对称强磁场产生装置设计及磁场仿真

� � 中图分类号: TM 15� � 文献标识码: A� 文章编号: 1009- 2552( 2011) 02- 0037- 03 对称强磁场产生装置及磁场仿真 王 � 震, 米 � 东, 刘美全, 徐章遂 (军械工程学院电气工程系, 石家庄 050003) 摘 � 要: 在对称线圈上施加强脉冲电流, 在脉冲电流的激励下, 线圈中产生感应脉冲磁场, 从 而实现同极性磁场撞击。在撞击过程中, 磁能会以一种波的形式激发出去, 从而产生激磁波。 激磁波是一种磁性波, 其能量主要通过磁场的变化进行传递。利用有限元的方法对对称线圈的 内部外部分别进行仿真, 讨论并了磁场在空间和时间上的变化。 关键词: 激磁波; 强脉冲磁场; 单匝线圈; 有限元 Design of symmetry high magnetic field device and simulation ofmagnetic field WANG Zhen, M I Dong, LIU M e i�quan, XU Zhang�su i ( Departm ent of E lectr ica l Engineering, Ordnance Engineering Co llege, Sh ijiazhuang 050003, Ch ina) Abstract: When pulsed electricity is transiting in symmetrica l co ils, w ith the pow er o f pulsed electric ity, there w ill be tw o inductive pu lsed magnetic fields and strike together. Th is magnetic energy exp lodes in the w ay o f w ave, and produces shock magnet ic impulse w ave ( SM IW ). Shock magnetic impulse w ave ( SM IW ) is one kind o f magnetism w ave, its energy transfer m ainly by magnetic fie ld transform ation. W ith the finite e lemen,t this paper simu lates the inside and outside magnetic field o f symmetrica l coils, analyzes themagnetic field transfo rmation in space and tim e. Key words: shock magnet ic impulse w ave; high p lus magnet ic fie ld; sing le turn co i;l finite e lem ent 0� 引言 中国人民解放军军械工程学院徐章遂教授在完 成国家自然科学基金资助项目 ( 59475088)研究中 发现两块磁铁在外力作用下,使其同极性端相撞,磁 能会以一种波的形式激发出去, 并把这种磁性波命 名为激磁波。由于磁铁表面磁场强度较低, 可施加 的推动力有限, 磁极撞击时的速度不可能太高, 因 此, 产生的激磁波强度仍处于一个较低的水平。为 此采用电磁式激发方式产生激磁波,在对称线圈上 施加强脉冲电流激励来产生强脉冲磁场, 从而实现 同极性磁场撞击。这种方式产生的激磁波强度大大 提高。电磁式激发装置采用储能电容器组对单匝线 圈放电获得强脉冲磁场, 用此方法可产生几十甚至 几百特斯拉量级的强脉冲磁场, 该技术可用于等离 子体物理、电磁炮等实验中, 也可以对金属管件进行 磁成形、磁焊接等。本研究对两个对称单匝线圈同 时施加强脉冲电流激励来产生强脉冲磁场,并对产 生的脉冲磁场进行仿真。 1� 强脉冲磁场产生装置 强脉冲磁场装置主要包括储能电容器组、真空系 统、供电和控制系统、汇流板和产生磁场的电感线圈 (采用单匝线圈 ) [ 1]。图 1是强脉冲磁场装置的等效电 路图,电容器组包括 10个电容器 ( 30kV, 10�F),每个电 容器上端均有一个真空触发开关,并用 10根高压同轴 电缆与汇流板连接起来,汇流板由两块硬铝大板组成, 中间被一层 1. 0mm厚的聚乙烯薄膜隔开。该装置的 主要参数:储能电容器最高充电电压 30kV;储能电容器 总电容 326. 0�F;最高储能 144kJ;内部电阻 1. 43m�;内 部电感 5. 0 � 0. 4nH [ 2- 3]。 