CN115983012A - 一种均匀场永磁体的温度补偿方法 - Google Patents

一种均匀场永磁体的温度补偿方法 Download PDF

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徐雅洁
彭博文
王亚
杨晓冬
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Abstract

本发明公开了一种均匀场永磁体的温度补偿方法，属于核磁共振波谱仪和成像仪磁体设计方法，通过主磁体磁场分析、确定补偿磁体分布位置、获取补偿磁场方向和大小以及优化补偿磁体分布等步骤，构建可产生适用于不同磁偶极子分布面的分布式温度补偿磁体设计，利用磁材的温度特性，结合不同磁材的温度补偿，获得高精度的温度补偿方案，且操作方便。

Description

一种均匀场永磁体的温度补偿方法
技术领域
本发明涉及磁体设计方法领域，尤其是涉及一种均匀场永磁体的温度补偿方法。
背景技术
核磁共振技术是一种无损、无辐射的检测方法，广泛地应用于生物医学、分析化学、食品检测、工业探测等。常用的核磁共振设备可分为超导核磁共振仪以及永磁核磁共振仪。超导磁体由液氦冷却液将绕组材料冷却到临界温度以下，维持从正常电阻状态变为超导体的温度，需要定期用低温液氦填充超导磁体。设备成本使用和维护成本高。低场核磁共振仪器的主磁体通常使用稀土永磁材料制成，稀土永磁材料具有剩磁系数高等特点，能够在较小的体积下产生强度较高的磁场，适用于现场应用。但稀土永磁材料易受环境温度变化的影响，导致主磁场温度漂移严重。以NdFeB材料为例，由于其剩磁大，矫顽力强，常用于磁共振设备应用，但其剩磁温度系数为[-0.1 -0.12]％/℃，温度特性导致其在应用受限。即使是SmCo材料，剩磁温度系数为[-0.03-0.05]％/℃，每摄氏度仍对应300ppm以上的温度漂移，严重影响磁共振应用开展，使用场景被局限于实验室等恒温环境中。
Danieli等人(Small magnets for portable NMR spectrometers.Angew ChemInt Ed Engl 49,4133-4135(2010))及专利US20100013473中针对永磁魔环磁体提出一种构造反向永磁魔环磁体的设计，解决磁体温度漂移的现象。将磁场漂移降低了一个数量级，但构造魔环磁体需要不同充磁方向的多块磁体以及巧妙的工装，应用难度大；
专利201611183744.7构造主磁场磁块阵列和补偿磁场磁块阵列交叉嵌套地构成一个环形结构，主磁场磁块阵列所产生磁场的磁通密度大于补偿磁场磁块阵列的磁场磁通密度，二者的磁通密度矢量在环形内部区域方向相反，实现温度稳定。此结构简单，受限于嵌套式主磁体和温度补偿磁体构型，不形成普适性解决方案；
专利202010813206.1设计一块导磁基底、分别放置在导磁基底四角处的主磁以及对应放置在每块主磁体外侧的温度补偿块，起到增强主磁体上部静态梯度磁场的目的，温度补偿块用于弥补温度升高带来主磁体上部静态梯度磁场的偏离，适用于单边梯度场磁体温度补偿设计。
因此有必要提供一种均匀场永磁体的温度补偿方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种均匀场永磁体的温度补偿方法，构建可产生适用于不同磁偶极子分布面的分布式温度补偿磁体设计，利用磁材的温度特性，结合磁材的分析，获得高精度的温度补偿方案，且操作方便。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种均匀场永磁体的温度补偿方法，包括以下步骤：
主磁体磁场分析：选择低温度系数磁材设计主磁体，确定目标区域分布，进行主磁场分布分析；
确定补偿磁体分布位置：根据主磁体结构和目标区域，选择补偿磁体分布面(2维)和空间(3维)；
获取补偿磁场方向和大小：基于主磁场目标区域磁场分布和主磁场强度，根据主磁体磁材和补偿磁体磁材，获取目标磁场区域内补偿磁场方向和大小；
优化补偿磁体分布：利用优化算法，优化补偿磁体分布面(2维)和空间(3维)位置上的磁块分布，磁块分布包含磁块尺寸和块数。
