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关键词： 电磁轨道炮   电枢   电流波形   电流密度   磁感应强度  

摘要： 在高新技术作战的今天,电磁轨道炮是一种利用电磁加速技术发射高速弹丸的新概念武器,由于其发射弹丸具有初速高、射程远,发射过程易于操作、发射成本低、隐蔽性能好等特点,在军事领域的应用前景极为广阔。电磁轨道炮的发射性能会受到激励电流、电枢和轨道形状等诸多因素的影响,本文结合电磁轨道炮发射过程,以电枢、负载电路和轨道结构尺寸等为研究对象,对不同电磁负载和轨道结构条件下电磁发射特性进行以下研究:以“Marshall法则”为标准设计C形电枢,利用ANSYS LS-DYNA有限元软件计算电枢和轨道的机械预紧力,计算结果满足电磁轨道炮结构设计要求。在动态情况下,通过能量守恒原理对电枢受力进行理论推导,获得电枢受力的理论计算模型。根据电磁轨道炮系统的负载情况,完成电磁轨道炮负载等效电路的建立。分析几种电感梯度计算方法的特点,考虑这些方法存在使用条件的限制,本文利用Maxwell涡流场求解器获取电枢在不同位置时轨道的电感值,通过插值法获得平面轨道、凹面轨道、凸面轨道的电感梯度。根据电枢和轨道的结构尺寸、材料属性等确定电磁轨道炮系统各参数得初始值,通过Simulink软件仿真获得电磁轨道炮发射的电流激励曲线。以释放相同电能为前提,针对三种波形的电流激励,利用Maxwell瞬态场求解器模拟电磁轨道炮的电磁场,分析电枢和轨道上磁感应强度和电流密度分布的区别,结果表明梯形电流激励更适用于电磁轨道炮的发射;对比不同截面形状电枢和轨道上磁感应强度和电流密度的区别,结果表明凸面轨道与凹面电枢配合的结构更有利于电磁轨道炮的发射。利用Maxwell瞬态场求解器计算获得电枢所受电磁力的仿真结果,验证了理论计算模型的正确性,为日后进行电磁轨道炮发射特性研究提供一定参考价值。

摘要： "电磁场"是电类专业的一门重要基础课程,针对该课程理论性强、实验难以开展的特点,本文提出将基于电磁仿真的虚拟实验引入教学,引导学生通过对典型实验案例进行建模计算和深入剖析,带领学生直观了解和实践课堂学习的相关理论知识,鼓励学生将工程实际问题与理论知识相结合。该方法激发了学生的学习兴趣,有效提高了该课程的教学质量,而且通过学习使用电磁仿真工具为学生将来从事相关科研或工作打下了良好基础。

关键词： 交流输电线路   分离式电磁场组合采集器   有效磁导率   分裂型磁芯   能量管理电路  

摘要： 为了监测输电线路周围环境状况,预防意外的发生,需要安装无线传感器实时反馈线路周围的环境数据。由于监测位置不固定,无线传感器的供电问题成为了未来发展的主要制约因素。自供能技术是一种将环境能量转换为电能的技术,该技术可以为无线传感器提供稳定且无限寿命的电能。在交流输电线路附近具有丰富的电磁场能量,因此相较于其他能量,基于电磁场的自供能技术更适合为无线传感器供电,是目前研究的热点。针对磁场能采集器,建立了采集线圈等效数学模型,研究了影响其采集效果的因素,并对分离式采集器磁芯的有效磁导率进行了分析及仿真,得到了有效磁导率与采集器输出的关系,说明了磁芯形状优化对输出的重要性。针对电场能采集器,建立了电场采集等效电路模型,推导了输出功率与负载的关系,分析了提升电场采集带负载能力的方法。以220k V、600A的双回鼓型塔为分析对象,分别建立了交流输电线路杆塔空间磁场与电场模型,得到了电磁场在杆塔上的分布情况,为电磁场采集器位置的选取提供了参考。设计了哑铃型和分裂型两种新型磁芯形状的磁场能采集器,依据有效磁导率的分析方法,分别建立了两种形状的等效数学模型,并通过Maxwell仿真验证了数学模型的正确性。将两种磁芯的功率密度分别进行计算,通过对比得到分裂型磁芯为磁场能采集器的最优形状磁芯。分析了磁场能采集器的铜损及铁损,建立了线圈的铜损数学模型,给出了含有线圈各参数的精确铜损表达式,研究了现有铁损基本模型,考虑到磁芯的电阻率,选取锰锌铁氧体为最优磁芯材料。设计了电磁场组合采集器,通过电磁场仿真验证该装置的磁场与电场采集互不影响。针对外部磁场变化,设计了磁场能量管理电路提高采集器输出特性。针对电场采集带负载能力弱问题,设计了辅助电场能量管理电路,通过电压比较电路提升电场采集带负载能力。所设计的管理电路系统无需外部供电,利用仿真验证了电路设计的正确性。搭建了磁场采集实验平台,首先使用不同磁芯进行了磁场采集器工作特性实验,实验结果验证了理论分析及仿真研究的正确性;然后,进行了磁场能量管理电路实验,搭建了完整的磁场自供能系统,成功得到了传感器温度实验数据,并通过线圈的最小工作磁感应强度验证安装在输电线路杆塔的可行性;最后,模拟了电场自供能实验,成功利用电场能量管理电路输出断续电压,实现磁场与电场共同为无线传感器供电。

