[发明专利]多芯超导股线电磁行为模拟方法、系统及计算机存储介质

说明书

本发明公开了多芯超导股线电磁行为模拟方法、系统及计算机存储介质，该方法包括：建立多芯超导股线的二维几何模型；采用二维几何模型确定多芯超导股线的自/互感系数矩阵以及每根芯丝的自/互感系数矩阵；确定多芯超导股线外加电流导致的输运电流和外加磁场导致的感应电流；根据感应电流确定每根芯丝的耦合电流和耦合电流产生的磁场变化率；确定每根芯丝的总电流；耦合输运电流和总电流确定多芯超导股线的电流分布；循环结束后，获得电磁行为模拟的结果数据。本发明基于A‑V方法采用了2D建模的策略，具有计算量小、可计算范围大、计算速度快等优势，可作为一种高效的辅助设计工具针对超导体3D问题中部分耦合的电磁行为实现快速的模拟分析。

技术领域

本发明涉及超导模拟技术领域，特别涉及多芯超导股线电磁行为模拟方法、系统及计算机存储介质。

背景技术

近年来，绞扭的多芯超导股线已应用于各种工程领域，包括大型磁体、悬浮系统、电机等。这些超导体通常在外磁场中携带传输电流。考虑到性能稳定性和安全性，其交流损耗、磁热稳定性问题是这些工程结构设计中的关键问题。特别在设计超导磁体时，能够可靠地模拟由多芯超导股线绕制的磁体的电磁行为非常重要。由于超导磁体中超导线的芯丝一般采用绞扭方式，在外加磁场作用下多芯超导体之间存在不同程度的耦合(即完全耦合、非耦合或部分耦合)，这取决于具体工作温度和铜基电阻大小。研究表明这种耦合程度与多丝超导体的绞扭程度、基体材料以及剩余电阻率有关。相比于冗长而繁重的研制周期，针对不同耦合度的多芯超导股线的电磁行为开展研究，并开发有效的方法则更节约和高效。

然而数百万乃至上千万自由度的计算量以及高度非线性的计算难度严重制约了超导体的仿真计算。虽然现有的三维(3D)仿真工具对部分耦合导线的计算结果是准确的，但需要投入巨大的计算成本，且只能实现双丝、三丝超导体的仿真。事实上3D仿真是极其有限的，以NbTi超导线为例，里面至少包含了10000根超细芯丝。基于以上的3D问题，2D建模的决策可显著节省计算时间，即便如此目前针对部分耦合的多芯超导股线二维问题的研究仍处于探索阶段，发表的研究相对较少。即便存在已经开发的电路模型，也是针对特定情况特别定制的，很难在灵活的超导磁体设计中普遍应用。

目前，针对以上问题有部分学者提出了三种解决方案：(1)、基于GetDP开源软件通过以直代曲的方式，求解沿超导直线螺旋分布的磁场的H法方程实现对绞扭芯丝交流损耗的模拟。但是这种方法求解的仍是3D模型，存在计算难度大，计算成本难以接受等问题。(2)、在螺旋结构中，利用场的对称性，将螺旋面结构映射到以平动为特征的坐标系中，利用MATLAB和COMSOL软件包开发的2D有限元程序实现对螺旋形结构导体的自场磁滞损耗的模拟。但是这种方法开发难度大，灵活性不高，只适合标准螺旋对称模型下的自场磁滞损耗(只针对外加电流情形)。(3)、基于H法的有限元模型提出了对耦合、部分耦合和非耦合超导导线磁滞损耗的二维(2D)方法。但是这种方法需要很大的空气计算域，增加了不必要的计算量，并且空气域的电阻率的选取不仅制约计算效率还影响计算的准确性。

发明内容

本发明实施例提供了多芯超导股线电磁行为模拟方法、系统及计算机存储介质，主要用以模拟超导体当中部分耦合下的电磁行为并解决现有技术中3D和2D模拟存在的计算量大的问题。

一方面，本发明实施例提供了多芯超导股线电磁行为模拟方法，包括：

步骤一：建立多芯超导股线的二维几何模型；

步骤二：采用二维几何模型确定全耦合下多芯超导股线的自/互感系数矩阵以及每根芯丝的自/互感系数矩阵；

步骤三：对多芯超导股线的自/互感系数矩阵以及每根芯丝的自/互感系数矩阵进行初始化，并进入循环体；

步骤四：确定多芯超导股线截面中外加电流导致的输运电流和全耦合下外加磁场导致的感应电流；

步骤五：根据感应电流确定每根芯丝的耦合电流和耦合电流产生的磁场变化率；

步骤六：确定每根芯丝的总电流；