一种面扭转优化的仿星器线圈
技术领域
本实用新型涉及物理工程技术领域，具体涉及一种面扭转优化的仿星器线圈。
背景技术
仿星器线圈应用于磁约束核聚变装置--仿星器中，为多股线圈体绕制构成的结构，其总体结构为环形体，并且由于底面和顶面都为不规则异形曲面，所以存在较大的制造难度。目前通常在成型模具上进行多股线圈体绕制成型，这样就需要在模具顶端开设成型环槽，并将多股线圈体填充成型环槽内绕制成型，这样其实就会模具的成型环槽加工提出了较高的要求，通常要求加工精度在0.05mm以内。
但是由于仿星器线圈底部和侧面的异形曲面是不规则的，故成型模具的成型环槽为了严格的贴合于仿星器线圈轮廓面，可能就会出现成型环槽的内侧面与底面、或者外侧面与底面之间的夹角小于90°的情况，而对于夹角小于90°的槽体加工由于刀具干涉的原因无法实现一体化加工，故必须将成型环槽两侧的外侧板和内侧板分开加工后再进行组装成型，这样由于安装或者二次装夹等原因就会出现较大的制造误差，从而降低成型模具的制造精度，进而降低依靠成型模具绕制成型的仿星器线圈的尺寸精度。故针对现有技术制造方式存在的问题，如何能够提高仿星器线圈成型后的尺寸精度，是一个有待解决的问题。
实用新型内容
针对现有技术存在的上述不足，本实用新型提出一种面扭转优化的仿星器线圈，通过对仿星器线圈构建线圈三维模型，然后对其离散化分析以及构建离散化单元面，并对每个单元面逐个旋转，以便调整面扭曲率的方式，实现了对线圈三维模型的优化。在得到优化后的线圈三维模型后，又以此为基础，对成型模具进行仿形加工，此时加工出的成型环槽与优化后的线圈三维模型一致，能后保证成型环槽的内侧面和外侧面均与底面呈90°夹角，这样就能实现模具的一体化加工，从而提高模具的制造精度，在模具的制造精度提高的情况下，依靠模具所绕制成型的仿星器线圈尺寸精度也将得到提高。
本实用新型通过下述技术方案实现：
一种面扭转优化的仿星器线圈，通过将线圈体在线圈成型模具上绕制成型，包括：仿星器线圈和线圈三维模型；线圈三维模型和仿星器线圈轮廓形态一致；线圈三维模型中设有包括两两垂直的X轴、Y轴和Z轴的空间坐标系，Y轴和Z轴均指向线圈三维模型环侧面；
在线圈三维模型内设有若干离散单元面；设定空间存在与X轴重合的拆分平面；拆分平面与线圈三维模型截面构成离散单元面；各离散单元面形状一致；离散单元面上设有包括相互垂直的v轴和u轴的平面坐标系；各离散单元面的v轴均与空间坐标系的Z轴相互垂直。
进一步的，用于成型各离散单元面的拆分平面彼此之间夹角相等，并且所有拆分平面夹角之和为360°。
进一步的，线圈三维模型共计设置48个离散单元面。
本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
通过对线圈三维模型各离散单元面进行纠正，从而使线圈三维模型得到优化，并以线圈三维模型为基础，实现对成型模具的一体化加工，实现了成型模具制造精度的提高，并伴随成型模具制造精度的提高，使得最终绕制成型的仿星器线圈的尺寸精度提高，确保了产品质量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：
图1为本实用新型一个实施例的线圈成型模具结构图；
图2为本实用新型一个实施例的线圈成型模具绕制仿星器线圈示意图；
图3为本实用新型一个实施例的线圈三维模型图；
图4为本实用新型一个实施例的离散单元面结构图；
图5为本实用新型一个实施例的线圈三维模型未经模型优化的A状态图；
图6为本实用新型一个实施例的线圈三维模型经模型优化的B状态图；
图7为本实用新型一个实施例的线圈三维模型经模型优化的C状态图；
图8为本实用新型一个实施例的离散单元面经面扭转优化示意图；
图9为本实用新型一个实施例的线圈三维模型未经优化的结构图；
图10为本实用新型一个实施例的线圈三维模型经优化后的结构图；
附图中标记及对应的零部件名称：
1-线圈三维模型、1A-离散单元面、O-XYZ-空间坐标系、r
G-vu-平面坐标系、2-线圈成型模具、21-成型环槽、22-压板、10-仿星器线圈。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
一种仿星器线圈10，通过在图1所示的线圈成型模具2进行绕制成型，线圈成型模具2的顶部设有成型环槽21，成型方式如图2所示具体为将线圈体逐层填充于成型环槽21中从而最终成型为仿星器线圈10，成型环槽21的内侧面、底面和外侧面用于约束成型仿星器线圈10的轮廓面。同时为了增加成型的仿星器线圈10的紧密程度，线圈成型模具2顶面还环设有图2所示的压板22，使用时通过压板22的下压能够使仿星器线圈10更加紧密的贴合于成型环槽21轮廓面上，使得成型效果更好。
