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基于遗传算法的铁氧体磁场优化装置及方法

2022-09-04 04:45:22 来源:中国专利 TAG:


1.本发明涉及铁氧体磁场的建模技术领域,具体涉及一种基于遗传算法的铁氧体磁场优化装置及方法。


背景技术:

2.当前,用于产生磁场的方法主要有三种:通电螺线管,亥姆霍兹线圈,缠绕着载流线圈的铁氧体磁芯。通常采用这些方法所产生的磁场并不满足应用的要求,还存在着磁场强度较小,磁场分布不均匀等问题;因此,不断有学者对磁场进行研究并提出改进磁场的方法,然而现有的研究基本上是对通电螺线管,亥姆霍兹线圈这两种方式所产生的磁场进行改进,却很少有对缠绕着载流线圈的铁氧体磁芯所产生的磁场进行改进。所以,对铁氧体磁场的研究和改进是非常有必要且有意义的。


技术实现要素:

3.有鉴于此,本发明的目的在于提供一种基于遗传算法的铁氧体磁场优化装置及方法,解决缠绕着载流线圈的铁氧体磁芯所产生的磁场存在均匀度不高和磁场强度较小的问题。
4.为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
5.一种基于遗传算法的铁氧体磁场优化装置,包括一个铁氧体磁芯和两个载流线圈,所述线圈对称地分布在气隙两端,用于增加气隙中的磁场强度。
6.一种基于遗传算法的铁氧体磁场优化装置的优化方法,包括以下步骤:
7.步骤s1:构建铁氧体磁芯和载流线圈的几何模型;
8.步骤s2:根据麦克斯韦方程组推导出铁氧体磁场的稳态偏微分方程;
9.步骤s3:根据铁氧体磁芯和载流线圈的几何模型,设定材料参数并设置边界条件;
10.步骤s4:根据问题求解的精度要求构建有限元网格,根据有限元方法计算稳态偏微分方程得出铁氧体磁芯的气隙中磁场的分布以及初始值,同时获得磁场的均匀度函数;
11.步骤s5:采用遗传算法对铁氧体磁芯的参数以及线圈的电流进行优化,在迭代完成后获得铁氧体磁芯和线圈的最优参数,并将其应用到磁场中,获得磁场的最优分布。
12.进一步的,所述铁氧体磁芯采用锰锌铁氧体。
13.进一步的,所述稳态偏微分方程具体为:
[0014][0015]
式中,μr为媒质的相对磁导率,e为电场强度,k0是波数,εr是复数,σ代表损耗。
[0016]
进一步的,所述材料参数包含相对介电常数,磁导率和电导率。
[0017]
进一步的,所述有限元网格采用自由四面体网格,所述边界条件采用狄利克雷边界条件。
[0018]
进一步的,所述步骤s5具体为:
[0019]
步骤s51:初始化优化过程中所要使用的线圈中的电流、气隙两侧截面的铁氧体磁芯的长度和宽度等参数,并对它们进行编码组成初始群体;
[0020]
步骤s52:对群体中的个体进行适应度评估并判断是否满足终止准则;
[0021]
步骤s53:如果不满足终止准则,则对群体进行选择,交叉,变异操作获得新的群体;
[0022]
步骤s54:重复步骤s52,s53直到满足终止准则,算法停止循环迭代;
[0023]
步骤s55:算法优化完成后,将最优值所对应的参数应用到带有载流线圈的磁化铁磁芯中,得到磁场最佳分布。
[0024]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
[0025]
本发明铁氧体磁场发生装置能够增强气隙中的磁场强度,并通过遗传算法优对铁氧体磁芯以及线圈的参数进行优化,能够明显提高磁场分布的均匀性。
附图说明
[0026]
图1是未改进装置的磁场强度分布图;
[0027]
图2为本发明中改进装置的磁场强度分布图;
[0028]
图3为本发明一实例中的方法流程图;
[0029]
图4为本发明一实例中的未优化的磁场强度分布图;
[0030]