进一步地，在所述主磁体磁场分析步骤中，进行主磁场分布分析具体为：测量主磁场，对主磁场进行谐波展开，展开式如下：
Figure BDA0004037306220000021
其中，
Figure BDA0004037306220000022
表示主磁场，B00和
Figure BDA0004037306220000023
分别为主磁场谐波展开的均匀量和不均匀分量，Cnm为n阶m度项的系数，o(r4)表示高阶分量的缩写；
通过主磁场的测量结果，计算出每项的系数Cnm。
进一步地，在所述获取补偿磁场方向和大小步骤中，主磁体磁感应强度
Figure BDA0004037306220000024
和补偿磁体磁感应强度
Figure BDA0004037306220000025
构成的磁场关系叠加：
Figure BDA0004037306220000026
其中，κI，κII为两种磁体的温度系数，为使温度变化的影响量最小，使
Figure BDA0004037306220000027
获得补偿磁场结果：
Figure BDA0004037306220000028
进一步地，所述优化补偿磁体分布步骤具体为，计算补偿磁体的磁块排布模型中的各个磁块产生的谐波分量，约束每个补偿位置上的磁块的数量，以主磁场与补偿磁块排布模型的磁场叠加后的均匀磁场最小化为目标进行优化，求解补偿磁块数量，并由此推演出每个补偿位置磁块数量，得到初步优化的磁块排布模型。
进一步地，所述主磁体为C型，H型，Halbach型(永磁魔环)中的任意一种。
进一步地，补偿磁体分布面为平面，圆柱面，球面，不规则面中的任意一种。
进一步地，当所述主磁体为H型时，在主磁体磁场分析步骤中，选择球形区域作为目标区域。
进一步地，在确定补偿磁体分布位置步骤中，选择平面型磁偶极子分布区域，离散偶极子为整数个分布空间。
进一步地，当所述主磁体为永磁魔环阵列时，在确定补偿磁体分布位置步骤中，选择圆柱形磁偶极子分布区域，离散偶极子为整数个分布空间，计算面上每个磁偶极子在目标区域的磁矢量分布。
进一步地，在所述获取补偿磁场方向和大小步骤中，目标磁场区域内补偿磁场方向和大小具体为：以一个位于
Figure BDA0004037306220000031
处的磁偶极子M(x’)为例，在
Figure BDA0004037306220000032
位置产生的磁矢量如式所示：
Figure BDA0004037306220000033
其中μ0为真空磁导率，
Figure BDA0004037306220000034
为垂直于点
Figure BDA0004037306220000035
的表面的单位矢量，
Figure BDA0004037306220000036
为磁偶极子坐标，da′为磁偶极子尺寸。
相比现有技术，本发明一种均匀场永磁体的温度补偿方法，通过主磁体磁场分析、确定补偿磁体分布位置、获取补偿磁场方向和大小以及优化补偿磁体分布等步骤，构建可产生适用于不同磁偶极子分布面的分布式温度补偿磁体设计，利用磁材的温度特性，结合磁材的分析，获得高精度的温度补偿方案，且操作方便。
附图说明
图1为本发明均匀场永磁体的温度补偿方法的流程图；
图2为本发明均匀场永磁体的温度补偿方法构建针对H型磁体的平面型温度补偿磁体分布平面；
图3为本发明均匀场永磁体的温度补偿方法针对H型磁体构建的温度补偿磁体磁场补偿；
图4为本发明均匀场永磁体的温度补偿方法构建针对Halbach型磁体的平面型温度补偿磁体分布平面；
图5为本发明均匀场永磁体的温度补偿方法构建针对Halbach型磁体构建的温度补偿磁体磁场补偿；
图6为本发明均匀场永磁体的温度补偿方法优化前后的磁体的温度磁场强度对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，为一种均匀场永磁体的温度补偿方法，包括以下步骤：
主磁体磁场分析：选择低温度系数磁材设计主磁体，确定目标区域分布，进行主磁场分布分析；
确定补偿磁体分布位置：根据主磁体结构和目标区域，选择补偿磁体分布面(2维)和空间(3维)；
