一种磁屏蔽筒内轴向匀场线圈的设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114200368A(43)申请公布日2022.03.18(21)申请号202111518763.1(22)申请日2021.12.13(71)申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号(72)发明人周向阳赵风文王维乾谢晓旋(74)专利代理机构北京科迪生专利代理有限责任公司11251代理人安丽顾炜(51)Int.Cl.G01R33/421(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图2页(54)发明名称一种磁屏蔽筒内轴向匀场线圈的设计方法(57)摘要本发明公开一种磁屏蔽筒内轴向匀场线圈的设计方法，首先，结合磁场函数，磁屏蔽筒的边界条件和镜像法确定了磁屏蔽筒中轴向线圈的连续面电流密度产生的磁场表达式。其次，通过目标场法求解出未知的面电流密度系数，然后离散流函数等值线得到线圈的初始绕组；最后结合多阶粒子群优化算法在初始绕组附近的尺寸空间中优化线圈的位置以减少目标区域的磁场偏差。本发明与现有技术有两点：一是在设计过程中考虑了磁屏蔽层的有限磁导率和厚度，可以准确分析线圈与高磁导率屏蔽材料之间的耦合效应；二是可以通过多阶粒子群优化算法智能获取性能最佳的线圈参数，减少了在目标场法中使用较少的离散导线来近似连续面电流密度引起磁场产生偏差问题。CN114200368ACN114200368A权利要求书1/2页1.一种磁屏蔽筒内轴向匀场线圈的设计方法，其特征在于，步骤如下：第一步，结合磁场函数，磁屏蔽筒的边界条件和镜像法确定了磁屏蔽筒中轴向线圈的连续面电流密度产生的磁场表达式；第二步，结合步骤一中得到的磁场表达式并给出目标场点的期望磁场值，通过目标场法求解出未知的面电流密度系数，然后离散流函数等值线得到线圈的初始绕组；第三步，在步骤二中得到的线圈的初始绕组附近的尺寸空间中随机初始化尺寸参数作为粒子，结合多阶粒子群优化算法优化轴向匀场线圈载流环的位置，以减少目标区域的磁场偏差。2.根据权利要求1所述的一种磁屏蔽筒内轴向匀场线圈的设计方法，其特征在于：所述第一步中，在磁屏蔽筒中轴向线圈的连续面电流密度产生的磁场表达式为：其中：αb＝(μrμ0‑μ0)I′0(ka)K0(kb)βb＝μrμ0I0(kb)K′0(kb)‑μ0I′0(kb)K0(kb)γb＝(μrμ0‑μ0)I0(kb)K′0(kc)αc＝(μrμ0‑μ0)I′0(ka)K0(kc)βc＝(μrμ0‑μ0)I′0(kb)K0(kc)γc＝μrμ0I′0(kc)K0(kc)‑μ0I0(kc)K′0(kc)其中，Bz(ρ,φ,z)表示轴向线圈的连续面电流密度在目标场点r(ρ,φ,z)处产生的磁场表达式；ρ，φ，z分别表示目标场点在圆柱坐标系下的径向距离、方位角和高度；Fφ是轴向线圈的连续面电流密度在方位角分量的傅立叶变换；μ0为真空磁导率；μr为相对磁导率；a为轴向线圈的半径；b和c分别为磁屏蔽筒的内外半径；p为反射次数；I0和K0分别表示0阶第一类和第二类修正贝塞尔函数，I0'和K0'是相对应的一阶导数；R0，αb，βb，γb,αc，βc和γc为中间变量，无实际意义。3.根据权利要求1所述的一种磁屏蔽筒内轴向匀场线圈的设计方法，其特征在于：所述第一步中，轴向线圈的连续表面电流密度为：Jz(φ′,z′)＝0其中，Pn，n＝1,2,..,N是未知的电流密度系数，N是傅立叶级数的最大阶数，L为携带连续面电流的圆柱面的半高度。4.根据权利要求1所述的一种磁屏蔽筒内轴向匀场线圈的设计方法，其特征在于：所述第二步中，流函数的表达式为：2CN114200368A权利要求书2/2页其中，ψ(φ′,z′)表示在源点r'(a,φ',z')处的流函数的值的大小；φ'，z'分别表示源点在圆柱坐标系下的方位角和高度，流函数值的空间变化对应于电流的等效变化，流函数的等值线表示承载相同电流的离散线圈导线的位置。5.根据权利要求1所述的一种磁屏蔽筒内轴向匀场线圈的设计方法，其特征在于：所述第二步中，线圈的初始绕组为：其中，di0，为得到的线圈的初始绕组；为线圈的初始绕组包含的载流回路数量；I为绕组内部通入的电流。6.根据权利要求1所述的一种磁屏蔽筒内轴向匀场线圈的设计方法，其特征在于：所述第三步中，多阶粒子群优化算法实现为：设定在维搜索空间中搜索最优值，有Num个粒子进行寻优，每个粒子对应于问题的一个潜在解决方案。第j，j＝1,2,…Num个粒子的位置和速度分别表示为和在搜索过程中，个体极值和全局极值分别被记录为和Pg，每个粒子根据其个体极值和全局极值调整它的速度vji和位置xji，调整公式为：其中，w为惯性权重因子，ws＝0.9，wm＝0.6，ωe＝0.4；t是当前迭代次数，T是允许的最大迭代次数，T1＝0.25T,T2＝0