用于性能评估与温度控制的Omnimagnet热模型

Omnimagnet是一种电磁装置，可实现诸如医疗植入物与微型机器人等设备的远程磁操控。它由三个正交嵌套螺线管及中心铁磁芯组成。螺线管中的电流导致焦耳热，引起Omnimagnet内部不期望的温度升高。若温度超过导线绝缘层的熔点，将发生器件失效。因此，研究Omnimagnet内的传热尤为必要，特别是为最大化器件性能。首次提出并采用实验数据验证了一个包含全部三种传热模式的瞬态传热模型，对应Omnimagnet的最大均方根误差等于8%（4°C）。该瞬态模型计算开销不大，较易应用于不同结构的Omnimagnet。模型精度取决于输入数据的精度。该代码用于计算固定输入电流下的最大安全运行时间，或固定时间间隔下的最大安全输入电流。最大安全运行时长与最大安全输入电流取决于Omnimagnet的尺寸与结构以及所有Omnimagnet材料的最低熔点。参数研究表明，在冷却期间及低输入电流加热期间增强对流换热，是延长Omnimagnet最大运行时长的有效方法。该热模型还以状态空间方程形式给出，可用于实时卡尔曼滤波器电流控制器中，以避免因过热导致的器件失效。