生物學(xué)實驗用旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器的設(shè)計與分析

劉梓超，姜守振

(山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東濟(jì)南 250358)

當(dāng)前生物磁學(xué)技術(shù)已在生物工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，具有對生物體的生理損傷小、使用便捷和高效等優(yōu)點。尤其是與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的生物磁學(xué)技術(shù)，不但給農(nóng)作物增產(chǎn)提供了新方法，也豐富了生物磁學(xué)研究的內(nèi)容，已成為生物磁學(xué)中一個重要的研究領(lǐng)域。

生物磁學(xué)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，由最初的磁化水浸種技術(shù)，逐步發(fā)展到利用磁場直接處理農(nóng)作物種子的技術(shù)，其中農(nóng)作物種子涉及糧食種子、果品和蔬菜種子、食用菌菌種等。目前，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域多采用恒定磁場技術(shù)處理農(nóng)作物種子，不僅對種子萌發(fā)和酶活性有良好的促進(jìn)作用，而且對幼苗根系的生長也有刺激作用[1]。

隨著生物磁學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們開始研究變化磁場(如脈沖磁場、梯度磁場等)對農(nóng)作物生長的影響，并從不同角度證實了變化磁場對作物根系、幼苗、葉片等的生長有促進(jìn)作用。常見的變化磁場的產(chǎn)生方法較多，主要有零磁空間法、磁處理水法、靜磁場法、梯度磁場法、脈沖磁場法與旋轉(zhuǎn)磁場法[2]。其中的旋轉(zhuǎn)磁場法已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)與理療領(lǐng)域：雷洪恩等[3]發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁場可使BPH-l細(xì)胞發(fā)生增殖遷移；郭大龍等[4]使用低頻旋轉(zhuǎn)磁場法探索治療高原紅細(xì)胞增多癥，發(fā)現(xiàn)低頻旋轉(zhuǎn)磁場對治療紅細(xì)胞增生有一定的效果。但是旋轉(zhuǎn)磁場法在生物學(xué)實驗領(lǐng)域的應(yīng)用還很少。

實際上，旋轉(zhuǎn)磁場是由電能和轉(zhuǎn)動機(jī)械能轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的，是磁感應(yīng)矢量在空間以固定頻率旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的一種變化磁場。本文根據(jù)不同生物學(xué)實驗要求，設(shè)計了幾種旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器，并分析其基本原理和優(yōu)缺點，闡明其用途和所適應(yīng)的實驗環(huán)境，有利于推動旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器在生物學(xué)實驗領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 利用交流電相位特性產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場

1.1 三相交流電

交流電是一種周期性交變電流，可以用i=Imsin(ωt+φ)來表示，其中，i為交變電流的大小，Im為交變電流最大值，t為時間，ω為頻率，φ為相位。繞組中通入的交流電相位不同，使得電流方向不斷變化，根據(jù)電生磁原理可創(chuàng)設(shè)連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)磁場。圖1展示了施加在三相交流異步電機(jī)定子AX、BY和CZ繞組上的三相交流電的電流波形，其中ia=Imsin(ωt+0)，ib=Imsin(ωt-120)，ic=Imsin(ωt+120)。

圖1 三相交流電流波形Fig. 1 Waveform of three-phase alternating current

1.2 基本原理

利用交流電相位特性產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，最廣泛的應(yīng)用就是三相交流異步電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器。三相交流電流由ia、ib、ic三相組成，相位間隔均為120°，分別輸入到三相交流異步電機(jī)定子AX、BY和CZ繞組中，其中A、B、C是繞組的首端，X、Y、Z是繞組的尾端。電流大于零表示電流由首端流入，電流小于零表示電流由尾端流入。通入相位不同的三相交流電之后：當(dāng)ωt=0°時，ia=0，ib<0，ic>0，通入線圈b、c的電流產(chǎn)生磁場，方向向下(圖2A)；當(dāng)ωt=60°時，ia>0，ib<0，ic=0，通入線圈a、c的電流產(chǎn)生斜向下方向的磁場(圖2B)；當(dāng)ωt=90°時，ia>0，ib<0，ic<0，通入線圈a、b的電流產(chǎn)生水平向左方向的磁場(圖2C)。以此類推，電流完成一次循環(huán)，磁場即旋轉(zhuǎn)一周，周而復(fù)始，從而不斷生成旋轉(zhuǎn)磁場。

A. ωt=0°; B. ωt=60°; C. ωt=90°。圖2 不同時刻電流方向及磁場方向Fig. 2 Current flow direction and magnetic field direction at different time

