一种螺线管线圈磁场的优化方法技术

本发明专利技术公开了一种螺线管线圈磁场的优化方法，属于螺线管线圈磁场的优化技术领域，一种螺线管线圈磁场的优化方法，包括以下步骤：S1：优化算法，采用遗传算法作为优化算法，采用Matlab工具箱中的gatool进行计算，按照遗传算法在Matlab中的运算流程进行优化，S2：利用数学模型优化参数，在考虑螺线管的厚度和高度的情况下，使其达到优化目标，S3：优化计算结果，根据优化结果，计算得到中心磁场距中心点50mm处的磁感应强度，将其转化为螺线管线圈的层数和长度方向的匝数。本发明专利技术的优化方法采用遗传算法对螺线管结构参数进行了优化，提高螺线管在身管内部的激励磁场强度，使内部磁感应强度增大。

An Optimum Method of Solenoid Coil Magnetic Field

【技术实现步骤摘要】
一种螺线管线圈磁场的优化方法
本专利技术涉及螺线管线圈磁场的优化
，更具体地说，涉及一种螺线管线圈磁场的优化方法。
技术介绍
遗传算法是一种基于自然选择原理和自然遗传机制的随机搜索方法。它能够模拟自然界中“适者生存，优胜劣汰”的生命进化机制，从而在人工系统中实现具有特定目标的优化。遗传算法将每个可行解等同于生物学个体，优化前系统随机将N个个体组成初始种群，然后人为确定适应度函数，系统则根据适应度高低对个体进行排序，并将其中高适应度的个体进行遗传操作(选择、交叉及变异)，对低适应度的个体进行淘汰。该过程反复进行，直至最终适应度最好的个体被筛选出来，即为全局最优解。遗传算法具有发展成熟、收敛速度快、不易于陷入局部最优解等优点。在构建电磁感应特性优化设计模型时，是以轴线处磁场强度为0.5T作为基准值，其轴线处磁场强度和均匀区长度均较小，且体积较大，影响螺线管在身管内部的激励磁场强度，从而影响其内部磁感应强度。为此，提出一种螺线管线圈磁场的优化方法。
技术实现思路
1.要解决的技术问题针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种螺线管线圈磁场的优化方法，它以螺线管线圈参数及身管参数为设计变量，对同轴螺线管金属筒内电磁感应特性进行优化，采用遗传算法对螺线管结构参数进行优化，进一步提高螺线管在身管内部的激励磁场强度，使内部磁感应强度增大。2.技术方案为解决上述问题，本专利技术采用如下的技术方案。一种螺线管线圈磁场的优化方法，包括以下步骤：S1：优化算法，采用遗传算法作为优化算法，采用Matlab工具箱中gatool进行计算，按照遗传算法在Matlab中的运算流程进行优化，共分为五步；S2：利用数学模型优化参数，在考虑螺线管的厚度和高度的情况下优化其相关螺线管线圈参数，使其达到优化目标，使用matlab遗传算法工具箱，编写目标函数的M文件；S3：优化计算结果，根据优化结果，确定线圈内径、线圈厚度与电流密度，得到中心磁场，距中心点50mm处的磁感应强度，将上述优化值转化为螺线管线圈的层数和长度方向的匝数。进一步的，所述S1中五步分别为产生初始种群对运行参数进行赋值、计算初始种群的适应度值和目标函数、根据适应度值选取用于繁殖的个体、按照一定的概率和方法进行交叉和变异产生新的种群与对产生的新种群计算适应度和目标函数，并判断是否符合优化标准。进一步的，所述运行参数包括种群规模、变量个数、交叉概率、变异概率以及终止进化的迭代次数。进一步的，所述S2中螺线管线圈参数包括线圈内半径、线圈厚度，运行电流。进一步的，所述S2中优化目标为中心磁感应强度为0.5T时螺线管线圈体积最小，且在Φ30mm×100mm范围内均匀度不超过5％。进一步的，所述S2中使用matlab遗传算法工具箱的步骤为，先编写目标函数的M文件，然后设定种群规模、迭代次数、交叉概率、变异概率与收敛阀值的相关数值。进一步的，对于非线性等式和不等式约束条件的所述目标函数进行单独编写一个M文件。进一步的，所述S3中优化计算出的电流密度较大时，可采用超导材料作制作导线。3.有益效果相比于现有技术，本专利技术的优点在于：本方案以螺线管线圈参数及身管参数为设计变量，对同轴螺线管金属筒内电磁感应特性进行优化，其中，螺线管线圈参数包括线圈内半径、线圈厚度，运行电流，在构建电磁感应特性优化设计模型时，以轴线处磁场强度为0.5T作为基准值，通过优化设计变量来提高轴线处磁场强度和均匀区长度，同时使体积最小，采用遗传算法对螺线管结构参数进行优化，进一步提高螺线管在身管内部的激励磁场强度，使内部磁感应强度增大。附图说明图1为本专利技术的整体流程示意图；图2为本专利技术的遗传算法迭代流程；图3为本专利技术的螺线管线圈结构参数示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。实施例1：请参阅图1-3，一种螺线管线圈磁场的优化方法，包括以下步骤：S1：优化算法，采用遗传算法作为优化算法，采用Matlab工具箱中gatool进行计算，共分为五步，寻优过程如图2所示：第一步，产生初始种群P(t)对运行参数进行赋值，包括种群规模、变量个数、交叉概率、变异概率以及终止进化的迭代次数；第二步，计算初始种群P(t)的适应度值和目标函数；第三步，根据适应度值选取用于繁殖的个体，适应度值大的个体被选中的概率高，适应度值小的个体则可能被淘汰；第四步，按照一定的概率和方法进行交叉和变异产生新的种群P(t+1)；第五步，对产生的新种群P(t+1)计算适应度和目标函数，并判断是否符合优化标准，若条件满足，则算法终止，否则令P(t)＝P(t+1)，然后转入第三步继续寻优；S2：利用数学模型优化参数，由于线圈的缠绕匝数和层数直接影响螺线管内部产生磁场，因此在优化过程中考虑螺线管的厚度和高度，如图3所示，螺线管半径为a，厚度为b，长L为200mm，设线圈的平均电流密度为J，导线截面积为S取6mm2，则螺线管在Z轴上的表达式为：式中螺线管的尺寸单位为mm，J的单位为A/m2。导线的临界电流为：Ic＝-129.4×Bm+1239.6Bm为B的最大值，Bm取1，B的单位为T，Ic单位为A，导线上的运行电流Io＝J×S，对磁场参数进行实体编码，以线圈内径a，线圈厚度b，运行电流I0及线圈匝数N为设计变量，优化目标为得到中心磁感应强度为0.5T时螺线管线圈体积最小，且在Φ30mm×100mm范围内均匀度不超过5％，设L1＝100mm，B1表示L1范围内的磁感应强度值，将设计变量a、b、Io设为x1、x2、x3，数学模型如下，目标函数：MinV＝πl[(a+b)2-a2]约束条件：遗传算法在matlab上的实现，使用matlab遗传算法工具箱，首先编写目标函数的M文件，对于非线性等式和不等式约束条件，单独编写一个M文件，function[cceq]＝nonlcon(x)，非线性不等式表达式写为c(1)＝|0.5-B1|-0.05B0，c(2)＝I0-0.3Ic；非线性等式表达式写为ceq＝B(0,0)-1；设定种群规模为50，迭代次数设为50次，交叉概率及变异概率分别为0.65、0.04，收敛阀值为0.01；S3：优化计算结果，设计变量优化结果根据优化结果，确定线圈内径为32mm，线圈厚度为90mm，电流密度9.5A/mm2，从而得到中心磁场B(0,0)＝0.507T距中心点50mm处的磁感应强度B(0,50)＝0.533T，可知不均匀度为5.1％，将上述优化值转化为螺线管线圈的层数和长度方向的匝数，结果为n＝66，N＝144，优化计算出的电流密度较大，可以采用超导材料作制作导线，通过优化设计变量来提高轴线处磁场强度和均匀区长度，同时使体积最小，采用遗传算法对螺线管结构参数进行优化，进一步提高螺线管在身管内部的激励磁场强度，使内部磁感应强度增大。本专利技术以螺线管线圈参数及身管参数为设计变量，对同轴螺线管金属筒内电磁感应特性进行优化，其中，螺线管线圈参数包括线圈内半径、线圈厚度，运行电流，在构建电磁感应特性优化设计模型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种螺线管线圈磁场的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：优化算法，采用遗传算法作为优化算法，采用Matlab工具箱中的gatool进行计算，按照遗传算法在Matlab中的运算流程进行优化，共分为五步；S2：利用数学模型优化参数，在考虑螺线管的厚度和高度的情况下优化其相关螺线管线圈参数，使其达到优化目标，使用matlab遗传算法工具箱，编写目标函数的M文件；S3：优化计算结果，根据优化结果，确定线圈内径、线圈厚度与电流密度，得到中心磁场距中心点50mm处的磁感应强度，将上述优化值转化为螺线管线圈的层数和长度方向的匝数。

