一种超导磁体的导冷结构参数优化方法、装置和设备制造方法及图纸

本申请涉及一种超导磁体的导冷结构参数优化方法、装置和设备，该方法通过在COMSOL软件中构建超导磁体和导冷板电磁热仿真的涡流损耗模型，获得导冷板涡流损耗；在涡流损耗模型上添加导热参数、交流损耗和导冷板涡流损耗建立导冷板热分析模型并在其分析磁体完整充放电温度恢复时间。基于构建的导冷板热分析模型和涡流损耗模型，采用遗传算法调用超导磁体的磁体充放电温度恢复时间中最小温度恢复时间为目标对优化参数进行优化，得到优化数据；并通过优化数据输入涡流损耗模型，只由得到满足导冷板涡流损耗要求的优化数据作为超导磁体的导冷结构优化参数，使得采用导冷结构优化参数设计的超导磁体的导冷结构不会因为涡流而影响导冷效果。而影响导冷效果。而影响导冷效果。

【技术实现步骤摘要】
一种超导磁体的导冷结构参数优化方法、装置和设备


[0001]本申请涉及超导磁体
，尤其涉及一种超导磁体的导冷结构参数优化方法、装置和设备。

技术介绍

[0002]由于超导磁体需要在临界温度以下进行工作，因此需要制定超导磁体的冷却方案。不同用途、不同结构的超导磁体冷却需求不同，故而其冷却方式也有所不同。
[0003]以前，超导磁体的冷却是采用液氦浸泡冷却方式，该液氦浸泡冷却方式的优点是冷却时间短和效果好，但由于液氦价格昂贵，液氦系统运行复杂等原因制约着超导磁体技术的发展。而现有高温超导材料在液氮温区的电流密度不高，且随着磁场增加迅速降低，不具备实用性。目前高温超导材料的冷却选用传导冷却方式，该传导冷却方式能将带材温度控制在20K左右，高温超导材料具有良好的通流能力，在技术性和经济性上达到平衡。
[0004]传导冷却方式的高温超导磁体系统是由制冷剂、压缩机、真空容器、防辐射屏、铜和高温超导体复合引线、高温超导磁体、磁体保护电路和电源等组成。真空容器内部的导冷结构与磁体直接接触，通过热传导的方式带走磁体运行过程中的热量。而导冷结构的设计对于传导冷却的高温超导磁体系统十分重要，出于加强导冷效果的考虑，每个线圈单元的两侧都需要加装导冷板。针对导冷结构优化，平衡涡流损耗和导热能力，尤其是开槽数量，导冷板厚度等参数的优化，设计和评估缺乏成熟的分析方法。由于导冷结构的导冷板处于磁体磁场最集中的区域，最容易产生涡流，影响导冷效果，甚至引起温升，威胁磁体安全运行。