1.3 優(yōu)缺點分析

交流電旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、體積較小、價格低廉等顯著優(yōu)勢，在電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用已久，人們對其運行過程中可能出現(xiàn)的各種設(shè)備問題已有成熟的應(yīng)對策略，現(xiàn)已應(yīng)用于生物學(xué)實驗以調(diào)節(jié)生物體的生長環(huán)境[5]。

交流電旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器的缺點主要有：①相比于其他類型的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器，交流電旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器的磁場變化方式較為單一，不夠靈活；②適合于工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)場合，對于特殊工作場合存在不適宜現(xiàn)象；③如果需要小功率磁場，則需要配置一定的降壓設(shè)備等，導(dǎo)致設(shè)備管理復(fù)雜化，達(dá)不到實驗室用品簡單化的要求。不同生物學(xué)實驗所需的特性參數(shù)、技術(shù)要求不同，對旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器的具體要求也較復(fù)雜，實際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器的優(yōu)缺點[6]。

2 利用永磁體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場

2.1 永磁體

永磁體已廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活，如釹鐵硼磁體、釤鈷磁體、鋁鎳鈷磁體等。釹鐵硼磁體具有極高的磁能，矯頑力大，質(zhì)地堅硬，性能穩(wěn)定，易加工，可滿足小型化需求；釤鈷磁體有較好的溫度特性，能在較高溫環(huán)境中使用；鋁鎳鈷磁體耐高溫，但韌性較低，不易加工[7]。

2.2 兩種旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器的設(shè)計

永磁體與機(jī)械的聯(lián)動部件相結(jié)合可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。結(jié)合不同生物學(xué)實驗的環(huán)境要求，筆者探究性地設(shè)計了“開放式”與“封閉式”2種旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器[8]。

2.2.1 “開放式”旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器

“開放式”旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器主要包括縱向驅(qū)動轉(zhuǎn)軸和強(qiáng)磁棒。圖3中：縱向驅(qū)動轉(zhuǎn)軸(6)一端連接電機(jī)(5)，一端連接定位板(2)；在定位板上插入可旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)磁棒(1)，電機(jī)通過帶動縱向驅(qū)動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動而帶動定位板轉(zhuǎn)動，使強(qiáng)磁棒繞定位板中心軸公轉(zhuǎn)；而強(qiáng)磁棒一端固定有與電機(jī)主定齒輪(4)相嚙合的從動齒輪(3)，從動齒輪通過與主定齒輪的嚙合，繞自身中心軸自轉(zhuǎn)，從而帶動強(qiáng)磁棒自轉(zhuǎn)。這一設(shè)計使旋轉(zhuǎn)磁場既能自轉(zhuǎn)，又能公轉(zhuǎn)?！伴_放式”旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器的實物見圖4。

1.強(qiáng)磁棒；2. 定位板；3. 從動齒輪；4. 主定齒輪；5. 電機(jī)；6. 縱向驅(qū)動轉(zhuǎn)軸及開關(guān)。A. 正視圖；B. 俯視圖。圖3 “開放式”旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure figure of “open” rotating magnetic field generator

圖4 旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器實物圖Fig. 4 Physical drawing of rotating magnetic field generator

2.2.2 “封閉式”旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器

“封閉式”旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器的主要部件包括強(qiáng)磁棒、電機(jī)、磁場屏蔽層及機(jī)械聯(lián)動結(jié)構(gòu)。圖5中，磁場屏蔽層(6)是由屏蔽磁場較好的5 mm厚硅鋼片制成的空心圓柱薄殼，強(qiáng)磁棒(4)位于其中。磁場屏蔽層有4個圓形開口，呈對稱分布，用來透射磁場。強(qiáng)磁棒與磁場屏蔽層通過行星減速齒輪結(jié)構(gòu)與電機(jī)連接，其中行星減速齒輪的齒圈(1)固定在電機(jī)殼體內(nèi)壁上，不隨電機(jī)中心軸(2)的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，分布在周邊的4個強(qiáng)磁棒與電機(jī)中心軸則通過定位板連接，4個強(qiáng)磁棒與行星小齒輪(3)固定。強(qiáng)磁棒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場時，與磁場屏蔽層產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)速差，可實現(xiàn)對外透射磁場的多樣性。與“開放式”旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器相比，“封閉式”旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器對外透射磁場較為集中，因其磁體被磁場屏蔽層包裹，故稱之為“封閉式”。

2.3 優(yōu)缺點分析

利用永磁體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場有較多優(yōu)勢：①常溫下，永磁體磁性不易衰減，且永磁體原材料充足，價格低廉，磁性高，體積小，易與其他部件結(jié)合；②通過聯(lián)動結(jié)構(gòu)的改變，可產(chǎn)生多樣化旋轉(zhuǎn)磁場。而其缺點也主要來自永磁體。高溫等外界條件容易引起永磁體磁性變化，在極端環(huán)境中，磁性會快速衰減，甚至消失。另外，單個永磁體產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度大小是確定的，因此所獲得的旋轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度不易靈活調(diào)整，這是利用永磁體獲得旋轉(zhuǎn)磁場的最大弊端。