收稿日期: 2010- 10- 08 作者简介: 王震 ( 1982- ) ,博士研究生,从事测试计量技术及仪器 专业方面的研究工作。 37 图 1� 装置等效电路图 2� 单匝线圈产生磁场的理论计算 [ 4- 6] 强脉冲磁场对线圈的要求较高,不仅要求其自 身电感小,而且由于它在放电过程中要承受很大的 磁压强 ( B2 /2�0 ) [ 7] , 还要求线圈具有极好的坚固 性, 单匝线圈能满足这些要求。当电容器组对单匝 线圈放电时,线圈电流达到兆安量级, 电流在线圈内 的分布不是均匀的而是呈极大的非线性。假设线圈 内电流呈二维分布,并且忽略线圈的缝隙效应,通过 下列方程组可求出电流、磁场和电流密度等分布 [ 8]。 2. 1� 单匝线圈中电场的扩散方程 电场 E在单匝线圈中的扩散方程 [ 9- 10] : t!E = 2 E z2 + r 1r E r r 边界条件: ( E� / n ) s = 0。其中, !为线圈 的电导率, j� ( t) = !�E ( t)和 I( t ) = !j( t )d s分别为 通过单匝线圈的电流密度和总电流。 2. 2� 回路电路方程 设C 0为电容器组总电容, U0为电容器组充电电 压, L0和 L s0分别为回路内部电感和线圈电感, R e为 回路内部电阻。电路方程为: U0 - 1 C0 !0 t Id t = (L 0 + L s0 ) dI d t + R eI, 初始条件: I ( 0) = 0。 2. 3� 单匝线圈产生的磁场 在单匝线圈内任取一点 Q, 电流密度为 j�, 则空 任一点 P处的磁场为: B� = �0 4∀!j� ∀Q�P| QP | dUQ联立以 上各方程编程计算可求出回路总电流、单匝线圈内 电流密度分布及其产生的磁场分布等。 3� 强脉冲电磁场仿真 [ 11- 14 ] 励磁线圈几何结构如图 2所示,其具体尺寸为 直径 10mm, 间距 2mm, 采用强电流源激励, 两线圈 分别激励且激励电流源极性相反。励磁电流信号如 图 3所示, 电流在 2微妙内由 0安培跃变到 500千 安培,电流变化率为 500 ∀ 103A 2 ∀ 10- 6 s = 2. 5 ∀ 10 11 A s - 1 , 如 此快递跳变,信号带宽比较宽, 应用数值方法模拟, 需要的采样点数非常多, 需要很长的仿真时间。为 了简化仿真, 让电流在 2纳秒内由 0安培跃变到 500安培,电流变化率同样为。为了节约仿真时间, 共仿真了 5纳秒, 电流在 2纳秒内由 0安培线跃变 到 500安培。用有限元的方法对磁场进行仿真, 仿 真结果如下。 图 2� 励磁线圈结构示意图 图 3� 激励信号波形 图 4� 异向电流径向方向的磁场 38 图 5� 场采样点示意图 3. 1� 线圈内部磁场仿真 图 4所示为直径 10mm, 间距 2mm异向电流激 励的两个对称单匝径向方向的磁场仿真图形。从图 上可以看出在线圈内部磁场从径向中心 � 0. 5mm 发生突变,在径向中心有最大值。 3. 2� 线圈外部电场仿真 [ 15 - 16 ] 为了便于研究对称线圈在通过强脉冲电流时, 空间电场和脉冲磁场的分布情况, 首先对采样点处 的电场分布进行了仿真。 图 5为空间采样点位置, 沿线圈中心轴线采样, 距离线圈中心 1米, + x方^向。距离线圈中心 1米处 的电场信号如图 6- 8所示。 从图中可以看出在经过 1米的传播后,电场信号 在 4. 2纳秒处出现,电场的 x分量和 z分量在 4. 5纳 秒处出现极大值,但 y分量在 4. 7纳秒处出现极值。 图 6� 离线圈中心 1米处电场 x分量 3. 3� 线圈外部磁场仿真 在图 5所示为空间采样点位置, 沿线圈中心轴 线采样,距离线圈中心 1米, + x^方向。距离线圈中 心 1米处的磁场信号如图 9- 11所示。 从图中可以看出在经过 1米的传播后,磁场场 信号在 4. 2纳秒处出现, 但磁场的各个分量的极值 出现时间都不一致。磁场 y分量比 x分量、z分量有 数量级上的差异。 图 7� 离线圈中心 1米处电场 y分量 图 8� 离线圈中心 1米处电场 z分量 图 9� 离线圈中心 1米处磁场 x分量 图 10� 离线圈中心 1米处磁场 y分量 (下转第 48页 ) 39 图 3� 故障模块发布界面 4� 结束语 本文在深入研究 S1000D的基础上, 详细 阐述了故障隔离信息的实现方法, 为开发实用、先进 的 IETM系统具有一定的指导作用。 S1000D标准 适用于所有武器装备技术的数字化, 基于该标 准开发 IETM系统,对推动武器装备的信息化建设 具有重要意义。 参 考 文 献: [ 1 ] 安钊,徐宗昌,郭红芬. 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