[發明專利]一種圓柱形徑向自屏蔽線圈設計方法

在審

• 申請號: 202210224111.5
• 申請日: 2022-03-07
• 公開（公告）號: CN114792043A
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 陸吉璽;張旭;王坤;盧晨寧;馬丹躍;韓邦成;全偉
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;H01F41/04;H05K9/00;G06F111/10
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 吳小燦;朱亞娜

一種圓柱形徑向自屏蔽線圈設計方法，用于高磁導率材料構成的磁屏蔽環境，通過對多組鞍形線圈的鞍形線圈圓弧段展角大小φ、鞍形線圈直線段高度h以及電流方向的設計，得到一組最優鞍形線圈組參數，大幅度降低高磁導率材料對線圈產生磁場的耦合影響。

技術領域

本發明涉及徑向勻場線圈技術，特別是一種圓柱形徑向自屏蔽線圈設計方法。

背景技術

在磁學計量測試技術的相關應用研究中，都需要發生標準磁場，為了屏蔽空間環境磁場，需要利用磁屏蔽桶進行空間磁場屏蔽，因此勻場線圈需要與屏蔽桶進行組合應用。勻場線圈用于產生標準磁場，因此需要對勻場線圈的設計以保證對線圈磁場進行準確控制。

在多種科學研究裝置中，勻場線圈大多需要與屏蔽桶配合使用，為了盡量增加空間利用率，需要采用圓柱形線圈，對于徑向勻場線圈，常采用鞍形結構線圈進行設計。其中傳統鞍形線圈的高度與半徑比大于3.5，體積較大，不利于集成運用。

同時兼顧勻場線圈用于產生高均勻磁場的實際要求，為了獲得更大的磁感應強度均勻區域，需要將線圈尺寸進一步擴大，高磁導率磁屏蔽體和勻場線圈之間的間隔距離會不可避免的縮小。由于勻場線圈與高磁導率材料之間存在耦合效應，高磁導率屏蔽層會改變線圈產生的磁場分布及大小，使得線圈中心區域的磁場均勻性和線圈常數發生改變。這會增大系統測量誤差，難以實現高精度磁場測量。

發明內容

本發明提供一種圓柱形徑向自屏蔽線圈設計方法，用于高磁導率材料構成的磁屏蔽環境，通過對多組鞍形線圈的鞍形線圈圓弧段展角大小φ、鞍形線圈直線段高度h以及電流方向的設計，得到一組最優鞍形線圈組參數，大幅度降低高磁導率材料對線圈產生磁場的耦合影響。與現有徑向無矩線圈相比，具有以下優點：磁場衰減效果更快，在相同半徑下可以更快加速線圈外圍磁場的衰減，在高磁導率屏蔽層處，自屏蔽線圈產生的磁感應強度大小為傳統鞍形線圈的0.037倍，在高磁導率材料屏蔽層環境下線圈常數增幅從58.96％降低至2.39％。在高精度磁場控制應用中，一般要求線圈磁場均勻度δ在0.01％以內，以0.01％作為評判標準，設計自屏蔽線圈可用體積占比53.57％。在相同可用體積下，傳統鞍形線圈均勻度僅為0.1％。與傳統鞍形線圈相比，本發明的徑向自屏蔽線圈內部磁場均勻區更大，中心磁場均勻性更高。同時本設計方法可以對自屏蔽線圈常數進行設計；在保證線圈中心區域的均勻性同時縮小鞍形線圈的高徑比，設計線圈最大高徑比小于2，與傳統鞍形線圈相比縮小了近一倍，進一步提升線圈的集成性，測量精度。

本發明的技術解決方案如下：

一種圓柱形徑向自屏蔽線圈設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，利用同心空心圓柱作為線圈骨架，將主鞍形線圈固定在所述同心空心圓柱的外周面，將屏蔽鞍形線圈固定在所述同心空心圓柱的內周面，所述主鞍形線圈和所述屏蔽鞍形線圈一起構成圓柱形徑向自屏蔽線圈，以自屏蔽線圈中心點為原點建立xyz坐標軸，z軸方向與自屏蔽線圈軸向一致，y軸貫穿鞍形線圈的對合空隙，x軸貫穿鞍形線圈的鞍座中心；

步驟2，分別建立以下第一目標函數f(1)和第二目標函數f(2)，

其中i為線圈匝數序號，N1為主鞍形線圈電流流向集合，N₁＝[-1,1,-1,-1]，N2為屏蔽鞍形線圈電流流向集合，N2＝[1,1,1,1]，其中±1并無固定電流流向，僅表示線圈電流流向相反，B為磁感應強度，(0,0,0)為xyz坐標原點；

其中P1～P4為4個目標點，所有線圈在目標點處產生的磁感應強度大小作為線圈衰減的評判標準；

步驟3，對f(1)和f(2)進行最小值最優解求解，得到主鞍形線圈和屏蔽鞍形線圈的結構參數。