获取补偿磁场方向和大小：基于主磁场目标区域磁场分布和主磁场强度，根据主磁体磁材和补偿磁体磁材，获取目标磁场区域内补偿磁场方向和大小；
优化补偿磁体分布：利用优化算法，优化补偿磁体分布面(2维)和空间(3维)位置上的磁块分布，磁块分布包含磁块尺寸和块数。
具体的，在主磁体磁场分析步骤中，主磁体材料为钕铁硼，钐钴中的任意一种多多种低温永磁磁材。主磁体为C型，H型，Halbach型中的任意一种。进行主磁场分布分析具体为：使用高斯计测量主磁场，对主磁场进行谐波分量展开，量化主磁场分布。磁场是一个向量场，遵循Maxwell方程，展开式如下：
Figure BDA0004037306220000041
其中，
Figure BDA0004037306220000042
表示主磁场，B00和
Figure BDA0004037306220000043
分别为主磁场谐波展开的均匀量和不均匀分量，Cnm为n阶m度项的系数，o(r4)表示高阶分量的缩写；通过主磁场的测量结果，计算出每项的系数Cnm。
具体的，获取补偿磁场方向和大小步骤中，主磁体磁感应强度
Figure BDA0004037306220000044
和补偿磁体磁感应强度
Figure BDA0004037306220000045
构成的磁场关系叠加：
Figure BDA0004037306220000046
其中，κI，κII为两种磁体的温度系数，为使温度变化的影响量最小，使
Figure BDA0004037306220000047
获得补偿磁场结果：
Figure BDA0004037306220000048
具体的，优化补偿磁体分布步骤具体为，计算补偿磁体的磁块排布模型中的各个磁块产生的谐波分量，约束每个补偿位置上的磁块的数量，以主磁场与补偿磁块排布模型的磁场叠加后的均匀磁场最小化为目标进行优化，求解补偿磁块数量，并由此推演出每个补偿位置磁块数量，得到初步优化的磁块排布模型；测量初步优化的磁块排布模型的磁场，并进行谐波展开，根据测量结果，再次优化每个位置上的磁块数量，直至磁场达到设定的精度，得到再次优化的磁块排布模型。补偿磁体分布面为平面，圆柱面，球面中的任意一种。
请继续参阅图2以及图3，为本发明一种均匀场永磁体的温度补偿方法应用于H型主磁体的实施例，具体为：
步骤1：选择目标区域，分析磁体在目标区域的主磁场，并对主磁场的谐波分量展开，得到均匀磁场分量。具体为：使用高斯计测量主磁场，对主磁场的谐波分量展开，量化主磁场分布。磁场是一个向量场，遵循Maxwell方程，可以分解为球谐展开，：
Figure BDA0004037306220000051
其中，
Figure BDA0004037306220000052
表示主磁场，B00和
Figure BDA0004037306220000053
分别为主磁场谐波展开的均匀量和不均匀分量，Cnm为n阶m度项的系数，o(r4)表示高阶分量的缩写；通过主磁场的测量结果，计算出每项的系数Cnm。
步骤2：选择平面型磁偶极子分布区域，离散偶极子为整数个分布空间，计算平面上每个磁偶极子在目标区域的磁矢量分布。以一个位于
Figure BDA0004037306220000054
处的磁偶极子
Figure BDA0004037306220000055
为例，在
Figure BDA0004037306220000056
位置产生的磁矢量
Figure BDA0004037306220000057
如式所示：
Figure BDA0004037306220000058
其中μ0为真空磁导率，
Figure BDA0004037306220000059
为垂直于点
Figure BDA00040373062200000510
的表面的单位矢量，
Figure BDA00040373062200000511
为磁偶极子坐标，da′为磁偶极子尺寸。
磁偶极子构建偶极子阵列的方式获得对称场也可以通过相应的几何积分获得。
步骤3：基于步骤1获得目标磁场分量B00，基于温度补偿原理，主磁体和分布式温度补偿磁体磁材特性，获取温度补偿磁材的幅值B00t。
