CN105632680A - 一种组合磁场线圈的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合磁场线圈的均匀区实现方法，包括如下步骤：组合磁场线圈包括第一线圈A和第二线圈B，A和B同轴放置：预先确定A和B的直径、线圈间距、匝数；二者形成的均匀区为半径为R的圆形区域，其圆心位于A和B的中心轴线上；在均匀区内A和B的中心轴线上分别选取n+2个偏离点，计算A和B的各偏离点的线圈常数差值；令组合后的磁场线圈各点的线圈常数梯度为零，获得(n+1)个A的匝数和B的匝数比值的平均值作为组合磁场线圈的实际匝数比值；根据该比值，设置A和B的线圈匝数比例；通过等比例的放大或减少A和B的线圈匝数，得到不同线圈常数大小的组合磁场线圈。使用该方法能够容易获得满足磁场均匀度要求的组合磁场线圈。

Description

一种组合磁场线圈的实现方法

技术领域

本发明涉及磁场线圈设计技术，特别是涉及一种组合磁场线圈的实现方法。

背景技术

在磁场线圈设计中，最重要的设计内容就是如何提供工作区的磁场均匀度。常规的设计方法是对单组磁场线圈(对称的两个磁场线圈为一组)的磁场空间分布已偏离中心点的距离为变量进行级数展开，然后根据磁场线圈均匀度的要求，令组合磁场线圈的低阶项之和逐个为零，得到方程组。方程组的方程个数(即和为零的项数)根据组合磁场线圈的边长比、间距比、匝数比等参数的未知数个数决定。通过求解方程组，得到组合磁场线圈的边长比、间距比、匝数比等参数。这种设计方法得到的组合磁场线圈的均匀度虽然可以达到理论最佳值，但也有两个明显缺点。一是解方程需要较高的数学技能，求解计算量也可能非常大，许多工程技术人员可能不具备所需的数学技能；二是求解得到的边长比、间距比、匝数比等参数一般均为非整数量，实际工程中无法实现，使其失去实际工程意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种组合磁场线圈的实现方法，该方法能够采用工程容易实现的组合磁场线圈的边长比、间距比、匝数比等参数，获得满足磁场均匀度要求的组合磁场线圈。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种组合磁场线圈的均匀区实现方法，包括如下步骤：

步骤一、组合磁场线圈包括第一线圈A和第二线圈B，A和B同轴放置：预先确定A的直径为2a₁，A的线圈间距为2d₁，A的匝数为w₁，B的直径为2a₂，B的线圈间距为2d₂，B的匝数为w₂；

所述均匀区为半径为R的圆形区域，其圆心位于A和B的中心轴线上；

步骤二、在均匀区内，A和B的中心轴线上分别选取n+2个偏离点，其中n+2个偏离点与中心点的距离分别为第一线圈A的各偏离点的线圈常数分别为K_B1,0、K_B1,1、K_B1,2、……、K_B1,n、K_B1,n+1，第二组线圈B的各偏离点的线圈常数为K_B2,0、K_B2,1、K_B2,2、……、K_B2,n、K_B2,n+1；其中每个线圈常数均为的函数；

步骤三、所述第一线圈A的各偏离点的线圈常数差值为0、K_B1,1-K_B1,0、K_B1,2-K_B1,0、……、K_B1,n-K_B1,0、K_B1,n+1-K_B1,0；所述第二线圈B的各偏离点的线圈常数差值为0、K_B2,1-K_B2,0、K_B2,2-K_B2,0、……、K_B2,n-K_B2,0、K_B2,n+1-K_B2,0；

令组合后的磁场线圈各点的线圈常数梯度为零，获得如下n+1个方程：

(K_B1,1-K_B1,0)+(K_B2,1-K_B2,0)＝0；

(K_B1,2-K_B1,0)+(K_B2,2-K_B2,0)＝0；

……

(K_B1,n-K_B1,0)+(K_B2,n-K_B2,0)＝0；

(K_B1,n+1-K_B1,0)+(K_B2,n+1-K_B2,0)＝0；

这(n+1)个方程均只包含两个变量w₁、w₂，计算得到(n+1)个的值，分别为

将上述(n+1)个的平均值作为组合磁场线圈的实际匝数比值，即

步骤四、根据的值，设置第一线圈A和第二线圈B的线圈匝数比例；当值为正数时，将A和B同向串连；当值为负数时，将A和B反向串连；

通过等比例的放大或减少w₁、w₂，得到不同线圈常数大小的组合磁场线圈。

进一步地，n取值为10。

有益效果：

本发明先根据实际工程需求，确定工程中容易实现的组合磁场线圈的边长比、间距比等长度量的值；然后分别计算单组磁场线圈的轴线上各点的线圈常数梯度分布，即轴线上各点与中心点的线圈常数差值；再求这些差值的比值；最后根据这些比值确定组合磁场线圈的匝数比，由此仅采用工程容易实现的组合磁场线圈的边长比、间距比、匝数比等参数，就可以获得满足磁场均匀度要求的组合磁场线圈。

