CN114944277B - 一种提高磁场稳定性的磁场发生装置设计方法 - Google Patents

一种提高磁场稳定性的磁场发生装置设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高磁场稳定性的磁场发生装置设计方法，包括步骤：S1、选择符合设计要求的两个亥姆霍兹线圈；S2、设置一对线圈支撑，将两个亥姆霍兹线圈共轴且平行的套设在一对线圈支撑上，两个亥姆霍兹线圈的轴向距离与其半径相同；S3、根据建立的理论模型，确定亥姆霍兹线圈的供电电源，并将两个亥姆霍兹线圈与供电电源串联。本发明可以广泛应用于磁场发生装置设计阶段，能够明确供电需求，有效的保持磁场发生装置作业过程中的稳定性。

Description

一种提高磁场稳定性的磁场发生装置设计方法
技术领域
本发明涉及磁场发生装置设计制造技术领域，尤其涉及一种提高磁场稳定性的磁场发生装置设计方法。
背景技术
高稳定性磁场在科学研究与工程实践中的应用日益广泛。如测量材料的磁特性时，需应用一定强度的磁场对材料进行磁化处理；在精密加工技术中，利用磁场作用使得材料产生一定形变；在生物电磁学中开展磁场辐射对生物的影响研究。
目前恒稳磁场发生装置通常包括永久磁铁、电磁铁以及线圈磁场等。由于线圈易于加工，所产生的磁场稳定度高，且可通过线圈组合产生具有特定分布的空间磁场，使得线圈一直是产生磁场的主要装置。
恒稳磁场要求既有较高的磁场稳定性，在许多磁场发生装置中通常应用稳压源供电，但由于线圈发热等原因使得线圈的电阻发生一定的变化，因此回路中的电流也将发生变动，导致磁场不稳定，因此电源的性能参数也成为影响磁场稳定性的重要因素。
综上，设计满足实际需要的高稳定性磁场发生装置以及高质量恒流电源具有重要的科学研究意义与工程应用价值。
发明内容
本发明意在提供一种提高磁场稳定性的磁场发生装置设计方法，以实现磁场发生装置提供高稳定性磁场。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种提高磁场稳定性的磁场发生装置设计方法，包括步骤：
S1、选择符合设计要求的两个亥姆霍兹线圈；
S2、设置一对线圈支撑，将两个亥姆霍兹线圈共轴且平行的套设在一对线圈支撑上，两个亥姆霍兹线圈的轴向距离与其半径相同；
S3、根据建立的理论模型，确定亥姆霍兹线圈的供电电源，并将两个亥姆霍兹线圈与供电电源串联。
进一步，所述多场耦合理论模型的建立方法包括：
S31、采用时间参数及空间位置参数表征磁场强度，表示为：
Figure 434808DEST_PATH_IMAGE001
（1）
S32、全微分求解式（1），表示为：
Figure 216950DEST_PATH_IMAGE002
（2）
S33、令式（2）为0，得到：
Figure 778513DEST_PATH_IMAGE003
（3）
其中，x、y、z定义为空间直角坐标系的空间位置参数，t为时间参数，B为磁场的磁感应强度，
Figure 313399DEST_PATH_IMAGE004
为磁场强度的稳定性参数，
Figure 768127DEST_PATH_IMAGE005
为磁场强度的均匀性参数，
Figure 99882DEST_PATH_IMAGE006
为变化速率，根据电磁线圈基本设计原理，即可通过调节电源电流的变化进而达到控制磁场变化的目的。根据电磁学基本原理，参考图3，线圈的半径为R，匝数为w，线圈平面垂直于X轴，线圈中心位于点（X, 0, 0）处，设为线圈上任一点
Figure 465136DEST_PATH_IMAGE007
到空间任一点
Figure 339682DEST_PATH_IMAGE008
的矢径，所通电流I的线元为dl。
由毕奥-萨伐尔定律：
Figure 889612DEST_PATH_IMAGE009
（4）
当两个线圈的半径相同、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时，中心点附近沿轴向分布的磁场较为均匀，利用（4）经过坐标变换可得亥姆霍兹线圈产生的各分量磁场：
Figure 908996DEST_PATH_IMAGE010
Figure 15623DEST_PATH_IMAGE011
Figure 790681DEST_PATH_IMAGE012
Figure 793404DEST_PATH_IMAGE013
Figure 755543DEST_PATH_IMAGE014
Figure 134703DEST_PATH_IMAGE015
定义物理量线圈几何磁场系数张量
Figure 498688DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，物理意义是表征由于线圈几何对磁通强度的影响因子，令
Figure 200541DEST_PATH_IMAGE018
Figure DEST_PATH_IMAGE019
Figure DEST_PATH_IMAGE021
Figure 276075DEST_PATH_IMAGE022
Figure 708194DEST_PATH_IMAGE023
Figure 411838DEST_PATH_IMAGE024
由此可得线圈磁场性质公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
（5）
其中
Figure 346909DEST_PATH_IMAGE026
是由于线圈间相互干扰所导致的衰减系数。
进一步，所述步骤S1，包括：按照设计要求确定磁场发生装置的中心磁场强度，根据中心磁场强度确定两个亥姆霍兹线圈的匝数、半径和绕线厚度。
本发明的有益效果是：
本发明通过应用电磁场以及多场耦合基本理论方法，结合实际工程应用的目标，在初步设计阶段，通过建立多场耦合的理论模型实现系统的最佳稳定性设计。应用全微分方法分析并揭示了磁场稳定性基本控制方法，确定了磁场稳定性关键影响参数，同时明确了磁场与电源之间的基本关系。本设计方法可以广泛应用于磁场发生装置设计阶段，能够有效的保持磁场发生装置作业过程中的稳定性，同时依据电磁场基本理论，明确装置供电需求，实现了“电-磁一体化”设计方法，大幅提高了设计效率与装置性能，降低了制造成本。
附图说明
图1为本发明提供的磁场发生装置设计方法的流程图；
图2为本发明提供的磁场发生装置的结构示意图；
图3为本发明提供的磁场发生装置设计方法涉及的线圈坐标系示意图；
其中，附图标记包括：1、亥姆霍兹线圈；2、线圈支撑；3、导线；4、恒流电源。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示的，一种提高磁场稳定性的磁场发生装置设计方法，包括步骤：
S1、选择符合设计要求的两个亥姆霍兹线圈1；
具体的，根据设计要求，确定磁场发生装置的中心磁场强度，再根据中心磁场强度，确定两个亥姆霍兹线圈1的匝数、半径和绕线厚度。
S2、设置一对线圈支撑2，将两个亥姆霍兹线圈1共轴且平行的套设在一对线圈支撑2上，两个亥姆霍兹线圈1的轴向距离与其半径相同；
具体的，磁场发生装置的结构如图2所示。
S3、根据建立的理论模型，确定亥姆霍兹线圈的供电电源，并将两个亥姆霍兹线圈与供电电源串联。
具体的，磁场由线圈通电产生，由于电磁场的空间特性决定了磁场是一种与位置矢量相关的空间矢量力，因此可以发现在磁场覆盖范围内磁场稳定性与时间以及空间位置密切相关，故而采用时间参数及空间位置参数表征磁场强度，表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
（1）
为实现磁通强度稳定的磁场设计，应用全微分求解磁场变化所带来的影响，表示为：
Figure 549220DEST_PATH_IMAGE028
（2）
其中，B为磁场强度，v i 为磁场强度沿任意方向的变化速度。
恒稳磁场即磁场强度不随时间发生变化，由此可令上式为0，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
（3）
其中，
Figure 66920DEST_PATH_IMAGE030
为磁场强度的稳定性参数，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为磁场强度的均匀性参数；
该式充分揭示了磁场稳定性与均匀性之间的关系，同时也表明了磁场强度随时间的变化率补偿了磁场强度的空间损失。
通过上式可以发现，磁场的稳定性与场强的变化速度密切相关，由于磁场的变化由线圈中电流的变化引起，将上式两端应用傅里叶级数展开可以得到电流变化频率与磁场强度变化频率之间的相互关系，由此可以对磁场发生装置电源的相关设计以及性能指标提供参考，即可通过上述方法明确所需配备电源的基本特性。总体来看，电源的选配需具备以下基本特性：电源应选用恒流式电源4且电流尽可能趋于稳定，输出电流不受负载特性变化的影响。
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作过多描述。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 (2)

