CN106102427B - 一种新型屏蔽结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种新型屏蔽结构及其设计方法。主要解决了现有技术方案造价昂贵，屏蔽效果不理想的问题。其构造为闭合线圈同轴单轴排列，由闭合线圈构成的同轴排列组外设置有高导磁外屏蔽层，闭合线圈串联在一起，连接电源，设计方法步骤为，利用毕奥‑萨伐尔定律建立解析模型；采用镜像模型的方法构建包括外层导磁材料边界条件的线圈磁场分布模型；通过泰勒展开使二、四、六阶等偶数阶次系数在x＝0时为零，解出线圈间距、安匝数比值等关键结构参数。具有成本低廉，磁场屏蔽效果好的特点。

Description

一种新型屏蔽结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及电磁学领域，适用于零磁、弱磁环境模拟装置，磁场防护等领域，具体是一种新型屏蔽结构及其设计方法。

背景技术

目前，航天器试验、生物学实验、基础物理科学实验均对磁环境的洁净度及标准弱磁环境提出了迫切的需求。营造洁净磁环境方法一般有两种：一种是通过产生均匀磁场的通电线圈，进而抵消地球自身的均匀磁场及外界的人为磁场；一种是采用高导磁材料构建多层密闭被动屏蔽装置，通过磁通分流的方式将地磁场及人为磁环境屏蔽在构建的中心实验区之外。第一种方法优点在于成本低廉，但局部的抗干扰能力较差，是该方法无法应用在高磁场洁净度要求的重要原因，第二种方法虽然屏蔽效果好，但成本极高，无法普及到各个领域。

发明内容

为解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种屏蔽效果好、且成本较低的一种新型屏蔽结构及其设计方法。

技术方案：一种新型屏蔽结构，包括闭合线圈、外屏蔽层，所述的闭合线圈同轴单轴排列，由闭合线圈构成的同轴排列组外设置有高导磁外屏蔽层，闭合线圈串联在一起，连接电源。进一步的，所述的闭合线圈为四个一组同轴单轴四线圈排列，由四个闭合线圈构成的同轴排列组外设置有正六面体的高导磁外屏蔽层，闭合线圈串联在一起，连接电源，设d1为中间线圈的间距；d2为两边线圈的间距；a1为线圈的边长；a_shield为高导磁外屏蔽层边长； N_mid为中间线圈的匝数；N_side为两侧线圈的匝数。四个闭合线圈与高导磁外屏蔽层的结构尺寸比例关系为

