基于差分进化算法的亥姆霍兹线圈装置磁场均匀优化方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了基于差分进化算法的亥姆霍兹线圈装置磁场均匀优化方法，包括以下步骤：步骤S1：构建改进亥姆霍兹线圈装置模型；步骤S2：根据麦克斯韦方程组推导并构建改进亥姆霍兹线圈装置磁场的偏微分方程；步骤S3：采用差分进化算法对改进亥姆霍兹线圈装置进行优化，以确定在不同应用场景下改进装置的线圈间距与新加中心线圈半径的最优值，使改进亥姆霍兹线圈装置的磁场均匀度达到最优。应用本技术方案能够确定改进亥姆霍兹线圈装置的线圈间距与新加中心线圈半径的最优值，使改进装置的磁场均匀度达到最优。场均匀度达到最优。场均匀度达到最优。

【技术实现步骤摘要】
基于差分进化算法的亥姆霍兹线圈装置磁场均匀优化方法


[0001]本专利技术涉及亥姆霍兹线圈磁场的建模
，特别是一种基于差分进化算法的亥姆霍兹线圈装置磁场均匀优化方法。

技术介绍

[0002]当前，产生匀强磁场的装置主要分为线圈类装置和磁芯类装置，其中线圈类装置相比于磁芯类装置避免了磁芯材料的大量使用，总体构造简单，便于生产制造。线圈类装置又可分为亥姆霍兹线圈装置和通电螺线管装置，其中通电螺线管需要较大的长度才能具有较为优良的磁场均匀度，均匀度略低于亥姆霍兹线圈且耗材较大。因此亥姆霍兹线圈被更为广泛地生产使用。
[0003]然而，传统亥姆霍兹线圈装置的磁场也通常难以满足磁场均匀度要求较高的实际应用。为此众多学者对提升亥姆霍兹线圈装置的磁场均匀度进行了研究，其中在传统亥姆霍兹线圈半径不变的基础上扩大其线圈间距并在轴线中心处加入与传统装置线圈同轴线平行且形状相同的单一线圈的改进方法较易实现，且改进后的亥姆霍兹线圈装置磁场均匀度有较为明显的提升且总体构造简单、便于生产制造，但是在不同应用场景下该改进装置的线圈间距与新加中心线圈半径的最优设置较为困难复杂，这将导致实际应用中改进装置的磁场均匀度未达到最佳、仍需进一步优化。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于差分进化算法的亥姆霍兹线圈装置磁场均匀优化方法，能够确定在不同应用场景下改进亥姆霍兹线圈装置的线圈间距与新加中心线圈半径的最优值，使磁场均匀度达到最优。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：基于差分进化算法的亥姆霍兹线圈装置磁场均匀优化方法，包括以下步骤：
[0006]步骤S1：构建改进亥姆霍兹线圈装置模型；
[0007]步骤S2：根据麦克斯韦方程组推导并构建改进亥姆霍兹线圈装置磁场的偏微分方程；
[0008]步骤S3：采用差分进化算法对改进亥姆霍兹线圈装置进行优化，以确定在不同应用场景下改进装置的线圈间距与新加中心线圈半径的最优值，使改进亥姆霍兹线圈装置的磁场均匀度达到最优。
[0009]在一较佳的实施例中，所述步骤S1具体为：
[0010]步骤S11：构建改进亥姆霍兹线圈装置的几何模型；
[0011]步骤S12：设置改进亥姆霍兹线圈装置模型的材料参数；
[0012]步骤S13：对改进亥姆霍兹线圈装置几何模型进行有限元网格划分。
[0013]在一较佳的实施例中，所述步骤S2中偏微分方程具体为：
[0014][0015]其中，为哈密顿算子，ε0为真空介电常数，σ为电导率，μ0为真空磁导率，J
e
为外部电流引起的电流密度，B为磁感应强度，A为磁矢势，H为磁场强度。
[0016]在一较佳的实施例中，所述步骤S3具体为：
[0017]步骤S31：设置改进装置扩大后的线圈间距相较于传统装置的线圈间距的倍数为差分进化算法的变量参数，并设置其值的范围；
[0018]步骤S32：设置新加中心线圈的半径相较于传统装置线圈的半径的倍数为差分进化算法的变量参数，并设置其值的范围；
[0019]步骤S33：设置差分进化算法的种群大小并随机产生变量参数值；
[0020]步骤S34：根据变量参数值，使用有限元方法对S2中的偏微分方程进行计算，求得改进亥姆霍兹线圈装置的磁场分布；
[0021]步骤S35：根据磁场分布计算磁场均匀度目标函数表达式，并获得最优目标函数值以及此时相应的改进装置的线圈间距与新加中心线圈半径的最优值；
[0022]步骤S36：在未达到迭代次数上限时，对各种群个体进行“变异、交叉、选择”，使更新各种群个体的变量参数值并重复步骤S34和步骤S35，直到获得改进亥姆霍兹线圈装置的最优磁场均匀度并输出结果、获得最优装置模型及其磁场强度分布。
[0023]在一较佳的实施例中，所述几何模型为:在传统亥姆霍兹线圈半径不变的基础上扩大其线圈间距并在轴线中心处加入与传统装置线圈同轴线平行且形状相同的单一线圈。
[0024]在一较佳的实施例中，所述材料参数包括相对介电常数、相对磁导率和电导率。
[0025]在一较佳的实施例中，步骤S35中，所述磁场均匀度目标函数表达式具体为：
