梯度场麦克斯韦线圈磁场及磁场梯度分析

在地质勘探、军事导航、医学诊断、目标磁异探测等领域迫切需要研制高精度的磁场梯度测量装置。设计了一种梯度场麦克斯韦线圈,用于对高精度磁场梯度仪进行标校。运用毕奥-萨伐儿定律,首先推导出梯度场麦克斯韦线圈在中心处磁场各分量的分布,然后通过数值仿真绘制出该线圈的磁场强度分布、磁场梯度分布及等值线图。结果表明,在相同的线圈匝数、激励电流和线圈半径条件下,梯度场麦克斯韦线圈产生的磁场梯度均匀区域达到0.602 m2,比反亥姆霍兹线圈产生的磁场梯度均匀区域大15倍,且产生磁场梯度的均匀性也优于反亥姆霍兹线圈。     

磁场梯度线线圈的设计

本文指出磁场梯度线圈设计中的常见错误，并列出正确的设计步骤。以双绕组（Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ）线圈为例，得到梯度线圈的尺寸条件为，它完全不同于均匀磁场线圈的尺寸条件Ｌ＝Ｒ；磁场表达式为。类似的设计思想及步骤可用于其它多绕组线圈系统。     

磁场梯度线圈的设计

本文指出磁场梯度线圈设计中的常见错误，并列出正确的设计步骤。以双绕组线圈为例，得到梯度线圈的尺寸条件为Ｌ＝√３Ｒ，它完全不同于均匀磁场线圈的尺寸条件Ｌ＝Ｒ；磁场表达式为Ｂｘ＝４８√３／４９√２μ０Ｗｘ／Ｒ＾２。类似的设计思想及步骤可用于其它多绕组线圈系统。     

电感式磨粒传感器线圈参数对磁场均匀性影响研究

磁场均匀性是影响电感式磨粒传感器检测精度的重要因素,为了提高传感器磁场均匀性,研究线圈参数对传感器磁场分布规律,根据磁场叠加原理,建立了电感式磨粒传感器三线圈数学模型,推导出传感器磁场计算公式,提出磁场均匀性评价系数K。对电感式磨粒传感器磁场进行仿真,分析了线圈内径、线圈宽度、线圈间距以及线圈匝数对传感器磁场分布的影响。通过极差分析和方差分析分别得到磁场均匀性最优线圈参数组合和线圈参数对磁场均匀性影响的显著性。实验结果表明:当线圈为最优参数时,传感器对70～200μm的磨粒有良好的监测能力,磨粒在不同径向的监测结果偏差小于5%,为传感器线圈的设计提供了参考。     

通电空心线圈系统产生的磁场分析

许多医用理疗设备都需要使用通电空心线圈产生磁场,磁场产生方式有利用线圈外部的磁场和线圈空心内部的磁场两种,而这两种方式都将由多个线圈实现。通电线圈排布的合理设计能够提高磁场的均匀性,这将对疗效产生重要的影响,因此分别研究了上述两种磁场的特性。研究结果表明:根据线圈的直径大小和线圈相对距离的配合可以产生最优均匀磁场。     

基于毕奥-萨伐尔定律的永磁球形电动机定子线圈磁场分布研究

永磁球形电动机定子绕组采用集中式绕制方式,分层均匀镶嵌在定子球壳内壁。为得到永磁球形电动机单个定子线圈在三维空间中的磁场分布,建立球形电动机全局坐标系与定子线圈局部坐标系之间的映射关系,然后运用毕奥-萨伐尔定律对定子线圈产生的磁场进行求解分析。在对磁场解析表达式求解过程中借鉴“割圆法”思想,得到了磁场的数值解表达式,给出了单个定子线圈在三维空间中的磁场分布,并通过有限元方法验证了所提方法的有效性。     

磁共振成像系统中低阶平板式匀场线圈的设计

针对永磁型MRI系统设计了一种平板式匀场线圈，用以改善成像区的磁场均匀性。通过研究磁场球谐函数及其泰勒展开级数，导出了x、y、xz、xz^2、x^2-y^2等低阶径向线圈设计方法，并提出了一种新的混合式轴向匀场线圈设计方法，该方法通过控制轴向线圈中两组电流的组合实现了对不同轴向磁场分量的获取，简化了设计过程，并通过对各匀场线圈进行磁场仿真检测，规划了线圈半径，使设计方案更为合理。实验结果表明，用该线圈可以将磁场均匀度由27μT／T降为14μT／T，MRI图像质量得到明显改善。     