关键词： 脉冲电磁场   糖尿病   骨缺损   微损伤   成骨细胞   初级纤毛  

摘要： 1型糖尿病(T1DM)是一种严重的内分泌代谢性疾病,目前全球约有4000万T1DM患者,预计到2035年将超过6000万。大量研究表明,T1DM对骨骼健康有不利影响,除了严重的骨丢失,T1DM还会引发骨整合受损、骨再生潜能延迟以及脆性骨折的风险增加,严重影响患者的生活质量,并造成巨大的社会和经济负担。由于糖尿病人群的迅速增加和T1DM患者生存期的持续延长,理解T1DM引发的骨损伤机制和探索防治此类骨损伤的有效方法具有重要的临床意义。脉冲电磁场(PEMF)刺激作为一种无创、安全的物理治疗策略,已成为促进骨折、骨质疏松症和股骨头坏死修复的研究热点。但是PEMF是否对与T1DM相关的骨损伤有修复作用,以及其具体作用的信号通路和传导机制还未明确。本研究以T1DM骨骼疾病的治疗需求为牵引,以医工交叉结合的研究思路为切入点,系统探讨了 PEMF刺激对T1DM患者骨损伤修复和骨代谢调控作用效果以及相关的分子机制。首先,本研究构建了 T1DM动物骨缺损模型和低弹多孔钛合金(pTi)植入体,通过体内实验探究了 PEMF刺激对于T1DM动物的骨缺损修复和抗骨丢失的作用效果;同时,使用课题组自行研制的小动物轴向压缩加载装置对T1DM动物尺骨周期性施加疲劳载荷刺激,系统研究了疲劳应力载荷下T1DM动物骨微损伤的产生和发展规律以及PEMF干预对T1DM大鼠骨微损伤修复的相关机制。随后,通过体外实验系统研究了 PEMF刺激对高糖(HG)环境下原代成骨细胞(OB)的行为功能的影响。最后,通过基因沉默技术明确了 PEMF刺激对正常和HG环境下OB行为功能的分子机制。本研究提出了 PEMF对T1DM患者骨整合和骨损伤修复作用效果研究的新思路和新方法,旨在系统探索PEMF刺激对T1DM患者骨合成代谢的作用效果和相关的分子机制,并为PEMF刺激在T1DM患者骨整合和骨损伤修复等骨疾病治疗中的临床应用提供实验依据。整个研究主要分为以下四个部分:第一部分PEMF对于T1DM动物骨丢失及骨缺损作用效果的实验研究研究背景:T1DM患者骨骼系统严重损伤,系统研究T1DM诱发的骨质减少、骨质疏松症以及骨缺损愈合延迟的相关机制,并探索能够改善T1DM骨缺损修复的有效途径具有重要意义。PEMF作为一种经济、安全、无创的物理因子,能够改善T1DM相关的骨质减少和骨质疏松,促进骨缺损修复,目前国内外尚未见相关报道。研究方法:以高性能数据采集和信号发生模块为核心,自行设计PEMF信号发生系统。通过注射四氧嘧啶结合手术进行T1DM股骨缺损兔模型的构建,使用电子束熔化技术制备Ti2448多孔钛合金植入体,对实验组连续施加8周PEMF刺激。分别通过ELISA实验、Micro-CT扫描、荧光双标、免疫染色、三点弯曲测试、纳米压痕测试以及qRT-PCR实验对各组动物血清骨转换标记物、股骨小梁骨和皮质骨微结构、股骨小梁骨的形成速率、pTi植入物的骨长入和小梁骨的显微结构、股骨生物力学属性以及骨骼中成骨相关基因表达水平进行评估和分析。研究结果:T1DM兔血清OCN和P1NP浓度显著降低;股骨远端小梁骨和皮质骨显微结构被明显破坏,骨量明显降低;小梁骨的矿化沉积率(MAR)显著降低,pTi骨整合被显著破坏;胫骨的结构属性和材料属性显著降低,并且骨中与骨形成相关的基因的表达水平显著降低。而PEMF刺激后,T1DM兔血清OCN和P1NP浓度显著增加,小梁骨和皮质骨的显微结构及参数明显改善,且PEMF刺激能够促进T1DM兔股骨的小梁骨向pTi孔内长入,显著增加MAR,显著改善胫骨的结构属性及材料属性。此外,PEMF刺激后,与骨形成相关的基因的表达水平也显著增加。研究结论:PEMF能够显著改善四氧嘧啶诱导的T1DM兔的小梁骨和皮质骨的骨微结构及其力学属性,并通过增强骨的合成代谢作用促进T1DM骨缺损中新型Ti2448 pTi的骨长入和骨整合。该部分研究丰富了对于T1DM骨响应PEMF信号的认识,为T1DM诱发的骨质减少、骨质疏松和骨缺损等骨骼疾病提供了便捷高效的治疗方案。第二部分PEMF对于T1DM动物骨微损伤累积修复作用的实验研究研究背景:日常生理应力作用会在骨组织内部产生微损伤,而微损伤的累积是导致骨组织生物力学性能显著降低的重要因素,然而PEMF是否能够对抗T1DM骨微损伤发生和发展目前仍不明确。基于此,该部分旨在研究PEMF作用下T1DM大鼠骨微损伤的产生和发展规律,以期进一步深化PEMF对于T1DM骨质量调控效应的科学认识。研究方法:使用课题组自行研制的小动物轴向压缩加载装置,对正常、T1DM和PEMF干预的T1DM大鼠右侧尺骨进行14天在体循环轴向压缩加载。通过SPECT扫描检测T1DM大鼠尺骨微损伤的累积情况;通过碱性品红染色对T1DM大鼠尺骨的线性微裂纹和弥散微损伤进行观察和定量分析;通过免疫组

