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关键词： 电子重联   霍尔磁场   霍尔电场   电子流速  

摘要： 采用2.5D全粒子模拟程序研究了强引导场情况下的电子重联,分析了重联率最大时刻霍尔磁场、霍尔电场及电子流速的空间分布特征.重联率最大时刻,观察到分离线两侧的电子入流及出流,并且有四极霍尔磁场生成.与早期标准重联的研究结果不同,霍尔磁场并未在引导场的作用下发生明显扭曲.同时分离线区域发生电荷分离,并生成近似对称分布的霍尔电场.此外,研究了电子流速空间分布的时间演化.在重联前期,电子主要沿磁力线流动,即ve≈veyB/By;在重联后期,电子运动由电场漂移所主导,即ve≈E×（Byey）/By2.模拟结果表明,电子重联中可以发生极强的电荷分离,生成近似对称分布的霍尔电场.在引导场下,这种霍尔电场将导致电子的电场漂移,并主导电子流速的面内空间分布,进而生成近似对称分布的霍尔电流和四极霍尔磁场.

关键词： 主被动源融合   半航空频率域电磁   场源效应   BP神经网络   视电阻率  

摘要： 半航空频率域电磁法(Semi-airborne Frequency-domain Electromagnetic Method,SAFDEM)是地质勘探和矿产勘察工作的重要方法,其高工作效率、大探测深度等诸多优势,使该方法在地下资源探查、地质勘察等领域拥有很大应用潜力。在实际应用过程中,人工源可以提高半航空频率域电磁法的信噪比,但是也会产生场源效应,使视电阻率发生畸变,影响对地下电性结构探测的准确度。目前由场源问题引起的视电阻率畸变的校正方法主要集中在可控源音频大地电磁(Controlled-Source Audio-Frequency Magnetotelluric Methods,CSATM)或短偏移距瞬变电磁(Short-offset Transient Electromagnetic Method,SOTEM),但由于半航空电磁法依靠磁场单分量计算视电阻率,以上方法并不适用于半航空频率域电磁法。本文针对半航空频率域电磁受场源效应影响的问题,分析了场源效应的产生原因及影响规律。根据电磁波的传播特点,提出了一种主被动源融合的半航空频率域电磁法受场源效应影响的视电阻率快速校正方法。 首先,介绍了半航空频率域电磁探测的基本原理,根据电磁场的基本原理推导出半航空频率域电磁法在空间中的磁场响应公式。利用一维层状模型正演对比,发现垂直磁场是磁场三分量中对地下异常层灵敏度最高的分量。通过模型仿真获得地下介质电阻率与磁场关系,据此进行视电阻率成像方法的研究,并利用层状大地模型仿真,探究地下异常层存在时,视电阻率曲线的变化,证明视电阻率成像方法的有效性。 其次,讨论了半航空频率域电磁探测中近场效应、阴影效应、复印效应的产生原因,并根据其不同的产生特点分析并总结观测条件或地下结构发生改变时三种场源效应的影响规律以及视电阻率的变化,为后续对于场源效应的校正奠定了研究基础。 最后,根据主被动源电磁法空间中电磁波的传播特点和主被动源三维模型的正演结果,从理论和仿真两个角度证明了利用主被动源的思想对半航空频率域电磁法受场源效应影响的视电阻率快速校正的可行性。三种场源效应在实际探测中相互混叠,将其看成一个整体进行视电阻率校正。根据半航空电磁与大地电磁的数据特点分析,分析了主成分分析在半航空频率域电磁视电阻率的校正的理论基础,从而为后续半航空频率域电磁视电阻率的快速校正提供有力支持。基于主被动源融合的思想,将两种电磁法仿真计算得到的视电阻率以及当时的频率作为输入,两种电磁法得到的视电阻率的第一主成分作为目标输出,建立BP神经网络。通过该网络实现了半航空视电阻率的校正,可以观测异常体的形状以及位置,位置偏移在5%以内,在实际探测允许范围内。校正后的结果能够提高水平面对地下异常的识别能力,降低了计算复杂度并提高了校正效率。 半航空频率域电磁法场源效应的分析与快速校正,有利提高半航空频率域电磁法的探测精度,增加对地下电性构造数据解释的可靠性,以此提高对地下结构的探测精度,对提升半航空频率域电磁探测能力有重要意义。