技术实现思路

[0005]本申请实施例提供了一种超导磁体的导冷结构参数优化方法、装置和设备，用于解决现有超导磁体的导冷结构优化方式会产生涡流，影响导冷效果的技术问题。
[0006]为了实现上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：
[0007]一方面，提供了一种超导磁体的导冷结构参数优化方法，包括以下步骤：
[0008]S1.获取超导磁体的结构参数和导冷板开槽方案，在COMSOL软件中根据所述结构参数和所述导冷板开槽方案建立超导磁体的导冷结构的涡流损耗模型；以及根据所述涡流损耗模型得到导冷结构的导冷板涡流损耗；所述结构参数包括线圈和杜瓦尺寸；
[0009]S2.获取导冷结构的导热参数和超导磁体的交流损耗，在所述涡流损耗模型上增加所述导热参数、所述交流损耗和所述导冷板涡流损耗建立导冷板热分析模型；以及对所述导冷板热分析模型进行仿真运行，得到超导磁体的磁体充放电温度恢复时间；
[0010]S3.获取导冷板的优化参数以及与每个所述优化参数对应设置的优化变量范围，以所述磁体充放电温度恢复时间作为指标，根据所述优化变量范围采用遗传算法对所述优化参数进行选择、交叉、变异优化处理，将处理的优化参数组输入所述涡流损耗模型和所述导冷板热分析模型进行迭代计算，直至达到预定迭代次数得到优化数据；
[0011]S4.将所述优化数据输入所述涡流损耗模型，得到满足导冷板涡流损耗要求的优化数据，该优化数据作为超导磁体的导冷结构优化参数；
[0012]其中，所述优化参数包括导冷板厚度、开槽数量、开槽宽度和槽间距。
[0013]优选地，根据所述涡流损耗模型得到导冷结构的导冷板涡流损耗包括：
[0014]根据所述涡流损耗模型获取超导磁体的磁场参数；
[0015]根据所述磁场参数的材料磁导率和磁体动态矢量计算，得到导冷板的电流密度；
[0016]根据所述磁场参数的磁体动态矢量和磁体动态标量计算，得到超导磁通的电场数据；
[0017]根据所述电场数据和所述电流密度计算，得到导冷板涡流损耗。
[0018]优选地，根据优化变量范围采用遗传算法对优化参数进行选择、交叉、变异优化处理，将处理的优化参数组输入涡流损耗模型和导冷板热分析模型进行迭代计算，直至达到预定迭代次数得到优化数据包括：
[0019]采用遗传算法的适应度函数对所述优化变量范围所有优化参数进行交叉、变异处理，生成数组不同变量的优化参数组；
[0020]以所述磁体充放电温度恢复时间的最小温度恢复时间为目标，将每组优化参数组的优化参数输入所述涡流损耗模型和所述导冷板热分析模型进行迭代计算，直至达到预定迭代次数，该优化参数组作为优化数据。
[0021]优选地，该超导磁体的导冷结构参数优化方法包括：将所述优化数据输入所述涡流损耗模型，得到不满足导冷板涡流损耗要求的优化数据，则基于该优化数据重新设置的优化变量范围，按照步骤S3和步骤S4对该优化数据处理，直至得到满足导冷板涡流损耗要求的优化数据。
[0022]优选地，导冷结构的导热参数包括：导热方式、绝缘材料、材料属性和冷源设置，所述导冷板热分析模型的冷源是设置在导冷板与冷头接触处。
[0023]另一方面，提供了一种超导磁体的导冷结构参数优化装置，包括第一模型建立模块、第二模型建立模块、参数优化模块和结果输出模块；
[0024]所述第一模型建立模块，用于获取超导磁体的结构参数和导冷板开槽方案，在COMSOL软件中根据所述结构参数和所述导冷板开槽方案建立超导磁体的导冷结构的涡流损耗模型；以及根据所述涡流损耗模型得到导冷结构的导冷板涡流损耗；所述结构参数包括线圈和杜瓦尺寸；
[0025]所述第二模型建立模块，用于获取导冷结构的导热参数和超导磁体的交流损耗，在所述涡流损耗模型上增加所述导热参数、所述交流损耗和所述导冷板涡流损耗建立导冷板热分析模型；以及对所述导冷板热分析模型进行仿真运行，得到超导磁体的磁体充放电温度恢复时间；
[0026]所述参数优化模块，用于获取导冷板的优化参数以及与每个所述优化参数对应设置的优化变量范围，以所述磁体充放电温度恢复时间作为指标，根据所述优化变量范围采用遗传算法对所述优化参数进行选择、交叉、变异优化处理，将处理的优化参数组输入所述涡流损耗模型和所述导冷板热分析模型进行迭代计算，直至达到预定迭代次数得到优化数据；
[0027]所述结果输出模块，用于将所述优化数据输入所述涡流损耗模型，得到满足导冷