1.一种提高磁场稳定性的磁场发生装置设计方法，其特征在于，包括步骤：
S1、选择符合设计要求的两个亥姆霍兹线圈；
S2、设置一对线圈支撑，将两个亥姆霍兹线圈共轴且平行的套设在一对线圈支撑上，两个亥姆霍兹线圈的轴向距离与其半径相同；
S3、根据建立的理论模型，确定亥姆霍兹线圈的供电电源，并将两个亥姆霍兹线圈与供电电源串联；
所述理论模型的建立方法包括：
S31、采用时间参数及空间位置参数表征磁场强度，表示为：
B＝f(x,y,z,t) (1)
S32、全微分求解式(1)，表示为：
Figure FDA0003836077650000011
S33、令式(2)为0，得到：
Figure FDA0003836077650000012
其中，x、y、z定义为空间直角坐标系的空间位置参数，t为时间参数，B为磁场强度，
Figure FDA0003836077650000013
表征由于空间的不均匀性导致磁场稳定性的变化，
Figure FDA0003836077650000014
为磁场强度均匀性的参数，
Figure FDA0003836077650000015
为空间点的变化速率，
Figure FDA0003836077650000016
为磁场强度的稳定性参数，vi为变化速率，根据电磁线圈基本设计原理，即可通过调节电源电流的变化进而达到控制磁场变化的目的。
2.根据权利要求1所述的一种提高磁场稳定性的磁场发生装置设计方法，其特征在于：所述步骤S1，包括：按照设计要求确定磁场发生装置的中心磁场强度，根据中心磁场强度确定两个亥姆霍兹线圈的匝数、半径和绕线厚度。
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