一种基于多重镜像法的大均匀区双平面线圈设计方法技术

本发明专利技术提供了一种基于多重镜像法的大均匀区双平面线圈设计方法，涉及磁屏蔽补偿技术领域，本方法包括步骤S1：通过高磁导率材料的无限大的表面反射磁源和磁性材料，将磁屏蔽箱的屏蔽层看作无限大的平面，产生镜像电流，镜像电流被其他屏蔽层反复镜像；S2：建立实际电流与镜像电流的关系；S3：基于双平面的电流在Q点处从空气中进入到屏蔽层中并发生折射，折射角为45

【技术实现步骤摘要】
一种基于多重镜像法的大均匀区双平面线圈设计方法


[0001]本专利技术涉及磁屏蔽补偿
，具体而言，涉及一种基于多重镜像法的大均匀区双平面线圈设计方法。

技术介绍

[0002]随着科技的发展，“极弱磁”或“零磁”环境在国防航空、前沿科学、生命科学、基础物理研究等领域的应用需求越来越广泛而迫切，特别在心脑磁疾病诊断治疗、肿瘤细胞新型治疗方法研究等医学领域的需求越来越凸显。目前常见的“极弱磁”或“零磁”环境主要是由多层坡莫合金嵌套的高磁导率的坡莫合金进行搭建，但由于坡莫合金价格较高、密度较大，使得传统屏装置的成本较高，重量较大，难以得到大范围的推广应用。为了降低成本，减轻磁屏蔽装置的重量，现阶段常采用主被动结合的磁屏蔽设计方式，利用线圈产生反向磁场对外界磁场进行主动补偿来代替部分坡莫合金被动屏蔽的效果，达到降低成本和重量的目的。
[0003]大均匀区和高均匀度是线圈进行剩磁有效补偿的前提，同时为了提高磁屏蔽装置内部的空间利用率，现在的主动磁补偿线圈多采用紧挨着屏蔽层的安装结构方式。但是该种设计方式会使线圈产生的磁场与高磁导率的坡莫合金材料之间产生严重的磁耦合，使线圈产生磁场的均匀性变小，均匀度变差，导致线圈磁屏蔽装置内部剩余磁场的补偿效果不佳。目前，降低或消除线圈与磁屏蔽装置耦合的方法有镜像法，该方法把高磁导率的屏蔽层看作是无限大屏蔽而忽略了屏蔽层的厚度，导致均匀区和均匀度难以有效提升。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的问题是如何实现在保证磁屏蔽室空间利用率的前提下，提高线圈的均匀度和均匀度，从而实现降低磁屏蔽室研制成本和重量。
[0005]为解决上述问题，本专利技术提供一种基于多重镜像法的大均匀区双平面线圈设计方法，包括步骤：
[0006]S1：通过高磁导率材料的无限大的表面反射磁源和磁性材料，将磁屏蔽箱的屏蔽层看作无限大的平面，产生镜像电流，镜像电流被其他屏蔽层反复镜像；
[0007]S2：建立实际电流与镜像电流的关系；
[0008]S3：基于双平面的电流在Q点处从空气中进入到屏蔽层中并发生折射，折射角为45
°
，电流在屏蔽层内W点处发生反射，在G点处从屏蔽层中进入到空气中，折射角为θ，R点是电流经屏蔽层的反射后的位置点；
[0009]S4：通过镜像法屏蔽箱中的均匀场BC等效为一个无限次线圈阵列，通过计算线圈阵列的叠加场，得到均匀场BC在磁屏蔽材料的耦合作用下产生的磁场；
[0010]S5：基于目标场法根据目标区域所需要产生磁场的分布，计算得到线圈所在位置的电流密度分布，对电流密度离散化后得到线圈绕组的具体结构。
[0011]在上述方法中，镜像法是指高磁导率的材料的无限大的表面可以反射磁源和磁性
材料。这里的磁屏蔽箱的屏蔽层可以看作无限大的平面，从而产生镜像电流，这些镜像电流被其他屏蔽层反复镜像。由于实际应用中屏蔽层不是无限厚度的，而是有限的，因此在无限屏蔽厚度下的磁通密度与实际屏蔽厚度之间存在不可忽略的误差。因此在该方法中考虑了非无限屏蔽层厚度的影响。
[0012]进一步地，所述步骤S2中实际电流与镜像电流的关系为：
[0013][0014]其中，I
im
和I
re
分别表示为镜像电流和实际电流，μ2和μ1分别表示为屏蔽材料和空气的磁导率。
[0015]进一步地，所述步骤S3中屏蔽层到空气中的折射率为：
[0016][0017]其中，μ1表示为空气的磁导率。
[0018]在上述方法中，高磁导率材料采用1J85，磁导率为μ2＝80000，T≈2。
[0019]进一步地，根据三角关系得到点R处电流的x坐标、y坐标和z坐标分别为：
[0020]x＝x0‑
2.6(L+dy)+2s
[0021]y＝y0‑
2.6(L+dx)+2s
[0022]z＝z0‑
