Введение к работе
В ряде электротехнических устройств: электрических аппаратах, электрических машинах, медицинских приборах и установках для физических исследований, необходимо создавать определенную топографию магнитного поля в объеме рабочей области с высокой точностью. В качестве источников магнитного поля применяются постоянные магниты и катушки с током. Достижение необходимых технических параметров с лучшими экономическими показателями изделия требует решения оптимизационных задач поиска наилучших конструктивных компоновок постоянными магнитами и катушками. Определение таких конструктивных компоновок, иначе оптимальных магнитных структур, относится к обратным задачам стационарного магнитного поля, которые отличаются некорректностью и неоднозначностью решений.
Актуальность темы. Разработка методического и программного обеспечения для синтеза оптимальных структур источников магнитного поля, используемых в магнитных системах электротехнических устройств для создания и управления магнитным полем, является актуальной задачей, так как позволяет улучшить технико-экономические показатели выпускаемых изделий и осуществить поиск новых более эффективных технических решений, снижающих материалоемкость и повышающих энергоэффективность продукции. Настоятельная необходимость исследований в этой области подтверждается их направленностью на решение практических задач в рамках приоритетных национальных проектов инновационного развития промышленности России.
Целью диссертационной работы было повышение эффективности использования магнитных и электропроводящих материалов в источниках магнитного поля электротехнических устройств с жесткими требованиями к параметрам пространственного распределения магнитной индукции.
Задачи исследования:
Разработка методики и программного обеспечения для синтеза оптимальных магнитных структур из постоянных магнитов и гибридных материалов (смесь магнитотвердых и магнитомягких материалов), создающих заданную топографию магнитного поля в объеме рабочей зоны с максимальной магнитной индукцией для заданных габаритных ограничений.
Разработка методики и программного обеспечения для регулирования и настройки однородности магнитного поля в рабочей зоне магнитной системы магниторезонансного томографа (МРТ) на постоянных магнитах с меньшим влиянием на точность настройки погрешностей измерений магнитной индукции, механических люфтов и магнитного гистерезиса, чем в ранее применяемых методиках.
Разработка методики и программного обеспечения для синтеза оптимальной геометрии катушек с током магнитных систем МРТ с заданным значением магнитной индукции и наилучшей однородностью поля в рабочей зоне, наиболее полно учитывающие конструктивно-технологические ограничения устройства.
Методы решения поставленных задач. Для решения задач использованы численные методы анализа стационарных магнитных полей, математические методы нелинейного профаммирования и гармонического анализа теории векторных полей. Экспериментальные исследования осуществлялись с использованием серийной магнитоизмерительной аппаратуры с преобразователями Холла и спектрометрами ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Сформулирована задача и разработана эффективная методика син
теза оптимальных магнитных структур из постоянных магнитов и гибридных
материалов, создающих требуемую топографию магнитного поля в объеме ра
бочей зоны с максимальной магнитной индукцией в заданных габаритных ог
раничениях. Методика основана на оригинальных комплексных критериях оп
тимальности параметров магнитного поля и позволяет определять направления
„,т „ , „„„., х —, „„„„ „ „„ -~. ~с .._
хз^г^ік/уклл ncuviaiлп-и-пгіи^і*і iruiri kj^^yi cunuuipunj-m a jjicivicniaptibiA uudcjvioa іґіл
магнитотвердых материалов с учетом нелинейных свойств используемых магнитных материалов.
Разработана новая более точная методика настройки магнитной системы МРТ с подвижными полюсными наконечниками, существенно снижающая влияние на результаты настройки погрешностей измерений магнитного поля и неоднозначности регулирования из-за магнитного гистерезиса и механических люфтов. Методика базируется на решении оптимизационной задачи со специальными критериями, снижающими количество локальных экстремумов. Модели влияния положения полюсных наконечников строятся по данным измерений магнитного поля в рабочей зоне МРТ.