图5为本发明一实例中的未优化的磁场强度曲线图;
[0031]
图6为本发明一实例中的优化后的磁场强度分布图;
[0032]
图7为本发明一实例中的优化后的磁场强度曲线图;
具体实施方式
[0033]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0034]
请参照图2,本发明提供一种基于遗传算法的铁氧体磁场优化装置,包括一个铁氧体磁芯和两个载流线圈,所述线圈对称地分布在气隙两端,用于增加气隙中的磁场强度。与如图1所示,用未改进前的磁场发生装置所产生的磁场较小。而在改进后,如图2所示,气隙中的磁场强度明显增强(颜色更深);在改进的磁场发生装置基础上再采用遗传算法优化气隙中的磁场强度分布。
[0035]
如图3所示,基于遗传算法的铁氧体磁场优化方法包括如下步骤:
[0036]
步骤s1:构建铁氧体磁芯和两个载流线圈的几何模型;
[0037]
步骤s2:根据麦克斯韦方程组推导出铁氧体磁场的稳态偏微分方程;
[0038]
步骤s3:根据铁氧体磁芯和载流线圈的几何模型,设定材料参数并设置边界条件;
[0039]
步骤s4:根据问题求解的精度要求构建有限元网格,根据有限元方法计算稳态偏微分方程得出铁氧体磁芯的气隙中磁场的分布以及初始值,同时获得磁场的均匀度函数;
[0040]
步骤s5:采用遗传算法对铁氧体磁芯的参数以及线圈的电流进行优化,在迭代完成后获得铁氧体磁芯和线圈的最优参数,并将其应用到磁场中,获得磁场的最优分布。
[0041]
在本实施例中,所用的铁氧体磁芯是锰锌铁氧体,其磁导率大于2000,损耗小,居里温度点高。
[0042]
在本实施例中,所述的稳态偏微分方程克可以描述为:
[0043][0044]
式中,μr为媒质的相对磁导率,e为电场强度,k0是波数,εr是复数,σ代表损耗。
[0045]
在本实施例中,所述材料参数包含相对介电常数,磁导率和电导率。其中磁芯所对应的参数有:相对介电常数为1,磁导率为2300,电导率为10[s/m]。
[0046]
在本实施例中,所述有限元网格选用自由四面体网格,完整网格包括12个域单元和140个边界单元,所述边界条件采用狄利克雷边界条件。
[0047]
在本实施例中,所述步骤s5可具体为:
[0048]
步骤s51:初始化优化过程中所要使用的线圈中的电流、气隙两侧截面的铁氧体磁芯的长度和宽度等参数,并对它们进行编码组成初始群体;
[0049]
步骤s52:对群体中的个体进行适应度(均匀度函数)评估并判断是否满足终止准则;
[0050]
步骤s53:如果不满足终止准则,则对群体进行选择,交叉,变异操作获得新的群体;
[0051]
步骤s54:重复步骤s52,s53直到满足终止准则,算法停止循环迭代;
[0052]
步骤s55:算法优化完成后,将最优值所对应的参数应用到带有载流线圈的磁化铁磁芯中,能够发现气隙中的磁场将具有最佳分布。
[0053]
在本实施例中,均匀度函数设计为(h
max-h
min
)/h
mean
,其中h
max
,h
min
和h
mean
分别为气隙区磁场强度的最大值,最小值和平均值。
[0054]
为了说明优化效果,图4和图5为优化前的磁场强度分布图和磁场强度曲线图,可以看出气隙中的磁场强度分布明显不均匀,且最大值与最小值相差可达5000a/m,图6和图7为优化后的磁场强度分布图和磁场强度曲线图,可以看出气隙中的磁场强度分布明显提高,最大值和最小值之间仅仅相差500a/m。
[0055]
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
再多了解一些

本文用于企业家、创业者技术爱好者查询,结果仅供参考。

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