原理可创设连续不断的旋转磁场。图1展示了施加在三相交流异步电机定子AX、BY和CZ绕组上的三相交流电的电流波形，其中ia=Imsin(ωt+0)，ib=Imsin(ωt-120)，ic=Imsin(ωt+120)。

图1 三相交流电流波形Fig. 1 Waveform of three-phase alternating current

1.2 基本原理

利用交流电相位特性产生旋转磁场，最广泛的应用就是三相交流异步电机内部的旋转磁场发生器。三相交流电流由ia、ib、ic三相组成，相位间隔均为120°，分别输入到三相交流异步电机定子AX、BY和CZ绕组中，其中A、B、C是绕组的首端，X、Y、Z是绕组的尾端。电流大于零表示电流由首端流入，电流小于零表示电流由尾端流入。通入相位不同的三相交流电之后：当ωt=0°时，ia=0，ib<0，ic>0，通入线圈b、c的电流产生磁场，方向向下(图2A)；当ωt=60°时，ia>0，ib<0，ic=0，通入线圈a、c的电流产生斜向下方向的磁场(图2B)；当ωt=90°时，ia>0，ib<0，ic<0，通入线圈a、b的电流产生水平向左方向的磁场(图2C)。以此类推，电流完成一次循环，磁场即旋转一周，周而复始，从而不断生成旋转磁场。

A. ωt=0°; B. ωt=60°; C. ωt=90°。图2 不同时刻电流方向及磁场方向Fig. 2 Current flow direction and magnetic field direction at different time

1.3 优缺点分析

交流电旋转磁场发生器具有结构简单、运行可靠、体积较小、价格低廉等显著优势，在电机领域应用已久，人们对其运行过程中可能出现的各种设备问题已有成熟的应对策略，现已应用于生物学实验以调节生物体的生长环境[5]。

交流电旋转磁场发生器的缺点主要有：①相比于其他类型的旋转磁场发生器，交流电旋转磁场发生器的磁场变化方式较为单一，不够灵活；②适合于工业企业生产场合，对于特殊工作场合存在不适宜现象；③如果需要小功率磁场，则需要配置一定的降压设备等，导致设备管理复杂化，达不到实验室用品简单化的要求。不同生物学实验所需的特性参数、技术要求不同，对旋转磁场发生器的具体要求也较复杂，实际应用中应综合考虑旋转磁场发生器的优缺点[6]。

2 利用永磁体产生旋转磁场

2.1 永磁体

永磁体已广泛应用于人们的生产生活，如钕铁硼磁体、钐钴磁体、铝镍钴磁体等。钕铁硼磁体具有极高的磁能，矫顽力大，质地坚硬，性能稳定，易加工，可满足小型化需求；钐钴磁体有较好的温度特性，能在较高温环境中使用；铝镍钴磁体耐高温，但韧性较低，不易加工[7]。

2.2 两种旋转磁场发生器的设计

永磁体与机械的联动部件相结合可产生旋转磁场。结合不同生物学实验的环境要求，笔者探究性地设计了“开放式”与“封闭式”2种旋转磁场发生器[8]。

2.2.1 “开放式”旋转磁场发生器

“开放式”旋转磁场发生器主要包括纵向驱动转轴和强磁棒。图3中：纵向驱动转轴(6)一端连接电机(5)，一端连接定位板(2)；在定位板上插入可旋转的强磁棒(1)，电机通过带动纵向驱动转轴转动而带动定位板转动，使强磁棒绕定位板中心轴公转；而强磁棒一端固定有与电机主定齿轮(4)相啮合的从动齿轮(3)，从动齿轮通过与主定齿轮的啮合，绕自身中心轴自转，从而带动强磁棒自转。这一设计使旋转磁场既能自转，又能公转。“开放式”旋转磁场发生器的实物见图4。

1.强磁棒；2. 定位板；3. 从动齿轮；4. 主定齿轮；5. 电机；6. 纵向驱动转轴及开关。A. 正视图；B. 俯视图。图3 “开放式”旋转磁场发生器结构Fig. 3 Structure figure of “open” rotating magnetic field generator

图4 旋转磁场发生器实物图Fig. 4 Physical drawing of rotating magnetic field generator

2.2.2 “封闭式”旋转磁场发生器

“封闭式”旋转磁场发生器的主要部件包括强磁棒、电机、磁场屏蔽层及机械联动结构。图5中，磁场屏蔽层(6)是由屏蔽磁场较好的5 mm厚硅钢片制成的空心圆柱薄壳，强磁棒(4)位于其中。磁场屏蔽层有4个圆形开口，呈对称分布，用来透射磁场。强磁棒与磁场屏蔽层通过行星减速齿轮结构与电机连接，其中行星减速齿轮的齿圈(1)固定在电机壳体内壁上，不随电机中心轴(2)的转动而转动，分布在周边的4个强磁棒与电机中心轴则通过定位板连接，4个强磁棒与行星小齿轮(3)固定。强磁棒旋转产生旋转磁场时，与磁场屏蔽层产生一定的转速差，可实现对外透射磁场的多样性。与“开放式”旋转磁场发生器相比，“封闭式”旋转磁场发生器对外透射磁场较为集中，因其磁体被磁场屏蔽层包裹，故称之为“封闭式”。

