[發明專利]用于MCZ單晶爐的勾形磁場的優化設計方法

有效

• 申請號: 201010105658.0
• 申請日: 2010-02-04
• 公開（公告）號: CN101792925A
• 公開（公告）日: 2010-08-04
• 發明（設計）人: 劉丁;焦尚彬;任寧
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: C30B15/00
• 分類號: C30B15/00;G06F17/50
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 羅笛

1.一種用于MCZ單晶爐的勾形磁場的優化設計方法，其特征在于，包括磁場結構參數優化設計和線圈規格參數優化設計，

磁場結構參數優化設計具體按照以下步驟實施：

步驟1：利用ansys數值分析軟件建立磁場的平面二維模型；

步驟2：改變步驟1得到的平面二維模型的模型參數，分析磁場磁感應強度隨上部線圈和下部線圈之間的間距、線圈橫向匝數及屏蔽體厚度變化的關系，根據設定的磁場磁感應強度確定上部下部兩組線圈之間的間距、線圈橫向匝數及屏蔽體厚度；同時在磁場功率一定的條件下，以磁感應強度在固液交接面處徑向分量Br≥1200GS、軸向分量By≤200GS的公共區域最寬為優化目標，確定磁場上部線圈的縱向層數和下部線圈的縱向層數；

線圈規格參數優化設計具體按照以下步驟實施：

步驟1：

確立線圈發熱w1與線圈截面積s的數學關系表達式：

式中，I為通電電流，ι為線圈的總長度，s為線圈截面積，ρ₀為0℃時的電阻率，a為電阻率溫度系數，t為銅管壁的實際溫度；

確立線圈銅管壁傳熱與特征尺寸de、流體的平均流速V、銅管壁與冷卻水的溫度差Δt的數學關系表達式：

式中，λ為水的熱導率，de為特征尺寸，A為銅管壁總的傳熱面積，V為流體的平均流速，v為流體的運動粘度，Pr為普朗特數，Δt為銅管壁與冷卻水?的溫度差；

確立冷卻水吸收的熱量w3與冷卻水路支路數n、冷卻水流量q_m、水的比熱容c、出口水的水溫t2、進口水的水溫t1之間的數學關系表達式：

w3＝q_mc(t2-t1)·n，

式中，q_m為冷卻水流量，c為水的比熱容，t2為出口水的水溫，t1為進口水的水溫，n為冷卻水路支路數；

步驟2：由w1＝w2＝w3建立系統的優化模型，設置約束條件如下：

s.t：Δt+t2＜40，

hf＜20，

其中Δt+t2為銅管壁溫度，hf為線圈沿程損失，用ansys軟件對磁場線圈規格參數進行優化，得到線圈截面積s、特征尺寸de、流體的平均流速V、銅管壁與冷卻水的溫度差Δt、冷卻水路支路數n、冷卻水流量q_m、水的比熱容c、出口水的水溫t2、進口水的水溫t1。

2.根據權利要求1所述的用于MCZ單晶爐的勾形磁場的優化設計方法，其特征在于，所述的磁場結構參數優化設計步驟1中利用ansys數值分析軟件建立磁場的平面二維模型，具體按照以下步驟實施：首先定義磁場的相關參數；接著分配模型的單元屬性和材料屬性，其中線圈、屏蔽體、空氣層選用Plan53單元，遠場選用Infiniti110單元；然后對各區域劃分網格，采用上下線圈-屏蔽體-遠場-空氣層的順序進行網格劃分，上下線圈、屏蔽體、遠場采用映射網格劃分，空氣層采用自由映射網格劃分；最后對模型加邊界條件，進行求解。?

3.根據權利要求1所述的用于MCZ單晶爐的勾形磁場的優化設計方法，其特征在于，所述的磁場結構參數優化設計步驟2中根據設定的磁場磁感應強度確定上部下部兩組線圈之間的間距，依據磁感強度隨線圈間距增加也不斷增加，其增長率卻隨線圈間距增加而不斷減小的原則選取合適的上部下部兩組線圈之間的間距。

4.根據權利要求1所述的用于MCZ單晶爐的勾形磁場的優化設計方法，其特征在于，所述的磁場結構參數優化設計步驟2中根據設定的磁場磁感應強度確定線圈橫向匝數，具體按照以下步驟實施：在電流大小一定、磁場其它結構參數不變的情況下，改變磁場線圈橫向匝數，計算單位安匝效率，依據效率越高越好的原則選取橫向匝數，橫向匝數為3或4的倍數。

5.根據權利要求1所述的用于MCZ單晶爐的勾形磁場的優化設計方法，其特征在于，所述的磁場結構參數優化設計步驟2中根據設定的磁場磁感應強度確定屏蔽體厚度，具體按照以下步驟實施：對模型仿真進行計算，取磁感應強度增加率由大變小的屏蔽體厚度作為優化值。

6.根據權利要求1所述的用于MCZ單晶爐的勾形磁場的優化設計方法，其特征在于，所述的磁場結構參數優化設計步驟2中確定磁場上部線圈的縱向層數和下部線圈的縱向層數，具體按照以下步驟實施：在功率一定的情況下，分別改變上部線圈縱向層數N₁、下部線圈縱向層數N₂及線圈電流I，計算各種情況下磁感應強度在固液交接面處徑向分量Br≥1200GS同時軸向分量By≤200GS的公共區域寬度，選擇公共區域最寬情況下的參數N₁、N2和I，從而確定線圈的縱向層數為N1*N2。?