CN114896729A - 一种利用感应电流对磁铁进行设计的方法及系统 - Google Patents

一种利用感应电流对磁铁进行设计的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用感应电流对磁铁进行设计的方法及系统，其包括：根据物理需求确定外加磁场的场型以及线圈分布轮廓，根据线圈分布轮廓确定导体壳外形；计算导体壳在外加磁场下产生的涡流分布，将该涡流分布离散化后得到初步的离散线圈分布；对离散化后的线圈位置进行参数建模，调整线圈分布，对线圈端部磁场进行优化；将优化后的线圈上的磁场及电流分布数据转化为洛仑兹力分布加载到有限元模型进行结构仿真，根据仿真结果进行线圈骨架及磁体结构的机械设计，并在冷体的结构设计完成后，由内而外进行低温恒温器的设计。本发明对场形及线圈截面分布无特殊限制，具有极高的灵活性，能应对各种复杂磁场系统的设计要求；能在磁体优化设计技术领域中应用。

Description

一种利用感应电流对磁铁进行设计的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种磁体优化设计技术领域，特别是关于一种利用利用感应电流对磁铁进行设计的方法及系统。
背景技术
主要依靠空间电流分布产生磁场的线圈主导型超导磁体是加速器应用中常见的另外一类磁铁，具有结构轻巧、场型多变、磁场线性等优势。超导二极磁体线圈根据线圈结构不同主要有以下几种类型:Cos-Theta线圈、Commom线圈、Block type线圈和Canted-Cosine-Theta线圈。四种类型的超导线圈在磁激励效果、线圈结构、绕制难度等方面各有特点。各种类型线圈在不同装置上都有不同的应用。随着加速器在医疗等领域的应用，线圈主导型超导磁体逐渐成为了超导加速器的重要选择部件。
线圈型超导磁体设计主要是通过解析求解空间电流分布来产生特定磁场。当所需磁场为标准二、四、六极磁场时，且磁铁截面为圆形时，可以通过解析解快速给出线圈分布。常见的CCT&DCT线圈就是利用这种解析解法设计和优化。
当求出当所需磁场相对复杂或线圈形状非圆截面，其空间电流分布的解析解变得难以获得。通过解析计算难以快速给出线圈分布。这些特殊场景下的磁铁设计和优化变得相对困难。例如当所需磁场并非标准磁场时，解析难度加大，且复杂的线圈表达式也不利于后续的优化和设计。再比如当实际空间限制，无法适用圆形磁铁截面或者改变截面能大幅减少磁铁成本，提高空间利用率。面对非圆截面，传统设计方法同样难以给出解析的电流分布，难以进行进一步的磁体设计和优化。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用感应电流对磁铁进行设计的方法及系统，其对场形及线圈截面分布无特殊限制，具有极高的灵活性，能应对各种复杂磁场系统的设计要求。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种利用感应电流对磁铁进行设计的方法，其包括：根据物理需求确定外加磁场的场型以及线圈分布轮廓，并根据线圈分布轮廓确定导体壳外形；计算导体壳在外加磁场下产生的涡流分布，将该涡流分布离散化后得到初步的离散线圈分布；对离散化后的线圈位置进行参数化建模，调整线圈分布，根据设计需求，对线圈所产生的磁场进行优化；将优化后的线圈上的磁场及电流分布数据转化为洛仑兹力分布加载到有限元模型进行结构仿真，根据仿真结果进行线圈骨架及磁体结构的机械设计，并在冷体的结构设计完成后，进行低温恒温器的设计。
进一步，所述计算导体壳在外加磁场下产生的涡流分布，采用有限元方法进行计算。
进一步，所述计算导体壳在外加磁场下产生的涡流分布，包括：
在交流运行中导体壳表面产生感应电流，当导体壳内部磁场为0时，认为导体壳中的感应电流，产生了与外加磁场大小相等、方向相反的磁场；
沿着导体壳截面路径，将所求的感应电流分布取出，取出的感应电流沿着导体壳截面路径积分，形成电流积分-路径曲线。
进一步，所述导体壳中感应电流的趋肤深度小于导体壳厚度。
