一种考虑磁屏蔽效应的任意形状通电线圈磁场计算方法

技术领域

本发明涉及磁场计算的技术领域，具体而言，涉及一种考虑磁屏蔽效应的任意形状通电线圈磁场计算方法。

背景技术

通电线圈会在空间产生磁场，在一些应用场景下，线圈磁场是被动产生的，如室内电缆主要用于电能传输，但是其产生的磁场会对周围其它设备产生电磁兼容性问题；在另外一些应用场景下，线圈磁场是主动产生的，如舰船消磁系统通过消磁线圈产生磁场以补偿地磁场背景下的舰船感应磁场。在这些不同的应用场景中，通电线圈形状各异，而且周围都存在铁磁性材料，对线圈磁场有一定的屏蔽作用，使得通电线圈磁场计算变得非常复杂。现有技术中，对于任意形状通电线圈尚无通用的磁场计算方法，更无法通过解析计算获得磁屏蔽效应下的通电线圈空间磁场。因此，需要提出一种通用的考虑磁屏蔽效应的任意形状通电线圈磁场计算方法，以简化不同应用场景下通电线圈磁场计算过程，提高计算效率。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种通用的考虑磁屏蔽效应的任意形状通电线圈磁场计算方法，以简化不同应用场景下通电线圈磁场计算过程，提高计算效率，该计算方法适用性强，应用范围广。

本发明的技术方案是：提供了一种考虑磁屏蔽效应的任意形状通电线圈磁场计算方法，该方法的步骤包括：

S1、将任意形状通电线圈等效剖分为多个直线段的组合线圈，其中，线圈的直线区段直接在其两端位置截断，剖分出直线段，线圈的弧形区段沿圆周方向剖分、等效转化为多个直线段，将处理后的所有直线段组合形成等效的组合线圈；

S2、确定组合线圈各直线段在直角坐标系下的所有端点坐标，设线圈由m段直线段构成，其顶点依次为P

S3、分段计算每个直线段在空间任意点P(x

其中，其中I为通电电流，l为积分变量，r为电流元

S4、确定

可以得到：

从而可以得到载流直线段AB所产生的磁场强度为：

对第i段直线段，在P点产生的磁场在直角坐标系下的各分量为：

所以对整个组合线圈在P点产生的磁场在直角坐标系下的各分量为：

S5、设置考虑铁磁材料磁屏蔽效应的屏蔽系数，假设第i个载流直线段对应的屏蔽系数为K

取磁屏蔽面外侧某一平面作为测量平面，测量平面与组合线圈分别位于磁屏蔽面的两侧，通过布置的磁传感器阵列直接测量获得测量平面上n个测量点磁场测量值，其中第j个测量点的磁场测量值记作H

上述任一项技术方案中，进一步地，差分进化算法包括：

屏蔽系数K

随机生成个体数量为NP的初始化种群，并确定缩放因子FA与杂交概率CR；

依据步骤S5中组合线圈磁场计算公式和测量平面上n个测量点的空间坐标，计算获得测量平面上第j个测量点的磁场测量值并记作H

计算初始种群中每个个体的目标函数F，判断是否满足终止条件或进化代数g达到预设最大值；若是，则终止进化，将得到最佳个体作为最优解输出；若否，继续进行变异、交叉和选择操作，得到新一代种群，同时进化代数g＝g+1，重新进行正演计算；

将满足终止条件的屏蔽系数K

上述任一项技术方案中，进一步地，终止条件为：

即目标函数值F小于或等于测量平面3上n个测量点磁场模值最大值的1‰。

本发明的有益效果是：

本发明中的技术方案将复杂线圈拆分为多个直线段，再组合形成一个组合线圈便于计算，只要得到其端点坐标和通电电流，就可以通过本发明提供的磁场计算方法直接获得其在空间任意位置点产生的磁场，与磁场数值分析软件相比，无需过多物理参数设置，流程更简洁，计算效率更高；

本发明加入了考虑铁磁材料的磁屏蔽效应的计算流程，避免了实际应用场景中通电线圈周围常有的铁磁材料的影响，在提高空间磁场计算精度的同时，也显著扩大了本发明所提磁场计算方法的适用范围；

本发明提供的磁场计算方法不局限于直流通电情况，还适用于稳定频率的交流通电情况；

对同一种类型的通电线圈配置仅需通过一次磁场测量即可获取寻优后的屏蔽系数K

在求解屏蔽系数K

附图说明

本发明的上述和附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的一种考虑磁屏蔽效应的任意形状通电线圈磁场计算方法的线圈等效剖分示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的一种考虑磁屏蔽效应的任意形状通电线圈磁场计算方法的直角坐标系空间中任意载流直线段磁场计算示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的一种考虑磁屏蔽效应的任意形状通电线圈磁场计算方法的在磁屏蔽面外侧布置传感器测量通电线圈示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的一种考虑磁屏蔽效应的任意形状通电线圈磁场计算方法的差分进化算法流程图。

其中，1-组合线圈，2-磁屏蔽面，3-测量平面，4-磁传感器阵列。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本实施例提供了一种考虑磁屏蔽效应的任意形状通电线圈磁场计算方法，该方法包括：

S1、将任意形状通电线圈等效剖分为多个直线段的组合线圈，其中，线圈的直线区段直接在其两端位置截断，剖分出直线段，线圈的弧形区段沿圆周方向剖分、等效转化为多个直线段，将处理后的所有直线段组合形成等效的组合线圈。

