CN112335003A - 具有大均匀性体积和大接触区域的多面体线圈系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生均匀磁场的线圈系统(30、40、50)，其包括线圈组件(2)，每个组件由至少两个线圈(S1、S2、S3)构成，该至少两个线圈的相应绕组(W1、W‑2、W3)跨越彼此平面平行的、具有不同的尺寸且垂直于该面延伸的公共旋转轴线的旋转对称面，该公共旋转轴线形成线圈轴线(4)，其中电流能够以相反的方向流过线圈(S1、S2、S3)中的至少一个，其特征在于至少两个线圈组件(2)，其中每个线圈组件(2)的线圈(S1、S2、S3)位于生成棱锥的底部内并且被取向为与其平面平行，生成棱锥的尖端与规则的凸多面体的中心重合，并且其底表面与凸多面体的一个这样的面相同，在凸多面体上，棱锥尖端在棱锥底表面上的投影与棱锥底表面的中心重合。

Description

具有大均匀性体积和大接触区域的多面体线圈系统

技术领域

本发明涉及一种用于产生均匀磁场的线圈系统，该线圈系统包括线圈组件，每个线圈组件由至少两个线圈组成，所述线圈的相应绕组形成平面平行的旋转对称表面，该旋转对称表面具有不同尺寸和作为垂直于该表面延伸的线圈轴线的公共旋转轴线，电流以相反的方向流过所述线圈中的至少一个。

背景技术

基于这种线圈组件的线圈系统通过添加所述线圈组件来实现适于产生均匀磁场的线圈系统。特别地，如果它们的线圈轴线彼此正交，则所述线圈系统适合于在任何方向上产生均匀场。在线圈系统中心具有高度均匀性的磁场实际上关于强度和方向是不变化的，并且在系统外部迅速下降。如果以合适的方式实现线圈系统，则可以产生可忽略的远磁场特征，其可以以如下方式呈现其自身：例如，线圈系统外部的磁场在三个系统尺寸的距离处已经下降了几个数量级；例如，为了符合电磁极限值，这可是非常重要的。如果将线圈系统相互用作测量线圈，则线圈系统的特征在于它们非常有效地抑制了附近源的干扰场。

应用的示例是工业应用，例如磁场传感器的校准、磁干扰场的补偿、磁性特征的中和、永磁体的测试和质量控制以及在材料研究或医学技术(例如磁共振成像)中的用途。

亥姆霍兹(Helmholtz)线圈被称为对称线圈组件，用于产生均匀的磁场，电流沿相同方向流过相同尺寸的两个圆形线圈，其具有半径R并且以限定的距离R平面平行地布置在公共轴线上。

为了提高线圈组件中心中所产生磁场的均匀性程度和/或减少远场特征或更有效地抑制附近源的干扰场，现有技术已采用了不同的方法。

作为亥姆霍兹线圈的改进，在专利申请EP 2487500 A1中公开了一种对称线圈系统，该对称线圈系统具有两对亥姆霍兹线圈，该亥姆霍兹线圈线性布置并且包括具有相同直径的线圈。电流以相同的方向流过该两对线圈。为了进一步提高磁场的均匀性，还已知使用线圈对，该线圈对包括具有不同直径的线圈，并且电流沿相反的方向流过该线圈对。此外，已知由两个以上的线圈组成的线圈组件，电流沿相同的方向流过该线圈，并且该线圈具有不同的半径，例如布朗贝克(Braunbek)线圈(每轴4个线圈)或麦克斯韦(Maxwell)线圈(每轴3个线圈，其中一个在线圈的中心)。

此外，存在多维布置的复杂的线圈系统，例如三轴相互嵌套的亥姆霍兹线圈或布朗贝克线圈，以增加磁场的均匀性，同时使线圈系统的尺寸保持不变。

基于亥姆霍兹组件的线圈系统的缺点在于，与整个线圈系统的尺寸相比，位于该组件中心的实验空间(即磁场基本均匀的可用空间)相对较小。为了获得足够大的具有相应充电口或接触区域的实验空间，可能必须使用非常大的线圈。例如，在一对简单的亥姆霍兹线圈中，线圈半径为一米，实际上磁场不变的可用空间仅为±0.2m。在均匀性与线圈尺寸的比值较高的线圈组件中，接触区域显着减小，因此必须选择大的线圈系统，以便刚好保证接触实验体积。