关键词： 蝶式感应加热中间包   电磁场   流场   温度场   通道倾角  

摘要： 实现中间包的恒温稳态浇注对改善铸坯质量、提高连铸生产效率和稳定连铸操作起着重要作用,而钢液在中间包内流动时存在大量热损失。中间包感应加热技术因其清洁、安全、温控精准的优点成为补偿这一热损失、维持钢液低过热度的有效措施。传统连铸设备中间包因其钢包长水口和浇注口已经固定,且二者距离过近而无法加装感应加热设备,因此需要对其结构进行改进。本文以传统中间包模型为基础,根据钢包后侧加装感应加热装置,钢液反向回流进行浇注的方案,设计了一种蝶式感应加热中间包,并根据该模型建立了一套三维非稳态磁/热/流耦合数学模型研究蝶式中间包内的电磁场、流场、温度场及夹杂物运动和去除。对电磁场的求解基于有限元法,在麦克斯韦方程组的基础上,结合电磁场本构方程等,以矢量磁位法和标量电位法相结合的方法进行求解,并将求解所得的电磁力、焦耳热以源项的形式导入到动量、能量方程中,基于有限体积法,结合RNG k-ε湍流模型对中间包流场、温度场进行求解;从力平衡原理出发,采用欧拉—拉格朗日方法研究了蝶式中间包内夹杂物的运动行为及有无感应加热条件下夹杂物去除率;最后对中间包结构进行了优化,选择通道倾角作为研究对象,探究0°、4°和8°倾角时中间包内的流动和传热行为,得到通道倾角对蝶式中间包内升温情况、流场温度场、及平均停留时间的影响,并总结出相应的规律。停留时间的计算是通过“刺激-响应”方法,使用组分输运模型,在入口处迅速注入示踪剂,注入时间为1 s,通过在出口检测示踪剂浓度得出其停留时间曲线(RTD)来对中间包内流动情况进行分析。结果表明:在蝶式感应加热中间包内,感应电流穿过双通道形成闭合回路,通道中的感应电流密度和焦耳热密度远大于其他部位。由于集肤效应和邻近效应以及进口、出口效应,通道中的感应电流和焦耳热分布不均匀。通道中的磁场是偏心旋转磁场,电磁力是偏心电磁力,对钢液有箍紧作用并使其产生旋流,通道内的钢液具有比无感应加热时更大的速度且整体流动较为活跃,进入浇注室后在热浮升力作用下产生上升流股,减轻对壁面耐火材料的冲击,有助于夹杂物上浮并被液面的渣层吸附,同时,通过观察示踪剂分布,感应加热情况下示踪剂分布更加均匀,钢液的流动和传热过程得到了改善。在600、800和1000 kW的加热功率下,通道内最大升温分别为17、28和36 K,出口升温分别为8、18和27 K,有效解决了连铸过程中钢液的温降问题。800 kW加热功率下通道内速度升高约0.4m/s,且通道截面的切向速度明显升高,从无感应加热时的最大0.02m/s到800kW加热功率时的0.13 m/s。中间包内的夹杂物运动受脉动速度的影响呈现锯齿状,并在流体的带动下运动,轨迹与流体类似,感应加热能有效提高夹杂物去除率,尤其是小粒径夹杂物。通过对一段时间后示踪剂浓度的观察可以得到感应加热情况下有助于示踪剂的扩散、均匀分布,流场得到优化。倾角为0°到4°时,中间包内温度场和流场受倾角影响较大,4°到8°之间时影响较小。倾角为0°时,通道轴线处温升为22K,出口温升为19K,但通道内温升过程复杂,浇注室内温度分布不均匀,出口升温过程波动较大,最大波动幅度达到2K。倾角为4°和8°时,通道中心温升分别为19K和18K,出口温升都为18K,浇注室和通道内温度分布都较为均匀,升温过程较为平稳,温度场整体区别不大;倾角为0°时,浇注室内流动较为活跃,顶部液面处流动较为紊乱,出现大大小小的涡,且流动速度较大,最大达到0.13 m/s,容易造成卷渣危险。倾角为4°和8°时浇注室内和顶部液面的流动较为平稳、均匀。对比不同倾角下的停留时间分布(RTD)曲线,0°时活塞流比例、死区比例较小,全混流比例较大,流动最为理想,4°和8°时各区域比例差距很小。为进一步优化流场,可在蝶式中间包内设置挡墙。

