一种用于空心螺线管高效便捷的均匀性补偿方法与流程

本发明涉及磁约束核聚变，具体涉及一种用于空心螺线管高效便捷的均匀性补偿方法。

背景技术：

1、磁约束核聚变领域中，磁场需通过磁探圈利用电磁感应原理精确测量，标定磁场发生器普遍采用均匀度较高的螺线管。理论上基于毕奥-萨伐尔定律，无限长螺线管内部磁场绝对均匀，受限于实际条件，如空间尺寸、成本控制及负载能耗等因素，业内将长径比为6至10倍及以上的螺线管视作长直螺线管，而长直螺线管通常可提供均匀度达±0.1%的较大均匀区域，以满足磁约束聚变磁场测试标定应用的要求。而实际运用中，长直螺线管虽磁场均匀性较高，但需要通过增大长径比减弱端部效应并提升均匀性，况且长直螺线管的占用体积大，不利于在有限场地或平台布置。

2、更为重要的是，螺线管为满足均匀性要求，静态补偿需要增设有效区域外的线圈长度和绕组匝数补偿，增大了绕线和装配难度；而导线长度增加使绕组电阻、所需励磁功率相应增大，相同目标磁场下能耗和负载相对较高。而动态补偿处理需要增加法向方向的补偿线圈，并通过对磁场的实时测量并反馈给控制系统驱动补偿线圈通以合适的电流，结构的复杂性和故障率较高。在限定尺寸的安装条件时，直接缩短螺线管长度会导致螺线管端部漏磁及磁场轴向梯度显著增大，均匀区域快速缩小，难以满足磁探圈标定要求。因此，螺线管难以兼顾短尺寸和高均匀性，如何降低螺线管长度和系统功耗的同时，保证所需的磁场均匀区域及标定是当前亟需的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于空心螺线管高效便捷的均匀性补偿方法，以期望在满足100-500ppm的均匀性要求的条件下，改善螺线管难以兼顾短尺寸和高均匀性的问题。

2、为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种用于空心螺线管高效便捷的均匀性补偿方法，该方法适于优化螺线管的体积，方法包括如下步骤：s100，配置基准长直螺线管，获取基准长直螺线管磁场均匀区作为第一均匀区；s200，配置短螺线管，所述短螺线管的通径等于基准长直螺线管的通径，且短螺线管长度小于基准长直螺线管的二分之一；s300，取短螺线管的轴向中心面为中心，所述补偿线圈对称设置在短螺线管轴向两端的预设轴向坐标位置处；s400，记录当前补偿线圈的轴向位置坐标，获取短螺线管设置补偿线圈后的磁场均匀区，得到第三均匀区；s500，对比第三均匀区和第一均匀区的轴向长度；若第三均匀区长度小于第一均匀区，则按照预设步长调整补偿线圈在短螺线管上的位置坐标，重新执行s400；若第三均匀区长度大于或等于第一均匀区，则将当前补偿线圈位置定为合格位置。

4、其中，获取磁场均匀区时，预设均匀性条件，以基准长直螺线管的轴心处磁场幅值作为基准值；将基准长直螺线管离散为多个轴向排列的圆环线圈；获取圆环线圈位置产生的磁场幅值为工作值；计算工作值相对基准值的磁场均匀性数值；将基准长直螺线管中磁场均匀性数值满足预设均匀性条件的磁场区域作为磁场均匀区；所述第三均匀区与第一均匀区获取磁场均匀区的方式相同。

5、作为优选，所述短螺线管设置补偿线圈前，还执行如下步骤：在未设置补偿线圈前，直接获取短螺线管的磁场均匀区，得到第二均匀区；且第二均匀区与第一均匀区获取方式相同；所述第二均匀区用于对比第一均匀区和第三均匀区的相差状态。

6、作为优选，所述短螺线管包括至少两层主体绕组，所述补偿线圈分别设置于每一层主体绕组的轴向两端。

7、进一步的技术方案是，所述补偿线圈在每一层主体绕组上的两端各设置一匝。

8、进一步的技术方案是，所述补偿线圈与短螺线管的主体绕组串联，且补偿线圈与短螺线管的主体绕组由同一电源供电。

9、作为优选，所述预设均匀性条件为所述磁场均匀性数值的绝对值小于或等于0.05%，由预设均匀性阈值限制对应磁场偏差在500ppm以内。

10、作为优选，所述基准长直螺线管和短螺线管的轴线上均设置多个采样点，所述第一均匀区和第三均匀区的轴向长度均为多个采样点中连续满足预设均匀性阈值的区域长度。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果至少是如下之一：