2.3 优缺点分析

利用永磁体产生旋转磁场有较多优势：①常温下，永磁体磁性不易衰减，且永磁体原材料充足，价格低廉，磁性高，体积小，易与其他部件结合；②通过联动结构的改变，可产生多样化旋转磁场。而其缺点也主要来自永磁体。高温等外界条件容易引起永磁体磁性变化，在极端环境中，磁性会快速衰减，甚至消失。另外，单个永磁体产生的磁场强度大小是确定的，因此所获得的旋转磁场强度不易灵活调整，这是利用永磁体获得旋转磁场的最大弊端。

1.齿圈；2.电机中心轴；3.行星小齿轮；4.强磁棒；5.太阳齿轮；6.磁场屏蔽层。A. 行星减速齿轮；B. 磁场屏蔽层主视图；C. 定位板。图5 “封闭式”旋转磁场发生器结构Fig. 5 Structure figure of “close” rotating magnetic field generator

3 利用直流电产生旋转磁场

3.1 直流电产生旋转磁场的原理

与交流电产生的旋转磁场相比，变交流电为直流电产生的旋转磁场更加安全可靠，且能实现旋转磁场发生器的小型化。依次在对称设计的2组固定线圈(每组4个线圈)中通入电流，2组线圈内部和线圈之间产生磁场。对称线圈中电流的控制，是利用数字逻辑电路中的脉冲时序控制电路(图6)来实现的。通过脉冲时序控制电路控制8个线圈中的电流方向：设t时刻，绕组电流及其产生的磁场如图7A所示；下一时刻t′时，脉冲时序控制电路设定绕组电流方向及其产生的磁场如图7B所示。依此类推，实现磁场的旋转。调整脉冲时序控制电路，可以改变旋转磁场的转速。

图6 脉冲时序控制电路Fig. 6 Pulse time sequence control circuit diagram

3.2 磁场发射器的设计

利用直流电生磁原理制造的旋转磁场发生器目前并不多见，不过该原理制造的小型旋转磁场发生器可灵活地满足不同生物学实验环境的需要。如图8所示，使用一个环形的承载盘固定8个线圈，脉冲时序控制电路包装在保护壳内并固定在承载盘背面，以避免极端环境对电路造成破坏，承载盘固定在一个小型电机上。电路主要由两块74LS161芯片构成(图6)，其中CP是逻辑电路工作时钟，Q0—Q7是8个脉冲输出端，控制8个线圈电流的通断。利用脉冲时序控制电路驱动磁场旋转的同时，电机带动承载盘旋转，可实现旋转磁场模式的多变性。该旋转磁场发生器产生的磁场强度可控，模式多变，有望成为一种较为理想的生物学实验用小型磁场发生器。

A. t时刻；B. t′时刻。图7 绕组输入电流及其产生的磁场Fig. 7 Winding input current and synthetic magnetic field

1.线圈；2.环形承载盘。图8 环形承载盘及线圈Fig. 8 Coil and ring bearing plate

3.3 优缺点分析

直流电旋转磁场发生器目前在专业领域内已有应用，具有很多明显的优点：①克服了永磁体的高温消磁、磁场强度不易控制等缺点；②通过预置程序控制旋转磁场，体积小巧，可满足一些特殊生物实验环境的要求；③与交流电生磁方式相比，安全可靠性进一步提升。但与永磁体旋转磁场发生器相比，直流电旋转磁场发生器也有较为突出的缺点：①由于需要设计程序控制电路，成本可能偏高；②内部电路复杂，容易出现故障。

4 结语

介绍了3类基于不同原理的旋转磁场发生器的设计思路，并阐述了各自适用场景及其优缺点。利用交流电相位特性产生旋转磁场技术成熟，实际应对方案多，但该方法较为复杂，有一定安全隐患。利用永磁体产生旋转磁场，常温下永磁体磁性稳定、价格低廉、磁性高、体积小，易与其他部件结合，能产生多种旋转磁场方向，但永磁体在高温等极端环境下易消磁，磁场强度大小不易调控。利用直流电产生旋转磁场，具有体积小巧、磁场强度可控等优点，也有磁场强度较低、电路复杂易出故障等缺陷。上述几种依据不同原理设计的旋转磁场发生器，主要适用于对磁场强度要求较小的生物学实验领域，应根据不同类型生物学实验特点，合理选择旋转磁场发生器，为生物生长提供合适的磁场环境。