[发明专利]一种大均匀区三维磁线圈及其制造方法

权利要求书

1.一种大均匀区三维磁线圈，包括支撑体(1)、纵线圈(2)和横线圈(3)；所述支撑体(1)为上、下底面开放中心对称的筒状，在支撑体(1)的表面沿其周向和轴向分别设置有线槽，用于安装纵线圈(2)和横线圈(3)，所述线槽的数量依据纵线圈(2)和横线圈(3)的数量确定；其特征在于：所述纵线圈(2)由绕支撑体(1)表面周向缠绕的导线构成，相邻的两个纵线圈(2)之间平行且导线连通；所述横线圈(3)由绕支撑体(1)表面轴向和上下底面边缘缠绕的导线构成，在空间内形成空间多边形，所述横线圈(3)为两对，每对横线圈(3)对称安装于支撑体(1)之上，使两对横线圈(3)的磁场正交。

2.如权利要求1所述的一种大均匀区三维磁线圈，其特征在于：所述支撑体(1)为无上、下底的圆筒状或方筒状。

3.如权利要求1所述的一种大均匀区三维磁线圈，其特征在于：所述纵线圈(2)缠绕的匝数为一匝或多于一匝，所述纵线圈(2)的个数为三个、四个或更多个。

4.如权利要求1或2所述的一种大均匀区三维磁线圈，其特征在于：所述纵线圈(2)在空间中形成的多边形为绕圆筒状的支撑体(1)的轴向和底面圆弧缠绕所形成的空间四边形。

5.如权利要求2所述的一种大均匀区三维磁线圈，其特征在于：所述纵线圈(2)在空间中形成的多边形为绕方筒状的支撑体(1)的柱面和底面边缘缠绕所形成的空间四边形、六边形或八边形。

6.一种大均匀区三维磁线圈的制造方法，设纵线圈的磁场方向为z轴正方向，两组横线圈磁场方向分别为x轴和y轴正方向，构成三维直角坐标系；设纵线圈的参数为h₁，h₂，…，h_N，所述纵线圈的参数为线圈半径、两线圈间距离、匝数比、导线截面积、导线线径以及其它参数；设横线圈的参数为t₁，t₂，…，t_V，所述横线圈的参数为线圈半径、总长度、张角弧度以及其它参数；线圈中心坐标为O(0,0,0)，均匀区(4)为以线圈中心为球心，半径为a的球体，所述半径a根据使用需求确定，其特征在于：该设计方法包括以下步骤：

步骤一、计算磁场分量

设通电线圈内任意一点A处的坐标为(x,y,z)，则根据毕奥-萨伐尔定率，该点A处磁场强度B的在X、Y和Z三个方向上的分量表达式分别为B_x(x,y,z,t₁,t₂,…,t_V)、B_y(x,y,z,t₁,t₂,…,t_V)和B_z(x,y,z,h₁,h₂,…,h_N)；

步骤二、有效均匀性计算

定义中心坐标为O(0,0,0)，半径为a的球形均匀区(4)的有效均匀性UN_eff的表达为

其中B(X)，B(Y)，B(Z)，和B(O)，分别为X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)点处的横、纵线圈磁场在x方向或y方向或z方向的分量；

由上式，磁场方向与x轴正向同向的横线圈所形成的均匀区的有效均匀性为

其中，B_x(X)，B_x(Y)，B_x(Z)和B_x(O)分别为点X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)处磁场方向与x轴正向同向的横线圈所形成磁场强度在x方向上的分量；

磁场方向与y轴正方向同向的横线圈所形成的均匀区的有效均匀性为

其中，B_y(X)，B_y(Y)，B_y(Z)和B_y(O)分别为点X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)处磁场方向与y轴正向同向的横线圈所形成磁场强度在y方向上的分量；

磁场方向与z轴正方向同向的纵线圈所形成的均匀区的有效均匀性为

其中，B_z(X)，B_z(Y)，B_z(Z)和B_y(O)分别为点X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)处磁场方向与z轴正向同向的纵线圈所形成磁场强度在z方向上的分量；

步骤三、优化求解

分别选取横、纵线圈参数中的一个或多于一个参数进行赋值作为固定参数，采用迭代优化算法，在可调参数空间合理范围找出有效均匀性和各自的极小值，和对应的可调参数取值；

步骤四、误差考量

在可实现的线圈参数误差范围内，优选的误差范围为±0.1mm，考察参数误差对有效均匀性UN_eff的影响，选取考虑误差后和各自多个极小值中最小的一个所对应的线圈参数作为最终确定的线圈参数用以制作线圈。