摘要： 针对《电磁场与电磁波》课程教学存在的问题，提出了数字化平台和实践平台共同驱动的教学方法和实践措施，首先，通过电磁场数字化软件具象化基础知识和概念，让电磁场看得见；其次，通过定制化有限元仿真工具打造进阶课堂，让课堂知识和工程与科技需求紧密对接；最后，引入生活案例小实验、工程和科研问题、工程故事，让学生动手做和查思学，从而有效提高学生学习主动性和课程教学质量。《电磁场与电磁波》课程是电气工程专业一门具有自身鲜明特点的必修课。一是课程内容知识密度大、公式多，但学时通常较短；二是课程内容属于“四大天书”之一，无论是“场”还是“波”，都看不见、听不见、摸不着，而且要求有较高的空间想象、抽象思维和逻辑推理能力，从而使学生产生畏难心理；三是课程由学生自由选课，授课对象专业跨度大，学生需求不同；四是课程没有实验，学生几乎没有机会接触现场环境，课堂知识和工程与科技需求对接不够，不利于学生创新意识与能力的培养。

关键词： 电磁场   潜在致灾   源定位   脉冲异常   海岸效应  

摘要： 电磁场脉冲异常是电磁场观测中广泛存在的现象,对于评估空间天气事件、地震、火山等事件以及人工源事件的潜在致灾风险具有重要作用。2024年以来太阳进入第25个活跃期的高峰时段,Kp>8的大磁暴和中纬度极光频发,2024年5月10日和10月11日甚至发生了 Kp=9的超级磁暴,引起了社会对空间天气事件的广泛关注。空间天气事件、地震和火山活动以及地表人工源都能引起大幅度电磁场脉冲,这些电磁场脉冲异常信号会对接地电气设备、金属管线等形成严重致灾侵扰。阐明此类脉冲异常特征并定位其源的位置,评估及弱化其潜在致灾风险是当前的重要需求。然而,目前对具有潜在致灾风险的电磁场脉冲异常还缺乏系统的研究,尤其缺少对脉冲异常来源的进一步追溯。 为了研究不同来源的电磁场脉冲异常,本文建立了表层感应电流和电荷累积估计方法,根据交叉功率谱估计发展了地磁暴感应电流(GIC)估计方法,基于地铁运行时产生的相似电磁场脉冲原理开发了模板匹配方法。使用了大量地球电磁场数据,包括在近地表观测的地电场、地磁场、地电阻率,以及卫星观测的电磁场、电离层电子浓度等。主要研究内容为空间天气事件源、地表GIC源、地震和火山源、人工源的电磁场脉冲的异常特征,并根据各脉冲异常的矢量特性进行源定位。研究结果如下。 (1)发现了空间天气源引起的地电磁场具有明确的海岸效应,在海陆边缘造成潜在地磁暴感应电流灾害。基于符合空间平面波假设的脉冲估计得到的地磁感应矢量具有稳定性,而基于起源复杂的脉冲估计得到的地磁感应矢量则不够稳定。基于观测事实的海岸效应可以影响海岸线以内400 km,证实了中低纬度区域存在明确的海岸效应。本论文还揭示了地电暴脉冲在青藏块体等活动构造块体边缘也具有类海岸效应,地电暴脉冲矢量指向青藏块体内部。高原内部与周边多个构造块体交界区域形成了类似陆地—海洋的电性差异关系,反演结果显示源电流的位置与区域性电性分界带特征相匹配。 (2)地表GIC灾害通过对直流供电的偏移和激发极化效应引起电阻率的脉冲异常扰动。在超级磁暴下,最大扰动量达到电阻率测量值的60%。GIC灾害对井下地电阻率的影响更为显著,达到静态日变化的15倍以上。一些井下观测具有长达24小时的显著延迟响应,这可以解释为固体-流体界面处电荷的激发极化效应,从而延迟了二次场的释放过程。对整个磁暴过程中GIC估计值的统计表明,东部沿海的GIC的峰值为150 A左右,对短极距的GIC统计结果更接近正态分布。通过地电阻率观测得到GIC灾害的偏移幅度和自然电位脉冲响应,更准确地给出了超级磁暴时段GIC峰值,增加了对沿海高铁GIC致灾风险的评估手段。 (3)源于地震和火山爆发的声重力波场信号造成了多个圈层的电磁场级联脉冲扰动。源于日本东北的Mw9.0级大地震在中国部分台站中引起了约2 nT的地磁垂向分量脉冲式扰动;源于2023年土耳其Mw7.8地震的同震信号使Swarm B卫星的电子浓度参数和地磁场都出现脉冲异常。另外,源于2022年1月15日汤加火山爆发后的多种波场引发了距离火山中心12000 km内的地磁场响应,地磁场响应异常出现在火山位置的对拓点区域3500 km范围内,其中距离火山中心1625 km处API台观测到地磁脉冲扰动量最大达到了6 nT左右。多种响应方式的传播速度介于Lamb波和重力波速度之间,地磁场响应的最大传播速度约为315 m/s。 (4)使用电磁场脉冲的模板匹配方法拾取人工源电场脉冲信号并根据匹配的结果定位源的位置,实现了对高压直流输电换流站和地铁杂散电流源定位。基于地电场的观测结果表明高压直流的入地电流造成了三类响应形式,使用点源的电流场扩散原理以及使用数十个地电场观测到的高压直流响应,通过幅度校正后的正交组合实现了对电流源入地极的定位。城市入地杂散电流的信号特性与地铁开行状态相关,地铁运行时段的脉冲异常数量、能量和幅度显著增强,在工作日具有早晚高峰幅度明显增强的时序特征,在节假日的脉冲异常持续到凌晨2:00左右。本论文使用模版匹配方法拾取了地铁运行中产生的脉冲信号,获得与地铁机车数量相当的脉冲事件数。进一步应用匹配的结果来定位杂散电流源所在的方位,使用多个测点数据更准确地定位出地铁线路尾端站的位置。 本论文提出了海陆边界和构造块体边界都存在海岸效应,系统地报道了地电阻率观测会受到GIC灾害的显著影响,证实了地震、火山等灾害引起多圈层内电磁场脉冲响应,通过自然电位观测得到与地铁机车运行数量匹配脉冲频次定位出杂散电流源位置。研究关于潜在致灾的电磁场脉冲异常信号特征,结果可为评估空间天气影响地面的致灾风险以及防范中低纬度地区空间天气灾害提供理论依据。此外,源定位研究结果可为地震火山等灾害评估甚至震源的位置预测提供思路,在城市化的背景下定位人工源的具体位置可实现人工电磁灾害的有效避让。