摘要： Optical trapping schemes that exploit radiation forces, such as optical tweezers, are well understood and widely used to manipulate microparticles; however, these are typically effective only on short (sub-millimeter) length scales. In the past decade, manipulating micron sized objects over large distances (∼0.5 meters) using photophoretic forces has been experimentally established. Photophoresis, discovered by Ehrenhaft in the early twentieth century, is the force a small particle feels when exposed to radiation while immersed in a gas. The anisotropic heating caused by the radiation results in a net momentum transfer on one side with the surrounding gas. To date, there is no theoretical evaluation of the photophoretic force in the case of an arbitrary illumination profile (i.e. not a plane wave) incident on a dielectric sphere, starting from Maxwell’s equations. Such a treatment is needed for the case of recently published photophoretic particle manipulation schemes that utilize complicated wavefronts such as diverging Laguerre-Gaussian-Bessel beams. Here the equations needed to determine the expansion coefficients for electromagnetic fields when represented as a superposition of spherical harmonics are derived. The algorithm of Driscoll and Healy for the efficient numerical integration of functions on the 2-sphere is applied and validated with the plane wave, whose analytic expansion is known. The expansion coefficients of the incident field are related to the field inside the sphere, from which the distribution of heat deposition can be evaluated. The incident beam is also related to the scattered field, from which the scattering forces may be evaluated through the Maxwell stress tensor. In future work, these results will be combined with heat diffusion/convection simulations within the sphere and a surrounding gas to predict the total forces on the sphere, which will be compared against experimental observations that so far remain unexplained.

