【技术实现步骤摘要】
本专利技术设计磁场线圈，具体涉及一种方形均匀磁场线圈的设计方法。
技术介绍
1、均匀磁场线圈用于提供均匀磁场以实现高精度的磁场操控。均匀磁场线圈的设计和性能直接影响到其所应用领域的成果。
2、例如，中国专利201811610219.9公开了一种长方形亥姆霍兹线圈的设计方法，通过计算出两个长方形载流线圈在中心点连线的轴线上的磁感应强度，使得轴线上的磁感应强度在一定范围内为一常数，可在平面内获得一定范围内的匀强磁场区域。例如，中国专利202211090062.7公开了一种基于泰勒展开及多极矩优化自屏蔽均匀磁场线圈的设计方法，基于主线圈和屏蔽线圈的嵌套结构，将自屏蔽均匀磁场线圈设计转化为以结构为约束条件的非线性优化问题，构建完整的最优化模型，并采用优化算法求解该问题，从而获得线圈位置、匝数及电流方向等线圈参数。
3、现有的匀场线圈的设计方法仅使线圈轴线上的磁场分布尽可能的均匀，作为一种近似分析方法，仅能保证中心轴线附近区域的磁场分布均匀，没有涉及线圈的均匀区体积，无法保证大范围的磁场均匀性。因此，现有均匀磁场线圈设计方法亟需改进和完善，以实现高精度的磁场操控。
技术实现思路
1、为了解决现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种方形均匀磁场线圈的设计方法。
2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种方形均匀磁场线圈的设计方法，包括以下步骤：
3、s1、建立以o点为原点的三维直角坐标系xyz，并将方形均匀磁场线圈模块的中心设于o点，
4、s2、设定线圈的总偏差率δbt以及方形均匀磁场线圈模块的初始模型参数；
5、s3、确定已知参数组合fij*和待设计的参数组合fij，设定待设计的参数组合fij的变化范围为[fijmin,fijmax]和步长为δfij；
6、s4、根据毕奥-萨伐尔定律建立方形均匀磁场线圈模块产生的空间磁场表达式，并计算方形均匀磁场线圈模块的中心点处的磁感应强度；
7、s5、在方形均匀磁场线圈模块中选定待校验均匀性的正方体单元格，并判断正方体单元格的总偏差率是否满足δbt；
8、s6、输出在参数组合fij*和fij下的最大均匀区域vi；
9、s7、根据最大均匀区域vi寻找到方形均匀磁场线圈模块的最优模型参数。
10、进一步的，步骤s5具体包括：
11、s51、设定所述正方形单元格的边长为a，在三维直角坐标系xyz的第一象限定义n1、n2、n3分别为沿xyz三个方向上的正方形单元格的数量；n1、n2、n3的初始值均为1；
12、s52、将正方形单元格的顶点坐标代入空间磁场表达式中，并计算(an1)*(an2)*(an3)区域的磁场总偏差率；
13、s53、判断(an1)*(an2)*(an3)区域的磁场总偏差率是否满足设定的δbt，若是，则执行步骤s54；若否，则令a＝a/2并返回步骤s52；
14、s54、令n1＝n1+1，n2＝n2+1，再次计算(an1)*(an2)*(an3)区域的磁场总偏差率；
15、s55、判断步骤s54中的(an1)*(an2)*(an3)区域的磁场总偏差率是否满足δbt，若是，则返回步骤步骤s54；若否，则令n1*＝n1-1，n2*＝n2-1并执行步骤s56；
16、s56、令n3＝n3+1，再次计算(an1)*(an2)*(an3)区域的磁场总偏差率；
17、s57、判断步骤s56中的(an1)*(an2)*(an3)区域的磁场总偏差率是否满足δbt，若是，则返回步骤s56；若否，则令n3*＝n3-1并执行步骤s6。
18、进一步的，所述最大均匀区域vi＝(an1*)*(an2*)*(an3*)。
19、进一步的，还包括：判断所有的参数组合fij*和fij是否都已计算，若否，则令i＝i+1并返回步骤s4；若是，则执行步骤s7。
20、进一步的，方形均匀磁场线圈模块包括：四个大小相同的正方形线圈，四个正方形线圈相互平行且同轴，其中，内侧的两个正方形线圈作为主线圈对，外侧的两个正方形线圈作为副线圈对。
21、进一步的，方形均匀磁场线圈模块的模型参数包括：正方形线圈的边长l、主线圈对的电流i1、副线圈对的电流i2、主线圈对的间距d1以及副线圈对的间距d2；其中，已知组合参数fij*为模型参数中的任意两个或三个，未被选为已知组合参数fij*的其余模型参数作为待设计的参数组合fij，1≤i≤(fijmax-fijmin)/δfij，1≤j≤3。
22、进一步的，所述总偏差率其中，δbx＝|(bx-bc)/bc|，δby＝|(by-bc)/bc|，δbz＝|(bz-bc)/bc|，bc表示线圈中心点处的磁感应强度，bx、by、bz分别表示空间中任一点的磁感应强度在x、y、z方向上的分量，δbx、δby、δbz分别表示空间中任一点的磁感应强度在x、y、z方向上的偏差率。
23、进一步的，所述空间磁场表达式为式中，i表示线圈的电流，l表示线圈的路径，r0表示空间中的任意一点，b(r0)表示线圈内任意一点产生的磁感应强度，μ0表示真空磁导率，di表示线圈路径l上闭合回路的微元，er表示电流微元指向r0的单位向量，r表示电流源点到r0之间的距离。
24、进一步的，设置均匀度指标u用于评价(an1)*(an2)*(an3)区域的磁场总偏差率与δbt之间的差距，u＝m/n，m表示所有的正方体单元格的顶点中满足偏差率小于δbt的顶点数量，n表示所有的正方体单元格的顶点总数，当区域内所有的正方体单元格的顶点的磁感应强度都满足小于δbt时，认为该区域的磁感应强度都满足设定的δbt，此时，u＝1。