2.6(h+dz)+2s
[0023]其中，L表示双平面的边长，d
x
,d
y
,d
z
分别表示为双平面在x,y,z方向与屏蔽层的距离，s表示为屏蔽层的厚度。
[0024]进一步地，所述步骤S4中通过镜像法得到均匀场BC产生的磁场为：
[0025][0026]其中，U
mn
＝U
mn1
+U
mn2
；
[0027][0028][0029]x'＝x0+2.6(L+dy)+2s(i)i＞0
[0030]x'＝x0‑
2.6(L+dy)+2s(i)i＜0
[0031]x'＝x
0 i＝0；
[0032]y'＝y0+2.6(L+dx)+2s(j)j＞0
[0033]y'＝y0‑
2.6(L+dx)+2s(j)j＜0
[0034]y'＝y
0 j＝0；
[0035]z'＝z0+2.6(h+dz)+2s(k)k＞0
[0036]z'＝z0‑
2.6(h+dz)+2s(k)k＜0
[0037]z'＝z
0 k＝0；
[0038]其中，b表示线圈矩阵的顺序。
[0039]本专利技术采用上述技术方案包括以下有益效果：
[0040]本专利技术将非无限屏蔽层厚度的影响考虑到耦合效应的均匀区双平面线圈的设计中，能够有效的避免双平面线圈与屏蔽层之间的耦合效应，使屏蔽室主动磁补偿线圈的均匀区和均匀度得到有效的提升，最终使屏蔽室实现高性能、低成本、重量轻的目标，实现磁屏蔽室大范围的推广应用。
附图说明
[0041]图1为本专利技术实施例提供的基于多重镜像法的大均匀区双平面线圈设计方法流程图；
[0042]图2为本专利技术实施例提供的基于多重镜像法的大均匀区双平面线圈设计方法中屏蔽层、双平面线圈和目标区域的镜像结构图一；
[0043]图3为本专利技术实施例提供的基于多重镜像法的大均匀区双平面线圈设计方法中屏蔽层、双平面线圈和目标区域的镜像结构图二；
[0044]图4为本专利技术实施例提供的基于多重镜像法的大均匀区双平面线圈设计方法中屏蔽层、双平面线圈和目标区域的镜像结构图三；
[0045]图5为本专利技术实施例提供的基于多重镜像法的大均匀区双平面线圈设计方法中双平面线圈安装在屏蔽箱内的结构示意图；
[0046]图6为本专利技术实施例提供的基于多重镜像法的大均匀区双平面线圈设计方法中线圈优化流程图；
[0047]附图标记说明：
[0048]1‑
屏蔽层、2
‑
双平面线圈、3
‑
目标区域。
具体实施方式
[0049]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施例做详细的说明。
[0050]以下是本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多重镜像法的大均匀区双平面线圈设计方法，其特征在于，包括步骤：S1：通过高磁导率材料的无限大的表面反射磁源和磁性材料，将磁屏蔽箱的屏蔽层看作无限大的平面，产生镜像电流，镜像电流被其他屏蔽层反复镜像；S2：建立实际电流与镜像电流的关系；S3：基于双平面的电流在Q点处从空气中进入到屏蔽层中并发生折射，折射角为45
°
，电流在屏蔽层内W点处发生反射，在G点处从屏蔽层中进入到空气中，折射角为θ，R点是电流经屏蔽层的反射后的位置点；S4：通过镜像法屏蔽箱中的均匀场BC等效为一个无限次线圈阵列，通过计算线圈阵列的叠加场，得到均匀场BC在磁屏蔽材料的耦合作用下产生的磁场；S5：基于目标场法根据目标区域所需要产生磁场的分布，计算得到线圈所在位置的电流密度分布，对电流密度离散化后得到线圈绕组的具体结构。2.根据权利要求1所述的基于多重镜像法的大均匀区双平面线圈设计方法，其特征在于，所述步骤S2中实际电流与镜像电流的关系为：其中，I
im
和I
re
分别表示为镜像电流和实际电流，μ2和μ1分别表示为屏蔽材料和空气的磁导率。3.根据权利要求1所述的基于多重镜像法的大均匀区双平面线圈设计方法，其特征在于，所述步骤S3中屏蔽层到空气中的折射率为：其中，μ1表示为空气的磁导率。4.根据权利要求1所述的基于多...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵修琪，张露，卢颜，赵霁野，田鹏涛，张迪，
申请(专利权)人：北京航空航天大学宁波创新研究院，
类型：发明
国别省市：