基于永磁体和线圈复合结构的磁性粒子成像零磁场研究

磁性粒子成像(MPI)中的磁场拓扑结构及其产生的零磁场能够直接对成像结果的质量造成影响。针对MPI系统的零磁场设计,该文提出一种永磁体与线圈复合的磁场结构。该结构综合永磁体能够直接产生大梯度静磁场的优势及电磁线圈通过控制激励方式精准调控磁场的优势来构造线型零磁场(FFL)。对所设计的磁场拓扑结构首先进行了基于圆形线圈、矩形线圈和矩形永磁体所产生静磁场的比较;然后从磁场空间分布、磁场梯度和磁场均匀性等方面对FFL进行分析;最后通过有限元仿真确定了线型零磁场的平移扫描区域范围,并进行了MPI分辨率及血管成像研究。结果表明,该文所提拓扑结构产生的FFL磁场梯度达到3.075 T/m,磁场梯度均匀性达到98.7%,在扫描区域为30 mm×70 mm×70 mm的空间内的成像分辨率能够达到1 mm。证明了该文所提拓扑结构应用于磁性粒子成像系统的可行性。

基于自适应模型降阶的三维非线性磁场快速计算方法

为了解决有限元法(FEM)仿真分析中三维非线性磁场计算效率低、成本高的问题,该文提出一种基于本征正交分解(POD)的三维非线性磁场问题自适应模型降阶方法。该方法基于贪婪策略,将POD与径向基函数(RBF)相结合,同时采用改进的麻雀搜索算法(ISSA)计算RBF的最优宽度参数组合,构建更适配高阶系统的降阶模型。以TEAM24标准问题——非线性时变旋转实验装置的磁场模型和一台单相牵引变压器模型为算例,验证降阶模型的高效性能。结果表明:该方法在具有较高精度的同时具有高加速比,建立的模型具有较好的可泛化性。

基于边界元逆问题法的超低场磁共振大鼠脑部成像双通道射频线圈优化设计

目前超低场磁共振成像(MRI)质量较差,为提升图像信噪比,射频线圈需尽可能贴近成像区域从而提升信噪比。该文采用间接边界元法并从逆问题角度求出线圈流函数分布,再利用线性规划寻找最优线圈结构。为验证超低场MRI诊断颅脑疾病的有效性,采用上述方法,在54 mT下针对大鼠头-脑几何形状设计了双通道射频接收线圈,并对大鼠脑卒中及脑外伤模型进行成像试验研究。试验结果表明,54mTMRI能够检出水肿和血肿病变,且与病理切片或临床3T MRI图像结果相符。同时,通过脑外伤模型7天的追踪观察,54 mT图像中病变的信号演变规律与高场影像一致。针对特定成像对象和非规则布线曲面,该文利用间接边界元逆问题法设计高信噪比射频接收线圈,大鼠模型试验证明超低场磁共振成像技术具有脑卒中与脑外份早期诊断与床旁影像监护潜力与价值。

基于边缘智能的电磁能装备轻量化故障诊断方法

随着海量状态监测数据的获取,复杂电磁能装备的关键部件健康状态监测对于实时性和可靠性的要求不断增加,研究利用边缘智能技术赋能装备故障诊断是一种很有发展前景的方法。边缘智能技术致力于将智能算法和算力资源下沉到设备端,在靠近数据源的位置对数据进行处理,能够很好地解决工业嵌入式系统资源受限和海量数据传输所带来的故障诊断时延,防止设备过度损坏。该文提出一种基于边缘智能的轻量化故障诊断方法,在数据采集过程中利用压缩感知技术将密集型的多元监测数据非线性压缩为稀疏采样数据,故障诊断模型集成了深度极限学习机和核函数,深度挖掘压缩采样信号与故障类型之间的内在联系。通过模型轻量化技术,将诊断模型部署在设备端的边缘智能计算卡上,显著降低了数据的传输、计算和存储压力,从而提高了智能故障诊断的实时性。

基于驱动导体环的板件电磁成形电磁力分布与成形效果研究

为实现电磁成形中电磁力的可控加载,提升板件成形效果,该文提出一种基于驱动导体环的板件电磁成形技术。该技术在板件与驱动线圈之间引入一驱动环,通过改变驱动环的材料参数与几何参数实现电磁力的调控。基于特定的AA1060铝板(铝板半径70 mm,铝板成形区域半径50 mm)进行了仿真研究。仿真数据表明,驱动导体环的材质和几何结构的变化可以改变感应涡流从而实现电磁力的调控。与传统板件电磁成形相比,基于驱动导体环的板件电磁成形均匀成形范围Dr提高了1.61倍。在仿真基础上,通过驱动导体环板件电磁成形实验验证了仿真模型的可靠性。综上所述,基于驱动导体环的电磁成形技术能有效提高板件成形的均匀度。