关键词： 电磁发射   电磁干扰   电火工品   电磁安全性  

摘要： 电磁发射技术是一种利用电磁场产生的安培力对作用目标进行加速的新型技术,它不仅能满足弹丸高初速、高动能的发射要求,还具有射程远、精确性高和效率高等明显优势。在发射阶段,电磁轨道炮受到高脉冲电源的作用,在炮膛内产生瞬态强磁场,强磁场可能对弹丸内的电火工品产生干扰致其早爆、失效或性能受损。基于此研究背景,本文采用有限元仿真建模的方法,对电磁发射过程中电火工品的安全性进行了研究,主要研究内容及研究结果如下:（1）构建了包含U型电枢的电磁轨道炮有限元模型,研究结果表明在电枢上电流主要分布在电枢尾部,尤其集中在尾部曲率较大的区域。在轨道上越靠近轨道内侧的地方电流密度越大。磁场主要分布在电枢后方的轨道和炮膛区域内。在弹丸所在截面上离电枢最近的区域磁场最强。在电枢前侧的炮膛内,磁场变化引起的感生电场是涡旋电场。（2）针对桥丝式电火工品构建了裸桥丝模型和带药剂的桥丝模型。对于裸桥丝模型,其位于弹丸头部和尾部位置时,桥丝上的最高温度分别可达856.0°C和942.4°C;对于带药剂的桥丝模型,其位于弹丸头部和尾部位置时,桥丝上的最高温度分别可达68.1°C和52.0°C,桥丝与药剂接触面上的最高温度分别可达64.7°C和50.2°C。裸桥和带药剂的桥丝的温度始终低于桥丝材料的熔点,即桥丝不会发生熔断,而且后者的桥丝与药剂接触面上的温度低于药剂的热分解温度,即不会引发药剂的热分解,因此桥丝式电火工品在电磁发射过程中是安全的。（3）针对半导体桥式电火工品构建了A桥型（长度为370μm,宽度为70μm）、B桥型（长度为394μm,宽度为64μm）两种模型。对于A桥型,其位于弹丸头部和尾部位置时,桥区上的最高温度分别可达171.5°C和114.8°C;对于B桥型,其位于弹丸头部和尾部位置时,桥区上的最高温度分别可达188.0°C和125.3°C。半导体桥的温度始终低于桥区材料的熔点,即桥区不会发生熔断,因此半导体桥式电火工品在电磁发射过程中是安全的。（4）对于爆炸箔式电火工品模型,其位于弹丸头部和尾部位置时,桥区上的电流密度最大值分别为5.61×1010 A/m2和4.19×1010 A/m2,桥区上的最高温度分别可达186.0°C和126.0°C。桥区上的电流密度始终小于桥区发生电爆炸的临界值,即桥区不会发生电爆炸,桥区上的温度始终低于桥区材料的熔点,即桥区不会发生熔断,因此爆炸箔式电火工品在电磁发射过程中是安全的。

