CN114898966B - 一种基于圆形磁体构型的麦克斯韦组合线圈 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于圆形磁体构型的麦克斯韦组合线圈，包括两个第一亥姆霍兹线圈和一对线圈支撑，两个第一亥姆霍兹线圈共轴且平行的套设在一对线圈支撑外侧，两个第一亥姆霍兹线圈的轴向距离与其半径相等，一对线圈支撑的内侧安装有两个第二亥姆霍兹线圈，还包括两个第三亥姆霍兹线圈，第三亥姆霍兹线圈的半径小于第二亥姆霍兹线圈，两个第三亥姆霍兹线圈安装在一对线圈支撑的内侧，两个第三亥姆霍兹线圈的轴向距离大于两个第一亥姆霍兹线圈的轴向距离，且两个第三亥姆霍兹线圈之间的轴线中点和两个第一亥姆霍兹线圈之间的轴线中点相同。本发明能够实现增强磁场强度同时增加磁场均匀性的目的。

Description

一种基于圆形磁体构型的麦克斯韦组合线圈
技术领域
本发明涉及匀强磁场磁体构型设计技术领域，尤其涉及一种基于圆形磁体构型的麦克斯韦组合线圈。
背景技术
在磁传感器校准、材料的充退磁、医学设备等领域，除了要求磁场源有一定的磁场强度外，还希望磁场在工作空间中有一定的分布，如磁场强度均匀，最常见的匀强磁场线圈有亥姆霍兹线圈和螺线管线圈，它们因结构简单、加工方便得以广泛应用。螺线管线圈多用于产生轴向符合要求的磁场，径向磁场性能参数较差，且工作过程产生热量较大；亥姆霍兹线圈是由两个半径相同、匝数相同、间距等于线圈的半径、所通的电流大小相等方向相同的线圈组成，此种线圈中心点附近沿轴向分布的磁场较为均匀，但其仅适合产生小范围均匀区域的磁场。研究表明，亥姆霍兹线圈仅在中心点附近极小范围内可实现一定的磁场均匀性，要想实现较大范围的均匀区，只能通过增大线圈的几何尺寸来满足。这样不仅给加工制作带来不便，而且给线圈的搬运造成困难，特别是对线圈空间尺寸有严格限制时，简单的亥姆霍兹线圈便无法满足设计要求。针对如何增大磁场均匀区域和均匀度的问题，可以通过组合线圈的方式来实现。
发明内容
本发明意在提供一种基于圆形磁体构型的麦克斯韦组合线圈，以实现增强磁场强度同时增加磁场均匀性的目的。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于圆形磁体构型的麦克斯韦组合线圈，包括两个第一亥姆霍兹线圈和一对线圈支撑，两个所述第一亥姆霍兹线圈共轴且平行的套设在一对线圈支撑外侧，两个所述第一亥姆霍兹线圈的轴向距离与其半径相等，一对线圈支撑的内侧安装有两个第二亥姆霍兹线圈，两个所述第二亥姆霍兹线圈分别与两个所述第一亥姆霍兹线圈的水平高度相同且共轴。
进一步，还包括两个第三亥姆霍兹线圈，所述第三亥姆霍兹线圈的半径小于所述第二亥姆霍兹线圈，两个所述第三亥姆霍兹线圈安装在一对线圈支撑的内侧，两个所述第三亥姆霍兹线圈的轴向距离大于两个所述第一亥姆霍兹线圈的轴向距离，且两个所述第三亥姆霍兹线圈之间的轴线中点和两个所述第一亥姆霍兹线圈之间的轴线中点相同。
进一步，两个所述第一亥姆霍兹线圈的轴向距离为0.5m-1.5m，两个所述第一亥姆霍兹线圈的半径为1m-2m，两个所述第一亥姆霍兹线圈的通电电流为180A-240A。
本发明的有益效果是：
通过本发明所设计构造的麦克斯韦组合线圈，可以实现在同等用料的条件下产生磁通强度更大、更均匀的磁场环境。采用上述技术方案，当对三组线圈进行供电且电流方向相同时，则可在线圈中间区域内产生匀强、恒稳磁场，通过调整电流大小可以调整磁场强度，当电流大小不小于200A时，可产生磁场强度不小于600Gs、磁场均匀度不小于95%的匀强磁场。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于圆形磁体构型的麦克斯韦组合线圈的立体结构示意图；
图2为本发明提供的一种基于圆形磁体构型的麦克斯韦组合线圈的正视图；
图3为本发明提供的一种基于圆形磁体构型的麦克斯韦组合线圈的俯视图；
其中，附图标记包括：1、第三亥姆霍兹线圈；2、第二亥姆霍兹线圈；3、第一亥姆霍兹线圈；4、第一连接件；5、第二连接件；6、线圈支撑。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明做进一步的详细说明：
如图1-图3所示的，一种基于圆形磁体构型的麦克斯韦组合线圈，包括两个第一亥姆霍兹线圈3和一对线圈支撑6，两个第一亥姆霍兹线圈3共轴且平行的通过第二连接件5套设在一对线圈支撑6外侧，两个第一亥姆霍兹线圈3的轴向距离与其半径相等。这样设置，其磁场能量会在线圈边缘区域聚集，导致线圈边缘区域能量较大，中心区域能量较小，磁感线分布不均匀。因此，本实施例在一对线圈支撑6的内侧通过第一连接件4安装有两个第二亥姆霍兹线圈2，两个第二亥姆霍兹线圈2分别与两个第一亥姆霍兹线圈3的水平高度相同且共轴，目的是为了释放第一亥姆霍兹线圈3边缘区域能量，使其向线圈中心区域汇聚，从而增加磁场中心区域磁通强度和磁场均匀性。为了进一步释放主体线圈边缘区域能量，增加磁场区域全范围内的磁场均匀性，本装置还包括两个第三亥姆霍兹线圈1，第三亥姆霍兹线圈1的半径小于第二亥姆霍兹线圈2，两个第三亥姆霍兹线圈1同样通过第一连接件4安装在一对线圈支撑6的内侧，两个第三亥姆霍兹线圈1的轴向距离大于两个第一亥姆霍兹线圈3的轴向距离，且两个第三亥姆霍兹线圈1之间的轴线中点和两个第一亥姆霍兹线圈3之间的轴线中点相同。
将线圈半径、线圈间距和通电电流作为未知参数，利用毕奥-萨伐尔定律表示磁场空间中任意一点的磁场强度，用磁场空间中任意一点的磁场强度与中心点处磁场强度的相对偏差表示磁场的不均匀度，建立目标函数，通过优化迭代，得到使磁场强度最大且不均匀度最小的线圈半径、线圈间距和通电电流。优化结果表明，在同等用料的条件下，在两个第一亥姆霍兹线圈3的轴向距离为0.5m-1.5m，两个第一亥姆霍兹线圈3的半径为1m-2m，两个第一亥姆霍兹线圈3的通电电流为180A-240A，能够产生磁通强度最大、均匀性最高的磁场。
采用上述技术方案，当对三组线圈进行串联供电，即电流方向相同时，则可在线圈中间区域内产生匀强、恒稳磁场，通过调整电流大小可以调整磁场强度，当电流大小不小于200A时，可产生磁场强度不小于600Gs、磁场均匀度不小于95%的匀强磁场。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未做过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (1)