进一步，所述针对离散化后的线圈位置进行参数建模，调整线圈分布，对线圈端部磁场进行优化，包括：
根据磁铁功能和实际磁场需求，确定所需优化线圈分布的参数方程形式；
根据线圈分布建立参数化方程，通过参数化方程中的各个参数来约束线圈在空间上的分布；
根据优化参数与物理目标的映射关系，调用相应的优化算法对磁铁的磁场和线圈进行优化和设计。
进一步，所述机械设计和低温恒温器的设计与磁场和线圈设计之间进行多次反馈迭代，形成满足实际加工条件和物理要求的磁铁线圈方案。
一种利用感应电流对磁铁进行设计的系统，其包括：初级处理模块，根据物理需求确定外加磁场的场型以及线圈分布轮廓，并根据线圈分布轮廓确定导体壳外形；涡流分布计算模块，计算导体壳在外加磁场下产生的涡流分布，将该涡流分布离散化后得到初步的离散线圈分布；线圈设置模块，对离散化后的线圈位置进行参数建模，调整线圈分布，对线圈端部磁场进行优化；工程设计模块，将优化后的线圈上的磁场及电流分布数据转化为洛仑兹力分布加载到有限元模型进行结构仿真，根据仿真结果进行线圈骨架及磁体结构的机械设计，并在冷体的结构设计完成后，由内而外进行低温恒温器的设计。
进一步，所述涡流分布计算模块中，采用有限元方法计算导体壳在外加磁场下产生的涡流分布。
进一步，所述涡流分布计算模块包括：
磁场产生模块，在交流运行中导体壳表面产生感应电流，当导体壳内部磁场为0时，认为导体壳中的感应电流，产生了与外加磁场大小相等、方向相反的磁场；
分布获取模块，沿着导体壳截面路径，将所求的感应电流分布取出，取出的感应电流沿着导体壳截面路径积分，形成电流积分-路径曲线。
进一步，所述导体壳中的感应电流趋肤深度要小于导体壳厚度。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明经过初步涡流计算、离散化、端部处理优化等处理，可以在合理的范围内实现所需磁场的电磁设计，通过特殊截面或特殊场型分布实现物理目标，节约空间、成本或者获得更好的磁场质量。
2、本发明通过外加任意形状导体壳来确定线圈分布、外加任意磁场来确定场区场形，对场形及线圈截面分布无特殊限制，具有极高的灵活性，能应对各种复杂磁场系统的设计要求。
附图说明
图1是本发明一实施例中利用感应电流设计磁铁流程示意图；
图2是本发明一实施例中利用感应电流优化设计磁铁的磁场示意图；
附图标记：
1、外加磁场，2、导体壳，3、感应电流，4、离散线圈产生磁场，5、离散线圈。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明提供的利用感应电流对磁场设计进行优化的方法及系统，是采用感应电流设计特定场型的磁铁线圈，利用具有指定形状的导体壳所产生的感应电流，再离散化感应电流分布得到分立的线圈分布。当外界给定一个特定场型后，由于导体对外场的屏蔽效果，内部磁场为0，此时导体表面的感应电流产生的磁场一定与外加磁场大小相等方向相反。利用这种方式，当外加场为任意场时，导体表面会产生相应的涡流，该涡流所形成的磁场就是外加磁场。所需要设计的磁场分布由外加磁场决定，而线圈形状则由导体壳轮廓决定。特殊的导体壳形状，代表着特殊的涡流分布。
通过对涡流分布进行离散化，逐步优化线圈位置，从而获得满足不同物理需求的特殊线圈。针对不同的物理要求，设定相应的导体壳和外加磁场，利用感应电流能方便快捷地设计出所需复杂场型。
在本发明的一个实施例中，提供一种利用感应电流对磁铁进行设计的方法。本实施例中，如图1所示，该方法包括以下步骤：
1)根据物理需求确定外加磁场的场型以及线圈分布轮廓，并根据线圈分布轮廓确定导体壳外形；
2)计算导体壳在外加磁场下产生的涡流分布，将该涡流分布离散化后得到初步的离散线圈分布；
3)对离散化后的线圈位置进行参数化建模，调整线圈分布，根据设计需求，对线圈所产生的磁场进行优化；
4)将优化后的超导线圈上的磁场及电流分布数据转化为洛仑兹力分布加载到有限元模型进行结构仿真，根据仿真结果进行线圈骨架及磁体结构的机械设计，并在冷体的结构设计完成后，进行低温恒温器的设计。
上述步骤2)中，采用有限元方法(例如CST、opera等)计算指定外形的导体壳在外加磁场下的涡流分布，包括以下步骤：