关键词： 物理信息深度学习   电抗器   电磁场分析   偏微分方程   代理模型  

摘要： 低频电磁学的发展得益于计算水平和计算能力的提高,对于磁性器件的开发至关重要。电抗器作为电力系统不可或缺的电力设备,准确分析其电磁特性对该设备的使用寿命和运行特性具有重要意义。目前传统的数值方法如有限元法等为该方面工作做出了重要贡献,但随着数字化设备实时性要求,其计算成本过高的局限性逐渐显现出来。因此,人们需要探索新的求解技术以加速计算过程并解决实际工况下的多维问题。近年来,随着人工智能和大数据技术的发展,深度学习方法取得了飞速进展,为解决复杂电磁场问题提供了新的方向。研究人员已经尝试使用各种深度学习算法建立替代模型,但这些方法往往过度依赖数据的质量和分布趋势,并未根据现实存在的物理定律和现象进行学习。为了克服这一问题,人们提出了物理约束下的深度学习方法,将物理先验知识融入深度学习训练过程中,从而使得模型具有更强的可解释性和鲁棒性。因此,本文基于物理信息深度学习方法(PIDL)开展电抗器电磁场分析研究。 1)借助于深度学习框架,根据电磁场理论构建用于电磁场分析的物理信息深度学习方法。通过电场均匀性及非均匀性问题下PIDL结果与有限元结果的对比,该方法的有效性和精确性得到了验证。同时考虑网络结构和配点数目对计算结果精度的影响。 2)结合区域分解技术,提出多域物理信息深度学习方法(M-PIDL),并将该方法应用于电抗器磁场求解中。通过对比有限元结果与M-PIDL计算结果,验证了方法的准确性。并且针对不同的网络配置,探究了不同因素对仿真计算结果的影响,主要包括网络架构、配点分布方式以及激活函数等。 3)为了解决电抗器多维问题,提出两种方案。一种将几何参数以及激励源等作为变量融入训练过程,构建参数化网络进行训练。另一种与迁移学习方法结合,利用已有模型来训练新模型,大大提升训练效率。仿真结果表明这两种方案均有构建电力设备代理模型的潜力,验证了物理信息深度学习方法在处理电抗器多维问题的精确性和可行性。最后通过物理实验进一步验证了物理信息深度学习方法的有效性。 综上所述,本文成功的将物理信息深度学习方法应用于电抗器求解。通过不同仿真算例的分析表明该方法可以为电磁设备数值计算领域提供新的解决办法,对于推动设备数字化及工程代理模型具有重要意义。

