CN111507039B - 一种切割铜皮式梯度线圈设计方法 - Google Patents

一种切割铜皮式梯度线圈设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111507039B
CN111507039B CN202010337303.8A CN202010337303A CN111507039B CN 111507039 B CN111507039 B CN 111507039B CN 202010337303 A CN202010337303 A CN 202010337303A CN 111507039 B CN111507039 B CN 111507039B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gradient coil
wiring area
flow function
function
cutting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010337303.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111507039A (zh
Inventor
李黎
平学伟
殷兴辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hohai University HHU
Original Assignee
Hohai University HHU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hohai University HHU filed Critical Hohai University HHU
Priority to CN202010337303.8A priority Critical patent/CN111507039B/zh
Publication of CN111507039A publication Critical patent/CN111507039A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111507039B publication Critical patent/CN111507039B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
    • G01R33/385—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using gradient magnetic field coils
    • G01R33/3858—Manufacture and installation of gradient coils, means for providing mechanical support to parts of the gradient-coil assembly
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/04—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing coils

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)

Abstract

本发明公开了一种切割铜皮式梯度线圈的设计方法。该方法采用流函数法设计梯度线圈。首先确定梯度线圈的布线区域以及各个输入参数；然后采用流函数法设计梯度线圈优化布线区域内的流函数分布；再次根据得到的流函数分布对布线区域外边界进行修正，得到新的布线区域外边界；最后根据得到的新的布线区域外边界，在新的布线区域内重新优化流函数，根据重新优化的流函数得到梯度线圈结构。本发明设计的梯度线圈考虑了线圈之间引线的位置，更易于装配。