关键词： 感应电机   损耗   断条   断环断裂   电磁场   温度场   热应力   有限元  

摘要： 鼠笼感应电机广泛应用于各工业部门,但在使用一定年限后容易发生转子故障。由于转子鼠笼受不同加工方式、材质和运行条件的影响,容易发生导条断裂和端环断裂。因此,对于鼠笼感应电机导条断裂和端环断故障的研究具有十分重要的学术价值,本文对感应电机电磁场、温度场和应力场三个方面的进行了相关研究: 1、本文采用有限元方法,以一台Y160L-6型异步电机为例子,建立了三种电机的有限元模型,分别为,正常电机、铝条断裂电机和端环断裂电机,设定情况为感应电机额定负载,得到了转子故障前后电机的电磁场变化趋势。由上述实验结果分析说明电机定转子电流变化状况以及气隙磁密的变化状况。 2、运用有限元的时步仿真法,对电机性能在故障下的变化情况进行讨论,如转子断条、端环断裂等故障而引起的电机功能的变化,得出了转子的故障程度不同电机转矩和转速等参数也会发生相应的变化,确定了电机在正常情况下和故障运行过程中的转子参数,并且对正常情况下运行和故障后运行的转子参数的变动与故障点相邻的导条电流变化的因果关系进行分析;经过对系统故障前和故障后电机运转功能变化的讨论,为电机转子断条故障的确认研究给予数据支撑。 3、设置了正常电机以及电机不同故障情况下的定转子三维温度场有限元仿真模型,以电磁场计算的损耗结果为热载荷;运用气隙有效导热系数的概念,把定、转子之间错综复杂的热交换过程进行简化:使用数值分析的办法对电机不同部位的散热系数进行解释说明;探究不同故障运行时电机的三维稳态温度场分布,而后以电机的不同故障情况下的温度场进行模拟,得到不同故障状态下的电机温度的分布,通过总结得出电机温度变化规律,为故障诊断给予支撑。 4、建造了无故障电机以及不同故障的转子三维应力场有限元仿真模型,以温度场计算的结果作为依据计算转子热应力的分布,不同故障会造成转子热应力分布不同程度升高,铝条断裂和端环断裂故障对铝条与端环连接处的应力造成较大改变。能够从电机热应力场变换的角度为电机制作工艺提供有意义的理论依据。

关键词： 旋转电磁场   管道检测   传感器设计   影响因素  

摘要： 管道作为石油等能源的主要运输载体,在工业中应用广泛,由于管道多铺设在极其恶劣的环境下,再加上管龄的逐年增加,会出现各种各样的损伤。本文针对管道出现的变形、腐蚀、裂纹等缺陷,利用外穿式旋转电磁场检测技术对管道开展研究,从而保证管道的安全运行。外穿式旋转电磁场检测技术用于检测管道外壁,可以覆盖整个外表面,一次扫查即可检测出所有缺陷,和传统涡流检测技术不同的是,外穿式旋转磁场检测技术可以实现对管道外壁缺陷的快速定位,可以检测管道表面任意方向的缺陷,具有检测效率高,且不易漏检等特点。本文首先对外穿式旋转电磁场理论和数学模型进行了研究,建立外穿式旋转电磁场检测技术三维有限元模型,外穿式旋转电磁场检测技术的传感器设计,外穿式旋转磁场检测技术对缺陷检测的影响因素以及量化方法研究,最后搭建外穿式旋转电磁场检测系统进行试验研究,基于旋转电磁场检测技术的其他类型传感器设计。论文主要从以下五个方面进行了研究:(1)外穿式旋转电磁场检测技术理论研究和传感器有限元模型分析了旋转电磁场理论和数学模型,利用有限元建立了两种外穿式旋转电磁场检测传感器模型:分布式导线柱简化模型和集中式线圈非简化模型。并利用两种模型对缺陷进行了检测,验证了两种模型的可行性。研究了外穿式旋转电磁场检测传感器在管道外壁产生的涡流分布图,缺陷与涡流的相互作用,结果表明轴向磁场可以作为特征信号。(2)外穿式旋转电磁场检测传感器设计对外穿式旋转电磁场检测传感器进行了设计,分别探究了管道无缺陷时背景磁场随传感器参数变化的变化规律和管道有缺陷时特征信号在不同传感器参数情况下的变化规律,最后确定出了一套最优的传感器设计方案,为后续的影响因素研究和试验研究打下了基础。(3)外穿式旋转电磁场检测影响因素研究和缺陷量化方法探究了不同影响因素对外穿式旋转电磁场检测传感器检测结果的影响,研究了线圈激励频率、缺陷周向位置、管道倾斜角度、缺陷方向、有无铁芯以及激励线圈的形状等与特征信号之间的关系,最后通过特征信号确定了一套缺陷量化方法。(4)外穿式旋转电磁场检测系统的搭建和试验研究搭建了外穿式旋转电磁场检测系统,并对管道进行了检测试验。试验结果表明:外穿式旋转电磁场检测系统的试验结果和有限元结果一致;缺陷周向位置不同时,轴向磁场的实部和虚部也会发生变化,从而改变阻抗图的角度;管道倾斜时波峰和波谷的大小出现不一致的现象;可以检测出任意方向的缺陷,且规律和有限元结果一致。(5)双旋转电磁场检测传感器和基于阻抗分析的旋转电磁场传感器设计设计了两种其他类型的基于旋转电磁场原理的传感器:基于双旋转电磁场的检测传感器和基于阻抗分析的旋转电磁场传感器。并对两种传感器进行了有限元分析,以及对缺陷进行了检测。结果表明,两种传感器均可以实现缺陷的快速定位,为以后旋转电磁场的研究提供了新的方向。