2.1)在交流运行中，导体壳表面产生感应电流，从而阻止外加磁场进入导体壳内部。当导体壳内部磁场为0时，可以认为导体壳中的感应电流，产生了与外加磁场大小相等、方向相反的磁场。
2.2)沿着导体壳截面路径，将所求的感应电流分布取出。取出的感应电流沿着导体壳截面路径积分，形成电流积分-路径曲线。
上述实施例中，由于感应电流(即涡流)需在变化的场中才能产生，因此背景磁场需预先设定其运行频率。运行频率任意，导体壳在设置时通过改变厚度、所用材料的电导率，确保导体壳中的感应电流趋肤深度要小于导体壳厚度。
上述步骤3)中，针对离散化后的线圈位置进行参数建模，调整线圈分布，根据设计需求，对线圈所产生的磁场进行优化。采用多参数的建模对结构、形状复杂的线圈主导型超导磁体优化提供了高的自由度，具体包括以下步骤：
3.1)根据磁铁功能和实际磁场需求，确定所需优化线圈分布的参数方程形式；
当线圈匝数较少时，可直接将线圈空间坐标作为优化设置参数；
当线圈匝数较多时，可对线圈空间坐标分布进行多项式/傅立叶级数拟合后，将拟合系数作为优化设置参数。
3.2)根据线圈分布建立参数化方程，通过参数化方程中的各个参数来约束线圈在空间上的分布。
3.3)根据优化参数与均匀度等物理目标的映射关系，调用相应的优化算法(例如遗传算法、粒子群算法等)，对磁铁的磁场和线圈进行优化和设计。
上述步骤4)中，由于完整的超导磁体设计还需要在电磁优化设计的基础上，综合考虑力学、热学相关的结构设计要求，最终形成超导磁体的冷体设计和低温恒温器设计，在获得完整的磁场优化设计后，将超导线圈上的磁场及电流分布数据转化为洛仑兹力分布加载到有限元模型，利用有限元计算软件ANSYS进行结构仿真，根据仿真结果进行线圈骨架及磁体结构的机械设计，并在完成了冷体的结构设计后，由内而外进行低温恒温器的设计。
上述实施例中，机械设计和低温恒温器的设计与磁场和线圈设计之间需要多次反馈迭代，例如在分析应力应变计算结果后，可能发现需要调整线圈形状来避免应力集中区域，在完成磁体骨架设计并进行结构分析后需要对某些部位进行加强来减小形变。经过多次迭代后最终形成满足实际加工条件和物理要求的磁铁线圈方案。
实施例：
本实施例中以矩形截面二极磁场为例。如图2所示，为用于设计磁场的示意图。根据物理需要，确定线圈分布轮廓为矩形分布，确定外加磁场为均匀二极磁场。因此在有限元软件中，以均匀二极磁场为背景磁场1，根据线圈分布轮廓建立预设厚度的矩形导体壳2作为导体壳。由于感应电流需在变化的场中才能产生，因此背景磁场选择预先设定的运行频率。运行频率任意，但需确保导体壳中的感应电流趋肤深度要小于导体壳厚度。
利用有限元的方法，求解特定外加磁场下，导体壳中的电流分布3。在交流运行中，导体表面产生感应电流，从而阻止外加磁场进入导体壳内部。当导体壳内部磁场为0时，可以认为导体壳中的感应电流，产生了与外加磁场大小相等，方向相反的磁场。此时沿着导体截面路径，将所求的感应电流分布取出。取出的感应电流沿着导体截面路径积分后，形成电流积分-路径曲线。
根据所需磁场，确定磁铁本身所需的安匝数NI，确定总匝数N使得单饼线圈电流I处于合适的范围内。随后在电流积分-路劲曲线中进行离散化，根据离散化可以获得具有一定分布的离散线圈5。
此时离线线圈产生的磁场4就是待设计的二极磁场，而线圈分布5就是设计所要求的矩形截面。由此通过感应电流进行了矩形截面的二极磁场线圈的设计。
在本发明的一个实施例中，提供一种利用感应电流对磁铁进行设计的系统，其包括：
初级处理模块，根据物理需求确定外加磁场的场型以及线圈分布轮廓，并根据线圈分布轮廓确定导体壳外形；
涡流分布计算模块，计算导体壳在外加磁场下产生的涡流分布，将该涡流分布离散化后得到初步的离散线圈分布；
线圈设置模块，针对离散化后的线圈位置进行参数建模，调整线圈分布，对线圈端部磁场进行优化；
工程设计模块，将优化后的线圈上的磁场及电流分布数据转化为洛仑兹力分布加载到有限元模型进行结构仿真，根据仿真结果进行线圈骨架及磁体结构的机械设计，并在冷体的结构设计完成后，由内而外进行低温恒温器的设计。