步骤4：利用优化算法，优化每个匀场位置上的磁块的数量。具体为：根据步骤3中的初始磁场，采用遗传算法(也可以是非线性优化等其他方法)，计算磁块排布模型中的各个磁矢量在目标区域的场分布。约束每个位置上的磁矢量数量为整数，以目标磁场与磁矢量在目标区域产生的磁场叠加后最小二乘误差最小化为目标进行优化，求解各个位置磁矢量数量。其中，磁矢量磁化方向可以根据实际的操作便利性选择三维矢量分布，或者笛卡尔坐标系的正交基方向。
实施例二：
请继续参阅图4-图6，为本发明一种均匀场永磁体的温度补偿方法应用于Halbach型(永磁魔环阵列)磁体的实施例，具体为：
步骤1：选择目标区域，分析磁体在目标区域的主磁场，并对主磁场的谐波分量展开，得到均匀磁场分量。具体为：使用高斯计测量主磁场，对主磁场的谐波分量展开，量化主磁场分布。磁场是一个向量场，遵循Maxwell方程，可以分解为球谐展开，：
Figure BDA0004037306220000061
其中，
Figure BDA0004037306220000062
表示主磁场，B00和
Figure BDA0004037306220000063
分别为主磁场谐波展开的均匀量和不均匀分量，Cnm为n阶m度项的系数，o(r4)表示高阶分量的缩写；通过主磁场的测量结果，计算出每项的系数Cnm。
步骤2：选择圆柱形磁偶极子分布区域，离散偶极子为整数个分布空间，计算面上每个磁偶极子在目标区域的磁矢量分布。以一个位于
Figure BDA0004037306220000064
处的磁偶极子
Figure BDA0004037306220000065
为例，在
Figure BDA0004037306220000066
位置产生的磁矢量
Figure BDA0004037306220000067
如式所示：
Figure BDA0004037306220000068
其中μ0为真空磁导率，
Figure BDA0004037306220000069
为垂直于点
Figure BDA00040373062200000610
的表面的单位矢量，
Figure BDA00040373062200000611
为磁偶极子坐标，da′为磁偶极子尺寸。
磁偶极子构建偶极子阵列的方式获得对称场也可以通过相应的几何积分获得。
步骤3：基于步骤1获得目标磁场分量B00，基于温度补偿原理，主磁体和分布式温度补偿磁体磁材特性，获取温度补偿磁材的幅值B00t。
步骤4：利用优化算法，优化每个匀场位置上的磁块的数量。具体为：根据步骤3中的初始磁场，采用遗传算法(也可以是非线性优化等其他方法)，计算磁块排布模型中的各个磁矢量在目标区域的场分布。约束每个位置上的磁矢量数量为整数，以目标磁场与磁矢量在目标区域产生的磁场叠加后最小二乘误差最小化为目标进行优化，求解各个位置磁矢量数量。其中，磁矢量磁化方向可以根据实际的操作便利性选择三维矢量分布，或者笛卡尔坐标系的正交基方向。
请继续参阅图6，为优化后的磁体，在温度[22 32]区间内，中心区域磁场强度B(a)变化范围为[564.252 564.262]mT，变化了17ppm，温度系数为1.7ppm/℃。同样体积，未采用优化设计的NdFeB磁体，在温度[22 32]区间内，磁场强度B(b)变化范围为[936.280947.279]mT，温度系数为1161ppm/℃。基于此发明公开的方法大大提高了永磁体温度特性。
本发明提供的均匀场永磁体的温度补偿方法，可根据设置的分布空间灵活的优化位置分布和磁块大小选择。基于初始场的谐波展开，利用优化算法和匀场实验对磁块排布进行多次优化，能够获得高精度的温度补偿方案，且操作方便。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种均匀场永磁体的温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
主磁体磁场分析：选择低温度系数磁材设计主磁体，确定目标区域分布，进行主磁场分布分析；
确定补偿磁体分布位置：根据主磁体结构和目标区域，选择补偿磁体分布面(2维)和空间(3维)；
获取补偿磁场方向和大小：基于主磁场目标区域磁场分布和主磁场强度，根据主磁体磁材和补偿磁体磁材，获取目标磁场区域内补偿磁场方向和大小；