Разработана методика поэтапного определения оптимальной конфигурации катушек с током магнитных систем МРТ с однородным магнитным полем в рабочей зоне, наиболее полно учитывающая конструктивно-технологические ограничения устройства. Сформулированы три оптимизационных задачи, решаемых последовательно, для которых предложены и обоснованы критерии, обеспечивающие высокую скорость сходимости решения. Первая задача связана с последовательным сжиманием области возможного расположения катушек. Вторая задача относится к исключению малозначимых элементов катушек. Третья задача - поиск оптимальной геометрии катушек при начальных приближениях и ограничениях, полученных на предыдущих этапах.
Достоверность полученных результатов обусловлена использованием строго обоснованных и подтвержденных экспериментальными данными математических, моделей исследуемых объектов. Правильность постановки и решения оптимизационных задач подтверждена результатами решения тестовых задач с известными аналитическими решениями и данными, опубликованными в научных изданиях. Обоснованием достоверности разработанных методик служит также успешное применение их при настройке промышленных магнитных систем МРТ на постоянных магнитах.
Практическая значимость:
На основе разработанных методик решения задач синтеза оптимальных магнитных структур источников поля и настройки магнитных систем составлены компьютерные программы, которые ориентированы на использование при проектировании и изготовлении различных магнитных систем электротехнических устройств, где требуется создание заданной топографии магнитного поля с высокой точностью.
Разработанная методика и программное обеспечение для настройки магнитной системы МРТ с постоянными магнитами, имеющей магнитную индукцию в рабочей зоне 0,4 Тл, внедрены для промышленного использования в ОАО «Машиностроительный завод», г. Электросталь.
Разработанная методика синтеза геометрии катушек с током используется в ООО НЛП «Энергомаг» для проектирования магнитных систем сверхпроводящих МРТ с магнитной индукцией 1,5 Тл.
Личный вклад автора. Разработка критериев оптимальности, формулировка оптимизационных задач, разработка всех представленных в работе методик и программного обеспечения для синтеза магнитных структур и настройки магнитных систем. Разработка методов и алгоритмов решения оптимизационных задач с использованием сфероидальных и секторальных сферических гармоник для уравнения Лапласа на поверхности рабочей области магнитной системы. Выполнение всех представленных в работе расчетов и участие в экспериментальных исследованиях.
Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
XVI. Международная конференция по постоянным магнитам. 17 -
20 сентября 2007 г. - Суздаль, 2007 г.;
X. Международная конференция «Optimization and Inverse Problems in Electromagnetism». 14-17 сентября 2008 г., - Германия, Технологический университет Ильменау, 2008 г.;
XII. Международная конференция «Электротехнические материалы и компоненты». 29 сентября - 4 октября 2008 г., - Крым, Алушта, 2008 г.;
XVII. Международная конференция по постоянным магнитам. 21 -
25 сентября 2009 г. - Суздаль, 2009 г.;
Две международных научно-технических конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника электротехника и энергетика» г. Москва: МКРЭЭ - 2006, МКРЭЭ - 2007.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ: из них 2 статьи, 6 тезисов докладов в сборниках трудов международных конференцией.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка используемой литературы из 101 наименования. Основная часть работы изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок и 4 таблицы.
Основные положения, выносимые на защиту:
Критерии оптимальности, формулировка оптимизационных задач и методика синтеза оптимальных магнитных структур из постоянных магнитов и гибридных материалов, создающих требуемую топографию магнитного поля в объеме рабочей зоны с максимальной магнитной индукцией в заданных габаритных ограничениях, позволяющая определять направления векторов намагниченности или осей анизотропии в элементарных объемах из магнитотвердых материалов с учетом нелинейных свойств используемых магнитных материалов.
Методика настройки магнитной системы МРТ с подвижными полюсными наконечниками, существенно снижающая влияние на результаты настройки погрешностей измерений магнитного поля и неоднозначности регулирования из-за магнитного гистерезиса и механических люфтов.
Критерии оптимальности, формулировка оптимизационных задач и методика поэтапного определения оптимальной конфигурации катушек с током для магнитных систем МРТ с однородным магнитным полем в рабочей зоне, наиболее полно учитывающие конструктивно-технологические ограничения устройства.
Вычислительные алгоритмы и компьютерное программное обеспечение, реализующие разработанные методики и ориентированные на использование при проектировании и изготовлении магнитных систем.