特别是在基于亥姆霍兹线圈的进步中，可以提高磁场的均匀性，在某些情况下，需要指出设计规格，以便获得所需尺寸的指定实验空间。但是，所需的大线圈尺寸与所提供的可用实验空间成比例，由于复杂的线圈几何形状而导致的实验空间有限可接触性，以及尤其是在3D系统中针对每个轴线出现的包括所得线圈参数的不同线圈几何形状这一事实仍然不能令人满意。

发明内容

因此，本发明的目的是创建一种产生均匀磁场的线圈系统，其中，所述磁场将在与线圈系统的尺寸成比例的尽可能大的空间区域上延伸，其中，线圈系统确保实验空间的大接触区域，同时仍提供高度的均匀性，其中，线圈系统由相同的线圈组件构成，并且其中，线圈系统针对每个线圈轴线提供相同的线圈参数。

结合权利要求1的前序部分的特征通过以下事实得以实现所述目的：线圈系统由至少两个线圈组件构成，各个线圈组件的线圈位于内部并平行于生成棱锥的底表面取向，生成棱锥的顶点与规则的凸多面体的中心重合，并且生成棱锥的底表面与凸多面体的表面相同，在该凸多面体中，棱锥顶点在棱锥底表面上的投影与棱锥底表面的中心重合。

生成棱锥由作为底表面的多面体表面以及作为棱锥顶点的多面体中心构成。具有n个表面的多面体由n个生成棱锥构成。

在具有边长a的立方体的优选情况下，生成棱锥具有90°的张开角度、边长为a的正方形底表面和0.5*a的高度。在具有边长a的四面体的情况下，生成棱锥具有109.5°的张开角度、作为底表面的边长为a的等边三角形以及高度。

因此，本发明的思想是提供一种用于产生均匀磁场的线圈系统的线圈组件，其中该线圈系统可以由多个所述线圈组件构成。线圈系统中各个线圈组件的位置和取向优选适合于规则的几何体的表面，例如具有n个表面的规则的凸多面体，并且其优选对应于与n等于6的立方体。

出发点是由前序部分的特征要求保护的线圈组件，并且其描述了现有技术中已知的线圈的横截面的平面平行且共轴的组件。根据本发明，线圈系统由至少两个所述线圈组件构成，相应线圈组件的线圈位于满足所述几何要求的生成棱锥的内部。

如果将规则的凸多面体实现为四面体，该四面体具有作为表面的四个等边三角形，并因此具有作为生成棱锥的四个三角形棱锥，则会产生四个线圈组件。如果将规则的凸多面体实现为立方体，则将因此根据要在一个空间方向还是三个空间方向上测量磁场而提供两个或六个具有正方形底表面的生成棱锥，每个棱锥包括一个线圈组件。

仅以下这种表面适合作为规则的凸多面体的表面：在该表面中，构造在所述表面上的生成棱锥的棱锥顶点在棱锥底表面上的投影与底表面的中心重合，即棱锥顶点的垂线的底端(foot)被映射在棱锥底表面的中心上。

如果线圈几何形状为圆形(旋转对称)，则线圈的绕组形成为圆形表面的旋转对称(线圈横截面)表面。

如果绕组沿优选规则的多边形线布置，则规则的多边形形成为线圈的横截面表面(离散的旋转对称)，如果线圈几何形状是矩形的，则线圈的横截面表面成为正方形表面，其边长具有相同长度。

关于绕组布局，线圈当然可以采用不同的形式，即，它们可以形成任何旋转对称的表面，并且还可以沿轴线方向变化，只要线圈的表面矢量保持平行于线圈系统轴线。例如，圆形线圈可以被布置在具有正方形横截面的较小线圈旁边并且被布置在三角形线圈旁边。在这种情况下，电流沿相反的方向流过所涉及的至少一个线圈。

