[发明专利]一种提高超导磁储能线圈优化计算速度的方法

权利要求书

1.一种提高超导磁储能线圈的优化计算速度方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)给定带材总量L米，给定绕制的总饼数M，给定带材种类，设定的温度，相应的带材临界电流特性；

(2)在COMSOL有限元软件中建立相应的超导磁体二维储能模型，计算出超导磁体的体积储能密度，体积储能密度定义如下：

其中，E为螺线管的总储能，V_coil为线圈体积大小，绕制线圈时假定线圈紧密绕制，中间没有空隙，则给定带材总长度的情况下线圈体积一定与给定带材总体积相等，式(1)中线圈体积V_coil可以按式(2)定义：

V_coil＝Mπ(r₂²-r₁²)b＝abL (2)

其中r₂为线圈的外径，r₁为线圈内径，b为带材宽度，a为带材厚度，L为给定带材总长度，由上式可知，给定带材总长度，其宽度以及厚度确定，只需要确定线圈内径则线圈外径值也随之确定，线圈尺寸确定，下式(3)定义了式(1)中的螺线管总储能：

L为线圈电感值，i为通入线圈的电流值,由式(4)得到

i＝k×I_c (4)

I_c为线圈临界电流，阶梯形螺线管储能线圈的临界电流可以通过超导带的励磁曲线和临界特性曲线的交点获得，k为安全系数，取0.8；

临界电流计算采取“径向磁场分量分析法”，其数值大小通过磁体的励磁曲线与超导带材的临界电流特性曲线取交点的方式获得；

电感计算采用能量法，即：给磁体通入电流，电感此时磁体的总能量除以通入电流值的平方，

随后由式(3)式(1)计算得到此时磁体的最大储能密度；

(3)建立粒子群算法程序，具体步骤为：

(a)初始化：设定最大迭代次数；目标函数为高温超导磁体储能密度，对应为从MATLAB中调用的COMSOL超导磁体仿真模型；粒子最大速度；位置信息为整个搜索空间；在速度空间与位置空间随机初始化速度与位置；设置粒子群规模n，每个粒子随机初始一个飞行速度，算法维数为一维，自变量为线圈内径值；

(b)定义适应度函数：适应度函数可按如下进行定义：每次计算调用建立好的COMSOL模型，MATLAB可通过m语言对其编程，在MATLAB输入线圈内径值，调用相应的保存好的COMSOL的m文件，将其计算完成的线圈最大体积储能密度输出到MATLAB中，适应度函数的自变量为线圈内径值，因变量为对应的线圈最大储能密度；

(c)更新速度和位置，按式(5)(6)进行：

V_iⁿ⁺¹＝ωV_iⁿ+C₁random(0,1)(P_i-X_i)+C₂random(0,1)(P_g-X_i) (5)

X_iⁿ⁺¹＝X_iⁿ+V_iⁿ⁺¹ (6)

其中，ω为惯性因子：

ω＝0.8(e^-n+0.5) (7)

C₁＝C₂＝2 (8)

X_iⁿ为第n次迭代中第i个粒子的函数值，P_i为第i个粒子的历史最优值，P_g为全局最优值；

(d)设定终止条件：终止条件为迭代次数达到设定次数或两次迭代之间的最优值差值小于设定界限；

(4)计算最优内径值：通过如上的模型，在MATLAB中运行粒子群算法，从而得到最优的内径值。

2.根据权利要求1所述的一种提高超导磁储能线圈的优化计算速度方法，其特征在于：步骤(3)中粒子群规模n不大于50。

3.根据权利要求1所述的一种提高超导磁储能线圈的优化计算速度方法，其特征在于：步骤(3)中粒子群算法的惯性因子取值与迭代次数相关，为：ω＝0.8(e^-n+0.5)。