具体地，通电线圈为单匝细导线，忽略导线直径的影响；如图1所示，例如圆形、矩形和不规则形状的典型通电线圈，剖分后等效代替为直线段，理论上，通电线圈剖分的直线段单元越密，弧线段等效替换为直线段的磁场计算误差越小，其空间磁场计算精度越高，但是计算量反而会增大，为了兼顾计算效率和计算精度，通电线圈剖分单元数应合理确定。通常，弧形区段按照弧度每隔11.25°，即圆周角的1/32划分为一截直线段时磁场计算综合效益最优，弧形区划分过密对磁场计算精度提升效果不明显，而划分过疏会显著降低磁场计算精度。

S2、确定组合线圈各直线段在直角坐标系下的所有端点坐标，设线圈由m段直线段构成，其顶点依次为P

对于第i段直线段两个端点坐标分别为：

端点1坐标：(xx

对于第m段直线段两个端点坐标分别为：

端点1坐标：(xx

具体地，在常规思路中，步骤S2之后利用毕奥-沙伐定律可以得到：

其中，其中I为通电电流，l为积分变量，r为电流元

利用上述公式即可得到所求磁场强度，但是在直角坐标系下，对于空间中任意载流直线段而言，求解上述积分表达式非常困难。为此，考虑将空间中任意载流直线段分解为容易直接积分的载流直线段，最终使任意载流直线段磁场表示为这些分解后载流直线段磁场的矢量和。

如图2所示，本发明采用直角坐标系与极坐标系相结合的方法以解决该问题，并在直角坐标系中求解载流直线段磁场，方法如下：

S3、分段计算每个直线段在空间任意点P(x

本领域技术人员易知：

代入直角坐标下的积分表达式中，得

其中，θ

S4、确定

可以得到：

从而可以得到载流直线段AB所产生的磁场强度为：

对第i段直线段，在P点产生的磁场在直角坐标系下的各分量为：

所以对整个组合线圈在P点产生的磁场在直角坐标系下的各分量为：

对于任意形状通电线圈，将其等效转化为组合线圈后，只要获得其端点坐标，就可以通过本发明所述磁场计算方法直接获得其在空间任意位置点产生的磁场，与磁场数值分析软件相比，无需过多物理参数设置，流程更简洁，计算效率更高。

通电线圈周围往往存在影响空间磁场分布的铁磁材料，导致通电线圈磁场分布与不考虑铁磁性材料存在时的磁场分布有一定差别，因而，在实际物理场景中，还需要在上述通电线圈磁场计算的基础上，加入考虑铁磁材料磁屏蔽效应的屏蔽系数，以更精确地获得通电线圈产生的空间磁场。

考虑磁屏蔽效应的通电线圈空间磁场计算方法步骤包括：

S5、设置考虑铁磁材料磁屏蔽效应的屏蔽系数，假设第i个载流直线段对应的屏蔽系数为K

如图3所示，取磁屏蔽面2外侧某一平面作为测量平面3，测量平面3与组合线圈1分别位于磁屏蔽面2的两侧，通过布置的磁传感器阵列4直接测量获得测量平面3上n个测量点磁场测量值，其中第j个测量点的磁场测量值记作H

如图4所示，差分进化算法的计算流程包括：

由于铁磁材料屏蔽效应，铁磁材料外侧的磁场值总是不大于没有铁磁材料屏蔽作用时的磁场值，因而屏蔽系数K

随机生成个体数量为NP的初始化种群，并确定缩放因子FA与杂交概率CR。

依据步骤S5中组合线圈磁场计算公式和测量平面3上n个测量点的空间坐标，计算获得测量平面3上第j个测量点的磁场测量值并记作H

计算初始种群中每个个体的目标函数F，判断是否满足终止条件或进化代数g达到预设最大值；若是，则终止进化，将得到最佳个体作为最优解输出；若否，继续进行变异、交叉和选择操作，得到新一代种群，同时进化代数g＝g+1，重新进行正演计算。

重复以上步骤，直至满足差分进化算法的终止条件，该终止条件设定为：

即目标函数值F小于或等于测量平面3上n个测量点磁场模值最大值的1‰。

将满足终止条件的屏蔽系数K

综上所述，本申请提出了一种考虑磁屏蔽效应的任意形状通电线圈磁场计算方法，包括：

S1、将任意形状通电线圈等效剖分为多个直线段的组合线圈，其中，线圈的直线区段直接在其两端位置截断，剖分出直线段，线圈的弧形区段沿圆周方向剖分、等效转化为多个直线段，将处理后的所有直线段组合形成等效的组合线圈。

S2、确定组合线圈各直线段在直角坐标系下的所有端点坐标，设线圈由m段直线段构成，其顶点依次为P

S3、分段计算每个直线段在空间任意点P(x

其中，其中I为通电电流，l为积分变量，r为电流元

S4、确定

可以得到：

从而可以得到载流直线段AB所产生的磁场强度为：

对第i段直线段，在P点产生的磁场在直角坐标系下的各分量为：

所以对整个组合线圈在P点产生的磁场在直角坐标系下的各分量为：

S5、设置考虑铁磁材料磁屏蔽效应的屏蔽系数，假设第i个载流直线段对应的屏蔽系数为K

取磁屏蔽面外侧某一平面作为测量平面3，通过布置的磁传感器阵列获得测量平面3上n个测量点磁场测量值，并记作H

本发明中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。

尽管参考附图详地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。