d1/a1＝0.2734；d2/a1＝0.6259；a_shield/a1＝1.0432；N_mid/N_side＝12/17；

进一步的，闭合线圈排列方式为三轴四线圈结构；

一种新型屏蔽结构的设计方法，其设计方案如下：

Ⅰ、利用毕奥-萨伐尔定律建立解析模型，根据毕奥—萨伐尔定律可以推导出一段载流直导线，在空间某点p产生的磁通密度B为：

其中：

μ₀：真空磁导率

i：导线中不同位置的电流值

I：为导线中所通以的恒定电流

d：p点到通电直导线的垂直距离

θ₁、θ₂：为p点与通电导线两端连线与导线间的夹角；

正方形线圈空间任意点的磁场计算分析如下，以线圈轴向z方向为例，(x、y、z)为任意一点p点坐标；l为正方形线圈边长的1/2；

AB导线在p点在z方向产生的磁场B_AB：

CD导线在p点在z方向产生的磁场B_CD：

BC导线在p点在z方向产生的磁场B_BC：

DA导线在p点在z方向产生的磁场B_DA：

单个正方形线圈在p点z方向产生的磁场B_AB：

B＝B_AB+B_BC+B_CD+B_DA

同理可求得单个正方形线圈在p点x和y方向产生的磁场；

两对正对正方形线圈空间任意一点磁场，其中

a为中间两个线圈距离的1/2；

b为中间线圈与两侧线圈中邻近线圈的距离；

线圈1 AB导线在p点的z方向产生的磁场B_AB1z：

线圈1 CD导线在p点的z方向产生的磁场B_CD1z：

线圈1BC导线在p点的z方向产生的磁场B_BC1z：

线圈1DA导线在p点的z方向产生的磁场B_DA1z：

线圈1在p点的z方向产生的磁场B_1z：

B_1z＝B_AB1z+B_BC1z+B_CD1z+B_DA1z

线圈2 AB导线在p点的z方向产生的磁场B_AB2z：

线圈2 CD导线在p点的z方向产生的磁场B_CD2z：

线圈2BC导线在p点的z方向产生的磁场B_BC2z：

线圈2DA导线在p点的z方向产生的磁场B_DA2z：

线圈2在p点的z方向产生的磁场B_2z：

B_2z＝B_AB2z+B_BC2z+B_CD2z+B_DA2z

线圈3 AB导线在p点的z方向产生的磁场B_AB3z：

线圈3 CD导线在p点的z方向产生的磁场B_CD3z：

线圈3BC导线在p点的z方向产生的磁场B_BC3z：

线圈3DA导线在p点的z方向产生的磁场B_DA3z

线圈3在p点的z方向产生的磁场B_3z：

B_3z＝B_AB3z+B_BC3z+B_CD3z+B_DA3z

线圈4 AB导线在p点的z方向产生的磁场B_AB4z：

线圈4 CD导线在p点的z方向产生的磁场B_CD4z：

线圈4BC导线在p点的z方向产生的磁场B_BC4z：

线圈4DA导线在p点的z方向产生的磁场B_DA4z：

线圈4在p点的z方向产生的磁场B_4z：

B_4z＝B_AB4z+B_BC4z+B_CD4z+B_DA4z

线圈1、2、3、4在p点的z方向产生的磁场B_z：

B_z＝B_1z+B_2z+B_3z+B_4z

同理可以计算出其它两个方向上的磁场B_x和B_y，最后空间中任一点的总磁场

B＝B_x+B_y+B_z

Ⅱ、采用镜像模型的方法构建包括高导磁外屏蔽层的线圈磁场分布模型，通过镜像法模型可知呈90°夹角铁磁边界条件的模型；

Ⅲ、通过泰勒展开使包括二、四、六阶在内的偶数阶次系数在x＝0时为零，解出包括线圈间距、安匝数比值在内的结构参数，根据磁场均匀度的定义：

可知B-B₀越小，磁场的均匀度就会越好，将z轴线上的磁场B(z)，在0点泰勒展开：

由于线圈的结构对称，所以B(z)是关于z的偶函数，因此泰勒展开式中z的奇数次项系数都为零。所以上式可以写作如下形式：

式子左侧的B(z)-B(0)正是我们求解均匀度时需要用到的，而要想左侧接近于零，那么右侧的多数项也需要为零；

通过计算可优化得到结构尺寸关系如下：d1/a1＝0.2734；d2/a1＝0.6259；

a_shield/a1＝1.0432；N_mid/N_side＝12/17。

有益效果是：通过采用本发明的技术方案，结构为采用均匀场线圈外部增加一层导磁材料，不仅具有提高线圈产生磁场的能力，并且具有了磁通分流的作用，可提高屏蔽系统的局部补偿能力，该方案可有效的减低成本，并且由于外层的导磁材料的存在，结合线圈的优化设计，还提高了线圈所产生磁场的均匀度。

附图说明

图1为本发明单轴四线圈构造示意图。

图2为本发明三轴四线圈构造示意图。

图3为本发明单根直导线磁场分析原理图。

图4为本发明正方形线圈空间任一点的磁场计算原理图。

图5为本发明四个方兴线圈轴线上磁场分布图。

图6为90°夹角铁磁边界条件下，线电流的镜像法模型示意图。

图7为本发明单层闭合线圈镜像法模型示意图。

图8为本发明单轴四线圈完整镜像模型示意图。

图9为本发明z轴线上截面磁场分布图。

图10为本发明有限元计算结果仿真图。

图11为本发明有限元磁场均匀度分布仿真图。

图12为本发明无外导磁层屏蔽结构条件下磁场均匀度仿真图。

图13为本发明有外导磁层屏蔽结构磁场分布图。

图14为本发明无外导磁层屏蔽结构磁场分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示的一种新型屏蔽结构，包括闭合线圈、外屏蔽层，所述的闭合线圈同轴单轴排列，由闭合线圈构成的同轴排列组外设置有高导磁外屏蔽层，闭合线圈串联在一起，连接电源。