[0026][0027]磁场均匀度目标函数的值越小越优，其中，f1、f2、s为磁场均匀度评估指标，w1、w2、w
s
为磁场均匀度指标f1、f2、s相应的权重，根据实际应用的需求做不同的设置；V为改进亥姆霍兹线圈装置内部的磁场区域的体积，V
eff
为改进装置线圈中心磁场强度误差0.3％内的磁场区域的体积，即装置内部磁场满足H
center
·
0.997≤H≤H
center
·
1.003的区域的体积,H
center
为改进装置线圈中心磁场强度；H
max
为改进亥姆霍兹线圈装置内部的磁场区域的磁场强度最大值，H
min
为最小值，H
mean
则为平均值；为差分进化算法变量参数的迭代过程中即时取值，p则为在两个变量的即时取值处分别以合适间隔前后取5个值后的共100个变量数据点的集合，该评估指标s是为了评估生产制造线圈造成的误差对磁场均匀度的影响。
[0028]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术通过使用差分进化算法对改进亥姆霍兹线圈装置进行优化，解决了改进装置在不同应用场景下线圈间距与新加中心线圈半径的最优设置较为困难复杂进而导致其磁场均匀度未达到最佳的问题，能够确定改进亥姆霍兹线圈装置的线圈间距与新加中心线圈半径的最优值，使磁场均匀度达到最优。
附图说明
[0029]图1为本专利技术优选实施例的方法流程图；
[0030]图2为本专利技术优选实施例的改进亥姆霍兹线圈装置初始模型图；
[0031]图3为本专利技术优选实施例的初始改进装置磁场均匀度评估区域示意图；
[0032]图4为本专利技术优选实施例的变量参数优化过程图；
[0033]图5为本专利技术优选实施例的优化后改进亥姆霍兹线圈装置模型图；
[0034]图6为本专利技术优选实施例的优化后改进装置磁场强度分布图。
具体实施方式
[0035]下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。
[0036]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0037]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0038]如图1
‑
6所示，本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于差分进化算法的亥姆霍兹线圈装置磁场均匀优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：构建改进亥姆霍兹线圈装置模型；步骤S2：根据麦克斯韦方程组推导并构建改进亥姆霍兹线圈装置磁场的偏微分方程；步骤S3：采用差分进化算法对改进亥姆霍兹线圈装置进行优化，以确定在不同应用场景下改进装置的线圈间距与新加中心线圈半径的最优值，使改进亥姆霍兹线圈装置的磁场均匀度达到最优。2.根据权利要求1所述的基于差分进化算法的亥姆霍兹线圈装置磁场均匀优化方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：步骤S11：构建改进亥姆霍兹线圈装置的几何模型；步骤S12：设置改进亥姆霍兹线圈装置模型的材料参数；步骤S13：对改进亥姆霍兹线圈装置几何模型进行有限元网格划分。3.根据权利要求1所述的基于差分进化算法的亥姆霍兹线圈装置磁场均匀优化方法，其特征在于，所述步骤S2中偏微分方程具体为：其中，
▽
为哈密顿算子，ε0为真空介电常数，σ为电导率，μ0为真空磁导率，J
e
为外部电流引起的电流密度，B为磁感应强度，A为磁矢势，H为磁场强度。4.根据权利要求1所述的基于差分进化算法的亥姆霍兹线圈装置磁场均匀优化方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：步骤S31：设置改进装置扩大后的线圈间距相较于传统装置的线圈间距的倍数为差分进化算法的变量参数，并设置其值的范围；步骤S32：设置新加中心线圈的半径相较于传统装置线圈的半径的倍数为差分进化算法的变量参数，并设置其值的范围；步骤S33：设置差分进化算法的种群大小并随机产生变量参数值；步骤S34：根据变量参数值，使用有限元方法对S2中的偏微分方程进行计算，求得改进亥姆霍兹线圈装置的磁场分布；步骤S35：根据磁场分布计算磁场均匀度目标函数表达式，并获得最优目标函数值以及此时相应的改进装置的线圈间距与新加中心线圈半径的最优值；步骤S36：在未达到迭代次数上限时，对各种群个体进行“...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤云东，丁宇彬，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：