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。

船舶大容量直流配电板磁场抑制措施研究

基于Biot-Savart定律,结合配电板实际状态,分析了大容量直流配电板在通电状态下主汇流排及配电板整柜产生的外部磁场特征,根据其对所在船舶磁场的影响提出相应的磁场抑制措施,并对所提措施的效果进行仿真对比分析。研究结果表明,对主汇流排进行优化设计是大容量直流配电板在通电状态下磁场抑制的有效措施。

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。

低加速力波动感应线圈型发射器的外电路设计

感应线圈型发射器中每级驱动线圈都会对电枢产生脉冲形式的电磁推力,导致电枢在发射过程中加速力波动较大。过大的加速力峰值以及加速力波动都可能对载荷造成不利影响甚至损坏其内部携带的敏感电子器件,因而限制了感应线圈型发射器在实际工程应用中的价值。针对上述问题,提出一种多电容分时触发的新型驱动电路,并通过分析电容值和电枢触发位置变化对发射器发射效率的影响,说明了该电路的可行性。设计三种模式的驱动电路进行对比,研究结果表明:相比于其他电路触发模式,提出的分时触发模式在初始储能相同和电枢出口速度近似的情况下,电磁加速力峰值降低了2.04 kN,加速力波动降低了2.36 kN。因此,采用分时触发电容的驱动外电路,可以有效降低电枢的加速力峰值和加速力波动,并为携带敏感载荷的感应线圈型发射器的设计提供了参考价值。

基于L-SHADE算法的AUV载体磁干扰参数辨识的数值模拟

采用自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)磁测平台可开展海洋地磁场测量、水下磁性目标探测和识别等工作,AUV磁测平台具有广阔的应用前景,但目前AUV载体磁干扰补偿技术研究尚不成熟,制约着水下航行器测磁精度。基于磁测平台抗磁干扰基本原理,提出一种基于线性种群规模缩减和成功历史的参数自适应差分进化(Success History-based Adaptive Differential Evolution with Linear Population Size Reduction,L-SHADE)算法的AUV载体磁干扰参数辨识的数值模拟方法。用磁偶极子和旋转椭球壳混合模型来等效模拟AUV载体磁干扰,通过模拟航行获得多组磁测数据,据此建立磁干扰参数辨识模型,并采用L-SHADE算法求解。通过数值模拟实验定量分析研究磁测平台测磁精度随磁传感器、平台姿态及航向等误差的传播规律。研究结果表明:当磁传感器测量精度为10 nT、姿态测量精度为0.01°、航向测量精度为0.1°时,测磁误差可小于100 nT。设计的AUV磁测平台抗干扰试验表明,地磁场总量最大相对误差为1.07%。

基于棱边元的三维定点谐波平衡有限元法及其在非线性问题中的应用

为提升三维非线性电磁场仿真计算效率,提出了基于A、φ-A位组的三维定点谐波平衡有限元法。算法采用棱边元与节点元组合单元结构降低自由度,通过引入基于规范变换原则选取的标量位φ,保证矩阵方程的对称性。算法基于谐波平衡理论,实现了有限元方程系数矩阵的频域分解,使其适用于并行计算,并提出了直流分量定点磁阻率法及一种自适应的松弛因子选取方法,提升了算法非线性迭代的收敛速度。通过与传统时步有限元法及直流偏磁工况下的实验数据对比,验证了算法在三维涡流问题及考虑场路耦合的非线性问题上的有效性。在非线性工况下,分析了不同定点磁阻率选取方法对算法计算效率与收敛性能的影响。结果表明,在保证计算数值误差小于10-5时,相比其他定点磁阻率法,改进的定点磁阻率选取方法约降低31%的非线性迭代次数,29%的计算时间。

一种舰船高精度感应磁场快速正演建模方法

为了解决矢量积分方程法计算舰船感应磁场时效率较低和计算量较大的问题,提出一种基于简化标量磁位的积分方程正演模型,并引入多层自适应交叉近似(MLACA)算法,不仅能够保证磁场计算精度,还能大幅减少计算机的内存需求和计算时间。数值仿真表明,使用基于MLACA的标量积分方程法能够快速获取高精度的铁磁物体感应磁场。针对舰船铁磁材料的磁性参数不易获取的问题,基于磁场实测值和正演耦合模型,以磁场拟合度、磁化率先验分布和光滑约束条件为目标函数建立磁化率反演模型,并采用模拟退火(SA)算法优化得到等效磁化率的空间分布。球壳数值仿真和船模试验结果表明,磁化率反演优化模型有效可行,其中球壳磁场的预测误差为2.2%,船模磁场的预测误差约为4.8%。

基于低频表面超材料的超低场磁共振成像信噪比增强方法

超低场磁共振成像(ULF-MRI)设备具有成本低、质量轻、体积小等优点,在特殊领域的应用需求越来越大,如移动磁共振成像救护车、床旁监护、偏远地区等。但由于其磁场强度低,导致信噪比也较低,图像分辨率差,因此提升信噪比对促进ULF-MRI技术的发展具有重要意义。该文基于低频表面超材料的特性,提出一种电感-电容谐振阵列,用来提升ULF-MRI的信噪比。首先,建立了等效电路模型来评估磁场增强效果;其次,利用部分元等效电路法计算射频线圈的等效电阻和信噪比,根据成像要求设计优化谐振线圈结构,并提出考虑谐振耦合的匹配方法和线圈阵列的解耦方法。最后,利用自主研发的54.6 mT的ULF-MRI系统(工作频率:2.32 MHz)进行成像实验,图像信噪比得到显著提高。

消磁站水下磁传感器定位方法

采用消磁站海底平面磁传感器阵列进行测量是获取舰艇磁场的主要途径,水下磁传感器位置误差是影响舰艇磁场测量的主要因素。针对该问题,将磁场与深度测量数据相融合,提出一种基于磁场梯度优化的消磁站水下磁传感器定位方法。将通电螺线管线圈等效成磁偶极子,通过磁传感器位置偏差区域x和y方向的平均磁场梯度优化确定线圈的两组磁源移动位置,结合深度测量数据分别建立方程组构造目标函数,并采用动态学习策略多群体粒子群算法进行优化求解,从而实现消磁站水下磁传感器的高精度定位。在系统分析和评估深度传感器精度、环境磁噪声等影响规律的基础上,开展位置校正数值模拟和物理缩比模型实验。实验结果表明,该方法可有效地解决消磁站水下磁传感器的定位问题,定位误差小于0.1 m,能够满足舰艇磁场的测量要求。

磁阻型电磁发射器剩余能量回收电路的仿真与实验

对于传统磁阻型电磁发射器,驱动线圈中的剩余电流会对弹丸产生反向电磁力,这会直接影响弹丸出口速度和发射效率。针对这一问题,提出了一种具有剩余能量回收功能的磁阻型电磁发射器驱动电路。通过在电容放电支路设置调节电感,使放电完成后的电容产生反向电压,对晶闸管施加逆流脉冲使其自然关断,以切换电流流通路径来实现驱动线圈中剩余能量到电容器中的转移。回收的能量被储存在电容器中,可作为磁阻型电磁发射器下一个工作周期的初始储能,减少了电容预充电时间。对提出的剩余能量回收电路的工作原理进行了介绍,并与传统电路进行了仿真与实验对比。仿真与实验结果表明:此电路可以迅速回收驱动线圈中的剩余能量,减少了能量损耗,消除了反向电磁力,提高了弹丸出口速度与发射效率。

匀场线圈研究与设计工程实践平台搭建

匀场线圈是量子传感器中的关键部件,在原子磁强计实验中,线圈产生的磁场用于抵消剩余磁场,使磁强计在接近零磁的均匀磁场下工作,实现超高灵敏磁场测量。实验室搭建了支持匀场线圈理论研究、工程设计、测试验证的工程实践平台。平台以线圈磁场分布物理模型为基础,支持利用程序算法优化线圈结构参数,设计加工并测试线圈常数和均匀度指标。学生通过平台完成理论建模和工程实验,加强了对线圈磁场原理的理解,在优化设计过程中锻炼了数学思维,提升了工程实践能力。

电枢及导轨几何参数对电磁轨道发射器电感梯度的影响

电枢是电磁轨道发射器的关键部件,但以往对电感梯度的研究认为电枢距离炮尾部无穷远,忽略了电枢对导轨电感梯度的影响。为此,首先分别建立电磁轨道发射器的二维和三维模型,对比分析了无电枢部分导轨的电感梯度和电枢附近部分导轨电感梯度之间的差异;然后,基于有电枢的电磁轨道发射器三维模型,探究了U形电枢尺寸对电磁轨道发射装置电感梯度的影响。研究结果表明:随着导轨宽度,导轨间距,导轨厚度的增加,无电枢部分导轨的电感梯度和电枢附近部分导轨电感梯度之间的误差均逐渐增加;随着两种电枢宽度的增加,电磁轨道发射器电感梯度呈减小趋势,但变化量较小。

超低场磁共振膝关节正交接收线圈设计

射频接收线圈是磁共振成像(MRI)系统中的关键部件,用于检测变化的磁场,其性能直接影响图像的质量。超低场MRI射频接收线圈工作在较低频率,其阻抗特性不同于传统临床MRI射频接收线圈。理论上正交接收线圈比单通道线圈的信噪比(SNR)可以提高41%。而与阵列线圈相比,正交接收线圈可以用更低的成本与设计复杂度达到很好的成像效果。因此该文研究了一种用于超低场MRI(50.4 mT)系统的膝关节正交接收线圈,它由鞍形线圈和亥姆霍兹线圈组成。首先,确定了线圈的支撑结构及尺寸,并通过计算单匝接收线圈的效率及磁场的不均匀性来确定鞍形以及亥姆霍兹线圈的最优尺寸。然后,实测了线圈交流电阻,来评估线圈不同匝数的SNR,发现匝数增多会使得交流电阻显著增加,从而使SNR随着线圈匝数增加先增加后减少。最后,得到了两线圈的最佳匝数,并制作了正交接收线圈,从CuSO_(4)·5H_(2)O体膜以及体内膝关节成像来评估正交接收线圈的性能。在体膜和体内膝关节成像中,正交接收线圈与单通道线圈相比,图像SNR分别最大程度地提升了约33.5%和30.9%。

同轴圆环永磁体磁力计算与实验对比研究

采用等效电流法对同轴圆环永磁体之间的磁力进行建模分析,得到含有广义完全椭圆积分的解析表达式,并使用数值方法对解析方程进行求解,得到模型在任意尺寸下磁力计算结果。通过有限元软件对磁力进行仿真计算,使用模型结果对仿真结果进行预测,得到R2值均大于0.995。最后将模型应用于一种抗磁悬浮能量采集器分析中,对悬浮磁体悬浮间隙进行研究,并将求解结果与实验结果进行对比,15组参数实验的模型计算误差均小于5%,验证了同轴磁体间相互作用力的有效便捷计算方法。通过Matlab求解磁体间磁力的方法,可用于基于磁力作用机理的驱动器和传感器分析与设计。

电磁发射用一体化C形电枢的结构设计

为对电磁发射用一体电枢结构进行合理的设计,选取C形一体电枢的部分结构参数作为研究目标,通过对电枢进行建模仿真,对一体电枢的结构参数变化对其电流密度分布、与轨道接触面上的接触压强分布进行了计算,并通过对比获得了部分结构参数变化对电流密度和接触压强分布的影响规律。电枢的两翼厚度和头部厚度对通过电枢的电流密度和电枢上产生焦耳热分布的最大值区域有明显影响,而长度增加对这些特性分布的幅值和位置影响不大。30mm尾翼长的模型中,接触压强较大的主要范围为其后半部分,与实验结果比较一致。设计制作了不同结构的铝合金电枢,进行发射实验,并测量通过电枢的发射电流、观测发射后的电枢轨道接触面状况。发射实验结果显示,加长电枢两翼长度,可以一定程度的扩大电枢-轨道良好接触区域的面积,头部厚度7mm的铝电枢在20mm口径的发射装置中可以满足通流250kA以上不至于产生物理破坏。通过对计算和实验结果的分析比较,提出进一步工作展开的方向应为将数值计算和实验现象建立直观的联系。

基于直流偏磁实验的叠片铁心磁化特性分析

铁心中直流磁通的预测是研究变压器直流偏磁问题的关键。本文提出基于损耗函数的改进迭代法,在考虑磁滞效应的同时对基本磁化曲线进行修正,计算叠片铁心内的直流磁通。通过比较励磁电流的测量值与计算值,验证了该方法的有效性和正确性。获得了直流偏磁条件下叠片铁心的磁滞回线和基本磁化曲线,对有无直流偏磁条件下的基本磁化曲线进行了比较。提出了准确模拟直流偏磁磁滞回线的方法,并分析了直流偏磁下的铁心损耗。

多谐波源用户的谐波责任分摊的定量分析

提出了一种分步分摊电压电流的谐波责任分摊方法。在考虑滤波器、谐波电压和谐波电流初相角、谐波源用户数目等因素的基础上,对该方法的分摊原理进行了分析,建立了多谐波源用户的谐波电压和电流责任分摊的通用数学模型,并给出了详细的实施步骤;最后,以某3谐波源用户系统为例,建立了PSCAD仿真模型,仿真分析了滤波器投入对谐波责任分摊的影响;结果表明所提方法可很好地分摊多谐波源用户间的谐波责任,大幅提高了谐波责任分摊的精确性。

处理电磁场有限元运动问题的新方法

该文总结了电磁场有限元分析中处理运动问题的现有处理方法,指出现有方法中存在的效率低、通用性不强和时间步长不确定等缺点。通过对现有独立坐标系方法的改进,提出一种新的处理方法。新方法不再受运动边界节点必须始终一一对齐的约束,在计算过程中时间步长可以保持为定常数,而空间步长由计算结果决定,取消了有限元网格单元边长对空间步长的限制。通过对异步电机暂态起动过程的计算,证明了新方法的有效性。新方法可以有效地提高电磁场有限元分析中对运动问题处理的时间效率。

基于组合式场路耦合法的多绕组变压器建模与阻抗参数设计

为解决低励磁阻抗多绕组变压器建模、多绕组变压器复合短路阻抗及多并联支路间电流分配计算的问题,基于组合式场路耦合分析,给出一种高效、通用的多绕组变压器建模和阻抗参数设计方法。根据初步设计的变压器结构,采用磁场能量法,二次开发出基于ANSYS参数化设计语言(ANSYS parametric design language,APDL)的三维静态磁场专用分析程序,计算出多绕组电感矩阵,并以此为依据构建多绕组变压器的线性仿真模型,进行相关仿真研究。通过仿真结果反馈的信息适当修改变压器结构以满足要求。实验结果表明,所提方法能够准确计算出多并联支路间电流分配,各种短路工况下复合短路阻抗计算结果可满足工程实践的需要。

汽轮发电机不同冷却介质对定子传热特性的影响

为研究大型汽轮发电机通风冷却系统对电机定子区域的冷却情况,研究不同冷却介质对电机温度分布的影响,以200MW汽轮发电机为例,建立半个轴向段的多风路通风系统三维流动与传热耦合的物理模型和数学模型,采用数值方法对采用不同冷却介质的电机流体场和温度场进行了耦合计算,定量分析空气和氢气冷却能力对电机温升的影响。分析流体性质的改变对气隙轴向流速分布和不同通风沟入口风速的影响;计算得到了流固耦合面上的散热系数的具体分布;分析定子主绝缘的温降变化,发现氢冷时绝缘温差比空冷时要低13℃,有助于减小热应力对绝缘造成的损害。