板涡流损耗要求的优化数据，该优化数据作为超导磁体的导冷结构优化参数；
[0028]其中，所述优化参数包括导冷板厚度、开槽数量、开槽宽度和槽间距。
[0029]优选地，所述结果输出模块还用于将所述优化数据输入所述涡流损耗模型，得到不满足导冷板涡流损耗要求的优化数据，则基于该优化数据重新设置的优化变量范围，按照所述参数优化模块和所述结果输出模块对该优化数据处理，直至得到满足导冷板涡流损耗要求的优化数据。
[0030]优选地，所述第一模型建立模块包括参数提取子模块、第一计算子模块、第二计算子模块和第三计算子模块；
[0031]所述参数提取子模块，用于根据所述涡流损耗模型获取超导磁体的磁场参数；
[0032]所述第一计算子模块，用于根据所述磁场参数的材料磁导率和磁体动态矢量计算，得到导冷板的电流密度；
[0033]所述第二计算子模块，用于根据所述磁场参数的磁体动态矢量和磁体动态标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超导磁体的导冷结构参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.获取超导磁体的结构参数和导冷板开槽方案，在COMSOL软件中根据所述结构参数和所述导冷板开槽方案建立超导磁体的导冷结构的涡流损耗模型；以及根据所述涡流损耗模型得到导冷结构的导冷板涡流损耗；所述结构参数包括线圈和杜瓦尺寸；S2.获取导冷结构的导热参数和超导磁体的交流损耗，在所述涡流损耗模型上增加所述导热参数、所述交流损耗和所述导冷板涡流损耗建立导冷板热分析模型；以及对所述导冷板热分析模型进行仿真运行，得到超导磁体的磁体充放电温度恢复时间；S3.获取导冷板的优化参数以及与每个所述优化参数对应设置的优化变量范围，以所述磁体充放电温度恢复时间作为指标，根据所述优化变量范围采用遗传算法对所述优化参数进行选择、交叉、变异优化处理，将处理的优化参数组输入所述涡流损耗模型和所述导冷板热分析模型进行迭代计算，直至达到预定迭代次数得到优化数据；S4.将所述优化数据输入所述涡流损耗模型，得到满足导冷板涡流损耗要求的优化数据，该优化数据作为超导磁体的导冷结构优化参数；其中，所述优化参数包括导冷板厚度、开槽数量、开槽宽度和槽间距。2.根据权利要求1所述的超导磁体的导冷结构参数优化方法，其特征在于，根据所述涡流损耗模型得到导冷结构的导冷板涡流损耗包括：根据所述涡流损耗模型获取超导磁体的磁场参数；根据所述磁场参数的材料磁导率和磁体动态矢量计算，得到导冷板的电流密度；根据所述磁场参数的磁体动态矢量和磁体动态标量计算，得到超导磁通的电场数据；根据所述电场数据和所述电流密度计算，得到导冷板涡流损耗。3.根据权利要求1所述的超导磁体的导冷结构参数优化方法，其特征在于，根据优化变量范围采用遗传算法对优化参数进行选择、交叉、变异优化处理，将处理的优化参数组输入涡流损耗模型和导冷板热分析模型进行迭代计算，直至达到预定迭代次数得到优化数据包括：采用遗传算法的适应度函数对所述优化变量范围所有优化参数进行交叉、变异处理，生成数组不同变量的优化参数组；以所述磁体充放电温度恢复时间的最小温度恢复时间为目标，将每组优化参数组的优化参数输入所述涡流损耗模型和所述导冷板热分析模型进行迭代计算，直至达到预定迭代次数，该优化参数组作为优化数据。4.根据权利要求1所述的超导磁体的导冷结构参数优化方法，其特征在于，包括：将所述优化数据输入所述涡流损耗模型，得到不满足导冷板涡流损耗要求的优化数据，则基于该优化数据重新设置的优化变量范围，按照步骤S3和步骤S4对该优化数据处理，直至得到满足导冷板涡流损耗要求的优化数据。5.根据权利要求1所述的超导磁体的导冷结构参数优化方法，其特征在于，导冷结构的导热参数包括：导热方式、绝缘材料、材料属性和冷源设置，所述导冷板热分析模型的冷源是设置在导冷板与冷头接触处。6.一种超导磁体的导冷结构参数优化装置，其特征在于，包括第一模型建立模块、第二模型建立模块、参数优化模块和结果输出模...

【专利技术属性】
技术研发人员：李力，宋萌，夏亚君，江玉欢，陈岸，谭跃凯，赵兵，王伟，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司电力科学研究院广东电网有限责任公司中山供电局，
类型：发明
国别省市：