大口径磁场抗扰度测试系统中线圈结构高均匀性计算方法技术方案

本发明专利技术公开了大口径磁场抗扰度测试系统中线圈结构高均匀性计算方法，涉及磁场发生器线圈领域，包括步骤一：通过数学推导，得到了实际线圈模型下线圈结构的磁场计算公式；步骤二：利用基于KKT条件的拉格朗日乘子全局参数优化方法，得出线圈优化模型，该模型包括一个优化目标：重量和功率损失最小，和若干个根据设计指标得出的若干个等式或者不等式优化约束；步骤三：利用梯度下降法，迭代计算获得高均匀磁场的线圈参数。本发明专利技术提出的线圈结构计算方法，不需要占用大量计算机资源，计算简单快速，应用灵活。可以更加精准的计算出满足指定均匀度条件的磁场线圈参数，为后续稳态磁场抗扰度测试提供坚实可靠的基础。扰度测试提供坚实可靠的基础。扰度测试提供坚实可靠的基础。

【技术实现步骤摘要】
大口径磁场抗扰度测试系统中线圈结构高均匀性计算方法


[0001]本专利技术涉及磁场发生器线圈领域，尤其涉及大口径磁场抗扰度测试系统中线圈结构高均匀性计算方法。

技术介绍

[0002]国际热核聚变实验堆(ITER)是世界上正在建造的最大的托卡马克实验反应堆。在运行期间，周围区域将被强磁场覆盖，这将影响各种电子和电气设备的安全性和可靠性。装置外托卡马克厂房的稳态最大磁场可达到200mT。为确保安全稳定运行，ITER内大厅周围环境中磁场大于5mT的所有电力电子设备必须通过相关静磁场抗扰度试验。
[0003]目前应用于直流磁场抗扰度系统的检测设备尺寸都不大，不能用于ITER相关大尺寸设备的测试。传统的简化线圈数学模型，只考虑了线圈的空间分布和线圈长度。因而本专利技术提出了一种大口径磁场抗扰度测试系统中线圈结构的高均匀性计算方法，来解决上述问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的大口径磁场抗扰度测试系统中线圈结构高均匀性计算方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0006]大口径磁场抗扰度测试系统中线圈结构高均匀性计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0007]步骤一：通过数学推导，得到了实际线圈模型下线圈结构的磁场计算公式，所述实际线圈模型包括线圈的空间分布、线圈的立体结构、线圈的匝数、线圈的螺旋结构；
[0008]所述线圈结构通电后产生的磁场均匀区引入以下特征参数：
[0009]1)方形均匀区边长(2s)：ITER磁场抗扰度试验需要在X、Y、Z三个正交方向上进行，因此磁场均匀区最好为立方体；
[0010]2)标称磁场(B
nom
)：立方体均匀区内磁场空间的标称值；
[0011]3)最小磁场(B
min
)：立方体均匀区内磁场空间的最小值；
[0012]4)最大磁场(B
max
)：立方体均匀区内磁场空间的最大值；
[0013]5)磁场均匀性(η)：立方体最大和最小磁场的比率；
[0014][0015]通过数学推导出实际的四线圈数学模型：
[0016]1)根据毕奥
‑
萨伐尔定律，推断Q点长直导体的磁场为：
[0017][0018]式中，μ0为真空渗透率；
[0019]2)四个所述线圈的边长为2l，两个内部线圈之间的距离为2h1，两个外部线圈之间
的距离为2h2，两个内部线圈的安匝数为N1I，两个外部线圈的安匝数为N2I；
[0020]3)根据数学推导，得出考虑螺旋结构的单匝线圈的数学模型；
[0021]式中，θ是一侧长度的偏移角，2l是初级线圈的侧长度，其关系为
[0022][0023]非螺旋单匝线圈在均匀区P(x,y,z)点产生的磁场为:
[0024][0025][0026][0027][0028]式中，X
i
＝(
‑
1)
i
x+l,Y
j
＝(
‑
1)
j
y+l,
[0029]在原始导线(B
a0
)的基础上，沿Z轴的正方向平移距离3d/8，然后沿YZ方向绕X轴旋转θ角，得到导线B
a0
导体B
b
,B
c
和B
d
通过相同的转换方法获得；
[0030]非螺旋导体产生的磁场通过平移和旋转的坐标变换获得，然后分解为原始坐标系的X、Y和Z轴分量；
[0031][0032][0033]式中，式中，
[0034]根据磁场叠加原理，计算了中间单匝线圈均匀区P(x,y,z)点产生的磁场；
[0035][0036]4)根据数学推导，得出考虑螺旋结构的多匝线圈的数学模型；
[0037]线圈与其他匝数产生的磁场相当于Z轴上的平移，转换公式为:
[0038][0039]C1中N2圈产生的磁场为:
[0040][0041]5)根据数学推导，得出立体实际线圈的数学模型；
[0042]线圈导体横截面的形状对磁场性能有一定影响，四个线圈组的横截面长度L为[[L1,L2],L1＝l
‑
p/2,L2＝l+p/2；C1线圈中各匝的高度H
1r
为[H1+r1d,H1+q+r1d],H1＝h2‑
(d
·
(N2‑
1)
‑
q)/2,r1＝{0,1,
…
,N2}；C2线圈中各匝的高度H
2r
