Детальная информация

В данной работе рассматривается связь между тепловыделением в проводниках и механическими напряжениями в квазибессиловых магнитных системах, предназначенных для генерации сильных магнитных полей в соленоидах за счёт существенного снижения механических нагрузок. Целью работы является оценка вклада температурных деформаций в напряженно-деформированное состояние однослойного и многослойного квазибессилового магнита при слабовыраженном скин-эффекте, позволяющем использовать квазистатическое приближение для описания электромагнитных процессов. Для модели однослойного магнита, рассматриваемой как модель представительного объема, выполнена оценка влияния температурного расширения на возникающие в нём механические напряжения. Аналитическое решение, описывающее напряжённо-деформированное состояние однослойной системы, дополнено учётом теплового расширения и наличием изоляционных слоёв, на границе с которыми введены условия сопряжения; численный расчёт проведён в программном комплексе COMSOL Multiphysics. Для многослойной конфигурации, модель которой реализована на языке Python, разработаны модули нагрева, термоупругости и оптимизации, позволяющие оценить тепловыделение, и создаваемые им дополнительные напряжения, а также провести оптимизацию количества порций полоидального тока в слоях. Полученные результаты позволили уточнить распределение эквивалентных напряжений по Мизесу в системе благодаря совместному учёту сил Лоренца и дополнительных напряжений, обусловленных джоулевым нагревом.

This paper examines the relationship between heat generation in conductors and mechanical stresses in quasi-force-free magnetic systems. These systems are designed to generate high magnetic fields in solenoids by significantly reducing mechanical  loads. The aim of the work is to assess the contribution of thermal deformations to the stress-strain state of single-layer and multilayer quasi-force-free magnets under a weakly expressed skin effect, which allows the use of a quasi-static approximation for describing electromagnetic processes. For the single-layer magnet model, considered as a representative volume model, the effect of thermal expansion on the resulting mechanical stresses is evaluated. The analytical solution describing the stress-strain state of the single-layer system is supplemented by taking into account thermal expansion and the presence of insulating layers, with interface conditions introduced at their boundaries; numerical calculations are performed using the COMSOL Multiphysics software package. For the multilayer configuration, whose model is implemented in Python, modules for heating, thermoelasticity, and optimization have been developed. These allow the evaluation of heat release and the additional stresses it creates, as well as the optimization of the number of poloidal current portions in the layers. The obtained results refine the distribution of von Mises equivalent stresses in the system through the combined consideration of Lorentz forces and additional stresses caused by Joule heating.