Description

一种切割铜皮式梯度线圈设计方法
技术领域
本发明专利涉及一种高性能梯度线圈设计方法，更具体地涉及一种切割铜皮式梯度线圈设计方法。
背景技术
梯度线圈的制作方法分为绕线式与切割铜皮式两种。绕线式制作方法更为简单，容易加工，但是切割铜皮式制作方式制作的线圈电阻、电感都更小。因此，在柱面梯度线圈中，采用切割铜皮式制作方式是一种更优的选择。
但是在已有的文献中，很少有论述切割铜皮式梯度线圈设计方法的资料。理论上，无论是绕线式还是切割铜皮式梯度线圈的设计方法并无不同。例如采用流函数法设计时，二者的方法完全相同。只是在根据流函数求线圈结构时，绕线法是将每圈的流函数中心线作为放置导线的位置，而切割铜皮法则是将每圈的内外边界作为切割线的位置。
对于切割铜皮法来说，采用上述方法得到的最外圈边界为布线区域边界。这样会产生一些问题。1、最外圈的铜皮宽度远大于其他圈的铜皮宽度，在接通电流时，铜皮上的电流密度分布与设计的电流密度分布会有较大的误差，从而导致线圈的性能与设计性能有差异。2、没有考虑各片线圈之间的间隙以及连接线圈的电流引线的位置，不但线圈之间容易短路，而且不利于装配。这些问题可以在线圈设计好后对最外圈进行处理来解决，但是这样实际的线圈结构与设计的结构不一致，会引起一些误差，从而造成线圈电磁性能的下降。比较好的办法是在线圈设计阶段解决该问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种考虑线圈之间引线位置，并且易于装配的切割铜皮式梯度线圈设计方法。
技术方案：本发明采用有限元法设计梯度线圈，过程描述如下：
本发明所述的切割铜皮式梯度线圈设计方法，包括以下步骤：
(1)确定梯度线圈的布线区域以及各个输入参数；
(2)采用流函数法设计梯度线圈优化布线区域内的流函数分布；
(3)根据步骤(2)得到的流函数分布对布线区域外边界进行修正，得到新的布线区域；
(4)在新的布线区域内重新优化流函数，根据重新优化的流函数得到梯度线圈结构。
进一步，步骤(1)中输入参数包括：布线区域范围、成像区域半径、梯度场强度和线性度。
进一步，步骤(2)包括以下步骤：
(21)对步骤(1)确定的布线区域采用三角形网格进行剖分，并对网格进行编号；并在每个三角形网格内构造流函数基函数
Figure GDA0003794582430000021
i为第i个三角形网格，j为第i个三角形内的第j个面积；
(22)求编号为i的三角形网格内的流函数的展开式；
(23)在布线区域的边界处，令
Figure GDA0003794582430000022
构造目标函数，然后在约束条件为
Figure GDA0003794582430000023
时对目标函数极值进行求解；
(24)根据流函数分布，得到梯度线圈的结构。
上述步骤(21)中函数基函数
Figure GDA0003794582430000024
表达式为：
Figure GDA0003794582430000025
其中，εij表示第i个三角形内的第j个面积坐标。
上述步骤(22)中编号为i的三角形网格内的流函数的展开式为：
Figure GDA0003794582430000026
其中，xij为待求系数。
上述步骤(23)中目标函数表达式为：
Figure GDA0003794582430000027
其中，α为权重系数，S为梯度线圈所在的面，P为采样点个数，
Figure GDA0003794582430000028
为编号为p的采样点处的坐标矢量，
Figure GDA0003794582430000029
为布线区域内任一点的矢量坐标，
Figure GDA00037945824300000210
为电流密度矢量。
进一步，步骤(3)中采用以下函数确定布线区域新的外边界：
Figure GDA0003794582430000031
其中，
Figure GDA0003794582430000032
为布线区域内任一点处的坐标矢量，s为步骤(2)求得的流函数分布，δ为一个预先给定的实数，取值范围为
Figure GDA0003794582430000033
进一步，步骤(4)中将新的外边界线作为整个布线区域的外边界，并在新的布线区域内重新优化流函数，然后通过寻求以下等势线来得到铜皮的切割线：
Figure GDA0003794582430000034
其中，N为梯度线圈内包含的载流环圈数，smax为流函数的最大值，k为第i个载流环，k＝0,1,2…N。
有益效果：与现有技术相比，本发明对于切割铜皮式梯度线圈，提出的设计方法充分考虑了对线圈最外圈边界的处理，设计的线圈结构更易于制作，方便装配，并留出了引线走线位置。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是不做边界处理的切割铜皮式柱面梯度线圈结构；
图3是边界处理后重新设计的梯度线圈结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明所述的设计方法中，首先确定梯度线圈的布线区域，然后采用流函数法设计梯度线圈，并优化布线区域内的流函数分布。根据优化结果重新确定布线区域的边界，并采用流函数法对新的布线区域内的流函数进行优化，根据新的流函数分布得到最终的梯度线圈结构。
下面我们针对磁共振系统中的柱面梯度线圈设计来说明该方法的具体实施方案。
