一种基于电动力平衡的多极磁阱线圈的参数配置方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及等离子体磁约束领域，具体为一种基于电动力平衡的多极磁阱线圈的 参数配置方法，用于减少由于多极磁阱中各个线圈之间的电动力所导致的多极磁阱结构的 损坏，提高了多极磁阱装置的可靠性。
【背景技术】
[0002] 随着能源问题的日益突出，开发安全可靠、高效清洁的新能源迫在眉睫。受控核聚 变作为一种理想的清洁能源，在燃料储量和安全性方面有着巨大的优势。目前，实现受控核 聚变有两个研究方向：惯性约束和磁约束。其中磁约束核聚变是研究热点，其代表性的磁约 束装置有托卡马克和仿星器。
[0003] 多极磁阱磁约束装置作为非托卡马克型受控热核聚变等离子体磁约束的初极研 究装置，与托卡马克、仿星器等磁约束装置相比，具有结构简单、体积小、可控性好、能自动 抑制等离子体的互换不稳定性等优点。通过多组同轴线圈和支架系统构成的多极磁阱系统 位于等离子体内部，多极磁阱是利用最小B原理实现对等离子体的磁约束。
[0004] 多极磁阱在工作时，其中的各个线圈之间会产生巨大的电动力，对多极磁阱的结 构有严重的影响，目前的系统是使用支架系统来平衡线圈之间的电动力，但值得注意的是， 支架穿过等离子体内部会导致等离子体的损失。从而严重影响多极磁阱工作的可靠性和对 等离子体约束的效果。
[0005] 在这种背景下，我们提出了一种基于电动力平衡的多极磁阱线圈的参数配置方 法。该方法是以多极磁阱中磁感应强度最小为目标；多极磁阱线圈所受的电磁力极向平衡 为约束条件；通过遗传算法对多极磁阱线圈的安匝数进行计算配置，用于减少由于多极磁 阱中各个线圈之间的电动力所导致的多极磁阱结构的损坏，从而提高多极磁阱装置的可靠 性。
【发明内容】
[0006] 本发明的主要目的在于提供一种基于电动力平衡的多极磁阱线圈的参数配置方 法。该方法可以减少多级磁阱线圈之间的电动力，避免由电动力导致的多级磁阱线圈变形， 提高多级磁阱装置工作的可靠性。
[0007] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于电动力平衡的多极磁 阱线圈的参数配置方法的步骤包括：
[0008] 步骤11 :计算多级磁阱的磁感应强度。由毕奥萨代尔定律计算多极磁阱中的各个 线圈在空间中任意一点产生的磁感应强度，由磁场叠加定理可知，多极磁阱中的磁感应强 度为各个线圈所产生的磁感应强度之和。
[0009] 步骤12 :计算多极磁阱中盲鳗线圈的受到的电动力。根据多极磁阱磁场的特点， 由安培定律可知，多极磁阱中盲鳗线圈所产生的电动力是由磁感应强度的民和1分量分别 产生径向电磁力Fr和极向电磁力F z。
[0010] 步骤13:对多级磁阱线圈进行受力分析，建立多极磁阱线圈极向电磁力平衡方 程。根据多级磁阱线圈的受力特点，忽略多极磁阱线圈的径向力Fy只需要满足多极磁阱线 圈的极向力合力为零，以此为条件建立多极磁阱线圈极向电磁力平衡方程。
[0011] 步骤14 :建立多极磁阱边界条件方程。确定多极磁阱线圈安匝数的取值范围方 程，同时确定多极磁阱磁场的磁感应强度的最小作为目标函数方程。
[0012] 步骤15 :使用遗传算法求解。根据步骤3和4建立的极向力平衡方程、边界条件 方程和多极磁阱磁场的磁感应强度的最小作为目标函数方程，使用遗传算法求解复杂函数 的全局最优极值，得到多级磁阱线圈的安匝数取值。
[0013] 本发明具有以下优点：
[0014] 其一：把求解多变量极向电磁力平衡方程的问题转化为求解带约束条件和边界条 件的单一目标的最小值问题。解决了单一的极向电磁力平衡方程无法求解的问题。
[0015] 其二：使用遗传算法求解多级磁阱线圈的安匝数据具有计算量少、速度快和计算 结果准确可靠。
[0016] 多极磁讲线圈的径向电磁力由线圈本身的导线拉力承担，由于导线自身的拉力阈 值远大于当前磁阱所产生的电磁力，因此可以忽略多极磁阱线圈产生的径向电磁力的影 响。而多极磁阱线圈极向电磁力对导线产生的是弯曲力，这个弯曲力由磁阱的支架结构和 导线自身提供，为了减少导线形变和引入磁阱支架结构的所带来的等离子体损失，其极向 电磁力合力等于零，建立多极磁阱线圈极向电磁力平衡方程。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明所述的多极磁阱结构示意图
[0018] 图2是本发明所述的一种基于电动力平衡的多极磁阱线圈的参数配置的流程图
【具体实施方式】