作为本发明的一个实施例，所述的闭合线圈为四个一组同轴单轴四线圈排列，由四个闭合线圈构成的同轴排列组外设置有正六面体的高导磁外屏蔽层，闭合线圈串联在一起，连接电源，设d1为中间线圈的间距；d2为两边线圈的间距；a1为线圈的边长；a_shield为高导磁外屏蔽层边长；N_mid为中间线圈的匝数；N_side为两侧线圈的匝数。四个闭合线圈与高导磁外屏蔽层的结构尺寸比例关系为d1/a1＝0.2734；d2/a1＝0.6259；a_shield/a1＝1.0432； N_mid/N_side＝12/17。

作为本发明的一个实施例，如图2所示，闭合线圈排列方式为三轴四线圈结构。

一种新型屏蔽结构的设计方法，其设计方案如下：

Ⅰ、利用毕奥-萨伐尔定律建立解析模型，根据毕奥—萨伐尔定律可以推导出一段载流直导线，如图3所示，在空间某点p产生的磁通密度B为：

其中：

μ₀：真空磁导率

i：导线中不同位置的电流值

I：为导线中所通以的恒定电流

d：p点到通电直导线的垂直距离

θ₁、θ₂：为p点与通电导线两端连线与导线间的夹角；

正方形线圈ABCD空间任意点的磁场分布如图4所示，磁场计算分析如下，以线圈轴向z 方向为例，(x、y、z)为任意一点p点坐标；l为正方形线圈边长的1/2；

AB导线在p点在z方向产生的磁场B_AB：

CD导线在p点在z方向产生的磁场B_CD：

BC导线在p点在z方向产生的磁场B_BC：

DA导线在p点在z方向产生的磁场B_DA：

单个正方形线圈ABCD在p点z方向产生的磁场B_AB：

B＝B_AB+B_BC+B_CD+B_DA

同理可求得单个正方形线圈ABCD在p点x和y方向产生的磁场；

根据图5四个方形线圈轴线上的磁场分布图，可求得两对正对正方形线圈空间任意一点磁场，图5所示，其中两对也就是四个线圈以o为原点沿z轴同轴单轴排列，均匀分布在z轴上的原点两侧，也就是原点两侧分别有两个线圈，且原点o到两侧线圈的距离相等。