上述实施例中，在涡流分布计算模块中，采用有限元方法计算导体壳在外加磁场下产生的涡流分布。
上述实施例中，在涡流分布计算模块中还包括：
磁场产生模块，在交流运行中导体壳表面产生感应电流，当导体壳内部磁场为0时，认为导体壳中的感应电流，产生了与外加磁场大小相等、方向相反的磁场；
分布获取模块，沿着导体壳截面路径，将所求的感应电流分布取出，取出的感应电流沿着导体壳截面路径积分，形成电流积分-路径曲线。
上述各实施例中，导体壳中的感应电流的趋肤深度要小于导体壳厚度。
本实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种利用感应电流对磁铁进行设计的方法，其特征在于，包括：
根据物理需求确定外加磁场的场型以及线圈分布轮廓，并根据线圈分布轮廓确定导体壳外形；
计算导体壳在外加磁场下产生的涡流分布，将该涡流分布离散化后得到初步的离散线圈分布；
对离散化后的线圈位置进行参数化建模，调整线圈分布，根据设计需求，对线圈所产生的磁场进行优化；
将优化后的线圈上的磁场及电流分布数据转化为洛仑兹力分布加载到有限元模型进行结构仿真，根据仿真结果进行线圈骨架及磁体结构的机械设计，并在冷体的结构设计完成后，进行低温恒温器的设计。
2.如权利要求1所述利用感应电流对磁铁进行设计的方法，其特征在于，所述计算导体壳在外加磁场下产生的涡流分布，采用有限元方法进行计算。
3.如权利要求2所述利用感应电流对磁铁进行设计的方法，其特征在于，所述计算导体壳在外加磁场下产生的涡流分布，包括：
在交流运行中导体壳表面产生感应电流，当导体壳内部磁场为0时，认为导体壳中的感应电流，产生了与外加磁场大小相等、方向相反的磁场；
沿着导体壳截面路径，将所求的感应电流分布取出，取出的感应电流沿着导体壳截面路径积分，形成电流积分-路径曲线。
4.如权利要求3所述利用感应电流对磁铁进行设计的方法，其特征在于，所述导体壳中感应电流的趋肤深度小于导体壳厚度。
5.如权利要求1所述利用感应电流对磁铁进行设计的方法，其特征在于，所述针对离散化后的线圈位置进行参数建模，调整线圈分布，对线圈端部磁场进行优化，包括：
根据磁铁功能和实际磁场需求，确定所需优化线圈分布的参数方程形式；
根据线圈分布建立参数化方程，通过参数化方程中的各个参数来约束线圈在空间上的分布；
根据优化参数与物理目标的映射关系，调用相应的优化算法对磁铁的磁场和线圈进行优化和设计。
6.如权利要求1所述利用感应电流对磁铁进行设计的方法，其特征在于，所述机械设计和低温恒温器的设计与磁场和线圈设计之间进行多次反馈迭代，形成满足实际加工条件和物理要求的磁铁线圈方案。
7.一种利用感应电流对磁铁进行设计的系统，其特征在于，包括：
初级处理模块，根据物理需求确定外加磁场的场型以及线圈分布轮廓，并根据线圈分布轮廓确定导体壳外形；
涡流分布计算模块，计算导体壳在外加磁场下产生的涡流分布，将该涡流分布离散化后得到初步的离散线圈分布；
线圈设置模块，对离散化后的线圈位置进行参数建模，调整线圈分布，对线圈端部磁场进行优化；
工程设计模块，将优化后的线圈上的磁场及电流分布数据转化为洛仑兹力分布加载到有限元模型进行结构仿真，根据仿真结果进行线圈骨架及磁体结构的机械设计，并在冷体的结构设计完成后，由内而外进行低温恒温器的设计。
8.如权利要求7所述利用感应电流对磁铁进行设计的系统，其特征在于，所述涡流分布计算模块中，采用有限元方法计算导体壳在外加磁场下产生的涡流分布。
9.如权利要求8所述利用感应电流对磁铁进行设计的系统，其特征在于，所述涡流分布计算模块包括：
磁场产生模块，在交流运行中导体壳表面产生感应电流，当导体壳内部磁场为0时，认为导体壳中的感应电流，产生了与外加磁场大小相等、方向相反的磁场；
分布获取模块，沿着导体壳截面路径，将所求的感应电流分布取出，取出的感应电流沿着导体壳截面路径积分，形成电流积分-路径曲线。
10.如权利要求9所述利用感应电流对磁铁进行设计的系统，其特征在于，所述导体壳中的感应电流趋肤深度要小于导体壳厚度。
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