[發(fā)明專利]一種大均勻區(qū)三維磁線圈及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410573456.7
• 申請日: 2014-10-23
• 公開（公告）號: CN105527594B
• 公開（公告）日: 2018-08-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭辛;高溥澤;汪世林;秦杰;韓文法;楊磊;王宇虹;孫曉光
• 申請（專利權(quán)）人: 北京自動化控制設(shè)備研究所
• 主分類號: G01R33/34
• 分類號: G01R33/34;H01F5/00;H01F41/04
• 代理公司: 核工業(yè)專利中心 11007
• 代理人: 高尚梅

1.一種大均勻區(qū)三維磁線圈，包括支撐體(1)、縱線圈(2)和橫線圈(3)；所述支撐體(1)為上、下底面開放中心對稱的筒狀，在支撐體(1)的表面沿其周向和軸向分別設(shè)置有線槽，用于安裝縱線圈(2)和橫線圈(3)，所述線槽的數(shù)量依據(jù)縱線圈(2)和橫線圈(3)的數(shù)量確定；其特征在于：所述縱線圈(2)由繞支撐體(1)表面周向纏繞的導線構(gòu)成，相鄰的兩個縱線圈(2)之間平行且導線連通；所述橫線圈(3)由繞支撐體(1)表面軸向和上下底面邊緣纏繞的導線構(gòu)成，在空間內(nèi)形成空間多邊形，所述橫線圈(3)為兩對，每對橫線圈(3)對稱安裝于支撐體(1)之上，使兩對橫線圈(3)的磁場正交。

2.如權(quán)利要求1所述的一種大均勻區(qū)三維磁線圈，其特征在于：所述支撐體(1)為無上、下底的圓筒狀或方筒狀。

3.如權(quán)利要求1所述的一種大均勻區(qū)三維磁線圈，其特征在于：所述縱線圈(2)纏繞的匝數(shù)為一匝或多于一匝，所述縱線圈(2)的個數(shù)為三個、四個或更多個。

4.如權(quán)利要求1或2所述的一種大均勻區(qū)三維磁線圈，其特征在于：所述縱線圈(2)在空間中形成的多邊形為繞圓筒狀的支撐體(1)的軸向和底面圓弧纏繞所形成的空間四邊形。

5.如權(quán)利要求2所述的一種大均勻區(qū)三維磁線圈，其特征在于：所述縱線圈(2)在空間中形成的多邊形為繞方筒狀的支撐體(1)的柱面和底面邊緣纏繞所形成的空間四邊形、六邊形或八邊形。

6.一種大均勻區(qū)三維磁線圈的制造方法，設(shè)縱線圈的磁場方向為z軸正方向，兩組橫線圈磁場方向分別為x軸和y軸正方向，構(gòu)成三維直角坐標系；設(shè)縱線圈的參數(shù)為h₁，h₂，…，h_N，所述縱線圈的參數(shù)為線圈半徑、兩線圈間距離、匝數(shù)比、導線截面積、導線線徑以及其它參數(shù)；設(shè)橫線圈的參數(shù)為t₁，t₂，…，t_V，所述橫線圈的參數(shù)為線圈半徑、總長度、張角弧度以及其它參數(shù)；線圈中心坐標為O(0,0,0)，均勻區(qū)(4)為以線圈中心為球心，半徑為a的球體，所述半徑a根據(jù)使用需求確定，其特征在于：該設(shè)計方法包括以下步驟：

步驟一、計算磁場分量

設(shè)通電線圈內(nèi)任意一點A處的坐標為(x,y,z)，則根據(jù)畢奧-薩伐爾定率，該點A處磁場強度B的在X、Y和Z三個方向上的分量表達式分別為B_x(x,y,z,t₁,t₂,…,t_V)、B_y(x,y,z,t₁,t₂,…,t_V)和B_z(x,y,z,h₁,h₂,…,h_N)；

步驟二、有效均勻性計算

定義中心坐標為O(0,0,0)，半徑為a的球形均勻區(qū)(4)的有效均勻性UN_eff的表達為

其中B(X)，B(Y)，B(Z)，和B(O)，分別為X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)點處的橫、縱線圈磁場在x方向或y方向或z方向的分量；

由上式，磁場方向與x軸正向同向的橫線圈所形成的均勻區(qū)的有效均勻性為

其中，B_x(X)，B_x(Y)，B_x(Z)和B_x(O)分別為點X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)處磁場方向與x軸正向同向的橫線圈所形成磁場強度在x方向上的分量；

磁場方向與y軸正方向同向的橫線圈所形成的均勻區(qū)的有效均勻性為

其中，B_y(X)，B_y(Y)，B_y(Z)和B_y(O)分別為點X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)處磁場方向與y軸正向同向的橫線圈所形成磁場強度在y方向上的分量；

磁場方向與z軸正方向同向的縱線圈所形成的均勻區(qū)的有效均勻性為

其中，B_z(X)，B_z(Y)，B_z(Z)和B_y(O)分別為點X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)處磁場方向與z軸正向同向的縱線圈所形成磁場強度在z方向上的分量；

步驟三、優(yōu)化求解

分別選取橫、縱線圈參數(shù)中的一個或多于一個參數(shù)進行賦值作為固定參數(shù)，采用迭代優(yōu)化算法，在可調(diào)參數(shù)空間合理范圍找出有效均勻性和各自的極小值，和對應的可調(diào)參數(shù)取值；

步驟四、誤差考量

在可實現(xiàn)的線圈參數(shù)誤差范圍內(nèi)，優(yōu)選的誤差范圍為±0.1mm，考察參數(shù)誤差對有效均勻性UN_eff的影響，選取考慮誤差后和各自多個極小值中最小的一個所對應的線圈參數(shù)作為最終確定的線圈參數(shù)用以制作線圈。