[0019] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的原理和特征进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0020] 如图1所示，本发明所述的多级磁阱结构包括处于等离子体内部的第一盲鳗线圈 1，第二盲鳗线圈2,第三盲鳗线圈4,补偿线圈3和螺线管线圈5。所有的线圈均采用铜质 材料，并用不锈钢支架支撑线圈。盲鳗线圈1，2,4和补偿线圈3的半径分别为R1, R2, R4，和 R3，匝数分别为N1, N2, 乂和N3，电流分别记为I1, 12, 14和I 3，安匝数分别为J1, J2, JjP J3， 由于两个外部盲鳗线圈2, 4是对称分布的，所以有R2= R 4, N2= N 4,12= I 4。螺线管线圈5 的高度为Hs，半径为Rs，匝数为Ns，电流为Is，安匝数为Js = Ns*Is。其中盲鳗线圈1，2，4 电流和螺线管线圈5电流的方向相同，而补偿线圈3的电流方向则相反。
[0021] 如图2所示，本发明还给出了基于电动力平衡的多极磁阱线圈的参数配置的流 程。包括以下步骤：
[0022] 步骤11 :根据毕奥萨代尔定律计算多极磁阱中的各个线圈在空间中任意一点产 生的磁感应强度，其中多极磁阱中线圈产生的磁感应强度分别为队、B2、B4、B s，在柱坐 标系下的r向分量分别为B11^ B&、B41^ Bi和B 向分量分别为B lz、B2z、B4z、B3z和B sz。由 磁场叠加定理可知，多极磁阱中的磁感应强度的柱坐标系下的分量民、Bz，且满足如下 表达式：
[0024] 步骤12 :根据安培定律计算多极磁阱中盲鳗线圈1，2,4所产生的电动力F，由于内 部盲鳗线圈1受到的电动力相互抵消，则只计算外部盲鳗线圈2, 4受到的电动力，设外部盲 暢线圈受到的电磁力为F2,在柱坐标系下电动力F2在r方向受到的电动力F2r;在z方向受 到的电动力为F2z，且满足如下表达式：
[0026] 步骤13 :对多级磁阱线圈进行受力分析，忽略多极磁阱盲鳗线圈的径向力Fr，由于 盲鳗线圈2和4是对称的，所以只需要满足盲鳗线圈2或4的极向力合力FzS零即可，以 此为条件建立多极磁阱线圈极向电磁力平衡方程为：
[0028] 步骤14 :确定多极磁讲线圈安IM数的最小值和最大值的取值范围为：
[0030] 步骤15 :在柱坐标系下多极磁阱磁场磁感应强度的r向分量为民，Z向分量为Bz， 确定以多极磁阱磁场的磁感应强度最小为目标函数的方程为：
[0032] 步骤16 :根据步骤13、步骤14、步骤15的方程，使用MATLAB中遗传算法进行求解。 其仿真计算的基本设置参数如下：种群个体数50,最大进化代数51，交叉概率为0. 80,变异 概率为0.01。则可以得到多极磁阱线圈的安匝数，实现了对多极磁阱线圈的参数配置。
[0033] 以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解， 在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效， 但都将落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种基于电动力平衡的多极磁阱线圈的参数配置方法，包括： 步骤21 :根据毕奥萨代尔定律计算多极磁阱中的各个线圈在空间中任意一点产生的 磁感应强度，其柱坐标系下的分量为民、I、Bz，，由磁场叠加定理可知，多极磁阱中的磁感 应强度为：步骤22 :根据安培定律计算多极磁阱中盲鳗线圈所产生的电动力，内部盲鳗线圈受到 的电云力力相互抵消，贝1J只计RI? u2步骤23 :对多级磁阱线圈进行受力分析，忽略多极磁阱盲鳗线圈的径向力Fy由于盲鳗 线圈的2和4是对称的，所以只需要计算盲鳗线圈2或4的极向力合力^为零即可，以此 为条件建立多极磁阱线圈极向电磁力平衡方程为：步骤24 :确定多极磁阱线圈安匝数的取值范围方程为：步骤25 :确定多极磁阱磁场的磁感应强度的最小作为目标函数的方程为：步骤26 :根据步骤23、步骤24、步骤25的方程，使用MATLAB中遗传算法进行求解，其 仿真计算的基本设置参数如下：种群个体数50,最大进化代数51，交叉概率为0. 80,变异概 率为0.01，则可以得到多极磁阱线圈的安匝数，实现了对多极磁阱线圈的参数配置。
【专利摘要】本发明提供一种基于电动力平衡的多极磁阱线圈参数的配置方法。所述的多极磁阱系统由三个盲鳗线圈和一个补偿线圈组成。该方法是以多极磁阱中磁感应强度最小为目标；以多极磁阱线圈所受的电磁力极向平衡为约束条件；通过遗传算法对多极磁阱线圈的安匝数进行计算配置，得到盲鳗线圈和补偿线圈的最佳安匝数。本发明所述的方法可以减少多级磁阱线圈之间的电动力，避免由电动力导致的多级磁阱线圈结构变形，提高了多级磁阱装置工作的可靠性。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105117522
【申请号】CN201510455969
【发明人】金显吉, 李中伟, 佟为明, 李辰, 李凤阁, 林景波, 陶宝泉
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年7月30日