花萼状涡流传感器的损伤监测正向等效模型构建

结构损伤监测对于保证结构安全是极其重要的.针对金属螺栓连接结构中螺栓孔位置处的裂纹损伤定量监测需求,在Goldfine等人的基础之上,该文提出一种花萼状涡流传感器,构建了传感器损伤监测正向等效模型并通过搭建实验装置验证损伤监测正向等效模型准确性并进行误差分析.相对于传统的多层导电结构谐波涡流场的积分/级数解析模型,构建的损伤监测正向等效模型考虑了在高频激励下导线电流密度分布的集肤效应,并可用于互感式涡流传感器建模.实验结果表明:对测量结果经空气标定后,传感器贴于2A 12-T4标准试件表面时的模型计算结果和实验结果较为吻合,第1、2和3感应通道的幅值比量模型计算结果误差随频率变化均在10％以内,第4感应通道的幅值比量模型计算结果误差随频率变化在15％以内.     

多激励涡流阵列探头阻抗分析

针对涡流阵列多激励场的理论计算问题,推导无缺陷有限厚无限大平板导体涡流多激励阵列传感器的磁场分布,应用互易定理得到理想裂纹时阵列传感器的阻抗变化解析式,提出阵列传感器线圈单元近似互感的计算式。对双激励、三激励线圈阵列传感器裂纹检测进行阻抗分析,给出了裂纹长度和裂纹中心的近似解。研制涡流阵列无损检测平台,基于实验平台验证了解析解和数值计算结果的正确性。     

大容量高转速涡流制动器的分析与设计

大容量高转速涡流制动器以其提供的较大的涡流制动力而广泛应用于轨道交通制动方面。本文采用子域法计算了制动器的涡流制动力解析式,在二维直线坐标系下建立解析模型,在其各子域内列写泊松方程,并结合求解域的边界条件求解得到感应板内涡流密度和磁密表达式,进而通过安培力公式计算得到涡流制动力解析式,并利用有限元仿真模型验证解析式的正确性。最后根据解析模型和仿真模型设计出高速下涡流制动实验平台。     

高频轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗三维解析模型

针对现有二维解析模型在计算轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗存在精度不足的问题,该文提出一种能够精确计算该类电机永磁体涡流损耗的新型三维解析模型。该模型利用精确子域法和电阻网络模型,能够同时考虑定子开槽、定子谐波电流、涡流反作用和涡流三维分布的影响。利用有限元法验证了精确子域模型计算得到的空载和电枢磁场分布,并在理想空载下,验证了解析模型永磁体表面涡流密度和永磁体涡流损耗值,分析电机在高频运行下涡流反作用对永磁体涡流损耗的影响。最后,对1台7kW、4000rpm的轴向磁通永磁电机进行空载脉宽调制(pulsewidthmodulated,PWM)电压供电实验和空载正弦波电压供电实验,得到因PWM谐波电流引起的永磁体涡流损耗,将实验结果,有限元结果与解析结果作对比,验证了该解析模型的正确性。     

超高速磁浮涡流装置制动力的解析分析

涡流制动系统对于磁悬浮列车安全运行至关重要。该文采用子域法解析得到速度(包括超高速)、励磁电流、气隙长度、感应板厚度和电导率等参数与涡流制动力之间的解析式。在二维坐标系下建立解析模型,以磁矢位为求解变量,在解析模型各个子域内列写泊松方程,并结合各子域之间的边界条件求得气隙内的磁通密度表达式,进而得到涡流装置所受涡流制动力的表达式。利用有限元仿真证明了解析计算的正确性,并探究超高速下磁浮列车应用涡流制动系统的可行性。使用解析计算对涡流制动力进行参数分析,得到优化超高速涡流制动系统的方法。相比于仿真分析,解析计算能够反映涡流制动力产生机理并具有节省计算时间的优点。     

盘式永磁涡流驱动器的涡流软测量方法

针对永磁涡流驱动器导体盘在工作状态时无法直接测量涡流的问题,提出一种涡流软测量的方法。建立永磁涡流驱动器的解析计算二维模型,引入矢量磁位构建偏微分方程组,借助各层的边界条件,得到了导体铜盘涡流的解析解,从而得到导体铜盘上的涡流分布规律。采用该模型,永磁涡流驱动器在运行过程中所产生的涡流密度可以通过转差速度和气隙宽度的测量结果计算得到。之后应用涡流软测量模型,分析导体盘涡流密度大小随气隙宽度和转差速度变化的变化规律。所有计算得到的软测量结果都进行了基于有限元法的仿真验证。结果表明,涡流解析计算有较好的准确性,该软测量模型的结果平均误差约为2%,为永磁涡流驱动器运行过程中涡流的计算和产品优化设计提供了重要依据。     

