[发明专利]用于MCZ单晶炉的勾形磁场的优化设计方法

摘要

本发明公开了一种用于MCZ单晶炉的勾形磁场的优化设计方法，包括磁场结构参数优化设计和线圈规格参数优化设计，磁场结构参数优化设计首先利用ansys数值分析软件建立磁场的平面二维模型；改变模型参数，根据设定的磁场磁感应强度确定上部下部两组线圈之间的间距、线圈横向匝数及屏蔽体厚度；确定磁场上部线圈的纵向层数和下部线圈的纵向层数；线圈规格参数优化设计首先确立线圈的发热与线圈规格参数之间的关系，确立线圈铜壁传热与线圈的规格参数的关系，分析冷却水吸收的热量，建立系统的优化模型，用ansys软件对磁场线圈规格参数进行优化。本发明优化设计方法，减少了cusp磁场开发周期和实验成本，提高了磁场产生磁感应强度的效率。

主权项

一种用于MCZ单晶炉的勾形磁场的优化设计方法，其特征在于，包括磁场结构参数优化设计和线圈规格参数优化设计，磁场结构参数优化设计具体按照以下步骤实施：步骤1：利用ansys数值分析软件建立磁场的平面二维模型；步骤2：改变步骤1得到的平面二维模型的模型参数，分析磁场磁感应强度随上部线圈和下部线圈之间的间距、线圈横向匝数及屏蔽体厚度变化的关系，根据设定的磁场磁感应强度确定上部下部两组线圈之间的间距、线圈横向匝数及屏蔽体厚度；同时在磁场功率一定的条件下，以磁感应强度在固液交接面处径向分量Br≥1200GS、轴向分量By≤200GS的公共区域最宽为优化目标，确定磁场上部线圈的纵向层数和下部线圈的纵向层数；线圈规格参数优化设计具体按照以下步骤实施：步骤1：确立线圈发热w1与线圈截面积s的数学关系表达式： w 1 = I 2 l s ρ 0 ( 1 + at ) , 式中，I为通电电流，l为线圈的总长度，s为线圈截面积，ρ0为0℃时的电阻率，a为电阻率温度系数，t为铜壁的实际温度；确立线圈铜壁传热与特征尺寸de、流体的平均流速V、铜管壁与冷却水的温度差Δt的数学关系表达式： w 2 = 0.023 λA de ( Vde v ) 0.8 Pr 0.4 Δt , 式中，λ为水的热导率，de为特征尺寸，A为铜壁总的传热面积，V为流体的平均流速，v为流体的运动粘度，Pr为普朗特数，Δt为铜管壁与冷却水的温度差；确立冷却水吸收的热量w3与冷却水路支路数n、冷却水流量qm、水的比热容c、出口水的水温t2、进口水的水温t1之间的数学关系表达式：w3＝qmc(t2-t1)·n，式中，qm为冷却水流量，c为水的比热容，t2为出口水的水温，t1为进口水的水温，n为冷却水路支路数；步骤2：由w1＝w2＝w3建立系统的优化模型，设置约束条件如下： obj : min ( w 1 ) = I 2 l s ρ 0 ( 1 + at ) , s.t：Δt+t2＜40，hf＜20，其中Δt+t2为铜管壁温度，hf为线圈沿程损失，用ansys软件对磁场线圈规格参数进行优化，得到线圈截面积s、特征尺寸de、流体的平均流速V、铜管壁与冷却水的温度差Δt、冷却水路支路数n、冷却水流量qm、水的比热容c、出口水的水温t2、进口水的水温t1。