柱面梯度线圈为马鞍式结构。整个线圈可分为四部分，通过导线串联起来。如果线圈为对称结构，则四部分的形状相同，为四片马鞍形结构。线圈采用切割铜皮式制作方法。这里只考虑对称结构，布线区域只需考虑整个区域的1/4即可。假设所设计梯度线圈为y方向梯度线圈，即梯度场方向为直角坐标系y方向的线圈。在圆柱坐标内，布线区域范围为：
Figure GDA0003794582430000035
0≤z≤L，即第一二象限所在的柱面，其中
Figure GDA0003794582430000036
和z为圆柱坐标系中的坐标变量，
Figure GDA0003794582430000041
圆柱坐标系中有一点，
Figure GDA0003794582430000042
为该点在xoy平面上的投影点的方位角，即坐标原点到投影点的连线与正x轴的夹角，z是该点离xoy平面的距离，L是柱面梯度线圈的轴向长度，即圆柱的高。采用常规的设计方法，在每个马鞍形结构的四个拐点处由于边界不光滑，其附近的电流片宽度会非常大。无论采用绕线法还是切割铜皮法，对该处区域的电流密度的处理都会存在问题。对绕线法来说，由于该区域的载流片很宽，用放置在电流中心的导线近似整个载流片会产生较大误差。对切割铜皮法来说，即使铜皮外形与载流片的外形相同，但实际的电流分布与设计的电流分布不一定相同。铜皮越宽则误差越大。除此之外，由于切割铜皮法得到的最外圈边界为布线区域边界，因此没有进线与出线的走线位置。本发明为了此问题提出了一种合理的解决办法。
如图1所示，本发明所述切割铜皮式梯度线圈的设计方法，包括以下步骤：
(1)确定梯度线圈的布线区域以及各个输入参数；
需要输入的参数为布线区域尺寸(对于柱面梯度线圈来说为柱面半径、轴向长度)、成像区域范围、梯度场强度和线性度。
(2)采用流函数法设计梯度线圈，优化布线区域内的流函数分布，具体步骤如下；
(21)对步骤(1)确定的布线区域采用三角形网格进行剖分，并对三角形网格进行编号；在每个三角形网格内，定义如下的流函数基函数：
Figure GDA0003794582430000043
其中，εij表示第i个三角形内的第j个面积坐标。
(22)在编号为i的三角形网格内，流函数可以表示为如下展开式：
Figure GDA0003794582430000044
其中，xij为待求系数。
(23)在布线区域的边界处，令
Figure GDA0003794582430000045
构造如下的目标函数，并在约束条件为
Figure GDA0003794582430000046
时对其极值进行求解：
Figure GDA0003794582430000047
其中，α为权重系数，S为梯度线圈所在的面，P为采样点个数，
Figure GDA0003794582430000051
为编号为p的采样点处的坐标矢量，
Figure GDA0003794582430000058
为布线区域内任一点的矢量坐标，
Figure GDA0003794582430000052
为电流密度矢量。
(24)根据流函数分布，进而可以得到最外圈的外边界为：
Figure GDA0003794582430000053
内边界为：
Figure GDA0003794582430000054
其中N为线圈内包含的载流环数目，线圈的外边界即为布线区域的边界。
(3)根据步骤(2)得到的流函数分布对布线区域外边界进行修正，得到新的布线区域；
如前所述，采用原始的布线区域边界作为线圈边界会出现一些问题，因此必须对该边界进行修正。修正规则为：线圈的外边界线要尽量光滑，并且保证拐角处最外圈载流片的宽度与其他地方相当，并且要尽量不影响线圈的电磁性能。一种可行的方法是采用以下函数确定布线区域的外边界线：
Figure GDA0003794582430000055
其中，
Figure GDA0003794582430000059
为布线区域内任一点处的坐标矢量，s为步骤(2)求得的流函数分布，δ为一个预先给定的实数，取值范围为
Figure GDA0003794582430000056
(4)在新的布线区域内重新优化流函数，根据重新优化的流函数得到梯度线圈结构；
直接修正线圈的外边界线，会改变线圈内的电流密度分布，从而会影响线性度。为了抵消这种影响，本发明根据流函数分布重新确定布线区域的外边界，并在新的布线区域内重新优化流函数，然后通过寻求如下等势线来得到铜皮的切割线：
Figure GDA0003794582430000057
其中，N为梯度线圈内包含的载流环圈数，smax为流函数的最大值，k为第k个载流环，k＝0,1,2…N。
通过这种方法，设计的梯度线圈外观更光滑，而且能充分考虑线圈之间引线的位置，更易于线圈装配，并且不影响线圈的性能。
图2和图3是本发明实施例设计的一个铜皮切割式梯度线圈例子。图2是没做边界优化的柱面梯度线圈结构。可以看出，如果不做边界处理的话，则四片马鞍式结构完全连在一起，这种线圈显然是很难装配的，不但没有考虑每片线圈之间的间隙，没有引线的走线位置，而且最外圈的四个顶点处电流弯曲幅度大，铜皮宽度大，可以预计最外圈内的实际电流密度分布与理论结果有较大误差。根据图2的结果对最外圈边界进行处理，然后对布线区域重新剖分并优化。得到的新梯度线圈结构如图3所示。可以看出，进行边界处理后，线圈的结构得到了很大的改善。由于图3的线圈外形是采用流函数法确定线圈外边界后对线圈重新设计得到的结果，因此不会影响线圈的电磁性能。