盘式永磁涡流耦合器涡流研究

本文旨在研究盘式涡流耦合器涡流分布特点。采用解析法得到了涡流密度的函数表达式;利用三维有限元法分别计算正常工作状态和起动状态下涡流径向分量和周向分量沿径向和周向分布的三维图形并总结涡流沿周向、径向、轴向的分布特点。根据涡流密度的函数表达式着重分析了导体盘材料、气隙长度和转差率三个重要因素对涡流的影响。通过对盘式永磁涡流耦合器涡流特点的把握,合理的解释了轴向磁力随转差率变化的规律。     

基于二维四区域法的单边复合次级直线感应电机力特性建模研究

针对地铁用单边复合次级直线感应电机力特性解析方法中存在的模型构建困难、分析繁琐、计算量大、工程实用性差等问题,提出一种建模简单且计算量小的单边复合次级直线感应电机简化二维四区域电磁模型。当电机初级绕组通入三相对称交流电产生行波磁场,与地面非磁性次级导体中感应的涡流磁场相互作用,可同时产生推力和法向力。以麦克斯韦电磁方程为基础,对其磁场进行分析,得到该类电机推力、法向力的解析表达式。通过有限元仿真、实验平台测试结果与解析结果进行比较,验证了解析表达式的正确性。实现力特性的快速准确计算,对单边直线感应电机设计有着重要意义。     

电磁激励热成像检测铁磁材料裂纹的磁热效应分析

裂纹是铁磁材料常见的缺陷,当对材料施加交变激励磁场时裂纹的存在会影响感应磁通的分布,电磁激励热成像技术可以根据材料磁热能量转换形成的温度分布获取裂纹信息。分别利用多物理场有限元分析软件COMSOL和ANSYS建立有限元模型,分析材料中存在表面裂纹时其附近的感应磁通分布特点,讨论裂纹深度变化对磁场的扰动规律。结果表明,感应磁通将从裂纹的尖端和底部绕过,基于磁热效应的电磁激励热成像可以检测出铁磁材料中平行于感应涡流的裂纹。     

平板导体脉冲涡流场时域解与测厚特征量的提取

本文求解了脉冲电流下降沿激励下平板导体涡流场时域模型,给出一种可测量板厚的信号特征量提取方法。利用拉普拉斯变换和有限汉克尔变换求解得到了截断涡流场模型在复频域中级数形式的场量表达式。利用留数定理求解拉普拉斯反变换,并利用电流对时间的导数与模型阶跃响应作卷积求解电流下降沿涡流场时域模型。给出了导体内涡流密度随时间的变化规律及其与感应电压之间的关系,并以有限厚平板导体与半无限大导体之间的感应电压差峰值时间作为特征量测量板厚。实验验证了解析式和测厚特征量的可靠性。     

铁磁平板脉冲涡流场感应电压时域近似式

脉冲涡流检测是一种电磁无损检测技术,利用涡流场感应电压的瞬态响应信号对铁磁平板厚度进行检测。本文在已有平板导体脉冲涡流场感应电压时域解析式的基础上,利用铁磁材料相对磁导率远大于1的条件,比较解析式中各变量的量级大小,结合铁磁平板内脉冲涡流的扩散过程,将铁磁平板脉冲涡流场感应电压的时域表达式分前期、后期两段近似化简,得到两个简单形式的近似表达式。经坐标变换,将前期、后期两段感应电压曲线分别在双对数坐标和半对数坐标下用一段直线近似表示。从理论计算和实验两方面验证了感应电压近似表达式的正确性。     

考虑端部效应的混合励磁直线涡流制动器解析模型

对于提出的串联磁路混合励磁直线涡流制动器结构方案,研究了端部效应对其特性的影响,并建立了解析模型。首先,详细介绍了串联磁路混合励磁直线涡流制动器的基本结构和工作原理。其次,根据等效磁路法和麦克斯韦方程组推导出了串联磁路混合励磁直线涡流制动器的二维解析模型。然后,采用解析法分析了纵向和横向端部效应对涡流制动器制动力特性的影响,并通过引入一些修正系数考虑了端部效应对制动力特性的影响,得到了改进的解析模型,即三维解析模型。最后,采用三维有限元法证明了三维解析模型的准确性。结果显示,三维解析模型可以准确地预测涡流制动器的制动力特性曲线。     

利用子域法的永磁涡流联轴器解析建模分析

永磁涡流联轴器能够在无机械接触和磨损的情况下实现转矩的传输,因此广泛适用于许多工业应用场合。该文推导了运动导体涡流问题分别在固定坐标系和运动坐标系下的尤拉表述和拉格朗日表述,证明了两种表述的统一性;基于子域分析方法,提出了一种包含永磁体阵列、气隙、导体和导体背铁四个区域在内的永磁涡流联轴器场域解析模型,对该多层场域边值问题进行了求解,并推导出一种非常简洁的傅里叶级数形式的转矩表达式;为了确保在达到转矩设计要求前提下尽可能节约永磁体材料使用量,基于所建立的永磁涡流联轴器解析模型,提出一种永磁阵列优化方法。通过算例分析,并比较三维有限元分析和实验结果,验证了文中所提出的解析模型及永磁阵列优化方案的有效性。     