附图说明

图1为组合磁场线圈的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

一种组合磁场线圈的均匀区实现方法，包括如下步骤：

步骤一、针对组合磁场线圈，包括第一线圈A和第二线圈B，A和B同轴放置，如图1所示：预先确定A的直径为2a₁，A的线圈间距为2d₁，A的匝数为w₁，B的直径为2a₂，B的线圈间距为2d₂，B的匝数为w₂；

均匀区为半径为R的圆形区域，其圆心位于A和B的中心轴线上；

步骤二、在均匀区内，A和B的中心轴线上分别选取n+2个偏离点，其中n+2个偏离点与中心点的距离分别为取点是为了考虑10％左右的工程设计余量。

第一线圈A的各偏离点的线圈常数分别为K_B1,0、K_B1,1、K_B1,2、……、K_B1,n、K_B1,n+1，第二组线圈B的各偏离点的线圈常数为K_B2,0、K_B2,1、K_B2,2、……、K_B2,n、K_B2,n+1；其中每个线圈常数均为的函数。

步骤三、第一线圈A的各偏离点的线圈常数差值为0、K_B1,1-K_B1,0、K_B1,2-K_B1,0、……、K_B1,n-K_B1,0、K_B1,n+1-K_B1,0；第二线圈B的各偏离点的线圈常数差值为0、K_B2,1-K_B2,0、K_B2,2-K_B2,0、……、K_B2,n-K_B2,0、K_B2,n+1-K_B2,0。

令组合后的磁场线圈各点的线圈常数梯度为零，获得如下n+1个方程：

(K_B1,1-K_B1,0)+(K_B2,1-K_B2,0)＝0；

(K_B1,2-K_B1,0)+(K_B2,2-K_B2,0)＝0；

……

(K_B1,n-K_B1,0)+(K_B2,n-K_B2,0)＝0；

(K_B1,n+1-K_B1,0)+(K_B2,n+1-K_B2,0)＝0；

这(n+1)个方程均只包含两个变量w₁、w₂，计算得到(n+1)个的值，分别为

将上述(n+1)个的平均值作为组合磁场线圈的实际匝数比值，即

步骤四、根据的值，设置第一线圈A和第二线圈B的线圈匝数比例；当值为正数时，将A和B同向串连；当值为负数时，将A和B反向串连；

通过等比例的放大或减少w₁、w₂，得到不同线圈常数大小的组合磁场线圈。

本实施例中，n值太小会影响计算结果，太大则无实际意义，一般取n＝10左右。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种组合磁场线圈的均匀区实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、组合磁场线圈包括第一线圈A和第二线圈B，A和B同轴放置：预先确定A的直径为2a₁，A的线圈间距为2d₁，B的直径为2a₂，B的线圈间距为2d₂，当A的匝数为w₁，B的匝数为w₂时；

所述均匀区为半径为R的圆形区域，其圆心位于A和B的中心轴线上；

步骤二、在均匀区内，A和B的中心轴线上分别选取n+2个偏离点，其中n+2个偏离点与中心点的距离分别为第一线圈A的各偏离点的线圈常数分别为K_B1,0、K_B1,1、K_B1,2、……、K_B1,n、K_B1,n+1，第二组线圈B的各偏离点的线圈常数为K_B2,0、K_B2,1、K_B2,2、……、K_B2,n、K_B2,n+1；其中每个线圈常数均为的函数；

步骤三、所述第一线圈A的各偏离点的线圈常数差值为0、K_B1,1-K_B1,0、K_B1,2-K_B1,0、……、K_B1,n-K_B1,0、K_B1,n+1-K_B1,0；所述第二线圈B的各偏离点的线圈常数差值为0、K_B2,1-K_B2,0、K_B2,2-K_B2,0、……、K_B2,n-K_B2,0、K_B2,n+1-K_B2,0；

令组合后的磁场线圈各点的线圈常数梯度为零，获得如下n+1个方程：

(K_B1,1-K_B1,0)+(K_B2,1-K_B2,0)＝0；

(K_B1,2-K_B1,0)+(K_B2,2-K_B2,0)＝0；

……

(K_B1,n-K_B1,0)+(K_B2,n-K_B2,0)＝0；

(K_B1,n+1-K_B1,0)+(K_B2,n+1-K_B2,0)＝0；

这(n+1)个方程均只包含两个变量w₁、w₂，计算得到(n+1)个的值，分别为

将上述(n+1)个的平均值作为组合磁场线圈的实际匝数比值，即

$\frac{w_1}{w_2}=\frac{1}{n+1}\underset{i=1}{\overset{n+1}{\Σ}}{\left(\frac{w_1}{w_2}\right)}_i;$

步骤四、根据的值，设置第一线圈A和第二线圈B的线圈匝数比例；当值为正数时，将A和B同向串连；当值为负数时，将A和B反向串连；

通过等比例的放大或减少w₁、w₂，得到不同线圈常数大小的组合磁场线圈。

2.如权利要求1所述的一种合磁场线圈的均匀区实现方法，其特征在于，所述n取值为10。