a为中间两个线圈距离的1/2；

b为中间线圈与两侧线圈中邻近线圈的距离；

线圈1 AB导线在p点的z方向产生的磁场B_AB1z：

线圈1 CD导线在p点的z方向产生的磁场B_CD1z：

线圈1BC导线在p点的z方向产生的磁场B_BC1z：

线圈1DA导线在p点的z方向产生的磁场B_DA1z：

线圈1在p点的z方向产生的磁场B_1z：

B_1z＝B_AB1z+B_BC1z+B_CD1z+B_DA1z

线圈2 AB导线在p点的z方向产生的磁场B_AB2z：

线圈2 CD导线在p点的z方向产生的磁场B_CD2z：

线圈2BC导线在p点的z方向产生的磁场B_BC2z：

线圈2DA导线在p点的z方向产生的磁场B_DA2z：

线圈2在p点的z方向产生的磁场B_2z：

B_2z＝B_AB2z+B_BC2z+B_CD2z+B_DA2z

线圈3 AB导线在p点的z方向产生的磁场B_AB3z：

线圈3 CD导线在p点的z方向产生的磁场B_CD3z：

线圈3BC导线在p点的z方向产生的磁场B_BC3z：

线圈3DA导线在p点的z方向产生的磁场B_DA3z：

线圈3在p点的z方向产生的磁场B_3z：

B_3z＝B_AB3z+B_BC3z+B_CD3z+B_DA3z

线圈4 AB导线在p点的z方向产生的磁场B_AB4z：

线圈4 CD导线在p点的z方向产生的磁场B_CD4z：

线圈4BC导线在p点的z方向产生的磁场B_BC4z：

线圈4DA导线在p点的z方向产生的磁场B_DA4z：

线圈4在p点的z方向产生的磁场B_4z：

B_4z＝B_AB4z+B_BC4z+B_CD4z+B_DA4z

线圈1、2、3、4在p点的z方向产生的磁场B_z：

B_z＝B_1z+B_2z+B_3z+B_4z

同理可以计算出其它两个方向上的磁场B_x和B_y，最后空间中任一点的总磁场

B＝B_x+B_y+B_z

Ⅱ、采用镜像模型的方法构建包括高导磁外屏蔽层的线圈磁场分布模型，通过镜像法模型可知呈90°夹角铁磁边界条件的模型，如图6所示，因此可构建单层闭合线圈的镜像法模型，如图7所示中心为线圈原像，线圈原像外框为外导磁层，周围虚线为线圈镜像，以单层线圈径向为基础，单轴四线圈屏蔽装置完整结构镜像模型如图8所示；

Ⅲ、通过泰勒展开使二、四、六阶等偶数阶次系数在x＝0时为零，解出线圈间距、安匝数比值等关键结构参数，根据磁场均匀度的定义：可知B-B₀越小，磁场的均匀度就会越好，所以不妨将某一轴线上的磁场，如B(z)，在0点泰勒展开：

由于线圈的结构对称，所以B(z)是关于z的偶函数，因此泰勒展开式中z的奇数次项系数都为零。所以上式可以写作如下形式：

式子左侧的B(z)-B(0)正是我们求解均匀度时需要用到的，而要想左侧接近于零，那么右侧的多数项也需要为零；

通过计算可优化得到结构尺寸关系如下：d1/a1＝0.2734；d2/a1＝0.6259； a_shield/a1＝1.0432；N_mid/N_side＝12/17，该方法不限与线圈个数、形状及与外导磁层的距离；外导磁层的形状同样也不受限。

根据有限元模型进行验证，得到zx截面的Bx的分布如图9所示，从上述的计算中可以看出，经优化后的磁场分布的均匀度明显提高，如图10、图11所示，在4*4m的范围内，均匀度[-1.2～2.5％]，而原方案merritt线圈的均匀度[-3.5～5％]，大幅提高均匀区。还值得一提的是，仅在4*4m四个顶点的磁场的均匀度才出现大的异样值，意味着若区域用球或圆的方式来衡量其均匀度更高。

在无外导磁层结构条件下，构建了传统的merritt线圈系统，计算结果如图12所示，同样在4*4m的区间内，磁场的均匀度[-5.2～1.5％]，要大于优化后的有屏蔽结构的均匀度[- 1.2～2.5％]。另外，在相同匝数、相同电流情况下，新型结构产生的中心点Bx是传统无屏蔽结构merritt线圈的1.5倍，有效的提高了电流产生磁场的效率。

通过有限元方法验证了有、无外导磁层屏蔽结构对外界磁环境局部扰动的抗干扰能力，通过图13有外导磁层屏蔽结构磁场分布图以及图14无外导磁层结构磁场分布图并结合表1、表2可以明显的看出，有外导磁层的屏蔽方案受外界的局部磁场扰动更小，表1、表2中异样数据，数据单位为：T

表1、有外导磁层屏蔽结构磁场分布数据表

表2、无外导磁层屏蔽结构磁场分布数据表

从表1和表2两个表格中被标注的的异样数据可以看出，表2的异样区明显更大，磁场异样区已渗透至中心区，即试验区，严重影响试验区产生磁场的均匀性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种新型屏蔽结构，包括闭合线圈、高导磁外屏蔽层，其特征在于：所述的闭合线圈外设置有高导磁外屏蔽层,所述的闭合线圈排列方式为三轴四线圈结构,每个轴上的闭合线圈为四个一组同轴单轴四线圈排列，每个轴上的闭合线圈串联在一起，连接电源；设d1为中间线圈的间距；d2为两边线圈的间距；a1为线圈的边长；a_shield为高导磁外屏蔽层边长；N_mid为中间线圈的匝数；N_side为两侧线圈的匝数；四个闭合线圈与高导磁外屏蔽层的结构尺寸比例关系为d1/a1＝0.2734；d2/a1＝0.6259；a_shield/a1＝1.0432；N_mid/N_side＝12/17。