12、本发明通过基准长直螺线管的磁场均匀区作为补偿优化目标，在保持螺线管通径一致的条件下，降低螺线管的长度，使螺线管更便捷，通过短螺线管采用两层主体绕组，通过对称补偿线圈形成补偿绕组，来进行端部磁场修正，可以在同等绕线密度、同等磁场幅度条件下，将匝数降低；同时，将第三均匀区与第一均匀区直接进行比较，以便于沿短螺线管轴向调整补偿线圈的位置坐标，并针对性的调整补偿线圈的位置，通过迭代的方式来调整短螺线管的端部磁场衰减特征确定适宜的补偿位置。宏观上，短螺线管的长度降低，但是性能接近甚至超过基准长直螺线管，短螺线管的电感值和电阻值均降低到原有的50%以下，大大降低了供电电源的参数需求和功率，节约了成本和能耗。

13、本发明通过短螺线管采用两层主体绕组对称，仅增加4匝补偿线圈，在磁场幅值、均匀性、均匀区都得到保障的情况下，整体上避免尺寸的增大，也避免多匝数或多级补偿线圈导致的长度影响，且补偿线圈与短螺线管的绕组串联，并由同一电源供电，使得补偿线圈的电流与主体绕组的电流保持确定性的关联，其补偿线圈电流能够随主体绕组电流同步变化，无须设置独立补偿电源和额外控制系统，有效规避因电流比例误差、电源漂移、同步控制误差导致的补偿状态影响。相较于传统的局部磁场变化或经验参数确定补偿结构的方式，基于目标均匀区长度为约束条件，本申请短螺线管可以获得与基准长直螺线管相当或更大的有效均匀区域，还有效减少了补偿线圈匝数、补偿电流及多组线圈间距等参数同时耦合所带来的设计难度。

14、本发明的结构在实际运用中，在相同的磁场幅值、均匀性、均匀区的需求下，相比传统的长直螺线管可以具备更小的体积，使用更少的补偿匝数，该方法配置的产品可以具备紧凑的结构，无需复杂的绕制手法，可以显著提高装配效率。优化后的短螺线管的便携优势，可以大幅拓展到核聚变领域的磁场标定的应用场景中。

1.一种用于空心螺线管高效便捷的均匀性补偿方法，该方法适于优化螺线管的体积，其特征在于，方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的用于空心螺线管高效便捷的均匀性补偿方法，其特征在于：所述短螺线管设置补偿线圈前，还执行如下步骤：在未设置补偿线圈前，直接获取短螺线管的磁场均匀区，得到第二均匀区；且第二均匀区与第一均匀区获取方式相同；所述第二均匀区用于对比第一均匀区和第三均匀区的差异状态。

3.根据权利要求1所述的用于空心螺线管高效便捷的均匀性补偿方法，其特征在于：所述短螺线管包括至少两层主体绕组，所述补偿线圈分别设置于每一层主体绕组的轴向两端。

4.根据权利要求3所述的用于空心螺线管高效便捷的均匀性补偿方法，其特征在于：所述补偿线圈在每一层主体绕组上的两端各设置一匝。

5.根据权利要求3所述的用于空心螺线管高效便捷的均匀性补偿方法，其特征在于：所述补偿线圈与短螺线管的主体绕组串联，且补偿线圈与短螺线管的主体绕组由同一电源供电。

6.根据权利要求1所述的用于空心螺线管高效便捷的均匀性补偿方法，其特征在于：所述预设均匀性条件为所述磁场均匀性数值的绝对值小于或等于0.05%，由预设均匀性阈值限制对应磁场偏差在500ppm以内。

7.根据权利要求1所述的用于空心螺线管高效便捷的均匀性补偿方法，其特征在于：所述基准长直螺线管和短螺线管的轴线上均设置多个采样点，所述第一均匀区和第三均匀区的轴向长度均为多个采样点中连续满足预设均匀性阈值的区域长度。