电磁发射用直线感应电机位置检测系统关键技术研究

电磁发射用直线感应电机采用基于传感器阵列的位置检测系统。该系统以电感式接近开关作为位置传感器并构成传感器阵列,通过电涡流效应感应动子运动并生成相应位置信号。利用位置算法对位置信号进行计算可以实时准确地得到动子位置。设计了位置检测系统的基本原理和拓扑结构,提出系统的参数设计方法。深入研究位置传感器的工作机理,建立传感器内部参数与输出特性的数学模型,分析了适用于电磁发射工况的传感器参数条件。进行位置传感器的性能测试,并在此基础上研制了实际的位置检测装置。通过实际发射平台验证,所设计的位置传感器和位置检测系统能够较好地实现电磁发射特殊工况下的动子位置测量并顺利完成发射任务。     

高速感应电机转子涡流损耗的计算方法及影响因素

结合解析法和二维涡流场有限元法,提出一种计算大型高速感应电机转子涡流损耗的半解析法,利用二维涡流场有限元法计算转子表面磁密,并在此基础上基于麦克斯韦方程组详细地推导出了解析公式。以一台兆瓦级高速感应电机为例,将半解析法与二维瞬态有限元法的计算结果进行对比,结果满足工程实践的精度要求。此外,采用半解析法研究转子材料和转子结构对转子涡流损耗的影响,结果表明:转子材料的相对磁导率越高、电导率越低,转子涡流损耗越小,端部有端环结构能降低转子的涡流损耗。     

变面积式电涡流传感器线圈阻抗理论计算模型

变面积式电涡流传感器相比于传统的变距式传电涡流感器具有线性度好和量程易扩展等优点。介绍了变面积式电涡流传感器的基本测量原理和理论模型的建立方法。该模型利用二阶矢量位结合截取边界法建立了相关电磁场方程组,在此基础上推导并建立了传感器的理论模型并给出了传感器线圈阻抗计算以及相关场量的闭合解析表达式。实验结果证明了此模型的有效性和正确性,该计算模型与传统的数值仿真运算相比,不仅物理意义明晰,而且极大缩短了运算时间。     

金属管道外放置式偏心弯曲矩形线圈涡流场的解析解

本文得到了偏心弯曲矩形线圈在非铁磁性金属管道侧面放置时涡流场的解析解。求解过程是:用二阶磁矢位建立了涡流问题的数学模型,得到了含待定偏心线圈系数的二阶位函数表达式;根据毕奥-萨伐尔定律和用修正贝塞尔函数表示的距离倒数得到了线圈未偏移时的线圈系数;利用修正贝塞尔函数的加法定理计算出线圈偏移后的偏心线圈系数。在涡流场解析解的基础上,本文计算了偏心弯曲矩形检测线圈上的感应电压。实验表明,理论分析结果与实验结果吻合。     

基于阵列时延库的变压器局放超声阵列定位研究

针对电力变压器局部放电超声阵列检测法存在定位精度的问题,建立了一种阵列时延库,该时延库建立的基本思想是以阵列传感器中心阵元为原点,将变压器模型在三维空间以1 cm间距等分成若干网格,在每一个网格交点处假设放电源并求出放电源点到阵列传感器各阵元的时延组建成库,通过基于遗传算法的空间搜索,匹配阵列时延库中与真实阵列时延相似度最高的放电源点作为局放源位置,大量实验研究表明该方法的误差在4 cm之内,定位效果理想,证明了该方法的可行性。     

波导谐振环微带阵列多裂纹检测传感器设计

针对飞行器机翼的大面积壁板等金属结构的多形态裂纹分布难以同时检测、检测精度低等问题,设计了一种互补开口波导谐振环微带阵列多裂纹检测传感器。该传感器群阵列中不同尺寸的互补开口波导谐振环微带传感器能够检测直裂纹、针孔、星型3种裂纹的特征参数。实验结果表明,传感器对3种裂纹的参数变化的最大检测灵敏度达到了150 MHz/mm,传感器可检测出的最小直裂纹尺寸为10 mm×1 mm×0.1 mm。该传感器结合了互补开口谐振环辐射能力强、易于表面共形和基片集成波导低损耗、品质因数高、尺寸小的特性,能够实现对金属材料上多形态裂纹的同时检测,具有灵敏度高、检测范围大等优点。     

永磁电动悬浮系统三维解析建模与电磁力优化分析

电磁力准确计算是对Halbach阵列永磁电动悬浮系统进行研究和优化的基础,结构优化是提高系统性能和减少工程化建设成本的关键.建立包含类似直线电机横向端部和纵向端部效应的三维电磁场解析模型,通过对比2-D、3-D解析模型计算结果与3-D有限元仿真结果,验证了所建解析模型的准确性和可靠性.基于三维解析模型对永磁电动悬浮系统...