Claims (6)

1.一种切割铜皮式梯度线圈设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定梯度线圈的布线区域以及各个输入参数；
(2)采用流函数法设计梯度线圈优化布线区域内的流函数分布；
(3)根据步骤(2)得到的流函数分布对布线区域外边界进行修正，得到新的布线区域；具体的：
采用以下函数确定布线区域新的外边界：
Figure FDA0003794582420000011
其中，
Figure FDA0003794582420000017
为布线区域内任一点处的坐标矢量，s为步骤(2)求得的流函数分布，δ为一个预先给定的实数，取值范围为
Figure FDA0003794582420000012
(4)在新的布线区域内重新优化流函数，根据重新优化的流函数得到梯度线圈结构；具体的：
将新的外边界线作为整个布线区域的外边界，并在新的布线区域内重新优化流函数，然后通过寻求以下等势线来得到铜皮的切割线：
Figure FDA0003794582420000013
其中，N为梯度线圈内包含的载流环圈数，smax为流函数的最大值，k为非负整数，k＝0,1,2…N。
2.根据权利要求1所述的切割铜皮式梯度线圈设计方法，其特征在于，步骤(1)中输入参数包括：布线区域范围、成像区域半径、梯度场强度和线性度。
3.根据权利要求1所述的切割铜皮式梯度线圈设计方法，其特征在于，步骤(2)包括以下步骤：
(21)对步骤(1)确定的布线区域采用三角形网格进行剖分，并对网格进行编号；并在每个三角形网格内构造流函数基函数
Figure FDA0003794582420000014
i为第i个三角形网格，j为第i个三角形内的第j个面积；
(22)求编号为i的三角形网格内的流函数的展开式；
(23)在布线区域的边界处，令
Figure FDA0003794582420000015
构造目标函数，然后在约束条件为
Figure FDA0003794582420000016
时对目标函数极值进行求解；
(24)根据流函数分布，得到梯度线圈的结构。
4.根据权利要求3所述的切割铜皮式梯度线圈设计方法，其特征在于，步骤(21)中函数基函数
Figure FDA0003794582420000021
表达式为：
Figure FDA0003794582420000022
其中，εij表示第i个三角形内的第j个面积坐标。
5.根据权利要求3所述的切割铜皮式梯度线圈设计方法，其特征在于，步骤(22)中编号为i的三角形网格内的流函数的展开式为：
Figure FDA0003794582420000023
其中，xij为待求系数。
6.根据权利要求3所述的切割铜皮式梯度线圈设计方法，其特征在于，步骤(23)中目标函数表达式为：
Figure FDA0003794582420000024
其中，α为权重系数，S为梯度线圈所在的面，P为采样点个数，
Figure FDA0003794582420000025
为编号为p的采样点处的坐标矢量，
Figure FDA0003794582420000026
为布线区域内任一点的矢量坐标，
Figure FDA0003794582420000027
为电流密度矢量。
CN202010337303.8A 2020-04-26 2020-04-26 一种切割铜皮式梯度线圈设计方法 Active CN111507039B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010337303.8A CN111507039B (zh) 2020-04-26 2020-04-26 一种切割铜皮式梯度线圈设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010337303.8A CN111507039B (zh) 2020-04-26 2020-04-26 一种切割铜皮式梯度线圈设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111507039A CN111507039A (zh) 2020-08-07
CN111507039B true CN111507039B (zh) 2022-10-14