开放式磁声电成像方法研究

磁声电成像(MAET)的原理是在静磁场和声场的作用下产生动声源电流,利用电极检测此电信号,进一步实现成像。本文在考虑静磁场均匀度的基础上,提出了利用开放式磁场激励的磁声电成像新方法,解决了以往的研究中必须假定静磁场为均匀场的限制,提高了成像质量。本文首先推导了磁声电满足的原理关系式,开展了两种类型静磁场激励下磁声电信号的特征分析,进一步通过仿真实现了开放式磁声电的B型扫描成像。

端接复杂电路传输线网络的电磁耦合时域并行计算方法

针对端接复杂电路传输线(TL)网络的电磁耦合问题,仍缺乏高效的场路协同仿真技术。该文将传输线方程与时域有限差分(FDTD)方法、诺顿定理和置换定理以及NGSPICE软件相结合,并引入消息传递接口(MPI)并行技术,提出一种高效的时域混合并行算法(FDTDTL-NGSPICE)。首先,根据诺顿定理和置换定理,将传输线网络分解为传输线子系统和复杂电路子系统,并构建对应的等效电路模型。然后,使用FDTDTL并行算法计算传输线子系统沿线各点的电压和电流,并获取对应诺顿等效电路的电流源和等效导纳大小。最后,使用NGSPICE对复杂电路子系统进行传导干扰分析,获得复杂电路各元件上的瞬态响应,并将端口电压反馈给传输线子系统作为边界,实现传输线网络电磁耦合的场线路联合协同仿真。通过对3类典型场景的计算实例,分别使用时域混合并行算法和电磁仿真软件CST电缆工作室(CS)进行数值模拟并对比,验证所提算法的置信度。

基于体弹跳射线法的等离子体目标散射建模技术研究

针对非均匀等离子体包裹目标的电磁散射问题,提出了一种基于体射弹射线法的建模技术,重点研究电磁波在介质体中的传播特性及散射分析方法。针对在介质体中透射与反射射线数据量激增的问题,提出了基于迭代追踪加速技术以此提高体介质散射中透射反射射线的追踪效率。仿真实例表明,与传统弹跳射线法相比,体弹跳射线法能更快速准确地计算出等离子体目标的散射特性。采用所提出的技术研究了等离子体鞘套对阿波罗号返回舱雷达散射截面积的影响,验证了等离子体对目标雷达散射截面积有一定缩减作用。

单向单线电能传输系统的电磁安全性

为解决单向单线电能传输系统的电磁安全性问题,首先搭建了单向单线电能传输系统和含有重要器官的人体模型;其次根据国内电磁场限值标准仿真研究了系统周围电磁场强度的限值范围,并探究了系统不同位置处的电磁场对体内重要器官的电场强度、磁场强度、电流密度和比吸收率(SAR值)最大值的影响程度;最后通过三维电磁场测量装置探测了单向单线电能传输实验系统周围的电磁场分布,得出了系统的限值距离,并与仿真限值距离进行了对比分析。结果表明:发射端和接收端的电磁场强度高于单导线周围的电磁场强度,右肾在发射端、接收端、单线处的的磁场强度分别为0.86、0.81和0.18 A/m;发射端和接收端对体内重要器官的影响程度明显大于单导线。实验与仿真所得的电磁场强度限值距离具有良好的一致性,证明了系统电磁安全性研究的正确性。

高压内置型高阻抗变压器励磁涌流特性分析及工程计算

提出了一种兼顾剩磁和励磁电感非线性变化情况的高压内置型高阻抗变压器励磁涌流计算方案。构建了高压内置型高阻抗变压器励磁涌流模型,深入剖析了其幅值、衰减以及谐波特性。搭建符合工程实际的高压内置型高阻抗变压器仿真系统,探究了该变压器励磁涌流模型及其特点,提出了能够迅速且有效计算励磁涌流的仿真及工程计算方法,并依据现场录波图的波形对仿真和工程计算方法的峰值及衰减时间进行验证。全面探讨并总结了在诸多因素影响下高压内置型高阻抗变压器的励磁涌流特性,为投运策略及保护整定优化提供了一定的参考依据。

平面分层媒质的反射与透射问题探讨

均匀平面电磁波的传输特性是“电磁场与电磁波”课程中教学的重点内容。特别是,均匀平面波垂直入射到平面分层媒质的讨论是平面波传输现象的核心问题之一。从经典的三层平面分层媒质的透射与散射问题出发,探究阻抗边界的透射与反射现象,并进一步扩展讨论多层阻抗边界下的透射与散射问题。通过石墨烯和频率选择表面的实例展示包含阻抗边界的平面分层媒质的反射与透射问题在吸波材料设计、天线罩设计等实际工程问题中的应用。