优化补偿磁体分布：利用优化算法，优化补偿磁体分布面(2维)和空间(3维)位置上的磁块分布，磁块分布包含磁块尺寸和块数。
2.根据权利要求1所述的均匀场永磁体的温度补偿方法，其特征在于：在所述主磁体磁场分析步骤中，进行主磁场分布分析具体为：测量主磁场，对主磁场进行谐波展开，展开式如下：
Figure FDA0004037306210000011
其中，
Figure FDA0004037306210000012
表示主磁场，B00和
Figure FDA0004037306210000013
分别为主磁场谐波展开的均匀量和不均匀分量，Cnm为n阶m度项的系数，o(r4)表示高阶分量的缩写；
通过主磁场的测量结果，计算出每项的系数Cnm。
3.根据权利要求1所述的均匀场永磁体的温度补偿方法，其特征在于：在所述获取补偿磁场方向和大小步骤中，主磁体磁感应强度
Figure FDA0004037306210000014
和补偿磁体磁感应强度
Figure FDA0004037306210000015
构成的磁场关系叠加：
Figure FDA0004037306210000016
其中，κI，κII为两种磁体的温度系数，为使温度变化的影响量最小，使
Figure FDA0004037306210000017
获得补偿磁场结果：
Figure FDA0004037306210000018
4.根据权利要求1所述的均匀场永磁体的温度补偿方法，其特征在于：所述优化补偿磁体分布步骤具体为，计算补偿磁体的磁块排布模型中的各个磁块产生的谐波分量，约束每个补偿位置上的磁块的数量，以主磁场与补偿磁块排布模型的磁场叠加后的均匀磁场最小化为目标进行优化，求解补偿磁块数量，并由此推演出每个补偿位置磁块数量，得到初步优化的磁块排布模型。
5.根据权利要求1所述的均匀场永磁体的温度补偿方法，其特征在于：所述主磁体为C型，H型，Halbach型(永磁魔环)中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的均匀场永磁体的温度补偿方法，其特征在于：补偿磁体分布面为平面，圆柱面，球面，不规则面中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的均匀场永磁体的温度补偿方法，其特征在于：当所述主磁体为H型时，在主磁体磁场分析步骤中，选择球形区域作为目标区域。
8.根据权利要求7所述的均匀场永磁体的温度补偿方法，其特征在于：在确定补偿磁体分布位置步骤中，选择平面型磁偶极子分布区域，离散偶极子为整数个分布空间。
9.根据权利要求1所述的均匀场永磁体的温度补偿方法，其特征在于：当所述主磁体为永磁魔环阵列时，在确定补偿磁体分布位置步骤中，选择圆柱形磁偶极子分布区域，离散偶极子为整数个分布空间，计算面上每个磁偶极子在目标区域的磁矢量分布。
10.根据权利要求8或9所述的均匀场永磁体的温度补偿方法，其特征在于：在所述获取补偿磁场方向和大小步骤中，目标磁场区域内补偿磁场方向和大小具体为：以一个位于
Figure FDA0004037306210000021
处的磁偶极子M(x’)为例，在
Figure FDA0004037306210000022
位置产生的磁矢量如式所示：
Figure FDA0004037306210000023
其中μ0为真空磁导率，
Figure FDA0004037306210000024
为垂直于点
Figure FDA0004037306210000025
的表面的单位矢量，
Figure FDA0004037306210000026
为磁偶极子坐标，da′为磁偶极子尺寸。
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CN116702568B (zh) * 2023-08-04 2023-11-10 天津天达图治科技有限公司 一种磁共振成像永磁体设计方法、系统、设备及介质

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