25、本专利技术的有益效果是，本方法在预先确定线圈均匀度指标及部分线圈参数的前提下，以中心均匀区域体积最大化为目标，能够实现不同应用场景下大体积均匀磁场线圈设计。本专利技术通过将方形均匀磁场模块的内部区域划分成若干微元进行累加计算﹐并将目标区域划分观测点进行循环计算分析，相对于现有技术来说，本方法仅需根据分析精度要求划分微元数量，编制简单的仿真代码，即可获得相应数值解；相比于有限元分析法来说，分析速度更快，适用性更普遍。
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1.一种方形均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的方形均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，步骤S5具体包括：
3.如权利要求2所述的方形均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，所述
4.如权利要求3所述的方形均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，还包括：判断所有的参数组合Fij*和Fij是否都已计算，若否，则令i＝i+1并返回步骤S4；若是，则执行步骤S7。
5.如权利要求4所述的方形均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，方形均匀磁场线圈模块包括：四个大小相同的正方形线圈，四个正方形线圈相互平行且同轴，其中，内侧的两个正方形线圈作为主线圈对，外侧的两个正方形线圈作为副线圈对。
6.如权利要求5所述的方形均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，方形均匀磁场线圈模块的模型参数包括：正方形线圈的边长l、主线圈对的电流I1、副线圈对的电流I2、主线圈对的间距d1以及副线圈对的间距d2；其中，已知组合参数Fij*为模型参数中的任意两个或三个，未被选为已知组合参数Fij*的其余模型参数作为待设计的参数组合Fi
7.如权利要求1所述的方形均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，所述总偏差率其中，ΔBx＝|(Bx-Bc)/Bc|，ΔBy＝|(By-Bc)/Bc|，ΔBz＝|(Bz-Bc)/Bc|，Bc表示线圈中心点处的磁感应强度，Bx、By、Bz分别表示空间中任一点的磁感应强度在x、y、z方向上的分量，ΔBx、ΔBy、ΔBz分别表示空间中任一点的磁感应强度在x、y、z方向上的偏差率。
8.如权利要求1所述的方形均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，所述空间磁场表达式为式中，I表示线圈的电流，L表示线圈的路径，r0表示空间中的任意一点，B(r0)表示线圈内任意一点产生的磁感应强度，μ0表示真空磁导率，dI表示线圈路径L上闭合回路的微元，er表示电流微元指向r0的单位向量，r表示电流源点到r0之间的距离。
9.如权利要求2所述的方形均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，设置均匀度指标U用于评价(an1)*(an2)*(an3)区域的磁场总偏差率与ΔBT之间的差距，U＝M/N，M表示所有的正方体单元格的顶点中满足偏差率小于ΔBT的顶点数量，N表示所有的正方体单元格的顶点总数，当区域内所有的正方体单元格的顶点的磁感应强度都满足小于ΔBT时，认为该区域的磁感应强度都满足设定的ΔBT，此时，U＝1。
...【技术特征摘要】
1.一种方形均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的方形均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，步骤s5具体包括：
3.如权利要求2所述的方形均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，所述
4.如权利要求3所述的方形均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，还包括：判断所有的参数组合fij*和fij是否都已计算，若否，则令i＝i+1并返回步骤s4；若是，则执行步骤s7。
5.如权利要求4所述的方形均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，方形均匀磁场线圈模块包括：四个大小相同的正方形线圈，四个正方形线圈相互平行且同轴，其中，内侧的两个正方形线圈作为主线圈对，外侧的两个正方形线圈作为副线圈对。
6.如权利要求5所述的方形均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，方形均匀磁场线圈模块的模型参数包括：正方形线圈的边长l、主线圈对的电流i1、副线圈对的电流i2、主线圈对的间距d1以及副线圈对的间距d2；其中，已知组合参数fij*为模型参数中的任意两个或三个，未被选为已知组合参数fij*的其余模型参数作为待设计的参数组合fij，1≤i≤(fijmax-fijmin)/δfij，1≤j≤3。
7.如权利要求1所...
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