电阻率各向异性架设场地对水平天线的影响

论文研究了架设场地电导率各向异性,且呈现多维复杂结构时,对水平线天线辐射场的影响。根据可控源电磁法的正演算法提出了一种新的方法,通过引入一个复电导率将位移电流计算在内,使用基于规则六面体网格的矢量有限元法,实现了三维各向异性架设场地下,空间任意点的电磁响应数值模拟。通过设计一维电导率各向异性模型,对比了一维解析解算法与论文算法的计算结果,验证了论文方法的准确性。通过设计三维电导率异常体模型,计算了异常体相对于天线不同位置下的电场强度,指出靠近天线两端存在高电阻率异常体有利于水平线天线电磁辐射。

基于Goldstein滤波算法的短期售电量精准预测方法

为提升售电量预测的精准性,提出基于Goldstein滤波算法的短期售电量精准预测方法。采集历史用电数据并绘制电力负荷曲线图,依托于Goldstein滤波算法处理图像,得到可以准确反映用户短期用电规律的数据。利用皮尔逊相关系数筛选出相似电力用户,并合理选取参考日,得到可用于短期售电量预测的数据集。运用曲线拟合分析原理,搭建售电量增长趋势模型,并了解售电量变化影响因素,基于此建立多元回归预测模型,通过粒子群求解得出精准的售电量预测结果。实验结果表明:所提方法的短期售电量预测结果,平均绝对百分比误差保持在5%以下。

基于残差U-Net和自注意力Transformer编码器的磁场预测方法

利用有限元方法对几何结构复杂的电机和变压器进行磁场分析,存在仿真时间长且无法复用的问题。因此,该文提出一种基于残差U-Net和自注意力Transformer编码器的磁场预测方法。首先建立永磁同步电机(PMSM)和非晶合金变压器(AMT)有限元模型,得到深度学习训练所需的数据集;然后将Transformer模块与U-Net模型结合,并引入短残差机制建立ResUnet-Transformer模型,通过预测图像的像素实现磁场预测;最后通过Targeted Dropout算法和动态学习率调整策略对模型进行优化,解决拟合问题并提高预测精度。计算实例证明,ResUnet-Transformer模型在PMSM和AMT数据集上测试集的平均绝对百分比误差(MAPE)均小于1%,且仅需500组样本。该文提出的磁场预测方法能减少实际工况和多工况下精细模拟和拓扑优化的时间和资源消耗,亦是虚拟传感器乃至数字孪生的关键实现方法之一。

高空电磁脉冲晚期环境下电力系统效应研究进展

高空电磁脉冲作为一种广域电磁攻击手段,能对电力设备造成较大冲击,甚至造成电力基础设施瘫痪,严重威胁新型电力系统安全。主要聚焦国内外高空电磁脉冲晚期环境下电力系统效应研究进展。首先,分析了高空电磁脉冲晚期环境下地磁扰动产生机理及感应地电场计算方法,建立了极端地磁感应电流的计算模型。其次,归纳了极端地磁感应电流注入情况下电力变压器、互感器、断路器等典型易损设备效应特征与机理。进一步地,分析了高空电磁脉冲晚期环境极下端地磁感应电流模拟注入装置和效应试验方法,总结了美国国防威胁降低局、美国电力研究院项目等相关试验和电力系统效应仿真与评估研究。最后,从高空电磁脉冲晚期环境效应机理、典型设备效应特征、模拟效应试验和系统级效应评估等层面总结了现有研究结论,梳理了下一步发展方向。

基于双电容器耦合和线性补偿的高稳定度平顶脉冲强磁场调控系统分析与设计

平顶脉冲磁场具备脉冲磁场强度高和稳态磁场稳定度高的双重优势,是现代物理科学研究的重要工具。为满足脉冲场核磁共振、I-V测量等科学实验对平顶脉冲磁场高稳定度的需求,该文提出基于双电容器回路耦合放电和线性补偿的平顶磁场调控方案。为此,理论分析双电容器回路耦合放电过程,建立配置主/辅回路电容电压和放电时序的优化方法,基于IGBT有源区的流控特性,设计线性调节补偿回路和前馈反馈相结合的控制器,研制与主磁体解耦的1 T补偿磁体,对双电容器回路耦合放电产生的背景磁场进行高精度调控,最终实现了强度为45.2 T、持续时间为8 ms以及稳定度为0.02%的平顶脉冲磁场,满足相关固态核磁共振等科学实验需求。

