[发明专利]一种用于铁屏蔽式超导磁体的联合优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导磁体的设计方法，尤其是一种用于铁屏蔽式超导磁体的联合优化方法。

背景技术

目前常见的磁体类型有永磁型、常导型、超导型。超导型磁体通过超导线材绕制的超导线圈承载的电流产生磁场，采用液氦作为冷却剂。超导磁体与其他磁体类型相比，具有体积小、重量轻、磁场强度高的特点，在核物理、生物工程和医学等研究中日益显示出不可替代的作用。

在场强高达数个特拉斯的超导磁体周围通常会形成较大的逸散磁场，它的危害是对附近的铁磁性物体产生很强的吸引力，对人体健康和仪器设备造成不同程度的干扰、损害和破坏，而降低磁场逸散程度的措施是对磁体采取各种有效的屏蔽。目前对逸散磁场的屏蔽方式有主动屏蔽和被动屏蔽两种，前者主要使用反向超导线圈进行屏蔽，后者使用铁屏进行屏蔽。与主动屏蔽相比，被动屏蔽不但无需附加超导线圈，而且铁屏能在一定程度上增大主磁场的强度，可以节省30％以上的超导线材用量，除此之外，还可减小线圈周围最大场强，缓解线圈受力，降低工程实施难度。

铁屏蔽式超导磁体设计中，由于铁磁材料的非线性，无法用解析方法精确求解磁场分布。A.Ishiyama等将求解区域划分为有限元区和边界元区，用两种数值方法分别计算(A.Ishiyama，S.Kanda.Shape Optimization Of IronShield For Superconducting Solenoid Magnets.IEEE Trans On Magnetics，1987，23：599-602)，在此基础上使用了数学规划法、目标规划法和非线性最小二乘法进行优化设计，但这些方法无法将线圈和铁屏结构同时作为优化变量进行优化。S.Noguchi等引入了全局搜索算法-模拟退火算法，将铁屏分解等效为无数个电流环，考虑了铁磁材料的非线性(S.Noguchi，A.Ishiyama.An Optimal Design Method for High-Field Superconducting Magnets withFerromagnetic Shields.IEEE Trans on applied superconductivity，1997，7：439-442)，但也没有将铁屏结构纳入优化变量。Huawei Zhao等将铁屏分解为无数个独立磁环，推导了任意磁环在主线圈产生的磁场激励下的场展开式(Huawei Zhao，Stuart Crozier.Rapid field calculations for the effect offerromagnetic material in MRI magnet design.Meas.Sci.Technol，2002，13：198-205)，但没有考虑周围磁环被磁化后的相互作用，计算结果不够准确。

同时，在超导磁体的设计中，传统的设计方法通常以磁场强度、磁场均匀度和逸散场范围等指标来衡量其性能，而没有考虑超导线材的成本问题，使得生产成本较高。

发明内容

本发明目的是：提供一种用于铁屏蔽式超导磁体的联合优化方法，性能指标考虑全面，优化过程合理，结果全局最优，使得超导磁体的结构更合理，屏蔽效果更好，生产成本更低。

本发明的技术方案是：一种用于铁屏蔽式超导磁体的联合优化方法，以磁场强度、磁场均匀度、逸散场范围、超导线材用量、磁体重量为性能衡量指标，采用有限元与模拟退火算法相结合的联合优化方法进行设计，以公差分析法对设计结果进行分析，具体流程如下：

1)设置初始条件，包括主线圈个数、目标磁场强度、均匀区直径、超导线材类型及截面尺寸、工作电流强度、铁屏材料类型和公差分析目标。

2)设置约束条件，包括磁体长度、磁体重量、磁体内径。

3)设置离散化的优化变量，包括主线圈变量和铁屏变量，其中主线圈变量包括每个线圈的单层匝数、绕线层数、内径和空间位置；铁屏变量包括端面铁屏的厚度和长度、侧面铁屏的厚度以及二者的空间位置。

4)定义目标函数

f＝k₁·(B₀-B_obj)+k₂·P_pm+k₃·D+k₄·L+k₅·T

其中B₀为均匀区内磁场强度平均值，通过有限元法和数据插值法可以求出；

B_obj为均匀区内目标磁场强度；

P_pm为均匀区内的磁场均匀度；