1.齒圈；2.電機(jī)中心軸；3.行星小齒輪；4.強(qiáng)磁棒；5.太陽齒輪；6.磁場屏蔽層。A. 行星減速齒輪；B. 磁場屏蔽層主視圖；C. 定位板。圖5 “封閉式”旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器結(jié)構(gòu)Fig. 5 Structure figure of “close” rotating magnetic field generator

3 利用直流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場

3.1 直流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的原理

與交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相比，變交流電為直流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場更加安全可靠，且能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器的小型化。依次在對稱設(shè)計的2組固定線圈(每組4個線圈)中通入電流，2組線圈內(nèi)部和線圈之間產(chǎn)生磁場。對稱線圈中電流的控制，是利用數(shù)字邏輯電路中的脈沖時序控制電路(圖6)來實現(xiàn)的。通過脈沖時序控制電路控制8個線圈中的電流方向：設(shè)t時刻，繞組電流及其產(chǎn)生的磁場如圖7A所示；下一時刻t′時，脈沖時序控制電路設(shè)定繞組電流方向及其產(chǎn)生的磁場如圖7B所示。依此類推，實現(xiàn)磁場的旋轉(zhuǎn)。調(diào)整脈沖時序控制電路，可以改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。

圖6 脈沖時序控制電路Fig. 6 Pulse time sequence control circuit diagram

3.2 磁場發(fā)射器的設(shè)計

利用直流電生磁原理制造的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器目前并不多見，不過該原理制造的小型旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器可靈活地滿足不同生物學(xué)實驗環(huán)境的需要。如圖8所示，使用一個環(huán)形的承載盤固定8個線圈，脈沖時序控制電路包裝在保護(hù)殼內(nèi)并固定在承載盤背面，以避免極端環(huán)境對電路造成破壞，承載盤固定在一個小型電機(jī)上。電路主要由兩塊74LS161芯片構(gòu)成(圖6)，其中CP是邏輯電路工作時鐘，Q0—Q7是8個脈沖輸出端，控制8個線圈電流的通斷。利用脈沖時序控制電路驅(qū)動磁場旋轉(zhuǎn)的同時，電機(jī)帶動承載盤旋轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁場模式的多變性。該旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度可控，模式多變，有望成為一種較為理想的生物學(xué)實驗用小型磁場發(fā)生器。

A. t時刻；B. t′時刻。圖7 繞組輸入電流及其產(chǎn)生的磁場Fig. 7 Winding input current and synthetic magnetic field

1.線圈；2.環(huán)形承載盤。圖8 環(huán)形承載盤及線圈Fig. 8 Coil and ring bearing plate

3.3 優(yōu)缺點分析

直流電旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器目前在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)已有應(yīng)用，具有很多明顯的優(yōu)點：①克服了永磁體的高溫消磁、磁場強(qiáng)度不易控制等缺點；②通過預(yù)置程序控制旋轉(zhuǎn)磁場，體積小巧，可滿足一些特殊生物實驗環(huán)境的要求；③與交流電生磁方式相比，安全可靠性進(jìn)一步提升。但與永磁體旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器相比，直流電旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器也有較為突出的缺點：①由于需要設(shè)計程序控制電路，成本可能偏高；②內(nèi)部電路復(fù)雜，容易出現(xiàn)故障。

4 結(jié)語

介紹了3類基于不同原理的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器的設(shè)計思路，并闡述了各自適用場景及其優(yōu)缺點。利用交流電相位特性產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場技術(shù)成熟，實際應(yīng)對方案多，但該方法較為復(fù)雜，有一定安全隱患。利用永磁體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，常溫下永磁體磁性穩(wěn)定、價格低廉、磁性高、體積小，易與其他部件結(jié)合，能產(chǎn)生多種旋轉(zhuǎn)磁場方向，但永磁體在高溫等極端環(huán)境下易消磁，磁場強(qiáng)度大小不易調(diào)控。利用直流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，具有體積小巧、磁場強(qiáng)度可控等優(yōu)點，也有磁場強(qiáng)度較低、電路復(fù)雜易出故障等缺陷。上述幾種依據(jù)不同原理設(shè)計的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器，主要適用于對磁場強(qiáng)度要求較小的生物學(xué)實驗領(lǐng)域，應(yīng)根據(jù)不同類型生物學(xué)實驗特點，合理選擇旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器，為生物生長提供合適的磁場環(huán)境。