【技术特征摘要】
1.一种螺线管线圈磁场的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：优化算法，采用遗传算法作为优化算法，采用Matlab工具箱中的gatool进行计算，按照遗传算法在Matlab中的运算流程进行优化，共分为五步；S2：利用数学模型优化参数，在考虑螺线管的厚度和高度的情况下优化其相关螺线管线圈参数，使其达到优化目标，使用matlab遗传算法工具箱，编写目标函数的M文件；S3：优化计算结果，根据优化结果，确定线圈内径、线圈厚度与电流密度，得到中心磁场距中心点50mm处的磁感应强度，将上述优化值转化为螺线管线圈的层数和长度方向的匝数。2.根据权利要求1所述的一种螺线管线圈磁场的优化方法，其特征在于：所述S1中五步分别为产生初始种群对运行参数进行赋值、计算初始种群的适应度值和目标函数、根据适应度值选取用于繁殖的个体、按照一定的概率和方法进行交叉和变异产生新的种群与对产生的新种群计算适应度和目标函数，并判断是否符合优化标准。3.根据权利要求2所述的一种螺线管线圈磁场的优化方...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛保全，白向华，钟孟春，张天意，宋瑞亮，李程，王之千，朱锐，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军装甲兵学院，
类型：发明
国别省市：北京,11