Family

ID=71874714

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010337303.8A Active CN111507039B (zh) 2020-04-26 2020-04-26 一种切割铜皮式梯度线圈设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111507039B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114068133B (zh) * 2020-08-10 2022-10-14 河海大学 一种新型超导磁体线圈结构与设计方法
CN117590138B (zh) * 2024-01-16 2024-04-05 苏州元脑智能科技有限公司 铜皮检查方法、装置、电子设备及介质

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104007407A (zh) * 2014-06-13 2014-08-27 河海大学 结合泛函与模拟退火算法的梯度线圈设计方法
CN104198969A (zh) * 2014-08-14 2014-12-10 南京工程学院 一种梯度线圈设计方法
CN105205227A (zh) * 2015-08-31 2015-12-30 河海大学 一种基于最小vrms误差的梯度线圈设计方法
CN105445683A (zh) * 2015-11-16 2016-03-30 河海大学 一种柱面横向自屏蔽梯度线圈设计方法
CN105718677A (zh) * 2016-01-22 2016-06-29 中国科学院电工研究所 自屏蔽超导核磁共振成像系统梯度线圈设计方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104007407A (zh) * 2014-06-13 2014-08-27 河海大学 结合泛函与模拟退火算法的梯度线圈设计方法
CN104198969A (zh) * 2014-08-14 2014-12-10 南京工程学院 一种梯度线圈设计方法
CN105205227A (zh) * 2015-08-31 2015-12-30 河海大学 一种基于最小vrms误差的梯度线圈设计方法
CN105445683A (zh) * 2015-11-16 2016-03-30 河海大学 一种柱面横向自屏蔽梯度线圈设计方法
CN105718677A (zh) * 2016-01-22 2016-06-29 中国科学院电工研究所 自屏蔽超导核磁共振成像系统梯度线圈设计方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于梯度电感约束和图形处理单元加速算法的磁共振双平面自屏蔽梯度线圈设计方法;黄清明等;《中国医学影像技术》;20200320;第36卷(第3期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111507039A (zh) 2020-08-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111507039B (zh) 一种切割铜皮式梯度线圈设计方法
CN101855682B (zh) 导体组件和导体组件的制造方法
JP5695241B2 (ja) 傾斜磁場コイルおよび核磁気共鳴撮像装置
CN109765510B (zh) 一种带有圆角的径向超导匀场线圈设计方法
CN110568390A (zh) 一种双平面匀场线圈的设计方法
CN101876692A (zh) 横向折叠的梯度线圈
JP2013532495A (ja) 小型超伝導磁石装置
WO2021104337A1 (zh) 用于平面超导磁共振系统的高屏蔽梯度线圈设计方法及其梯度线圈
CN101852843A (zh) 一种超导磁体外磁屏蔽线圈的优化设计算法
JP6202165B2 (ja) コモンモードフィルタ
CN112597617A (zh) 一种梯度场线圈优化方法
CN100339050C (zh) 一种磁共振成像系统中减小梯度线圈涡流的方法
EP4046175A1 (en) Inductor devices and implementations
US10217555B2 (en) Compact inductor
JP2021141286A (ja) コイル部品
JP2010153416A (ja) スパイラルインダクタ
CN104198968B (zh) 一种横向梯度线圈及其制作方法
US20140225705A1 (en) Flat inductor and methods of manufacturing and using the same
CN214201746U (zh) 短尺寸梯度线圈、梯度系统及磁共振成像系统
Bossert et al. Analytical solutions to SSC coil end design
CN114217254A (zh) 一种高线性度梯度线圈设计方法
CN112100794A (zh) 一种基于电流密度展开的磁共振线圈去耦合设计方法
US5623208A (en) Z-axis magnetic field gradient coil structure for magnetic resonance system
CN110416189B (zh) 高品质因数的集成电路电感装置及其制造方法
JP6327639B2 (ja) 直交型ソレノイドインダクタ

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant