基于磁场补偿的定子永磁型磁场调制电机转矩性能提升研究

在定子永磁型磁场调制(stator-permanent-magnet field modulated,S-FMPM)电机的设计基础上,引入磁场补偿设计,以期改善磁场调制效应,为实现电机转矩性能提升提供可能。基于气隙磁场调制理论,建立S-FMPM电机的调制函数,并展现磁场调制过程,确定主要气隙谐波参与电机转矩性能研究。研究过程中,采用转子分区设计形成双气隙电机,使气隙磁场获得一定的补偿效果。接着,探讨双气隙电机的磁势分配规律,并基于此验证磁势利用效果的改善和电机转矩性能的提升;进一步,为改善该电机的磁场补偿效果,定义了体现磁势利用效果的谐波因子和反映转矩补偿效果的转矩补偿因子,分别作为优化目标,并引入分层优化策略对电机进行优化。最后,为了验证电机设计和优化分析的有效性,对电机电磁性能进行评估与分析,制造样机并进行实验,验证电机及其优化设计的合理性和有效性。

结构参数约束下的磁场补偿式双层时栅角位移传感器研究

时栅角位移传感器广泛运用于数控机床、工业机器人等领域中的角度测量。针对双层时栅角位移传感器测量过程中时变磁场分布不对称问题,提出了一种磁场补偿驱动方案,该方案通过对双层平面线圈分层分幅值激励来提高时变磁场的对称性。首先建立了传感器时变磁场参数化数学模型,根据磁场补偿思路确定了两层激励信号幅值比与传感器结构参数的关系;然后构建了仿真模型,并搭建了传感器实验系统;最后,进行了原有驱动方案与磁场补偿式驱动方案的对比仿真与实验分析。仿真数据表明,磁场补偿驱动方案优化了磁场分布,有效地减小了传感器节距内互补位置的感应电动势幅值差,双层时栅角位移传感器节距内测量误差减小了37.4%;实验数据表明,磁场补偿驱动方案使节距内测量误差降低至(-20.8″,12.6″)。仿真与实验数据的对比验证了磁场补偿驱动方案的有效性。

基于椭球约束的载体三维磁场补偿方法

在地磁导航中磁传感器会受到载体自身磁场的影响,为了提高磁场测量精度,需要对观测数据的载体磁场干扰进行精确补偿。在分析载体固有磁场和感应磁场数学模型的基础上,根据椭圆假设磁补偿方法的思路,提出了一种载体三维磁场干扰的补偿方法,并在椭球假设的基础上提出了载体磁场干扰补偿参数求解方法。该方法将载体磁场干扰补偿方法从二维拓展到三维,解除了载体二维运动姿态的限制。实验验证表明:该方法可以有效实现载体自身三维磁场干扰的补偿,从而提高地磁场的测量精度。

基于磁体模拟法的舰船磁场补偿技术

针对舰船消磁系统快速准确解算、通用性强的设计要求,以磁体模拟理论为基础,提出了基于磁体模拟法的舰船磁场补偿技术。通过将舰船磁场补偿问题转换为求解若干反向等效磁源的磁矩,建立一种通用数学模型来实现消磁过程,并在此基础上形成满足实际应用需求的简化模型。将船模实测数值与仿真结果进行反向比对,表明在垂向磁场补偿方面,通用数学模型与其简化模型所取得的磁场补偿效果十分接近,但简化模型的解算速度较快,更能满足工程实用要求。

一种实现弹体感应磁场补偿的仿真方法研究

针对目前磁补偿大多集中于算法研究而少有仿真和数值计算方面的研究,利用一种电磁场有限元分析软件Ansoft Maxwell的参数化计算功能,在静态磁场仿真环境下得到了导弹体表面上各点磁感应强度的数值解。通过数值计算的方法定性、定量地研究了真实大小模型的补偿效果,可以为磁探测器安装位置和材料相对磁导率的选取提供依据,缩短研发时间并降低成本。

舰艇感应磁场补偿多目标优化设计方法研究

针对现有单一目标优化存在的多目标无法兼顾导致非优化目标劣化的问题,提出了基于差异进化算法的多目标优化设计方法。首先,建立了以上方峰值最小、下方峰值最小、下方磁场梯度最小为目标的消磁绕组来调整多目标函数;然后,分别完成了以上、下方峰值同时最小,上、下方峰值及下方磁场均方根值同时最小为控制目标的设计验证。结果表明:该方法能快速得到满足不同战术指标的消磁绕组电流配置,供决策者按照自己的意图从中选择适合实际需要的满意方案。

磁场补偿对LVDT静态特性影响的研究

为改善因内部感应磁场分布不均导致差动变压器式位移传感器(Linear variable differential transformer, LVDT)线性度差、灵敏度低的问题,提出一种磁场补偿法。在LVDT次级线圈远端添加两个关于初级线圈对称的导磁环,同时将可动铁芯的末端设计成具有一定锥度的形式,导磁环和铁芯均为软磁材料。利用有限元方法在Maxwell中建立LVDT模型,模块化后导入Simplorer中,在Simplorer中连接外部激励电路进行瞬态磁场的计算机联合仿真。瞬态分析结果表明:经过磁场补偿,LVDT的线性度和灵敏度得到显著提高,线性度从1.79%提高到0.5%,灵敏度提高了17.9 mV/mm,通过搭建实验平台,验证了方案的可行性。

一种快速载体磁场补偿方法研究

在地磁导航应用中,地磁场的测量不可避免地会受到载体磁场的影响,降低了地磁导航的精度,因此必须对地磁测量数据中的载体磁场实时快速进行补偿.在详细分析载体上硬铁材料、软铁材料产生磁场在载体运动过程中的特性的基础上,提出了一种快速载体磁场标定及补偿方法.该方法本质上是将载体磁场补偿问题转化为椭圆拟合问题,利用带椭圆约束的最小二乘拟合方法对多于6个航向的捷联式三轴磁传感器测量数据进行椭圆拟合,进而实现载体磁场的快速标定和补偿.通过仿真试验表明,该方法具有简单快速,易于实现的特点,可以达到与磁传感器等精度的补偿效果,且在低信噪比情况下具有较强的鲁棒性.

磁场补偿式霍尔电流传感器

本文根据麦克斯韦电磁场理论,分析了霍尔电流传感器的原理,并介绍了一种磁场补偿式霍尔电流传感器。

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。

小型SERF原子磁力计三轴静磁场主动补偿电路设计

无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力计是当前灵敏度最高的磁场测量传感器,具有广泛的应用前景。而小型SERF原子磁力计易受到地磁环境及内部元件剩磁影响,需对磁力计周围剩磁进行补偿,使其工作在近乎零磁场环境下(<1 nT),以实现高量灵敏度测量。对此,文中基于现场可编程门阵列(FPGA)设计开发了单泵浦光小型SERF原子磁力计三轴静磁场主动补偿控制电路,通过对原子磁力计三轴线圈施加直流扫描磁场,快速准确实现了-60~60 nT三轴磁场同步补偿。测量轴方向平均补偿精度分别达到0.12 nT和0.25 nT,泵浦光轴方向平均补偿精度达到0.36 nT,可满足小型SERF原子磁力计高灵敏测量要求。

铁磁薄壳圆筒径向磁场补偿绕组配置及优化

针对铁磁性薄壳圆筒在地磁场磁化作用下引起的周围磁异常问题,进行了薄壳圆筒径向感应磁场补偿方法研究。以薄壳圆筒的磁场特征为研究对象,分析了其在垂向地磁下的径向磁化特征,并提出了双层补偿绕组配置方案。通过对所提方案中绕组安匝量以及布置位置进行优化,以空间磁场最佳补偿为目标,确定了最优的补偿绕组的布置位置及安匝量。与单层补偿绕组最优方案相比,双层绕组方案在磁异常补偿方面有显著的性能提升,为同类型结构体的径向感应磁场补偿绕组配置及优化提供理论基础。

单光束SERF磁强计三轴磁场解耦磁补偿校准方法

针对单光束SERF原子磁强计磁补偿过程中的三轴磁场耦合问题,提出了一种对磁强计三轴顺序补偿值进行反向校准的方法,用于减小三轴补偿过程中产生的耦合磁场。首先,构建了三轴磁场耦合数学模型,即一个3×3的耦合系数矩阵,来描述三轴之间的磁场耦合关系,并对实验室磁强计样机进行了三轴耦合系数测试。然后,提出了一种应用三轴耦合系数对三轴顺序补偿值进行反向校准的方法;最后,对比了校准前后的磁补偿效果。实验表明,经三轴顺序补偿反向校准后,磁强计的响应线宽平均变窄2~10 Hz,灵敏度提高3~5 fTHz,验证了该方法的有效性,为进一步优化磁补偿技术奠定了基础。

基于椭圆约束的新型载体磁场标定及补偿技术

在地磁导航中进行地磁测量时会受到载体磁场的影响,因此必须对测量数据中的载体磁场进行精确补偿,以提高磁场测量精度。本文根据硬磁材料磁场和软磁材料磁场的数学模型,提出了一种基于椭圆约束的载体磁场标定及补偿方法。该方法首先采用带椭圆约束的最小二乘拟合方法对捷联式磁传感器测量数据进行椭圆拟合,保证了拟合曲线必为椭圆,从而实现载体磁场的准确标定,然后利用标定参数实现对载体磁场的精确补偿。最后进行了一系列的仿真试验。试验结果表明了该方法具有简单快速,易于实现的特点,可以达到与磁传感器等精度的补偿效果。

一种水下载体干扰磁场的空间差分补偿方法

在水下地磁导航技术中,载体的干扰磁场是影响地磁场测量的关键因素之一。为了实现对载体更好的航向控制以及提高地磁导航的精确度,需要对载体的干扰磁场进行补偿。针对传统模型方法不能全面描述干扰磁场种类的不足,改进了传统测量模型表达式,提出了一种对载体干扰磁场进行补偿的空间差分模型方法,并对方法中传感器不同的安装位置做了详细的对比分析。通过仿真对补偿方法进行了验证,加入最大25n T外界杂散干扰磁场后,差分补偿结果精确度为10n T,比传统补偿方法的精确度提高了两倍。研究结果对水下载体地磁导航方法在实际中的应用具有一定的指导意义。

铁磁性设备补偿磁场的数学模型及其应用

研究用永磁体对铁磁性设备进行磁场补偿的问题,建立了补偿磁场的数学模型.将设备划分成若干个小长方体后,基于磁矩量法建立了数学模型,并对补偿磁场进行拟合.在计算模型中的耦合系数矩阵时,用多个点的平均值作为耦合系数的有效值,提高了计算结果的可靠性和稳定性.并且,针对永磁体距离设备很近时,设备呈现出的非线性磁化特性,通过优化方法求解各个单元的等效磁化率,这种方法不需要知道铁磁材料的磁化曲线和设备结构,便于计算和实际应用.最后,通过实验设计与数值计算,得到了永磁体对设备进行补偿的磁场分布,模型计算结果与实际测量数据误差在11%以内,这说明该模型能够满足工业要求,具有实际应用价值.

原子自旋陀螺仪核自旋磁场自补偿系统

原子自旋陀螺仪以其超高的理论精度已经成为各国争相研究的新一代陀螺仪,具有极大的开发价值和应用潜力。高精度原子自旋陀螺仪是以高质量原子自旋SERF状态的保持作为前提的,为了实现此目标就必须通过核自旋磁场自补偿以避免外界磁场变化对原子自旋定轴性的扰动作用。而国内现有原子自旋陀螺仪核自旋磁场自补偿方法大多依靠手动调节,精度不高且无法实时跟踪核自旋磁场自补偿点。因此,根据推导的原子自旋陀螺仪核自旋磁场自补偿动力学方程,进行了实时跟踪核自旋磁场自补偿点的仿真实验,在此基础上,基于美国NI公司的PXIe信号采集系统以及LabVIEW软件平台设计了自动跟踪磁场自补偿点的测试系统。最后结合试验平台进行了验证,结果表明所研制的原子自旋陀螺仪核自旋磁场自补偿系统可实时有效地跟踪核自旋磁场自补偿点,增强了原子自旋的SERF状态。

三维均匀磁场主动补偿系统及其特性研究

零磁场在基础物理、医学、生物等领域的研究和应用具有重要价值。为克服地磁场对零磁空间相关研究的干扰,设计并搭建了一种三维均匀磁场主动补偿系统,研究其磁场补偿的特点及试验条件对补偿的影响。首先采用Lee-Whiting线圈与cosθ线圈联合方案制作了三维圆柱形线圈并实现磁场补偿,提高空间利用率;其中,线圈及骨架均用无磁材料制作,三维线圈的中心点重合且轴线方向两两垂直。然后通过理论计算得出线圈磁场的分布。最后将理论数据与试验结果进行对比并对磁场均匀性进行分析,并测量周围环境扰动及磁场传感器扫描速度对测量结果的影响。试验结果表明:在磁补偿系统直径为3.0 cm,长度为16 cm的圆柱形空间中,中心区域磁场绝对值接近为零,且磁场变化为1%范围内的区域与所测试空间区域的比例,理论与试验的误差小于4.5%;当磁场传感器扫描速度不高于9 mm/s且环境噪声低于17 dB时,对测量结果影响较小且能保证测量效率。本系统在简化装置与控制成本的基础上,实现产生均匀磁场并补偿地磁场的功能,可为基于零磁空间的缺陷检测、心脑磁测量、生物行为变化等提供理论与试验参考。

基于改进蜉蝣算法的水下磁场测量误差补偿

针对ROV配置三轴磁力计近距离测量水下磁性目标磁场特征时存在干扰磁场的问题,提出了基于改进蜉蝣算法的磁场补偿方法,以提高水下磁场信息的测量精度。基于三轴磁力计本身的安装误差和ROV的干扰磁场建立了误差补偿模型;针对原始蜉蝣算法存在易陷入局部最优以及收敛精度差等问题,引入了Tent混沌序列和Levy飞行变异策略扰动原始蜉蝣算法中陷入局部最优的个体;利用三轴磁力计测量得到磁场信息,分别将原始蜉蝣算法、粒子群算法和改进的蜉蝣算法应用于补偿参数的离线寻优估计。试验结果表明改进的蜉蝣算法具有较快的收敛速度以及较高的补偿精度。

方形亥姆霍兹线圈磁场系统均匀性分析

方形亥姆霍兹线圈用于模拟零磁场或量程范围内的任意大小和方向的磁场,其磁场均匀区与线圈结构尺寸有关。为了得到其磁场均匀区与结构尺寸的关系,构建了方形亥姆霍兹线圈的数学模型,导出了线圈内部任意点的磁感应强度矢量表达式,得出了输出电流与产生磁场大小的对应关系,利用程控恒流源和磁强计跟踪补偿动态地模拟出稳恒磁场,对系统产生的磁场的均匀区进行了测定,分析表明,理论计算与实验结果有较好的一致性。