关键词： 继电器   电磁机构   有限元加速计算   传输线法   电磁场  

摘要： 基于有限元法的非线性偏微分方程组数值求解技术是对电磁机构进行电、磁、热、机械等单场及多物理场耦合仿真分析与优化设计不可或缺的工具,在电器领域具有重要地位。随着求解任务的规模和复杂度日益提高,电磁仿真中的计算量剧增,如何快速、高效、准确地完成大型非线性稀疏矩阵系统的重复求解,是突破计算瓶颈的关键。由于具有非线性单元解耦、全局系数矩阵不变以及无条件迭代稳定收敛等优点,传输线法逐渐被迁移到电磁场有限元并行计算中。然而,目前的应用仍有较多的问题,诸如等价电路建模问题、传输线模型的普适性和收敛性问题等,尚不能完全发挥其加速计算的潜力,亟需深入研究。本文针对上述提到的问题,基于国内外现有研究基础,以电磁继电器、接触器等电磁机构为例,深入研究传输线模型的改进方法,从物理角度建立对二维轴对称/三维非线性静磁场、瞬态磁场以及电磁、电路、机械运动一体化动态耦合的加速计算方法。首先,研究二维轴对称结构电磁机构的静磁场有限元并行计算方法。针对典型的轴对称电磁机构,建立静磁场的控制方程,利用变分法原理形成非线性离散系统,研究将该系统建模为等价的非线性电路网络的方法。在此基础上,将传输线法引入到所建立的电路网络中,并研究传统传输线迭代法在非线性计算方面的不足及改进的方法。进一步地,研究传输线法针对多个较大求解子域的分割求解能力,建立区域分解计算方法,研究该方法在静磁场有限元求解中的并行加速效果。其次,研究二维轴对称结构电磁机构瞬态磁场的有限元并行计算方法。依据麦克斯韦方程组,对常见的电磁机构的动态过程进行数学建模,并得到控制方程。传统的传输线法需建立较为复杂的等效电路,对有限元单元的变化适应能力较差,研究更为通用的黑盒电路模型对其进行改进,并对该方法的收敛性及计算精度进行研究。利用伽辽金方法,对电磁场-电路的强耦合偏微分方程进行数值离散,并采用黑盒传输线法求解。动态特性的计算涉及到网格的形变,研究二维的网格重剖分技术,实现电磁感应的计算以及运动的处理,并对计算结果进行对比验证。然后,研究三维电磁机构静磁场的有限元并行计算方法。针对常见的三维电磁机构,研究其静态磁场的控制方程。基于矢量棱边单元以及伽辽金法,研究控制方程的离散过程。针对三维棱单元中矢量磁位无法满足库仑规范的问题,研究棱边单元中规范问题的处理。之后,根据三维有限元特殊的单元矩阵形式,建立等效的电路模型。传统的传输线法的迭代速度受到导纳的极大影响,为避免采用预处理的方法,研究通过拟多导体传输线法来提高收敛速度的方法。采用虚功法推导棱边单元中电磁力和转矩的并行计算方法。之后,将传输线法应用于三维静磁场有限元计算中,并与商软进行结果对比。最后,研究三维电磁机构瞬态磁场的有限元并行计算方法。对三维电磁机构动态特性建立基于时步有限元的电磁场-电路-机械耦合的电磁机构求解模型。针对其中电磁场部分的库仑规范问题,考虑施加散度约束的控制方程形式,并借助伽辽金方法以及棱边单元原理进行数值离散,获得瞬态电磁场-电路耦合需要求解的非线性方程组,从而可以建立瞬态电磁场中有限元四面体单元的等效电路。由于运动部件引起了分网的形变,研究三维网格重剖分技术以及棱单元变量的存储方法,设计动态特性并行计算的思路,并与商软和实测结果进行对比。