身管外壳对电磁轨道发射装置发射性能影响分析

电枢在发射过程中,瞬时变化的导轨电流会在金属身管外壳上感应出巨大的涡流,身管涡流会产生额外的损耗,同时外壳涡流的去磁效应会改变电枢、导轨等器部件的应力分布从而影响装置发射性能。该文建立了电磁轨道发射装置的数学模型,并针对整体式、上下分断式以及叠压式三种外壳结构有限元模型进行了电磁场-结构场联合仿真,获得了发射装置电磁参数和各部件应力分布。有限元电磁仿真结果表明,叠压式外壳结构外壳涡流最小、电感梯度最大、器部件应力最大,整体式外壳结构外壳涡流最大、电感梯度最小、器部件应力最小。全系统电气仿真和对比试验证明,在满足外壳支持强度和装置各部件应力条件下,选用高磁导率、低电导率的材料并设计抑制涡流的身管外壳结构,有利于提高发射装置电枢出口速度和系统效率,从而获得优良的发射性能。

电工装备低频电磁仿真中若干关键问题研究现状及趋势

低频电磁场仿真是电气装备智能化的基础核心技术。该文基于计算电磁学自20世纪60年代以来的发展历程,讨论了低频电磁场仿真中若干关键问题的发展现状,展望了当前数值仿真领域的发展趋势。首先,介绍了低频电磁场计算基本方程及数值离散方法;其次,对低频电磁场计算中材料建模的均一化、各向异性、磁滞模型等方面开展了分析和探讨;随后,针对空间多尺度、趋肤效应、开放边界以及变形与运动对低频电磁场仿真中网格和离散格式的特殊性进行了阐释,分析了当前电磁-力-热多物理耦合中的关键问题,介绍了数字孪生模型构建中基于物理模型和数据驱动的建模方法及近期工作;最后,对数值仿真在优化设计、人工智能、新一代仿真软件等方面的发展趋势进行了分析和展望。当前,多尺度多物理耦合建模仿真方法仍是电磁场计算领域的研究重点。传统数值仿真与新兴计算技术、人工智能的结合愈加紧密。智能制造和数字孪生等前沿需求下,电磁场计算面临高效迭代仿真和实时仿真的挑战,由物理模型和数据共同驱动的替代建模是解决这两方面挑战的重要手段。工业CAE仿真软件架构正在发生着深刻变革,迫切需要我国自主CAE仿真软件核心技术及应用生态的提升。

基于替代模型和贝叶斯推理的EIT电阻率反演

在生物组织电阻抗成像(EIT)技术中,介质电特性分布具有不确定性,因而研究概率框架下的重建方法具有重要意义.针对EIT中电阻率的不确定性反演及正问题调用过程中计算负荷庞大的问题,提出了基于替代模型和贝叶斯推理的参数反演方法.首先,针对4层同心圆头模型,采用拉丁超立方抽样方法进行训练,建立了EIT正问题计算的Kriging模型、BP神经网络模型和径向基函数(RBF)神经网络模型,并且甄别出精度最高的RBF神经网络替代模型.结果表明,替代模型在保证计算精度的条件下大幅提高了计算效率.然后,基于贝叶斯推理框架下的差分进化自适应多链并行DREAM_zs算法和在此基础上加入卡尔曼激励建议分布的DREAM_kzs算法,对EIT中的电阻率进行反演.结果表明,两种算法均能进行有效反演,DREAM_kzs算法有着更快的收敛速度和更高的识别精度,且灵敏度越高的参数反演效果越好,即头皮的反演效果最好,其次依次为颅骨、大脑和脑脊液.进一步,构造了基于真实CT图像的胸腔仿真模型,采用RBF模型作为正问题替代模型,利用DREAM_zs算法和DREAM_kzs算法对正常肺部组织和两种病变情况进行电阻率分布的图像重构.结果表明,两种方法均能有效反演,DREAM_kzs算法的性能均优于DREAM_zs算法,且外层单元的反演效果整体上要优于内层单元.仿真实验结果表明,基于替代模型和贝叶斯推理的方法可实现EIT电阻率的有效反演,可望为临床应用提供依据.

复合周期永磁聚焦系统轴向磁场计算方法

针对高功率和高频率真空电子器件对大电流低脉动电子注聚焦的要求,文中基于一种高峰值且高次谐波可调的复合周期永磁聚焦系统,建立了理论计算模型并对其进行了分析和验证。该结构引入新极靴构成复合周期调节磁场高次谐波,以提高大电流电子注的稳定性。为优化磁场高次谐波,进一步拓展磁场参量稳定区,考虑极靴处磁场强度的影响,在理想化模型的基础上建立修正型理论模型,通过分析聚焦结构各参数分别对不同谐波的影响,并与CST软件计算结果对比,将理论模型磁场峰值处计算误差由8.08%降低到3.91%,平均误差由1.30%降低到1.04%,为复合周期永磁聚焦系统快速设计提供了一种方法。