2.根据权利要求1所述的一种新型屏蔽结构的设计方法，其特征在于：

Ⅰ、利用毕奥-萨伐尔定律建立解析模型，根据毕奥—萨伐尔定律可以推导出一段载流直导线，在空间某点p产生的磁通密度B为：

其中：

μ₀：真空磁导率

i：导线中不同位置的电流值

I：为导线中所通以的恒定电流

d：p点到通电直导线的垂直距离

θ₁、θ₂：为p点与通电导线两端连线与导线间的夹角；

正方形线圈ABCD空间任意点的磁场计算分析如下，以线圈轴向z方向为例，

(x、y、z)为任意一点p点坐标；l为正方形线圈边长的1/2；

AB导线在p点在z方向产生的磁场B_AB：

CD导线在p点在z方向产生的磁场B_CD：

BC导线在p点在z方向产生的磁场B_BC：

DA导线在p点在z方向产生的磁场B_DA：

单个正方形线圈ABCD在p点z方向产生的磁场B_AB：

B＝B_AB+B_BC+B_CD+B_DA

同理可求得单个正方形线圈ABCD在p点x和y方向产生的磁场；

两对正对正方形线圈空间任意一点磁场，其中

a为中间两个线圈1、线圈2距离的1/2；

b为中间线圈与两侧线圈中邻近线圈的距离；

线圈1AB导线在p点的z方向产生的磁场B_AB1z：

线圈1CD导线在p点的z方向产生的磁场B_CD1z：

线圈1BC导线在p点的z方向产生的磁场B_BC1z：

线圈1DA导线在p点的z方向产生的磁场B_DA1z：

线圈1在p点的z方向产生的磁场B_1z：

B_1z＝B_AB1z+B_BC1z+B_CD1z+B_DA1z

线圈2AB导线在p点的z方向产生的磁场B_AB2z：

线圈2CD导线在p点的z方向产生的磁场B_CD2z：

线圈2BC导线在p点的z方向产生的磁场B_BC2z：

线圈2DA导线在p点的z方向产生的磁场B_DA2z：

线圈2在p点的z方向产生的磁场B_2z：

B_2z＝B_AB2z+B_BC2z+B_CD2z+B_DA2z

线圈3AB导线在p点的z方向产生的磁场B_AB3z：

线圈3CD导线在p点的z方向产生的磁场B_CD3z：

线圈3BC导线在p点的z方向产生的磁场B_BC3z：

线圈3DA导线在p点的z方向产生的磁场B_DA3z：

线圈3在p点的z方向产生的磁场B_3z：

B_3z＝B_AB3z+B_BC3z+B_CD3z+B_DA3z

线圈4AB导线在p点的z方向产生的磁场B_AB4z：

线圈4CD导线在p点的z方向产生的磁场B_CD4z：

线圈4BC导线在p点的z方向产生的磁场B_BC4z：

线圈4DA导线在p点的z方向产生的磁场B_DA4z：

线圈4在p点的z方向产生的磁场B_4z：

B_4z＝B_AB4z+B_BC4z+B_CD4z+B_DA4z

线圈1、2、3、4在p点的z方向产生的磁场B_z：

B_z＝B_1z+B_2z+B_3z+B_4z

同理可以计算出其它两个方向上的磁场B_x和B_y，最后空间中任一点的总磁场

B＝B_x+B_y+B_z

Ⅱ、采用镜像模型的方法构建包括高导磁外屏蔽层的线圈磁场分布模型，通过镜像法模型可知呈90°夹角铁磁边界条件的模型；

Ⅲ、通过泰勒展开使包括二、四、六阶在内的偶数阶次系数在x＝0时为零，解出包括线圈间距、安匝数比值在内的结构参数，根据磁场均匀度的定义：可知B-B₀越小，磁场的均匀度就会越好，将z轴线上的磁场B(z)，在0点泰勒展开：

由于线圈的结构对称，所以B(z)是关于z的偶函数，因此泰勒展开式中z的奇数次项系数都为零，所以上式可以写作如下形式：

通过计算可优化得到结构尺寸关系如下：d1/a1＝0.2734；d2/a1＝0.6259；

a_shield/a1＝1.0432；N_mid/N_side＝12/17。