根据本发明，各个线圈的径向延伸部的尺寸被设计为使得沿着线圈轴线同轴定位的线圈可以被布置在假想棱锥的内部，该假想棱锥是多面体的生成棱锥。因此，所述棱锥的外表面是用于确定外部线圈尺寸的几何条件；然而，布置成更靠近棱锥顶点的线圈相比于位于距棱锥顶点更大距离处的线圈通常但不一定形成更小的表面。

具有不同横截面表面尺寸和表面形状的线圈也可以设置为位于一个平面中(共面)。

根据本发明的基本条件是，所有线圈及其平面平行且共轴取向的横截面通常可以位于棱锥内部，该棱锥产生规则的凸的系统多面体。

在这种情况下，每个生成棱锥的顶点与多面体的中心重合，并且棱锥底表面与多面体的表面相同，在该多面体的表面中，棱锥顶点在棱锥底表面上的投影与棱锥底表面的中心重合。

借助于每个线圈的外部线圈尺寸的这种几何条件，可以将多个线圈组件布置在(生成)棱锥内部的多面体的表面上的三维空间中，棱锥顶点向内取向，而没有线圈的物理重叠。

通常，形成(线圈横截面)表面的绕组形状是任意的。

然而，多边形表面部分和圆形表面部分的组合是优选的。这种组合例如通过具有圆角的三角形线圈或正方形线圈来实现。此外，由线圈(S1、S2、S3)的相应绕组形成的旋转对称表面可以是螺旋形的。在另一个实施例中，一个绕组的绕组形状在截面上具有沿旋转轴线的方向的分量。

形成的(线圈、横截面)表面可以实现为弧形的表面，但是其表面矢量从整体上看在该表面上平行于旋转轴线延伸。

在有利的实施例中，凸多面体是四面体(三角形棱锥)、六面体(长方体或立方体)、八面体、十二面体或二十面体。

将线圈组件定位在生成棱锥的内部允许产生具有高抗干扰性的均匀磁场，并同时提供了大的实验空间，其中这些生成棱锥当被放在一起时形成具有高对称性的所述几何体的外部形状。因此可以减小提供特定实验体积所要求的线圈尺寸，这有利地使得制造和运行成本大大降低。

根据本发明的线圈系统有利地在系统中：用于校准磁场传感器和磁罗盘，用于生成和模拟卫星和太空探测器上的磁条件，用于补偿磁场，用于减少或中和船部件上的磁特征，用于测试和控制永磁体的质量，用于在材料研究和地球物理学中测量磁性能，并用于在医学技术和磁共振成像中产生磁场和磁场梯度。

附图说明

从下面的描述和附图中，其他有利的实施例特征是显而易见的，其通过示例概述了本发明的优选实施例。在附图中：

图1示出了根据现有技术相互嵌套的线圈组件，

图2示出了根据本发明的具有三个线圈的线圈组件的示意图，

图3示出了一维对称线圈系统的示意性空间表示，

图4示出了设置为立方体的三维对称线圈系统的示意性空间表示，

图5示出了布置为四面体的三维对称线圈系统的示意性空间表示，

图6示出了另一个三维对称线圈系统的模型。

具体实施方式

在图1中，示出了相互嵌套以产生三维磁场的线圈组件的示例。左边的表示示出了三轴相互嵌套的亥姆霍兹线圈，中间的表示示出了每个轴具有三个线圈的麦克斯韦线圈系统，右边的表示示出了每个轴具有四个线圈的布朗贝克线圈系统。在所有的三种表示中，线圈轴线彼此正交。

在图2中，示出了根据本发明的具有三个线圈S1、S2、S3的线圈组件2的示意图。线圈S1、S2、S3被布置成使得由它们相应的绕组W1、W2、W3形成的表面彼此平面平行并且具有为线圈轴线4的公共旋转轴线，线圈轴线4垂直于表面延伸。

根据本发明，线圈S1、S2、S3的尺寸被设计为使得线圈S1、S2、S3及其外部尺寸可以被定位在生成棱锥的内部，该生成棱锥具有表面线6，在当前情况下以投影示出。

图3示出了一维对称线圈系统20的示意性空间表示，其中，图1的两个线圈组件2对称地被布置为基础组件，使得它们的线圈轴线4(图2)位于公共的直线上，棱锥的棱锥顶点指向彼此并与实现为立方体的多面体的中心重合。