为[H2+r2d,H2+q+r2d],H2＝h1‑
(d
·
(N1‑
1)
‑
q)/2,r2＝{0,1,
…
,N1}；C3线圈中各匝的高度H
3r
为[H3+r3d,H3+q+r3d],H3＝
‑
h1‑
(d
·
(N1‑
1)
‑
q)/2,r3＝{0,1,
…
,N1}；C4线圈中各匝的高度H
4r
为[H4+r4d,H4+q+r4d],H4＝
‑
h2‑
(d
·
(N2‑
1)
‑
q)/2,r4＝{0,1,
…
,N2}；
[0043]均匀区内的磁场分布表示为:
[0044][0045]式中，u1＝x,u2＝y,u3＝z；
[0046]磁场性能与l,h1,h2,d,p,q,s,N1I和N2I等参数有关，表示为：
[0047][0048]步骤二：利用基于KKT条件的拉格朗日乘子全局参数优化方法，得出线圈优化模型；所述优化模型主要包括优化目标和等式或不等式约束；所述模型包括一个优化目标：重量和功率损失最小；所述等式或不等式约束，主要是根据设计要求和实际工程限制得出；根据设计要求，得出磁场Bmax，磁场均匀度η，均匀磁场区域尺寸的约束条件；根据实际工程限制，得出线圈电流最大值，电流密度值，螺旋结构角度，线圈间距约束条件；
[0049]1)优化目标；
[0050]总重量G和总功率损失P可表示为：
[0051][0052]式中，ρ为导体质量密度，J为导体电流密度，σ为导体电导率，V为总体积；
[0053]当参数A＝(N1+N2)
·
I
·
l最小时，重量和功率损失最小；因而参数A＝(N1+N2)
·
I
·
l可作为优化目标；
[0054]2)等式或不等式约束；
[0055]根据设计要求，得出磁场B
max
，磁场均匀度η，均匀磁场区域尺寸的要求，根据实际工程限制，得出圈电流最大值、电流密度值、螺旋结构角度、线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.大口径磁场抗扰度测试系统中线圈结构高均匀性计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：通过数学推导，得到了实际线圈模型下线圈结构的磁场计算公式，所述实际线圈模型包括线圈的空间分布、线圈的立体结构、线圈的匝数、线圈的螺旋结构；所述线圈结构通电后产生的磁场均匀区引入以下特征参数：1)方形均匀区边长(2s)：ITER磁场抗扰度试验需要在X、Y、Z三个正交方向上进行，因此磁场均匀区最好为立方体；2)标称磁场(B
nom
)：立方体均匀区内磁场空间的标称值；3)最小磁场(B
min
)：立方体均匀区内磁场空间的最小值；4)最大磁场(B
max
)：立方体均匀区内磁场空间的最大值；5)磁场均匀性(η)：立方体最大和最小磁场的比率；通过数学推导出实际的四线圈数学模型：1)根据毕奥
‑
萨伐尔定律，推断Q点长直导体的磁场为：式中，μ0为真空渗透率；2)四个所述线圈的边长为2l，两个内部线圈之间的距离为2h1，两个外部线圈之间的距离为2h2，两个内部线圈的安匝数为N1I，两个外部线圈的安匝数为N2I；3)根据数学推导，得出考虑螺旋结构的单匝线圈的数学模型；式中，θ是一侧长度的偏移角，2l是初级线圈的侧长度，其关系为非螺旋单匝线圈在均匀区P(x,y,z)点产生的磁场为:非螺旋单匝线圈在均匀区P(x,y,z)点产生的磁场为:非螺旋单匝线圈在均匀区P(x,y,z)点产生的磁场为:
式中，X
i
＝(
‑
1)
i
x+l,Y
j
＝(
‑
1)
j
y+l,i,j＝{0,1}.在原始导线(B
a0
)的基础上，沿Z轴的正方向平移距离3d/8，然后沿YZ方向绕X轴旋转θ角，得到导线B
a0
导体B
b
,B
c
和B
d
通过相同的转换方法获得；非螺旋导体产生的磁场通过平移和旋转的坐标变换获得，然后分解为原始坐标系的X、Y和Z轴分量；Y和Z轴分量；式中，式中，根据磁场叠加原理，计算了中间单匝线圈均匀区P(x,y,z)点产生的磁场；4)根据数学推导，得出考虑螺旋结构的多匝线圈的数学模型；线圈与其他匝数产生的磁场相当于Z轴上的平移，转换公式为:C1中N2圈产生的磁场为:
5)根据数学推导，得出立体实际线圈的数学模型；线圈导体横截面的形状对磁场性能有一定影响，四个线圈组的横截面长度L为[[L1,L2],L1＝l
‑
p/2,L2＝l+p/2；C1线圈中各匝的高度H
1r
为[H1+r1d,H1+q+r1d],H1＝h2‑
(d
·
(N2‑
1)
‑
q)/2,r1＝{0,1,
…
,N2}；C2线圈中各匝的高度H
2r
为[H2+r2d,H2+q+r2d],H2＝h1‑
(d
·
(N1‑
1)
‑
q)/2,r2＝{0,1,
…
,N1}；C3线圈中各匝的高度H
3r
为[H3+r3d,H3+q+r3d],H3＝
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：邓茜，蒋力，黄亚，
申请(专利权)人：安徽新航电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：