基于矩形亥姆霍兹线圈的大均匀区改进型三维磁场发生器设计与特性

为了克服传统磁场发生器空间利用率低的缺陷,提出了改进的三维磁场发生器,具有结构紧凑、更大的均匀区。相比传统的亥姆霍兹线圈,每个维度引入了一双辅助线圈。要设计这紧凑场发生器,五个模型参数需要根据用户的要求对均匀性进行优化。最后,研发了一台磁场发生器,用于测试新型线圈的性能以验证其设计方法。实验结果表明,测试的磁场结果与设计值吻合得很好,最大的设计偏差仅为0.12%。更重要的是,产生相同体积的均匀区,这种磁场发生器的体积仅为传统亥姆霍兹线圈的1/13.6。     

用于等效测试大电流互感器抗干扰性能的非均匀缠绕线圈的设计方法

为了更准确地验证非均绕等安匝法的物理原理,探索实施非均绕等安匝法的最佳技术路线,提出了非均绕等安匝法用非均匀缠绕线圈参数的优化设计方法。为此,首先完善了表征干扰磁场的解析模型,并利用铁芯汇集系数修正了干扰磁场的解析计算结果;基于大量的数值仿真试验结果,推导出了适用于大电流互感器的铁芯汇集系数经验公式;进而依据表征线圈泄漏磁场的解析式,提出了两种用于优化非均匀缠绕线圈参数的设计方法,即L2范数最小法和部分级数求和法。通过数值仿真,分析了基于这两种方法得到的线圈泄漏磁场与外电流产生的杂散磁场之间的误差,发现这两种方法可将两种干扰磁场之间的误差由之前的约20%降低到约1%;通过物理试验,验证了该非均匀缠绕线圈参数优化设计有关结论的正确性。     

轴对称线圈静磁场的计算与应用

本文研究了包括圆环线圈与螺管线圈在内的轴对称线圈以及圆弧段电流单元所产生的静磁场中矢量磁位与磁通密度的计算，着重讨论了计算中完全椭圆积分与奇点的处理。在此基础上，对０．１５Ｔｅｓｌａ磁共振成像电阻式磁体进行了分析，设计了用于永磁磁共振成像的梯度线圈。     

不同空间磁场分布对PEMFC工作性能的影响

通过在质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极侧分别垂直加载不同均匀度(南北极交替面、同一北极面)的同心圆磁场和不同梯度降的矩形单磁体与复合磁体,以此考察不同均匀度与不同磁场梯度降的磁场对PEMFC工作性能的影响。结果发现,在PEMFC阳极侧加载不同均匀度的磁场,都能不同程度地提高PEMFC的工作性能。当阳极侧垂直加载南北极交替的同心圆磁场时,PEMFC输出功率密度最好,达到69.71 mW/cm~2,功率密度提升百分比为7.9%,同一北极面磁场下的电池性能次之;当PEMFC置于不同梯度降(单磁体、复合磁体)磁场下时,其置于磁场梯度降大的复合磁体下的PEMFC输出功率密度较大,可以达到69.5 mW/cm~2,功率密度提升百分比为7.5%。     

基于LED的自由曲面反射器设计软件研究

针对LED自由曲面反射器设计,建立了光学设计模型。根据光学设计模型,编写了自由曲面反射器设计软件。利用圆形照度均匀分布和矩形照度均匀分布自由曲面反射器设计实例对软件算法进行了验证,其中圆形被照面的照度均匀度达到了0.92,矩形被照面横向照度均匀度达到了0.9,纵向照度均匀度达到了0.8。软件计算时间少于1s,算法是高效可靠的。本软件可用于道路照明、投影设备、重点照明和汽车前照灯等非成像光学设计领域。     

外磁场对罗氏线圈的影响分析及验证方法

针对实际电流互感器工作环境,不存在均匀的外界磁场,提出一种分析外界非均匀磁场对罗氏线圈的干扰的新方法.根据相邻电力线在线圈远近两侧产生的感应磁场方向,将其分成两部分,分别分析,并求出产生总的感应电动势恒为零.从而得出在罗氏线圈截面积和匝数密度均匀的条件下,非均匀磁场不会对罗氏线圈产生干扰.针对于干扰情况文中提出两种改进...     