本申请的设置目的在于设计一种面扭转优化的仿星器线圈10，为得到该优化后的仿星器线圈10，首先需要构建如图3所示的与仿星器线圈10形状一致的线圈三维模型1，该构建方法可以是采用逆向建模的方式进行，比如选取一与理想状态较为接近但还未进行结构优化的现有仿星器线圈10，采用测绘、扫描等方式构建与其外形一致的线圈三维模型1，三维软件可选用常用的具有曲面建模功能的UG、CATIA等等进行。这里仿星器线圈10如图2所示为闭环结构的连续体，构建出的线圈三维模型1如图3所示与仿星器线圈10形状一致。这里需要指出的是，也可以根据已经有的代码然后基于软件推导出线圈三维模型1，比如代码可以为设计图样上涉及线圈三维模型1轮廓面的所有坐标点，将这些坐标点输入UG、CATIA等建模软件构建曲面，进而构建线圈三维模型1，这里不再详述。
如图3和图4所示，线圈三维模型1中设有包括两两垂直的X轴、Y轴和Z轴的空间坐标系O-XYZ，Y轴和Z轴均指向线圈三维模型1环侧面。线圈三维模型1内设若干形状一致的离散单元面1A；离散单元面1A为与X轴重合的拆分平面与线圈三维模型1相交形成的截面；各离散单元面1A形状一致。离散单元面1A上设有包括相互垂直的v轴和u轴的平面坐标系r
G-vu。
为方便表述，可将各离散单元面1A先定义一个面扭转率i，设Z轴和v轴的夹角设为β，则面扭转率i＝cosβ。由上述表述可知，此时线圈三维模型1由于依靠现有的仿星器线圈10进行构建，故其结构此时也处于未优化状态，具体为图5所示的相邻的两离散单元面1A可能存在一定程度的相互扭曲，比如选取其中一个面扭转率i＝0的离散单元面1A作为标准，即该作为标准的离散单元面1A的v轴与Z轴相互垂直，而位于其后的两个离散单元面1A分别记为离散单元面1A`和离散单元面1A``，可以看出离散单元面1A`和离散单元面1A``相对Z轴是有一定程度的面扭转的，即v`轴、v``轴均不与Z轴垂直，这样，对于线圈三维模型1的结构优化方式具体如图8所示，将各离散单元面1A在自身所在平面内进行逐个旋转，直至使各离散单元面1A的V轴均与Z轴垂直，这样优化后的线圈三维模型1，在微观上呈现出图6或图7的两种状态，此结构优化方式也可定义为面扭转优化。宏观上也可从图9和图10看出，图9为未进行面扭转优化的线圈三维模型1，由于整个结构是呈现扭曲状态的，可以看出线圈三维模型1环端面与环侧面并不垂直，而图10是经过面扭转优化后的线圈三维模型1，纠正了整个结构的扭曲状态，并且从俯视角度看可以得到线圈三维模型1环端面与环侧面为相互垂直状态。
同时需要指出的是，用于成型各离散单元面1A的各拆分平面彼此的夹角相等并且所有拆分平面夹角之和为360°，即各离散单元面1A以角等分的方式成型，以及可以由图1看出，由于线圈三维模型1并不会正圆结构，故所构建的离散单元面1A在局部位置布局紧密，局部位置布局松散。同时根据实际经验，将线圈三维模型1拆分成48个离散单元面1A，也可以根据实际情况对数量进行增加或减少。
由上述表述可知，由于进行了面扭转优化，使得线圈三维模型1的结构得到了简化，相应的依据该线圈三维模型1制作模具精度也能够提高。这是因为成型环槽21的形状是依据线圈三维模型1成型的，通常采用的方式是将线圈三维模型1输入CAM软件生成数控加工程序，然后基于数控加工程序在线圈成型模具2顶部生成成型环槽21，该成型环槽21是与线圈三维模型1形状互补的，故可以用来制作仿星器线圈10。如果不进行上述的面扭转优化，则如图5所示，构建的线圈三维模型1，在局部位置上的离散单元面1A由于面扭曲的存在，其v轴与Z轴便不垂直并且相互之间的夹角为锐角，这样生成的成型环槽21也将存在锐角，而对于型槽加工，锐角将会存在刀具干涉，致使成型环槽21无法一次成型，需要将用于将成型环槽21的内侧板、外侧板和底板分开加工再进行组装，这样就会出现加工累计误差以及安装误差，致使生成的成型环槽21制造精度降低，进而使依据成型环槽21制作的仿星器线圈10尺寸精度降低。故进行面扭转优化之后，由于各离散单元面1A的v轴均与Z轴保持垂直，这样所生成的成型环槽21便不存在刀具干涉，进而可以一次成型加工而提高了成型环槽21的加工精度，最终使依据成型环槽21制作的仿星器线圈10尺寸精度提高。
综上，通过对线圈三维模型1进行面扭转的结构优化，使得依据线圈三维模型1制作的成型环槽21实现了制造精度的提高，进而使依据成型环槽21制作的仿星器线圈10也实现了面扭转结构优化，并最终达到提高尺寸精度的目的。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也包括复数。
以上的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