1.一种基于圆形磁体构型的麦克斯韦组合线圈，包括两个第一亥姆霍兹线圈(3)和一对线圈支撑(6)，其特征在于：两个所述第一亥姆霍兹线圈(3)共轴且平行的套设在一对线圈支撑(6)外侧，两个所述第一亥姆霍兹线圈(3)的轴向距离与其半径相等，一对线圈支撑(6)的内侧安装有两个第二亥姆霍兹线圈(2)，两个所述第二亥姆霍兹线圈(2)分别与两个所述第一亥姆霍兹线圈(3)的水平高度相同且共轴；
还包括两个第三亥姆霍兹线圈(1)，所述第三亥姆霍兹线圈(1)的半径小于所述第二亥姆霍兹线圈(2)，两个所述第三亥姆霍兹线圈(1)安装在一对线圈支撑(6)的内侧，两个所述第三亥姆霍兹线圈(1)的轴向距离大于两个所述第一亥姆霍兹线圈(3)的轴向距离，且两个所述第三亥姆霍兹线圈(1)之间的轴线中点和两个所述第一亥姆霍兹线圈(3)之间的轴线中点相同；
两个所述第一亥姆霍兹线圈(3)的轴向距离为0.5m-1.5m，两个所述第一亥姆霍兹线圈(3)的半径为1m-2m，两个所述第一亥姆霍兹线圈(3)的通电电流为180A-240A。
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