作为一维对称线圈系统的增强，在图4中示出了根据本发明的被布置为立方体的三维对称线圈系统30的示意性空间表示。对应于为立方体的凸多面体的侧面的数目，线圈系统30由六个根据本发明的线圈组件构成。

所述表示表明，必须满足根据本发明的几何条件，即，将线圈布置在具有90°的张开角度的生成棱锥的外表面内，以便能够将任意数目的线圈没有重叠地布置在立方体的外部形状中。

立方体组件可以由六个这样的生成棱锥构成，所述棱锥的底表面对应于立方体的侧表面。

在三对相同的亥姆霍兹线圈的基础上不可能实现这种正交三轴组件，原因是：线圈会由于亥姆霍兹组件的线圈尺寸与线圈距离的定义比例而互相穿透。由于这个原因，现有技术已经提出了上述相互嵌套的线圈对，即具有不同尺寸的线圈对。但是，该组件以不利的方式限制了可用的实验空间和充电口。

相比之下，与现有技术相比，根据本发明的实现方式允许具有更大的充电口的更大的实验空间，并且因此允许线圈系统的外部尺寸与可用实验体积的更有利的比值。

图5示出了布置为四面体的三维对称线圈系统的示意性空间表示。对应于四面体的四个表面，所述四面体可以以体积填充的方式由四个相同的生成棱锥构成，棱锥的相应底表面是等边三角形。因此，呈四面体形式的所述线圈系统由四个相同的子四面体(三角形棱锥)组成，两个线圈S1、S2位于每个子四面体内。

图6示出了设置为立方体的三维对称线圈系统的模型50。在该模型中，表示根据本发明的线圈组件的两个线圈S1、S2布置在立方体的每一侧面上。成对的线圈S1、S2的尺寸被设计为使得它们可以被布置在填充立方体的体积的生成棱锥的内部。与嵌套的亥姆霍兹组件相比，更大的实验空间及其良好的可接触性是可明显认定的。

Claims (6)

1.一种用于产生均匀磁场的线圈系统(30、40、50)，所述线圈系统(30、40、50)包括线圈组件(2)，每个线圈组件(2)由至少两个线圈(S1、S2、S3)构成，所述线圈(S1、S2、S3)的相应绕组(W1、W2、W3)形成平面平行的旋转对称表面，所述旋转对称表面具有不同的尺寸和公共旋转轴线，所述公共旋转轴线为垂直于所述表面延伸的线圈轴线(4)，电流以相反的方向流过所述线圈(S1、S2、S3)中的至少一个，

其特征在于至少两个线圈组件(2)，每个线圈组件(2)的所述线圈(S1、S2、S3)位于生成棱锥的底表面的内部并且被取向为与所述底表面平面平行，所述生成棱锥的顶点与规则的凸多面体的中心重合，并且所述生成棱锥的所述底表面与所述凸多面体的表面相同，在所述凸多面体中，所述棱锥的顶点在所述棱锥的底表面上的投影与所述棱锥的底表面的中心重合。

2.根据权利要求1所述的线圈系统，其特征在于，由所述线圈(S1、S2、S3)的所述相应绕组(W1、W2、W3)形成的所述旋转对称表面是多边形表面部分和圆形表面部分的组合。

3.根据权利要求1或2所述的线圈系统，其特征在于，由所述线圈(S1、S2、S3)的所述相应绕组(W1、W2、W3)形成的所述旋转对称表面实现为螺旋形状。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的线圈系统，其特征在于，所述绕组(W1、W2、W3)中的一个绕组的绕组形状在截面上具有沿所述旋转轴线方向的分量。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的线圈系统，其特征在于，所述凸多面体是四面体、六面体、八面体、十二面体或二十面体。

6.一种根据权利要求1至5中任一项所述的线圈系统(30、40、50)在用于校准磁场传感器和磁罗盘中的用途，用于生成和模拟卫星和太空探测器上的磁条件，用于补偿磁场，用于减少或中和船部件上的磁性特征，用于测试和控制永磁体的质量，用于在材料研究和地球物理学中测量磁特性，以及用于在医学技术和磁共振成像中产生磁场和磁场梯度。

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