关键词： 软体机器人   电磁场驱动   仿生尺蠖   仿生鱼  

摘要： 机器人技术在过去的几十年中取得了显著的进步,特别是软体机器人,其柔韧性、轻量化和安全性使其在多样性和适应性上优于传统的刚性机器人。软体机器人的驱动方式主要包括物理驱动(如气体、磁场、形状记忆合金、光等)和化学驱动(化学反应)。磁场驱动,尤其是永磁铁和电磁铁驱动,对人体无害,但永磁铁驱动需要人工移动,而电磁铁驱动则需要使用大型外部线圈,如亥姆霍兹或麦克斯韦线圈,这些系统成本高、体积大,且需要消耗大量电能以维持磁场。因此,寻找更有效、更经济的驱动方式是软体机器人研究的重要方向。本文提出在机器人内部放置电磁铁,形成内置电磁场,通过改变电磁场方向实现对软体机器人的驱动,然后制作了两种内置电磁场驱动的仿生软体机器人,分别为仿生尺蠖软体机器人和仿生鱼软体机器人,并进行了运动能力的实验,具体研究如下: 首先,提出内置电磁场驱动理论,对软体机器人的材料和磁场进行了选择和设计。包括线圈的规格、硅胶的型号以及两个电磁铁间的间距。根据电磁力公式和机器人尺寸,选择了满足要求的线圈。又根据线圈的规格,选择了匹配的铁芯以及适当的电压和电流参数。根据硅胶性能,挑选了适合的硅胶。分别通过COMSOL仿真分析和实验,比较了不同间距的线圈产生的磁感应强度以及它们的排斥和吸引效果,并选择了最合适的间距。这些工作为软体机器人的运动设计提供了坚实的试验基础。 其次,通过研究尺蠖的运动规律,首先使用Solid Works软件对其进行了结构设计,并通过浇注的方式制作了内置电磁场驱动的仿尺蠖软体机器人。随后,构建了一套基于电磁铁的磁场驱动控制系统和程序,通过使用Lab VIEW软件来控制机器人的运动。通过改变切换电流方向的周期、摩擦度和坡度探究了尺蠖形软体机器人的运动性能。还对仿生尺蠖软体机器人进行了变形,设计并制作了三个电磁铁组合的软体机器人,并探究了切换电流方向周期和不同路面摩擦度对其运动的影响。 然后,通过研究鱼的运动规律和常见尾鳍类型后,选取了三种典型的尾鳍,并利用Solid Works软件对仿生鱼的身体及这三种尾鳍进行了设计。通过对这三种尾鳍的流体力学和静力学分析,选择了合适的尾鳍。 最后,采用与仿尺蠖软体机器人相同的材料和制造方法,制作了仿生鱼形软体机器人。该机器人的运动是通过与尺蠖形机器人相似的驱动系统和控制程序来实现的。通过调整电流方向切换的周期和关闭一个线圈的电源,对仿生鱼的运动性能进行了测试。研究发现,电流方向切换的周期对仿生鱼的运动速度有显著影响,而关闭一个线圈的电源则能够控制仿生鱼的左右转向能力。

关键词： 多相永磁电机   子域法   表贴磁极   周期/半周期性边界   粒子群算法   磁极优化  

摘要： 随着永磁材料与控制技术的不断发展,永磁电机的使用愈加广泛。多相永磁同步电机相比于电励磁同步电机和感应电机,具有效率高、振动噪声低、转矩密度大等优点,因此在海洋船舶、轨道交通、电动汽车、风力发电等诸多领域得到了广泛应用。舰船电力推进目前多采用大容量低速直驱多相永磁电机,在其设计和优化阶段,需要对电机的电磁性能进行评估,如对气隙磁密、反电势、电磁转矩等参数进行计算等,而分析这些电磁性能的前提是精确求解电机气隙磁场,因此文本针对多相表贴磁极永磁电机的磁场解析方法以及优化策略展开研究。 首先,说明磁场分析原理并引入矢量磁位的概念,通过分离变量法求解拉普拉斯方程或泊松方程;同时使用等效面电流对表贴永磁磁极进行等效处理后,应用到永磁电机全域子域模型中,推导气隙与磁极合成磁场子域、槽子域这两个子域中矢量磁位表达式,根据两子域各自内部存在的边界条件以及两子域间衔接面处的边界条件,求解两子域矢量磁位表达式中的谐波系数,再由矢量磁位计算永磁电机气隙磁密。 随后,在电机全域的子域模型基础上,进一步考虑周期性与半周期性边界条件,通过缩小求解范围以提高解析计算的速度。详细推导计及周期/半周期边界条件下各子域矢量磁位的表达式,进而求解气隙磁密、反电势、转矩、电磁力等电磁性能,并讨论所提永磁电机子域模型的通用性及模型意义。 以一台九相表贴式偏心削极永磁同步电机为例,分别使用所提全域、周期/半周期性边界条件下子域模型计算永磁电机气隙磁场以及电磁性能,并通过有限元及样机实验进行验证;对比不同子域模型的谐波系数矩阵维度以及解析计算时间,验证使用所提周期性/半周期性边界条件所带来的优势。 最后,根据半周期性边界条件下子域模型对磁极的极弧系数和偏心距分别进行单变量扫描,分析单变量取值变化对电机各电磁性能的影响。对极弧系数和偏心距进行遍历扫描,针对不同电磁性能需求选择出最优解或较优解,通过将子域模型与粒子群优化算法相结合,建立多目标粒子群优化模型,引入信噪比与归一化处理将多个优化目标转化为单个目标,并调整各优化目标的权重系数取值进行不同侧重点的磁极优化。