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新型永久磁体及双平面纵向屏蔽梯度线圈设计

作　者: 宁毅
导　师: 王雪帆；李建久
学　校: 华中科技大学
专　业: 电机与电器
关键词: 磁共振永久磁体改进遗传算法双平面梯度线圈电流密度目标场
分类号: TM55
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 212次
引　用: 1次
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内容摘要

磁共振成像是核磁共振技术应用的一个重要方向。在过去的十数年里,永磁型磁共振成像技术得到了巨大的发展。永磁磁体和梯度系统是永磁型磁共振成像系统中非常关键的部分。为了满足磁共振成像多功能的发展需要,必须有与之相适应的较高磁场强度的磁体和梯度磁场系统。本文的主要目标是设计新型的0.4 特斯拉开放式C 型永久磁体以及具有屏蔽效果的双平面纵向梯度线圈。本文结构上分为两大部分。第一部分从永久磁体的一般结构入手,建立磁体的物理模型,针对设计的磁体性能建立优化目标函数,利用有限元软件ANSYS 的电磁场计算模块进行仿真,并借助ANSYS 优化模块,提出并分析了二维磁体设计的若干重要概念,包括适宜的钕铁硼工作点范围问题、匀场环及极板的形状对气隙磁场场值分布的敏感性干扰问题。在上述分析成果基础上,创造性修改了磁路结构,获得了二维磁体最佳设计参数,在此基础上折算获得三维磁体,根据磁体的仿真结果决定是否继续进行优化直至获得满意的磁体结构。这个优化设计过程实现了效率和精度的兼顾。梯度线圈的设计是开放式永磁型磁共振系统的难题,同样属于电磁场逆问题的范畴。本文第二部分结合业界两种常用设计方法即离散导线设计法和分布电流密度设计法,提出将遗传算法作为全局搜索算法,利用狄拉克函数将载流的分离导线表示成连续分布表面电流密度,通过成熟的基于分布电流密度概念的目标场法并结合流函数离散技术来设计梯度线圈的新概念,完成了设计双平面屏蔽纵向梯度线圈理论的详细推导,应用改进遗传方法来建立线圈优化设计的数学模型,编制了相关程序。经过样机实测检验,本文提出的磁体设计方法被证明是比较成功的,且0.23 特斯拉至0.35 特斯拉磁体都能通过本文方法比较顺利的设计出来。而梯度线圈的测试结果表明,线圈的梯度磁场分布与理论磁场分别吻合较好,显示了方法的正确性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
1 绪论  10-18
  1.1 课题背景  10-15
  1.2 0.4 特斯拉新型永久磁体及平面梯度线圈设计的可行性  15-16
  1.3 课题内容和我的主要工作  16-18
    1.3.1 新型永久磁体及双平面纵向屏蔽梯度线圈的具体设计性能参数  16-17
    1.3.2 我的主要工作  17-18
2 0.4特斯拉C 型永久磁体设计  18-38
  2.1 永久磁体设计的理论基础及设计方法  18-24
    2.1.1 永久磁体的基本介绍  18
    2.1.2 永久磁体的设计理论和设计方法  18-24
  2.2 有限元软件ANSYS 功能简介  24-26
  2.3 0.4 特斯拉C 型永久磁体二维情形尺寸的优化设计  26-35
    2.3.1 有限元计算过程  26-29
    2.3.2 二维磁体优化设计中若干重要因素  29-35
  2.4 二维磁体向三维C 型磁体尺寸的转化及三维磁体仿真设计  35-38
3 双平面纵向屏蔽梯度线圈设计  38-56
  3.1 遗传算法简介及改进遗传算法的构造  38-43
    3.1.1 遗传算法简介  38
    3.1.2 改进遗传算法的构建  38-43
  3.2 双平面纵向屏蔽梯度线圈模型的理论推导  43-51
    3.2.1 梯度线圈设计的两种基本方法  43-48
    3.2.2 线圈激励磁场的数学模型的推导  48-51
  3.3 优化模型的建立  51-52
    3.3.1 设计变量  51
    3.3.2 约束条件  51
    3.3.3 目标函数  51-52
  3.4 基于改进遗传方法的线圈优化设计的程序实现  52-56
    3.4.1 解析数学模型向数值模型的转化  52-55
    3.4.2 改进遗传算法的代码实现  55-56
4 仿真与结果分析  56-69
  4.1 0.4 特斯拉永久磁体仿真结果及样机实测分析  56-59
  4.2 双平面纵向屏蔽梯度线圈的仿真及结果分析  59-69
    4.2.1 线圈仿真优化及非线性度结果分析  60-67
    4.2.2 线圈屏蔽性能仿真测试  67-69
5 总结与展望  69-71
致谢  71-72
参考文献  72-76
附录1 攻读硕士学位期间发表的文章  76

新型永久磁体及双平面纵向屏蔽梯度线圈设计

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