正方形亥姆霍兹线圈三维磁场及其均匀性分析

为研究光纤陀螺的磁敏感性,利用三个正方形亥姆霍兹线圈构建三维匀强磁场,并分析其匀强磁场区域特性。将正方形亥姆霍兹线圈视为四段载流导线,采取分段计算然后进行矢量叠加的方法,分析了正方形亥姆霍兹线圈三维空间磁场强度及其均匀性,并给出仿真结果。最后给出了正方形亥姆霍兹线圈三维匀强磁场的结构模型及相关数据分析。     

Transverse gradient coil with circle current paths

The paper describes a new type of transverse magnetic field gradient coil for applications in MRI and MRS. It uses full circle current paths rather than current arcs and has a particularly simple unit construction of symmetri form. It features a large volume of uniform transverse field gradient, high efficiency and low inductance for rapid switching. A prototype coil has been constructed and evaluated to check computer simulations. Two smaller sets have subsequently been made for NMR microscopy. This coil design may be used for all sizes.     

A novel method applicable to large-scale active magnetic shielding system which effectively compensates gradient magnetic fields originated from the surrounding buildings

We propose the novel magnetic compensation method which is suitable to compensate gradient magnetic fields. The method is to be applied to a conventional large-scale, tri-axial active magnetic shielding system such as a spacecraft magnetic testing facility. The essences of this method are the adoption of compensation coils which have degrees of freedom in their coil orientations, and their installation position, which is chosen to have certain distances from the center of the shielding area. The method works with at least four compensation coils. In this research, we actually demonstrated the method with a scaled-down experiment. Disturbance magnetic field (B) at the target zone was suppressed from 21.33 nT to −1.54 nT and magnetic field uniformity (ΔB) within the test zone was improved from 2.3 nT to 0.015 nT. In terms of magnetic field gradient, improvement from over 4 nT/m to below 0.5 nT/m was achieved.     

移动式直流应急无线充电模块的磁芯优化设计研究

采用无线电能传输是开展移动式直流应急保障的有效途径。提出了一种适用于移动式直流应急无线充电模块的铁氧体磁芯设计和优化方法,可进一步提高发射器与接收器之间的未对准误差容限、降低磁芯损耗。当无线充电模块发射器与接收器之间存在未对准误差时,磁通密度不再均匀,磁芯损耗也随之增加。因而,应通过磁芯优化设计使得磁芯各处磁通均匀分布以及损耗降低。经综合考虑,提出了一种分段线性圆形和附加条形磁芯的优化结构,并提出基于有限元连续非线性规划优化算法,可使得磁通密度分布均匀和降低损耗。经仿真验证,与原始磁芯结构相比,优化后的圆形磁芯结构可降低单位体积磁芯损耗,另加附加条形磁芯优化后可使单位体积磁芯损耗降低39%,并且优化后的磁芯,单位损耗的磁芯体积可减少17. 5%。     

非均匀磁场中磁流变液剪切应力实验与分析

为探究磁流变器件失效机理,用两块C型电磁铁耦合建立非均匀磁场。基于提拉法原理设计磁流变液剪切应力测量装置,得到非均匀磁场中剪切应力曲线。对比基于静态匀强磁场的圆筒剪切模型剪切应力理论曲线,发现虽然两者整体趋势一致,但同等磁场强度下两者剪切应力值存在不同程度差异,同时发现电磁铁气隙磁场也存在非均匀性。上述结论说明静态匀强磁场磁流变液剪切特性理论并不能直接应用到非均匀磁场剪切应力计算中,可能的原因包括铁磁颗粒体积分数的分布不均等,需要后续探索。     

新磁阀结构磁控电抗器磁损特性研究

分析磁阀式可控电抗器MCR(magnetic-valve controllable reactor)的主要工作原理以及MCR铁心损耗的主要来源,得出在工程上磁滞损耗与涡流损耗的计算公式。在传统磁阀结构的基础上提出了新型磁阀结构,并对传统磁阀结构与新型磁阀结构进行对比分析。通过理论分析可知,新磁阀结构采用圆弧面作为磁场缓冲面,减少了磁阀处磁场的发散量,使磁阀处磁通密度分布更加均匀,进而大大降低了磁阀处的漏磁损耗。使用Ansys电磁场仿真软件,在相同电压等级下分别对传统磁阀结构MCR和新型磁阀结构MCR进行三维动态仿真,采集一个工作周期内的四个仿真时刻,对比分析两种MCR铁心磁阀处的磁通密度分布场图。仿真结果表明:新磁阀结构MCR铁心中的磁通分布得到了优化,磁通密度更加均匀,磁场发散情况得到了很大改善,进而有效地减少了MCR的漏磁损耗。仿真结果验证了理论分析的正确性,同时说明了新型磁阀结构的合理性与先进性。